CN106374815B - 基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置及发电系统 - Google Patents

基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米催化剂的太阳能光伏‑热化学复合装置，将太阳能光伏和热化学利用技术相结合，实现了太阳能的全波长利用。所述装置通过聚光镜(101)反射太阳辐射，使太阳辐射聚焦至接收器(102)表面；由接收器(102)内部的含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)吸收波长在400nm以下的太阳辐射，进行光热转化；由接收器(102)内部的光伏电池板(106)吸收波长在400nm以上的太阳辐射，进行光电转化。本发明还公开了一种应用所述基于纳米催化剂的太阳能光伏‑热化学复合装置的发电系统，将光电转化效应通过逆变器输出电能，将光热转化效应通过燃气‑蒸汽联合循环机组输出电能，实现了利用太阳能全天候供电的分布式供电能力。

Description

基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置及发电系统
技术领域
本发明属于太阳能综合利用技术领域，具体涉及一种太阳能光伏-热化学复合利用的装置及应用该装置的发电系统。
背景技术
随着能源需求的快速增长和环境问题的日趋严重，加大绿色能源在能源结构中的比重已成为国家能源发展战略。在绿色能源中，太阳能储量异常丰富，其地位尤为重要。
目前工业领域中的太阳能利用主要有光伏、光热两种途径。光伏利用结构简单但不具备昼夜连续工作条件，即无法大规模储能。光热利用虽然系统结构复杂但可以通过储热的方式实现储能，成本低廉且技术难度较低，因而被普遍采用。然而，以储热形式储存太阳能，其储能密度远不及以化学能形式储存，即化学储能。因而将太阳能光伏技术与太阳能热化学技术相结合构成的太阳能复合利用系统具有系统高效紧凑、可昼夜连续工作的潜在优势。
另一方面，常见的热化学反应器中，热量均以间壁式换热的形式从反应器外部通过壁面进入反应器内部，进而作为反应热提供热量。这种间壁式换热形式存在换热过程环节多、损失大、响应慢的缺点。同时，由于热化学反应通常在催化剂条件下进行，但目前常见的催化剂填充方式多为厘米级颗粒直接堆积填充，这种填充方式易造成有效裸露比表面积较低，使得在反应过程中催化剂与反应物不能够保证接触充分，进而降低了催化剂利用率。
综合以上两方面可以发现，将光伏技术与热化学储能技术相结合，并且在催化剂结构和反应热传递方面加以优化，不失为一种极具潜力的太阳能综合利用技术，从而实现太阳能的高效利用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合利用装置，将光伏发电技术与热化学储能技术相结合，并且在催化剂结构和反应热传递方面加以优化，以实现太阳能的高效利用。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置及发电系统，适用于中低温太阳能光伏光热综合利用。本发明的技术方案如下：
一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，聚光镜用于反射太阳辐射，将太阳辐射聚焦至接收器表面，所述接收器包括透明并列通道、含有纳米催化剂粒子的液体原料、光伏电池板：所述透明并列通道位于接收器内部上方位置；所述含有纳米催化剂粒子的液体原料置于透明并列通道内部；所述光伏电池板置于透明并列通道上表面。
所述含有纳米催化剂粒子的液体原料的吸收波长范围包括400nm以下。所述光伏电池板的吸收波长范围包括400nm以上。所述聚光镜具备太阳辐照实时追踪功能。所述接收器还包括弧形凹透镜和保温结构，所述弧形凹透镜位于所述接收器底部位置，所述保温结构布置于所述接收器外表面。所述弧形凹透镜外表面与由所述聚光镜反射形成的聚焦光线垂直；经过所述弧形凹透镜后的光线发散成为平行光线，垂直进入所述透明并列通道。所述透明并列通道构成并联流动通道，所述含纳米催化剂粒子的液体原料布置于并联流动通道内部。所述含有纳米催化剂粒子的液体原料由液体原料及散布在其内部的纳米尺度催化剂粒子组成。所述纳米催化粒子是Pt、Pd，或者Cu与ZnO的混合物。所述光伏电池板是单晶硅或多晶硅材料。
本发明还提出了一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统，包括线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场、逆变器和燃气-蒸汽联合循环机组，所述线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场由本发明提出的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置组成。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，纳米催化剂粒子主要吸收波长在400nm以下的太阳辐射，通过表面等离子共振作用进行光热转化进而提供反应热；而光伏电池主要吸收波长在400nm以上的太阳辐射，进行光电转化。通过将两种结构组合实现了太阳能的全波长利用，从而显著提升了太阳能利用率。
