CN108759119B - 太阳能梯级储能装置 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能梯级储能装置，包括：依次叠加的N个光化学反应器，所述N个光化学反应器中有不同的的光化学反应物，分别吸收太阳光中不同波长的光子，反应生成光化学反应生成物，将这部分光子储存在化学键中，其中N≥1。本发明的太阳能梯级储能装置通过吸收不同频率光子的光化学分子异构反应之间的重叠，弥补了单一光化学储能只能利用特定频率光子的不足，充分挖掘了太阳能的储能能力，实现了太阳能的全光谱储能。
Description
技术领域
本发明属于太阳能储热技术领域，具体涉及一种太阳能梯级储能装置。
背景技术
由于太阳辐照的波动性和用户侧能源消费的随机性，太阳能的利用常 与储能结合起来，目前全球储热装机总量高达3.05GW。根据储热原理不 同，分为显热储热、潜热储热和化学储热等。化学储能因为储能密度大、 热损失小、可实现远距离储能而受到研究者的亲睐，包括热化学储能和光 化学储能。
太阳能光化学反应包含双分子加成反应和单分子光致异构反应，单分 子异构反应又包括几何异构和价键异构化两种。光致异构化反应过程是一 个闭环系统，储能和放能过程没有其它反应物或产物的进出，对环境没有 影响。光致异构化反应通常为在特定波长照射，内部分子结构会由于光波 的激发而发生改变，低能量稳定态的化合物A将转化为高能量、亚稳态的 同分异构体B，同时将能量储存在化学键中。需要的时候通过提供少量的热能、催化剂作用或者另一种波长的光照射，产物B再发生逆反应再生成 化合物A，储存的光能将以热能的形式释放出来。
太阳能热化学储能将太阳光子转化为热能，提供吸热反应的反应热， 使反应物发生分解或重整反应，从而能将低品位、不稳定、不连续的太阳 能转化为化学能储存起来。
然而单一的太阳能光化学储能通常只能利用特定波长范围内的的光 子，其他光子转化为热能，既造成了能量的浪费，温度升高还会加剧逆反 应的发生，使反应转化率低，量子产率低。单一的太阳能热化学储能将所 有光子先转化为热能，提供吸热反应的反应热，再将热能转化为化学能， 可见光和红外光起主要作用，能量高的紫外区域的光子并没有得到充分利 用，造成了较大的可用能损失。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能梯级储能装 置，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种太阳能梯级储能装置，包括：依次叠加的N个光化学反应器，所 述N个光化学反应器中有不同的的光化学反应物，分别吸收太阳光中不同 波长的光子，反应生成光化学反应生成物，将这部分光子储存在化学键中， 其中N≥1。
进一步地，所述太阳能梯级储能装置还包括聚光系统，用于提高太阳 光的能量密度。
进一步地，所述聚光系统为菲涅尔透镜、抛物槽式太阳能聚光集热器、 复合抛物面聚光集热器、塔式太阳能聚光集热器或碟式太阳能聚光集热器。
进一步地，所述太阳能梯级储能装置还包括热化学反应器，所述热化 学反应器中有热化学反应物，所述N个光化学反应器吸收后剩余的太阳光 透射到所述热化学反应器中转化为热量，所述热化学反应器中的热化学反 应物吸收热量，反应生成热化学生成物，将剩余的太阳能量以化学能的形 式储存起来。
进一步地，所述太阳能储能装置还包括水加热器，所述水加热器中有 水，所述N个光化学反应器吸收后剩余的太阳光透射到水加热器转化为热 量，所述水加热器中的水吸收热量后温度升高，将剩余的太阳能量以显热 的形式储存起来。
进一步地，所述光化学反应物为降冰片二烯及其衍生物、偶氮苯及其 衍生物、富瓦烯金属化合物或偶氮苯纳米管。
进一步地，所述热化学反应物为经过预热或不经过预热的甲烷水蒸气、 甲烷与二氧化碳的混合物、甲醇与水的混合物或二甲醚。
进一步地，所述热化学反应器中的反应温度的控制通过调节聚光系统 的聚光比实现。
进一步地，所述光化学反应器前面安装有光谱过滤器，减少导致光化 学逆反应发生的光线。
