CN108917215A - 太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法 - Google Patents

太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法 Download PDF

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CN108917215A CN201710259585.2A CN201710259585A CN108917215A CN 108917215 A CN108917215 A CN 108917215A CN 201710259585 A CN201710259585 A CN 201710259585A CN 108917215 A CN108917215 A CN 108917215A
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方娟
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Abstract

本发明公开了一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，该装置包括：原料预处理单元、二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应单元、检测与控制系统、产物分离及储存单元与发电动力单元五部分。本发明采用二维跟踪太阳的形式聚焦太阳能以驱动燃料热化学转化，利用热化学转化生成的合成气燃料驱动动力发电设备作功，通过调整圆形或近圆形的太阳能吸收/反应器阵列中各抛物型槽式太阳能吸收/反应器的倾角和方位角，实现其对太阳的二维跟踪，有效避免了太阳能余弦损失、提升了太阳能的利用效率以及减小了太阳能集热镜场的面积，同时，通过聚光太阳能驱动热化学反应，提升了太阳热能的品位，进一步提升了太阳能净发电效率。

Description

太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法。
背景技术
太阳能取之不尽、用之不竭，地球每年接收到太阳总量达1×1012GWh，相当于燃烧1.3×106吨标煤，约为世界年总能耗的一万余倍。我国是太阳能资源丰富的国家之一，年均日太阳辐照量为180W/m2，整体呈现出西高东低的分布趋势，尤其是在西藏、青海和新疆等西部地区，年日均时间维持在3000h以上，具有优良的太阳能资源开发利用的条件，年总辐射量超过1800kW·h/m2。我国年太阳能辐射值约为1050～2450kW·h/m2，年均辐照大于1050kW·h/m2占国土面积的96％以上，年均辐照高于1750kW·h/m2约占22.8％以上。我国整体范围内优良的太阳能资源，为大力推进太阳能资源开发利用奠定了资源基础。
现阶段主要通过光伏、光热及热化学的形式对太阳能进行利用。太阳能光热利用形式中，常见的太阳能聚光集热器主要有：抛物槽式太阳能集热器、线性菲涅尔集热器、塔式集热器以及碟式集热器。太阳能光热利用是指将所聚焦的太阳热能加热循环工质通过动力循环输出电功。太阳能热化学利用技术通过太阳能作为反应过程的热量，驱动吸热的化学反应，将所聚焦的太阳热能转化并储存在燃料的化学能中，进而将太阳能以燃料化学能的形式释放作功。在太阳能热化学转化中主要有太阳能光解水、煤气化技术、甲烷干/湿重整技术、甲醇重整技术、甲醇分解技术以及其他有机燃料的热化学转化技术等。国际能源署(IEA)将太阳能热化学互补利用作为太阳能利用重要的的技术路线之一。针对上述太阳能热化学利用技术的多类燃料转化装置已投入运行。例如：澳大利亚建立了世界上首台50MW级太阳能驱动的天然气湿重整装置。
由于抛物型槽式太阳能集热器结构简单、技术成熟，广泛应用在太阳能光热、太阳能热化学利用技术方面。常见的槽式太阳能集热装置单个回路较长，通常采用一维方式跟踪太阳，即调节太阳能集热器倾角将太阳光线经反射汇聚到集热管上。但是，由于全年范围内太阳方位角随时间在不断变化，使得太阳光线与抛物型镜面法线之间存在夹角。由于该夹角的存在，使得太阳能发生余弦损失，造成了集热器光学效率的下降。例如在北纬30°附近东西方向布置的槽式太阳能集热装置，由于余弦损失导致的太阳能损失在冬季达到50％以上，严重影响了太阳能的利用效率，降低了太阳能利用装置年均的利用性能，使得传统槽式太阳能发电效率受季节变化影响明显。如何减少太阳能利用装置的余弦损失对提升太阳能利用效率具有重要的意义，是提升太阳能利用装置运行性能及经济性的重要途径。
