CN106931657B - 一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，包括传热流体供应子系统、反应子系统、热交换子系统、冷凝子系统、水蒸汽发生子系统、水供给系统和朗肯蒸汽发电机组。冷储罐中的传热流体经由太阳能集热器吸收太阳热变成高温传热流体后进入热储罐。储热时，高温传热流体从热储罐底部流出，从储/释热反应器的换热管入口流入，为反应器提供热量，反应床层的氢氧化物发生吸热分解反应，实现热能的储存。释热时，由蒸汽发生器为反应器提供水蒸汽，发生水合反应释放大量的热，以直接和间接换热两种形式为朗肯循环蒸汽发电机组提供热能。本系统能满足节能减排要求，为太阳能热发电提供高效、稳定、高品位的热能，实现热发电系统的连续运转。

Description

一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统
技术领域
本发明属于太阳热能高温储存技术领域，特别涉及一种把太阳能的热量通过金属氢氧化物的分解进行储存，需要的时候进行释放的热化学储/释热系统。
背景技术
随着社会的发展和进步，人类对于能源的需求量也越来越高。当前，全球一次能源构成主要是以化石燃料为主体。然而，化石燃料具有不可再生性，且使用过程中会造成环境污染。这促使人们必须寻找既可再生又不会造成环境污染的可再生能源。“能源、环境、发展”是人类面临的三大主题，这三者中，能源的合理开发与利用直接影响到环境保护和人类社会的可持续发展，因此“节能降耗和环保减排”备受各界关注。在众多可再生能源中，太阳能热力发电由于具有费用低、来源广、不污染环境以及不需远距离输送等优点而受到人们的广泛关注。利用太阳能建立太阳能热力发电系统在一定程度上解决了上述问题。
然而，由于太阳能具有间歇性、低密度和不稳定性、难以持续供应等缺点，纯太阳能热发电的广泛应用目前仍有许多问题需要解决。其中，如何实现太阳能高效、大规模的储存，保证太阳能一天持续供给是太阳能热发电技术的关键。可再生能源在全球能源结构中所占比例逐渐增加，高效的长期无热损储能技术显得尤为重要。良好的储能系统在能源转换、分配和使用等方面，对提高能源安全和能源效率也起到关键作用。
太阳能热发电经历了从无储热系统到含储热系统的发展过程，其中，包含储热系统的热力发电经历了从显热储热到潜热储热再到热化学储热系统的发展过程。其中，热化学储热已成为太阳能热力发电领域的发展方向，是太阳能热力发电的关键，目前正处于实验与理论研究阶段。
热化学储热技术是实现能源清洁转换利用的非常重要且有效的手段，一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统是比较有发展前景的一种。利用可逆热化学反应(如Ca(OH)2+ΔH＝CaO+H2O或Mg(OH)2+ΔH＝MgO+H2O)通过热能与化学能之间的相互转换进行储/释热。该储/释热方法的原料丰富廉价、可全天候连续供热、储能密度高、可逆反应易控制且无副反应、储存与分离简单等优点，具有良好的实用前景。
朗肯循环蒸汽发电机组运行的稳定性、经济性以及各项指标的同行业领先性是电厂生存和发展的基础。近年，各大发电集团、电厂不约而同的将发电煤耗、供热煤耗等指标列入考核范围，为提高资源利用率、降低能耗水平，纷纷进行节能技改。实现对太阳能热储能技术的开发研究，无疑在能源的开发利用以及节能减排等方面均会有重要的贡献。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景中的不足之处，设计了一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，有效地将太阳热能或其他高温热能通过可逆的化学反应以化学能形式储存起来，当需要高温热能时，再通过逆向放热反应将化学能转化成热能释放出来。
