具体实施方式

在众多的可再生能源中，以太阳能的优点最为突出，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，总量巨大，同时安全无污染，属于现今世界上可以开发的最大能源宝库。而且，太阳能遍布全球，利于就地取材进行利用。

光伏技术是利用太阳能的主要方式之一，但光伏发电产生的电能会随太阳辐射强度的波动产生较大变化，易对电网产生较大冲击，无法直接并入。而且，产生的电能难以储存且长距离输送损耗大，难以实现从生产端到消费端的合理适配及高效利用。同时，由于半导体材料限制，常规光伏电池只能利用中短波段的太阳光。以单晶硅光伏电池为例，实验室理论光电转换效率约27％左右，实际应用中发电效率普遍不足20％，长波段太阳光将以余热形式散失，发电效率较低，无法实现太阳能的全光谱利用。此外，随着阳光照射和余热的聚集，以及光伏发电元件工作温度的升高，光电转化效率还会随之降低。同样以单晶硅光伏电池为例，该类电池工作温度每升高1℃，光电效率就下降约3％，而在实际生产中，由于天气、灰尘、设备工作年限的影响等因素，光伏元件的光电转化效率将进一步降低。这些都是传统光伏太阳能产业中存在的缺点。

光伏发电的不稳定性问题指光伏发电利用光生伏特效应把太阳能转换成电能，整个过程安全高效，但是由于能流密度的不稳定，产生的电流并不是恒定的，具有较大的波动性，直接并入电网会对电网造成冲击，因此不能直接并网供电。且大规模的光伏发电为了寻求更好的太阳辐照强度和减小对居民的生活影响同时降低投资成本，生产设备一般都在空旷偏远地区，尤其是中国西北的新疆西藏等地。但中国国内能源需求量最高的地区是东部地区，从西部到东部架设供电线路过长会提升整个系统的初投资且存在大量的输送损耗，比如2020年南方电网西电东送通道利用率约为91％，有大量的电能在运输途中就遭到损耗。因而技术发展需要将光伏发电设备产生的电能转化为更易储存和长距离运输的能量形式，从而实现能量的有效利用。

在可再生能源的发展与应用中，氢能同样占据着重要一环。目前，氢能被普遍视为最理想的未来能源。氢气的热值为1.4*10⁸J/kg，在同等质量下燃烧释放的热量是最高的。液态氢气的储存温度约为20.268K(-252.8℃)。在远距离电力和氢能运输中，液氢可作为管道的制冷层，中间包覆超导材料，为超导材料创造低温环境，实现电能和化学能源同步远距离高效输送。

绿氢制取的环保需求是指发展清洁和可再生的绿色能源，氢气的生产工艺有很多种，其中生产过程中伴有大量二氧化碳排放的氢，称为“灰氢”；如果把二氧化碳捕集封存利用起来，不排放，那么“灰氢”就变成了“蓝氢”；而用可再生能源发出的清洁电再电解水制备的氢气叫做“绿氢”，全程无碳排放，是真正面向未来的制氢方式。因此，未来制氢工艺发展的基本方向是：灰氢不可取，蓝氢可以用，废氢可回收，绿氢是方向。而在众多绿氢制取方法中，电解水制氢法以其无污染、原材料成本低等优点，无疑是未来实现氢能大规模利用的最有潜力的方式。

氢能清洁、高效、便于运输等优点能克服光伏发电的不稳定性问题。因此，把光伏发电的电能转换成氢能储存起来是一个理想的能源转换方式。光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢用电。光伏直流发电系统相比传统电站减少了逆变和升压的过程，其主要设备设施包括光伏组件、汇流箱、支架、基础、接地装置等。光伏组件可根据制氢站输入电压和电流要求进行串、并联配置，再将电能统一配送给电解池进行电解水制备氢气，从而实现完整的太阳能到电能再到氢能的能量转化全过程。据初步计算，在光照好的地方，光伏制氢的电力成本约0.15元/千瓦时，大幅低于现有制氢方式的电力成本，光伏制氢的竞争力也将逐渐增强，市场空间也将全面展现。

但光伏发电具有随机性、波动性、阶段性供电等问题，导致现有技术下的电解水制氢过程仍需要大量外界供电，增加了电网调度难度。且随着光伏装机规模的不断扩大，光伏发电成本的下降和利用小时数的增加，绿氢生产效率会大幅提高、成本会降低。但同时光伏发电电解水制氢也面临一个问题，就是需要在光伏发电成本低、利用效率高的地方制氢，目前仅一些地方具备该条件，故限制了光伏发电制氢技术的可应用场景，同时也面临着氢能的储存和运输市场。这些问题都在一定程度上增加了该项技术的经济负担，为光伏发电持续发展带来了一定挑战。

