利用低能耗太陽能生產氫氣的設備的製作方法

2023-06-29 17:19:31

專利名稱：利用低能耗太陽能生產氫氣的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用低能耗太陽能生產氫氣的設備。
背景技術：
一般地，用太陽能發電有以下兩種渠道-用光電池，這樣比較容易，但也比較昂貴，-或者用高能量；例如，用太陽能會聚器(此為熱源，周圍的空氣作為冷源)將水蒸發為蒸汽，用蒸汽驅動渦輪機。這種方式非常複雜和昂貴。如果希望利用低能量的熱源例如以非蒸汽狀態存在的熱水等，周圍的空氣又不是好的冷源。

發明內容
本發明的設備解決了以上存在的問題。解決方案的第一步是用散熱器在夜間獲得冷水；第二步是將白天獲得的熱水和夜間獲得的冷水儲存起來，使這兩個熱源能夠持久有效地驅動與交流發動機相連的朗肯循環(Rankine cycle，也稱「蘭金循環」)中的渦輪機，或驅動斯特林發動機(Stirling engine)，或熱電發電機(thermoelectricity)。
晝夜更替通常是太陽能利用中的一個障礙，但在本發明中卻是一個主要的優點。發出的電接著就可用來生產氫氣，然後氫氣通過輸氣管道傳輸或貯藏在壓力容器中。
所述氫氣可用作無汙染燃料或用於汽車(帶燃料電池的)或電廠的無汙染電力生產中。
下面將以例證而非限定的形式描述本發明的其它特徵和優點


圖1是帶有處於循環中的渦輪機的發電設備的示意圖，所述渦輪機與交流發電機相連，所述發電設備與生產氫氣的電解池相連；圖2是帶熱電發電機的發電設備的示意圖，所述發電設備與生產氫氣的電解池相聯；圖3是帶有與交流發電機相連的斯特林發動機的發電設備的示意圖，所述發電設備與生產氫氣的電解池相聯；圖4是散熱器的剖面圖；圖5也是散熱器的剖面圖；圖6是儲水設備的剖面圖；
圖7是可變成散熱器的平板式太陽能集熱器的剖面圖。
具體實施例方式
圖1描繪了帶有處於循環中的渦輪機的發電設備，所述渦輪機連有交流發電機，所述發電設備與生產氫氣的電解池相聯；白天，水在平板式太陽能集熱器1中循環流動，由於溫室效應，太陽熱量被水吸收使得水溫升高。用泵16將水抽入循環系統(circuit)12並儲存在容器3中。然後水再次進入太陽能集熱器1中循環，為使儲存的水3達到可能的最高溫度，這種循環要持續整個白天。該設備在晚上被關掉。
夜間，水在散熱器2中循環流動，由於熱通過傳導、對流和輻射散失，水溫降低。用泵17將水抽入循環系統13並儲存在容器4中。
接著水又再次回流入散熱器2中循環，為使儲存的水4具有儘可能低的溫度，這種循環要持續整個晚上。在白天，該設備被關掉。
在保持持久可用的熱源3和冷源4的前提下，可利用卡諾定律(principles of Carnot，也稱卡諾循環)將熱能轉換為機械能。本發明採用循環，為此，本發明使用一個封閉的循環系統即第二循環系統19，在循環中改變相態(液態/氣態)和壓力的製冷用工作流體(frigorigen working fluid)例如氨水(或烯烴，HCFC，氟利昂，丙稀，異丁烷，異戊烷或其它)在所述第二循環系統19中回流。所述工作流體在被儲存的熱水3浸沒的旋管14(蒸發器)中從熱源3吸取熱量而被蒸發，所產生的蒸汽在向外膨脹時驅動低壓渦輪機6；所述蒸汽在被儲存的冷水4浸沒的旋管15(冷凝器)中將熱量傳給冷源4而被冷凝，泵5使所述工作流體從冷源4回流到熱源3並再次被置於壓力之下，從而開始新的循環。
