一种利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统的制作方法

专利名称：一种利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统的制作方法
技术领域：
本发明属于氢气和氧气制造技术领域，特别是涉及一种利用太阳能制备氢气和氧气的系统。
背景技术：
本申请人在专利申请号为200310122974.9的发明专利申请中对有关氢经济的技术领域和技术背景已进行阐述，该申请公开了一种利用太阳能制备氢气和氧气的系统及其装置，利用太阳能集热器提供热量，使水蒸汽在通式为MO-AB2O4尖晶石型催化剂作用下，在制氢吸附床中发生制氢反应，分解出H2；同时制氧吸附床的碱金属盐活性炭催化剂因加热而分解出的CO，供制氢吸附床催化剂还原，而放出CO2又被回收返回制氧吸附床，使活性炭催化剂又回复到碱金属盐而放出O2。该发明还公开了一种利用太阳能制备氢气和氧气的装置，包括太阳能集热器、制氢吸附床和制氧吸附床、热交换器、水蒸气发生器、输送管道，所述的太阳能集热器通过太阳能聚焦加热传热液，产生的传热液蒸气输送到制氢吸附床；所述制氢吸附床内装有尖晶石型催化剂，和水蒸气发生器产生的水蒸汽反应产生氢气；同时由制氧吸附床产生的一氧化碳通过不同的管路输入制氢吸附床；使尖晶石型催化剂还原并放出二氧化碳，此二氧化碳被回收送回到制氧吸附床与碱金属盐活性炭催化剂反应生成碱金属盐同时放出氧气；氢气经热交换器热交换后压缩贮存在氢气贮罐中，氧气经热交换器热交换后压缩贮存在氧气贮罐中。该发明通过太阳能聚焦时需连续跟踪太阳，装置相对复杂，操作和控制困难。
现据一种CPC抛物面聚光原理(Comound Parabolic Collector简称CPC)简称复合聚光原理来设计一种太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统及其装置。有关CPC复合聚光的原理已有很多专著作了详细介绍。这一原理产生于上个世纪60年代的冷战时期，前苏联的B·K巴兰诺夫和G.K苗尔尼可夫，美国的H.海因特伯格和R.温斯东等都先后独立提出了一种在接受角内的投射辐射能全部反射到接受元件的理论。但直到上世纪70年代中后期，由于太阳能研究引起重视，美国科学家首先将这种理论用作聚光器应用于太阳能，并作了大量的研究公开出版了专著。近年国内也开始这方面的研究，并在太阳能高温热源的利用方面，投入部分试探性试验，取得了一定的收获。其优点是这种聚光器是一种非成像低聚焦，它可将给定接受角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接受器上，由于它有较大的接受角，故在运行时不需要连续跟踪太阳，只要根据接受角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整若干次就可有效的工作。它可达到的聚光比在10以内，当聚光比在2以下时，都可做成固定式装置。它可接受太阳的直射辐射和部分散射辐射，并能接受一般跟踪聚光器不能接受的“太阳周围辐射”。此类聚光器的结构比较简单，能取得高温。对聚光面型加工精度要求不严格。它在运行时，安装要求简便，只要将其线型接受器沿东西向水平放置，CPC的开口向南，其倾角可按太阳直射被限在±θmax范围内来确定，如果太阳的运动不会使直射辐射的入射角大于CPC的接受角，则CPC的开口就不必跟踪太阳运动。目前国内曾有利用CPC技术配合在玻璃真空管上试验加热热水，其水管内壁最高温度可以高达400℃左右。

发明内容
本发明提供一种利用太阳能复合聚光加热产生高温，在催化剂作用下，使水发生分解来制备氢气和氧气的系统。该系统的能源直接由太阳能供给，制备氢气和氧气成本低，对环境无污染。
根据下列一组热化学反应式组成一组热化学循环制备氢气和氧的装置介绍如下
根据上述一组热化学循环反应式分析其特点如下(1)这是一组可循环的热化学反应式。反应步骤紧凑，参加反应的化学品较少。反应后没有多余的其它反应物产生，为循环反应创造了良好的开端。
(2)所有反应结果都是气固两相，从(I)式FeCl3分解开始，让参加反应的化学品都处在一种全封闭的气固两相之中，由于气相是无孔不入的，使反应得到了充分接触，温度也由于太阳能的介入得到了提高，再加上催化剂(FeCl3)的参与，就使得反应更激烈、更彻底、更快速，对提高反应循环周期更有利，也即反应得率就更提高。
