CN111183323A - 用于转换热能的装置、对应的太阳能反应器以及相关的设备 - Google Patents

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Abstract

本文描述的是一种太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，包括壳体(2；102；202；302；402)以及在壳体(2；102；202；302；402)的内部的芯部(4；104；204；304；404)，其中壳体(2；102；202；302；402)和芯部(4；104；204；304；404)沿着纵向轴线(X)在轴向上发展，并且在其间包括容积，芯部(4；104；204；304；404)包括与所述容积处于热交换关系的导热的基体(41；141；241；341；441)，基体(41；141；241；341；441)容纳用于工作流体的一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)，一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)与基体(41；141；241；341；441)处于热交换关系。此外，本文描述的是一种对应的太阳能反应器(500)和一种对应的设备(600)。

Description

用于转换热能的装置、对应的太阳能反应器以及相关的设备
技术领域
本发明涉及能量转换设备，并且涉及对应的部件，尤其是涉及用于开发和转换太阳能的设备。
背景技术
基于用于从热力学太阳能源产生电能的设备的当前技术正在努力扎根，并且因此单位制造成本远非成熟技术的那些类型。能够获得的可能最重要的数据之一与在大致二十年中这些设备的制造成本几乎已经下降了十倍的事实相关。
热动力太阳能设备通过两个独立的能量转换步骤将太阳能间接转换为电能。
第一步骤包括将太阳能转换为热载体流体中存储的热能。
第二步骤通常包括通过传统的热力学循环，例如有机兰金循环(ORC，organicRankine cycle)，将热能转换成电能。
在本文中提到的具有线性抛物线型收集器的设备中，辐射通过具有线性抛物线形的镜子聚集在设置在收集器的焦线上的接收管上，并且在其中流动有热载体流体，例如在高温下被加热的导热油。热载体流体供给给蒸汽发生器，然后所述蒸汽发生器转而供给ORC设备的蒸汽涡轮机或者涡轮发电机，以高效率将由热载体流体供给的热能转换成电能。
为了克服由太阳能源提供的能量流的可变性，除了将热能存储在热存储装置中的可能性以外，还能够依靠与通过甲烷气体或其他燃料烧制的热水贮槽(boiler)的热集成，因此创建混合设备。
因此，除了用于从计划停机状态重新起动以外，甲烷烧制的热水贮槽还通过在白天并且在低直接辐射的情况下通过与太阳能设备同时工作而提供能量贡献。
换言之，传统的转换过程总结为如下步骤：
太阳能收集器经由跟踪算法而持续地跟随太阳，将太阳辐射不断地聚集在安装在抛物面的焦点处的接收管上。
因此积累的热能被转移到热载体流体，并且从热载体流体转移到涡轮发电机的工作流体，产生变为20kV的国家电网的电能。
与太阳能设备并行的是，热水贮槽集成了使热载体流体达到工作温度所需的热能，并且此外，由来自化石和/或可再生自然资源的来源的第三方产生的任何可能的过程热都为加热热载体流体做出了贡献。
因此，传统的热力太阳能设备因此基本上组成如下：
·太阳能捕捉系统
·接收管
·管道网络
·热存储系统
·ORC涡轮发电机
·冷却系统
·集成热水贮槽
·阀、泵以及配件
这样的设备的当前成本为每兆瓦电力8,000,000欧元左右。这是与典型的数值(例如光伏系统的数值)相比没有竞争力的数值，这没有考虑明显较高的复杂性以及同样较高的维护成本。
因此，从技术和经济的角度来看，与已经成熟的系统(诸如风电类型、光伏类型、生物质类型等)相比，需要使该技术具有吸引力。
技术经济优化将为该技术的广泛传播打开大门，尤其是与其他开发可再生能源的技术相比，最好的热力学太阳能设备更适合于工业用途，即使当同时从太阳能源产生电能时，也产生高温下的高质量热。
工业用途和需求实际上是针对能量的程序化生产，具有在已经成熟的、并且通常比电能(电池)的蓄电池便宜的、用于积累热能的系统的辅助下提供的可能的不同的用途。
然而，如果甚至能够在将热能转换为用于工业用途的电能之前开发更好的热能，那么热力学(TD)系统能够表现出新的有趣的潜力，尤其是从环境保护的角度来看。
本发明的目的
本发明的目的是多样的。本发明的第一个目的是提供一种太阳能转换器装置以及相关的太阳能反应器，所述太阳能反应器将能够实现流过其的流体的更广谱的处理(请记住，热量的质量越高，热载体流体的温度越高)。特别地，目的是提供一种能量转换器装置，其能够实施热调节(尽管扩展到具有高温和高压和/或化学侵蚀性的流体)并且能够促进用于处理流体本身的化学反应。
本发明的另外的目的是将热能转换成如下的能量形式：所述能量形式能够容易地存储在其随后的向电能转换的上游。
发明内容
本发明的目的通过根据所附的权利要求书的、构成了本文中提供的关于本发明的技术公开的组成部分的太阳能转换器装置、太阳能反应器和设备来实现。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，这些附图仅通过非限制性的示例的方式提供，其中：
