專利名稱：一種太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱化學(xué)分解水制氫的裝置，特別是涉及大規(guī)模太陽能熱化學(xué)分解水制氫的裝置。
背景技術(shù)：
為了高效清潔的制取氫能，已采用了許多方法，如化石燃料的催化重整和部分氧化法、電解法、光電化學(xué)分解法、半導(dǎo)體光催化法、多步熱化學(xué)循環(huán)法等等。最近基于金屬及金屬氧化物的兩步熱化學(xué)循環(huán)法成為受人矚目的方法。例如2002年《International Journal ofHydrogen Energy.》雜志第27卷611頁上發(fā)表的文章《Solar Hydrogen Production Via a Two-StepWater-Splitting Thermochemical Cycle Based on Zn/ZnO Redox Reactions》提出了基于ZnO/Zn氧化還原系統(tǒng)的兩步熱化循環(huán)方法。這種方法具有概念和工藝簡單、反應(yīng)階段少、不使用氫氣分離裝置、無污染、太陽能利用率高，約為30％、可以大規(guī)模制取氫氣等優(yōu)點(diǎn)。它與其它太陽能熱化學(xué)循環(huán)方法的共同點(diǎn)就是使用太陽爐作為太陽能收集裝置。而差別則體現(xiàn)在這種方法的重點(diǎn)在于ZnO分解反應(yīng)器、Zn蒸汽急速冷卻裝置的研究開發(fā)。在雜志《Solar Energy》1999年第67卷(1～3)期161頁的《The Production of Zinc by Thermal Dissociation of ZincOxide-Solar Chemical Reactor Design》一文中公開了一種ZnO分解反應(yīng)器。該反應(yīng)器使用錐形采光口，后接CPC聚光鏡。經(jīng)過三次聚光的太陽光進(jìn)入水平放置的回轉(zhuǎn)錐形反應(yīng)器內(nèi)體，照射從反應(yīng)器尾部軸向進(jìn)入的ZnO顆粒，使其在太陽能的作用下分解。這種反應(yīng)器的缺點(diǎn)是錐形采光口反射一部分入射光，約為30％，使后接的CPC聚光鏡無法完全發(fā)揮聚光優(yōu)勢；錐形的反應(yīng)器內(nèi)體容易造成光線反射出反應(yīng)器，從而降低了反應(yīng)器的黑度；反應(yīng)器內(nèi)壁光滑摩擦力小，不利于ZnO顆粒的翻滾，限制了傳熱效果。對于Zn蒸汽急速冷卻裝置到目前為止還沒有公開的文獻(xiàn)可以參考。但是急速冷卻過程是造成系統(tǒng)不可逆熱損失的最重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)冷卻過程中Zn的再氧化反應(yīng)也會嚴(yán)重的降低整個(gè)制氫裝置效率。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服上述ZnO分解反應(yīng)器CPC聚光鏡利用效率低、錐形反應(yīng)器內(nèi)體黑度低、反應(yīng)器內(nèi)壁摩擦力小不利于ZnO劇烈翻滾；急速冷卻過程熱損失嚴(yán)重、Zn的再氧化等缺點(diǎn)造成的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置效率低的缺點(diǎn)本文提出了一種使用前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器以及噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置的熱化學(xué)分解水制氫裝置。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型在使用定日鏡一次反光結(jié)合碟式拋物面聚光鏡二次聚光的太陽爐作為太陽能收集裝置，以及使用常規(guī)液液反應(yīng)裝置作為氫氣發(fā)生器的熱化學(xué)分解水制氫裝置中，采用了以下改進(jìn)方案1、采用前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器作為ZnO分解反應(yīng)器，它以CPC聚光鏡作為采光口，向前傾斜布置，內(nèi)體刻有螺旋形凹槽且布滿孔道；2、使用噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置冷卻氣態(tài)Zn，它由冷卻器和斯特林發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，斯特林發(fā)電機(jī)組包括熱管式吸熱器、斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)三部分，伸入冷卻器內(nèi)部的熱管式吸熱器將冷卻器和斯特林發(fā)動機(jī)連成一體，冷卻器的壁面呈扇形布置氣態(tài)Zn和液態(tài)Zn噴嘴，使冷卻和被冷卻工質(zhì)充分混合實(shí)現(xiàn)急速冷卻，冷卻釋放的部分熱量通過伸入冷卻器內(nèi)部的熱管式吸熱器傳遞給斯特林機(jī)發(fā)動機(jī)，以利用這部分不可逆熱損失發(fā)電，供給系統(tǒng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)所需的寄生電力。
