專利名稱：一種太陽能熱光伏制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能熱光伏利用領(lǐng)域，屬一種新型太陽能制氫技術(shù)，特指一種太陽 能熱光伏制氫裝置。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長，人們對(duì)能源的需求量也越來越大。目前以 石油和煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要來源，然而由于化石燃料的不可再生性和有 限的儲(chǔ)量，日益增長的能源需求也引起了嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染?；谶@種狀況，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能等具有豐富、清潔、可再生 的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，尤其是以太陽能、風(fēng)能以及生物質(zhì)能，更被視 為未來能源的主力軍。然而，這些可再生資源具有間歇性、地域特性以及不易存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)?特點(diǎn)，因而大力推廣時(shí)也受到了一些限制。氫是這些能源理想的載體，同其它傳統(tǒng)的能源物 質(zhì)相比，它具有無污染、能量密度高、熱轉(zhuǎn)化效率高等諸多特點(diǎn)，不僅可作為高能燃料、保護(hù) 氣、石化工業(yè)原料、冶金工業(yè)還原劑、氣象觀測中氣球的填充氣等，而且可用在人造黃油、食 用油、潤滑劑、清洗劑等產(chǎn)品中的脂肪氫化過程中。因此，氫作為一種綠色能源發(fā)展前景十 分光明，人們對(duì)氫能的開發(fā)和利用一直進(jìn)行著不懈的努力。目前常用的氫氣制取方法主要有礦物燃料制氫、電解水制氫、太陽能光解水制氫 和生物制氫這幾種，其中礦物燃料制氫采用寶貴的石油、天然氣等一次能源，因此會(huì)造成能 源的極大浪費(fèi)。太陽能光解水制氫和生物制氫是兩種新興的制氫技術(shù)，也是未來氫氣生產(chǎn) 的發(fā)展趨勢，但目前由于生產(chǎn)工藝還不成熟，具有可再生能源利用低、產(chǎn)氫量小等缺點(diǎn)，離 大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)尚有一段距離。相比之下，電解水制氫是一種已經(jīng)成熟的傳統(tǒng)制氫方 法，其裝置簡單、制出的氫純度高，但生產(chǎn)過程中需要消耗大量的電能。隨著電解水技術(shù)的 不斷發(fā)展，發(fā)電技術(shù)的不斷改進(jìn)，在電能成本降低的情況下，電解水制氫在未來制氫工業(yè)中 所占的比例將大大提高。近年來，國內(nèi)外學(xué)者作了一些利用太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行電解水制氫的嘗試。太陽 能是一種潔凈的可再生能源，它有著礦物質(zhì)能源不可比擬的優(yōu)越性，資源十分豐富，取之不 盡用之不竭，因此這時(shí)制氫所需電能的成本也只體現(xiàn)在裝置的初期投資上。但目前的光伏 系統(tǒng)對(duì)太陽能的利用效率不高，電能輸出功率較小，這也限制了太陽能光伏制氫規(guī)模的擴(kuò) 大。太陽能熱光伏是一種新型的太陽能利用技術(shù)，它的整體效率要高于一般光伏發(fā)電 系統(tǒng)，據(jù)報(bào)道裝置的整體效率可超過35%。普通的熱光伏技術(shù)中的太陽光是直接照射在光電 池上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，而太陽能熱光伏技術(shù)的原理是利用太陽能聚光器將自然太陽光匯聚 成高能量密度的聚焦光斑后，投射到輻射器表面并將其加熱，這時(shí)高溫輻射器釋放的熱輻 射能同電池光電轉(zhuǎn)化的波長進(jìn)行很好的匹配，故而裝置對(duì)太陽能的利用率可大大提高。太 陽能熱光伏系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件、輸出功率密度大、可靠性高，因此用它來為電解水制氫過程提 供電能將有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以一種改進(jìn)的太陽能熱光伏發(fā)電系統(tǒng)為核心，結(jié)合電解水制氫工藝過程的 的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)出一種新型的太陽能熱光伏制氫裝置。