一種利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統的製作方法
2023-07-06 23:55:36
專利名稱：一種利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於氫氣和氧氣製造技術領域，特別是涉及一種利用太陽能製備氫氣和氧氣的系統。
背景技術：
本申請人在專利申請號為200310122974.9的發明專利申請中對有關氫經濟的技術領域和技術背景已進行闡述，該申請公開了一種利用太陽能製備氫氣和氧氣的系統及其裝置，利用太陽能集熱器提供熱量，使水蒸汽在通式為MO-AB2O4尖晶石型催化劑作用下，在制氫吸附床中發生制氫反應，分解出H2；同時制氧吸附床的鹼金屬鹽活性炭催化劑因加熱而分解出的CO，供制氫吸附床催化劑還原，而放出CO2又被回收返回制氧吸附床，使活性炭催化劑又回復到鹼金屬鹽而放出O2。該發明還公開了一種利用太陽能製備氫氣和氧氣的裝置，包括太陽能集熱器、制氫吸附床和制氧吸附床、熱交換器、水蒸氣發生器、輸送管道，所述的太陽能集熱器通過太陽能聚焦加熱傳熱液，產生的傳熱液蒸氣輸送到制氫吸附床；所述制氫吸附床內裝有尖晶石型催化劑，和水蒸氣發生器產生的水蒸汽反應產生氫氣；同時由制氧吸附床產生的一氧化碳通過不同的管路輸入制氫吸附床；使尖晶石型催化劑還原並放出二氧化碳，此二氧化碳被回收送回到制氧吸附床與鹼金屬鹽活性炭催化劑反應生成鹼金屬鹽同時放出氧氣；氫氣經熱交換器熱交換後壓縮貯存在氫氣貯罐中，氧氣經熱交換器熱交換後壓縮貯存在氧氣貯罐中。該發明通過太陽能聚焦時需連續跟蹤太陽，裝置相對複雜，操作和控制困難。
現據一種CPC拋物面聚光原理(Comound Parabolic Collector簡稱CPC)簡稱複合聚光原理來設計一種太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統及其裝置。有關CPC複合聚光的原理已有很多專著作了詳細介紹。這一原理產生於上個世紀60年代的冷戰時期，前蘇聯的B·K巴蘭諾夫和G.K苗爾尼可夫，美國的H.海因特伯格和R.溫斯東等都先後獨立提出了一種在接受角內的投射輻射能全部反射到接受元件的理論。但直到上世紀70年代中後期，由於太陽能研究引起重視，美國科學家首先將這種理論用作聚光器應用於太陽能，並作了大量的研究公開出版了專著。近年國內也開始這方面的研究，並在太陽能高溫熱源的利用方面，投入部分試探性試驗，取得了一定的收穫。其優點是這種聚光器是一種非成像低聚焦，它可將給定接受角範圍內的入射光線按理想聚光比收集到接受器上，由於它有較大的接受角，故在運行時不需要連續跟蹤太陽，只要根據接受角的大小和收集陽光的小時數，每年定期調整若干次就可有效的工作。它可達到的聚光比在10以內，當聚光比在2以下時，都可做成固定式裝置。它可接受太陽的直射輻射和部分散射輻射，並能接受一般跟蹤聚光器不能接受的「太陽周圍輻射」。此類聚光器的結構比較簡單，能取得高溫。對聚光面型加工精度要求不嚴格。它在運行時，安裝要求簡便，只要將其線型接受器沿東西向水平放置，CPC的開口向南，其傾角可按太陽直射被限在±θmax範圍內來確定，如果太陽的運動不會使直射輻射的入射角大於CPC的接受角，則CPC的開口就不必跟蹤太陽運動。目前國內曾有利用CPC技術配合在玻璃真空管上試驗加熱熱水，其水管內壁最高溫度可以高達400℃左右。
發明內容
本發明提供一種利用太陽能複合聚光加熱產生高溫，在催化劑作用下，使水發生分解來製備氫氣和氧氣的系統。該系統的能源直接由太陽能供給，製備氫氣和氧氣成本低，對環境無汙染。
根據下列一組熱化學反應式組成一組熱化學循環製備氫氣和氧的裝置介紹如下
