CN104482663A - 一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法及其装置。经过聚焦的太阳光入射到双腔式集热反应器中的吸光腔内，加热分隔盘面并预热金属氧化物颗粒，预热后的金属氧化物颗粒进入反应腔，金属氧化物随着温度升高受热还原释放氧气，释放的氧气通过反应腔气体出口输出，还原金属氧化物颗粒从反应腔颗粒出口输出，进入还原颗粒存储箱，再进入氧化换热器与从反应腔气体出口出来的氧气反应释放存储的化学能，传递给被加热工质，被氧化的金属氧化物颗粒进入氧化颗粒存储箱，经过颗粒输运装置再次进入吸光腔颗粒进口，此外还从环境中引入空气，控制反应器气体流动以及氧化换热器反应速率，进入的空气提前与氧化换热器的剩余气体进行换热以提高效率。

Description

一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法及其装置

技术领域

本发明涉及太阳能热化学储能领域，尤其涉及一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法及其装置。

背景技术

全球太阳能辐射总量约1.7×10¹⁷W，其中我国约占1%（1.8×10¹⁵W，相当于1.9万亿吨标煤/年），是我国目前年能耗总量的680倍，太阳能蕴藏着巨大的开发潜力。但是太阳能能流密度比较低，能量波动比较大，储存费用高，如采用光伏并网发电，对电网的冲击又比较大，这些问题一直影响着太阳能的进一步开发利用。而太阳能热化学方法正是通过聚光器聚焦太阳光，提高能流密度，通过热量储存和热化学反应，减小能量输出波动，同时将太阳能以化学能的形式储存起来。

正由于太阳能热发电可以通过大规模廉价储能，因此在未来该方式有巨大的发展空间。储能分为显热储能，潜热储能和化学能储能。显热储能是在不改变物质形态通过温度提升将热能存储起来，储能密度较低，常见的显热储热材料有砂石，熔融盐等。而潜热储能通过相比形式将能力存储起来，一般相变热所需吸收热量较大，因此潜热储能密度比显热储能高，常见的有相变金属。而利用化学能将太阳能存储起来不仅使得储能密度高，而且可以常温长时间存储，便于运输，常见的有将太阳能转化为氢气、一氧化碳等化学能。由于气体存储设备比较复杂，因此该种化学能储能方式对于大型的系统比较合适，特别是将氢气和一氧化碳进一步转化为液体燃料存储和运输需要更多后续的设备。

太阳能热化学反应是一个高温强烈吸热的反应，为保证太阳光能够入射到反应器中，一般的反应器需要有一个能够耐高温能够其密封作用的石英玻璃窗。然而热化学反应产物比较容易污染石英玻璃，因此常规的化学反应器不仅造价高，而且存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明针对现有的气体化学储能不易存储和一般化学反应器采用石英玻璃带来的高温密封难，易受污染等问题，提供了一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能装置及其方法。

本发明采用氧化物颗粒进行集热储能以及双腔式集热反应器形式避免了石英玻璃的应用，并且将太阳能以化学能的形式存储在还原金属氧化物颗粒中，因此存储密度高，并且颗粒易于存储和利用。

本发明的具体技术方案如下：

用分隔盘面将反应装置分为上下两个腔，上腔为吸光腔，下腔为反应腔，经过聚焦后的太阳光，照射在所述的吸光腔内，金属氧化物颗粒经吸光腔颗粒入口进入吸光腔，流经分隔盘面，金属氧化物颗粒和分隔盘面同时吸收太阳光，将太阳光转化为热能，金属氧化物颗粒进入吸光腔中央的颗粒下降管，颗粒下降管出口和反应腔连通，随着金属氧化物颗粒温度逐渐升高，金属氧化物发生分解反应被还原，释放出氧气并吸热，所需热量来自金属氧化物颗粒自身所带的显热以及分隔盘面对反应腔发射的热辐射能量，释放的氧气从反应腔气体出口输出，进入氧化换热器的气体进口，还原金属氧化物颗粒从反应腔颗粒出口流出，进入还原颗粒存储箱进口，从还原颗粒存储箱出口出来的还原氧化物颗粒进入氧化换热器的颗粒进口，在氧化换热器内部与从氧化换热器气体进口进来的氧气发生反应，释放热量，并传递给氧化换热器换热管道内被加热工质，从氧化换热器颗粒出口出来的金属氧化物进入氧化颗粒存储箱颗粒进口，从氧化颗粒存储箱颗粒出口出来的金属氧化物颗粒经过颗粒输运装置进入吸光腔颗粒入口，完成颗粒循环。为了提高进入吸光腔和反应腔内的温度，增加二次聚光器以提高太阳光聚光比。