本發(fā)明裝置由太陽能熱光伏系統(tǒng)和電解水制氫系統(tǒng)兩大部分組成，其中太陽能熱 光伏系統(tǒng)由碟式反射鏡、二次透鏡、圓錐反射鏡、輻射器以及光伏電池等部件組成，而電解 水制氫系統(tǒng)則由質(zhì)子交換膜、陽極、陰極以及氫氣收集器等部件組成；在工作時(shí)，首先使太 陽光垂直入射到碟式反射鏡上并結(jié)合二次透鏡進(jìn)行聚光，接著通過圓錐反射鏡把光線全部 照射到輻射器上并對(duì)其進(jìn)行加熱，高溫輻射器表面發(fā)射的射線到達(dá)光伏電池板上進(jìn)行光電 轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電能通過蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)；輻射器和光伏電池板之間設(shè)置成真空室，從而可通 過減小對(duì)流換熱損失來維持輻射器表面的溫度；光伏電池板背后安裝了冷卻通道，采用循 環(huán)冷卻水來對(duì)光電池進(jìn)行冷卻，以維持光伏電池的合理工作溫度，保證光電轉(zhuǎn)換的效率；電 解水制氫系統(tǒng)中的電解槽采用聚合物電解槽，工作時(shí)電解槽的陽極和陰極分別接在蓄電池 的正負(fù)極上，需電解的水從蓄水池處由水泵抽至冷卻通道中對(duì)光電池進(jìn)行冷卻，然后被預(yù) 熱的水經(jīng)儲(chǔ)水箱注入靠近電解槽陽極的電解水流道中進(jìn)行電解，電解水的流量則由電控閥 門控制。電解時(shí)，水分子在陽極處因電流作用被分解成氧氣、氫離子和電子(方程式如下)， 氫離子以水合的形式(H+ XH20
)透過質(zhì)子交換膜達(dá)到陰極，并同陰極上的電子結(jié)合生成氫氣后經(jīng)產(chǎn)氫通道排出，這個(gè)過程 中同時(shí)也有部分水被帶到陰極，因此產(chǎn)氫通道排出的混合物還要經(jīng)過氫氣分離器進(jìn)行氣液 分離后才能進(jìn)入氫氣收集器加壓存儲(chǔ)。電解方程式
陽極 2H20^4H++4e+02 ； 陰極 4H+44e—2H2。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是裝置彌補(bǔ)了電解水制氫電耗高和太陽能光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn) 定的缺點(diǎn)。整個(gè)工作過程能夠充分利用太陽能，電解的水首先對(duì)裝置中的光伏電池進(jìn)行冷 卻，從而可以提高水槽中水的溫度，文獻(xiàn)資料顯示這可以減少電解過程中電能的消耗；太陽 能熱光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率比一般的光伏系統(tǒng)要高，可以保證電解水過程的電能需要； 電解裝置采用聚合物電解槽，不僅電解效率高，而且電解液可采用純水，這使得電解過程可 比使用堿性電解槽更加安全可靠；通過該裝置把系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于電解制氫，再對(duì)氫氣 進(jìn)行儲(chǔ)存，可以解決光伏發(fā)電隨著天氣，晝夜變化而輸出不穩(wěn)定的問題；裝置一次性投資建 成后生產(chǎn)持續(xù)性好，安全性能高，設(shè)備維護(hù)量小，后續(xù)費(fèi)用少，不僅原料獲取方便而且整個(gè) 生產(chǎn)過程無污染，特別適合在陽光和水資源都充足的海島地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的投產(chǎn)。


圖1為太陽能熱光伏制氫裝置示意其中1.碟式反射鏡，2. 二次透鏡，3.圓錐反射鏡，4.輻射器，5.光伏電池，6.蓄電池， 7.真空室，8.冷卻通道，9.陽極，10.陰極，11.蓄水池，12.水泵，13.蓄水箱，14.電解水流 道，15.電控閥門，16.質(zhì)子交換膜，17.產(chǎn)氫通道，18.氫氣分離器，19.氫氣收集器20電
具體實(shí)施例方式如圖1所示的太陽能熱光伏制氫裝置，包括碟式反射鏡1、二次透鏡2、圓錐反射鏡 3、輻射器4、光伏電池5、蓄電池6、真空室7、冷卻通道8、陽極9、陰極10、蓄水池11、水泵 12、蓄水箱13、電解水流道14、電控閥門15、質(zhì)子交換膜16、產(chǎn)氫通道17、氫氣分離器18、氫 氣收集器19以及電解槽20。在本發(fā)明中，為使光線垂直入射到碟式反射鏡1上，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有太陽光跟蹤器 來保證太陽位置同聚光器主光軸重合，碟式反射鏡1可由多塊組合而成；二次透鏡2材質(zhì)為 石英玻璃，其中心與碟式反射鏡1的聚焦點(diǎn)重合，通過這種組合聚焦目的要使聚光比達(dá)到 5000左右，以保證輻射器表面的高溫；圓錐反射鏡3的入口很小，可以保證從輻射器4上輻 射出的光線全部輻射到光伏電池5上而不從圓錐反射鏡3的入口射出；輻射器4采用SiC 材料制成，其表面發(fā)射率為0. 9 ；光伏電池5采用GaSb電池，其能帶隙為0. 72eV,電池表面 表面涂有光學(xué)過濾膜，可以把能量低于GaSb光伏電池禁帶寬度(即波長大于1.73// 的)的 光子反射回輻射器上，來提高輻射器溫度，進(jìn)而提高能量的利用率；電解槽的質(zhì)子交換膜可 選用Nafion膜、poly膜或者Ballerd膜等，陽極9和陰極10則由較強(qiáng)催化作用的多孔鉬 材料制成后緊貼在交換膜表面，其工作電壓穩(wěn)定在2. IV ；系統(tǒng)中的水泵12、電控閥門15以 及電解裝置等所需的電能均可由蓄電池6提供；蓄水箱13外表面敷設(shè)保溫材料，以維持合 適的電 水溫。