根據上述一組熱化學循環反應式分析其特點如下(1)這是一組可循環的熱化學反應式。反應步驟緊湊，參加反應的化學品較少。反應後沒有多餘的其它反應物產生，為循環反應創造了良好的開端。
(2)所有反應結果都是氣固兩相，從(I)式FeCl3分解開始，讓參加反應的化學品都處在一種全封閉的氣固兩相之中，由於氣相是無孔不入的，使反應得到了充分接觸，溫度也由於太陽能的介入得到了提高，再加上催化劑(FeCl3)的參與，就使得反應更激烈、更徹底、更快速，對提高反應循環周期更有利，也即反應得率就更提高。
(3)HCl(氣)和Cl2(氣)雖有一定的腐蝕性，但在乾燥情況下，其氣體基本沒有大多的腐蝕。它們只有在含水的情況下，腐蝕問題才特別突出。雖然在反應過程中有水(氣)參加反應，但參加反應的水是以過熱蒸氣的氣相形式參與的，而這種過熱蒸氣具有熱容大、溫度高，含水份少，相對而言腐蝕可以降到最少。另外在設備材料上可選用耐腐蝕性能較好的不鏽鋼，腐蝕問題是可以克服的。
(4)由於過熱蒸氣的含水份相對少了，熵的含量增大了，也即溫度提高了，反應物之間分子相互碰衝加速了，碰衝次數增加了，更重要的是催化劑的參與，提高了活化性能只有大能量的活化性能分子參與分子碰衝，反應速度就大大加快了。這時H2O分子中的O與H聯繫的鍵(O-H)開始斷開，由於O-H鍵的斷開，直接影響到了FeCl2，本來FeCl2是要在600°以上才開始升華的，由於FeCl2中的和Fe和Cl聯繫的鍵也開始受影響而鬆動以至斷開，這時斷了鍵的O，自身就是活潑分子，它迅速地搶收佔了FeCl2中Cl的位置，Fe是O的良好吸附床，因而引成了Fe3O4。懸在體系中的H2與同樣懸在體系中的Cl迅速地結合了，因而引成了HCl，多餘的H2與HCl就只有混合在體系中。於是就有了以下反應式因為這是一個大量吸熱的反應，只有熱量充足時它的反應就朝著正反應進行，一旦反應溫度不足，反應立即又朝逆方向進行了。
(5)參與反應的化學品是FeCl3，它在這組反應中，實際是以催化劑身份出現的，沒有這個催化劑提供一個反應活性中心反應速度就沒有這麼快，反應溫度要求就更高。只有有了催化劑參與，化學反應才有可能循環。其次唯一的一項消耗品是水，水到處都有，是一種廉價的自然資源，因此這個消耗品的成本幾乎是零，它分解得到的氫和氧是一對和諧的自然資源，它們燃燒後生成的是水，是可再生的資源，它對環境沒有汙染，而對本反應提供能源的是太陽能這是大自然對人類的恩賜，因此可以說它的綜合成本將是任何一種制氫方案無法比擬的，它是成本最低的。
(6)(I)式和(II)式反應都是吸熱反應，儘管CPC聚焦能獲得400℃左右的高溫，但在單位時間內CPC聚焦能否收集到足夠的能量，充分地供應大容量的能量消耗，這是面臨的一個實際問題，解決的辦法有三個方面一是從理論上分析，特別(II)式反應中要在反應期內提高熵的含量(即ΔS＞O)把原本供應的飽和蒸氣，通過增加一道太陽能過熱蒸氣發生器，用過熱蒸氣參加(II)式的反應，這樣就大大提高蒸氣中熵的含量，這對(II)式的反應是至關重要的。二是在反應體系內增加一套電加熱輔助裝置，雖然它會略增成本，但這可以提供相應所需的熱量。三是控制好反應程序也是至關重要的。在這個反應中，要做到反應溫度前高后低。即反應前期，反應溫度要高，愈到反應後期溫度則逐步降低。這是因為緊隨其後的反應(III)要求的反應溫度只有200-290℃左右(FeCl3的熔點溫度306℃)。
(7)緊接(III)式是還原放熱反應。理論上這個反應要減少熵的含量(即ΔS＜O＝為此除及時關閉輔助電源並及時移走HCl和H2的混合氣，當然這也適當降低了一部分溫度，但實際上還是遠遠不足的。為及時移走這部分多餘的熱量，在這一時段上就要引入一種方法來移走這部分多餘的熱量(要知道太陽能仍在不斷供應熱量)。當然可以考慮用增加設備的辦法來降低溫度。但那樣做的話，只有把設備越增越多，設備也越來越複雜，成本也會隨之加大。唯一簡單的辦法，即是引入一種載體，把這部分過剩的熱量移走，就成了這一反應時段的關鍵，因為這時熱量不移走，下一步反應就中止不前。而且由於太陽能加熱的熱量和時間是成正比例的，無法自由控制，如要達到自由控制，則需出很高的成本。