进一步地，所述光化学反应物溶于苯中，由泵送至光化学反应器；热 化学反应物常温下为液体，由泵送至热化学反应器。
从上述技术方案可以看出，本发明的太阳能梯级储能装置至少具有以 下有益效果其中之一：
(1)通过吸收不同频率光子的光化学分子异构反应之间的重叠，弥 补了单一光化学储能只能利用特定频率光子的不足，提高了量子利用效率， 充分挖掘了太阳能的储能能力；
(2)将太阳能光化学与热化学储能结合，太阳能首先经过光化学反 应器，紫外区域和部分可见光区域致使化合物发生光异构反应，将光能直 接储存于化学键中，剩余部分才进入热化学反应器中转化为热能，这样就 避免了将高能量的紫外部分光子直接转化为低品位的热能再加以利用，提 高了紫外区域光子的利用效率；
(3)通过反应物吸收太阳光子发生同分异构反应生成产物，当产物 经过催化剂作用或者加热时，产物发生逆反应生成反应物，反应物再进行 下一次循环。该储能方式是一个闭环系统，储能和放能过程没有其他物质 如O2参与，没有CO2产生，没有大气污染，有望成为独立于电网的便捷 式太阳能储能方式；
(4)利用光化学反应物中生色团对光谱的选择，不借助于分光镜和 加涂层的光线分频器，减少了太阳光能量的损失。
附图说明
图1为本发明实施例1中太阳能梯级储能装置的示意图；
图2为本发明实施例2中不同波长光化学和水加热器结合的闭环式储 能装置的示意图。
【附图中本发明实施例主要元件符号说明】
10-聚光装置 11-光化学反应器
12-热化学反应器 1A、2A、2C-光化学反应物
1B、2B、2D-光化学储能生成物 1C-热化学反应物
1D-热化学生成物 21-光化学反应器
22-光化学反应器 23-水加热器
2E-低温水 2F-高温水
具体实施方式
本发明提供了一种太阳能梯级储能装置，包括：依次叠加的N个光化 学反应器，所述N个光化学反应器中有不同的的光化学反应物，分别吸收 太阳光中不同波长的光子，反应生成光化学反应生成物，将这部分光子储 存在化学键中，其中N≥1。本发明的太阳能梯级储能装置通过吸收不同 频率光子的光化学分子异构反应之间的重叠，弥补了单一光化学储能只能 利用特定频率光子的不足，充分挖掘了太阳能的储能能力，实现了太阳能 的全光谱储能。
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。
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种太阳能梯级储能装置。 图1为本发明一实施例太阳能梯级储能装置的结构示意图。如图1所示， 本发明太阳能梯级储能装置自上而下包括：聚光系统10，其用于提高太阳 光的能量密度；光化学反应器11，其中的光化学反应物1A吸收太阳光紫 外区域的能量反应生成光化学储能生成物1B，将这部分光子储存在化学 键中；以及热化学反应器12，光化学反应器11吸收后剩余的太阳光透射 到热化学反应器12转化为热量，提供热化学反应反应热，热化学反应器 12中的热化学反应物1C反应生成热化学生成物1D，将剩余可见光和红 外光部分太阳能量以化学能的形式储存起来。
以下分别对本实施例太阳能梯级储能装置的各个组成部分进行详细 描述。
本实施例中聚光系统10为一种线聚焦的菲涅尔透镜。本发明中，聚 焦系统还可以是抛物槽式太阳能聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、塔 式太阳能聚光集热器或碟式太阳能聚光集热器。
本发明可以根据需要叠加N个光化学反应器，其中N≥1。
本实施例中，光化学反应物1A为降冰片二烯及其衍生物、偶氮苯及 其衍生物、富瓦烯金属化合物或偶氮苯纳米管。
