基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统与方法，本发明专利技术系统基于太阳能集热驱动的可逆化学反应，包括太阳能聚光装置、吸热反应单元、放热反应单元和反应物存储装置；日照条件充足时，在密闭的吸热反应单元中，通过多次换热最大限度地回收反应生成物的热量；同时，真空泵持续地抽出反应器内产生的CO2，使其保持低分压状态，保证反应持续正向进行。在夜晚或日照不足时，吸热反应生成的CaO颗粒被搬运到放热反应单元的CaO料仓中用作反应物，通过换热器、多级流化床内部的换热管回收反应产生的热量。本发明专利技术可实现日照充足时储能，夜晚或日照不足时释能，保证热能供应全天候不间断；还可以提高反应温度和能量利用率。还可以提高反应温度和能量利用率。还可以提高反应温度和能量利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统与方法


[0001]本专利技术涉及太阳能热化学储能领域，特别涉及一种基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统与方法。

技术介绍

[0002]一直以来，太阳能有可持续、清洁、储量充足等优点，对太阳能进行合理的开发利用将有助于早日实现双碳目标，但常规的太阳能储能技术存在放热温度低和储能密度低的问题，这无疑是制约太阳能热发电技术朝着大规模方向应用的很大因素。因此，亟需开发储能密度高、放热温度高的大规模高效太阳能热化学储能系统，而高通量太阳能聚光系统与热化学储能系统进行一体化集成，可实现光能
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热能
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化学能的高效转化与利用，因此高通量聚光太阳能热化学转化储能系统具有储能密度高和效率高、反应温度高的优点，是最有发展前景的大规模太阳能储能技术之一。
[0003]热化学储能系统朝着的高参数化发展，这就要求集热温度也有所提高，储能材料和反应器的性能是影响集热温度高低的主要因素。目前主要研究的热化学储能材料有金属氧化物、硫酸盐、碳酸盐和氢氧化物，其中CaCO3/CaO在储能密度、放热温度以及成本等方面的综合优势大，具有较好的发展潜力，因此由太阳能集热驱动的可逆化学反应应用在热化学储能系统中，可以实现高效发电与供热。
[0004]太阳能热化学反应器分为直接照射式和间接照射式，其中直接照射式反应器的集热腔和反应腔一体化，使其具有结构简单且热效率高的优点，工业应用前景好，但当光照不均匀时，直接照射式反应器易出现流动不均和局部过热等问题，尤其是当储能材料选用微米级细颗粒载能体时，更容易发生团聚现象，使有效反应比表面积减小、不易流化，进而导致反应性能大幅下降。同时，细颗粒也易粘附在反应器石英窗口表面，在高通量聚光太阳能照射条件下引起“炸屏”的严重问题。而间接照射式反应器的集热腔与反应腔是分开的，故而可以缓冲流动不均的热流，避免颗粒团聚烧结，同时此结构也容易导致反应腔内有较大的温度梯度，降低反应效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统与方法，以有效解决常规太阳能储能技术储能密度低、放热温度低的问题，本专利技术采用的高通量聚光太阳能热化学转化储能系统具有储能密度和效率高、反应温度高的优势。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，包括太阳能聚光装置、高通量聚光太阳能吸热反应单元、放热反应单元和反应物存储装置；
[0008]所述太阳能聚光装置包括聚光器；
[0009]所述高通量聚光太阳能吸热反应单元包括斜板式移动床、风机a、换热器a、冷却器、压缩机和CO2气瓶a；
[0010]所述放热反应单元包括多级流化床、换热器b、换热器c、风机b和CO2气瓶b；
[0011]所述反应物存储装置包括CaCO3料仓a、CaCO3料仓b、CaO料仓a和CaO料仓b；
[0012]所述CaCO3料仓a的固体出口连接至斜板式移动床的进料口，斜板式移动床的出料口连接至CaO料仓a的固体进口，斜板式移动床的CO2气体出口依次经换热器a、冷却器、压缩机连接至CO2气瓶a；
