CN103499230A - 一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法，该吸热器以吸热层和反应层作为储能吸热体置于腔体内，开口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保温层。该吸热方法是：聚光太阳辐射透过石英玻璃窗投射到吸热层表面，反应气体在吸热层内吸收聚光太阳辐射升温后进入反应层，在催化剂作用下发生反应，把太阳能储存在反应产物中。反应产物可作为燃料用于燃气轮机发电，也可直接作为气体燃料使用。吸热层可均匀加热反应气体，并可保护反应层，避免局部过热；采用热化学过程储存太阳能，反应产物可长期常温储存，实现太阳能的高效稳定吸收与储存；结构紧凑简单，反应流体与产物方便运输，可以满足规模化太阳能中高温热利用的要求。

Description

一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法

技术领域

本发明涉及太阳能吸热与储能系统研究领域，特别涉及一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法。

背景技术

化石能源是社会发展与现代工业的主要能源，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭已不可避免，而其使用过程中产生的大量温室气体和一些有毒有害物质也会威胁全球生态环境与人类健康。因此，开发清洁可再生能源是今后的发展方向。太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、缓解日益严重的环境污染问题的重要途径。

目前，太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电和光化学转换三种形式。聚光太阳能热利用是未来最具吸引力的太阳能技术，主要实现方式有塔式、槽式和碟式系统，而高温太阳能吸热器是聚光太阳能热利用系统的核心部件。腔式吸热器是目前应用较为广泛的高温太阳能吸热器，其通常是有一个空心壳体容纳吸热装置，开口由石英玻璃窗覆盖，形成封闭腔体，工作流体流过吸热装置吸收热量。中国专利CN2758657提出腔式太阳能吸收器，其分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于高温传热和显热蓄热。中国专利CN2872208提出一种空腔式太阳能吸收器，主要采用管状吸热层，具有换热表面积小、传热效率不高、结构较复杂的缺点。中国专利CN101122425A提出一种泡沫碳化硅太阳能空气吸热器，采用泡沫碳化硅材料作为太阳能吸收体加热空气。上述几种太阳能吸收器主要具有吸热和空气加热功能，而蓄热功能相对欠缺。中国专利CN102721312A提出一种太阳能热化学混合储能装置及方法，利用热化学过程储存聚光太阳辐射并采用熔盐显热蓄热，实现太阳能的稳定高效储存，但由于催化剂直接暴露在非均匀的聚光太阳辐射下，容易导致催化剂过热与温度分布不均匀问题，降低催化剂使用寿命。

因此，提出一种结构简单、热效率高、使用寿命长且蓄热能力强的太阳能吸热器具有重要的意义。

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储能吸热器，该吸热器采用吸热层与反应层相结合的方式进行太阳能储存，具有储能密度高、时效长、热效率高的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述太阳能热化学储能吸热器的吸热方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种太阳能热化学储能吸热器，包括装置本体，其开口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保温层，石英玻璃窗和装置本体内部围成一腔体，该腔体内设置有一由吸热层和反应层组成的储能吸热体，该储能吸热体将腔体分为前腔和后腔，石英玻璃窗和吸热层之间的前腔与输入通道相连，后腔与输出通道相连，反应时，反应气体通过输入通道进入前腔进行混合，然后依次流过吸热层和反应层，最后反应产物从输出通道流出。

优选的，所述前腔腔体内表面涂覆有含氧化锆、氧化铝等材料的耐高温高反射率涂层。该前腔为反应气体混合区，通过涂覆此高反射率的涂层可以把聚光太阳辐射反射到吸热体上，同时避免壁面过热。

优选的，所述吸热层采用泡沫碳化硅材料定制成薄层。由于泡沫碳化硅材料可在1000℃长期使用，具有高导热系数（70-350W/m/K），并且具有高孔隙率和吸收率，能很好满足吸热层材料的要求。在反应时，透过石英玻璃窗的聚光太阳辐射被吸热层表面和内部骨架吸收后，热量通过对流传热从吸热层传递到反应气体使其升温。吸热层确保吸热器在高温下运行，而且在聚光太阳辐射或反应气体进口温度不均时，反应气体能在吸热层孔道内充分混合和传热，达到均温的目的，从而适应聚光太阳辐射能流分布不均匀、能流密度大的特点，同时避免反应层直接接受聚光太阳辐射和局部过热，有利于延长反应层的使用寿命。

