全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置及方法与流程

1.本发明属于燃料制备装置及方法，具体为一种全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置及方法。


背景技术：

2.随着社会经济发展，传统化石能源的无序化以及非清洁利用导致环境污染问题突出、全球变暖现象严重。因此，增加可再生能源的利用率，减少以煤炭、石油为非必要源头的能源利用，是全球各国都在积极探索的出路。
3.在可再生能源资源方面，我国资源禀赋，尤其是地理位置带来的优厚太阳能资源。与化石能源相比，太阳能不仅随取随用，而且经济成本低廉，是一种高效、持久、清洁的能源。我国广泛普及太阳能的利用，但受到环境气候条件、能量密度不均匀不稳定等因素限制，太阳能的利用率难以提高。因此科学家们提出，将一次太阳能源转化为易储存、可运输的高品位二次能源(如电能、氢能、碳氢燃料等)，实现能源的有序转化和有效利用。
4.然而，太阳光谱是一种不同波长的连续光谱，不同波长下，太阳产生的能量也有很大差别。当全光谱太阳能单一地服务于光电、光热、光解水等利用方式时，不匹配的能量等级会造成不同程度的能量损失，降低太阳能的利用率。因此，将太阳能利用由单一系统转变为耦合系统，成为现在科学研究的热点。
5.在此基础上，若能在一次太阳能源的转化源头上构建能量匹配，先解耦不同等级的能量应用，将不同波长的能量投入不同的生产路径，再耦合中间能量获得最终更高品位的能量；同时，通过协调耦合的办法，对能量传递过程中产生的余热进行循环利用，就能有效减少能量的无序损失，实现太阳能全光谱的有效利用，诞生一条绿色生产的新路线。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种能源有效利用率高的全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置，本发明的另一目的是提供一种简单方便的全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置进行燃料制备的方法。
7.技术方案：本发明所述的一种全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置，包括太阳能聚光镜和分频器，太阳能聚光镜用于聚合太阳光束，分频器用于将聚合后的太阳光束分开，分别进入光伏电池和二氧化碳捕获转化单元，光伏电池分别与光伏低温余热回收单元、水电解装置相连，光伏电池输出电能给水电解装置，水电解装置输出氢气、氧气和水，氢气进入二氧化碳捕获转化单元，氧气随水循环释放到外界，水连通光伏低温余热回收单元，带走光伏电池热量，二氧化碳捕获转化单元的出口与光热高温余热回收单元相连。
8.进一步地，聚合后的太阳光束分开为光束一和光束二，光束一为280～1200nm光谱谱段，光束一进入光伏电池，光束二进入二氧化碳捕获转化单元。
9.进一步地，太阳能聚光镜为槽式聚光镜、碟式聚光镜或菲涅尔聚光镜。
10.进一步地，光伏电池为硅系薄膜太阳能电池或化合物薄膜太阳能电池，能够全部
接收分频器投射的光束一。
11.进一步地，二氧化碳捕获转化单元位于聚光分频单元的焦距线上或焦点处，用于吸收分频器投射的太阳光束能量并进行co2热脱附及加氢反应制取碳氢燃料。二氧化碳捕获转化单元为真空集热管或可以在高压下同时进行光、热催化的光热反应釜。
12.进一步地，二氧化碳捕获转化单元的内部工质包括反应进气、催化剂、吸附剂和双功能材料中的两种或多种，反应进气为二氧化碳和氢气。催化剂是能够促进co2和h2在纯热或光热条件下反应，并生成c1、c2碳氢燃料的高效催化剂。
13.在不同催化剂作用下，可能发生以下一种或几种反应：
14.xco 2xh2→