本发明的目的通过如下具体方案实现。
一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其包括传热流体供应子系统、反应子系统、热交换子系统、冷凝子系统、水蒸汽发生子系统、水供给系统和朗肯蒸汽发电机组；
所述的传热流体供应子系统包括：冷储罐、循环泵、太阳能集热器、热储罐；连接关系满足：传热流体从冷储罐由循环泵输送到太阳能集热器，产生的高温传热流体输送到热储罐进行暂存，然后进入反应子系统；
所述的反应子系统为集储热和释热反应为一体的储/释热反应器，设有内金属氢氧化物，是发生热化学储热和释放热量的主体，金属氢氧化物(如Ca(OH)2或Mg(OH)2等)吸收传热流体提供的热量发生分解反应实现热量的储存，分解后产生的金属氧化物发生水合放热反应进行化学能向热能的转换，实现热量的释放；
所述的热交换子系统包括顺次连接的预热器、蒸发器、换热器；其作用是在储热和释热过程中，从反应子系统流出的较高温度的传热流体均可通过预热器和蒸发器对水储罐中输出的液态水进行先预热再蒸发，产生水蒸汽；然后，产生的水蒸汽可由换热器再加热产生高温水蒸汽；
所述的冷凝子系统包括顺次连接的真空泵、冷凝器；其作用是把反应子系统内金属氢氧化物发生分解反应产生的水蒸汽经真空泵排出，经冷凝器冷凝至常温的水，并将冷凝水导入到蒸汽发生器；
所述的水蒸汽发生子系统包括相互连接的蒸汽发生器、蒸汽输送泵，蒸汽发生器设有电阻丝加热器；水蒸汽发生子为反应子系统提供水蒸汽，使反应子系统内的金属氧化物(如CaO或MgO等)发生水合放热反应，提供热量；
所述的水供给系统包括水储罐和分别与水储罐连接的循环泵、循环泵；其作用是为热交换子系统和反应子系统提供热交换所需的水源，产生的高温高压水蒸汽供给朗肯蒸汽发电机组发电使用。
进一步地，所述太阳能集热器由抛物槽面或碟式抛物面、吸热管、保温层等组成，太阳光通过太阳能集热器抛物面的反射将焦点聚集在吸热管上，吸热管内部的传热流体吸收焦点处的高温热量，得到高温传热流体；吸热管进口与冷储罐之间用循环泵相连，出口接热储罐。
进一步地，所述储/释热反应器的内部是用不锈钢网包裹着的Ca(OH)2/CaO或Mg(OH)2/MgO颗粒床层，颗粒床层中设有换热管；储/释热反应器外部设有绝热层，以便减少热量的散失。
进一步地，储/释热反应器内部的Ca(OH)2/CaO或Mg(OH)2/MgO颗粒床层为为圆柱型，颗粒床层轴向中心填充有蜂窝状不锈钢网，作为水蒸汽的进出通道；填充蜂窝状不锈钢网的部分为圆柱型，半径为部分圆柱型颗粒床层底面圆半径的1/10；换热管由两部分组成，一部分为传热流体换热管，另一部分为输水换热管；传热流体换热管以螺旋盘管的形式布置在颗粒床层中，螺旋半径为圆柱型颗粒床层底面圆半径的2/3；输水换热管以螺旋盘管的形式布置在颗粒床层中，螺旋半径为圆柱型颗粒床层底面圆半径的1/3；传热流体换热管螺旋盘管和输水换热管螺旋盘管的底面圆心均与圆柱型颗粒床层底面圆圆心重合，螺旋高度与圆柱型颗粒床层高度一致，螺距均为对应的换热管直径的2倍。
进一步地，储/释热反应器的蒸汽出口连接真空泵，真空泵与冷凝器相连产生的冷凝水输送到蒸汽发生器进行水的循环使用；蒸汽发生器用以产生水蒸汽；蒸汽发生器的供热源为电阻丝加热或外部供热。
所述系统的储热过程为，储/释热反应器内部的金属氢氧化物(如Ca(OH)2或Mg(OH)2等)吸收传热流体提供的热量发生分解反应实现热量的储存；从反应器内流出的高温传热流体先经蒸发器，再经过预热器流回到传热流体冷储罐进行循环使用；来自于水储罐内的常温水经由预热器和蒸发器进行先预热、后蒸发，蒸发后的水蒸汽进入到换热器进行进一步加热后，温度可达到400℃～450℃，供给朗肯循环蒸汽发电机组使用；此过程中，换热器的热源可来自其它太阳能集热器或工业余热、废热等。
