CN116573609A - 太阳能热化学制氢发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种太阳能热化学制氢发电系统及方法；涉及燃料发电技术领域。所述系统包括：聚光装置，用于聚焦太阳能；热化学反应器，用于接收聚光装置通过聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境；氧载体，用于利用热量加热发生还原反应并释放氧气，并与通入热化学反应器的水蒸气发生氧化反应以产生氢气；热电发电部件，置于热化学反应器的保温层，用于利用保温层内外两侧的温差发电，以回收反应过程中通过保温层散失的热量。本公开利用热电发电部件回收热化学反应器在反应过程中的散热损失，提高了热化学反应器中对热量的利用率，进而提高了太阳能热化学制氢效率。
Description
技术领域
本公开涉及燃料发电技术领域，具体而言，涉及一种太阳能热化学制氢发电系统及方法。
背景技术
目前，清洁及可再生能源的开发、转化和利用已成为世界范围内的研究热点。在诸多可再生能源中，太阳能储量丰富，分布广泛，清洁无污染，具有巨大的开发潜力。然而太阳能具有能量密度低、间歇性、波动性等缺点，不利于其大规模使用。相关技术中，利用太阳能驱动水分解制氢是实现大规模、集中式、长周期太阳能储存和大规模利用的有效方法，该方法的研究和发展对于建立清洁低碳、安全高效的能源经济具有重要意义。
利用太阳能驱动水分解制氢通常是以金属氧化物为媒介，通过两步热化学循环分解水制氢，从而将太阳能转化为化学能以实现太阳能的转化。该能量转化的原理是利用金属与其氧化物之间或金属的不同价态氧化物之间的氧化还原反应实现水的分解。
但是，由于水分解过程中所需的还原反应温度过高，在反应过程中制氢系统表面会散失大量热量。尤其是还原反应完成后，制氢系统需冷却到指定温度才能进行氧化反应，这一过程中制氢系统释放的大量显热在反应过程的全部散热损失中占有较高比重，且难以回收，会在一定程度上限制制氢效率的提高。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种太阳能热化学制氢发电系统及方法，进而在一定程度上解决相关技术中由于难以回收反应过程中的散热从而限制制氢效率提高的问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开实施例的第一方面，提供了一种太阳能热化学制氢发电系统，包括：
聚光装置，用于聚焦太阳能；
热化学反应器，用于接收所述聚光装置通过聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境；
氧载体，用于利用所述热量加热发生还原反应并释放氧气，并与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应以产生氢气；
热电发电部件，置于所述热化学反应器的保温层，用于利用所述保温层内外两侧的温差发电，以回收反应过程中通过所述保温层散失的热量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述系统还包括：
储能电池，用于储存所述热电发电部件产生的电能，并为真空泵供电。
在本公开的一种示例性实施例中，所述真空泵用于去除还原反应过程中所述氧载体释放的氧气，以保持所述热化学反应器内的低压环境。
在本公开的一种示例性实施例中，所述热电发电部件的热电材料包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、锰酸钙及其衍生氧化物、钛酸锶及其衍生氧化物中的任意一种。
在本公开的一种示例性实施例中，所述系统还包括：
冷却器，用于冷却所述热化学反应器中在发生还原反应时释放出的氧气。
在本公开的一种示例性实施例中，所述系统还包括还原换热器和氧化换热器；
所述还原换热器，用于回收还原反应过程中释放出的氧气的显热；
所述氧化换热器，用于回收氧化反应过程中从所述热化学反应器中流出的高温气体的显热，以加热进入所述热化学反应器中的水蒸气。
在本公开的一种示例性实施例中，所述热化学反应器为装有石英窗的腔体结构，所述聚光装置聚焦太阳能产生的热量通过石英窗进入所述热化学反应器内部，对位于所述热化学反应器内部的所述氧载体进行加热。
在本公开的一种示例性实施例中，所述氧载体包括氧化铈、金属离子掺杂的氧化铈、锰基钙钛矿、铬基钙钛矿、铁基钙钛矿、钴基钙钛矿、铈基钙钛矿、钛基钙钛矿中的一种或多种金属氧化物的混合物。