2、本发明提供的一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，，纳米催化剂粒子仅对周围邻近区域的液体原料加热使其升温，使液体原料整体温度不会显著升高，所以光伏电池不必进行特殊冷却，进而简化了系统，降低了成本，显著提高了系统运行可靠性。
3、本发明提供的一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，来自聚焦太阳能的热量直接从液体原料内部进行“体加热”，较之传统的热量通过壁面导入液体内部的“面加热”方式更加高效直接，避免了中间环节产生的损失，从而提高了太阳能热利用效率。
4、本发明提供的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统，日间通过光伏电池对外输电，同时借助转化燃料储存化学能；夜间可通过燃烧燃料经燃气动力循环发电，从而实现全天候供电。
5、本发明提供的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统，以太阳能和便于运输的液体原料为输入进行供电，具备不依赖于主电网的分布式供电系统灵活、高效、可靠的优点。
附图说明
图1是本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置的一种实施例结构示意图；
图2是根据本发明实施例的纳米催化剂粒子及其加热催化反应的过程示意图；
图3是本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统的一种实施例流程图。
图中：聚光镜101；接收器102；弧形凹透镜103；含有纳米催化剂粒子的液体原料104；透明并列通道105、光伏电池板106、保温结构107，纳米催化剂粒子201；液体原料202；合成气203；逆变器301；线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场302；气液分离器303；泵304；烟气预热器305；压气机306；燃烧室307；燃气透平308；发电机组309；余热锅炉310；蒸汽透平311；发电机组312；冷凝器313；冷却塔314；泵315。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，适用于中低温太阳能光伏光热综合利用，包括聚光镜、接收器。其中，接收器由弧形凹透镜、含有纳米催化剂粒子的液体原料、透明并列通道、光伏电池板及保温结构构成。透明并列通道位于接收器内部上方位置，透明并列通道上表面布置光伏电池板，内部为含有纳米催化剂粒子的液体原料，弧形凹透镜位于接收器底部位置，接收器外表面布置保温结构。
聚光镜由平面反光镜或弧面反光镜构成，聚光镜具备太阳辐射实时追踪功能，太阳辐射经聚光镜反射后成为聚焦光线。聚焦光线再经过弧形凹透镜后发散成为平行光线。弧形凹透镜外表面与聚焦光线垂直以减小光线入射时发生的反射与透射损失。然后平行光线再垂直进入透明并列通道被含有纳米催化剂粒子的液体原料部分吸收，发生吸热催化反应输出合成气，进行热化学利用，剩余光线被光伏电池板接收进行光电转化输出电能，进行光伏利用。
含有纳米催化剂粒子的液体原料由液体原料及散布在其内部的纳米尺度催化剂粒子组成，主要通过表面等离子共振作用吸收波长在400nm以下的太阳辐射进行光热转化。该作用可实现对粒子周围液体原料的快速加热升温，使局部迅速满足吸热催化反应条件发生化学反应，生成产物合成气从液体原料中自动析出。光伏电池板可以为单晶硅或多晶硅材料，主要吸收波长在400nm以上的太阳辐射进行光电转化。本发明通过将光热转化和光电转化两种结构组合实现了太阳能的全波长利用，从而显著提升了太阳能利用率。
另外，透明并列通道以并联通道流动方式增强了含有纳米催化剂粒子的液体原料的温度均匀性，避免了局部温度过高致使催化剂失效和装置结构变形。纳米催化剂粒子仅对周围邻近区域的液体原料加热使其升温，使液体原料整体温度不会显著升高，所以光伏电池不必进行特殊冷却，进而简化了系统。来自聚焦太阳能的热量直接从液体原料内部进行“体加热”，较之传统的热量通过壁面导入液体内部的“面加热”方式更加高效直接，避免了中间环节产生的损失，从而提高了太阳能热利用效率。
