CN116445946A - 一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，包括为整个装置提供支撑的双轴太阳追踪器，位于双轴太阳追踪器顶端设置有光学聚光器，所述光学聚光器的中央安装砷化镓光伏电池，砷化镓光伏电池用于接收来自太阳光谱分频器镜面反射的短波部分汇聚光线，所述光学聚光器聚光位置设置高温电催化合成氨反应器。本发明具有高聚光比聚光、太阳光全光谱分频利用、高精度追踪太阳光、光热协同催化绿氨反应的特点。
Description
技术领域
本发明涉及绿氨制取的太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置。
背景技术
氨是世界上产量最大的化工产品之一，其生产方法主要是通过哈伯(Haber-Bosch)工艺将氢气和氮气在高温高压下反应生成氨。该反应所需的高温条件主要是通过化石燃料的燃烧来实现，另外，作为反应物的氢气大多也是由化石燃料制得，故传统的哈伯法合成氨工艺能耗及碳排放量都很高。事实上，合成氨消耗的能源占世界能源总消耗的3％，其排放的二氧化碳占全球人为碳排放的1.8％。因此，迫切需要一种新的合成氨技术来解决现有合成氨工艺中碳排放量过多的问题，最终实现零碳排放的氨生产。利用光伏发电并驱动电催化合成氨反应可视为是一条极具前景的绿色合成氨技术路线。
然而，单一光伏发电只能利用特定波长光谱范围，致使光伏发电过程中太阳能转化率低；而单一光热发电尽管可实现全光谱利用太阳能，但受聚光集热技术以及集热温度限制，其转化率仍然比较低。因此，实现高效的太阳能综合利用效率当前光伏电催化合成氨技术路线中亟待解决的难题。近几年，全光谱利用作为太阳能利用领域重要的研究方向为解决这一难题提供了有效途径，现有的全光谱太阳能利用发电的主要途径是光伏-余热和光伏-热电-余热形式，如：一种便携式光伏真空膜蒸馏纯水生产装置(公开号：CN115818755A)中，光伏电池余热属于低品位热，同时热电材料和光伏电池间存在功率和材料匹配不当问题，致使太阳能全光谱利用不可逆性大，利用率低。
光伏电池光电效应存在禁带宽度，能量低于和高于禁带宽度的电子会转化为低品位余热。如何将特定波长段光谱用于光伏发电，剩余光谱用于光热利用并提升其热能品位，协同利用电能与高品位热能驱动合成氨反应，是解决光伏电催化合成氨技术难题的关键所在。
发明内容
为了克服以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，具有高聚光比聚光、太阳光全光谱分频利用、高精度追踪太阳光、光热协同催化绿氨反应的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，包括为整个装置提供支撑的高度角加方位角双轴太阳追踪器2，位于高度角加方位角双轴太阳追踪器2顶端设置有光学聚光器1，所述光学聚光器1的中央安装砷化镓光伏电池4，砷化镓光伏电池4用于接收来自太阳光谱分频器3镜面反射的短波部分汇聚光线，所述光学聚光器1聚光位置设置高温电催化合成氨反应器5。
所述高度角加方位角双轴太阳追踪器2底端固定于地面或其他载体，与光学聚光器1为一体结构，高度角加方位角双轴太阳追踪器2通过高度角加方位角跟踪方式，使光学聚光器1的外法线方向与太阳直射辐射方向一致，从而实现高精度实时太阳光追踪能力。
所述光学聚光器1为菲涅尔透镜或抛物碟式聚光器。
所述菲涅尔透镜具有100～1000的超高几何聚光比，用于对入射的太阳直射光线进行光学汇聚，使所述太阳光谱分频器3上的光明亮而均匀；菲涅尔透镜1具有500倍的超高几何聚光比。
所述太阳光谱分频器3位于光学聚光器1焦距的1/2位置，将从光学聚光器1汇聚的全光谱太阳辐照进行光学分频，其中短波部分(包含紫外光及可见光)被镜面反射至高倍聚光光伏电池4，长波部分(包含红外光)被透射至高温电催化合成氨反应器5的阳极光学窗口7。
所述高倍聚光光伏电池4位于光学聚光器1所在平面的中心位置，接收来自太阳光谱分频器3镜面反射的短波部分汇聚光线，用于高效光伏发电。
所述高温电催化合成氨反应器5包括阳极光学窗口7，所述阳极光学窗口7用于接收来自太阳光谱分频器3透射的长波部分汇聚光线至铂阳极催化层9，产生500～600摄氏度高温，同时，高温电催化合成氨反应器5的铂阳极催化层9与银阴极催化层11分别与高倍聚光光伏电池4的对应正、负极相连，由其光伏发电所提供的电能推动高温电催化反应产生氨气。
所述阳极光学窗口7是可透光的玻璃层，铂阳极催化层9、银阴极催化层11的结构是圆形，分别附着于固体电解质的两面，铂阳极催化层9那一侧对应的是阳极室，银阴极催化层11那一侧对应的是阴极室，阳极室和阴极室由固态电解质隔开，固态电解质和阴阳极催化层的横截面积一样。
所述高温电催化合成氨反应器5外覆盖保温层6，用于维持500～600摄氏度高温条件，一方面用于加热汽化进入阳极室8的水成为蒸汽，另一方面用于为高温电催化反应提供高温条件。
