一种太阳能热-电-化学综合利用系统技术方案

本发明专利技术提供了一种太阳能热‑电‑化学综合利用系统，光子增强热电子发射器件的第一电极贴附于化学反应器的加热面，第二电极朝向聚光装置，光子增强热电子发射器件转化的电能对外输出，光子增强热电子发射器件和化学反应器的加热面转化的热能驱动化学反应器产生化学产物，将热能转化为化学能。本发明专利技术减小了高品位太阳能直接向较低品位热能转化造成的可用能损失，提高了能源利用效率，将热能的品位提升至化学能的品位，系统效率得到提升，实现了全天候供电以及电能的稳定输出，可工作于电能稳定输出模式、化学能输出模式、以及电能和化学能并行输出模式，实现了光能、热能、电能、化学能的灵活转化，供能种类丰富，比例灵活可调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可再生能源
，尤其涉及一种太阳能热-电-化学综合利用系统。
技术介绍
太阳能被认为是最有前景的可再生能源之一。目前主流的太阳能利用技术为太阳能光热利用技术与太阳能光伏利用技术。太阳能光热利用技术首先将太阳能转化为热能，之后对热能进行利用。由于电能与化学能在能源结构中占有重要地位及其便于运输、使用等优良特性，太阳能热发电技术与太阳能热化学技术被广泛研究。而由于过程中将品位极高的太阳光能直接转化为品位较低的热能，造成了较大的不可逆损失，使系统效率较低。太阳能光伏利用技术通过光生伏特效应将太阳能直接转化为电能。受限于光生伏特效应原理与技术水平，目前量产型的太阳能光伏电池的发电效率在15％-25％左右，这意味着将有75％以上的太阳能直接变为热能。而受限于光伏电池的工作温度，该部分热能的温度多在100℃以下，难以超过300℃。而且由于光伏电池存在负温度效应，提高热能的利用温度将会降低光伏电池的发电效率。以上两方面因素很大程度限制了该部分热能的进一步利用，也限制了光伏光热综合利用技术的发展。太阳能光子增强热电子发射(Photon-enhancedthermionicemission，简称PETE)技术将光伏效应与热电子发射效应结合，电子吸收短波光子能量跃迁至导带，之后其吸收阴极热量，自阴极表面发射并被阳极吸收，过程中太阳能被转化为电能。一方面，既避免了将太阳光直接转换为热能，又避免了光伏电池的负温度效应，使得光子增强热电子发射器件还可提供100℃-1000℃热能，为进一步提高太阳能利用效率打下了基础；另一方面，光子增强热电子发射技术同样面临电能供应与热能供应波动剧烈、仅可晴天供电的问题。目前光子增强热电子发射器件热能主要通过热机或热电器件利用。由于太阳能的不稳定造成的器件热能的不稳定及器件制作尺寸较小，使得该热能用作热机热能存在巨大挑战；由于热电器件效率低、成本高，使得该热能通过热电器件利用收益小、成本高。由此可见，现有技术在将太阳能转换为电能的过程中存在如下问题：(1)太阳能光热技术直接将高品位太阳能转化为低品位热能，不可逆损失大，效率低；(2)太阳能光伏技术受限于自身工作原理与技术水平，效率较低，产生余热量大；(3)基于光伏余热利用的光伏光热综合利用技术，因光伏电池工作温度低，产生的余热温度低、品位低，发展受到限制；(4)光子增强热电子发射技术电能供应波动剧烈，更无法实现全天候供电，易对电网产生冲击；(5)光子增强热电子发射技术热能供应波动剧烈且光子增强热电子发射器件尺寸较小，与现有热机系统不匹配；(6)以热电器件利用光子增强热电子发射器件热能对系统效率提高较小，且依然无法解决供电波动剧烈、无法全天候供电的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种太阳能热-电-化学综合利用系统。(二)技术方案本专利技术提供了一种太阳能热-电-化学综合利用系统，包括：聚光装置、至少一化学反应器和至少一个光子增强热电子发射器件；所述光子增强热电子发射器件包括第一电极和第二电极，所述第一电极贴附于所述化学反应器的加热面，所述第二电极朝向所述聚光装置；所述聚光装置将太阳光汇聚至所述第二电极和化学反应器的加热面，部分太阳能由所述光子增强热电子发射器件转化为电能和热能，部分太阳能由所述化学反应器的加热面转化为热能，由所述光子增强热电子发射器件转化的电能对外输出，由所述光子增强热电子发射器件和化学反应器的加热面转化的热能驱动所述化学反应器产生化学产物，将热能转化为化学能。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的太阳能热-电-化学综合利用系统具有以下有益效果：(1)将部分太阳能由光子增强的热电子发射器件转化为电能，其余部分太阳能被转化为热能，减小了高品位太阳能直接向较低品位热能转化造成的可用能损失，提高了能源利用效率；(2)光子增强的热电子发射器件转化的热能经由化学反应吸收转化为化学能，使得热能的品位提升至化学能的品位，提高了热能的品位，相对于将该热能直接由热机发电，系统可以获得更高的效率；并且化学反应易于调节，通过调节反应物的供应速度承受剧烈的太阳能变化，实现了波动剧烈的热能向稳定的化学能的转化，有利于提高供能品质；而且化学能易于长期储存，系统具有储存太阳能的功能，不再需要额外的储能设备；(3)通过将多余的电能转化为化学能，以及将储存的化学能转化为电能，实现了全天候供电以及电能的稳定输出；(4)将光子增强的热电子发射器件的产生电能用作化学反应所需电能，可降低化学反应所需温度，提高系统效率；(5)系统可工作于电能稳定输出模式、化学能输出模式、以及电能和化学能并行输出模式，实现热能、电能、化学能的灵活转化，具有产品输出比例可调的功能，在系统无法向外供电时(如电网调节、电网故障)，可将化学能作为最终产品；在电力需求更多时，可将电能作为最终产品，供能种类丰富，比例灵活可调。