所述系统的释热过程为，储热后产生的金属氧化物发生水合放热反应实现化学能向热能的转换，完成热量的释放；反应器内部热量的输出分为两支回路：①在反应器内部直接将输水换热管内的液态水蒸发产生高温水蒸汽；②以传热流体为蓄热介质输出反应器内的热量，从反应器流出的高温传热流体先后流经换热器、蒸发器、预热器，而常温水则先后流经预热器、蒸发器、换热器实现对常温水的预热、蒸发、再加热，为热力发电提供高温水蒸汽。
所述的传热流体供应子系统为传热流体经由太阳能集热器产生高温的传热流体，然后进入反应子系统；所述的反应子系统为发生热化学储热和释热的主体，吸收传热流体的热量使金属氢氧化物(如Ca(OH)2、Mg(OH)2等)发生分解反应进行热量的储存；所述的冷凝子系统为把反应子系统内分解反应产生的水蒸汽冷凝至常温的水；所述的水蒸汽发生子系统是为反应子系统提供水蒸汽，使反应子系统内的金属氧化物(如CaO、MgO等)发生水合放热反应，提供热量。
进一步优化的，所述储能反应器蒸汽出口连接真空泵，真空泵产生负压，利于水蒸汽的排出；真空泵与冷凝器相连，使排出的水蒸汽冷凝至常温。所述冷凝器产生的液态水导入蒸汽发生器，供蒸汽发生器产生蒸汽，进行水的循环使用。
进一步优化的，所述蒸汽发生器的供热源为电阻丝加热和外部供热两部分。
进一步优化的，储热时，从反应器内流出的较高温度的传热流体先经蒸发器，再经过预热器回到传热流体冷储罐进行循环使用；对来自于水储罐内的常温水，先后经由预热器和蒸发器进行先预热后蒸发，蒸发后的水蒸汽进入到换热器进一步加热后产生高温水蒸汽，供给到朗肯循环蒸汽发电机组；换热器的热源来自其它太阳能集热器或工业余热、废热等。释热时，以传热流体为蓄热介质输出反应器内部的热量，传热流体经由换热器、蒸发器、预热器实现对常温水的预热、蒸发、再加热，为热力发电提供高温水蒸汽。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和技术效果：
1、可充分利用太阳能来驱动可逆的化学反应的发生，实现太阳能热以化学能形式长期、高效、稳定的储存。当需要热能时，可以通过发生放热反应提供高品位热能。
2、有效利用系统的闭式循环，采用换热器、预热器、蒸发器实现对系统中反应热的快速输出及回收利用，提高原料的使用率和能量的回收利用率。
3、该系统中的反应器采用固定床结构，可以有效实现热量的快速移放，提高反应转化率，便于化学反应的控制。
4、该方法可以更好地与现有的热力发电系统进行衔接，无需大规模改造现有设备装置。
附图说明
图1是一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统结构示意图。
图2是储/释热反应器内部结构图。
附图中：S1-冷储罐；S2-热储罐；S3-水储罐；E1-预热器；E2-蒸发器；E3-换热器；E4-冷凝器；B3-真空泵；B4-蒸汽输送泵；H-传热流体换热管，W-输水换热管；1-太阳能集热器；2-朗肯循环蒸汽发电机组；3-输水换热管W出口；4-传热流体换热管H入口；5-反应水蒸汽出口；6-传热流体换热管H出口；7-绝热层；8-颗粒床层；9-蜂窝状不锈钢网；10-储/释热反应器；11-输水换热管W入口；12-反应水蒸汽入口；13-蒸汽发生器；14-电阻丝加热器；15-传热流体出口管；16-传热流体入口管；17-输水出口管；18-输水入口管；P-压力表；V-截止阀。
具体实施方式
