CN112443989A - 基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能光热转换技术领域，具体提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法。基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统包括颗粒吸热器、入料罐、换热器、氧浓度分析仪以及计算机，热化学颗粒自入料罐进入颗粒吸热器内进行吸热并发生反应，将光能转化为热能和化学能进行存储，反应后的热化学颗粒到达换热器内，并与后续的工质进行热交换。氧浓度分析仪实时检测颗粒吸热器及换热器内的氧浓度并将氧浓度数据传送给计算机，计算机根据氧浓度检测结果对系统的反应进程进行检测和控制。本系统以热化学颗粒作为吸热储热工质，通过对系统的氧浓度和温度的检测、调节以及通过对热化学颗粒流动的控制实现对系统内颗粒吸热器的防护。

Description

基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法

技术领域

本发明属于太阳能光热转换技术领域，具体提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法。

背景技术

太阳能由于其可再生、清洁等特性受到广泛欢迎，但由于太阳能的能流密度较低，年均值仅能达到200W/㎡，使用起来效率较低，因此就需要相应的光线聚集及转换装置，提升能流密度，便于进行集中发电。而目前较为常用的太阳能收集系统就是塔式太阳能聚光吸热系统，其通过大量的定日镜使太阳光聚集于吸热器上，进而加热工质，完成由光能到热能的转化，聚光比可到达1500，运行温度最高可以达到1300℃。当前吸热器已经发展到第四代——颗粒集热器，其实现了吸热、储热的一体化，有效缩减设备体积，同时可以在1000℃的高温下运行，有着极大的发展潜力。

对于当前常见的一些颗粒吸热器，比如幕帘式颗粒吸热器、阻碍流式颗粒吸热器、离心式颗粒吸热器以及流化床式颗粒吸热器，它们往往采用惰性颗粒作为吸热储热工质。惰性颗粒包括树脂、石英砂、氧化铝、粘土、滑石及其混合物等，比热容较小。由于颗粒吸热器设备运行温度高，而惰性颗粒比热容相对较小，升温速度极快，同时考虑到光斑区域能流分布不均，导致光斑中心区域的惰性颗粒吸收大量热量，温度快速上升，而光斑边缘区域的颗粒温度上升速度缓慢，温度较低。伴随这一现象的发生，容易产生局部的过高温，导致颗粒吸热器设备内部形成热应力，进而引发设备变形甚至断裂。同时，颗粒本身也容易由于局部温度过高而熔化，导致颗粒吸热器无法正常运行。并且，在监测颗粒吸热情况时，一般单纯通过布置温度测点来进行监测，无法精确计算颗粒吸收热量及参与反应的颗粒质量，难以制定精准的控制策略。

热化学颗粒，也即在一定温度区间内能够可逆地进行氧化还原反应的金属氧化物颗粒。相比惰性颗粒，热化学颗粒具备下述优势：(1)比热容较大。热化学颗粒既有显热又有潜热，因此有较大的比热容，利于保持温度恒定，防止出现局部过高温；(2)反应稳定性强。热化学颗粒有着相对稳定的性质，可承受温度高达1150℃，不会因为反应温度过高的原因而熔化；(3)集吸热、储热、防护等功能一体化。热化学颗粒能在较高温下保持较好的稳定性，可以同时实现热量收集、热量存储以及化学防护的功能，无需额外采取防护措施；(4)反应可逆且具有高选择性。热化学颗粒在高温下反应吸收热量并产生氧气，在低温下反应逆向进行，同氧气反应放出热量，使得便捷精确监测及控制吸放热过程成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，该系统以热化学颗粒作为吸热储热工质，通过对系统的氧浓度和温度的检测、调节以及通过对热化学颗粒流动的控制来精确监测和控制系统的反应过程，进而实现对系统内吸热储热设备的防护。

本发明提供了一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，包括：

颗粒流通组件，具有多个部件，热化学颗粒在多个部件之间进行流通，多个部件具体包括：

颗粒吸热器，用于吸收太阳能，并对位于其中的热化学颗粒加热，热化学颗粒在吸热后升温并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气；