因此我們要用一種最廉價的辦法，讓它能按需進行控制，這就是我們要引入載體這一概念的理由，我們暫且稱它為冷載體，通過一種冷載體我們就可以將多餘的熱量帶走，但這個冷載體必須做到；在本反應的溫度壓力下，它不和任何參加反應的反應物(包括催化劑)發生任何化學反應，而且它還要做到啟動快，移走方便，同時還要防火防爆，防毒氣洩漏等方面的安全係數高，在物理性能方面，它要求這種冷載體既要和熱源接觸面較大，還要熱導率高，更要熱容大，而熱容大又跟密度有一定的關係。
顯然這樣的冷載體材料在現成的材料方面，只有元素周期表中的VIIIA族(又稱零族)的氣體元素比較合適，它們的化學性質都很穩定，一般情況下都不和其它成分發生化學反應，只有Rn(氡)、Xe(氙)、Kr(氪)生成少數穩定的化合物。將它們中最穩定的氣體通過適當改性成一種較理想的混合氣，用這種理想的混合氣作為熱交換的載體，對我們這組反應是非常必要的。我們可以通過管道將這種混合氣載體引入反應體系內進行熱交換。最後被加熱的混合氣載體送往貯水箱與冷水進行熱交換。交換後的熱水留作加熱蒸氣，混合氣載體則被送到HCl吸附床將殘留的HCl吸附。混合氣載體則被送入貯罐貯存，以備下次備用。殘留HCl氣體經吸附後定期回收再用。
(8)整個熱化學循環製備氫氣和氧氣的過程，其能量的轉換全部都在太陽能CPC的複合聚焦反應器內完成，因而大大減少了熱交換過程的熱容損失，如高溫傳熱介度的熱容，各種熱交換機械設備的熱容，顯然這將大大提高了熱利用率。
(9)唯一參加化學反應的化學品是FeCl3，在這裡FeCl3已成為催化劑的主要活性成分，而FeCl3卻是負載於一種載體上。因此要求這種催化劑要具有一定的形狀和粒度，以保證反應時有良好的透氣性。在高溫時不碎不裂，強度好，還要有良好的熱穩定性。要有一定大的表面積，更要有合適的孔型和孔徑。催化劑的導熱性能要好，還要有良好的抗各種病毒的性能和再生性能。
根據這些要求，FeCl3催化劑就是本發明的專用催化劑，其製備方法為FeCl3溶解在相應溶劑中後用載體浸漬後過濾、烘乾形成催化劑成品，溶劑可選用乙醚等可溶解FeCl3的常規溶劑，載體可選用Al2O3，即分子篩作催化劑載體，可達到本發明要求。
通過將FeCl3催化劑在太陽能複合聚光加熱器內加熱到300-350℃時，其反應方程為開始分解發放出FeCl2和Cl2；Cl2氣通過冷凝器冷凝後被送入氯氣貯罐貯存；太陽能複合聚光加熱器內溫度又繼續加熱到350-500℃後將過熱蒸氣引入反應體系，其反應方程為反應產生的HCl和H2的混合氣，經冷凝器冷凝後被抽風機送至吸附床，HCl氣被吸附床內的脫氯化氫吸附劑所吸附，而分離出的H2則被為貯氫金屬所吸附；當反應器內混合氣為抽風機抽走後，體系內的溫度仍然高於下一步反應所需要的溫度，故此啟動抽風機將混合氣載體貯罐中的混合氣載體送入反應體系內進行熱交換。交換後的熱混合氣載體被送往貯水箱中加熱冷水。水被加熱後，熱水留作加熱蒸氣所用，熱交換後的混合氣載體又被送往HCl吸附床，將殘留的HCl進行吸附。被吸附的殘餘HCl，定期解吸回收使用，混合氣載體繼續送貯罐貯存，以供下一輪循環使用。當反應體系溫度下降到＞200℃時，吸附床內的HCl被送入的蒸氣加熱而解吸與貯罐中的氯氣同時被抽風機抽出送入反應體系與Fe3O4反應，其反應方程為又還原成FeCl3，同時產生的還有H2O和O2的混合氣，混合氣經冷凝器冷凝後冷凝成冷凝水，冷凝水被水泵送往貯水箱，繼續加熱成蒸氣供使用，分離出的O2被送往貯存。
