CN115744819A - 太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，属于太阳能利用技术领域。主要包括分频器、光催化反应器、光伏光热集热器、间壁式换热器、电催化反应器。所述分频器用于将紫外光从太阳光中分离并用于光催化制氢，剩余的可见光和红外线用于PV/T产生电能和热能；PV/T集热器和光催化反应系统通过分频器共用太阳光，通过热交换器实现热耦合，最后将PV/T的电能和热能与电催化制氢系统结合，实现氢气、热能联供。本发明主要优势在于利用太阳能全光谱分频技术，将光催化和电催化同时引入到太阳能制氢当中，实现太阳能高效制氢的目的。因此，本发明解决了单一太阳能制氢效率偏低的问题，有助于太阳能高效制氢技术的进一步推广。

Description

太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种利用太阳能分频同时进行光催化和光伏光热与电催化多联产制氢系统，可实现不同波长太阳能的充分利用。

背景技术

随着经济高速发展及人口快速增长，我国对能源的需求也在急剧增加，而我国目前能源的主体构成主要是化石能源，但化石能源属于不可再生资源，并且化石能源的大量使用给环境带来严重的危害。为了积极响应能源绿色低碳转型的全球发展大趋势，在开发利用清洁能源的背景下，通过将太阳能分频利用以实现光催化制氢和电催化制氢与光伏光热结合的技术具有良好的发展前景。所利用的光催化技术，是通过接收太阳能辐射以激发半导体中价带电子跃迁到导带上，在导带上形成光生电子，而电子原来占据的位置则形成光生空穴。光生电子具有很强的还原性，能很容易地给出电子，将氢离子还原成氢气，而光生空穴具有很强地氧化性，能将水氧化成氧气。太阳能光伏光热一体化（Photovoltaic/Thermal，PV/T）技术是可以同时进行光电和光热转换，通过在光伏电池背板铺设管道，通过管道中的冷却剂吸收热量，提高光电转换效率，并将这部分热量回收利用，同时产生电能、热能两种效益。电催化制氢技术可以实现将电能转化为易于储存的氢能，对水中的电极施加外部电压，可以将电极表面的水分子分解成氢气和氧气。

但是，光催化制氢只能将太阳辐射中大于光催化材料的禁带宽度的部分能量用于制氢，对于那些能量小于禁带宽度的光子（部分可见光和红外部分），因不能用于光催化制氢而转变为热能和其他形式的能量，使得利用太阳能的㶲效率低下。另一方面，电催化制氢过程中需要消耗大量的电能，而电能的产生过程中产生大量的温室气体。光伏光热一体化技术所利用的太阳能的光谱范围是可见光与红外部分，对于具有较高能量的紫外线，由于半导体效率问题而基本不利用，同样造成能量浪费。

光催化制氢技术、光伏光热一体化技术对太阳能都属于部分利用。

一种光伏发电耦合光催化制氢系统将太阳能同时转化为电能和氢能，实现了太阳能的梯级利用；全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统是利用光电材料先将部分太阳光转换为电能，然后电解水制氢。以上系统中存在的问题有：1、在将太阳能转变为电能过程，无法高效利用太阳全光谱，超过80%太阳能被转化为低温热能，使得能量转化效率在15%以下。2、在低温条件下进行的电解水制氢，需要克服较高的势垒，同时需要贵金属催化剂。3、仅利用光催化技术，受到所需的太阳光波长的限制，长波光不能很好地利用，太阳能到氢能转化效率仍低于1%。

本发明中光催化和电催化均是太阳光驱动下实现太阳能到氢能的转化，无需外界电能输入；通过光伏光热、光催化和电催化三者的热耦合，使得整个系统的太阳能到氢能转化效率到达16%。

发明内容

为了解决现阶段太阳能制氢效率低下和光伏光热余热利用效益低的限制性问题，本发明提供一种太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统。

本发明采用以下技术方案：

太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统包括分频器1、透光反应容器4、电催化反应器9、光伏光热集热器17和间壁式换热器18；

所述分频器1呈30°-45°角设置；

所述透光反应容器4位于分频器1的下方，且透光反应容器4顶部与分频器1垂直向下的出射光对应；透光反应容器4顶部的氢气出口通过气管和氢气阀3连通着储氢罐2；透光反应容器4一侧上部的冷水出口41连通着间壁式换热器18的低温入口181，透光反应容器4另一侧下部的热水入口42通过循环泵7连通着间壁式换热器18的高温出口182，形成光催化混合液回路；透光反应容器4的一侧下部的光催化混合液入口6处设有加液阀61，透光反应容器4的另一侧中部的光催化混合液出口5处设有放液阀51；

