CN102444993B - 一种中低温太阳能热化学蓄能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能热利用技术领域，公开了一种太阳能热化学蓄能系统，该系统包括太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)、气固旋风分离器(2)、氧载体皮带传输机(3)、氧化反应太阳能释放装置(4)、气固换热器(6)、固体余热利用装置(7)、原料预热器(5)和压缩机(8)。本发明利用金属循环材料NiO/Ni的蓄热和燃料性能，通过金属氧化镍还原提供太阳能蓄热，金属镍的氧化提供太阳能释放，并且系统预设热机，通过金属镍的能量释放以备太阳能发电需求。本发明通过镍既是蓄热材料，又是发电材料，实现了太阳能蓄热与发电一体化，经济性好，解决了太阳能热发电站投资成本高的技术瓶颈。

Description

一种中低温太阳能热化学蓄能系统
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体是一种既是蓄能材料又是发电材料的中低温太阳能热化学蓄能系统，中低温太阳能的温度范围在150℃至300℃之间。
背景技术
在相当长一段时间内，大规模开发太阳能热发电技术的成本仍然很高，在经济上无法与常规发电技术相匹敌，其中一个主要影响因素是太阳能蓄能成本高。太阳能蓄热成本约占整个太阳能热发电站投资成本的20％。因此，发现高效、低成本的太阳能蓄能方法及系统是加速太阳能热发电广泛应用的一个重要途径。
目前聚焦式太阳能热发电站的蓄热技术主要有以下三种：显热蓄热、相变蓄热及化学反应蓄热。其中，显热蓄热是主流技术。例如，槽式发电站多采用导热油的液体显热和熔融盐的固体显热技术，塔式发电站多采用熔融盐的固体显热技术。但目前显热蓄热材料的温度过低，严重影响太阳能利用效率，同时由于蓄热换热器尺寸过于庞大，造成成本过高的问题。
相变蓄热与显热蓄热比较，可显著降低蓄热系统的尺寸，但选择合适的相变材料及换热器设计困难，造成目前相变蓄热技术还处于试验研究阶段。
化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的反应热存储太阳热能。尽管可逆热化学反应蓄热虽然具有储能密度大的特点，但目前的相关应用技术和工艺太复杂，存在许多不确定性。
太阳能化学反应蓄热方法自1991年，Brown等在实验室开展CaO与H2O小规模的蓄热试验研究以来，1999年澳大利亚国立大学提出了氨化学反应蓄热系统，在热反应器中氨吸热分解成氢与氮，在氨合成反应器中热量被回收，该蓄热系统与碟式聚光发电进行整合。自2000年以来，太阳能热化学反应循环制氢的间接蓄能技术研究发展很快。利用高温塔式聚光器与化学反应装置联合，采用金属氧化物作中间物，输入原料是水，产物是氢和氧，不产生CO和CO2。聚集的太阳能以产物氢的形式存储。可用于太阳能热化学反应循环制氢的金属氧化物有ZnO、FeO、CoO，反应温度要在800-1500℃，大大低于直接分解水的效率，且效率可以达到30％，是很有潜力的太阳能热化学蓄能技术。这种高温太阳能热化学蓄热技术主要存在气-气分离、气-固分离能耗大的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种既是蓄能材料又是发电材料的中低温太阳能热化学蓄能系统，以解决因蓄能造价昂贵而造成的太阳能热发电系统成本高的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种中低温太阳能热化学蓄能系统，该系统包括太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1、气固旋风分离器2、氧载体皮带传输机3、氧化反应太阳能释放装置4、气固换热器6、固体余热利用装置7、原料预热器5和压缩机8，其中，太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的出口A通过管道与气固旋风分离器2相连接，气固旋风分离器2的下端出口与氧载体皮带传输机3的入口相连接，氧载体皮带传输机3的出口与氧化反应太阳能释放装置4的入口相连接，氧化反应太阳能释放装置4的固体氧化镍出口B与气固换热器6相连接，气固换热器6的出口与固体余热利用装置7的入口相连接，固体余热利用装置7的出口与太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的入口C相连接；太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1还连接于原料预热器5的出口，气固换热器6还连接于压缩机8的出口。
上述方案中，所述太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1包括槽式太阳能聚光镜、吸收反应器、预热蒸发器、冷凝冷却器、气液分离器、乙醇原料循环泵和氧化镍颗粒，该太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1利用槽式聚光镜，聚集中低温太阳能，驱动吸收反应器内的乙醇氧化镍吸热还原，将中低温太阳能转化为化学能，储存在还原产物固体金属镍中，完成太阳能的存储。
上述方案中，所述镍材料存储太阳能的方式是固体化学反应蓄能。
上述方案中，所述气固旋风分离器2用于将太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1生成的气态产物与固体金属镍进行分离，并将固体金属镍通过氧载体皮带传输机3输送到氧化反应太阳能释放装置4。
