全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全光谱太阳能制氢‑储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光‑电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光‑热能量；制氢子系统中，利用光‑电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光‑热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物‑产物的关系。实现了全光谱制氢、储氢一体化。

【技术实现步骤摘要】
全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统
本专利技术属于太阳能全光谱综合利用
，涉及一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统。
技术介绍
太阳能作为储量最大的可再生能源，可为人类生产、生活源源不断地提供能源。太阳能全光谱可划分为紫外、可见和红外波段，其中，紫外波段光子能量最强，其次是可见波段光子能量，红外波段光子能量最低。在光伏发电过程中，受光子能量与半导体带隙间匹配关系，红外波段太阳能不具有发电能力，紫外波段太阳能发电效率较低，从而限制了光伏发电过程中太阳能转电效率。此外，入射太阳能辐照强度随时间具有波动性，为消纳太阳能的光伏产电，日前通常的做法是利用光伏并网的方式。但是，这种方式会对电网造成一定程度的负荷冲击。而利用物理储电或者化学储电的方式，其规模较小且成本过高。因此，将太阳能以电能的方式利用还面临着一些实际挑战。有的研究中通过太阳能光伏电解水制氢的方式，将太阳能转化为氢燃料，实现了对太阳能的利用，可有效解决太阳能波动的问题，与此同时，氢能作为清洁、友好的燃料，被认为是替代化石燃料的未来能源。但是在氢气存储方面，存在储氢容量低、成本高和耗能高的缺陷。因此，如何实现对全光谱太阳能的高效利用并且克服现有技术中储氢的容量低、成本高和耗能高的缺陷，成为亟需解决的技术问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，以解决全光谱太阳能高效利用以及氢气储能中存在的上述问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光-电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光-热能量；制氢子系统中，利用光-电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光-热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物-产物的关系，实现全光谱制氢、储氢一体化。在本公开的一些实施例中，制氢子系统包括：电解池5，与光电转化部件相连，利用光电转化部件产生的光-电能量在电解池5中进行电解水反应，产生氢气和氧气；以及氢气循环泵6，将电解池5产生的氢气通入到储氢子系统。在本公开的一些实施例中，储氢子系统包括：光热反应器3，该光热反应器3包含隔离的第一部分和第二部分，第一部分用于存放第一反应物，朝向聚光部件；第二部分用于存放第二反应物，背离聚光部件；该光热反应器3的第一部分和第二部分均为光热转化部件；氮气循环泵10，用于将氮气通入到光热反应器3的第二部分中，与第二反应物发生吸氮的放热反应；氮气冷凝器11，与氮气循环泵10和光热反应器3相连，将光热反应器3中未反应完的氮气进行冷却，并使未反应完的氮气再次通过氮气循环泵10进入光热反应器3参与反应；混合气冷凝器7，将光热反应器3的第一部分发生吸氢的吸热反应后产生的氨气和未反应完的氢气的混合气进行冷却，得到气态氢气和液态氨；以及气液分离器8，将混合气冷凝器7中得到的气态氢气和液态氨进行气液分离，气态氢气通入到储氢子系统中再次参与反应，液态氨存储于储氨罐9中，实现储氢。在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分的位置可实现互换，以实现吸热反应和放热反应的连续进行。在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分沿轴向对称分布，通过轴向旋转实现第一部分和第二部分的位置互换。在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分通过绝热材料进行隔离；和/或，第一反应物和第二反应物为氮化金属或氢化金属。在本公开的一些实施例中，聚光部件包括：第一聚光部件1和第二聚光部件2，第一聚光部件1将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能聚焦反射至光电转化部件；第二聚光部件2，将全光谱的剩余波段太阳能聚焦反射至光热转化部件。在本公开的一些实施例中，第一聚光部件1为选择性聚光镜；和/或，第二聚光部件2为通用槽式聚光镜；和/或，光电转化部件4为光伏电池。在本公开的一些实施例中，聚光部件的反射波段范围和光电转化部件4的材料为最优反射波段和最优材料，该最优反射波段和最优材料使得储氢子系统中的放热反应和吸热反应速率匹配最优。