c
x
h
2x
xh2o
15.xco2 3xh2→
c
x
h
2x
2xh2o
16.xco2 (2x
‑
z y/2)h2→
c
x
h
y
o
z
(2x
‑
z)h2o。
17.为了实现co2还原与碳氢燃料制备，需要对催化剂进行筛选。由于co2的物化性质，直接加氢反应速率慢，且产物选择性差，难以实现碳氢燃料有针对性、高效地制备，因此通过加用催化剂，可以有效增强反应速率和产物选择性。此外，在催化反应过程中，催化剂需要满足能使co2高效原位还原为碳氢燃料以及具有较长时间催化活性的功能。优选地，催化剂包括以cu、zn、pt、ru、fe、co、ni、ni
‑
ga、cuo、zno等金属或金属氧化物为前驱体，al2o3、zro2、sio2、sic、mofs、sbas、陶瓷载体、碳纳米纤维等氧化物、多孔介质材料为载体，利用沉积沉淀法、共沉淀法、浸渍法和溶胶凝胶法制得的复合材料，如cu/zno
‑
al2o3、pt
‑
al2o3、ru
‑
al2o3、ni
‑
al2o3、ni
x
ga
y
‑
sio2、ni
x
ga
y
‑
碳纳米纤维、pd/zn
‑
cnfs、ni
x
in
y
al
‑
sio2、zr
‑
cuo/zno、cuo/zno
‑
al2o3、cuo/zno
‑
zro2中的一种或几种。
18.进一步地，吸附剂是能够在常温条件下吸附co2并在受热作用下实现co2脱附的二氧化碳吸附剂。优选地，吸附剂包括沸石、活性炭、介孔分子筛、水滑石、氧化物、碳酸盐、ca(oh)2以及氧化物基、钙基、碳酸盐基复合材料，如cao/al2o3、k2co3/al2o3、na2co3/al2o3、k2co3/y2o3、k2co3/zro2中的一种或几种。
19.进一步地，双功能材料是由催化成分和吸附成分复合而成的材料，兼具捕获和转化二氧化碳的功能。例如：ru
‑
cao/al2o3、ru
‑
na2co3/al2o3、ru
‑
na2o/al2o3、ru
‑
ni
‑
na2o/al2o3、li
‑
ru/al2o3、na
‑
ru/al2o3、k
‑
ru/al2o3、ni
‑
cao/al2o3、ni
‑
na2co3/al2o3、ni
‑
na2o/al2o3、pt
‑
cao/γ
‑
al2o3、k
‑
cu/al2o3、ba
‑
cu/al2o3、cu/al2o3以及负载催化吸附成分的陶瓷基、金属基或塑料整体式载体中的一种或几种。
20.进一步地，光伏低温余热回收单元为水冷板、水箱、低温化学反应器或气体流道。光热高温余热回收单元为换热器、热管余热回收器、预热器或加热器。
21.上述全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置进行燃料制备的方法，包括以下步骤：
22.步骤一，对入射的太阳光束进行聚光和分频，分成光束一和光束二；
23.步骤二，光束一驱动光伏发电，电量供给电解水产氢，通过回收光伏发电产生的低温余热，对反应进气一次预热；
24.步骤三，光束二进行光热利用，提供反应温度，驱动co2热脱附过程，利用步骤二制备的氢气，继而实现co2加氢反应，通过回收反应产物出口的高温余热，对反应进气二次预热；
25.步骤四，收集光热高温余热回收单元的产物，得到二氧化碳碳氢燃料。
26.工作原理：按照最优原则分配太阳辐射能量，充分调动太阳的全光谱能量。入射的太阳光束先由太阳能聚光镜聚焦，再根据光电和光热所需能量的最佳分配比，由分频器将全光谱光束以不同频段分开，光束一的光子能量高于光伏电池p
‑
n结带隙能，进入光伏电解制氢单元，先投射至光伏电池表面进行光电利用，输出的电能而后进入水电解装置产h2(中间能源)；剩余的光束二进入二氧化碳捕获转化单元，进行光热利用，加热内部工质，驱动热化学反应和co2热脱附过程，生成终极能源
‑