附图说明图1是依据本专利技术第一实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图；图2是依据本专利技术第二实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图；图3是依据本专利技术第三实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图。符号说明1-太阳能热-电-化学反应器；1a、1c-化学反应器；1b-光子增强热电子发射器件；2-聚光装置；3-产物储存装置；4-发电装置。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术将太阳能光伏技术、热电子发射技术和热化学技术结合起来，在被转化为品位较低的热能之前，太阳能首先经光子增强热电子发射器件产生电能，而光子增强热电子发射器件产生的波动剧烈、不易储存、较低品位的热能经由吸热化学反应转化为稳定、易储存、高品位的化学能，可以大幅度提高太阳能利用效率、供能品质，实现系统供能种类、比例灵活可调。在本专利技术的第一实施例中，提供了一种太阳能热-电-化学综合利用系统。图1为根据本专利技术实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图。如图1所示，太阳能热-电-化学综合利用系统包括：太阳能热-电-化学反应器1和聚光装置2，太阳能热-电-化学反应器1包括：化学反应器1a和光子增强热电子发射器件1b。化学反应器1a用于实现热化学反应，将热能转化为化学能，其内部设置反应物的输入通道、输出通道和反应腔体，其表面设置加热面。光子增强热电子发射器件1b的第一电极贴附于化学反应器1a的加热面，使得化学反应器1a的部分加热面被光子增强热电子发射器件1b覆盖，剩余部分加热面未被光子增强热电子发射器件1b覆盖，暴露于空气中。聚光装置2，用于将太阳光汇聚至光子增强热电子发射器件1b的第二电极，以及化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面。其中，第一电极可以是阳极，第二电极可以是阴极，或者第一电极是阴极，第二电极是阳极。本实施例中，单个光子增强热电子发射器件1b贴附于单个化学反应器1a的加热面，但本专利技术并不以此为限。本专利技术的化学反应器1a还可以采用化学反应器组，化学反应器组包括多个化学反应器，光子增强热电子发射器件1b的第一电极贴附在多个化学反应器1a的加热面上；本专利技术的光子增强热电子发射器件还可以是光子增强热电子发射器件组，光子增强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能热‑电‑化学综合利用系统，其特征在于，包括：聚光装置、至少一化学反应器和至少一个光子增强热电子发射器件；所述光子增强热电子发射器件包括第一电极和第二电极，所述第一电极贴附于所述化学反应器的加热面，所述第二电极朝向所述聚光装置；所述聚光装置将太阳光汇聚至所述第二电极和化学反应器的加热面，部分太阳能由所述光子增强热电子发射器件转化为电能和热能，部分太阳能由所述化学反应器的加热面转化为热能，由所述光子增强热电子发射器件转化的电能对外输出，由所述光子增强热电子发射器件和化学反应器的加热面转化的热能驱动所述化学反应器产生化学产物，将热能转化为化学能。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能热-电-化学综合利用系统，其特征在于，包括：聚光装置、至少一化学反应器和至少一个光子增强热电子发射器件；所述光子增强热电子发射器件包括第一电极和第二电极，所述第一电极贴附于所述化学反应器的加热面，所述第二电极朝向所述聚光装置；所述聚光装置将太阳光汇聚至所述第二电极和化学反应器的加热面，部分太阳能由所述光子增强热电子发射器件转化为电能和热能，部分太阳能由所述化学反应器的加热面转化为热能，由所述光子增强热电子发射器件转化的电能对外输出，由所述光子增强热电子发射器件和化学反应器的加热面转化的热能驱动所述化学反应器产生化学产物，将热能转化为化学能。2.如权利要求1所述的太阳能热-电-化学综合利用系统，其特征在于，所述至少一个光子增强热电子发射器件包括：一个或多个光子增强热电子发射器件组成的光子增强热电子发射器件组；所述至少一化学反应器包括：一个或多个化学反应器组成的第一化学反应器组；所述光子增强热电子发射器件组的第一电极贴附于第一化学反应器组的加热面。3.如权利要求2所述的太阳能热-电-化学综合利用系统，其特征在于，所述至少一化学反应器还包括：一个或多个透光的化学反应器组成的第二化学反应器组；所述光子增强热电子发射器件组的第二电极贴附于所述第二化学反应器组的加热面；太阳光穿过所述第二化学反应器组汇聚至所述光子增强热电子发射器件组的第二电极和所述第一化学反应器组的加热面，部分太阳能由所述光子增强热电子发射器件组转化为电能和热能，部分太阳能由所述第一化学反应器组的加热面转化为热能，部分太阳能被所述第二化学反应器组吸收并转化为热能；由所述光子增强热电子发射器件组转化的电能对外输出，所述第一化学反应器组被所述光子增强热电子发射器件组和所述第一化学反应器组的加热面转化的热能驱动而产生化学产物，所述第二化学反应器组被所述光子增强热电子发射器件组和所述第二化学反应器组转化的热能驱动而产生化学产物，将热能转化为化学能。4.如权利要求3所述的太阳能热-电-化学综合利用系统，其特征在于，第一化学反应器组和第二化学反应器组处于并行反应模式，反应物同时通入第一化学反应器组和第二化学反应器组，第一化学反应器组和第二化学反应器组生成各自的化学产物；或者，第一化学反应器组和第二化学反应器处于串行反应模式，第一化学反应器组和第二化学反应器串行连接，反应物通入二者的其中之一，生成的中间化学产物继续通入二者中的另一个，生成最...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝勇，李文甲，金健，金红光，
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