專利名稱：太陽能制氫熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型、太陽能制氫熱水器屬于能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能的利用無疑是極其重要的。迄今為止，主要應用的是太陽能電池發(fā)電和太陽能熱水器熱水。太陽能電池的優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。不足是太陽能利用率低，價格較高。太陽能熱水器的優(yōu)點是，價格低廉，太陽能利用率較高。但當不需要熱水時，太陽能就不能被利用。鑒于這些不足，研究開發(fā)太陽能新的利用形式還是很必要的。 美國科學家利用催化劑，使得甲醇和水反應，產(chǎn)生氫氣，效率可達95%。這是利用太陽能的一個很好方式。但迄今未能推廣。另ー方面，甲醇也是一種很好的燃料。用ー種燃料產(chǎn)生另ー種燃料，其成本很難降下來。因此，開發(fā)利用太陽能的新方式仍是很必要的。本發(fā)明的目的是，利用價廉易得的材料構(gòu)造ー個裝置，既能產(chǎn)生氫氣，也能加熱7K，大幅提聞太陽能的利用率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出三種太陽能制氫熱水器設(shè)計方案。其主要差別在干，吸收太陽能的介質(zhì)不同。分別為堿性水溶液，酸性水溶液，及可溶解于水的金屬鹽水溶液。共同之處在于，這些溶液中都可以含有多種溶解于或懸浮于其中的吸收太陽能的物質(zhì)，如碳與堿、酸或金屬鹽的反應產(chǎn)物或懸浮的碳黑微粒；與直流電源負極相連的負極板有黒色導電涂層；都是通過直流低壓電解方式產(chǎn)生氫氣；三種太陽能制氫熱水器在產(chǎn)生氫氣、氧氣和熱水的整個過程中消耗的只是水、少量電能及太陽能。負極板上的黒色導電涂層應有極大的光吸收系數(shù)，而且耐強堿、強酸或金屬鹽的腐蝕?，F(xiàn)在太陽能熱水器用的太陽能吸收涂層已很成熟，有許多種。例如，黑鉻、黑鎳或漸變鋁-氮-鋁涂層。因此可以按如下方式制作黑色導電涂層用當前已成熟的技術(shù)制作平板太陽能吸收涂層，在此涂層上附加ー層透明、耐腐蝕的導電膜，或涂敷碳黑薄膜，或粘附碳纖維。當然，最好的方式是改造現(xiàn)有太陽能吸收涂層，使其導電且耐腐蝕。可溶于水的堿有多種，如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇；可溶于水的酸也有多種，例如鹽酸、硫酸、硝酸；可溶于水的鹽有許多種。如氯鹽(不包括氯化銀)，硝酸鹽，硫酸鹽(不包括硫酸鋇、硫酸鈣、硫酸銀)，鉀鹽和鈉鹽。這些是可用的。一種太陽能制氫熱水器，其特征是，這種太陽能制氫熱水器由盛裝堿性、酸性或金屬鹽水溶液的溶液箱，熱水箱，冷水箱，A、B導氣管，保溫層，直流電源、儲氫氣罐及儲氧氣罐構(gòu)成，溶液箱和熱水箱有共用的壁板，稱之為中板，在溶液箱ー側(cè)的中板表面有黑色導電涂層并連接電源負極，在熱水箱ー側(cè)的中板表面上有絕緣膜層，在溶液箱和熱水箱的頂上安裝有冷水箱，在冷水箱里面安裝有A、B導氣管。上述太陽能制氫熱水器，其特征是，吸收太陽能的物質(zhì)是堿性水溶液、酸性水溶液、金屬鹽水溶液這三種水溶液之中的任ー種，和中板上的黑色導電涂層。