另外，基于槽式太阳能集热器聚光特性，其所聚焦的中低温太阳热能可以驱动中低温热化学转化。通过中低温太阳能热化学燃料转化，可以将低品位的太阳热能以燃料化学能形式进行储存并利用，提升了太阳热能的品位，实现了太阳能利用效率的提升。太阳能与燃料热化学互补的利用技术，具有所需太阳能集热镜场面积相对较小的优点。因此，针对其所需抛物槽式集热镜场采用二维跟踪模式具有较强的可实施性。为此，采用二维跟踪模式的太阳能热化学发电装置，一方面消除了太阳能余弦损失，提升了装置的太阳能利用性能，进一步减小了集热镜场的面积；一方面实现了太阳能热化学反应单元的集成，将低品位太阳热能转化为高品位的燃料化学能，提升了太阳能的利用性能，进而提高了装置的太阳能净发电效率，实现了太阳能的高效利用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置及方法，用以消除太阳能余弦损失，提升太阳能光学利用效率，提升装置的太阳能净发电效率，改善太阳能发电装置的经济性及运行稳定性，减小集热镜场占地面积。
(二)技术方案
本发明提供一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，包括二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元20和动力发电单元60，其中：
二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元20，用于调节圆形或近圆形太阳能热化学吸收/反应阵列30A的倾角和方位角，实现太阳能热化学吸收/反应阵列30A的二维旋转，使投射到抛物型槽式聚光镜31的太阳光线汇聚至太阳能集热管32，进而吸收所聚焦的太阳热能以驱动经预处理之后的原料工质(S2)在填充于太阳能集热管32内的催化剂38作用下发生热化学反应，生成混合气产物S3；
动力发电单元60，用于在对混合气产物S3进行冷却分离后得到的合成气燃料(S6)的驱动下进行发电。
其中，所述二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元20包括：
由多组太阳能吸收/反应器30以一定行间距构成的圆形或近圆形太阳能热化学吸收/反应阵列30A；以及
集热镜场底部旋转平台20A，太阳能热化学吸收/反应阵列30A安装于集热镜场底部旋转平台20A上；
其中，每个太阳能吸收/反应器30包括多个太阳能集热管32。
其中，集热镜场底部旋转平台20A包括：旋转轨道21、底部平台支架22、底部旋转驱动装置23、分气缸24、合气缸24’和流量控制阀25；
所述太阳能吸收/反应器阵列30A包括多组太阳能吸收/反应器30，以固定行间距排列，组成圆形或近圆形太阳能吸收/反应器阵列30A，并安装于集热镜场底部旋转平台20A的底部平台支架22上；
旋转轨道21固定于水平面上，与安装于其上方的底部平台支架22通过滚轮装置与其进行连接，实现底部平台支架22在旋转轨道21上的旋转工作；底部旋转驱动装置23位于底部平台支架22的中心，供电后驱动底部平台支架22旋转；太阳能热化学吸收/反应阵列30A进出口总管路上分别安装分气缸24和合气缸24’，各太阳能吸收/反应器30进口管路上分别安装流量控制阀25以调节进入其的原料工质流量。
其中，所述的太阳能吸收/反应器30包括抛物型槽式聚光镜31、太阳能集热管32、集热管支架33、聚光镜支架34、集热器倾角旋转轴35、集热器支架36、集热器倾角旋转驱动机构37和催化剂38；
集热器倾角旋转轴35被位于其两端的集热器支架36支撑并固定于底部平台支架22上，集热器倾角旋转轴35两侧均匀布置多具聚光镜支架34，聚光镜支架34用以支撑和固定抛物型槽式聚光镜31；
太阳能集热管32内部填充有催化剂38，太阳能集热管32通过多支固定在集热器倾角旋转轴35的集热管支架33进行支撑和固定，其中，每一根太阳能集热管32的两端均与集热管支架33进行连接；
集热器倾角旋转轴35为旋转构件，在集热器倾角旋转驱动机构37的驱动下，集热器倾角旋转轴35能够进行旋转，实现太阳能吸收/反应器30倾角的调节；
各太阳能吸收/反应器30进口管路上分别安装流量控制阀25以调节进入其的原料工质流量；
