一種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)，包括：聚光裝置、分光裝置、光伏光熱一體化裝置、換熱管道、水箱、電解裝置、氫水分離裝置；所述光伏光熱一體化裝置包括光伏組件、集熱板、熱管；所述電解裝置包括電解槽以及與電解槽形成循環(huán)回路的電解水管道。本發(fā)明還提供了一種所述光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的使用方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，更加有效的提高了太陽(yáng)能的總體利用效率。熱管換熱的效果通過(guò)有效的降低光伏組件的溫度從而提高電解制氫的效率10～15%，電解水與熱水系統(tǒng)換熱，提高電解水的溫度，可以使得系統(tǒng)的電解制氫效率提高5～7%。系統(tǒng)的總體制氫效率提高可以達(dá)到20%上下，同時(shí)熱效率可達(dá)60%以上。
【專利說(shuō)明】一種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)及其使用方法，屬于太陽(yáng)能和氫能綜合利用方面，具體涉及ー種聚光型光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能作為ー種重要的エ業(yè)原料和助燃劑還原劑，在很多地方已經(jīng)得到了エ業(yè)應(yīng)用。其在使用過(guò)程中不僅效率很高，熱值大，最后的產(chǎn)物為水對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染，被普遍認(rèn)為是非常重要的清潔能源。而太陽(yáng)能電解制氫通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電并電解制氫的技木，將非連續(xù)，能量密度低的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高密度，連續(xù)可儲(chǔ)存的氫能。系統(tǒng)投入和產(chǎn)出都是潔凈能源，為解決能源和環(huán)境危機(jī)提供一個(gè)很好的方向。
[0003]但是太陽(yáng)能電解制氫存在電能消耗比較多，成本比較高，生產(chǎn)效率比較低的問(wèn)題。目前為了降低成本通常采用聚光技木。但是聚光比的提高受到光伏組件溫度上限的限制，同時(shí)聚光比的提高使得光伏組件的溫度迅速升高，降低了光伏組件的電氣輸出特性，導(dǎo)致光伏組件整體的光電轉(zhuǎn)換效率下降。而造成這部分的原因很大部分是因?yàn)樘?yáng)能電池只能對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而大部分紅外光區(qū)的熱量大大提高了太陽(yáng)能電池板的溫度。傳統(tǒng)光伏光熱一體化裝置中，可以通過(guò)冷卻介質(zhì)的運(yùn)用降低系統(tǒng)電池板的溫度。但是對(duì)于水換熱來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)為了獲取光電效率和同時(shí)比較高的水溫是沖突的，這就造成了為了獲取更好的冷卻效果往往造成獲得熱水水溫不夠。
[0004]另外，在PEM電解槽電解制氫過(guò)程中，電能的損失主要由明、陽(yáng)電極的過(guò)電勢(shì)和PEM的電阻決定。電解水溫的升高能夠減少電能耗散，從而提高電能轉(zhuǎn)化氫能的效率。但是單純的提高電解水溫度需要附加的加熱裝置。還需要外部額外的外部能源消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

.[0005]本發(fā)明的目的在于提供ー種分光型的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)以及其使用方法，以解決的現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，非常有效的降低電池板的溫度，提高電解水的入口溫度，克服傳統(tǒng)的光伏電解制氫效率低下，成本比較高的問(wèn)題，同時(shí)本發(fā)明可以充分實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)能全光譜的利用，使得系統(tǒng)得到滿足用戶需求的熱水水溫。本發(fā)明的光伏電解制氫系統(tǒng)效率可以有效的降低成本提高制氫效率，并且能獲得很好的熱效率，同時(shí)大大的増加對(duì)太陽(yáng)能的總體利用率。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0007]I)—種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)，包括:
[0008]A.聚光裝置，用于將太陽(yáng)能聚集；
[0009]B.分光裝置，其設(shè)置于所述聚光裝置的聚光焦點(diǎn)處，用于將入射光源分為可見(jiàn)光部分和紅外光部分，