本實(shí)用新型的有益效果是由于熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)只有兩步，所以制氫裝置結(jié)構(gòu)簡單；前傾的布置方式和內(nèi)體上刻的螺旋形凹槽使ZnO顆粒劇烈翻滾從而提高了傳熱效果；CPC聚光鏡作為采光口、反應(yīng)器的內(nèi)體布滿孔道且為圓筒形，減少了采光口和反應(yīng)器內(nèi)壁反射光造成的熱損失；扇形交叉布置的噴嘴形成的噴霧冷卻方式使冷卻速度極快，從而減少了Zn的再氧化，與此同時(shí)，伸入冷卻器的斯特林發(fā)電裝置的熱管式吸熱器充分利用了冷卻過程的不可逆熱損失發(fā)電從而提高了整個(gè)過程的太陽能利用效率1～5％；可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫。


圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1定日鏡，2調(diào)節(jié)窗，3熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)裝置，4旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡，5前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器，6噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置，7氫氣發(fā)生器；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器剖視圖，圖中8石英玻璃，9保溫層，10孔道，11反應(yīng)器內(nèi)腔，12給料口，13反應(yīng)器內(nèi)體，14螺旋形凹槽，15出氣口，16過渡孔，17采光口；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的急速冷卻斯特林發(fā)電裝置主視圖，圖中18氧氣出口，19熱管，20熱盤，21氣態(tài)鋅噴嘴，22漏斗，23液態(tài)鋅出口，24液態(tài)鋅噴嘴，25冷卻器主體，26折流板；圖4急速冷卻斯特林發(fā)電裝置俯視剖面圖，圖中18氧氣出口，19熱管，21氣態(tài)鋅噴嘴，24液態(tài)鋅噴嘴，26折流板；
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和本實(shí)用新型的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
如圖1所示，本實(shí)用新型主要由太陽爐和熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)裝置3組成。太陽爐包括定日鏡1、調(diào)節(jié)窗2和旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡4。熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)裝置3主要包括前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器5、噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置6和氫氣發(fā)生器7。太陽爐作為太陽光的收集裝置供應(yīng)熱化學(xué)循環(huán)裝置3所需要的太陽能，而熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)裝置3則作為制取氫氣和實(shí)現(xiàn)原料循環(huán)的的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。
太陽光經(jīng)過太陽爐的定日鏡1的一次反光之后，被旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡4二次聚光形成高熱流密度的能量。收集的太陽能進(jìn)入前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器5分解ZnO顆粒。前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器5的頭部安裝在太陽爐的焦斑處。收集的太陽能在反應(yīng)器5中形成約3000K的溫度。在高溫的作用下，ZnO分解成Zn蒸汽和氧氣。Zn蒸汽在噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置6中被冷卻為液態(tài)Zn，而冷卻釋放的熱量部分被斯特林發(fā)動機(jī)吸收，帶動斯特林發(fā)電機(jī)組運(yùn)行發(fā)電，為整個(gè)制氫裝置提供寄生電力，而無需外部的電力供給。液態(tài)鋅在氫氣發(fā)生器7中分解水制取氫氣，與此同時(shí)生成ZnO固體，實(shí)現(xiàn)物料的循環(huán)。
