本發(fā)明屬于新能源制備，具體涉及一種太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、由于太陽(yáng)能清潔可持續(xù)、能量巨大等優(yōu)點(diǎn)，被視為是未來(lái)能源發(fā)展的重要方向。然而，由于其客觀不連續(xù)性存在大規(guī)模棄光問(wèn)題，且中低品位太陽(yáng)能無(wú)法得到有效利用導(dǎo)致太陽(yáng)能利用和轉(zhuǎn)換效率難以提高。氫能是一種熱值高、無(wú)污染的二次能源，將太陽(yáng)能通過(guò)分解水轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行儲(chǔ)存利用是十分可觀的能源利用方式，而利用太陽(yáng)能制氫能也被認(rèn)為是未來(lái)最理想的制氫途徑之一。光伏發(fā)電是一種高效的光電轉(zhuǎn)換方式，但光伏電池只能將特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高品位太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，大量太陽(yáng)能被浪費(fèi)。而頻譜分裂技術(shù)能夠?qū)⑻?yáng)輻射能分解成不同的波段，使其每個(gè)波段都能得到有效利用。將高品位太陽(yáng)輻射能直接通過(guò)光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能；而低品位剩余波段能量，可通過(guò)與化石燃料互補(bǔ)以實(shí)現(xiàn)能量品位的大幅度提升。但目前仍缺乏能將高品位熱能完全高效利用的單一途徑，因此對(duì)能量進(jìn)行梯級(jí)轉(zhuǎn)化利用是一種科學(xué)有效的途徑。
2、在制氫技術(shù)方面，固體氧化物電解池分解水制氫和銅-氯循環(huán)制氫均為清潔高效的制氫方法，制氫過(guò)程中均無(wú)溫室氣體排放，且均需輸入電能和不同品位的熱能。不同的是，固體氧化物電解池電解水制氫需維持700～800℃的高溫環(huán)境，而銅氯循環(huán)中所需最高溫度僅為530℃。兩者所需能量能夠和太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)梯級(jí)轉(zhuǎn)化利用方式匹配(發(fā)電和供熱)，實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)能量的耦合，提供了一種高效的太陽(yáng)能制氫途徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明旨在提供一種太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)及方法，將自然太陽(yáng)光分頻利用，高品位太陽(yáng)光直接光伏發(fā)電，低品位太陽(yáng)余光與天然氣互補(bǔ)提升能量品位，并利用不同的能量轉(zhuǎn)換方式對(duì)余光進(jìn)行溫度梯級(jí)的有序轉(zhuǎn)化利用并匹配耦合固體氧化物燃料電池及銅氯循環(huán)，高效輸出氫能，極大地提升了能量利用效率。
2、一方面，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，包括聚光組件、分頻組件、光伏發(fā)電裝置、甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置、固體氧化物電解池裝置以及熱化學(xué)反應(yīng)裝置；
3、聚光組件對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚光，分頻組件對(duì)聚光光束進(jìn)行分頻，其中適用于光伏發(fā)電的頻段反射至光伏發(fā)電裝置進(jìn)行光伏發(fā)電，其余頻段經(jīng)聚光組件二次聚光至甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置；
4、甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置利用管式接收器將二次聚光的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能以對(duì)富氧空氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的富氧空氣與天然氣輸入燃燒室進(jìn)行富氧燃燒，產(chǎn)生第一級(jí)高溫?zé)煔猓淄楦谎跞紵邷毓夥l(fā)電裝置利用第一級(jí)高溫?zé)煔獾妮椛淠芰窟M(jìn)行光伏發(fā)電，由燃燒室排出第二級(jí)高溫?zé)煔庵凉腆w氧化物電解池裝置；