太阳能经过光反应器，部分波长光子(如213nm、236nm)致使光化 学反应物1A(如降冰片二烯衍生物)，发生碳碳双键(C＝C)和碳碳单键(C-C)的协同转换(也称电环化转化)，生成产物1B(如四环庚烷衍生 物)，从而将这部分能量储存在化学键中，剩余部分的能量(如可见光和 红外线区域)透射到热反应器。放能过程，只需对1B(如四环庚烷衍生 物)提供少量的热量或者催化作用提供必要活化能，1B(如四环庚烷衍生 物)便会自动发生逆反应过程生成1A(如降冰片二烯衍生物)，从而放出 大量热量。本实施例采用降冰片二烯衍生物作为光化学反应反应物，发生 的碳碳双键(C＝C)和碳碳单键(C-C)的协同转换，其他可以发生光致 异构化的反应，包括几何异构和分子异构反应，如碳碳双键(C＝C)和氮 氮双键(N＝N)的反顺异构化，以及某些有机金属光致变色化合物都可以 采用，例如降冰片二烯衍生物、偶氮苯及其衍生物、富瓦烯金属化合物等 都可以应用于光化学反应器中。
本发明中，光化学反应利用光化学反应物1A利用自身生色团实现对 光谱进行选择性利用，还可以添加分光镜和选择性涂层的光线分频器对光 谱进行选择利用。
本实施例中热化学反应物1C为甲烷水蒸气、甲烷与二氧化碳、二甲 醚或甲醇和水。热化学反应物1C根据反应需要经过预热或不经过预热。 光反应器11中光化学反应吸收后剩余部分光子(如可见光和红外线区域) 在热反应器12中转化为热量，1C(如甲醇)吸收热量发生分解反应生成 1D(如合成气CO和H2)，太阳能剩余部分能量储存在1D(如合成气CO和H2)的化学能中。
本实施例采用甲醇裂解反应作为热化学储能过程，温度优选为 150～300℃，事实上，根据调节聚光系统10聚光比，热化学反应器12中 的反应温度可以调节，太阳能高温和中低温热化学都可以实现，如甲烷水 蒸气重整、甲烷与二氧化碳重整、二甲醚裂解、甲醇和水重整灯均可以应 用到热化学反应器12中。
至此，本发明第一实施例太阳能梯级储能装置介绍完毕。
在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种不同波长光化学和水 加热器结合的闭环式储能装置。图2为不同波长光化学和水加热器结合的 闭环式储能装置的结构示意图。如图2所示，本发明不同波长光化学和水 加热器结合的闭环式储能装置包括：光化学反应器21，其中的光化学反应 物2A吸收太阳光中部分波长光子反应生成光化学储能生成物2B，将这部 分光子储存在化学键中；光化学反应器22，其中的光化学反应物2C吸收 太阳光中另一部分波长光子反应生成光化学储能生成物2D，将这部分光 子储存在化学键中；以及水加热器23，其中装有水，剩余的太阳光透射到 水加热器23使水的温度升高，将剩余的太阳能量以热量的形式储存起来。
以下分别对本实施例不同波长光化学和水加热器结合的闭环式储能 装置的各个组成部分进行详细描述。
光化学反应器21、光化学反应器22根据特定的光化学反应物2A和 2C设计。光化学反应中，不同的生色团吸收不同波长光子，反应物2A和 2C直接对光谱进行选择性利用。但本发明并不以此为限，光化学反应器 21、光化学反应器22可以加涂层或者特殊的光学元件。
当太阳光照射到光反应器21时，反应物2A(如偶氮苯)吸收部分波 长的光子(如紫外线区域)发生光化学反应，生成同分异构体2B。光化 学反应器21中透射出来的光线进入光化学反应器22中，反应物2C(如 偶氮苯衍生物)吸收另一种波长的光子(可见光)生成同分异构体2D。 释放能量时，只需提供少许热量作为活化能，或者其他催化作用，生成物 2C和2D就能发生逆反应生成2A和2B，同时释放大量的热能。本实施例 对太阳能可见光部分和紫外光部分进行了高效利用，而这两部分占有太阳 光谱57％的能量。剩余部分太阳热能进入水加热器23中，以显热的形式 储存起来。
本实施例只叠加了两个光化学反应器，但本发明并不局限于此，可以
根据需要叠加N个光化学反应器，其中N≥2，对太阳能进行更加充 分储存。
本实施例不同波长光化学和水加热器结合的闭环式储能装置采用非 聚光式，但本发明并不以此为限。本实施例依然可以采用聚光式，聚集太 阳能再入射到光化学反应器。太阳能聚集方式包括菲涅尔镜、抛物槽式太 阳能聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、塔式太阳能聚光集热器、碟式 太阳能聚光集热器等聚集系统。
本实施例光化学反应物采用偶氮苯及其衍生物，本发明光化学反应物 还可以为降冰片二烯及其衍生物、六苯甲基、富瓦烯金属化合物或纳米结 构光催化剂。