太阳光线经由抛物型槽式聚光镜31反射汇聚到太阳能集热管32，将聚焦的太阳热能传递到太阳能集热管32内部催化剂38床层，预处理之后的原料工质S2在催化剂38作用下吸收所聚焦的太阳热能，发生热化学反应生产混合气产物S3。
其中，所述太阳能吸收/反应器阵列30A包括多组太阳能吸收/反应器30，以固定行间距排列，组成圆形或近圆形太阳能吸收/反应器阵列30A，并安装于集热镜场底部旋转平台20A的底部平台支架22上，中间排太阳能热化学吸收/反应器30位于旋转轨道21直径位置，其余太阳能吸收/反应器30按照一定行间距平行布置于旋转轨道21弦上，从中间排到边缘排太阳能热化学吸收/反应器30数量逐渐减少，整体组成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列30A。
其中，该发电装置还包括检测与控制系统40，用于检测及调节太阳能热化学吸收/反应阵列30A的方位角及倾角，以实现各太阳能吸收/反应器30对太阳的二维跟踪；
该检测与控制系统40包括：倾角检测器41、方位角检测器42和分析与反馈终端43，其中：
所述倾角检测器41，置于集热器倾角旋转驱动机构37上，实时检测太阳能吸收/反应器30的倾角，并将检测结果输入分析与反馈终端43；
所述方位角检测器42，置于底部旋转驱动装置23上，实时检测太阳能吸收/反应器30的方位角，并将检测结果输入分析与反馈终端43；
所述分析与反馈终端43，接收实时检测的倾角与方位角，与其内嵌的理论倾角与方位角进行对比分析，给出反馈信号并驱动相关驱动机构工作，实现对于各太阳能吸收/反应器30倾角和方位角的调节。
其中，所述分析与反馈终端43在调节太阳能吸收/反应器30倾角时，反馈信号驱动集热器倾角旋转驱动机构37工作，进而带动集热器倾角旋转轴35转动；
所述分析与反馈终端43在调节太阳能吸收/反应器30方位角时，反馈信号驱动底部旋转驱动装置23工作，进而带动底部平台支架22旋转，实现太阳能吸收/反应器阵列30A方位角的调节。
其中，该发电装置还包括产物分离及储存单元50，其包括冷凝器51、气液分离器52和储气装置53，冷凝器51、气液分离器52与储气装置53依次相连接，用于对混合气产物S3进行冷却和分离，得到合成气燃料S6。
其中，所述动力发电单元60与所述产物分离及储存单元50的储气装置53相连接，利用储气装置53存储的合成气燃料S6驱动动力发电单元60进行发电。
一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电方法，该方法采用任一项所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置进行发电。
(三)有益效果
从上述技术方案中可以看出，本发明提供的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置具有以下有益效果：
(1)本发明提供的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，多回路太阳能吸收/反应器集成，并安置于可旋转工作平台，实现了太阳能吸收/反应器二维跟踪太阳的功能，消除了太阳能余弦损失，提升了太阳能的利用效率，减小了集热镜场面积；
(2)本发明提供的太阳能热化学发电装置，多组太阳能吸收/反应器以多排的形式组成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列，中间排太阳能吸收/反应器位于旋转轨道直径位置，其余太阳能吸收/反应器按照一定行间距平行布置与旋转轨道弦上，所有太阳能吸收/反应器整体形成圆形或近圆形结构，减小了太阳能集热装置的占地面积；
(3)本发明提供的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，多组太阳能吸收/反应器进行集成，提升了燃料转化装置的运行可靠性；
(4)本发明提供的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，利用聚焦的太阳能驱动燃料转化，将太阳能转化为高品位的燃料化学能，实现了太阳热能品位的大幅提升，提升了太阳能利用效率；
(5)该发明中所采用的设备和技术成熟度较高，且该发明使用经济性较高，有助于该发明的广泛推广。
附图说明
图1为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的结构示意图；
