CN102721312B - 一种太阳能热化学混合储能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能热化学混合储能装置和方法，其装置包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，在聚光太阳辐射下通过装置本体加热反应系统和蓄热系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行显热或相变储热，蓄热系统可以维持化学反应的高效稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能。其方法具体包括预热过程、催化剂预还原、太阳能供热反应储能、蓄热系统供热反应储能和系统停止。本发明能较好地满足规模化太阳能中高温热利用和节能减排的要求，储能密度高且时效长，储能过程高效稳定，同时具有较低的制造成本和维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能中高温热利用领域，特别涉及一种将太阳能转换成化学能，并储存于反应产物中的太阳能热化学混合储能装置及方法。
背景技术
太阳能具有资源丰富、清洁无污染等特点，对解决当今面临的能源危机和环境问题具有重要作用。太阳能利用从能源转化方式来看主要有光电、光热、光化学等方式。太阳能中高温热利用技术作为低成本且具有规模化应用前景的清洁能源技术，是我国国民经济可持续发展的战略性新能源技术。太阳能中高温热利用系统主要由聚光系统、吸热系统、蓄能系统以及热利用装置组成。由于太阳能具有间歇性和不稳定性等特点，很难满足工业化大规模连续稳定供能的要求，因此必须发展高效蓄能技术，才能有效解决太阳能转换、传输与储存问题。
现有太阳能高温储能主要采用显热和相变储能方法，而较少采用化学储热方法。显热储能是利用储能介质热容量而将热能储存的方法，通过温度升高和降低实现能量的储存和释放，其储能密度由储能介质的温差焓决定。相变储能是利用储能介质在相变过程中吸收或放出热量的特性来实现热量储存释放的方法，其储能密度由相变储能介质的相变焓决定。由于温差焓和相变焓通常比热化学储能中的化学反应焓小得多，所以热化学储能的质量储能密度比显热或相变储能大，而且显热和相变储能在常温下会流失，无法做到长期储存。
热化学储能技术具有储能密度大、稳定性高且储能介质易于长期储存的显著优势，是太阳能高温热利用系统中具有广泛应用前景的一种技术。热化学储能反应体系需满足多种条件，包括反应热大、反应可逆性好、生成物易分离且能稳定贮存、反应迅速且副反应影响小、反应物和生成物无毒无腐蚀且无可燃性、反应物价格低等，因此理想的化学储能体系还比较少。近年来，研究者提出一些太阳能热化学储能反应体系，如NH3/N2+H2、Ca(OH)2/CaO+H2O、Mg(OH)2/MgO+H2O等。
目前典型的太阳能热化学反应器是体积式反应器，这类反应器工作时一般置于聚焦太阳光焦面处，聚焦太阳光直接照射到催化剂上为化学反应提供能量从而将太阳能转化为化学能。由于太阳能辐射强度时段性变化，反应器内化学反应与太阳能辐射强度变化相耦合，反应温度和速度等参数不稳定，影响化学反应和储能效率。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种太阳能热化学混合储能装置和方法，该装置和方法结合热化学储能和显热潜热储能的优点，具有有效储能容量大、运行高效稳定的优点，从而满足工业上规模化太阳能中高温热利用的要求。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本发明提供一种太阳能热化学混合储能装置，包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，所述蓄热系统设置在装置本体内，反应系统设置在蓄热系统内，输入输出系统分别与反应系统的原料输入口和反应产物输出口相连，装置本体上设置有石英窗口，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行储热，输入输出系统分别与外部的输入和输出原料管道相连。使用上述装置储存太阳能时，蓄热系统可以维持化学反应的高效稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能。
优选的，所述装置本体包括壳体、保温层、石英窗口、法兰与密封圈；壳体为圆筒或方形结构，壳体内侧为耐高温保温层；石英窗口利用法兰固定于壳体一端，并采用耐高温密封圈进行密封，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统。