通过对制氢效率进行计算，可以得出在现有技术的条件下，光伏发电制氢的效率约为13％，即太阳光输入100份能量，通过现有光伏发电电解水制氢方式能产出13份能量的氢气。目前市场上应用的光伏电池大多为硅光伏电池板，由于生产过程中存在上述的太阳能利用率低、光伏电池效率随温度升高而降低等不利因素，直接导致了电解水制氢技术的制氢效率仍有较大的提升空间。

为同时进行光伏制氢光生电、电解水两个步骤，现有的光伏电解水制氢系统中光伏板与水电解槽之间的连接方式，可以分为间接连接和直接连接。其中，间接连接系统主要由光伏组件、控制组件、蓄电池和氢储能系统构成，是目前国际上主流的光伏发电制氢系统的连接方式。但是该方式导致发电装置和电解装置两者分离，使得电能在传输过程中有一定的能量损耗，降低太阳能的利用效率，提高了设备运营维护的成本。而直接连接方式是指将光伏阵列输出的直流电直接通入电解槽，省去最大功率跟踪等设备。

然而，现有制氢设备在使用过程中存在诸多缺点，具体如下。

(1)多采用太阳能硅光伏电池板等常规光伏发电系统发电，存在光伏发电效率不高的问题，在实际工作状态下发电效率难以突破20％，有80％的太阳能以光伏余热的形式耗散，损失较大。且该类型光伏发电阵列采用阳光直射的方式发电，产生的光伏余热虽然总量大，约占80％，但是温度偏低，普遍低于60℃，进而导致光伏余热品位低，利用价值不高，回收困难。

(2)现有技术下使用的光伏元件无论是常规光伏发电还是聚光光伏发电，其发电效率都不稳定，会随着温度升高而降低，在使用的过程中，热量不断积累，光伏元件的性能会有所下降，进而导致发电效率不断降低，最终导致整体对太阳能的利用率降低。

(3)目前广泛应用的硅光伏元件只能利用中短波段太阳光进行发电，长波段太阳光往往以光伏余热的形式被浪费，能源综合利用效率不高，无法实现太阳能全光谱利用和光电光热互补。

(4)光伏发电产生的电能通过蓄电池间接传输给电解装置，光伏发电装置和电解装置两者彼此分离，电能在传输过程中有部分损耗且增加了一定的装置成本。

(5)由于现有的光伏发电技术存在发电不稳定、不连续等问题，供应给电解的电能可能会出现供应不足致使电解池无法正常电解水的情况。且常规电解池电解性能较差，对太阳能波动的响应不够迅速，无法满足大规模应用的需求，需要额外的串并联配置其他形式的电源进行电能整合以使得设备能够持续稳定工作，系统整体偏复杂，且有违全周期无碳的绿氢制取目标。

(6)对光伏余热和电解池电解水产氢过程中产生的欧姆热缺乏合理的利用机制，造成大量的热能浪费。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的制氢设备的原理示意图，图2为本实施例提供的制氢设备的电解装置100的局部结构剖视图。如图1和图2所示，本实施例提供了一种制氢设备，包括电解装置100，具体地，电解装置100包括电解池110、光伏电池120和温差发电元件130，温差发电元件130具有热端和冷端，其中，冷端与电解池110的外壁面贴合设置，光伏电池120与热端贴合设置；电解池110开设有进口140、第一出口150和第二出口160，进口140被配置为使去离子水进入电解池110，第一出口150被配置为使氢气排出，第二出口160被配置为使氧气和水排出。

当需要利用该制氢设备进行氢气的制备时，使光伏电池120和温差发电元件130两者的正极连接在电解池110的阳极上，使光伏电池120和温差发电元件130两者的负极连接在电解池110的阴极上。当太阳光照射至光伏电池120时，一方面，在光伏电池120上产生高温，另一方面，光伏电池120将光能转化为电能进行发电，这样便能产生高温光伏余热，有利于对光伏余热进行下一步利用。通过将光伏电池120贴合设置于温差发电元件130的热端，而将温差发电元件130的冷端与电解池110的外壁面贴合设置，随着温差发电元件130的热端的温度的升高，将使其热端与冷端之间的温差增加，从而利用高温光伏余热在光伏电池120与电解池110之间产生的温差进行二次发电，该二次发电产生的电能同光伏电池120产生的电能一起通过电路输送至电解池110中用于电解。上述过程中，光伏余热还被导入至电解池110使电解池110升温，以提高电解效率。

