CN114127486A - 用于太阳能的超聚集和长距离光纤传输的装置以及通过热光解产生h2/o2混合物的相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于从太阳能聚集器产生氢/氧耦对的装置，包括由一个或多个光纤形成的用于收集太阳能的部件，其特征在于，中空光纤的入口和出口由预成型件的未拉伸区域形成，使得能够长距离传输太阳能通量。

Description

用于太阳能的超聚集和长距离光纤传输的装置以及通过热光 解产生H2/O2混合物的相关方法
技术领域
本发明涉及用“免费”方法(太阳能源)替代石油/化石燃料和常规电池(储存)以非常低的价格(等于或低于原油的价格)生产太阳能。
优点是避免了复杂或昂贵的材料(稀有金属，催化剂等)，不存在磨损或如在电解槽或燃料电池中的维护，丰富和可用的材料(碳/石墨，水等)，免费能源(太阳，水)，并且提供100％清洁的可再生能源而没有社会或环境影响，具有至少40年的使用寿命。它提供了供给燃料电池以及进行储存的可能性，特别是通过燃烧h2/o2混合物，该混合物单独储存，然后在特定的燃烧器中燃烧(放热反应)以供给热力学装置或炉，燃烧产生水蒸汽，该水蒸汽在本发明中无限循环。
运行原理：
本发明所基于的原理是太阳能超聚集(10,000太阳的量级)和将聚集的太阳能通量注入预成型件中，该预成型件可以配备有或可以不配备有通向理想中空光纤(或光纤束)的窗，该理想中空光纤的芯是空的(没有光损耗的纯波导)，该理想中空光纤的入口是具有足以接收聚集的通量而不损坏的直径的预成型件。预成型件可以是满的(棒/拉伸管)或由入口窗封闭，并且相对端也是封闭的，从而使得光纤的内部处于真空，真空不与宽光谱上的光传导相反。
波导组件由不同折射率的玻璃组成，通过反射构成波导＝具有不同光学特性的两个同轴玻璃管然后拉伸以形成光纤，芯理想地处于真空。进入真空芯的气体捕集器(也称为“吸气器”)或合适的装置使得可以吸收/排出任何污染物/脱气。100μw的工业激光光纤可以传输100kw，并且1.000μ的中空光纤将使得可以达到和超过1.6MW(具体参见由LaurentProvino,Laurent Brilland,Achille Monteville,David Landais,Olivier Le Goffic,Denis Tregoat和David Mechin的文章“Microstructured optical fibers”)。
反应器内的光纤的端部终止于第二较小的预成型件，该预成型件可以是实心的或装配有由玻璃或具有合适光学特性的材料制成的窗，准直光学器件，聚集器，聚焦光学器件等，从而形成合适的光学结构以允许聚焦在点上，特别是例如通过使用光学双合透镜来考虑不同的波长。光学器件接收一个(或多个)抗反射处理，并且可接收冷却或温度控制装置。对于低功率安装，光纤理想地非常短，反应器安装在太阳能聚集器上。在非常高的功率下，反应器可以远离太阳能聚集源，太阳能聚集源可以包含一个或多个远程聚集器，以便具有完美地优化参数的系统＝能够承载1MW光和更多(1.000μ)的高度聚集太阳能的长距离光纤传输。
然后，纤维或纤维束的端部到达“反应器”(解离器将更精确)中，该反应器由真空腔构成，该真空腔理想地由石墨或合适的材料制成，优选地覆盖有硬表面。在一端是喷射水(或蒸汽)流的喷嘴，该流被太阳能通量拦截并解离。喷嘴和光纤可以是同轴的，或者可以形成更大或更小的角度，以避免光学端/光学部件的任何劣化或污染或热冲击。光学元件被覆盖以防止来自水分子或h2和o2化合物的化学侵蚀。一大组纤维也可以几乎垂直于喷嘴。反应器打开以允许容易地更换损坏的部件。
当反应器由于不可避免的损失而经受高温时，该热源可用于经由围绕真空室的装置(例如管状的)产生高温水蒸气，同时确保其冷却。该高温高压水蒸汽到达真空室并立即被光通量解离。蒸汽的优点是它输送解离所需的部分能量。