一種利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能蒸氣發生器加熱產生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能過熱蒸氣發生器加熱飽和蒸氣產生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管結合的太陽能發應器將FeCl3催化劑加熱到反應溫度後，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及時抽出送氯氣貯罐貯存；加熱溫度再升高到氫反應溫度後接受太陽能過熱蒸氣發生器輸送的過熱蒸氣與FeCl2反應，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合氣；混合氣經冷凝後送吸附床為HCl吸附劑所吸附，分離出的H2被貯存；反應器內過剩的高溫被抽風機送來的混合氣載體在反應器內進行熱交換，經過熱交換後的混合氣載體又被抽風機送到貯水箱中與冷水進行熱交換，交換後的熱水留作太陽能蒸氣發生器產生飽和蒸氣，混合氣載體又被送到備用吸附床，將殘留的HCl氣體吸附後定期解吸回收用，分離出的混合氣載體又被送回貯罐供下一次循環備用；與此同時吸附床通過太陽能過熱蒸氣發生器輸送的過熱蒸氣蒸氣加熱，將被吸附的HCl氣體解吸和貯罐中的Cl2同時被抽送到反應器內反應，Fe3O4還原成FeCl3，H2O和O2的混合氣經冷凝後被抽風機抽出冷凝水被水泵送入貯水箱供循環之用，分離的O2被貯存。
所述的混合氣載體為VIIIA族的氣體或者其混合物。
所述的太陽能蒸氣發生器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管和熱水箱，所述的拋物面聚焦器包括上蓋板，兩側板和外殼，上蓋板，兩側板均由玻璃板組成，內部為一拋物面和下部過渡的漸開線面的鏡面；拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空熱管，太陽能金屬玻璃真空熱管為一金屬管，外殼為高硼矽玻璃管，高硼矽玻璃管和金屬管封死抽真空形成真空層，高硼矽玻璃管內的金屬管為蒸發段，蒸發段上的金屬管外部設有由鋁、銅金屬片組成的吸熱片，金屬管和吸熱片上磁控濺射高溫選擇性吸收塗層，金屬管伸出高硼矽玻璃管的一端為冷凝段，冷凝段插入熱水箱。
所述的太陽能過熱蒸氣發生器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器，太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器的外層為高硼矽玻璃管，內層為金屬管，中間抽真空；金屬管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收塗層；金屬管兩頭有法蘭活動聯接的封頭，內裝導熱性能特好的金屬絲網捲成的網卷，網卷填滿整個管子內部空間緊貼管子內壁；兩頭封頭有進出口接頭。
所述的太陽能反應器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管反應器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空熱管反應器，太陽能金屬玻璃真空管反應器的外層為高硼矽玻璃管，內層是耐腐蝕的不鏽鋼管，中間抽真空；不鏽鋼管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收塗層；兩端為帶法蘭活動聯接的封頭；管子兩頭有孔板，中間有供進出口氣的不鏽鋼導管，導管在反應段沿軸向每隔一段距離按徑向均勻布若干小孔；鋼管內填滿FeCl3催化劑，催化劑的空間埋有通氣的導管，在導管沿軸向每隔一段距離按徑向均勻分布若干小孔。