[0010]C.集熱管，其設(shè)置于所述聚光裝置與所述分光裝置之間，用于接受分光裝置反射的所述紅外光部分；[0011]D.光伏光熱一體化裝置，其設(shè)置于分光裝置下游，用于接受來(lái)自分光裝置投射的可見(jiàn)光部分；所述光伏光熱一體化裝置從光照側(cè)起依次包括:
[0012]1.光伏組件，用于接收來(lái)自所述分光裝置的所述可見(jiàn)光部分，并將其轉(zhuǎn)化為直流電能；
[0013]i1.集熱板，其與光伏組件貼合，用于收集來(lái)自由于光伏組件接受光照而發(fā)熱產(chǎn)生的熱能；
[0014]ii1.熱管，其與集熱板貼合，所述熱管用于將接受來(lái)自集熱板收集的熱能；
[0015]iv.保溫絕熱材料，其包裹于光伏光熱一體化裝置的接受光照側(cè)以外的部分的外側(cè)，用于防止所述光伏光熱一體化裝置的熱熱量散失；
[0016]E.第一換熱管道，其設(shè)置于所述熱管的冷凝段中，所述第一換熱管道與所述熱管進(jìn)行換熱，收集來(lái)自熱管冷凝段的熱量；
[0017]F.第一水箱，其與第一換熱管道連接，用于為所述第一換熱管道提供水源，并接受來(lái)自第一換熱管道的經(jīng)換熱以后的水；
[0018]G.第二水箱，其通過(guò)第二換熱管道與集熱管連接，接受第二換熱管道中與集熱管換熱后的水；
[0019]H.連通管，其將第一水箱和第二水箱連接，當(dāng)?shù)诙渲兴疁厣仙降诙繕?biāo)溫度后，將第一水箱中溫度相對(duì)低的水通入到第二水箱中；
[0020]1.電解裝置，其包括
[0021]電解槽以及與電解槽形成`循環(huán)回路的電解水管道，所述電解水管道用于為電解槽提供電解水，所述電解水管道設(shè)置于所述第二水箱中并浸沒(méi)于所述第二水箱的水中，以與所述第二水箱中的水充分換熱；所述電解槽與光伏組件連接，接受來(lái)自光伏組件產(chǎn)生的直流電能，并對(duì)來(lái)自電解水管中的經(jīng)換熱后的電解水進(jìn)行電解，從而得到氫氣。
[0022]在本發(fā)明的種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述光伏光熱一體化裝置還可包括用于保護(hù)光伏組件18的玻璃，其設(shè)置在所述光伏組件與所述分光裝置之間，且與所述光伏組件貼合。
[0023]所述熱管一般包括蒸發(fā)段和冷凝段，蒸發(fā)段用于吸收熱量，而冷凝段用于放熱。因此，所述換熱管道設(shè)置于所述熱管的冷凝段，用于接受來(lái)自所述熱管冷凝段放出的熱量。因?yàn)榫酃庑桶l(fā)電系統(tǒng)單位面積接受的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板式的。熱管的介質(zhì)選擇一個(gè)較高的蒸發(fā)溫度為宜，這里面可以選擇水。
[0024]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述的光伏組件選用市面上大量存在的已經(jīng)商用化的單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池板。
[0025]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述集熱板的選擇沒(méi)有任何限制，可選擇常用的鋁板。集熱板優(yōu)選采用管板式結(jié)構(gòu)結(jié)合，同時(shí)對(duì)熱能進(jìn)行收集利用。
[0026]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述換熱管道可設(shè)置成盤(pán)管式或蛇形管式。
[0027]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述集熱管選擇市售的真空集熱管。
[0028]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述分光裝置采用選擇性透過(guò)膜鋪設(shè)的玻璃面板。[0029]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述第一水箱和第二水箱米用隔熱較好的儲(chǔ)熱裝置組成。
[0030]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述第一水箱的水循環(huán)管路可用水泵驅(qū)動(dòng)，與熱管冷凝段形成強(qiáng)制對(duì)流換熱。第二水箱優(yōu)選采用自然對(duì)流換熱，如此可降低成本。
[0031]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述第一水箱和第二水箱之間采用連接管連接。
[0032]在本發(fā)明所述的ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)中，所述電解槽系統(tǒng)的電解槽裝置采用高承壓氣罐。
[0033]2)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)項(xiàng)中的一個(gè)實(shí)施方式中,所述光伏電解制氫系統(tǒng)還包括:
[0034]J.氫水分離裝置，其與電解槽連接，用于接受來(lái)自電解槽中經(jīng)電解得到的氫氣，并將所述氫氣中的水汽分離，得到純化的氫氣。
[0035]3)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第2)項(xiàng)中的一個(gè)實(shí)施方式中,所述光伏電解制氫系統(tǒng)還包括:
[0036]K.干燥器，其與氫水分離裝置連接，用于對(duì)來(lái)自氫水分離裝置中的氫氣進(jìn)行干燥處理。
[0037]4)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第3)項(xiàng)中的一個(gè)實(shí)施方式中,所述光伏電解制氫系統(tǒng)還包括:
[0038]M.氫氣儲(chǔ)存裝 置，其與干燥器連接，用于接受來(lái)自干燥器處理過(guò)的氫氣，并儲(chǔ)存。
[0039]5)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第4)項(xiàng)中的任ー項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述熱管選自重力熱管或者虹吸熱管，且所述熱管采用扁平形狀設(shè)計(jì)。
[0040]6)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第5)項(xiàng)中的任ー項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述的分光裝置為對(duì)波長(zhǎng)在350到1100納米的光選擇性透過(guò)的膜。
[0041]7)在本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第6)項(xiàng)中的任ー項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述光伏制氫系統(tǒng)進(jìn)ー步包括燃料電池，其與氫氣儲(chǔ)存裝置連接。
[0042]8)本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第7)項(xiàng)中的任一項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述換熱管道為蛇形換熱管道、U形換熱管道或盤(pán)管式換熱管道。為了能達(dá)到最佳的換熱效果，優(yōu)選蛇形換熱管道。
[0043]9)本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第8)項(xiàng)中的任一項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述電解裝置中的電解槽為PEM電解槽。
[0044]10)本發(fā)明的分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的第I)-第9)項(xiàng)中的任ー項(xiàng)中的ー個(gè)實(shí)施方式中，所述電解水管道為蛇形電解水管道、U形電解水管道或盤(pán)管式電解水管道，優(yōu)選蛇形電解水管道。
[0045]11)本發(fā)明的第I)-第10)項(xiàng)中的任一項(xiàng)所述光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的使用方法，包括:
[0046]將太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)聚光裝置聚光至所述分光裝置上，可見(jiàn)光區(qū)的光線通過(guò)分光裝置投射到所述光伏光熱一體化裝置上，其中一部分可見(jiàn)光被光伏組件吸收，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電能；然后將光伏轉(zhuǎn)換的電能作為電解槽電解制氫的電能來(lái)源，通過(guò)電解槽將水電解得到的氫氣和水的混合物，將得到的混合物經(jīng)過(guò)氫水分離裝置和干燥器后，最后儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存裝置中；
[0047]而在光伏光熱一體化裝置中沒(méi)有被光伏組件吸收的另一部分可見(jiàn)光的熱量被集熱板吸收，通過(guò)導(dǎo)熱的方式從集熱板到達(dá)熱管，隨后熱管中的熱能通過(guò)與第一換熱管道的水換熱被水吸收，吸收了熱量的水通過(guò)第一換熱管道回流至第一水箱中儲(chǔ)存起來(lái)；
[0048]另ー方面，分光裝置反射的紅外光區(qū)的光線被真空集熱管吸收，集熱管吸收的熱量通過(guò)第二換熱管道將熱量傳遞給所述第二換熱管道中的水，然后所述第二換熱管道中的水回流到第二水箱中存儲(chǔ)起來(lái)。
