CN103383150A - 一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置 - Google Patents

Abstract

一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置。其包括由太阳跟踪装置驱动实时跟踪太阳的线性菲涅尔反射聚光镜阵列，以及与其配合且独立固定设置的吸热器；吸热器呈管状结构，外壁面上涂敷有选择性吸收涂层，管内注入化学反应物介质和催化剂。采用由线性菲涅尔反射聚光镜阵列和太阳跟踪装置组成的太阳能聚光系统，能很好地与中低温化石燃料热化学反应的热品位相匹配，结构简单，制作运行成本低，近地安装抗风性能优良；将吸热器内注入化学反应物介质和催化剂，使其在进行太阳能吸热的同时作为热化学反应的场所，对热量直接进行吸收利用，有效降低了系统集成复杂程度和能量传递损失，而吸热器独立固定设置也使得吸热与反应过程安全稳定性高。

Description

一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体为一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置。

背景技术

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益严重。作为理想的可再生能源，太阳能具有取之不尽，用之不竭的特点，被公认为人类社会可持续发展的重要清洁能源，将成为未来可再生能源利用的最主要形式之一。其中，太阳能热发电技术作为一种安全可靠、具有广阔应用前景的高品位绿色可再生能源技术，加速推进其规模化发展已成为国内外共识。

然而，其一直存在的相对于常规电站的利用效率低、成本高的障碍，成为限制其更大规模发展的长期“瓶颈”问题。如何规模发展与权衡技术、效率与成本问题成为关键。一方面，急需加快太阳能热发电关键技术与设备研发，发展面向可承担基础电力负荷的高效聚光吸热、长周期储热、稳定电力输出、低成本、高效率的太阳能热发电新技术。另一方面，可从太阳热能转化模式上寻求突破，开拓太阳能与其他能源载体综合互补的能源动力系统，逐步替代化石能源。这中间，太阳热能与化石燃料热解或重整相结合的能量系统为太阳热能高效转化与利用提供了一种新途径。它一般是通过太阳能热化学反应将太阳热能与化石燃料重整或热解的化学过程相集成，或利用太阳热能将化石燃料转化为能量密度高、可储存、可运输的氢气或合成气，即将太阳热能以燃料化学能形式存储；亦或将太阳热能先转化为化学能再通过燃气轮机循环实现其热发电，来提高太阳能利用效率并减少化石燃料消耗量。

目前太阳能热化学利用或热化学发电主要集中在500-1200℃及以上的较高温度范围内，技术实现大多依赖于高聚光比太阳能集热装置、高性能太阳能热化学反应器结构材料及高效稳定催化剂研发水平，尚存在化学反应剧烈、太阳能转化利用效率低、设备昂贵等技术难题，使得整体利用成本居高不下，短期内难以实现低成本、大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种能有效降低运行成本、易于大规模商业化应用的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置。

为了达到上述目的，本发明一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，包括由太阳跟踪装置驱动实时跟踪太阳的线性菲涅尔反射聚光镜阵列，以及与其配合且独立固定设置的吸热器；所述的吸热器呈管状结构，外壁面上涂敷有选择性吸收涂层，管内注入化学反应物介质和催化剂。

优选的，所述的催化剂为球体或圆柱体或棱柱体结构，在管内填充后形成多孔填充床层结构。

优选的，所述的催化剂的半径或高度为3-8mm。

优选的，所述的吸热器的管径为70-200mm。

优选的，所述的吸热器上方设置有二次反射镜面，二次反射镜面与线性菲涅尔反射聚光镜阵列配合设置。

优选的，所述的二次反射镜面呈复合抛物面型。

优选的，所述的二次反射镜面上设置有绝热保护层，下方通过设置的水平玻璃板合围形成腔体；吸热器位于腔体内。

优选的，所述的吸热器和腔体一并通过固定支架固定安装。

优选的，所述的线性菲涅尔反射聚光镜阵列包括若干个平面的或轻微弯曲的长条形光学镜面；光学镜面能够单独或联动的由太阳跟踪装置驱动，围绕自身中轴翻转跟踪太阳进行反射聚光。

