一种太阳能热-电-化学综合利用系统的制作方法

本发明涉及可再生能源技术领域，尤其涉及一种太阳能热-电-化学综合利用系统。

背景技术：

太阳能被认为是最有前景的可再生能源之一。目前主流的太阳能利用技术为太阳能光热利用技术与太阳能光伏利用技术。

太阳能光热利用技术首先将太阳能转化为热能，之后对热能进行利用。由于电能与化学能在能源结构中占有重要地位及其便于运输、使用等优良特性，太阳能热发电技术与太阳能热化学技术被广泛研究。而由于过程中将品位极高的太阳光能直接转化为品位较低的热能，造成了较大的不可逆损失，使系统效率较低。

太阳能光伏利用技术通过光生伏特效应将太阳能直接转化为电能。受限于光生伏特效应原理与技术水平，目前量产型的太阳能光伏电池的发电效率在15％-25％左右，这意味着将有75％以上的太阳能直接变为热能。而受限于光伏电池的工作温度，该部分热能的温度多在100℃以下，难以超过300℃。而且由于光伏电池存在负温度效应，提高热能的利用温度将会降低光伏电池的发电效率。以上两方面因素很大程度限制了该部分热能的进一步利用，也限制了光伏光热综合利用技术的发展。

太阳能光子增强热电子发射(Photon-enhanced thermionic emission，简称PETE)技术将光伏效应与热电子发射效应结合，电子吸收短波光子能量跃迁至导带，之后其吸收阴极热量，自阴极表面发射并被阳极吸收，过程中太阳能被转化为电能。一方面，既避免了将太阳光直接转换为热能，又避免了光伏电池的负温度效应，使得光子增强热电子发射器件还可提供100℃-1000℃热能，为进一步提高太阳能利用效率打下了基础；另一方面，光子增强热电子发射技术同样面临电能供应与热能供应波动剧烈、仅可晴天供电的问题。

目前光子增强热电子发射器件热能主要通过热机或热电器件利用。由于太阳能的不稳定造成的器件热能的不稳定及器件制作尺寸较小，使得该热能用作热机热能存在巨大挑战；由于热电器件效率低、成本高，使得该热能通过热电器件利用收益小、成本高。

由此可见，现有技术在将太阳能转换为电能的过程中存在如下问题：(1)太阳能光热技术直接将高品位太阳能转化为低品位热能，不可逆损失大，效率低；(2)太阳能光伏技术受限于自身工作原理与技术水平，效率较低，产生余热量大；(3)基于光伏余热利用的光伏光热综合利用技术，因光伏电池工作温度低，产生的余热温度低、品位低，发展受到限制；(4)光子增强热电子发射技术电能供应波动剧烈，更无法实现全天候供电，易对电网产生冲击；(5)光子增强热电子发射技术热能供应波动剧烈且光子增强热电子发射器件尺寸较小，与现有热机系统不匹配；(6)以热电器件利用光子增强热电子发射器件热能对系统效率提高较小，且依然无法解决供电波动剧烈、无法全天候供电的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太阳能热-电-化学综合利用系统。

(二)技术方案

本发明提供了一种太阳能热-电-化学综合利用系统，包括：聚光装置、至少一化学反应器和至少一个光子增强热电子发射器件；所述光子增强热电子发射器件包括第一电极和第二电极，所述第一电极贴附于所述化学反应器的加热面，所述第二电极朝向所述聚光装置；所述聚光装置将太阳光汇聚至所述第二电极和化学反应器的加热面，部分太阳能由所述光子增强热电子发射器件转化为电能和热能，部分太阳能由所述化学反应器的加热面转化为热能，由所述光子增强热电子发射器件转化的电能对外输出，由所述光子增强热电子发射器件和化学反应器的加热面转化的热能驱动所述化学反应器产生化学产物，将热能转化为化学能。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的太阳能热-电-化学综合利用系统具有以下有益效果：

(1)将部分太阳能由光子增强的热电子发射器件转化为电能，其余部分太阳能被转化为热能，减小了高品位太阳能直接向较低品位热能转化造成的可用能损失，提高了能源利用效率；

(2)光子增强的热电子发射器件转化的热能经由化学反应吸收转化为化学能，使得热能的品位提升至化学能的品位，提高了热能的品位，相对于将该热能直接由热机发电，系统可以获得更高的效率；并且化学反应易于调节，通过调节反应物的供应速度承受剧烈的太阳能变化，实现了波动剧烈的热能向稳定的化学能的转化，有利于提高供能品质；而且化学能易于长期储存，系统具有储存太阳能的功能，不再需要额外的储能设备；

