CN109778216B - 一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法及装置，该方法首先在放电区域的水气泡两端放置电极并加上电压，形成非均匀电场，水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子；在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；然后在太阳光的诱导下击穿所述水气泡进行放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢。该方法及装置操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能制氢技术领域，尤其涉及一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法及装置。
背景技术
目前，太阳能可以通过分解水或其它途径转换成氢能，即太阳能制氢，目前主要方法有：(1)太阳能电解水制氢。电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，效率较高(75％-85％)，但耗电大，只有当太阳能发电的成本大幅度下降后，才能实现大规模电解水制氢。(2)太阳能热分解水制氢。此方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能获得3000K以上的温度，一般不采用这种方法制氢。(3)太阳能热化学循环制氢。热化学循环制氢方法易造成环境污染。(4)太阳光络合催化分解水制氢。它的作用是吸收光能、产生电荷分离、电荷转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分解为氢和氧。络合催化分解水制氢尚不成熟，研究工作正在继续进行。(5)生物光合作用制氢。由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够，藻类放氢的效率很低，要实现工程化产氢还有相当大的距离。(6)太阳能光电化学电池分解水制氢。在太阳光的照射下同时实现了分解水制氢、制氧和获得电能。这一实验结果引起世界各国科学家高度重视，但制氢效率很低，仅0.4％，电极易受腐蚀，性能不稳定，所以至今尚未达到实用要求。
另外，现有技术中还包括液相放电等离子体制氢，其研究范围包括气液混相放电制氢、液体中鼓泡放电制氢和直接液相放电制氢，制氢原料包括水、烃类、醇类、葡萄糖等液体物质。气液混相放电制氢是将液体作为地电极(又称水电极)，等离子体在气相中引发作用于液面产生氢气；液体中鼓泡放电制氢是在液体中的电极处或其他位置鼓气泡，等离子体可较易地在气泡内产生，继而在气泡处产生氢气；直接液相放电是直接高压作用于水中电极。从制氢效果来看，采用气液混相放电制氢与液体中鼓泡放电制氢的产氢量较低，而能耗较高，虽然产氢的百分浓度较高，但因氢气产量小而离应用存在较大差距；采用直接液相放电在等离子体制氢在产氢能耗上具备一定的优势，但是对电源要求很高。
由此可见，无论采用典型放电方式还是利用不同反应装置进行液相放电，都只能对产氢能耗和单位时间内氢气产量稍加改善。对于液相放电特别是在水中则无法消除由于液相传输速率相对较低，而引起等离子体区域与溶液之间温度和浓度的急剧变化，从而导致放电区域内活性基团的复合和淬灭，这也是直接液相放电共同存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法及装置，该方法及装置操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法，所述方法包括：
步骤1、首先在放电区域的水气泡两端放置电极并加上电压，形成非均匀电场，水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子；
步骤2、在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；
步骤3、然后在太阳光的诱导下击穿所述水气泡进行放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢。
所述放电区域的水气泡通过气泵持续产生；或通过水中局部快速加热和气化形成。
一种利用太阳光诱导水电离制氢的装置，所述装置包括阴极电极、等离子体放电区、气泵、阳极电极和聚焦透镜，其中：
所述等离子体放电区设置于所述阴极电极和阳极电极之间，且下部连接有气泵；
所述聚焦透镜位于所述等离子体放电区的上方；
通过所述气泵在所述等离子体放电区不断持续地产生水气泡，使放电区域变为气态；然后在所述阴极电极和阳极电极上记载电压，形成非均匀电场，所述水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子；在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；再通过所述聚焦透镜引入太阳光，使所述水气泡在太阳光的诱导下击穿放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法及装置操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体，尤其适用于中小规模特别是布局分散、生产条件多变的制氢领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的利用太阳光诱导水电离制氢的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的利用太阳光诱导水电离制氢的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的利用太阳光诱导水电离制氢的方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、首先在放电区域的水气泡两端放置电极并加上电压，形成非均匀电场，水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子(高能电子)；
