專利名稱：一種太陽能熱光伏制氫裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能熱光伏利用領域，屬一種新型太陽能制氫技術，特指一種太陽 能熱光伏制氫裝置。
背景技術：
隨著全球經濟的發展以及人口的增長，人們對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 限的儲量，日益增長的能源需求也引起了嚴重的能源危機和環境污染。基于這種狀況，太陽能、風能、生物質能、地熱能、潮汐能等具有豐富、清潔、可再生 的優點，近年來受到了國際社會的廣泛關注，尤其是以太陽能、風能以及生物質能，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和運輸的 特點，因而大力推廣時也受到了一些限制。氫是這些能源理想的載體，同其它傳統的能源物 質相比，它具有無污染、能量密度高、熱轉化效率高等諸多特點，不僅可作為高能燃料、保護 氣、石化工業原料、冶金工業還原劑、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、清洗劑等產品中的脂肪氫化過程中。因此，氫作為一種綠色能源發展前景十 分光明，人們對氫能的開發和利用一直進行著不懈的努力。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，因此會造成能 源的極大浪費。太陽能光解水制氫和生物制氫是兩種新興的制氫技術，也是未來氫氣生產 的發展趨勢，但目前由于生產工藝還不成熟，具有可再生能源利用低、產氫量小等缺點，離 大規模的工業化生產尚有一段距離。相比之下，電解水制氫是一種已經成熟的傳統制氫方 法，其裝置簡單、制出的氫純度高，但生產過程中需要消耗大量的電能。隨著電解水技術的 不斷發展，發電技術的不斷改進，在電能成本降低的情況下，電解水制氫在未來制氫工業中 所占的比例將大大提高。近年來，國內外學者作了一些利用太陽能光伏發電進行電解水制氫的嘗試。太陽 能是一種潔凈的可再生能源，它有著礦物質能源不可比擬的優越性，資源十分豐富，取之不 盡用之不竭，因此這時制氫所需電能的成本也只體現在裝置的初期投資上。但目前的光伏 系統對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模的擴 大。太陽能熱光伏是一種新型的太陽能利用技術，它的整體效率要高于一般光伏發電 系統，據報道裝置的整體效率可超過35%。普通的熱光伏技術中的太陽光是直接照射在光電 池上進行光電轉換的，而太陽能熱光伏技術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，這時高溫輻射器釋放的熱輻 射能同電池光電轉化的波長進行很好的匹配，故而裝置對太陽能的利用率可大大提高。太 陽能熱光伏系統無運動部件、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實意義。

發明內容
本發明以一種改進的太陽能熱光伏發電系統為核心，結合電解水制氫工藝過程的 的特點和要求，設計出一種新型的太陽能熱光伏制氫裝置。本發明裝置由太陽能熱光伏系統和電解水制氫系統兩大部分組成，其中太陽能熱 光伏系統由碟式反射鏡、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 水制氫系統則由質子交換膜、陽極、陰極以及氫氣收集器等部件組成；在工作時，首先使太 陽光垂直入射到碟式反射鏡上并結合二次透鏡進行聚光，接著通過圓錐反射鏡把光線全部 照射到輻射器上并對其進行加熱，高溫輻射器表面發射的射線到達光伏電池板上進行光電 轉換，產生的電能通過蓄電池進行存儲；輻射器和光伏電池板之間設置成真空室，從而可通 過減小對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 環冷卻水來對光電池進行冷卻，以維持光伏電池的合理工作溫度，保證光電轉換的效率；電 解水制氫系統中的電解槽采用聚合物電解槽，工作時電解槽的陽極和陰極分別接在蓄電池 的正負極上，需電解的水從蓄水池處由水泵抽至冷卻通道中對光電池進行冷卻，然后被預 熱的水經儲水箱注入靠近電解槽陽極的電解水流道中進行電解，電解水的流量則由電控閥 門控制。電解時，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
)透過質子交換膜達到陰極，并同陰極上的電子結合生成氫氣后經產氫通道排出，這個過程 中同時也有部分水被帶到陰極，因此產氫通道排出的混合物還要經過氫氣分離器進行氣液 分離后才能進入氫氣收集器加壓存儲。電解方程式
陽極 2H20^4H++4e+02 ； 陰極 4H+44e—2H2。本發明的優點是裝置彌補了電解水制氫電耗高和太陽能光伏發電輸出功率不穩 定的缺點。整個工作過程能夠充分利用太陽能，電解的水首先對裝置中的光伏電池進行冷 卻，從而可以提高水槽中水的溫度，文獻資料顯示這可以減少電解過程中電能的消耗；太陽 能熱光伏系統的光電轉換效率比一般的光伏系統要高，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；通過該裝置把系統產生的電能用于電解制氫，再對氫氣 進行儲存，可以解決光伏發電隨著天氣，晝夜變化而輸出不穩定的問題；裝置一次性投資建 成后生產持續性好，安全性能高，設備維護量小，后續費用少，不僅原料獲取方便而且整個 生產過程無污染，特別適合在陽光和水資源都充足的海島地區進行大規模的投產。