下面结合附图，以电厂发电设备容量10MW为例，对本发明的结构和具体工作过程作详细描述，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1，一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，包括：冷储罐S1，热储罐S2，水储罐S3，预热器E1，蒸发器E2，换热器E3，冷凝器E4，循环泵(B1、B2、B5、B6)；真空泵B3，蒸汽输送泵B4，传热流体换热管H，输水换热管W，太阳能集热器1，朗肯循环蒸汽发电机组2，输水换热管W出口3，传热流体换热管H入口4，反应水蒸汽出口5，传热流体换热管H出口6，绝热层7，颗粒床层8，蜂窝状不锈钢网9，储/释热反应器10，输水换热管W入口11，反应水蒸汽入口12，蒸汽发生器13，电阻丝加热器14，压力表P，截止阀V。
如图2，储/释热反应器10内部是圆柱型的用不锈钢网包裹着的Ca(OH)2/CaO或Mg(OH)2/MgO颗粒床层8，颗粒床层8中心为填充的蜂窝状不锈钢网9；换热管有传热流体换热管H和输水换热管W两部分；传热流体换热管H和输水换热管W均以螺旋盘管的形式布置在颗粒床层8中。传热流体出口管15与传热流体换热管H出口6连接，传热流体入口管16与传热流体换热管H入口4连接，输水出口管17与输水换热管W出口3连接，输水入口管18与输水换热管W入口11连接。
方案实施所需部分设备材料及安装参数详见表1。
表1
Figure BDA0001255875710000041
Figure BDA0001255875710000051
冷储罐S1的底端出口连接第一循环泵B1，输送传热流体到太阳能集热器1，再与热储罐S2相连，传热流体输送到热储罐S2暂存；热储罐S2出口经第一循环泵B2连接储/释热反应器10的传热流体换热管H入口4，储/释热反应器10的传热流体换热管H出口6依次连接到蒸发器E2、预热器E1，最后连到冷储罐S1。在储/释热反应器10的换热管H出口6连接到蒸发器E2的管路上与截止阀V17并联连接换热器E3形成一个闭式循环。储/释热反应器10的蒸汽出口5连接真空泵B3，真空泵B3接连到冷凝器E4。蒸汽发生器13经气体输送泵B4连接到蒸汽入口12，并用压力表P4监测反应器10内部的水蒸汽压力。水储罐S3底端经第三循环泵B5、第四循环泵B6分别连接到输水换热管W入口11和预热器E1的输水管进口，输水换热管W出口3连接朗肯循环蒸汽发电机组2，预热器E1的输水管出口依次连接到蒸发器E2和换热器E3的输水管路，换热器E3输水管出口连接到朗肯循环蒸汽发电机组2；朗肯循环蒸汽发电机组2的出口连接到水储罐S3，形成水的闭式循环回路。
储热阶段：传热流体冷储罐S1中存储的常温传热流体，由阀门(V1、V2)和第一循环泵B1控制供应。打开阀门(V1、V2)，关闭阀门V16，常温传热流体由第一循环泵B1输送到太阳能集热器1，打开阀门V3，产生的高温传热流体进入到热储罐S2进行暂存。打开阀门V11、第一循环泵B2，高温传热流体经由传热流体换热管H入口4进入储/释热反应器10，高温的传热流体在反应器10内提供热量，使金属氢氧化物发生脱水反应，实现由热能向化学能的转化储存；产生的水蒸汽从储/释热反应器10的蒸汽出口5排出，打开真空泵B3、阀门V12和V13，使产生的水蒸汽经由真空泵B3输送到冷凝器E4进行冷凝，产生的冷凝水输送到蒸汽发生器13进行循环使用；供热后的传热流体由传热流体换热管H出口6排出，关闭阀门(V9、V10、V22、V23)，打开阀门(V17、V24)，打开第四循环泵B6，传热流体沿管路先后进入到蒸发器E2和预热器E1，最后输送到传热流体冷储罐S1进行循环使用。同时，水储罐S3中的常温水由第四循环泵B6输送到预热器E1和蒸发器E2产生水蒸汽，产生的水蒸汽进入到换热器E3进行再加热得到高温水蒸汽，打开阀门V8，将产生的高温水蒸汽供给朗肯循环蒸汽发电机组2进行发电，换热器E3的热源来源于其他的太阳能集热器或工业余热、废热，阀门(V5、V6)分别位于传热流体的入口和出口位置，打开阀门(V5、V6)，为换热器E3提供热源。