在本公开的一种示例性实施例中，所述聚光装置为定日镜或碟式聚光器。
根据本公开实施例的第二方面，提供了一种太阳能热化学制氢发电方法，应用于太阳能热化学制氢发电系统，所述方法包括：
利用聚光装置产生的热量对热化学反应器内部的氧载体进行加热，以使所述氧载体发生还原反应并释放氧气，由真空泵去除释放出的氧气；
还原反应完成后，冷却所述氧载体，使被还原的所述氧载体与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应并产生氢气；
利用热电发电部件对所述热化学反应器在反应过程中散失的热量进行发电，产生的电能储存在储能电池内，并为所述真空泵供电。
本公开示例实施例中的太阳能热化学制氢发电系统，通过在热化学反应器的保温层设置热电发电部件，利用热电发电部件回收热化学反应器在反应过程中的部分散热损失并进行发电，将产生的电能用于制氢的除氧过程，提高了热化学反应器中对热量的利用率，进而提高了太阳能热化学制氢效率。另外，将热电发电部件设于热化学反应器的保温层，发电过程稳定且无需运动部件即可进行发电，而且还不会干扰热化学反应器中氧载体的反应，相比于相关技术中的太阳能热化学制氢发电系统，可以进一步提高太阳能热化学制氢效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本公开实施例中一种太阳能热化学制氢发电系统的系统架构图。
图2示出了本公开实施例中在不同条件下的太阳能-氢能转化效率对比图。
图3示出了本公开实施例中一种太阳能热化学制氢发电方法的流程图。
其中，1为聚光装置，2为热化学反应器，3为氧载体，4为热电发电部件，5为储能电池，6为还原换热器，7为冷却器，8为真空泵，9为氧化换热器。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
相关技术中，利用太阳能驱动水分解制氢的原理是利用金属与其氧化物之间或金属的不同价态氧化物之间的氧化还原反应实现水的分解。其中，第一步为还原反应，金属氧化物在高温(T1＞1350℃)低氧分压条件下释放出氧气，金属离子被还原至单质或较低价态；第二步为氧化反应，该反应可在较低温度(T2为400℃~1000℃)下进行，被还原的金属氧化物与水蒸气接触并获取水蒸气中的一个氧原子，以产生氢气，金属离子则被氧化至还原前的状态，即形成最初的金属氧化物。
但是，由于水分解过程中所需的还原反应温度过高，在反应过程中制氢系统表面会散失大量热量。尤其是还原反应完成后，制氢系统需冷却到指定温度才能进行氧化反应，这一过程中制氢系统释放的大量显热在反应过程的全部散热损失中占有较高比重，且难以回收，会在一定程度上限制制氢效率的提高。
基于上述问题，本公开示例实施方式提供了一种太阳能热化学制氢发电系统(下简称制氢发电系统)，该系统可以提高太阳能热化学制氢效率。参考图1所示，该制氢发电系统可以包括聚光装置1、热化学反应器2、氧载体3、热电发电部件4、储能电池5、还原换热器6、冷却器7、真空泵8以及氧化换热器9，其中：
聚光装置1可以是定日镜或碟式聚光器，用于聚焦太阳能，为制氢发电系统提供热量，如提供热化学循环中发生还原反应所需要的热量。可以理解的是，聚光装置1可以是抛物线槽式、塔式、碟式、线性菲涅尔式、圆形菲涅尔式、平面聚光器中的任意一种或者多种，本公开对此不做限定。
热化学反应器2可以用于接收聚光装置1通过聚焦太阳能产生的热量，并为制氢发电系统中反应过程提供封闭空间和保温环境。示例性的，热化学反应器2可以是装有石英窗的腔体结构，聚光装置1聚集的太阳能可以通过石英窗进入热化学反应器2内部。
氧载体3作为催化剂，可以用于利用热量加热发生还原反应并释放氧气，并与通入热化学反应器的水蒸气发生氧化反应以产生氢气。具体的，氧载体3可以在聚焦太阳能加热下发生还原反应释放出氧气，随后与通入热化学反应器2的水蒸气发生氧化反应，夺取其中的氧原子，从而产生氢气。
在该制氢发电系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个热化学反应器中进行，且氧载体3位置固定。示例性的，氧载体3可以直接置于热化学反应器2的腔体内部，也可以置于该腔体内的管体中，本公开对此不做限定。其中，该腔体内的管体可以是能够承受高温的刚玉管等，用以盛放进行反应的氧载体3、水蒸气等材料。相应的，当氧载体3直接置于腔体内部时，氧载体3可以受到太阳能辐射的直接加热，而当氧载体3置于腔体内的管体中时，氧载体3可以受到太阳能辐射的间接加热。
