CN109326446A - 太阳能反应接收器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能反应接收器，包括：壳体，壳体的第一端具有玻璃窗和流体出口，壳体的第二端具有流体入口，玻璃窗与流体入口相对设置；壳体内具有反应室，流体出口和流体入口均与反应室连通，反应室内具有多层介质催化剂层，介质催化剂层上具有多个通孔，反应室内设有多个扰流挡板，流体从流体入口进入反应室，经过介质催化剂层和扰流挡板，反应生成的合成气体后从流体出口流出。本发明提供的太阳能反应接收器，增加了流体流动过程的扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂接触的机会更多，促进了传质、传热，使流体的流动分布均匀。提高甲烷转化率以及能量储存效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种太阳能反应接收器。
背景技术
太阳能热化学互补广泛用于工业生产，例如甲烷水蒸气重整，甲醇热分解，以及煤炭、生物质气化技术。太阳能反应接收器用于将太阳辐射能转化为热能。目前，常用太阳能聚光技术主要有槽式、碟式以及塔式三种太阳能反应接收器。其中，碟式聚光器几何聚光比最高，可使接收器的接收温度达800℃以上，因此碟式太阳能接收器非常适用于甲烷水蒸气重整制氢，其反应温度为600～800℃。
现有的，太阳能反应接收器，主要利用蝶形抛物面聚光器将太阳光汇聚于焦点处，置于焦点处的接收器吸收太阳能。接收器一侧接收经过抛物面聚光器汇聚反射的太阳光照射，另一侧不接收太阳光辐射。
但是，点聚焦方式的太阳能反应接收器，其聚光系统流体的流动分布不均匀，造成了太阳能反应接收器同一截面温度分布不均匀，接太阳能反应接收器接收平面截面径向温差大，导致温度场和化学反应的不匹配，降低了甲烷转化率以及能量储存效率。
发明内容
本发明提供一种太阳能反应接收器，该太阳能反应接收器流体的流动分布均匀，且能提高甲烷转化率以及能量储存效率。
本发明提供的太阳能反应接收器，包括：壳体，壳体的第一端具有玻璃窗和流体出口，壳体的第二端具有流体入口，玻璃窗与流体入口相对设置；
壳体内具有反应室，流体出口和流体入口均与反应室连通，反应室内具有多层介质催化剂层，介质催化剂层上具有多个通孔，反应室内设有多个扰流挡板，流体从流体入口进入反应室，经过介质催化剂层和扰流挡板，反应生成的合成气体后从流体出口流出。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
扰流挡板位于流体入口和玻璃窗之间。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
扰流挡板为柱状，扰流挡板的两端均与反应室的内侧壁连接，扰流挡板与玻璃窗和流体入口之间的连线垂直。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
多个扰流挡板阵列排布。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
扰流挡板为柱状，多个扰流挡板相同的侧边相互连接，且扰流挡板相同的侧边与玻璃窗垂直，扰流挡板靠近流体入口的一端与反应室的内侧壁连接，扰流挡板相邻的侧面形成旋流槽道。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
壳体为喇叭状，玻璃窗和流体出口均位于壳体的大径端，流体入口位于壳体的小径端。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
壳体的大径端具有凹口，玻璃窗位于凹口的底部。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
壳体采用合金钢材质。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
玻璃窗为碟式硼硅酸盐玻璃窗，碟式硼硅酸盐玻璃窗为碟式聚光镜。
作为一种可选的方式，本发明提供的太阳能反应接收器，
每层介质催化剂层内含重量百分比70-80％的氧化铝和10-30％二氧化硅。
本发明提供的太阳能反应接收器，通过在反应室内设置多层介质催化剂层和多个扰流挡板，流体从流体入口进入反应室内，经过扰流挡板的分流、扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂充分反应，合成气体由流体出口流出。扰流挡板的数量为多个，这样经过多个扰流挡板连续的分流、合流效应，增加了流体流动过程的扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂接触的机会更多，促进了传质、传热，使流体的流动分布均匀。提高甲烷转化率以及能量储存效率，优化了太阳能反应接收器的温度分布，使得该太阳能反应接收器更加经济、安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器中扰流挡板的分布图；