步骤2、在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；
这里，水气泡内的重粒子包括分子、中性粒子。
步骤3、然后在太阳光的诱导下击穿所述水气泡进行放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢。
具体来说，在太阳光的持续作用下，一方面可阻止或延缓电子和离子的复合和吸附，延长通道的存活时间，另一方面是用来补充通道中电子的消耗和电子扩散损失，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢，具体而言：
一方面，本实施例将太阳光直接击穿液态水电离难以实现的矛盾转移到太阳光诱导水击穿上。当太阳光与水介质直接作用产生等离子体时，初始电子通常是由多光子电离提供，或由杂质的热激发提供。由于纯净的水介质只可能通过多光子电离来提供初始电子，因而太阳光与纯净水介质作用产生等离子体所需的能量非常高。在电场预电离下，可充分利用宽光谱的太阳光提供能量使水击穿电离，有利于使水中高能级激发态的粒子进一步吸收太阳光能量，以加速粒子间的碰撞，击穿水形成等离子体通道。
另一方面，本实施例还提供了一种电场预电离水的有效方法，根据气泡击穿理论，在液体中存在气泡时，由于气体击穿电场强度比液体低得多，因此以气体为放电区域时可以有效降低预电离所需电场强度，从而充分利用太阳光能量诱导水气泡击穿。而水中的气泡机制极大降低了外加电压持续时间非常长的情况。而液体中产生气泡的方法，大致有三种：(1)液体本身含气，包括通过外加气泡的方法；(2)电极发射电流，加热附近液体使之气化；(3)液体中的高能电子碰撞液体分子使之电离产生气体。在液体中存在气泡时，由于气体的击穿电场强度比液体低得多，且气泡中电场强度又比液体高，所以气泡将首先发生电离，电离产生的高能电子使得液体分子电离，生成更多的气体使气泡扩大。在此基础上，气泡的存在使水中的电场以及气泡中的电场发生变化，能够改变电极间的电场分布，气泡之间相互融合，可以极大降低击穿延时时间。
其次，在电场作用下，液态水中的气泡通道将产生大量的初始电子，并有大量的粒子从基态跃迁到高能态，此时水气泡中的粒子容易吸收太阳光能量来获得更高能级激发态能量，当此能量足够大时，加速粒子间的碰撞，就能使原子激励被电离。高激发态原子的光电离以及电子与原子的直接碰撞，都能进一步放出电子。太阳光能量可以阻止或延缓电子与离子的复合和吸附，在太阳光的持续聚焦照射下，使得吸附在中性分子上的电子被重新释放出来成为自由电子，以维持通道达到一定的电子密度，从而延长通道的存活时间，实现持续放电产生等离子体。
另外，上述放电区域的水气泡通过气泵持续产生；或通过水中局部快速加热和气化形成。
基于上述的方法，本发明实施例还提供了一种利用太阳光诱导水电离制氢的装置，如图2所示为本发明实施例提供的利用太阳光诱导水电离制氢的装置结构示意图，所述装置主要包括阴极电极1、等离子体放电区2(也作为太阳光辐射区和气泡区)、气泵3、阳极电极5和聚焦透镜6，其中：
所述等离子体放电区2设置于所述阴极电极1和阳极电极5之间，且下部连接有气泵3；
所述聚焦透镜6位于所述等离子体放电区2的上方；
通过所述气泵3在所述等离子体放电区2不断持续地产生水气泡4，使放电区域变为气态，为实现持续放电提供条件；
然后在所述阴极电极1和阳极电极5上记载电压，形成非均匀电场，所述水气泡4中的个别气体原子在电场作用下将形成自由电子和离子；在电场的作用下使得所述水气泡4内的重粒子获得一定的能量，发生预电离；再通过所述聚焦透镜6引入太阳光7，使所述水气泡4在太阳光的诱导下击穿放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢。
具体实现中，在太阳光诱导下点燃放电后，太阳光一方面用来补充等离子体通道中电子的消耗和电子扩散损失，另一方面用来阻止或延缓电子和离子的复合和退吸附，在太阳光的持续聚焦照射下，使得吸附在中性分子上的电子被重新释放出来成为自由电子，以维持通道达到一定的电子密度，从而延长通道的存活时间，实现持续放电产生等离子体制氢。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种利用太阳光诱导水电离制氢的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、首先在放电区域的水气泡两端放置电极并加上电压，形成非均匀电场，水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子；所述快电子为高能电子；
步骤2、在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；所述重粒子包括分子、中性粒子；
步骤3、然后在太阳光的诱导下击穿所述水气泡进行放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢；
其中，所述放电区域的水气泡通过气泵持续产生；或通过水中局部快速加热和气化形成。
2.一种利用太阳光诱导水电离制氢的装置，其特征在于，所述装置包括阴极电极、等离子体放电区、气泵、阳极电极和聚焦透镜，其中：
所述等离子体放电区设置于所述阴极电极和阳极电极之间，且下部连接有气泵；
所述聚焦透镜位于所述等离子体放电区的上方；
通过所述气泵在所述等离子体放电区不断持续地产生水气泡，使放电区域变为气态；然后在所述阴极电极和阳极电极上记载电压，形成非均匀电场，所述水气泡中的个别气体原子在电场作用下产生快电子；在电场的作用下使得所述水气泡内的重粒子获得一定的能量，使水气泡处于放电的临界状态；再通过所述聚焦透镜引入太阳光，使所述水气泡在太阳光的诱导下击穿放电，形成放电通道产生等离子体，实现持续稳定的放电产生等离子体制氢；
其中，所述放电区域的水气泡通过气泵持续产生；或通过水中局部快速加热和气化形成。
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| CN109778216A (zh) | 2019-05-21 |
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