權(quán)利要求
一種太陽能熱光伏制氫裝置，包括太陽能熱光伏系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、蓄水池(11)，其特征在于所述太陽能熱光伏系統(tǒng)由碟式反射鏡(1)、二次透鏡(2)、圓錐反射鏡(3)、輻射器(4)、光伏電池(5)和蓄電池(6)組成，在工作時(shí)，首先使太陽光垂直入射到碟式反射鏡(1)上并結(jié)合二次透鏡(2)進(jìn)行聚光，接著通過圓錐反射鏡(3)把光線全部照射到輻射器(4)上并對(duì)輻射器(4)進(jìn)行加熱，輻射器(4)表面發(fā)射的射線到達(dá)光伏電池(5)上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電能通過蓄電池(6)進(jìn)行存儲(chǔ)；光伏電池(5)背后安裝了冷卻通道(8)，采用循環(huán)冷卻水來對(duì)光伏電池(5)進(jìn)行冷卻，以維持光伏電池(5)的合理工作溫度，保證光電轉(zhuǎn)換的效率；由蓄電池(6)對(duì)電解水制氫系統(tǒng)供電進(jìn)行電解制氫。
2.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述電解水制氫 系統(tǒng)由質(zhì)子交換膜(16)、電解水流道(14)、產(chǎn)氫通道(17)、氫氣分離器(18)、氫氣收集器 (19)、電解槽(20)、蓄水池(11)和蓄水箱(13)組成，電解槽(20)的陽極(9)和陰極(10)分 別接在蓄電池(6)的正負(fù)極上，需電解的水從蓄水池(11)處由水泵(12)抽至冷卻通道(8) 中對(duì)光伏電池(5)進(jìn)行冷卻，然后被預(yù)熱的水經(jīng)蓄水箱(13)注入靠近電解槽陽極(9)的電 解水流道(14)中進(jìn)行電解制氫，電解時(shí)水分子在陽極(9)處因電流作用被分解成氧氣、氫 離子和電子，氫離子以水合的形式透過質(zhì)子交換膜(16)達(dá)到陰極(10)，并同陰極(10)上的 電子結(jié)合生成氫氣后通過靠近電解槽陰極(10)的產(chǎn)氫通道(17)經(jīng)過氫氣分離器(18)分離 再由氫氣收集器(19)收集。
3.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述輻射器(4)和光 伏電池(5)之間設(shè)置成真空室(7)，通過減小對(duì)流換熱損失來維持輻射器(4)表面的溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述二次透鏡(2)的 材質(zhì)為石英玻璃，二次透鏡(2)中心與碟式反射鏡(1)的聚焦點(diǎn)重合，使聚光比達(dá)到5000。
5.如權(quán)利要求2所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述電解水制氫系 統(tǒng)中的電解槽(20 )采用聚合物電解槽。
6.如權(quán)利要求2所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述進(jìn)入電解水流 道(14 )中的電解水的流量則由電控閥門(15 )控制。
7.如權(quán)利要求2所述的一種太陽能熱光伏制氫裝置，其特征在于所述質(zhì)子交換膜 (16)為Nafion膜、poly膜或者Ballerd膜，所述陽極(9)和陰極(10)則由多孔鉬材料制 成后緊貼在質(zhì)子交換膜(16)表面，工作電壓穩(wěn)定在2. IV。
全文摘要
本發(fā)明專利是一種利用太陽能熱光伏系統(tǒng)進(jìn)行電解水制氫的裝置，屬于太陽能利用和電解制氫技術(shù)領(lǐng)域。該裝置有兩大主要部分組成改進(jìn)的太陽能熱光伏系統(tǒng)和電解水制氫系統(tǒng)。太陽能熱光伏系統(tǒng)相對(duì)于一般的光伏技術(shù)其轉(zhuǎn)換效率和輸出功率更高，能夠?yàn)楦鞣N規(guī)模的電解水制氫裝置提供充足的直流電源。通過該裝置把系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于電解制氫，再對(duì)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存，可以解決光伏發(fā)電隨著天氣，晝夜變化而輸出不穩(wěn)定的問題。另外，本裝置中光伏電池的冷卻方式為液冷，電解的水溶液在通入電解槽之前得到了預(yù)熱，可降低電解過程中的電耗，從而可進(jìn)一步提高太陽能的利用率。
文檔編號(hào)C25B1/04GK101974764SQ201010518600
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者唐愛坤, 徐歡, 潘劍鋒, 田波 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)