太阳能集热产氢设备的制作方法
【专利摘要】本发明一方面涉及太阳能集热产氢设备，其包括：聚光器；太阳能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及CuCl热循环产氢系统，CuCl热循环产氢系统由太阳能吸收器提供所需的热量。本发明所涉及的产氢设备需要的反应温度较低，节能有效。
【专利说明】太阳能集热产氢设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括合式太阳能吸收系统和CuCl热循环产氢系统的太阳能集热产氢设备。
【背景技术】
[0002]太阳能作为低成本、绿色环保、可再生和不可耗尽的能源已广泛使用数十年，并且已研究将太阳能替代目前使用的化石燃料。可通过多种技术利用太阳能。一种广泛采用的技术是半导体光伏(PV)太阳能电池，通过该技术，阳光可直接转化为可使用的电能。光伏太阳能电池结构简单，并且易于安装，由此适于家用型的装置。但是，光伏太阳能电池通常具有相对低的光电转化效率，输出电压不稳定，并且不能在无阳光期间产生电能。
[0003]还 可通过已知聚光型太阳能集热(CSP)技术利用太阳能。通过使用该技术，太阳光将被吸收并转化成热量而产生蒸汽，进而将蒸气用于驱动用于发电的涡轮机。其中，作为发展最快、最可商用的聚光型太阳能技术，抛物槽式利用抛物面形状的镜体作为聚光器，可将工作流体，例如熔融盐加热至高达550°C的温度。相对于光伏太阳能电池，CSP系统不依靠硅晶片的供应，特别对于大规模发电是更有效的，并且在加入储热系统的情况下即使在夜间也能够发电。但是，CSP系统需要安装蒸汽涡轮机来产生电能，这使得系统构造的成本有效性非常低。此外，上述两种太阳能技术不便于相对长时间地储存电能或热能。
[0004]另一方面，氢气可作为储存介质用于可再生能源、用于工业方法、用于产热和发电等，更重要的是氢气可以容易且相对长时间的储存。由于氢气可用于产生热能、电能或机械能，所以通常可使用氢气替代化石燃料。氢气最重要的优点在于氢气是可大规模制得的，由此可显著加快在运输领域中有效使用以氢气为原料的氢燃料电池的步伐，氢燃料电池可例如用作车辆的能源。
[0005]近年来已开发了多种技术用于太阳能热产氢。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，主要的热化学原理包括太阳能热化学循环、天然气和甲烷裂解的太阳能蒸汽再生等。
[0006]太阳能热化学循环产氢系统仍处于早期发展阶段。目前，已开发了基于铁氧化物的氧化还原对循环系统、硫热化学循环的混合系统和硫-碘系统、太阳能蒸汽甲烷再生系统、太阳能甲烷裂解系统、高温电解系统等。这些系统需要相对较高的反应温度(大于SOO0C )或需要大量的电能(高温电解系统)，因此对提供能源的太阳能吸收系统也提出较高的要求。
[0007]因此，存在对于更节能有效的太阳能集热产氢设备的需求。
【发明内容】
[0008]本发明一方面涉及太阳能集热产氢设备，其包括:聚光器；太阳能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及CuCl热循环产氢系统，CuCl热循环产氢系统由太阳能吸收器提供所需的热量。本发明所涉及的产氢设备需要的反应温度较低，节能有效。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1显示了本发明的一个实施方案所述的混合式太阳能吸收系统；
[0010]图2显示了 CuCl热循环产氢系统的管路示意图。
【具体实施方式】
[0011]除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同的含义。若存在矛盾，则以本申请提供的定义为准。
[0012]当以范围、优选范围、或者优选的数值上限以及优选的数值下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候，应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑该范围是否具体揭示。除非另外指出，本文所列出的数值范围旨在包括范围的端点，和该范围之内的所有整数和分数。
[0013]当术语“约”和“大约”用于描述数值或范围的端值时，所公开的内容应理解为包括具体值或所涉及的端值。
[0014]除非另外说明，本文中所有的百分比、份数、比值等均是按重量计。
[0015]本文的材料、方法和实施方案均是示例性的，并且除非特别说明，不应理解为限制性的。
