一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统及方法技术方案

本发明专利技术属于太阳能高温储热发电技术领域，并公开了一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统及方法。该系统包括高温太阳能反应子系统、设于其一侧的循环发电子系统和设于其上方的聚光太阳能子系统，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应与聚光太阳能产生的高热结合起来，将太阳能以化学能形式储存起来用于全天连续发电。办发明专利技术还公开了该系统的方法。通过本发明专利技术，在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，将白天收集的太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，能够实现太阳能的高效转换和储能，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。

A Solar Energy Storage Power Generation System and Method Based on Redox Reaction

The invention belongs to the technical field of solar high temperature thermal storage power generation, and discloses a solar energy energy storage power generation system and method based on redox reaction. The system consists of a high temperature solar reaction subsystem, a cyclic power generation subsystem on one side and a concentrating solar energy subsystem on the other. The solar energy is stored in the form of chemical energy for all-day continuous power generation by combining the MnO/Mn2O3 redox cycle reaction with the high heat generated by the concentrating solar energy. The invention also discloses the method of the system. The solar energy collected during the day is stored in the form of chemical energy on the basis of not consuming other fossil energy such as natural gas. At the same time, the high heat released by chemical energy is used in two different ways to realize continuous power generation throughout the day. The solar energy can be efficiently converted and stored. The solar energy has compact structure, simple operation process, high utilization rate of solar energy and initial stage. The investment cost is low and the environment is friendly.

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统及方法
本专利技术属于太阳能高温储热发电
，更具体地，涉及一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统及方法。
技术介绍
能源在人类社会的发展中起着至关重要的作用。目前，全球一次能源构成主要是以化石燃料为主体。然而，化石燃料不可再生，且伴随着环境污染等问题。为应对未来的发展需求，需大力开发利用太阳能、风能和生物质等清洁可再生能源。在众多可再生能源中，太阳能分布广泛，用之不竭。地球每年接收的太阳能总量达到1×1018kWh，相当于1.3×1014吨标准煤，在美国西南部、非洲、澳大利亚和中国西部等地区的太阳能资源均非常丰富。开发和利用太阳能对于满足人类日益增长的能源需求、减少温室气体排放具有重要意义。太阳能热发电利用聚光装置将太阳能的热量收集起来，通过换热装置提供高温高压蒸汽，然后利用高温高压蒸汽推动朗肯循环汽轮机来实现发电。采用太阳光热发电可以避免对煤炭、石油、天然气等不可再生能源的依赖，且不会产生任何的二次污染。因此，太阳能热发电是解决当前能源危机的重要途径之一。