CN104649227B - 基于透氧膜的太阳能综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于透氧膜的太阳能综合利用系统。该太阳能综合利用系统包括：聚光装置、双层反应套管和发电装置。其中，双层反应套管朝向聚光装置设置，包括：外套管和透氧膜内套管，两者形成反应腔室和透氧腔室，反应腔室内通入反应气体，透氧腔室与反应腔室之间具有化学势差。其中，聚光装置聚焦太阳光提供热量，通入反应腔室的反应气体在该热量的作用下发生分解反应，该分解反应生成的氧气在化学势差的作用下透过透氧膜内套管进入透氧腔室，促使反应腔室内的分解反应正向进行，产生燃料，并向发电装置提供可燃气。本发明将低品位太阳能转换为高品位化学能，并利用该化学能进行发电，提高了能源利用效率。

Description

基于透氧膜的太阳能综合利用系统

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于透氧膜的太阳能综合利用系统。

背景技术

随着传统能源消耗量的加剧以及环境污染问题的日益严重，可再生能源及清洁能源的高效利用越来越受到人们关注。太阳能是一种储量巨大，分布广泛，但能量密度较低，稳定性较差的能源。如何高效利用低品位(能量释放侧或接收侧释放或接收的口(dE)与释放或接收的能量(dH)之比)的太阳热能以降低太阳能发电成本一直是人们关心的问题。本发明系统利用透氧膜两侧的化学势之差作为驱动力，将水或二氧化碳热解产生的氧气分离到有适量甲烷(不仅限于甲烷，所有还原性、吸收性气体以及在透氧膜两侧施加电位差或压力差均可达到透氧效果，本系统以甲烷为例)维持较低氧分压的透氧膜外侧，使透氧膜内水和二氧化碳热解反应平衡向正向移动，产生氢气或一氧化碳。生成的高温燃料(氢气、一氧化碳或两者混合物及其他碳氢化合物)可以直接通入联合循环做功发电，也可以通入燃料电池转换为电能，还可以为化工、制造等产业提供氢气、一氧化碳以及合成气来源。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为实现上述技术目标，本发明提供了一种基于透氧膜的太阳能综合利用系统，将低品位的太阳热能提升至高品位的燃料气化学能，实现太阳能的高效利用。

(二)技术方案

本发明基于透氧膜的太阳能综合利用系统包括：聚光装置1、双层反应套管2和发电装置。其中，聚光装置1用于聚焦太阳光。双层反应套管2朝向聚光装置1设置，包括：外套管13和透氧膜内套管16，其中，透氧膜内套管16内形成内腔室，外套管13和透氧膜内套管16之间形成外腔室，内腔室和外腔室其中之一作为反应腔室通入能够通过分解反应生成氧气和可燃气的反应气体，其中另一作为透氧腔室与反应腔室之间具有化学势差。发电装置用于利用分解反应获得的可燃气进行发电。其中，聚光装置1聚焦太阳光提供热量，通入反应腔室的反应气体在该热量的作用下发生分解反应，该分解反应生成的氧气在化学势差的作用下透过透氧膜内套管16进入透氧腔室，促使反应腔室内的分解反应正向进行，进而向发电装置提供可燃气。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于透氧膜的太阳能综合利用的系统具有以下有益效果：

(1)利用低品位的中低温太阳能，将其高效转换为高品位化学能，进而利用该化学能进行发电，极大地提高了系统的发电效率；

(2)水蒸气和二氧化碳反应通路由透氧膜组成，通路外侧由甲烷提供较低氧分压，单通路直径较小，长度有限，可做成蛇形管或者螺旋管增加管道长度，在透氧膜足够长(或流速足够低)时，分解率可以达到99％以上；

(3)与现有技术的装置相比，圆管状透氧膜直径较小(毫米级)，使得装置比表面积-即单位重量或体积内的总面积更大，更节省空间，易于布置，可以高效地吸收热量，减少装置热损失；

(4)该系统较其他太阳能发电系统相比能量转化效率较高，本系统由太阳能到电能的能量转化效率可达40％以上；

附图说明

图1为根据本发明第一实施例基于透氧膜的太阳能综合利用系统的结构示意图；

图2为图1所示太阳能综合利用系统中双层反应套管的结构示意图；

图3为图2所示双层反应套管在1500℃，透氧膜长度为30cm，反应气体流量为100sccm(standard-state cubic centimeter per minute)时，随着入口水蒸气和二氧化碳物质的量之比变化，出口产物摩尔分数的变化图；

图4为图2所示双层反应套管在1500℃，水蒸气流量为100sccm时，水蒸气的极限转化率以及所需透氧膜长度变化曲线图；

图5为图1所示太阳能综合利用系统在1500℃，透氧膜长度为30cm，反应气体流量为100sccm时，随着双层反应套管入口水蒸气和二氧化碳物质的量之比变化，系统效率变化图；

