一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统技术方案

本发明专利技术提供了一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，属于可再生能源利用领域，其包括催化剂氧空位产生单元(催化剂脱氧单元)和基于含氧空位催化剂的分解水制氢单元(产氢单元)，催化剂脱氧单元与产氢单元连接；脱氧单元用于将催化剂在短波段太阳光照射下产生光致氧空位并送入产氢单元；产氢单元包括热反应组件和第一辅助组件，热反应组件设置在催化剂脱氧单元的下方并分别与催化剂脱氧单元和第一辅助组件连接，用于收集长波段太阳光以加热水蒸气，在含氧空位催化剂的作用下分解水产生氢气并送入第一辅助组件；第一辅助组件与脱氧单元连接，用于分离氢气并将催化剂送回脱氧单元进行循环。本发明专利技术实现了全波段利用太阳能的绿电和绿氢联产。绿电和绿氢联产。绿电和绿氢联产。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统


[0001]本专利技术属于可再生能源利用领域，更具体地，涉及一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统。

技术介绍

[0002]太阳能光热发电使利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。不仅避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以降低太阳能发电的成本，同时还能将太阳能所加热的水蒸气热能储存在巨大的储热介质中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电，因此十分适合进行大规模利用。
[0003]然而，由于太阳能本身的能量密度低，且太阳能光热发电单元主要利用太阳光的热效应，热效应由太阳光中的可见光波段(400nm～750nm)和红外波段(>750nm)产生，而太阳光中的短波段(<400nm)未得到有效利用，存在弃光浪费的问题。CN114892180A公开了一种光伏光热驱动的热化学与电解耦合制氢系统及方法，其中利用短波段光线射入光伏电池光伏发电并驱动高温电解制氢，长波段光线射入两步法热化学反应器进行高温热化学水解制氢。该方法虽然利用了太阳能的短波段和长波段，但是其为光伏发电而非光热发电技术，另外，采用的两步法热化学制氢，需要在高温条件下产生热致氧空位，可能导致制氢催化剂的高温烧结，极大提高了制氢成本。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，旨在解决现有的太阳能光热发电无法利用紫外波段，同时两步法热化学制氢成本较高的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，该系统包括催化剂脱氧单元和产氢单元，所述催化剂脱氧单元与产氢单元连接，其内部设置有制氢催化剂，用于将制氢催化剂在波段400nm以下的短波段太阳光照射下产生光致氧空位并送入产氢单元；所述产氢单元包括热反应组件和第一辅助组件，所述热反应组件设置在催化剂脱氧单元的下方并分别与催化剂脱氧单元和第一辅助组件连接，用于收集波段在400nm以上的长波段太阳光以加热水蒸气，所述水蒸气在具有光致氧空位的制氢催化剂的作用下分解产生氢气并送入第一辅助组件；所述第一辅助组件与催化剂脱氧单元连接，用于分离氢气并将制氢催化剂送回催化剂脱氧单元进行循环。
[0006]作为进一步优选地，所述耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统还包括太阳能光热发电单元，所述太阳能光热发电单元包括集热器阵列和汽轮机，所述集热器阵列设置在催化剂脱氧单元的下方，用于收集所述长波段太阳光以将水加热为水蒸气并送入汽轮机；所述汽轮机用于利用所述水蒸气进行发电，以实现太阳能光热利用。
[0007]作为进一步优选地，所述分解水制氢系统还包括设置在产氢单元与太阳能光热发
电单元之间的换热器，所述换热器用于将产氢单元送入的水蒸气与汽轮机的抽汽进行换热，从而实现热能增效利用。
[0008]作为进一步优选地，所述第一辅助组件包括第一分离器、储氢罐和第一混合器，其中所述第一分离器的一端与热反应组件的出口连接，其另一端分别与储氢罐、换热器和第一混合器连接，该第一分离器入口设置有旋风分离器，其内部设置有氢气分离膜，用于对热反应组件送入的混合产气进行气固分离和氢气过滤，进而分别将氢气、水蒸气和制氢催化剂送入储氢罐、换热器和第一混合器；所述第一混合器与催化剂脱氧单元的入口连接，用于将制氢催化剂与循环水混合并送入催化剂脱氧单元。
[0009]作为进一步优选地，所述催化剂脱氧单元包括光反应组件和第二辅助组件，所述光反应组件的内部设置有制氢催化剂，以在波段400nm以下的短波段太阳光激发下产生光致氧空位；所述第二辅助组件包括第二分离器和第二混合器，所述第二分离器的一端与光反应组件的出口连接，其另一端分别与第二混合器和第一混合器连接，用于将具有光致氧空位的制氢催化剂与循环水分离，并分别送入第二混合器和第一混合器；所述第二混合器的一端与第二分离器和换热器连接，其另一端与热反应组件的入口连接，用于将具有光致氧空位的制氢催化剂与换热后的水蒸气混合并送入热反应组件。