释热阶段：关闭储热阶段打开的所有设备和阀门，打开电阻丝加热器14，蒸汽发生器13内产生水蒸汽，打开蒸汽输送泵B4、打开阀门(V14、V15)，把产生的水蒸汽由储/释热反应器10蒸汽入口12输送到储/释热反应器10内，储/释热反应器10内部的金属氧化物与水蒸汽反应放热，同时用压力表P4监测反应器10内部的水蒸汽压力；高温蒸汽的提供有两支回路：
①打开第三循环泵B5，打开阀门(V22、V23、V7)，关闭阀门V17，水储罐S3中的水由第三循环泵B5输送至换热管W入口11进入到储/释热反应器10，换热管W中的水吸收储/释热反应器10内发生放热反应产生的热量气化为水蒸汽，将产生的高温水蒸汽供给朗肯循环蒸汽发电机组2进行发电；
②关闭阀门(V2、V17、V5、V6)，打开第一循环泵B1，打开阀门(V1、V16、V9、V10)，传热流体从传热流体换热管H入口4进入，传热流体换热管H内的传热流体吸收储/释热反应器10内发生放热反应产生的热量，从传热流体换热管H出口6输出，先后进入换热器E3、蒸发器E2、预热器E1，最后流入冷储罐S1进行循环；打开阀门(V8、V24)，水储罐中的水由第四循环泵B6输送，先后进入预热器E1、蒸发器E2、换热器E3，将产生的高温水蒸汽供给朗肯循环蒸汽发电机组2进行发电。
方案实施后，可以克服太阳能的间歇性，实现太阳能热发电在晚上或是阴雨天气的持续运行，同时也充分回收利用储热过程中传热流体从反应装置带出的热量。对于配置有约含7000吨Ca(OH)2的颗粒床层和约60000m2的槽式抛物面镜场，可以在3～5天内完成太阳能向化学能的转换，实现太阳能的热化学储存。7000吨的Ca(OH)2分解所储存的热量可在连续3天的阴雨天气中保证热量的持续供给，维持10MW的朗肯循环蒸汽发电机组正常运作。方案实施后，既充分利用太阳能资源，实现太阳能的合理开发与利用，保证了汽轮机发电的持续运行，同时也实现了对环境的保护和人类社会的可持续发展，实现了“节能降耗和环保减排”。根据系统的储/释热循环过程，按照每年的太阳热储能总量可供汽轮机持续工作100天计算，相对于目前我国的火力发电来说，可以有效减少CO2排放约2500吨/年。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内的，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 (5)

1.一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其特征在于包括传热流体供应子系统、反应子系统、热交换子系统、冷凝子系统、水蒸汽发生子系统、水供给系统和朗肯蒸汽发电机组(2)；
所述的传热流体供应子系统包括：冷储罐(S1)、第一循环泵(B1)、太阳能集热器(1)、热储罐(S2)；连接关系满足：传热流体从冷储罐(S1)由第一循环泵(B1)输送到太阳能集热器(1)，产生的高温传热流体输送到热储罐(S2)进行暂存，然后进入反应子系统；
所述的反应子系统为集储热和释热反应为一体的储/释热反应器(10)，内部设有金属氢氧化物，是发生热化学储热和释放热量的主体；
所述的热交换子系统包括顺次连接的预热器(E1)、蒸发器(E2)、换热器(E3)；其作用是在储热和释热过程中，从反应子系统流出的传热流体均可通过预热器(E1)和蒸发器(E2)对水储罐(S3)中输出的液态水进行先预热再蒸发，产生水蒸汽；然后，产生的水蒸汽可由换热器(E3)再加热产生高温水蒸汽；
所述的冷凝子系统包括顺次连接的真空泵(B3)、冷凝器(E4)；其作用是把反应子系统内金属氢氧化物发生分解反应产生的水蒸汽经真空泵(B3)排出，经冷凝器(E4)冷凝至常温的水，并将冷凝水导入到蒸汽发生器(13)；
所述的水蒸汽发生子系统包括相互连接的蒸汽发生器(13)、蒸汽输送泵(B4)，蒸汽发生器(13)设有电阻丝加热器(14)；水蒸汽发生子为反应子系统提供水蒸汽，使反应子系统内的金属氧化物发生水合放热反应，提供热量；
