一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统及方法与流程

1.本发明属于太阳能和氢能综合利用领域，涉及一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统及方法。


背景技术：

2.化石燃料等传统能源的大量使用，导致了严重的能源供应危机与环境污染问题，开发可再生清洁能源迫在眉睫。太阳能作为一种新能源，可再生、分布地域广、存在普遍、易获得，但其难以直接利用。太阳能发电特别是太阳能光伏发电技术将太阳能转换为电能已经得到实际应用，但其波动性较大，不利于并入电网。氢气具有能量密度高、质量轻、储运方便、燃烧产物为水、不污染环境等特点，是一种理想的能源载体。而电解水制氢是一种常见的制氢技术。因此，太阳能光伏电解水制氢是一种很有前景的实现方式。
3.电解水制氢技术主要有碱水电解、固体氧化物电解和质子交换膜(pem)电解。碱性电解池成本较低，但存在碱液污染。固体氧化物电解池电解效率最高，但工作温度范围700～1000℃，需要额外能耗，且仍处于实验室研发阶段，尚未实现商业化应用。pem电解池电解效率居于二者之间，可使用纯水，且已实现商业化。通过pem电解制氢时，电解水温的升高可以减少电能耗散，从而提高电解效率，但提高电解水温度需要额外的加热装置与能源消耗。
4.此外，现有的太阳能光伏电解水面临着占地面积大、成本高、规模效应明显的问题，导致设备的小型便捷化和集成一体化受到阻碍。


