一种基于全光谱太阳能联合制氢系统及其太阳能聚光器

本发明属于再生能源利用，更具体地说，特别涉及一种基于全光谱太阳能联合制氢系统及其太阳能聚光器。

背景技术：

1、太阳能是一种能量巨大且极具开发潜力的可再生能源。然而，其供能的间歇性是将其作为主要供应能源的一大障碍。氢能具有热值高、清洁高效、来源广泛等优势，氢的燃烧产物只有水，而水可以被太阳能分解制氢，形成一个无污染的制氢-用氢循环。因此氢能被考虑作为未来取代化石燃料的清洁能源载体，将间歇性的太阳能转化为稳定的氢能在科学界得到广泛关注。目前，分解水制氢技术主要包括电解水制氢、光催化分解水制氢、热化学循环分解水制氢和光热协同分解水制氢。其中，电解水制氢是目前较为成熟且应用广泛的制氢技术，可分为碱性电解水制氢、固体聚合物电解水制氢和高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢(awe)是一种成熟的制氢技术，能量转换效率在62％～82％之间，但其发展却受限于使用贵金属作为电极材料。固体聚合物电解水制氢(spe)也称质子交换膜电解水制氢(pem)，其能量转换效率在70％～90％之间，但聚合物膜和贵金属催化剂的高成本是大规模生产面临的挑战。高温固体氧化物电解水制氢(soec)是目前能量转换效率较高的制氢技术，约为80％～95％。其次，光催化分解水是制备氢能的另一种有效方法，自1972年日本科学家发现二氧化钛(tio2)具有光催化分解水产生氧气和氢气的能力以来，半导体制氢技术逐渐进入研究人员的视野，但单一金属氧化物制氢技术受限于极低的效率。针对现有的技术问题，还需要进一步地进行优化和升级，来提升制氢的效率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于全光谱太阳能联合制氢系统及其太阳能聚光器，通过合理配置系统设备，相互配合对太阳能的全光谱利用，提高了太阳能的利用率，以解决现有技术中，制氢效率低的技术问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于全光谱太阳能联合制氢系统，包括太阳能聚光分光子系统、光致氧空位制氢子系统、光伏发电电解水制氢子系统以及甲醇热裂解及水汽转换子系统；

3、所述太阳能聚光分光子系统中的太阳能分频器分别对应为所述光致氧空位制氢子系统中的光致氧空位氧化水反应器、所述甲醇热裂解及水汽转换子系统中的甲醇反应管、所述光伏发电电解水制氢子系统中的光伏电池提供紫外光、红外光、可见光；

4、所述光致氧空位制氢子系统中的加热器、第一换热器、气体除湿器分别对应向所述光伏发电电解水制氢子系统中的固体氧化物电解槽、第二换热器、储氢罐输出水蒸气、热水、干燥氢气；

5、所述光伏发电电解水制氢子系统中的朗肯循环系统和光伏电池分别向所述甲醇热裂解及水汽转换子系统中的第三换热器输出热水；

6、所述甲醇热裂解及水汽转换子系统中的第一气体分离器和第二气体分离器分别向所述光伏发电电解水制氢子系统中的储氢罐输出氢气进行存储。

7、进一步的，所述光致氧空位制氢子系统包括加热器、光致氧空位氧化水反应器、第一换热器以及气体除湿器，所述第一换热器和所述加热器连接有常温水；

8、所述加热器向所述光致氧空位氧化水反应器输出水蒸气，所述光致氧空位氧化水反应器向所述第一换热器输出氢气并与常温水进行热交换，所述第一换热器向所述气体除湿器输出氢气，氢气在所述气体除湿器进行干燥后向所述光伏发电电解水制氢子系统中的储氢罐输送干燥氢气进行存储。

