CN109876753A - 一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，属于太阳能高温热利用领域。石英玻璃板连接于反应器壳体的左侧开口端，并与反应器壳体构成反应腔，工质入口设置于反应器壳体的左侧，工质出口设置于反应器壳体的右侧，整体式多孔催化剂设置于反应器壳体中，相变储能器安装于反应器壳体的外侧面上，相变储能器壳体设置于相变储能器的外表面上，保温层包裹在相变储能器壳体上。本发明在光照不稳定和阴影时依然能提供反应所需的热能，保持化学反应连续进行；另外，可维持化学反应层多孔结构边缘的温度，增大反应区域的同时，降低径向温度梯度，防止应力集中而导致结构塌陷；且回收了废气中的部分热量对进气进行了预热。
Description
技术领域
本发明属于太阳能高温热利用领域，特别是涉及一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器。
背景技术
能源短缺、大气污染、气候变化等形势日益严峻，加快新能源开发与化石能源清洁利用，向清洁低碳、绿色发展转型是必然趋势。太阳能作为一种典型的清洁、可持续能源，已得到世界范围的普遍关注和广泛研究。太阳能具有间歇性、低密度和不稳定性、难以持续供应的缺点。目前，常采用显热储能、潜热储能和热化学储能三种方式来实现太阳能的储存。
太阳能热化学储能技术通过热驱动化学反应实现太阳能向碳氢燃料的化学能转化，提升能源品位，具有储能密度高、热损小、可异时空使用等优点，应用前景广阔。而且，可以应用多种热化学反应体系，如无机氢氧化物的热分解、碳酸化合物的分解、金属氢化物的分解、氧化还原反应、甲烷重整反应等。其中，甲烷的二氧化碳/水蒸气重整反应，同时实现太阳能-化学能转存(能源品位提升)和温室气体循环利用双重功能，其生成的合成气可以通过联合循环进行发电，相应地可以实现二氧化碳减排～20％，能够推进绿色能源与节能减排步伐，极具竞争力和大规模推广的潜力。
太阳能高温反应器内具有较高的反应温度，一般在873K以上。直接辐射型反应器的吸热与反应一体化设计，常以多孔结构作为其中吸热和反应表面，通过直接吸收太阳辐射能加热催化剂和反应物，轻质、转化率高而被广泛研究。但是，在高倍聚集非均匀太阳能流加热下，能流过度集中会产生反应区域集中、局部高温和应力集中，导致反应物烧结、多孔结构塌陷等，影响反应进程和反应器的寿命。另外，光照不稳定或阴影期(如云层遮挡)引起太阳辐射能流时变波动，导致吸热器内温度剧烈变化，影响化学反应过程稳定性和系统转化效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的高温反应器中温度不稳定的问题，通过将相变储能与化学储能集成设计于一个太阳能反应器，提出了一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器。
本发明通过以下技术方案实现：一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，包括石英玻璃板、工质入口、保温层、相变储能器、相变储能器壳体、整体式多孔催化剂、反应器壳体和工质出口，
所述反应器壳体设置于聚集太阳能传输方向，所述石英玻璃板连接于所述反应器壳体的左侧开口端，并与所述反应器壳体构成反应腔，所述工质入口设置于所述反应器壳体的左侧，所述工质出口设置于所述反应器壳体的右侧，所述整体式多孔催化剂设置于所述反应器壳体中，所述相变储能器安装于所述反应器壳体的外侧面上，所述相变储能器壳体设置于所述相变储能器的外表面上，所述保温层包裹在所述相变储能器壳体上。
进一步的，所述石英玻璃板的透光率大于92％，所述反应器壳体和所述相变储能器壳体均采用耐高温不锈钢制成。
进一步的，所述整体式多孔催化剂由结构基体、涂层载体和催化剂组成；其中，结构基体为泡沫材料，涂层载体采用活性涂层γ-Al2O3，催化剂选自第VIII族金属或铂族贵金属。
进一步的，所述整体式多孔催化剂中的结构基体选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫，所述整体式多孔催化剂的孔隙率或孔径沿反应气体流动方向逐渐减小。
进一步的，所述相变储能器由泡沫材料和相变介质组成；所述泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫；所述相变介质选自氟盐及其共晶混合物。
进一步的，所述太阳能高温反应器还包括泡沫套管式高温回热器，所述泡沫套管式高温回热器包括内管和外管，其中，所述内管与所述工质出口连通，所述外管与所述工质入口连通。
进一步的，所述内管和所述外管中填充有高孔隙率泡沫材料，所述泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫。
进一步的，所述泡沫套管式高温回热器外侧包裹有保温材料。
本发明的有益效果在于：本发明考虑太阳辐射能流的时变波动特性、反应器内非均匀温度分布特性，将相变储能与化学储能集成设计于一个太阳能反应器，在光照不稳定和阴影时提供反应所需的热能，保持化学反应连续进行；另外，可维持化学反应层多孔结构边缘的温度，增大反应区域的同时，降低径向温度梯度，防止应力集中而导致结构塌陷；且回收了废气中的部分热量对进气进行了预热，尽可能地节省了热量。
附图说明
图1为本发明的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器的结构示意图；
图2为本发明中泡沫套管式高温回热器的轴向剖面图；
图3为本发明中泡沫套管式高温回热器的径向剖面图。
其中，1为石英玻璃板、2为工质入口、3为保温层、4为相变储能器、5为相变储能器壳体、6为整体式多孔催化剂、7为反应器壳体、8为工质出口、9为泡沫套管式高温回热器、91为内管、92为外管、93为保温材料。
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。
参照图1所示，本发明提供了一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器的一实施例，包括石英玻璃板1、工质入口2、保温层3、相变储能器4、相变储能器壳体5、整体式多孔催化剂6、反应器壳体7和工质出口8，
反应器壳体7设置于聚集太阳能传输方向，石英玻璃板1连接于反应器壳体7的左侧开口端，并与反应器壳体7构成反应腔，工质入口2设置于反应器壳体7的左侧，工质出口8设置于反应器壳体7的右侧，整体式多孔催化剂6呈梯度设计设置于反应器壳体7中，相变储能器4安装于反应器壳体7的外侧面上，相变储能器壳体5设置于相变储能器4的外表面上，保温层3包裹在相变储能器壳体5上。
