一种塔式太阳能光热耦合固体氧化物电解水制氢热系统

本发明涉及塔式太阳能集热与电解水制氢，尤其是涉及一种塔式太阳能光热耦合固体氧化物电解水制氢热系统。

背景技术：

1、可再生能源消纳能力不足是目前“双碳”目标下我们所面临的重要难题，而利用弃风弃光进行电解水制氢被认为具有广泛的应用前景。现有的电解水制氢技术中固体氧化物电解技术工作温度通常在600℃以上，系统制氢效率、电解效率、单位面积产氢量相较于碱性电解和质子交换膜电解均有所提高，且是目前唯一一种电堆可以可逆运行的技术，未来具有大规模应用的潜力。

2、专利cn202110564164.7公开了一种耦合太阳能氨基热化学能储能和卡琳娜循环的高温固体氧化物电解水制氢系统及工艺，该系统包括氨基热化学能系统、卡琳娜循环系统和高温固体氧化物电解水制氢系统，所述氨基热化学能系统和高温固体氧化物电解水制氢系统通过第六换热器、第三换热器和第七换热器实现换热连接，氨基热化学能系统和卡琳娜循环系统通过第五换热器实现换热连接，卡琳娜循环系统与高温固体氧化物电解水制氢系统连接，为高温固体氧化物电解水制氢系统提供原料。但是该专利的技术方案结构和管道布置复杂，灵活性低。专利cn202311151521.2公开了一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统，属于太阳能电解水制氢技术领域，其包括储水罐、主输水泵、中温太阳能集热器、启动储氢罐、换热器、引射器、高温太阳能集热器、固体氧化物电解池、高温水蒸气-氢气分离器、水气分离器、冷凝水循环泵、真空泵、压缩机以及储氢罐。本发明采用两级太阳能集热器产生高温蒸汽，通过高温疏水型透氢膜实现水蒸气与氢气在高温环境初步分离；使用引射器回流高温电解尾气，提升高温水蒸气利用率并为电解池阴极提供还原性气氛；在常温管路引入真空泵，通过调节压力实现引射器回流流量的可靠调控，满足太阳能制氢的波动性进气要求。但是该专利的技术方案对能量的利用效率较低，系统制氢效率较低。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种塔式太阳能光热耦合固体氧化物电解水制氢热系统，引入熔盐储热型塔式太阳能光热系统为固体氧化物电解水制氢供热，熔盐储热型塔式太阳能光热系统结构较为简单，增强了制氢系统的灵活性，适用场景广；能量利用效率高，减少排气热量的浪费，获得较高的系统制氢效率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、对于固体氧化物电解池来说，既需要电能，也需要高温热能，所以在热系统方面与太阳能热进行耦合是一种理想的耦合方式。塔式太阳能热系统具有聚光比大、温度参数高、系统容量大以及效率高的特点，在温度匹配等方面与固体氧化物电解池较为契合。由于耦合后的制氢系统需要在高温下运行，因此热系统结构通常比较复杂，且电解池出口气体具有较高的温度，可以对出口热量进行充分利用，降低排出系统气体的温度，减少排气热量的浪费，从而获得更高的系统制氢效率。

4、本发明提供一种塔式太阳能光热耦合固体氧化物电解水制氢热系统，包括：熔盐储热型塔式太阳能光热模块、第一换热模块、第二换热模块、固体氧化物电解水制氢模块、供水模块；

5、熔盐储热型塔式太阳能光热模块用于集热、蓄热，包括：定日镜场、太阳能集热塔、高温熔盐罐、低温熔盐罐；定日镜场将阳光反射到太阳能集热塔收集热量加热熔盐，太阳能集热塔的熔盐出口与高温熔盐罐的熔盐进口连接，低温熔盐罐的熔盐出口与太阳能集热塔的熔盐进口连接；

6、高温熔盐罐的熔盐出口与第一换热模块的熔盐进口连接，低温熔盐罐的熔盐进口与第一换热模块的熔盐出口连接；

7、固体氧化物电解水制氢模块包括：电加热器、固体氧化物电解池，固体氧化物电解池的阴极进气口与电加热器的出气口连接；固体氧化物电解池的阴极出气口、阳极出气口均与第二换热模块的第一进气口连接；第二换热模块的第一出气口与电加热器的进气口连接，第二换热模块的第二出气口与系统外部连接；

8、供水模块的出水口分别与第一换热模块的进水口、第二换热模块的进水口连接，第一换热模块的出气口与第二换热模块的第二进气口连接。

9、进一步的，高温熔盐罐的熔盐出口与第一换热模块的熔盐进口之间设有熔盐泵ⅰ，低温熔盐罐的熔盐出口与太阳能集热塔的熔盐进口之间设有熔盐泵ⅱ。

10、进一步的，第一换热模块包括依次连接的过热器ⅰ、蒸发器ⅰ、预热器ⅰ，低温熔盐罐的熔盐进口与预热器ⅰ的熔盐出口连接，高温熔盐罐的熔盐出口与过热器ⅰ的熔盐进口连接。水在预热器ⅰ中预热至饱和温度后送入蒸发器ⅰ中吸热蒸发，蒸发后送入过热器ⅰ进行过热。经熔盐泵ⅰ送出的高温熔盐依次通过过热器ⅰ、蒸发器ⅰ、预热器ⅰ与冷流进行换热，换热后的高温熔盐流入低温熔盐罐。