所述光伏光热集热器17为太阳能光伏光热集热器，位于间壁式换热器18的上方，且与分频器1水平方向的出射光对应；光伏光热集热器17上的冷却液入口171通过水泵16连通着水箱15；光伏光热集热器17的电能输出正极通过导线连接着电催化反应器9的阳极碳板12，光伏光热集热器17的电能输出负极通过导线连接着电催化反应器9的阴极碳板14；

所述间壁式换热器18顶部的热介质入口183连通着光伏光热集热器17的冷却液出口172，间壁式换热器18底部的热介质出口184通过管道连通着电催化反应器9底部的热水进口91；间壁式换热器18的热介质出口184和电催化反应器9的热水进口91之间依次串联着供水泵8和热水箱19；

所述电催化反应器9上部一侧通过氧气阀11串联着氧气罐10，电催化反应器9上部另一侧通过氢气阀20串联着氢气罐21；

工作时，所述分频器1将太阳光根据波长分为两部分，其中紫外光部分透过分频器1进入透光反应容器4，可见光部分和红外光部分反射到光伏光热集热器17上；光伏光热集热器17产生的热能一部分用于为透光反应容器4提供反应温度，另一部分用于给电催化反应器9提供温度保障和热水箱19供热；光伏光热集热器17产生的电能供应给电催化反应器9，使得透光反应容器4和电催化反应器9实现同时制氢。

进一步地技术方案如下：

所述分频器1为采用短波通滤光片的分频器。

所述透光反应容器4为流化床光催化反应器。

所述透光反应容器4中的光催化混合液为按质量比1000:1由水与光催化剂混合均匀的混合液。

所述光催化剂为纳米级掺杂质量为百分之零点五的铁元素的二氧化钛催化剂。

所述电催化反应器9为质子交换膜（PEM）电解槽。

所述太阳能光伏光热集热器17为太阳能光伏光热平板（PV/T）。

所述间壁式换热器18为换热系数3000-5000W/(㎡·℃)的板式换热器。

所述制氢系统所用管道均为隔热管道。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）实现全光谱高效利用太阳能制氢。本发明将工作在紫外区域的光催化制氢与工作在可见光、红外区域的光伏光热结合起来，将PV/T引入到太阳能制氢当中。在对太阳能的阶梯利用过程中，相较于其他的光热耦合利用太阳能，除了共同利用太阳能光谱外，通过分频器将太阳光分为两个部分，使每个部分的太阳光得到高效利用，同时实现将PV/T的电能通过电催化制氢转化为氢气。由PV/T系统中热管带走的热能可以降低光伏电池组（23）的温度，提高光伏发电的效率，同时还可以输入到光催化制氢系统中，为光催化制氢过程提供适当的温度；该系统还可以将供应光催化后的余热用于电催化制氢，将PV/T产生的电能用于电催化制氢，进一步提高太阳能到氢气的转化效率，使得系统的整体的太阳能到氢气的转化效率到达16%，高于单独光催化制氢的太阳能到氢气的转化率1%和单独光伏光热-电催化联合制氢系统的氢能转化率12%。

（2）实现光催化制氢、电催化制氢与光伏光热一体化热耦合。流经热管以冷却PV/T集热器后的高温液体经换热器可用于加热透光反应容器，从而减少光催化过程中紫外光用于加热光催化混合液所消耗的能量，为催化反应器提供合适的反应温度；此外，光催化未能利用的光热热量继续供往电催化装置，可以作为吸热化学反应吸收的热量，满足了高温电解过程所需的热量，用品味较低的热能替代部分高品位的电能，减少了电能的消耗；同时，电解需要克服的势垒更小，不需要贵金属电极，可以降低系统的成本。最后，光热余热还可以生活热水等形式向有热需求的用户供热，因此，本发明还具有额外供热的优点。

附图说明

图1为本发明所涉及的太阳能分频光催化-光伏光热与电催化多联产制氢系统示意图。

图2为本发明所涉及的透光反应容器剖视图。

图3为本发明所涉及的PV/T集热器的示意图。

图4为本发明所涉及的PV/T集热器的剖视图。

上图中序号：分频器1、储氢罐2、氢气阀3、透光反应容器4、冷水出口41、热水入口42、光催化混合液出口5、放液阀51、光催化混合液入口6、加液阀61、循环泵7、供应泵8、电催化反应器9、热水进口91、氧气罐10、氧气阀11、阳极碳板12、质子交换膜13、阴极碳板14、水箱15、水泵16、光伏光热集热器17、冷却液入口171、冷却液出口172、间壁式换热器18、冷介质入口181、冷介质出口182、热介质入口183、热介质出口184、热水箱19、氢气阀20、氢气罐21、玻璃盖板22、光伏电池组23、吸热板24、隔热层25、热管26、透紫外线玻璃27。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统包括分频器1、透光反应容器4、电催化反应器9、光伏光热集热器17和间壁式换热器18。