(3)通过将多余的电能转化为化学能，以及将储存的化学能转化为电能，实现了全天候供电以及电能的稳定输出；

(4)将光子增强的热电子发射器件的产生电能用作化学反应所需电能，可降低化学反应所需温度，提高系统效率；

(5)系统可工作于电能稳定输出模式、化学能输出模式、以及电能和化学能并行输出模式，实现热能、电能、化学能的灵活转化，具有产品输出比例可调的功能，在系统无法向外供电时(如电网调节、电网故障)，可将化学能作为最终产品；在电力需求更多时，可将电能作为最终产品，供能种类丰富，比例灵活可调。

附图说明

图1是依据本发明第一实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图；

图2是依据本发明第二实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图；

图3是依据本发明第三实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图。

符号说明

1-太阳能热-电-化学反应器；

1a、1c-化学反应器； 1b-光子增强热电子发射器件；

2-聚光装置；

3-产物储存装置；

4-发电装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明将太阳能光伏技术、热电子发射技术和热化学技术结合起来，在被转化为品位较低的热能之前，太阳能首先经光子增强热电子发射器件产生电能，而光子增强热电子发射器件产生的波动剧烈、不易储存、较低品位的热能经由吸热化学反应转化为稳定、易储存、高品位的化学能，可以大幅度提高太阳能利用效率、供能品质，实现系统供能种类、比例灵活可调。

在本发明的第一实施例中，提供了一种太阳能热-电-化学综合利用系统。图1为根据本发明实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统的结构示意图。如图1所示，太阳能热-电-化学综合利用系统包括：太阳能热-电-化学反应器1和聚光装置2，太阳能热-电-化学反应器1包括：化学反应器1a和光子增强热电子发射器件1b。

化学反应器1a用于实现热化学反应，将热能转化为化学能，其内部设置反应物的输入通道、输出通道和反应腔体，其表面设置加热面。

光子增强热电子发射器件1b的第一电极贴附于化学反应器1a的加热面，使得化学反应器1a的部分加热面被光子增强热电子发射器件1b覆盖，剩余部分加热面未被光子增强热电子发射器件1b覆盖，暴露于空气中。

聚光装置2，用于将太阳光汇聚至光子增强热电子发射器件1b的第二电极，以及化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面。

其中，第一电极可以是阳极，第二电极可以是阴极，或者第一电极是阴极，第二电极是阳极。

本实施例中，单个光子增强热电子发射器件1b贴附于单个化学反应器1a的加热面，但本发明并不以此为限。本发明的化学反应器1a还可以采用化学反应器组，化学反应器组包括多个化学反应器，光子增强热电子发射器件1b的第一电极贴附在多个化学反应器1a的加热面上；本发明的光子增强热电子发射器件还可以是光子增强热电子发射器件组，光子增强热电子发射器件组包括多个光子增强热电子发射器件，多个光子增强热电子发射器件的第一电极贴附于化学反应器1a的加热面；或者贴附于化学反应器组，即多个化学反应器的加热面。另外，化学反应器的加热面还可以进行保温处理，形成保温面，以减少热能损失，提高能源利用率。

聚光装置2可以为菲涅尔式太阳能聚光装置、槽式太阳能聚光装置、复合抛物面太阳能聚光装置、塔式太阳能聚光装置、碟式太阳能聚光装置等类型的聚光装置。

本实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统，聚光装置2将太阳光全部或部分汇聚至光子增强热电子发射器件1b的第二电极，以及化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面。光子增强热电子发射器件利用光子增强热电子发射效应将部分太阳能转化为电能，部分太阳能转化为热能。电能作为系统产品直接对外输出。反应物经输入通道进入化学反应器1a的反应腔体，光子增强热电子发射器件转化的热能与直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能作为化学反应器1a的内热源，驱动反应物在反应腔体内发生化学反应，生成的化学产物作为系统产品经输出通道对外输出，从而将光子增强热电子发射器件产生的热能、以及直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能转化为化学能储存于化学产物之中，其中，所述化学反应为热化学反应，所述化学反应器1a为热化学反应器。

