一種中低溫太陽能熱化學蓄能系統的製作方法

2023-06-09 06:19:31 3

專利名稱：一種中低溫太陽能熱化學蓄能系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能熱利用技術領域，具體是一種既是蓄能材料又是發電材料的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，中低溫太陽能的溫度範圍在150°c至300°C之間。
背景技術：
在相當長一段時間內，大規模開發太陽能熱發電技術的成本仍然很高，在經濟上無法與常規發電技術相匹敵，其中一個主要影響因素是太陽能蓄能成本高。太陽能蓄熱成本約佔整個太陽能熱發電站投資成本的20%。因此，發現高效、低成本的太陽能蓄能方法及系統是加速太陽能熱發電廣泛應用的一個重要途徑。目前聚焦式太陽能熱發電站的蓄熱技術主要有以下三種顯熱蓄熱、相變蓄熱及化學反應蓄熱。其中，顯熱蓄熱是主流技術。例如，槽式發電站多採用導熱油的液體顯熱和熔融鹽的固體顯熱技術，塔式發電站多採用熔融鹽的固體顯熱技術。但目前顯熱蓄熱材料的溫度過低，嚴重影響太陽能利用效率，同時由於蓄熱換熱器尺寸過於龐大，造成成本過高的問題。相變蓄熱與顯熱蓄熱比較，可顯著降低蓄熱系統的尺寸，但選擇合適的相變材料及換熱器設計困難，造成目前相變蓄熱技術還處於試驗研究階段。化學反應蓄熱是指利用可逆化學反應的反應熱存儲太陽熱能。儘管可逆熱化學反應蓄熱雖然具有儲能密度大的特點，但目前的相關應用技術和工藝太複雜，存在許多不確定性。太陽能化學反應蓄熱方法自1991年，Brown等在實驗室開展&0與!120小規模的蓄熱試驗研究以來，1999年澳大利亞國立大學提出了氨化學反應蓄熱系統，在熱反應器中氨吸熱分解成氫與氮，在氨合成反應器中熱量被回收，該蓄熱系統與碟式聚光發電進行整合。 自2000年以來，太陽能熱化學反應循環制氫的間接蓄能技術研究發展很快。利用高溫塔式聚光器與化學反應裝置聯合，採用金屬氧化物作中間物，輸入原料是水，產物是氫和氧，不產生CO和C02。聚集的太陽能以產物氫的形式存儲。可用於太陽能熱化學反應循環制氫的金屬氧化物有&ι0、FeO, CoO,反應溫度要在800-1500°C，大大低於直接分解水的效率，且效率可以達到30%，是很有潛力的太陽能熱化學蓄能技術。這種高溫太陽能熱化學蓄熱技術主要存在氣-氣分離、氣-固分離能耗大的問題。

發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提出一種既是蓄能材料又是發電材料的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，以解決因蓄能造價昂貴而造成的太陽能熱發電系統成本高的問題。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，該系統包括
3太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1、氣固旋風分離器2、氧載體皮帶傳輸機3、氧化反應太陽能釋放裝置4、氣固換熱器6、固體餘熱利用裝置7、原料預熱器5和壓縮機8，其中，太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的出口 A通過管道與氣固旋風分離器2相連接，氣固旋風分離器2的下端出口與氧載體皮帶傳輸機3的入口相連接，氧載體皮帶傳輸機3的出口與氧化反應太陽能釋放裝置4的入口相連接，氧化反應太陽能釋放裝置4的固體氧化鎳出口 B 與氣固換熱器6相連接，氣固換熱器6的出口與固體餘熱利用裝置7的入口相連接，固體餘熱利用裝置7的出口與太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的入口 C相連接；太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1還連接於原料預熱器5的出口，氣固換熱器6還連接於壓縮機8 的出口。上述方案中，所述太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1包括槽式太陽能聚光鏡、 吸收反應器、預熱蒸發器、冷凝冷卻器、氣液分離器、乙醇原料循環泵和氧化鎳顆粒，該太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1利用槽式聚光鏡，聚集中低溫太陽能，驅動吸收反應器內的乙醇氧化鎳吸熱還原，將中低溫太陽能轉化為化學能，儲存在還原產物固體金屬鎳中，完成太陽能的存儲。