CN214114914U - 一种新型的太阳能热化学反应制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及制氢设备附属装置的技术领域，特别是涉及一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，结构简单、成本低、适于工业化推广；由反射系统、反应系统、控制系统、支撑结构和辅助系统组成，反射系统包括定日镜本体和二次反射镜本体，定日镜本体设置有两个，反应系统包括反应釜、补水箱和气体处理设备，控制系统包括控制箱，支撑结构包括立柱和二次反射镜支撑架，辅助系统包括两组防爆墙，立柱顶端设置有钢结构支座，反应釜固定在钢结构支座上，反应釜左端和右端分别连通设置有补水管路和排气管路，补水管路和排气管路分别与补水箱和气体处理设备连接，控制箱安装在立柱左端。

Description

一种新型的太阳能热化学反应制氢系统

技术领域

本实用新型涉及制氢设备附属装置的技术领域，特别是涉及一种新型的太阳能热化学反应制氢系统。

背景技术

氢能被许多科研人员认为是未来的主要常规能源，其资源丰富性，燃烧清洁性等特点使之在清洁能源领域内具有重要的地位，在氢能研究领域中，重点科研攻关方向为制氢工艺及储氢工艺。其中，在制氢的各项技术方法中，目前研究较多的包括直接热分解法，热化学循环法，光催化法及光电化学分解法，随着制氢领域技术的不断发展与革新，研究人员也发现了越来越多的制氢方法，如人工光合制氢法，生物制氢法以及有机物光催化化学反应制氢法等。

太阳能为世界公认的具有廉价性，无限性，清洁性和普遍性特点的绿色能源，将太阳能与氢能相结合，使用太阳能完成制氢工艺，使其转化为清洁稳定的能源并储存下来，解决太阳能因地理环境，天气情况而导致的输出波动问题，两种可再生清洁能源的强强结合，将对未来的能源利用和生态环境的可持续发展带来巨大的好处。

针对于不同的制氢方法，太阳能制氢系统的设计也有所不同，如电化学分解制氢工艺中，主要使用太阳能光伏系统进行制氢工艺，在热化学分解法制氢工艺中，则使用聚焦式太阳能光热制氢系统，其系统设计，功能及结构等均与具体的制氢工艺相关。

制氢方法多种多样，研究较为成熟的方法主要包括直接热分解法，热化学循环法，光催化法及光电化学分解法，新兴制氢方法主要包括人工光合制氢法，生物制氢法以及有机物光催化化学反应制氢法等。

太阳能与制氢工艺相结合的方式主要为：太阳能系统通过收集太阳能辐照能，向制氢工艺提供制氢过程中所需要的能量，目前应用于制氢工艺的太阳能系统主要包括太阳能光伏系统与太阳能光热系统。

太阳能光伏系统主要应用于光电化学分解法以及光催化法制氢工艺当中，太阳能光伏电化学分解制氢法主要利用光伏系统所发直流电直接提供制氢站所需的制氢用电，通过将太阳能电池组件与制氢电解槽连接，以电解水的方式完成制氢工艺。

太阳能光热系统则主要应用于直接热分解法与热化学循环法制氢工艺中，其主要工作原理是通过太阳能系统收集太阳辐照能，通过高温传热介质将能量带入太阳能反应器中，以提供制氢反应所需的能量。目前应用于上述制氢方法中的太阳能系统主要包括塔式太阳能光热系统以及碟式太阳能光热系统。

然而，对于新兴制氢工艺——有机物光催化反应制氢，则缺乏合适的太阳能反应系统，该制氢工艺对反应系统的要求较高，其反应发生的条件为温度达到200℃以上，压力达到15MPa以上，同时在反应发生时，反应物需要处于不低于300W/m2～2000W/m2的光照条件下，通过光催化作用保证反应的正常进行；目前传统的太阳能制氢系统均无法达到该工艺要求。在实验室研究中，实验人员通常采用固定式的反应釜，通过人造光源聚焦射入反应釜的方式创造反应发生的条件，该种形式的反应釜只能应用于小型的实验制氢过程，而无法应用于工艺化制氢；且该系统无法实现连续性制氢。

传统的太阳能系统无法实现有机物光催化化学反应制氢工艺，其性能参数和系统结构均无法达到该类制氢工艺的技术要求。

实验室所用的固定反应釜式的制氢系统虽然可以满足该类制氢工艺的性能参数要求，但其为固定式系统，无法实现连续制氢过程，且单次过程制取的氢气过低，仅能应用于实验室的制氢工艺研究中，无法应用于工业化的连续制氢过程，难以满足工业化氢气量产的要求。同时，该系统造价较高，不适用于工业化的推广过程。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、成本低、适于工业化推广的新型的太阳能热化学反应制氢系统。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，由反射系统、反应系统、控制系统、支撑结构和辅助系统组成，反射系统包括定日镜本体和二次反射镜本体，其中，定日镜本体设置有两个，反应系统包括反应釜、补水箱和气体处理设备，控制系统包括控制箱，支撑结构包括立柱和二次反射镜支撑架，辅助系统包括两组防爆墙，立柱顶端设置有钢结构支座，反应釜固定在钢结构支座上，反应釜左端和右端分别连通设置有补水管路和排气管路，补水管路和排气管路分别与补水箱和气体处理设备连接，控制箱安装在立柱左端，控制箱上设置有逐日控制组件和反应控制组件，二次反射镜本体通过二次反射镜支撑架固定在钢结构支座上，两组防爆墙分别安装在反应釜左侧和右侧，两个定日镜本体分别安装在反应釜左侧和右侧。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，两组定日镜本体均为平面镜，采用推杆加减速机的传动方式。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，反应釜外侧设置有保温材料。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，反应釜外侧设置有冷却套。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，反应釜顶端设置有安全阀。