本發明利用CPC複合拋物面聚焦不用跟蹤太陽聚焦的簡便方法，直接把CPC複合聚焦器和金屬玻璃真空管相結合，並在金屬玻璃真空管內設置相應的結構，分別組成太陽能蒸氣發生器，太陽能過熱蒸氣發生器和太陽能反應器等三種不同作用不同性能的太陽能新型加熱器，熱效率高，使太陽能得到充分的利用。
本發明充分利用CPC聚焦不用跟蹤太陽的優點，簡化了太陽能跟蹤聚焦方面的投資。其次，整個系統的熱交換過程，沒有使用高溫傳熱介質以及相配套的裝置和傳輸管道和各種類型的換熱器，從而大大節約了這些設備所需要消耗的熱容損失。整個反應過程完全在一個全封閉的體系內，化學品循環使用，沒有損耗。消耗的是水，得到的是氫和氧，所用的能源是太陽能，可以預見它將是所有制氫方案中最環保最低成本的方案。
圖1為本發明製備氫氣和氧氣的工藝流程示意圖；圖2為本發明太陽能蒸氣發生器結構示意圖；圖3為圖2中A-A剖面的拋物面聚焦器結構示意圖；圖4為本發明太陽能過熱蒸氣發生器中的的金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器結構示意圖；圖5為本發明的太陽能反應器中金屬玻璃真空管反應器的結構示意圖；圖6為圖5中B-B剖面結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，1為熱管式的太陽能蒸氣發生器。太陽能蒸氣發生器由外部的拋物面聚焦器和內部的太陽能金屬玻璃真空熱管和熱水箱組成。熱管是目前一種新型高效換熱元件，它能通過很小的表面積傳遞很大的熱量。它由一根導熱性能特好的金屬管，一端為冷凝段，被插在水箱中，另一端為蒸發段，被埋在真空的高硼矽玻璃管內，金屬管的內壁覆蓋著一種芯狀的芯網，管內裝有一定量的可凝性液體，兩頭封死，管內抽真空。金屬管在蒸發段有鋁或銅片做成的吸熱片，外表磁性濺射一層高溫選擇性吸收塗層。當金屬管在真空玻璃管內聚光加熱後，由於毛細作用，管子內的液體滲透到芯網中，液體在芯網中被汽化，蒸發的蒸氣就從管心流向冷凝段，冷凝段就和水箱中的水進行熱交換。重新凝結的液體在芯網毛細作用下又流回蒸發段。這樣周而復始的熱交換，水箱中的水被加熱蒸發，產生蒸氣。
蒸氣分別用管道送往太陽能過熱蒸發生器2和吸附床6-1、6-2。所有蒸氣管道過熱蒸氣管道外表都要包紮保溫層。熱管數量由產量多少決定增減。太陽能過熱蒸發生器2接收太陽能蒸氣發生器1送來的飽和蒸氣後加熱產生的過熱蒸氣送往太陽能反應器3，此時過熱蒸氣熱容增加了，加熱器的數量同樣由產量決定增減。此前太陽能反應器3已在加熱，當反應器內溫度已達到300-350℃時，反應器內FeCl3催化劑開始分解，反應式(I)開始反應變成3FCl2和(3/2)Cl2，此Cl2通過序號4-1的冷凝器冷凝後被抽風機21送往Cl2儲罐5儲存。在Cl2分解徹底後，當體系內溫度達到350℃以上時，即將太陽能過熱蒸發生器2內的過熱蒸氣通入太陽能反應器3，進入反應式(II)反應這一反應時要控制好反應溫度前高后低，即初期反應溫度要高，到了反應後期，反應溫度要低，產生的HCl(氣)和H2(氣)混合氣，通過冷凝器41冷凝後被抽風機21抽往吸附床61內，對HCl氣體進行吸附(吸附床61和吸附床62，作為循環反應時交替使用)。並同時啟動冷卻水對吸附床61進行降溫，以加大吸附床對HCl的吸附能力。未被吸附的H2分離出後，通過止回閥被送往金屬貯氫桶7所吸附。(吸附床61、62的吸附劑可選擇有關脫氯催化劑作為HCl氣體的吸附劑，此外還有膜分離等方法供選擇)當反應體系內HCl氣體和H2氣全部反應結束送走時，在準備進行(III)式反應之前，首先要打開d電磁閥，起動抽風機22，將混合氣載體從貯罐10中引入太陽能反應器3內進行熱交換。最後被加熱的混合氣載體又被抽風機23(電磁閥O打開)引入貯水箱9進行熱交換，熱交換後貯水箱9內的熱水留作供太陽能蒸氣發生器1加熱蒸氣。