CN109959177A - 一种热化学储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热化学储能系统，包括聚光及跟踪系统，吸热反应系统，第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统、释热反应系统以及热量利用系统；其中，聚光及跟踪系统将太阳光聚焦后投射到吸热反应系统，吸热反应系统进行吸热化学反应，其化学反应生成的气体和固体产物分别存贮在第三密封储罐系统和第二密封储罐系统作为释热反应系统的反应物；释热反应系统进行放热化学反应，将释放的热量递给热量利用系统，同时将化学反应生成的产物存贮在第一密封储罐系统作为吸热反应系统的反应物。本发明将太阳光子能量直接提供给储热材料颗粒，储热材料颗粒内部温度分布均匀，提高储热材料抗烧结特性，提高系统循环稳定性。

Description

一种热化学储能系统

技术领域

本发明属于太阳能储能系统领域，具体涉及一种直接吸收太阳能的热化学储能系统。

背景技术

随着化石能源的日趋枯竭，高效利用太阳能是未来处理能源危机与环境恶化问题的最佳解决方案之一。太阳能具有资源总量大、使用清洁、无偿性、无地域性等优点，在能源、动力、航空航天、民生等领域有着重要的应用，已成为全球可再生能源发展战略的重要组成部分。与光伏发电不同，太阳能热发电是先将太阳能转换为热能，再将产生的热能转换为电能，具有以下四个优点：一、电能输出稳定，与电网系统兼容性好，可无障碍并网；二、热能易存储，峰谷可调谐，可实现连续发电；三、规模效应显著，成本优势突出；四、生产与发电环节均清洁无污染。因此，太阳能热发电是未来高效利用太阳能的重要发展趋势。

然而，由于太阳能具有间歇性、波动性、难以持续供应等缺点，如何高效、大规模存储太阳能是太阳能热发电的关键技术瓶颈。传统熔融盐储热系统通常采用多种无机盐混合，一般工作温度在600摄氏度以下，且具有腐蚀性强、安全性差、温度波动范围大、储能时间短、储热密度低、热损失严重等缺点，给大规模应用带来挑战。热化学储能系统主要基于可逆热化学反应，如其中储能材料A可以通过吸热反应转换生成B和C，将热能转换为化学能，然后将B和C单独存储起来，实现能量的存储；当需要利用能量时，将B和C接触反应，重新生成A，实现循环利用，同时将能量释放出来。因此，热化学储能系统工作原理主要由吸收热量、存储热量、释放热量三个过程构成，具有温度范围广、储能时间长、储热密度大、储热损失低等优点，因而越来越受到重视。

目前太阳能热化学储能系统一般采用间接加热方式，首先利用聚光系统将太阳光聚焦后给太阳能集热器加热，然后集热器表面再通过导热和对流方式将热量传递给储能材料，实现热能转换为化学能的过程。这种表面式集热存在表面温度高、热量传递环节多、仅依靠表面吸收等问题，具有热损大、热阻大、效率低等缺点。同时，表面式集热还会引起储热材料烧结在集热器表面，更加剧传递热阻，降低储热密度与效率。因此，亟需开发一种体吸收式的太阳能热化学储能系统。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提供一种可实现太阳光子与储热材料粒子直接作用，减少太阳能光热转换过程的热阻，提高太阳能转换与存储效率的热化学储能系统。

技术方案:为了达到上述目的，本发明提供一种热化学储能系统，该储能系统包括聚光及跟踪系统，吸热反应系统，第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统、释热反应系统以及热量利用系统；其中，所述的聚光及跟踪系统将太阳光聚焦后投射到吸热反应系统，所述的吸热反应系统进行吸热化学反应，其化学反应生成的气体和固体产物分别存贮在第三密封储罐系统和第二密封储罐系统作为释热反应系统的反应物；所述的释热反应系统进行放热化学反应，将释放的热量递给热量利用系统，同时将化学反应生成的产物存贮在第一密封储罐系统作为吸热反应系统的反应物。

进一步，所述的吸热反应系统包括具有透明窗口的反应器，其反应器的储热材料包括氢氧化物、金属碳酸盐、金属氧化、金属氢化物一种或几种组合。

进一步，所述的储能材料的粒子运动方式为自上而下的垂幕式或自下而上的流化床式。

进一步，所述的储热材料颗粒具有太阳光谱高吸收、红外光谱低发射性。

进一步，所述的储热材料颗粒具有一定的机械强度和抗烧结性。

进一步，还包括控制器，分别在吸热反应系统与第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统之间以及在释热反应系统与第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统之间设置有控制器。

进一步，所述的聚光及跟踪系统为塔式系统、槽式系统、蝶式系统、菲涅尔式系统中的一种或几种组合。

有益效果：本发明作为一种直接吸收太阳能的热化学储能系统，具有传热环节少、热阻小、能量利用效率高等优点。因为是体吸收式太阳能吸热系统，系统温度分布可调控，属于容积式吸热储热，储热过程中热量损失小。由于太阳光子与储热材料直接发生相互作用，可以减少储热材料在吸热反应器表面产生烧结现象，提高储热密度与效率。太阳光子能量直接提供给储热材料颗粒，储热材料颗粒内部温度分布均匀，有利于提高储热材料抗烧结特性，提高系统循环稳定性。

