太陽能轉氫發電工作站的製作方法
2023-12-10 08:09:22
專利名稱：太陽能轉氫發電工作站的製作方法
技術領域：
太陽能轉氫發電工作站是一種將太陽能轉化為化學能、電能的工作組機，是一類以獲取純氫為直接工作目標，以獲取電能為間接工作目標的能源製取機器。
背景技術：
就目前來看，人類採用機器設備利用陽光中蘊藏的能量方式有兩種，一種是通過太陽光照射獲取內能，另一種是將光能轉化為電能，太陽能轉氫發電工作站屬於後者。
人類對於光電效應認識最早始於19世紀60年代，光的電磁學與光的波動學處於完善過程中的實驗現象，在高中物理教材中曾中關於光電效應的實驗，其實驗內容大致如下把一塊擦得很亮的鋅板接在驗電器上，用弧光燈照射鋅板，結果驗電器指針張開了。這表示鋅板帶了電，進一步檢驗表明帶的是正電。這個實驗說明在弧光燈照射下，鋅板中的自由電子從表面飛出來了，於是鋅板帶正電。實驗表明在光的照射下，物體發射了電子，並且產生電流，但由於鋅板僅能捕獲8.07×1014Hz以上頻率的光子，而自然界中這類光子很少，所以採用鋅板獲取電能不適宜。
在光電效應的啟發下，人們不斷通過實驗尋找製取能將光能轉化為電能的優良材料，並用這些材料獲電能供生活使用，就目前來看，單晶矽及多晶矽等是太陽能電池生產主要的原料，其將光能轉化為電能的效率，能達15％。
太陽能電池解決了人們在電力網絡供應不上或不足時人們對電能需求的問題，利用太陽能電池能在野外給多種蓄電池充電，保證如手提電腦，手機的正常工作，在高原牧區，人煙稀少，可以利用太陽能電池照明或其它電力服務，一些科學人士還利用太陽能電池給發動機供電，發明了太陽能汽車，太陽能抽水機等。
這些發明確實給人們提供了不少方便，也為環保提出了模式，然而這所有的發明似乎僅滿足於人們對電力的需求，而並未指向人們在能源大領域存在的困難，比如人們對發動機燃料的需求，傳統太陽能電池另一個明顯的不足，還在於它只能提供小規模電力需求，雖然現有的太陽能發電系統也可貯存大量的電力，但保存時間不長。
發明內容
太陽能轉氫發電工作站針對21世紀對能源需求增加和人們對環境保護意識增強的形勢，在原有太陽能發電技術上進行了革命性改進，以利用太陽能的轉化的電能電解水製取純氫氣為直接目標，以收集所得氫氣再次發電為間接目標，形成了一種能滿足供氫發電雙重能源形式需求的工作站。
太陽能轉氫發電工作站主體結構分為五大部分，如附圖1所示，根據該工作站實現轉氫發電過程中各部件的功能可分為光能轉換裝置、氣體發生裝置、貯氣裝置、發電裝置、動力補給裝置，其工作原理如下當太陽光達到太陽能轉氫發電工作站正常工作標準時，該工作站的光能轉換裝置便會將太陽光轉化為電能，根據氣體發生裝置對所需電流、電壓要求不同，單晶矽板或多晶矽板等製作規格也均不同，其目的是使光能轉換裝置能產生達到氣體發生裝置所需的電流、電壓，同時也使氣體發生裝置能高效率地利用所得電能，在電能被導入氣體發生裝置後，氣體發生裝置電解槽內的水溶液便會被電解，並分別在兩電極上產生氣體。如果所使用的是純水，在電解槽陰極區會產生氫氣，陽極區產生氧氣如果所使用的是海水除雜後的精製飽和NaCl溶液，則陽極區會產生氯氣，陰極區產生氫氣，並且會生成NaOH溶液。生成的氣體在動力補給裝置工作下被輸送到貯氣裝置進行保存，液化處理等。
