太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统技术方案

本发明专利技术涉及一种太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，属于太阳能利用技术领域。主要包括分频器、光催化反应器、光伏光热集热器、间壁式换热器、电催化反应器。所述分频器用于将紫外光从太阳光中分离并用于光催化制氢，剩余的可见光和红外线用于PV/T产生电能和热能；PV/T集热器和光催化反应系统通过分频器共用太阳光，通过热交换器实现热耦合，最后将PV/T的电能和热能与电催化制氢系统结合，实现氢气、热能联供。本发明专利技术主要优势在于利用太阳能全光谱分频技术，将光催化和电催化同时引入到太阳能制氢当中，实现太阳能高效制氢的目的。因此，本发明专利技术解决了单一太阳能制氢效率偏低的问题，有助于太阳能高效制氢技术的进一步推广。一步推广。一步推广。

【技术实现步骤摘要】
太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统


[0001]本专利技术涉及太阳能利用
，尤其涉及一种利用太阳能分频同时进行光催化和光伏光热与电催化多联产制氢系统，可实现不同波长太阳能的充分利用。

技术介绍

[0002]随着经济高速发展及人口快速增长，我国对能源的需求也在急剧增加，而我国目前能源的主体构成主要是化石能源，但化石能源属于不可再生资源，并且化石能源的大量使用给环境带来严重的危害。为了积极响应能源绿色低碳转型的全球发展大趋势，在开发利用清洁能源的背景下，通过将太阳能分频利用以实现光催化制氢和电催化制氢与光伏光热结合的技术具有良好的发展前景。所利用的光催化技术，是通过接收太阳能辐射以激发半导体中价带电子跃迁到导带上，在导带上形成光生电子，而电子原来占据的位置则形成光生空穴。光生电子具有很强的还原性，能很容易地给出电子，将氢离子还原成氢气，而光生空穴具有很强地氧化性，能将水氧化成氧气。太阳能光伏光热一体化（Photovoltaic/Thermal，PV/T）技术是可以同时进行光电和光热转换，通过在光伏电池背板铺设管道，通过管道中的冷却剂吸收热量，提高光电转换效率，并将这部分热量回收利用，同时产生电能、热能两种效益。电催化制氢技术可以实现将电能转化为易于储存的氢能，对水中的电极施加外部电压，可以将电极表面的水分子分解成氢气和氧气。
[0003]但是，光催化制氢只能将太阳辐射中大于光催化材料的禁带宽度的部分能量用于制氢，对于那些能量小于禁带宽度的光子（部分可见光和红外部分），因不能用于光催化制氢而转变为热能和其他形式的能量，使得利用太阳能的
㶲
效率低下。另一方面，电催化制氢过程中需要消耗大量的电能，而电能的产生过程中产生大量的温室气体。光伏光热一体化技术所利用的太阳能的光谱范围是可见光与红外部分，对于具有较高能量的紫外线，由于半导体效率问题而基本不利用，同样造成能量浪费。
[0004]光催化制氢技术、光伏光热一体化技术对太阳能都属于部分利用。
[0005]一种光伏发电耦合光催化制氢系统将太阳能同时转化为电能和氢能，实现了太阳能的梯级利用；全光谱太阳能制氢
‑
储氢一体化系统是利用光电材料先将部分太阳光转换为电能，然后电解水制氢。以上系统中存在的问题有：1、在将太阳能转变为电能过程，无法高效利用太阳全光谱，超过80%太阳能被转化为低温热能，使得能量转化效率在15%以下。2、在低温条件下进行的电解水制氢，需要克服较高的势垒，同时需要贵金属催化剂。3、仅利用光催化技术，受到所需的太阳光波长的限制，长波光不能很好地利用，太阳能到氢能转化效率仍低于1%。
[0006]本专利技术中光催化和电催化均是太阳光驱动下实现太阳能到氢能的转化，无需外界电能输入；通过光伏光热、光催化和电催化三者的热耦合，使得整个系统的太阳能到氢能转化效率到达16%。