5、固體氧化物電解池裝置利用三級(jí)熱交換器和固體氧化物電解池逐級(jí)利用高溫?zé)煔獾臒崃?，其中，固體氧化物電解池利用系統(tǒng)產(chǎn)生的電能和高溫?zé)煔馑瑹崃窟M(jìn)行高溫電解制氫，并排出第四級(jí)高溫?zé)煔夤┙o熱化學(xué)循環(huán)裝置；
6、熱化學(xué)循環(huán)裝置的熱解反應(yīng)倉(cāng)、水解反應(yīng)倉(cāng)和干燥反應(yīng)倉(cāng)逐級(jí)利用高溫?zé)煔馑瑹崮茯?qū)動(dòng)反應(yīng)，整個(gè)熱化學(xué)循環(huán)裝置利用高溫?zé)煔馑瑹崮芎拖到y(tǒng)產(chǎn)生的電能實(shí)現(xiàn)銅氯循環(huán)，產(chǎn)生氫氣。
7、特別的，通過(guò)調(diào)控進(jìn)入管式接收器的空氣和氧氣比例，即調(diào)控富氧空氣中的氧含量，用以平衡太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)晝夜自維持運(yùn)行。
8、另一方面，本申請(qǐng)還提出了一種太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫方法，具體包括如下步驟：自然太陽(yáng)光經(jīng)一次聚光后至分頻組件，反射能被光伏發(fā)電裝置高效利用的光束，透射其余波段的太陽(yáng)余光，余光經(jīng)二次聚光后至管式接收器；
9、富氧空氣在管式接收器中經(jīng)聚光太陽(yáng)余光預(yù)熱后與天然氣一同通入燃燒室燃燒，產(chǎn)生溫度為2000～2500℃的第一級(jí)高溫?zé)煔?；通過(guò)所述甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置利用溫度為2000～2500℃的第一級(jí)高溫?zé)煔馑椛淠苓M(jìn)行熱光伏發(fā)電，將其轉(zhuǎn)換為溫度為850～1000℃的第二級(jí)高溫?zé)煔馔ㄈ胨龉腆w氧化物電解池裝置；
10、固體氧化物電解池裝置通過(guò)所述第三級(jí)換熱器利用溫度為850～1000℃的第二級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崮芗訜犭娊夥磻?yīng)原料，將其轉(zhuǎn)換為溫度為750～850℃的第三級(jí)高溫?zé)煔馔ㄈ牍腆w氧化物電解池；固體氧化物電解池利用750～850℃的第三級(jí)高溫?zé)煔庖约跋到y(tǒng)光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)固體氧化物電解水制氫，將第三級(jí)高溫?zé)煔廪D(zhuǎn)換為溫度為530～680℃的第四級(jí)高溫?zé)煔馔ㄈ霟峄瘜W(xué)反應(yīng)裝置；
11、熱化學(xué)反應(yīng)裝置中，熱解反應(yīng)倉(cāng)利用第四級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崮茯?qū)動(dòng)熱解反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為溫度為400～460℃的第五級(jí)高溫?zé)煔馔ㄈ胨夥磻?yīng)倉(cāng)；水解反應(yīng)倉(cāng)利用第五級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崮茯?qū)動(dòng)水解反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為溫度為130～200℃的第六級(jí)高溫?zé)煔馔ㄈ敫稍锓磻?yīng)倉(cāng)；干燥反應(yīng)倉(cāng)利用第六級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崮茯?qū)動(dòng)干燥反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為低溫?zé)煔馀懦觯浑娊夥磻?yīng)倉(cāng)利用系統(tǒng)光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行電解反應(yīng)制氫。
12、本申請(qǐng)?zhí)岢龅南到y(tǒng)與方法具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果：
13、1.通過(guò)聚光分頻將光伏轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換解耦，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)輻射能的分級(jí)利用，提升了能量利用效率。