貯氣裝置所生成的氫氣、氧氣、氯氣均為極具工業價值的原料，其中氫氣液化後可提供給汽車作發動燃料，而滯銷的氫氣又可輸入發電裝置進行規模發電，實現產品形式轉化，並且在發電過程中又會生成淡水，經淨化後可提供居民使用，特別是那些淡水資源缺乏地區。
這樣與傳統太陽能電池相比，太陽能轉氫發電工作站便擁用了以下諸多優點1、可以根據需求進行能量輸出，傳統太陽能電池採光面相當有限，導致了其所獲得的電能較少，在能量輸出總功率上也就較小，而太陽能轉氫發電工作站具有將多個單晶矽板或多個多晶矽板所獲得的電能先轉化為化學能然後集中起來進行釋放的能力，其具有的貯氣裝置使發電機即使在無光照情況下，仍然能大功率地工作數天的時間，並能配合需求提高或降低功率。
2、具有大量貯存電能的能力，傳統太陽能電池僅具有利用電容貯存電流的能力，貯存的能量相當小，而太陽能轉氫發電工作站能夠像水力電站關閉水閘那樣利用貯氣裝置將已轉化為化學物質氫氣中的能量以化學能形式貯存起來，以備需要時使用。
3、能在一定條件下提供副產品純氧、氯氣、氫氧化鈉溶液。在光能轉換裝置工作條件下，氣體發生裝置將淡水分解成氫氣和氧氣；能將除雜後的海水，即精製食鹽水分解出氫氣和氯氣，並生成氫氧化鈉溶液。
4、能為發動機提供清潔環保高效的燃料，以氫氣為燃料的發動機排放物僅僅只有水，同等質量的氫氣燃燒放熱要比同等質量的汽油燃燒放熱高出三倍多。
5、電能可以通過管道輸送發電原料氫氣而實現異地發電的方式進行輸送，打破了百年來以金屬導線輸電的單一格局。
6、提供副產品淡水。淡水與電能是未來城市必需的兩大重要資源，而太陽能轉氫發電工作站又需要建在郊區和其它光能充足的地方，如果郊區擁有豐富的水資源，包括海水，便能利用其為源料將製取出的氫氣通過管道輸入市區，在市區進行發電，並生成淡水，淨化後可用作飲用水。
由於太陽能轉氫發電工作站僅是針對原有太陽能電池在功能結構上進行改進，因此其使用壽命和光能轉化效率均只與其使用的電池板功能相關，其所轉化的電能價格雖略高於國家電力平均價格，但對於電力需求旺盛的單位來說，並不構成負擔，其操作危險性也非常低。
附圖1為太陽能轉氫發電工作站工作的主要流程圖分為A、B兩幅，A圖為純水水電解情況，B圖為海水處理後的精製飽和NaCl溶液電解情況。其中，氣體發生裝置2在抗NaCl溶液腐蝕性上要遠遠高出氣體發生裝置1，而且氣體發生裝置2屬於離子交換膜電解槽；太陽能蒸餾器1是專用於對淡NaCl溶液蒸餾，太陽能蒸餾器2是專用於NaOH溶液蒸餾附圖2是氣體發生裝置2單元槽示意圖，其中的離子交換膜是阻止陰離子和氣體通過允許陽離子通過的特殊膜體。
附圖3是漂白劑原料製取圖示。
附圖4是一級貯氫室一單元室結構簡圖，其中管道①表示氫氣入口，管道②表示氫氣排放口，兩管道無閥門，其閥門設在地面外，其中隔板處於上下底面之間，其與四壁光滑緊密接觸，隔板上有許多直徑為2-3釐米的小孔，小孔周圍連接著能完全封閉小孔的瓣膜，瓣膜開口向下。
具體實施例方式
太陽能轉氫發電站由於具有多種用途，因此在投資建設上也因投資者的利益目標不同，而在結構外觀上和材料選取上有所差異，然而要實現利益最大化，必須儘量提高單位電池板所得光能向產品中的能量轉化率，從而提高產量，增加效益。
