CN108554333A - 太阳能热化学吸收反应装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种太阳能热化学吸收反应装置及系统，包括：集热管单元以及集热器单元，该集热管单元包括：内管、镀膜吸收管以及透明管，镀膜吸收管与内管之间设置有催化剂床层。本公开提供太阳能热化学吸收反应装置及系统中，内管通过储存、释放热能以调节热化学反应层(即催化剂床层)沿程温度，减小了催化剂床层沿程温度的变化，有利于催化剂床层温度在套管轴向方向更加均匀分布，催化剂床层温度的均匀分布，有利于提升催化剂的利用效率，提升反应装置对太阳能的利用效率。同时，有利于实现太阳能与外部热源的一体化集成利用，通过热化学互补利用，实现了太阳能与外部热量的高效利用。

Description

太阳能热化学吸收反应装置及系统
技术领域
本公开涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种太阳能热化学吸收反应装置及系统。
背景技术
随着当前社会的发展、人民生活水平的提升，人类对电力的需求日益增加。太阳能作为一种清洁、分布广泛、总量巨大的可再生能源，在能源可持续利用中具有重大的应用潜力与前景。鉴于太阳能间歇、不稳定、能流密度低等特性，如何实现太阳能的高效、稳定利用是现阶段社会各界所关注的热点。我国太阳能资源较为丰富，年均太阳能总辐照量为180W/m2。在西藏、青海、新疆等地，年日照时长维持在3000h以上，年辐射量超过1800kW·h/m2。我国整体范围内拥有优良的太阳能资源，为大力开展太阳能资源的利用奠定了资源基础。
国际能源署(IEA)将太阳能热化学利用技术作为太阳能利用的重要技术路线之一。现阶段主要的太阳能热化学利用技术主要有：太阳能分解水、太阳能甲烷重整、太阳能煤气化、太阳能生物质气化及太阳能甲醇分解、重整等。不同类型的太阳能热化学反应的温度不同，所需的太阳能聚光集热器的结构形式不同。太阳能分解水、生物质气化等反应温度较高，需使用碟式太阳能聚光集热装置；太阳能甲烷重整等需要塔式太阳能聚光集热装置；太阳能甲醇分解、重整反应温度较低，使用抛物槽式太阳能聚光集热装置即可满足反应需求。相比碟式、塔式太阳能聚光集热器，抛物槽式太阳能聚光集热器结构简单、技术成熟，广泛应用于太阳能热利用技术方面。
然而，在实现本公开的过程中，本公开发明人发现，现有技术中的抛物槽式太阳能聚光集热装置，由于热化学反应沿槽式太阳能热化学反应器轴向逐步反应，导致反应器催化剂床层温度分布不均匀，未能充分发挥催化剂的催化性能，不利于反应的充分进行，且使得整套反应器存在较大的热应力，影响到反应器的使用寿命；并且，当太阳能辐照高于设计值时，其太阳能热化学转化效率将会下降，使得太阳能整体的利用性能下降。此外，现有太阳能与外热源热化学互补利用技术中，通常不能将太阳能与外部热源进行一体化集成利用，常采用分体式的形式对太阳能及外部热源进行分别利用，增加了系统的设计、建设及运行复杂性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种太阳能热化学吸收反应装置及系统，以缓解现有技术中的太阳能聚光集热装置反应器催化剂床层温度梯度大，未能充分发挥催化剂的催化性能，不利于反应的充分进行，且使得整套反应器存在较大的热应力，影响到反应器的使用寿命的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种太阳能热化学吸收反应装置，包括：集热管单元，利用太阳能催化反应生成合成气，包括：内管，用于传热介质流动，从催化剂床层的内部与其进行热交换；镀膜吸收管，套设在所述内管外侧，其与所述内管之间设置有所述催化剂床层，该催化剂床层用于促进反应工质吸收聚焦的太阳热能催化反应生成合成气；以及透明管，套设在所述镀膜吸收管外侧，其与所述镀膜吸收管之间形成真空隔热层，用于透过太阳光并减小集热管单元的散热损失；以及集热器单元，用于汇聚太阳光至所述集热管单元上。
