CN113074359A - 基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，包括聚光菲涅尔透镜、十字型法兰、光热催化反应模块、柔性光伏片以及质子陶瓷蒸汽电解器等，旨在为提升太阳能到氢能的转化效率提供一种新的多元模块耦合制氢方法。工作过程主要包括太阳能的聚集、分频梯级利用、透射光和散射光的二次反射、光伏储电，高温水蒸气电解等来实现对太阳能的全方位有序利用。本发明可根据实验具体要求精准控制太阳能辐射量、纳米流体混合液温度以及水蒸气的压力等参数，实现光热耦合模块制氢与电解模块制氢的强耦合。本发明能够用于对太阳能的合理分配和分级有序利用转化为氢能等相关研究提供反应场所，具有环保、高效、紧凑、易于操作等优点。

Description

基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统

技术领域

本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统。

背景技术

近年来，随着传统化石能源的加剧发展，给人类带来了难以修复的环境问题，例如地球变暖，海平面上升，工业废弃物过度排放造成的雾霾严重等。因此，迫切需要一种高效、无污染的清洁能源来缓解传统能源形势的压力，甚至完全取而代之。最近中国一大批如“互联网+”智慧能源、储能、区域链、综合能源服务等新兴能源新技术，新模式，新业态也正在蓬勃兴起。

太阳能因为其取之不尽用之不竭，而且清洁无污染，被各个国家相继视为极具潜力的高效能源。然而其客观不连续性以及能流密度低等缺点给其直接利用带来了很多困难，难以满足人们日常生活的刚性需求。氢能是一种燃烧热值高，清洁高效的二次能源，将直接太阳能通过分解水转为氢能进行储存利用是非常不错的能源利用方式。其中，涉及的太阳能光催化制氢技术就是一种比较有代表性的途径，然而现在反应过程中的大多数光催化剂将太阳能转化为氢能的能量效率非常低，目前最高只有6.6％左右。美国能源局DOE之前规定，太阳能到氢能的转化效率到10％就可以进行商业化应用。因此，通过耦合其他物理场,像热能等或者与其他制氢技术相结合的方式来实现太阳能光热电耦合制氢是一种很好的优化途径。这种耦合的方式能够基于太阳能全光谱进行梯级化利用，相比传统的仅仅利用可见光及紫外光区的光催化制氢反应，能使太阳能到氢能的总体效率得到很大的提升。

一个具体的太阳能驱动的光催化分解水制氢反应，主要是半导体光催化剂选择性地吸收太阳能光子中能量大于其禁带宽度的部分，利用其将半导体中的电子和空穴对进行分离，电子到迁移到导带然后参与光还原反应，空穴被反应液中的牺牲剂消耗掉。反应液中的水分子被光生电子还原成氢气并脱离水溶液。但是目前纯光催化反应的效率一直很低，而且催化剂本身的稳定性、可回收利用性以及环境友好性等仍值得商榷。近年来，通过聚光耦合热场，即通过太阳能红外光谱部分的辐射热能加快半导体催化剂中电子和空穴的迁移速率从而明显提升产氢速率，但是其效率仍然很难满足商业化应用。继续在聚光耦合光热的基础之上通过复合抛面聚光器的二次反射，将反射光及部分散射光收集到柔性光伏片上，继而转化为电能来电解水蒸气制氢是挖掘太阳能综合利用的优选手段。然而，现在无论是科研院所，还是企业工厂都没有开展光热电等多单元耦合制氢的相关研究，更加没有与之契合的实验装置系统，因此十分有必要设计一种新型有效的直接太阳能光热电耦合制氢反应系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，利用此系统可以对不同光热催化剂颗粒在聚光直接太阳能下的产氢效果及耦合单个的光热电制氢单元的耦合机制进行研究。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，包括菲涅尔聚光透镜，十字型法兰，光热催化反应模块，质子陶瓷蒸汽电解器，混合液管道，以及包覆在混合液管道上的柔性光伏片；其中，十字型法兰的前后两端设置有高透耐压玻璃，左右两端用于与混合液管道进行连接，高透耐压玻璃设置在菲涅尔聚光透镜的焦点处，用于接收聚光太阳能，十字型法兰正后方设置有复合抛物面聚光器，用于反射多余的太阳能透过光以及散射光，复合抛物面聚光器的焦点轴上设置有柔性光伏片，用于吸收二次反射光及散射光，并将其转化为电能储存；十字型法兰腔体内部放置有光热催化反应模块，菲涅尔聚光透镜左侧设置有质子陶瓷蒸汽电解器用于电解水蒸气制氢。