图2为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应单元结构布置示意图；
图3为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的太阳能吸收/反应单元的结构示意图；
图4为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的太阳能吸收/反应单元局部放大示意图；
图5为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的催化剂的布置形式示意图。
符号说明
10-原料预处理单元；11-原料储罐；12-工质泵；13-换热器；
20A-集热镜场底部旋转平台；21-旋转轨道；22-底部平台支架；23-底部旋转驱动装置；24-分气缸；24’-合气缸；25-流量控制阀；
30A-太阳能热化学吸收/反应阵列；30-太阳能吸收/反应器；31-抛物型槽式聚光镜；32-太阳能集热管；33-集热管支架；34-聚光镜支架；35-集热器倾角旋转轴；36-集热器支架；37-集热器倾角旋转驱动机构；38-催化剂；
40-检测与控制系统；41-倾角检测器；42-方位角检测器；43-分析与反馈终端；
50-产物分离及储存单元；51-冷凝器；52-气液分离器；53-储气装置；
60-动力发电单元；
S1-原料工质；S2-预处理之后的原料工质；S3-混合气产物；S4-混合工质；
S5-未反应的原料工质；S6-合成气燃料；S7-动力排烟。
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。
常见的槽式太阳能集热装置单个回路较长，通常采用一维方式跟踪太阳，但是，全年范围内太阳方位角随时间在不断变化，使得太阳光线与抛物型镜面法线之间存在夹角。由于该夹角的存在，使得太阳能发生余弦损失，造成了集热器光学效率的下降。利用太阳能与燃料热化学互补技术进行发电的装置，存在太阳能余弦损失、集热镜场占地面积大、发电效率低及运行不稳定等问题。
图1为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的结构示意图。该装置包括：原料预处理单元10、二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应单元20、检测与控制系统40、产物分离及储存单元50和动力发电单元60五部分。该装置通过利用聚光太阳能驱动燃料发生热化学转化，同时二维旋转的太阳能集热平台消除了太阳能的余弦损失，提升了太阳能的利用效率。
其中，原料预处理单元10包括原料储罐11、工质泵12及换热器13。工质泵12与原料储罐11连接，将原料工质泵送至换热器13以实现原料预处理。
其中，二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元20，用于调节圆形或近圆形太阳能热化学吸收/反应阵列30A的倾角和方位角，使投射到抛物型槽式聚光镜31的太阳光线汇聚至太阳能集热管32，进而吸收所聚焦的太阳热能以驱动预处理之后的原料工质S2在催化剂38作用下发生热化学反应，生成混合气产物S3，利用聚焦的太阳能驱动燃料转化，将太阳能转化为高品位的燃料化学能，实现了太阳热能品位的大幅提升，提升了太阳能利用效率。
其中，集热镜场底部旋转平台20A包括旋转轨道21、底部平台支架22、底部旋转驱动装置23、分气缸24、合气缸24’和流量控制阀25；太阳能吸收/反应器阵列30A包括多组太阳能吸收/反应器30，以固定行间距排列，安装于集热镜场底部旋转平台20A的底部平台支架22上。其中，旋转轨道21固定于水平面上，与安装于其上方的底部平台支架22通过滚轮装置与其进行连接，实现底部平台支架22在旋转轨道21上的旋转工作；底部旋转驱动装置23位于底部平台支架22的中心，供电后驱动底部平台支架22旋转；太阳能热化学吸收/反应阵列30A进出口总管路上分别安装分气缸24和合气缸24’，各太阳能吸收/反应器30进口管路上分别安装流量控制阀25以调节进入其的原料工质流量。
其中，太阳能吸收/反应器30包括：抛物型槽式聚光镜31、太阳能集热管32、集热管支架33、聚光镜支架34、集热器倾角旋转轴35、集热器支架36、集热器倾角旋转驱动机构37及催化剂38；
集热器倾角旋转轴35被位于其两端的集热器支架36支撑并固定于底部平台支架22上，集热器倾角旋转轴35两侧均匀布置多具聚光镜支架34，聚光镜支架34用以支撑和固定抛物型槽式聚光镜31；