在蒸發工作流體的過程中儲存的熱水3被冷卻，接著必須在白天用太陽能集熱器1將其再加熱。儲存的冷水4被工作流體加熱後也必須在夜間用散熱器2使其冷卻。
所述渦輪機6驅動交流發電機18發電。
本發明的主要目的就是用上述所發的電來電解水以生產氫氣。電解池9用交流發電機18發的電來實現容器10中的水的電解，產生的氫氣被儲存於容器11中。為了獲得將來可用作無汙染燃料的氫氣，如果電是在隔離區域發的，一個極好的用途就是用來實現水的電解以獲得氫氣。本發明的設備在各個層面上均具有顯著的生態學特徵，(所生產的氫氣)是礦物能源的最佳替代品之一。石油和所有其它礦物能源都非常汙染環境並且很快將變得短缺。氫氣是一種無汙染燃料，為了與石油工業競爭，必須用可再生能源生產氧氣且維持低成本。
本發明設備的使用地區優選乾旱地區，半乾旱地區，沙漠或半沙漠化地區，近熱帶地區等，因為這些地區-晝夜溫差(比其它地區)更大，-有很強的太陽能熱，-幾乎沒有雲，-溼度很低所以太陽光(比其它地區)更強烈，-在夜晚天空非常澄澈乾淨，通過散熱器的輻射可獲得極好的冷卻效果，-越接近赤道，晝夜交替越快，季節間的差異(比其它地區)就較小，-可利用大片未用於農業的無人區。
經濟方面為使本發明設備發的電能真正與用核能或礦物能源(石油，天然氣，煤炭)發的電競爭，利用本發明的設備建造和開發電廠的花費必須儘可能的低。下面將更加詳細地說明為生產價格最低的一度電和為適應嚴酷的氣候而使本發明的設備足夠堅固的花費較少的辦法。
水是最廉價和最有效的載熱流體之一，水一向是太陽能集熱器1和散熱器2中的載熱流體，並用作熱源3和冷源4的蓄熱體。水具有極大的蓄熱能力。安裝設備時將水裝入，設備在閉合循環系統中運轉，因此此後無需再加水。只有當通過水的電解生產氫氣時需要添加水。如果水質不好，太陽能蒸餾器可用來提高水質(通過除去水垢等)以避免沉澱物沉積損壞設備。
為避免冰凍可向水中加入乙二醇或乙二醇-乙醚。依據不同氣候也可使用其它效果更好的載熱流體。
下面將描述一種簡單且成本很低的、不須運送大量材料而在沙漠中實現熱水和冷水的有效儲存的方法。該方法屬於現有技術，下面將舉例說明。
圖6描繪了一個儲水容器。為了儲存熱水和冷水，該儲水容器優選為在土裡挖個幾米深的V形的蓄水池。蓄水池壁用防水布和防水塑料薄膜67覆蓋。從隔熱和保持很低成本的觀點來看，地下儲水是有效的，土壤是優良的自然絕熱器。保持絕熱比敞口在空氣中要好得多。在蓄水池的上表面蓋上遮光片62(例如聚苯乙烯)以保證上面絕熱。塑料薄膜63用來防止水61的蒸發。管道65和66用於水的泵入和抽出。上面覆蓋塑料片68的格柵64使蓄水池封閉起來以防止灰塵掉入其中。
熱源3和冷源4之間的溫差越大，驅動渦輪機6的力就越大。為了使在每個半周期結束時(白天結束時，夜晚結束時)本發明的設備的性能不降低，儲存的熱水3和冷水4的體積必須儘可能的大，因為由於工作流體的差熱傳輸和儲水容器的不可避免的熱損失，熱水3在夜間變得越來越不熱，而冷水4在白天變得越來越不冷。所以，應儘可能的使熱水和冷水的溫度保持不變。
熱水的密度比冷水小，蓄水池靠近上部的(水的)溫度比底部的高。所以將蒸發器14置於熱水池3的頂部，而將冷凝器15置於冷水池4的底部。為了從這種現象中得到最大的益處，通過建造儘可能深的蓄水池就可獲得一個補充溫差。通過在冷水池4中挖一個冷水坑可獲得一個小的補充溫差，該冷水坑(比冷水池)更深，內有因重力作用而存於其中的最冷的水。
