CN113074095B - 太阳能和热声发电联合制氢系统 - Google Patents

太阳能和热声发电联合制氢系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能和热声发电联合制氢系统，包括太阳能集热装置、热声发电装置和电解水制氢装置，所述太阳能集热装置的输出端通过输热总管道分别与所述热声发电装置和所述电解水制氢装置连接，所述热声发电装置通过电能转换装置与所述电解水制氢装置连接；所述电解水制氢装置为采用固体氧化制氢方式制氢的电解水制氢装置。本发明中所述太阳集热装置收集的热量一部分传输至所述热声发电装置，转化电能，并通过所述电能转换装置整流作用，提供给电解水制氢装置实现电解水制氢，另一部分热量传输至电解水制氢装置，为固体氧化物分解提供高温驱动热，提高制氢效率和产量，进而实现采用清洁能源高效制氢，降低能耗和成本。

Description

太阳能和热声发电联合制氢系统
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，尤其涉及一种太阳能和热声发电联合制氢系统。
背景技术
氢能被认为是最具发展潜力的清洁能源，与其他能源相比，氢能具有密度小重量轻、导热性好、资源丰富、燃烧性能稳定、热值高以及燃烧产物清洁环保无污染的特点，是一种十分优质的二次能源，在节能减排和可持续发展中发挥着极其重要的角色，因此，其制取、存储、运输和应用技术也成为了关注和研究的焦点。
目前，制取氢气的方法主要有各种矿物质燃料制氢、氯碱工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢以及光化学催化制氢等。其中，各种矿物燃料制氢法由于制氢成本最低，适用规模大，是目前最主要的制氢方法。
但普遍存在制氢能耗大、成本高所、污染严重以及氢能生产、储存、输运过程脱节的问题。
发明内容
本发明提供一种太阳能和热声发电联合制氢系统，用以解决现有技术中制氢能耗大、成本高所和污染严重的缺陷，实现清洁高效制氢，降低能耗和成本，保护环境，提高制氢产量和效率。
本发明提供一种太阳能和热声发电联合制氢系统，包括太阳能集热装置、热声发电装置和电解水制氢装置，所述太阳能集热装置的输出端通过输热总管道分别与所述热声发电装置和所述电解水制氢装置连接，所述热声发电装置通过电能转换装置与所述电解水制氢装置连接；
所述电解水制氢装置为采用固体氧化制氢方式制氢的电解水制氢装置。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，所述太阳能集热装置的输出端通过并联设置的第一输热管道和第二输热管道与所述输热总管道连接，所述第二输热管道设有储热装置。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声低温制冷机，所述热声低温制冷机与所述太阳能集热装置的输出端连接，所述热声低温制冷机与液化装置连接，所述电解水制氢装置连接有储气罐，所述储气罐与所述液化装置连接，所述液化装置连接有液氢输送装置。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声制冷装置，所述热声制冷装置与所述太阳能集热装置的输出端连接。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，所述输热总管道设有第一阀门；
所述输热总管道通过第一输热支管道与所述热声发电装置连接，所述第一输热支管道设有第二阀门；
所述输热总管道通过第二输热支管道与所述电解水制氢装置连接，所述第二输热支管道设有第三阀门；
所述输热总管道与第三输热支管道连通，所述第三输热支管道通过第一输热分支管道与所述热声低温制冷机连接，所述第三输热支管道通过第二输热分支管道与所述热声制冷装置连接，所述第三输热支管道设有第四阀门；
所述第一输热支管道、所述第二输热支管道和所述第三输热支管道并联，所述第一输热分支管道与所述第二输热分支管道并联。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括燃烧装置，所述燃烧装置与所述储气罐连接，所述燃烧装置通过输热次管道分别与所述热声发电装置、所述热声低温制冷机和所述热声制冷装置连接。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，所述电解水制氢装置与第一逆流换热器连接，所述热声发电装置与第二逆流换热器连接，所述热声制冷装置与第三逆流换热器连接，所述第一逆流换热器、所述第二逆流换热器和所述第三逆流换热器通过循环水管道串联。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声冷热电联产装置，所述热声冷热电联产装置与所述太阳能集热装置的输出端连接。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，所述电能转换装置分别与家庭用电装置、蓄电池和电网连接，所述电网与并网装置连接。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，所述电网与所述电解水制氢装置连接。