入料罐，与颗粒吸热器连通，用于向颗粒吸热器提供低温的热化学颗粒；

换热器，与颗粒吸热器连通，用于接收颗粒吸热器中高温的还原后热化学颗粒以及氧气，还原后热化学颗粒与氧气反应放热并与后续的做工工质进行热交换；

氧浓度分析仪，分别与颗粒吸热器及换热器连接并检测氧浓度；

计算机，与氧浓度分析仪通信连接，计算机能够根据氧浓度分析仪的氧浓度检测结果对整个系统进行检测。

相较于现有技术而言，本发明提供的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，利用氧浓度分析仪实时检测颗粒吸热器和换热器中的氧浓度并将检测到的氧浓度数据传输给计算机。计算机根据接收到的氧浓度数据并通过计算测得反应区域氧气浓度变化、反应速率、参与反应的颗粒量及颗粒的热化学储热量，并可根据需求控制颗粒流通组件的各部件之间热化学颗粒流通的通断以及流通量，从而精确检测和控制颗粒吸热器内反应区域的反应过程。

本发明采用热化学颗粒作为吸热储热工质，利用热化学颗粒比热容较大、性质相对稳定等特点，能够提升吸热储热工质对于非均匀光斑的适应能力，既有利于保持颗粒吸热器内的温度均匀恒定，又有助于同时实现热量收集、热量存储以及化学防护的功能，从而能够辅助基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统的吸放热过程的精确调控。

进一步的，颗粒流通组件还包括：

缓冲罐，分别与颗粒吸热器、换热器连通并与氧浓度分析仪连接，用于接收颗粒吸热器内的高温的还原后热化学颗粒，并传送给换热器。

根据上述技术方案，缓冲罐对流入换热器内的热化学颗粒具有缓冲作用，热化学颗粒先进入缓冲罐，然后再进入换热器，能够确保热化学颗粒以均匀稳定的状态进入进入换热器，从而保证热化学颗粒在换热器内能够均匀稳定的进行换热，进而保证换热器中后续做工工质的工作稳定。

进一步的，基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统还包括：

气体交换器，与颗粒吸热器以及换热器均连通，用于向颗粒吸热器以及换热器内提供气体。

根据该优选方案，通过气体交换器向颗粒吸热器内提供气体，能够增强颗粒吸热器内的气流扰动，保证颗粒吸热器内的热化学颗粒以及气体的均匀性，有助于还原反应的均匀进行，也有助于内部的热量均衡。通过气体交换器向换热器内提供气体，能够维持换热器内的氧气浓度处于稳定的水平，从而保证氧化反应的进行。

进一步的，气体交换器内的气体为氮气、二氧化碳或者空气。

根据该优选方案，将上述气体通入颗粒吸热器，还有助于维持颗粒吸热器内部氧气浓度在一个较低的水平，从而有助于热化学颗粒的还原反应的进行。

进一步的，基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统还包括：

温度检测器，与颗粒流通组件内的各个部件连接并检测各个部件内的温度；

温度检测器还与计算机通信连接，计算机能够根据温度检测器的温度检测结果对整个系统进行检测。

根据该优选方案，温度检测器测定颗粒流通组件内的各个部件内的温度，并将检测到的温度实时传递给计算机，计算机根据传回的温度数据，实现温度的实时检测。计算机结合接收到的氧浓度数据和温度数据，能够更为精确地计算测得系统中还原反应进行的程度，然后更为精确地对反应程度进行控制，实现对系统反应的实时监控。

进一步的，颗粒流通组件内各个部件颗粒吸热器与入料罐以及缓冲罐之间、缓冲罐与换热器之间的连通均利用电动阀门实现通断，电动阀门与计算机通信连接。

根据该优选方案，计算机通过控制电动阀门的通断以及开度，能够自动且精准地控制热化学颗粒在颗粒流通组件内各个部件之间的启闭以及流通量，从而实现对系统反应进程的精准控制。

进一步的，颗粒吸热器中设置有气流扰动叶片，气流扰动叶片的转动能够带动颗粒吸热器内的气流扰动。

根据该优选方案，利用气流扰动叶片的工作，能够带动颗粒吸热器内的气流扰动，保证颗粒吸热器内的热化学颗粒以及气体的均匀性，有助于还原反应的均匀稳定进行，也有助于内部的热量均衡。

进一步的，热化学颗粒为纯金属氧化物颗粒、复合金属氧化物颗粒中的一种或者两种。

根据该优选方案，纯金属氧化物颗粒具有极高的选择性，在高温下基本只与氧气发生反应，一方面因此可以充分利用空气中的氧气，另一方面在反应的同时副反应比例很低，保证颗粒的纯度。而相对于纯金属氧化物颗粒，复合金属氧化物颗粒的氧传质过程较强，反应速度更快，可逆性更强，反应的温度区间也显著增大，可极大提升对非均匀光斑的适应性。