本公开示例实施方式中，氧载体3的材料包括但不限于氧化铈、金属离子掺杂的氧化铈、锰基钙钛矿、铬基钙钛矿、铁基钙钛矿、钴基钙钛矿、铈基钙钛矿、钛基钙钛矿中的一种或多种金属氧化物的混合物。
热电发电部件4置于热化学反应器2的保温层，可以用于利用保温层内外两侧的温差发电，以回收反应过程中通过保温层散失的热量。示例性的，热电发电部件4可以置于保温层内部，也可以置于保温层表面，该部件的设置位置可以根据所使用的热电材料的工作温度以及热化学反应器2壁面由内向外的温度分布情况进行调整，本公开对此不做具体限定。
热电发电部件4的核心部分为热电材料，举例而言，热电发电部件4所使用的热电材料包括但不限于碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、锰酸钙及其衍生氧化物、钛酸锶及其衍生氧化物中的任意一种。
以一种碲化铋基热电发电部件为例，热电发电部件4可以包括电极层、阻挡层和碲化铋基热电材料层，且阻挡层位于电极层和碲化铋基热电材料层之间。其中，电极层材料可以为金属铜，阻挡层材料可以为金属镍，碲化铋基热电材料层可为P型碲化铋基晶棒。
本公开实施方式中，将热电发电部件4设于热化学反应器2的保温层，发电过程稳定且无需运动部件即可进行发电，而且还不会干扰热化学反应器中氧载体的反应。该系统结构简单，便于设置，还可以在一定程度上提高太阳能热化学制氢效率。
储能电池5可以用于储存热电发电部件4产生的电能，并为真空泵8供电。
制氢发电系统通过热化学反应器2中的还原反应和氧化反应分别达到放氧和分解水生产氢气的目的。其中，还原反应中需要将产生的氧气及时移出热化学反应器2以促进反应高效的进行。因此，可使用真空泵8去除还原反应过程中氧载体3释放的氧气，在保持热化学反应器2内的低压环境的同时还能促进反应高效的进行，在一定程度上可以提高制氢效率。
其他示例中，也可以使用不活泼气体吹扫除氧，还可以使用真空泵8和不活泼气体吹扫两种方式相结合的除氧方式，本公开对此不做限定。其中，不活泼气体可以为氩气、氦气或氮气等。
还原换热器6可以用于回收还原反应过程中释放出的氧气的显热，氧化换热器9可以回收氧化反应过程中从热化学反应器2中流出的高温气体的显热，以加热进入热化学反应器2中的水蒸气，可以进一步提高热量的利用效率。其中，高温气体是指水蒸气和氢气的混合气体。
冷却器7可以用于冷却热化学反应器2中在发生还原反应时释放出的氧气。示例性的，冷却器7中的冷却剂为常温空气或水，如20-30℃的空气或水。
如图1所示，热化学反应器2的石英窗正对着聚光装置1，热化学反应器2的腔体内部设置有氧载体3，热化学反应器2的保温层内部设置有热电发电部件4，热化学反应器2与储能电池5连接，储能电池5又与真空泵8连接，可以通过储能电池5储存热电发电部件4产生的电能，并为真空泵8供电。
热化学反应器2在反应过程中释放出的热量使得保温层内外两侧存在温差，且高温侧会向低温侧传导热能并产生热流，热电发电部件4中的热电材料可以使得移动的热能转变成电能，从而完成发电。
热化学反应器2后接有还原换热器6和氧化换热器9，且还原换热器6与氧化换热器9连接。其中，还原换热器6的热端与热化学反应器2连接，还原换热器6的冷端与冷却器7连接，冷却器7后接有真空泵8，通过氧化换热器9回收氧化反应过程中从热化学反应器2中流出的高温气体的显热，通过还原换热器6回收还原反应过程中释放出的氧气的显热，然后通过冷却器7冷却热化学反应器2中在发生还原反应时释放出的氧气，最后利用真空泵8去除还原反应过程中释放的氧气。
该制氢发电系统通过在热化学反应器2的保温层设置热电发电部件4，利用热电发电部件4的热电效应发电，可以回收热化学反应器在反应过程中的部分散热损失，并将发电产生的电能用于该系统中的除氧过程，从而达到提高太阳能热化学制氢效率的目的。此外，还可以节约能源，降低能源成本。
一种具体实施方式中，以制氢发电系统中氧载体3的材料为纯氧化铈为例进行说明。
太阳能热化学制氢通过氧载体3的还原反应和氧化反应两步循环反应来实现。在还原反应过程中，聚光装置1聚集太阳能辐射进入热化学反应器2，加热热化学反应器2中的氧载体3，使氧载体3在高温下发生还原反应释放出氧气。释放出的氧气在真空泵8作用下从热化学反应器2流出，依次流经还原换热器6、冷却器7和真空泵8，在还原换热器6中高温氧气将部分热量传递给即将在氧化反应中进入热化学反应器2的水蒸气。