白天，需加熱的水被泵入熱水池3的底部，一旦被太陽能集熱器1加熱之後就被帶到熱水池3的頂部。在夜間，需冷卻的水被泵入冷水池4的頂部，一旦被散熱器2冷卻之後就被帶到冷水池4的底部。
圖4和圖5為簡單散熱器的示意圖，作為一個例子，所述散熱器已被在先技術公開，且與冰箱背面的散熱器相似。例如所述散熱器2可由內有載熱流體回流的金屬管40組成，該金屬管40可為銅製，銅是一種非常好的導熱體。在所述金屬管40的上下均焊接有(與金屬管40)同種金屬製成的杆42，所述杆42用於對整體進行加固並增加冷卻面積。散熱器漆成黑色，因為黑色是最有利於輻射散熱的顏色。腳43用於將散熱器抬離地面並使對流(傳熱)更便利。
本發明中可採用基本的平板式太陽能集熱器，使用有大片面積可用於收集強輻射的乾旱地區(來實施本發明)時，可以採用不那麼精密和低成本的集熱器，因為低的效率就可以使我們滿足。
圖7是一個簡單而低成本的集熱器的示意圖，其特別之處在於夜間可當散熱器用。這種集熱器的集熱功能屬於現有技術，但另一方面，現有技術中沒有包括的是在白天向保證溫室作用發生的部分充氣，夜間則將該部分放氣，以使集熱器轉變為散熱器。以黑色塑料薄膜50充當底面，將另一黑色塑料薄膜52與薄膜50結合成一體以形成供載熱流體51在其中回流的通道。透明塑料布54結合塑料薄膜50形成可被充氣和放氣的體積53。太陽光透過所述透明塑料布並在到達黑色塑料薄膜52的黑色表面時轉變為紅外線。為了產生溫室效應，使用的塑料必須具有優良的對紅外線的不透明性。所述設備用於散熱模式時，不能像金屬制散熱器一樣有效，因此，我們在使用金屬制散熱器之前使用該設備(即圖7所示設備)。
圖2是帶熱電偶的發電設備的示意圖，所述發電設備與生產氫氣的電解池相聯；通過採用熱電發電機20，(圖2)所述發電設備的功能與(圖1)帶有與交流發電機相連的朗肯循環中的渦輪機的發電設備不同。
熱電(效應)或者說「塞貝克-珀爾貼效應」(Seebeck-Peltier Effect)是指如下的物理現象當兩種適當的金屬被結合在一起並具有不同的溫度時，會產生電流。
直至今日熱電都很少被利用；其最新進展與半導體薄層的使用相連，使之成為一種引起關注的低能耗發電方法。
在使用熱電發電機20(發電)的情況下，直接使用熱源和冷源，而不需使用中間工作流體。儲存在蓄水池3中的熱水被泵23泵入循環系統21中，通過所述循環系統21向熱電發電機供熱；儲存在蓄水池4中的冷水被泵24泵入循環系統22中，向熱電發電機提供冷源。
圖3是帶有與交流發動機相連的斯特林發動機的發電設備的示意圖，所述發電設備與產生氫氣的電解池相聯。斯特林發動機可以用來代替經典的循環。
斯特林發動機的活塞26缸27裝配件內封閉有一種氣體。該氣體輪流地與熱源和冷源接觸，所述熱源將熱傳給氣體，而所述冷源則將氣體的熱量帶走。當氣體與熱源接觸時，其壓力增大並推動驅動活塞26；接著將氣體與冷源接觸，其壓力降低，驅動活塞26又擠壓氣體，這個過程可以自行循環。所述活塞26與飛輪28相連。斯特林發動機有不同的類型，這些均記載在現有技術中。
熱電和斯特林發電機這兩種方式中均可以採用本發明的基本原理；然而，從經濟的角度考慮，在目前的技術現狀下，優選採用循環中的渦輪機。
權利要求
