太陽能集熱產氫設備的制作方法
【專利摘要】本發明一方面涉及太陽能集熱產氫設備，其包括：聚光器；太陽能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及CuCl熱循環產氫系統，CuCl熱循環產氫系統由太陽能吸收器提供所需的熱量。本發明所涉及的產氫設備需要的反應溫度較低，節能有效。
【專利說明】太陽能集熱產氫設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及包括合式太陽能吸收系統和CuCl熱循環產氫系統的太陽能集熱產氫設備。
【背景技術】
[0002]太陽能作為低成本、綠色環保、可再生和不可耗盡的能源已廣泛使用數十年，并且已研究將太陽能替代目前使用的化石燃料。可通過多種技術利用太陽能。一種廣泛采用的技術是半導體光伏(PV)太陽能電池，通過該技術，陽光可直接轉化為可使用的電能。光伏太陽能電池結構簡單，并且易于安裝，由此適于家用型的裝置。但是，光伏太陽能電池通常具有相對低的光電轉化效率，輸出電壓不穩定，并且不能在無陽光期間產生電能。
[0003]還 可通過已知聚光型太陽能集熱(CSP)技術利用太陽能。通過使用該技術，太陽光將被吸收并轉化成熱量而產生蒸汽，進而將蒸氣用于驅動用于發電的渦輪機。其中，作為發展最快、最可商用的聚光型太陽能技術，拋物槽式利用拋物面形狀的鏡體作為聚光器，可將工作流體，例如熔融鹽加熱至高達550°C的溫度。相對于光伏太陽能電池，CSP系統不依靠硅晶片的供應，特別對于大規模發電是更有效的，并且在加入儲熱系統的情況下即使在夜間也能夠發電。但是，CSP系統需要安裝蒸汽渦輪機來產生電能，這使得系統構造的成本有效性非常低。此外，上述兩種太陽能技術不便于相對長時間地儲存電能或熱能。
[0004]另一方面，氫氣可作為儲存介質用于可再生能源、用于工業方法、用于產熱和發電等，更重要的是氫氣可以容易且相對長時間的儲存。由于氫氣可用于產生熱能、電能或機械能，所以通常可使用氫氣替代化石燃料。氫氣最重要的優點在于氫氣是可大規模制得的，由此可顯著加快在運輸領域中有效使用以氫氣為原料的氫燃料電池的步伐，氫燃料電池可例如用作車輛的能源。
[0005]近年來已開發了多種技術用于太陽能熱產氫。例如T.Pregger et al., Prospectsof solar thermal hydrogen production processes,International Journal ofHydrogen Energy 34(2009)4256-4267中所描述的，主要的熱化學原理包括太陽能熱化學循環、天然氣和甲烷裂解的太陽能蒸汽再生等。
[0006]太陽能熱化學循環產氫系統仍處于早期發展階段。目前，已開發了基于鐵氧化物的氧化還原對循環系統、硫熱化學循環的混合系統和硫-碘系統、太陽能蒸汽甲烷再生系統、太陽能甲烷裂解系統、高溫電解系統等。這些系統需要相對較高的反應溫度(大于SOO0C )或需要大量的電能(高溫電解系統)，因此對提供能源的太陽能吸收系統也提出較高的要求。
[0007]因此，存在對于更節能有效的太陽能集熱產氫設備的需求。
【發明內容】
[0008]本發明一方面涉及太陽能集熱產氫設備，其包括:聚光器；太陽能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及CuCl熱循環產氫系統，CuCl熱循環產氫系統由太陽能吸收器提供所需的熱量。本發明所涉及的產氫設備需要的反應溫度較低，節能有效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1顯示了本發明的一個實施方案所述的混合式太陽能吸收系統；
[0010]圖2顯示了 CuCl熱循環產氫系統的管路示意圖。
【具體實施方式】