本发明还提供了一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法，利用前述任一技术方案中的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，包括如下步骤：

步骤S1：自入料罐向颗粒吸热器内通入热化学颗粒；

步骤S2：光照打到颗粒吸热器内的热化学颗粒，热化学颗粒吸收热量并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气，热化学颗粒将光能转化为热能以及化学能进行储存；

步骤S3：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器进入换热器，并与后续的做工工质进行换热；

伴随着上述步骤S1-S3的进行，还同时进行了如下步骤：

步骤S4：浓度分析仪实时检测颗粒吸热器以及换热器内的氧浓度，并将检测的氧浓度数据传输给计算机；

步骤S5：计算机根据接收到的氧浓度数据及其变化，实时测算得到颗粒吸热器中还原反应的进程，从而控制颗粒吸热器与入料罐和换热器之间通道的开闭。

相较于现有技术而言，本发明提供的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法，利用计算机实时接收氧浓度分析仪传输的颗粒吸热器及换热器内氧气浓度变化，并根据接收到的氧浓度分析仪传输的氧浓度数据，通过计算测得反应区域氧气浓度变化、反应速率、参与反应的颗粒量及颗粒的热化学储热量，并可根据需求控制入料罐和颗粒吸热器之间、颗粒吸热器与换热器之间的流通量，从而精确检测和控制反应区域的反应过程。

另外，本发明基于热化学颗粒进行吸热储热，利用热化学颗粒比热容较大、性质相对稳定等特点，有效缓解颗粒流动面上局部温度过高和冷热不均的问题，对颗粒吸热器提供了防护。

进一步的，在上述步骤S3中，包括如下子步骤：

步骤S31：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器进入缓冲罐，进行缓冲；

步骤S32：高温的还原后热化学颗粒自缓冲罐均匀稳定地进入换热器，并与后续的做工工质进行换热。

根据该优选方案，利用缓冲罐对流入换热器内的热化学颗粒进行缓冲，确保热化学颗粒以均匀稳定的状态进入进入换热器，从而保证热化学颗粒在换热器内能够均匀稳定的进行换热，进而保证换热器中后续做工工质的工作稳定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、基于氧气浓度监测反应过程，可实现反应区域总体监控，有效丰富监测数据的类型，提升了数据精确性及可信度。

2、基于热化学颗粒进行吸热储热，有效缓解颗粒流动面上局部温度过高和冷热不均的问题，对颗粒吸热器提供了防护。

3、该方法及系统可满足多类温度区间需要，且适用于多类颗粒吸热器。

4、基于调控实现颗粒流通组件中各个部件的自发防护，维持各个部件温度稳定且温度梯度小，保证各部件的正常运行

5、所述的监测过程为系统自动完成，无需人为参与测定参数；所述的防护过程为自发进行，无需专门设置防护材料及装置。

附图说明

图1是本发明中基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统的结构示意图；

图2是本发明中基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法的流程图(一)；

图3是本发明中基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法的流程图(二)；

图4是本发明中基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法的流程图(三)；

图5是本发明中测定颗粒吸热器自发防护效果试验的结构示意图；

图6是本发明中测定颗粒吸热器自发防护效果试验的结构示意图(示意温度测点排布)。

附图说明：1、颗粒吸热器；2、入料罐；3、换热器；4a、4b、4c、氧浓度分析仪；5、缓冲罐；6、气体交换器；7a、7b、7c、温度检测器；8a、8b、8c、8d、电动阀门；9、气流扰动叶片；10、颗粒流通组件；20、计算机；11、入光口；12、光照；13、颗粒流动面；14、热化学颗粒层；15、温度测点。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，参见图1所示，具有由多个部件组成的颗粒流通组件10，热化学颗粒在多个部件之间进行流通。具体的，颗粒流通组件10中的多个部件包括颗粒吸热器1以及与颗粒吸热器1连通的入料罐2、换热器3。入料罐2用于向颗粒吸热器1提供低温的热化学颗粒，颗粒吸热器1用于吸收太阳能，并对位于其中的热化学颗粒加热，热化学颗粒在吸热后升温并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气。换热器3则用于接收颗粒吸热器1中高温的还原后热化学颗粒以及氧气，还原后热化学颗粒以及氧气在换热器3内发生氧化反应并放出大量的热，利用所放出的热量与后续的做工工质进行热交换。热化学颗粒在还原反应中释放的氧气，除了用于氧化反应外，还能够用于氧气浓度测定以及氧气制造。