上述太陽能制氫熱水器，中板表面上的黑色導電涂層的特征是，在現(xiàn)在已有太陽能吸收涂層表面上附加ー層透明導電薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纖維。在上述三種溶液中，可根據(jù)需要溶解多種吸收太陽能的物質(zhì)或懸浮多種吸收太陽能的微粒，以便更多地吸收光能。例如，前述太陽能制氫熱水器，其溶液的特征是，在堿性水溶液中溶解有碳與堿的化合物，在酸性水溶液中溶解有碳與酸的化合物，在金屬鹽水溶液中溶解有碳與金屬鹽的化合物，在這三種溶液中，都懸浮有碳的納米級微粒。堿溶液的濃度可以是飽和濃度。而酸性水溶液和金屬鹽水溶液不必取飽和濃度。前述太陽能制氫熱水器，其溶液箱的特征在于，溶液箱由前板、中板、頂板、底板及兩個側(cè)面板構(gòu)成，前板是透明的真空玻璃絕熱板，接觸水溶液的前板表面連接直流電源的正極，在前板和中板上方的中間有隔氣板，前板上方是B導氣管的進氣ロ，中板上方是A導氣管的進氣ロ。制作真空絕熱板玻璃是由透光率盡可能高的玻璃制作。這些玻璃還必須耐強堿、強酸的腐蝕。存在這樣的玻璃，例如，有硅酸鈣(CaSiO3)保護膜、表面光滑的玻璃有此功能。正、負極板直接接觸堿、酸或鹽的水溶液。因此，當用堿性或金屬鹽水溶液時，正、負極板接觸溶液的表面必須耐強堿或金屬鹽的腐蝕。當用酸性水溶液時，正、負極板接觸酸溶液的表面必須耐強酸腐蝕。正極板(前板)可用耐強堿、強酸、或金屬鹽腐蝕的、并聯(lián)的、透明導電膜條或碳纖維條制作。隔氣板的作用是使從正極、負極(即，前板、中板)上方逸出的氣體分隔開。隔板由耐腐蝕的薄板制作，例如，可用聚四氟こ烯的塑料薄板制作。前述太陽能制氫熱水器，其熱水箱的特征在于，熱水箱由中板、后板、上板、下板及兩個側(cè)板構(gòu)成，在上板安裝有連接冷水箱的進水管、進水閥門和壓カ閥，在下板安裝有放水管和放水閥門。由于溶液箱吸收太陽能，溶液箱溫度增高。由于中板是溶液箱和熱水箱共用的壁板，溶液箱中的熱量就通過中板傳給熱水箱中的水，即，中板是熱水箱的加熱板。前述太陽能制氫熱水器，其冷水箱的特征在于，在冷水箱的上面有進水管和進水閥門，在冷水箱里安裝有A、B導氣管，在冷水箱的下面有放水管，這個放水管就是熱水箱的進水管。由于熱水的使用，熱水箱中的水將減少。當熱水箱需要補水時，將熱水箱上的進水閥門及冷水箱上面的進水閥門打開，自來水經(jīng)過冷水箱上面的進水管、冷水箱和熱水箱上的閥門進入熱水箱。當只需要熱水時，直流電源斷開，太陽能主要轉(zhuǎn)化為熱能；當陽光充足或希望同時加熱水和制造氫氣時，直流電源連通，太陽能將部分轉(zhuǎn)化為氫氣，部分轉(zhuǎn)化為水的熱能。當不需要熱水時，為了提高水溶液的溫度，產(chǎn)生更多氫氣，可將熱水箱中的水放掉。這樣，太陽能主要轉(zhuǎn)化為氫氣儲存起來。直流電源的電壓，根據(jù)前、后板的距離(也是正負極的距離)確定。正負極之間每厘米上的電壓差應大于或接近于0. 5V。前述太陽能制氫熱水器，其A導氣管的特征在干，A導氣管有U形部分，在A導氣管的U形部分的底部有堵塞了導氣管的水，稱為水塞，A導氣管的進氣ロ在中板的上方，A導氣管連通儲氫氣罐，在A導氣管的水塞和儲氫氣罐之間有氣體干燥劑。由于中板連接電源負極，從中板上方逸出、進入到A導氣管的是氫氣和水蒸氣。氫氣和水蒸氣的熱量傳給A導氣管外面的冷水。