一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器及其吸熱方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器及其吸熱方法，該吸熱器以吸熱層和反應(yīng)層作為儲(chǔ)能吸熱體置于腔體內(nèi)，開口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保溫層。該吸熱方法是：聚光太陽輻射透過石英玻璃窗投射到吸熱層表面，反應(yīng)氣體在吸熱層內(nèi)吸收聚光太陽輻射升溫后進(jìn)入反應(yīng)層，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)，把太陽能儲(chǔ)存在反應(yīng)產(chǎn)物中。反應(yīng)產(chǎn)物可作為燃料用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，也可直接作為氣體燃料使用。吸熱層可均勻加熱反應(yīng)氣體，并可保護(hù)反應(yīng)層，避免局部過熱；采用熱化學(xué)過程儲(chǔ)存太陽能，反應(yīng)產(chǎn)物可長期常溫儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)太陽能的高效穩(wěn)定吸收與儲(chǔ)存；結(jié)構(gòu)緊湊簡單，反應(yīng)流體與產(chǎn)物方便運(yùn)輸，可以滿足規(guī)?；柲苤懈邷?zé)崂玫囊蟆?br> 【專利說明】—種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器及其吸熱方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能吸熱與儲(chǔ)能系統(tǒng)研究領(lǐng)域，特別涉及一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器及其吸熱方法。
【背景技術(shù)】
[0002]化石能源是社會(huì)發(fā)展與現(xiàn)代工業(yè)的主要能源，隨著人類的不斷開采，化石能源的枯竭已不可避免，而其使用過程中產(chǎn)生的大量溫室氣體和一些有毒有害物質(zhì)也會(huì)威脅全球生態(tài)環(huán)境與人類健康。因此，開發(fā)清潔可再生能源是今后的發(fā)展方向。太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源，開發(fā)利用太陽能是實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、緩解日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題的重要途徑。
[0003]目前，太陽能的利用形式主要有光熱利用、光伏發(fā)電和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式。聚光太陽能熱利用是未來最具吸引力的太陽能技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)方式有塔式、槽式和碟式系統(tǒng)，而高溫太陽能吸熱器是聚光太陽能熱利用系統(tǒng)的核心部件。腔式吸熱器是目前應(yīng)用較為廣泛的高溫太陽能吸熱器，其通常是有一個(gè)空心殼體容納吸熱裝置，開口由石英玻璃窗覆蓋，形成封閉腔體，工作流體流過吸熱裝置吸收熱量。中國專利CN2758657提出腔式太陽能吸收器，其分為內(nèi)外兩個(gè)腔，內(nèi)腔體臨近石英玻璃窗表面涂覆太陽能選擇性吸收涂層，并且采用不同的物質(zhì)用于高溫傳熱和顯熱蓄熱。中國專利CN2872208提出一種空腔式太陽能吸收器，主要采用管狀吸熱層，具有換熱表面積小、傳熱效率不高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的缺點(diǎn)。中國專利CN101122425A提出一種泡沫碳化硅太陽能空氣吸熱器，采用泡沫碳化硅材料作為太陽能吸收體加熱空氣。上述幾種太陽能吸收器主要具有吸熱和空氣加熱功能，而蓄熱功能相對(duì)欠缺。中國專利CN102721312A提出一種太陽能熱化學(xué)混合儲(chǔ)能裝置及方法，利用熱化學(xué)過程儲(chǔ)存聚光太陽輻射并采用熔鹽顯熱蓄熱，實(shí)現(xiàn)太陽能的穩(wěn)定高效儲(chǔ)存，但由于催化劑直接暴露在非均勻的聚光太陽輻射下，容易導(dǎo)致催化劑過熱與溫度分布不均勻問題，降低催化劑使用壽命。
[0004]因此，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高、使用壽命長且蓄熱能力強(qiáng)的太陽能吸熱器具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，該吸熱器采用吸熱層與反應(yīng)層相結(jié)合的方式進(jìn)行太陽能儲(chǔ)存，具有儲(chǔ)能密度高、時(shí)效長、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于上述太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器的吸熱方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，包括裝置本體，其開口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保溫層，石英玻璃窗和裝置本體內(nèi)部圍成一腔體，該腔體內(nèi)設(shè)置有一由吸熱層和反應(yīng)層組成的儲(chǔ)能吸熱體，該儲(chǔ)能吸熱體將腔體分為前腔和后腔，石英玻璃窗和吸熱層之間的前腔與輸入通道相連，后腔與輸出通道相連，反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)氣體通過輸入通道進(jìn)入前腔進(jìn)行混合，然后依次流過吸熱層和反應(yīng)層，最后反應(yīng)產(chǎn)物從輸出通道流出。