通过全光谱太阳能聚光分频热电输出并直接用于高温电催化合成氨的一体化装置设计，实现了太阳能到氨能的高效低碳绿色转化。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，通过对太阳光进行分频为短波部分(包含紫外光及可见光)和长波部分(包含红外光)。短波部分用于发电，催化反应器中的合成氨反应，长波部分用来维持反应器中反应的高温条件，实现了对太阳光的全光谱利用和热电联供，提高了太阳能的利用效率，相比于传统制氨，减少了化石能源的消耗与污染物排放。
(2)本发明提供的太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，实现了太阳能到化学能的直接转化，将太阳能转化为便于储存的能量。
(3)本发明提供的太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，具有高度一体化的特点，实现对太阳光的高精度跟踪。
(4)本发明提供的太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，通过聚光分频系统提高光伏效率的同时将系统中热能加以利用，以达到太阳能最大化利用的目的。提升了光伏-光热利用光热的品位，提高了太阳辐射利用率，实现了高效的太阳能全光谱利用。
附图说明：
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明实施例1工作原理示意图。
图3为本发明实施例2工作原理示意图。
图4为本发明太阳能聚光分频制绿氨一体化装置中分频器将太阳光分为短波部分和长波部分的波长实测图。
图5为本发明太阳能聚光分频制绿氨一体化装置中高温电催化合成氨反应器图。
标号说明
图1中，1-光学聚光器2-高度角加方位角双轴太阳追踪器3-太阳光谱分频器4-砷化镓光伏电池5-高温电催化合成氨反应器6-保温层7-阳极光学窗口8-阳极室9-铂阳极催化层10-固态电解质11-银阴极催化层12-阴极室；
图2中，1-1-菲涅尔透镜
图3中，2-1-抛物碟式聚光器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：
一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，包括为整个装置提供支撑的高度角加方位角双轴太阳追踪器2，位于高度角加方位角双轴太阳追踪器2顶端设置有光学聚光器1，所述光学聚光器1的中央安装砷化镓光伏电池4，砷化镓光伏电池4受光面接收来自太阳光谱分频器3镜面反射的短波部分汇聚光线，所述光学聚光器1光斑位置设置高温电催化合成氨反应器5，透射光通过阳极光学窗口7汇聚于铂阳极催化层9。
所述高度角加方位角双轴太阳追踪器2底端固定于地面或其他载体，与光学聚光器1为一体结构，高度角加方位角双轴太阳追踪器2通过高度角加方位角跟踪方式，使光学聚光器1的外法线方向与太阳直射辐射方向一致，从而实现高精度实时太阳光追踪能力。
实施例1：
参照图2，本发明实施例提供了一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，可用于太阳能聚光分频全光谱综合利用和热电联供，包括：菲涅尔透镜1-1、高度角加方位角双轴太阳追踪器2、太阳光谱分频器3、砷化镓光伏电池4、高温电催化合成氨反应器5和保温层6。其中高温电催化合成氨反应器5又包含阳极光学窗口7、阳极室8、铂阳极催化层9、固态电解质10、银阴极催化层11及阴极室12。高度角加方位角双轴太阳追踪器2为整个装置提供支撑，其底端固定于地面或其他载体，实现实时追踪太阳光，使整个装置能时刻高效利用太阳能。
菲涅尔透镜1-1安装在高度角加方位角双轴太阳追踪器2顶端，其为边长为500mm*500mm的正方形结构，具有500倍的超高几何聚光比，能达到凸透镜的效果，可对入射的太阳直射光线进行光学汇聚。砷化镓光伏电池4安装在所述菲涅尔透镜1-1的中央，可以提高装置的一体化，接收来自太阳光谱分频器3镜面反射的短波部分汇聚光线，用于高效光伏发电。砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅更好。单结的砷化镓光伏电池理论光电转化效率能达到30％，多结的砷化镓光伏电池理论效率能超过50％。砷化镓光伏电池的耐温性好于硅光电池在250摄氏度的条件下仍可以正常工作。
参照图2、图4，分频器3将透过菲涅尔透镜1-1达到高聚光比的太阳光分为短波部分和长波部分，短波部分被反射到砷化镓光伏电池4上进行光伏发电，为高温电催化合成氨反应器提供电能，长波部分透射到高温电催化合成氨反应器进行高温电催化合成氨反应。