本实施方式中，热化学颗粒为纯金属氧化物颗粒、复合金属氧化物颗粒中的一种或者两种。其中，纯金属氧化物颗粒具有极高的选择性，在高温下基本只与氧气发生反应，一方面因此可以充分利用空气中的氧气，另一方面在反应的同时其他副反应比例很低，保证颗粒的纯度。而相对于纯金属氧化物颗粒，复合金属氧化物颗粒的氧传质过程较强，反应速度更快，可逆性更强，反应的温度区间也显著增大，可极大提升对非均匀光斑的适应性。

更优地，热化学颗粒为(Mn_0.75Fe_0.25)₂O₃颗粒，(Mn_0.75Fe_0.25)₂O₃颗粒作为基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统中的热化学颗粒使用，其氧传质过程极强，反应速度更快，可逆性更强，反应的温度区间也显著增大，可极大提升对非均匀光斑的适应性。

太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统还包括通信连接的氧浓度分析仪4a、4c和计算机20，氧浓度分析仪4a、4c分别与颗粒吸热器1以及换热器3连接。氧浓度分析仪4a、4c检测颗粒吸热器1与换热器3的氧浓度，然后将检测到的氧浓度数据传递给计算机20，计算机20根据氧浓度分析仪4a、4c的氧浓度检测结果对整个系统进行检测。

基于该吸热储热系统，本实施方式还提供了一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法，参见图2所示，包括如下步骤：

步骤S1：自入料罐2向颗粒吸热器1内通入热化学颗粒；

步骤S2：光照12打到颗粒吸热器1内的热化学颗粒，热化学颗粒吸收热量并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气，热化学颗粒将光能转化为热能以及化学能进行储存；

步骤S3：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器1进入换热器3，并与后续的做工工质进行换热；

伴随着上述步骤S1-S3的进行，还同时进行了如下步骤：

步骤S4：氧浓度分析仪4a、4c实时检测颗粒吸热器1以及换热器3内的氧浓度，并将检测的氧浓度数据传输给计算机20；

步骤S5：计算机20根据接收到的氧浓度数据及其变化，实时测算得到颗粒吸热器1中还原反应的进程，从而控制颗粒吸热器1与入料罐2和换热器3之间通道的开闭。

本实施方式提供的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，利用氧浓度分析仪4a、4c实时检测颗粒吸热器1和换热器3中的氧浓度并将检测到的氧浓度数据传输给计算机20；计算机20根据接收到的氧浓度数据，计算颗粒吸热器1及换热器3内两相邻时间记录点氧浓度差值，将差值除以时间间隔可以实时计算出氧气浓度的变化率；进一步地，可以将氧气浓度的变化率转化为反应速率以及参与反应的颗粒量；从而实现对颗粒吸热器1内部的反应区域的氧气浓度变化、反应速率以及参与反应的颗粒量的实时自动检测。

基于此，计算机20实时接收氧浓度分析仪4a传输的颗粒吸热器1内氧气浓度变化，然后同该颗粒吸热器1内气体总体积相乘，即可得到通过化学反应生成的氧气总量，从而能够计算出颗粒所吸收的热化学储热量，再同颗粒温度变化对应的显热热量相加，即为颗粒吸收的总热量。对于放热过程，计算机20实时接收氧浓度分析仪4c的数据，可得到化学反应生成的氧气总量，进而同理可得到热化学放热量。计算机20与氧浓度分析仪4a、4c配合，并通过实时检测和测算，能够实现对颗粒的热化学储热量及热化学放热量的实时自动监测。

综上，计算机20根据接收到的氧浓度分析仪4a、4c传输的氧浓度数据，通过计算测得反应区域氧气浓度变化、反应速率、参与反应的颗粒量及颗粒的热化学储热量、热化学放热量，并可根据需求控制入料罐2和颗粒吸热器1之间、颗粒吸热器1与换热器3之间的热化学颗粒的流通量，从而精确检测和控制反应区域的反应过程。