图6为根据本发明第二实施例基于透氧膜的太阳能综合利用系统的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-聚光装置； 2-双层反应套管； 3-燃烧室； 4-压气机；

5-燃气透平； 6-第一发电机； 7-第二发电机； 8-蒸汽透平；

9-换热器； 10-冷凝器； 11-水泵； 12-燃料电池；

13-外套管； 14-反应腔室； 15-透氧腔室； 16-透氧膜内套管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明中，通过两侧具有氧分压差的透氧膜使水蒸气和二氧化碳热解产生的氧气分离出透氧膜管道内部，打破反应平衡使反应向正向移动，生成更多合成气，提高转化率，而后再将合成气通入下游联合循环或燃料电池中将化学能转化为电能。

一、第一实施例

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于透氧膜的太阳能制取合成气系统。图1为根据本发明第一实施例基于透氧膜的太阳能综合利用系统的结构示意图。如图1所示，本实施例太阳能综合利用系统包括：聚光装置1、双层反应套管2、燃烧室3、压气机4、燃气透平5、第一发电机6、第二发电机7、蒸汽透平8、换热器9、冷凝器10、水泵11构成。

其中，聚光装置1可以利用槽式太阳能聚光装置、碟式太阳能聚光装置以及塔式太阳能聚光装置为双层反应套管提供所需温度。

双层反应套管2基于太阳能利用透氧膜将水和二氧化碳热解产生的氧气分离，使化学反应平衡移动，源源不断地产生氢气和一氧化碳。

图2为图1所示太阳能综合利用系统中双层反应套管的结构示意图。如图2所示，该双层反应套管包括：外套管13和透氧膜内套管16。其中透氧膜内套管内侧作为反应腔室14，外套管13和透氧膜内套管16之间作为透氧腔室15。外套管13不导通物质，透氧膜内套管16可以根据透氧膜两侧的氧分压差使氧气由高压侧透入至低压侧，反应气体(水蒸气和二氧化碳)进入反应腔室14并在内部发生分解反应，生成氢气、一氧化碳和氧气。透氧膜外侧的透氧腔室15内通入甲烷降低氧分压，使透氧膜内套管16内外产生氧分压差，进而使反应腔室14内的氧气通过透氧膜内套管16透至透氧腔室15。反应腔室14内反应平衡被打破，不断有新的氢气和一氧化碳生成，氧气不断透过透氧膜与甲烷发生部分氧化，产生氢气和一氧化碳。从反应腔室14流出的产物温度较高，可以通过换热器预热即将通入至双层反应套管入口的气体进行以热量回收。

当反应气体(水蒸气、二氧化碳)通入反应腔室14后，太阳能聚光装置1将太阳光聚焦到双层反应套管并使管内产生高温，反应腔室14出口处生成合成气(氢气和一氧化碳)，将合成气混合经过压气机4压缩的空气一同通入燃烧室3中，产生高温高压烟气(温度约1000℃以上)。高温高压烟气推动燃气透平5做功，使第一发电机6发电。燃气透平5尾气(温度约450℃～580℃)通入换热器9，加热通过水泵11供给的冷凝水，使之加热为高温水蒸气并通入蒸汽透平8做功，使第二发电机7发电。蒸汽透平尾气通过冷凝器10成为冷凝水再通过供给水泵11完成循环。

需要说明的是，虽然本实施例中采用甲烷来控制透氧膜外侧氧分压，但本发明并不以此为限。举例来说：降低氧分压的方式还可以向其中通入乙烷、氢气等还原性气体，或者也可以在透氧腔室内放活性炭等能够与氧气结合的物质；或者能够与氧气结合、能够吸附氧气和/或能够去除氧气的物质；也可以连接真空泵等维持透氧膜外测保持较高真空度，从而降低氧分压。此外，还可以利用在透氧膜内套管两侧加电压，使透氧腔室的电位高于所述反应腔室的电位的方法来促使分解反应生成的氧气透过透氧膜内套管16进入所述透氧腔室15。

整个双层反应套管2可以呈线形，也可以蛇形或者螺旋形以提高空间利用率，并能够提高反应气体分解率。本实施例中外套管13和透氧膜内套管16的截面形状为圆形，但并不仅限于圆形，其还可以为方形、三角形或梯形。因为圆形容易制备和密封，这里以圆形为例。

透氧膜的材料均已为本领域技术人员所熟知，此处仅给出几种常用的材料，作为例子，透氧膜材料选自以下材料中的一种：La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ(0≤x≤1，0≤δ＜3)和Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ＜3)等。

