本发明属于太阳能制氢领域，特别涉及一种光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统。
背景技术：
1、随着能源与环境问题的日益加剧，开发可再生能源替代传统的化石能源作为一种有效的途径，已经得到了大力的发展。太阳能作为一种清洁高效的可持续绿色能源，广泛地应用于生活中的方方面面，其中主要包括太阳能光热利用，光伏利用以及光化学利用等方式。太阳能分布广泛，总量大，但是能量密度低，受天气影响辐照强度不稳定，目前大规模利用太阳能的主要方式有光热电站和光伏电站等，但是由于太阳能间歇性的特点，太阳能发电必须以稳定的电源调峰作为支撑保证电网的稳定运行。太阳能光化学利用的方式可以直接将太阳能转化为化学能存储在相应的燃料中，例如光催化分解水，可以直接将太阳能转化为氢能存储或者用于其他绿色化工合成，减少了对电网或者储能的依赖，同时生产过程中没有碳排放。
2、目前太阳能光催化分解水的效率远远低于实际应用的要求，主要是受限于高效半导体材料的开发，半导体的带隙决定了其光谱利用范围，且需要合适的导带和价带位置满足分解水的电位要求，现有的光催化剂只能吸收太阳光谱中的高能波段，主要集中在紫外波段以及部分短波段可见光。太阳能中长波段部分不能直接用于激发半导体驱动光催化反应，可被反应体系吸收转化为热能，同时高能光子弛豫和复合的能量也将转化为热能，这两部分能量转化为的热能在常规的光催化反应中往往被浪费掉。光热催化技术合理地利用这部分热能，实现太阳能的全波段高效利用，利用体系产生的热能实现光热协同催化，可以大大的促进反应的进行。
3、尽管光热催化可以利用热能促进光催化分解水反应的进行，但是高温的光热催化体系不可避免地向环境进行热耗散，且温度越高向环境换热越快，最终这部分低品位热能还是没有得到合理的利用，光热催化分解水的效率受限于光催化体系的热力学极限。
4、目前的光热催化大多关注如何设计合理的光热催化剂使其具有良好的光热响应以促进分解水反应的进行，对于体系余热利用方面的设计相对较少，并没有实现太阳能制氢过程中全流程的合理设计及利用。因此设计合理太阳能制氢系统，从光利用和热利用两方面同时考虑，对太阳能进行充分开发与利用，实现高效的太阳能制氢十分重要。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的无法对太阳能进行充分开发与利用的问题，本发明的目的是提供了一种光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，该系统能够实现高效的光热协同催化制氢，同时利用热电器件回收光热催化体系的低品位余热发电并驱动电解水制氢，实现了太阳能光利用和热利用的全流程制氢。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，包括光热催化反应器、热电器件、水冷器、dc-dc转换器、电解水装置、气体产物收集装置、氢气测试装置与光源；
4、其中，所述光热催化反应器、热电器件与水冷器从上到下依次设置并接触；光热催化反应器与氢气测试装置相连，热催化反应器内设置有热电偶温度计，热电器件与dc-dc转换器相连，dc-dc转换器与电解水装置相连，电解水装置与气体产物收集装置相连；光热催化反应器上方设置光源。
5、进一步的，dc-dc转换器经电流表与电解水装置相连，电解水装置与电压表相连。
6、进一步的，所述光热催化反应器包括顶部盖板、反应器中间层与底部盖板相连，顶部盖板开设有光窗，反应器中间层上开设有通孔，光窗与通孔形成光路，反应器中间层中心设置有反应腔。
7、进一步的，所述反应器中间层四周侧面设置有液体产物采集口，多功能备用口以及气体产物采集口；所述液体产物采集口靠近反应器中间层底部，多功能备用口和气体产物采集口靠近反应器中间层顶部。
8、进一步的，所述热电器件包括热电器件吸热面、热电器件散热面、n型热电材料和p型热电材料；热电器件吸热面、热电器件散热面平行设置，n型热电材料上设置有热电器件的正极，p型热电材料上设置有热电器件的负极；n型热电材料和p型热电材料采用串联布置的方式进行组装。
9、进一步的，所述dc-dc转换器包括电感元件、mos管、二极管和电容元件组成；电感元件一端与输入正极相连，电感元件另一端与mos管的漏极以及二极管的正极相连，二极管的负极以及电容元件的一端与输出正极相连，电容元件的另一端、mos管的源极与接地极相连，输入负极、输出负极与接地极相连。
10、进一步的，所述电解水装置是单腔室或h型的碱性电解槽。
11、进一步的，电解水装置包括阳极槽和阴极槽、阴离子交换膜、阴极材料、阳极材料、阴极电极夹与阳极电极夹；阳极槽顶部设置有阳极电极夹，阳极槽顶部开设有氧气采集口，阳极槽内部设置阳极材料；阴极槽顶部设置阴极电极夹，阴极槽顶部开设氢气采集口，阴极槽内设置阴极材料；阳极槽和阴极槽通过阴离子交换膜相连通。
12、进一步的，所述热电器件的正极与dc-dc转换器的输入正极连接；热电器件的负极与dc-dc转换器的输入负极连接；dc-dc转换器中输出正极与电解水装置的阳极电极夹连接；dc-dc转换器中输出负极与电解水装置的负极电极夹连接。
13、进一步的，所述气体产物收集装置包括蝴蝶夹、氢气收集量筒、氢气密封水槽和氧气收集量筒；氢气收集量筒倒置于氢气密封水槽中；氧气收集量筒倒置于氧气密封水槽中；氢气收集量筒与氧气收集量筒之间相连通的管道上设置蝴蝶夹。