-图1是根据本发明的各种实施例并且尤其是在本文中根据本发明的第一实施例本身表示的能量转换器装置的整体视图；
-图2A是根据第一实施例并且根据图1的箭头A的能量转换器装置的详细视图，而图2B是图2A的能量转换器装置的部件的分解图；
-图3A是根据第二实施例的能量转换器装置的详细视图(再次参照与图1的箭头A相关的区域)，而图3B是图3A的能量转换器装置的部件的分解图；
-图4A是根据第三实施例的能量转换器装置的详细视图(再次参照与图1的箭头A相关的区域)，图4B是在组装状态下的图4A的能量转换器装置的部件的视图，而图4C和图4D图示出构成图4A的部件的元件；
-图5A是根据第四实施例的能量转换器装置的详细视图(再次参照与图1的箭头A相关的区域)，图5B是在组装状态下的图5A的能量转换器装置的部件的视图，而图5C是图5B的一部分部件的分解图；
-图6A是根据第五实施例的能量转换器装置的详细视图(再次参照与图1的箭头A相关的区域)，而图6B是参照图6A的圆圈B的详细视图；
-图7是根据本发明的优选实施例的太阳能反应器的示意图；以及
-图8图示出使用根据本发明的能量转换器装置和太阳能反应器的设备。
具体实施方式
图1中的附图标记1作为整体表示根据本发明的各种实施例(并且在此尤其是根据第一实施例)的太阳能转换器装置。
转换器装置1包括壳体2和芯部4，两者均沿纵向轴线X轴向地发展并且彼此同轴且与轴线X同轴。设置在转换器1的端部的是第一端板6和第二端板8，它们确定了转换器的界线并且以流体密封的方式围城包括在壳体2与芯部4之间的容积。优选地，转换器装置1具有整体圆柱形的形状，使得壳体2和芯部4两者都具有整体圆柱形的形状。在这种情况下，包括在芯部4与壳体2之间的容积像圆柱形的环那样来确定形状。在所讨论的容积中获得真空。
在优选实施例中，芯部4包括管状元件40，容纳在所述管状元件40中的是基体(matrix)41，所述基体转而容纳一个以上的用于工作流体的流动管道，所述流动管道与基体本身处于热交换的关系。出现在图1和图2A的实施例中的是单个的流动管道42。全部恰当的元件具有圆柱形的形状，并且与轴线X同轴。此外，全部恰当的元件在内部具有最小游隙地彼此配合(基体41内的管道42，以及管状元件40内的基体41)，只需要能够实现组装。此外，基体41处于与包含在芯部4与壳体2之间的容积的热交换的关系，在所述容积中获得真空(由此意味着尽可能接近理论真空的条件)。
另一方面，将理解的是，在优选实施例中，能够从用于热力学太阳能设备的共用接收管开始获得转换器装置1。实际上，前述装置的基础结构包括壳体2(外部管状元件)和内部管状元件40，以及端板6和8。为此，恰好像在传统的热力学太阳能设备的接收管中那样，转换器1的壳体2在外侧设置有高吸收性涂层(例如，选择性的高吸收性深色涂料)，用于所吸收的辐射能的最大化，并且由玻璃制成。相反，管状元件40由例如钢的(导热的)金属材料制成，并且在管状元件40与壳体2之间获得真空。壳体2(玻璃)与管状元件40之间的热膨胀差异由端板6和8补偿。
基本上，根据本发明的转换器1优选地通过将基体41和相应的一个以上的流动管道42插入在用于热力学太阳能设备的共用接收管的管状元件40内而获得。这能够降低转换器的制造成本。尽管如此，特别是对于某些应用，无论预先存在的部件如何，都能够获得转换器1。在这种情况下，根据设计要求，可以省略管状元件40，并且基体41可以直接面对壳体2。在任何情况下，基体41处于与包括在芯部与壳体之间的容积热交换的关系，或者在省略管状元件40的情况下是直接的，或者在设置了管状元件40的情况(优选实施例)下通过管状元件40。
因此，更一般地，可以应用以下构造(其也适用于将要描述的其他实施例)：
-壳体2是管状壳体；
-在设想的情况下，基体41沿纵向轴线X从管状壳体2的第一端延伸至第二端；这也适用于管状元件40；
-一个以上的流动管道沿纵向轴线X在基体内延伸，并从所述第一和第二端伸出；并且
-第一端板6和第二端板8分别布置在所述第一端和第二端处，并且确定了管状壳体2与芯部4之间的容积；在该容积内获得真空(即，是其中所存在的气体/空气的排空体积)。
参考图2B，基体41由具有高导热率(不低于50W/(m·K)，更优选地不低于140W/(m·K),并且甚至更优选地不低于220W/(m·K))的固态材料制成，诸如由铜、石墨或者铝制成，并且被设置在多个部分中以便于组装。特别地，在图1和图2的实施例中，基体41设置在两个C形的半部41A、41B中，两个半部41A、41B彼此抵靠地建立，以形成接收单个流动管道42的基体，所述基体的形状像圆柱环基体。
流动管道42由耐高压、高温以及化学侵蚀的材料制成，诸如因科镍合金(Inconel)或者具有类似性能的其他金属合金。这使得转换器1适合与高压和/或高温下的流体一起使用，甚至与侵蚀性化学物质一起使用。这意味着不仅能够像在传统的热力太阳能设备的接收管的情况中那样处理低压流体，而且还能够处理高压流体(诸如加压的水或者蒸汽)，并且能够允许化学反应的发展，诸如超临界水中的气化。即使转换器1可以以与接收管相同的方式使用，但其实际上是多功能反应器。
在该实施例中，如可以从图2A可知的，基体41作为整体具有薄壁，而流动管道42具有厚壁。