[0011]除非另外定義，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域技術人員通常理解的相同的含義。若存在矛盾，則以本申請提供的定義為準。
[0012]當以范圍、優選范圍、或者優選的數值上限以及優選的數值下限的形式表述某個量、濃度或其它值或參數的時候，應當理解相當于具體揭示了通過將任意一對范圍上限或優選數值與任意范圍下限或優選數值結合起來的任何范圍，而不考慮該范圍是否具體揭示。除非另外指出，本文所列出的數值范圍旨在包括范圍的端點，和該范圍之內的所有整數和分數。
[0013]當術語“約”和“大約”用于描述數值或范圍的端值時，所公開的內容應理解為包括具體值或所涉及的端值。
[0014]除非另外說明，本文中所有的百分比、份數、比值等均是按重量計。
[0015]本文的材料、方法和實施方案均是示例性的，并且除非特別說明，不應理解為限制性的。
[0016]以下詳細描述本發明的混合式太陽能吸收系統和太陽能集熱化學產氫系統。
[0017]本發明涉及太陽能集熱產氫`設備，其包括混合式太陽能吸收系統和CuCl熱循環產氫系統，其中，CuCl熱循環產氫系統的全部或部分電能由混合式太陽能吸收系統中的光伏電池組件提供。
[0018]a.混合式太陽能吸收系統
[0019]如圖1所示，本發明所述的混合式太陽能吸收系統包括作為第一聚光器I的拋物槽、作為第二聚光器2的光伏電池組件和太陽能吸收器3，其中這兩個聚光器相對設置，并且太陽能吸收器3位于作為第一聚光器I的拋物槽和作為第二聚光器2的光伏電池組件之間。
[0020]優選地，在所述混合式太陽能吸收系統中，入射的太陽光被第一聚光器I反射后到達太陽能吸收器3面向第一聚光器I的區域A和第二聚光器2，第二聚光器2將經反射的太陽光反射至太陽能吸收器3面向第二聚光器2的區域B，并同時吸收能量。
[0021]應理解術語“聚光器”可包括任意類型的聚光光學件，例如菲涅爾棱鏡、鏡件、棱鏡系統、面鏡等。
[0022]作為第一聚光器I的拋物槽可為長型拋物鏡，其在可見和紅外范圍之間的整個波長范圍中具有高反射率。太陽能吸收器3可包括吸收器長管(即圖2中的管線)以及吸收器長管中的傳熱介質如油。本發明的太陽能吸收器3的形狀優選是管件，特別是鋼管或多孔陶瓷管。在吸收器3作為管件的形式時，“區域”是指由圓弧和管件的長度方向構成的表面。吸收器3的表面上還可包覆有金屬填充材料如所謂的陶瓷金屬材料的涂層。優選的金屬填充材料包括鉻、鋁、銅和/或鑰。在各區域中填充材料的含量為20-60%重量百分比。[0023]在本發明中，使用聚光型太陽能光伏電池組件作為第二聚光器以將從第一聚光器I中反射出卻因幾何構造原因未被吸收器3吸收的陽光再次反射向吸收器3，由此顯著提高了系統的聚光效率，并且同時光伏電池組件吸收一部分陽光而產生電能，所得電能可供應至下述的化學熱產氫循環系統的管路組件中，由此進一步提高系統的能效。
[0024]本發明中所使用的光伏電池組件可包括一個或多個光伏電池單元，在多個光伏電池單元的情況中，這些光伏電池單元以串聯或并聯的方式相互連接。本發明中所使用的光伏電池組件中所使用的光伏電池單元可以是基于硅晶片的光伏電池單元或薄膜型的光伏電池單元。本發明中所使用的光伏電池組件的電壓輸出量沒有特別限制，以基于硅晶片的光伏電池單元為例，該類型的光伏電池組件可常規設計為電壓輸出量為6V，或更高的電壓輸出量如24V、48V和72V。本發明中所使用的光伏電池組件的尺寸、電容量等沒有特別限制，以基于硅晶片的光伏電池單元為例，其尺寸一般為12.5cmX12.5cm至15cmX 15cm，其電容量一般在1000W/m2陽光輻射下為30mA/cm2。應注意，這可根據生產商的不同而變化。一般情況下，15cmX 15cm的該類型電池可產生約6.75A的電流。