一种基于光电-光热联用的液流电池储能系统

技术领域

本发明涉及液流电池储能系统，具体涉及一种基于光伏-光热联用的液流电池储能系统。

背景技术

作为一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，太阳能的高效利用是减少化石能源消耗、减少温室气体排放的重要途径之一。目前，太阳能常见的利用方式包括光电转化、光热转化等方式。然而由于太阳能本身的间歇性、波动性，这直接导致了能量输出的不稳定性，限制了其工业化发展。因此，开发安全可靠、廉价和污染少的太阳能转化和储存技术就显得尤为重要。

目前，太阳能的转化和储存方式主要包含：1)将太阳能转化为燃料的形式加以储存，常见的形式有光解水制氢，光催化还原CO

光电催化液流电池具有光电极驱动和太阳能电池驱动两种模式。太阳能分别通过光电极[Feng H,Jiao XH,ChenR,et al.Journal of Power Sources,2018,404:1-6]或太阳能电池[Li WJ,Fu HC,Zhao YZ,et al.Chem,2018,4:2644-2657]转化为电能来驱动液流电池内的氧化-还原反应，进而实现太阳能的储存。然而，由于驱动氧化-还原反应过程中，制备光电极和太阳能电池使用的材料的价带需要比阳极氧化反应电位更正、导带位置需要比阴极还原反应电位更负，在这两种模式下，仅有紫外-可见光波段和部分近红外光波段的光谱可以利用，而大部分近红外-红外波段太阳能均不可利用，这极大的限制了太阳能的高效储存和利用。

发明内容

本发明的目的是针对前述的技术问题，提供一种基于光电-光热联用的液流电池储能系统，其主要是通过光电转化和光热转化联用的方式驱动基于液流电池的太阳能转化及储存，实现太阳能的全光谱、高效率利用。

本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：

一种基于光伏-光热联用的液流电池储能系统，包括光谱分频单元、光伏电池、液流电池、聚光单元，所述光谱分频单元用于透射太阳光的紫外-可见光波段的光谱、反射红外光波段的光谱，经光谱分频单元透射的紫外-可见光直接照射到所述光伏电池表面进行发电，而反射的红外光则通过聚光单元进行聚光；光伏电池通过导线或者导电涂层与液流电池连接，驱动液流电池内的氧化还原反应；

所述液流电池包括电解池槽体、阳极电解液储液罐、阴极电解液储液罐、循环泵，所述电解池槽体包括阳极腔室和阴极腔室，所述阳极腔室内和阴极腔室内均设置有多孔光热转化材料，所述多孔光热转化材料的主体为多孔骨架，所述主体内设置有多个相互连通的孔道，所述多孔骨架的外表面和内部孔道的表面上均设置有光热转化层，所述光热转化层能够将来自聚光单元的红外光转换为热能；所述电解池槽体的外壳为透光材料，经聚光单元聚光获得的光斑透过电解池槽体的外壳照射在多孔光热转化材料上。

作为优选地，所述光谱分频单元采用光谱分频器，所述聚光单元采用聚光器，所述多孔光热转化材料为多孔光热转化板。光谱分频器可从市面上直接购买得到，容易获得，可以根据光伏电池的种类选择能够透射、反射不同波长光谱的光谱分频器。聚光器的聚光光斑大小和形状可调，聚光器聚光光斑大小应与多孔光热转化材料的尺寸相当。

作为优选地，所述多孔骨架的材质为泡沫金属(如泡沫钛、泡沫镍等)或多孔碳材料，所述光热转化层的材料为黑色二氧化钛、碳纳米管或活性炭；所述电解池槽体的外壳的材质为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸脂，所述聚光单元采用菲涅尔透镜。市面上的可选材料多，可根据需要进行不同选择。

作为优选地，所述液流电池的阳极腔室上设置有阳极电解液进口和阳极电解液出口，所述阳极电解液进口与阳极电解液储液罐通过阳极进液管连接，所述阳极电解液出口与阳极电解液储液罐通过阳极出液管连接；所述液流电池的阴极腔室上设置有阴极电解液进口和阴极电解液出口，所述阴极电解液进口与阴极电解液储液罐通过阴极进液管连接，所述阴极电解液出口与阴极电解液储液罐通过阴极出液管连接；所述阳极进液管和阴极进液管上均设置有循环泵；所述电解池槽体内设置有分隔膜、阳极和阴极，所述分隔膜将电解池槽体分隔为阳极腔室和阴极腔室。

作为优选地，所述光伏电池包括正极端口和负极端口，光伏电池为硅基太阳能电池、III-V族叠层太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、全有机太阳能电池中的一种或者几种电池的串联系统，所述正极端口通过导线与液流电池的阳极连接，所述负极端口通过导线与液流电池的阴极连接。

作为优选地，所述光伏电池为单晶硅太阳能电池，所述光谱分频单元采用能透过1100nm以下紫外-可见-近红外光谱，反射1100nm以上红外光谱的光谱分频器。

作为优选地，所述单晶硅太阳能电池包括从上往下依次设置的钢化玻璃层、弹性保护层、单晶硅电池片、反射膜，所述单晶硅电池片的正面设置有正电极，背面设置有负电极。反射膜用于反射光线，其目的是将透过电池的光线进行利用，减少光损失。