参照图3A和图3B，根据本发明的转换器的第二实施例由附图标记100表示。在功能上(并且在应用时在结构上)与已经针对转换器1进行了描述的组件相同的全部组件，均通过相同的附图标记增加100来表示。因此，由102表示的是壳体，由104表示的是芯部，由106和108表示的第一端板和第二端板，由140表示的是内部管状元件(设想的)，由141表示的是基体，由141A和141B表示的是半部，而由142表示的是流动管道。
出于该原因，除非另有说明，否则适用之前已经提供的相同的结构和功能上的描述。在这方面，所讨论的实施例与转换器1的不同之处仅在于，现在是基体141具有厚壁，而流动管道142具有薄壁。
参照图4A和4B，根据本发明的转换器的第三实施例由附图标记200来表示。在功能上(并且在应用时在结构上)与已经针对转换器1、100进行了描述的组件相同的全部组件，均通过相同的附图标记增加200来表示。因此，由202表示的是壳体，由204表示的是芯部，由206和208表示的第一端板和第二端板，由240表示的是内部管状元件(设想的)，由241表示的是基体，而由242表示的是流动管道(在该情况下，多于一个)。
出于该原因，除非另有说明，否则适用之前已经提供的相同的结构和功能上的描述。在这方面，所讨论的实施例与转换器1、100的不同之处仅在于，它包括多个流动管道242，在此特别是布置在正方形的顶点处的四个流动管道242。因此，基体241包括四个轴向通道，每个轴向通道具有平行于轴线X的轴线X*，在其中容纳有对应的流动管道242(其也与相应的轴线X*同轴)。
方便地，通过并排设置模块化元件而获得基体241。在优选实施例中(参见图4B、图4C以及图4D)，使用两种类型的模块化元件组装基体241，特别是具有星形截面241A(图4D)的型材和具有双镰刀形截面241B(图4C)的型材。通过将四个型材241B组装成圆形，并且将一个型材241A设置为与轴线X(位于圆的中心)同轴，获得具有基体的四个孔的截面(在图4B中可见)。
参照图5A和图5B，根据本发明的转换器的第四实施例由附图标记300来表示。在功能上(并且在应用时在结构上)与已经针对转换器1、100、200进行了描述的组件相同的全部组件，均通过相同的附图标记增加300来表示。因此，由302表示的是壳体，由304表示的是芯部，由306和308表示的是第一端板和第二端板，由340表示的是内部管状元件(设想的)，由341表示的是基体，而342表示的是流动管道(在该情况下，多于一个)。
出于该原因，除非另有说明，否则适用之前已经提供的相同的结构和功能上的描述。在这方面，所讨论的实施例与转换器1、100的不同之处仅在于，它包括多个流导管342，并且此外在流导管的数量上与转换器200不同(根据正方形阵列在此布置九个而不是四个)。
因此，矩阵341包括九个轴向通道，每个轴向通道具有平行于轴线X的轴线X*，在其中容纳有对应的流动管道342(其也与相应的轴线X*同轴)。
方便地，通过并排设置模块化元件而获得基体341。在优选实施例中(参见图5B、图5C)，使用三种类型的模块化元件来组装基体341，特别是具有像具有两个基部341A，341B的圆形段的截面形状的第一型材和第二型材，以及具有像具有一个基部341C的圆形段的截面形状的型材。每个型材在其至少一侧包括圆柱形沟槽(以相差一个的数量)，所述圆柱形沟槽被构造为与另一个型材上的相应的沟槽并排设置从而限定流动通道。
通过以图5C所示的顺序组装三个型材，覆盖了基体341的一半截面，使得需要以镜面方式布置的另外三个型材，因此总共六个型材。
最后，参照图6A和图6B，根据本发明的转换器的第五实施例由附图标记400来表示。在功能上(并且在应用时在结构上)与已经针对转换器1、100、200进行了描述的组件相同的全部组件，均通过相同的附图标记增加400来表示。因此，由402表示壳体，由404表示的是芯部，由406和408表示的是第一端板和第二端板，由440表示的是内部管状元件(在此总是设想的，如不久将看到的)，由441表示的是基体，而由442表示的是流动管道(在此多于一个)。
出于该原因，除非另有说明，否则适用之前已经提供的相同的结构和功能上的描述。在这方面，所讨论的实施例与之前描述的全部转换器1、100、200、300的不同之处在于，基体441由具有高表观导热率(不低于45W/(m·K)，更优选地不低于90W/(m·K),并且甚至更优选地不低于140W/(m·K))的材料制成，诸如由具有颗粒结构(例如粉末形式)的铜、石墨或者铝制成，只要其能够被容易地压实以便将容纳有流动管道的容积中的真空的程度最小化，并且因此确保良好的热传导。
整个图片在图6B中表示。因此，像转换器300的情况那样，流动管道442直接恰当地嵌入颗粒材料中，并且根据正方形阵列布置。
参照图7，附图标记500作为整体表示使用一个以上的根据本发明的转换器元件1、100、200、300、400的太阳能反应器。
太阳能反应器500基本上是太阳能收集器，其包括转换器1、100、200、300、400和用于聚集太阳辐射的装置，所述装置包括一个以上的反射元件，所述一个以上的反射元件被构造为将反射的太阳辐射聚集在太阳能转换器装置1、100、200、300、400上。