[0049]另外，在上述方法的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述經(jīng)過(guò)電解槽循環(huán)后出來(lái)的水和氫水分離裝置得到水進(jìn)入設(shè)置在第二水箱中的電解水管道，在第二水箱中換熱后再送入電解槽中，通過(guò)提高電解槽的電解水水溫來(lái)提高電解效率。
[0050]12)在本發(fā)明的11)項(xiàng)所述的使用方法的一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法還包括:通過(guò)在第一水箱設(shè)定第一目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)谝凰渲袦囟瘸^(guò)了所述第一目標(biāo)溫度后引入冷水，并且將第一水箱中的水引入到第二水箱中。
[0051]13)在本發(fā)明的11)或第12)項(xiàng)所述的使用方法的一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法還包括:在第二水箱上設(shè)定第二目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)诙渲兴疁厣仙降诙繕?biāo)溫度后，將第一水箱中溫度相對(duì)低的水通入到第二水箱中，其中第二目標(biāo)溫度高于第一目標(biāo)溫度。
[0052]本發(fā)明的主要工作原理可能如下，但以下說(shuō)明并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制:
[0053]本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面組成:聚光分光型光伏光熱組件，熱水系統(tǒng)，電解槽模塊三部分組成。所述聚光光伏光熱模型主要有分光設(shè)備，光伏組件太陽(yáng)能電池片，熱管，絕熱材料，以及集熱管組成，以及ー些輔助結(jié)構(gòu)組成。所述熱水系統(tǒng)包含第一水箱，第二水箱、水箱連通管、水.泵、蛇形換熱管道和換熱管道組成。所述電解槽模塊主要有PEM電解槽和氫水分離裝置，干燥器以及氫氣儲(chǔ)存裝置，換熱系統(tǒng)和ー些結(jié)構(gòu)組成。
[0054]首先太陽(yáng)能被聚光裝置收集，然后經(jīng)過(guò)分光裝置分光后，可見(jiàn)光區(qū)被光伏光熱ー體化裝置吸收，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能作為電解槽的能量來(lái)源，克服了光伏轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的直流電因?yàn)槠洳▌?dòng)性和間歇性，能量密度低，不利于利用。分光的運(yùn)用顯著的降低了電池板的熱負(fù)荷，増大了熱電轉(zhuǎn)換的效率，同時(shí)采用的熱管對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行冷卻。以上的措施可以大大的降低了光伏組件的溫度，提高了光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率，而且可以使得整個(gè)電池板的溫度更加均勻，提高電池板的壽命。分光后的紅外光區(qū)的能量被真空集熱管吸收送到第二水箱中。當(dāng)?shù)谝凰渲械臒崃砍^(guò)一定溫度后，打開(kāi)水箱聯(lián)通器將第一水箱中的水送到第二水箱中，同時(shí)對(duì)第一水箱中補(bǔ)入冷水，這樣既可以保持第一水箱溫度比較低，從而提高光伏光熱模塊的效率。同時(shí)第一水箱可以對(duì)第二水箱中的水進(jìn)行預(yù)熱，提高熱水的水溫，達(dá)到用戶需求。通過(guò)電解槽水路循環(huán)可以對(duì)凈化后的純水加熱，提高了進(jìn)入電解槽的電解水的溫度，從而提高電解制氫的效率。電解后得到氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣瓶中。
[0055]采用上述技術(shù)方案的聚光型太陽(yáng)能光伏光熱一體化制氫方法與現(xiàn)有技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
[0056]( I)分光裝置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同波段的利用，可以對(duì)光熱和光電都達(dá)到有效利用。
[0057](2)分光后在光伏波段被光伏轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能顯著增加而且板的熱負(fù)荷顯著減小，從而非常明顯的抑制太陽(yáng)能電池板溫度的上升，同時(shí)分光后電池板只吸收可見(jiàn)光區(qū)的能量，光電轉(zhuǎn)換效率大大的升高，同時(shí)電池板的溫度下降非常明顯。