本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，通过设置太阳能集热装置、热声发电装置和电解水制氢装置，所述太阳能集热装置的输出端通过输热总管道分别与所述热声发电装置和所述电解水制氢装置连接，所述热声发电装置通过电能转换装置与所述电解水制氢装置连接，所述太阳集热装置收集的热量一部分传输至所述热声发电装置，转化电能，并通过所述电能转换装置整流作用，提供给电解水制氢装置实现电解水制氢，另一部分热量传输至电解水制氢装置，为固体氧化物分解提供高温驱动热，提高制氢效率和产量，进而实现采用清洁能源高效制氢，降低能耗和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的太阳能和热声发电联合制氢系统实施例一的结构示意图；
图2是本发明提供的太阳能和热声发电联合制氢系统实施例二的结构示意图；
图3是本发明提供的太阳能和热声发电联合制氢系统实施例三的结构示意图；
图4是本发明提供的太阳能和热声发电联合制氢系统实施例四的结构示意图；
图5是本发明提供的太阳能和热声发电联合制氢系统实施例五的结构示意图；
附图标记：
1：太阳能集热装置；2：储热装置；3：第一阀门；4：第四阀门；5：热声制冷装置；6：热声低温制冷机；7：热声发电装置；8：电解水制氢装置；9：电能转换装置；10：储气罐；11：液化装置；12：液氢输送装置；13：热声冷热电联产装置；14：家庭用电装置；15：蓄电池；16：电网；17：并网装置；18：第三逆流换热器；19：燃烧装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1至图4描述本发明的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，包括太阳能集热装置1、热声发电装置7和电解水制氢装置8，太阳能集热装置1的输出端通过输热总管道分别与热声发电装置7和电解水制氢装置8连接，热声发电装置7通过电能转换装置9与电解水制氢装置8连接；电解水制氢装置8为采用固体氧化制氢方式制氢的电解水制氢装置。可以理解的是，太阳能集热装置1用以收集太阳能的热量，太阳能集热装置1包括太阳能集热器。太阳能集热装置1的输出端与热声发电装置7连接，实现通过输热总管道将太阳能集热器收集的热量传输至热声发电装置7，热声发电装置7利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能，进而转化产生电能E。热声发电装置7通过电能转换装置9与电解水制氢装置8连接，电能转换装置9将热声发电装置7产生的交流电进行整流，整流后的电能输送至电解水制氢装置8，进行电解水制氢。太阳能集热装置1的输出端与电解水制氢装置8连接，实现太阳能集热装置1收集的部分热能通过输热总管道输送至电解水制氢装置8，为固体氧化物分解提供高温驱动热，同时利用电能和高温热，促进电解水制氢装置8制氢反应产生氢气，提高制氢效率和产量。也就是说，太阳能集热装置1收集绿色无污染可再生的太阳能产生热量，其中一部分热量传输至热声发电装置7，将热能转化为电能，并通过电能转换装置9整流后输送至电解水制氢装置8，为电解水制氢装置8提供电能；另一部分热量传输至电解水制氢装置8，作为高温驱动热，加速制氢反应，提高电解水制氢装置8的制氢效率和产量。
值得说明的是，热声发电装置7包括热声热机，在一个实施例中，热声热机为外燃式热声热机，能源适应性好，可靠性高。广义的热声热机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器组成，辅助部件通常还可以包括热缓冲管、次水冷器、谐振管、排出器。在热声热机中，只要存在高温热源，回热器轴向的温度梯度达到一定值，系统就会自激振荡，即系统自发地将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，一部分通过低温部件即水冷器传递给环境。
热声热机是一种利用热能产生流体往复运动的装置，其工作频率很宽，一般在几赫兹至上千赫兹。热声热机连接直线电机、制冷机或热泵，就可以实现能量转换功能。热声热机产生的声功形式的机械能驱动直线电机往复运动，便可产生特定频率的交流电；若机械能在制冷机/热泵的回热器中进行功热转换，将热量从低温热源不断输运到常温换热器中，便可实现制冷和泵热的功能；同时，若在热声热机和热泵之间串接一个往复振荡的直线电机，便可构成基于热声效应的外燃式热驱动热声冷热电三联供系统。
本实施例中，电解水制氢装置8是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解产生氢气，具体采用固体氧化物电解技术制氢，制氢效率高，且清洁环保。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声低温制冷机6，热声低温制冷机6与太阳能集热装置1的输出端连接，热声低温制冷机6与液化装置11连接，电解水制氢装置8连接有储气罐10，储气罐10与液化装置11连接，液化装置11连接有液氢输送装置12。可以理解的是，太阳能集热装置1采集的部分热能输送至热声低温制冷机6，热声低温制冷机6将热能转化为低温冷能，进而将低温冷能传输至液化装置11，并与储气罐10输送的氢气进行换热，将氢气液化处理，进而通过液氢输送装置12进行输运。电解水制氢装置8与储气罐10连接，实现储气罐10对电解水制氢装置8制得的氢气进行收集缓存，完成对氢气的储存和输运。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，太阳能集热装置1的输出端通过并联设置的第一输热管道和第二输热管道与输热总管道连接，第二输热管道设有储热装置2。可以理解的是，太阳能集热装置1的输出端分别连接第一输热管道和第二输热管道，第一输热管道和第二输热管道并联。其中，第一输热管道直接与输热总管道连接，第二输热管道经过储热装置2后与输热总管道连接，也就是说，太阳集热装置采集的热量，其中一部分直接由第一输热管道输送至输热总管道，剩余部分的热量经第二输热管道，输送至储热装置2，进行储存，有效的克服了太阳能易受昼夜变化、气候因素限制而存在间歇性的问题，保证电解水制氢装置8的所需电能的供应。值得说明的是，储热装置2包括储热相变材料，实现对热能的有效储存。