如圖2所示，前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器5前端的采光口17與反應(yīng)器內(nèi)體13同軸布置，連結(jié)成一個(gè)整體。采光口17向前傾，前傾角即其中心軸線與水平夾角1～10。，采光口17的軸線與太陽爐旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡4的光軸同軸，采光口17對準(zhǔn)太陽爐入射光，采光口17處于太陽爐旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡4的焦斑位置。
采光口17使用復(fù)合拋物面聚光鏡CPC而不是錐形鏡面，這樣可以充分利用CPC的聚光性能，提高對太陽能的收集效率。采光口17對準(zhǔn)太陽爐入射光方向。石英玻璃8可以阻擋灰塵和減少強(qiáng)迫對流對反應(yīng)器造成的熱損失。其位置和安裝方式與已有裝置相同。采光口17的小口與圓柱形過渡孔16相接。過渡孔16是反應(yīng)器內(nèi)體13的一部分，與反應(yīng)器內(nèi)腔11相通。過渡孔16的直徑最好小于反應(yīng)器內(nèi)腔11的直徑。
采光口17與反應(yīng)器內(nèi)體13連成一個(gè)整體，隨反應(yīng)器內(nèi)體13一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而外面包裹的保溫層9不隨反應(yīng)器內(nèi)體13旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，處于靜止?fàn)顟B(tài)。保溫層9構(gòu)成反應(yīng)器的外壁，它可以起到減少熱損失的作用。
反應(yīng)器的內(nèi)體13上布滿細(xì)小的孔道，這樣可以增加光線在其內(nèi)部的反射長度，從而提高反應(yīng)器內(nèi)體13的黑度。
ZnO顆粒從反應(yīng)器的位于尾部的給料口12給入，在反應(yīng)器內(nèi)體13旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和反應(yīng)器整體傾斜放置的共同作用下，一邊向前運(yùn)動，一邊作著劇烈的翻滾掉落運(yùn)動，以經(jīng)歷從預(yù)熱到被加熱到分解溫度的過程，可以充分利用太陽能產(chǎn)生的熱量。
反應(yīng)器的內(nèi)體13開有螺旋形凹槽14可以加強(qiáng)內(nèi)體13壁面與ZnO顆粒的摩擦力，提高對其運(yùn)動的擾動，從而提高傳熱性能。
分解生成的Zn蒸汽和氧氣在反應(yīng)器前面的出氣口15排出，進(jìn)入急速冷卻斯特林發(fā)電裝置。
圖3為噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置剖視圖，冷卻器采用噴霧冷卻的方式，斯特林發(fā)電機(jī)組的熱管式吸熱器的熱管19作為冷卻器的受熱面，充分利用冷卻廢熱發(fā)電，供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的寄生電力。整個(gè)裝置上半部為布置有噴嘴21，24的圓筒形狀的冷卻器主體25，下半部為旋轉(zhuǎn)拋物面形狀的漏斗22。斯特林發(fā)電機(jī)組的熱管式吸熱器從急速冷卻斯特林發(fā)電裝置的頂部伸入，熱管19為常規(guī)的鈉熱管。斯特林發(fā)動機(jī)則安裝在熱管式吸熱器熱盤20的上部。
由圖3，4所示，冷卻器主體25壁面上布置有氣態(tài)鋅和液態(tài)鋅的霧化噴嘴。冷卻器主體[25]的壁面上自水平軸逆時(shí)針方向45°起到135°，以及225°到315°的扇形范圍內(nèi)每隔30°布置一排氣態(tài)Zn的霧化噴嘴[21]，165°到195°以及345°到15°的扇面范圍內(nèi)每隔30°布置一排液態(tài)Zn的霧化噴嘴[24]，從而使主體25上布滿了噴嘴21，24。高溫的氣態(tài)鋅和較低溫度的液體鋅分別經(jīng)過霧化以后由噴嘴21，24噴入，形成兩種液體的劇烈混合，從而實(shí)現(xiàn)對氣態(tài)鋅的急速冷卻。與此同時(shí)，噴出的液態(tài)鋅和氣態(tài)鋅也會沖刷斯特林發(fā)電機(jī)組的吸熱器的熱管19，將一部分熱量經(jīng)過熱管19傳遞給斯特林發(fā)電機(jī)組供發(fā)電使用。
在冷卻器主體25的上部開有氧氣出口18，它是截面為方形的直角彎管。在出氣口18的垂直管部分布置了很多了傾斜放置的折流板26。如果沒有冷卻的鋅蒸汽進(jìn)入氧氣出口18，折流板26就會起到冷卻的作用使其變?yōu)橐簯B(tài)，并在折流板26的導(dǎo)流作用下，掉落到漏斗22里去。