換熱後的混合氣載體被送回序吸附床63將殘留的HCl的氣體吸附(吸附床定期解吸)。分離出的混合氣載體送回貯罐10存供下一次循環使用。選用VIIIA族的氣體或者其混合物作混合氣載體作為傳熱介質，主要考慮混合氣載體不與其它任何物質有化學反應；其次混合氣載體熱傳導率在所有氣體中是比較高的。隨後準備進入(III)式反應在這一組反應中，反應溫度要控制前低後高，即反應前期溫度要低，因為這是一組放熱反應，後期反應溫度隨著反應時間推移，溫度自然要上去。此時吸附床61內通入蒸氣加熱，將吸附床內被吸附的HCl氣體進行解吸然後通過抽風機22又將解吸後的HCl和貯氯罐中的Cl2抽出送往太陽能反應器3內與Fe3O4反應，而放出H2O(氣)和O2的混合氣。通過抽風機23抽出，電磁閥n開，經冷凝器42，H2O被冷凝成冷凝水，送氧氣貯罐8，冷凝水被水泵11送到貯水箱9內供太陽能蒸氣發生器1產生蒸氣。分離出的O2留貯罐貯存。到此一個熱化學循環反應的過程全部結束。
圖2所示為利用CPC組裝而成的太陽能蒸氣發生器，圖3為CPC拋物面聚焦器示意圖。11為熱管，12為蒸氣發生器的熱水箱。13和14為CPC聚焦器的兩側面玻璃蓋板，15為CPC聚焦器上玻璃蓋板。太陽光線就從這裡射入CPC拋物面並聚焦到真空加熱管上，以減少吸熱體(真空玻璃熱管)對環境的對流和輻射損失，並保護吸熱體拋物面等部件不受雨雪、風砂、灰塵、汙物、大氣汙染等的直接侵襲，為此要求玻璃蓋板具有以下特性(1)光學性能要好，即太陽輻射透過率高，吸收率和反射要低，熱輻射不透過性要好；(2)機械性能要好，能承受一定的風壓、積雪、冰苞、投擲石子等外力和熱應力作用。(3)耐老化性能好，長期暴露在大氣環境和陽光下，將對拋物鏡面的使用質量和使用壽命造成重大影響。161和162為CPC拋物鏡面(拋物鏡面可以玻璃鍍金屬膜的，也可以塑料鍍金屬膜的，還有不鏽鋼磨麵拋光的)它的下部和拋物面過渡的是漸開面。序號17為CPC聚焦器保溫層和外殼，外殼要承受一定的重量，因此要有一定的強度和剛度，它可以是鐵皮的也可以是木頭的。通過玻璃側板、蓋板、拋物鏡面，保溫層、外殼、熱管式真空玻璃管等組成一個全封閉的CPC聚光器，在這個封閉的體系內，由於有一部分空氣，空氣中含有一定量的水份，特別在冬天當封閉體內外的溫差大時就很容易在玻璃的表面上形成一層霧氣，影響太陽的透過率，為此在聚光器的底部，設計安放一點乾燥劑，以吸附體內空氣中的水份。
在圖3中，我們從161和162的拋物鏡面上可以看到入射光線A經過拋物鏡面反射後與玻璃真空管的F點相切，B』入射光線經拋物鏡面反射後同樣與玻璃真空管的F點相切，這個F點就是拋物鏡面反射後的聚焦點，由於這個聚焦點最後可連成一條直線，因此過F點的線實際是一條聚焦線。當入射光線從另外一個方面入射時，相同道理，就引成過F』點的F』聚焦線。
與其它聚光器相比，CPC的反射鏡面面積較大，但由於CPC的上部鏡面幾乎與包含對稱軸的中心面相平行，故這部分鏡面的聚光效果很小，為減小CPC的尺寸，以降低成本，實際應用時，可將上部鏡面截去40-60％，如圖中將高度H，截去40-60％後，保留h高度，其聚光效果是基本相同的。
圖4所示為利用CPC組裝而成的金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器。21為導熱性能特好的金屬管，外表磁控濺射一層高溫度選擇性吸收塗層。22為真空層。23為高硼矽玻璃管。24為導熱性能特好的金屬絲捲成圓形金屬網，金屬絲網填滿整個金屬管內管，且緊貼內壁。25為上封頭。26為下封頭。27為飽和蒸氣入口。28為過熱蒸氣出口。飽和蒸氣從飽和蒸氣入口27進入後，即不斷與被太陽能CPC聚焦加熱的金屬內腔，包括金屬絲網進行熱交換，使飽和蒸氣的熱容不斷增加，即擴大了過熱蒸氣熵的含量，最後過熱蒸氣出口28出口送往太陽能反應器3參加(II)式反應。