上述方案中，所述固体金属镍通过皮带传输机3进入到氧化反应太阳能释放装置4，与气固换热器6输送来的空气发生氧化反应，固体金属镍被氧化且再生为氧化镍。
上述方案中，所述氧化反应太阳能释放装置4通过镍燃料的氧化反应，存储的太阳能被释放，以高温气体产物N2和O2的形式，推动备用热机做功发电被回收利用。
上述方案中，所述气固换热器6用于利用从氧化反应太阳能释放装置4送来的金属氧化镍14的显热来预热经压缩机8进入气固换热器6的空气15，气固换热器6中的金属氧化镍进一步被输送到固体余热利用装置7继续冷却，随后冷却的金属氧化镍再次输送到太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1。
上述方案中，该系统还包括一备用热机，该备用热机进口与氧化装置4的气体出口D相连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明提的这种既是蓄能材料又是发电材料的中低温太阳能热化学蓄能系统，是一种太阳能直接式化学反应蓄能技术。太阳能集热与蓄能装置一体化，无需专门设置传热流体与蓄热材料之间换热系统。相比目前常用的显然蓄热方式，可以大大减小太阳能蓄能装置体积和占地面积，缩短了投资回收期，减小了投资风险。如果将其应用到槽式太阳能热发电站，可以减小太阳能热发电系统投资成本约10～30％。另外，该方法的金属载体镍既是蓄能物质，又是一种发电材料，可逆性好，能经受大量反复的还原与氧化再生循环，具有长期稳定性。
2、本发明提供的这种中低温太阳能热化学蓄能系统，通过太阳热驱动金属氧化镍与乙醇的还原反应，将低密度、不稳定的太阳热能存储在固体金属颗粒镍中。在氧化反应太阳能释放装置中，镍与空气发生氧化反应，存储的太阳能通过高温热能的形式被释放，金属镍再生为氧化镍。氧化镍经气固换热器、中低温余热利用装置冷却后，通过传输装置，再进入到太阳能-氧化镍还原反应器。
3、本发明提供的这种中低温太阳能热化学蓄能系统，通过采用金属氧化镍与金属镍的化学链循环，实现了中低温太阳能蓄能和释放。与其他太阳能固体蓄热方法不同，本发明存储太阳能蓄能体-固体镍既是一种蓄热材料，同时又是发电材料，通过热机可以直接实现太阳能热发电利用。
4、本发明提供的这种中低温太阳能热化学蓄能系统，突破了太阳能固体显热蓄能无法与高温热力循环发电工质匹配的技术瓶颈，解决了高温太阳能热化学蓄热技术存在气-气分离、气-固分离能耗大的问题。
5、本发明提供的这种中低温太阳能热化学蓄能系统，是一种直接式太阳能热化学反应蓄热技术，无需传热流体与蓄热材料之间换热过程，氧载体的蓄热循环材料NiO/Ni具有能量密度大，化学性质稳定，再生反复性好，太阳能热化学转化效率高，蓄热反应器体积小等突出优点。可广泛应用于槽式太阳能热发电领域，开发利用前景广阔。
附图说明
图1为本发明提供的中低温太阳能热化学蓄能系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的中低温太阳能热化学蓄能系统的结构示意图，该系统包括太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1、气固旋风分离器2、氧载体皮带传输机3、氧化反应太阳能释放装置4、气固换热器6、固体余热利用装置7、原料预热器5和压缩机8。
其中，上述各组成部分之间的连接方式是：太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的出口A通过管道与气固旋风分离器2相连接，气固旋风分离器2的下端出口与氧载体皮带传输机3的入口相连接，氧载体皮带传输机3的出口与氧化反应太阳能释放装置4的入口相连接，氧化反应太阳能释放装置4的出口B与气固换热器6相连接，气固换热器6的出口与固体余热利用装置7的入口相连接，固体余热利用装置7的出口与太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的入口C相连接。太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1还连接于原料预热器5的出口，气固换热器6还连压缩机8接于的出口。
其中，太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1，用于实现乙醇9与氧化镍颗粒10进行还原反应，生成气态产物CO2和水蒸气11以及固态产物金属颗粒镍12。气固旋风分离器2，用于将太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1生成的气态产物与固态产物进行分离，并将固态产物(即金属颗粒镍12)通过氧载体皮带传输机3输送到氧化反应太阳能释放装置4。氧载体皮带传输机3，用于将气固旋风分离器2分离出来的固态产物传输给氧化反应太阳能释放装置4。氧化反应太阳能释放装置4，用于实现氧载体皮带传输机3输送来的金属颗粒Ni与气固换热器6输送来的空气进行氧化反应，生成氧化镍14并释放出热量，生成的氧化镍14被输送给气固换热器6，释放出的太阳能热量借助固体镍的燃料性能，以高温气体产物N2和O2的形式，被输出到热机做功发电。
气固换热器6，用于利用从氧化反应太阳能释放装置4送来的金属氧化镍14的显热来预热经压缩机8进入气固换热器6的空气15，并将预热后的空气15输送到氧化反应太阳能释放装置4，气固换热器6中的金属氧化镍进一步被输送到固体余热利用装置7。继续回收气固换热器6送来的金属氧化镍14的余热，冷却后的氧化镍被送入到太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1。原料预热器5，用于对进入太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的原料乙醇9进行预热。压缩机8，用于对为气固换热器6提供空气15。