11、进一步的，第二换热模块包括依次连接的预热器ⅱ、蒸发器ⅱ、过热器ⅱ、过热器ⅲ，供水模块的出水口分别与预热器ⅰ的进水口、预热器ⅱ的进水口连接，过热器ⅰ的出气口与过热器ⅲ的第二进气口连接；水在预热器ⅱ中预热至饱和温度后送入蒸发器ⅱ中吸热蒸发，蒸发后送入过热器ⅱ进行过热。

12、进一步的，固体氧化物电解池的阴极与电加热器出气口相连，送入阴极的过热蒸汽通过电化学反应，在阴极生成氢气，阳极生成氧气。固体氧化物电解池的阴极出气口排出的高温氢气与未反应的过热蒸汽及阳极出气口排出的高温氧气依次通过过热器ⅲ、过热器ⅱ、蒸发器ⅱ、预热器ⅱ与冷流进行换热，最终排出系统进行收集。

13、进一步的，还包括三通合流调节阀，三通合流调节阀包括：进气口ⅰ、进气口ⅱ，进气口ⅰ与过热器ⅰ的出气口连接，进气口ⅱ与过热器ⅱ的出气口连接，三通合流调节阀的出气口与过热器ⅲ的第二进气口连接。进气口ⅰ通入来自过热器ⅰ的过热蒸汽，进气口ⅱ通入来自过热器ⅱ的过热蒸汽，合流后从出气口送入过热器ⅲ，过热器ⅲ的出气口与电加热器进气口相连。

14、进一步的，还包括三通分流调节阀，三通分流调节阀包括：出水口ⅰ、出水口ⅱ，出水口ⅰ与预热器ⅰ的进水口连接，出水口ⅱ与预热器ⅱ的进水口连接，三通分流调节阀的进水口与供水模块连接。

15、进一步的，供水模块包括相连接的水箱和水泵。

16、进一步的，固体氧化物电解池与外部直流电连接，从外部通入直流电进行电解，在不同电功率输入下，按照进、出口温度的大小关系，固体氧化物电解池将有三种工作模式：输入第一电功率，工作在吸热模式，所述固体氧化物电解池的阴极进气口温度高于所述固体氧化物电解池的阴极出气口、阳极出气口温度，该模式下电解池阴、阳极出口气体可利用的热量少，需要更多的电加热阴极进口过热蒸汽且产氢量最少；输入第二电功率，工作在热中性模式，所述固体氧化物电解池的阴极进气口温度与所述固体氧化物电解池的阴极出气口、阳极出气口温度相等，该模式下需要少量电加热阴极进口过热蒸汽，且在电解池内部不会产生热应力影响电解池寿命；输入第三电功率，工作在放热模式，所述固体氧化物电解池的阴极进气口温度低于所述固体氧化物电解池的阴极出气口、阳极出气口温度，该模式下电解池阴、阳极出口气体可利用的热量多，在一定温度范围内不需要电加热阴极进口过热蒸汽。

17、系统蓄热部分为双罐直接蓄热，所述高温熔盐罐、低温熔盐罐中的熔盐既作为与冷流换热的传热介质，也作为蓄热介质。定日镜场聚光将热量送入太阳能集热塔加热来自低温熔盐罐的熔盐，熔盐升温后进入高温熔盐罐储存。电解时高温熔盐经熔盐泵ⅰ输出依次经过过热器ⅰ、蒸发器ⅰ以及预热器ⅰ对冷流进行三次换热，冷却后的熔盐进入低温熔盐罐，再经熔盐泵ⅱ送入太阳能集热塔再进行吸热升温完成循环。

18、由预热器ⅰ、蒸发器ⅰ、过热器ⅰ构成的盐水换热过程与由预热器ⅱ、蒸发器ⅱ、过热器ⅱ构成的固体氧化物电解池阴、阳极出口热流与水的换热过程构成并联结构分别进行，在系统启动初期，三通分流调节阀出水口ⅱ关闭，水箱通过给水泵送出的水全部送入预热器ⅰ，在预热器ⅰ、蒸发器ⅰ、过热器ⅰ中与高温熔盐进行三次换热后成为过热蒸汽，再依次通过三通合流调节阀、过热器ⅲ送入电加热器加热至电解所需温度，随后进入固体氧化物电解池中进行电解；随着电解反应的进行，当固体氧化物电解池阴、阳极出口热流稳定输出后，三通分流调节阀出水口ⅱ打开，将出水口ⅰ、出水口ⅱ的分流调至合适比例，并通过熔盐泵ⅰ调整高温熔盐质量流量，即可利用高温熔盐热流与固体氧化物电解池阴、阳极出口热流组成的并联结构分别与冷流进行换热。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、(1)本发明引入熔盐储热型塔式太阳能光热系统为固体氧化物电解水制氢供热，熔盐储热型塔式太阳能光热系统结构较为简单，增强了制氢系统的灵活性，适用场景广。

21、(2)能量利用效率高，减少排气热量的浪费，获得较高的系统制氢效率。系统启动初期，借助高温熔盐热流与电加热为电解池提供高温蒸汽，稳定运行后基于能量梯级利用的原则，高温熔盐热流与电解池阴、阳极出口气体热流在对应的温度等级下以并联结构对水箱给水进行逐级换热，并可通过调节水箱给水分流比与高温熔盐流量对各热流的放热量进行合理分配，从而充分利用电解池阴、阳极出口气体热量进行系统过程内部换热，可降低排出系统气体的温度。