圖5、圖6所示為利用CPC組裝而成的金屬玻璃真空管反應器。31為一種耐腐蝕不鏽鋼管，外表磁控濺射一層高溫選擇性吸收塗層。32為高硼矽玻璃管。33為真空層。34為不鏽鋼上封頭，35為不鏽鋼下封頭。36為耐腐性不鏽鋼導管，在導管的反應段內沿軸向每隔一定距離在園周方向均勻布若干小孔以作反應氣體通道。37為輔助電源，其功率大小根據反應溫度補缺。38為不鏽鋼導管，同樣在反應段沿軸向每隔若干距離按圓周方向均勻布若干小孔，以供氣體進出通道。39為導管填料函以供密封之用。310和311為排氣孔，312為FeCl3催化劑。
在(II)式的整個反應過程，前期因為這是一個吸熱反應，體系內要達到較高的反應溫度，同時反應過程中又大量吸熱，一旦太陽能CPC聚焦溫度不足，可增加輔助電源，以滿足反應熱的需要。另方面在反應的後期，又因為大量的反應已基本結束，其溫度仍處於高端，而下一步的(III)反應，其反應溫度只要求200-290℃之間(因為FeCl3的熔點才306℃，分解溫度才315℃，如果反應體系的溫度接近熔點，顯然對FeCl3的還原反應是不利的，所以在這一段時間內要體系內的溫度從高端的400℃多度，一下子降到200℃多度，顯然這是難的。因為太陽能仍然是照樣加熱不誤，為此在工藝上增加了一段利用混合氣載體進行熱交換，要快速從體系內將多餘的熱量移走，且不能浪費。混合氣載體是最理想的熱交換氣體。一是混合氣載體不與任何物質發生反應；二是混合氣載體的熱傳導係數高，三是混合氣載體可循環使用。
同樣在(III)式的反應中，因(II)式參加反應的H2O是過量的，過量的水與Cl結合變成6HCl，故在(III)式的反應中又把它們還原回來。實際上(I)(II)(III)式的反應是在一個全封閉的過程中，嚴格遵守一個循環的平衡，消耗的是水，被分解成氫和氧。
有關整個反應體系的溫度、壓力、各種反應氣體的信號均由傳感器通過電腦作出自動化控制，是已經成熟的技術，這裡不再複述。
權利要求
1.一種利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能蒸氣發生器加熱產生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能過熱蒸氣發生器加熱飽和蒸氣產生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管結合的太陽能發應器將FeCl3催化劑加熱到反應溫度後，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及時抽出送氯氣貯罐貯存；加熱溫度再升高到氫反應溫度後接受太陽能過熱蒸氣發生器輸送的過熱蒸氣與FeCl2反應，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合氣；混合氣經冷凝後送吸附床為HCl吸附劑所吸附，分離出的H2被貯存；反應器內過剩的高溫被抽風機送來的混合氣載體在反應器內進行熱交換，經過熱交換後的混合氣載體又被抽風機送到貯水箱中與冷水進行熱交換，交換後的熱水留作太陽能蒸氣發生器產生飽和蒸氣，混合氣載體又被送到備用吸附床，將殘留的HCl氣體吸附後定期解吸回收用，分離出的混合氣載體又被送回貯罐供下一次循環備用；與此同時吸附床通過太陽能過熱蒸氣發生器輸送的過熱蒸氣蒸氣加熱，將被吸附的HCl氣體解吸和貯罐中的Cl2同時被抽送到反應器內反應，Fe3O4還原成FeCl3，H2O和O2的混合氣經冷凝後被抽風機抽出冷凝水被水泵送入貯水箱供循環之用，分離的O2被貯存。
2.根據權利要求1所述的利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於所述的混合氣載體為VIIIA族的氣體或者其混合物。