图3为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器中介质催化剂层的结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的太阳能反应接收器的整体结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的太阳能反应接收器中扰流挡板的连接图。
附图标记说明：
10—壳体；
101—玻璃窗；
102—流体出口；
103—流体入口；
104—反应室；
105—凹口；
20—扰流挡板；
201—旋流槽道；
30—介质催化剂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明说明书的描述中，需要理解的是，术语“内侧壁”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，四个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
太阳能反应接收器用于将太阳辐射能转化为热能。目前，常用太阳能聚光技术主要有槽式、碟式以及塔式三种太阳能反应接收器。其中，碟式聚光器几何聚光比最高，可使接收器的接收温度达800℃以上，因此碟式太阳能接收器非常适用于甲烷水蒸气重整制氢，其反应温度为600～800℃。现有的，太阳能反应接收器，主要利用蝶形抛物面聚光器将太阳光汇聚于焦点处，置于焦点处的接收器吸收太阳能。接收器一侧接收经过抛物面聚光器汇聚反射的太阳光照射，另一侧不接收太阳光辐射。但是，点聚焦方式的太阳能反应接收器，其聚光系统流体的流动分布不均匀，造成了太阳能反应接收器同一截面温度分布不均匀，接太阳能反应接收器接收平面截面径向温差大，导致温度场和化学反应的不匹配，降低了甲烷转化率以及能量储存效率。
为了解决上述问题，本发明提供了一种太阳能反应接收器，通过在反应室内设置多层介质催化剂层和多个扰流挡板，流体从流体入口进入反应室内，经过扰流挡板的分流、扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂充分反应，合成气体由流体出口流出。扰流挡板的数量为多个，这样经过多个扰流挡板连续的分流、合流效应，增加了流体流动过程的扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂接触的机会更多，促进了传质、传热，使流体的流动分布均匀。提高甲烷转化率以及能量储存效率，优化了太阳能反应接收器的温度分布，使得该太阳能反应接收器更加经济、安全。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器的整体结构示意图；图2为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器中扰流挡板的分布图；图3为本发明实施例一提供的太阳能反应接收器中介质催化剂层的结构示意图。如图1-图3所示，本实施例提供的太阳能反应接收器，包括：壳体10，壳体10的第一端具有玻璃窗101和流体出口102，壳体10的第二端具有流体入口103，玻璃窗101与流体入口103相对设置；
壳体10内具有反应室104，流体出口102和流体入口103均与反应室104连通，反应室104内具有多层介质催化剂层30，介质催化剂层30上具有多个通孔，反应室104内设有多个扰流挡板20，流体从流体入口103进入反应室104，经过介质催化剂层30和扰流挡板20，反应生成的合成气体后从流体出口102流出。
具体的，在本实施例中，壳体10对玻璃窗101、流体出口102、流体入口103和扰流挡板20起到固定支撑作用。壳体10垂直于壳体10长度方向的截面可以为方形、圆形、椭圆形或者不规则形状等，壳体10的外侧面可以为弧线，也可以为直线。壳体10能支撑玻璃窗101、流体出口102、流体入口103和扰流挡板20即可，本实施例在此不作限定。
本实施例提供的太阳能反应接收器的工作原理为：太阳光穿透玻璃窗101聚焦成光斑照射在反应室104内的介质催化剂层30上，流体从流体入口103进入反应室104内，经过扰流挡板20的分流、扰动，流体与介质催化剂层30上的催化剂充分反应，合成气体由流体出口102流出。扰流挡板20的数量为多个，这样经过多个扰流挡板20连续的分流、合流效应增加了流体流动过程的扰动，流体与介质催化剂层30上的催化剂接触的机会更多，促进了传质、传热，使流体的流动分布均匀。
本实施例提供的太阳能反应接收器，通过在反应室内设置多层介质催化剂层和多个扰流挡板，流体从流体入口进入反应室内，经过扰流挡板的分流、扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂充分反应，合成气体由流体出口流出。扰流挡板的数量为多个，这样经过多个扰流挡板连续的分流、合流效应，增加了流体流动过程的扰动，流体与介质催化剂层上的催化剂接触的机会更多，促进了传质、传热，使流体的流动分布均匀。提高甲烷转化率以及能量储存效率，优化了太阳能反应接收器的温度分布，使得该太阳能反应接收器更加经济、安全。
