一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置及方法

1.本发明涉及新能源及环境修复领域，具体涉及一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置及方法。


背景技术：

2.随着全球能源需求量的不断加大及常规能源供给量的日趋紧张，各行各业对新能源的开发与应用的需求愈加迫切。自然能源的有效利用一直以来是人们不断探索和追求的目标，太阳能光伏、风能、地热、生物质能、海洋能等能源形式因具有资源丰富、可再生及环境友好等特点而成为当下和未来潜力巨大的能源索取对象。特别是在环境修复领域，以环境友好的新能源来满足环境治理的能量需求，不仅从根源上降低环境修复所产生的二次污染的风险，而且随着新能源开发的不断发展，成本逐渐降低，环境修复方案实施更加经济高效，从而在能量来源的开端与能量消耗的末端完整地实现以自然的力量来改造自然，达到能源取之于自然，用之于自然，并完成环境修复过程的目的。目前，关于温差发电的研究已有较多报道，但现有温差发电器装置多以散热片、半导体及制冷片组装而成，温差来源并不环保且持续性差。倘若利用自然资源条件获得稳定温差，将是可持续性地获得温差热能并将其转化为电能的优良方法。此外，电化学氧化技术处理在污染水体修复的应用中研究广泛，通过电极表面的氧化反应(直接氧化作用)及所产生的强氧化性物质的氧化作用(间接氧化作用)实现水体cod的氧化去除。然而，大量的电能消耗及电极的腐蚀作用大大提高了该技术应用的成本。
3.对此，我们借助自然界的能量来源，通过温差发电技术产生稳定直流输出，构建热电发生体系，并有机结合电化学处理污染水体技术，采用耐腐蚀电极材料处理，同时有效利用阴极副产物，再次转换电能，从而实现依靠自然能源发电与污染水体治理有机结合，并最终储存电能供后续利用的目的。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明目的是提供一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置及方法，
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置，包括，热电发生系统、氢气发生及污水处理系统与氢气产电系统；
6.热电发生系统，通过地下提水泵与地下取水口连接，与氢气发生及污水处理系统连接，用于将采集的太阳能温度与地下水温度之间的差值产生电能，为地下提水泵以及氢气发生及污水处理系统提供电能；
7.氢气发生及污水处理系统，与热电发生系统连接，输出端有两个，其中一个输出端与氢气产电系统连接，另一个输出端接入地下灌溉区，用于接收热电发生系统产生的电能进行反应，产生的氢气输出至氢气产电反应；
8.氢气产电系统，用于接收氢气发生及污水处理系统产生的氢气进行反应产生电势
能，为下游用户提供电力。
9.所述热电发生系统，包括：热源收集器、冷源集水槽、温差片以及dc转换器a；
10.所述冷源集水槽安装在地面上，所述冷源集水槽顶部通过螺钉与温差片连接，温差片顶部通过螺钉与热源收集器连接，使温差片夹持于热源收集器和冷源集水槽之间；
11.所述冷源集水槽包括冷源水入口和冷源水出口，其中，冷源入水口通过地下提水泵与地下取水口连接，所述冷源水出口通过控制阀门与氢气发生及污水处理系统；
12.所述温差片通过导线分别与地下提水泵以及氢气发生及污水处理系统连接；所述温差片还通过导线与dc转换器a连接。
13.所述氢气发生及污水处理系统，包括：电化学反应器、气泵以及提水泵；
14.所述电化学反应器为顶部开口的储水槽，且设有入水口和出水口，所述入水口与冷源集水槽的冷源水出口连接，所述出水口依次通过阀门、提水泵连入地下灌溉区；
15.所述气泵与电化学反应器连接，用于提取反应生成的氢气至氢气产电系统；
16.所述气泵和提水泵均与温差片连接。