该制氢设备利用光伏电池120进行一次发电，利用温差发电元件130进行二次发电，有效提高了光伏发电效率。通过将光伏电池120、温差发电元件130和电解池110设置为直接接触式耦合，一方面，保证了热传导的及时性，使得光伏电池120产生的高温热量能够第一时间传递至温差发电元件130的热端，减少了热量损失，从而能够保持较高的温度梯度，以用于提高温差发电的功率，另一方面，还能够避免因使用换热器而导致的材料成本的增加，从而降低了制氢成本。另外，该制氢设备还能够将光伏余热用于电解池110中水的加热，不仅能够提高电解效率，而且，还使得由第二出口160排出的水为热水，该热水能够作为生活用水供给居民，将余热进行最后一次利用，既保证了热量的充分使用，还对电解反应原料水进行了充分回收，减少了能源浪费。

该制氢设备将光伏发电和电解水制氢两部分通过温差发电元件130进行一体化耦合，与现有光伏发电电解水制氢技术相比，利用温差发电元件130对高温光伏余热进行二次发电，提高了光伏发电总量的同时，还使用电解池110和电解反应原料水充分回收利用了光伏余热，对能量进行了梯级利用，提升了整体的能量利用效率。

需要说明的是，本实施例中，光伏电池120、温差发电元件130和电解池110两两之间可以采用导热胶贴合，也可以采用机械方法固定，其只要是通过这种导热面紧密贴合的方式实现热量的快速传导即可。

本实施例中，光伏电池120优选为聚光三结砷化镓电池。在其他实施例中，光伏电池120也可以为其他多结太阳能高倍聚光电池。

本实施例中，电解池110优选为质子交换膜电解池。如此设置，使得电解池110的电解效率更高，响应速度更快，从而加速了氢气的制备。在其他实施例中，电解池110还可以为阴离子交换膜电解池。

图3为本实施例提供的制氢设备的控制原理示意图。如图3所示，该制氢设备还可以包括温度传感器200，具体地，温度传感器200设置在第二出口160处，温度传感器200被配置为检测第二出口160处的流体温度。

该制氢设备在工作过程中，可以利用温度传感器200对第二出口160处的流体温度进行检测。当温度传感器200检测到的温度值较高时，说明电解池110内部此时的温度较高，可以据此增加由进口140进入电解池110的去离子水量，以对电解池110内部降温；当温度传感器200检测到的温度值较低时，说明电解池110内部此时的温度较低，可以据此减少由进口140进入电解池110的去离子水量，以为电解池110内部升温。

该制氢设备通过在第二出口160处设置温度传感器200，能够根据温度传感器200检测到的第二出口160的流体温度而推断电解池110内部是否达到最佳反应温度，从而控制给水量。其中，若超过最佳反应温度则加大水量使电解池110内部降温，反之则减小水量使电解池110内部升温，以求达到最佳电解效果，从而产生更多的氢气。

请继续参照图1和图3，本实施例中，制氢设备还可以包括水箱300，具体地，水箱300被配置为储存去离子水，水箱300通过进水管与进口140相连，其中，进水管设置有进水泵400，进水泵400被配置为将水箱300的去离子水由进口140驱动至电解池110。

该制氢设备在制取氢气过程中，进水泵400开启，将水箱300中的去离子水泵送至电解池110，经过电解作用产生氢气。水箱300和进水泵400的设置，使得在电解池110将当前去离子水电解完成后，能够及时地向水箱300中补入新的去离子水，从而实现了氢气的自动制备。而且，进水泵400的设置，还提供了足够的进水动力，保证了去离子水补充的可靠性。

请继续参照图3，本实施例中，进水泵400通过驱动器520与制氢设备的控制器510电连接，温度传感器200与控制器510电连接。

该制氢设备在工作过程中，温度传感器200将第二出口160处的流体温度值实时输送至控制器510，控制器510通过温度传感器200输送的数据判断电解池110是否处于合适的反应温度区间内。如果高于预期的反应温度区间，则传送信号至驱动器520，控制进水泵400增大去离子水的进水量，从而加强电解池110内部的换热，将更多的热量带出，从而达到降低电解池110的内部温度的目的；如果低于预期的反应温度区间，则传送信号至驱动器520，控制进水泵400减少去离子水的进水量，以达到升高电解池110的内部温度的目的。如此设置，实现了电解池110内部温度的自动调节，自动化程度较高。