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.質子交換膜，17.產氫通道，18.氫氣分離器，19.氫氣收集器20電
具體實施例方式如圖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、質子交換膜16、產氫通道17、氫氣分離器18、氫 氣收集器19以及電解槽20。在本發明中，為使光線垂直入射到碟式反射鏡1上，系統中應設有太陽光跟蹤器 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材質為 石英玻璃，其中心與碟式反射鏡1的聚焦點重合，通過這種組合聚焦目的要使聚光比達到 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，進而提高能量的利用率；電解槽的質子交換膜可 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，其工作電壓穩定在2. IV ；系統中的水泵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外表面敷設保溫材料，以維持合 適的電 水溫。
權利要求
一種太陽能熱光伏制氫裝置，包括太陽能熱光伏系統、電解水制氫系統、蓄水池(11)，其特征在于所述太陽能熱光伏系統由碟式反射鏡(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，首先使太陽光垂直入射到碟式反射鏡(1)上并結合二次透鏡(2)進行聚光，接著通過圓錐反射鏡(3)把光線全部照射到輻射器(4)上并對輻射器(4)進行加熱，輻射器(4)表面發射的射線到達光伏電池(5)上進行光電轉換，產生的電能通過蓄電池(6)進行存儲；光伏電池(5)背后安裝了冷卻通道(8)，采用循環冷卻水來對光伏電池(5)進行冷卻，以維持光伏電池(5)的合理工作溫度，保證光電轉換的效率；由蓄電池(6)對電解水制氫系統供電進行電解制氫。
2.如權利要求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 系統由質子交換膜(16)、電解水流道(14)、產氫通道(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) 中對光伏電池(5)進行冷卻，然后被預熱的水經蓄水箱(13)注入靠近電解槽陽極(9)的電 解水流道(14)中進行電解制氫，電解時水分子在陽極(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子交換膜(16)達到陰極(10)，并同陰極(10)上的 電子結合生成氫氣后通過靠近電解槽陰極(10)的產氫通道(17)經過氫氣分離器(18)分離 再由氫氣收集器(19)收集。
3.如權利要求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)之間設置成真空室(7)，通過減小對流換熱損失來維持輻射器(4)表面的溫度。
4.如權利要求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 材質為石英玻璃，二次透鏡(2)中心與碟式反射鏡(1)的聚焦點重合，使聚光比達到5000。
5.如權利要求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 統中的電解槽(20 )采用聚合物電解槽。
6.如權利要求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 成后緊貼在質子交換膜(16)表面，工作電壓穩定在2. IV。
全文摘要
本發明專利是一種利用太陽能熱光伏系統進行電解水制氫的裝置，屬于太陽能利用和電解制氫技術領域。該裝置有兩大主要部分組成改進的太陽能熱光伏系統和電解水制氫系統。太陽能熱光伏系統相對于一般的光伏技術其轉換效率和輸出功率更高，能夠為各種規模的電解水制氫裝置提供充足的直流電源。通過該裝置把系統產生的電能用于電解制氫，再對氫氣進行儲存，可以解決光伏發電隨著天氣，晝夜變化而輸出不穩定的問題。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熱，可降低電解過程中的電耗，從而可進一步提高太陽能的利用率。
文檔編號C25B1/04GK101974764SQ201010518600
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者唐愛坤, 徐歡, 潘劍鋒, 田波 申請人:江蘇大學