本发明进一步的改进在于，还包括立方体框架，菲涅尔聚光透镜设置在立方体框架的一个面上，立方体框架的下方设置有底座，底座左右两侧设置有两条横梁，用于固定底座；立方体框架的左右两侧分别通过套筒滑杆与固定在底座上的两根横梁连接，通过改变套筒滑杆的高度来改变菲涅尔聚光透镜的倾角；底座的四个角上设置有四个活动滑轮，活动滑轮的设置方便整个反应系统间断性地跟踪太阳能的位置。

本发明进一步的改进在于，十字型法兰与混合液管道连接段主体穿插在底座后上方的两个孔内；用于固定复合抛物面聚光器的半圆形支撑架的两端、混合液管道以及立方体框架的后方两条棱通过三个十字架进行连接，十字架在十字型法兰两侧对称设置，共六个。

本发明进一步的改进在于，所有的混合液管道的材质为不锈钢，光热耦合反应模块的材质为有机玻璃；立方体框架和底座的材质均为不锈钢。

本发明进一步的改进在于，光热催化反应模块由透光面，上下设置的水流道及带底的圆柱形墙体外壳构成，透光面部分与外壳主体通过内置螺纹进行连接，水流道用于通过水反应液并将产生的氢气一起携带出来；光热催化剂通过浸渍或者涂覆的方法固定在纤维无尘纸上，然后将其放置于光热催化反应模块底部，并正对着透光面；水流道上下两端连接软管并通过十字型法兰左右两侧对称的开孔与光热催化反应模块外的气液分离装置进行连接，继而收集此模块产生的氢气；开孔处会放置压力和温度检测器，用于分别监测水蒸气压力和纳米流体混合液的温度。

本发明进一步的改进在于，太阳能通过菲涅尔聚光透镜被聚集，然后透过高透耐压玻璃将太阳能中的红外部分能量以热能形式储存在纳米流体混合液中；纳米流体混合液中的颗粒主要是石墨和活性炭，能够增加对红外光部分的吸收和利用效率；太阳能中的紫外光和可见光区域被光热催化反应模块从透光面吸收，同时整个光热催化反应模块浸泡在具有设定温度的纳米流体混合液中，从而实现光热耦合制氢。

本发明进一步的改进在于，纳米流体混合液放置在储液罐中，在循环泵的作用下依次经过柔性光伏片，十字型法兰，再回流至储液罐，这个过程中刚出储液罐的温度较低的纳米流体混合液能够携带走柔性光伏片表面多余的热量，起到降温的效果，各个混合液管道之间通过法兰进行连接。

本发明进一步的改进在于，为降低整个反应系统过程中的能量损耗，所有的混合液管道及储液罐采用绝热材料进行隔热。

本发明进一步的改进在于，纳米流体混合液吸收透过高透耐压玻璃的聚光太阳能，能够产生水蒸气，水蒸气会在混合液的携带作用下进入到质子陶瓷蒸汽电解器中发生高温电解过程，其产生的带压氢气在氢气瓶中进行收集，在氢气瓶的上方设置有压力表，用于监测产生的气体压力和含量。

