CN114719451A - 一种光热-电热互补的热化学储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光热‑电热互补的热化学储能装置，包括聚光器和圆管反应器，所述圆管反应器包括透明外管和置于所述透明外管内的泡沫金属内管，所述透明外管通过支架安装在所述聚光器的聚焦处，所述泡沫金属内管两端分别穿出所述透明外管两端端部并外露，且所述泡沫金属内管外露的两端分别连通设有导气接口以及分别连接有电极，所述电极分别通过线路连接电源。优点：能够实现聚光升温和电加热的双重效果，有效解决了光照强度波动导致催化反应不稳定的问题，保证装置运行稳定性；该装置直接利用太阳能光热，提高了太阳能的利用效率；同时在热催化转化中添加电场和光场作用，促进了化学反应活性，提升储能效率。

Description

一种光热-电热互补的热化学储能装置
技术领域
本发明属于热化学储能的领域，具体设计一种将太阳能和电能通过热化学反应储存在化学能中的光热-电热互补的热化学储能装置。
背景技术
在碳达峰和碳中和背景下，化石燃料的利用将持续下降，风电、太阳能光伏发电总装机容量将急剧增加，到2030年达到12亿千瓦以上。受自然条件影响，可再生能源发电负荷波动大。目前，电网对可再生能源电力的消纳能力不足，为了保障电网的稳定性，绿色低碳的可再生能源电力面临“弃风弃光”的困境。研究表明，开发高效低成本的储能技术是解决这一困境的重要途径，能够将电网无法消纳的可再生能源电力以其他形式的能源储存起来再利用。
本专利提出的光热-电热互补的热化学储能装置，一方面可以直接利用太阳光的热效应发生热催化反应，将太阳能储存在生成物的化学能中，这种直接利用太阳能光热的技术具有更高的转化效率。另一方面，因为光照强度受自然条件影响波动大，该装置可以利用电网未消纳的电力在催化反应器中产生电热效应，补偿太阳光热强度不足的情况，保证热催化反应温度和热化学储能效率。因此，本专利是太阳能光热耦合电能的协同储能技术，与现有的储能技术相比，本专利技术具有明显进步性。与单一的太阳能光热相比，本专利配合原位焦耳电热效应，能够有效消除太阳光照强度波动大的影响；与单一的电催化储能相比，热催化储能效率高、技术成熟、成本低的优势，且本专利可以直接利用太阳光热，其储能效率明显高于先从光伏发电再进行电催化储能的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光热-电热互补的热化学储能装置，有效的克服了现有技术的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种光热-电热互补的热化学储能装置，包括聚光器和圆管反应器，上述圆管反应器包括透明外管和置于上述透明外管内的具有焦耳热效应和吸光吸热特性的泡沫金属内管，上述透明外管通过支架安装在上述聚光器的聚焦处，上述泡沫金属内管两端分别穿出上述透明外管两端端部并外露，且上述泡沫金属内管外露的两端分别连通设有导气接口以及分别连接有电极，上述电极分别通过线路连接电源。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述聚光器为槽式抛物面聚光器，上述透明外管的两端分别通过支架安装于上述聚光器的光反射面，且上述透明外管的轴线与上述聚光器的轴线平行。
进一步，还包括机架，上述聚光器通过转轴可转动的装配于上述机架上部。
进一步，上述泡沫金属内管的外壁与上述透明外管的内壁接触。
进一步，上述透明外管为透明的石英管。
进一步，上述透明外管的两端敞口，并分别可拆卸的装配有密封接头构件，上述泡沫金属内管的两端分别穿出对应端的上述密封接头构件。
进一步，上述密封接头构件包括密封公套、密封母套和密封圈，上述密封母套密封套设于上述透明外管的对应端端口外，其套体侧壁与上述透明外管外周之间形成环腔间隙，上述密封公套套设于上述透明外管的对应端外部，并插入对应的上述环腔间隙内，上述密封圈套设于上述透明外管的对应端端口处，并位于上述环腔间隙中，上述泡沫金属内管外露的两端分别穿过对应端的上述密封母套。
进一步，上述泡沫金属内管包括金属吸热主管段和密封连接在金属吸热主管段两端的导电金属管段，上述导电金属管段分别穿过上述透明外管的对应端端部并外露，且上述导电金属管段的外露部分连通设有导气接口以及连接有上述电极。
进一步，上述金属吸热主管段为表面涂覆有催化活性组分的泡沫金属管。