水蒸氣被水塞阻留，而氫氣可通過水塞進入氫氣罐。有少量的水蒸汽會通過水塞。這些水蒸汽被氣體干燥劑吸收?？稍O(shè)計ー個裝置，根據(jù)氣體干燥劑的濕度自動更換氣體干燥劑。由于逸出水蒸氣被水塞阻留，A導氣管水塞的水量増加，這些水自動流回到溶液箱中。、[0025]前述太陽能制氫熱水器，其B導氣管的特征在干，B導氣管有U形部分，在B導氣管的U形部分的底部有水塞，B導氣管的進氣ロ在前板的上方，B導氣管連通儲氧氣罐，在B導氣管的水塞和儲氧氣罐之間有自動噴水管。前述太陽能制氫熱水器，當溶液是酸性水溶液或金屬鹽水溶液時，其特征是，在正極將有相應于酸根的氣體逸出，這些相應于酸根的氣體進入B導氣管，溶解于B導氣管的水中，然后輸送回溶液箱之中。由于前板連接正極，從前板上方逸出、進入B導氣管的是氧氣、作為酸根(如氯離子)的氣體(如氯氣)和水蒸氣。氧氣從B導氣管的出口進入到儲氧氣罐中；由于氣體被B導氣管外面的冷水冷卻，酸根氣體容易重新溶解在作為水塞的水中。水蒸氣也被水塞阻 留。由于氫氣、酸根氣體、氧氣及水蒸氣的逸出，溶液箱中的水量減少。因此必須補水。在B導氣管的出口處的自動噴水管可根據(jù)溶液箱中底部的壓強或液面的高度自動、及時地向溶液箱補水。為了捕獲少量通過水塞的酸根氣體，自動噴水管向B導氣管里面噴水。由于自動噴水管補水及逸出水蒸氣被水塞阻留，B導氣管水塞的水量増加，這些水自動流回溶液箱中。這樣，酸根氣體也隨著重新回到溶液箱中，使得溶液箱酸根總量不變。前述太陽能制氫熱水器，其保溫層的特征在于，除了儲氫氣罐和儲氧氣罐之外，太陽能制氫熱水器的其余部分都封閉在保溫層之內(nèi)，保溫層由真空玻璃絕熱板和不透明的真空絕熱板構(gòu)成，各個真空絕熱板及真空玻璃絕熱板相互密閉連接無縫隙。保溫層使得從真空玻璃絕熱板進入的太陽能只進不出，極少逸失。熱水箱上面的壓カ閥的作用是，當熱水箱內(nèi)氣體壓カ達到一定值時，自動開啟放氣，保證安全。這種這種太陽能制氫熱水器的制氫機理簡述如下堿性水溶液、酸性水溶液及可溶于水的金屬鹽水溶液都是導體，能夠吸收電磁波，特別是低頻電磁波。由于水溶液中離子的作用，這三種溶液比水更容易吸收光能。堿、酸及金屬鹽水溶液能夠溶解多種物質(zhì)，這些溶解或懸浮在水中的物質(zhì)能夠吸收不同波段電磁波，增強溶液對光能的吸收。例如，碳微粒就能夠懸浮在堿性水溶液中，并將堿性水溶液變?yōu)楹诤稚?。即使如此，仍有某些頻率的光能夠穿過堿性、酸性或金屬鹽水溶液而到達后板。因此有必要在后板上涂覆ー層黑色導電涂層，以便盡最大可能吸收光能。這樣的黑色涂層有許多種，可利用現(xiàn)有技術(shù)制作黒色涂層，再附加導電耐腐蝕膜層。溶液中每種分子都可能由于分子、原子、離子之間的作用，吸收一定能量的光子而離解為正、負離子。這不同于單純的電場作用導致的離解。由于離子出現(xiàn)，溶液電阻降低。吸收光能越多，溶液電阻越小。即使很低的電壓(例如，正負極之間Icm的電壓差大于或接近于0. 5V)，水分子也能夠被離解而在負極放出氫氣。這樣，消耗同樣電能吋，吸收光能越多，產(chǎn)生的氫氣就會越多。結(jié)果，產(chǎn)生的氫能將大于用于產(chǎn)生氫氣所消耗的電能，太陽能轉(zhuǎn)化為了氫能。在電解產(chǎn)生氫氣過程中，由于溶液中的金屬離子或原子不能揮發(fā)，堿性水溶液的溶質(zhì)可認為沒有消耗，消耗的只是水。