一种低倍聚焦双抛双面光伏发电耦合光热制氢集成系统

本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种低倍聚焦双抛双面光伏发电耦合光热制氢集成系统。

背景技术：

1、太阳能是最具有潜力的可再生能源之一，但存在能量密度低、间歇性、稳定性差等不足。目前，市面上最常见的利用太阳能的器件就是光伏，光伏利用太阳能激发状态下的半导体效应产生电压来发电，可以将源源不断的太阳能转化为电能进行生产、加工利用。然而，由于太阳能资源的客观波动性及低能量密度，普通光伏所产生的电能波动性很大，其对于利用侧的用电器来讲并不友好。采用合理、有效、廉价的太阳能聚光技术可有效解决上述问题，提升光伏在单位面积上的光子分布密度，一定程度上减少光子波动性对于电能输出性能的影响。

2、此外，聚光条件下工作的光伏会衍生出大量的热量，由于光伏对热量的敏感性，在高温下其工作效率会有显著下降的趋势。以目前常见的单晶硅或多晶硅为例，基本上每上升1℃，光伏的效率会对应下降约0.5％。针对此附属问题，如何进行高效规范的热管理设计尤为重要。另外，对于太阳能到氢能的最终转化和利用来讲，除了通过光伏产生电能继续电解制氢以外，光热耦合制氢也是现有制氢技术中不错的选择，如何将聚光光伏多余的热量与其他化学反应互补集成利用是提升太阳能到氢能整体转化效率的重要方向。尽管在该领域，对于单一的光伏发电或者是光热化学制氢反应有很多研究，但是对于聚光光伏系统的有效集成设计并耦合热辅助条件下的光热反应系统优化仍少有报道。因此，设计并研发此类太阳能分光谱梯级有序利用的集成装置对于研发人员深入研究其理论耦合机制并为后续系统的发展优化及规模化放大提供参考和建议具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低倍聚焦双抛双面光伏发电耦合光热制氢集成系统，旨在为相关研发科研人员提供一种抛物面低倍聚焦工作情况下的双面光伏发电耦合光热反应制氢的高效集成反应系统，以便于其进一步深化研究和优化相关反应机制工况及设计理论，为后续更加清洁、高效、有序、规模化的洁净能源转化体系系统设计提供支撑。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

3、一种低倍聚焦双抛双面光伏发电耦合光热制氢集成系统，包括双抛双面光伏发电部分和光热制氢反应部分；

4、双抛双面光伏发电部分包括透光清洁板，设置在透光清洁板下方两侧的左抛物镜面和右抛物镜面，设置在透光清洁板正下方且在左抛物镜面和右抛物镜面对称轴上的上光伏板和下光伏板，设置在上光伏板和下光伏板中间层的冷却板流道，设置在与冷却板流道垂直且两者通过旋转连接螺栓固定的支杆，以及设置在支杆最下方的旋转支架；在双抛双面光伏发电部分下游端设置有储能电池，储能电池的工作状态通过智能电控系统进行监测控制，在智能电控系统下游端设置有质子交换膜电解槽，智能电控系统根据终端用能输出需求选择性将部分电能用于质子交换膜电解槽的电解水制氢的能量消耗；

5、光热制氢反应部分包括室内模拟光源，设置在室内模拟光源正下方的光热反应器，与光热反应器连通的光热反应浆料罐以及用于泵送反应浆料的循环蠕动泵；质子交换膜电解槽电解过程所需水源储存在蓄水罐中，在蓄水池下游设置有循环动力泵用于将水源打入到质子交换膜电解槽中；与冷却板流道连通的流量控制器控制循环管道中的流量大小；流动换热工质携带的热量经换热器的热交换后将热能分配给质子交换膜电解槽回路和光热反应器回路。