碳氢燃料。其中，原位捕获的co2可来自工业排放和微生物分解，通过捕获、脱附和加氢转化过程，形成一个净碳排的清洁循环。碳氢燃料可以用于发电，更稳定地并入电网，或者直接反应产能，又或者作为易储存、可运输的储能物质，有效存储太阳能。过程中还设立光伏低温余热回收单元、光热高温余热回收单元，充分利用光电转换过程中伴随的低温余热以及光热转换过程中产物携带的高温余热。水电解装置中主要进行以下电解反应：
27.h2o
→
h

oh
‑
。
28.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
29.1、通过光电
‑
电解水
‑
光热
‑
热化学协同耦合作用，实现光伏发电制氢与co2加氢的有机结合，将太阳能转换为碳氢燃料化学能，提高太阳能的利用效率；
30.2、充分运用一次太阳能源，通过聚光分频技术，合理分配全光谱能量，全光谱捕获和分谱段利用太阳能的办法，有助于精准定位不同等级的能量，又能降低能量品位的转换损失；
31.3、能够实现太阳能源的有序转化和有效利用，具备高经济效益和工业实用价值；
32.4、太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，经济成本基本为0；
33.5、制备碳氢燃料的co2主要是从工业排放和微生物分解捕获而来，可以有效减少碳排放以及降低温室效应；
34.6、h2直接来源于太阳能光伏电池
‑
电解水制氢过程，不会产生额外电能消耗；而能量转换过程中的余热，也可以通过循环耦合再利用；
35.7、整个能量运行过程中，只有一次太阳能源是输入能量，h2和h2o是能量的运送载体，绿色清洁的碳氢燃料是唯一的输出能量和终极能源。
附图说明
36.图1是本发明的结构示意图；
37.图2是am1.5d光谱能量分布图。
具体实施方式
38.以下各实施例中所使用到的装置均为购买使用。
39.如图1，全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备装置，包括聚光分频单元、光伏发电制氢单元、二氧化碳捕获转化单元4以及余热回收单元。聚光分频单元包括太阳能聚光镜1，太阳能聚光镜1的焦距线上或焦点处有分频器2。太阳能聚光镜1用于聚焦太阳光束，并将光束从下方均匀反射到分频器2表面，太阳能聚光镜1为槽式聚光镜、碟式聚光镜或菲涅尔聚光镜。分频器2选择性滤过和透过光束，将聚合后的太阳光束分开为光束一和光束
二，光束一为280～1200nm光谱谱段，其余光谱谱段的为光束二，如图2。光束一、光束二分别进入光伏发电制氢单元、二氧化碳捕获转化单元4。
40.光伏发电制氢单元包括光伏电池3，光伏电池3为硅系薄膜太阳能电池或化合物薄膜太阳能电池，光伏电池3表面接收由分频器2滤掉且反射向下的部分频段太阳光束能量，即光束一。光伏电池3覆盖在光伏低温余热回收单元5上。光伏发电产生的不利余热由光伏低温余热回收单元5带走，实现光伏电池3在适当的温度下完成发电工作。光伏电池3的电极两端连接水电解装置6，形成电流回路，为电解水产氢气提供驱动电能，水电解装置6中主要发生的电解反应为：
41.h2o
→
h

oh
‑
。
42.二氧化碳捕获转化单元4为真空集热管或可以在高压下同时进行光、热催化的光热反应釜，用于吸收分频器2投射的太阳光束能量并进行co2热脱附及加氢反应制取碳氢燃料，优选为真空集热管。真空集热管吸收透过分频器2且继续向上透射的另一部分频段太阳光束能量，即光束二，转换为热能，为co2加氢还原反应提供所需的初始驱动能量以及co2热脱附过程提供持续能量。二氧化碳捕获转化单元4的内部工质包括反应进气、催化剂、吸附剂和双功能材料中的两种或多种，反应进气为二氧化碳和氢气。催化剂是能够促进co2和h2在纯热或光热条件下反应，并生成c1、c2碳氢燃料的高效催化剂。