在本文图示出的优选实施例中，用于聚集太阳辐射的装置是由菲涅耳镜阵列构成的类型，并且包括主镜阵列PM，所述主镜阵列对称地布置，并且相对于中央镜PM1具有逐渐增加的倾斜度。在此特别地-仅通过示例-主镜阵列PM包括三对周边镜PM2、PM3、PM4(以与镜PM1的距离的增加顺序列出)。根据本发明，一个以上的转换器元件1、100、200、300、400位于阵列PM的聚焦轴上，特别是通过使轴线X与阵列PM的聚焦轴重合。此外，相对于一个以上的转换器元件，在与阵列PM的相反侧设置有第二反射镜SM。此外要记住的是，在替代实施例中，能够求助于具有抛物面几何形状(线性或盘形)的太阳能集中器装置，再次将转换器布置在聚焦轴上(在线性抛物面的情况下)或者沿着连接顶点和焦点的直线布置(在盘形抛物面的情况下)。
一个以上的转换器元件1、100、200、300、400以液压串联的方式连接在一起，并且此外可以适于与形成一个以上的另外的收集器500的一部分的一个以上的类似的串联以并联的方式连接。通过螺纹接合(部分设置在转换器的端板上)或者凸缘接合获得连接，所述凸缘接合能够吸收将要在一个转换器元件与下一个转换器元件之间，或者在每个转换器元件的一个以上的流动管道与容纳有一个以上的流动管道的导热基体之间产生的热膨胀的差异。另一方面，应当注意到的是，连续的转换器之间的连接实际上获得了相应的基体41、141、241、341、441之间的热中断，所述热中断限制了沿轴向的传导的热交换，反而将它们限制在每个转换器内，以最大化处理效率。此外，应当注意到的是，为了尽可能多地防止在轴向方向上传导的热交换，可以将被热中断(在其中获得真空的隔膜或间隙)分开的多个部分设置在各个转换器元件1、100、200、300、400内的基体41、141、241、341、441本身上。
转换器构成反应器500的单个重复的模块化单元，其在两端连接至尽可能多的转换器，直到获得期望的总线性长度为止，像在塞流式反应器(PFR)中那样。期望的总线性长度在设计阶段经由计算程序确定，所述计算程序尤其考虑了待处理废物的流量，环境条件和操作反应器500的地点的日晒条件，以及需要根据所要实施的处理确保的最短停留时间(例如，如不久将看到的，以使废物的转化最大化)。反应器500甚至可以具有数百米的总长度，并且因此可以由以串联构造互连的数百个重复单元(转换器1、100、200、300、400)构成。
考虑到系统的显著的模块化特性，也能够设想-如前所述-多个串联设置的转换器的并联布置，以便以离散并且易于预测的方式增加能够由设备处理的工作流体的流速。
另外，根据本发明的有益方案，能够使转换器1、100、200、300、400(并且因此反应器500)的网络配备有用于控制和引导位于一个转换器(或者一系列转换器)与下一个转换器之间的流量的自动阀的系统。自动阀可以是三通阀或者四通阀，具有以下连接的模式：
a)三通阀-第一端口连接到上游的转换器(或者一系列转换器)，第二端口连接到下游的转换器(或者一系列转换器)，而第三端口(或者引出端口)连接到引出管道的第一端，所述引出管道的第二端转而连接到插入另外的一系列转换器的对应的(三通或者四通)阀的引出端口，或者连接到另外的一系列的上游，或者再次连接到单个转换器的上游；
b)四通阀-第一端口连接到上游的转换器(或者一系列转换器)，第二端口连接到下游的转换器(或者一系列转换器)，第三端口和第四端口(或者引出端口)连接到两个引出管道的相应的第一端，两个引出管道的第二端转而连接到插入另外的一系列转换器的对应的(三通或者四通)阀的引出端口，或者连接到另外的一系列的上游，或者再次连接到单个转换器的上游。
每个系列的转换器1、100、200、300、400与以上指定的类型的对应的一些列太阳能集中器装置相关联。
在包括并联连接的三个以上系列的转换器的液压连接的网络的情况下，三通阀能够用于并联的中间系列和端部系列二者(假设彼此物理并联地发展的一系列转换器，端部系列为侧部处的系列，即，侧面只有一个另外的系列连接的系列，而中间系列为包括在侧部之间的系列，即，侧面有两个另外的系列连接的系列)，而四通阀能够主要用于中间系列。
在总体上，太阳能反应器500(在该情况下将理解为简单的反应器的集合)因此包括多个液压连接在一起的转换器装置1、100、200、300、400，其中液压连接包括依次串联连接的转换器装置1、100、200、300、400的并联连接，并且其中在一个以上的系列的转换器装置1、100、200、300、400中插入一个以上的阀用于控制和引导流量，所述一个以上的阀被构造为用于在对应的系列与所引出的一个以上的其他系列建立液压连接。
每个阀的一个或多个移动元件优选地通过电动伺服马达控制或者气动地控制。通过计算机以集中的方式对阀的网络(以及因此阀本身)进行电子管理，在所述计算机中，尤其是实施使用反应器500的设置的设备的全局监视。
通过控制上述阀，能够根据可用的辐射获得动态的流动路径。作为实际效果，这对应于改变太阳能接收器/转换器的串联/并联布置的长度，并且因此使得当辐射最小时能够具有最大长度的流动路径，以便增加了流体的停留时间并且即使在辐射较少时也允许其达到高温。当辐射充足或者恢复充足时，为了保证恒定的操作温度(需要维持化学反应)，能够：
-干预自动阀系统，以获得给出相同操作流量的较短的流动路径；或者
-干预转换器(例如，供给泵)的网络的液压供应组件的流速，以增加给出相同的流动路径的总长度的操作流速。
如图7中示意性表示的，反应器500接收入射的太阳辐射ISR，并且经由镜PM1-PM4(能够绕其自身的对称轴线以如下的方式转动：总是朝向转换器即时地反射和集中最大的入射辐射)以辐射冲击转换器1、100、200、300、400的方式将其朝向聚焦轴反射(反射的太阳辐射RSR)。未被转换器直接拦截的量被第二镜SM进一步反射(辐射RSR’)，并且因此最终冲击转换器。
