一种电-热化学循环分解二氧化碳/水的系统及方法技术方案

本发明专利技术一种电

【技术实现步骤摘要】
一种电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统及方法


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种基于光谱分频的两步电
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热化学循环分解CO2/H2O系统及方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会活动的物质基础，与人民的生活和生活环境休戚与共，关系着人类社会的进步和文明的发展。太阳能作为一种清洁可再生能源，因其巨大的开发潜力、丰富的资源分布而受到人们的广泛关注，但是，太阳能具有能量密度低、分散性强、不稳定、不连续等缺点。至今，我国还未掌握高效、低成本、大规模直接利用太阳能的技术，如何合理高效的利用太阳能成为目前的难题和重点。
[0003]太阳能两步热化学循环以金属氧化物为媒介，进行CO2/H2O分解。第一步为还原反应，金属氧化物在高温(＞1350℃)低氧分压条件下放出氧气，金属离子被还原至单质或较低价态。第二步为氧化反应，可在较低温度(400
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1000℃)下进行，被还原的金属氧化物与CO2/H2O接触并获得其中的一个氧原子，产生CO/H2，金属离子则被氧化至还原前的状态，即形成最初的金属氧化物。该方法具有较高的理论效率，但是所需的还原温度较高，从而造成了较大的聚光成本和较高的热损失。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于光谱分频的电
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热化学循环分解CO2/H2O系统及方法，对太阳能不同谱段进行多级利用，并综合利用热化学和电化学两种驱动力，降低传统热化学循环中还原反应的温度，提高了对太阳能的利用率和系统能量转化效率。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于光谱分频的电
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热化学循环分解CO2/H2O的系统，包括太阳能聚光装置、光谱分频器、光伏发电装置和热电反应器；光伏发电装置包括光伏电池，热电反应器包括电解池；
[0007]太阳能聚光装置，用于将太阳能聚焦；
[0008]光谱分频器，用于将太阳能聚光装置聚焦的太阳能按照波长分开，能量高于所述光伏电池带隙能的短波部分经光谱分频器透射至光伏电池表面，能量低于所述光伏电池带隙能的长波部分被光谱分频器反射至热电反应器的集热面，为热电反应器提供热量；
[0009]光伏发电装置，利用光伏电池发电并为热电反应器提供电能；
[0010]热电反应器，利用电解池中的电极材料在热量和电能的作用下进行还原反应生成还原态的电极材料和氧气，还原反应完成后，通过向热电反应器通入CO2或H2O，还原态的电极材料进行氧化反应，CO2或H2O被还原生成对应的CO或H2。
[0011]优选的，还包括温差发电装置，当热电反应器中的还原反应完成后，温差发电装置利用电解池中材料的固体显热进行发电，并在还原反应中为热电反应器供电。
[0012]优选的，还包括真空泵，真空泵与热电反应器的氧气出口连接。
[0013]进一步的，还包括冷却装置，热电反应器的氧气出口经冷却装置与真空泵连接。
[0014]优选的，还包括氧化换热器，氧化换热器的冷流体入口接收CO2或H2O，冷流体出口与热电反应器的气体入口连接；氧化换热器的热流体入口与热电反应器的氧化气体出口连接，所述氧化气体为CO2和CO的混合气或H2O和H2的混合气。
[0015]优选的，所述电解池中的阴极和阳极为钙钛矿材料，电解质为氧离子型电解质材料。
[0016]优选的，所述热电反应器为装有石英窗的反应器，能量低于所述光伏电池带隙能的长波部分被光谱分频器反射至石英窗上；或者，所述热电反应器为不装石英窗的反应器，能量低于所述光伏电池带隙能的长波部分被光谱分频器反射至热电反应器外壁上。
[0017]一种基于光谱分频的电
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热化学循环分解CO2/H2O的方法，基于所述的系统，包括：
[0018]还原反应：利用光伏发电装置为热电反应器提供电能，利用光谱分频器为热电反应器提供热量，电解池中的电极材料在热量和电能的作用下进行还原反应，生成还原态的电极材料和氧气，排出氧气；
[0019]氧化反应：还原反应完成后，利用光谱分频器为热电反应器提供热量，向热电反应器通入CO2或H2O，电解池中还原态的电极材料进行氧化反应，CO2或H2O被分解生成对应的CO或H2。
[0020]优选的，将包含未反应的CO2或H2O和生成的CO或H2的氧化气体输出热电反应器并利用该输出的氧化气体对反应物CO2或H2O进行预热，预热后的CO2或H2O通入热电反应器。
[0021]一种基于光谱分频的电
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热化学循环分解CO2/H2O方法，基于所述的包含温差发电装置的系统，包括：