本发明采用热化学颗粒作为吸热储热工质，利用热化学颗粒比热容较大、性质相对稳定等特点，能够提升吸热储热工质对于非均匀光斑的适应能力，既有利于保持颗粒吸热器1内的温度均匀恒定，又有助于同时实现热量收集、热量存储以及化学防护的功能，从而能够辅助基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统的吸放热过程的精确调控。基于热化学颗粒进行吸热储热，还能够有效缓解颗粒流动面13(见图5)上局部温度过高和冷热不均的问题，对颗粒吸热器1提供防护。

颗粒流通组件10还包括缓冲罐5，缓冲罐5分别与颗粒吸热器1以及换热器3连通，用于接收颗粒吸热器1内的高温的还原后热化学颗粒，并传送给换热器3。基于此，参见图3所示，在上述步骤S3中，包括如下子步骤：步骤S31：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器1进入缓冲罐5，进行缓冲；步骤S32：高温的还原后热化学颗粒自缓冲罐5均匀稳定地进入换热器3，并与后续的做工工质进行换热。

缓冲罐5对流入换热器3内的热化学颗粒具有缓存以及缓冲作用，热化学颗粒先进入缓冲罐5，然后再进入换热器3，能够确保进入换热器3的热化学颗粒以均匀稳定的状态进入，从而保证热化学颗粒在换热器3内能够均匀稳定的进行换热，进而保证换热器3的工作状态稳定。

同时，缓冲罐5还与氧浓度分析仪4b连接，氧浓度分析仪4b实时检测缓冲罐5内的氧浓度，并将氧浓度数据传递给计算机20。在系统的稳定运行过程中，如发现缓冲罐5内氧气过大波动时，则表明此时缓冲罐5的保温出现问题，热化学颗粒提前发生放热反应，此时应当关闭整个系统，检查缓冲罐5的保温情况。

需要说明的是，在本实施方式中，入料罐2、颗粒吸热器1以及缓冲罐5分别连接一个氧浓度分析仪4a、4b、4c，但是在本发明的其他实施方式中，入料罐2、颗粒吸热器1以及缓冲罐5也可以连接在同一个氧浓度分析仪上，氧浓度分析仪分别检测并显示入料罐2、颗粒吸热器1以及缓冲罐5的氧浓度。

基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统还包括气体交换器6，气体交换器6与颗粒吸热器1连通，用于向颗粒吸热器1内提供气体。基于此，参见图4所示，伴随着步骤S2中，还具有如下子步骤：步骤S21：气体交换器6向颗粒吸热器1内通入气体，增强颗粒吸热器1内的气流扰动。通过气体交换器6向颗粒吸热器1内提供气体，能够增强颗粒吸热器1内的气流扰动，保证颗粒吸热器1内的热化学颗粒以及气体的均匀性，有助于还原反应的均匀进行，也有助于颗粒吸热器1内部的热量均衡。

气体交换器6还与换热器3连通，用于向换热器3内提供气体，维持换热器3内的氧气浓度处于稳定的水平，从而保证氧化反应的进行。在本发明的其他实施方式中，上述步骤S21为气体交换器6向换热器3内通入气体，维持换热器3内的氧气浓度处于稳定的水平。

优选地，气体交换器6内的气体为氧气含量较少或者没有的氮气、二氧化碳或者空气中的一种或者多种。将上述种类的气体通入颗粒吸热器1，稀释颗粒吸热器1内的氧气浓度，有助于维持颗粒吸热器1内部氧气浓度在一个较低的水平，从而有助于热化学颗粒的还原反应的进行。同时，上述气体均为不活泼气体，不易在高温中爆炸，能够提高颗粒吸热器1的安全性。

更进一步的，颗粒吸热器1中设置有气流扰动叶片9，气流扰动叶片9的转动能够带动颗粒吸热器1内的气流扰动。基于此，参见图4所示，伴随着步骤S2中，还具有如下子步骤：步骤S22：颗粒吸热器1内的气流扰动叶片9转动，带动颗粒吸热器1内的气流扰动。利用气流扰动叶片9的工作，能够进一步地带动颗粒吸热器1内的气流扰动，保证颗粒吸热器1内的热化学颗粒以及气体的均匀性，有助于还原反应的均匀进行，也有助于内部进一步的热量均衡。更优地，气流扰动叶片9以一定时间间隔转动，进一步促进颗粒吸热器1内气流混合。