14、2.將低品位太陽(yáng)余光與天然氣互補(bǔ)，通過(guò)富氧燃燒得到溫度為2000～2500℃的第一級(jí)高溫?zé)煔?，有效提升了能量品位?/p>
15、3.基于能量品質(zhì)匹配原則，利用高品位太陽(yáng)能直接光伏發(fā)電，利用第一級(jí)高溫?zé)煔膺M(jìn)行高溫?zé)峁夥l(fā)電；利用不同品質(zhì)的電/熱能量分階段供入固體氧化物高溫電解反應(yīng)、熱化學(xué)循環(huán)制取氫氣，在能量梯級(jí)轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了不同品質(zhì)的互補(bǔ)耦合。
16、4.電解水反應(yīng)、熱解反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣可用于為富氧燃燒提供原料，通過(guò)調(diào)控富氧空氣中的氧含量以平衡太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)晝夜穩(wěn)定運(yùn)行；
17、5.在系統(tǒng)內(nèi)部增加了熱回收裝置，通過(guò)合理設(shè)計(jì)布局將系統(tǒng)中釋放的熱量進(jìn)行了最大化的回收，有效減少了系統(tǒng)的能量損失。
18、6.在固體氧化物電解池陰極通入適量的氫氣可以有效防止陰極材料在高溫高濕條件下被氧化。
1.一種太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括聚光組件、分頻組件(2)、光伏發(fā)電裝置、甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置、固體氧化物電解池裝置以及熱化學(xué)反應(yīng)裝置；
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述聚光組件包括一次聚光組件(1)和二次聚光組件(3)；一次聚光組件(1)用于聚集自然太陽(yáng)光至分頻組件(2)；分頻組件(2)反射能被光伏電池高效利用的第一光束，透射其余波段的太陽(yáng)余光至二次聚光組件(3)，二次聚光組件(3)用于聚集分頻后的余光至管式接收器(6)。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述光伏發(fā)電裝置包括一級(jí)光伏電池(4)和一級(jí)光伏電池余熱利用裝置(5)；一級(jí)光伏電池(4)用于接收分頻組件(2)反射的頻段進(jìn)行光伏發(fā)電，為后續(xù)電解制氫提供電能；一級(jí)光伏電池余熱利用裝置(5)回收一級(jí)光伏電池(4)的熱能用以預(yù)熱水作為熱化學(xué)反應(yīng)的原料，同時(shí)避免一級(jí)光伏電池的溫升；一級(jí)光伏電池余熱利用裝置(7)設(shè)有通入冷水的入口和排出熱水的出口。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置包括管式接收器(6)、燃燒室(7)、發(fā)射器(8)、濾波器(9)、二級(jí)光伏電池(10)和二級(jí)光伏電池余熱利用裝置(11)；管式接收器(6)內(nèi)固定有光熱吸收器，用于吸收聚焦后的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)富氧空氣進(jìn)行預(yù)熱，天然氣與預(yù)熱后的富氧空氣一同輸入燃燒室(7)燃燒；燃燒室(7)內(nèi)天然氣富氧燃燒產(chǎn)生的第一級(jí)高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)發(fā)射器(8)產(chǎn)生輻射能量，輻射能量選擇性通過(guò)濾波器(9)，被二級(jí)光伏電池(10)吸收產(chǎn)生電能；二級(jí)光伏電池余熱利用裝置(11)回收二級(jí)光伏電池(10)的熱能用以預(yù)熱水作為固體氧化物電解水制氫反應(yīng)的原料，同時(shí)避免二級(jí)光伏電池的溫升。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述固體氧化物電解池裝置包括一級(jí)熱交換器(12)、二級(jí)熱交換器(13)、三級(jí)熱交換器(14)和固體氧化物電解池(15)；一級(jí)熱交換器(12)回收從固體氧化物電解池(15)陰極排出的高溫氫氣及水蒸氣的熱量，以進(jìn)一步加熱從二級(jí)光伏電池余熱利用裝置(11)排出的熱水；二級(jí)熱交換器(13)回收從固體氧化物電解池(15)陽(yáng)極排出的高溫氧氣的熱量，以進(jìn)一步加熱從一級(jí)熱交換器(12)排出的熱水蒸氣；三級(jí)熱交換器(14)利用第二級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崃?