CN110762852A - 一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，其结构是直通管外管为玻璃管，内管为不锈钢管，内外管之间进行金属封接并抽成真空，不锈钢管外表面涂上选择性太阳能吸收涂层，直通管同心套上管式SOEC电解池，并四周固定，形成水蒸气与氢气和氧气通道。这样在聚光条件下，真空直通管可以直接接收太阳光线并提供SOEC电解池电解过程所需的热能，无需经过中间介质的换热过程，可有效提升太阳能的利用效率。

Description

一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管
技术领域
本发明涉及一种直接利用太阳能集热电解制氢的集热管，具体涉及一种应用于槽式太阳能集热系统中的高温集热与电解转换制氢的一体化集热管。
背景技术
近年来，太阳能利用技术得到了广泛的应用，太阳能光伏发电已成为可再生能源的重要来源，同时聚焦式太阳能热发电也获得了大力的发展。太阳能热发电具有能源转换效率高、污染小、成本低的特点，有望取代传统的火力发电系统。
传统的槽式太阳能聚焦集热系统结构主要由抛物槽式聚光器和真空直通管组成，抛物槽式聚光器将太阳光聚集到真空直通管上，利用真空直通管上的太阳能选择性吸收涂层将太阳光能转换成热能，加热管内导热介质。这种集热方式一般可以产生高达几百度的热流体，用于发电或其它用途。但这种集热方式只能实现太阳光能到热能的转换，如果与热发电结合，则由于中间过程传输的损失，其热效率会大大降低。
固体氧化物燃料电解池(SOEC)是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆过程，可以将水蒸气和二氧化碳电解转换成氢气和一氧化碳，将电能储存到燃料中，实现分布式能源的“削峰填谷”以及“弃电”的充分利用。然而，SOEC的工作过程除需消耗电能外，还需消耗热能，其工作温度越高，则消耗的热能越高，电能越低。
太阳能与SOEC联合制氢是一种高效、清洁的可持续能源转换系统。利用太阳能聚焦集热来满足SOEC电解过程的热能需求是一种有效的方式，可提升太阳能的利用率和制氢效率。
公开号为106498431A，其公开日期为2017年3月15日的名称为《一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法》的中国发明专利，公开了一种利用碟式太阳能聚光集热器加热集热管内液态金属，然后利用液态金属换热提供SOEC电解过程所需的热能。该技术方案的不足之处是：碟式太阳能集热器收集的太阳能需先提供给导热介质，然后导热介质经换热后再提供给SOEC，从太阳能到SOEC经历了几次换热过程，导致热损失增加，同时，碟式太阳能集热器与SOEC是单独连接的，导热介质流动过程也存在热损失。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，该管将管式SOEC电解池与真空直通管结合在一起，能很好地利用太阳能，节省太阳能能转换及传输过程的能量损失。该管结构简单、工作可靠、制造加工方便，并可以提高集热管及太阳能系统的综合效率。
为了解决上述技术问题，本发明一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管予以实现的技术方案是：该真空直通式集热管包括真空管，所述真空管的外管为玻璃管，所述真空管的内管为耐高温不锈钢管，不锈钢管外表面涂有太阳能选择性吸收涂层，所述不锈钢管管内放置管式SOEC电解池，不锈钢管内侧与管式SOEC电解池外测之间的通道为水蒸气及氢气通道，管式SOEC电解池通过其圆周方向四个固定装置将其与不锈钢管固定形成水蒸气及氢气通道，所述SOEC电解池由阳极层、阴极层以及电解质层组成，其最外侧为阴极层，中间层为电解质层，最内层为阳极层，所述SOEC电解池内管为氧气通道。
本发明一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，其中，所述SOEC电解过程通入水蒸气，所需电能通过外部电源导线接入直流电，正、负极分别与阳极和阴极连接，所述真空管的外管和内管之间采用金属封接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)将管式SOEC直接套入真空直通式集热管，可以直接将涂层吸收的太阳能提供给SOEC电解过程所需的热能，无需进行导热介质的换热，这样大大降低了换热的损失。
(2)将管式SOEC套入真空直通式集热管，可以利用集热管与管式SOEC之间形成的通道将产物氢气和氧气分开，同时，集热管与管式SOEC之间形成的外通道还可以实现对水蒸气的加热。
(3)将两都合二为一，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为本发明一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管的结构示意图
图2为图1中A-A位置剖视图。
图中，1玻璃管，2真空腔，3选择性太阳吸收涂层，4不锈钢管，5水蒸气与氢气通道，6支撑架，7SOEC电解池，8氧气通道，9金属封接件，71SOEC阴极层，72SOEC电解质层，73SOEC阳极层。
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，本发明一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，包括玻璃管1，真空腔2，选择性太阳吸收涂层3，不锈钢管4，水蒸气与氢气通道5，支撑架6，SOEC电解池7，氧气通道8，金属封接件9，其中，SOEC电解池7由SOEC阴极层71、SOEC电解质层72以及SOEC阳极层73组成。
所述真空腔2由玻璃管1与不锈钢管4形成，玻璃管1与不锈钢管4两端通过金属封接件9进行封接；所述不锈钢管4外表面涂有选择性太阳吸收涂层3，用以吸收太阳光能并转换成热能；所述SOEC电解池7同心套入不锈钢管4内，并通过支撑架6四周进行支撑固定，在不锈钢管4与SOEC电解池7之间形成水蒸气与氢气通道5，提供SOEC电解池7电解过程的水蒸气，同时将产生的氢气流出，而SOEC电解池7内管则形成氧气通道8；所述SOEC电解池7与不锈钢管两端采用耐高温材料进行密封并保温，仅留有水蒸气入口、水蒸气与氢气出口以及氧气出口。
所述SOEC电解池7为管式结构，其沿径向方向由内向外分别为SOEC阴极层71、SOEC电解质层72以及SOEC阳极层73，SOEC电解池7的阳极和阴极分别与外部电源的正、负极连接，以提供电解过程中所需的电能。
本发明一种的工作过程是：太阳光线通过抛物槽式聚光器的反射，聚焦到集热管的不锈钢管的太阳能涂层上，太阳能涂层吸收光线将不锈钢管加热产生高温，辐射及传导到SOEC电解池上，并同时加热SOEC电解池与不锈钢管之间通道内的水蒸气，SOEC电解池接入电源后可以将水蒸气电解产生氢气和氧气，其电解过程中的热能由太阳能提供，而电能则由外部电源接入，电解产生的氢气随未反应的水蒸气混合流出，进行冷却分离提纯，而氧气则可直接从氧气通道流出。
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 (4)