[0016]以下详细描述本发明的混合式太阳能吸收系统和太阳能集热化学产氢系统。
[0017]本发明涉及太阳能集热产氢`设备，其包括混合式太阳能吸收系统和CuCl热循环产氢系统，其中，CuCl热循环产氢系统的全部或部分电能由混合式太阳能吸收系统中的光伏电池组件提供。
[0018]a.混合式太阳能吸收系统
[0019]如图1所示，本发明所述的混合式太阳能吸收系统包括作为第一聚光器I的抛物槽、作为第二聚光器2的光伏电池组件和太阳能吸收器3，其中这两个聚光器相对设置，并且太阳能吸收器3位于作为第一聚光器I的抛物槽和作为第二聚光器2的光伏电池组件之间。
[0020]优选地，在所述混合式太阳能吸收系统中，入射的太阳光被第一聚光器I反射后到达太阳能吸收器3面向第一聚光器I的区域A和第二聚光器2，第二聚光器2将经反射的太阳光反射至太阳能吸收器3面向第二聚光器2的区域B，并同时吸收能量。
[0021]应理解术语“聚光器”可包括任意类型的聚光光学件，例如菲涅尔棱镜、镜件、棱镜系统、面镜等。
[0022]作为第一聚光器I的抛物槽可为长型抛物镜，其在可见和红外范围之间的整个波长范围中具有高反射率。太阳能吸收器3可包括吸收器长管(即图2中的管线)以及吸收器长管中的传热介质如油。本发明的太阳能吸收器3的形状优选是管件，特别是钢管或多孔陶瓷管。在吸收器3作为管件的形式时，“区域”是指由圆弧和管件的长度方向构成的表面。吸收器3的表面上还可包覆有金属填充材料如所谓的陶瓷金属材料的涂层。优选的金属填充材料包括铬、铝、铜和/或钥。在各区域中填充材料的含量为20-60%重量百分比。[0023]在本发明中，使用聚光型太阳能光伏电池组件作为第二聚光器以将从第一聚光器I中反射出却因几何构造原因未被吸收器3吸收的阳光再次反射向吸收器3，由此显著提高了系统的聚光效率，并且同时光伏电池组件吸收一部分阳光而产生电能，所得电能可供应至下述的化学热产氢循环系统的管路组件中，由此进一步提高系统的能效。
[0024]本发明中所使用的光伏电池组件可包括一个或多个光伏电池单元，在多个光伏电池单元的情况中，这些光伏电池单元以串联或并联的方式相互连接。本发明中所使用的光伏电池组件中所使用的光伏电池单元可以是基于硅晶片的光伏电池单元或薄膜型的光伏电池单元。本发明中所使用的光伏电池组件的电压输出量没有特别限制，以基于硅晶片的光伏电池单元为例，该类型的光伏电池组件可常规设计为电压输出量为6V，或更高的电压输出量如24V、48V和72V。本发明中所使用的光伏电池组件的尺寸、电容量等没有特别限制，以基于硅晶片的光伏电池单元为例，其尺寸一般为12.5cmX12.5cm至15cmX 15cm，其电容量一般在1000W/m2阳光辐射下为30mA/cm2。应注意，这可根据生产商的不同而变化。一般情况下，15cmX 15cm的该类型电池可产生约6.75A的电流。由此，例如36个太阳能电池构成的组件可产生约100瓦的峰值功率。所述的光伏电池组件经过合适的封装而能够长期在室外进行工作。由此，所述的光伏电池组件例如可依次由玻璃外壳、封装层(如EVA)、太阳能电池、封装层(如EVA)和背板(如PVF)构成。 [0025]本发明中所使用的光伏电池组件可采用常规的太阳能光伏电池设计方案，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]太阳能光伏电池主要能够吸收波长在400nm-1100nm的阳光，而对于波长在上述范围之外的阳光转换效率比较低。这部分阳光反而可能造成光伏电池组件中芯片的温度升高，并因此降低转化效率，因此，在本发明的一个优选实施方案中，在光伏电池组件的表面上，具体而言在光伏电池组件朝向抛物槽的表面上，使用滤波涂层，其对于波长在400nm-l IOOnm之间的光的透射率一般为0.8_1，优选为0.85-0.95。通过这样的设计，对于波长在上述范围之外的大部分阳光以及部分波长在400nm-1100nm之间的光通过聚光型光伏电池组件再度反射至吸收器3，由此能够更高效地将聚集的太阳能转化为电能，同时还可有效减少因所述波长范围之外的波长能量产生的热量，使得光伏电池组件保持在相对较低的工作温度下，产生较高的转化效率。此外，为了达到整个系统对于太阳光的综合利用效率，会相应对高透射率的波长范围进行调整。例如为了增加吸收器3对于太阳光的吸收量，可以改变滤波涂层构成而相应减少高透射率的波长范围。