通過螺栓將冷卻器主體25和下面的旋轉(zhuǎn)拋物面形狀的漏斗22連接起來，液態(tài)鋅在重力的作用下，落到漏斗22里面，通過漏斗22上的液態(tài)鋅出口23排出冷卻裝置。漏斗22自然的弧度和液態(tài)鋅的自身重力使得它很容易迅速的被排出。同時(shí)漏斗22使得液態(tài)鋅不容易在里面淤積，這樣就可以避免由于系統(tǒng)意外停運(yùn)導(dǎo)致的冷卻成固體的鋅堵塞出口的事故。
前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器5的運(yùn)行溫度控制在2200K以上，急速冷卻斯特林發(fā)電裝置6的運(yùn)行溫度應(yīng)該在730～1100K之間，可以保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求1.一種太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，它包括太陽爐、太陽能ZnO分解反應(yīng)器[5]、氫氣發(fā)生器、物料循環(huán)裝置，其特征在于它還包括急速冷卻斯特林發(fā)電裝置[6]，急速冷卻斯特林發(fā)電裝置[6]由斯特林發(fā)電機(jī)組和冷卻器組成，斯特林發(fā)電機(jī)組的熱管式吸熱器的熱管[19]為冷卻器的受熱面，熱管[19]伸入冷卻器內(nèi)部將冷卻器和斯特林發(fā)電機(jī)連成一體；冷卻器主體[25]的壁面上布置霧化噴嘴[21]、[24]；太陽能ZnO分解反應(yīng)器[5]前端的采光口[17]與反應(yīng)器內(nèi)體[13]同軸布置，連結(jié)成一個(gè)整體，隨反應(yīng)器內(nèi)體[13]一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動；采光口[17]向前傾，前傾角即其中心軸線與水平夾角為1～10°，采光口[17]的軸線與太陽爐旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡[4]的光軸同軸，采光口[17]對準(zhǔn)太陽爐入射光，采光口[17]處于太陽爐旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡[4]的焦斑位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的太陽能ZnO分解反應(yīng)器[5]的采光口[17]采用復(fù)合拋物面聚光鏡CPC。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的太陽能ZnO反應(yīng)器[5]的內(nèi)體[13]開有螺旋形凹槽[14]且布滿孔道[10]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的冷卻器主體[25]的壁面上自水平軸逆時(shí)針方向45°起到135°，以及225°到315°的扇形范圍內(nèi)每隔30°布置一排氣態(tài)Zn的霧化噴嘴[21]；165°到195°以及345°到15°的扇面范圍內(nèi)每隔30°布置一排液態(tài)Zn的霧化噴嘴[24]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的冷卻器主體[25]的上部的氧氣出口[18]的垂直管部分布置折流板[16]。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的冷卻器的底部有旋轉(zhuǎn)拋物面形狀的漏斗[22]。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置，其特征在于所述的冷卻器的底部有旋轉(zhuǎn)拋物面形狀的漏斗[22]。
專利摘要一種太陽能熱化學(xué)分解水制氫裝置。它采用太陽爐作為太陽能收集裝置，前傾回轉(zhuǎn)式太陽能ZnO分解反應(yīng)器[5]分解ZnO，噴霧式急速冷卻斯特林發(fā)電裝置[6]冷卻Zn蒸汽的同時(shí)發(fā)電供應(yīng)系統(tǒng)自身運(yùn)行所需的寄生能源，Zn分解水制取氫氣同時(shí)完成Zn/ZnO的循環(huán)。它采用CPC聚光鏡作為采光口、反應(yīng)器[5]的內(nèi)體開有螺旋形凹槽且布滿孔道，減少了采光口和反應(yīng)器內(nèi)壁反射光造成的熱損失；前后左右交叉布置的噴嘴形成的噴霧冷卻方式使冷卻速度極快，從而減少了Zn的再氧化；伸入冷卻器的熱管式吸熱器充分利用了冷卻過程的不可逆熱損失，從而提高了整個(gè)過程的太陽能利用效率。它對環(huán)境友好無污染，充分利用可再生能源，可以穩(wěn)定、高效地大規(guī)模制取高純度氫氣。
文檔編號C01B3/08GK2677363SQ20032012783
公開日2005年2月9日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者李鑫, 臧春城, 鄭飛, 李斌, 李安定 申請人:中國科學(xué)院電工研究所