专利名称：利用低能耗太阳能生产氢气的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用低能耗太阳能生产氢气的设备。
背景技术：
一般地，用太阳能发电有以下两种渠道-用光电池，这样比较容易，但也比较昂贵，-或者用高能量；例如，用太阳能会聚器(此为热源，周围的空气作为冷源)将水蒸发为蒸汽，用蒸汽驱动涡轮机。这种方式非常复杂和昂贵。如果希望利用低能量的热源例如以非蒸汽状态存在的热水等，周围的空气又不是好的冷源。
发明内容
本发明的设备解决了以上存在的问题。解决方案的第一步是用散热器在夜间获得冷水；第二步是将白天获得的热水和夜间获得的冷水储存起来，使这两个热源能够持久有效地驱动与交流发动机相连的朗肯循环(Rankine cycle，也称“兰金循环”)中的涡轮机，或驱动斯特林发动机(Stirling engine)，或热电发电机(thermoelectricity)。
昼夜更替通常是太阳能利用中的一个障碍，但在本发明中却是一个主要的优点。发出的电接着就可用来生产氢气，然后氢气通过输气管道传输或贮藏在压力容器中。
所述氢气可用作无污染燃料或用于汽车(带燃料电池的)或电厂的无污染电力生产中。
下面将以例证而非限定的形式描述本发明的其它特征和优点
图1是带有处于循环中的涡轮机的发电设备的示意图，所述涡轮机与交流发电机相连，所述发电设备与生产氢气的电解池相连；图2是带热电发电机的发电设备的示意图，所述发电设备与生产氢气的电解池相联；图3是带有与交流发电机相连的斯特林发动机的发电设备的示意图，所述发电设备与生产氢气的电解池相联；图4是散热器的剖面图；图5也是散热器的剖面图；图6是储水设备的剖面图；
图7是可变成散热器的平板式太阳能集热器的剖面图。
具体实施例方式
图1描绘了带有处于循环中的涡轮机的发电设备，所述涡轮机连有交流发电机，所述发电设备与生产氢气的电解池相联；白天，水在平板式太阳能集热器1中循环流动，由于温室效应，太阳热量被水吸收使得水温升高。用泵16将水抽入循环系统(circuit)12并储存在容器3中。然后水再次进入太阳能集热器1中循环，为使储存的水3达到可能的最高温度，这种循环要持续整个白天。该设备在晚上被关掉。
夜间，水在散热器2中循环流动，由于热通过传导、对流和辐射散失，水温降低。用泵17将水抽入循环系统13并储存在容器4中。
接着水又再次回流入散热器2中循环，为使储存的水4具有尽可能低的温度，这种循环要持续整个晚上。在白天，该设备被关掉。
在保持持久可用的热源3和冷源4的前提下，可利用卡诺定律(principles of Carnot，也称卡诺循环)将热能转换为机械能。本发明采用循环，为此，本发明使用一个封闭的循环系统即第二循环系统19，在循环中改变相态(液态/气态)和压力的制冷用工作流体(frigorigen working fluid)例如氨水(或烯烃，HCFC，氟利昂，丙稀，异丁烷，异戊烷或其它)在所述第二循环系统19中回流。所述工作流体在被储存的热水3浸没的旋管14(蒸发器)中从热源3吸取热量而被蒸发，所产生的蒸汽在向外膨胀时驱动低压涡轮机6；所述蒸汽在被储存的冷水4浸没的旋管15(冷凝器)中将热量传给冷源4而被冷凝，泵5使所述工作流体从冷源4回流到热源3并再次被置于压力之下，从而开始新的循环。
在蒸发工作流体的过程中储存的热水3被冷却，接着必须在白天用太阳能集热器1将其再加热。储存的冷水4被工作流体加热后也必须在夜间用散热器2使其冷却。
所述涡轮机6驱动交流发电机18发电。
本发明的主要目的就是用上述所发的电来电解水以生产氢气。电解池9用交流发电机18发的电来实现容器10中的水的电解，产生的氢气被储存于容器11中。为了获得将来可用作无污染燃料的氢气，如果电是在隔离区域发的，一个极好的用途就是用来实现水的电解以获得氢气。本发明的设备在各个层面上均具有显著的生态学特征，(所生产的氢气)是矿物能源的最佳替代品之一。石油和所有其它矿物能源都非常污染环境并且很快将变得短缺。氢气是一种无污染燃料，为了与石油工业竞争，必须用可再生能源生产氧气且维持低成本。
本发明设备的使用地区优选干旱地区，半干旱地区，沙漠或半沙漠化地区，近热带地区等，因为这些地区-昼夜温差(比其它地区)更大，-有很强的太阳能热，-几乎没有云，-湿度很低所以太阳光(比其它地区)更强烈，-在夜晚天空非常澄澈干净，通过散热器的辐射可获得极好的冷却效果，-越接近赤道，昼夜交替越快，季节间的差异(比其它地区)就较小，-可利用大片未用于农业的无人区。