优选的，所述反应层采用整体式催化剂，由结构化基体、涂层载体和催化活性组分构成，其中结构化基体用于物理支撑反应层，催化活性组分根据不同的反应进行选择，涂层载体为过渡层，涂层载体选用比表面积大于100m²/g的γ-Al₂O₃材料，通过涂覆、干燥和烘焙等程序使其附着于结构化基体表面，然后通过浸渍，把催化活性组分负载在涂层载体上，可增大结构化基体与催化活性组分之间的结合力和催化剂的比表面积。

更进一步的，所述结构化基体采用陶瓷材料。陶瓷材料具有耐高温的优点。

优选的，所述吸热器包括若干个输入通道和输出通道，输入通道与外部反应气体输入管道相连，输出通道与外部反应产物输出管道相连。

更进一步的，所述反应气体输入管道和反应产物输出管道在装置本体外部通过一回热器进行热交换。从而可以利用反应产物余热加热反应气体以提高热效率，同时降低反应产物温度使其便于常温储存。

本发明还提供一种基于上述太阳能热化学储能吸热器的吸热方法，包括以下步骤：聚光太阳辐射透过石英玻璃窗照射到储能吸热体上，使吸热层和反应层温度升高，反应气体通过输入通道进入腔体内，在吸热层内吸收热量并升高温度，然后在反应层内发生催化储能反应，把太阳能转化为化学能储存在反应产物中，然后反应气体通过输出通道输出。

具体包括以下步骤：

（1）预热过程：调节太阳能聚光系统使吸热器位于焦斑处，吸热层和反应层温度升高至预设温度；

（2）催化剂预还原：通入还原气体还原反应层内的催化活性组分，直至催化活性组分完全还原；

（3）太阳能热化学储能：通入反应气体使其在储能吸热体作用下吸收太阳能发生反应，反应产物通过输出通道输出，实现太阳能储存；

（4）系统停止：调节太阳能聚光系统使吸热器偏离焦斑位置；停止通入反应气体，向吸热器内通入N₂，排空反应气体。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用吸热层与反应层相结合的方式进行太阳能储存，储能密度高且时效长，反应产物可在常温下无热损储存，因此可长期高效储存太阳能，实现太阳能的高效稳定吸收与储存。

2、本发明中的吸热层采用耐高温、高导热系数的泡沫碳化硅等材料，可均匀加热反应气体并使反应气体达到较高温度，适应聚光太阳辐射能流分布不均匀、能流密度大的特点。

3、本发明中的反应层不直接接受聚光太阳辐射，可避免过热并降低内部温度梯度，有利于缓解涂层载体的破裂和催化剂的失效，延长反应层的使用寿命。

4、本发明节能环保、具有推广应用潜力。以太阳能为能源，以天然气、二氧化碳、水蒸汽等为反应气体，来源广泛，环境友好，节能减排效果好。反应产物可作为燃气轮机发电的燃料进行利用，也可直接作为气体燃料使用，应用广泛。

5、本发明通过回热器利用反应产物余热加热反应气体以提高热效率，同时降低反应产物温度使其便于常温储存。

6、本发明结构紧凑简单，反应流体与产物方便运输，可以满足规模化太阳能中高温热利用的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

图2为本发明实施例的工作系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例一种太阳能热化学储能吸热器，包括装置本体1、石英玻璃窗2、泡沫碳化硅吸热层3、反应层4、保温层6、输出通道7、第一输入通道8、第二输入通道9，装置本体1开口由石英玻璃窗2密封，外部包覆有保温层6，石英玻璃窗2和装置本体1内部围成一腔体。泡沫碳化硅吸热层3和反应层4组成一储能吸热体，该储能吸热体固定设置在腔体中，并将腔体分为前腔和后腔，前腔是指石英玻璃窗、装置本体和吸热层围成的腔，后腔是指反应层和装置本体围成的腔。第一输入通道8和第二输入通道9均与前腔连通，输出通道7与后腔连通。

所述前腔为反应气体混合区，其内表面涂覆含氧化锆、氧化铝等材料的耐高温高反射率涂层5，把聚光太阳辐射10反射到储能吸热体上。

所述吸热层3采用泡沫碳化硅材料定制成薄层。泡沫碳化硅材料具有高导热系数（70-350W/m/K），并且具有高孔隙率和吸收率，能够均匀加热反应气体并迅速传热给反应层4。