特别地，基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统还包括温度检测器，温度检测器与颗粒流通组件10内的各个部件连接并检测各个部件内的温度。温度检测器还与计算机20通信连接，计算机20能够根据温度检测器的温度检测结果对整个系统进行检测。具体地，本实施方式中的温度检测器7a、7b、7c有三个，三个温度检测器7a、7b、7c分别与颗粒吸热器1、缓冲罐5以及换热器3连接，在其他实施方式中，温度检测器也可以仅有一个，该温度检测器可以同时检测颗粒吸热器1、缓冲罐5以及换热器3内的温度。基于此，参见图4所示，在步骤S3中，还具有如下子步骤：步骤S23：利用温度检测器7a、7b、7c检测颗粒流通组件10中各个部件的温度，并将测得的温度数据传递给计算机20，计算机20根据温度数据实现对稳定的实时检测。

根据该优选方案，温度检测器7a、7b、7c测定颗粒流通组件10内的颗粒吸热器1、缓冲罐5以及换热器3内的温度，并将检测到的温度数据实时传递给计算机20，计算机20根据传回的温度数据，实现温度的实时检测。计算机20结合接收到的氧浓度数据和温度数据，能够更为精确地计算测得系统中还原反应进行的程度，然后更为精确地对反应程度进行控制，实现对系统反应的实时监控。氧浓度分析仪4a、4b、4c和温度监测仪7a、7b、7c配合，可实现对颗粒吸热器1内反应区域的总体监控，有效丰富监测数据的类型，提升了数据精确性及可信度。

颗粒流通组件10内各个部件之间的连通均利用电动阀门实现通断，电动阀门与所述计算机20通信连接。具体地，颗粒吸热器1与入料罐2、缓冲罐5以及气体交换器6之间、缓冲罐5与换热器3之间分别设置有电动阀门8a、8b、8c、8d。计算机20通过控制电动阀门8a、8b、8c、8d的通断以及开度，能够自动且精准地控制热化学颗粒在颗粒流通组件10内各个部件之间的启闭以及流通量，从而实现对系统反应进程的精准控制。

更进一步地解释为，本基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统的自发防护功能是建立在热化学颗粒比热容较大这一特性的基础上，热化学颗粒可将吸收的热量部分转化为化学潜热进行储存。当温度升高到反应温度区间时，温度基本不变，且光斑区域内各处颗粒温差很小，颗粒吸热器1各部分体积膨胀量均处于可长期运行限制范围内，颗粒吸热器1内热应力维持在一个较低的水平。同时，依照运行需要，可以维持颗粒吸热器1温度稳定，颗粒温度波动小，颗粒流动面13(见图5)上所加的冷热循环载荷大大减弱，进一步保护了颗粒吸热器1。

同时，自发防护功能也是伴随调控过程的进行而自动实现的。计算机20依照运行需要进行颗粒的精确控制以及颗粒吸热器1和换热器3内气氛(是指氧气浓度、热化学颗粒的量以及温度等)调节。颗粒流量的调节，要借助自动监测过程中所输出的反应颗粒量，获取热化学颗粒进入颗粒吸热器1速率以及热化学颗粒离开颗粒吸热器1速率。通过计算机20输出的颗粒实时反应质量，让已经反应的热化学颗粒从颗粒吸热器1及换热器3中流出，并及时向颗粒吸热器1及换热器3中补充相应质量的颗粒，使整个运行系统处于稳定的状态。当对于颗粒控制精度要求不高时，可以采用简要控制，此时仅基于观测氧气浓度的变化量来控制。气氛的调节是基于氧浓度分析仪4a传输的数据，计算机20调节同气体交换器6连接的电动阀门8c的开度，通入相应气体，一方面补充了反应所需气体，另一方面也增强了气流扰动，保证颗粒吸热器1内气氛的均匀性。

升温初期，可以看到温度检测器7a逐步上升，而氧气浓度分析仪4a中数据无变化，说明此时反应尚未开始，反应速率为0，光能未转化为化学潜热。此时根据需要关闭电动阀门8a、8b、8c、8d，化学颗粒在颗粒吸热器1中被光照12持续加热。