在本公开的一些实施例中，其中：所述镀膜吸收管的两端设置有内管支撑环，所述内管支撑环用于支撑所述镀膜吸收管，使所述镀膜吸收管与所述内管之间形成用于填放所述催化剂床层的环形空间；所述透明管的两端设置有封头，所述封头与所述透明管共同围成所述真空隔热层。
在本公开的一些实施例中，所述集热器单元包括：聚光镜，其横截面呈抛物线形，所述内管、所述镀膜吸收管和所述透明管同轴设置且通过集热管支架固定于所述聚光镜的焦线上，该聚光镜用于汇聚太阳光。
在本公开的一些实施例中，所述集热器单元还包括：跟踪驱动部件，与所述聚光镜连接，用于根据太阳光照射角度调整所述聚光镜的角度，实现集热器单元对太阳的实时跟踪。
在本公开的一些实施例中，所述集热器单元还包括：集热器支架，与所述跟踪驱动部件连接，用于支撑所述聚光镜。
在本公开的一些实施例中，其中：所述内管为金属管；所述透明管为透明玻璃管。
在本公开的一些实施例中，所述内管和所述镀膜吸收管两端同轴设置有波纹管，减小所述透明管、镀膜吸收管、金属内管受热形变产生的热应力；其中，所述内管和所述镀膜吸收管两端连接的波纹管伸出所述透明管外部；或所述镀膜吸收管两端连接的波纹管设置在所述玻璃管的内部；或所述内管和所述镀膜吸收管两端布置的波纹管均设置在所述玻璃管的内部。
根据本公开的另一个方面，还提供一种太阳能热化学吸收反应系统，包括：本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置；反应物质流路，与所述催化剂床层连通，用于输送反应工质以及反应后的混合物；传热介质回路，与所述内管连接，用于输送、储存传热介质；以及外部热源，与所述传热介质回路连接，用于加热传热介质；其中，当太阳辐照超过设计辐照时，反应工质进入催化剂床层发生热化学反应，生成合成气，传热介质由传热介质回路流经内管吸收过量的太阳能热量，并对太阳能热量进行储存；当太阳辐照低于设计辐照时，集热器单元聚焦太阳热能，同时传热介质吸收外部热源的热量，或传热介质回路释放储存的热量，传热介质进入内管释放热量，辅助驱动热化学反应进行；当太阳辐照为零时，传热介质吸收外部热源的热量，或传热介质回路释放储存的热量，传热介质进入内管释放热量，独立驱动热化学反应进行。
在本公开的一些实施例中，其中：所述传热介质回路包括：储热单元，用于储存高温传热介质；所述外部热源包括：动力余热、工业废热和/或补燃供热。
在本公开的一些实施例中，该太阳能热化学吸收反应系统还包括：反应工质预热器，分别与所述镀膜吸收管的出口和入口连接，利用反应后从所述镀膜吸收管的出口排出的混合物预热反应工质。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置及系统具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)内管通过储存、释放热能以调节热化学反应层(即催化剂床层)沿程温度，减小了催化剂床层沿程温度的变化，有利于催化剂床层温度在套管轴向方向更加均匀分布，催化剂床层温度的均匀分布，有利于提升催化剂的利用效率，提升反应装置热化学转化性能，提升太阳能热化学吸收/反应装置对太阳能的利用效率；