不同于堿性水溶液，酸性水溶液中的氫離子，在電解產(chǎn)生氫氣過程中大量消耗，化為氫氣而逸出。與此同時，酸根，例如氯離子，也在正極化為氣體而逸出。可見，為了使得制氫過程穩(wěn)定地持續(xù)下去，必須將這些在正極逸出的氣體重新冷卻，輸送回原來的酸性溶液、溶解后重新變?yōu)樗岣趴梢?。由于溶液對光能的吸收，這是完全可以實現(xiàn)的。例如電解鹽酸水溶液時，將在負極放出氫氣、在正極放出和氯氣。氯氣被收集、冷卻、重新輸送回鹽酸水溶液時，將產(chǎn)生鹽酸和次氯酸。次氯酸在吸收光能或熱能后，分解為鹽酸和氧。這樣，氯及相應的鹽酸在制氫過程中就沒有損失。如此，制氫過程就能夠穩(wěn)定地進行下去。由于酸性水溶液的電阻隨鹽酸濃度的増加而變小，產(chǎn)生的氫能就能夠大于用于產(chǎn)生氫氣所消耗的電能。這樣，太陽能就轉(zhuǎn)化為了氫能。電解金屬鹽水溶液的制氫過程與電解酸性水溶液的制氫過程相似。電解過程中，由于金屬離子或原于的作用及光能的吸收，水分子離解，并在負極放出氫氣。與此同時，將有相應于酸根的氣體(例如氯氣)逸出。與酸性水溶液的情況相同，將相應于酸根的氣體(如氯氣)冷卻后再輸送回到金屬鹽水溶液后，在光作用下，又重新產(chǎn)生原來酸根。從而，制 氫過程就能夠穩(wěn)定地進行下去。由于金屬鹽水溶液的電阻隨濃度的増加而變小，產(chǎn)生的氫能就能夠大于消耗的電能。由以上所述可見，在三種情況下，在產(chǎn)生氫氣和熱量過程中，消耗的只是水、少量電能和太陽能。從結(jié)果上看，這個過程就是將水電離為氫和氧。但這個過程與用電直接電解水是完全不同的。水分子可以僅由于離子和光的的作用，而不是由于電場的作用，離解為氫離子和氫氧根。氫原子也可以被活潑金屬原子從水分子中置換出來。這種太陽能制氫、熱水器工作過程是太陽光穿過透明的真空玻璃絕熱板后，被水溶液和黑色導電涂層所吸收。當直流電壓加到前板與中板板吋，由于水溶液對光的吸收，離子或原子及電場的作用，水分子離解，放出氫氣。氫氣通過A導氣管流到儲氫氣罐。氧氣經(jīng)過B導氣管進入儲氧氣罐。酸根氣體進入B導氣管并溶解后，又流回溶液箱。由于水溶液和黑色導電涂層吸收光能，溶液和中板板溫度升高，從而加熱了熱水箱中的水。


圖I是太陽能制氫熱水器導氣管與溶液箱連通處的側(cè)面縱向剖面圖。圖中，I是溶液箱及堿性、酸性或金屬鹽的水溶液；2是熱水箱及水；3是連接電源正極的前板，即真空玻璃絕熱板；4是連接電源負極的中板；5是后板與不透明的真空絕熱板；6是冷水箱及冷水是B導氣管；8是A導氣管；9是熱水箱放水閥；10是熱水箱的進水閥門；11是熱水箱的壓カ閥；12是將從正極與負極逸出的氣體分隔開的隔板；13是儲氫氣罐；14是儲氧氣罐。圖2是太陽能制氫熱水器正面A導氣管處的縱向剖面圖。圖中，I是溶液箱及堿性、酸性或金屬鹽的水溶液；6是冷水箱及冷水；8是A導氣管；13是儲氫氣罐；14是儲氧氣罐；15是不透明的真空絕熱板；16是冷水箱的進水管閥門；17是A導氣管的水塞；18是氣體干燥劑。圖3是太陽能制氫熱水器正面、B導氣管處的縱向剖面圖。圖中，I是溶液箱及堿性、酸性或金屬鹽的水溶液；6是冷水箱及冷水；7是B導氣管；13是儲氫氣罐；14是儲氧氣罐；15是不透明的真空絕熱板；19是B導氣管的水塞；20是自動控制噴水管與閥門。圖4是實施例I的前板透明導電膜條正面示意圖。圖中，3是連接電源正極的前板(真空玻璃絕熱板)；21是透明導電膜條。