由此，例如36個太陽能電池構成的組件可產生約100瓦的峰值功率。所述的光伏電池組件經過合適的封裝而能夠長期在室外進行工作。由此，所述的光伏電池組件例如可依次由玻璃外殼、封裝層(如EVA)、太陽能電池、封裝層(如EVA)和背板(如PVF)構成。 [0025]本發明中所使用的光伏電池組件可采用常規的太陽能光伏電池設計方案，比如采用如 Lewis Fraas and Larry Partain, Solar Cells and Their Applications, SecondEdition, 2010, Wiley 和 Solanki, Solar Photovoltaics:Fundamentals, Technologies andApplications, 2009, PHI Learning Private Limited 中提到的方案。
[0026]太陽能光伏電池主要能夠吸收波長在400nm-1100nm的陽光，而對于波長在上述范圍之外的陽光轉換效率比較低。這部分陽光反而可能造成光伏電池組件中芯片的溫度升高，并因此降低轉化效率，因此，在本發明的一個優選實施方案中，在光伏電池組件的表面上，具體而言在光伏電池組件朝向拋物槽的表面上，使用濾波涂層，其對于波長在400nm-l IOOnm之間的光的透射率一般為0.8_1，優選為0.85-0.95。通過這樣的設計，對于波長在上述范圍之外的大部分陽光以及部分波長在400nm-1100nm之間的光通過聚光型光伏電池組件再度反射至吸收器3，由此能夠更高效地將聚集的太陽能轉化為電能，同時還可有效減少因所述波長范圍之外的波長能量產生的熱量，使得光伏電池組件保持在相對較低的工作溫度下，產生較高的轉化效率。此外，為了達到整個系統對于太陽光的綜合利用效率，會相應對高透射率的波長范圍進行調整。例如為了增加吸收器3對于太陽光的吸收量，可以改變濾波涂層構成而相應減少高透射率的波長范圍。
[0027]在本發明的一個實施方案中，作為聚光器I的拋物槽可由背面鍍銀的扇形玻璃鏡片構成，固定在可以轉動的支架上。其寬度和焦距一般為2-10米和1-4米，優選為寬度4-8米和焦距1-3米，更優選為寬度5-6米和焦距1.5-2.5米。
[0028]在本發明的一個實施方案中，作為第一聚光器I拋物槽、吸收器3和作為第二聚光器2的光伏電池組件之間的相對位置一般為吸收器和光伏電池組件位于拋物槽聚光焦點附近，優選為光伏電池組件位于拋物槽聚光焦點之后而吸收器則位于焦點之前，更優選為吸收器位于光伏電池組件的焦點附近。另外，根據系統對于電力的需求可以相應調整吸收器和光伏電池組件的位置從而改變太陽能轉變為電能和熱能的比例。[0029]在本發明的一個實施方案中，吸收器的區域A和B的涂層可采用商用復合金屬陶瓷多層膜，優選為Mo-Al2O3的金屬-介電復合金屬陶瓷多層膜，更優選為帶有減反射層的Mo-Al2O3的金屬-介電復合金屬陶瓷多層膜。涂層的厚度一般為IOOnm-1O μ m,優選為150nm-1000nm，還可根據系統的配置做綜合優化選擇。例如對于A和B的涂層中各層的組成和厚度可根據入射光的聚光度和頻譜組成做相應的調整以達到較高的吸收率和低的發射率，詳細方法可參考專利US2007209658A1。
[0030]在本發明的一個實施方案中，光伏電池組件表面上的濾波涂層可選擇五氧化二鈮/ 二氧化硅或者二氧化鈦/ 二氧化硅交替組成的多層膜，其具體設計可參考Needle多層膜設計方法。具有類似功能的濾波涂層在專利CN200710132772也被提到。
[0031]b.熱循環產氫系統
[0032]圖2顯示了 CuCl熱循環產氫系統的管路示意圖，其包括以下循環步驟:
[0033](I) 2Cu (固體)+HCl (氣體)=2CuCl (熔融)+H2 (氣體)；
[0034](2) 4CuCl (溶液)=2Cu (固體)+2CuC12 (漿液)；