[0027]在本发明的一个实施方案中，作为聚光器I的抛物槽可由背面镀银的扇形玻璃镜片构成，固定在可以转动的支架上。其宽度和焦距一般为2-10米和1-4米，优选为宽度4-8米和焦距1-3米，更优选为宽度5-6米和焦距1.5-2.5米。
[0028]在本发明的一个实施方案中，作为第一聚光器I抛物槽、吸收器3和作为第二聚光器2的光伏电池组件之间的相对位置一般为吸收器和光伏电池组件位于抛物槽聚光焦点附近，优选为光伏电池组件位于抛物槽聚光焦点之后而吸收器则位于焦点之前，更优选为吸收器位于光伏电池组件的焦点附近。另外，根据系统对于电力的需求可以相应调整吸收器和光伏电池组件的位置从而改变太阳能转变为电能和热能的比例。[0029]在本发明的一个实施方案中，吸收器的区域A和B的涂层可采用商用复合金属陶瓷多层膜，优选为Mo-Al2O3的金属-介电复合金属陶瓷多层膜，更优选为带有减反射层的Mo-Al2O3的金属-介电复合金属陶瓷多层膜。涂层的厚度一般为IOOnm-1O μ m,优选为150nm-1000nm，还可根据系统的配置做综合优化选择。例如对于A和B的涂层中各层的组成和厚度可根据入射光的聚光度和频谱组成做相应的调整以达到较高的吸收率和低的发射率，详细方法可参考专利US2007209658A1。
[0030]在本发明的一个实施方案中，光伏电池组件表面上的滤波涂层可选择五氧化二铌/ 二氧化硅或者二氧化钛/ 二氧化硅交替组成的多层膜，其具体设计可参考Needle多层膜设计方法。具有类似功能的滤波涂层在专利CN200710132772也被提到。
[0031]b.热循环产氢系统
[0032]图2显示了 CuCl热循环产氢系统的管路示意图，其包括以下循环步骤:
[0033](I) 2Cu (固体)+HCl (气体)=2CuCl (熔融)+H2 (气体)；
[0034](2) 4CuCl (溶液)=2Cu (固体)+2CuC12 (浆液)；
[0035](3) 2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固体)+2HC1 (气体)+H2O (蒸汽);
[0036](4) CuOCuCI2 (固体)=2CuCl (熔融)+0.502。
[0037]优选通过设置换热器和热电模块控制各循环步骤中的温度，所述热电模块选自碲化铅组件和方钴矿组件。
[0038]考虑到目前的抛物槽型CSP系统(即包括第一聚光器I的抛物槽和太阳能吸收器3的系统)中工作流体(即传热介质)的最大温`度一般约为550°C，本发明优选采用低温的CuCl热循环产氢系统。
[0039]CuCl热循环产氢系统可包括五步、四步和三步的循环产氢方法。例如在US20080283390和US20100129287中公开了 CuCl热循环产氢系统从水中产生氢气的方法。
[0040]本发明中优选采用以下的四步循环方法:
[0041](I) 2Cu (固体)+HCl (气体)=2CuCl (熔融)+H2 (气体)需在约450°C温度下进行；
[0042](2) 4CuCl (溶液)=2Cu (固体)+2CuC12 (浆液)需在约70°C -约90°C的盐酸溶液中进行；
[0043](3) 2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固体)+2HC1 (气体)+H2O (蒸汽)需在约 375 °C -约450°C的温度下进行；
[0044](4) CuOCuCI2 (固体)=2CuCl (熔融)+0.502 需在约 500°C -约 530°C 的温度下进行。
[0045]铜虽然在室温下不与HCl反应，但是在高温即约450°C下，铜与HCl反应而产生氢气和CuCl (步骤I)。在步骤(2)-(4)中，CuCl构成循环系统，由此整个方法的净反应为2H20=2H2+02 ο
[0046]虽然上述化学反应不需要电能，但是图2所示的管路系统中的工作流体的泵压、产物氢气的压缩以及其他设备的运行都需要供电。根据本发明的太阳能集热循环产氢设备，所需的全部或部分电能产生自所述混合式太阳能吸收系统中光伏电池组件。
[0047]c.太阳能集热产氢设备
[0048]图2是利用太阳能集热产氢设备的管路示意图。吸收器3中的的工作流体(即传热介质)利用泵机从左向右流动，经过吸收器3吸收的太阳光后温度逐渐升高，从而产生温度从100°C至550°C沿管路从左到右的梯度变化。通过在不同的位置安装换热器，用于保证CuCl产氢各步骤所需要的温度和热量要求。例如图2最左边的换热器可保证稍低于100度的温度，从而可以用于CuCl产氢第二步的反应，而最右边的换热器可以保证高于500度的高温，从而可以用于CuCl产氢第四步的反应。其它换热器的位置和应用请参见图2。