在本公开的一些实施例中，全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，还包括：跟踪控制系统，利用该跟踪控制系统使全光谱太阳能垂直入射至聚光部件。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，具有以下有益效果：(1)通过利用聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，进而将全光谱太阳能转化为光-电能量和光-热能量，其中，可见波段能量转化为光-电能量，该光-电能量用于在制氢子系统中电解水制氢，紫外和红外波段能量转化为光-热能量，该光-热能量用于在储氢子系统中驱动储氢反应的进行，且制氢子系统制得的氢气在储氢子系统中以液态氨的形式存储，实现制氢-储氢一体化，克服了太阳能利用过程中因太阳能波动对过程运行产生的影响，使太阳能的利用过程不可逆损失减少，实现了太阳能的全光谱高效利用；(2)将太阳能以液态氨的形式存储，克服了常规储氢过程储氢容量低、成本高和耗能高的难题；(3)利用太阳能作为制氢和储氢过程的唯一能源输入，实现了产能和用能的清洁化、绿色化；(4)储氢过程可以在常压、中温下进行，较压力大于100bar、温度大于700℃的工业制氨储氢过程，可行性优势显著，可实现宽辐照、高效率利用太阳能；(5)聚焦部件可采用成熟可靠的线聚焦聚光方式，系统运行简单、可靠性强，无技术瓶颈问题，可为分布式供能和智能电网领域提供清洁能源；(6)光热反应器的第一部分和第二部分的位置可实现互换，以实现吸热反应和放热反应的连续进行，另外可消除线聚焦下的光热反应器热应力集中导致变形的问题；(7)可通过优化设置聚光部件的反射波段范围和光电转化部件的材料为最优反射波段和最优材料，使得储氢子系统中的放热反应和吸热反应速率匹配最优。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统的结构示意图。【符号说明】1-第一聚光部件；2-第二聚光部件；3-光热反应器；4-光电转化部件；5-电解池；6-氢气循环泵；7-混合气冷凝器；8-气液分离器；9-储氨罐；10-氮气循环泵；11-氮气冷凝器。具体实施方式本公开基于全光谱太阳能的光电和光热属性，并结合两步法常压、中温储氢的特点，提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，将全光谱太阳能转化为光-电能量和光-热能量，该光-电能量用于在制氢子系统中电解水制氢，该光-热能量用于在储氢子系统中驱动储氢反应的进行，且制氢子系统制得的氢气在储氢子系统中以液态氨的形式存储，实现制氢-储氢一体化，克服了太阳能利用过程中因太阳能波动对过程运行产生的影响，使太阳能的利用过程不可逆损失减少，其中，可见光谱用于制氢，紫外和红外光谱用于液态储氢，进而实现太阳能的高效、低成本利用，实现了太阳能的全光谱高效利用。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光谱太阳能制氢‑储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光‑电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光‑热能量；制氢子系统中，利用光‑电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光‑热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物‑产物的关系，实现全光谱制氢、储氢一体化。

【技术特征摘要】
1.一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光-电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光-热能量；制氢子系统中，利用光-电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光-热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物-产物的关系，实现全光谱制氢、储氢一体化。2.根据权利要求1所述的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，其中，所述储氢子系统包括：光热反应器(3)，包含隔离的第一部分和第二部分，第一部分用于存放第一反应物，朝向聚光部件；第二部分用于存放第二反应物，背离聚光部件；该光热反应器(3)的第一部分和第二部分均为光热转化部件；氮气循环泵(10)，用于将氮气通入到光热反应器(3)的第二部分中，与第二反应物发生吸氮的放热反应；氮气冷凝器(11)，与氮气循环泵(10)和光热反应器(3)相连，将光热反应器(3)中未反应完的氮气进行冷却，并使未反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪慧，曲万军，张浩，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11