本发明中，某些波长的光线会导致逆反应发生，生成物2B、2D发生 逆反应回到反应物2A和2B，可以在光反应器21或光反应器22前面加上 光谱过滤器，过滤掉导致光化学逆反应的光线。
释放能量的过程没有其它物质参与，是一个闭环式的储能系统。将逆 反应放出的热发电，有望成为独立于电网的便捷式电能。也可以在冬天白 天光照充足的时候储能，晚上为用户供热。
需要说明的是，该光化学反应器包括各种形状，各种尺度，如果将该 吸收不同波长光化学结合的储能装置做成多层膜结构，可以应用于放在车 辆前面玻璃上，白天吸收太阳能，晚上提供少量热促使逆反应发生放出大 量热可以融化玻璃上的霜花。
至此，本发明第二实施例不同波长光化学和水加热器结合的闭环式储 能装置介绍完毕。
综上所述，本发明提供了一种太阳能梯级储能装置，包括：依次叠加 的N个光化学反应器，所述N个光化学反应器中有不同的的光化学反应 物，分别吸收太阳光中不同波长的光子，反应生成光化学反应生成物，将 这部分光子储存在化学键中，其中N≥1。本发明的太阳能梯级储能装置 通过吸收不同频率光子的光化学分子异构反应之间的重叠，弥补了单一光 化学储能只能利用特定频率光子的不足，充分挖掘了太阳能的储能能力， 实现了太阳能的全光谱储能。
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 (8)
1.一种太阳能梯级储能装置，其特征在于，包括：
依次叠加的N个光化学反应器，所述N个光化学反应器中有不同的光化学反应物，分别吸收太阳光中不同波长的光子，反应生成光化学反应生成物，将这部分光子储存在化学键中，其中N≥1；
其中，所述太阳能梯级储能装置还包括热化学反应器，所述热化学反应器中有热化学反应物，所述N个光化学反应器吸收后剩余的太阳光透射到所述热化学反应器中转化为热量，所述热化学反应器中的热化学反应物吸收热量，反应生成热化学生成物，将剩余的太阳能量以化学能的形式储存起来；
或者，
所述太阳能储能装置还包括水加热器，所述水加热器中有水，所述N个光化学反应器吸收后剩余的太阳光透射到水加热器转化为热量，所述水加热器中的水吸收热量后温度升高，将剩余的太阳能量以显热的形式储存起来。
2.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述太阳能梯级储能装置还包括聚光系统，用于提高太阳光的能量密度。
3.根据权利要求2所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述聚光系统为菲涅尔透镜、抛物槽式太阳能聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、塔式太阳能聚光集热器或碟式太阳能聚光集热器。
4.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述光化学反应物为降冰片二烯及其衍生物、偶氮苯及其衍生物、富瓦烯金属化合物或偶氮苯纳米管。
5.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述热化学反应物为经过预热或不经过预热的甲烷水蒸气、甲烷与二氧化碳的混合物、甲醇与水的混合物或二甲醚。
6.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述热化学反应器中的反应温度的控制通过调节聚光系统的聚光比实现。
7.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述光化学反应器前面安装有光谱过滤器，减少导致光化学逆反应发生的光线。
8.根据权利要求1所述的太阳能梯级储能装置，其特征在于，所述光化学反应物溶于苯中，由泵送至光化学反应器；热化学反应物常温下为液体，由泵送至热化学反应器。
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