优选的，所述反应系统包括反应腔、过滤网和催化剂层；反应腔前端为圆柱结构，用于输入的原料气体进行混合；反应腔后端为圆锥型结构，末端与反应产物输出口相连接；反应腔中部为过滤网和催化剂层；催化剂层为多孔结构，过滤网包括前后两张过滤网，催化剂层位于前后过滤网之间。在实际装置中，催化剂材料根据反应体系确定。
优选的，所述蓄热系统包括蓄热腔和蓄热介质，蓄热腔为装置本体与反应系统之间的空腔，蓄热腔内填充有蓄热介质。
更进一步的，所述蓄热介质为显热蓄热介质或者相变蓄热介质，如果为相变蓄热介质，则相变蓄热介质的相变温度需高于反应温度。
更具体的，所述蓄热系统内还包括金属丝网等强化传热的装置，这些装置设置在蓄热腔中的蓄热介质中间。采用这种结构可以提高蓄热介质的蓄放热速度。
优选的，所述输入输出系统包括若干个输入气体通道与反应产物输出通道，在反应时，各个输入气体通道内通入各种反应物，输入气体通道一端与反应腔前端相连，另一端与输入的原料管道相连；反应产物输出通道一端与反应腔后端相连，另一端与生成物输出管道相连。
更进一步的，所述输入气体通道在蓄热系统内为直管或盘管结构。为了使反应物能够在进入反应腔前能够最大程度的预热，可以将输入气体通道尽可能多的在蓄热腔内进行停留。
优选的，所述反应产物输出通道设于反应腔后端，焊接于反应腔腔体上形成一体式结构。这种结构可以防止反应产物发生泄漏。
更进一步的，输入的原料管道和生成物输出管道在装置本体外均通过同一个热交换器进行热交换。采用这种结构是为了利用生成物热能预热原料气体。尽量降低能量损耗，提高太阳能的利用率。
本发明还提供一种太阳能热化学混合储能方法，包括下述步骤：聚光太阳辐射透过装置本体上的石英窗口加热设置于装置本体内的蓄热系统和反应系统，蓄热系统内的蓄热介质吸收太阳辐射进行储热，反应系统内先进行催化剂还原，然后通入原料气体进行热化学反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存；蓄热系统维持热化学反应的稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值，然后停止系统。
具体包括以下步骤：
（1）预热过程：调节太阳能聚光系统，使储能装置位于聚光太阳辐射的焦斑处，反应系统与蓄热系统中的蓄热介质温度开始升高直至预设温度；蓄热介质为相变材料时，预设温度要高于熔点，预热过程包括固液相变过程；
（2）催化剂预还原：反应系统温度升高到预设反应温度后，通入还原气体还原反应腔内催化剂，直至催化剂完全还原；
（3）太阳能为热反应储能供热：催化剂预还原后通入原料气体反应，混合气体在催化剂作用下吸收太阳能发生反应并生成反应产物，反应产物通过出口输出实现太阳能储存；太阳辐射强度短时间或小幅变动时，蓄热系统使反应系统保持适宜温度；太阳辐射强度较长时间或大幅变动时，调节进气量使反应系统保持适宜温度；
（4）蓄热系统为热反应储能供热：太阳辐射较低时，继续通入原料气体反应，把蓄热系统的显热蓄热或相变热转化为化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值；
（5）系统停止：调节太阳能聚光系统，使储能装置偏离太阳辐射焦斑位置，使储能装置温度逐步降低；然后停止通入反应气体，向储能装置通入N2，排空反应气体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明储能密度高且时效长。化学储能密度高于显热储能与相变储能装置，并可在常温下实现长期无热损储存，因此可长期高效储存太阳能。
2、本发明储能过程高效稳定。热化学混合储能装置包括蓄热装置，能够在太阳辐射强度变化时为化学反应提供能量，使反应器维持合适的反应温度，减小储能过程参数波动，保证储能效率维持在较高水平，并为反应物流量调节提供时间，提高储能装置运行稳定性；蓄热装置同时可以为进口原料气体预热，提高反应效率。
3、本发明结构简单、易于加工。装置组件结构简单，易于加工，而且便于大规模生产，有利于该装置的大规模利用。
4、本发明节能减排效果好、推广应用潜力大。该装置利用太阳能为能源，来源广泛，节能减排效果好。储能介质原料可以为天然气、二氧化碳等，反应产物作为化工原料、制氢原料、燃料等，可在多个领域推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的装置工作原理示意图。