(2)通过内管中的传热介质沿程吸收/释放热量的调节，有利于催化剂床层温度的均匀分布，减小了集热管单元的热应力，提升了集热管单元的工作寿命；
(3)采用所述太阳能热化学吸收反应装置，实现太阳能与外部热源(动力余热、工业废热及补燃装置)的一体化集成利用，通过热化学互补利用，实现了太阳能与外部热量的高效利用；
(4)当太阳辐照高于设计辐照时，太阳能一部分用于驱动热化学转化过程，其余的太阳能将以内管中传热介质的显热进行储存。当太阳辐照较低时，投入到太阳能热化学吸收/反应装置的太阳能较少，内管中传热介质将会释放所储存的热量或者外部输热的热量以驱动太阳能热化学转化过程，通过内管与热化学反应层(即催化剂床层)的相互作用，实现了太阳能及外部热量的高效利用；
(5)采用一体化的结构形式(直接加热式)，本公开提供的太阳能热化学吸收/反应装置既是太阳能的吸收器，又是热化学转化过程的反应器，与分体式(间接加热式)相比，一体化结构具有响应快、换热部件少、结构紧凑和热损失少等优点；
(6)通过在内管和镀膜吸收管两端同轴设置波纹管，能够缓解内管和镀膜吸收管受热膨胀后对相邻管路之间的挤压，进一步延长太阳能热化学吸收反应装置的使用寿命。
附图说明
图1为本实施例提供的太阳能热化学吸收反应装置的结构示意图。
图2为图1所示太阳能热化学吸收反应装置中集热管单元的结构示意图。
图3为图2中所示集热管单元的剖视示意图。
图4为图3中所示集热管单元的剖视局部放大示意图。
图5为本公开实施例太阳能热化学吸收反应系统的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-太阳能热化学吸收反应装置；
110-集热管单元；
111-内管； 112-镀膜吸收管；
113-透明管； 114-催化剂床层；
115-内管支撑环； 116-封头；
117-真空隔热层； 118-波纹管；
120-集热器单元；
121-聚光镜； 122-集热管支架；
123-跟踪驱动部件； 124-集热器支架
200-反应物质流路；
210-反应工质预热器；
300-传热介质回路；
310-储热单元；
400-外部热源。
具体实施方式
本公开实施例提供的太阳能热化学吸收反应装置及系统中，通过内管中的传热介质沿程吸收/释放热量的调节，有利于催化剂床层温度的均匀分布，减小了太阳能热化学转化单元的热应力，提升了太阳能转化单元的工作寿命。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
图1为本实施例提供的太阳能热化学吸收反应装置的结构示意图。
根据本公开的一个方面，提供一种太阳能热化学吸收反应装置，如图1所示，包括：集热管单元110，利用太阳能催化反应生成合成气；以及集热器单元120，用于汇聚太阳光至集热管单元110上。
图2为图1所示太阳能热化学吸收反应装置中集热管单元的结构示意图。图3为图2中所示集热管单元的剖视示意图。图4为图3中所示集热管单元的剖视局部放大示意图。
在本公开的一些实施例中，如图2至图4所示，集热管单元110包括：内管111，用于传热介质流动，从催化剂床层114的内部与其进行热交换；镀膜吸收管112，套设在内管111外侧，其与内管111之间设置有催化剂床层114，该催化剂床层114用于促进反应工质吸收聚焦的太阳热能催化反应生成合成气；以及透明管113，套设在镀膜吸收管112外侧，其与镀膜吸收管112之间形成真空隔热层117，用于透过太阳光并减小集热管单元的散热损失，通过内管111中的传热介质沿程吸收/释放热量的调节，有利于催化剂床层114温度的均匀分布，减小了集热管单元110的热应力，提升了集热管单元110的工作寿命.