17.所述电化学反应器，包括：多组电化学处理棒、固定底座和集气罩；
18.所述电化学处理棒，包括：电化学处理阳极棒和电化学处理阴极棒，所述电化学处理阴极棒上设有集气罩；
19.所述电化学处理棒均垂直插设于电化学反应器内的固定底座上，每组所述电化学处理棒之间距离相等，且电化学处理阳极棒和电化学处理阴极棒交替排列；
20.所述电化学处理阳极棒与dc转换器a的正极连接，所述电化学处理阴极棒与dc转化器a的负极连接。
21.所述氢气产电系统，包括：氢气净化器、氢气收集器、氢气产电模块以及dc转换器b；
22.气泵收集的氢气通过输出管线依次经氢气净化器、氢气收集器至氢气产电模块负极，氢气产电模块正负极输出直流电压，通过导线与dc转换器b连接，以输出直流电压至下游用户使用。
23.所述热源收集器，包括：吸热板、透明盖板、及隔热层；
24.所述热源收集器为六面体结构；且每个表面铺设有吸热板；
25.所述透明盖板覆盖在热源收集器上表面的吸热板上，隔热层铺设于热源收集器四周表面及下表面的吸热板上。
26.所述温差片包括多个温差产电单元，每个温差产电单元通过工作流体管线串联；所述末端温差产电单元的正负极分别通过导线与dc转换器a的正极输入端和负极输入端连接。
27.所述dc转换器a与电化学反应器之间的导线上并联设有电压监测器；dc转换器a的负极输出端还串联设有电流检测器。
28.所述电化学处理阳极棒为钛涂钌铱棒状阳极，用于水体cod及nh3-n氧化反应去除，同时，氧化所得强氧化性产物氧化水体cod以净化水体；
29.所述电化学处理阴极棒为钛棒状阴极，用于通过电解水反应及阳极所产h 迁移至阴极产生氢气，经集气罩收集由输出管线输出。
30.一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出方法，包括以下步骤：
31.1)地下提水泵将地下水采集至冷源集水槽中，通过热源收集器采集的热量与冷源集水槽中地下水的温差，温差片通过温差发电产生电压传输至地下提水泵、气泵、提水泵以及dc转换器a；
32.2)dc转换器a将温差片产生的电压转换可供电化学处理棒通电的直流电压，电化学处理棒在电化学反应器中发生反应；
33.2-1)水体cod及nh3-n氧化反应去除发生在电化学处理阳极棒表面，电化学氧化所得强氧化性产物氧化水体cod，实现净化水体；净化后的水体通过控制阀门和阀门的周期性控制，定期排水至地下灌溉区；
34.2-2)电化学处理阴极棒通过电解水反应及电化学处理阳极棒所产h 迁移至阴极产生氢气，经集气罩收集；
35.3)通过气泵采集集气罩中的氢气依次经氢气净化器、氢气收集器至氢气产电模块；
36.4)通过氢气产电模块发生氧化反应，产生电子流动而形成电势能，通过dc转换器b输出电压，为下游用户供电。
37.本发明具有以下有益效果及优点：
38.1.本发明装置可将热能差异转化为稳定直流电能输出，温差来源于太阳能及地表下水体，就地取材，来源便捷稳定，可持续应用，装置运行产电同时兼具污染水体环境治理修复的能力，此外，采用电化学氧化技术处理污水所得副产物h2进一步被高效利用转化为电能，实现电能“产-耗-产”的良性循环，后续电能还可作为它用，如可进行污染土壤的电动修复治理，修复后水体可用于土壤电动修复过程的水盐调控使用，最大限度地发挥该装置在环境修复领域的应用价值，可实现电能产出、水体治理、土壤修复的“齐步走”。
39.2.本发明装置有效解决了污染现场治理无可用电源的瓶颈问题，同时能源取之于自然，用之于自然，高效节能，经济环保，可形成稳定的生态能流循环。
40.3.本发明装置不受应用规模限制，可依据电能输出端的需求采用调控温差片数量、dc/dc转换器规格、电化学反应器容量、氢气产电模块参数等方式，改变电能输出功率，以满足不同应用特别是环境修复规模的需求。
41.4.本发明装置操作简单，管理便捷，对应用客观条件要求较低，适宜野外作业应用。
附图说明
42.图1为本发明装置系统组成的原理图；
43.图2为本发明装置系统组成的结构示意图；