随着温度提升，颗粒温度逼近反应区间，可以检测到氧浓度分析仪4a中测定的氧气浓度在缓慢增加，说明部分热化学颗粒开始反应，通过氧气浓度增大的速率可以看出反应进行的程度，并进行反应速率、吸热量及参与反应的颗粒量的实时计算，此时可以适当开启电动阀门8b，让少量温度较低的颗粒从化学颗粒入料罐3流入缓冲罐5。观测氧浓度分析仪4a传回的数据，随着温度到达反应区间，氧气浓度上升速率增大，参与反应的热化学颗粒数量增加，可逐步开大电动阀门8b、8a，让更多热化学颗粒流入缓冲罐5。随着温度进一步提升，受到总光照12量的限制，颗粒温度会稳定在吸热反应温度区间内某一温度值，而氧气浓度也以相对稳定的速率上升，说明系统达到了稳定运行的状态，反应速率围绕某一速率值进行波动，吸热量及参与反应的颗粒量稳步增加，与此同时电动阀门8b、8a的开度不断提升，并最终维持在一个较大的开度，也表明参与热化学反应的颗粒增加量相对恒定，反应区域中颗粒温度基本介于反应温度区间，满足后续使用的温度需求。当系统趋于稳定后，可以逐步打开电动阀门8d，让高温热化学颗粒进入换热器3，将热量传递给做工工质，完成换热。

对于放热过程而言，当系统趋于稳定后，应逐步打开电动阀门8d，使储料缓冲2中的热颗粒进入换热器3中，同时观测氧气浓度分析仪4c，通过氧气的变化量，基于计算机20可以实时输出放热反应的反应速率、参与反应的颗粒质量以及总吸热量，同时注意维持氧气浓度在一个稳定的水平，以保证放热反应的进行。

申请人对本实施方式进行了试验验证，对本实施方式中使用了热化学颗粒作为吸热储热工质的颗粒吸热器1的防护效果进行了测定。在该测定过程中，颗粒吸热器1为斜板式颗粒吸热器1，更进一步地，为下聚光式光热发电颗粒吸热器1，斜板制造材料选用2520不锈钢，其持续耐高温温度限制为1000℃，光源选用50KW太阳能模拟灯。图5和图6为简化的颗粒吸热器1示意图，椭圆边界为太阳能模拟灯光照12下的光斑区域范围，由于光源同颗粒吸热器1间有相对位置的偏移，光斑呈现为椭圆形，光斑左侧区域能流密度相比右侧要小。图5中示出了入光口11、光照12、颗粒流动面13以及热化学颗粒层14，图6中椭圆中实心小黑圆代表温度测点15的布置位置，整体分布均匀，温度数据基于安捷伦数据转换及传输设备实时发送到控制电脑上，通过温度情况可以总体上看出区域内是否存在局部温度超过材料可承受能力的情况。

伴随热化学颗粒进入颗粒吸热器1，在光斑分布区域中的颗粒被逐渐加热。在升温初期，颗粒温度从25℃逐步升高至900℃，电动阀门8b处于关闭状态。通过温度分布的数据能够看出中心偏右区域温度上升较快，而上边缘、左边缘及右边缘温度上升较慢，温度差值可达上百摄氏度，但是出现较大温差情况的持续时间短，并且此时颗粒整体上温度偏低，由于颗粒间存在的温差所造成的形变量很小。当温度继续上升，最终到达反应的温度区间975℃-990℃，会发现此时光斑中心偏右区域温度上升缓慢直至不再上升，保持温度的稳定，而光斑边缘区域温度同光斑中心区域温度的差值不断减小，最终温度差值维持在一个较小的范围内，对比于采用惰性颗粒的颗粒吸热器1，颗粒吸热器1中的热应力大大降低，相应的，也不会产生形变，有效避免了颗粒流动面13出现的变形甚至断裂情况。在中心区域温度逐步稳定的过程中，电动阀门8b的开度逐渐增大，颗粒从颗粒流动面13上下落的速率增大，可以看到光斑区域内热化学颗粒的温度并未出现剧烈波动。而采用惰性颗粒的颗粒吸热器1，伴随每一批颗粒的落下，光斑区域内温度会出现一个明显的波动。由于颗粒温度变化下，相应颗粒流动面13的温度变化也处在较小的范围内，有效保护了颗粒吸热器1。