上述方案中，所述鎳材料存儲太陽能的方式是固體化學反應蓄能。上述方案中，所述氣固旋風分離器2用於將太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1 生成的氣態產物與固體金屬鎳進行分離，並將固體金屬鎳通過氧載體皮帶傳輸機3輸送到氧化反應太陽能釋放裝置4。上述方案中，所述固體金屬鎳通過皮帶傳輸機3進入到氧化反應太陽能釋放裝置 4，與氣固換熱器6輸送來的空氣發生氧化反應，固體金屬鎳被氧化且再生為氧化鎳。上述方案中，所述氧化反應太陽能釋放裝置4通過鎳燃料的氧化反應，存儲的太陽能被釋放，以高溫氣體產物隊和A的形式，推動備用熱機做功發電被回收利用。上述方案中，所述氣固換熱器6用於利用從氧化反應太陽能釋放裝置4送來的金屬氧化鎳14的顯熱來預熱經壓縮機8進入氣固換熱器6的空氣15，氣固換熱器6中的金屬氧化鎳進一步被輸送到固體餘熱利用裝置7繼續冷卻，隨後冷卻的金屬氧化鎳再次輸送到太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1。上述方案中，該系統還包括一備用熱機，該備用熱機進口與氧化裝置4的氣體出口 D相連接。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明產生的有益效果在於1、本發明提的這種既是蓄能材料又是發電材料的中低溫太陽能熱化學蓄能系統， 是一種太陽能直接式化學反應蓄能技術。太陽能集熱與蓄能裝置一體化，無需專門設置傳熱流體與蓄熱材料之間換熱系統。相比目前常用的顯然蓄熱方式，可以大大減小太陽能蓄能裝置體積和佔地面積，縮短了投資回收期，減小了投資風險。如果將其應用到槽式太陽能熱發電站，可以減小太陽能熱發電系統投資成本約10 30%。另外，該方法的金屬載體鎳既是蓄能物質，又是一種發電材料，可逆性好，能經受大量反覆的還原與氧化再生循環，具有長期穩定性。2、本發明提供的這種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，通過太陽熱驅動金屬氧化鎳與乙醇的還原反應，將低密度、不穩定的太陽熱能存儲在固體金屬顆粒鎳中。在氧化反應太陽能釋放裝置中，鎳與空氣發生氧化反應，存儲的太陽能通過高溫熱能的形式被釋放，金屬鎳再生為氧化鎳。氧化鎳經氣固換熱器、中低溫餘熱利用裝置冷卻後，通過傳輸裝置，再進入到太陽能-氧化鎳還原反應器。3、本發明提供的這種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，通過採用金屬氧化鎳與金屬鎳的化學鏈循環，實現了中低溫太陽能蓄能和釋放。與其他太陽能固體蓄熱方法不同，本發明存儲太陽能蓄能體-固體鎳既是一種蓄熱材料，同時又是發電材料，通過熱機可以直接實現太陽能熱發電利用。4、本發明提供的這種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，突破了太陽能固體顯熱蓄能無法與高溫熱力循環發電工質匹配的技術瓶頸，解決了高溫太陽能熱化學蓄熱技術存在氣-氣分離、氣-固分離能耗大的問題。5、本發明提供的這種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，是一種直接式太陽能熱化學反應蓄熱技術，無需傳熱流體與蓄熱材料之間換熱過程，氧載體的蓄熱循環材料Μ0/Μ具有能量密度大，化學性質穩定，再生反覆性好，太陽能熱化學轉化效率高，蓄熱反應器體積小等突出優點。可廣泛應用於槽式太陽能熱發電領域，開發利用前景廣闊。


圖1為本發明提供的中低溫太陽能熱化學蓄能系統的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發明提供的中低溫太陽能熱化學蓄能系統的結構示意圖，該系統包括太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1、氣固旋風分離器2、氧載體皮帶傳輸機3、氧化反應太陽能釋放裝置4、氣固換熱器6、固體餘熱利用裝置7、原料預熱器5和壓縮機8。