经济方面为使本发明设备发的电能真正与用核能或矿物能源(石油，天然气，煤炭)发的电竞争，利用本发明的设备建造和开发电厂的花费必须尽可能的低。下面将更加详细地说明为生产价格最低的一度电和为适应严酷的气候而使本发明的设备足够坚固的花费较少的办法。
水是最廉价和最有效的载热流体之一，水一向是太阳能集热器1和散热器2中的载热流体，并用作热源3和冷源4的蓄热体。水具有极大的蓄热能力。安装设备时将水装入，设备在闭合循环系统中运转，因此此后无需再加水。只有当通过水的电解生产氢气时需要添加水。如果水质不好，太阳能蒸馏器可用来提高水质(通过除去水垢等)以避免沉淀物沉积损坏设备。
为避免冰冻可向水中加入乙二醇或乙二醇-乙醚。依据不同气候也可使用其它效果更好的载热流体。
下面将描述一种简单且成本很低的、不须运送大量材料而在沙漠中实现热水和冷水的有效储存的方法。该方法属于现有技术，下面将举例说明。
图6描绘了一个储水容器。为了储存热水和冷水，该储水容器优选为在土里挖个几米深的V形的蓄水池。蓄水池壁用防水布和防水塑料薄膜67覆盖。从隔热和保持很低成本的观点来看，地下储水是有效的，土壤是优良的自然绝热器。保持绝热比敞口在空气中要好得多。在蓄水池的上表面盖上遮光片62(例如聚苯乙烯)以保证上面绝热。塑料薄膜63用来防止水61的蒸发。管道65和66用于水的泵入和抽出。上面覆盖塑料片68的格栅64使蓄水池封闭起来以防止灰尘掉入其中。
热源3和冷源4之间的温差越大，驱动涡轮机6的力就越大。为了使在每个半周期结束时(白天结束时，夜晚结束时)本发明的设备的性能不降低，储存的热水3和冷水4的体积必须尽可能的大，因为由于工作流体的差热传输和储水容器的不可避免的热损失，热水3在夜间变得越来越不热，而冷水4在白天变得越来越不冷。所以，应尽可能的使热水和冷水的温度保持不变。
热水的密度比冷水小，蓄水池靠近上部的(水的)温度比底部的高。所以将蒸发器14置于热水池3的顶部，而将冷凝器15置于冷水池4的底部。为了从这种现象中得到最大的益处，通过建造尽可能深的蓄水池就可获得一个补充温差。通过在冷水池4中挖一个冷水坑可获得一个小的补充温差，该冷水坑(比冷水池)更深，内有因重力作用而存于其中的最冷的水。
白天，需加热的水被泵入热水池3的底部，一旦被太阳能集热器1加热之后就被带到热水池3的顶部。在夜间，需冷却的水被泵入冷水池4的顶部，一旦被散热器2冷却之后就被带到冷水池4的底部。
图4和图5为简单散热器的示意图，作为一个例子，所述散热器已被在先技术公开，且与冰箱背面的散热器相似。例如所述散热器2可由内有载热流体回流的金属管40组成，该金属管40可为铜制，铜是一种非常好的导热体。在所述金属管40的上下均焊接有(与金属管40)同种金属制成的杆42，所述杆42用于对整体进行加固并增加冷却面积。散热器漆成黑色，因为黑色是最有利于辐射散热的颜色。脚43用于将散热器抬离地面并使对流(传热)更便利。
本发明中可采用基本的平板式太阳能集热器，使用有大片面积可用于收集强辐射的干旱地区(来实施本发明)时，可以采用不那么精密和低成本的集热器，因为低的效率就可以使我们满足。
图7是一个简单而低成本的集热器的示意图，其特别之处在于夜间可当散热器用。这种集热器的集热功能属于现有技术，但另一方面，现有技术中没有包括的是在白天向保证温室作用发生的部分充气，夜间则将该部分放气，以使集热器转变为散热器。以黑色塑料薄膜50充当底面，将另一黑色塑料薄膜52与薄膜50结合成一体以形成供载热流体51在其中回流的通道。透明塑料布54结合塑料薄膜50形成可被充气和放气的体积53。太阳光透过所述透明塑料布并在到达黑色塑料薄膜52的黑色表面时转变为红外线。为了产生温室效应，使用的塑料必须具有优良的对红外线的不透明性。所述设备用于散热模式时，不能像金属制散热器一样有效，因此，我们在使用金属制散热器之前使用该设备(即图7所示设备)。
图2是带热电偶的发电设备的示意图，所述发电设备与生产氢气的电解池相联；通过采用热电发电机20，(图2)所述发电设备的功能与(图1)带有与交流发电机相连的朗肯循环中的涡轮机的发电设备不同。
热电(效应)或者说“塞贝克-珀尔贴效应”(Seebeck-Peltier Effect)是指如下的物理现象当两种适当的金属被结合在一起并具有不同的温度时，会产生电流。