(3)HCl(气)和Cl2(气)虽有一定的腐蚀性，但在干燥情况下，其气体基本没有大多的腐蚀。它们只有在含水的情况下，腐蚀问题才特别突出。虽然在反应过程中有水(气)参加反应，但参加反应的水是以过热蒸气的气相形式参与的，而这种过热蒸气具有热容大、温度高，含水份少，相对而言腐蚀可以降到最少。另外在设备材料上可选用耐腐蚀性能较好的不锈钢，腐蚀问题是可以克服的。
(4)由于过热蒸气的含水份相对少了，熵的含量增大了，也即温度提高了，反应物之间分子相互碰冲加速了，碰冲次数增加了，更重要的是催化剂的参与，提高了活化性能只有大能量的活化性能分子参与分子碰冲，反应速度就大大加快了。这时H2O分子中的O与H联系的键(O-H)开始断开，由于O-H键的断开，直接影响到了FeCl2，本来FeCl2是要在600°以上才开始升华的，由于FeCl2中的和Fe和Cl联系的键也开始受影响而松动以至断开，这时断了键的O，自身就是活泼分子，它迅速地抢收占了FeCl2中Cl的位置，Fe是O的良好吸附床，因而引成了Fe3O4。悬在体系中的H2与同样悬在体系中的Cl迅速地结合了，因而引成了HCl，多余的H2与HCl就只有混合在体系中。于是就有了以下反应式因为这是一个大量吸热的反应，只有热量充足时它的反应就朝着正反应进行，一旦反应温度不足，反应立即又朝逆方向进行了。
(5)参与反应的化学品是FeCl3，它在这组反应中，实际是以催化剂身份出现的，没有这个催化剂提供一个反应活性中心反应速度就没有这么快，反应温度要求就更高。只有有了催化剂参与，化学反应才有可能循环。其次唯一的一项消耗品是水，水到处都有，是一种廉价的自然资源，因此这个消耗品的成本几乎是零，它分解得到的氢和氧是一对和谐的自然资源，它们燃烧后生成的是水，是可再生的资源，它对环境没有污染，而对本反应提供能源的是太阳能这是大自然对人类的恩赐，因此可以说它的综合成本将是任何一种制氢方案无法比拟的，它是成本最低的。
(6)(I)式和(II)式反应都是吸热反应，尽管CPC聚焦能获得400℃左右的高温，但在单位时间内CPC聚焦能否收集到足够的能量，充分地供应大容量的能量消耗，这是面临的一个实际问题，解决的办法有三个方面一是从理论上分析，特别(II)式反应中要在反应期内提高熵的含量(即ΔS＞O)把原本供应的饱和蒸气，通过增加一道太阳能过热蒸气发生器，用过热蒸气参加(II)式的反应，这样就大大提高蒸气中熵的含量，这对(II)式的反应是至关重要的。二是在反应体系内增加一套电加热辅助装置，虽然它会略增成本，但这可以提供相应所需的热量。三是控制好反应程序也是至关重要的。在这个反应中，要做到反应温度前高后低。即反应前期，反应温度要高，愈到反应后期温度则逐步降低。这是因为紧随其后的反应(III)要求的反应温度只有200-290℃左右(FeCl3的熔点温度306℃)。
(7)紧接(III)式是还原放热反应。理论上这个反应要减少熵的含量(即ΔS＜O＝为此除及时关闭辅助电源并及时移走HCl和H2的混合气，当然这也适当降低了一部分温度，但实际上还是远远不足的。为及时移走这部分多余的热量，在这一时段上就要引入一种方法来移走这部分多余的热量(要知道太阳能仍在不断供应热量)。当然可以考虑用增加设备的办法来降低温度。但那样做的话，只有把设备越增越多，设备也越来越复杂，成本也会随之加大。唯一简单的办法，即是引入一种载体，把这部分过剩的热量移走，就成了这一反应时段的关键，因为这时热量不移走，下一步反应就中止不前。而且由于太阳能加热的热量和时间是成正比例的，无法自由控制，如要达到自由控制，则需出很高的成本。
因此我们要用一种最廉价的办法，让它能按需进行控制，这就是我们要引入载体这一概念的理由，我们暂且称它为冷载体，通过一种冷载体我们就可以将多余的热量带走，但这个冷载体必须做到；在本反应的温度压力下，它不和任何参加反应的反应物(包括催化剂)发生任何化学反应，而且它还要做到启动快，移走方便，同时还要防火防爆，防毒气泄漏等方面的安全系数高，在物理性能方面，它要求这种冷载体既要和热源接触面较大，还要热导率高，更要热容大，而热容大又跟密度有一定的关系。