太阳能集热管32内部填充有催化剂38，太阳能集热管32通过多支固定在集热器倾角旋转轴35的集热管支架33进行支撑和固定，其中，每一根太阳能集热管32的两端均与集热管支架33进行连接；催化剂38填充于太阳能吸收/反应器30所属的太阳能集热管32内部，每个太阳能吸收/反应器30包括多个太阳能集热管32。
集热器倾角旋转轴35为旋转构件，在集热器倾角旋转驱动机构37的驱动下，集热器倾角旋转轴35可以进行旋转，实现了太阳能吸收/反应器30倾角的调节。
太阳能吸收/反应器30，以多排的形式组成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列30A；其中多组太阳能吸收/反应器30进行集成，并以多排的形式安装于底部平台支架22上，中间排太阳能热化学吸收/反应器30位于旋转轨道21直径位置，其余太阳能吸收/反应器30按照一定行间距平行布置与旋转轨道21弦上，从中间排到边缘排太阳能热化学吸收/反应器30数量逐渐减少，整体组成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列30A，实现了太阳能吸收/反应器二维跟踪太阳的功能，消除了太阳能余弦损失，提升了太阳能的利用效率，减小了集热镜场面积减小了太阳能集热装置的占地面积，多组太阳能吸收/反应器进行集成，提升了燃料转化装置的运行可靠性。
其中，检测与控制系统40包括：倾角检测器41、方位角检测器42分析与反馈终端43，用于调节各太阳能吸收/反应器30的倾角和方位角，实现其对太阳的二维跟踪。倾角检测器41，置于集热器倾角旋转驱动机构37上，实时检测太阳能吸收/反应器30的倾角，并将检测结果输入分析与反馈终端43。方位角检测器42，置于底部旋转驱动装置23上，实时检测太阳能吸收/反应器30的方位角，并将检测结果输入分析与反馈终端43。分析与反馈终端43，接收实时检测的倾角与方位角，与其内嵌的理论倾角与方位角进行对比分析，给出反馈信号并驱动相关驱动机构工作，实现对于各太阳能吸收/反应器30倾角和方位角的调节。
在调节太阳能吸收/反应器30倾角时，反馈信号驱动集热器倾角旋转驱动机构37工作，进而带动集热器倾角旋转轴35转动；在调节太阳能吸收/反应器30方位角时，反馈信号驱动底部旋转驱动装置23工作，进而带动底部平台支架22旋转，实现太阳能吸收/反应器阵列30A方位角的调节。
产物分离及储存单元50包括：冷凝器51、气液分离器52与储气装置53，其中冷凝器51、气液分离器52与储气装置53依次相连接，完成燃料转化产物的冷却、分离及储存。
动力发电单元60，连接于储气装置53，利用储气装置53存储的合成气燃料驱动动力发电单元60进行发电。
基于太阳能驱动的燃料转换装置安装地理位置，通过理论计算可以得出二维追逐太阳时该装置逐时的倾角和方位角，并把该结果内嵌到分析与反馈终端43内，通过倾角检测器41对太阳能吸收/反应器30的倾角进行实时检测，经由分析与反馈终端43对理论倾角与实际检测倾角进行对比分析，并给出反馈信号驱动集热器倾角旋转驱动机构37进行工作，进而带动集热器倾角旋转轴35转动，实现太阳能吸收/反应器30倾角的调节，使得太阳入射光线经抛物型聚光镜31反射所聚焦的光斑位于太阳能集热管32上。
通过方位角检测器42对太阳能吸收/反应器阵列30A的方位角进行实时检测，经由分析与反馈终端43对理论方位角和实际检测方位角进行对比分析，并给出反馈信号驱动底部旋转驱动装置23工作，进而带动底部平台支架22旋转，实现太阳能吸收/反应器阵列30A方位角的调节，使得太阳能吸收/反应器30实测方位角与理论方位角相等，消除太阳方位角导致的太阳光余弦损失对太阳能集热量的影响；通过对太阳能吸收/反应器30倾角及方位角的调节，实现了其对太阳光线的二维跟踪。
由工质泵12泵送的原料工质S1进入换热器13与各太阳能吸收/反应器30出口的混合气工质S3进行热交换，将原料工质S1预热，预处理之后的原料工质S2在流量控制阀25调节作用下通过分气缸24分流分别进入各太阳能吸收/反应器30中。太阳能吸收/反应器30接收预处理之后的原料工质S2，并使其进行热化学反应，生成混合气产物S3；产物分离及储存单元50，接收经原料预处理单元10冷却混合气产物S3生成的混合工质S4，将混合工质S4进行分离和储存，将分离后的合成气燃料S5进行储存，并把未反应的原料工质进行回收；动力发电单元60，在所述储存的合成气燃料S5驱动下进行发电作功。