具体的，本发明的具体操作方法为：在运行前期先不通入反应气体，对反应器内进行预热；高倍聚集太阳光透过石英玻璃板1，进入到梯度设计的整体式多孔催化剂6，在其内部容积吸收，整体式多孔催化剂6温度升高，通过径向传热而加热相变储能器4内的相变工质，相变工质吸热逐步升温，部分达到熔点时熔化并以潜热形式储存能量，实现了太阳能的相变储能，
再通入反应气体，通过高温换热，达到反应温度后，在整体式多孔催化剂6内发生化学反应，将太阳的热能转化为产物的化学能，实现太阳能的化学储能。
运行过程中，相变储能器4内继续吸热储存，可以维持靠近壳体7的整体式多孔催化剂6结构高温，从而降低了其径向的温度梯度；同时，当光照不稳定引起太阳辐射能流急剧下降时，相变储能器4储存的能量可以继续维持整体式多孔催化剂6内化学反应的进行，整体上提高了太阳能的转化储存效率。
在本部分优选实施例中，石英玻璃板1的透光率大于92％，反应器壳体7和相变储能器壳体5均采用耐高温不锈钢制成。
具体的，石英玻璃板1的高透光率，可以使太阳光在通过石英玻璃板1时耗损尽量的小，从而进一步提高反应腔内温度。
在本部分优选实施例中，整体式多孔催化剂6由结构基体、涂层载体和催化剂组成；其中，结构基体为泡沫材料，涂层载体采用活性涂层γ-Al2O3，催化剂选自第VIII族金属或铂族贵金属。
具体的，涂层载体采用活性涂层γ-Al2O3以增大比表面积，催化剂根据甲烷重整反应选自第VIII族金属和铂族贵金属，即Fe、Ni、Pt、Pb、Ru或Rh。
在本部分优选实施例中，整体式多孔催化剂6中的结构基体选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫，整体式多孔催化剂6的孔隙率或孔径沿反应气体流动方向逐渐减小，对太阳辐射逐步吸收。
参照图1所示，在本部分优选实施例中，相变储能器4由泡沫材料和相变介质组成；泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫；相变介质选自氟盐及其共晶混合物。
具体的，相变储能器4基于固-液相变过程进行蓄热；泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫，可以强化相变传热；相变介质根据反应器内温度水平选自氟盐及其共晶混合物，即LiF、LiF-CaF2、MgF2，这种具有高熔点和大潜热的介质。
参照图2-图3所示，在本部分优选实施例中，太阳能高温反应器还包括泡沫套管式高温回热器9，泡沫套管式高温回热器9包括内管91和外管92，其中，内管91与工质出口8连通，外管与工质入口2连通。
具体的，反应产物在离开工质出口8后进入泡沫套管式高温回热器9的内管91，与泡沫套管式高温回热器9的外管92中的反应气体进行热交换，经过加热的反应气体由工质入口2进入反应腔。泡沫套管式高温回热器9可以预热反应气体，使得反应气体在反应腔内的反应更加充分，同时也可以回收反应产物带出的热量，使得本装置内的热量耗损速度减小。
参照图2-图3所示，在本部分优选实施例中，内管91和外管92中填充有高孔隙率泡沫材料，泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫。
具体的，高孔隙率泡沫材料可以进行强化换热，提高传热效率，由于反应产物与反应气体的热交换时间较短，因此在内管91和外管92中布置高孔隙率泡沫材料是极其必要的。
参照图2-图3所示，泡沫套管式高温回热器9外侧包裹有保温材料93。
具体的，保温材料93可以尽量减小本装置整体的热损失。
Claims (8)
1.一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，包括石英玻璃板(1)、工质入口(2)、保温层(3)、相变储能器(4)、相变储能器壳体(5)、整体式多孔催化剂(6)、反应器壳体(7)和工质出口(8)，
所述反应器壳体(7)设置于聚集太阳能传输方向，且反应器壳体(7)一端设有敞口端，所述石英玻璃板(1)连接于所述反应器壳体(7)的左侧开口端，并与所述反应器壳体(7)构成反应腔，所述工质入口(2)设置于所述反应器壳体(7)的左侧，所述工质出口(8)设置于所述反应器壳体(7)的右侧，所述整体式多孔催化剂(6)设置于所述反应器壳体(7)中，所述相变储能器(4)安装于所述反应器壳体(7)的外侧面上，所述相变储能器壳体(5)设置于所述相变储能器(4)的外表面上，所述保温层(3)包裹在所述相变储能器壳体(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述石英玻璃板(1)的透光率大于92％，所述反应器壳体(7)和所述相变储能器壳体(5)均采用耐高温不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述整体式多孔催化剂(6)由结构基体、涂层载体和催化剂组成；其中，结构基体为泡沫材料，涂层载体采用活性涂层γ-Al2O3，催化剂选自第VIII族金属或铂族贵金属。
4.根据权利要求3所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述整体式多孔催化剂(6)中的结构基体选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫，所述整体式多孔催化剂(6)的孔隙率或孔径沿反应气体流动方向逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述相变储能器(4)由泡沫材料和相变介质组成；所述泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫；所述相变介质选自氟盐及其共晶混合物。
6.根据权利要求1所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述太阳能高温反应器还包括泡沫套管式高温回热器(9)，所述泡沫套管式高温回热器(9)包括内管(91)和外管(92)，其中，所述内管(91)与所述工质出口(8)连通，所述外管与所述工质入口(2)连通。
7.根据权利要求6所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述内管(91)和所述外管(92)中填充有高孔隙率泡沫材料，所述泡沫材料选自氧化铝泡沫、碳化硅泡沫或镍金属泡沫。
8.根据权利要求6所述的一种集成相变储能与化学储能的太阳能高温反应器，其特征在于，所述泡沫套管式高温回热器(9)外侧包裹有保温材料(93)。
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|---|---|