以建造電池板面積達14246m2的太陽能轉氫發電工作站為例，如果平均每日該工作站能正常工作9小時，太陽光照射地面處時單位面積上的輻射功率P0＝1.0×103W/m2，所採用的光電轉化板轉化光能為電能的效率為15％，則每日每平方米所得轉化為氫氣的化學能可達0.9KWh以上，則所得能量可以提供載重3噸，發動機效率為65％，行駛阻力為車重0.05倍的200輛汽車以20米每秒的速度行駛100Km的所需能量，如果所得產品能全部銷售出去，估計3到4年時間內收回全部投資，其後所得盈利除去基本開銷80％以上將是純利潤。
根據太陽能轉氫發電工作站正常工作對部件要求，我認為除去成本考慮，以現有技術完全能做(一)光能轉換裝置 光能轉換裝置是最核心的元件。其光能利用效率高低直接決定工作站轉氫發電能力，同時增強電池板單位面積上所得太陽能的輻射功率也是節約成本和提高效益的重要手段，其次是提高電池板所得電能向氣體發生裝置內陰陽極板輸送效率，這需要儘量減小輸電線路電阻，採用優質高效的導電材料。
通過如下方法可以提高太陽能電池板單位面積上的工作效力①通過布局高幹，引入反射鏡板，通過鏡面對光的物理反射作用，可以引入大量反射力頃的鏡板，並根據各個太陽能電池板的規格，如強光板、弱光板等接受光輻射的強度上限，制定最優方案，使每個太陽能電池板不但能接受其自然照射的光能還能接受被反射鏡板所反射的光能。②利用天文觀測成果，採用電腦編制出當地太陽白天12小時所在位置的數據，並以此數據控制太陽能電池板的轉動情況，同時推算出反射鏡板如何轉動才能使太陽能電池板工作效率最優的數據，從而編製程序控制反射鏡板的轉動。
氣候對光能轉換裝置的影響①風力達到一定程度便可能損壞太陽能電池板及反射鏡板，因此除了選取少風，風弱地區建設工作站外，還必須作好氣候觀測，必要時還應提前撤下電池板與反射鏡板。②雲霧對光能轉換裝置的光電轉化能力影響十分大，條件具備情況下，應主動驅散雲霧。
總之，空氣中水氣少，反射少，光照時間長的地方是太陽能轉氫發電站建設地址的首要條件，同時，工作站的人員還必須具備主動抗破壞性氣候的能力。
(二)氣體發生裝置 20世紀，隨著有機合成業和金屬冶煉的發展，對氫氣需求量越來越大，這促使了氫氣製取技術的發展。目前，許多公司已經具備了生產高純氫且能量利用率很高的氫氣發生裝置。在20世紀80年代電解制鹼技術開始採用離子交換膜法，先進的電鹼制鹼技術為通過將海水除雜淨化處理後製取高純氫氣提供了借鑑。
將純水電解的化學方程式是2H2O(I)＝2H2(g)+O2(g)；ΔH＝-571.6KJ/mol。現有技術採用復極多元電解槽結構製取氫氣，由於NaOH具有腐蝕性，因此採用優秀的催化技術淘汰NaOH是目前的氫氣製取主流，另外，純水制氫對電解槽選材上的電化學性，抗腐蝕性、耐鈍化性要求都十分高，在乾燥劑的選取上也應選取更換周期長的乾燥劑，不過這些問題都是現有技術能解決的。
將海水除雜淨化處理後的制氫過程無論從產品種類到工藝處理都與氯鹼製取技術十分相近，這使得利用海水除雜淨化處理後制氫的技術能很快成熟。
首先，通過溝渠管道等將海水引入太陽能轉氫發電工作站的海水淨化處理池，然後通過過濾除去泥沙，化驗出海水的成份和各種溶解質的存在比例，制定出除雜程序。經過過濾後的海水由於NaCl溶液濃度不夠高，因此還須加入一部分NaCl固體，使之達到飽和。