本实施例太阳能综合利用系统可以采用中低温太阳能(300℃以上)，也可以采用高温太阳能为能量来源。系统只要在300℃以上就能运行，随着温度升高，反应气分解率上升，反应系统发电效率升高，最高可达40％以上。

图3为图2所示双层反应套管在1500℃，透氧膜长度为30cm，反应气体流量为100sccm时，随着入口水蒸气和二氧化碳物质的量之比变化，出口产物摩尔分数的变化图。其中，横坐标为入口处水蒸气与二氧化碳的物质的量之比，纵坐标为各组成成分的摩尔组分。

如图3所示，当反应气体完全为水蒸气时，生成气体即为氢气；同理，当反应气体完全为二氧化碳时，生成气体即为一氧化碳。当反应气体为水蒸气和二氧化碳的混合气时，生成气体则为氢气和一氧化碳及少量碳氢化合物的混合气。并且，可以通过调整双层反应套管入口水蒸气和二氧化碳物质的量的变化来调整通入燃烧室中燃料气的摩尔组分。

图4为图2所示双层反应套管在1500℃，反应气体流量为100sccm时，反应气体的极限转化率以及所需透氧膜长度变化曲线图。由图4可知，随着温度升高，气体转化率越大，所需时间越短。图5展示了在1500℃，反应气体流量100sccm，透氧膜长度为30cm时系统的发电效率，可知发电效率最高可达45％以上。

本实施例中，需要注意的是虽然反应气体通入透氧膜内套管的内侧，甲烷通入外侧，但此处仅以此举例，两者位置可以颠倒，即反应气体通入透氧膜内套管的外侧，甲烷通入透氧膜内套管的内侧。

需要说明的是，虽然利用太阳能发电是本实施例的主要目的，但合成气的用途很广泛，不仅仅局限于发电，合成气可以用来制取氨、甲醇、乙二醇、低碳烯烃等化工产品以及生物应用等。

相比于传统光伏发电或者光热发电20％以下的发电效率，本实施例利用水、二氧化碳和少量甲烷为原料，利用中低温太阳能将其转化为合成气，并进行发电，系统发电效率可达40％以上，其发电效率公式定义如下：

$\mathrm{\η}=\frac{W_{\mathrm{turbine}}+W_{\mathrm{compressor}}+W_{\mathrm{pump}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{abs}}^{-1}(Q_{\mathrm{rg}}+Q_{\mathrm{th}})\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{opt}}^{-1}+n_{{\mathrm{CH}}_4}\·{\mathrm{HHV}}_{{\mathrm{CH}}_4}}---\left(1\right)$

其中，分别为所需甲烷的物质的量；分别是甲烷的高位热值；Q_rg是加热反应物(水、二氧化碳和甲烷)所需热量；Q_th是反应焓变；η_opt为光学效率，此处按照0.7055计算；η_abs是双层反应套管所在的太阳能接收器的吸收效率，它是吸收温度T_H以及太阳能聚光比C的函数：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{abs}}=1-\frac{\mathrm{\σ}{T}_H^4}{I\·C}---\left(2\right)$

其中σ是玻尔兹曼常数，I是太阳能辐照强度，通常取值为10³W/m²。W_turbine、W_compressor和W_pump分别为透平、压气机和水泵的输出功(耗功为负值)。由于公式(1)中分母含有甲烷热值，即所得电能中除太阳能提供能量外，还有甲烷提供的化学能。为了评估太阳能的净发电效率，我们将所消耗的甲烷热值在分子中减去，将净发电效率定义如下：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{net}}=\frac{W_{\mathrm{turbine}}+W_{\mathrm{compressor}}+W_{\mathrm{pump}}-n_{{\mathrm{CH}}_4}\·{\mathrm{HHV}}_{{\mathrm{CH}}_4}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{abs}}^{-1}(Q_{\mathrm{rg}}+Q_{\mathrm{th}})\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{opt}}^{-1}}---\left(3\right)$

现今手持式微型燃气透平功率最低可低于1kw，氢气和一氧化碳的热值接近，分别为285.8kJ/mol和283.1kJ/mol，若燃气透平的效率为50％，则需要通入合成气的流量量级大概为10^-2mol/s。若在900℃的集热温度下每根管状透氧膜入口反应气体流量为1sccm时，要满足上述合成气流量，大概需要1×10⁴根2m长的管状透氧膜。以1cm为间距排列透氧膜管，可在1m×1m×2m的空间内布满管状透氧膜以满足上述需求。若增大透氧膜有效工作面积或者提高集热温度，则可以进一步增加合成气产率，维持更大功率的燃气透平运行发电。