图2为本发明实施例1的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例在如图1所示的结构中进行工作，首先调节太阳能聚光系统19，使储能装置14位于聚光太阳光的焦斑处，图中15、16为输入的原料管道，分别与储能装置中的输入气体通道（如图1中的11、13）相连，图中的17为生成物输出管道，与储能装置中的反应产物输出通道（如图1中的12）相连。为了进一步增加能量利用率，在15、16、17的中部设置了一个热交换器，用于将管道17中生成物余热预热管道15、16中的原料气体。
本实施例中太阳能热化学混合储能装置14如图1所示，包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，所述蓄热系统设置在装置本体内，反应系统设置在蓄热系统内，输入输出系统分别与反应系统的原料输入口和反应产物输出口相连，装置本体上设置有石英窗口5，聚光太阳辐射透过石英窗口5加热蓄热系统和反应系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行储热，输入输出系统分别与外部的输入和输出原料管道相连。
装置本体包括壳体1、保温层2、石英窗口5、法兰4与密封圈3；壳体1为圆筒或方形结构，壳体1内侧为耐高温保温层2；石英窗口5利用法兰4固定于壳体1一端，并采用耐高温密封圈3进行密封，聚光太阳辐射透过石英窗口5加热蓄热系统和反应系统。
反应系统包括反应腔8、过滤网9和催化剂层10；反应腔8前端为圆柱结构，用于输入的原料气体进行混合；反应腔8后端为圆锥型结构，末端与反应产物输出口相连接；反应腔8中部为过滤网9和催化剂层10；催化剂层10为多孔结构，过滤网9包括前后两张过滤网，催化剂层10位于前后过滤网之间。催化剂材料根据反应体系确定。
蓄热系统包括蓄热腔6和蓄热介质7，蓄热腔6为装置本体与反应系统之间的空腔，蓄热腔6内填充有蓄热介质7。蓄热介质7可以为显热蓄热介质或相变蓄热介质，如果为相变蓄热介质，则相变蓄热介质的相变温度需高于反应温度。为提高蓄热介质的蓄放热速度，蓄热介质7内可以加入金属丝网等强化传热装置。
本实施例中输入输出系统包括输入气体通道一11、输入气体通道二13与反应产物输出通道12。
输入气体通道11、13均一端与反应腔8前端相连，另一端分别与输入的原料管道15、16相连；反应产物输出通道一端与反应腔8后端相连，另一端与生成物输出管道17相连。输入气体通道一和二中的反应物在进入反应腔8前被蓄热系统预热提升温度，蓄热介质7内输入气体通道可以为直管盘管等多种结构。反应产物输出通道12位于反应腔8后端，焊接于反应腔腔体上形成一体式结构。
本实施例所述太阳能热化学混合储能装置工作时，聚光太阳辐射透过装置本体上的石英窗口5加热设置于装置本体内的蓄热系统和反应系统，蓄热系统内的蓄热介质7吸收太阳辐射进行储热，反应系统内先进行催化剂还原，然后通入原料气体进行热化学反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存；蓄热系统维持热化学反应的稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值，然后停止系统。
通过上述装置实现的太阳能热化学混合储能方法，具体包括以下步骤：
具体包括以下步骤：
（1）预热过程。调节太阳能聚光系统19，使储能装置14位于聚光太阳辐射的焦斑处，反应系统与蓄热系统中的蓄热介质7温度开始升高直至预设温度；蓄热介质7为相变材料时，预设温度要高于熔点，预热过程包括固液相变过程。
（2）催化剂预还原。反应系统温度升高到预设反应温度后，通入还原气体还原反应腔8内催化剂，直至催化剂完全还原。
（3）太阳能供热反应储能。催化剂预还原后通入原料气体反应，本实施例中通过管道15和16通入不同的气体，混合气体在催化剂作用下吸收太阳热能发生反应并生成反应产物实现太阳能储存。生成物输出管与原料气体进口管可以采用热交换器18热交换，以利用生成物热能预热原料气体。太阳辐射强度短时间或小幅变动时，蓄热系统使反应系统保持适宜温度；太阳辐射强度较长时间或大幅变动时，调节进气量使反应系统保持适宜温度。
（4）蓄热系统供热反应储能。太阳辐射较低时，继续通入原料气体反应，把蓄热系统的相变热和显热蓄热转化为化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值。