参照图5，高温电催化合成氨反应器5通过阳极光学窗口7接收来自太阳光谱分频器3透射的长波部分汇聚光线至铂阳极催化层9，产生500～600摄氏度高温。同时，高温电催化合成氨反应器5的铂阳极催化层9与银阴极催化层11分别与砷化镓光伏电池4的对应正、负极相连，由其光伏发电所提供的电能推动高温电催化反应产生氨气。水蒸气从阳极腔入口流入阳极腔8，吸附到阳极催化层9表面，在电势差作用下，水蒸气发生了氧化反应，生成了氧气和质子。生成的氧气从阳极腔的出口流出。质子通过固态电解质10从阳极腔8转移到阴极腔12。氮气从阴极腔入口流入阴极腔12，吸附到阴极催化层11表面，在电势差作用下，氮气发生了还原反应，和质子生成了氨气。
实施例2：
参照图3，本发明实施例提供了一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，可用于太阳能聚光分频全光谱综合利用和热电联供，包括：抛物碟式聚光器2-1、高度角加方位角双轴太阳追踪器2、太阳光谱分频器3、砷化镓光伏电池4、高温电催化合成氨反应器5和保温层6。其中高温电催化合成氨反应器5又包含阳极光学窗口7、阳极室8、铂阳极催化层9、固态电解质10、银阴极催化层11及阴极室12。
参照图3，抛物碟式聚光器安装在高度角加方位角双轴太阳追踪器2顶端，其为具有超高几何聚光比，对入射的太阳直射光线进行高度汇聚，反射到太阳光谱分频器3上。
参照图3，砷化镓光伏电池4安装在所述抛物碟式聚光器2-1的中央，可以提高装置的一体化。
其余部分与实施例1相同，不再赘述。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的太阳能聚光分频制绿氨一体化装置有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，包括为整个装置提供支撑的双轴太阳追踪器(2)，位于双轴太阳追踪器(2)顶端设置有光学聚光器(1)，所述光学聚光器(1)的中央安装砷化镓光伏电池(4)，砷化镓光伏电池(4)用于接收来自太阳光谱分频器(3)镜面反射的短波部分汇聚光线，所述光学聚光器(1)聚光位置设置高温电催化合成氨反应器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述双轴太阳追踪器(2)底端固定于地面或其他载体，与光学聚光器(1)为一体结构，双轴太阳追踪器(2)通过高度角加方位角跟踪方式，使光学聚光器(1)的外法线方向与太阳直射辐射方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述光学聚光器(1)为菲涅尔透镜或抛物碟式聚光器。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜具有100～1000的超高几何聚光比，用于对入射的太阳直射光线进行光学汇聚，使所述太阳光谱分频器(3)上的光明亮而均匀；菲涅尔透镜(1)具有500倍的超高几何聚光比。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述太阳光谱分频器(3)位于光学聚光器(1)焦距的1/2位置，将从光学聚光器(1)汇聚的全光谱太阳辐照进行光学分频，其中短波部分被镜面反射至高倍聚光光伏电池(4)，长波部分被透射至高温电催化合成氨反应器(5)的阳极光学窗口(7)。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述高倍聚光光伏电池(4)位于光学聚光器(1)所在平面的中心位置，接收来自太阳光谱分频器(3)镜面反射的短波部分汇聚光线，用于高效光伏发电。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述高温电催化合成氨反应器(5)包括阳极光学窗口(7)，所述阳极光学窗口(7)用于接收来自太阳光谱分频器(3)透射的长波部分汇聚光线至铂阳极催化层(9)，产生500～600摄氏度高温，同时，高温电催化合成氨反应器(5)的铂阳极催化层(9)与银阴极催化层(11)分别与高倍聚光光伏电池(4)的对应正、负极相连，由其光伏发电所提供的电能推动高温电催化反应产生氨气。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述阳极光学窗口(7)是可透光的玻璃层，铂阳极催化层(9)、银阴极催化层(11)的结构是圆形，分别附着于固体电解质的两面，铂阳极催化层(9)那一侧对应的是阳极室，银阴极催化层(11)那一侧对应的是阴极室，阳极室和阴极室由固态电解质隔开，固态电解质和阴阳极催化层的横截面积一样。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光分频制绿氨一体化装置，其特征在于，所述高温电催化合成氨反应器(5)外覆盖保温层(6)，用于维持500～600摄氏度高温条件，一方面用于加热汽化进入阳极室(8)的水成为蒸汽，另一方面用于为高温电催化反应提供高温条件。
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