本发明进一步的改进在于，该系统采用的太阳能为一年四季照射到地球表面的辐射能。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，将现有传统的光催化制氢，热催化制氢，电催化制氢，光伏发电等技术进行有机拆分和重组集成，设计了一套合理、高效、易操作的室外直接太阳能制氢反应系统。具体的，菲涅尔聚光透镜将室外直接太阳能聚光后经过高透耐压玻璃将太阳能中的红外光部分能量以热能的形式储存在混合液纳米流体中，紫外和可见光部分通过光热催化反应模块进行吸收，用来激发光热半导体产氢。同时纳米流体混合液会将自身吸收的热量反向供给给光热催化反应模块，从而给反应体系增加热物理场，继而加快反应速率。透过十字型法兰的部分透射光以及散射光通过复合抛物面聚光器进行二次反射，将其投射至柔性光伏片上并将这部分能量以电能的形式储存起来。此外，由于高聚光太阳能的持续高强度照射，纳米流体混合液的温度会急剧上升会产生一定量的水蒸气，其通过在纳米流体定向携带作用下至质子陶瓷蒸汽电解器处发生高温电解反应，并产生带压氢气，电解过程中消耗的电能由光伏片储存的电能提供。包覆在混合液管道上的柔性光伏片能够将透射光和散射光重复二次吸收，继而转化为电能。为质子陶瓷蒸汽电解器的正常工作提供电压。电解产生的带压氢气在氢气瓶内进行储存。总体来看，本发明从太阳能光谱的分段梯级利用，到后面的太阳能光的二次反射多级利用，能够大大增强太阳能到氢能的转化效率。研究人员能够根据不同季节不同时刻太阳能的光辐射特性追踪太阳能的位置，定向控制输入系统的光，热，电等分单元模块的比例，对其太阳能到氢能转化过程中动态耦合机制以及不同类型的光热催化剂的客观催化特性进行系统化的研究。

进一步，菲涅尔聚光透镜的倾角以及方位能够通过套筒滑杆的高度以及活动滑轮的方向进行调节。在正对太阳方向时的理论聚光比可达2500倍。

进一步，混合液管道中流通的纳米流体混合液含有石墨，活性炭等纳米颗粒能够大大增加对聚光太阳能红外光部分的吸收。紫外光和可见光被负载在纤维无尘纸上的光热催化剂吸收，催化剂片能够重复多次利用。另外，透过的透射光能够在复合抛物面聚光器得到二次反射。

进一步，所有的混合液管道都采用不锈钢作为原材料，耐高温，耐腐蚀。并且所有管道的外部都采用绝热材料包覆来保温。管道之间采用法兰进行连接，便于拆卸和清洗。

进一步，混合液管道外测设置有压力和温度检测器，用来监测被加热的混合液纳米流体的温度以及内部水蒸气的压力。

进一步，复合抛物面聚光器和混合液管道以及立方体框架之间采用十字架结构进行连接，集成度高，结构紧凑。

附图说明

图1为本发明的主体示意图；

图2为光热反应模块示意图。

附图标记说明：

1为活动滑轮，2为底座，3为菲涅尔聚光透镜，4为立方体框架，5为套筒滑杆，6为混合液管道，7为十字架，8为复合抛物面聚光器，9为柔性光伏片，10为十字型法兰，11为高透耐压玻璃，12为开孔，13为半圆形支撑架，14为法兰，15为储液罐，16为循环泵，17为质子陶瓷蒸汽电解器，18为氢气瓶，19为压力表，20为水流道，21为透光面，22为光热催化反应模块。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明过程提供的一种基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其具体过程为：菲涅尔聚光透镜3将太阳能聚光至十字型法兰10，太阳能中红外光部分透过高透耐压玻璃11被混合液纳米流体吸收并使其温度更高，紫外光和红外光部分被光热催化反应模块22吸收并用于催化制氢，带有温度的纳米流体反向对光热催化反应模块22加热，产生的氢气通过与开孔12连接外界的气液分离装置进行分离收集。透过十字型法兰10的透射光及部分散射光被复合抛物面聚光器8经过二次反射后投射到柔性光伏片9上转化为电能进行存储。同时，由于长时间的聚光照射，纳米流体混合液的温度急剧上升的同时会在混合液管道6中产生水蒸气，水蒸气跟随被循环泵16泵送的纳米流体进入到质子陶瓷蒸汽电解器17发生电解水蒸气制氢，电解过程中需要的电能由柔性光伏片9储存的电能供给，制取得到的氢气进入到氢气瓶18进行收集。