本发明对比现有技术，其有益效果如下所述。

1）采用由线性菲涅尔反射聚光镜阵列和太阳跟踪装置组成的太阳能聚光系统，能很好地与中低温化石燃料热化学反应的热品位相匹配，具有结构简单，制作运行成本低，近地安装抗风性能优良，易于商业化等优点，具有广阔的大规模发展和低成本应用的前景。

2）将吸热器内注入化学反应物介质和催化剂，使吸热器在进行太阳能吸热过程的同时作为热化学反应的场所，一管两用，对热量直接进行吸收利用，省去了中间环节和传导再利用，有效降低了系统集成复杂程度和能量传递损失；实现热化学反应在催化剂作用下中低温太阳能驱动的化石燃料的热解或重整反应，使其工作温度保持在150-350℃的中低温范围内。

3）通过独立固定设置的吸热器，使其与太阳能聚光系统相分离，不仅减小太阳跟踪装置的载重负荷，而且最为主要的是还能够避免高温或高压管路的密封和连接等运行安全稳定问题，以及大大降低了由此带来的成本增加。

进一步的，通过对技术方案的优化，本发明通过催化剂的形状和注入后形成的结构，保证了催化剂在化学反应时的充分作用；利用二次反射镜的设置优化局部区域聚焦太阳热流均匀性以保证太阳能热化学反应的均衡进行，同时也能够提高系统整体聚光比以提高光捕获与光热转换效率；还能够通过二次反射镜上绝热保护层和下方水平玻璃板的设置，起到减少吸热器与外界对流换热作用，降低散热量，提高太阳能整体利用效率。

附图说明

图1为本发明实例中所述结构的示意图。

图中：线性菲涅尔反射聚光镜阵列1，固定支架2，太阳跟踪装置3，绝热保护层4，选择性吸收涂层5，吸热器6，化学反应物介质7，催化剂8，二次反射镜面9，水平玻璃板10，腔体11。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明进一步的进行解释和说明。

参见图1，本发明一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，包括由太阳跟踪装置3驱动实时跟踪太阳的线性菲涅尔反射聚光镜阵列1，以及与其配合且独立固定设置的吸热器6；所述的吸热器6呈管状结构，外壁面上涂敷有选择性吸收涂层5，管内注入化学反应物介质7和催化剂8。

在实际应用当中，本发明的利用装置能够作为模块，通过串联或并联方式进行扩展和组合，实现太阳能热化学利用系统的构成，其中单个的工作过程相同且如下所述。太阳光经线性菲涅尔反射聚光镜阵列1聚光反射后集中到吸热器6上，通过选择性吸收涂层5将光能转化为热能，由吸热器6的管壁导热传递到内部，使其温度升高到150-350℃；然后所实现热化学反应为催化剂6作用下中低温太阳能驱动的化石燃料的热解或重整反应，工作温度为150-350℃，且太阳能吸热过程与化学反应过程置于同一装置内，即吸热器6亦为反应器，能有效降低系统集成复杂程度和能量传递损失；从而将太阳热能不断转化成为化学反应产物所携带的化学能以进行储能或进一步热发电，有效的避免了热能直接传递或收集时大量的损耗和复杂的设备成本。

优选的，线性菲涅尔反射聚光镜阵列1包括若干个平面的或轻微弯曲的长条形光学镜面，能够单独或联动的围绕自身中轴翻转跟踪太阳进行反射聚光，易于模块化设计；具体的每个镜面的尺寸能够按照现有技术中的参数进行选择，宽为500-1000mm，长为2000-5000mm。

优选的，吸热器6内所注入催化剂8为球体或圆柱体或棱柱体结构，在管内填充后形成多孔填充床层结构，催化剂8优选的半径或高度为3-8mm，其中吸热器6的管径优选的为70-200mm。

优选的，吸热器6上方设置有二次反射镜面9，二次反射镜面9与线性菲涅尔反射聚光镜阵列1配合设置；其中，二次反射镜面9呈复合抛物面型，能够用来优化局部区域聚焦太阳热流均匀性以保证太阳能热化学反应的均衡进行，提高光热转换效率，提高系统运行安全稳定性，还能够提高系统整体聚光比和系统的光捕获能力