作为优选地，所述钢化玻璃层为高透光钢化玻璃层，所述正电极和负电极均为栅电极，所述反射膜为复合反射膜。这些材料都能从市面上直接采购得到，容易获得。

作为优选地，所述正电极与电池正极端口焊接并通过导线与液流电池的阳极连接，负电极与电池负极端口焊接并通过导线与液流电池的阴极连接。

本发明还提供了一种基于光伏-光热联用的太阳能全光谱利用的太阳能转化及储存方法，采用前述任一项所述的基于光伏-光热联用的液流电池储能系统，包括如下步骤：

开启液流电池，阳极电解液和阴极电解液被泵入液流电池的电解池槽体内，待液流电池内形成稳定流动后连通光伏电池和液流电池，太阳能经过光电-光热转化后以化学能的形式储存在液流电池中；

优选在向电解池槽体内泵入电解液之前，先利用惰性气体对液流电池内部进行吹扫除氧。

本发明的有益效果是：

液流电池的工作温度范围一方面会直接影响能量储存载体(氧化还原电对)的溶解度，另外一方面也有助于提高电化学活性物质的质量传输和反应动力学性质。本系统从源头上解决光电催化液流电池用于太阳能转化和储存过程中极大的光谱损失问题，将多孔光热转化材料集成到液流电池内，附着光热转化层的多孔骨架可提供丰富的孔道结构，当反射得到的红外光经聚光器聚成一定大小的光斑照照射到多孔光热转化材料实现高效光热转化，丰富的孔道结构一方面可以强化电解液的传输从而避免组分不均匀性，另外孔道结构本身也可做为光散射点，强化光热转化，保证光谱能量的高效利用，实现对液流电池反应体系温度的提升，促进电解质的传输，提高反应动力学的同时提高了储能容量，进而保证高效的太阳能转化和储存，为太阳能的全光谱利用提供了新的思路。

本系统可直接使用现有光伏电池与液流电池相连，结构简单，可大量布置；具有系统结构简单，维护方便等特点，能够在利用全光谱太阳能的基础上，提高光能转化为化学能和储存化学能的效率和速率，可广泛应用于分布式能源系统的构建等领域。

附图说明

图1是本发明的基于光伏-光热联用的液流电池储能系统的结构示意图。

图2是图1中的液流电池的结构示意图。

图3是图2中液流电池中的多孔光热转化材料的结构示意图。

图4是图1中的单晶硅太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将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、完整的说明，但并不因此而限制本发明。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示的一种基于光伏-光热联用的液流电池储能系统，主要由光谱分频单元1、光伏电池2、液流电池3和聚光单元4组成，光谱分频单元1用于透射太阳光的紫外-可见光波段的光谱、反射红外光波段的光谱，经光谱分频单元1透射的紫外-可见光直接照射到光伏电池2表面进行发电，而反射的红外光则通过聚光单元4进行聚光；光伏电池2通过导线或者导电涂层与液流电池3连接，驱动液流电池3内的氧化还原反应；

液流电池3包括电解池槽体25、阳极电解液储液罐5、阴极电解液储液罐6、循环泵7,8，电解池槽体25包括阳极腔室26和阴极腔室32，阳极腔室26内和阴极腔室32内均设置有多孔光热转化材料13,14，多孔光热转化材料13,14的主体为多孔骨架47，主体内设置有多个相互连通的孔道48，多孔骨架47的外表面和内部孔道48的表面上均设置有光热转化层46，光热转化层46能够将来自聚光单元4的红外光转换为热能；电解池槽体25的外壳为透光材料，经聚光单元4聚光获得的光斑透过电解池槽体25的外壳照射在多孔光热转化材料13,14上。

在一些实施方案中，光谱分频单元1采用光谱分频器，聚光单元4采用聚光器，多孔光热转化材料13,14为多孔光热转化板。

在一些实施方案中，多孔骨架47的材质为泡沫金属(如泡沫钛、泡沫镍等)或多孔碳材料，光热转化层46的材料为黑色二氧化钛、碳纳米管或活性炭；电解池槽体25的外壳的材质为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸脂。

在一些实施方案中，如图2、3所示，液流电池3的阳极腔室26上设置有阳极电解液进口34和阳极电解液出口35，阳极电解液进口34与阳极电解液储液罐5通过阳极进液管9连接，阳极电解液出口35与阳极电解液储液罐5通过阳极出液管11连接；液流电池3的阴极腔室32上设置有阴极电解液进口36和阴极电解液出口37，阴极电解液进口36与阴极电解液储液罐6通过阴极进液管10连接，阴极电解液出口36与阴极电解液储液罐6通过阴极出液管12连接；阳极进液管9和阴极进液管10上均设置有循环泵7,8；电解池槽体25内设置有分隔膜29、阳极28和阴极30，分隔膜29将电解池槽体25分隔为阳极腔室26和阴极腔室32。