具體實施方式
實施例I : (I)取ー塊I. 2 X I. 5m2、厚I. 2cm的真空玻璃絕熱板作為前板3。這塊真空玻璃的外表面有硅酸鈣保護膜，表面光滑，耐酸、堿腐蝕。如圖4所示，在真空玻璃絕熱板的ー個表面上，鍍上透明導電薄膜21。其中的橫條距上邊30cm，相鄰豎條相距3cmm，每個導電膜條寬lcm、長90cmm。導電薄膜需耐酸堿腐蝕，可用TCO導電膜。這些并聯(lián)的導電膜與電源正極相連。(2)取ー塊I. 2X I. 5m2、厚I 2mm，按現(xiàn)有技術(shù)鍍上黑鉻涂層，在黑鉻涂層上涂敷碳黑薄膜，另ー個表面涂上絕緣、防腐膜，然后連接電源負極，作為中板4。(3) A、B導氣管8與7可彎曲，外徑2cm，管壁厚度I 2mm。可用聚四氟こ烯管。(4)溶液箱I的四個壁都用內(nèi)表面能夠涂敷聚四氟こ烯薄膜的塑料制作，厚lcm。(5)除了中板4外，熱水箱2的其余壁板及冷水箱6的壁板都用厚lcm、無毒、耐腐蝕的塑料(如聚こ烯)制作。(6)前板3與中板4相距4cm，前板3有導電膜的一面與中板4涂敷碳黑的一面相對。溶液箱高90cmm,長150cm。中板4與后板5相距8cm,熱水箱2高90cm,長150cm。冷水箱6長10cm，寬8cm，高30cm。每兩板之間都要密閉無縫隙地焊接或粘接好。 (7)溶液箱I中的隔板12長度與溶液箱I長度相同，即150cm，寬度10 15cmm，厚0. 3 1mm。用聚四氟こ烯塑料制作。(8)壓カ閥11直徑lcm。當熱水箱2上部壓強達到I. 2大氣壓吋，壓カ閥11開啟方文氣。(9)有ー個自動控制裝置(未畫出)，能夠由溶液箱底部液體壓強或液面高度控制B導氣管上自動噴水閥門20的開關(guān)。(10)儲氫氣罐13、儲氧氣罐14、熱水箱放水閥10、熱水箱進水閥門11及冷水箱的進水管閥門16都用市場通用件即可。將上述給定規(guī)格的各部件按圖1-4連接好，安裝在設(shè)計好的、用鋼材制做的ー個支架上。然后，在溶液箱中充入148X88X4cm3的飽和氫氧化鉀水溶液，將適量的(無沉淀)納米級的碳黑撒入氫氧化鉀水溶液中。將冷水箱及熱水箱充滿水，接通電源，在陽光足夠長時間照射后，就會有熱水和氫氣產(chǎn)生。實施例2 :代替氫氧化鉀，用鹽酸水溶液(非飽和)充入水溶液箱，也可以產(chǎn)生氫氣和熱量。實施例3:代替氫氧化鉀，用氯化鈉水溶液(非飽和)充入水溶液箱，也可以產(chǎn)生
氫氣和熱量。這種太陽能制氫熱水器所消耗的是水、少量電能和太陽能，既能產(chǎn)生氫氣，又能加熱水，提高了太陽能的利用率。由于這種太陽能制氫熱水器所需電壓很低，耗電少，因此，如果與太陽能電池聯(lián)合應用，則不必外加電源。
權(quán)利要求1.一種太陽能制氫熱水器，其特征是，這種太陽能制氫熱水器由盛裝堿性、酸性或金屬鹽水溶液的溶液箱，熱水箱，冷水箱，A、B導氣管，保溫層，直流電源、儲氫氣罐及儲氧氣罐構(gòu)成，溶液箱和熱水箱有共用的壁板，稱之為中板，在溶液箱ー側(cè)的中板表面有黑色導電涂層并連接電源負極，在熱水箱ー側(cè)的中板表面上有絕緣膜層，在溶液箱和熱水箱的頂上安裝有冷水箱，在冷水箱里面安裝有A、B導氣管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，吸收太陽能的物質