CN103055777A - 一种腔体式太阳能高温热化学反应器 - Google Patents

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黄兴
谈和平
杜利梅
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Abstract

一种腔体式太阳能高温热化学反应器，本发明涉及太阳能高温反应器。本发明是要解决太阳能能量直接利用品质较低且不易运输以及太阳能反应腔高温下热变形等缺陷，提供一种能够抵御高温并达到化学反应温度的腔体式太阳能高温热化学反应器，该反应器集吸热、传热和化学反应功能于一体的太阳能高温热化学耦合反应器。腔体式太阳能高温热化学反应器由集热器、太阳追踪器、光学透镜、二次聚光器、高温反应腔和冷却回收系统构成。本发明应用于太阳能高温热化学反应领域。

Description

一种腔体式太阳能高温热化学反应器
技术领域
本发明涉及太阳能高温反应器，属于太阳能、工程热物理、材料学科和化学工程等交叉学科领域。
背景技术
太阳能既是一次能源，又是可再生能源，其资源丰富，免费使用，对环境无任何污染等优点。其利用方式主要包括光催化、光伏发电、中低温热利用以及中高温热利用。但是受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及天气等随机因素的影响，到达地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的。太阳能热化学过程是利用太阳能聚集产生的高温驱动热化学循环反应，该反应将太阳能转化为品质更高且便于运输的化学能，同时实现太阳能的存储和化学能资源的利用。高温反应腔是太阳能热化反应过程的核心部分，某些热化学反应温度可达1900℃，在此高温下，反应腔材料容易发生热变形，影响热化学反应效率，严重时热化学反应将不能进行，甚至给转化系统带来安全问题。因此，化学反应腔性能好坏直接决定热化学反应过程的效率以及可靠性。
发明内容
本发明是要解决太阳能能量直接利用品质较低且不易运输以及太阳能反应腔高温下热变形等缺陷，提供一种能够抵御高温并达到化学反应温度的腔体式太阳能高温热化学反应器，该反应器集吸热、传热和化学反应功能于一体的太阳能高温热化学耦合反应器。
一种腔体式太阳能高温热化学反应器由集热器、太阳追踪器、光学透镜、二次聚光器、高温反应腔和冷却回收系统构成，其中所述太阳追踪器与集热器相连以控制其输出光指向二次聚光器，集热器与二次聚光器之间设置有光学透镜，所述高温反应腔光输入端固定连接在二次聚光器的光输出端上，高温反应腔的产物输出端固定连接在冷却回收系统的输入端上，所述高温反应腔由不锈钢外壳、反应腔、反应腔开孔、喂料口、氧化锆陶瓷层、硅酸铝纤维层和氧化铝纤维层构成，所述不锈钢外壳设置有反应腔开孔作为光输入端，所述高温反应腔通过反应腔开孔与二次聚光器相通，所述不锈钢外壳上方开有喂料口，喂料口穿过氧化铝纤维层、硅酸铝纤维层和氧化锆陶瓷层通入反应腔内。
工作原理：
经过腔体式太阳能高温热化学反应器的集热器聚集后的太阳光，再经过锥型聚光器和CPC二次聚光后，通过反应腔开孔进入反应腔，加热反应腔以达到热化学反应所需的温度，反应腔内壁面涂有耐高温材料二氧化铪HfO/HfHfO2，熔点高，具有较高反射率，以提高腔体内壁面的反射率，降低热化学反应腔导热损失，通过喂料口进入反应腔的反应物，经过高温热化学反应后，反应产物通过生成产物进口进入冷却室，然后保护气体由保护气体进口进入冷却室进行保护，再经保护气体出口流出，同时冷却气体经冷却流体进口和冷却流体出口进行冷却，然后进入精细过滤器进行过滤，在精细过滤器收集到的颗粒有未参加反应的反应物以及生成物通过固体颗粒排出口进行回收，反应产生的废气经过废气出口排出，固体颗粒排出口及废气出口采用相关检测设备可以检测颗粒成分以及气体成分，进而可进一步计算出太阳能高温热化学反应效率。
发明效果：
本发明为太阳能热化学反应过程提供了高温反应装置，该反应装置耦合了导热换热、对流换热、辐射换热以及化学反应动力学，同时根据不同化学过程所需温度提供不同反应温度，同时提供了太阳能高温反应整体配套系统。
附图说明
图1是本发明的一种腔体式太阳能高温热化学反应器结构示意图；其中，1为集热器、2为太阳追踪器、3为光学透镜、4为二次聚光器、5为高温反应腔、6为冷却回收系统；
图2为图1中的高温反应腔结构示意图；
图3为图1中的二次聚光器结构示意图；