本发明同时提出的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统，利用本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合组成线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场，与逆变器、燃气-蒸汽联合循环机组耦合。当白天太阳辐射充足时，对于波长在400nm以上的太阳辐射，线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场通过光电转化输出直流电，经逆变器转变为交流电对外输出；同时对于波长在400nm以下的太阳辐射，线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场进行光热转化，催化接收器内的液体原料吸热反应生成合成气，将部分太阳能转变成化学能存储。到夜晚或无足够太阳辐射条件时，将合成气存储的太阳能通过所述燃气-蒸汽联合循环机组发电对外输出电能。
本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统以太阳能和便于运输的液体原料为输入进行供电，具备不依赖于主电网的分布式发电系统的灵活、高效、可靠的优点。在白天有辐照条件下通过光伏电池输出电能，同时通过热化学反应产生合成气并进行储存；在夜晚无辐照条件下则通过内燃机燃烧合成气发电对外输出电能，从而实现昼夜不间断供电。
图1是本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置的一种实施例结构示意图，适用于中低温太阳能光伏光热综合利用，包括：聚光镜101、接收器102。其中，接收器102由弧形凹透镜103、含有纳米催化剂粒子的液体原料104、透明并列通道105、光伏电池板106及保温结构107构成。该装置中，透明并列通道105位于接收器102内部上方位置，透明并列通道105上表面布置光伏电池板106，透明并列通道105内部有含有纳米催化剂粒子的液体原料104；弧形凹透镜103位于接收器102底部位置，接收器102外表面布置保温结构107。聚光镜101由平面反光镜或弧面反光镜构成，太阳光经聚光镜101反射后成为聚焦光线，聚光镜101具备太阳辐照实时追踪功能。经聚光镜101汇聚后的聚焦光线，首先经过弧形凹透镜103后发散成为平行光线，弧形凹透镜103外表面与聚焦光线垂直以减小光线入射时发生的反射与透射损失。平行光线然后垂直进入透明并列通道105被含有纳米催化剂粒子108的液体原料104部分吸收，发生吸热催化反应输出合成气，进行热化学利用，剩余光线被光伏电池板106接收进行光电转化输出电能，进行光伏利用。透明并列通道105以并联通道流动方式增强了含有纳米催化剂粒子的液体原料104的温度均匀性，避免了局部温度过高致使催化剂失效和装置结构变形。
图2是根据本发明实施例的纳米催化剂粒子及其加热催化反应的过程示意图。含有纳米催化剂粒子的液体原料104由液体原料202及散布在其内部的纳米催化剂粒子201组成。一方面，纳米催化剂粒子201在聚焦光照辐射条件下通过表面等离子共振(surfaceplasmon resonance，SPR)作用吸收波长在400nm以下的太阳辐射实现对局部周围邻近液体(海水)的快速加热，使液体原料202迅速汽化满足反应温度条件。另一方面，纳米催化剂粒子201本身是Pt、Pd或者Cu与ZnO的混合物，自身即为催化剂，满足反应催化条件。吸热催化反应在条件满足时即发生反应产生产物合成气203，以气泡形式逐渐长大，期间或与周围气泡合并加速生长，气泡在浮力作用下上升，最终脱离液体表面，从液体原料中自动析出。该反应与主要吸收波长在400nm以上太阳辐射的光伏电池板组合形成太阳能的全波长利用形式。
图3是本发明的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统的一种实施例流程图。该系统流程基于太阳能甲醇催化分解反应，主要包括：逆变器301、线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场302、燃气-蒸汽联合循环机组，其中线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场302由图1所示的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置组成，燃气-蒸汽联合循环机组包括气液分离器303、泵304、烟气预热器305、压气机306、燃烧室307、燃气透平308、发电机组309、余热锅炉310、蒸汽透平311、发电机组312、冷凝器313、冷却塔314、泵315。如图所示，甲醇液体(即液体原料)由泵304加压进行循环，经过烟气预热器305升温后进入线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场302，受聚光太阳能加热发生甲醇分解反应，该反应在200～250摄氏度以及Cu/ZnO/Al2O3纳米催化剂条件下进行。反应产物为合成气，主要成分包括H2，CO及未反应完全的剩余甲醇液体。