附图说明

图1是本发明的热化学储能系统结构示意图；

图2是本发明的储热材料粒子设计原理图；

图3是本发明的释热材料粒子设计原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的热化学储能系统，主要包括聚光及跟踪系统1、吸热反应系统2、第一密封储罐系统3、第二密封储罐系统4、第三密封储罐系统5、释热反应系统6、热量利用系统7以及控制器。

本发明的热化学储能系统分为储能与释能两部分，当将太阳能转换为化学能进行存储时，第一密封储罐系统3通过管路、控制器与吸热反应系统2相互连接，为吸热反应系统提供化学反应原料；聚光及跟踪系统1通过光路设计，将太阳光聚焦后投射到吸热反应系统2上，为反应物加热，驱动吸热化学反应；化学反应生成的产物，包括气体和固体，其中气体通过气路、控制器输送给第三密封储罐系统5进行存储，固体通过管路、控制器输送给第二密封储罐系统4进行存储；当需要利用存储的化学能时，第二密封储罐系统4通过管路、控制器将反应物输送给释热反应系统6，第三密封储罐系统5通过气路、控制器将反应气体输送给释热反应系统6，在释热反应系统中发生放热化学反应，释放的热量驱动热量利用系统7，化学反应的产物通过管路、控制器输送给第一密封储罐系统，实现封闭循环。

所述控制器主要由安全阀、控制阀门、智能控制系统等构成，主要目的是调控反应物、产物、反应气体的进料速率、分离速率、在反应器、存储罐中的停留时间等，控制循环反应系统(吸热反应和释热反应系统)，实现峰谷调控，进行智能化储热。

所述的聚光及跟踪系统1可以为塔式系统(定日镜场阵列)、槽式系统(抛物面反射镜)、蝶式系统(抛物面反射镜阵列)、菲涅尔式系统(菲涅尔透镜)中的一种、几种或者全部的组合，每种聚光系统中都配有太阳光跟踪系统，能够实时跟踪太阳，实现自动调焦、聚光功能。聚光及跟踪系统1的主要目的是将太阳光均匀地聚焦于吸热反应器上，加热储热材料。

各子系统之间通过管路相互连接，通过控制器调控循环反应，控制器主要由安全阀、控制阀门、智能控制系统等构成，可以调控反应物、产物、反应气体的进料速率、分离速率、在反应器中的停留时间等。

所述控制器主要用于控制循环反应系统(吸热反应和释热反应系统)，能够实现峰谷调控，进行智能化储热。

所述的吸热反应系统2进行吸热化学反应，先将太阳能转换为热能，再将热能转换为化学能。吸热反应系统主要由具有透明窗口的反应器构成，聚焦太阳光能够透过窗口直接照射进入反应器，与反应器里面的储能材料颗粒相互作用，直接加热储能颗粒，实现太阳能体吸收，把太阳能转换为热能，同时产生的热能驱动储能材料发生化学反应，把热能转换为化学能。吸热反应器中粒子运动可以为自上而下的垂幕式或自下而上的流化床式中的一种。对于垂幕式，即：粒子像一道瀑布一样，在重力作用下，自上而下流过吸热窗口；对于流化床式，即：粒子在气体作用下，自下而上流过吸热窗口。吸热反应系统同时能够将化学反应的产物进行有效分离，分别存贮在密封储罐系统中。

其中，储热材料可以选择不同的热化学储能体系，包括氢氧化物(如氢氧化钙、氢氧化镁)、金属碳酸盐(碳酸钙、碳酸铅、碳酸锶)、金属氧化物(氧化钡、四氧化三钴)、金属氢化物(氢化镁)等。具体化学反应式如下所示：

氢氧化物：

金属碳酸盐：

金属氧化物：

金属氢化物：从储热材料的选择中可以看出，储热材料(固体)通过化学反应生成释热材料(固体)和反应气体(气体)，通过化学可逆反应，再次生成储热材料。

为了保证储能材料颗粒对太阳光能够高效捕获与吸收，这样才能让储能材料直接吸收利用太阳能，具体涉及到储能材料颗粒的设计。如图2所示，在储热过程中，储能材料颗粒在吸热反应器中发生运动、碰撞等过程，能够与太阳光子发生相互作用，高效捕获与吸收太阳光子，产生热量，驱动热化学反应进行。由于大部分的储热材料为白色粉末，对太阳光吸收能力弱，需要精心设计储热材料颗粒，使其能够高效捕获与吸收太阳能。基于掺杂工程(对储热材料进行改性)、光学散射效应(颗粒尺寸设计)、光学共振效应(等离子激元共振、Mie共振)等方式，提高储热材料颗粒对全光谱太阳光的高效捕获与吸收。同时，为了减少辐射热损失，需要降低储热材料颗粒在红外波段的发射率。因此，本发明的储热材料颗粒具有太阳光谱高吸收、红外光谱低发射的特征。值得注意的是，改性设计后的储热材料颗粒需要满足循环稳定性特征，具有抗烧结特性，如图3所示，在释热过程中，释热材料能够通过化学反应生成初始的储热材料，储热/释热性能保持不变，实现系统循环工作。