当太阳辐照高于设计辐照时，太阳能一部分用于驱动热化学转化过程，其余的太阳能将以内管111中传热介质的显热进行储存。当太阳辐照较低时，投入到太阳能热化学吸收/反应装置的太阳能较少，传热介质所吸收外部热源的热量或所储存的热量在内管111内进行释放以辅助驱动太阳能热化学转化过程，通过内管111与热化学反应层(即催化剂床层114)的相互作用，实现了太阳能的高效利用。当太阳辐照为零时，传热介质所吸收外部热源的热量或所储存的热量在内管111内进行释放以独立驱动太阳能热化学转化过程。
传热介质流经内管111通过储存、释放太阳能、传输外部热源(动力余热、工业废热及补燃装置)热量，以调节热化学反应层(即催化剂床层114)沿程温度，减小了催化剂床层114沿程温度的变化，有利于催化剂床层114温度在套管轴向方向更加均匀分布，催化剂床层114温度的均匀分布，有利于提升催化剂的利用效率，提升反应装置热化学转化性能，提升太阳能热化学吸收/反应装置对太阳能的利用效率。同时，实现了太阳能与外部热源的一体化集成互补高效利用。
本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置采用一体化的结构形式(直接加热式)，既是太阳能的吸收器，又是热化学转化过程的反应器，与分体式(间接加热式)相比，一体化结构具有响应快、换热部件少、结构紧凑和热损失少等优点。
在本公开的一些实施例中，镀膜吸收管112的两端设置有内管支撑环115，内管支撑环115用于支撑镀膜吸收管112，使镀膜吸收管112与内管111之间形成用于填放催化剂床层114的环形空间。
在本公开的一些实施例中，透明管113的两端设置有封头116，封头116与透明管113共同围成真空隔热层117。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，集热器单元120包括：聚光镜121，其横截面呈抛物线形，内管111、镀膜吸收管112和透明管113同轴设置且通过集热管支架122固定于聚光镜121的焦线上，该聚光镜121用于汇聚太阳光。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，集热器单元120还包括：跟踪驱动部件123，与聚光镜121连接，用于根据太阳光照射角度调整聚光镜121的角度，实现集热器单元120对太阳的实时跟踪。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，集热器单元120还包括：集热器支架124，与跟踪驱动部件123连接，用于支撑聚光镜121。
在本公开的一些实施例中，其中，内管111为金属管，金属管具有良好的导热性能，更利于传热介质与催化剂床层114之间进行热交换。
在本公开的一些实施例中，透明管113为透明玻璃管。
在本公开的一些实施例中，内管111和镀膜吸收管112两端同轴设置有波纹管118，通过在内管111和镀膜吸收管112两端同轴设置波纹管118，能够缓解内管111和镀膜吸收管112受热膨胀后对相邻管路之间的挤压，进一步延长太阳能热化学吸收反应装置的使用寿命。
其中，内管111和镀膜吸收管112两端连接的波纹管118伸出透明管113外部；或镀膜吸收管112两端连接的波纹管118设置在玻璃管113的内部；或内管111和镀膜吸收管112两端布置的波纹管118均设置在玻璃管113的内部。
图5为本公开实施例太阳能热化学吸收反应系统的结构示意图
根据本公开的另一个方面，如图5所示，提供一种太阳能热化学吸收反应系统，包括：本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置100；反应物质流路200，与催化剂床层114连通，用于输送反应工质以及反应后的混合物；传热介质回路300，与内管111连接，用于输送、储存传热介质；以及外部热源400，与传热介质回路300连接，用于加热传热介质。
其中，当太阳辐照超过设计辐照时，反应工质进入催化剂床层114发生热化学反应，生成合成气，传热介质由传热介质回路300流经内管111吸收过量的太阳能热量，并对太阳能热量进行储存。
当太阳辐照低于设计辐照时，集热器单元120聚焦太阳热能，同时传热介质吸收外部热源400的热量，或传热介质回路300释放储存的热量，传热介质进入内管111释放热量，辅助驱动热化学反应进行。
当太阳辐照为零时，传热介质吸收外部热源400的热量，或传热介质回路300释放储存的热量，传热介质进入内管111释放热量，独立驱动热化学反应进行。
在本公开的一些实施例中，如图5所示，传热介质回路300包括：储热单元310，用于储存高温传热介质，进而储存过量的太阳能热量，从而在太阳辐照低于设计辐照或太阳辐照为零时释放储存的太阳能热量(即通过太阳能热量加热的传热介质)辅助或独立驱动热化学反应的进行。