，以進(jìn)一步加熱從二級(jí)熱交換器(13)排出的熱水蒸氣，加熱后的高溫水蒸氣通入固體氧化物電解池(15)陰極作為電解反應(yīng)原料，三級(jí)熱交換器(14)換熱后的第三級(jí)高溫?zé)煔夤┙o固體氧化物電解池(15)；固體氧化物電解池(15)利用光伏電池產(chǎn)生的電能和第三級(jí)高溫?zé)煔馑瑹崃窟M(jìn)行高溫電解制氫，所需電能由系統(tǒng)的光伏發(fā)電提供，在陰極產(chǎn)出高溫氫氣和未被電解的高溫水蒸氣，在陽(yáng)極產(chǎn)出高溫氧氣，換熱后的第四級(jí)高溫?zé)煔夤┙o熱化學(xué)循環(huán)裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述固體氧化物電解池裝置內(nèi)具有一條熱水/水蒸氣管路，熱水/水蒸氣管路依次連接一級(jí)熱交換器(12)、二級(jí)熱交換器(13)、三級(jí)熱交換器(14)和固體氧化物電解池(15)；一級(jí)熱交換器(12)熱側(cè)入口與固體氧化物電解池(15)的陰極出口連接，冷側(cè)入口與二級(jí)光伏電池余熱利用裝置(11)的熱水出口連接；二級(jí)熱交換器(13)熱側(cè)入口與固體氧化物電解池(15)的陽(yáng)極出口連接，冷側(cè)入口與一級(jí)熱交換器(12)的冷側(cè)出口連接；三級(jí)熱交換器(14)冷側(cè)入口與二級(jí)熱交換器(13)的冷側(cè)出口相連；固體氧化物電解池(15)的陰極設(shè)有通入高溫水蒸氣的入口、通入氫氣的入口和排出高溫氫氣及水蒸氣的出口，陽(yáng)極設(shè)有排出高溫氧氣的出口；
7.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述熱化學(xué)反應(yīng)裝置包括熱解反應(yīng)倉(cāng)(16)、水解反應(yīng)倉(cāng)(17)、干燥反應(yīng)倉(cāng)(18)和電解反應(yīng)倉(cāng)(19)，
8.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括固液物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，通過(guò)所述固液物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將水解反應(yīng)倉(cāng)(17)中反應(yīng)產(chǎn)生的固態(tài)cu2ocl2和hcl氣體分別運(yùn)送入熱解反應(yīng)倉(cāng)(16)和電解反應(yīng)倉(cāng)(19)中，將熱解反應(yīng)倉(cāng)(16)中反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)cucl和運(yùn)送入電解反應(yīng)倉(cāng)(19)中，將電解反應(yīng)倉(cāng)(19)反應(yīng)產(chǎn)生的cucl2溶液運(yùn)送入干燥反應(yīng)倉(cāng)(18)中，將干燥反應(yīng)倉(cāng)(18)中反應(yīng)產(chǎn)生的cucl2固體運(yùn)送入水解反應(yīng)倉(cāng)(17)中。
9.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)還包括儲(chǔ)氫罐(20)、儲(chǔ)氧罐(21)和蓄電池(23)，其中儲(chǔ)氫罐(20)用以?xún)?chǔ)存固體氧化物電解池裝置以及熱化學(xué)反應(yīng)裝置所產(chǎn)氫氣，儲(chǔ)氧罐(21)用以?xún)?chǔ)存固體氧化物電解池裝置以及熱化學(xué)反應(yīng)裝置所產(chǎn)氧氣；蓄電池(23)用以?xún)?chǔ)存光伏發(fā)電裝置和甲烷富氧燃燒高溫光伏發(fā)電裝置的光伏電池所發(fā)電能，并為固體氧化物電解池裝置以及熱化學(xué)反應(yīng)裝置的電解過(guò)程供電。
10.一種基于權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射能分級(jí)與余光能量熱互補(bǔ)耦合的電/熱化學(xué)梯級(jí)制氫方法，其特征在于，將自然太陽(yáng)光分頻利用，高品位太陽(yáng)光直接光伏發(fā)電，低品位太陽(yáng)余光與天然氣互補(bǔ)提升能量品位，利用不同的能量轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能分頻后余光溫度梯級(jí)的有序轉(zhuǎn)化利用，并基于能量品質(zhì)匹配原則實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)的互補(bǔ)耦合；具體包括如下步驟：