[0035](3) 2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固體)+2HC1 (氣體)+H2O (蒸汽);
[0036](4) CuOCuCI2 (固體)=2CuCl (熔融)+0.502。
[0037]優選通過設置換熱器和熱電模塊控制各循環步驟中的溫度，所述熱電模塊選自碲化鉛組件和方鈷礦組件。
[0038]考慮到目前的拋物槽型CSP系統(即包括第一聚光器I的拋物槽和太陽能吸收器3的系統)中工作流體(即傳熱介質)的最大溫`度一般約為550°C，本發明優選采用低溫的CuCl熱循環產氫系統。
[0039]CuCl熱循環產氫系統可包括五步、四步和三步的循環產氫方法。例如在US20080283390和US20100129287中公開了 CuCl熱循環產氫系統從水中產生氫氣的方法。
[0040]本發明中優選采用以下的四步循環方法:
[0041](I) 2Cu (固體)+HCl (氣體)=2CuCl (熔融)+H2 (氣體)需在約450°C溫度下進行；
[0042](2) 4CuCl (溶液)=2Cu (固體)+2CuC12 (漿液)需在約70°C -約90°C的鹽酸溶液中進行；
[0043](3) 2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固體)+2HC1 (氣體)+H2O (蒸汽)需在約 375 °C -約450°C的溫度下進行；
[0044](4) CuOCuCI2 (固體)=2CuCl (熔融)+0.502 需在約 500°C -約 530°C 的溫度下進行。
[0045]銅雖然在室溫下不與HCl反應，但是在高溫即約450°C下，銅與HCl反應而產生氫氣和CuCl (步驟I)。在步驟(2)-(4)中，CuCl構成循環系統，由此整個方法的凈反應為2H20=2H2+02 ο
[0046]雖然上述化學反應不需要電能，但是圖2所示的管路系統中的工作流體的泵壓、產物氫氣的壓縮以及其他設備的運行都需要供電。根據本發明的太陽能集熱循環產氫設備，所需的全部或部分電能產生自所述混合式太陽能吸收系統中光伏電池組件。
[0047]c.太陽能集熱產氫設備
[0048]圖2是利用太陽能集熱產氫設備的管路示意圖。吸收器3中的的工作流體(即傳熱介質)利用泵機從左向右流動，經過吸收器3吸收的太陽光后溫度逐漸升高，從而產生溫度從100°C至550°C沿管路從左到右的梯度變化。通過在不同的位置安裝換熱器，用于保證CuCl產氫各步驟所需要的溫度和熱量要求。例如圖2最左邊的換熱器可保證稍低于100度的溫度，從而可以用于CuCl產氫第二步的反應，而最右邊的換熱器可以保證高于500度的高溫，從而可以用于CuCl產氫第四步的反應。其它換熱器的位置和應用請參見圖2。
[0049]如圖2所示，還可在管路的換熱器上設置熱電模塊，絕大部分所吸收的太陽能熱量通過熱電模塊進入各反應室。小部分太陽能因管路間的溫度差由熱電模塊轉換成電能。為了優化熱電轉化效率，在具有不同工作溫度的換熱器位置安裝包括不同的熱電材料的熱電模塊。例如，在100°c下具有最佳轉化效率的碲化鉛(PbTe)組件適于圖2中的步驟2使用的換熱器，而在300-600°C下具有最佳轉化效率的方鈷礦(CoSb3)組件可選擇用于其它步驟中的換熱器。
[0050]通過太陽能電池和上述熱電模塊產生的電能經過變壓整流后可以用于CSP系統和CuCl熱循環產氫系統泵機所需的電能、以及整個太陽能熱化學循環產氫控制系統和照明等所需電能。另外，如圖2所示，當混合式太陽能吸收系統不能完全保證CuCl熱循環產氫系統所需的溫度情況下，本發明還可包括電加熱器，通過電加熱器升溫。由此通過換能器和電加熱器共同調節，保證為CuCl熱循環產氫系統提供各反應所需的溫度。