[0022]还原反应：利用光伏发电装置和温差发电装置为热电反应器提供电能，利用光谱分频器为热电反应器提供热量，电解池中的电极材料在热量和电能的作用下进行还原反应，生成还原态的电极材料和氧气，排出氧气；还原反应完成后，温差发电装置利用电解池中材料的固体显热进行发电直至电解池中材料温度降至氧化反应温度；
[0023]氧化反应：当电解池中材料温度降至氧化反应温度时，利用光谱分频器为热电反应器提供热量，向热电反应器通入CO2或H2O，电解池中还原态的电极材料进行氧化反应，CO2或H2O被分解生成对应的CO或H2。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0025]本专利技术提供的一种基于光谱分频的两步电
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热化学循环分解CO2/H2O系统，将太阳能分级利用，并通过综合利用太阳能产生的热、电两种驱动力共同促进还原反应，从而能降低还原温度，提高太阳能的利用效率。与传统的太阳能两步热化学循环分解H2O或CO2技术相比，本专利技术可以有效降低还原反应所需温度，从而降低太阳能聚焦所需成本，也降低系统温度过高带来的大量散热损失。同时，相比于基于光伏电解水的太阳能制氢技术，本专利技术可以对太阳能不同谱段进行电热多级利用，实现太阳能全光谱利用，提高对太阳能的利用率和系统能量转化效率。
[0026]进一步的，利用材料的固相显热，回收余热发电，大幅度减少固相热损失，提高对太阳能的利用率和系统能量转化效率。
[0027]进一步的，通过真空泵及时去除还原反应生成的氧气，促使还原反应高效的进行。
[0028]进一步的，采用氧化换热器进行氧化气体的显热回收，并用于预热原料气体CO2或H2O，能进一步提高能量的利用效率。
附图说明
[0029]图1为本专利技术一种基于光谱分频的两步电
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热化学循环分CO2/H2O系统示意图；
[0030]图2为本专利技术所述实施例1所涉及的一种基于光谱分频的两步电
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热化学循环分解CO2系统和方法示意图；
[0031]图3为本专利技术所述实施例1分解CO2时不同反应条件下能达到的有无光谱分频器的太阳能
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燃料转化效率；
[0032]图4为本专利技术所述实施例2所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，包括太阳能聚光装置(1)、光谱分频器(2)、光伏发电装置(3)和热电反应器(4)；光伏发电装置(3)包括光伏电池，热电反应器(4)包括电解池；太阳能聚光装置(1)，用于将太阳能聚焦；光谱分频器(2)，用于将太阳能聚光装置(1)聚焦的太阳能按照波长分开，能量高于所述光伏电池带隙能的短波部分经光谱分频器(2)透射至光伏电池表面，能量低于所述光伏电池带隙能的长波部分被光谱分频器(2)反射至热电反应器(4)的集热面，为热电反应器(4)提供热量；光伏发电装置(3)，利用光伏电池发电并为热电反应器(4)提供电能；热电反应器(4)，利用电解池中的电极材料在热量和电能的作用下进行还原反应生成还原态的电极材料和氧气，还原反应完成后，通过向热电反应器(4)通入CO2或H2O，还原态的电极材料进行氧化反应，CO2或H2O被还原生成对应的CO或H2。2.根据权利要求1所述的电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，还包括温差发电装置(9)，当热电反应器(4)中的还原反应完成后，温差发电装置(9)利用电解池中材料的固体显热进行发电，并在还原反应中为热电反应器(4)供电。3.根据权利要求1所述的电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，还包括真空泵(6)，真空泵(6)与热电反应器(4)的氧气出口连接。4.根据权利要求3所述的电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，还包括冷却装置(5)，热电反应器(4)的氧气出口经冷却装置(5)与真空泵(6)连接。5.根据权利要求1所述的电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，还包括氧化换热器(7)，氧化换热器(7)的冷流体入口接收CO2或H2O，冷流体出口与热电反应器(4)的气体入口连接；氧化换热器(7)的热流体入口与热电反应器(4)的氧化气体出口连接，所述氧化气体为CO2和CO的混合气或H2O和H2的混合气。6.根据权利要求1所述的电
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热化学循环分解二氧化碳/水的系统，其特征在于，所述电解池中的阴极和阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕友军，潘恒，朱利亚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：