其中，上述各組成部分之間的連接方式是太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的出口 A通過管道與氣固旋風分離器2相連接，氣固旋風分離器2的下端出口與氧載體皮帶傳輸機3的入口相連接，氧載體皮帶傳輸機3的出口與氧化反應太陽能釋放裝置4的入口相連接，氧化反應太陽能釋放裝置4的出口 B與氣固換熱器6相連接，氣固換熱器6的出口與固體餘熱利用裝置7的入口相連接，固體餘熱利用裝置7的出口與太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的入口 C相連接。太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1還連接於原料預熱器5的出口，氣固換熱器6還連壓縮機8接於的出口。其中，太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1，用於實現乙醇9與氧化鎳顆粒10進行還原反應，生成氣態產物CO2和水蒸氣11以及固態產物金屬顆粒鎳12。氣固旋風分離器2，用於將太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1生成的氣態產物與固態產物進行分離，並將固態產物(即金屬顆粒鎳1 通過氧載體皮帶傳輸機3輸送到氧化反應太陽能釋放裝置 4。氧載體皮帶傳輸機3，用於將氣固旋風分離器2分離出來的固態產物傳輸給氧化反應太陽能釋放裝置4。氧化反應太陽能釋放裝置4，用於實現氧載體皮帶傳輸機3輸送來的金屬顆粒M與氣固換熱器6輸送來的空氣進行氧化反應，生成氧化鎳14並釋放出熱量，生成的氧化鎳14被輸送給氣固換熱器6，釋放出的太陽能熱量藉助固體鎳的燃料性能，以高溫氣體產物隊和A的形式，被輸出到熱機做功發電。氣固換熱器6，用於利用從氧化反應太陽能釋放裝置4送來的金屬氧化鎳14的顯熱來預熱經壓縮機8進入氣固換熱器6的空氣15，並將預熱後的空氣15輸送到氧化反應太陽能釋放裝置4，氣固換熱器6中的金屬氧化鎳進一步被輸送到固體餘熱利用裝置7。繼續回收氣固換熱器6送來的金屬氧化鎳14的餘熱，冷卻後的氧化鎳被送入到太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1。原料預熱器5，用於對進入太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的原料乙醇9進行預熱。壓縮機8，用於對為氣固換熱器6提供空氣15。本發明提供的這種中低溫太陽能熱化學蓄能系統的具體工作流程為原料乙醇9 經原料預熱器5預熱150°C後，與氧化鎳顆粒10 —起進入到太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1中，聚集約200°C的中低溫太陽能聚焦投射在太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置1的表面，驅動乙醇9與氧化鎳顆粒10進行還原反應，乙醇被氧化為氣態產物(X)2和水蒸氣11， 氧化鎳顆粒被還原為金屬鎳12，反應產物通過氣固旋風分離器2分離，其中氣態產物(X)2和水蒸氣11被輸出，固態產物金屬鎳12通過氧載體皮帶傳輸機3被輸送給氧化反應太陽能釋放裝置4。進入氧化反應太陽能釋放裝置4的金屬顆粒M與氣固換熱器6輸出的預熱壓縮後的空氣發生氧化反應，固體鎳被氧化生為氧化鎳14，此時存儲在固體鎳的太陽能，以高溫反應熱(1200°C )的形式被釋放。從氧化反應太陽能釋放裝置4釋放的高溫反應熱能，以高溫氣體產物隊和A形式，被輸出到熱機做功發電。從氧化反應太陽能釋放裝置4出來的金屬氧化鎳14(1200°C )被輸送到氣固換熱器6，氣固換熱器6利用金屬氧化鎳14的顯熱來預熱經壓縮機8進入氣固換熱器6的空氣15，並將預熱後的空氣15輸送到氧化反應太陽能釋放裝置4。氣固換熱器6中的金屬氧化鎳進一步被輸送到固體餘熱利用裝置7繼續回收餘熱而被冷卻。冷卻後的氧化鎳10(150°C )進入到太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置 1，完成一次化學鏈循環，實現太陽能蓄能和釋放。