CN114214653A - 一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能水蒸馏‑光伏发电耦合的装置及制氢方法，包括菲涅尔透镜、光伏板、分光镜、水蒸馏室、吸水部、蒸馏水电解装置、氢气收集装置，使太阳光通过所述菲涅尔透镜聚集后，通过分光镜将一部分太阳光反射到所述光伏板，而另一部分太阳光通过分光镜透射，照射到所述吸水部，水蒸馏室通过吸水部与外部液体接触，外部液体通过吸水部的吸附作用进入本装置，在水蒸馏室被蒸馏，蒸馏得到的水通过光伏板供电的蒸馏水电解装置被电解，产生氢气。实现全光谱利用太阳辐射能，可见光传递至光伏发电，减少光伏板发热，红外光用于海水淡化，并利用可见光转换的电能电解红外光产生的淡水。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热利用领域，尤其涉及一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合制氢装置及方法。
背景技术
随着双碳战略的提出，氢能作为储能媒介的作用日益凸显。目前，制氢的主要方式包括化石燃料重整制氢，化石燃料重整耦合碳捕集利用封存制氢，可再生能源(包括风能和太阳能光伏)电解制氢。近几年，国家大力发展可再生能源，以太阳能光伏为基础的光伏制氢技术受到广泛重视。
如何利用阳光和海水进行海水淡化、发电、和制氢，是一种值得探索的资源利用的新方式。
海面阳光充足，然而，光伏制氢受限于光伏效率，整体的太阳能制氢效率较低。以晶硅光伏为例，可利用的太阳光波段为320-1100nm，大量的红外辐射无法利用而耗散成热能，同时产生的热能影响光伏电池的转换能力，实际应用的晶硅电池转换效率不足20％。
另一方面，传统电解制氢是在直流电的作用下，通过电化学反应，分别在阴极和阳极析出氢气和氧气，装置主要包括碱性电解槽和质子交换膜电解槽。前者以KOH作为电解质，会加速电解电极的腐蚀，降低电极使用寿命，后者以质子交换膜作为电解质，反应物是纯水。目前，获得纯水的主要方式为蒸馏法，离子交换法，电透析法，反渗透法。这几种方法装置较为复杂，需要额外的能源以确保过程的进行，且需定期更换渗透膜，提高制氢成本，不利于在海面上实施操作。
发明内容
针对现有技术在利用阳光和海水进行海水淡化、发电、和制氢的不足，本发明提供一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的装置包括聚光透镜、光伏板、分光镜、水蒸馏室、吸水部、蒸馏水电解装置、氢气收集装置，其中分光镜位于聚光透镜的焦距处，太阳光通过所述聚光透镜聚集后照射至分光镜，并通过分光镜将一部分太阳光反射到所述光伏板，而另一部分太阳光通过分光镜透射，照射到所述吸水部，水蒸馏室通过吸水部与外部液体接触，外部液体可以通过吸水部的吸附作用进入水蒸馏室，并在水蒸馏室被蒸馏，蒸馏室通过管道与通过光伏板供电的蒸馏水电解装置相连接，蒸馏水电解装置通过管道与氢气收集装置相连接。
作为优选，所述光伏板包括若干个串并联接的晶硅电池，所述聚光透镜包括菲涅尔透镜。
作为优选，所述的吸水部为呈蜂窝状的活性炭，具有良好的耐水性和吸热性能，孔隙率为0.4-0.6，比表面积为500-1500m2/g。
作为优选，所述水蒸馏室内的底面为倾斜面，所述倾斜面的较低侧设有出水口。
作为优选，所述水蒸馏室内部的顶面为倾斜面。
作为优选，本装置还包括升压稳压电路模块、控制电路模块、控制总线和位于蒸馏水进入蒸馏水电解装置的管道的电磁阀，控制电路模块用于通过控制总线，调节电磁阀的进水量，以及升压稳压电路模块提供的电解电压。
作为优选，所述控制电路模块(14)还用于控制分光镜角度。
本发明还提供一种使用如权利要求7所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置的制氢方法，包括如下步骤:
S1、通过菲涅尔透镜对太阳光进行聚光，
S2、通过分光镜，将聚光后的太阳光，分出可见光和红外光，