显然这样的冷载体材料在现成的材料方面，只有元素周期表中的VIIIA族(又称零族)的气体元素比较合适，它们的化学性质都很稳定，一般情况下都不和其它成分发生化学反应，只有Rn(氡)、Xe(氙)、Kr(氪)生成少数稳定的化合物。将它们中最稳定的气体通过适当改性成一种较理想的混合气，用这种理想的混合气作为热交换的载体，对我们这组反应是非常必要的。我们可以通过管道将这种混合气载体引入反应体系内进行热交换。最后被加热的混合气载体送往贮水箱与冷水进行热交换。交换后的热水留作加热蒸气，混合气载体则被送到HCl吸附床将残留的HCl吸附。混合气载体则被送入贮罐贮存，以备下次备用。残留HCl气体经吸附后定期回收再用。
(8)整个热化学循环制备氢气和氧气的过程，其能量的转换全部都在太阳能CPC的复合聚焦反应器内完成，因而大大减少了热交换过程的热容损失，如高温传热介度的热容，各种热交换机械设备的热容，显然这将大大提高了热利用率。
(9)唯一参加化学反应的化学品是FeCl3，在这里FeCl3已成为催化剂的主要活性成分，而FeCl3却是负载于一种载体上。因此要求这种催化剂要具有一定的形状和粒度，以保证反应时有良好的透气性。在高温时不碎不裂，强度好，还要有良好的热稳定性。要有一定大的表面积，更要有合适的孔型和孔径。催化剂的导热性能要好，还要有良好的抗各种病毒的性能和再生性能。
根据这些要求，FeCl3催化剂就是本发明的专用催化剂，其制备方法为FeCl3溶解在相应溶剂中后用载体浸渍后过滤、烘干形成催化剂成品，溶剂可选用乙醚等可溶解FeCl3的常规溶剂，载体可选用Al2O3，即分子筛作催化剂载体，可达到本发明要求。
通过将FeCl3催化剂在太阳能复合聚光加热器内加热到300-350℃时，其反应方程为开始分解发放出FeCl2和Cl2；Cl2气通过冷凝器冷凝后被送入氯气贮罐贮存；太阳能复合聚光加热器内温度又继续加热到350-500℃后将过热蒸气引入反应体系，其反应方程为反应产生的HCl和H2的混合气，经冷凝器冷凝后被抽风机送至吸附床，HCl气被吸附床内的脱氯化氢吸附剂所吸附，而分离出的H2则被为贮氢金属所吸附；当反应器内混合气为抽风机抽走后，体系内的温度仍然高于下一步反应所需要的温度，故此启动抽风机将混合气载体贮罐中的混合气载体送入反应体系内进行热交换。交换后的热混合气载体被送往贮水箱中加热冷水。水被加热后，热水留作加热蒸气所用，热交换后的混合气载体又被送往HCl吸附床，将残留的HCl进行吸附。被吸附的残余HCl，定期解吸回收使用，混合气载体继续送贮罐贮存，以供下一轮循环使用。当反应体系温度下降到＞200℃时，吸附床内的HCl被送入的蒸气加热而解吸与贮罐中的氯气同时被抽风机抽出送入反应体系与Fe3O4反应，其反应方程为又还原成FeCl3，同时产生的还有H2O和O2的混合气，混合气经冷凝器冷凝后冷凝成冷凝水，冷凝水被水泵送往贮水箱，继续加热成蒸气供使用，分离出的O2被送往贮存。
一种利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能蒸气发生器加热产生饱和蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能过热蒸气发生器加热饱和蒸气产生过热蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管结合的太阳能发应器将FeCl3催化剂加热到反应温度后，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及时抽出送氯气贮罐贮存；加热温度再升高到氢反应温度后接受太阳能过热蒸气发生器输送的过热蒸气与FeCl2反应，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合气；混合气经冷凝后送吸附床为HCl吸附剂所吸附，分离出的H2被贮存；反应器内过剩的高温被抽风机送来的混合气载体在反应器内进行热交换，经过热交换后的混合气载体又被抽风机送到贮水箱中与冷水进行热交换，交换后的热水留作太阳能蒸气发生器产生饱和蒸气，混合气载体又被送到备用吸附床，将残留的HCl气体吸附后定期解吸回收用，分离出的混合气载体又被送回贮罐供下一次循环备用；与此同时吸附床通过太阳能过热蒸气发生器输送的过热蒸气蒸气加热，将被吸附的HCl气体解吸和贮罐中的Cl2同时被抽送到反应器内反应，Fe3O4还原成FeCl3，H2O和O2的混合气经冷凝后被抽风机抽出冷凝水被水泵送入贮水箱供循环之用，分离的O2被贮存。