将在下文中描述转换器1、100、200、300、400以及反应器500的操作。
转换器1、100、200、300、400基本上作为多功能化学反应器操作。如前所述，其能够在如下情况下无差别地操作：在高压和高温下与非侵蚀性流体(例如，加压的水或蒸汽)从而获得其热调节以用于具有高温和高压下的流体的传统的热力学太阳能设备，或者具有侵蚀性的化学物质或者通常发生反应的化学物质，从而除了热处理(例如，热裂化或者热重组或者通过高温促进的再次的化学过程，诸如超临界水中的有机成分的气化)以外，实施其化学处理。
在这一点上，流动管道必须由允许它们在操作中承受高于水的临界压力(221巴)的压力(优选地230巴，并且甚至更优选地250巴)的材料制成。此外，材料必须同时承受高于水的临界温度(374℃)的温度，优选地550℃，并且甚至更优选地700℃。
最后，关于对化学侵蚀性环境的抵抗力，分别制成管子4、104、204、304、404的嵌套件的管道42、142、242、342、442的材料必须能够经受腐蚀成分(诸如硫化氢或者盐酸)或者脆化成分(诸如氢)的化学作用，所述腐蚀成分或者所述脆化成分可以在优选应用了本发明的超临界水的气化过程中形成。
在两种情况下，进入转换器的能量通过冲击转换器本身的太阳辐射来传递。完全与热力学热力太阳能设备的共用接收器有关的该实现方式承袭了其能量吸收的机构。入射的太阳辐射ISR冲击壳体2、102、202、304、402，并且由于后者的涂层而被吸收。在壳体2、102、202、304、402与芯部4、104、204、304、404之间存在的真空避免了由于对流造成的任何能量损失。此外，壳体通过反射穿过其的辐射而抑制辐射集中在芯部上。由此处，由于基体41、141、241、341、441，热能被转移到在一个以上的流动管道42、142、242、342、442中流动的流体，所述一个以上的流动管道可以具有从0.5至2英寸的外径(考虑到能够使用的典型尺寸，根据所选择的直径，将能够容纳不同数量的管道，在任何情况下少于十个)。
传递到流动管道42、142、242、342、442内的工作流体的大量的热能，以及管道对高压和高温以及对化学侵害的高抵抗力，提供适合用作超临界水中的气化反应器1、100、200、300、400的转化器1、100、200、300、400，并且因此提供作为超临界水中的太阳能气化炉的反应器500，这例如对于处理城市固体废物的有机碎片是有帮助的。当然，这仅仅是可能使用的一个示例。如上所述，反应器500也能够作为如下反应器来操作，用于碳氢化合物或者废物的有机碎片的裂化或重组，或者再次用于由高温和高压促进的其他化学过程。
实际上，只要需要超过水的临界点的压力和温度(221巴，374℃)，超临界水中的气化过程就会发展，而不是在苛刻的操作条件下。在这些条件下，被称为“超临界水”的水，失去了其极性化合物的特性，并且因此不再能够溶解离子物质。因此，溶解非极性物质(诸如城市固体废物中存在的有机分子)的能力显著提高。因此，除了构成反应环境(假设其构成总反应容量的90％以上)并且本身作为轻度氧化剂参与反应以外，水还用作有机物质的载体(在正常的亚临界条件下，其反而将具有低的溶解度)。
气化反应的化学过程非常复杂，因为起始废物中可能存在的非常多种的化学物质，并且因为涉及反应和反应阶段的多种中间化合物(吸热中间化合物和放热中间化合物)。
然而，一般的气化反应可以用以下简化的形式表达：
CaHbOcNdXf(废料浆)+H20(废水/排放水)→CH4+H2+CO2+CO+H2S+H2O(净水)+惰性物质(X、N的盐)
其中X为一般的卤素(组VII的元素)或者组VI的元素(例如，硫磺)，N为氮(或者组V的其他元素，例如，磷)，O为氧，H为氢，而C为碳。
通常，气化反应可被认为是部分氧化反应，其中水作为氧化剂参与，在空气中的正常燃烧中起着类似于氧气的作用。
根据该总体反应，在气化的产物中能够发现甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢(如果输入的废物中包含硫)、水以及惰性盐。
相比于常规处理(诸如通过蒸汽/空气的气化)，有机物的超临界气化提供了以下列出的一些重要优点。
-能够高产地应用于水含量高(高达95％)的有机物；因此，不需要将会降低工艺的热效率的装料的干燥的预处理。
-由于上述气化反应在稀释的介质中发展，因此在有机分子的水解的条件下，没有形成对常规气化工艺构成显著的限制的碳沉积物(焦油和烧焦物)。
-较低的工艺温度(<650℃)和较低的氧含量不能形成危险的污染物，诸如NOx，而这些污染物总是在常规的气化和燃烧工艺中形成。
-在高压下获得气态产物，因此在气体在反应器下游膨胀时，以气体本身的机械能形式获得泵送有机装载物所涉及的能量的回收。