需要说明的是，如何通过温度传感器200检测的温度对进水泵400的泵送水量进行反馈调节，为本领域技术人员能够根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再进行赘述。

该制氢设备通过上述反馈调节过程，使得电解池110内部能够始终维持在恒定的适宜的温度区间内，从而避免了电解装置100因太阳能量波动所带来的工作状态不稳定的问题。如此设置，使得无论是在太阳能偏低、太阳能偏高还是由于云层影响太阳能波动的情况下，电解装置100都能够通过控制器510的调节控温，处在一个最佳的光伏发电温度和电解温度下运行，以尽可能地提高电解装置100的工作效率和能量综合效率，从而提高制氢效率。

请继续参照图3，本实施例中，该制氢设备还可以包括显示器530，其中530与控制器510电连接。通过设置显示器530，能够对温度传感器200的检测温度、产氢量和产氧量等信息进行显示，从而使得工作人员能够直观地获取到本实施例制氢设备的工作状态，提高了人机交互性。

需要说明的是，如何通过显示器530对上述信息进行显示，为本领域技术人员能够根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再进行赘述。

请继续参照图1和图3，本实施例中，该制氢设备还可以包括聚光透镜600，具体地，聚光透镜600与电解装置100间隔设置，聚光透镜600被配置为将太阳光聚焦于光伏电池120。

通过设置聚光透镜600，能够使太阳发出的光线聚焦至光伏电池120，使得太阳光能够尽可能集中地、有针对性地作用于光伏电池120，从而保证光伏电池120的发电效率，以及尽可能多地产生高温光伏余热，使得光伏余热的可利用性得到提高。

本实施例中，聚光透镜600为菲涅尔透镜。

请继续参照图2，本实施例中，电解装置100还可以包括保温结构700，具体地，保温结构700具有保温腔，电解池110设置于保温腔，保温结构700开设有与保温腔连通的进光口，其中，进光口与光伏电池120相对。

通过在电解池110的外部设置保温结构700，能够减少电解池110热量的散发，减少余热的对外耗散，从而最大程度地将余热利用起来，使得余热能够集中地对电解池110升温，以提高电解效率。另外，进光口的设置，还能够保证光伏电池120接收太阳光线的可靠性。

请继续参照图2，本实施例中，保温结构700包括保温外壳710以及贴合设置于保温外壳710的内壁面的第一保温层720，具体地，第一保温层720围设形成容纳腔，容纳腔的一部分形成保温腔，容纳腔的另一部分填充有第二保温层730。

这种保温结构700的设置形式，通过设置保温外壳710，不仅能够起到保温作用，还能够增加电解装置100的结构强度；通过设置第一保温层720和第二保温层730，能够实现对电解池110的双重保温，保温效果好。

本实施例中，保温外壳710的材质为不锈钢，第一保温层720的材质为硅酸铝，第二保温层730的材质为石棉。如此设置，能够增加保温外壳710的结构强度，而且，还能够避免保温外壳710腐蚀生锈，延长了保温外壳710的使用寿命。另外，这种保温材质的选择，能够进一步提高对电解池110的保温效果。

本实施例中，第一保温层720可以粘接于保温外壳710的内壁面。

请继续参照图1和图3，本实施例中，该制氢设备还包括氢气收集装置810和氧气收集装置820，具体地，氢气收集装置810连接于第一出口150，氧气收集装置820连接于第二出口160。

通过在第一出口150设置氢气收集装置810，能够及时地将由第一出口150排出的氢气进行收集，以保证氢气的集中利用；类似地，通过在第二出口160设置氧气收集装置820，能够及时地将由第二出口160排出的氧气进行收集，以保证氧气的集中利用。

本实施例中，第一出口150的数量为两个，两个第一出口150均连接至氢气收集装置810。在实际使用中，第一出口150的数量也可以为一个，具体可以根据电解池110的流道类型选择设置。

请继续参照图1和图3，本实施例中，第二出口160与氧气收集装置820之间设置有气液分离装置830，具体地，气液分离装置830的气体出口与氧气收集装置820连接，气液分离装置830的液体出口形成生活用水的供水端。