所述的混合气载体为VIIIA族的气体或者其混合物。
所述的太阳能蒸气发生器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管和热水箱，所述的抛物面聚焦器包括上盖板，两侧板和外壳，上盖板，两侧板均由玻璃板组成，内部为一抛物面和下部过渡的渐开线面的镜面；抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空热管，太阳能金属玻璃真空热管为一金属管，外壳为高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管和金属管封死抽真空形成真空层，高硼硅玻璃管内的金属管为蒸发段，蒸发段上的金属管外部设有由铝、铜金属片组成的吸热片，金属管和吸热片上磁控溅射高温选择性吸收涂层，金属管伸出高硼硅玻璃管的一端为冷凝段，冷凝段插入热水箱。
所述的太阳能过热蒸气发生器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器，所述的抛物面聚焦器的抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器，太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器的外层为高硼硅玻璃管，内层为金属管，中间抽真空；金属管外壁磁控溅射耐高温选择性吸收涂层；金属管两头有法兰活动联接的封头，内装导热性能特好的金属丝网卷成的网卷，网卷填满整个管子内部空间紧贴管子内壁；两头封头有进出口接头。
所述的太阳能反应器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管反应器，所述的抛物面聚焦器的抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空热管反应器，太阳能金属玻璃真空管反应器的外层为高硼硅玻璃管，内层是耐腐蚀的不锈钢管，中间抽真空；不锈钢管外壁磁控溅射耐高温选择性吸收涂层；两端为带法兰活动联接的封头；管子两头有孔板，中间有供进出口气的不锈钢导管，导管在反应段沿轴向每隔一段距离按径向均匀布若干小孔；钢管内填满FeCl3催化剂，催化剂的空间埋有通气的导管，在导管沿轴向每隔一段距离按径向均匀分布若干小孔。
本发明利用CPC复合抛物面聚焦不用跟踪太阳聚焦的简便方法，直接把CPC复合聚焦器和金属玻璃真空管相结合，并在金属玻璃真空管内设置相应的结构，分别组成太阳能蒸气发生器，太阳能过热蒸气发生器和太阳能反应器等三种不同作用不同性能的太阳能新型加热器，热效率高，使太阳能得到充分的利用。
本发明充分利用CPC聚焦不用跟踪太阳的优点，简化了太阳能跟踪聚焦方面的投资。其次，整个系统的热交换过程，没有使用高温传热介质以及相配套的装置和传输管道和各种类型的换热器，从而大大节约了这些设备所需要消耗的热容损失。整个反应过程完全在一个全封闭的体系内，化学品循环使用，没有损耗。消耗的是水，得到的是氢和氧，所用的能源是太阳能，可以预见它将是所有制氢方案中最环保最低成本的方案。


图1为本发明制备氢气和氧气的工艺流程示意图；图2为本发明太阳能蒸气发生器结构示意图；图3为图2中A-A剖面的抛物面聚焦器结构示意图；图4为本发明太阳能过热蒸气发生器中的的金属玻璃真空管过热蒸气发生器结构示意图；图5为本发明的太阳能反应器中金属玻璃真空管反应器的结构示意图；图6为图5中B-B剖面结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，1为热管式的太阳能蒸气发生器。太阳能蒸气发生器由外部的抛物面聚焦器和内部的太阳能金属玻璃真空热管和热水箱组成。热管是目前一种新型高效换热元件，它能通过很小的表面积传递很大的热量。它由一根导热性能特好的金属管，一端为冷凝段，被插在水箱中，另一端为蒸发段，被埋在真空的高硼硅玻璃管内，金属管的内壁覆盖着一种芯状的芯网，管内装有一定量的可凝性液体，两头封死，管内抽真空。金属管在蒸发段有铝或铜片做成的吸热片，外表磁性溅射一层高温选择性吸收涂层。当金属管在真空玻璃管内聚光加热后，由于毛细作用，管子内的液体渗透到芯网中，液体在芯网中被汽化，蒸发的蒸气就从管心流向冷凝段，冷凝段就和水箱中的水进行热交换。重新凝结的液体在芯网毛细作用下又流回蒸发段。这样周而复始的热交换，水箱中的水被加热蒸发，产生蒸气。