经换热器13冷却后的混合工质S4通入冷凝器51进行冷却，之后通入气液分离器52进行气液分离，将未反应燃料工质S5回收通入到原料储罐11，将分离出的合成气燃料S6储存到储气装置53。
原料工质可选用甲醇、乙醇、乙二醇及二甲醚等，经过预处理之后通入太阳能热化学吸收/反应单元。在现有太阳能槽式集热技术能达到的聚光集热温度下，原料介质通过相应催化剂38作用发生燃热化学转化反应，生成的合成气燃料S6通过动力设备进行发电作功。所涉及的动力发电设备可以是内燃机、燃气轮机及燃料电池等。
其中，消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电方法能够用于上述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置。
图2为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应单元结构布置示意图，包括集热镜场底部旋转平台20A和太阳能吸收/反应器阵列30A两大部分。
其中，集热镜场底部旋转平台20A包括：旋转轨道21、底部平台支架22、底部旋转驱动装置23、分气缸24、合气缸24’和流量控制阀25；旋转轨道21固定于水平面上，与安装于其上方的底部平台支架22通过滚轮装置与其进行连接，实现底部平台支架22在旋转轨道20A上的旋转工作；底部旋转驱动装置23位于底部平台支架22的中心，供电后驱动底部平台支架22旋转；太阳能热化学吸收/反应阵列30A进出口总管路上分别安装分气缸24和合气缸24’，各太阳能吸收/反应器30进口管路上分别安装流量控制阀25以调节进入其的原料工质流量。
图3为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的太阳能吸收/反应单元的结构示意图。图4为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的太阳能吸收/反应单元局部放大示意图。其中，太阳能吸收/反应器30包括：抛物型槽式聚光镜31、太阳能集热管32、集热管支架33、聚光镜支架34、集热器倾角旋转轴35、集热器支架36、集热器倾角旋转驱动机构37及催化剂38；集热器倾角旋转轴35被位于其两端的集热器支架36支撑并固定于底部平台支架22上；集热器倾角旋转轴35两侧均匀布置多具聚光镜支架34，聚光镜支架34用以支撑和固定抛物型槽式聚光镜31。太阳能集热管32通过多支固定在集热器倾角旋转轴35的集热管支架33进行支撑和固定，其中，每一根太阳能集热管32的两端均与集热管支架33进行连接；集热器倾角旋转轴35为旋转构件，在集热器倾角旋转驱动机构37的驱动下，集热器倾角旋转轴35可以进行旋转，实现了太阳能吸收/反应器30倾角的调节。
图5为依据本发明实施例的一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置的催化剂的布置形式示意图。催化剂38填充于太阳能集热管32内部，使得预处理之后的燃料工质S2在催化剂38作用下吸收所聚集的太阳热能发生化学反应。填充有催化剂的太阳能集热管32既是太阳热能的吸收部件，也是太阳能热化学燃料转化的发生部件。
消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电方法利用上述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置进行发电。
该发明中所采用的设备和技术成熟度较高，且该发明使用经济性较高，有助于该发明的广泛推广。
需要说明的是，在说明书正文和附图中，没有描述或绘示的实现方式，均为所属技术领域中常见的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各部件的定义并不仅局限于实施例中提到的各种具体结构、形式或形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更换或替换，例如：
(1)太阳能吸收/反应器阵列中太阳能吸收/反应器升温数量及布置排数不一定严格按照所绘示意图，其数量及布置排数根据发电负荷需求量而定，只需满足旋转轨道直径处安装的太阳能吸收/反应器数量最多，且其余太阳能吸收/反应器均匀布置在上述直径两侧，整体上形成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列结构形式