6、本发明进一步的改进在于，上光伏板和下光伏板的两者尺寸一致且背对背放置。

7、本发明进一步的改进在于，整个双抛双面光伏发电部分在支杆的支撑作用下能够以旋转支架作为支点进行旋转，在实际工作情况下实时跟踪太阳能方位完成太阳能向电能的转化。

8、本发明进一步的改进在于，在整个集成系统工作时，由于左抛物镜面和右抛物镜面的聚光效应，上光伏板和下光伏板产生大量废热，流经冷却板流道的高效纳米颗粒流动换热工质将热量及时带走并储存在换热工质储罐中。

9、本发明进一步的改进在于，透光清洁板具有大于98％的光学透过率。

10、本发明进一步的改进在于，由左抛物镜面和右抛物镜面组成的类“w”型聚光器对应的几何聚光比例为4-10；上光伏板、下光伏板以及冷却板流道等宽，左右两侧均在左抛物镜面和右抛物镜面的中心线上。

11、本发明进一步的改进在于，智能电控系统能够根据不同季节、不同时间段的太阳能的辐射强度、终端系统的电能需求量以及电解水的制氢量来进行电能的收集与分配；系统输出的部分电能通过储能电池向系统外部供应；通过质子交换膜电解槽电解得到的氢气在蓄水罐中收集，由于氢气与水的密度之差，氢气不断富集于蓄水罐的顶部；质子交换膜电解槽中的水工质温度通过循环动力泵进行反馈控制，同时结合换热器的实际工作容量进行动态调控。

12、本发明进一步的改进在于，换热工质储罐中的热工质存在形式为颗粒悬浮于溶液中，其中将金属单质cu、al、ag或金属氧化物tio2、cuo、ceo2、a2o3溶于水、乙二醇、硅油溶剂中复配而成。

13、本发明进一步的改进在于，系统中的光热制氢反应部分采用室内模拟光源驱动在光热反应器进行；在室外低倍聚焦条件下工作的上光伏板和下光伏板产生的大量废热间接传递给光热制氢反应，用于加速反应的速率；光热反应浆料罐中储存光热催化剂的水悬浮液，光热催化剂nip/tio2、cu/tio2、au/tio2、coo/tio2均可溶于去离子水后用于光热制氢反应；循环蠕动泵能够根据实时光热反应速率及气液两相分离特性等调节催化剂颗粒悬浮液的流量；换热器具有三条流路，一条为储存在换热工质储罐中的热流体，其余两条分别为质子交换膜电解槽中的水工质和用于光热制氢反应的光热催化剂的水悬浮液。

14、本发明进一步的改进在于，驱动双面光伏发电的太阳能为室外直接太阳能，其为一年四季辐射至系统工作地点地平面的光子辐射量；驱动光热制氢反应的室内模拟光源为稳定的光能输入，其辐射量通过对应的辐照计进行衡量，其大小能够通过对应的工作电流、电压来进行调节。

15、相对于现有技术，本发明技术具有如下有益的技术效果：

16、1、本发明设置有透光清洁板，可有效避免室外光伏利用过程中的灰尘、污渍等导致的“遮光”效应，提升聚光光伏的性能的波动性扰动。同时，透光清洁板具有一定的自清洁能力，可提升光伏在实际利用过程中的安全可靠性。

17、2、本发明设置的抛物面镜面设计采用双抛物面对称放置，相较于普通的“v”型抛物面光伏来讲，所聚焦辐射得到的光子分布更加均匀。光伏设置采用双面光伏协同发电，光子利用效率更高。

18、3、本发明中聚光光伏所产生的热量可通过高效换热工质的导热作用及时将聚光光伏表面产生的热量带走，提升了光伏使用的耐久性及安全性。

19、4、本发明中聚光光伏产生的电能一方面可通过储能电池给外界供电，另外其可根据用能需求将电能进一步通过质子交换膜电解槽转化为氢能进行储存利用。

20、5、本发明中聚光光伏携带的热量有序地分配给光热制氢反应和质子交换膜电解槽，加快各自反应的传热传质能力及对应的反应速率。