蒸气分别用管道送往太阳能过热蒸发生器2和吸附床6-1、6-2。所有蒸气管道过热蒸气管道外表都要包扎保温层。热管数量由产量多少决定增减。太阳能过热蒸发生器2接收太阳能蒸气发生器1送来的饱和蒸气后加热产生的过热蒸气送往太阳能反应器3，此时过热蒸气热容增加了，加热器的数量同样由产量决定增减。此前太阳能反应器3已在加热，当反应器内温度已达到300-350℃时，反应器内FeCl3催化剂开始分解，反应式(I)开始反应变成3FCl2和(3/2)Cl2，此Cl2通过序号4-1的冷凝器冷凝后被抽风机21送往Cl2储罐5储存。在Cl2分解彻底后，当体系内温度达到350℃以上时，即将太阳能过热蒸发生器2内的过热蒸气通入太阳能反应器3，进入反应式(II)反应这一反应时要控制好反应温度前高后低，即初期反应温度要高，到了反应后期，反应温度要低，产生的HCl(气)和H2(气)混合气，通过冷凝器41冷凝后被抽风机21抽往吸附床61内，对HCl气体进行吸附(吸附床61和吸附床62，作为循环反应时交替使用)。并同时启动冷却水对吸附床61进行降温，以加大吸附床对HCl的吸附能力。未被吸附的H2分离出后，通过止回阀被送往金属贮氢桶7所吸附。(吸附床61、62的吸附剂可选择有关脱氯催化剂作为HCl气体的吸附剂，此外还有膜分离等方法供选择)当反应体系内HCl气体和H2气全部反应结束送走时，在准备进行(III)式反应之前，首先要打开d电磁阀，起动抽风机22，将混合气载体从贮罐10中引入太阳能反应器3内进行热交换。最后被加热的混合气载体又被抽风机23(电磁阀O打开)引入贮水箱9进行热交换，热交换后贮水箱9内的热水留作供太阳能蒸气发生器1加热蒸气。换热后的混合气载体被送回序吸附床63将残留的HCl的气体吸附(吸附床定期解吸)。分离出的混合气载体送回贮罐10存供下一次循环使用。选用VIIIA族的气体或者其混合物作混合气载体作为传热介质，主要考虑混合气载体不与其它任何物质有化学反应；其次混合气载体热传导率在所有气体中是比较高的。随后准备进入(III)式反应在这一组反应中，反应温度要控制前低后高，即反应前期温度要低，因为这是一组放热反应，后期反应温度随着反应时间推移，温度自然要上去。此时吸附床61内通入蒸气加热，将吸附床内被吸附的HCl气体进行解吸然后通过抽风机22又将解吸后的HCl和贮氯罐中的Cl2抽出送往太阳能反应器3内与Fe3O4反应，而放出H2O(气)和O2的混合气。通过抽风机23抽出，电磁阀n开，经冷凝器42，H2O被冷凝成冷凝水，送氧气贮罐8，冷凝水被水泵11送到贮水箱9内供太阳能蒸气发生器1产生蒸气。分离出的O2留贮罐贮存。到此一个热化学循环反应的过程全部结束。
图2所示为利用CPC组装而成的太阳能蒸气发生器，图3为CPC抛物面聚焦器示意图。11为热管，12为蒸气发生器的热水箱。13和14为CPC聚焦器的两侧面玻璃盖板，15为CPC聚焦器上玻璃盖板。太阳光线就从这里射入CPC抛物面并聚焦到真空加热管上，以减少吸热体(真空玻璃热管)对环境的对流和辐射损失，并保护吸热体抛物面等部件不受雨雪、风砂、灰尘、污物、大气污染等的直接侵袭，为此要求玻璃盖板具有以下特性(1)光学性能要好，即太阳辐射透过率高，吸收率和反射要低，热辐射不透过性要好；(2)机械性能要好，能承受一定的风压、积雪、冰苞、投掷石子等外力和热应力作用。(3)耐老化性能好，长期暴露在大气环境和阳光下，将对抛物镜面的使用质量和使用寿命造成重大影响。161和162为CPC抛物镜面(抛物镜面可以玻璃镀金属膜的，也可以塑料镀金属膜的，还有不锈钢磨面抛光的)它的下部和抛物面过渡的是渐开面。序号17为CPC聚焦器保温层和外壳，外壳要承受一定的重量，因此要有一定的强度和刚度，它可以是铁皮的也可以是木头的。通过玻璃侧板、盖板、抛物镜面，保温层、外壳、热管式真空玻璃管等组成一个全封闭的CPC聚光器，在这个封闭的体系内，由于有一部分空气，空气中含有一定量的水份，特别在冬天当封闭体内外的温差大时就很容易在玻璃的表面上形成一层雾气，影响太阳的透过率，为此在聚光器的底部，设计安放一点干燥剂，以吸附体内空气中的水份。