1.一种槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，包括：玻璃管1、不锈钢管4、SOEC电解池7等，其特征在于，
所述不锈钢管4同心套入玻璃管1内，玻璃管1与不锈钢管4两端通过金属封接件9进行金属封接，所述玻璃管1与不锈钢管4之间为真空腔2；
所述不锈钢管4外表面上通过磁控溅射工艺喷涂有选择性太阳吸收涂层3；
所述SOEC电解池7同心套入不锈钢管4内，并在SOEC电解池7外侧四周与不锈钢管4之间采用支撑件6进行支撑固定，在SOEC电解池7与不锈钢管4之间形成水蒸气与氢气通道5，所述SOEC电解池7内管为氧气通道8。
2.根据权利要求1所述的槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，其特征在于，所述SOEC电解池7为管式结构，沿径向方向由内向外分别为SOEC阴极层71、SOEC电解质层72和SOEC阳极层73。
3.根据权利要求1所述的槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，其特征在于，所述SOEC电解池7与不锈钢管4两端采用陶瓷或耐高温泡沫铝密封，水蒸气与氢气通道5两端分别设置进、出口，氧气通道8只设出口。
4.根据权利要求1所述的槽式聚光集热电解制氢的真空直通式集热管，其特征在于，所述SOEC电解池7正负极两端分别由阳极和阴极引出。
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