[0058](3)在熱管電池板冷卻過(guò)程中，熱管換熱器的進(jìn)ロ水溫對(duì)于系統(tǒng)的效率影響有這直接的關(guān)系，進(jìn)ロ水溫越低冷卻效果越好，但是進(jìn)ロ水溫越低越難滿足用戶的需求，在分光后光伏波段的采用光伏光熱一體化裝置，通過(guò)熱管散熱的形式，第一水箱作為第二水箱的一個(gè)預(yù)熱水箱的作用，保持比較低的溫度，從而使得換熱器在低入ロ水溫狀態(tài)下，可以降低電池溫度，提高光伏電池板轉(zhuǎn)換效并且獲得很好的熱效率。
[0059](4)分光后的光熱波段被真空集熱管吸收。在第一水箱中的水預(yù)熱后可以通入第ニ水箱中，第二水箱中的水經(jīng)過(guò)水路循環(huán)進(jìn)入的真空集熱管中，從而可以獲得比較高的水溫輸出，保證系統(tǒng)在高輸出熱水水溫下有很好的熱效率保證。
[0060](5)光伏光熱一體化裝置上熱管采用平板狀可以獲得比較大的接觸面積，從而減少系統(tǒng)的接觸熱阻，強(qiáng)化光伏面板的換熱。同時(shí)所述熱管的冷凝段完全連接在一起，在冷凝段通過(guò)蛇形管換熱，増大換熱面積，強(qiáng)化熱管與水流的換熱，從而提高冷凝段與水流的換熱效率，降低系統(tǒng)的總體傳熱熱阻，有效的降低系統(tǒng)的光伏組件的溫度，使得光伏組件的溫度分布更均勻。
[0061](6)通過(guò)光伏光熱一體化裝置和電解制氫系統(tǒng)的有效匹配，使得系統(tǒng)在輸出氫能的同時(shí)獲得熱能，非常有效的提高了系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能的總體利用效率。同時(shí)氫能的使用克服了太陽(yáng)能能量密度低，波動(dòng)性造成的不利于利用的特點(diǎn)。同時(shí)本系統(tǒng)可以保證熱水的輸出也可以滿足日常生活需求。
[0062](7)熱管換熱的效果通過(guò)有效的降低光伏組件的溫度從而提高電解制氫的效率15%，電解水與熱水系統(tǒng)換熱，提高電解水的溫度，可以使得系統(tǒng)的電解制氫效率提高5%?7%。系統(tǒng)的總體制氫效率提高可以達(dá)到20%上下，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的熱效率利用可以達(dá)到60%以上。
`[0063](8)整個(gè)系統(tǒng)能量來(lái)源都是太陽(yáng)能，而且產(chǎn)出的氫能和熱水也都是對(duì)環(huán)境完全友好的產(chǎn)品。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0064]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0065]圖2為本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0066]圖3為本發(fā)明的本發(fā)明的系統(tǒng)中的光伏光熱一體化裝置的側(cè)視圖。
[0067]附圖標(biāo)記
[0068]1-聚光裝置、2-集熱管、3-分光裝置、4-光伏光熱一體化裝置、5-第一水箱1、6_水泵、7-第二水箱2、8_氫氣儲(chǔ)存裝置、9-干燥器、10-氫水分離裝置、11-電解槽、12-電解水管道、13-集熱板、14-玻璃、15-第一換熱管道、16-熱管、17-保溫絕熱材料、18-光伏組件、19-燃料電池、20連通管、21-第二換熱管道。
【具體實(shí)施方式】
[0069]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的范圍并不限于以下實(shí)施例。
[0070]實(shí)施例1[0071]本發(fā)明的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)如圖1、2和3所示。所述光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)主要包括光伏光熱一體化裝置件4、聚光裝置1、分光裝置3、集熱管2、電解槽11、換熱管道15、氫氣儲(chǔ)存裝置8、第一水箱5和第二水箱7和水泵6組成的系統(tǒng)。其中光伏光熱一體化裝置4組成的結(jié)構(gòu)依次為玻璃14、光伏組件18、集熱板13和熱管16，其中光伏組件18、集熱板13和熱管16是通過(guò)こ烯-醋酸こ烯共聚物(EVA)和聚氟こ烯復(fù)合膜(TPT)通過(guò)層壓技術(shù)緊密的結(jié)合在一起的。在光伏組件的背部填充隔熱材料17。而且分光裝置設(shè)置在光伏光熱一體化裝置4上面。
[0072]其中，
[0073]聚光裝置I用于將太陽(yáng)能聚集；
[0074]分光裝置3，其設(shè)置于所述聚光裝置I的聚光焦點(diǎn)處；所述分光裝置3用于將入射光源分為可見(jiàn)光部分和紅外光部分；
[0075]集熱管2，其設(shè)置于所述聚光裝置I與所述分光裝置3之間，用于接受分光裝置3反射的所述紅外光部分；本實(shí)施例中使用的集熱管可使用市售的真空集熱管
[0076]光伏光熱一體化裝置4，其設(shè)置于分光裝置3下游，用于接受來(lái)自分光裝置3投射的可見(jiàn)光部分；所述光伏光熱一體化裝置4從光照側(cè)起依次包括: [0077]1.任選的玻璃14，用于保護(hù)光伏組件18 ；