为了提高总的有效效率，我们可以考虑存在附加源，以在有利于解离的波长下将聚集的通量发送到水/蒸汽通量上，附加源例如某些电磁辐射(微波等)、来自LED或激光二极管I的光、可见光、UV、X等、以及这些波的混合。
调节水/光通量以完美地优化解离并避免组分的任何劣化或其它有害现象。为此目的提供布置在不同地方的传感器；它们还用作安全装置。
反应器内的真空使得可以进行化学猝灭以防止反应器中的分子重组或爆炸，然后将o2/h2原子吸向最终的分离(纯化)装置，以及将未解离的水/蒸气再循环并避免对气体纯度有害的污染。
从反应器开始，原子被卷入在涡流中，该涡流可以是兰克-希尔施(Ranque-Hilsch)型的，促进由于不同的原子质量(coef.1至16)的分离，该反应器的壁形成交换器，允许冷却，同时预热待解离的水。涡流然后分成两个不同的回路，一个优选包含氧和另一个包含氢。
预过滤装置允许未解离的水返回并再注入反应器中。
然后使用静电场和电磁场或一组装置以及任何其它合适的方法的耦合来进行另外的分离方法，其允许极好的分子分离并将原子返回到正确的回路。最后的纯化可以通过例如化学过滤法、分子筛或其它方法进行，目的是提供高纯度气体，该高纯度气体特别地可以在相同的闭合回路装置中无限循环，特别地用于太阳能燃料或“PAC”、“电池”或任何其它装置。
光学部件，特别是由二氧化硅制成的光学部件，理想地覆盖有保护层以保护它们免受可能与O2/H2或H2O的化学反应，这可能降低它们的性能。
发明领域
本发明涉及从太阳能发电厂生产太阳能源的NRE(新的可再生能源)的领域，所述NRE为氢/氧偶对的形式，称为“太阳能燃料”(商品名)，所述太阳能发电厂与在本文所用的“反应器”中进行太阳能超聚集的特殊光纤相关，所述反应器用于以非常高的效率解离水分子，并且没有磨损或维护或化学品的使用。
这种具有33kwh/kg(Li/离子电池＝200wh/kg)的能量密度的氢/氧耦对使得可以例如供应不同类型的过程，例如非常高密度的能量存储(太阳能燃料)，热泵功率(燃料电池)，传统上用烃运行的马达或所有燃烧装置(炉、火焰、加热器、DHW、烹饪设备等)，或火箭发动机和所有航天器。
本发明理想地实现了一种太阳能聚集器，其在焦点处可实现高达20,000个太阳的聚集率，称为超聚集器。因此，可以使用理想地为中空的光纤来实现30,000太阳量级的聚集率，并将太阳能通量长距离地朝向目标传输或将其注入到反应器中。
因此，该能量密度足以确保在该方法中简单地通过光/物质相互作用而自发和完全解离水分子，我们将其称为热光解，因为它涉及可见和不可见光谱的几个频带对水通量的组合作用。术语“热”来自红外线的温度/热搅拌，术语“光”来自可见光或更高光谱的光子(UV，X)，和“解”表示解离。
历史上最近开发和使用的一种传输能量的方法是使用光导。
可能最熟知的光导类型是光纤。后者可以由二氧化硅、玻璃或聚合物制成。它通常由折射率nc的芯和折射率小于芯的折射率为ng的包层制成。它承载的辐射通过全内反射在芯中传播。
根据本发明的另一方面，光纤可以有利地为空芯型，在这种情况下，透射光功率不受所用材料纯度的影响，因此可以传输非常高的功率。
根据本发明的另一方面，能量转换器使用在高强度光能的作用下将水分子解离为氢和氧的原理。
现有技术
美国专利US 3780722在现有技术中是已知的，其描述了一种改进的太阳能收集器，该太阳能收集器包括光纤太阳能接收器，该光纤太阳能接收器被动地聚集入射的太阳能以作为增强的通量输送到吸收目标。在本发明的一个实施方式中，本太阳能收集器包括在一端成形为弓形收集表面的纤维球，该纤维在该球的相对端渐缩成平坦的输出平面。在收集表面处进入收集器的太阳辐射被聚集在球的渐缩部分内，并作为增强的通量被输送到设置成与输出平面成操作关系的吸收目标，该吸收目标是烹饪锅、热存储物质或热电发电机的热接点。
法国专利FR 2310309描述了用于生产气体混合物的另一种方法和装置方案。
现有技术的缺点