利用海水制氫的方程是 由於海水制氫的目地是為了儘量獲得純氫，因此如非對氯氣和燒鹼有大量穩定的需求，太陽能轉氫發電工作站的主要工作仍是製取能源，以淨化處理的海水製取氫氣採用離子交換膜電解槽。
離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜，電解槽框和導電銅棒等組成，每臺電解槽由若干單元槽串聯或並聯組成，如附圖二，是一個單元槽示意圖，電解槽陽極由金屬鈦網製成，陰極由碳鋼網製成；陽離子交換膜把電解槽分成陽極室和陰極室。陽離子交換膜有一種特殊性質，即它雙允許陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，也就是說又允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體不能通過，這樣既防止陰極產生的H2和陽極產生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液混合作用生成NaClO而影響燒鹼質量。
精製的飽和食鹽水進入陽極室純水(加入一定量的NaOH溶液)加入陰極室。通電時H2O在陰極表面生成H2、Na+穿過離子膜由陽極室進入陰極室，導出的陰極溶中含有NaOH經過一定蒸發，成為液鹼被直接包裝成成品；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。電解後的淡鹽水從陽極導出，可重新配製食鹽水或進入下面的工序。
在光能轉換裝置附近建立一定量的太陽能蒸餾器，太陽能蒸餾器是一類將光能轉化為熱能的設備，利用太陽能蒸餾器能將從陽極導出的淡鹽水蒸發出一定量的水蒸氣，並使淡鹽水變成飽和鹽水。飽和鹽水可以返回離子交換膜電解槽繼續進行電解；水蒸氣可以冷卻後加入一定NaOH溶液進入陰極室參加反應或被直接導入純水電解槽進行電解生成氫氣和氧氣。
需要指出的是，不論使用哪種氣體發生裝置，都必須保證①氣體發生裝置內各個電解槽所需電流、電壓達到正常工作標準，這可以從光能轉換裝置和氣體發生裝置兩方面入手，既先確定一方正常工作時電壓、電流及其功率，再選擇另一方使這配合，如氣體發生裝置需要4V電壓，1000A的電流，那麼光能轉換裝置對氣體發生裝置的輸入電壓也必須為4V，電流為1000A，同時在氣體發生裝置內也須安裝穩流器，防止工作時間光照強度變化影響氣體發生裝置的工作。②要儘量提高光能到氫氣產量的效率，減少能量浪費。
(三)貯氣裝置 無論採用哪種方式製取氫氣，氣體發生裝置都會產生兩種氣體，不同的是，利用海水除雜處理後生產的產物氯氣會有毒，而且毒性強烈，如果當地沒有足夠的氯氣需求或氯氣滯銷造成庫存不下，建議實施就地處理方法，處理的方法是利用Cl2+2NaOH＝NaCl+NaClO+H2O，既將氯氣平緩通過盛有NaOH溶液的溶器內。如附圖三所示，在容器的一端為NaOH補入口，及時及量的補入NaOH溶液，另一端為產物排放口，排出產物為含氯漂白劑原料，經過處理後可作漂白劑，同時處理後的氣體中可能仍含有少量氯氣，須再用NaOH處理，確定無汙染後排放，另一種方法是利用氫氣與氯氣化合製取氯化氫氣體，所得氯化氫氣體容於純水後便得了鹽酸，鹽酸既是極具工業價值的原料，也是海水精製所必需的化學藥品，當然，不排除其它優秀的處理方式。