图4为图1中的冷却回收系统结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种腔体式太阳能高温热化学反应器由集热器1、太阳追踪器2、光学透镜3、二次聚光器4、高温反应腔5和冷却回收系统6构成，其中所述太阳追踪器2与集热器1相连以控制其输出光指向二次聚光器4，集热器1与二次聚光器4之间设置有光学透镜3，所述高温反应腔5光输入端固定连接在二次聚光器4的光输出端上，高温反应腔5的产物输出端固定连接在冷却回收系统6的输入端上，所述高温反应腔5由不锈钢外壳5-1、反应腔5-2、反应腔开孔5-3、喂料口5-4、氧化锆陶瓷层5-5、硅酸铝纤维层5-6和氧化铝纤维层5-7构成，所述不锈钢外壳5-1设置有反应腔开孔5-3作为光输入端，所述高温反应腔5通过反应腔开孔5-3与二次聚光器4相通，所述不锈钢外壳5-1上方开有喂料口5-4，喂料口5-4穿过氧化铝纤维层5-7、硅酸铝纤维层5-6和氧化锆陶瓷5-5层通入反应腔5-2内。
本实施方式中高温反应腔固定不动，集热器随太阳光入射角度的改变而改变或者高温反应腔置于碟式集热器的焦平面上，并和碟式集热器一起跟随太阳光入射角度的改变而改变；
本实施方式中的反应物为金属氧化物(MgO、ZnO、Fe3O4)，在反应腔5-2内发生碳热还原反应(反应温度在1300K～2350K之间)或者反应物为金属氧化物(如ZnO、Fe3O4、SnO、CeO等)在反应腔内发生直接热分解反应或者反应物为金属氧化物(ZnO、CeO)在反应腔内与CO发生化学反应或者反应物为金属氧化物在反应腔内与CH4发生化学反应或者反应物为铁基氧化物在反应腔与水蒸汽发生化学反应或者反应物为CeO在反应腔内与CO2发生化学反应；
除以上实施例之外，本发明可有多种实施方式，凡在本发明基础上实施的等效替换或类似组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。
工作原理：
经过腔体式太阳能高温热化学反应器的集热器聚集后的太阳光，再经过锥型聚光器和CPC二次聚光后，通过反应腔开孔进入反应腔，加热反应腔以达到热化学反应所需的温度，反应腔内壁面涂有二氧化铪HfO/HfHfO2，熔点高，具有较高反射率，以提高腔体内壁面的反射率，降低热化学反应腔导热损失，通过喂料口进入反应腔的反应物，经过高温热化学反应后，反应产物通过生成产物进口进入冷却室，然后保护气体由保护气体进口进入冷却室进行保护，再经保护气体出口流出，同时冷却气体经冷却流体进口和冷却流体出口进行冷却，然后进入精细过滤器进行过滤，在精细过滤器收集到的颗粒有未参加反应的反应物以及生成物通过固体颗粒排出口进行回收，反应产生的废气经过废气出口排出，固体颗粒排出口及废气出口采用相关检测设备可以检测颗粒成分以及气体成分，进而可进一步计算出太阳能高温热化学反应效率。
本实施方式效果：
本实施方式为太阳能热化学反应过程提供了高温反应装置，该反应装置耦合了导热换热、对流换热、辐射换热以及化学反应动力学，同时根据不同化学过程所需温度提供不同反应温度，同时提供了太阳能高温反应整体配套系统。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述二次聚光器4由石英窗4-1、锥型聚光器4-2与CPC 4-3构成，所述石英窗4-1固定设置在锥型聚光器4-2光输入端，锥型聚光器4-2光输出端连接CPC 4-3。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述冷却回收系统6由冷却系统与回收系统构成，所述冷却系统由冷却室6-1、生成产物进口6-2、保护气体进口6-3、冷却流体进口6-4和冷却流体出口6-5构成，所述冷却系统前端通过生成产物进口6-2与高温反应腔5相通，所述冷却系统后端与回收系统通过阀门6-6相通，所述冷却室6-1外表面的中部包覆有冷却腔，冷却流体进口6-4与冷却流体出口6-5分别设置在冷却腔的两端，所述回收系统由回收室6-7、废气出口6-8、固体颗粒排出口6-9和精细过滤器6-10构成，所述精细过滤器6-10设置在回收室6-7内中部，所述回收室6-7外部上端设有废气出口6-8，所述回收室6-7外部下端设有固体颗粒排出口6-9。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述二次聚光器4内壁面采用镜面抛光，并在内壁面涂有反射涂层。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述石英窗4-1透光率大于95％，铁及其他杂质含量低于0.0001％。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述氧化锆陶瓷5-5层的氧化锆陶瓷的熔点在2750℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：在所述氧化锆陶瓷5-5层内壁涂有二氧化铪涂层。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