所述的水供给系统包括水储罐(S3)和分别与水储罐(S3)连接的第二循环泵(B5)、第三循环泵(B6)；其作用是为热交换子系统和反应子系统提供热交换所需的水源，产生的高温高压水蒸汽供给朗肯蒸汽发电机组(2)发电使用；所述太阳能集热器(1)由抛物槽面或碟式抛物面、吸热管、保温层组成，太阳光通过太阳能集热器(1)抛物面的反射将焦点聚集在吸热管上，吸热管内部的传热流体吸收焦点处的高温热量，得到高温传热流体；吸热管进口与冷储罐(S1)之间用第一循环泵(B1)相连，出口接热储罐(S2)；储/释热反应器(10)的蒸汽出口(5)连接真空泵(B3)，真空泵(B3)与冷凝器(E4)相连产生的冷凝水输送到蒸汽发生器(13)进行水的循环使用；蒸汽发生器(13)用以产生水蒸汽；蒸汽发生器(13)的供热源为电阻丝加热或外部供热。
2.根据权利要求1所述的一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其特征在于，所述储/释热反应器(10)的内部是用不锈钢网包裹着的Ca(OH)2/CaO或Mg(OH)2/MgO颗粒床层(8)，颗粒床层(8)中设有换热管；储/释热反应器(10)外部设有绝热层(7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其特征在于，储/释热反应器(10)内部的Ca(OH)2/CaO或Mg(OH)2/MgO颗粒床层(8)为圆柱型，颗粒床层(8)轴向中心填充有蜂窝状不锈钢网(9)，作为水蒸汽的进出通道；填充蜂窝状不锈钢网(9)的部分为圆柱型，半径为圆柱型颗粒床层(8)底面圆半径的1/10；换热管由两部分组成，一部分为传热流体换热管(H)，另一部分为输水换热管(W)；传热流体换热管(H)以螺旋盘管的形式布置在颗粒床层(8)中，螺旋半径为圆柱型颗粒床层(8)底面圆半径的2/3；输水换热管(W)以螺旋盘管的形式布置在颗粒床层(8)中，螺旋半径为圆柱型颗粒床层(8)底面圆半径的1/3；传热流体换热管(H)形成的螺旋盘管和输水换热管(W)形成螺旋盘管的底面圆心均与圆柱型颗粒床层(8)底面圆圆心重合，螺旋高度与圆柱型颗粒床层(8)高度一致，螺距均为对应的换热管直径的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其特征在于储热过程为：储/释热反应器(10)内部的金属氢氧化物吸收传热流体提供的热量发生分解反应实现热量的储存；从反应器(10)内流出的高温传热流体先经蒸发器(E2)，再经过预热器(E1)流回到传热流体冷储罐(S1)进行循环使用；来自于水储罐(S3)内的常温水经由预热器(E1)和蒸发器(E2)进行先预热、后蒸发，蒸发后的水蒸汽进入到换热器(E3)进行进一步加热后，温度可达到400℃～450℃，供给朗肯循环蒸汽发电机组(2)使用；此过程中，换热器(E3)的热源来自太阳能集热器、工业余热或废热。
5.根据权利要求1所述的一种基于热化学法的太阳能高温储存及释放系统，其特征在于，释热过程为：储热后产生的金属氧化物发生水合放热反应实现化学能向热能的转换，完成热量的释放；反应器(10)内部热量的输出分为两支回路：①在反应器(10)内部直接将输水换热管内的液态水蒸发产生高温水蒸汽；②以传热流体为蓄热介质输出反应器(10)内的热量，从反应器(10)流出的高温传热流体先后流经换热器(E3)、蒸发器(E2)、预热器(E1)，而常温水则先后流经预热器(E1)、蒸发器(E2)、换热器(E3)实现对常温水的预热、蒸发、再加热，为热力发电提供高温水蒸汽。
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