S3、将可见光射到太阳能电池板上进行光伏发电，红外光透射到水蒸馏室(4)中的蜂窝活性炭上，
S4、海水通过蜂窝活性炭进入水蒸馏室，受到太阳辐射红外光的加热作用，产生水蒸气，
S5、水蒸气冷凝于水蒸馏室的内壁面，长大成核变为淡水液滴，经壁面下落并通过管道进入电解池，
S6、可见光产生的电能作为蒸馏水电解装置的供电来源，红外光产生的淡水作为电解池(13)的电解液来源，通过电化学反应产生氢气，
S7、用氢气收集装置收集蒸馏水电解装置中产生的氢气。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、同步全光谱利用太阳辐射能，可见光传递至光伏发电，红外光用于海水淡化，并利用可见光转换的电能电解红外光产生的淡水，制取出高纯度的氢气，制氢效率约为80％，制氢产量～2.74L/h。制氢效率的计算方式如下：产生的氢气量乘以氢气燃烧热值，再除以总的太阳辐射能量。
2、基于分光镜的分光效应，仅可见光照射至光伏电池板，光伏电池升温不显著，能够始终保持高效运行，无需额外的光伏电池板冷却装置。
3、装置简单，结构轻巧，成本低廉，绿色环保无污染，便于制造和量产。
4、便于多点分布式原位制氢，可广泛应用于微电网的储能系统构建。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢系统结构示意图。
图2是海水淡化的原理示意图。
图3是太阳能聚光跟踪的结构示意图。
图中：1为菲涅尔透镜、2为太阳能电池板、3为分光镜、4为水蒸馏室、5为蜂窝活性炭、6为升压稳压电路模块、7为通气口、8为阳极、9为质子交换膜、10为阴极、11为气阀、12为氢气收集罐、13为电解池、14为控制电路模块、15为电磁阀、16为控制总线。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本实施例包括高倍聚光菲涅尔透镜1，太阳能电池板2，能透射红外光反射可见光的分光镜3，水蒸馏室4，蜂窝活性炭5，升压稳压电路模块6，通气口7，电解池13(包括阳极8，质子交换膜9，阴极10)，气阀11，氢气收集罐12，控制电路模块14，电磁阀15，控制总线16。太阳辐射经菲涅尔透镜1(正方形结构，边长为50cm)聚光至分光镜3，通过分光镜3的反射和透射作用，可见光反射至太阳能光伏电池板2产生电能，红外光透射至并加热蜂窝活性炭5。菲涅尔透镜1距离分光镜3约50cm，分光镜3距离蜂窝活性炭5约3cm。蜂窝活性炭5放置于水蒸馏室4的内腔，水蒸馏室4放置于海面上，蜂窝活性炭5底部直接接触海水。海水经蜂窝活性炭5的孔隙而充满整个蜂窝活性炭5。被红外光加热的蜂窝活性炭5的上表面，由于界面蒸发效应，产生水蒸气。水蒸气流碰撞水蒸馏室4的壁面并冷凝于壁面表面，水蒸气成核并不断长大成为水滴，并沿着壁面下降，如图2所示。经通道流入电解池13。可见光产生的电能作为电解池13的供电来源，分解淡水产生氢气，流入氢气收集罐中。
所述的菲涅尔透镜1、分光镜3和太阳能电池板2的位置均可调，以实现太阳能的实时跟踪。当本装置在一个固定地点被使用时，太阳位置的变化以年为周期，可通过日期计算太阳高度角和方位角，从而确定菲涅尔透镜的偏转角度，其与地面的夹角为90°-θ。太阳能电池板2竖直放置，菲涅尔透镜入射的光线，经分光镜的反射作用，反射光应与地面平行，则此时分光镜与地面的夹角为90°-2θ，如图3所示。一天中，太阳能电池板2的位置只需变化一次。即随着太阳的东升西落，当上午太阳能电池板2放置于装置左侧时，下午太阳能电池板2需以分光镜为中心，旋转180°对称放置，从而使太阳能电池板2最大限度的接收太阳辐射，提升太阳可见光的转换效率。太阳能电池板2由多晶硅电池片串并联组成。
本发明使用梯形的水蒸馏室4，顶部的倾斜角度为30°，底部下表面水平，上表面的倾斜角度为10°，底部与顶部的倾斜方向一致，使冷凝的淡水液滴顺着水蒸馏室的内壁下流至水蒸馏室4的底部。
淡水通过管道进入质子交换膜电解池13中，此时将太阳能电池板2的正负极经升压稳压电路模块6和控制电路模块14，连接至电解池13的阳极8和阴极10进行电解水制氢，阳极反应式2H2O＝O2↑+4H++4e-，阴极反应式4H++4e-＝2H2↑。