然而，太阳能存在着不连续和不稳定性的缺陷，这也是开发利用太阳能面临的主要问题之一。为了提高太阳能的净发电效率和实现机组的连续稳定运行，现已开发出多种太阳能与联合循环发电系统相集成的互补型发电系统，主要的互补方式包括以下两种：1、利用线性聚光装置与底部朗肯循环相结合，用于完成蒸汽部分的预热或蒸发，以提高机组的发电容量；2、利用塔式点聚光集热技术与顶部布雷顿循环相结合，将经压气机加压后的空气加热至800～1000℃，而后再送入燃烧室，以此减少化石能源的消耗。另外，利用塔式聚焦产生的高温太阳能驱动生物质等固体碳氢燃料气化，而且再借助联合循环发电系统高效利用的技术方案也已被提出，通过将太阳能转换为高品质化学能后，再实现化学能的高效转化。然而，进一步研究表明，对于利用高温太阳能与布雷顿顶循环相结合以加热压缩空气的互补形式，不仅仍需消耗大量的天然气等化石能源，同时还因集热温度过高，难以通过蓄热的方式在夜间实现发电系统的互补运行；其次，对于将生物质等固体碳氢燃料转化为可供燃气-蒸汽联合循环系统使用的燃料来实现发电储能，虽然能实现清洁能源的再生，但是，该系统仍然无法克服高温储能这一难题，同时该系统庞大，操控难度大，所得合成气在燃烧过程中也产生大量的CO和CO2，污染大气环境。相应地，本领域亟需做出进一步的研究和改进，以便更好的利用太阳能满足发电储能要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应的机理与聚光太阳能产生的高热结合起来，将白天收集的高温太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，本系统与现有技术相比在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，能够高效实现太阳能的转换，并将聚光后的高温太阳能以化学能的形式储能，用于全天连续发电，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统，包括聚光太阳能子系统、高温太阳能反应子系统和循环发电子系统，所述聚光太阳能子系统包括定日场和双曲面反射镜，用于接收太阳能并将所接收的太阳能聚焦后投射至高温太阳能反应子系统上以提供其反应所需热量；所述高温太阳能反应子系统包括冷储室、第一流化床反应器、热储室和第二流化床反应器，所述冷储室的出料口与所述第一流化床反应器的进料口相连，所述第一流化床反应器的出料口经由分离室与所述热储室相连，所述冷储室用于在白天光照条件下将其中存储的MnO输入所述第一流化床反应器，并在所述热量驱动下发生还原反应且生成MnO和高温气体，由此将高温气体输入所述循环发电子系统进行发电，所述热储室用于在夜晚条件下将其中存储的MnO输入所述第二流化床反应器中进行氧化反应，生成Mn2O3并进入下一工作循环，同时由此将化学键储存能量释放以加热气体进而将产生的高温气体再次被输入所述循环发电子系统进行发电；所述循环发电子系统包括燃气透平和发电机，所述燃气透平的进气口与所述分离室和第二流化床反应器的出气口连接，用于收集高温氧气和氮气并利用其驱动所述燃气透平做功，从而带动发电机发电；所述燃气透平的出气口分别与所述分离室和第二流化床反应器的进气口连接，用于将做功后冷却的气体送回所述高温太阳能反应子系统，由此进入下一太阳能反应及发电的循环过程。进一步的，所述循环发电子系统还包括依次连接的余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器和水泵，所述水泵的出水口与所述余热锅炉的进水口连接，从而形成一个循环的水汽回路。进一步的，所述冷储室的下方还设有风机。进一步的，所述第二流化床反应器中部还设有带孔隔板。进一步的，所述热储室与所述第二流化床反应器之间设有第一旋转式进料器。进一步的，所述第二流化床反应器与所述下降管之间设有第二旋转式进料器。进一步的，所述第一流化床反应器的进气口处设有二次气体喷射器。按照本专利技术的另一个方面，还提供一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统的方法，具体包括如下步骤：S1:将所述冷储室中储存的Mn2O3通过送料阀输送到所述第一流化床反应器中，并利用聚光太阳能子系统产生的热量驱动Mn2O3的还原反应；S2:所述S1中反应产生的MnO和高温气体进入所述分离室进行分离，固体MnO被送入热储室进行储存，高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；S3：将所述热储室中的MnO颗粒被入所述第二流化床反应器中进行氧化反应，反应生成的Mn2O3通过下降管进入冷储室，同时，反应生成的高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；S4：做功后的次高温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应。进一步的，所述S2中做功后的次高温气体被送入余热锅炉中，并利用气体余热将余热锅炉中水转化成高温水蒸气，从而驱动蒸汽透平做功，进而带动发电机发电，产生低温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应，做功后的水蒸气则被送入冷凝器冷凝成液态水，然后通过所述水泵送入余热锅炉中，进入下一工作循环。