在一种具体的实现方式中，本实施例提供的太阳能反应接收器，扰流挡板20位于流体入口102和玻璃窗101之间。太阳光穿透玻璃窗101聚焦成光斑照射在反应室104内，流体从流体入口103进入反应室104内，经过扰流挡板20的分流、扰动。因此，将扰流挡板20设置在于流体入口102和玻璃窗101之间，增加扰流挡板20对流体的分流和扰动作用。
在具体实现时，本实施例提供的太阳能反应接收器，扰流挡板20为柱状，扰流挡板20的两端均与反应室104的内侧壁连接，扰流挡板20与玻璃窗101和流体入口102之间的连线垂直。
具体的，扰流挡板20可以为圆柱状、三棱柱状、多棱柱状或者不规则的柱状。本实施例以扰流挡板20为圆柱状进行说明。通过将圆柱状的扰流挡板20的两端与反应室104的内侧壁连接，以固定扰流挡板20。由于流体的流动方向为从流体入口103经反应室104内的经过介质催化剂层30和扰流挡板20，反应生成的合成气体后从流体出口102流出。玻璃窗101和流体出口102均位于壳体10的第一端。也就是说，流体从流体入口103流向玻璃窗101侧。因此，将扰流挡板20设置为与玻璃窗101和流体入口102之间的连线垂直，增加扰流挡板20对流体的分流和扰动作用。
可选的，介质催化剂层30均与扰流挡板20平行。每个介质催化剂层30上均设置有多个通孔，同一个介质催化剂层30中的通孔表面上涂敷的催化剂的材料相同，不同的介质催化剂层30中的通孔表面上涂敷的催化剂的材料不同。具体的，随着每个介质催化剂层30与玻璃窗101之间距离的增加，每层介质催化剂层30中的通孔表面的催化剂的最适反应温度逐层降低。由于光催化过程主要是在催化剂表面发生，又由于介质催化剂层30体靠近玻璃窗20的一层，温度较高；介质催化剂层30远离玻璃窗20的一层，温度较低，使得反应区域的温度分布不均匀，反应区域的周向上温度梯度较大，导致太阳能反应接收器的催化剂无法完全处于最适催化反应温度下，故而太阳能反应接收器效率下降。因此，本实施例中通过合理优化布置介质催化剂层30以避免上述问题。
需要说明的是，接收太阳光的辐射的一侧，温度较高；背向接收太阳光的辐射的一侧，温度较低。为了减少催化剂的温度差异，可选地，介质催化剂层30从玻璃窗101至流体入口103方向，介质催化剂层30上的催化剂的质量逐渐增加，对应的孔隙率逐渐降低。
具体地，由于催化剂的温度分布不均匀，整个催化剂无法处于一个相对均衡的温度下，因此，本实施例中每层介质催化剂层30中的孔洞表面涂敷有非均匀孔隙率的催化剂，能够大大提升太阳光与流体的热化学互补。又由于催化剂的孔隙率布置以温度高低为依据，因此，在温度高的地方投入较少的催化剂，在温度低的地方投入多的催化剂。这样，本实施例中催化剂孔隙率为从玻璃窗101至流体入口103逐渐降低，从而优化了催化剂的结构，进一步提高了太阳光与流体互补的效率，同时也能起到降低反应接收器周向温度梯度，改善反应接收器的温度场，提高了太阳能反应接收器反应效率。
本实施例中对通孔的大小不做限定，可根据实际情况进行设定，只需将介质催化剂层30中的通孔的表面涂敷有催化剂且能够置于反应室104内即可。
本实施例对反应室104的内侧壁与扰流挡板20的连接方式不做限定，只需满足两者能够可靠连接即可。同样，反应室104的内侧壁与介质催化剂层30的连接方式不做限定，只需满足两者能够可靠连接即可。
进一步的，本实施例提供的太阳能反应接收器，多个扰流挡板20阵列排布。也就是说，扰流挡板20之间相互平行设置。在具体实现时，扰流挡板20可以圆形阵列排布，且圆形阵列排布多圈，每圈的圆形可以相同，也可以不相同。扰流挡板20也矩形阵列排布，扰流挡板20可以分为多排和多列，每排和每列的间距相等，也可以不相等。每排的扰流挡板20可以相互错开。例如图2所示的扰流挡板20的排布方式，扰流挡板20排成两排，且两排相互错开。每排扰流挡板20的数量和扰流挡板20的直径可根据实际情况和制作成本而定，只需扰流挡板20以阵列型排列即可，本实施例在此不作限定。
为了增加壳体10的使用强度，可选地，本实施例提供的太阳能反应接收器，壳体10采用合金钢材质。
为了增加扰流挡板20的使用强度，可选地，本实施例提供的太阳能反应接收器，扰流挡板20采用合金钢材质。
在具体实现时，本实施例提供的太阳能反应接收器，壳体10为喇叭状，玻璃窗101和流体出口102均位于壳体10的大径端，流体入口103位于壳体10的小径端。
可选的，流体出口102可以设置两个，两个流体出口102相对设置。
具体的，流体从壳体10的小径端的流体入口103进入反应室104内，反应室104内的形状也可以为喇叭状，也就是说，反应室104为喇叭状的腔体，流体从反应室104的小径端逐渐流动至反应室104的大径端，便于流体在反应室104内充分扩散，流体与介质催化剂层30上的催化剂接触的机会时间。
进一步的，本实施例提供的太阳能反应接收器，壳体10的大径端具有凹口105，玻璃窗101位于凹口105的底部。通过凹口105聚焦太阳光至玻璃窗101上。
在具体实现时，本实施例提供的太阳能反应接收器，玻璃窗101为碟式硼硅酸盐玻璃窗，碟式硼硅酸盐玻璃窗为碟式聚光镜。
其中，碟式硼硅酸盐玻璃窗具有熔融温度低、可抵抗钠蒸气腐蚀，且有良好的耐热性和化学稳定性的优点，碟式硼硅酸盐玻璃窗为碟式聚光镜，含稀土元素的硼酸盐玻璃折射率高，能够将太阳光聚焦形成光斑直接照射在太阳能反应接收器上，提高反应接收器内流体温度，从而达到太阳能与流体互补所需的温度。