1.利用低能耗太陽能生產氫氣的設備，其特徵在於所述設備包括在白天工作以產生熱流體的太陽能集熱器(1)，和在夜間工作以產生冷流體的散熱器(2)，所述熱流體和冷流體分別儲存在不同的容器中以構成持久可用的熱源(3)和冷源(4)；所述太陽能集熱器(1)在帶有熱流體儲存容器的閉式循環系統中工作，所述熱流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體，所述散熱器(2)在帶有冷流體儲存容器的閉式循環系統中工作，所述冷流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體；根據朗肯循環採用含有工作流體的第二閉式循環系統(19)，該工作流體不同於儲存的熱流體和冷流體，所述第二循環系統(19)以不可逆的方向持續運轉，所述工作流體在使用熱源(3)的蒸發器(14)中被蒸發，被蒸發的工作流體驅動渦輪機(6)，接著所述工作流體在使用冷源(4)的冷凝器(15)中被冷凝；所述渦輪機(6)與用來發電的交流發電機(18)相連，電解池(9)用所述交流發電機(18)發的電來實現水(10)的電解以產生氫氣(11)。
2.利用低能耗太陽能生產氫氣的設備，其特徵在於所述設備包括在白天工作以產生熱流體的太陽能集熱器(1)，和在夜間工作以產生冷流體的散熱器(2)，所述熱流體和冷流體分別儲存在不同的容器中以構成持久可用的熱源(3)和冷源(4)；所述太陽能集熱器(1)在帶有熱流體儲存容器的循環系統中工作，所述熱流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體，所述散熱器(2)在帶有冷流體儲存容器的循環系統中工作，所述冷流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體；所述熱源(3)和冷源(4)被用來驅動斯特林發動機，所述斯特林發動機與用來發電的交流發電機(18)相連，電解池(9)用所述交流發電機(18)發的電來實現水(10)的電解以產生氫氣(11)。
3.利用低能耗太陽能生產氫氣的設備，其特徵在於所述設備包括在白天工作以產生熱流體的太陽能集熱器(1)，和在夜間工作以產生冷流體的散熱器(2)，所述熱流體和冷流體分別儲存在不同的容器中以構成持久可用的熱源(3)和冷源(4)；所述太陽能集熱器(1)在帶有熱流體儲存容器的循環系統中工作，所述熱流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體，所述散熱器(2)在帶有冷流體儲存容器的循環系統中工作，所述冷流體儲存容器中儲存有體積為常量的流體；熱源(3)和冷源(4)被用來通過熱電發電機(20)發電，電解池(9)用所發的電來實現水(10)的電解以產生氫氣(11)。
全文摘要
本發明公開了利用低能耗太陽能發電和生產氫氣的設備。該設備用太陽能集熱器(1)在白天獲得熱水(3)，並用散熱器(2)在夜間獲得冷水。所述熱水和冷水被儲存起來以獲得持久的熱源(3)和冷源(4)，所述熱源(3)和冷源(4)被用來發電，發電是採用與交流發電機(18)相連的朗肯循環中的渦輪機(6)，或斯特林發動機，或通過熱電方法。這些電可提供給電解池(9)來實現水(10)的電解來產生氫氣(11)。
文檔編號C25B1/04GK101048593SQ200580036743
公開日2007年10月3日 申請日期2005年7月18日 優先權日2004年9月7日
發明者菲利普·馬克·蒙特希諾斯 申請人:菲利普·馬克·蒙特希諾斯