所述反应层4采用整体式催化剂，一般由结构化基体、涂层载体和催化活性组分构成。结构化基体起物理支撑作用，一般采用耐高温的陶瓷材料。催化活性组分是整体式催化剂的核心，对于不同的反应体系可采用不同的催化活性组分。涂层载体即过渡层，主要作用是增大结构化基体与催化活性组分之间的结合力，并且增大催化剂的比表面积。

本实施例所述太阳能热化学储能吸热器工作时，聚光太阳辐射10透过石英玻璃窗2加热置于腔体内的泡沫碳化硅吸热层3，反应气体在吸热层3内吸收聚光太阳辐射升温，然后进入反应层4内发生反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存。

本实施例在如图2所示系统中进行工作。工作前，反应气体输入管道11、13与储能吸热器输入通道8、9（图1）相连，反应产物输出管道12与储能吸热器输出通道7（图1）相连。工作时，首先调节太阳能聚光系统14，使太阳能吸热器16位于聚焦太阳光的焦斑处，然后太阳能热化学储能吸热器16开始进行吸热储能工作。为了提高热效率，所述反应气体输入管道11、13和反应产物输出管道12在装置本体外部通过一回热器15进行热交换。

通过上述太阳能热化学储能吸热器实现的太阳能热化学吸热储能方法，具体包括以下步骤：

（1）预热过程：调节太阳能聚光系统14使吸热器16位于焦斑处，泡沫碳化硅吸热层3和反应层4温度升高至预设温度；

（2）催化剂预还原：通入还原气体还原反应层4的催化活性组分，直至催化活性组分完全还原；

（3）太阳能热化学储能：通入反应气体使其在储能吸热体作用下吸收太阳能发生反应，反应产物通过输出通道7输出实现太阳能储存；

（4）系统停止：调节太阳能聚光系统14使吸热器16偏离焦斑位置；停止通入反应气体，向吸热器16内通入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 (9)

1.一种太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，包括装置本体，其开口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保温层，石英玻璃窗和装置本体内部围成一腔体，该腔体内设置有一由吸热层和反应层组成的储能吸热体，该储能吸热体将腔体分为前腔和后腔，石英玻璃窗和吸热层之间的前腔与输入通道相连，后腔与输出通道相连，反应时，反应气体通过输入通道进入前腔进行混合，然后依次流过吸热层和反应层，最后反应产物从输出通道流出。

2.根据权利要求1所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述腔体表面涂覆有用于反射太阳辐射的涂层，该涂层材料中包括氧化锆、氧化铝。

3.根据权利要求1所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述吸热层采用泡沫碳化硅材料定制成薄层。

4.根据权利要求1所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述反应层采用整体式催化剂，由结构化基体、涂层载体和催化活性组分构成，其中结构化基体用于物理支撑反应层，催化活性组分根据不同的反应进行选择，涂层载体为过渡层；涂层载体选用比表面积大于100m²/g的γ-Al₂O₃材料，通过涂覆、干燥和烘焙使其附着于结构化基体表面，然后通过浸渍，把催化活性组分负载在涂层载体上。

5.根据权利要求4所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述结构化基体采用陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述吸热器包括若干个输入通道和输出通道，输入通道与外部反应气体输入管道相连，输出通道与外部反应产物输出管道相连。

7.根据权利要求6所述的太阳能热化学储能吸热器，其特征在于，所述反应气体输入管道和反应产物输出管道在装置本体外部通过一回热器进行热交换。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的太阳能热化学储能吸热器的吸热方法，其特征在于，包括以下步骤：聚光太阳辐射透过石英玻璃窗加热置于腔体内的吸热层，反应气体在吸热层内吸收聚光太阳辐射升温，然后进入反应层内发生催化储能反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存。

9.根据权利要求8所述的吸热方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）预热过程：调节太阳能聚光系统使吸热器位于焦斑处，吸热层和反应层温度升高至预设温度；

（2）催化剂预还原：通入还原气体还原反应层内的催化活性组分，直至催化活性组分完全还原；

（3）太阳能热化学储能：通入反应气体使其在储能吸热体作用下吸收太阳能发生反应，反应产物通过输出通道输出，实现太阳能储存；

（4）系统停止：调节太阳能聚光系统使吸热器偏离焦斑位置；停止通入反应气体，向吸热器内通入N₂，排空反应气体。

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