为了使得太阳光良好的穿透碟式硼硅酸盐玻璃窗，可选地，碟式硼硅酸盐玻璃窗的材料为高光线穿透率材料。本实施例中碟式硼硅酸盐玻璃窗与壳体10可采用合金与玻璃封接工艺进行连接，也可采用其他工艺技术进行连接。本实施例对壳体10与碟式硼硅酸盐玻璃窗的连接方式不做限定，只需满足两者能够可靠连接即可。
可选的，本实施例提供的太阳能反应接收器，每层介质催化剂层30内含重量百分比70-80％的氧化铝和10-30％二氧化硅。
进一步地，本实施例可在壳体10的第一端，也就是壳体10具有流体出口102的一端设置气体分离回收装置。通过气体分离回收装置将未反应的流体从合成气体中分离出来，重新通过流体入口103进入到反应室104中进行，以实现资源的回收再利用。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的太阳能反应接收器的整体结构示意图；图5为本发明实施例二提供的太阳能反应接收器中扰流挡板的连接图。如图4和图5所示，本实施例其余部分与实施例一的结构相同，本实施例与实施例一的区别在于，扰流挡板20设置的方式不同，实施例一中已详述了太阳能反应接收器的结构和工作原理，本实施例在此不一一赘述。
本实施例提供的太阳能反应接收器，扰流挡板20为柱状，多个扰流挡板20相同的侧边相互连接，且扰流挡板20相同的侧边与玻璃窗101垂直，扰流挡板20靠近流体入口103的一端与反应室104的内侧壁连接，扰流挡板20相邻的侧面形成旋流槽道201。
在具体实现时，扰流挡板20宽度方向的截面为叶片状，也就是说，多个扰流挡板20相同的侧边相互连接后，其宽度方向的截面位如图5所示的风扇叶片结构。扰流挡板20从玻璃窗101至流体入口103方向宽度方向的截面越来越小，介质催化剂层30垂直于扰流挡板20的长度方向，介质催化剂层30位于旋流槽道201和反应室104之间。
本实施例提供的太阳能反应接收器的工作原理为，太阳光穿透玻璃窗101聚焦成光斑照射在反应室104内的催化剂上，流体从流体入口103进入反应室104内经过流动撞击，产生较大的扰动，流体与催化剂充分反应，合成气体由流体出口102流出。这样经过旋流槽道201对流体扰动，促进了流体的混合和传质过程。
本实例提供的碟式旋流槽道型太阳能反应接收器，通过设置叶片型扰流挡板对进入接收器内部的流体进行扰动，提高甲烷出口转化率，优化了该太阳能反应接收器的温度分布，使得该太阳能反应接收器更加经济、安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种太阳能反应接收器，其特征在于，包括：壳体，所述壳体的第一端具有玻璃窗和流体出口，所述壳体的第二端具有流体入口，所述玻璃窗与所述流体入口相对设置；
所述壳体内具有反应室，所述流体出口和所述流体入口均与所述反应室连通，所述反应室内具有多层介质催化剂层，所述介质催化剂层上具有多个通孔，所述反应室内设有多个扰流挡板，流体从所述流体入口进入所述反应室，经过所述介质催化剂层和所述扰流挡板，反应生成的合成气体后从所述流体出口流出。
2.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述扰流挡板位于所述流体入口和所述玻璃窗之间。
3.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述扰流挡板为柱状，所述扰流挡板的两端均与所述反应室的内侧壁连接，所述扰流挡板与所述玻璃窗和所述流体入口之间的连线垂直。
4.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述多个所述扰流挡板阵列排布。
5.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述扰流挡板为柱状，多个所述扰流挡板相同的侧边相互连接，且所述扰流挡板相同的侧边与所述玻璃窗垂直，所述扰流挡板靠近所述流体入口的一端与所述反应室的内侧壁连接，所述扰流挡板相邻的侧面形成旋流槽道。
6.根据权利要求3或5所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述壳体为喇叭状，所述玻璃窗和所述流体出口均位于所述壳体的大径端，所述流体入口位于所述壳体的小径端。
7.根据权利要求6所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述壳体的大径端具有凹口，所述玻璃窗位于所述凹口的底部。
8.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述壳体采用合金钢材质。
9.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，所述玻璃窗为碟式硼硅酸盐玻璃窗，所述碟式硼硅酸盐玻璃窗为碟式聚光镜。
10.根据权利要求1所述的太阳能反应接收器，其特征在于，每层所述介质催化剂层内含重量百分比70-80％的氧化铝和10-30％二氧化硅。
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