直至今日热电都很少被利用；其最新进展与半导体薄层的使用相连，使之成为一种引起关注的低能耗发电方法。
在使用热电发电机20(发电)的情况下，直接使用热源和冷源，而不需使用中间工作流体。储存在蓄水池3中的热水被泵23泵入循环系统21中，通过所述循环系统21向热电发电机供热；储存在蓄水池4中的冷水被泵24泵入循环系统22中，向热电发电机提供冷源。
图3是带有与交流发动机相连的斯特林发动机的发电设备的示意图，所述发电设备与产生氢气的电解池相联。斯特林发动机可以用来代替经典的循环。
斯特林发动机的活塞26缸27装配件内封闭有一种气体。该气体轮流地与热源和冷源接触，所述热源将热传给气体，而所述冷源则将气体的热量带走。当气体与热源接触时，其压力增大并推动驱动活塞26；接着将气体与冷源接触，其压力降低，驱动活塞26又挤压气体，这个过程可以自行循环。所述活塞26与飞轮28相连。斯特林发动机有不同的类型，这些均记载在现有技术中。
热电和斯特林发电机这两种方式中均可以采用本发明的基本原理；然而，从经济的角度考虑，在目前的技术现状下，优选采用循环中的涡轮机。
权利要求
1.利用低能耗太阳能生产氢气的设备，其特征在于所述设备包括在白天工作以产生热流体的太阳能集热器(1)，和在夜间工作以产生冷流体的散热器(2)，所述热流体和冷流体分别储存在不同的容器中以构成持久可用的热源(3)和冷源(4)；所述太阳能集热器(1)在带有热流体储存容器的闭式循环系统中工作，所述热流体储存容器中储存有体积为常量的流体，所述散热器(2)在带有冷流体储存容器的闭式循环系统中工作，所述冷流体储存容器中储存有体积为常量的流体；根据朗肯循环采用含有工作流体的第二闭式循环系统(19)，该工作流体不同于储存的热流体和冷流体，所述第二循环系统(19)以不可逆的方向持续运转，所述工作流体在使用热源(3)的蒸发器(14)中被蒸发，被蒸发的工作流体驱动涡轮机(6)，接着所述工作流体在使用冷源(4)的冷凝器(15)中被冷凝；所述涡轮机(6)与用来发电的交流发电机(18)相连，电解池(9)用所述交流发电机(18)发的电来实现水(10)的电解以产生氢气(11)。
2.利用低能耗太阳能生产氢气的设备，其特征在于所述设备包括在白天工作以产生热流体的太阳能集热器(1)，和在夜间工作以产生冷流体的散热器(2)，所述热流体和冷流体分别储存在不同的容器中以构成持久可用的热源(3)和冷源(4)；所述太阳能集热器(1)在带有热流体储存容器的循环系统中工作，所述热流体储存容器中储存有体积为常量的流体，所述散热器(2)在带有冷流体储存容器的循环系统中工作，所述冷流体储存容器中储存有体积为常量的流体；所述热源(3)和冷源(4)被用来驱动斯特林发动机，所述斯特林发动机与用来发电的交流发电机(18)相连，电解池(9)用所述交流发电机(18)发的电来实现水(10)的电解以产生氢气(11)。
3.利用低能耗太阳能生产氢气的设备，其特征在于所述设备包括在白天工作以产生热流体的太阳能集热器(1)，和在夜间工作以产生冷流体的散热器(2)，所述热流体和冷流体分别储存在不同的容器中以构成持久可用的热源(3)和冷源(4)；所述太阳能集热器(1)在带有热流体储存容器的循环系统中工作，所述热流体储存容器中储存有体积为常量的流体，所述散热器(2)在带有冷流体储存容器的循环系统中工作，所述冷流体储存容器中储存有体积为常量的流体；热源(3)和冷源(4)被用来通过热电发电机(20)发电，电解池(9)用所发的电来实现水(10)的电解以产生氢气(11)。
全文摘要
本发明公开了利用低能耗太阳能发电和生产氢气的设备。该设备用太阳能集热器(1)在白天获得热水(3)，并用散热器(2)在夜间获得冷水。所述热水和冷水被储存起来以获得持久的热源(3)和冷源(4)，所述热源(3)和冷源(4)被用来发电，发电是采用与交流发电机(18)相连的朗肯循环中的涡轮机(6)，或斯特林发动机，或通过热电方法。这些电可提供给电解池(9)来实现水(10)的电解来产生氢气(11)。
文档编号C25B1/04GK101048593SQ200580036743
公开日2007年10月3日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年9月7日
发明者菲利普·马克·蒙特希诺斯 申请人:菲利普·马克·蒙特希诺斯