(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
综上所述，本发明提供了一种消除余弦损失的太阳能热化学发电装置，能够利用聚光太阳能驱动原料发生热化学转化，将聚光太阳能以燃料化学能的形式释放作功。同时，采用二维跟踪太阳的方式消除了太阳能余弦损失，提升了太阳能利用效率，减小了所需的集热镜场面积，改善了太阳能热化学发电装置年均使用性能。
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，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 (10)

1.一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，包括二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元(20)和动力发电单元(60)，其中：
二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元(20)，用于调节圆形或近圆形太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)的倾角和方位角，实现太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)的二维旋转，使投射到抛物型槽式聚光镜(31)的太阳光线汇聚至太阳能集热管(32)，进而吸收所聚焦的太阳热能以驱动经预处理之后的原料工质(S2)在填充于太阳能集热管(32)内的催化剂(38)作用下发生热化学反应，生成混合气产物(S3)；
动力发电单元(60)，用于在对混合气产物(S3)进行冷却分离后得到的合成气燃料(S6)的驱动下进行发电。
2.根据权利要求1所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，其中，所述二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应器单元(20)包括：
由多组太阳能吸收/反应器(30)以一定行间距构成的圆形或近圆形太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)；以及
集热镜场底部旋转平台(20A)，太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)安装于集热镜场底部旋转平台(20A)上；
其中，每个太阳能吸收/反应器(30)包括多个太阳能集热管(32)。
3.根据权利要求2所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中：
集热镜场底部旋转平台(20A)包括：旋转轨道(21)、底部平台支架(22)、底部旋转驱动装置(23)、分气缸(24)、合气缸(24’)和流量控制阀(25)；
所述太阳能吸收/反应器阵列(30A)包括多组太阳能吸收/反应器(30)，以固定行间距排列，组成圆形或近圆形太阳能吸收/反应器阵列(30A)，并安装于集热镜场底部旋转平台(20A)的底部平台支架(22)上；
旋转轨道(21)固定于水平面上，与安装于其上方的底部平台支架(22)通过滚轮装置与其进行连接，实现底部平台支架(22)在旋转轨道(21)上的旋转工作；底部旋转驱动装置(23)位于底部平台支架(22)的中心，供电后驱动底部平台支架(22)旋转；太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)进出口总管路上分别安装分气缸(24)和合气缸(24’)，各太阳能吸收/反应器(30)进口管路上分别安装流量控制阀(25)以调节进入其的原料工质流量。
4.根据权利要求3所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，所述的太阳能吸收/反应器(30)包括抛物型槽式聚光镜(31)、太阳能集热管(32)、集热管支架(33)、聚光镜支架(34)、集热器倾角旋转轴(35)、集热器支架(36)、集热器倾角旋转驱动机构(37)和催化剂(38)；