当使用纯氧化铈为氧载体材料时，还原反应过程中纯氧化铈所能达到的还原程度由聚焦太阳能所加热到的温度和真空泵8所能维持的热化学反应器2的氧分压水平决定，可由公式(1)计算得到：
(1)
其中，第一氧空位浓度用于表征纯氧化铈所能达到的还原程度，/>为还原反应过程中的吉布斯自由能变化，/>、/>为纯氧化铈的标准偏摩尔焓和标准偏摩尔熵，二者是第一氧空位浓度/>的函数,/>、/>、R、/>分别为还原反应温度、还原反应氧分压、气体常数和标准压力。当还原反应达到平衡时，有/>，此时可根据公式(1)计算出第一氧空位浓度/>，从而确定纯氧化铈所能达到的还原程度。
还原反应结束后，氧载体3需进行降温以进行氧化反应。当氧载体3温度降至可发生氧化反应的温度后，经还原换热器6加热后的水蒸气经过氧化换热器9再次加热后进入到热化学反应器2中，与还原后的氧载体3发生氧化反应，产生氢气。未完全反应的水蒸气与产生的氢气形成的混合气体从热化学反应器2流出并进入氧化换热器9，对即将进入的水蒸气进行加热。
以氧载体材料为纯氧化铈为例，在氧化反应过程中，纯氧化铈所能达到的氧化程度可以由公式(2)计算得到：
(2)
此时，第二氧空位浓度用于表征纯氧化铈所能达到的氧化程度。其中，/>为氧化反应过程中的吉布斯自由能变化，/>为整个水分解过程中的吉布斯自由能变化，为还原反应过程中的吉布斯自由能变化。/>、/>为水分解的标准焓变和水分解标准熵变，/>、/>为纯氧化铈的标准偏摩尔焓和标准偏摩尔熵，/>、/>、分别为氧化反应温度、氢气分压和水蒸气分压。类似的，当氧化反应达到平衡时，有，此时可根据公式(2)计算出第二氧空位浓度/>，从而确定纯氧化铈所能达到的氧化程度。
在本公开的制氢发电系统中，太阳能转化为氢能的效率可根据公式(3)计算得到：
(3)
其中，、/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为氢气产量、氢气高位热值、氧载体3发生还原反应时的吸热、氧载体材料加热所需能量、水蒸气加热所需能量、真空泵8去除氧气所需能量、热化学反应器2对太阳能的吸收效率。
公式(3)中热化学反应器2对太阳能的吸收效率可以通过公式(4)计算得到：
(4)
其中，、/>、/>、/>分别为吸收系数、斯特潘-玻尔兹曼常数、太阳能辐射强度和太阳能聚焦倍数，/>为还原反应温度。
公式(3)中氧载体3发生还原反应所需的能量可以通过公式(5)计算得到：
(5)
其中，为氧空位浓度，具体的，/>为还原反应过程中的第一氧空位浓度，/>为氧化反应过程中的第二氧空位浓度；/>为纯氧化铈的标准偏摩尔焓，/>为氧载体材料的物质的量。
由于还原反应过程和氧化反应过程存在温差，因此，两步反应之间需要对氧载体材料进行加热，公式(3)中氧载体材料加热所需能量可以通过公式(6)计算得到：
(6)
其中，为温度，具体的，/>为还原反应温度，/>为氧化反应温度；/>为氧载体材料的比热容，/>为氧载体材料对应的物质的量。
氧化反应过程中需要将水蒸气加热至氧化反应温度，公式(3)中水蒸气加热所需能量可以通过公式(7)计算得到：
(7)
其中，为气体回热系数，/>为水蒸气的比热容，/>为水蒸气的物质的量，/>为温度，具体的，/>为氧化反应温度，/>为初始温度。
热电发电部件4可以在热化学反应器2的整个反应过程中回收由热化学反应器2表面散失的热量，其中可包括氧载体3在降温过程中释放的显热以及在氧化反应过程中的反应放热/>。
示例性的，本实施方式中可以以部分回收氧载体3在降温过程中释放的显热以及在氧化反应过程中的反应放热/>为例进行说明：
相应的，热电发电部件4回收用于发电的热量为：
(8)
其中，ε1为回热系数，为氧载体3在降温过程中释放的显热，/>为氧载体3在氧化反应过程中的反应放热。
该部分热量可由热电发电部件4转化为电能，转化效率为/>，则所产生的电能为：
(9)
可将这部分电能储存到储能电池5中，再通过储能电池5分配给真空泵8。若不考虑电池储存与传输过程中的电能损耗，真空泵8除氧所需电能由热电发电部件4所发的电量提供，当所发的电量足够真空泵8使用时，除氧过程不需要额外的太阳能热量投入，即=0。而当所发的电量不足以供真空泵8使用时，另需额外的太阳能热量转化为电能为真空泵8供电，此时额外的该部分太阳能热量/>可以通过公式(10)计算得到：
(10)