与现有技术相比本实用新型的有益效果为：1、本发明所设计的太阳能光热系统可满足目前绝大多数制氢工艺的技术要求，相较于现有系统适应性更为广泛，可同时提供制氢工艺所需的热能及光能；2、针对于有机物光催化化学反应制氢工艺，本发明所设计的系统与现有系统相比，更具有工业化推广价值，可实现氢气的连续稳定制取，其单位时间内氢气制取量更高，制取过程更为简单；3、本发明系统结构简单，模块化程度高，成本相较于现有系统更为低廉，系统规模可根据制氢工艺要求灵活变更。

附图说明

图1是本实用新型系统工艺原理图；

图2是定日镜本体的结构示意立体图；

图3是二次反射镜本体的基本结构示意图；

图4是反应釜的位置关系图；

图5是反应釜的基本结构示意图；

附图中标记：1、定日镜本体；2、二次反射镜本体；3、反应釜； 4、补水箱；5、气体处理设备；6、控制箱；7、立柱；8、二次反射镜支撑架；9、防爆墙；10、钢结构支座；11、补水管路；12、排气管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例：如图1至图5所示：

一、系统基本工艺原理：

工艺流程主要描述为：定日镜在系统运行工况下进行逐日跟踪运行，并将太阳直射辐照反射至二次反射镜表面，二次反射镜则将定日镜传递至其表面的太阳辐照能通过反射聚焦的方式传递至位于其焦点附近的反应釜内部，为发生在反应釜内部的制氢反应提供足够的能量及光强，保证反应正常进行；同时，系统配置液态反应物补充设备，该设备通过输送管路与反应釜下半部连接，主要进行液态反应消耗物的补充；反应釜上半部则设置排气管路，与后端的氢气收集设备或氢气分离设备连接，进行气体分离及收集工作；另外，根据不同制氢工艺的要求，考虑到部分制氢工艺需要在氢氛的条件下进行，系统内还可配置氢气组件，向反应釜提前充入氢气。

二、系统组成及核心设备：

系统主要由反射系统，反应系统，控制系统，支撑结构及辅助系统几部分组成，其中核心设备包括定日镜，二次反射镜，反应釜，反应物补充设备，气体收集与处理设备以及氢气组件等。其中定日镜，二次反射镜隶属于反射系统，反应釜及反应物补充设备及气体收集与处理设备属于反应系统，防爆墙及氢气组件属于辅助系统；

(1)反射系统：

反射系统包括定日镜及二次反射镜，该系统的主要作用收集太阳能直射辐照能，其中定日镜通过逐日跟踪的方式将太阳直射光反射至二次反射镜表面，二次反射经则将接收到的光线再次反射聚焦至反应釜处。

定日镜：

定日镜为平面镜，表面子镜为镀银超白浮法玻璃；采用推杆加减速机的传动方式，在控制系统的指令下实现对日跟踪，支撑结构为轻钢型镜架，与主体支撑立柱通过螺栓连接。其有效反射面积应与二次反射镜的有效反射面积(截面面积)相匹配；其反射率不低于0.93，回转误差不高于0.17mrad，其基本结构示意图如下所示。

二次反射镜：

二次反射镜为固定式双曲抛物线反射镜阵，表面形状为抛物线形，反射子镜可根据实际情况设计为平面镜或双曲面镜。其有效反射界面(开口截面)尺寸与定日镜尺寸有关，抛物线形状(焦点)则与反应釜开口尺寸匹配，以保证定日镜的光斑可通过该镜面反射至反应釜中。二次反射镜位于反应釜上方，使用支撑柱进行支撑及找平。

(2)反应系统：

反应系统主要为制氢反应发生的容器以及确保反应连续稳定运行的设备，包括反应釜，反应物补充设备以及气体收集及处理设备。

反应釜：

反应釜的主要作用为制氢反应发生的容器，反应釜具采用高强度不锈钢制造，备承受400℃，25MPa的工况的条件，以保证制氢反应可以顺利发生；反应釜开口处嵌入蓝宝石玻璃，通过夹片将蓝宝石玻璃固定，并与反应釜实现螺栓连接，以形成窗口，保证反射系统的聚焦光束可透过蓝宝石玻璃照射进入反应釜内；反应釜外壁设置冷却套，对反应釜进行冷却；反应釜最外层包裹保温材料以降低其热损失。同时，反应釜设置三个连接口，分别与反应物液态补充设备，气体收集及处理设备及氢气组件连接；其顶部设置安全阀，在反应釜出现超压的情况下进行泄压处理，在运行时，可通过调整冷却组件的输入功率(冷却水流量)以保证反应釜处于恒温状态，通过气体收集与处理设备调节反应釜的气体流出量来保证反应釜处于恒压状态，另外可通过泵送液态反应物进入反应釜的方式保证反应物的补充，使得反应具有可持续性。