下面主要介紹氣體的貯存，由於氫氣、氧氣、氯氣的貯存方式在這裡都採用物理處理方法，因此除了裝置的抗腐蝕性外，其餘均相同，以介紹氫氣的貯存為例以日產量為323Kg氫氣的太陽能轉氫發電站為例，其日產氫氣量按常溫常壓計算為3617.6m3，如果以長30米，寬30米計算，則需至少深4米多的一級貯氫室，即一級貯氫室應能至少保證貯存該工作站一日所生產氫氣於常溫常壓下的氣體體積，一級貯氫室最好建在地下，一則節約佔地面積，二則可利用地形使貯氫室抗壓力增強，三則可減弱難以避免的破壞性爆炸對周圍建築人群傷害。
一級貯氫室往往由於體積和上底面積很大，不易操作處理，因此需要進行分隔，分隔後的每一個小室為一個單元室，其具體結構如附圖四所示，每個單元室包括一個氣體導入通道，一個氣體排出通道，滑面隔板以及提拉隔板所需鋼繩及提升電動機等。
滑面隔板是一張與單元室室壁接觸緊密，且摩擦力與遠小於其自重力的隔板，隔板上擁有許多只能允許上底面和隔板之間的氣體向下流動並阻止下底面與隔板之間的氣體向上流動的部件，這種部件類似於人體血管的瓣膜，因此抽氣機將氫氣鼓入時，便會推動滑面隔板上升，直到完全貼在上底面上，上底面內層必須安裝壓力緩衝材料，使得隔板對其擠壓不致於造成損壞，一般可採用內部帶鋼性彈簧的材料。根據抽氣機所提供的壓強和氫氣庫貯量高峰值不同，對單元室的內部結構承受壓強也要求不同，一般情況下滑面隔板及室壁至少需要承受1013.25千帕以上而不至損壞，當氫氣需要從一級貯氫室排出時，便會放下滑面隔板，在滑面隔板重力擠壓和氫氣外洩氣壓作用下，氫氣便從氣體排出通道排出，通過排氫管實際排出口大小變化可調節排氫速度，這時隨著氫氣排放而下降的滑面隔板所起作用是①穩定氣壓，利用重力壓擠氫氣；②消除了氫氣排放對單元室壁所產生的吸拉作用力，保護單元室。由於氫氣排放過程中可能會通過滑面隔板與室壁間的空隙少量上洩，因此可拉動滑面隔板上升，這時瓣膜便會張開，讓上底面與隔板間的氫氣通過瓣膜孔下排，排出氫氣，直到排盡。
工作人員在進入一級貯存室內工作時，還必須使小室內充滿空氣，但空氣中的氧氣可能會與氣室內殘留氫氣化合造成危險，因此可先通入二氧化碳等無毒害且不易與所貯氣體反應生成有害氣體的氣體排出殘餘貯存氫氣，然後再鼓入空氣排走二氧化碳，經確定安全後工作人員方可入內。
二級貯氫室是氫氣收集後向工業原料轉化的途徑，由於氫氣具有許多的利用價值和性能，因此保存要求也不一樣，但目前主要以液化後裝入鋼瓶為主要方式，投資者如果對氫氣純度要求很高，除了導管氣密性優良外，還必須嚴把入口，包括原料選取，如氣體發生裝置中水的標準情況，電解後的除雜、乾燥等。
氧氣、氯氣的收集和保存與氫氣保存相同，只是氯氣由於具有劇毒性和腐蝕性，在材料選擇上必須注意器材的抗腐蝕能力，同時尾氣處理時必須用強鹼溶液除去氯氣，以確定安全性。
(四)動力補給裝置 動力補給裝置主要負責提供整個太陽能轉氫發電工作站各個部件對動力的需求，如水流的補入，氣體的貯存、排出和液化等，根據要求不同，可安裝不同功率發動機。
(五)發電機組 將氫氣進行發電與將氫氣用作工業原料相比可能效益較低，但也有其自身價值之所在，其原因是①氫氣在轉氫發電過程中起的是能量傳遞作用，通過電解水製取氫氣 和氫氣與氧氣化合2H2+O2＝2H2O，水的物質量從理論上講並沒有減少，因此利光能電解水製取氫氣再用氫氣發電對水的需求量並不多。②氫氣發電技術比其它發電技術如水力、火力、核電技術難度低，投資成本也相對低，且不具有汙染環境的缺點。③獨立性強，太陽能轉氫發電工作站可以支持那些電力網絡供應不上的地區，只需要光照充足、水汽少，便可運行不同規模投產。