其中，为将氧气由还原反应氧分压/>转移至常压/>所需要的最低能量，/>为真空泵的效率，为真空泵理论最低功耗与实际功耗的比值，/>为热能转化为电能的效率，具体取值可以与热电材料的发电效率相同，/>为热电发电部件4由热能/>转化的电能。
公式(10)中的能量为：
(11)
其中，为氧气的物质的量，/>为气体常数，/>为初始温度，/>为还原反应氧分压，/>为常压。
结合公式(3)-公式(11)可以计算得到本公开实施方式的制氢发电系统对应的太阳能转化为氢能的效率。
参考图2所示，示出了在不同还原反应温度下的太阳能-氢能转化效率对比图，具体的，示出了采用本公开实施方式的制氢发电系统的制氢效率与采用相关技术中的制氢系统的制氢效率在不同还原反应温度下的太阳能-氢能转化效率对比图。再具体的，示出了选取还原反应温度为1873K，氧化反应温度分别为1573K、1373K和1173K，还原氧分压为10-4bar时不同制氢系统对应的太阳能-氢能转化效率曲线。其中，计算太阳能-氢能转化效率时所采用的部分关键参数的取值如表1所示：
表1
在图2中，本公开实施方式的制氢发电系统对应于有热电材料的太阳能-氢能转化效率曲线，相关技术中的制氢系统对应于无热电材料的太阳能-氢能转化效率曲线。其中，太阳能-氢能转化效率曲线的横轴为水蒸气过量系数，纵轴为太阳能-氢能转化效率。由图2可知，在相同的还原反应温度(=1873K)，不同的氧化反应温度(/>分别为1573K、1373K和1173K)下，温差/>=/>，依次为300K、500K或700K，有热电材料的制氢发电系统的太阳能-氢能转化效率均高于无热电材料的制氢系统的太阳能-氢能转化效率，可以看出本公开实施方式的制氢发电系统可显著提高太阳能-氢能的转化效率。
本公开示例实施方式还提供了一种太阳能热化学制氢发电方法，参考图3所示，该太阳能热化学制氢发电方法可以包括以下步骤S310至步骤S330：
步骤S310.利用聚光装置产生的热量对热化学反应器内部的氧载体进行加热，以使所述氧载体发生还原反应并释放氧气，由真空泵去除释放出的氧气；
步骤S320.还原反应完成后，冷却所述氧载体，使被还原的所述氧载体与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应并产生氢气；
步骤S330.利用热电发电部件对所述热化学反应器在反应过程中散失的热量进行发电，产生的电能储存在储能电池内，并为所述真空泵供电。
下面，对于本示例实施方式的上述步骤进行更加详细的说明。
在步骤S310中，利用聚光装置产生的热量对热化学反应器内部的氧载体进行加热，以使所述氧载体发生还原反应并释放氧气，由真空泵去除释放出的氧气。
太阳能热化学制氢通过氧载体3的还原反应和氧化反应两步循环反应来实现。在还原反应过程中，聚光装置1聚集太阳能辐射进入热化学反应器2，热化学反应器2中的氧载体3吸收聚光装置1会聚太阳能产生的热量，加热至还原反应温度发生还原反应释放出氧气。释放出的氧气在真空泵8作用下从热化学反应器2流出，依次流经还原换热器6、冷却器7和真空泵8，在还原换热器6中高温氧气将部分热量传递给即将在氧化反应中进入热化学反应器2的水蒸气。
在步骤S320中，还原反应完成后，冷却所述氧载体，使被还原的所述氧载体与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应并产生氢气。
在还原反应后，热化学反应器2隔绝聚光装置1汇聚的热量，氧载体3降温冷却至氧化反应温度，水蒸气经还原换热器6和氧化换热器9预热后进入热化学反应器2，使被还原的氧载体3在低温下与水蒸气发生氧化反应，产生氢气并且释放出热量。
其中，还原反应过程中需要采用太阳能照射，而氧化反应过程中需要隔绝太阳能照射，即在进行氧化反应时可以将热化学反应器2的照射窗口遮盖，从而降低二次辐射损失。
在步骤S330中，利用热电发电部件对所述热化学反应器在反应过程中散失的热量进行发电，产生的电能储存在储能电池内，并为所述真空泵供电。
热化学反应器2在运行过程中通过表面散热释放出的部分热量被设于其保温层的热电发电部件4回收发电，产生的电能储存在储能电池5内，为真空泵8供电以进行除氧过程。
将热电发电部件4设于热化学反应器2的保温层，发电过程稳定且无需运动部件即可进行发电，而且还不会干扰热化学反应器中氧载体的反应。该系统结构简单，便于设置，还可以在一定程度上提高太阳能热化学制氢效率。