进一步，上述电极与电源连接的线路上连接有控制器，上述导电金属管段的端部安装有用于测量上述金属吸热主管段的内部温度的测温元件，该测温元件与上述控制器电连接。
本发明的有益效果是：能够实现聚光升温和原位电加热的双重效果，有效解决了光照强度波动导致催化反应不稳定的问题，保证装置运行稳定性；该装置直接利用太阳能光热，提高了太阳能的利用效率；在热催化转化中添加电场和光场作用，提升储能效率。
附图说明
图1为本发明的光热-电热互补的热化学储能装置的结构示意图；
图2为本发明的光热-电热互补的热化学储能装置中密封接头构件的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、聚光器；2、圆管反应器；3、机架；4、密封接头构件；21、透明外管；22、泡沫金属内管；41、密封公套；42、密封母套；43、密封圈；221、导电金属管段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例：如图1所示，本实施例的光热-电热互补的热化学储能装置包括聚光器1和圆管反应器2，上述圆管反应器2包括透明外管21和置于上述透明外管21内的具有焦耳热效应和吸光吸热特性的泡沫金属内管22，上述透明外管21通过支架安装在上述聚光器1的聚焦处，上述泡沫金属内管22两端分别穿出上述透明外管21两端端部并外露，且上述泡沫金属内管22外露的两端分别连通设有导气接口(附图中c指代)以及分别连接有电极(附图中a指代)，上述电极分别通过线路连接电源。
上述泡沫金属内管22的金属吸热主管段为泡沫金属基催化剂，形状为内有空腔的圆柱体。工作过程如下：
首先，待白天到来，电极接通电源，并利用太阳光和电加热至圆管反应器2内部的泡沫金属内管22至运行温度，10分钟后整个装置稳定；
然后，反应气体经其中一个导气接口直接通入，在太阳光热和电热的协同作用下，泡沫金属内管22内部发生催化反应，对反应物进行重整储能过程；具体地，聚光器1聚光在圆管反应器2的透明外管21上面，迅速提高透明外管21的温度，并同时将热量传递至泡沫金属内管22，使得泡沫金属内管22内部迅速升温，同时在泡沫金属内管22的两端通过电极施加电流以达到催化重整反应的要求温度。在这一过程中，聚光升温和电加热的双重效果，以维持催化重整反应过程中的温度要求，太阳光的热量以及焦耳效应的热效应达到热催化反应温度，同时电流的作用还形成了电场促使泡沫金属催化剂活性位产生电催化效应，使得催化重整气体能够充分、迅速地发生分子键的断裂和生成，进而生成氢气、一氧化碳、甲烷、甲醇等储能产物，并且电场辅助催化作用还能够有效抑制积碳的生成，大大延长了催化剂的使用寿命。整个装置集成了太阳能光热和电热两种加热方式，两种热效应互相配合，有效解决了光照强度波动导致催化反应不稳定的问题，保证装置运行稳定性；同时，直接利用太阳能光热，提高了太阳能的利用效率。
需要说明的是：重整之后的氢气等富含高能量气体顺着泡沫金属内管22，经另一个导气接口排出收集。
需要特别说明的是：在加入反应物之前，装置提前加热至运行温度，一方面可以减少反应时的弛豫时间，反应物进去直接进行催化重整反应，提高能量转化率，同时防止因为温度太低导致反应物粘附在多孔催化剂的表面，而造成反应管路的堵塞；另一方面也可以使催化重整反应更加充分，降低因反应不充分而造成的能量低储存率。
需要说明的是：本实施例中，反应原料范围广，适用于气体和液体反应物，液体反应物需要提前气化后通入到本反应装置中。
优选的，上述聚光器1为槽式抛物面聚光器，上述透明外管21的两端分别通过支架安装于上述聚光器1的光反射面，且上述透明外管21的轴线与上述聚光器1的轴线平行。
该方案中，聚光器1采用传统的槽式抛物面聚光器，其聚光效果好，同时，圆管反应器2长轴方向与聚光器1的长轴方向一致，使得聚光后热量集中在圆管反应器2上，热利用率高。
作为一种优选的实施方式，还包括机架3，上述聚光器1通过转轴可转动的装配于上述机架3上部。
该实施方式中，转轴一端可以连接转动机构(可以是机械的，也可以是自动的)，或是直接手动操作，使用过程中，通过操作转轴旋转，实现根据太阳位置调节槽式抛物面聚光器位置，保证槽式抛物面聚光器平面受照射面积最大，调节光照面积，从而保证光能利用率最大化，使太阳光聚焦在圆管反应器2上被加热而发生化学反应。
