一种可持续的太阳能驱动制氢系统及其控制方法

本发明属于光伏制氢，尤其涉及一种可持续的太阳能驱动制氢系统及其控制方法。

背景技术：

1、氢能作为一种清洁能源，具有很多潜在优势。它是一种高效能源，可以应用于各种领域，如交通运输、工业生产和电力供应等。氢能的燃烧只产生水蒸气，无二氧化碳等温室气体排放，对环境友好。此外，氢气燃烧能够提供高效的能量输出，同时氢气储存和运输成本也相对较低，能源利用效率高。

2、电解水制氢技术是应用最早、最典型的绿色制氢技术之一，其基本原理是利用电能作为能源，促进电解槽中水分子通过电极表面电化学反应分解为氢气、氧气。质子交换膜电解水制氢利用聚合物阳离子交换膜来实现隔离气体的离子传导双重功能，去离子水仅从阳极进水口进入反应系统，并于阳极催化剂固液界面处被分解为氧气、质子和电子。游离态质子则通过阳离子导通膜传导并吸附于阴电极界面处，质子则由经外电路输运至活性位点的电子相遇，并重新结合生成氢气。

3、在一些太阳能资源比较丰富的地区会采用光伏电池对淡水进行电解制造氢气和氧气，但是传统光伏电池只能将小部分太阳辐射转换为电能，在单个pv制氢系统中，由于光伏电池不能利用全光谱的太阳光，大量的太阳能被转化为pv热损失掉，这导致光伏制氢效率相对较低。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可持续的太阳能驱动制氢系统，通过纳米流体分频技术，将光伏电池组不能吸收的光谱进行吸收利用，生产淡水，并采用光伏电池组为质子交换膜电解槽电解淡水制造氢气氧气，解决了传统制氢方法co2排放量过大、太阳能波段利用率低、淡水资源的稀缺的问题。

2、本发明的一个方式的目的之一是提供一种可持续的太阳能驱动制氢系统的控制方法，能够提高太阳能制氢的利用效率。

3、注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。

4、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

5、一种可持续的太阳能驱动制氢系统，包括聚光光伏光热模块、低温膜蒸馏海水淡化模块、质子交换膜电解水制氢模块；

6、所述聚光光伏光热模块包括循环水泵、菲涅尔聚光器、纳米流体分频流道和光伏电池组；所述纳米流体分频流道位于菲涅尔聚光器和光伏电池组之间；所述循环水泵与纳米流体分频流道连接；

7、所述低温膜蒸馏海水淡化模块包括冷却流道、热交换器、接触式膜蒸馏装置和淡水箱；所述冷却流道与光伏电池组接触，冷却流道、热交换器、接触式膜蒸馏装置和淡水箱依次连接；热交换器还与纳米流体分频流道连接；海水依次经过冷却流道、热交换器和接触式膜蒸馏装置，经过淡化进入淡水箱；

8、所述质子交换膜电解水制氢模块包括质子交换膜电解槽、氧气储存罐和氢气储存罐；所述质子交换膜电解槽输入端与淡水箱连接，并且由光伏电池组供电；所述氧气储存罐和氢气储存罐均与质子交换膜电解槽输出端连接。

9、上述方案中，所述聚光光伏光热模块还包括纳米流体储存罐和真空层；

10、所述真空层位于纳米流体分频流道和光伏电池组之间；

11、所述纳米流体储存罐、循环水泵、纳米流体分频流道和热交换器形成纳米流体循环回路。

12、上述方案中，所述纳米流体分频流道内的纳米流体为丙二醇-硫酸钴混合基的ag@sio2核壳纳米粒子流体。

13、进一步的，所述丙二醇-硫酸钴混合基的ag@sio2核壳纳米粒子流体浓度为12.7～50.8mg/l。

14、进一步的，所述丙二醇-硫酸钴混合基的ag@sio2核壳纳米粒子流体浓度为25.4mg/l。

15、上述方案中，所述低温膜蒸馏海水淡化模块还包括输送泵和海水出口；

16、所述输送泵3的输入端与海水连接，输出端与冷却流道的输入端连接；

17、所述冷却流道的输出端与热交换器的输入端连接；

18、所述热交换器的输出端与接触式膜蒸馏装置的输入端连接；

19、所述接触式膜蒸馏装置的输出端分别与海水出口和淡水箱连接。

20、上述方案中，所述冷却流道为蜂窝状流道，蜂窝状流道输入端处枝杈增多，输出端枝杈收缩。

21、上述方案中，所述冷却流道的输入端和输出端均设有温度检测探针。

22、上述方案中，所述质子交换膜电解水制氢模块还包括淡水箱阀门、氧气压力表、氧气储存罐阀门、氢气压力表和氢气储存罐阀门；

23、所述淡水箱阀门输入端与淡水箱输出端连接，淡水箱阀门输出端与质子交换膜电解槽输入端连接；

24、所述质子交换膜电解槽阳极输出端与氧气储存罐输入端连接，氧气储存罐输入端上设有氧气压力表和氧气储存罐阀门；

25、所述质子交换膜电解槽阴极输出端与氢气储存罐输入端连接，氢气储存罐输入端上设有氢气压力表和氢气储存罐阀门。

26、一种上述的可持续的太阳能驱动制氢系统的控制方法，包括以下步骤：

27、步骤s1：开启循环水泵，循环水泵将纳米流体泵入纳米流体分频流道，入射的太阳光通过菲涅尔聚光器的汇聚，通过纳米流体分频流道内纳米流体射向光伏电池组，纳米流体吸收光伏电池组光谱响应区间外的部分光谱能量升温后流入热交换器中加热海水，而经分频后的太阳辐射被光伏电池组吸收产生电能；

28、步骤s2：将海水泵入冷却流道，在冷却流道中流动的海水作为冷却剂，吸收来自光伏电池组的废热，检测冷却流道输入端和输出端的温度，控制调节泵入海水的速度；

29、步骤s3：从冷却流道中流出的冷却海水进入热交换器，吸收步骤s1中升温的纳米流体转化的热量，然后进入接触式膜蒸馏装置，接触式膜蒸馏装置经过膜蒸馏产生淡水到达淡水箱，多余海水排出；

30、步骤s4：控制进入质子交换膜电解槽的淡水量，通过质子交换膜电解槽制取氢气，产物通过阴极和阳极分别收集到氢气储存罐和氧气储存罐，通过氢气压力表和氧气压力表判断储存罐内的储存情况。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、根据本发明的一个方式，本发明采用纳米流体分频流道，将光伏电池组光谱响应区间外的部分光谱能量进行吸收，并采用热交换器将海水进行加热，提高了太阳能的能量利用效率。

33、根据本发明的一个方式，本发明采用蜂窝状的冷却流道，对光伏电池组进行冷却，提高了冷却效率，同时提高了海水温度，进一步提高了太阳能的能量利用效率。

34、根据本发明的一个方式，在冷却流道设置了温度检测探针，可以根据温度变化调控系统工作效率。

35、根据本发明的一个方式，采用接触式膜蒸馏装置，膜蒸馏是一种通过半透膜分离混合物的技术，相对于传统的蒸馏方法，膜蒸馏具有能耗低、操作简单、分离效果好的特点。

36、根据本发明的一个方式，提供了纳米流体的类型和浓度，对光伏电池组光谱响应区间外的部分光谱能量吸收率较高。

37、注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个方式并不一定必须具有所有上述效果。可以从说明书、附图、权利要求书等的记载显而易见地看出并抽出上述以外的效果。