3.根據權利要求1所述的利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於所述的太陽能蒸氣發生器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管和熱水箱，所述的拋物面聚焦器包括上蓋板，兩側板和外殼，上蓋板，兩側板均由玻璃板組成，內部為一拋物面和下部過渡的漸開線面的鏡面；拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空熱管，太陽能金屬玻璃真空熱管為一金屬管，外殼為高硼矽玻璃管，高硼矽玻璃管和金屬管封死抽真空形成真空層，高硼矽玻璃管內的金屬管為蒸發段，金屬管伸出高硼矽玻璃管的一端為冷凝段，冷凝段插入熱水箱。
4.根據權利要求1所述的利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於蒸發段上的金屬管外部設有由鋁、銅金屬片組成的吸熱片，金屬管和吸熱片上磁控濺射高溫選擇性吸收塗層。
5.根據權利要求1所述的利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於所述的太陽能過熱蒸氣發生器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器，太陽能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發生器的外層為高硼矽玻璃管，內層為金屬管，中間抽真空；金屬管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收塗層；金屬管兩頭有法蘭活動聯接的封頭，內裝導熱性能特好的金屬絲網捲成的網卷，網卷填滿整個管子內部空間緊貼管子內壁；兩頭封頭有進出口接頭。
6.根據權利要求1所述的利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，其特徵在於所述的太陽能反應器包括拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管反應器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點處固定太陽能金屬玻璃真空熱管反應器，太陽能金屬玻璃真空管反應器的外層為高硼矽玻璃管，內層是耐腐蝕的不鏽鋼管，中間抽真空；不鏽鋼管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收塗層；兩端為帶法蘭活動聯接的封頭；管子兩頭有孔板，中間有供進出口氣的不鏽鋼導管，導管在反應段沿軸向每隔一段距離按徑向均勻布若干小孔；鋼管內填滿FeCl3催化劑，催化劑的空間埋有通氣的導管，在導管沿軸向每隔一段距離按徑向均勻分布若干小孔。
全文摘要
本發明公開了一種利用太陽能複合聚光製備氫氣和氧氣的系統，利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能蒸氣發生器加熱產生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空熱管結合的太陽能過熱蒸氣發生器加熱飽和蒸氣產生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽能金屬玻璃真空管結合的太陽能發應器在FeCl
文檔編號C01B13/02GK1803579SQ200510048908
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月14日 優先權日2005年1月14日
發明者吳佶偉 申請人:吳佶偉