[0008]優(yōu)選的，所述前腔腔體內(nèi)表面涂覆有含氧化鋯、氧化鋁等材料的耐高溫高反射率涂層。該前腔為反應(yīng)氣體混合區(qū)，通過涂覆此高反射率的涂層可以把聚光太陽輻射反射到吸熱體上，同時(shí)避免壁面過熱。
[0009]優(yōu)選的，所述吸熱層采用泡沫碳化硅材料定制成薄層。由于泡沫碳化硅材料可在1000°C長期使用，具有高導(dǎo)熱系數(shù)(70-350W/m/K)，并且具有高孔隙率和吸收率，能很好滿足吸熱層材料的要求。在反應(yīng)時(shí)，透過石英玻璃窗的聚光太陽輻射被吸熱層表面和內(nèi)部骨架吸收后，熱量通過對(duì)流傳熱從吸熱層傳遞到反應(yīng)氣體使其升溫。吸熱層確保吸熱器在高溫下運(yùn)行，而且在聚光太陽輻射或反應(yīng)氣體進(jìn)口溫度不均時(shí)，反應(yīng)氣體能在吸熱層孔道內(nèi)充分混合和傳熱，達(dá)到均溫的目的，從而適應(yīng)聚光太陽輻射能流分布不均勻、能流密度大的特點(diǎn)，同時(shí)避免反應(yīng)層直接接受聚光太陽輻射和局部過熱，有利于延長反應(yīng)層的使用壽命。
[0010]優(yōu)選的，所述反應(yīng)層采用整體式催化劑，由結(jié)構(gòu)化基體、涂層載體和催化活性組分構(gòu)成，其中結(jié)構(gòu)化基體用于物理支撐反應(yīng)層，催化活性組分根據(jù)不同的反應(yīng)進(jìn)行選擇，涂層載體為過渡層，涂層載體選用比表面積大于IOOmVg的Y-Al2O3材料，通過涂覆、干燥和烘焙等程序使其附著于結(jié)構(gòu)化基體表面，然后通過浸潰，把催化活性組分負(fù)載在涂層載體上，可增大結(jié)構(gòu)化基體與催化活性組分之間的結(jié)合力和催化劑的比表面積。
[0011]更進(jìn)一步的，所述結(jié)構(gòu)化基體采用陶瓷材料。陶瓷材料具有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]優(yōu)選的，所述吸熱器包括若干個(gè)輸入通道和輸出通道，輸入通道與外部反應(yīng)氣體輸入管道相連，輸出通道與外部反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道相連。
[0013]更進(jìn)一步的，所述反應(yīng)氣體輸入管道和反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道在裝置本體外部通過一回?zé)崞鬟M(jìn)行熱交換。從而可以利用反應(yīng)產(chǎn)物余熱加熱反應(yīng)氣體以提高熱效率，同時(shí)降低反應(yīng)產(chǎn)物溫度使其便于常溫儲(chǔ)存。
[0014]本發(fā)明還提供一種基于上述太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器的吸熱方法，包括以下步驟:聚光太陽輻射透過石英玻璃窗照射到儲(chǔ)能吸熱體上，使吸熱層和反應(yīng)層溫度升高，反應(yīng)氣體通過輸入通道進(jìn)入腔體內(nèi)，在吸熱層內(nèi)吸收熱量并升高溫度，然后在反應(yīng)層內(nèi)發(fā)生催化儲(chǔ)能反應(yīng)，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在反應(yīng)產(chǎn)物中，然后反應(yīng)氣體通過輸出通道輸出。
[0015]具體包括以下步驟:
[0016](I)預(yù)熱過程:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)使吸熱器位于焦斑處，吸熱層和反應(yīng)層溫度升高至預(yù)設(shè)溫度；
[0017](2)催化劑預(yù)還原:通入還原氣體還原反應(yīng)層內(nèi)的催化活性組分，直至催化活性組分完全還原；
[0018](3)太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能:通入反應(yīng)氣體使其在儲(chǔ)能吸熱體作用下吸收太陽能發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物通過輸出通道輸出，實(shí)現(xiàn)太陽能儲(chǔ)存；
[0019](4)系統(tǒng)停止:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)使吸熱器偏離焦斑位置；停止通入反應(yīng)氣體，向吸熱器內(nèi)通入N2，排空反應(yīng)氣體。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0021]1、本發(fā)明采用吸熱層與反應(yīng)層相結(jié)合的方式進(jìn)行太陽能儲(chǔ)存，儲(chǔ)能密度高且時(shí)效長，反應(yīng)產(chǎn)物可在常溫下無熱損儲(chǔ)存，因此可長期高效儲(chǔ)存太陽能，實(shí)現(xiàn)太陽能的高效穩(wěn)定吸收與儲(chǔ)存。