该气液混合物通过气液分离器303分离，所分离出的甲醇液体与甲醇液体原料混合继续循环；所分离出的合成气部分直接存储，实现太阳能化学储能，以备在无辐照条件时系统连续运行，其余部分进入联合循环进行发电。具体流程为，合成气与经过压气机306压缩后的空气在燃烧室307混合进行燃烧，燃烧产生温度为1100～1300摄氏度的燃气进入燃气透平308做功带动发电机组309输出交流电。燃气透平308排出温度约为510摄氏度的烟气首先通过余热锅炉310加热工质水产生蒸汽，所排出约120摄氏度的烟气通过烟气预热器305对甲醇液体进行预热，然后低温烟气经处理后对环境排放。余热锅炉310产生的约490摄氏度的蒸汽进入蒸汽透平311做功带动发电机组312输出交流电。蒸汽透平311排出的约35摄氏度的乏汽经过冷凝器313冷凝为水，再经泵315加压循环进入余热锅炉310。冷凝器313中的冷却水由冷却塔314提供。另外，系统在有辐照条件工作时，线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场302可借助光伏电池输出直流电，直流电经逆变器301可转变为交流电对外输出。该系统结合了光伏技术、菲涅尔式光热技术、纳米催化剂技术、表面等离子体共振技术及燃气-蒸汽联合循环技术等先进技术，可实现全天候分布式电能供应，同时具有高效环保的显著特征。
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，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 (8)

1.一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，包括聚光镜(101)和接收器(102)，所述聚光镜(101)用于反射太阳辐射，使太阳辐射聚焦至接收器(102)表面，其特征在于，所述接收器(102)包括透明并列通道(105)、含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)、光伏电池板(106)、弧形凹透镜(103)和保温结构(107)；
所述透明并列通道(105)位于接收器(102)内部上方位置；
所述含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)位于透明并列通道(105)内部；
所述光伏电池板(106)置于透明并列通道(105)上表面；
所述弧形凹透镜(103)位于所述接收器(102)底部位置，其外表面与由所述聚光镜(101)反射形成的聚焦光线垂直；经过所述弧形凹透镜(103)后的光线发散成为平行光线，垂直进入所述透明并列通道(105)；
所述保温结构(107)布置于所述接收器(102)外表面。
2.根据权利要求1所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)的吸收波长范围包括400nm以下。
3.根据权利要求1所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述光伏电池板(106)的吸收波长范围包括400nm以上。
4.据权利要求1所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述透明并列通道(105)构成并联流动通道，所述含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)布置于并联流动通道内部。
5.根据权利要求1所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述含有纳米催化剂粒子的液体原料(104)由液体原料(202)及散布在其内部的纳米催化剂粒子(201)组成。
6.根据权利要求5所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述纳米催化剂粒子(201)是Pt、Pd、Cu中之一与ZnO的混合物。
7.根据权利要求1所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置，其特征在于，所述光伏电池板(106)是单晶硅或多晶硅材料。
8.一种基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合发电系统，包括线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场(302)、逆变器(301)和燃气-蒸汽联合循环机组，其特征在于：
所述线性菲涅尔式太阳能光伏-热化学吸收反应场(302)由权利要求1～7任意一项所述的基于纳米催化剂的太阳能光伏-热化学复合装置组成。
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