14、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
15、本发明中由于采用光热催化反应器、dc-dc转换器与光源，通过光热催化体系的光热协同效果提高了光催化制氢的性能，同时能够利用光热催化反应器中的催化剂与反应溶液，将太阳能充分转化为热能，一方面热能的引入促进了光催化制氢的性能，另一方面高效的光热转化有利与热能品位的提升。其次通过热电器件将光热催化反应能够体系的余热转化为电能，通过dc-dc转换器使其输出的电流电压水平与电解水装置的需求相匹配，用于驱动电解水进一步制氢。该系统充分利用了太阳能全光谱，实现了太阳能制氢全流程中的光利用与热利用的结合，有效的提高了太阳能制氢系统的整体效率。
16、进一步的，所述液体产物采集口靠近反应器中间层103底部，多功能备用口109和气体产物采集口靠近反应器中间层顶部，采取高低位布置的方式有利于气体产物和固体产物的分别采集。
1.一种光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，包括光热催化反应器(1)、热电器件(2)、水冷器(3)、dc-dc转换器(4)、电解水装置(5)、气体产物收集装置(6)、氢气测试装置(7)与光源(16)；
2.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，dc-dc转换器(4)经电流表(14)与电解水装置(5)相连，电解水装置(5)与电压表(15)相连。
3.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述光热催化反应器(1)包括顶部盖板(101)、反应器中间层(103)与底部盖板(104)相连，顶部盖板(101)开设有光窗(102)，反应器中间层(103)上开设有通孔，光窗(102)与通孔形成光路(106)，反应器中间层(103)中心设置有反应腔(108)。
4.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述反应器中间层(103)四周侧面设置有液体产物采集口(107)，多功能备用口(109)以及气体产物采集口(110)；所述液体产物采集口(107)靠近反应器中间层(103)底部，多功能备用口(109)和气体产物采集口(110)靠近反应器中间层(103)顶部。
5.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述热电器件(2)包括热电器件吸热面(201)、热电器件散热面(202)、n型热电材料(205)和p型热电材料(206)；热电器件吸热面(201)、热电器件散热面(202)平行设置，n型热电材料(205)上设置有热电器件的正极(203)，p型热电材料(206)上设置有热电器件的负极(204)；n型热电材料(205)和p型热电材料(206)采用串联布置的方式进行组装。
6.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述dc-dc转换器(4)包括电感元件(406)、mos管(407)、二极管(408)和电容元件(409)组成；电感元件(406)一端与输入正极(401)相连，电感元件(406)另一端与mos管(407)的漏极以及二极管(408)的正极相连，二极管(408)的负极以及电容元件(409)的一端与输出正极(403)相连，电容元件(409)的另一端、mos管(407)的源极与接地极(405)相连，输入负极(402)、输出负极(404)与接地极(405)相连。
7.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述电解水装置(5)是单腔室或h型的碱性电解槽。
8.根据权利要求1或7所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，电解水装置(5)包括阳极槽和阴极槽、阴离子交换膜(501)、阴极材料(502)、阳极材料(503)、阴极电极夹(504)与阳极电极夹(505)；阳极槽顶部设置有阳极电极夹(505)，阳极槽顶部开设有氧气采集口(507)，阳极槽内部设置阳极材料(503)；阴极槽顶部设置阴极电极夹(504)，阴极槽顶部开设氢气采集口(506)，阴极槽内设置阴极材料(502)；阳极槽和阴极槽通过阴离子交换膜(501)相连通。
9.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述热电器件(2)的正极(203)与dc-dc转换器(4)的输入正极(401)连接；热电器件(2)的负极(204)与dc-dc转换器(4)的输入负极(402)连接；dc-dc转换器(4)中输出正极(403)与电解水装置(5)的阳极电极夹(505)连接；dc-dc转换器(4)中输出负极(404)与电解水装置(5)的负极电极夹(506)连接。
10.根据权利要求1所述的光热催化耦合热电转化的太阳能制氢系统，其特征在于，所述气体产物收集装置(6)包括蝴蝶夹(605)、氢气收集量筒(601)、氢气密封水槽(603)和氧气收集量筒(602)；氢气收集量筒(601)倒置于氢气密封水槽(603)中；氧气收集量筒(602)倒置于氧气密封水槽(604)中；氢气收集量筒(601)与氧气收集量筒(602)之间相连通的管道上设置蝴蝶夹(605)。