在一些实施方案中，如图4所示，光伏电池2包括正极端口23和负极端口24，光伏电池2为硅基太阳能电池、III-V族叠层太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、全有机太阳能电池中的一种或者几种电池的串联系统。

光谱分频器的透射、反射波长通常是可以调节的，在本发明中光谱分频器可以根据所选择的光伏电池种类来确定型号。在本发明中，由于单晶硅太阳能电池是商业化的电池，稳定性和工作效率高，光伏电池2优选采用单晶硅太阳能电池，由于单晶硅太阳能电池的光谱响应范围是在1100nm以内，因此选择的光谱分频器能透射1100nm以下紫外-可见-近红外光谱、反射1100nm以上的红外光谱。光伏电池2采用钙钛矿太阳能电池时，它的光谱响应范围一般是300-800nm，则选择能透射800nm以下光谱，反射800nm以上光谱的光谱分频器。

在一些实施方案中，如图4所示，光伏电池2为单晶硅太阳能电池，主要由从上往下依次设置的钢化玻璃层17、弹性保护层18、单晶硅电池片20和反射膜22组成，单晶硅电池片的正面设置有正电极19，背面设置有负电极21。优选地，钢化玻璃层17为高透光钢化玻璃层，正电极19和负电极21均为栅电极，反射膜22为复合反射膜。正电极19与电池正极端口23焊接并通过导线15与液流电池3的阳极28连接，负电极21与电池负极端口24焊接并通过导线16与液流电池3的阴极30连接。

在本发明的基于光伏-光热联用的液流电池储能系统中，分隔膜29材料可为离子交换膜如质子交换膜、阴离子交换膜等和多孔膜等兼具导电离子传递和抑制氧化还原电对渗透的材料，其尺寸大于阳极腔室26和阴极腔室32用于分隔阳极电解液和阴极电解液的同时保证阴、阳极腔室间的离子传递。阳极28和阴极29的材料可选择由经活化的碳毡制得，兼具催化和集流的作用。多孔光热转化材料13，14为块状，其尺寸略小于阳极腔室26和阴极腔室32。阳极电解液和阴极电解液3分别储存在阳极电解液储液罐5和阴极电解液储液罐6中，并由循环泵7和循环泵8分别泵入阳极腔室26和阴极腔室32内。阳极电解液的组成包括氧化还原电对和支持电解质，氧化还原电对可为AQDS/AQDSH

附着光热转化层46的多孔骨架47可提供丰富的孔道结构；当经过光谱分频单元1反射得到的红外光经聚光器4照射到阳极多孔光热转化材料13时，丰富的孔道结构一方面可以强化电解液的传输从而避免组分不均匀性，另外孔道结构本身也可做为光散射点，强化光热转化，保证光谱能量的高效利用及反应体系温度的提升，促进阳极氧化反应。阴极多孔光热转化材料14的结构和功能与阳极多孔光热转化材料13一致。聚光器4可选择菲涅尔透镜，材料一般选择有机玻璃材质，具有高透射率，减少光谱损失，保证更多的红外光照射到多孔光热转化材料表面。聚光器的聚光光斑大小和形状可调，聚光器聚光光斑大小应与多孔光热转化材料的尺寸相当。

本发明的工作流程如下：首先，为了抑制阳极电解液和阴极电解液中溶解氧和液流电池内残留氧的影响，在向液流电池内泵入电解液之前，利用氮气或者氩气分别对阳极电解液、阴极电解液、阳极电解液储液罐5、阴极电解液储液罐6、液流电池3内阳极腔室26和阴极腔室32进行吹扫15-30分钟。随后，将阳极电解液和阴极电解液分别加入阳极电解液储液罐5和阴极电解液储液罐6中，在通过循环泵7和循环泵8分别向液流电池3的阳极腔室26和阴极腔室32内泵入阳极电解液和阴极电解液，直至形成稳定流动。随后，连通光伏电池2和液流电池3。当太阳光照射到光谱分频单元1后，紫外-可见-近红外光透过太阳光分频系统照射到光伏电池2表面，产生光生电压和电流；近红外-红外光反射后经过聚光器照射到阳极多孔光热材料13和阴极多孔光热材料14，通过光热转化使得反应体系温度升高。一方面，由于反应体系温度的升高有助于增强反应动力学，此时阳极侧氧化反应和阴极侧还原反应的反应速率均会得到显著提升，有助于太阳能的高效储存；另一方面，反应体系温度的提升同样有助于提高氧化还原电对的溶解度，此时，液流电池的太阳能储能容量会显著增大；与此同时，由于采用多孔光热转化材料，发达的孔道结构一方面可以强化阳极电解液和阴极电解液内活性物种的传输，降低浓差极化导致的能量损失，另一方面孔道结构亦可作为光散射点，减少光损失。在这些有益作用下，液流电池3内阳极侧发生氧化反应、阴极侧发生还原反应，太阳能经过光电-光热转化后以化学能的形式储存在氧化还原电对中。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员以本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。