【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电化学分解制氢，具体涉及一种基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统和方法。
技术介绍
1、由于传统化石燃料的过渡开采和生态环境的严重破坏，能源和环境问题已经成为了可持续发展的最大障碍，也是目前各领域密切关注的热点问题。由于太阳取之不尽用之不竭、无处不在和清洁环保的特点，与目前的水力、风能、地热能和化石能源相比，太阳能被认为是最好的可再生能源。在各种太阳能转换技术中，光电化学分解水制氢技术可以通过吸收太阳光直接将水分解为氢气和氧气，反应过程清洁无污染，光电极种类较多且分解水性能较好。
2、到达地球表面的太阳辐射波段范围主要集中在295～2500nm，光电分解水过程中不同光电极的有效吸收光谱范围不同，如tio2的吸收波长截止约为400nm，bivo4的吸收波长截止约为550nm，fe2o3的吸收波长截止约为620nm，其余波长范围内的光谱大多以热损耗的形式浪费或者丢弃，考虑到光电极对太阳光响应的光谱大多集中在紫外和可见光范围内，而在太阳能能谱中占有接近一半比例的红外光却无法利用，甚至是弃光，这对太阳能的全光谱利用造成了一定的浪费。
3、目前关于光电化学分解水的研究大多集中在对光电极材料的改性上，而且在光电化学分解水系统中大多使用单一电极进行测试研究，没有很好的利用多电极体系吸收光谱范围互补的优点进行规划设计。
4、另一方面，太阳能电池在聚光条件下的长时间使用会造成其表面温度提高，影响太阳能电池的使用寿命和系统整体效率，如何对其表面进行散热处理是目前太阳能电池设计研究的一个重要
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统和方法，以解决现有技术中难以充分利用太阳能全光谱的问题。
2、本专利技术要解决的另一个技术问题为太阳能电池通过水冷散热，导致太阳能热量利用效率低的问题。
3、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
4、基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，包括太阳光光源，太阳光光源的后方设置有分色单元；所述分色单元的下方设置有光电化学分解单元；
5、分色单元的后方设置有太阳能电池，太阳能电池的后端面贴合有热电材料的热端，热电材料的冷端贴合有水冷散热器；水冷散热器的内部和光电化学分解单元连通，循环同一种液体；
6、太阳能电池、热电材料和光电化学分解单元之间电连接。
7、本专利技术的进一步改进在于：
8、优选的，所述太阳光光源和分色单元之间设置有菲涅尔透镜。
9、优选的，分色单元包括沿着太阳光照射方向依次设置的分色镜一、分色镜二和分色镜三；分色镜一用于反射波长为300-400nm太阳光，分色镜二用于反射波长为420-480nm的太阳光，分色镜三用于反射波长为520-550nm的太阳光。
10、优选的，所述光电化学分解单元包括三个光电极，三个光电极并联放置于同一电解池中；三个光电极包括设置在分色镜一下方的tio2光电极，设置在分色镜二下方的bivo4光电极和设置在分色镜三下方的fe2o3光电极。
11、优选的，三个光电极之间设置有黑色硅胶板；三个光电极的水平高度相同。
12、优选的，三个分色镜的中心线和太阳能电池的中心点位于同一轴线，太阳能电池的板面垂直于太阳能光线；太阳能电池的材质为三价砷化镓。
13、优选的，热电材料的热端表面涂覆有石墨烯导热膜，热电材料8的冷端通过导热硅脂和水冷散热器连接，热电材料为碲化铋。
14、优选的，水冷散热器和光电化学分解单元内部循环的液体为na2so4溶液。
15、优选的，水冷散热器和光电化学分解单元之间设置有蠕动泵。
16、上述任意一项所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统的工作方法，太阳光光源发射出的太阳光，一部分经过分色单元反射至光电化学分解单元，另一部分穿过分色单元，直射到太阳能电池上；太阳能电池发电的同时将热量传递至热电材料的热端，同时水冷散热器冷却热电材料的冷端，热电材料的冷端和热端基于温差产生电压；
17、热电材料产生的电压和太阳能电池产生的电压供给光电分解单元，光电分解单元分解水制氢。
18、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
19、本专利技术公开了一种基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统和方法，该系统在太阳光光源的后侧设置了分色单元，分色单元的后方设置了太阳能电池，太阳能电池的后侧设置了热电材料，分色单元、太阳能电池和热电材料均和光电化学分解单元有关联；通过该系统，从太阳光光源发出的太阳光得到了充分的应用。无论是各个波段的光能，还是红外光，以及产生的热能，都能够输送到水解制氢单元中；本专利技术将热量转换为电能和太阳能电池进行串联，提高系统整体的电压供给，其中热电材料由于其塞贝克效应可以利用其热端和冷端的温差进行发电，为一种有效的热电转换形式。本专利技术从光管理角度出发去优化光电化学分解水系统架构，利用不同光电极吸收光谱范围的不同进行多电极耦合，利用成熟的半导体材料来显著提高光电化学分解水效率；利用太阳能电池和热电单元作为偏压供给光电化学分解水制氢系统，实现了对太阳能光谱实现分频利用，既避免了弃光现象的发生，又可有效提升分解水效率。
20、进一步的，本专利技术将一部分弃光用于太阳能电池中实现光电转换，对太阳能的利用进一步提升。
