CN110760873B - 一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，包括SOEC电解池、光伏板、吸热腔、水蒸气通道等。其结构是将光伏板中间开口并与管式SOEC电解池一端固定，管式电解池外层和另一端面包裹保温层，内层涂有太阳能选择性吸收涂层，太阳能光伏板与SOEC电解池内形成吸热腔，聚集太阳能一部分直接照射到光伏板上发电，另一部分通过圆孔进入吸热腔内加热SOEC电解池，光伏发电直接与SOEC电解池连接，提供电解水所需的电能，而吸热腔则提供所需的热能。本发明的有益效果是可直接利用太阳能实现电解水制氢，无需额外的能量输入，同时结构简单，太阳能利用效率高。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏光热和电解制氢领域，尤其涉及一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置。
背景技术
当前，能源与环保问题是人类面临的主要问题。煤炭、石油等常规能源蕴藏量有限、分布不均且造成严重的环境污染。太阳能、风能等清洁能源的开发利用是解决能源与环保问题的重要途径。
在可再生能源中，太阳能光热利用技术及其产业异军突起，成为能源工业中的一支后起之秀。太阳能光伏发电被认为是可再生能源中最具发展潜力的一种发电方式，并且有了广泛的发展，但是太阳能具有间歇性和不易储存及运输等弱点，同时，太阳能资源分布的不平衡导致太阳能发电的供需之间的矛盾，弃光弃电现象仍然较为严峻。
与太阳能相比，氢能以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体和储能方式。目前，氢的主要来源是化石燃料的重整，只有大约5％的氢是通过可再生能源的转换制取的。化石燃料的重整制氢虽具有产量大、技术成熟等优点，但产生的氢气纯度不高，而且存在能耗和环保的问题。
利用可再生能源所产生的电能进行电解水制氢是最为成熟和最有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。电解水制氢主要有碱性电解水制氢、固体聚合物电解水制氢以及高温固体氧化物电解水制氢。
固体氧化物燃料电解池(SOEC)是一种高效、低污染的能量转化装置，可以将电能和热能转化为化学能。从原理上讲，SOEC可以看作是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆过程。高温使系统降低了电能消耗，制氢效率得到提高，SOEC制氢系统电解效率可达90％以上，总制氢效率高达55％。
从热力学角度，电解水制氢所需的能量来源由两部分构成，即电能和高温热能。太阳能光伏发电和太阳能集热可以生产电能和热能，将太阳能与SOEC联合可利用太阳能光伏发电提供电解水所需要的电能和利用聚焦太阳能，如槽式、塔式、碟式等，热利用系统提供电解水所需要的热能可有效地提高制氢系统的效率，实现太阳能电解水制氢的完成供应。
公开号为209292493U，其公开日期为2019年8月23日的名称为《一种光伏电解水制氢装置》的中国实用新型专利，公开了一种利用光伏发电用于电解水制氢，将光伏组件置于太阳灶体上方，利用太阳灶聚焦太阳能到光伏组件上发电，从而用于电解水制氢。该技术的不足之处在于，该装置只提供电解水过程中所需的电能，同时，采用的是效率较低的碱性电解池。
公开号为10469495B，其公开日期为2015年06月10日的名称为《一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统》的中国发明专利，公开了一种利用聚光装置集热储热，然后利用高温热管换热器将热能输送至制氢及分离模块。该技术的不足之处在于，需要单独提供SOEC电解过程所需的电能，同时，需先将太阳能集热至1000℃的高温，然后通过换热器换热后传输至制氢模块，对太阳能的利用是间接利用，中间换热过程能量损失大，会导致太阳能利用效率低。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，将太阳能聚焦后分别分配到光伏板和SOEC电解池形成的空腔内，利用光伏板发电作为SOEC电解水所需的电能，而所需的热能则由照射到空腔内的太阳能吸热提供。该装置直接将太阳能光伏发电与光热集成在一体，同时提供SOEC电解过程所需的电和热，具有结构简单、效率高的特点。
为了解决上述技术问题，本发明一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置予以实现的一个技术方案是：包括高温保温层、SOEC电解池、光伏板和吸热空腔；所述SOEC电解池为管式结构，管外至管内分别为阴极、电解质和阳极；所述SOEC电解池阴极外为耐高温保温层，另一端也由保温层填充，SOEC电解池阳极内测涂有太阳能选择性吸收涂层，形成太阳能加热空腔；所述光伏板为圆形结构，中间留有开口，以分配太阳能进入空腔加热，光伏板与管式SOEC进行固定；所述SOEC电解池阴极和阳极分别有进出口通道；