所述的密封储罐系统，主要目的是分别存贮储热材料、释热材料、反应气体，实现化学反应的反应物、产物循环利用。其中，第一密封储罐系统3主要存储吸热反应的原材料反应物(储热材料)，同时作为释热反应的产物；第二密封储罐系统4主要存储吸热化学反应的固体产物，同时也作为释热反应的反应物；第三密封储罐系统5主要存储吸热化学反应的气体产物，同时也作为释热反应的反应物。密封储罐系统与吸热反应系统、放热反应系统都是通过管路、控制器、气路等相互连通的，构成闭式循环，这样可以实现储能系统的循环利用。

密封储罐系统，主要目的是分别存贮储热材料、释热材料、反应气体，实现化学反应的反应物、产物循环利用。一方面密封储罐系统可以收集吸热反应器中产生的反应产物(释热材料和反应气体)，另一方面密封储罐系统需要给吸热反应系统提供反应原材料(储热材料)，同时也需要给释热反应系统提供反应原材料(释热材料和反应气体)，这样构成闭式循环。

所述的释热反应系统6进行放热化学反应，把存储的能量释放出来，把化学能转换为热能。释热反应系统主要由释热反应器构成，主要为了让释热材料和反应气体能够充分接触，产生化学反应，释放热量。一方面释热反应系统需要将化学反应的产物存贮在密封储罐系统中，另一方面释热反应系统需要将释放的热量有效传递给热量利用系统。

所述的热量利用系统7有效利用释放的热能，包括热水利用系统，涡轮机发电系统等，能够提供采暖、发电等服务，根据使用需求，通过热力学循环，充分、有效地利用释放的热能。

整个系统工作原理可以简述如下：首先，第一密封储罐系统3将吸热化学反应的原材料反应物输送进入吸热反应系统2；然后，聚光及跟踪系统把太阳光聚焦后照射进入吸热反应器中，让太阳光子与储热材料颗粒直接发生作用，直接加热储热材料颗粒，实现太阳能体吸收，把太阳能转换为热能，同时产生的热能驱动储能材料发生化学反应，把热能转换为化学能，吸热化学反应的固体产物存储于第二密封储罐系统4，气体产物存储于第三密封储罐系统5；接着，第二密封储罐系统4与第三密封储罐系统5将吸热反应的产物作为释热化学反应的反应物输送进入释热反应系统6中，在释热反应器中，释热材料颗粒与反应气体充分接触，发生化学反应，把热量释放出来，提供给热量利用系统7利用；最后，释热反应的产物存储于第一密封储罐系统3中。由于各个子系统都由控制器相互连接，在控制器的调控下，吸热反应系统、释热反应系统、储罐系统等相互协调，实现整个系统循环工作。

Claims (7)

1.一种热化学储能系统，其特征在于：该储能系统包括聚光及跟踪系统，吸热反应系统，第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统、释热反应系统以及热量利用系统；其中，所述的聚光及跟踪系统将太阳光聚焦后投射到吸热反应系统，所述的吸热反应系统进行吸热化学反应，其化学反应生成的气体和固体产物分别存贮在第三密封储罐系统和第二密封储罐系统作为释热反应系统的反应物；所述的释热反应系统进行放热化学反应，将释放的热量递给热量利用系统，同时将化学反应生成的产物存贮在第一密封储罐系统作为吸热反应系统的反应物。

2.根据权利要求1所述的热化学储能系统，其特征在于：所述的吸热反应系统包括具有透明窗口的反应器，其反应器的储热材料包括氢氧化物、金属碳酸盐、金属氧化、金属氢化物一种或几种组合。

3.根据权利要求2所述的热化学储能系统，其特征在于：所述的储能材料的粒子运动方式为自上而下的垂幕式或自下而上的流化床式。

4.根据权利要求2所述的热化学储能系统，其特征在于：所述的储热材料颗粒具有太阳光谱高吸收、红外光谱低发射性。

5.根据权利要求2所述的热化学储能系统，其特征在于：所述的储热材料颗粒具有一定的机械强度和抗烧结性。

6.根据权利要求1所述的热化学储能系统，其特征在于：该储能系统还包括控制器，分别在吸热反应系统与第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统之间以及在释热反应系统与第一密封储罐系统、第二密封储罐系统、第三密封储罐系统之间设置有控制器。

7.根据权利要求1所述的热化学储能系统，其特征在于：所述的聚光及跟踪系统为塔式系统、槽式系统、蝶式系统、菲涅尔式系统中的一种或几种组合。