技术实现思路

[0007]为了解决现阶段太阳能制氢效率低下和光伏光热余热利用效益低的限制性问题，本专利技术提供一种太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统包括分频器1、透光反应容器4、电催化反应器9、光伏光热集热器17和间壁式换热器18；所述分频器1呈30
°‑
45
°
角设置；所述透光反应容器4位于分频器1的下方，且透光反应容器4顶部与分频器1垂直向下的出射光对应；透光反应容器4顶部的氢气出口通过气管和氢气阀3连通着储氢罐2；透光反应容器4一侧上部的冷水出口41连通着间壁式换热器18的低温入口181，透光反应容器4另一侧下部的热水入口42通过循环泵7连通着间壁式换热器18的高温出口182，形成光催化混合液回路；透光反应容器4的一侧下部的光催化混合液入口6处设有加液阀61，透光反应容器4的另一侧中部的光催化混合液出口5处设有放液阀51；所述光伏光热集热器17为太阳能光伏光热集热器，位于间壁式换热器18的上方，且与分频器1水平方向的出射光对应；光伏光热集热器17上的冷却液入口171通过水泵16连通着水箱15；光伏光热集热器17的电能输出正极通过导线连接着电催化反应器9的阳极碳板12，光伏光热集热器17的电能输出负极通过导线连接着电催化反应器9的阴极碳板14；所述间壁式换热器18顶部的热介质入口183连通着光伏光热集热器17的冷却液出口172，间壁式换热器18底部的热介质出口184通过管道连通着电催化反应器9底部的热水进口91；间壁式换热器18的热介质出口184和电催化反应器9的热水进口91之间依次串联着供水泵8和热水箱19；所述电催化反应器9上部一侧通过氧气阀11串联着氧气罐10，电催化反应器9上部另一侧通过氢气阀20串联着氢气罐21；工作时，所述分频器1将太阳光根据波长分为两部分，其中紫外光部分透过分频器1进入透光反应容器4，可见光部分和红外光部分反射到光伏光热集热器17上；光伏光热集热器17产生的热能一部分用于为透光反应容器4提供反应温度，另一部分用于给电催化反应器9提供温度保障和热水箱19供热；光伏光热集热器17产生的电能供应给电催化反应器9，使得透光反应容器4和电催化反应器9实现同时制氢。
[0009]进一步地技术方案如下：所述分频器1为采用短波通滤光片的分频器。
[0010]所述透光反应容器4为流化床光催化反应器。
[0011]所述透光反应容器4中的光催化混合液为按质量比1000:1由水与光催化剂混合均匀的混合液。
[0012]所述光催化剂为纳米级掺杂质量为百分之零点五的铁元素的二氧化钛催化剂。
[0013]所述电催化反应器9为质子交换膜（PEM）电解槽。
[0014]所述太阳能光伏光热集热器17为太阳能光伏光热平板（PV/T）。
[0015]所述间壁式换热器18为换热系数3000
‑
5000W/(
㎡
·
℃)的板式换热器。
[0016]所述制氢系统所用管道均为隔热管道。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：
（1）实现全光谱高效利用太阳能制氢。本专利技术将工作在紫外区域的光催化制氢与工作在可见光、红外区域的光伏光热结合起来，将PV/T引入到太阳能制氢当中。在对太阳能的阶梯利用过程中，相较于其他的光热耦合利用太阳能，除了共同利用太阳能光谱外，通过分频器将太阳光分为两个部分，使每个部分的太阳光得到高效利用，同时实现将PV/T的电能通过电催化制氢转化为氢气。由PV/T系统中热管带走的热能可以降低光伏电池组（23）的温度，提高光伏发电的效率，同时还可以输入到光催化制氢系统中，为光催化制氢过程提供适当的温度；该系统还可以将供应光催化后的余热用于电催化制氢，将PV/T产生的电能用于电催化制氢，进一步提高太阳能到氢气的转化效率，使得系统的整体的太阳能到氢气的转化效率到达16%，高于单独光催化制氢的太阳能到氢气的转化率1%和单独光伏光热
‑
电催化联合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.太阳能分频光催化、光伏光热与电催化多联产的制氢系统，其特征在于：包括分频器（1）、透光反应容器（4）、电催化反应器（9）、光伏光热集热器（17）和间壁式换热器（18）；所述分频器（1）呈30
°‑
45
°
角设置；所述透光反应容器（4）位于分频器（1）的下方，且透光反应容器（4）顶部与分频器（1）垂直向下的出射光对应；透光反应容器（4）顶部的氢气出口通过气管和氢气阀（3）连通着储氢罐（2）；透光反应容器（4）一侧上部的冷水出口（41）连通着间壁式换热器（18）的低温入口（181），透光反应容器（4）另一侧下部的热水入口（42）通过循环泵（7）连通着间壁式换热器（18）的高温出口（182），形成光催化混合液回路；透光反应容器（4）的一侧下部的光催化混合液入口（6）处设有加液阀（61），透光反应容器（4）的另一侧中部的光催化混合液出口（5）处设有放液阀（51）；所述光伏光热集热器（17）为太阳能光伏光热集热器，位于间壁式换热器（18）的上方，且与分频器（1）水平方向的出射光对应；光伏光热集热器（17）上的冷却液入口（171）通过水泵（16）连通着水箱（15）；光伏光热集热器（17）的电能输出正极通过导线连接着电催化反应器（9）的阳极碳板（12），光伏光热集热器（17）的电能输出负极通过导线连接着电催化反应器（9）的阴极碳板（14）；所述间壁式换热器（18）顶部的热介质入口（183）连通着光伏光热集热器（17）的冷却液出口（172），间壁式换热器（18）底部的热介质出口（184）通过管道连通着电催化反应器（9）底部的热水进口（91）；间壁式换热器（18）的热介质出口（184）和电催化反应器（9）的热水进口（91）之间依次串联着供水泵（8）和热水箱（19）；所述电催化反应器（9）上部一侧通过氧气阀（11）串联着氧气罐（10），电催化反应器（9）上部另一侧通过氢气阀（20）串联着氢气罐（21）；工...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桂强，梁宏华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：