优选的，二次反射镜面9上设置有绝热保护层4，下方通过设置的水平玻璃板10合围形成腔体11；吸热器6位于腔体11内；绝热保护层4和水平玻璃板10能够起到减少系统与外界对流换热作用，降低系统散热量，提高太阳能整体利用效率；而系统工作在150-350℃中低温范围内，对于高温下技术要求指标极高的选择性吸收涂层5的制备与维护要求就相应降低，一定程度上也降低了系统运行综合成本。吸热管6和腔体11一同通过固定支架2固定安装，能够保证在运行过程中，不仅能减小太阳跟踪装置3的载重负荷，还能够避免高温或高压管路的密封、连接等运行安全稳定问题，以及由此带来的成本增加。

具体的，结合优选的技术方案，本发明运作时，线性菲涅尔反射聚光镜阵列1中各个光学镜面单独地或联动地在太阳跟踪装置3驱动下围绕自身中轴翻转跟踪太阳将入射光反射到与其平行的受光面即水平玻璃板10上；如果各个光学镜面单独驱动则太阳跟踪装置3是由一系列分置式的太阳跟踪器3组成，图1为示意图，其他光学镜面的连接都相同；所聚焦入射光线中绝大部分太阳光透过水平玻璃板10进入到由其与带有绝热保护层4的复合抛物面型二次反射镜面9所围绕的腔体11内部，或直接到达吸热器6上的选择性吸收涂层5中被其吸收，或由复合抛物面型二次反射镜9二次或多次反射到吸热管6上的选择性吸收涂层5中吸收；而原来所聚焦入射光线中的极小部分会被水平玻璃板3直接反射回大气环境中或有极个别光线在腔体内多次反射后再次透过水平玻璃板10散失到大气环境中；在腔体11内，所吸收太阳光能转化为热能，小部分会通过复杂导热-对流-辐射耦合传热过程散失到大气环境中，而绝大部分则通过吸热器6的管壁导热及其与管内化学反应物介质7的对流换热作用传递到了其内部，使其温度升高到150-350℃；与此同时，在填充后呈多孔填充床层结构的催化剂8作用下通过热化学反应过程将不断注入吸热器6管内的化石燃料进行热解或重整，即吸热器6同时作为反应器，例如铜锌铝催化剂作用下的甲醇/甲醇-水蒸气的热解或重整过程；从而将太阳热能不断转化成为化学反应产物所携带的化学能以进行储能或进一步热发电。

本发明结合本领域特殊背景，提供了一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，具有吸热过程和反应过程不分离、同步同装置进行，太阳能聚光系统结构简单、制作与运行成本低，吸热与反应过程安全稳定性好，易于模块化设计与商业化运行等优点，为低成本、高效稳定太阳能热化学利用技术及早工程化应用提供了新的思路和实现方式，具有广阔的大规模发展和低成本应用前景。

以上所述仅是本发明的实施案例，应当指出在不脱离本发明原理构思的前提下，进行的若干替换和改进，都应视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (9)

1.一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，包括由太阳跟踪装置（3）驱动实时跟踪太阳的线性菲涅尔反射聚光镜阵列（1），以及与其配合且独立固定设置的吸热器（6）；所述的吸热器（6）呈管状结构，外壁面上涂敷有选择性吸收涂层（5），管内注入化学反应物介质（7）和催化剂（8）。

2.根据权利要求1所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的催化剂（8）为球体或圆柱体或棱柱体结构，在管内填充后形成多孔填充床层结构。

3.根据权利要求2所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的催化剂（8）的半径或高度为3-8mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的吸热器（6）的管径为70-200mm。

5.根据权利要求1所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的吸热器（6）上方设置有二次反射镜面（9），二次反射镜面（9）与线性菲涅尔反射聚光镜阵列（1）配合设置。

6.根据权利要求5所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的二次反射镜面（9）呈复合抛物面型。

7.根据权利要求5或6所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的二次反射镜面（9）上设置有绝热保护层（4），下方通过设置的水平玻璃板（10）合围形成腔体（11）；吸热器（6）位于腔体（11）内。

8.根据权利要求7所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的吸热器（6）和腔体（11）一并通过固定支架（2）固定安装。

9.根据权利要求1所述的线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，其特征在于，所述的线性菲涅尔反射聚光镜阵列（1）包括若干个平面的或轻微弯曲的长条形光学镜面；光学镜面能够单独或联动的由太阳跟踪装置（3）驱动，围绕自身中轴翻转跟踪太阳进行反射聚光。

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