反应物补充设备：

反应物补充设备主要作用为根据反应进行时反应釜内剩余反应物含量进行液态反应物的补充，其主要组件包括液态反应物储存容器以及离心泵。当反应釜内的反应物降低至一定比例时，将开启反应釜的反应物补充阀门，通过泵送的形式向反应釜补充反应物。

气体收集及处理设备：

该设备与反应釜直接连接，主要作用为过滤反应釜内排放的气体 (在制氢过程中有可能产生氧气或二氧化碳等其他气体，或排出的气体中含有颗粒物等情况)并收集反应所产生的氢气，设备中含气体过滤组件，气体分离组件和气体储存组件，所排出的气体首先进入气体过滤组件中进行过滤，将可能随气体排出的颗粒性物质或反应物液滴进行过滤，然后进入气体分离装置中分离所产生氢气中包含的氧气及二氧化碳等杂质气体，最后将提纯的氢气送入气体储存组件中进行储存。

(3)支撑结构：

该系统的主体支撑结构包括主支撑立柱，二次反射镜支撑结构，二次反射镜镜架等，其中支撑立柱主要作用为支撑反应釜平台，反应釜通过栓接固定于钢结构平台上；钢结构平台四角则延伸出四根不锈钢支撑柱，与二次反射镜镜架栓接，形成二次反射镜的支撑结构；二次反射镜架则为轻钢桁架结构，主要作用为固定二次反射镜子镜，保证其整体面型在外部环境影响下(如刮风，或季节性热胀冷缩等)不产生超出允许值的变化。

(4)控制系统：

控制系统分为逐日控制组件和反应控制组件，其中逐日控制组件主要作用为控制定日镜的跟踪精度，该控制下定日镜具有追踪，偏焦，避险及启停等几种模式；反应控制组件主要起数据收集作用和安全控制作用，即监视反应釜内的反应过程发生，监视数据包括反应釜压力，温度，液位等(可加入气体浓度检测，液体雾化检测等)。

(5)辅助系统：

辅助系统包括氢气组件及防爆墙；其中氢气组件的配置将根据反应的工艺条件进行选择，在部分制氢反应中，反应物需处于一定压力的氢氛下方可进行化学反应，此时可在系统中加入氢气组件，通过连接管路与反应釜连接，在反应开始前进行氢气充填，直至达到反应所需条件为止。氢气组件主要为可移动式氢气储存瓶组及监控仪表等设备。防爆墙的主要作用为保证系统的安全性，墙体采用配筋砖墙，为非燃烧材料，耐火极限不低于4h，具有符合标准的防爆特性。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，以上所述所有部件的安装方式、连接方式或设置方式均为常见机械方式，并且其所有部件的具体结构、型号和系数指标均为其自带技术，只要能够达成其有益效果的均可进行实施，故不在多加赘述。

本实用新型的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外以及垂直水平”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制，与此同时，“第一”、“第二”和“第三”等数列名词不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，其特征在于，由反射系统、反应系统、控制系统、支撑结构和辅助系统组成，反射系统包括定日镜本体(1)和二次反射镜本体(2)，其中，定日镜本体(1)设置有两个，反应系统包括反应釜(3)、补水箱(4)和气体处理设备(5)，控制系统包括控制箱(6)，支撑结构包括立柱(7)和二次反射镜支撑架(8)，辅助系统包括两组防爆墙(9)，立柱(7)顶端设置有钢结构支座(10)，反应釜(3)固定在钢结构支座(10)上，反应釜(3)左端和右端分别连通设置有补水管路(11)和排气管路(12)，补水管路(11)和排气管路(12)分别与补水箱(4)和气体处理设备(5)连接，控制箱(6)安装在立柱(7)左端，控制箱(6)上设置有逐日控制组件和反应控制组件，二次反射镜本体(2)通过二次反射镜支撑架(8)固定在钢结构支座(10)上，两组防爆墙(9)分别安装在反应釜(3)左侧和右侧，两个定日镜本体(1)分别安装在反应釜(3)左侧和右侧。

2.如权利要求1所述的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，其特征在于，两组定日镜本体(1)均为平面镜，采用推杆加减速机的传动方式。

3.如权利要求2所述的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，其特征在于，反应釜(3)外侧设置有保温材料。

4.如权利要求3所述的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，其特征在于，反应釜(3)外侧设置有冷却套。

5.如权利要求4所述的一种新型的太阳能热化学反应制氢系统，其特征在于，反应釜(3)顶端设置有安全阀。

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