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112426988A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-03-02 | 北京大学深圳研究生院 | 多功能桶式周围导光光催化反应装置 |
| CN112791670A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-14 | 南京大学 | 界面热催化体系 |
| CN113531918A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-10-22 | 华电电力科学研究院有限公司 | 一种拥有发电功能的太阳能热化学储能系统及方法 |
| CN114704968A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-05 | 华中科技大学 | 一种太阳能热化学反应装置及运行模式 |
| CN115057410A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-16 | 西安交通大学 | 一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器 |
| CN115304029A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-08 | 西安交通大学 | 一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4000733A (en) * | 1975-10-31 | 1977-01-04 | Lou Allen Pauly | Solar furnace |
| CN102721312A (zh) * | 2012-07-06 | 2012-10-10 | 中山大学 | 一种太阳能热化学混合储能装置及方法 |
| CN102744027A (zh) * | 2012-07-24 | 2012-10-24 | 南京工业大学 | 太阳能高温热化学耦合相变反应器 |
| CN103499230A (zh) * | 2013-09-23 | 2014-01-08 | 中山大学 | 一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法 |
| CN206146058U (zh) * | 2016-09-08 | 2017-05-03 | 哈尔滨理工大学 | 一种新型回热器‑‑海绵微型回热器 |
| CN108931064A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-12-04 | 福建工程学院 | 一种圆柱太阳能高温储能与换热吸热器 |
-
2019
- 2019-04-09 CN CN201910280489.5A patent/CN109876753A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4000733A (en) * | 1975-10-31 | 1977-01-04 | Lou Allen Pauly | Solar furnace |
| CN102721312A (zh) * | 2012-07-06 | 2012-10-10 | 中山大学 | 一种太阳能热化学混合储能装置及方法 |
| CN102744027A (zh) * | 2012-07-24 | 2012-10-24 | 南京工业大学 | 太阳能高温热化学耦合相变反应器 |
| CN103499230A (zh) * | 2013-09-23 | 2014-01-08 | 中山大学 | 一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法 |
| CN206146058U (zh) * | 2016-09-08 | 2017-05-03 | 哈尔滨理工大学 | 一种新型回热器‑‑海绵微型回热器 |
| CN108931064A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-12-04 | 福建工程学院 | 一种圆柱太阳能高温储能与换热吸热器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 宋红，史竞艳: "《化工原理实验》", 31 March 2015 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112791670A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-14 | 南京大学 | 界面热催化体系 |
| CN112791670B (zh) * | 2020-12-23 | 2022-08-19 | 南京大学 | 界面热催化体系 |
| CN112426988A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-03-02 | 北京大学深圳研究生院 | 多功能桶式周围导光光催化反应装置 |
| CN113531918A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-10-22 | 华电电力科学研究院有限公司 | 一种拥有发电功能的太阳能热化学储能系统及方法 |
| CN114704968A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-05 | 华中科技大学 | 一种太阳能热化学反应装置及运行模式 |
| CN115057410A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-16 | 西安交通大学 | 一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器 |
| CN115304029A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-08 | 西安交通大学 | 一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器 |
| CN115304029B (zh) * | 2022-08-26 | 2023-08-22 | 西安交通大学 | 一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器 |
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