44.其中，1为热源收集器、2为温差片、3为冷源集水槽、4为dc/dc转换器a、5为电压监测器、6为电流监测器、7为地下提水泵、8为冷源水入口、9为冷源水出口、10为入水口、11为出水口、12为控制阀门、13为电化学反应器、14为电化学处理阳极棒、15为电化学处理阴极棒、16为集气罩、17为污染的地下水、18为提水泵、19为气泵、20为阀门、21为氢气净化器、22为氢气收集器、23为氢气产电模块、24为地下水取水口、25为洁净地下水回水口、26为地下水源、27为地表、30为dc/dc转换器b；
45.图3为本发明装置热电发生系统结构示意图；
46.其中，201为温差产电单元、202为导线直流输出正极、203为工作流体管线、204为导线直流输出负极。
具体实施方式
47.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
48.通过本实施例，建立基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置
49.如图1所示，通过建立热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置，输出电能供给内部水、气泵等消耗，同时带动有机污染土壤电动修复处理过程的实施，实现电能供给、污水治理、土壤修复的一举三得的过程。该装置共由热电发生系统、氢气发生与污水处理系统及氢气产电系统等三部分组成，具体结构设置及实施过程如下：
50.如图2所示，为本发明的结构示意图，一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置主要由热源收集器1、温差片2、冷源集水槽3、dc/dc转换器a 4、电压监测器5、电流监测器6、地下提水泵7、控水阀门12、电化学反应器13、气泵19、氢气净化器21、氢气收集器22及氢气产电模块23等部件构成。
51.热电发生系统，由热源收集器1、温差片2、冷源集水槽3及dc/dc转换器a 4组成，其中，热源收集器置1于顶部并暴露于阳光下，底部为冷源集水槽3，集水槽为铜质材质，温差片2紧密结合在热源收集器1与冷源集水槽3中间，三者依靠螺丝固定，温差由热源收集器1与冷源集水槽3提供，热源收集器3温度可达150～170℃；冷源集水槽3内冷源来源于地下提水泵7抽取的地表下水体，可为污染或未污染水体，参考一般地表水性质，水温多为10～30℃，冷源集水槽3内水体周期性从冷源入水口8进入，自冷源出水口9排出，排水起止由排水阀门即控制阀门12控制；温差片2通过导线输出直流电能，电流通过dc/dc转换器a 4获得稳定直流输出后，部分供给水、气泵运行，部分接入氢气发生与污水处理系统，通过电压测定器5与电流测定器6实时监测稳定直流输出参数。
52.如图2～3所示，采用热源收集器1作为高温热源收集器，热源收集器1由深色涂层覆盖的吸热板、透明盖板、隔热层及外壳组装而成，透明盖板覆盖在吸热板上表面，隔热层位于吸热板四周及下表面处，并由外壳包裹；冷源集水槽3由铜质材质制成，厚度为10cm；热源收集器1置于顶部，冷源集水槽3置于底部，温差片2位于中间，分别与上下部件紧密结合，由螺丝固定，热能收集器1与温差产电单元201总面积为60m2，共分为15个单元，每个单元面积为4m2，保障每单元直流电能转换输出功率为200w，温差片2上设有贴片式温度传感器，实时监测温差片中产生的温差温度。如图3所示，为本发明装置热电发生系统结构示意图，各温差产电单元201经工作流体管线203与电路连接均为串联模式，总功率输出达3000w。直流输出端与dc/dc转换器a 4连接从而实现稳定直流输出。输出的稳定直流电的分配中，500w用于供给地下提水泵7运行，300w用于供给气泵19运行，700w用于净化的水体灌溉，装置场地照明管理供电300w，剩余1200w用于氢气发生与污水处理系统的运行输出及下游土壤电动修复供电。