(zhì)是堿性水溶液、酸性水溶液、金屬鹽水溶液這三種水溶液之中的任ー種，和中板上的黑色導電涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，在中板已有的太陽能吸收涂層表面上附加ー層透明導電薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，溶液箱由前板、中板、頂板、底板及兩個側(cè)面板構(gòu)成，前板是透明的真空玻璃絕熱板，接觸水溶液的前板表面連接直流電源的正極，在前板和中板上方的中間有隔氣板，前板上方是B導氣管的進氣ロ，中板上方是A導氣管的進氣ロ。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，熱水箱由中板、后板、上板、下板及兩個側(cè)板構(gòu)成，在上板安裝有連接冷水箱的進水管、進水閥門和壓カ閥，在下板安裝有放水管和放水閥門。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，在冷水箱的上面有進水管和進水閥門，在冷水箱里安裝有A、B導氣管，在冷水箱的下面有放水管，這個放水管就是熱水箱的進水管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在干，A導氣管有U形部分，在A導氣管的U形部分的底部有堵塞了導氣管的水，稱為水塞，A導氣管的進氣ロ在中板的上方，A導氣管連通儲氫氣罐，在A導氣管的水塞和氫氣罐之間有氣體干燥劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在干，B導氣管有U形部分，在B導氣管的U形部分的底部有水塞，B導氣管的進氣ロ在前板的上方，B導氣管連通儲氧氣罐，在B導氣管的水塞和儲氧氣罐之間有自動噴水管。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能制氫熱水器，其特征在于，除了儲氫氣罐和儲氧氣罐之外，太陽能制氫熱水器的其余部分都封閉在保溫層之內(nèi)，保溫層由真空玻璃絕熱板和不透明的真空絕熱板構(gòu)成，各個真空絕熱板及真空玻璃絕熱板相互密閉連接無縫隙。
專利摘要一種太陽能制氫熱水器，屬能源領(lǐng)域。其特征是，吸收太陽能的物質(zhì)是堿性水溶液、酸性水溶液、金屬鹽水溶液這三種水溶液之中的任一種，和黑色導電涂層。黑色導電涂層的特征是，在現(xiàn)在已有太陽能吸收涂層表面上附加一層透明導電薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纖維。當所用溶液是酸性水溶液或金屬鹽水溶液時，其特征是，在電源正極將有相應于酸根的氣體逸出，這些相應于酸根氣體進入到導氣管，溶解于導氣管的水中，然后輸送回原溶液箱之中。這種太陽能制氫熱水器所消耗的是水、少量電能和太陽能，既能產(chǎn)生氫氣，又能加熱水，提高了太陽能的利用率。這種太陽能制氫熱水器所需電壓很低，耗電少，與太陽能電池聯(lián)合，則不必外加電源。
文檔編號F24J2/05GK202390197SQ201120344649
公開日2012年8月22日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者陳紫微 申請人:陳世浩