涉及通过电解或PAC(燃料电池)生产氢和氧的现有技术的解决方案的特征在于它们的低效率(产率约为50/60％)，使用昂贵的材料(铂，重金属等)、化学品，需要高度专业化劳动的维护增加，由于磨损/腐蚀而定期更换它们的部件，以及非常低效率的电能源(PV6％，热/核电站30％)，其将总转化性能降低至最终仅达到几个百分点％。此外，已知的电源具有显著的社会和环境影响。
现有技术中关于经由太阳能路线生产氢和氧的解决方案是不令人满意的，因为它们需要复杂的设备，例如具有与使用昂贵且降解快的材料的高温催化剂相关联的定日镜装置的重型抛物面聚集器，并且具有特别低的效率。
涉及用于生产氢和氧的能量转化的现有技术的解决方案也是不令人满意的，因为它们需要复杂且低效的设备，其短的使用寿命由于其组分的快速降解而不适用于工业过程。
涉及通过直接太阳能部件生产氢和氧的现有技术的解决方案是不令人满意的，因为它们需要强大且笨重的抛物面聚集器，使得其不能获得足够的能量密度来以超过40％的效率解离水分子，并且需要反应器室的显著冷却以及使用快速降解的催化剂。
涉及通过光纤传输太阳能的现有技术的解决方案并不完全令人满意，因为它们需要对每个光纤进行复杂的处理，才能允许最佳的太阳能收集而不破坏光纤。此外，能量的量太低而不能实现装置的实际效率。
发明内容
为了弥补这些缺点，本发明首先涉及一种称为超聚集器的高密度太阳能聚集器，其包括由一个(或多个)光纤构成的用于收集太阳能的部件，其特征在于，光纤的入口由预成型件的未拉伸区域形成，并且出口端被引入能量转换模块中。
根据有利的实施方式，所述能量转换模块例如由反应器形成，该反应器可以由石墨制成并且其内表面被硬化以避免侵蚀现象，该反应器可以被容易地打开以允许更换其部件或提供维护。
所述反应器连接到抽真空部件，所述抽真空部件在接收所传输的光能的区域中内向地包括水微细化喷嘴，所述石墨反应器具有通往涡流的出口以分离氧和氢，所述氧和氢存在于两个单独的回路中。
在涡流的末端，抽真空部件有利地分成两个不同的部分，一个吸入氢，另一个吸入氧，以防止它们混合。所述抽真空部件配备有使得可以使未完全分离的气体或蒸气再循环并将它们再注入反应器中的装置。根据特定的变型，用于收集太阳能的光纤的出口端接合在所述腔中。
有利地，所述微细化喷嘴以同轴或不同轴的方式与所述光纤的出口端相对布置。
根据一个变型，所述反应器包括用于雾化非常细的流或水蒸汽的水喷射器，所述非常细的流或水蒸汽将经受由与光能的束的相互作用产生的温度，导致其自发化学解离成其两种元素H2和O2。
根据另一变型，所述反应器具有分离器，该分离器用于通过热分解使雾化的水或蒸汽解离，并产生不同质量的分子射流，所述不同质量的分子射流借助于产生氢和氧的两种不同流的旋风涡流型装置分离。
具体实施方式
参照附图，通过阅读以下对本发明的非限制性实例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：
图1示出了光纤的示意图。
图2示出了能量转换器的示意图。
参考图1和图2描述的本发明涉及一种用于从太阳能聚集器产生氢/氧耦对的装置，该装置包括由一个或多个光纤、优选为中空光纤构成的用于收集太阳能的部件。光纤(1)的入口和出口由预成型件的未拉伸区域(3)形成，从而允许太阳能通量的长距离传输。
中空纤维(1)的预成型件(2)的端部包括窗(3)或光耦合(准直)加上气体捕集器(也称为“吸气器”)。
光纤(1)的另一端也具有预成型件/出口窗(4)，聚集光学器件(5)朝向焦点(6)。
能量转换模块由限定真空下的体积(11)的反应器(11)组成，具有水/蒸汽入口(12)和供应喷嘴的高压水/蒸汽入口(13)。
光纤(14)具有不同的可能构造，从同轴到垂直。h2/o2出口(15)通向涡流和热交换器。
设备项(16)进行残留的h2o预过滤。分离器(17)提供额外的静电/电磁分离。将未解离的水再注入回路中。
模块(19)将原子重定向到它们的最终回路。过滤器(20)通过真空泵马达提供最终的过滤/净化和两个单独的泵送单元(H2和O2)(21)。
该能量转换模块由例如以石墨制成的反应器(11)构成，该反应器(11)具有腔(11)，该腔(11)的表面被硬化以防止腐蚀，该反应器(11)连接到抽真空部件，所述模块在接收所传输的光能的区域中包括所述腔(11)内的水微细化喷嘴(4)，该石墨反应器(11)具有通往涡流的出口(18)以分离氧和氢。