[0010]作为进一步优选地，所述光反应组件包括投料口、钝体扰流器和光反应通道，所述投料口与光反应通道连接，用于向光反应通道投入含有制氢催化剂的循环水；所述钝体扰流器设置在光反应通道的内部，并位于光反应通道的入口处，用于产生紊流使制氢催化剂在循环水中均匀分散；所述光反应通道采用玻璃材质，其出口与热反应组件连接，用于使制氢催化剂在短波段太阳光照射下产生光致氧空位并送入热反应组件。
[0011]作为进一步优选地，所述光反应通道的底部采用镀膜处理，用于透射波段在400nm以上的长波段太阳光。
[0012]作为进一步优选地，所述镀膜处理为在玻璃外侧从内到外依次镀TiN、ZnO和SiO2。
[0013]作为进一步优选地，所述钝体扰流器的形状为三角形。
[0014]作为进一步优选地，所述制氢催化剂为CeO2和/或TiO2，所述制氢催化剂的粒径为5nm～50nm。
[0015]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0016]1.本专利技术通过在热反应组件的上方设置催化剂脱氧单元，一方面可以在常温环境下利用短波段太阳光照射制氢催化剂使其产生光致氧空位，无需高温环境，有效降低了制氢的生产成本，另一方面可以透射长波段太阳光至热反应组件，进而加热水蒸气达到制氢的反应条件，并进一步在具有光致氧空位的制氢催化剂的作用下分解为氢气，进而实现太阳能的全波段利用生产绿氢；
[0017]2.尤其是，本专利技术可以耦合太阳能光热发电单元，将集热器阵列设置在催化剂脱氧单元的下方，进一步提高太阳能的利用效率，同时将汽轮机与换热器连接，能够利用热反应组件中的水蒸气余热对汽轮机的抽汽进行加热生成再热蒸汽，进而实现热能增效利用；
[0018]3.此外，本专利技术对催化剂脱氧单元的材料和结构进行优化，通过对其进行镀膜处理，能够透射长波段太阳光并反射短波段太阳光，进而提高短波段太阳光的利用效率，同时通过在光反应通道内设置钝体扰流器，能够提高制氢催化剂的分散程度，避免制氢催化剂
沉降、团聚等问题。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例提供的耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统的结构示意图；
[0020]图2是本专利技术实施例提供的耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统工艺流程图；
[0021]图3是本专利技术实施例提供的光反应组件的结构示意图；
[0022]图4是本专利技术实施例提供的光反应通道中镀膜处理的示意图，其中(a)为镀膜具体结构，(b)为镀膜原理。
[0023]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0024]1‑
汽轮机，2
‑
热反应组件，3
‑
光反应组件，4
‑
第一混合器，5
‑
换热器，6
‑
第二分离器，7...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，其特征在于，该分解水制氢系统包括催化剂脱氧单元(11)和产氢单元(12)，所述催化剂脱氧单元(11)与产氢单元(12)连接，其内部设置有制氢催化剂，用于将制氢催化剂在波段400nm以下的短波段太阳光照射下产生光致氧空位并送入产氢单元(12)；所述产氢单元(12)包括热反应组件(2)和第一辅助组件，所述热反应组件(2)设置在催化剂脱氧单元(11)的下方并分别与催化剂脱氧单元和第一辅助组件连接，用于收集波段在400nm以上的长波段太阳光以加热水蒸气，所述水蒸气在具有光致氧空位的制氢催化剂的作用下分解产生氢气并送入第一辅助组件；所述第一辅助组件与催化剂脱氧单元(11)连接，用于分离氢气并将制氢催化剂送回催化剂脱氧单元进行循环。2.如权利要求1所述的耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，其特征在于，所述耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统还包括太阳能光热发电单元(13)，所述太阳能光热发电单元(13)包括集热器阵列(10)和汽轮机(1)，所述集热器阵列(10)设置在催化剂脱氧单元(11)的下方，用于收集所述长波段太阳光以将水加热为水蒸气并送入汽轮机(1)；所述汽轮机(1)用于利用所述水蒸气进行发电，以实现太阳能光热利用。3.如权利要求2所述的耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，其特征在于，所述分解水制氢系统还包括设置在产氢单元(12)与太阳能光热发电单元(13)之间的换热器(5)，所述换热器(5)用于将产氢单元(12)送入的水蒸气与汽轮机(1)的抽汽进行换热，从而实现热能增效利用。4.如权利要求1所述的耦合光热发电的太阳能分解水制氢系统，其特征在于，所述第一辅助组件包括第一分离器(8)、储氢罐(9)和第一混合器(4)，其中所述第一分离器(8)的一端与热反应组件(2)的出口连接，其另一端分别与储氢罐(9)、换热器(5)和第一混合器(4)连接，该第一分离器(8)入口设置有旋风分离器，其内部设置有氢气分离膜，用于对热反应组件(2)送入的混合产气进行气固分离和氢气过滤，进而分别将氢气、水蒸气和制氢催化剂送入储氢罐(9)、换热器(5)和第一混合器(4)；所述第一混合器(4)与催化剂脱...

【专利技术属性】
技术研发人员：温昶，叶朝希，陈心宇，颜凯，李锐，于洁，徐明厚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：