热态反应结束后，等待热化学颗粒自然冷却，打开电动阀门8b，让热化学颗粒从颗粒吸热器1中全部流出，此时观察颗粒流动面13情况，可以看到颗粒流动面13上形变量极小，无论是颗粒流动面13整体还是各连接部位仍然处于较好的状态。而采用惰性颗粒进行热态实验时，光斑中心区域温度会快速升高到1100℃，而周边区域颗粒温度升温较慢，对于颗粒吸热器1造成较大的损伤。损伤的来源主要有两方面，一方面最高温度超出了颗粒吸热器1材料本身的长时间承温限制，另一方面由于颗粒间温差大且颗粒流动引起温度波动。自然冷却后，让惰性颗粒从颗粒吸热器1中全部流出，观察冷却后的颗粒流动面13，可以观察到一些显著的变形，影响到再次进行使用。通过两类颗粒运行时温度分布情况及运行后颗粒流动面13形变情况，可以发现热化学颗粒具有较好的防护效果。

本发明的热化学颗粒防护及监测方法所制造的氧气，除了用于氧气浓度测定外，还能够用于氧气制造等。

至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，包括：

颗粒流通组件，具有多个部件，热化学颗粒在多个部件之间进行流通，多个部件具体包括：

颗粒吸热器，用于吸收太阳能，并对位于其中的热化学颗粒加热，热化学颗粒在吸热后升温并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气；

入料罐，与所述颗粒吸热器连通，用于向所述颗粒吸热器提供低温的热化学颗粒；换热器，与所述颗粒吸热器连通，用于接收所述颗粒吸热器中高温的还原后热化学颗粒以及氧气，还原后的热化学颗粒与氧气反应放热并与后续的做工工质进行热交换；

氧浓度分析仪，分别与所述颗粒吸热器及所述换热器连接并检测氧浓度；

计算机，与所述氧浓度分析仪通信连接，所述计算机能够根据所述氧浓度分析仪的氧浓度检测结果对整个系统进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，所述颗粒流通组件还包括：

缓冲罐，分别与所述颗粒吸热器、所述换热器连通并与所述氧浓度分析仪连接，用于接收所述颗粒吸热器内的高温的还原后热化学颗粒，并传送给所述换热器。

3.根据权利要求1或2所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，还包括：

气体交换器，与所述颗粒吸热器以及所述换热器均连通，用于向所述颗粒吸热器以及所述换热器内提供气体。

4.根据权利要求3所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，所述气体交换器内的气体为氮气、二氧化碳或者空气。

5.根据权利要求1-2或4中任一项所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，还包括：

温度检测器，与所述颗粒流通组件内的各个部件连接并检测各个部件内的温度；

所述温度检测器还与所述计算机通信连接，所述计算机能够根据所述温度检测器的温度检测结果对整个系统进行检测。

6.根据权利要求1所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，所述颗粒流通组件内各个部件之间的连通均利用电动阀门实现通断，所述电动阀门与所述计算机通信连接。

7.根据权利要求1所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，所述颗粒吸热器中设置有气流扰动叶片，所述气流扰动叶片的转动能够带动所述颗粒吸热器内的气流扰动。

8.根据权利要求1-2、4、6-7中任一项所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，其特征在于，所述热化学颗粒为纯金属氧化物颗粒、复合金属氧化物颗粒中的一种或者两种。

9.一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法，利用上述权利要求1-8中任一项所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，包括如下步骤：

步骤S1：自入料罐向颗粒吸热器内通入热化学颗粒；

步骤S2：光照打到颗粒吸热器内的热化学颗粒，热化学颗粒吸收热量并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气，热化学颗粒将光能转化为热能以及化学能进行储存；

步骤S3：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器进入换热器，并与后续的做工工质进行换热；

伴随着上述步骤S1-S3的进行，还同时进行了如下步骤：

步骤S4：氧浓度分析仪实时检测颗粒吸热器以及换热器内的氧浓度，并将检测的氧浓度数据传输给计算机；

步骤S5：计算机根据接收到的氧浓度数据及其变化，实时测算得到颗粒吸热器中还原反应的进程，从而控制颗粒吸热器与入料罐和换热器之间通道的开闭。

10.根据权利要求9所述的基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热方法，其特征在于，在步骤S3中，包括如下子步骤：

步骤S31：高温的还原后热化学颗粒自颗粒吸热器进入缓冲罐，进行缓冲；

步骤S32：高温的还原后热化学颗粒自缓冲罐均匀稳定地进入换热器，并与后续的做工工质进行换热。

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