微细化喷嘴以同轴或几乎垂直的方式与所述光纤的出口端相对放置。
反应器(10)包括用于将要经受高温的水或蒸汽雾化为非常细的雾的水喷射器，并且由与光能的束的相互作用产生的光子的作用使水自发化学解离成其两种元素H2和O。
能量收集器和能量转换器之间的能量传输的描述
由位于能量收集器和能量转换器之间的定日镜聚集的太阳能由光纤或光纤束传输。
光纤具有允许由聚集器发送的所有太阳辐射的注入的数值孔径。数值孔径优选大于0.42。光纤还必须尽可能有效地传输太阳光谱，也就是说，具有最小的吸收。光纤的耐受性为至少500℃，特别是当注入的太阳辐射高度聚集时和当光纤强烈吸收太阳光谱的某一频段时，在其第一部分中产生引导件的加热。
另外，耐热性使其更容易与蓄热器联接。实际上，必须采取少量的特殊措施以防止能量转换器将过多的热量传递到引导件，从而在其靠近转换器的部分中产生过热。引导件的灵活性或可操作性也是考虑的优点，以便使其更容易安装在聚集器矩阵上。应力通常在要考虑的引导件的最小曲率半径处。
优选地，纤维或纤维束优选基于中空二氧化硅，因为其太阳光谱的传输可以是优异的及其耐热性。实际上，在根据太阳光谱积分之后。当在芯中进行传输时，这种二氧化硅光纤的吸收率很低，约为0.014dB/m至0.348dB/m，而当光纤是中空的时，损耗较低。
这相当于说，在不考虑光纤端部处的反射损耗的情况下，注入到一米长的光纤部分中的太阳光谱的92.3％到99.7％将被传输，当光纤是中空光纤时这些损耗更低。
限制在于聚集器可具有的最大焦距与市售二氧化硅纤维的直径有关，该直径在芯处不超过1.5mm。事实上，焦距越高，焦点越大。由太阳给出的焦点的理论大小是聚集器的焦距的0.01倍。
考虑到完美的聚集器，如果我们希望将由其收集的所有太阳能注入1.5mm的二氧化硅光纤中，则焦距不能大于150mm。为了改善该参数，输送由一个或多个光纤提供，所述光纤通过拉伸例如一个或多个玻璃棒或玻璃圆柱而形成，所述玻璃棒或玻璃圆柱的种被保持。
通过拉制棒(或圆柱或其它形状)来形成光纤，该棒(或圆柱或其它形状)具有例如100毫米的初始直径和可以从几十厘米到几米的长度。
第一步包括组装同心安装的管和/或圆柱形硅棒。加热所有物质以确保玻璃棒的均匀性。
这样获得的棒将理想地竖直地安装在塔架中并例如用燃气、电或甚至太阳能坡道加热。玻璃将拉伸并“下沉”以卷绕在卷轴上。测量纤维的厚度以控制卷绕马达的速度，以确保恒定的直径。
当获得期望的长度时，保持拉伸区域，在该区域中，棒通过渐缩部分(1)延伸，并且切割棒以保持跟部(2)具有几毫米长度，该跟部的端部沿横向截面(3)抛光。也可以进行切割以获得干净的切口。
对于延伸的收集表面，这样产生的若干纤维组合形成束，该束的收集区域通过前端(3)的并置形成。
成形也可以用任何其它合适的拉制工艺进行，其可以是水平的(由用于拉伸二氧化硅色谱的毛细管柱的装置进行)，或其加热/熔融可以通过太阳能路线进行。
能量转换器的说明
根据本发明的非限制性方面，在部分真空下，在理想地由石墨体(10)形成的表面被硬化且具有腔(11)的反应器中，任选地在催化剂的存在下，在阳光和可能的额外辐射的作用下，通过确保水的分解的热光解原理确保以太阳能解离水，从而产生H2和O2，或其他分子如H2O2。
该反应器旨在通过热和光子的组合作用使水发生化学解离，也就是说，在2,500℃下在冲击点或在较低温度下在催化剂或合适的辐射存在下，分子以接近100％的效率分解。因此，它是吸热化学反应，给出2H2O→2H2+O2，并且ΔH°＝286kJ/摩尔。分子分离可以通过其中分子以超音速喷射的旋风涡流进行，或通过膜过滤，或热化学或任何其它合适的方法进行，原子的分子量显著不同。
通过辐照，特别是通过来自太阳辐射的辐照，通过水的光解离制备氢/氧，可以将光能、特别是太阳能转化为随后可以被分离的氢和氧形式的化学能，并储存该化学能。然后以储存的氢/氧的形式的该化学能可以被输送或稍后使用。