（5）系统停止。调节太阳能聚光系统19，使储能装置14偏离太阳辐射焦斑位置，使储能装置温度逐步降低。停止通入反应气体，向储能装置通入N2，排空反应气体。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种太阳能热化学混合储能装置，其特征在于，包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，所述蓄热系统设置在装置本体内，反应系统设置在蓄热系统内，输入输出系统分别与反应系统的原料输入口和反应产物输出口相连，装置本体上设置有石英窗口，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行储热，输入输出系统分别与外部的输入和输出原料管道相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述装置本体包括壳体、保温层、石英窗口、法兰与密封圈；壳体为圆筒或方形结构，壳体内侧为耐高温保温层；石英窗口利用法兰固定于壳体一端，并采用耐高温密封圈进行密封，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统。
3.根据权利要求1所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述反应系统包括反应腔、过滤网和催化剂层；反应腔前端为圆柱结构，用于输入的原料气体进行混合；反应腔后端为圆锥型结构，末端与反应产物输出口相连接；反应腔中部为过滤网和催化剂层；催化剂层为多孔结构，过滤网包括前后两张过滤网，催化剂层位于前后过滤网之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述蓄热系统包括蓄热腔和蓄热介质，蓄热腔为装置本体与反应系统之间的空腔，蓄热腔内填充有蓄热介质。
5.根据权利要求4所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述蓄热介质为显热蓄热介质或者相变蓄热介质，如果为相变蓄热介质，则相变蓄热介质的相变温度需高于反应温度；
所述蓄热系统还包括金属丝网，金属丝网设置在蓄热腔中的蓄热介质中间。
6.根据权利要求3所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述输入输出系统包括若干个输入气体通道与反应产物输出通道，输入气体通道一端与反应腔前端相连，另一端与输入的原料管道相连；反应产物输出通道一端与反应腔后端相连，另一端与生成物输出管道相连。
7.根据权利要求6所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：所述输入气体通道在蓄热系统内为直管或盘管结构；反应产物输出通道设于反应腔后端，焊接于反应腔腔体上形成一体式结构。
8.根据权利要求7所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于：输入的原料管道和生成物输出管道在装置本体外均通过同一个热交换器进行热交换。
9.一种基于权利要求1所述的太阳能热化学混合储能装置的太阳能热化学混合储能方法，其特征在于包括下述步骤：聚光太阳辐射透过装置本体上的石英窗口加热设置于装置本体内的蓄热系统和反应系统，蓄热系统内的蓄热介质吸收太阳辐射进行储热，反应系统内先进行催化剂还原，然后通入原料气体进行热化学反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存；蓄热系统维持热化学反应的稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值，然后停止系统。
10.根据权利要求9所述的太阳能热化学混合储能方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）预热过程：调节太阳能聚光系统，使储能装置位于聚光太阳辐射的焦斑处，反应系统与蓄热系统中的蓄热介质温度开始升高直至预设温度；蓄热介质为相变材料时，预设温度要高于熔点，预热过程包括固液相变过程；
（2）催化剂预还原：反应系统温度升高到预设反应温度后，通入还原气体还原反应腔内催化剂，直至催化剂完全还原；
（3）太阳能为热反应储能供热：催化剂预还原后通入原料气体反应，混合气体在催化剂作用下吸收太阳能发生反应并生成反应产物，反应产物通过出口输出实现太阳能储存；太阳辐射强度短时间或小幅变动时，蓄热系统使反应系统保持适宜温度；太阳辐射强度较长时间或大幅变动时，调节进气量使反应系统保持适宜温度；
（4）蓄热系统为热反应储能供热：太阳辐射较低时，继续通入原料气体反应，把蓄热系统的显热蓄热或相变热转化为化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值；
（5）系统停止：调节太阳能聚光系统，使储能装置偏离太阳辐射焦斑位置，使储能装置温度逐步降低；然后停止通入反应气体，向储能装置通入N2，排空反应气体。
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