本发明提供的这种中低温太阳能热化学蓄能系统的具体工作流程为：原料乙醇9经原料预热器5预热150℃后，与氧化镍颗粒10一起进入到太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1中，聚集约200℃的中低温太阳能聚焦投射在太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1的表面，驱动乙醇9与氧化镍颗粒10进行还原反应，乙醇被氧化为气态产物CO2和水蒸气11，氧化镍颗粒被还原为金属镍12，反应产物通过气固旋风分离器2分离，其中气态产物CO2和水蒸气11被输出，固态产物金属镍12通过氧载体皮带传输机3被输送给氧化反应太阳能释放装置4。进入氧化反应太阳能释放装置4的金属颗粒Ni与气固换热器6输出的预热压缩后的空气发生氧化反应，固体镍被氧化生为氧化镍14，此时存储在固体镍的太阳能，以高温反应热(1200℃)的形式被释放。从氧化反应太阳能释放装置4释放的高温反应热能，以高温气体产物N2和O2形式，被输出到热机做功发电。从氧化反应太阳能释放装置4出来的金属氧化镍14(1200℃)被输送到气固换热器6，气固换热器6利用金属氧化镍14的显热来预热经压缩机8进入气固换热器6的空气15，并将预热后的空气15输送到氧化反应太阳能释放装置4。气固换热器6中的金属氧化镍进一步被输送到固体余热利用装置7继续回收余热而被冷却。冷却后的氧化镍10(150℃)进入到太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置1，完成一次化学链循环，实现太阳能蓄能和释放。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，该系统包括太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)、气固旋风分离器(2)、氧载体皮带传输机(3)、氧化反应太阳能释放装置(4)、气固换热器(6)、固体余热利用装置(7)、原料预热器(5)和压缩机(8)，其中，太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)的出口A通过管道与气固旋风分离器(2)相连接，气固旋风分离器(2)的下端出口与氧载体皮带传输机(3)的入口相连接，氧载体皮带传输机(3)的出口与氧化反应太阳能释放装置(4)的入口相连接，氧化反应太阳能释放装置(4)的固体氧化镍出口B与气固换热器(6)相连接，气固换热器(6)的出口与固体余热利用装置(7)的入口相连接，固体余热利用装置(7)的出口与太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)的入口C相连接；太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)还连接于原料预热器(5)的出口，气固换热器(6)还连接于压缩机(8)的出口。
2.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)包括槽式太阳能聚光镜、吸收反应器、预热蒸发器、冷凝冷却器、气液分离器、乙醇原料循环泵和氧化镍颗粒，该太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)利用槽式聚光镜，聚集中低温太阳能，驱动吸收反应器内的乙醇氧化镍吸热还原，将中低温太阳能转化为化学能，储存在还原产物固体金属镍中，完成太阳能的存储。
3.根据权利要求2所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述镍材料存储太阳能的方式是固体化学反应蓄能。
4.根据权利要求2所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述气固旋风分离器(2)用于将太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)生成的气态产物与固体金属镍进行分离，并将固体金属镍通过氧载体皮带传输机(3)输送到氧化反应太阳能释放装置(4)。
5.根据权利要求4所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述固体金属镍通过皮带传输机(3)进入到氧化反应太阳能释放装置(4)，与气固换热器(6)输送来的空气发生氧化反应，固体金属镍被氧化且再生为氧化镍。
6.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述氧化反应太阳能释放装置(4)通过镍燃料的氧化反应，存储的太阳能被释放，以高温气体产物N2和O2的形式推动备用热机做功发电，从而被回收利用。
7.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，所述气固换热器(6)用于利用从氧化反应太阳能释放装置(4)送来的金属氧化镍(14)的显热来预热经压缩机(8)进入气固换热器(6)的空气(15)，气固换热器(6)中的金属氧化镍进一步被输送到固体余热利用装置(7)继续冷却，随后冷却的金属氧化镍再次输送到太阳能-氧化镍还原反应蓄能装置(1)。
8.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学蓄能系统，其特征在于，该系统还包括一备用热机，该备用热机进口与氧化反应太阳能释放装置(4)的气体出口D相连接。
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