53.如图2所示，关于氢气发生与污水处理系统，由电化学反应器13、钛涂钌铱棒状阳极14、钛棒状阴极15、导线、集气罩16、气泵19组成，其中，阴、阳电极可分别由多组多根组成，通过电化学反应器13内预留底座固定，但可拆卸更换，电化学反应器13底部通过管道连接冷源集水槽3，两者中间由控制阀门12连接，控制冷源水体进入电化学反应器13，可为污
染或未污染水体，电化学反应器13底部入水口10对侧开设电化学反应器13的出水口11，电化学反应器13内水量由两侧阀门周期性控制，定期排水更新水体；定期排水更新水体，每日污水处理量可达10～15m3；所有钛阴极15外侧加氢气集气罩16，导线穿过集气罩16顶端且保持密封性，集气罩16顶端开设氢气集气出口，氢气通过电解水反应及阳极所产h 迁移至阴极产生，通过管线经气泵19输出氢气，管线末端连接氢气净化器21入口端，氢气净化器21出口端连接氢气收集器22，氢气收集器22顶端阀门控制氢气输出，并经由管线连接氢气产电模块23。
54.钛涂钌铱阳极14及钛阴极15均具有耐腐蚀、惰性强的特点，水体cod及nh3-n氧化反应去除发生在阳极表面，同时，阳极电化学氧化所得强氧化性产物，如活性氯等，进一步氧化水体cod，达到净化水体的效果；阴极通过电解水反应及阳极所产h 迁移至阴极产生氢气，经集气罩16初步收集由管线输出。
55.如图2所示，稳定直流输出与电化学反应器13中的三组电化学阳极棒14和三组电化学阴极棒15分别相连接输出供电，每组阳极和每组阴极各由4根钛涂钌铱棒状电极或4根钛棒状电极连接组成，同极性电极间距0.3m，阴、阳极间距0.3m，电极长1.2m，电极底部固定于电化学反应器13内底部的固定底座上，但可拆卸更换，电化学反应器13容积约为1.5m3(1.5m长
×
1m宽
×
1m高)；
56.关于氢气产电系统，由氢气净化器、氢气收集器、氢气产电模块23、导线及dc/dc转换器b 30构成，其中，氢气作为能量来源的燃料，通过氢气产电模块23发生氧化反应，产生电子流动而形成电势能，通过dc/dc转换器b 30进一步稳定输出电压，与热电发生系统输出电能消耗后的剩余电能(除去水、气泵、电化学反应器的耗电)一同为有机污染土壤修复供电，供电总功率达800w，可供修复的有机污染土壤总面积达2400m2，且还可为下游用户供电。
57.本实施例中，装置在运行150天后，总污染水体治理量达1500～1800m3，水中cod去除率达70％～80％，nh3-n去除率达80％～90％；石油污染土壤经140天电动修复处理后，降解率达20％～30％，有效实现了污染水体与土壤的环境治理修复。
58.一种基于热电-氢质联合供能的稳定直流输出方法，包括以下步骤：
59.1)地下提水泵7将地下水采集至冷源集水槽3中，通过热源收集器1采集的热量与冷源集水槽3中地下水的温差，温差片2通过温差发电产生电压传输至地下提水泵7、气泵19、提水泵18以及dc转换器a 4；
60.2)dc转换器a 4将温差片2产生的电压转换可供电化学处理棒通电的直流电压，电化学处理棒在电化学反应器13中发生反应；
61.2-1)水体cod及nh3-n氧化反应去除发生在电化学处理阳极棒14表面，电化学氧化所得强氧化性产物氧化水体cod，实现净化水体；净化后的水体通过控制阀门12和阀门20的周期性控制，定期排水至地下灌溉区；
62.2-2)电化学处理阴极棒15通过电解水反应及电化学处理阳极棒14所产h 迁移至阴极产生氢气，经集气罩16收集；
63.3)通过气泵19采集集气罩16中的氢气依次经氢气净化器21、氢气收集器22至氢气产电模块23；
64.4)通过氢气产电模块23发生氧化反应，产生电子流动而形成电势能，通过dc转换
器b 30输出电压，为下游用户供电。
65.上述实施例表明，热电-氢质联合供能的稳定直流输出装置的运行实现了电能的生态转换，同时实现了在环境污染修复(水体与土壤)及维持装置稳定运行过程中将电能重新回馈于自然的生态能流创新型循环的过程。