二、第二实施例

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了另外一种基于透氧膜的太阳能综合利用系统。

图6为根据本发明第二实施例基于透氧膜的太阳能综合利用系统的结构示意图。如图6所示，本实施例太阳能综合利用系统与第一实施例不同之处在于，通过双层反应套管2的合成气直接与空气通入到燃料电池12中，通过燃料电池进行发电。双层反应套管2制取合成气原理参见第一实施例，此处不再赘述。

其优势在于系统规模较小，分布灵活，适合分布式能源应用；而且系统无火花，易操作，更安全环保。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于透氧膜的太阳能综合利用系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：可以根据需要合理选择获取氧分压的方式。

综上所述，本发明利用太阳能提供热量，使水和二氧化碳分解生成氢气、一氧化碳和氧气，再利用化学势差使氧气透过透氧膜，进而使得水和二氧化碳热解平衡向正向移动，产生更多氢气和一氧化碳。反应腔室产生的高温合成气可以通入下游联合循环或燃料电池中发电。整个装置将低品位太阳能转换为高品位化学能，最终转换为电能，实现太阳能高效转换、储存和利用，具有极高的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于透氧膜的太阳能综合利用系统，其特征在于，包括：

聚光装置(1)，用于聚焦太阳光；

双层反应套管(2)，朝向所述聚光装置(1)设置，包括：外套管(13)和透氧膜内套管(16)，其中，所述透氧膜内套管(16)内形成内腔室，所述外套管(13)和所述透氧膜内套管(16)之间形成外腔室，所述内腔室和外腔室其中之一作为反应腔室通入能够通过分解反应生成氧气和可燃气的反应气体，其中另一作为透氧腔室与所述反应腔室之间具有化学势差；以及

发电装置，用于利用所述分解反应获得的可燃气进行发电；

其中，所述聚光装置(1)聚焦太阳光提供热量，通入所述反应腔室的反应气体在该热量的作用下发生分解反应，该分解反应生成的氧气在所述化学势差的作用下透过所述透氧膜内套管(16)进入所述透氧腔室，促使所述反应腔室内的分解反应正向进行，向所述发电装置提供可燃气。

2.根据权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述发电装置为：

燃料电池(12)，用于利用所述反应腔室输出的分解反应后的可燃气进行发电。

3.根据权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述发电装置包括：压气机(4)、燃烧室(3)、燃气透平(5)和第一发电机(6)；

其中，由所述反应腔室输出的分解反应后的可燃气与经压气机(4)压缩后的空气一同通入燃烧室(3)进行燃烧，燃烧后的生成物推动燃气透平(5)做功，带动第一发电机(6)发电。

4.根据权利要求3所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述发电装置还包括：第二发电机(7)、蒸汽透平(8)、换热器(9)、冷凝器(10)、水泵(11)；

其中，所述燃气透平(5)的尾气通入换热器(9)，加热通过水泵(11)供给的冷凝水，使之加热为水蒸气并通入蒸汽透平(8)做功，使第二发电机(7)发电，蒸汽透平(8)的尾气通过冷凝器(10)成为冷凝水再通过水泵(11)完成循环。

5.根据权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：

所述化学势差由电位差驱动，所述透氧腔室的电位高于所述反应腔室的电位；或

所述化学势差由氧分压差驱动，所述透氧腔室的氧分压低于所述分解反应达到热平衡时的氧分压。

6.根据权利要求5所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述化学势差为由氧分压差驱动，所述透氧腔室通过以下方式中的一种或多种获得所需氧分压：

(a)所述透氧腔室的一端封闭，另一端连接至真空泵；

(b)所述透氧腔室内通入还原性气体；和

(c)所述透氧腔室内放入能够与氧气结合、能够吸附氧气或能够去除氧气的物质。

7.根据权利要求6所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述透氧腔室内通入甲烷以达到所需氧分压。

8.根据权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述透氧膜内套管的材料选自于以下材料中的一种：

La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ，其中0≤x≤1，0≤δ＜3；或

Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ＜3。

9.根据权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：

所述内腔室作为反应腔室，所述外腔室作为透氧腔室；或

所述内腔室作为透氧腔室，所述外腔室作为反应腔室。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述双层反应套管(2)呈线形、蛇形或者螺旋形；

所述外套管(13)和透氧膜内套管(16)的横截面呈圆形、方形、三角形或梯形。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能综合利用系统，其特征在于，所述聚光装置(1)为所述反应腔室提供高于300℃的工作温度，其为槽式太阳能聚光装置、碟式太阳能聚光装置，或塔式太阳能聚光装置。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：

所述反应气体为水蒸气，所述分解反应的生产物为氢气和氧气；

所述反应气为二氧化碳，所述分解反应的生成物为一氧化碳和氧气；或

所述反应气体为水蒸气和二氧化碳，所述分解反应的生成物为氢气、一氧化碳及碳氢化合物的混合气和氧气。