制氢系统所用管道均为隔热管道。

分频器1为采用短波通滤光片的分频器，呈30°-45°角设置。

参见图2，透光反应容器4为流化床光催化反应器，其中的光催化混合液为按质量比1000:1由水与光催化剂混合均匀的混合液，光催化剂为纳米级掺杂质量为百分之零点五的铁元素的二氧化钛催化剂。

透光反应容器4位于分频器1的下方，且透光反应容器4顶部与分频器1垂直向下的出射光对应。透光反应容器4顶部的氢气出口通过气管和氢气阀3连通着储氢罐2。透光反应容器4一侧上部的冷水出口41连通着间壁式换热器18的低温入口181，透光反应容器4另一侧下部的热水入口42通过循环泵7连通着间壁式换热器18的高温出口182，形成光催化混合液回路；透光反应容器4的一侧下部的光催化混合液入口6处安装有加液阀61，透光反应容器4的另一侧中部的光催化混合液出口5处安装有放液阀51。

参见图3和图4，光伏光热集热器17为太阳能光伏光热平板（PV/T），包括玻璃盖板22、吸热板24、保温层25、热管26和光伏电池组23。光伏光热集热器17位于间壁式换热器18的上方，且与分频器1水平方向的出射光对应。光伏光热集热器17上的冷却液入口171通过水泵16连通着水箱15；光伏光热集热器17的电能输出正极通过导线连接着电催化反应器9的阳极碳板12，光伏光热集热器17的电能输出负极通过导线连接着电催化反应器9的阴极碳板14。阳极碳板12和阴极碳板14之间为质子交换膜13。

玻璃盖板22上方为光伏光热集热器17接收太阳光侧，面向太阳光侧为光伏光热集热器17正面。光伏电池组23以阵列分布的光伏光热集热器17的正面上。光伏电池材料的选择可根据反射的太阳光的波长与强度选择；吸热板24应选择对太阳辐射具有较高吸收率并且导热性良好的材料，可根据实际需求在其表面覆盖选择性涂层以增强吸热能力。

间壁式换热器18为换热系数3000-5000W/(㎡·℃)的板式换热器。间壁式换热器18顶部的热介质入口183连通着光伏光热集热器17的冷却液出口172，间壁式换热器18底部的热介质出口184通过管道连通着电催化反应器9底部的热水进口91；间壁式换热器18的热介质出口184和电催化反应器9的热水进口91之间依次串联着供水泵8和热水箱19。

电催化反应器9为质子交换膜（PEM）电解槽。电催化反应器9上部一侧通过氧气阀11串联着氧气罐10，电催化反应器9上部另一侧通过氢气阀20串联着氢气罐21。

本发明的工作原理详细说明如下：

太阳辐射中99.9%的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。可见光区占太阳辐射总能量的约50%，红外区约43%，紫外区占总量的约7%。在地面上接收到的太阳辐射的波段范围约为295~2500nm。短于295nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水分子和其他大气组分的强烈吸收，不能到达地面。

在光催化制氢方面，该反应是利用光能的催化反应，催化剂为窄带宽的半导体材料；当能量高于带宽的光子进入光催化体系中，如当小于387nm的紫外光照射到TiO₂时，半导体中价带电子被激发，跃迁至导带中，在价带上形成光生电子空穴，在导带上产生光生电子，吸附在半导体上的水分子被光生电子空穴氧化产生氧气，同时产生的氢离子被光生电子还原成氢气。

在光伏光热一体化方面，太阳能光伏电池主要是吸收可见光，还可以吸收一部分红外波段的光，一般吸收波段是380nm到1100nm，光伏电池不能吸收的太阳光能量全部转化为热量，使得光伏电池温度上升，所以通过热管冷却光伏电池可以使得光伏电池保持一个较低的温度，使得光伏光热同时产出电能和热能，此外，紫外线对太阳能电池是有害的，紫外线的长期照射，使得太阳能电池板发生老化现象，导致组件透光率下降，进而引起功率下降。

在太阳能利用方面，由于太阳能光催化制氢和光伏光热利用的太阳光波长不同，因而可以将两者组合起来。光伏光热对紫外线基本无需求，而光催化制氢过程主要吸收紫外线，能将光伏光热和光催化制氢组合起来，另外，PV/T产生的电能和热能可用于电催化制氢，使用光伏光热集热器产出的热水进行电催化，可减少对电能的消耗，多余的水可供应给有热需求的用户，同时使用光伏板发出的电能进行电催化制氢，使得电催化产生的氢气更环保，并且增加了太阳能到氢能的转化效率，还实现对太阳能的梯级利用。本发明通过将电催化和PV/T引入到太阳能制氢中，同时实现了光催化和电催化制氢的目的。