在图3中，我们从161和162的抛物镜面上可以看到入射光线A经过抛物镜面反射后与玻璃真空管的F点相切，B’入射光线经抛物镜面反射后同样与玻璃真空管的F点相切，这个F点就是抛物镜面反射后的聚焦点，由于这个聚焦点最后可连成一条直线，因此过F点的线实际是一条聚焦线。当入射光线从另外一个方面入射时，相同道理，就引成过F’点的F’聚焦线。
与其它聚光器相比，CPC的反射镜面面积较大，但由于CPC的上部镜面几乎与包含对称轴的中心面相平行，故这部分镜面的聚光效果很小，为减小CPC的尺寸，以降低成本，实际应用时，可将上部镜面截去40-60％，如图中将高度H，截去40-60％后，保留h高度，其聚光效果是基本相同的。
图4所示为利用CPC组装而成的金属玻璃真空管过热蒸气发生器。21为导热性能特好的金属管，外表磁控溅射一层高温度选择性吸收涂层。22为真空层。23为高硼硅玻璃管。24为导热性能特好的金属丝卷成圆形金属网，金属丝网填满整个金属管内管，且紧贴内壁。25为上封头。26为下封头。27为饱和蒸气入口。28为过热蒸气出口。饱和蒸气从饱和蒸气入口27进入后，即不断与被太阳能CPC聚焦加热的金属内腔，包括金属丝网进行热交换，使饱和蒸气的热容不断增加，即扩大了过热蒸气熵的含量，最后过热蒸气出口28出口送往太阳能反应器3参加(II)式反应。
图5、图6所示为利用CPC组装而成的金属玻璃真空管反应器。31为一种耐腐蚀不锈钢管，外表磁控溅射一层高温选择性吸收涂层。32为高硼硅玻璃管。33为真空层。34为不锈钢上封头，35为不锈钢下封头。36为耐腐性不锈钢导管，在导管的反应段内沿轴向每隔一定距离在园周方向均匀布若干小孔以作反应气体通道。37为辅助电源，其功率大小根据反应温度补缺。38为不锈钢导管，同样在反应段沿轴向每隔若干距离按圆周方向均匀布若干小孔，以供气体进出通道。39为导管填料函以供密封之用。310和311为排气孔，312为FeCl3催化剂。
在(II)式的整个反应过程，前期因为这是一个吸热反应，体系内要达到较高的反应温度，同时反应过程中又大量吸热，一旦太阳能CPC聚焦温度不足，可增加辅助电源，以满足反应热的需要。另方面在反应的后期，又因为大量的反应已基本结束，其温度仍处于高端，而下一步的(III)反应，其反应温度只要求200-290℃之间(因为FeCl3的熔点才306℃，分解温度才315℃，如果反应体系的温度接近熔点，显然对FeCl3的还原反应是不利的，所以在这一段时间内要体系内的温度从高端的400℃多度，一下子降到200℃多度，显然这是难的。因为太阳能仍然是照样加热不误，为此在工艺上增加了一段利用混合气载体进行热交换，要快速从体系内将多余的热量移走，且不能浪费。混合气载体是最理想的热交换气体。一是混合气载体不与任何物质发生反应；二是混合气载体的热传导系数高，三是混合气载体可循环使用。
同样在(III)式的反应中，因(II)式参加反应的H2O是过量的，过量的水与Cl结合变成6HCl，故在(III)式的反应中又把它们还原回来。实际上(I)(II)(III)式的反应是在一个全封闭的过程中，严格遵守一个循环的平衡，消耗的是水，被分解成氢和氧。
有关整个反应体系的温度、压力、各种反应气体的信号均由传感器通过电脑作出自动化控制，是已经成熟的技术，这里不再复述。
权利要求
1.一种利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能蒸气发生器加热产生饱和蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能过热蒸气发生器加热饱和蒸气产生过热蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管结合的太阳能发应器将FeCl3催化剂加热到反应温度后，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及时抽出送氯气贮罐贮存；加热温度再升高到氢反应温度后接受太阳能过热蒸气发生器输送的过热蒸气与FeCl2反应，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合气；混合气经冷凝后送吸附床为HCl吸附剂所吸附，