所述光伏板正、负极分别与SOEC电解池的正负极导出线连接，太阳能光伏发出的电直接用于SOEC电解水制氢。
本发明一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，其中，所述光伏板开口大小可以利用隔板控制，根据SOEC电解水过程中所需电能与热能的需求自动调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)将太阳能光伏作为SOEC电解池电解过程所需的电能，可以实现光伏发电到燃料的直接转化，无需增加电力的输送，可以解决分布式光伏电能远距离输送与过剩的问题。
(2)太阳能光伏光热耦合在一起，可以实现SOEC电解过程电能和热能的同时供应，并能实现电能与热能之间需求比例的调节。
(3)将太阳能光伏与光热耦合在一起，既节省了空间，同时也实现了轻巧、灵活的使用。
附图说明
图1为本发明一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置的结构示意图；
图2为图1中轴对称剖视图。
图中，1水蒸气通道，2氧气通道，3保温层，4吸收器圆孔，5光伏板，6SOEC电解池，7吸热腔，61阳极层，62电解质层，63阴极层
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，包括水蒸气通道1，氧气通道2，保温层3，吸收器圆孔4，光伏板5，SOEC电解池6，吸热腔7等。
所述SOEC电解池6为管式结构，主要由从外向内依次同轴布置的阳极层61、电解质层62和阴极层63组成；所述SOEC电解池6管外和管内分别布置由银网制成的外管体和内管体，作为氧气和水蒸气及燃料的通道；所述SOEC电解池6管外及一侧采用保温层3进行隔热保温，SOEC电解池6管内采用磁溅射喷涂上太阳能选择性吸收涂层；所述光伏板5为圆形结构，中间开有吸收器圆孔4，吸收器圆孔4采用与圆孔大小相等的挡板进行遮挡和打开，可以根据要求开大或关小圆孔的开度，光伏板5与所述SOEC电解池6管另一侧固定，从而形成一中间开口的吸热腔7。
所述SOEC电解池6的水蒸气入口通道1从保温层3中引出，产生的氧气则从氧气通道2引出。
所述光伏板5的正负极分别与所述SOEC电解池的阳极及阴极连接，连接线为耐高温导电线。
本发明一种的工作过程是：太阳光线通过碟式或塔式聚光器的反射，聚焦到光伏板上，光伏板中心的太阳光伏通过吸收器圆孔进入吸热腔内，涂在SOEC阴极外侧的太阳能吸收涂层吸收到达腔体内的光伏，转换成热能，并加热SOEC电解池，提供SOEC电解池电解水所需的热能，而照射在光伏板上的太阳光则可直接产生电能，产生的电能直接供给SOEC电解池，吸收器圆孔可增加挡板，可根据SOEC电解池电解过程所需热能来调节圆孔的大小，从而可控制进入吸热腔体内的光线，SOEC电解所需的水蒸气以及产生的燃料气可通过专门的通道进入及排出，为降低能量损失，SOEC电解池管外及光伏板对面均利用保温层进行隔热。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，包括：水蒸气通道（1）、氧气通道（2）、保温层（3）、吸收器圆孔（4）、光伏板（5）、SOEC电解池（6）、吸热腔（7），其特征在于，
所述SOEC电解池（6）由阳极层（61）、电解质层（62）和阴极层（63）组成；
所述SOEC电解池（6）管外及一侧采用保温层（3）进行隔热保温；所述光伏板（5）为圆形结构，中间开有吸收器圆孔（4），吸收器圆孔（4）安装有与圆孔大小相等的挡板，挡板可以对吸收器圆孔（4）进行遮挡和打开，根据要求开大或关小圆孔的开度；所述光伏板（5）与所述SOEC电解池（6）管另一侧固定，从而形成一中间开口的吸热腔（7）；
所述SOEC电解池（6）的水蒸气通道（1）从保温层（3）中引出，产生的氧气则从氧气通道（2）引出；
所述SOEC电解池（6）管内表面通过磁控溅射工艺喷涂有选择性太阳吸收涂层；
所述光伏板正、负极分别与所述阳极层（61）、阴极层（63）的连接线相连。
2.根据权利要求1所述的耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，其特征在于，所述SOEC电解池（6）为管式结构，主要包括由外向内依次同轴布置的阳极层（61）、电解质层（62）、阴极层（63）。
3.根据权利要求1所述的耦合太阳能光伏光热的高温固体氧化物电解池装置，其特征在于，所述光伏板（5）为多倍聚光光伏板。
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