本发明的工作过程介绍如下：

打开水泵16，向制氢系统中通入光催化混合液，将分频器1的反射光汇集到光伏光热集热器17的正面，光伏光热集热器17在发电的同时产出热量，加热热管26内的冷却液，同时打开加液阀6，向透光反应容器4中注入光催化混合液，同时将分频器1的透射光汇集到透光反应容器4上方；从光伏光热集热器17中出来的高温冷却液进入间壁式换热器18与加热透光反应容器4的低温流体充分换热；低温流体在间壁式换热器18中被加热后，经过循环泵7后从透光反应容器4的侧面下方的热水入口42进入透光反应容器4的保温层中，与中间的光催化混合液充分换热后，从侧面上方的冷水出口41回到间壁式换热器18中再次加热；待透光反应容器4中反应生成氢气后；打开氢气阀3将含有氢气的气体产物通入储氢罐2储存；同时将光催化反应后的废液通过放液阀5排出。光伏光热集热器17输出的电能向电催化反应器9输送，并全部用于电催化制氢；经过间壁式换热器18的高温冷却液与低温流体充分换热后，一部分储存于热水箱19中，向有热需求的用户供热，其余部分继续通过隔热管道通向电催化反应器9，在电催化反应器9中全部电解成氢气与氧气。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：包括分频器（1）、透光反应容器（4）、电催化反应器（9）、光伏光热集热器（17）和间壁式换热器（18）；

所述分频器（1）呈30°-45°角设置；

所述透光反应容器（4）位于分频器（1）的下方，且透光反应容器（4）顶部与分频器（1）垂直向下的出射光对应；透光反应容器（4）顶部的氢气出口通过气管和氢气阀（3）连通着储氢罐（2）；透光反应容器（4）一侧上部的冷水出口（41）连通着间壁式换热器（18）的低温入口（181），透光反应容器（4）另一侧下部的热水入口（42）通过循环泵（7）连通着间壁式换热器（18）的高温出口（182），形成光催化混合液回路；透光反应容器（4）的一侧下部的光催化混合液入口（6）处设有加液阀（61），透光反应容器（4）的另一侧中部的光催化混合液出口（5）处设有放液阀（51）；

所述光伏光热集热器（17）为太阳能光伏光热集热器，位于间壁式换热器（18）的上方，且与分频器（1）水平方向的出射光对应；光伏光热集热器（17）上的冷却液入口（171）通过水泵（16）连通着水箱（15）；光伏光热集热器（17）的电能输出正极通过导线连接着电催化反应器（9）的阳极碳板（12），光伏光热集热器（17）的电能输出负极通过导线连接着电催化反应器（9）的阴极碳板（14）；

所述间壁式换热器（18）顶部的热介质入口（183）连通着光伏光热集热器（17）的冷却液出口（172），间壁式换热器（18）底部的热介质出口（184）通过管道连通着电催化反应器（9）底部的热水进口（91）；间壁式换热器（18）的热介质出口（184）和电催化反应器（9）的热水进口（91）之间依次串联着供水泵（8）和热水箱（19）；

所述电催化反应器（9）上部一侧通过氧气阀（11）串联着氧气罐（10），电催化反应器（9）上部另一侧通过氢气阀（20）串联着氢气罐（21）；

工作时，所述分频器（1）将太阳光根据波长分为两部分，其中紫外光部分透过分频器（1）进入透光反应容器（4），可见光部分和红外光部分反射到光伏光热集热器（17）上；光伏光热集热器（17）产生的热能一部分用于为透光反应容器（4）提供反应温度，另一部分用于给电催化反应器（9）提供温度保障和热水箱（19）供热；光伏光热集热器（17）产生的电能供应给电催化反应器（9），使得透光反应容器（4）和电催化反应器（9）实现同时制氢。

2.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述分频器（1）为采用短波通滤光片的分频器。

3.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述透光反应容器（4）为流化床光催化反应器。

4.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述透光反应容器（4）中的光催化混合液为按质量比1000:1由水与光催化剂混合均匀的混合液。

5.根据权利要求4所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述光催化剂为纳米级掺杂质量为百分之零点五的铁元素的二氧化钛催化剂。

6.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述电催化反应器（9）为质子交换膜电解槽。

7.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述光伏光热集热器（17）为太阳能光伏光热平板。

8.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述间壁式换热器（18）为换热系数3000-5000W/(㎡·℃)的板式换热器。

9.根据权利要求1所述的太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：所述制氢系统所用管道均为隔热管道。

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