[0078]i1.光伏組件18，用于接收通過(guò)分光裝置3的可見(jiàn)光部分，并將其轉(zhuǎn)化為直流電能；所述的光伏組件18選用市面上大量存在的已經(jīng)商用化的單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池板；
[0079]ii1.集熱板13，其與光伏組件18層壓結(jié)合在一起，用于收集來(lái)自光伏組件18由于接受光照而發(fā)熱產(chǎn)生的熱能；集熱板選擇便宜常用的鋁板。集熱板和熱管采用管板式結(jié)構(gòu)，降低太陽(yáng)能電池板溫度同吋，同時(shí)對(duì)熱能進(jìn)行收集利用；
[0080]ii1.熱管16，其與集光板13貼合，所述熱管16中含有傳熱介質(zhì)，用于將接受來(lái)自集熱板13收集的熱能；所述熱管16包括蒸發(fā)段和冷凝段，蒸發(fā)段用于吸收熱量，而冷凝段用于放熱；
[0081]iv.保溫絕熱材料17，其包裹于光伏光熱一體化裝置4的接受光照側(cè)以外的部分的外側(cè)，用于防止熱量散失；
[0082]第一換熱管道15，其設(shè)置于所述熱管16的冷凝段，所述第一換熱管道15中含有水，所述第一換熱管道15與所述熱管16進(jìn)行換熱，收集來(lái)自熱管16的熱量；所述換熱管15為蛇形管。
[0083]第一水箱5，其與第一換熱管道15連接，用于為所述第一換熱管道15提供水源，并接受來(lái)自第一換熱管道15的經(jīng)換熱以后的水；此外第一水箱5做為第二水箱7的預(yù)熱水箱，通過(guò)連通管20將第一水箱中的水送入第二水箱7中。
[0084]第二水箱7，其通過(guò)第二換熱管道與集熱管2相連，用于為集熱管2提供換熱介質(zhì)，并接受來(lái)自于集熱管2經(jīng)換熱的高溫?zé)崴?br> [0085]電解裝置，其包括
[0086]電解槽11以及與電解槽11形成循環(huán)回路的電解水管道12，所述電解水管道12為蛇形電解水管道，用于為電解槽11提供電解水，所述電解水管道12設(shè)置于所述第二水箱7中并浸沒(méi)于所述第二水箱7的熱水中，以與所述第二水箱7中的高溫?zé)崴浞謸Q熱；所述電解槽11與光伏組件18連接，接受來(lái)自光伏組件18產(chǎn)生的直流電能，并對(duì)來(lái)自電解水管19中的經(jīng)換熱后的電解熱水進(jìn)行電解，從而得到氫氣；
[0087]氫水分離裝置10，其分別與電解槽11和電解水管道12連接，用于接受來(lái)自電解槽的氫氣，并將所述氫氣中的水汽分離，得到純化的氫氣，分離的水則通入所述電解水管道12 ;所述電解槽系統(tǒng)的電解槽選自堿性電解槽或PEM電解槽。
[0088]干燥器9，其與氫水分離裝置10連接，用于對(duì)來(lái)自氫水分離裝置10中的氫氣進(jìn)行干燥處理；
[0089]氫氣儲(chǔ)存裝置8，其與干燥器9連接，用于接受來(lái)自干燥器9處理過(guò)的氫氣，并儲(chǔ)存。
[0090]本實(shí)施例所述的光伏制氫系統(tǒng)的使用方法為:
[0091]首先，將太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)聚光裝置I聚光至分光裝置3，可見(jiàn)光區(qū)的能量被所述光伏光熱一體化裝置7的光伏組件18吸收，其中一部分能量通過(guò)光電轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成電能；然后將光伏轉(zhuǎn)換的電能作為電解槽11電解制氫的電能來(lái)源，通過(guò)電解槽將水電解得到的氫氣和水的混合物，將得到的混合物依次經(jīng)過(guò)氫水分離裝置10和干燥器9后，最后儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存裝置8中；另外，所述經(jīng)過(guò)電解槽11循環(huán)后出來(lái)的水和氫水分離裝置10得到水進(jìn)入設(shè)置在第二水箱7中的電解水管道12，在水箱中換熱后再送入電解槽11中，通過(guò)提高電解槽11的電解水水溫來(lái)提高電解效率；
[0092]而在光伏光熱一體化裝置中沒(méi)有通過(guò)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)吸收的光能被集熱板13吸收，集熱板13吸收的熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式到達(dá)熱管16，如此降低了光伏組件18的溫度；然后熱管16中的熱能通過(guò)與第一換熱管道15的水進(jìn)行換熱而被第一換熱管道15中的水吸收，第一換熱管道15中吸收了熱量的水通過(guò)水泵6回流至第一水箱5中儲(chǔ)存起來(lái)；在第一水箱中設(shè)置第一目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)谝凰?中的水溫達(dá)到第一目標(biāo)溫度時(shí),將第一水箱5中的水通過(guò)連通管20送入第二水箱7中，并且將低溫水補(bǔ)充至第一水箱5中，使第一水箱5保持在一個(gè)比較低的溫度。同時(shí)，在第二水箱上設(shè)定第二目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)诙渲兴疁厣仙降诙繕?biāo)溫度后，將第一水箱中溫度相對(duì)低的水通入到第二水箱中，其中第二目標(biāo)溫度高于第一目標(biāo)溫度。