为了获得可接受的有机废物的转化，需要保证在550℃与650℃之间的温度下提供的气流的停留时间保持在几分钟左右。从关于该主题的广泛可获得的科学文献，已知废物在输入时的转化(通常以“碳效率”的术语表达，即，表达为在供给中输出时的气体中存在的碳摩尔数相比于输入时的碳摩尔数表示)取决于所供应的废物的性质(即，取决于其最终组成)并且取决于操作条件(温度和停留时间)。特别地，所供应的气流的组成和反应温度影响工艺的热力学，所述工艺可以是总体上是吸热或放热的，或者甚至呈现出不导热的特性。积极有用的产品的产量也是工艺的操作条件的函数，只要产品具有高的发热量(氢气、甲烷)，鉴于能够在文献中发现的信息以及由大量研究组进行的许多实验研究，能够说明随着温度和/或停留时间增加，轻质燃油的产量逐渐增加(尤其是氢的产量增加)。
为了将热能转换成能够易于存储且被极限运输的燃料，在图8示意性地图示出的处理设备600中利用了转换器1、100、200、300、400(特别是当配备太阳能反应器500的情况下)。设备600专门设计用于处理城市固体废物的有机碎片(OFMSW)。
在设备600中，普通废物分类的部分中的未加工食品废物被称为“湿式有机废物”(厨房废物、食物残渣、水果和蔬菜废物、小骨头、蛋壳、没有包装就变质并且过期的食物、用于冰淇淋或者棒棒糖的木棍、来自壁炉的烟灰、切花、咖啡渣、茶叶以及过滤器、未印刷的纸手帕和餐巾、可用作堆肥的塑料等)，与用于生物质的厌氧消化的设备类似地，收集在袋子中的湿式有机废物在预处理组件601中被一起处理。
用机械方式打开袋子，容纳的物品按顺序经历：
1)动态筛选以去除大约9-10％的不可回收的塑料材料；
2)磁性去除的处理，用于去除含铁材料的可能痕迹；
3)机械切碎，在其下游大约去除了另外5％的塑料材料；以及
4)除砂，用于去除比有机成分重、作为机械部件的磨损的潜在原因的惰性砂和固体。
从机械预处理输出的产品具有污泥的稠度，并通过分配由常压分离器(见下文)回收的水的补足而被发送至供给有低压蒸汽VAP的热水解罐602，其目的是降解更复杂的有机分子(例如，污泥的木质素或者细胞)。
罐的容量被设计成以便确保短时间装载OFMSW的日定量，而没有明显改变混合物的质量，因此能够将恒定流量的均质产品随后供应到位于下游的离心分离器603。
在分离器603中，将尚未在热水解罐602中溶解和水解的固体有机成分分离，然后供给到第二水解罐604，所述第二水解罐在酸性环境(HCl溶液)中操作，在其中进行蛋白质、碳水化合物以及油脂的水解拆解，产生糖、氨基酸以及具有少数碳原子的挥发性酸的最终产品。
溶液然后进入第三水解罐605，这次在碱性环境中操作，其中分配有一定量的石灰(CaOH)，其有利于有机固体进入溶液，但不溶于酸性环境。
在第四罐NT1中终止之前或者在添加有中和剂的中和罐中终止之前(流程RNT1)，脱去现在是碱性的溶液，并作为洗涤剂GS送至塔中，以洗涤排放到大气中的气体(见下文)。此处，惰性盐沉淀并被去除(流程SS)，而水溶液作为再循环流被送回酸水解罐604。
待被气化的溶液从离心分离器603经由泵606，特别是连续地脱去标称工艺流量的用于泥浆的容积泵，而被送到太阳能反应器，以在超临界水500中进行气化。由于由上述自动阀系统提供的操作灵活性(如前所述，能够获得不同长度的流动路径)，流速甚至是可变的(在已经设计出的系统的操作范围内)，或者甚至在太阳辐射不足的情况下也可以适度地维持不变。
待气化的溶液从反应器的一端加载，并在高压流动管道42、142、242，342、442内部穿过反应器(即，沿着转换器1、100、200、300、400的整个网络)。在这里，由于被镜PM1-PM4集中的入射的太阳辐射(ISR)，溶液被加热，直到其超过水的临界温度并达到550-600℃，在该温度下能够认为气化反应被触发。
通过将混合物保持在这些条件下达预设的时间(约1-2分钟)，并继续经由太阳辐射提供能量，能够获得高达80％的有机物的转化，甲烷和氢的产量高。
从达到特定的最小阈值温度的瞬间起(这通常取决于供给的废物的性质和组成)，气化反应开始在气化反应器500内发生，即，有机分子的热分解，根据前面提到的一般的气化反应，有机分子与构成反应环境的水反应，从而形成简单的分子，诸如甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢(如果进入的废物含有硫)以及惰性盐。
位于反应器500的输出处，即，在相对于供给端的相对端处的，是灰的捕捉器607，其具有以定期的时间间隔的自动方式聚集和排放已经形成在反应器500内的碳残留物、灰、其包含物以及盐的功能。
捕捉器607下游的管线穿过存在于用于积累热能的装置609(热能积累装置，该装置优选地是在2017年8月8日提交的工业发明专利申请第102017000091905号中描述的类型)的第一冷却级，将积累和释放的一定量的热能传递到其上，以加热用于ORC系统中的工作流体(例如，导热油)，该ORC系统可操作地连接至交流发电机610以产生电能。在通过热能积累装置609之后，捕捉器607的下游管线进入用附图标记611表示的H2S静态捕捉器中，目的是捕获和转化气化期间可能产生的硫化氢(在所提供的废物中含有硫的情况下)。
捕集器611包括填充有吸附剂材料层的绝热管，例如，填充有氧化铁(或者氧化锌)的基底，能够根据以下的反应将硫化氢H2S转化为硫化亚铁并释放水：
H2S+FeO→FeS+H2O
第二反应单元613，其同样是绝热的并且是管状，填充有团状或者粉末状的氧化铝或者氧化铬或者氧化镁，灌输有特定的过渡金属(例如，镍、钴、铁、钌、铑、钼等)，执行催化甲烷转化器的作用；即，根据以下的一组反应将氢和碳氧化物转化为甲烷：
水蒸气置换反应：
CO2+H2→CO+H2O
甲烷化反应：
CO+3H2→CH4+H2O