9、进一步的，所述光伏发电电解水制氢子系统包括固体氧化物电解槽、第二换热器、朗肯循环系统、光伏电池以及储氢罐；

10、水蒸气在所述固体氧化物电解槽形成氢气和氧气，所述第二换热器接收来自所述固体氧化物电解槽的氢气和氧气并与热水进行热交换，所述第二换热器输出氢气和氧气以及水蒸气，其中氢气进入所述储氢罐进行存储，水蒸气进入所述朗肯循环系统中的蒸发器进行冷却后形成冷水排出，所述朗肯循环系统在水蒸气作用下产生电并向所述固体氧化物电解槽输出；

11、所述光伏电池的流体通道中与所述朗肯循环系统中的冷凝器输入冷却水，所述冷凝器对所述冷却水进行加热后向所述甲醇热裂解及水汽转换子系统中的第三换热器输出热水，所述光伏电池在可见光的作用下产生电和热水。

12、进一步的，所述朗肯循环系统包括蒸发器、冷凝器、工质泵、汽轮机、发电机以及有机工质，通过有机工质将热能运输至所述汽轮机，由所述汽轮机驱动所述发电机产生电能。

13、可选的，所述有机工质为f245fa、异戊烷、异己烷、甲苯、环己烷中的至少一种。

14、进一步的，所述甲醇热裂解及水汽转换子系统包括第三换热器、甲醇反应管、第四换热器、第一气体分离器、wgs水汽转换装置和第二气体分离器；

15、所述第三换热器输入液态甲醇与热水进行热交换后形成气态甲醇并向所述甲醇反应管输出，所述甲醇反应管接收红外光在热能的作用下产生第一混合烟气并向所述第四换热器输出，所述第三换热器向所述第四换热器输出热水并与其中的第一混合烟气进行热交换，所述第四换热器分别向所述第一气体分离器和wgs水汽转换装置对应输出第一混合烟气和热水，所述第一气体分离器输出氢气以及向所述wgs水汽转换装置输出co等混合混合气体，所述wgs水汽转换装置中热水和co等混合混合气体形成第二混合烟气并向所述第二气体分离器输出，所述第二气体分离器输出co2和氢气。

16、进一步的，所述甲醇反应管包括玻璃套管，所述玻璃套管内设置有金属反应管，所述玻璃套管与所述金属反应管之间具有真空环隙，在所述金属反应管内填充有cu/al2o3/zno催化剂。

17、进一步的，所述太阳能聚光分光子系统包括太阳能聚光器，所述太阳能分频器通过所述太阳能聚光器接收阳光。

18、为了实现目的，本发明还提供一种太阳能聚光器，用于上述基于全光谱太阳能联合制氢系统中聚光，包括多块聚光透镜，多块所述聚光透镜按半球形排列设置，在多块所述聚光透镜下方设置有聚光杯，多块所述聚光透镜将外部的光线聚合射向所述聚光杯中，所述聚光杯连接有光纤管，所述光纤管与所述太阳能分频器连接；

19、多块所述聚光透镜之间设置进风孔，所述光纤管侧壁连接有导热管，所述导热管与所述甲醇反应管连接并在其路径中设置抽风机，所述光纤管与所述导热管的连接处设置开设有出风孔。

20、可选的，所述聚光透镜为菲涅尔透镜，所述导热管外包覆有保温材料。

21、本发明提供了一种基于全光谱太阳能联合制氢系统及其太阳能聚光器，具备以下有益效果：

22、1、本发明将聚光分光子系统、光致氧空位制氢子系统、光伏发电电解水制氢子系统和甲醇热裂解及水汽转换子系统结合在一起，配置合理，能够充分发挥全光谱太阳能联合制氢系统中各个子系统的特点，实现了太阳能的全光谱利用，提高了太阳能的利用率，形成了多形式输出氢的联产系统，提高了全光谱太阳能联合制氢系统的效率和稳定性，提高了系统的灵活性。

23、2、本发明的太阳能聚光器在本身解决散热问题的同时，还可以将热量供给给基于全光谱太阳能联合制氢系统中的甲醇反应管使用，这种方式一举两得，极大的提高了经济性和环保性。