技术实现要素：

5.基于以上描述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供了一种漂浮式太阳能光伏光热耦合制氢系统及方法。该系统可漂浮于海洋、湖泊、水库、蓄水池等水体上，利用位于水面上的太阳能资源，避免占用宝贵的陆地资源；可电解天然水体，不需要额外的水源和复杂的电解液循环管道；利用太阳能光热效应提高电解水的温度，从而提高了电解效率；将光伏、电解、光热、集气高度集成，节省空间，实现了设备的小型化和模块化。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统，包括漂浮支架、光热模块和制氢及集气模块；
8.所述光热模块包括聚光装置和集热装置，所述聚光装置下凹设置在所述漂浮支架上，集热装置安装在聚光装置内收集聚光装置聚集的热量；集热装置一端为进水口；
9.所述制氢及集气模块包括光伏电池阵列、电解装置和集气装置；光伏电池阵列排布在漂浮支架表面；集热装置另一端与电解装置连通；光伏电池阵列与电解装置电连接提供电能；集气装置与电解装置的出气管连接；
10.所述集气装置底部均有出水小孔，顶部有带活塞的出气管。
11.作为本发明的进一步改进，所述聚光装置采用抛物面聚光器，所述集热装置采用集热圆管，集热圆管设置在抛物面聚光器的焦点处。
12.作为本发明的进一步改进，所述抛物面聚光器与集热圆管满足最大采光角范围内入射到抛物面聚光器的光均将反射到集热圆管上。
13.作为本发明的进一步改进，所述光伏电池阵列包括若干太阳能电池板，太阳能电池板对称布置于聚光装置两侧的漂浮支架上。
14.作为本发明的进一步改进，所述电解装置为质子交换膜电解池，质子交换膜电解池采用光伏电池阵列产生的直流电将水电解为氢气和氧气。
15.作为本发明的进一步改进，所述质子交换膜电解池外包覆有隔热材料。
16.作为本发明的进一步改进，所述质子交换膜电解池上设置有温度传感器。
17.作为本发明的进一步改进，所述集气装置包括氢气收集室和氧气收集室，氢气收集室与所述电解装置的阴极连接，氧气收集室与所述电解装置的阳极侧连接；
18.所述氢气收集室和氧气收集室底部均有出水小孔，顶部均有带活塞的出气管。
19.作为本发明的进一步改进，当集气装置中水从出水小孔排出时，电解装置产生的气体进入集气装置。
20.一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统的制氢方法，包括以下步骤：
21.将漂浮式太阳能光伏电解水制氢系统放置于水面上时，水会由集热装置进水口进入，依次流经集热装置、电解装置和集气装置；
22.与此同时，集热装置吸收由抛物面聚光器反射的光转化为热能，水流经集热装置时吸热升温；从进水口到电解装置水温逐渐升高形成自然对流驱动水从进水口流向质子交换膜电解池；
23.电解装置由光伏电池阵列提供电能，电解水产氢产氧；产生的气体进入集气装置储存，同时集气装置原有的水经由底部出水口排出；当气体收集满后，打开集气装置上部导管活塞，气体转移同时水进入后，接着关闭活塞开始下一轮的气体收集。
24.相比于现有技术，本发明具有以下优点：
25.本发明为漂浮式的综合利用太阳能光伏与光热的电解水制氢系统，开拓利用多种水面场合的太阳能资源，避免占用宝贵的陆地面积，也可作为能源供应系统直接安装在船舶上或海岛沿岸，为离陆地较远而用电困难的场所提供一种潜在的能源供应方案。本发明在太阳能光伏电解水的基础上，采用抛物面聚光器和涂有吸光材料的集热圆管，利用太阳能光热提高水温从而提高了电解效率。本发明将光伏、光热、电解、集气高度集成，节省空间，减少了太阳能资源的浪费，且有利于设备的模块化和集成化。
26.进一步，本发明采用质子交换膜电解池，不需要使用碱性电解液，可因地制宜地利用各种天然水体，不需要额外提供各种水源与复杂的液体循环管路。
27.本发明的产氢方法由于进水口、集热装置、电解装置、集气装置和水体水面等部分存在高度差，集热装置内由液体温差产生的自然对流，两方面综合驱动水从水体经进水口到电解装置的方向流动，不需要额外的动力泵，且减少了热水的流出损失。
附图说明
28.图1为本发明的漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统的主视图；
29.图2为本发明的制氢系统的俯视图；
30.图3为本发明的制氢系统的左视图；
31.图4为图2中a
‑
a剖面示意图。
32.其中，1.漂浮支架，2.光伏电池阵列，3.抛物面聚光器，4.集热圆管，5.质子交换膜电解池，6.氢气收集室，7.氧气收集室，8.温度传感器。
具体实施方式
33.下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.以下结合附图1
‑
4对本发明作进一步说明。
35.本发明提供的一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统，包括漂浮支架1、光热模块、制氢及集气模块；漂浮支架1采用轻质泡沫材料，光热模块和制氢及集气模块由漂浮支架整合为一体后可漂浮在水上；光热模块包括聚光装置和集热装置，聚光装置采用抛物面聚光器3，集热装置采用集热圆管4；集热圆管4安装在抛物面聚光器3焦点处，集热圆管4外壁涂有黑色的吸光材料，吸收经抛物面聚光器3反射而来的光转变为热能并将其传输给集热圆管4中的水，使进水口流入的水加热升温，提高电解水温度；制氢及集气模块包括光伏电池阵列2、电解装置和集气装置。
36.抛物面聚光器3与集热圆管4的尺寸结构满足边缘光线原理，在最大采光角范围内入射到抛物面聚光器3的光都会反射到集热圆管4上。
37.光伏电池阵列2由6片单晶硅太阳能电池板对称布置于抛物面聚光器3两侧，且位于悬浮支架1上表面，根据光照情况和电压电流要求采用串并联连接。
38.质子交换膜电解池5内包括阴极、阳极和质子交换膜，利用来自于光伏电池阵列2产生的直流电将水电解为氢气和氧气，阴极处产氢，阳极处产氧，阴极与阳极处均有导管连接至集气装置；质子交换膜电解池5外包覆有隔热材料，以避免外部水体流动导致的散热效应；质子交换膜电解池5上部由橡胶塞密封，插入温度传感器8，以监测质子交换膜电解池5内的温度变化。
39.集气装置包括氢气收集室6和氧气收集室7，氢气收集室6与质子交换膜电解池5的阴极连接以收集氢气，氧气收集室7与质子交换膜电解池5的阳极侧连接以收集氧气；集气装置底部有出水小孔，顶部有带有活塞的导管；系统漂浮于水上时，集气装置中会充满水，质子交换膜电解池5电解水产生的气体通过导管进入其内，同时将水从集气装置底部的出水小孔排出，即通过排水法进行收集；当气体收集满后，打开上方导管的活塞，水流入集气装置并将收集到的气体转移。
40.综上所述，本发明提供的一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统的工作原理如下：
41.将系统放置于水面上，由于水位高于左侧的集气装置，水会由右侧进水口进入集热圆管4，依次流经集热圆管4、质子交换膜电解池5和集气装置。与此同时，集热圆管4外壁的黑色吸光材料将经由抛物面聚光器3反射的光转化为热能，水流经集热圆管4时，由于集热圆管4内外壁面存在温差，沿管壁的导热作用使水吸热升温。从进水口到质子交换膜电解池5的水温逐渐升高，这种沿着集热圆管4轴向的温差现象导致的自然对流作用也会驱动水
从进水口流向质子交换膜电解池5。
42.电解装置由光伏电池阵列2提供电能，电解水产氢产氧。产生的气体进入集气装置储存，同时集气装置原有的水经由底部出水口排出。当气体收集满后，打开集气装置上部导管活塞，气体转移同时水进入后，接着关闭活塞开始下一轮的气体收集。
43.水温的升高使质子交换膜电解池5的电解效率提高，同时质子交换膜电解池5外壁包覆的隔热材料减少了其内部水的散热，有利于维持电解水的温度。
44.基于上述原理，本发明还提供了一种漂浮式太阳能光伏光热耦合电解水制氢系统的制氢方法，包括以下步骤：
45.将漂浮式太阳能光伏电解水制氢系统放置于水面上时，水会由集热装置进水口进入，依次流经集热装置、电解装置和集气装置；
46.与此同时，集热装置吸收由抛物面聚光器3反射的光转化为热能，水流经集热装置时吸热升温；从进水口到电解装置水温逐渐升高形成自然对流驱动水从进水口流向质子交换膜电解池5；
47.电解装置由光伏电池阵列2提供电能，电解水产氢产氧；产生的气体进入集气装置储存，同时集气装置原有的水经由底部出水口排出；当气体收集满后，打开集气装置上部导管活塞，气体转移同时水进入后，接着关闭活塞开始下一轮的气体收集。
48.与现有技术相比，本发明可漂浮于多种水体上，利用位于水面场合的太阳能资源，避免占用宝贵的陆地资源；不需要使用碱性电解液，可电解各种天然水体，不需要额外的水源和复杂的电解液循环管道；利用太阳能光热效应提高电解水的温度，从而提高了电解效率；将光伏、电解、光热、集气高度集成，节省空间，减少了太阳能资源的浪费。
49.以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。