考虑到甲烷化工艺总体上是放热的，并且是在(理想的)绝热条件下进行的，因此气流将经历温度升高。从设备的能源优化角度来看，污水中可利用的热能被用于经由有附图标记612表示的在高压和高温下操作的热交换器对进入甲烷化器本身的气流进行预加热。后者优选地如在2016年1月29日提交的发明专利申请第102016000009566号和2017年1月27日提交的国际专利申请第PCT/IB2017/050445号中所描述地获得。
设备的高压部分终止于气液分离器615，其中较冷的沼气流略微达到层积(热膨胀阀614)，因此通过焦耳-汤姆森效应(Joule-Thomson effect)进一步冷却。
仍然保持的压力和目前较低的温度(相对于工艺条件)使得存在的二氧化碳的相当一部分得以保留在水相中。
在这里，两相分离，即：
·冷凝水部分，将其进一步层压(热膨胀阀616)，降低到略高于大气压的压力，并送至第二大气压相分离器617；
·气态部分，其在该步骤中构成了适当的未加工的沼气(甲烷～70％，二氧化碳～30％)；使其通过中压相分离器618(在15-20巴下操作)，在转送沼气之前通过膜分离系统619进行提升。
基于膜技术的沼气提升系统可在商业上获得，并且通常由用于去除湿气、可能的油迹以及细颗粒的一系列过滤器620、电加热器621以及一个以上的膜分离模块622组成，可能通过带有再循环的双级装置来提高甲烷的回收率。根据其构造，膜分离器622能够产生富含甲烷的截留物流，其纯度水平甚至高于98％，并且根据设备构造，能够产生主要由二氧化碳构成但可能包含甚至超过20％的甲烷的渗透物流。截留物流代表能够发送到电网中的有用的产品；穿过大气相分离器617的渗透物流被送入热水贮槽623。
像在普通民用形式的废气的情况下那样，通常由膜系统的渗透物(其中唯一存在的燃料为甲烷)构成的生成流在热水贮槽623中的燃烧，使废气EXH进入大气。在排放到大气中之前，气体在任何情况下都在洗涤塔624中洗涤，其中其与来自碱性水解罐605的带有碱性溶液GS的逆流接触，从而减少可能存在的其他酸性气体的痕迹，因此实施将基本上仅由二氧化碳组成的废气的洗涤。
热水贮槽623同时加热导热油625的闭路流，其转而将热量转移到另外的最终的热能积累装置626(优选地像热能积累装置609那样再次获得)，用于生产供给安装在热水解罐602中的蛇形管所需的低压蒸汽VAP。
最后，在能够排出到污水系统中(流程WP)之前，将大气相分离器617的水相流出物，扣除被除去的试样并再循环到热水解罐602和酸水解罐604中，将其送至添加了对应的中和剂(流程RNT2)的第二中和罐NT2。
概括地说，设备600可以分解为以下组合，尤其包括：
-预处理部(包括组件601、罐602、604、605以及离心分离器603)，其构造为从城市固体废物的有机碎片(OFMSW)开始，获得有机水溶液(悬浮固体含量低)；
-太阳能反应器500；
-供给器(泵606)，用于将有机水溶液供给到太阳能反应器500；反应器500被构造为用于实施上述有机水溶液的热处理，包括超临界水中的气化、裂化或重组(这些后面的工艺在气相中进行)；以及
-后处理部(包括反应器500下游的整套装置607-626)，用于处理太阳能反应器500的反应产物，构造为用于从所述反应产物中提取甲烷。
此外，后处理部包括用于积累热能的一个以上的装置(热能积累装置609、626)，其构造为用于从反应器500的反应产物中提取热能。
此外，设置在太阳能反应器500下游、用于积累热能的上述装置之一(并且如果需要，甚至超过一个)被构造为通过释放通过从反应产物提取而积累的热能而作为ORC系统的工作流体的加热器进行操作。在设备600中，尤其是热能积累装置609。
因此，转换器1、100、200、300、400作为能够将城市固体废物的有机碎片转化为生物燃料(甲烷)并且能够使用积累器(热能积累装置)回收多余的热量的太阳能化学反应器而进行操作。
然后将积累的热量转换为电能，具有三个最终结果：
·清理OFMSW；
·产生电能；
·甲烷高产(厌氧浸煮器具有不超8％的产量)，其将被送入用于民用目的和工业用目的电力网；
·产生灌溉用水(所谓的净水)。
如果考虑能够获得转换器1、100、200、300、400，则如已经看到的，通过用于热力学太阳能设备的普通接收器的简单变型，上述优点甚至变得更加明显，减少了成本/竞争力的问题。
当然，在由此不脱离所附权利要求书所限定的本发明的保护范围的情况下，结构和实施例的细节可以相对于本文中已经描述和示出的内容广泛地变化。

Claims (15)

1.一种太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，包括壳体(2；102；202；302；402)以及在所述壳体(2；102；202；302；402)的内部的芯部(4；104；204；304；404)，其中所述壳体(2；102；202；302；402)和所述芯部(4；104；204；304；404)沿着纵向轴线(X)在轴向上发展，并且在其间包括容积，
-所述芯部(4；104；204；304；404)包括与所述容积处于热交换关系的导热的基体(41；141；241；341；441)，