[0051]由上述所知，本發明所述的太陽能集熱循環產氫設備具有以下多方面的優點:
[0052]1、通過設置第二聚光器2，使得更多的陽光被吸收器3吸收，由此提高所述系統的太陽能吸收效率；
[0053]2、通過設置包括濾波涂層的光伏電池組件作為第二聚光器2，使得所述系統中的全部或部分電能可由光伏 電池組件提供，由此提高所述系統的能量使用效率。
[0054]3、通過在換熱器 上使用具有不同熱電材料的組件，進一步提高所述系統的能量使用效率。
[0055]上文通過附圖和實施方案對本發明進行了詳細展示和說明，然而本發明不限于這些已揭示的實施方案，本領域技術人員從中推導出來的其他方案也在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.太陽能集熱產氫設備，其包括: 聚光器； 太陽能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及 CuCl熱循環產氫系統，所述CuCl熱循環產氫系統由所述太陽能吸收器提供所需的熱量。
2.根據權利要求1的太陽能集熱產氫設備，其中，聚光器包括第一聚光器以及作為第二聚光器的光伏電池，所述光伏電池為所述CuCl熱循環產氫系統提供至少部分電能，所述太陽能吸收器位于所述第一聚光器與所述第二個聚光器之間，用于吸收來自所述第一聚光器與所述第二個聚光器的太陽能。
3.根據權利要求2的太陽能集熱產氫設備,其中,所述第一聚光器為拋物槽,所述第一聚光器和所述第二聚光器面對面設置。
4.根據權利要求3的太陽能集熱產氫設備，其中，所述太陽能吸收器位于所述第一聚光器和所述第一聚光器的拋物槽的聚光焦點之間，所述第一聚光器的拋物槽的聚光焦點位于所述太陽能吸收器和所述第二聚光器之間。
5.權利要求2-4任一所述的太陽能集熱產氫設備，其中光伏電池組件的表面包括濾波涂層，其對于波長在400nm-l IOOnm之間的光的透射率為0.8_1。
6.根據權利要求5的太陽能集熱產氫設備，其中所述濾波涂層對于波長在400nm-1100nm之間的光的透射率為0.85-0.95。
7.根據權利要求5的太陽能集熱產氫設備，其中所述濾波涂層由五氧化二鈮/二氧化硅或二氧化鈦/二氧化硅交替組成的多層膜構成。
8.根據權利要求1的太陽能集熱產氫設備，其中在所述CuCl熱循環產氫系統利用所述太陽能的熱量包括以下的循環步驟: (1)2Cu (固體)+HCl (氣體)=2CuCl (熔融)+H2 (氣體); (2)4CuCl (溶液)=2Cu (固體)+2CuC12 (漿液);
(3)2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固體)+2HC1 (氣體)+H2O (蒸汽);
(4)CuOCuCI2 (固體)=2CuCl (熔融)+0.502。
9.根據權利要求1或8的太陽能集熱產氫設備，其中，所述太陽能吸收器上安裝有換熱器，用于提高熱傳導效率。
10.根據權利要求9所述的太陽能集熱產氫設備，其中，所述換熱器帶有熱電模塊，用于產生電能，供給所述CuCl熱循環產氫系統。
11.根據權利要求10所述的太陽能集熱產氫設備，其中，所述熱電模塊的材料選自碲化鉛和方鈷礦。
12.根據權利要求1或8所述的太陽能集熱產氫設備，其中，還包括加熱器，用于在所述太陽能吸收器提供的熱量不足的情況下，為所述CuCl熱循環產氫系統提供所需的熱量。
【文檔編號】F24J2/24GK103626126SQ201210307116
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月24日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】李長鵬 申請人:西門子公司