[0093]經(jīng)過(guò)分光器3分光后的紅外光區(qū)的能量被集熱管2吸收，第二水箱7中的水通過(guò)第二換熱管道21進(jìn)入集熱管2中，吸收集熱管2吸收的熱量，然后將熱量送入第二水箱7中得到高溫的熱水。
[0094]另外，所述經(jīng)過(guò)電解槽11循環(huán)后出來(lái)的水和氫水分離裝置10得到水進(jìn)入設(shè)置在第二水箱5中且與電解槽11循環(huán)連接的的電解水管道12，在第二水箱7中換熱后再送入電解槽11中，通過(guò)提高電解槽11的電解水水溫來(lái)提高電解效率。
[0095]因?yàn)榉止庋b置3的作用，使得光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率相助提高，并且使得光伏光熱組件4接受的熱負(fù)荷明顯減少。同時(shí)熱管16的換熱效果和換熱管道15較低的入口溫度，大大的降低了光伏組件18的溫度，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，并且也可以在一定的光伏組件18溫度上顯著的提高聚光比，降低了成本，有效的提高了光伏組件18的電能輸出。同時(shí)可以將光伏組件18上的溫度分布更加均勻。増加整個(gè)制氫量的提高，而且使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，延長(zhǎng)其壽命。
[0096]本實(shí)施例中的第一水箱和第二水箱才有隔熱材料，以保持所述第一水箱和第二水箱中的水溫。第一水箱和第二水箱之間的水流傳輸可采用水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0097]所述電解裝置還包括高承壓氣罐，所述電解槽為PEM電解槽。
[0098]本系統(tǒng)的總體制氫效率提高可以達(dá)到20%上下，同時(shí)熱效率可達(dá)到60%。
[0099]實(shí)施例2
[0100]在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，所述光伏制氫系統(tǒng)進(jìn)一步包括燃料電池19,其與所述氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)8連接。用于接受來(lái)自氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)8的氫氣作為燃料而進(jìn)行發(fā)電。如此使得將非連續(xù)、能量密度第的太陽(yáng)能轉(zhuǎn).化為高密度、連續(xù)且可儲(chǔ)存的氫能轉(zhuǎn)化的電能。
【權(quán)利要求】
1.ー種分光光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)，包括: A.聚光裝置，用于將太陽(yáng)能聚集； B.分光裝置，其設(shè)置于所述聚光裝置的聚光焦點(diǎn)處，用于將入射光源分為可見(jiàn)光部分和紅外光部分； C.集熱管，其設(shè)置于所述聚光裝置與所述分光裝置之間，用于接受分光裝置反射的所述紅外光部分； D.光伏光熱一體化裝置，其設(shè)置于分光裝置下游，用于接受來(lái)自分光裝置投射的可見(jiàn)光部分；所述光伏光熱一體化裝置從光照側(cè)起依次包括: 1.光伏組件，用于接收來(lái)自所述分光裝置的所述可見(jiàn)光部分，并將其轉(zhuǎn)化為直流電倉(cāng)泛; i1.集熱板，其與光伏組件貼合，用于收集來(lái)自由于光伏組件接受光照而發(fā)熱產(chǎn)生的熱倉(cāng)泛; ii1.熱管，其與集熱板貼合，所述熱管用于將接受來(lái)自集熱板收集的熱能； iv.保溫絕熱材料，其包裹于光伏光熱一體化裝置的接受光照側(cè)以外的部分的外側(cè)，用于防止所述光伏光熱一體化裝置的熱量散失； E.第一換熱管道，其設(shè)置于所述熱管的冷凝段中，所述第一換熱管道與所述熱管進(jìn)行換熱，收集來(lái)自熱管冷凝段的熱量； F.第一水箱，其與第一換 熱管道連接，用于為所述第一換熱管道提供水源，并接受來(lái)自第一換熱管道的經(jīng)換熱以后的水； G.第二水箱，其通過(guò)第二換熱管道與集熱管連接，接受第二換熱管道中與集熱管換熱后的水； H.連通管，其將第一水箱和第二水箱連接，當(dāng)?shù)诙渲兴疁厣仙降诙繕?biāo)溫度后，將第一水箱中溫度相對(duì)低的水通入到第二水箱中； 1.