颗粒氧化物的还原吸热反应将太阳能以化学能形式稳定存储，根据用户需求，还原颗粒在氧化换热器内稳定放热，对外界提供所需能量。为了控制反应腔内的气体产物进入氧化换热器的流速，本发明将外界环境中的空气通过反应腔气体进口输入反应腔内，与金属氧化物分解释放的氧气混合，形成富氧空气，再进入氧化换热器的气体进口与还原金属氧化物反应，未反应的剩余气体通过氧化换热器气体出口排出。同样的为了更好的控制氧化换热器内放热速率，特别是针对没有太阳能时反应腔内释放的氧气不足，本发明将外界环境中的空气通过氧化换热器气体进口输入，空气中的氧气与还原金属氧化物进行反应释放热量，未反应的空气由氧化换热器的气体出口排出。并且为了降低从氧化换热器气体出口排气的余热损失，增加回热器，在回热器内将从氧化换热气体出口的出来的气体的热量传递给即将进入反应腔气体进口和氧化换热器的气体进口的空气，提高进入反应腔及氧化换热器的空气温度，降低氧化换热器最终排气温度，进而提高整个系统效率。

所述的金属氧化物包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或者多种。氧化换热器被加热工质包括空气、水、氢气、氦气、氮气、二氧化碳中的一种或者多种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用了双腔式结构，将反应腔和吸光腔用分隔盘面隔离，既可以避免玻璃盖板高温密封和易受污染等问题，提高系统安全性和可靠性，又可以利用高温的分隔盘面，将吸收的热能以辐射形式传递给反应腔内的反应物。

2、金属氧化物颗粒在吸光腔内流动并且吸收热量，预热到一定温度，再进入反应腔内，金属氧化物颗粒逐渐分解释放氧气，吸收热量，所需热量来自金属氧化物颗粒自身显热以及分隔盘面对反应腔的辐射能，两种能量传输方式提高了热量传递速率，有利于反应充分进行。

3、反应腔内密封作用使得金属氧化物分解释放的氧气可以直接作为氧化换热器内的反应物，避免了气体的浪费，减少了排气损失，提高系统效率。

4、金属氧化物化学储能比显热储热密度高，减小了储罐的体积，而且金属氧化物化学储能比气体产物化学储能更容易储存，因此降低了储能系统的成本，提高经济效益。

附图说明

图1是太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能装置结构示意图；

图中：吸光腔1、吸光腔颗粒进口2、分隔盘面3、颗粒下降管4、反应腔5、颗粒输运装置6、还原颗粒存储箱7、反应腔颗粒出口8、反应腔气体进口9、反应腔气体出口10、二次聚光器11、氧化换热器12、氧化换热器换热管道13、三通控制阀14、氧化颗粒存储箱15、回热器16。

具体实施方式

如图1所示，一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能装置，其特征在于包括吸二次聚光器11、吸光腔1、反应腔5、还原颗粒储箱7、氧化颗粒储罐15、氧化换热器12，二次聚光器11设在在吸光腔1入射光入口处，吸光腔1和反应腔5由分隔盘面3分开，并由颗粒下降管4连接，反应腔气体出口10连接氧化换热器12气体入口，反应腔颗粒出口8连接还原颗粒存储箱7的颗粒入口，还原颗粒存储箱颗粒7出口连接氧化换热器12颗粒进口，氧化换热器12颗粒出口连接氧化颗粒存储箱15颗粒入口，氧化颗粒存储箱15颗粒出口通过颗粒输运装置6连接吸光腔颗粒入口2。

用分隔盘面3将反应装置分为上下两个腔，上腔为吸光腔1，下腔为反应腔5，经过聚焦后的太阳光，照射在所述的吸光腔1内，金属氧化物颗粒经颗粒进口2进入吸光腔1，流经分隔盘面3，金属氧化物颗粒和分隔盘面3同时吸收太阳光，将太阳光转化为热能，金属氧化物颗粒进入吸光腔中央的颗粒下降管4，颗粒下降管4出口和反应腔5连通。随着金属氧化物颗粒温度逐渐升高，金属氧化物发生分解反应被还原，释放出氧气，释放的氧气从反应腔气体出口10输出，进入氧化换热器12的气体进口。还原金属氧化物颗粒从反应腔颗粒出口8流出，进入还原颗粒存储箱7的颗粒进口，从还原颗粒存储箱7颗粒出口出来的还原氧化物颗粒进入氧化换热器12的颗粒入口，在氧化换热器12中与从所述的氧化换热器12气体进口进来的氧气发生氧化反应，释放热量的热量通过氧化换热器换热管道13传递给被加热的工质。从氧化换热器12的颗粒出口出来的金属氧化物颗粒进入氧化颗粒存储箱15的颗粒进口，从氧化颗粒存储箱15的颗粒出口出来的金属氧化物颗粒经过颗粒输运装置6重新进入吸光腔颗粒进口2，完成固体颗粒循环。为了提高进入吸光腔1和反应腔5内的温度，增加二次聚光器11提高聚光比。