由此可见，本发明的太阳能热-电-化学综合利用系统，相对于太阳能光热利用技术，将部分太阳能由光子增强的热电子发射器件转化为电能，仅剩余部分太阳能被转化为热能，减小了高品位太阳能直接向较低品位热能化造成的可用能损失，提高了能源利用效率。光子增强的热电子发射器件转化的热能经由化学反应吸收转化为化学能，使得热能的品位提升至化学能的品位，提高了热能的品位，相对于将该热能直接由热机发电，系统可以获得更高的效率。并且化学能易于长期储存，因此系统具有储存太阳能的功能，不再需要额外的储能设备。

本发明第二实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统，为了达到简要说明的目的，与上述第一实施例中相同的技术特征不再重复相同叙述。如图2所示，相对于第一实施例，该系统包括两个化学反应器，化学反应器1a和化学反应器1c，光子增强热电子发射器件1b的第一电极贴附于化学反应器1a的加热面，光子增强热电子发射器件1b的第二电极贴附于化学反应器1c的加热面，化学反应器1c为部分或全部透光的反应器。

本实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统，太阳光穿过部分透光或全部透光的化学反应器1c汇聚至光子增强热电子发射器件1b的第二电极，以及化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面。光子增强热电子发射器件产生的电能作为系统产品直接对外输出。化学反应器1a和1c同时通入反应物，光子增强热电子发射器件转化的热能与直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能作为化学反应器1a的内热源，驱动化学反应器1a的化学反应，未透过化学反应器1c的部分太阳光被化学反应器1c吸收转化为热能，该热能与光子增强热电子发射器件转化的热能作为化学反应器1c的内热源，驱动化学反应器1c的化学反应，即太阳能转化的热能通过两个化学反应器转化为化学能，转化速度快，转化效率高，同时，两个化学反应器可以进行不同的化学反应，生成不同的化学产物，可以提供的较为丰富的化学产品。

上述过程中，化学反应器1a和1c处于并行反应模式，在本实施例中，化学反应器1a和1c也可以处于串行反应模式，化学反应器1a和1c串行连接，例如，化学反应器1a的输出通道连接化学反应器1c的输入通道。反应物通入化学反应器1a，化学反应器1a发生第一化学反应，其生成的中间化学产物继续通入化学反应器1c，化学反应器1c第二发生化学反应，生成最终的化学产物。化学反应器1a与1c可处于不同的反应环境(例如温度)，第一化学反应和第二化学反应属于反应的不同阶段。另外，化学反应器1a和1c的位置也可以互换，将化学反应器1c的输出通道连接化学反应器1a的输入通道，也可以实现串行反应模式。与第一实施例类似，化学反应器1c也可以采用化学反应器组，化学反应器组包括多个化学反应器。本发明系统的化学反应器设置灵活，可以根据能源和产品的需求情况，调节化学反应器的模式，得到不同的化学产物，可以方便灵活的得到不同形式的化学能。

本发明第三实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统，为了达到简要说明的目的，与上述第一、二实施例中相同的技术特征不再重复相同叙述。如图3所示，相对于第一实施例，太阳能热-电-化学综合利用系统还包括：产物储存装置3和发电装置4。

化学反应器1a具有电热装置，电热装置连接光子增强热电子发射器件1b的第一电极和第二电极；化学反应器1a的输出通道连接产物储存装置3与发电装置4，产物储存装置3连接发电装置4，化学反应器1a的化学产物可以部分或全部通入产物储存装置3进行储存、部分或全部通入发电装置4，驱动发电装置4发电，产物储存装置3储存的化学产物作为原料可通入发电装置4，驱动发电装置4发电。

本实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统可以工作于电能输出稳定模式，在电能输出稳定模式中：

如果光子增强热电子发射器件1b产生的电能大于所需电能，则加大反应物的供应速度，光子增强热电子发射器件1b产生的过多电能，与光子增强热电子发射器件1b产生的热能以及直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能，共同驱动热化学反应，将热化学反应生成的化学反应产物储存于产物储存装置3中，以保持化学反应器1a和光子增强热电子发射器件1b的温度符合要求，使光子增强热电子发射器件1b输出的电能等于所需电能，保持系统电能输出稳定。

在上述过程中，化学反应器1a的电热装置将光子增强热电子发射器件1b产生的过多电能转化为热能，所转化的热能驱动热化学反应，通过化学反应器1a的电加热消化光子增强热电子发射器件1b的过多电能，以维持输出电能稳定。