集热器倾角旋转轴(35)被位于其两端的集热器支架(36)支撑并固定于底部平台支架(22)上，集热器倾角旋转轴(35)两侧均匀布置多具聚光镜支架(34)，聚光镜支架(34)用以支撑和同定抛物型槽式聚光镜(31)；
太阳能集热管(32)内部填充有催化剂(38)，太阳能集热管(32)通过多支固定在集热器倾角旋转轴(35)的集热管支架(33)进行支撑和固定，其中，每一根太阳能集热管(32)的两端均与集热管支架(33)进行连接；
集热器倾角旋转轴(35)为旋转构件，在集热器倾角旋转驱动机构(37)的驱动下，集热器倾角旋转轴(35)能够进行旋转，实现太阳能吸收/反应器(30)倾角的调节；
各太阳能吸收/反应器(30)进口管路上分别安装流量控制阀(25)以调节进入其的原料工质流量；
太阳光线经由抛物型槽式聚光镜(31)反射汇聚到太阳能集热管(32)，将聚焦的太阳热能传递到太阳能集热管(32)内部催化剂(38)床层，预处理之后的原料工质(S2)在催化剂(38)作用下吸收所聚焦的太阳热能，发生热化学反应生产混合气产物(S3)。
5.根据权利要求3所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，所述太阳能吸收/反应器阵列(30A)包括多组太阳能吸收/反应器(30)，以固定行间距排列，组成圆形或近圆形太阳能吸收/反应器阵列(30A)，并安装于集热镜场底部旋转平台(20A)的底部平台支架(22)上，中间排太阳能热化学吸收/反应器(30)位于旋转轨道(21)直径位置，其余太阳能吸收/反应器(30)按照一定行间距平行布置于旋转轨道(21)弦上，从中间排到边缘排太阳能热化学吸收/反应器(30)数量逐渐减少，整体组成圆形或类圆形的太阳能吸收/反应器阵列(30A)。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，该发电装置还包括检测与控制系统(40)，用于检测及调节太阳能热化学吸收/反应阵列(30A)的方位角及倾角，以实现各太阳能吸收/反应器(30)对太阳的二维跟踪；
该检测与控制系统(40)包括：倾角检测器(41)、方位角检测器(42)和分析与反馈终端(43)，其中：
所述倾角检测器(41)，置于集热器倾角旋转驱动机构(37)上，实时检测太阳能吸收/反应器(30)的倾角，并将检测结果输入分析与反馈终端(43)；
所述方位角检测器(42)，置于底部旋转驱动装置(23)上，实时检测太阳能吸收/反应器(30)的方位角，并将检测结果输入分析与反馈终端(43)；
所述分析与反馈终端(43)，接收实时检测的倾角与方位角，与其内嵌的理论倾角与方位角进行对比分析，给出反馈信号并驱动相关驱动机构工作，实现对于各太阳能吸收/反应器(30)倾角和方位角的调节。
7.根据权利要求6所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，
所述分析与反馈终端(43)在调节太阳能吸收/反应器(30)倾角时，反馈信号驱动集热器倾角旋转驱动机构(37)工作，进而带动集热器倾角旋转轴(35)转动；
所述分析与反馈终端(43)在调节太阳能吸收/反应器(30)方位角时，反馈信号驱动底部旋转驱动装置(23)工作，进而带动底部平台支架(22)旋转，实现太阳能吸收/反应器阵列(30A)方位角的调节。
8.根据权利要求1所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，该发电装置还包括产物分离及储存单元(50)，其包括冷凝器(51)、气液分离器(52)和储气装置(53)，冷凝器(51)、气液分离器(52)与储气装置(53)依次相连接，用于对混合气产物(S3)进行冷却和分离，得到合成气燃料(S6)。
9.根据权利要求8所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置，其中，所述动力发电单元(60)与所述产物分离及储存单元(50)的储气装置(53)相连接，利用储气装置(53)存储的合成气燃料(S6)驱动动力发电单元(60)进行发电。
10.一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电方法，该方法采用权利要求1～9中任一项所述的消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置进行发电。
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