反应所产生的氧气经通气口7释放，反应生成的氢气通过氢气收集装置收集。
本案例中，反应产生的氢气经气阀11被已抽真空的氢气收集罐12收集，也可以使用本领域技术人员能想到的其它方式收集氢气或氧气。在此过程中，升压稳压电路模块6调节电解池13的供电电压，控制电路模块14控制着电磁阀15的开关。当淡水产生量不足时，降低升压稳压电路模块6的供电电压，使电解池13的电解速率降低。当淡水产生量过多时，提高升压稳压电路模块6的供电电压，并同时通过控制电路模块14控制电磁阀15的开合状态，调节入口水流速度。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：包括聚光透镜(1)、光伏板、分光镜(3)、水蒸馏室(4)、吸水部(5)、蒸馏水电解装置、氢气收集装置，分光镜(3)位于聚光透镜(1)的焦距处，使太阳光通过所述聚光透镜(1)聚集后，照射分光镜(3)，并通过分光镜将一部分太阳光反射到所述光伏板，而另一部分太阳光通过分光镜透射，照射到所述吸水部(5)，水蒸馏室通过吸水部(5)与外部液体接触，外部液体通过吸水部(5)的吸附作用进入本装置，在水蒸馏室被蒸馏，蒸馏得到的水从所述蒸馏室通过管道进入通过光伏板供电的蒸馏水电解装置被电解，在蒸馏水电解装置中产生的氢气通过管道进入氢气收集装置。
2.如权利要求1所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：所述光伏板包括若干个串并联接的晶硅电池，所述聚光透镜包括菲涅尔透镜。
3.如权利要求2所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：所述的吸水部(5)为呈蜂窝状的活性炭，具有良好的耐水性和吸热性能，孔隙率为0.4-0.6，比表面为500-1500m2/g。
4.如权利要求3所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：所述水蒸馏室(4)内的底面为倾斜面，所述倾斜面的较低侧设有出水口。
5.如权利要求4中所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：所述水蒸馏室(4)内部的顶面为倾斜面。
6.如权利要求1～4中任意一项所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：还包括升压稳压电路模块(6)、控制电路模块(14)、控制总线(16)和位于蒸馏水进入蒸馏水电解装置的管道的电磁阀(15)，控制电路模块(14)用于通过控制总线(16)，调节电磁阀(15)的进水量，以及升压稳压电路模块(6)提供的电解电压。
7.如权利要求6中所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置，其特征在于：所述控制电路模块(14)还用于控制分光镜角度。
8.使用如权利要求7所述的一种太阳能水蒸馏-光伏发电耦合的制氢装置的制氢方法，其特征在于，包括如下步骤:
S1、通过菲涅尔透镜(1)对太阳光进行聚光，
S2、通过分光镜(3)，将聚光后的太阳光，分出可见光和红外光，
S3、将可见光射到太阳能电池板(2)上进行光伏发电，红外光透射到水蒸馏室(4)中的蜂窝活性炭(5)上，
S4、海水通过蜂窝活性炭(5)进入水蒸馏室(4)，受到太阳辐射红外光的加热作用，产生水蒸气，
S5、水蒸气冷凝于水蒸馏室(4)的内壁面，长大成核变为淡水液滴，经壁面下落并通过管道进入电解池(13)，
S6、可见光产生的电能作为蒸馏水电解装置的供电来源，红外光产生的淡水作为电解池(13)的电解液来源，通过电化学反应产生氢气，
S7、用氢气收集装置(12)收集蒸馏水电解装置中产生的氢气。
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