Claims (7)

1.一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于腔体式太阳能高温热化学反应器由集热器(1)、太阳追踪器(2)、光学透镜(3)、二次聚光器(4)、高温反应腔(5)和冷却回收系统(6)构成，其中所述太阳追踪器(2)与集热器(1)相连以控制其输出光指向二次聚光器(4)，集热器(1)与二次聚光器(4)之间设置有光学透镜(3)，所述高温反应腔(5)光输入端固定连接在二次聚光器(4)的光输出端上，高温反应腔(5)的产物输出端固定连接在冷却回收系统(6)的输入端上，所述高温反应腔(5)由不锈钢外壳(5-1)、反应腔(5-2)、反应腔开孔(5-3)、喂料口(5-4)、氧化锆陶瓷层(5-5)、硅酸铝纤维层(5-6)和氧化铝纤维层(5-7)构成，所述不锈钢外壳(5-1)设置有反应腔开孔(5-3)作为光输入端，所述高温反应腔(5)通过反应腔开孔(5-3)与二次聚光器(4)相通，所述不锈钢外壳(5-1)上方开有喂料口(5-4)，喂料口(5-4)穿过氧化铝纤维层(5-7)、硅酸铝纤维层(5-6)和氧化锆陶瓷(5-5)层通入反应腔(5-2)内。
2.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于所述二次聚光器(4)由石英窗(4-1)、锥型聚光器(4-2)与CPC(4-3)构成，所述石英窗(4-1)固定设置在锥型聚光器(4-2)光输入端，锥型聚光器(4-2)光输出端连接CPC(4-3)。
3.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于所述冷却回收系统(6)由冷却系统与回收系统构成，所述冷却系统由冷却室(6-1)、生成产物进口(6-2)、保护气体进口(6-3)、冷却流体进口(6-4)和冷却流体出口(6-5)构成，所述冷却系统前端通过生成产物进口(6-2)与高温反应腔(5)相通，所述冷却系统后端与回收系统通过阀门(6-6)相通，所述冷却室(6-1)外表面的中部包覆有冷却腔，冷却流体进口(6-4)与冷却流体出口(6-5)分别设置在冷却腔的两端，所述回收系统由回收室(6-7)、废气出口(6-8)、固体颗粒排出口(6-9)和精细过滤器(6-10)构成，所述精细过滤器(6-10)设置在回收室(6-7)内中部，所述回收室(6-7)外部上端设有废气出口(6-8)，所述回收室(6-7)外部下端设有固体颗粒排出口(6-9)。
4.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于所述二次聚光器(4)内壁面采用镜面抛光，并在内壁面涂有反射涂层。
5.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于所述石英窗(4-1)透光率大于95％，铁及其他杂质含量低于0.0001％。
6.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于所述氧化锆陶瓷(5-5)层的氧化锆陶瓷的熔点在2750℃。
7.根据权利要求1所述的一种腔体式太阳能高温热化学反应器，其特征在于在所述氧化锆陶瓷(5-5)层内壁涂有二氧化铪涂层。
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