光热催化反应模块22由透光面21，上下设置的水流道20及带底的圆柱形墙体外壳构成，透光面21部分与外壳主体通过内置螺纹进行连接，水流道20用于通过水反应液并将产生的氢气一起携带出来；光热催化剂通过浸渍或者涂覆的方法固定在纤维无尘纸上，然后将其放置于光热催化反应模块22底部，并正对着透光面21；水流道20上下两端连接软管并通过十字型法兰10左右两侧对称的开孔12与光热催化反应模块22外的气液分离装置进行连接，继而收集此模块产生的氢气；开孔12处会放置压力和温度检测器，用于分别监测水蒸气压力和纳米流体混合液的温度。

菲涅尔聚光透镜3设置在立方体框架4的一个面上，立方体框架4的下方设置有底座2，底座2左右两侧设置有两条横梁，用于固定底座2；立方体框架4的左右两侧分别通过套筒滑杆5与固定在底座2上的两根横梁连接，通过改变套筒滑杆5的高度来改变菲涅尔聚光透镜3的倾角；底座2的四个角上设置有四个活动滑轮1，活动滑轮1的设置方便整个反应系统间断性地跟踪太阳能的位置，十字型法兰10与混合液管道6连接段主体穿插在底座2后上方的两个孔内；用于固定复合抛物面聚光器8的半圆形支撑架13的两端、混合液管道6以及立方体框架4的后方两条棱通过三个十字架7进行连接，十字架7在十字型法兰10两侧对称设置，共六个。

菲涅尔聚光透镜3的倾角以及方位能够通过套筒滑杆5的高度以及活动滑轮1的方向进行调节。在正对太阳方向时的理论聚光比可达2500倍。太阳能通过菲涅尔聚光透镜3被聚集，然后透过高透耐压玻璃11将太阳能中的红外部分能量以热能形式储存在纳米流体混合液中；纳米流体混合液中的颗粒主要是石墨和活性炭，能够增加对红外光部分的吸收和利用效率；太阳能中的紫外光和可见光区域被光热催化反应模块22从透光面21吸收，同时整个光热催化反应模块22浸泡在具有设定温度的纳米流体混合液中，类似“水浴”的效果，从而实现光热耦合制氢。

纳米流体混合液放置在储液罐15中，在循环泵16的作用下依次经过柔性光伏片9，十字型法兰10，再回流至储液罐15，这个过程中刚出储液罐15的温度较低的纳米流体混合液能够携带走柔性光伏片9表面多余的热量，起到降温的效果，各个混合液管道6之间通过法兰14进行连接。同时循环泵16能够对混合液的流量进行调节，以适应反应的最佳工况。

纳米流体混合液吸收透过高透耐压玻璃11的聚光太阳能，能够产生水蒸气，水蒸气会在混合液的携带作用下进入到质子陶瓷蒸汽电解器17中发生高温电解过程，其产生的带压氢气在氢气瓶18中进行收集，在氢气瓶18的上方设置有压力表19，纳米流体混合液的温度和水蒸气压力能够通过温度探测器和压力表19进行检测，通过改变聚集的太阳能的能量输入来对反应条件进行调节。

工作过程中，由光热耦合制氢模块制取的氢气以及电解水蒸气制氢能够分开进行收集，并能够根据其压力情况选择适宜的用途。太阳能转为为氢能的总体效率为两者的加和。

系统装置的换液以及清洗过程可以直接通过拆卸法兰进行操作，简单、快捷。

纳米流体混合液中所含纳米颗粒的种类以及光热耦合催化制氢模块的半导体光热催化剂也可以视具体的研究目的进行选择。

柔性光伏片的单片电压压力在10V左右，之间通过串联方式连接。其数量可依据陶瓷蒸汽电解器的最佳工作电压进行组合。

Claims (10)

1.基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，包括菲涅尔聚光透镜(3)，十字型法兰(10)，光热催化反应模块(22)，质子陶瓷蒸汽电解器(17)，混合液管道(6)，以及包覆在混合液管道(6)上的柔性光伏片(9)；其中，十字型法兰(10)的前后两端设置有高透耐压玻璃(11)，左右两端用于与混合液管道(6)进行连接，高透耐压玻璃(11)设置在菲涅尔聚光透镜(3)的焦点处，用于接收聚光太阳能，十字型法兰(10)正后方设置有复合抛物面聚光器(8)，用于反射多余的太阳能透过光以及散射光，复合抛物面聚光器(8)的焦点轴上设置有柔性光伏片(9)，用于吸收二次反射光及散射光，并将其转化为电能储存；十字型法兰(10)腔体内部放置有光热催化反应模块(22)，菲涅尔聚光透镜(3)左侧设置有质子陶瓷蒸汽电解器(17)用于电解水蒸气制氢。