实施例一
如图1所示，根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声制冷装置5，热声制冷装置5与太阳能集热装置1的输出端连接。可以理解的是，太阳能集热装置1的输出端与热声制冷装置5连接，实现将部分热能输送至热声制冷装置5，进而将热能转化成普冷和深冷制冷，便于生活区的空调、冰箱以及冷库使用，提高太阳能的利用率。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，太阳能集热装置1的输出端设有输热总管道，输热总管道设有第一阀门3；输热总管道通过第一输热支管道与热声发电装置7连接，第一输热支管道设有第二阀门；输热总管道通过第二输热支管道与电解水制氢装置8连接，第二输热支管道设有第三阀门；输热总管道与第三输热支管道连通，第三输热支管道通过第一输热分支管道与热声低温制冷机6连接，第三输热支管道通过第二输热分支管道与热声制冷装置5连接，第三输热支管道设有第四阀门4；第一输热支管道、第二输热支管道和第三输热支管道并联，第一输热分支管道与第二输热分支管道并联。可以理解的是，输热总管道设有第一阀门3，用以控制输热总管道的通断，进而控制热量的输送的起停，方便对设备的停机检修维护。
进一步地，输热总管道的输出端并联有第一输热支管道、第二输热支管道和第三输热支管道，第一输热支管道与热声发电装置7连接，第二输热支管道与电解水制氢装置8连接，第三输热支管道通过并联的第一输热分支管道和第二输热分支管道分别与热声低温制冷机6和热声制冷装置5连接，也就是说，输热总管道输送的热能分为三部分，第一部分热能通过第一输热支管道输送至热声发电装置7，实现热能转化为电能；第二部分热能通过第二输热支管道输送至电解水制氢装置8，作为高温驱动热，提高电解水制氢装置8制氢反应速率；第三部分热能通过第二输热支管道输送，并分为两部分，其中一部分的第三部分热能通过第一输热分支管道输送至热声低温制冷机6，实现将热能转化为低温冷能，并对氢气进行液化作用；另一部分的第三部分热能通过第二输热分支管道输送至热声制冷装置5连接，实现将热能转为普冷和深冷。
其中，第一输热支管道设有第二阀门，用以控制第一输热支管道的通断，第二输热支管道设有第三阀门，用以控制第二输热支管道的通断，第三输热支管道设有第四阀门4，用以控制第三输热支管道的通道，进而通过第一阀门3、第二阀门、第三阀门和第四阀门4的协调控制，实现对热量利用的协调分配使用，同时方便对各支路上设备的单独停机检修，提高了便利性。值得说明的是，第一阀门3、第二阀门、第三阀门和第四阀门4均可通过端程序进行控制，实现无人化与智能化用热。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例一相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例一不同之处：
如图2所示，根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括热声冷热电联产装置13，热声冷热电联产装置13与太阳能集热装置1的输出端连接。可以理解的是，第三输热支管道通过第二输热分支管道与热声冷热电联产装置13连接，实现太阳能集热装置1的输出端依次通过输热总管道、第三输热支管道和第二输热分支管道将热能输送至热声冷热电联产装置13，进而为空调、冰箱、冷库提供电能和冷能，同时为生活区的供暖和生活热水提供所需的热能及电能。
实施例三
本实施例与实施例二基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例二相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例二不同之处：
如图3所示，根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，电能转换装置9分别与家庭用电装置14、蓄电池15和电网16连接，电网16与并网装置17连接。可以理解的是，热声发电装置7将热能转化为的电能全部输送至电能转换装置9进行整流，并对整流后电能进行分配使用。其中，绝大部分电能输送至电解水制氢装置8用于制备氢气；剩余的电能优选输送至蓄电池15进行储存，若仍有富余电能，则输送至家庭用电装置14使用以及通过并网装置17的处理输送至电网16，提高电能的利用率。
根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，电网16与电解水制氢装置8连接。可以理解的是，电网16与电解水制氢装置8连接，当太阳能集热装置1或储热装置2出现故障时，电网16可短时间内为电解水制氢装置8提供电能，保证电解水制氢装置8的正常工作，同时为太阳能集热装置1或储热装置2检修提供保障。
实施例四
本实施例与实施例三基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例三相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例三不同之处：