43.真空集热管入口连接外部和水电解装置6的出口，分别流入co2和h2。真空集热管作为反应场所，一方面要预先在管内原位还原催化剂，除去可能存在的氧化物，避免影响co2加氢还原反应的效率；另一方面要在集热过程中加热吸附剂和催化剂，促进co2的原位脱附和还原，制备得到碳氢燃料。真空集热管内部涉及的co2加氢还原反应，在不同催化剂作用下，可能发生以下一种或几种反应：
44.xco 2xh2→
c
x
h
2x
xh2o
45.xco2 3xh2→
c
x
h
2x
2xh2o
46.xco2 (2x
‑
z y/2)h2→
c
x
h
y
o
z
(2x
‑
z)h2o。
47.为了实现co2还原与碳氢燃料制备，需要对催化剂进行筛选。由于co2的物化性质，直接加氢反应速率慢，且产物选择性差，难以实现碳氢燃料有针对性、高效地制备，因此通过加用催化剂，可以有效增强反应速率和产物选择性。此外，在催化反应过程中，催化剂需要满足能使co2高效原位还原为碳氢燃料以及具有较长时间催化活性的功能。优选地，催化剂包括以cu、zn、pt、ru、fe、co、ni、ni
‑
ga、cuo、zno等金属或金属氧化物为前驱体，al2o3、zro2、sio2、sic、mofs、sbas、陶瓷载体、碳纳米纤维等氧化物、多孔介质材料为载体，利用沉积沉淀法、共沉淀法、浸渍法和溶胶凝胶法制得的复合材料，如cu/zno
‑
al2o3、pt
‑
al2o3、ru
‑
al2o3、ni
‑
al2o3、ni
x
ga
y
‑
sio2、ni
x
ga
y
‑
碳纳米纤维、pd/zn
‑
cnfs、ni
x
in
y
al
‑
sio2、zr
‑
cuo/zno、cuo/zno
‑
al2o3、cuo/zno
‑
zro2中的一种或几种。
48.吸附剂是能够在常温条件下吸附co2并在受热作用下实现co2脱附的二氧化碳吸附剂。优选地，吸附剂包括沸石、活性炭、介孔分子筛、水滑石、氧化物、碳酸盐、ca(oh)2以及氧化物基、钙基、碳酸盐基复合材料，如cao/al2o3、k2co3/al2o3、na2co3/al2o3、k2co3/y2o3、k2co3/zro2中的一种或几种。
49.双功能材料是由催化成分和吸附成分复合而成的材料，兼具捕获和转化二氧化碳的功能。例如：ru
‑
cao/al2o3、ru
‑
na2co3/al2o3、ru
‑
na2o/al2o3、ru
‑
ni
‑
na2o/al2o3、li
‑
ru/
al2o3、na
‑
ru/al2o3、k
‑
ru/al2o3、ni
‑
cao/al2o3、ni
‑
na2co3/al2o3、ni
‑
na2o/al2o3、pt
‑
cao/γ
‑
al2o3、k
‑
cu/al2o3、ba
‑
cu/al2o3、cu/al2o3以及负载催化吸附成分的陶瓷基、金属基或塑料整体式载体中的一种或几种。
50.余热回收单元包括光伏低温余热回收单元5和光热高温余热回收单元7，光伏低温余热回收单元5置于光伏电池3下方，呈紧密接触状态，带走光伏发电产生的余热，降低光伏电池3的温升。光伏低温余热回收单元5为水冷板、水箱、低温化学反应器或气体流道。光热高温余热回收单元7进口与真空集热管的出口相连，吸收反应产物携带的高温余热。光热高温余热回收单元7为换热器、热管余热回收器、预热器或加热器。
51.上述全光谱利用太阳能的二氧化碳碳氢燃料制备方法，包括以下步骤：
52.步骤一，对入射的太阳光束进行聚光和分频，分成光束一和光束二；
53.步骤二，光束一驱动光伏发电，电量供给电解水产氢，通过回收光伏发电产生的低温余热，对反应进气一次预热；
54.步骤三，光束二进行光热利用，提供反应温度，驱动co2热脱附过程，利用步骤二制备的氢气，继而实现co2加氢反应，通过回收反应产物出口的高温余热，对反应进气二次预热；
55.步骤四，收集光热高温余热回收单元7的产物，得到二氧化碳碳氢燃料。