反应器(11)例如由石墨或碳/石墨制成，其理想地覆盖有薄层，例如碳化物，以避免与超音速流相关的腐蚀现象。
来自聚集器的太阳能借助于纤维(13)在轴向方向上传输。反应器还具有各种连接：1)水喷射器(17)，其用于雾化非常细的水雾，所述水雾将经受由与光能的束相互作用产生的2,500℃的温度，使水自发化学解离成其两种元素H2和O。
2)带来聚集太阳能通量的一个或多个光纤。
3)分离器(17)：通过热光解而解离的水产生不同质量的分子射流，所述不同质量的分子射流借助于产生氢和氧两种不同流的旋风涡流型装置分离。
4)未解离的水分子从分离器装置返回以被再注入和解离。可以使用兰克-希尔施(Ranque-Hilsch)涡流和静电场和/或电磁场将氢离子与氧离子分离。

Claims (10)

1.一种用于从太阳能聚集器产生氢/氧耦对的装置，所述装置包括由一个或多个光纤(1)构成的用于收集太阳能的部件，其特征在于，中空光纤的入口和出口由预成型件(2)的未拉伸区域(3)形成，从而允许传输太阳能通量。
2.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置包括能量转换模块，所述能量转换模块由反应器(11)组成，所述反应器(11)例如由石墨制成并且具有表面被硬化以防止腐蚀的腔(11)，所述反应器连接到抽真空部件，所述模块在接收所传输的光能的区域中包括所述腔(11)内的水微细化喷嘴(4)，所述石墨反应器(11)具有通往涡流的出口(8)以分离氧和氢。
3.如权利要求2所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述微细化喷嘴(4)以同轴或几乎垂直的方式与所述光纤(1)的出口端相对放置。
4.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置由在面向中空纤维(1)的端部处形成的预成型件(2)形成，所述预成型件(2)包括光学窗或耦合(准直)加上气体捕集器。
5.如权利要求3所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述反应器(11)包括水喷射器(17)，所述水喷射器(17)用于将要经受高温的水或蒸汽雾化为非常细的雾，并且由与光能束相互作用产生的光子的作用使水自发化学解离成其两种元素H2和O。
6.如权利要求3所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述反应器(11)具有分离器，所述分离器用于通过热分解使雾化的水解离，并产生不同质量的分子射流，所述不同质量的分子射流借助于产生氢和氧的两种不同流的旋风涡流型装置而分离。
7.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置由预过滤装置形成，并且再注入到反应器中，使得残余水再循环，并且所述装置由静电和电磁类型的分离装置来形成，所述分离装置允许增加h2/o2化合物的分离和过滤以及它们的改向。
8.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置由接收用于引起热光解反应的一个或多个光纤的反应器形成，所述热光解反应的效率通过添加产生电磁辐射的附加分离部件来改善，从而改善最终效率(LED二极管/激光器/x)。
9.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置具有产生抽吸以及分子淬灭(突然冷却)的抽真空部件，以防止h2/o2型气体混合物的重组或爆炸。
10.如权利要求1所述的用于产生氢/氧耦对的装置，其特征在于，所述装置包括预成型件、纤维和光学部件，所述预成型件、纤维和光学部件覆盖有保护层，以抵抗来自水和h2/o2化合物的化学侵蚀。
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