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术的发电系统，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应与聚光太阳能产生的高热结合起来，将白天收集的高温太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，本系统与现有技术相比在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，能够高效实现太阳能的转换，并将聚光后的高温太阳能以化学能的形式储能，用于全天连续发电，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。2.本专利技术的发电系统，充分利用氧气和氮气做功后的余热加热水，从而利用加热产生的水蒸气继续做功发电，从而进一步提高了太阳能的利用率。附图说明图1是为一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统的结构示意图；图2是本专利技术涉及的高温太阳能反应子系统的具体结构示意图；图3是本专利技术涉及的氧化锰氧化还原循环发电系统概念图。在所有附图中，同样的附图标记表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统，包括聚光太阳能子系统、高温太阳能反应子系统(1)和循环发电子系统，其特征在于：所述聚光太阳能子系统包括定日场和双曲面反射镜，用于接收太阳能并将所接收的太阳能聚焦后投射至高温太阳能反应子系统(1)上以提供其反应所需热量；所述高温太阳能反应子系统(1)包括冷储室(10)、第一流化床反应器(11)、热储室(14)和第二流化床反应器(15)，所述冷储室(10)的出料口与所述第一流化床反应器(11)的进料口相连，所述第一流化床反应器(11)的出料口经由分离室(13)与所述热储室(14)相连，所述冷储室(10)用于在白天光照条件下将其中存储的Mn2O3输入所述第一流化床反应器(11)，并在所述热量驱动下发生还原反应且生成MnO和高温气体，由此将高温气体输入所述循环发电子系统进行发电，所述热储室(14)用于在夜晚条件下将其中存储的MnO输入所述第二流化床反应器(15)中进行氧化反应，生成Mn2O3并进入下一工作循环，同时由此将化学键储存能量释放以加热气体进而将产生的高温气体再次被输入所述循环发电子系统进行发电；所述循环发电子系统包括燃气透平(2)和发电机(7)，所述燃气透平(2)的进气口与所述分离室(13)和第二流化床反应器(15)的出气口连接，用于收集高温氧气和氮气并利用其驱动所述燃气透平(2)做功，从而带动发电机(7)发电；所述燃气透平(2)的出气口分别与所述分离室(13)和第二流化床反应器(15)的进气口连接，用于将做功后冷却的气体送回所述高温太阳能反应子系统(1)，由此进入下一太阳能反应及发电的循环过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电系统，包括聚光太阳能子系统、高温太阳能反应子系统(1)和循环发电子系统，其特征在于：所述聚光太阳能子系统包括定日场和双曲面反射镜，用于接收太阳能并将所接收的太阳能聚焦后投射至高温太阳能反应子系统(1)上以提供其反应所需热量；所述高温太阳能反应子系统(1)包括冷储室(10)、第一流化床反应器(11)、热储室(14)和第二流化床反应器(15)，所述冷储室(10)的出料口与所述第一流化床反应器(11)的进料口相连，所述第一流化床反应器(11)的出料口经由分离室(13)与所述热储室(14)相连，所述冷储室(10)用于在白天光照条件下将其中存储的Mn2O3输入所述第一流化床反应器(11)，并在所述热量驱动下发生还原反应且生成MnO和高温气体，由此将高温气体输入所述循环发电子系统进行发电，所述热储室(14)用于在夜晚条件下将其中存储的MnO输入所述第二流化床反应器(15)中进行氧化反应，生成Mn2O3并进入下一工作循环，同时由此将化学键储存能量释放以加热气体进而将产生的高温气体再次被输入所述循环发电子系统进行发电；所述循环发电子系统包括燃气透平(2)和发电机(7)，所述燃气透平(2)的进气口与所述分离室(13)和第二流化床反应器(15)的出气口连接，用于收集高温氧气和氮气并利用其驱动所述燃气透平(2)做功，从而带动发电机(7)发电；所述燃气透平(2)的出气口分别与所述分离室(13)和第二流化床反应器(15)的进气口连接，用于将做功后冷却的气体送回所述高温太阳能反应子系统(1)，由此进入下一太阳能反应及发电的循环过程。2.如权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于，所述循环发电子系统还包括依次连接的余热锅炉(3)、蒸汽透平(4)、冷凝器(5)和水泵(6)，所述水泵(6)的出水口与所述余热锅炉(3)的进水口连接，从而形成一个循环的水汽回路。3.如权利要求1或2所述的太阳能储能发电系统，其特征在于，所述冷储室(10)的下方还设有风机(9)。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾阔，何肖，陈汉平，杨海平，杨心怡，宋杨，刘年，丁智，刘晴川，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42