-所述基体(41；141；241；341；441)容纳用于工作流体的一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)，所述一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)与所述基体(41；141；241；341；441)处于热交换关系。
2.根据权利要求1所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中，在所述容积内部设置为真空。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中，所述壳体(2；102；202；302；402)由折射材料制成，尤其是由玻璃制成。
4.根据权利要求3所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中，所述壳体(2；102；202；302；402)包括由太阳辐射吸收材料制成的涂层。
5.根据权利要求1所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中：
-所述壳体(2；102；202；302；402)为管状的壳体，
-所述基体(41；141；241；341；441)沿着所述纵向轴线(X)从所述管状的壳体(2；102；202；302；402)的第一端向第二端延伸，并且
-所述一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)在所述基体(41；141；241；341；441)内沿着所述纵向轴线(X)延伸，并且伸出对应的所述第一端和所述第二端，并且
其中此外，第一端构件(6；106；206；306；406)和第二端构件(8；108；208；308；408)分别设置在所述第一端和所述第二端处，并且确定所述管状的壳体(2；102；202；302；402)与所述芯部(4；104；204；304；404)之间的所述容积。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中：
-所述壳体(2；102；202；302；402)包括外部管状元件，
-所述芯部(4；104；204；304；404)包括内部管状元件，其中容纳有所述基体(41；141；241；341；441)。
7.根据权利要求5所述的太阳能转换器装置1；100；200；300；400)，其中，所述基体(441)由压实的粉末状材料制成。
8.根据权利要求1所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，其中，所述一个以上的流动管道(42；142；242；342；442)抵抗高于221巴的内压，优选抵抗高于230巴的内压，并且甚至更优选地抵抗高于250巴的内压，抵抗高于374℃的连续操作温度，而且优选抵抗高于550℃的连续操作温度，并且甚至更优选地抵抗高于770℃的连续操作温度，并且抵抗具有侵蚀性且脆化的化学剂。
9.一种太阳能反应器(500)包括：
-根据前面权利要求中的任一项所述的太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)，
-太阳辐射集中装置，其包括构造为对应于所述太阳能转换器装置(1；100；200；300；400)集中所入射的太阳辐射的一个以上的反射元件。
10.根据权利要求9所述的太阳能反应器(500)，其中，所述集中装置包括以下中的至少一个：
-菲涅耳镜阵列(PM；PM1，PM2，PM3，PM4)，
-线性抛物线型收集器，
-盘状抛物线型收集器。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的太阳能反应器(500)，包括彼此液压连接的多个所述的转换器装置(1；100；200；300；400)，所述液压连接包括依次串联液压连接的转换器装置(1；100；200；300；400)的并联连接，其中，在一个以上的系列的转换器装置(1；100；200；300；400)中安装有一个以上的流动方向和控制阀，其构造为建立使对应的系列与一个以上的其他系列分叉的液压连接。
12.根据权利要求11所述的太阳能反应器(500)，其中，所述一个以上的流动方向和控制阀能够被电气或者气动地控制的，并且能够通过计算机监视。
13.一种用于城市固体废物的有机碎片(FORSU)的处理的设备(600)，包括：
-预处理部，其构造为用于将所述城市固体废物的有机碎片(FORSU)转换为水的有机溶液；
-根据权利要求9至12中的任一项所述的太阳能反应器(500)，
-所述有机水溶液向所述太阳能反应器(500)的供给器(606)，所述太阳能反应器(500)构造为用于所述水的有机溶液的热处理，
-后处理部，其用于所述太阳能反应器(500)的反应产物，构造为用于从所述反应产物中提取甲烷。
14.根据权利要求13所述的设备(600)，其中，所述后处理部包括构造为用于从所述反应产物收获热能的一个以上的热能积累装置。
15.根据权利要求14所述的设备(600)，其中，布置在所述太阳能反应器(500)的下游的热能积累装置(609)还被构造为：通过释放从反应产物收获而存储的热能，来作为用于有机兰金循环设备(ORC)的工作流体的加热器进行操作。
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