2.根据权利要求1所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，还包括立方体框架(4)，菲涅尔聚光透镜(3)设置在立方体框架(4)的一个面上，立方体框架(4)的下方设置有底座(2)，底座(2)左右两侧设置有两条横梁，用于固定底座(2)；立方体框架(4)的左右两侧分别通过套筒滑杆(5)与固定在底座(2)上的两根横梁连接，通过改变套筒滑杆(5)的高度来改变菲涅尔聚光透镜(3)的倾角；底座(2)的四个角上设置有四个活动滑轮(1)，活动滑轮(1)的设置方便整个反应系统间断性地跟踪太阳能的位置。

3.根据权利要求2所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，十字型法兰(10)与混合液管道(6)连接段主体穿插在底座(2)后上方的两个孔内；用于固定复合抛物面聚光器(8)的半圆形支撑架(13)的两端、混合液管道(6)以及立方体框架(4)的后方两条棱通过三个十字架(7)进行连接，十字架(7)在十字型法兰(10)两侧对称设置，共六个。

4.根据权利要求2所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，所有的混合液管道(6)的材质为不锈钢，光热耦合反应模块(22)的材质为有机玻璃；立方体框架(4)和底座(2)的材质均为不锈钢。

5.根据权利要求1所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，光热催化反应模块(22)由透光面(21)，上下设置的水流道(20)及带底的圆柱形墙体外壳构成，透光面(21)部分与外壳主体通过内置螺纹进行连接，水流道(20)用于通过水反应液并将产生的氢气一起携带出来；光热催化剂通过浸渍或者涂覆的方法固定在纤维无尘纸上，然后将其放置于光热催化反应模块(22)底部，并正对着透光面(21)；水流道(20)上下两端连接软管并通过十字型法兰(10)左右两侧对称的开孔(12)与光热催化反应模块(22)外的气液分离装置进行连接，继而收集此模块产生的氢气；开孔(12)处会放置压力和温度检测器，用于分别监测水蒸气压力和纳米流体混合液的温度。

6.根据权利要求5所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，太阳能通过菲涅尔聚光透镜(3)被聚集，然后透过高透耐压玻璃(11)将太阳能中的红外部分能量以热能形式储存在纳米流体混合液中；纳米流体混合液中的颗粒主要是石墨和活性炭，能够增加对红外光部分的吸收和利用效率；太阳能中的紫外光和可见光区域被光热催化反应模块(22)从透光面(21)吸收，同时整个光热催化反应模块(22)浸泡在具有设定温度的纳米流体混合液中，从而实现光热耦合制氢。

7.根据权利要求6所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，纳米流体混合液放置在储液罐(15)中，在循环泵(16)的作用下依次经过柔性光伏片(9)，十字型法兰(10)，再回流至储液罐(15)，这个过程中刚出储液罐(15)的温度较低的纳米流体混合液能够携带走柔性光伏片表面多余的热量，起到降温的效果，各个混合液管道(6)之间通过法兰(14)进行连接。

8.根据权利要求7所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，为降低整个反应系统过程中的能量损耗，所有的混合液管道(6)及储液罐(15)采用绝热材料进行隔热。

9.根据权利要求6所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，纳米流体混合液吸收透过高透耐压玻璃(11)的聚光太阳能，能够产生水蒸气，水蒸气会在混合液的携带作用下进入到质子陶瓷蒸汽电解器(17)中发生高温电解过程，其产生的带压氢气在氢气瓶(18)中进行收集，在氢气瓶(18)的上方设置有压力表(19)，用于监测产生的气体压力和含量。

10.根据权利要求1所述的基于直接太阳能梯级利用的聚光光热电耦合制氢反应系统，其特征在于，该系统采用的太阳能为一年四季照射到地球表面的辐射能。

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