[0049]如图2所示，还可在管路的换热器上设置热电模块，绝大部分所吸收的太阳能热量通过热电模块进入各反应室。小部分太阳能因管路间的温度差由热电模块转换成电能。为了优化热电转化效率，在具有不同工作温度的换热器位置安装包括不同的热电材料的热电模块。例如，在100°c下具有最佳转化效率的碲化铅(PbTe)组件适于图2中的步骤2使用的换热器，而在300-600°C下具有最佳转化效率的方钴矿(CoSb3)组件可选择用于其它步骤中的换热器。
[0050]通过太阳能电池和上述热电模块产生的电能经过变压整流后可以用于CSP系统和CuCl热循环产氢系统泵机所需的电能、以及整个太阳能热化学循环产氢控制系统和照明等所需电能。另外，如图2所示，当混合式太阳能吸收系统不能完全保证CuCl热循环产氢系统所需的温度情况下，本发明还可包括电加热器，通过电加热器升温。由此通过换能器和电加热器共同调节，保证为CuCl热循环产氢系统提供各反应所需的温度。
[0051]由上述所知，本发明所述的太阳能集热循环产氢设备具有以下多方面的优点:
[0052]1、通过设置第二聚光器2，使得更多的阳光被吸收器3吸收，由此提高所述系统的太阳能吸收效率；
[0053]2、通过设置包括滤波涂层的光伏电池组件作为第二聚光器2，使得所述系统中的全部或部分电能可由光伏 电池组件提供，由此提高所述系统的能量使用效率。
[0054]3、通过在换热器 上使用具有不同热电材料的组件，进一步提高所述系统的能量使用效率。
[0055]上文通过附图和实施方案对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施方案，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.太阳能集热产氢设备，其包括: 聚光器； 太阳能吸收器，用于吸收所述聚光器的光能；以及 CuCl热循环产氢系统，所述CuCl热循环产氢系统由所述太阳能吸收器提供所需的热量。
2.根据权利要求1的太阳能集热产氢设备，其中，聚光器包括第一聚光器以及作为第二聚光器的光伏电池，所述光伏电池为所述CuCl热循环产氢系统提供至少部分电能，所述太阳能吸收器位于所述第一聚光器与所述第二个聚光器之间，用于吸收来自所述第一聚光器与所述第二个聚光器的太阳能。
3.根据权利要求2的太阳能集热产氢设备,其中,所述第一聚光器为抛物槽,所述第一聚光器和所述第二聚光器面对面设置。
4.根据权利要求3的太阳能集热产氢设备，其中，所述太阳能吸收器位于所述第一聚光器和所述第一聚光器的抛物槽的聚光焦点之间，所述第一聚光器的抛物槽的聚光焦点位于所述太阳能吸收器和所述第二聚光器之间。
5.权利要求2-4任一所述的太阳能集热产氢设备，其中光伏电池组件的表面包括滤波涂层，其对于波长在400nm-l IOOnm之间的光的透射率为0.8_1。
6.根据权利要求5的太阳能集热产氢设备，其中所述滤波涂层对于波长在400nm-1100nm之间的光的透射率为0.85-0.95。
7.根据权利要求5的太阳能集热产氢设备，其中所述滤波涂层由五氧化二铌/二氧化硅或二氧化钛/二氧化硅交替组成的多层膜构成。
8.根据权利要求1的太阳能集热产氢设备，其中在所述CuCl热循环产氢系统利用所述太阳能的热量包括以下的循环步骤: (1)2Cu (固体)+HCl (气体)=2CuCl (熔融)+H2 (气体); (2)4CuCl (溶液)=2Cu (固体)+2CuC12 (浆液);
(3)2CuC12+2H20=Cu0CuC12 (固体)+2HC1 (气体)+H2O (蒸汽);
(4)CuOCuCI2 (固体)=2CuCl (熔融)+0.502。
9.根据权利要求1或8的太阳能集热产氢设备，其中，所述太阳能吸收器上安装有换热器，用于提高热传导效率。
10.根据权利要求9所述的太阳能集热产氢设备，其中，所述换热器带有热电模块，用于产生电能，供给所述CuCl热循环产氢系统。
11.根据权利要求10所述的太阳能集热产氢设备，其中，所述热电模块的材料选自碲化铅和方钴矿。
12.根据权利要求1或8所述的太阳能集热产氢设备，其中，还包括加热器，用于在所述太阳能吸收器提供的热量不足的情况下，为所述CuCl热循环产氢系统提供所需的热量。
【文档编号】F24J2/24GK103626126SQ201210307116
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】李长鹏 申请人:西门子公司