利用氫氣發電必須考慮用戶的遠近，如果較近，可採用氫燃料發電池；如果用戶較遠，則須採用交流發電機，然而交流發電機以燃燒氫氣進行發電，能量利用度不高，投資者必須考慮消費者承受能力，綜合比較，如果用戶安裝發電池，通過管道將氫燃料提供給用戶讓其自己進行發電，效益會較好，當產品出現滯銷時，投資者也可考慮將氫氣轉變成電能接入電力網絡供電，減少成本虧損。
權利要求
1.太陽能轉氫發電工作站同其它太陽能電池、太陽能發電系統均屬於利用光電效應獲得電能的設備，但太陽能轉氫發電工作站工作目標不僅僅停留在獲得電能上，它另一個主要工作目的地是為獲取清潔高效燃料，其特徵是太陽能轉氫發電工作站將各個電池板所獲得的電能全部用來電解純水或海水精製後的飽和氯化鈉溶液，從中獲得主要產品氫氣和副產品氧氣、氯氣、液鹼等；氫氣既可用於多種化工和生活領域，也是下一工序發電工作的原料，因此太陽能轉氫發電工作站是一種集轉化氫氣和發電於一體多功能工作站。
2.根據權利要求1所述，太陽能轉氫發電工作站具有製取氫氣的能力，其具有的一級貯氫室既是氫氣液化前的集中室，也是實現發電工作的能量貯存室，是整個工作站的一部分，其特徵是通過具有單向透氣性的隔板分隔單元室，使其成為一種簡單有效的能量貯存室，這是過去任何太陽能電池或太陽能發電系統貯能設施中所不具有的。
3.根據權利要求1所述，太陽能轉氫發電工作站在電解處理海水過程中產生了氯氣、氫氣、氫氧化鈉溶液等產品，這與氯鹼工業產品種類相同，其特徵是太陽能轉氫發電工作站主要工作目標是為獲取氫氣作為發電和燃料使用，同時具有生產副產品氯氣和氫氧化鈉溶液的能力，其所利用光能電解處理海水是過去氯鹼製取工業和太陽能發電技術所不擁有的能力。
4.根據權利要求1所述，太陽能轉氫發電工作站擁有大量生產氫氣的能力，並能將氫氣用於發電使用，其特徵是太陽能轉氫發電工作站具有提供燃料和發電的雙重功能，但市場上工業和生活以及發動機燃料對氫氣的需求往往高於將氫氣用作發電的需求，因而將氫氣用於發電使用是將氫氣用作以上方面使用的補充，其目的是減少產品浪費，因此就功能而言太陽能轉氫發電工作站是具有利用光能發電的能量轉換設備。
全文摘要
太陽能轉氫發電工作站，是一種能提供燃料用氫和將氫氣用於發電的多功能太陽能轉換設備，其所採用的光能轉換裝置具有優秀的採集光能方式，並利用光電效應原理首先將光能轉化為電能，然後通過不同的氣體發生裝置，將純水電解為氫氣和氧氣，將精製飽和的NaCl溶液電解生成氫氣、氯氣和氫氧化鈉溶液，通過各種成品加工方式得到如液氫、液氧、液氯、液鹼等一系列極為重要的化工和生活用品。其所具有的一級貯氫室能低成本的貯存大量氫氣，並能直接提供發電機用於發電生產，實現產品形式轉化。因此，太陽能轉氫發電站能滿足21世紀人們對清潔環保的能源需求。
文檔編號H02N6/00GK1995460SQ200610142650
公開日2007年7月11日 申請日期2006年10月26日 優先權日2006年10月26日
發明者豆乾德 申請人:豆乾德