21、进一步的，选用三价砷化镓太阳能电池光谱吸收范围可达1800nm，甚至更宽，可以有效利用光电极吸收光谱范围之后的太阳能，并且并不干扰光电极分解水过程。
22、进一步的，分色单元由分色镜构成，通过物理手段利用分色镜实现了对太阳光进行分频利用，并且将紫外和不分可见光反射到光电极进行光电化学反应。
23、进一步的，利用剩余废弃太阳光透射到太阳能电池上进行光伏发电，避免了对部分可见光和红外部分的浪费，且光伏发电可用于光电极进行无偏压分解水。
24、进一步的，用热电现象既解决了太阳能电池发热影响其使用寿命的问题，又可以将低品位热转换为电来实现废热的利用。
25、进一步的，多光电极的并联结构既可以有效利用太阳光中不同波长的光谱，又可以提高光电解水的整体效率。
26、进一步的，利用蠕动泵循环光电解水系统和热电循环制冷系统中的液体，能够更好的保持热电冷端的低温状态，且加速了光电极表面的物质交换。
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1.基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，包括太阳光光源(1)，太阳光光源(1)的后方设置有分色单元；所述分色单元的下方设置有光电化学分解单元；
2.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，所述太阳光光源(1)和分色单元之间设置有菲涅尔透镜(2)。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，分色单元包括沿着太阳光照射方向依次设置的分色镜一(3)、分色镜二(5)和分色镜三(6)；分色镜一(3)用于反射波长为300-400nm太阳光，分色镜二(5)用于反射波长为420-480nm的太阳光，分色镜三(6)用于反射波长为520-550nm的太阳光。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，所述光电化学分解单元包括三个光电极，三个光电极并联放置于同一电解池中；三个光电极包括设置在分色镜一(3)下方的TiO2光电极(14)，设置在分色镜二(5)下方的BiVO4光电极(13)和设置在分色镜三(6)下方的Fe2O3光电极(
5.根据权利要求4所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，三个光电极之间设置有黑色硅胶板；三个光电极的水平高度相同。
6.根据权利要求3所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，三个分色镜的中心线和太阳能电池(7)的中心点位于同一轴线，太阳能电池(7)的板面垂直于太阳能光线；太阳能电池(7)的材质为三价砷化镓。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，热电材料(8)的热端表面涂覆有石墨烯导热膜，热电材料(8)的冷端通过导热硅脂和水冷散热器(9)连接，热电材料(8)为碲化铋。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，水冷散热器(9)和光电化学分解单元内部循环的液体为Na2SO4溶液。
9.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，水冷散热器(9)和光电化学分解单元之间设置有蠕动泵(4)。
10.权利要求1-9任意一项所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统的工作方法，其特征在于，太阳光光源(1)发射出的太阳光，一部分经过分色单元反射至光电化学分解单元，另一部分穿过分色单元，直射到太阳能电池(7)上；太阳能电池(7)发电的同时将热量传递至热电材料(8)的热端，同时水冷散热器(9)冷却热电材料(8)的冷端，热电材料(8)的冷端和热端基于温差产生电压；
...【技术特征摘要】
1.基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，包括太阳光光源(1)，太阳光光源(1)的后方设置有分色单元；所述分色单元的下方设置有光电化学分解单元；
2.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，所述太阳光光源(1)和分色单元之间设置有菲涅尔透镜(2)。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，分色单元包括沿着太阳光照射方向依次设置的分色镜一(3)、分色镜二(5)和分色镜三(6)；分色镜一(3)用于反射波长为300-400nm太阳光，分色镜二(5)用于反射波长为420-480nm的太阳光，分色镜三(6)用于反射波长为520-550nm的太阳光。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，所述光电化学分解单元包括三个光电极，三个光电极并联放置于同一电解池中；三个光电极包括设置在分色镜一(3)下方的tio2光电极(14)，设置在分色镜二(5)下方的bivo4光电极(13)和设置在分色镜三(6)下方的fe2o3光电极(12)。
5.根据权利要求4所述的基于太阳能分频的无偏压光电化学分解水制氢系统，其特征在于，三个光电极之间设置有黑色硅胶板；三个光电极的水平高度相同。...
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