電解裝置，其包括 電解槽以及與電解槽形成循環(huán)回路的電解水管道，所述電解水管道用于為電解槽提供電解水，所述電解水管道設(shè)置于所述第二水箱中并浸沒(méi)于所述第二水箱的水中，以與所述第二水箱中的水充分換熱；所述電解槽與光伏組件連接，接受來(lái)自光伏組件產(chǎn)生的直流電能，并對(duì)來(lái)自電解水管中的經(jīng)換熱后的電解水進(jìn)行電解，從而得到氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述光伏電解制氫系統(tǒng)還包括: J.氫水分離裝置，其與電解槽連接，用于接受來(lái)自電解槽中經(jīng)電解得到的氫氣，并將所述氫氣中的水汽分離，得到純化的氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)，其特征在干，所述光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)還包括: K.干燥器，其與氫水分離裝置連接，用于對(duì)來(lái)自氫水分離裝置中的氫氣進(jìn)行干燥處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述光伏電解制氫系統(tǒng)還包括: M.氫氣儲(chǔ)存裝置，其與干燥器連接，用于接受來(lái)自干燥器處理過(guò)的氫氣，并儲(chǔ)存。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述熱管選自重力熱管或者虹吸熱管，且所述熱管采用扁平形狀設(shè)計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述的分光裝置為對(duì)波長(zhǎng)在350到1100納米的光選擇性透過(guò)的膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述光伏制氫系統(tǒng)進(jìn)ー步包括燃料電池，其與氫氣儲(chǔ)存裝置連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述換熱管道為蛇形換熱管道、U形換熱管道或盤(pán)管式換熱管道，優(yōu)選蛇形換熱管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述電解裝置中的電解槽為PEM電解槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng),其特征在于,所述電解水管道為蛇形電解水管道、U形電解水管道或盤(pán)管式電解水管道，優(yōu)選蛇形電解水管道。
11.ー種根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的光伏光熱聯(lián)合制氫系統(tǒng)的使用方法,包括: 將太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)聚光裝置聚光至所述分光裝置上，可見(jiàn)光區(qū)的光線通過(guò)分光裝置投射到所述光伏光熱一體化裝置上，其中一部分可見(jiàn)光被光伏組件吸收，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電能；然后將光伏轉(zhuǎn)換的電能作為電解槽電解制氫的電能來(lái)源，通過(guò)電解槽將水電解得到的氫氣和水的混合物，將得到的混合物經(jīng)過(guò)氫水分離裝置和干燥器后，最后儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存裝置中； 而在光伏光熱一體化裝置中沒(méi)有被光伏組件吸收的另一部分可見(jiàn)光的熱量被集熱板吸收，通過(guò)導(dǎo)熱的方式從集熱板到達(dá)熱管，隨后熱管中的熱能通過(guò)與第一換熱管道的水換熱被水吸收，吸收了熱量的水通過(guò)第一換熱管道回流至第一水箱中儲(chǔ)存起來(lái)； 另ー方面，分光裝置反射的紅外光區(qū)的光線被集熱管吸收，集熱管吸收的熱量通過(guò)第ニ換熱管道將熱量傳遞給所述第二換熱管道中的水，然后所述第二換熱管道中的水回流到第二水箱中存儲(chǔ)起來(lái)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:通過(guò)在第一7jC箱設(shè)定第一目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)谝凰渲袦囟瘸^(guò)了所述第一目標(biāo)溫度后引入冷水，并且將第一水箱中的水引入到第二水箱中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:在第二水箱上設(shè)定第二目標(biāo)溫度，當(dāng)?shù)诙渲兴疁厣仙降诙繕?biāo)溫度后，將第一水箱中溫度相對(duì)低的水通入到第二水箱中，其中第二目標(biāo)溫度高于第一目標(biāo)溫度。
【文檔編號(hào)】C25B1/04GK103436906SQ201310379481
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】曲閃亮, 楊曉奕, 蘇子云, 丁水汀, 李江泓 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)