通过在第二出口160与氧气收集装置820之间设置气液分离装置830，使得经第二出口160排出的氧气-水混合流体能够进行有效分离，其中，氧气进行氧气收集装置820进行集中收集，水为仍具有一定温度的热水，这部分热水成为生活用水供使用。

现有光伏发电电解水制氢技术所采取的方法是将光伏发电和电解水制氢两个生产过程分离开来，即光伏发电为一单独工作区块，电解水制氢为另一单独工作区块，二者的联系仅在于将光伏发电产生的电能通过电路输送给电解池110进行电解，系统整体只能利用太阳能中通过光伏发电转换成电能的一小部分，其余未被转换成电能的部分无法利用。同时现有光伏发电阵列多采用传统硅光伏电池板，其光电转换效率偏低，且光伏板工作时由于采用阳光直射，导致光伏余热温度偏低，没有可利用性。

而本发明提供的制氢设备，首先，采用聚光光伏发电系统，通过菲涅尔透镜聚光后将太阳能汇聚于光伏电池120上产生高温，同时发电，这样便能产生高温光伏余热，有利于对光伏余热进行下一步利用。同时，在光伏电池120和电解池110之间添加温差发电元件130，利用高温光伏余热在光伏电池120和电解池110之间产生的温差进行二次发电，所产生的电能同光伏电池120产生的电能一起通过电路输送到电解池110中用于电解。为了保持较高的温度梯度以提高温差发电的功率，光伏电池120、温差发电元件130和电解池110之间采用直接接触式耦合，避免了因为使用换热器而导致的光伏余热温度下降和材料成本的增加；其次，该发明采用质子交换膜电解池技术，该技术与传统电解池技术相比电解效率更高，响应速度更快；另外，电解池110包覆于保温结构700之中，减少了余热的对外耗散，能够最大程度地将余热利用起来。之后余热被导入电解池110给电解池110升温用于提升电解效率；最后，余热通过电解池110与水的热交换传递至反应剩余的水中，此时余热的温度已经偏低，电解池110流出的热水可以作为生活用水供给给居民，将余热进行最后一次利用。

即，该制氢设备将光伏发电和电解水制氢两部分通过温差发电系统进行一体化耦合，与现有光伏发电电解水制氢技术相比，利用温差发电元件130对高温光伏余热进行二次发电，提高了光伏发电总量的同时，还使用电解池110和电解反应原料水充分回收利用了光伏余热，对能量进行了梯级利用，提升了整体的能量利用效率。

综上所述，本发明提供的制氢设备与现有光伏电解水制氢技术相比，优点如下。

1.采用聚光光伏发电系统取代常规硅光伏电池板发电系统，理论光电转换效率可由27％提升至34％，发电量得到提升。同时由于采用聚光光伏系统的缘故，光伏电池120的工作温度由传统硅光伏电池的30-50℃提升至100℃以上，使得光伏余热的可利用性得到提高。

2.引入反应温度控制系统，通过系统自动的温度反馈控制调节，使得光伏电池120和电解池110通过电解池110内部水流换热达到一个合理高效的工作温度区间，提高了发电效率和电解效率。

3.引入温差发电元件130使其紧贴于光伏电池120和电解池110之间，利用高温光伏余热和电解池110中流动水所产生的温度梯度进行二次发电，提升了系统总的发电效率。

4.采用直接贴合方法对光伏电池120、温差发电元件130和质子交换膜电解池进行组装，安装方法简单易行，省去了中间换热器的部分，节约了成本，同时产生的温度梯度有利于温差发电的进行。

5.通过使用相较于传统电解池电解效率更高、响应速度更快的质子交换膜电解池用于电解反应，同时剩余光伏余热还通过紧贴电解池110的温差发电元件130被导入电解池110中，使得电解池110温度得到提升。由吉布斯自由能公式ΔH＝ΔG+TΔS可知，当反应T升高，ΔH和ΔS不变时，ΔG就会相应得到降低，反应的进行就会更加顺利，即相较于现有技术手段，通过将光伏余热导入电解池110给电解池110升温提升了电解反应的效率。

6.通过设置保温结构700，能够尽可能地减少余热的对外耗散，利用热水将未被利用的余热导出供给居民使用，实现了余热的综合利用和能量的梯级利用，提高了光伏余热的利用价值。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“内”、“外”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。