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，該系統包括太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)、氣固旋風分離器O)、氧載體皮帶傳輸機(3)、氧化反應太陽能釋放裝置G)、氣固換熱器(6)、固體餘熱利用裝置(7)、原料預熱器( 和壓縮機(8)，其中，太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)的出口 A通過管道與氣固旋風分離器(2)相連接，氣固旋風分離器( 的下端出口與氧載體皮帶傳輸機C3)的入口相連接，氧載體皮帶傳輸機(3) 的出口與氧化反應太陽能釋放裝置的入口相連接，氧化反應太陽能釋放裝置的固體氧化鎳出口 B與氣固換熱器(6)相連接，氣固換熱器(6)的出口與固體餘熱利用裝置(7) 的入口相連接，固體餘熱利用裝置(7)的出口與太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)的入口 C相連接；太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)還連接於原料預熱器(5)的出口，氣固換熱器(6)還連接於壓縮機(8)的出口。
2.根據權利要求1所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)包括槽式太陽能聚光鏡、吸收反應器、預熱蒸發器、冷凝冷卻器、氣液分離器、乙醇原料循環泵和氧化鎳顆粒，該太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1) 利用槽式聚光鏡，聚集中低溫太陽能，驅動吸收反應器內的乙醇氧化鎳吸熱還原，將中低溫太陽能轉化為化學能，儲存在還原產物固體金屬鎳中，完成太陽能的存儲。
3.根據權利要求2所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述鎳材料存儲太陽能的方式是固體化學反應蓄能。
4.根據權利要求2所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述氣固旋風分離器(2)用於將太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)生成的氣態產物與固體金屬鎳進行分離，並將固體金屬鎳通過氧載體皮帶傳輸機C3)輸送到氧化反應太陽能釋放裝置G)。
5.根據權利要求4所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述固體金屬鎳通過皮帶傳輸機( 進入到氧化反應太陽能釋放裝置(4)，與氣固換熱器(6)輸送來的空氣發生氧化反應，固體金屬鎳被氧化且再生為氧化鎳。
6.根據權利要求1所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述氧化反應太陽能釋放裝置(4)通過鎳燃料的氧化反應，存儲的太陽能被釋放，以高溫氣體產物N2和 O2的形式，推動備用熱機做功發電被回收利用。
7.根據權利要求1所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，所述氣固換熱器(6)用於利用從氧化反應太陽能釋放裝置(4)送來的金屬氧化鎳(14)的顯熱來預熱經壓縮機(8)進入氣固換熱器(6)的空氣(15)，氣固換熱器(6)中的金屬氧化鎳進一步被輸送到固體餘熱利用裝置(7)繼續冷卻，隨後冷卻的金屬氧化鎳再次輸送到太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)。
8.根據權利要求1所述的中低溫太陽能熱化學蓄能系統，其特徵在於，該系統還包括備用熱機，該備用熱機進口與氧化裝置的氣體出口 D相連接。
全文摘要
本發明屬於太陽能熱利用技術領域，公開了一種太陽能熱化學蓄能系統，該系統包括太陽能-氧化鎳還原反應蓄能裝置(1)、氣固旋風分離器(2)、氧載體皮帶傳輸機(3)、氧化反應太陽能釋放裝置(4)、氣固換熱器(6)、固體餘熱利用裝置(7)、原料預熱器(5)和壓縮機(8)。本發明利用金屬循環材料NiO/Ni的蓄熱和燃料性能，通過金屬氧化鎳還原提供太陽能蓄熱，金屬鎳的氧化提供太陽能釋放，並且系統預設熱機，通過金屬鎳的能量釋放以備太陽能發電需求。本發明通過鎳既是蓄熱材料，又是發電材料，實現了太陽能蓄熱與發電一體化，經濟性好，解決了太陽能熱發電站投資成本高的技術瓶頸。
文檔編號F02M25/12GK102444993SQ20101050048
公開日2012年5月9日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者洪慧, 潘瑩, 金紅光, 韓濤 申請人:中國科學院工程熱物理研究所