外部热源400包括：动力余热、工业废热和/或补燃供热。
在本公开的一些实施例中，如图5所示，该太阳能热化学吸收反应系统还包括：反应工质预热器210，分别与镀膜吸收管112的出口和入口连接，利用反应后从镀膜吸收管112的出口排出的混合物预热反应工质。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。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。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置及系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的太阳能热化学吸收反应装置及系统通过设置内管并通入传热介质，实现催化剂床层轴向温度的均匀分布，并且提高变辐照强度下反应装置对太阳能的利用效率。
还需要说明的是，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，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能热化学吸收反应装置，包括：
集热管单元，利用太阳能催化反应生成合成气，包括：
内管，用于传热介质流动，从催化剂床层的内部与其进行热交换；
镀膜吸收管，套设在所述内管外侧，其与所述内管之间设置有所述催化剂床层，该催化剂床层用于促进反应工质吸收聚焦的太阳热能催化反应生成合成气；以及
透明管，套设在所述镀膜吸收管外侧，其与所述镀膜吸收管之间形成真空隔热层，用于透过太阳光并减小集热管单元的散热损失；以及
集热器单元，用于汇聚太阳光至所述集热管单元上。
2.根据权利要求1所述的太阳能热化学吸收反应装置，其中：
所述镀膜吸收管的两端设置有内管支撑环，所述内管支撑环用于支撑所述镀膜吸收管，使所述镀膜吸收管与所述内管之间形成用于填放所述催化剂床层的环形空间；
所述透明管的两端设置有封头，所述封头与所述透明管共同围成所述真空隔热层。
3.根据权利要求1所述的太阳能热化学吸收反应装置，所述集热器单元包括：
聚光镜，其横截面呈抛物线形，所述内管、所述镀膜吸收管和所述透明管同轴设置且通过集热管支架固定于所述聚光镜的焦线上，该聚光镜用于汇聚太阳光。
4.根据权利要求3所述的太阳能热化学吸收反应装置，所述集热器单元还包括：跟踪驱动部件，与所述聚光镜连接，用于根据太阳光照射角度调整所述聚光镜的角度，实现集热器单元对太阳的实时跟踪。
5.根据权利要求4所述的太阳能热化学吸收反应装置，所述集热器单元还包括：集热器支架，与所述跟踪驱动部件连接，用于支撑所述聚光镜。
6.根据权利要求1所述的太阳能热化学吸收反应装置，其中：
所述内管为金属管；
所述透明管为透明玻璃管。
7.根据权利要求1所述的太阳能热化学吸收反应装置，所述内管和所述镀膜吸收管两端同轴设置有波纹管，减小所述透明管、镀膜吸收管、金属内管受热形变产生的热应力；
其中，所述内管和所述镀膜吸收管两端连接的波纹管伸出所述透明管外部；或
所述镀膜吸收管两端连接的波纹管设置在所述透明管的内部；或
所述内管和所述镀膜吸收管两端布置的波纹管均设置在所述玻璃管的内部。
8.一种太阳能热化学吸收反应系统，包括：
如上述权利要求1至7中任一项所述的太阳能热化学吸收反应装置；
反应物质流路，与所述催化剂床层连通，用于输送反应工质以及反应后的混合物；
传热介质回路，与所述内管连接，用于输送、储存传热介质；以及
外部热源，与所述传热介质回路连接，用于加热传热介质；
其中，当太阳辐照超过设计辐照时，反应工质进入催化剂床层发生热化学反应，生成合成气，传热介质由传热介质回路流经内管吸收过量的太阳能热量，并对太阳能热量进行储存；
当太阳辐照低于设计辐照时，集热器单元聚焦太阳热能，同时传热介质吸收外部热源的热量，或传热介质回路释放储存的热量，传热介质进入内管释放热量，辅助驱动热化学反应进行；
当太阳辐照为零时，传热介质吸收外部热源的热量，或传热介质回路释放储存的热量，传热介质进入内管释放热量，独立驱动热化学反应进行。
9.根据权利要求8所述的太阳能热化学吸收反应系统，其中：
所述传热介质回路包括：储热单元，用于储存高温传热介质；
所述外部热源包括：动力余热、工业废热和/或补燃供热。
10.根据权利要求8所述的太阳能热化学吸收反应系统，该太阳能热化学吸收反应系统还包括：
反应工质预热器，分别与所述镀膜吸收管的出口和入口连接，利用反应后从所述镀膜吸收管的出口排出的混合物预热反应工质。
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