[0022]2、本發(fā)明中的吸熱層采用耐高溫、高導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫碳化硅等材料，可均勻加熱反應(yīng)氣體并使反應(yīng)氣體達(dá)到較高溫度，適應(yīng)聚光太陽輻射能流分布不均勻、能流密度大的特點(diǎn)。
[0023]3、本發(fā)明中的反應(yīng)層不直接接受聚光太陽輻射，可避免過熱并降低內(nèi)部溫度梯度，有利于緩解涂層載體的破裂和催化劑的失效，延長反應(yīng)層的使用壽命。
[0024]4、本發(fā)明節(jié)能環(huán)保、具有推廣應(yīng)用潛力。以太陽能為能源，以天然氣、二氧化碳、水蒸汽等為反應(yīng)氣體，來源廣泛，環(huán)境友好，節(jié)能減排效果好。反應(yīng)產(chǎn)物可作為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的燃料進(jìn)行利用，也可直接作為氣體燃料使用，應(yīng)用廣泛。
[0025]5、本發(fā)明通過回?zé)崞骼梅磻?yīng)產(chǎn)物余熱加熱反應(yīng)氣體以提高熱效率，同時(shí)降低反應(yīng)產(chǎn)物溫度使其便于常溫儲(chǔ)存。
[0026]6、本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡單，反應(yīng)流體與產(chǎn)物方便運(yùn)輸，可以滿足規(guī)模化太陽能中高溫?zé)崂玫囊蟆?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的工作系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0030]實(shí)施例1
[0031]如圖1所示，本實(shí)施例一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，包括裝置本體1、石英玻璃窗2、泡沫碳化硅吸熱層3、反應(yīng)層4、保溫層6、輸出通道7、第一輸入通道8、第二輸入通道9，裝置本體I開口由石英玻璃窗2密封，外部包覆有保溫層6，石英玻璃窗2和裝置本體I內(nèi)部圍成一腔體。泡沫碳化娃吸熱層3和反應(yīng)層4組成一儲(chǔ)能吸熱體,該儲(chǔ)能吸熱體固定設(shè)置在腔體中，并將腔體分為前腔和后腔，前腔是指石英玻璃窗、裝置本體和吸熱層圍成的腔，后腔是指反應(yīng)層和裝置本體圍成的腔。第一輸入通道8和第二輸入通道9均與前腔連通，輸出通道7與后腔連通。
[0032]所述前腔為反應(yīng)氣體混合區(qū)，其內(nèi)表面涂覆含氧化鋯、氧化鋁等材料的耐高溫高反射率涂層5，把聚光太陽輻射10反射到儲(chǔ)能吸熱體上。
[0033]所述吸熱層3采用泡沫碳化硅材料定制成薄層。泡沫碳化硅材料具有高導(dǎo)熱系數(shù)(70-350ff/m/K),并且具有高孔隙率和吸收率，能夠均勻加熱反應(yīng)氣體并迅速傳熱給反應(yīng)層4。
[0034]所述反應(yīng)層4采用整體式催化劑，一般由結(jié)構(gòu)化基體、涂層載體和催化活性組分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)化基體起物理支撐作用，一般采用耐高溫的陶瓷材料。催化活性組分是整體式催化劑的核心，對(duì)于不同的反應(yīng)體系可采用不同的催化活性組分。涂層載體即過渡層，主要作用是增大結(jié)構(gòu)化基體與催化活性組分之間的結(jié)合力，并且增大催化劑的比表面積。[0035]本實(shí)施例所述太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器工作時(shí)，聚光太陽輻射10透過石英玻璃窗2加熱置于腔體內(nèi)的泡沫碳化硅吸熱層3，反應(yīng)氣體在吸熱層3內(nèi)吸收聚光太陽輻射升溫，然后進(jìn)入反應(yīng)層4內(nèi)發(fā)生反應(yīng)得到反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物輸出實(shí)現(xiàn)太陽能儲(chǔ)存。
[0036]本實(shí)施例在如圖2所示系統(tǒng)中進(jìn)行工作。工作前，反應(yīng)氣體輸入管道11、13與儲(chǔ)能吸熱器輸入通道8、9 (圖1)相連，反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道12與儲(chǔ)能吸熱器輸出通道7 (圖1)相連。工作時(shí)，首先調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)14，使太陽能吸熱器16位于聚焦太陽光的焦斑處，然后太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器16開始進(jìn)行吸熱儲(chǔ)能工作。為了提高熱效率，所述反應(yīng)氣體輸入管道11、13和反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道12在裝置本體外部通過一回?zé)崞?5進(jìn)行熱交換。
[0037]通過上述太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器實(shí)現(xiàn)的太陽能熱化學(xué)吸熱儲(chǔ)能方法，具體包括以下步驟:
[0038](I)預(yù)熱過程:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)14使吸熱器16位于焦斑處，泡沫碳化硅吸熱層3和反應(yīng)層4溫度升高至預(yù)設(shè)溫度；