其中，化学反应器1a还可以是电化学反应器和电-热化学反应器。当采用电化学反应器时，光子增强热电子发射器件1b产生的过多电能作为室温电化学反应所需的电能，驱动电化学反应器内的反应物发生室温电化学反应，以消化过多电能从而维持输出电能稳定。当采用电-热化学反应器时，光子增强热电子发射器件1b产生的过多电能作为温度高于室温的电-热化学反应所需的电能，驱动反应物发生温度高于室温的电-热化学反应，以消化过多电能从而维持输出电能稳定。

如果光子增强热电子发射器件1b产生的电能等于所需电能，则将其产生的电能全部对外输出，光子增强热电子发射器件1b产生的热能以及直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能，共同驱动热化学反应，将热化学反应生成的化学反应产物储存于产物储存装置3中，保持系统电能输出稳定。

如果光子增强热电子发射器件1b产生的电能小于所需电能，则光子增强热电子发射器件1b产生的热能以及直接汇聚至化学反应器1a未被光子增强热电子发射器件1b覆盖的加热面的太阳能，共同驱动热化学反应，将热化学反应生成的化学反应产物直接通入发电装置4，同时也可以将产物储存装置3的化学产物通入发电装置4，使发电装置4的发电量与光子增强热电子发射器件1b产生的电能之和等于所需电能，保持系统电能输出稳定。

如果光子增强热电子发射器件1b不产生电能，则将产物储存装置3的化学产物通入发电装置4，使发电装置4的发电量等于所需电能，保持系统电能输出稳定。

在上述过程中，例如当太阳光照充足、不足或无光照时，光子增强热电子发射器件1b产生的电能会有波动，而通过将过多的电能转换为化学能，以及调整发电装置4发电量的方式调节系统对外输出的电能，使得系统在各种太阳光照条件下均可保持电能输出稳定。另外，当所需电能发生变化时，系统也可以通过上述方式及时灵活地调节对外输出的电能，以满足不同的电能需求，有利于电网的稳定。

其中，贴附于化学反应器1a的光子增强热电子发射器件1b的第一电极可以将化学反应器1a的加热面全部覆盖，太阳光全部汇聚至光子增强热电子发射器件1b的第二电极，化学反应器1a的加热面不再吸收太阳光，仅靠光子增强热电子发射器件1b产生的热能以及化学反应器1a的电热装置产生的热能驱动热化学反应。

化学反应器1a内的化学反应可以为但不限于：甲醇裂解反应；二甲醚裂解反应；甲醇水蒸气重整反应；二甲醚水蒸气重整反应；乙醇水蒸气重整反应；甲烷水蒸气重整反应；甲烷二氧化碳重整反应；水分解反应；二氧化碳分解反应。

在本实施例中，系统也可以工作于电能和化学能并行输出模式，在电能输出的同时，产物储存装置3也可以将其存储的化学产物向外输出，将电能和化学能同时对外输出。

当化学反应器1a为电化学反应器或电-热化学反应器时，即化学反应器1a的反应腔体内发生电化学反应和电-热化学反应时，本发明的系统还可以工作于化学能输出模式。

在化学能输出模式中，光子增强热电子发射器件1b利用太阳光产生电能，部分电能由化学反应器1a的电热装置转化为热能，作为驱动化学反应器的电化学反应和电-热化学反应的热能，部分电能作为驱动化学反应器1a的电化学反应和电-热化学反应的电能，从而驱动反应物发生电化学反应和电-热化学反应，生成的化学产物通入产物储存装置3存储，实现太阳能至化学能的转化。

其中，通过调节这两部分电能的分配比例，即转化为热能的电能和驱动电化学反应和电-热化学反应的电能的分配比例，并调节反应物的供应速度，系统运行于高效率运行模式，可以实现太能能至化学能的高效转化。

由此可见，本发明第二实施例的太阳能热-电-化学综合利用系统，通过将多余的电能转化为化学能，以及将储存的化学能转化为电能，实现了全天候供电以及电能的稳定输出。化学反应易于调节，通过调节反应物的供应速度承受剧烈的太阳能变化，实现了将波动剧烈的热能转化为稳定的化学能，提高了供能品质。将光子增强的热电子发射器件的产生电能用作化学反应所需电能，可降低化学反应所需温度，提高系统效率。将光子增强的热电子发射器件的电能用作热化学反应所需电能，实现了光子增强的热电子发射器件电能向化学能转化，系统可实现光能、热能、电能、化学能的灵活转化，具有产品输出比例可调的功能，在系统无法向外供电时(如电网调节、电网故障)，可将化学能作为最终产品；在电力需求更多时，可将电能作为最终产品。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)聚光装置还可以采用类型的设备，只要能够完成相同的功能即可；

(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。