另外，为了进一步提高制氢发电系统的热量利用率，进行热量回收时，可以将氧化反应后气体的显热经过氧化换热器9供给氧化反应的输入原料即水蒸气，以将其提前预热到一定的温度。
本公开示例实施例中的太阳能热化学制氢发电方法，通过在热化学反应器的保温层设置热电发电部件，利用热电发电部件回收热化学反应器在反应过程中的部分散热损失并进行发电，将产生的电能用于制氢的除氧过程，提高了热化学反应器中对热量的利用率，进而提高了太阳能热化学制氢效率。另外，将热电发电部件设于热化学反应器的保温层，发电过程稳定且无需运动部件即可进行发电，而且还不会干扰热化学反应器中氧载体的反应，相比于相关技术中的太阳能热化学制氢方法，可以进一步提高太阳能热化学制氢效率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施例。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，包括：
聚光装置，用于聚焦太阳能；
热化学反应器，用于接收所述聚光装置通过聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境；
氧载体，用于利用所述热量加热发生还原反应并释放氧气，并与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应以产生氢气；
热电发电部件，置于所述热化学反应器的保温层，用于利用所述保温层内外两侧的温差发电，以回收反应过程中通过所述保温层散失的热量。
2.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述系统还包括：
储能电池，用于储存所述热电发电部件产生的电能，并为真空泵供电。
3.根据权利要求2所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述真空泵用于去除还原反应过程中所述氧载体释放的氧气，以保持所述热化学反应器内的低压环境。
4.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述热电发电部件的热电材料包括碲化铋及其合金、碲化铅及其合金、硅锗合金、锰酸钙及其衍生氧化物、钛酸锶及其衍生氧化物中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述系统还包括：
冷却器，用于冷却所述热化学反应器中在发生还原反应时释放出的氧气。
6.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述系统还包括还原换热器和氧化换热器；
所述还原换热器，用于回收还原反应过程中释放出的氧气的显热；
所述氧化换热器，用于回收氧化反应过程中从所述热化学反应器中流出的高温气体的显热，以加热进入所述热化学反应器中的水蒸气。
7.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述热化学反应器为装有石英窗的腔体结构，所述聚光装置聚焦太阳能产生的热量通过石英窗进入所述热化学反应器内部，对位于所述热化学反应器内部的所述氧载体进行加热。
8.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述氧载体包括氧化铈、金属离子掺杂的氧化铈、锰基钙钛矿、铬基钙钛矿、铁基钙钛矿、钴基钙钛矿、铈基钙钛矿、钛基钙钛矿中的一种或多种金属氧化物的混合物。
9.根据权利要求1所述的太阳能热化学制氢发电系统，其特征在于，所述聚光装置为定日镜或碟式聚光器。
10.一种太阳能热化学制氢发电方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的太阳能热化学制氢发电系统，所述方法包括：
利用聚光装置产生的热量对热化学反应器内部的氧载体进行加热，以使所述氧载体发生还原反应并释放氧气，由真空泵去除释放出的氧气；
还原反应完成后，冷却所述氧载体，使被还原的所述氧载体与通入所述热化学反应器的水蒸气发生氧化反应并产生氢气；
利用热电发电部件对所述热化学反应器在反应过程中散失的热量进行发电，产生的电能储存在储能电池内，并为所述真空泵供电。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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