分离出的H2被贮存；反应器内过剩的高温被抽风机送来的混合气载体在反应器内进行热交换，经过热交换后的混合气载体又被抽风机送到贮水箱中与冷水进行热交换，交换后的热水留作太阳能蒸气发生器产生饱和蒸气，混合气载体又被送到备用吸附床，将残留的HCl气体吸附后定期解吸回收用，分离出的混合气载体又被送回贮罐供下一次循环备用；与此同时吸附床通过太阳能过热蒸气发生器输送的过热蒸气蒸气加热，将被吸附的HCl气体解吸和贮罐中的Cl2同时被抽送到反应器内反应，Fe3O4还原成FeCl3，H2O和O2的混合气经冷凝后被抽风机抽出冷凝水被水泵送入贮水箱供循环之用，分离的O2被贮存。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于所述的混合气载体为VIIIA族的气体或者其混合物。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于所述的太阳能蒸气发生器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管和热水箱，所述的抛物面聚焦器包括上盖板，两侧板和外壳，上盖板，两侧板均由玻璃板组成，内部为一抛物面和下部过渡的渐开线面的镜面；抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空热管，太阳能金属玻璃真空热管为一金属管，外壳为高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管和金属管封死抽真空形成真空层，高硼硅玻璃管内的金属管为蒸发段，金属管伸出高硼硅玻璃管的一端为冷凝段，冷凝段插入热水箱。
4.根据权利要求1所述的利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于蒸发段上的金属管外部设有由铝、铜金属片组成的吸热片，金属管和吸热片上磁控溅射高温选择性吸收涂层。
5.根据权利要求1所述的利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于所述的太阳能过热蒸气发生器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器，所述的抛物面聚焦器的抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器，太阳能金属玻璃真空管过热蒸气发生器的外层为高硼硅玻璃管，内层为金属管，中间抽真空；金属管外壁磁控溅射耐高温选择性吸收涂层；金属管两头有法兰活动联接的封头，内装导热性能特好的金属丝网卷成的网卷，网卷填满整个管子内部空间紧贴管子内壁；两头封头有进出口接头。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，其特征在于所述的太阳能反应器包括抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管反应器，所述的抛物面聚焦器的抛物面的焦点处固定太阳能金属玻璃真空热管反应器，太阳能金属玻璃真空管反应器的外层为高硼硅玻璃管，内层是耐腐蚀的不锈钢管，中间抽真空；不锈钢管外壁磁控溅射耐高温选择性吸收涂层；两端为带法兰活动联接的封头；管子两头有孔板，中间有供进出口气的不锈钢导管，导管在反应段沿轴向每隔一段距离按径向均匀布若干小孔；钢管内填满FeCl3催化剂，催化剂的空间埋有通气的导管，在导管沿轴向每隔一段距离按径向均匀分布若干小孔。
全文摘要
本发明公开了一种利用太阳能复合聚光制备氢气和氧气的系统，利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能蒸气发生器加热产生饱和蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空热管结合的太阳能过热蒸气发生器加热饱和蒸气产生过热蒸气；利用抛物面聚焦器和太阳能金属玻璃真空管结合的太阳能发应器在FeCl
文档编号C01B13/02GK1803579SQ200510048908
公开日2006年7月19日 申请日期2005年1月14日 优先权日2005年1月14日
发明者吴佶伟 申请人:吴佶伟