本实施例中，转动机构带动转轴转动，从早上7：00到下午18：00，在工作的11小时内一共旋转120度，并保证从晚上18：00到次日7：00进行断电处理。
更具体地，转轴装于聚光器1的背光面。
作为一种优选的实施方式，上述泡沫金属内管22的外壁与上述透明外管21的内壁接触。
该实施方式中，一方面接受来自槽式抛物面聚光反射器的太阳光的热量，另一方面使得反应物气体只通过催化剂及其内部，减少气体在透明外管21内壁上的粘连，提高导热的效率。
最佳的，上述透明外管21为透明的石英管。
作为一种优选的实施方式，上述透明外管21的两端敞口，并分别可拆卸的装配有密封接头构件4，上述泡沫金属内管22的两端分别穿出对应端的上述密封接头构件4。
该方案中，透明外管21端部设置密封接头构件4，在装配及后续拆卸时非常方便，拆除该密封接头构件4即可对透明外管21内部进行相应的维护操作，也利于泡沫金属内管22的拆装。
更具体地，如图2所示，上述密封接头构件4包括密封公套41、密封母套42和密封圈43，上述密封母套42密封套设于上述透明外管21的对应端端口外，其套体侧壁与上述透明外管21外周之间形成环腔间隙，上述密封公套41套设于上述透明外管21的对应端外部，并插入对应的上述环腔间隙内，上述密封圈43套设于上述透明外管21的对应端端口处，并位于上述环腔间隙中，上述泡沫金属内管22外露的两端分别穿过对应端的上述密封母套42。
该方案中，密封接头构件4设计简单，合理，方便拆装，使得内外管之间连接处密封性较佳，在本方案中，旋转密封公套41使其挤压密封圈43，从而起到较好的密封作用。
上述密封母套42也可以采用与泡沫金属内管焊接的方式密封。
作为一种优选的实施方式，上述泡沫金属内管22包括金属吸热主管段和密封连接在金属吸热主管段两端的导电金属管段221，上述导电金属管段221分别穿过上述透明外管21的对应端端部并外露，且上述导电金属管段221的外露部分连通设有导气接口以及连接有上述电极.
该实施方案中，导电金属管段221的直径小于金属吸热主管段的直径，方便其穿出透明外管21(两端的密封接头构件4)，穿出之处密封处理比较容易。
作为一种优选的实施方式，上述金属吸热主管段为表面涂覆有催化活性组分的泡沫金属管。
该实施方式中，泡沫金属管是内有空腔的圆柱体，作为太阳能光热的集热体和电加热的发热体，其表面涂覆催化活性组分，在光热和电热作用下达到催化反应温度，通入反应物发生热催化反应，将能量储存在生成物的化学能中，例如甲醇重整反应制备氢气、二氧化碳催化还原反应生成液体燃料等。运行过程中，因泡沫金属材质的孔隙发达，比表面积大，使得反应气体可以和更多的催化位点结合发生化学反应，同时，在电流的作用在泡沫金属内管22处还形成了电场，促使泡沫金属催化剂活性位产生电场强化催化效应。反应气体在热催化和电场强化的耦合作用下，使得催化剂受到热效应和电效应的双重作用，提高了催化反应活性，抑制积碳生成，延长催化剂使用寿命。
更具体地，泡沫金属管为采用浸渍法、电沉积法、溶胶凝胶或磁控溅射法将金属负载在泡沫镍、泡沫铁、泡沫镍铬或泡沫镍铁等中的一种上形成，负载的金属可以为钯、钌、钴、铂、铜、锰、钛中的至少一种。
此外，泡沫金属内管22整体电阻大小为1Ω-1kΩ，端部电极的导入电流范围为1A-100A，在光照和通电后，泡沫金属内管22的温度达到100℃-700℃。
上述实施例中，是太阳能光热耦合电能的协同储能技术，与单一的太阳能光热相比，该实施例中配合焦耳电热效应，能够有效消除太阳光照强度波动大的影响；与单一的电催化储能相比，热催化储能效率高、技术成熟、成本低的优势，且本专利可以直接利用太阳光热，其储能效率明显高于先从光伏发电再进行电催化储能的效率。
作为一种优选的实施方式，上述电极与电源连接的线路上连接有控制器，上述导电金属管段221的端部安装有用于测量上述金属吸热主管段的内部温度的测温元件，该测温元件与上述控制器电连接。
该实施方案中，测温元件采用热电偶(附图中b指代)，控制器采用带温控的PLC控制器，该控制器根据测温元件测得的温度作为控制器的输入信号，控制吸热主管段两端电流使得其温度达到设定值；控制器上还集成有时间控制器，用于控制日出时和日落后电流运行与否，在光照强度较弱或者夜晚无光照时，切断装置的电源；当装置进行催化重整过程中，在刚开始工作的前10分钟，控制端电极的电源接入，从而向泡沫金属圆柱状催化剂供电，根据预设重整催化反应温度进行调节载流电流的大小，并通过载流调节单元调控至装置达到设置的运行温度。