还原颗粒存储箱7和氧化颗粒存储箱15使得氧化换热器12内的氧化放热反应能够持续稳定运行，并且可以将白天的太阳能存储到晚上使用，满足用户需求。为了控制反应腔5内的气体产物进入氧化换热器12的流速，将外界环境中的空气通过反应腔气体进口9输入反应腔5内，与金属氧化物分解释放的氧气混合，形成富氧空气，再进入氧化换热器12的气体进口与还原金属氧化物反应，未反应的剩余气体通过氧化换热器12气体出口排出。同样的为了更好的控制氧化换热器12内放热速率，特别是针对没有太阳能的时段，将外界环境中的空气通过氧化换热器12气体进口输入，空气中的氧气与还原金属氧化物进行反应释放热量，未反应的空气由氧化换热器12的气体出口排出。并且为了降低从氧化换热器12气体出口排气的余热损失，增加回热器16，将从氧化换热,12气体出口的出来的气体的热量传递给即将进入反应腔气体进口9和氧化换热器12的气体进口的空气，如图1所示，通过三通控制阀14控制进入反应腔气体进口9和氧化换热器12的气体进口的空气流量，提高系统效率。

所述的金属氧化物包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或多种。

所述的氧化换热器换热管道13内的被加热工质包括空气、水、氢气、氦气、氮气、二氧化碳中的一种或多种。

所述反应腔5还设有空气入口，从空气入口输入环境空气。

所述的从环境中输入的空气先与所述的从氧化换热器12气体出口排出的剩余气体在回热器16进行换热，提高空气温度，降低剩余气体温度。

所述氧化换热器12的气体进口上还设有空气入口，从空气入口输入环境空气。

所述的从环境中输入的空气先与所述的从氧化换热器12气体出口排出剩余气体在回热器16进行换热，提高空气温度，降低剩余气体温度。

所述的吸光腔1的太阳光入射处增加二次聚光器11。

Claims (10)

1.一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于吸光腔（2）与反应腔（1）之间由分隔盘面（3）隔开，金属氧化物颗粒从吸光腔颗粒进口（2）进入吸光腔（1），流经分隔盘面（3），聚焦的太阳光照射吸光腔（1）并同时加热金属氧化物颗粒以及分隔盘面（3）,经过加热后的金属氧化物颗粒从吸光腔（1）中流入反应腔（5），随着加热的持续进行，被加热的金属氧化物逐渐分解被还原，释放氧气并吸收热量，反应所需热量由被加热的固体颗粒本身所带热量以及分隔盘面（3）向反应腔（5）中发射的热辐射能量一起提供，反应过程中产生的氧气由反应腔气体出口（10）输出，还原金属氧化物颗粒从反应腔颗粒出口（8）流出，太阳能以化学能形式存储在还原金属氧化物颗粒中。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的反应腔颗粒出口（8）出来的还原金属氧化物颗粒进入还原颗粒存储箱（7），当需要用时，还原金属氧化物颗粒再进入氧化换热器（12）的颗粒进口，从反应腔气体出口（10）出来的气体从氧化换热器（12）的气体进口进入，与还原金属氧化物颗粒反应并释放热量，所释放的热量传递给氧化换热器换热管道（13）内的被加热工质，剩余气体从氧化换热器（12）气体出口排出，氧化后的金属氧化物颗粒进入氧化颗粒存储箱（15），并经过颗粒输运装置（6），重新返回所述吸热腔颗粒进口（2），完成金属氧化物颗粒循环。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的金属氧化物包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的氧化换热器换热管道（13）内的被加热工质包括空气、水、氢气、氦气、氮气、二氧化碳中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述反应腔（5）增设空气入口，从空气入口输入环境空气。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的从环境中输入的空气先与所述的从氧化换热器（12）气体出口排出的剩余气体在回热器（16）进行换热，提高空气温度，降低剩余气体温度。

7.根据权利要求2所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述氧化换热器（12）的气体进口上增设空气入口，从空气入口输入环境空气。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的从环境中输入的空气先与所述的从氧化换热器（12）气体出口排出剩余气体在回热器（16）进行换热，提高空气温度，降低剩余气体温度。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能方法，其特征在于所述的吸光腔（1）的太阳光入射处增加二次聚光器（11）。

10.一种如权利要求2所述的太阳能双腔式金属氧化物颗粒集热储能装置，其特征在于包括吸二次聚光器（11）、吸光腔（1）、反应腔（5）、还原颗粒储箱（7）、氧化颗粒储箱（15）、氧化换热器（12），二次聚光器（11）设在在吸光腔（1）入射光入口处，吸光腔（1）和反应腔（5）由分隔盘面（3）分开，并由颗粒下降管（4）连接，反应腔气体出口（10）连接氧化换热器（12）气体入口，反应腔颗粒出口（8）连接还原颗粒存储箱（7）的颗粒入口，还原颗粒存储箱颗粒（7）出口连接氧化换热器（12）颗粒进口，氧化换热器（12）颗粒出口连接氧化颗粒存储箱（15）颗粒入口，氧化颗粒存储箱（15）颗粒出口通过颗粒输运装置（6）连接吸光腔颗粒入口（2）。