[0039](2)催化劑預(yù)還原:通入還原氣體還原反應(yīng)層4的催化活性組分，直至催化活性組分完全還原；
[0040](3)太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能:通入反應(yīng)氣體使其在儲(chǔ)能吸熱體作用下吸收太陽能發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物通過輸出通道7輸出實(shí)現(xiàn)太陽能儲(chǔ)存；
[0041](4)系統(tǒng)停止:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)14使吸熱器16偏離焦斑位置；停止通入反應(yīng)氣體，向吸熱器16內(nèi)通入N2，排空反應(yīng)氣體。
[0042]如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；即凡依本
【發(fā)明內(nèi)容】
所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，包括裝置本體，其開口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保溫層，石英玻璃窗和裝置本體內(nèi)部圍成一腔體，該腔體內(nèi)設(shè)置有一由吸熱層和反應(yīng)層組成的儲(chǔ)能吸熱體，該儲(chǔ)能吸熱體將腔體分為前腔和后腔，石英玻璃窗和吸熱層之間的前腔與輸入通道相連，后腔與輸出通道相連，反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)氣體通過輸入通道進(jìn)入前腔進(jìn)行混合，然后依次流過吸熱層和反應(yīng)層，最后反應(yīng)產(chǎn)物從輸出通道流出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述腔體表面涂覆有用于反射太陽輻射的涂層，該涂層材料中包括氧化鋯、氧化鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述吸熱層采用泡沫碳化娃材料定制成薄層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述反應(yīng)層采用整體式催化劑，由結(jié)構(gòu)化基體、涂層載體和催化活性組分構(gòu)成，其中結(jié)構(gòu)化基體用于物理支撐反應(yīng)層，催化活性組分根據(jù)不同的反應(yīng)進(jìn)行選擇，涂層載體為過渡層；涂層載體選用比表面積大于100m2/g的Y-Al2O3材料，通過涂覆、干燥和烘焙使其附著于結(jié)構(gòu)化基體表面，然后通過浸潰，把催化活性組分負(fù)載在涂層載體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)化基體采用陶瓷材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述吸熱器包括若干個(gè)輸入通道和輸出通道，輸入通道與外部反應(yīng)氣體輸入管道相連，輸出通道與外部反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器，其特征在于，所述反應(yīng)氣體輸入管道和反應(yīng)產(chǎn)物輸出管道在裝置本體外部通過一回?zé)崞鬟M(jìn)行熱交換。
8.一種基于權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能吸熱器的吸熱方法，其特征在于，包括以下步驟:聚光太陽輻射透過石英玻璃窗加熱置于腔體內(nèi)的吸熱層，反應(yīng)氣體在吸熱層內(nèi)吸收聚光太陽輻射升溫，然后進(jìn)入反應(yīng)層內(nèi)發(fā)生催化儲(chǔ)能反應(yīng)得到反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物輸出實(shí)現(xiàn)太陽能儲(chǔ)存。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的吸熱方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)預(yù)熱過程:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)使吸熱器位于焦斑處，吸熱層和反應(yīng)層溫度升高至預(yù)設(shè)溫度； (2)催化劑預(yù)還原:通入還原氣體還原反應(yīng)層內(nèi)的催化活性組分，直至催化活性組分完全還原； (3)太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能:通入反應(yīng)氣體使其在儲(chǔ)能吸熱體作用下吸收太陽能發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物通過輸出通道輸出，實(shí)現(xiàn)太陽能儲(chǔ)存； (4)系統(tǒng)停止:調(diào)節(jié)太陽能聚光系統(tǒng)使吸熱器偏離焦斑位置；停止通入反應(yīng)氣體，向吸熱器內(nèi)通入N2，排空反應(yīng)氣體。
【文檔編號(hào)】F28D20/00GK103499230SQ201310435957
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】陸建峰, 陳源, 丁靜, 楊建平, 王維龍, 彭強(qiáng) 申請(qǐng)人:中山大學(xué)