更具体的，导气接口连接在泡沫金属内管22穿出透明外管21的端部，热电偶自泡沫金属内管22穿出的端部插入，并延伸至泡沫金属内管22内部，同时，泡沫金属圆柱状催化剂更换十分方便，用新的柱状催化剂沿着泡沫金属内管22的一端导气接口进入，并沿内壁由另一端导气接口推出失活的即可，因而维修方便，保证了生产的持续性。
上述导气接口均采用绝缘隔温材质制成，减少热量在此处的损失。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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；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，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：包括聚光器(1)和圆管反应器(2)，所述圆管反应器(2)包括透明外管(21)和置于所述透明外管(21)内的具有焦耳热效应和吸光吸热特性的泡沫金属内管(22)，所述透明外管(21)通过支架安装在所述聚光器(1)的聚焦处，所述泡沫金属内管(22)两端分别穿出所述透明外管(21)两端端部并外露，且所述泡沫金属内管(22)外露的两端分别连通设有导气接口以及分别连接有电极，所述电极分别通过线路连接电源。
2.根据权利要求1所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述聚光器(1)为槽式抛物面聚光器，所述透明外管(21)的两端分别通过支架安装于所述聚光器(1)的光反射面，且所述透明外管(21)的轴线与所述聚光器(1)的轴线平行。
3.根据权利要求1所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：还包括机架(3)，所述聚光器(1)通过转轴可转动的装配于所述机架(3)上部。
4.根据权利要求1所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述泡沫金属内管(22)的外壁与所述透明外管(21)的内壁接触。
5.根据权利要求1所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述透明外管(21)为透明的石英管。
6.根据权利要求1所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述透明外管(21)的两端敞口，并分别可拆卸的装配有密封接头构件(4)，所述泡沫金属内管(22)的两端分别穿出对应端的所述密封接头构件(4)。
7.根据权利要求6所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述密封接头构件(4)包括密封公套(41)、密封母套(42)和密封圈(43)，所述密封母套(42)密封套设于所述透明外管(21)的对应端端口外，其套体侧壁与所述透明外管(21)外周之间形成环腔间隙，所述密封公套(41)套设于所述透明外管(21)的对应端外部，并插入对应的所述环腔间隙内，所述密封圈(43)套设于所述透明外管(21)的对应端端口处，并位于所述环腔间隙中，所述泡沫金属内管(22)外露的两端分别穿过对应端的所述密封母套(42)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述泡沫金属内管(22)包括金属吸热主管段和密封连接在金属吸热主管段两端的导电金属管段(221)，所述导电金属管段(221)分别穿过所述透明外管(21)的对应端端部并外露，且所述导电金属管段(221)的外露部分连通设有导气接口以及连接有所述电极。
9.根据权利要求8所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述金属吸热主管段为表面涂覆有催化活性组分的泡沫金属管。
10.根据权利要求8所述的一种光热-电热互补的热化学储能装置，其特征在于：所述电极与电源连接的线路上连接有控制器，所述导电金属管段(221)的端部安装有用于测量所述金属吸热主管段的内部温度的测温元件，该测温元件与所述控制器电连接。
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