如图4所示，根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，电解水制氢装置8与第一逆流换热器连接，热声发电装置7与第二逆流换热器连接，热声制冷装置5与第三逆流换热器18连接，第一逆流换热器、第二逆流换热器和第三逆流换热器18通过循环水管道串联。可以理解的是，第一逆流换热器用以收集电解水制氢装置8制氢过程中产生的废热，第二逆流换热器用以收集热声发电装置7在热能转化为电能过程中产生的废热，第三逆流换热用以收集热声冷热电联产装置13输出的热能。第一逆流换热器、第二逆流换热器和第三逆流换热器18通过循环水管串联，实现循环水管内水的逐级加热，并为生活区提供生活热水及供暖，提高热能的利用效率。
实施例五
本实施例与实施例四基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例四相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例四不同之处：
如图5所示，根据本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，还包括燃烧装置19，燃烧装置19与储气罐10连接，燃烧装置19通过输热次管道分别与热声发电装置7、热声低温制冷机6和热声制冷装置5连接。可以理解的是，燃烧装置19与储气罐10连接，通过储气罐10将氢气作为燃料输送至燃烧装置19。党太阳能集热装置1或储热装置2停止工作时，燃烧装置19燃烧产生的热能通过输热次管道分别输送至热声发电装置7、热声低温制冷机6和热声制冷装置5，保证热量的正常供应。
本发明提供的一种太阳能和热声发电联合制氢系统，通过设置太阳能集热装置、热声发电装置和电解水制氢装置，太阳能集热装置的输出端分别与热声发电装置和电解水制氢装置连接，热声发电装置通过电能转换装置与电解水制氢装置连接，电解水制氢装置为采用固体氧化制氢方式制氢的电解水制氢装置，太阳集热装置收集的热量一部分传输至热声发电装置，转化电能，并通过电能转换装置整流作用，提供给电解水制氢装置实现电解水制氢，另一部分热量传输至电解水制氢装置，提供高温驱动热，提高制氢效率和产量，进而实现采用清洁能源高效制氢，降低能耗和成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，包括太阳能集热装置、热声发电装置和电解水制氢装置，所述太阳能集热装置的输出端通过输热总管道分别与所述热声发电装置和所述电解水制氢装置连接，所述热声发电装置通过电能转换装置与所述电解水制氢装置连接；所述热声发电装置为基于热声循环以及斯特林循环原理的装置；
所述电解水制氢装置为采用高温固体氧化制氢方式制氢的电解水制氢装置；
所述太阳能集热装置的输出端通过并联设置的第一输热管道和第二输热管道与所述输热总管道连接，所述第二输热管道设有储热装置；
还包括热声低温制冷机，所述热声低温制冷机与所述太阳能集热装置的输出端连接，所述热声低温制冷机与液化装置连接，所述电解水制氢装置连接有储气罐，所述储气罐与所述液化装置连接，所述液化装置连接有液氢输送装置。
2.根据权利要求1所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，还包括热声制冷装置，所述热声制冷装置与所述太阳能集热装置的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，所述输热总管道设有第一阀门；
所述输热总管道通过第一输热支管道与所述热声发电装置连接，所述第一输热支管道设有第二阀门；
所述输热总管道通过第二输热支管道与所述电解水制氢装置连接，所述第二输热支管道设有第三阀门；
所述输热总管道与第三输热支管道连通，所述第三输热支管道通过第一输热分支管道与所述热声低温制冷机连接，所述第三输热支管道通过第二输热分支管道与所述热声制冷装置连接，所述第三输热支管道设有第四阀门；
所述第一输热支管道、所述第二输热支管道和所述第三输热支管道并联，所述第一输热分支管道与所述第二输热分支管道并联。
4.根据权利要求2所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，还包括燃烧装置，所述燃烧装置与所述储气罐连接，所述燃烧装置通过输热次管道分别与所述热声发电装置、所述热声低温制冷机和所述热声制冷装置连接。
5.根据权利要求2所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢装置与第一逆流换热器连接，所述热声发电装置与第二逆流换热器连接，所述热声制冷装置与第三逆流换热器连接，所述第一逆流换热器、所述第二逆流换热器和所述第三逆流换热器通过循环水管道串联。
6.根据权利要求1所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，还包括热声冷热电联产装置，所述热声冷热电联产装置与所述太阳能集热装置的输出端连接。
7.根据权利要求1所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，所述电能转换装置分别与家庭用电装置、蓄电池和电网连接，所述电网与并网装置连接。
8.根据权利要求7所述的太阳能和热声发电联合制氢系统，其特征在于，所述电网与所述电解水制氢装置连接。
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