[0013]所述聚光器用于将太阳光聚集到斜板式移动床上，斜板式移动床内部CaCO3固体颗粒通过吸热完成化学反应；
[0014]所述风机a的空气出口、CaO料仓a的空气进口和空气出口、换热器a的空气进口和空气出口、CaCO3料仓a的空气进口和空气出口、以及风机a的空气进口之间通过管路形成空气循环；
[0015]所述CaO料仓a的固体出口连接至CaO料仓b的固体进口，CaO料仓b的固体出口连接至多级流化床的进料口，多级流化床的出料口连接至CaCO3料仓b的固体进口，CaCO3料仓b的固体出口连接至CaCO3料仓a的固体进口；
[0016]所述CaCO3料仓b的气体进口连接低温加热工质，CaCO3料仓b的气体出口通过换热器b连接至多级流化床的加热工质进口，多级流化床的加热工质出口输出高温工质；
[0017]所述多级流化床的气体出口、换热器b、CaO料仓气体进口和气体出口、换热器c高温侧进口、风机b、CO2气瓶b、换热器c低温侧进口和多级流化床气体进口采用管路顺次连接形成CO 2
循环。
[0018]进一步地，所述斜板式移动床的顶部设置有用于透过太阳光的石英窗口。
[0019]进一步地，所述多级流化床的内部设置有三个腔室，所述CaO料仓b中CaO固体颗粒进入第一个腔室后，通过溢流的方式依次进入第二个腔室和第三个腔室。
[0020]进一步地，所述多级流化床内部设置有均匀交错排布的换热管b。
[0021]进一步地，所述CaCO3料仓a、CaCO3料仓b、CaO料仓a和CaO料仓b的内部均设置有换热管a，换热管a的端口即为各个料仓的气体进出口。
[0022]进一步地，所述多级流化床的气体进口设置有风帽。
[0023]进一步地，所述高通量聚光太阳能吸热反应单元还包括真空泵，所述真空泵设置在冷却器和压缩机之间。
[0024]进一步地，所述反应物存储装置中的储能材料CaCO3颗粒和CaO颗粒均为改性的钙基材料CaMM，所述CaCO3颗粒由CaCO3、MgO和Ca2MnO4共同组成，所述CaO颗粒由CaO、MgO和Ca2MnO4共同组成，且CaCO3颗粒和CaO颗粒中Ca、Mn、Mg原子摩尔比为9:1:1。
[0025]基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能方法，日照条件充足时，吸热反应单元中，CaCO3料仓a中的CaCO3颗粒进入斜板式移动床，经聚光器反射来的太阳光直接照射，吸热分解为高温CaO颗粒和高温CO2，从风机a送来的冷空气与反应产生的高温CaO颗粒在CaO料仓b中换热，被加热的空气进一步输送到换热器a，与反应产生的高温CO2换热，被充分加热的空气送到CaCO3料仓中，用来预热斜板式移动床进料口处的CaCO3颗粒，被换热器a初步冷却的CO2输送到冷却器进一步冷却后，通过压缩机压缩并存储在CO2气瓶a中；
[0026]在夜晚或日照不足时，放热反应单元中，CaO颗粒和CO2分别从进料口和气体进口进入多级流化床发生反应，生成高温CaCO3颗粒，并产生大量的热，低温加热工质进入CaCO3料仓b与反应产生的高温CaCO3颗粒进行换热，被加热的工质输送到换热器b与反应器气体
出口处的高温CO2换热，被进一步加热的工质送到多级流化床中回收反应产生的热量，被充分加热到850℃后流出，后续能够用于发电和供热；其次，经换热器b初步冷却的高温CO2被输送到CaO料仓b中，用来预热多级流化床进料口处的CaO颗粒；最后，进一步冷却的CO2被输送到换热器c与CO2气瓶b送来的低温CO2进行换热，被充分冷却后送到多级流化床气体进口，送入多级流化床反应腔室进行反应。
[0027]进一步地，在日照条件充足时，吸热反应产生的CaO颗粒储存在CaO料仓a中，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，其特征在于，包括太阳能聚光装置、高通量聚光太阳能吸热反应单元、放热反应单元和反应物存储装置；所述太阳能聚光装置包括聚光器(1)；所述高通量聚光太阳能吸热反应单元包括斜板式移动床(2)、风机a(3)、换热器a(4)、冷却器(5)、压缩机(7)和CO2气瓶a(8)；所述放热反应单元包括多级流化床(9)、换热器b(10)、换热器c(11)、风机b(12)和CO2气瓶b(13)；所述反应物存储装置包括CaCO3料仓a(14)、CaCO3料仓b(17)、CaO料仓a(15)和CaO料仓b(16)；所述CaCO3料仓a(14)的固体出口连接至斜板式移动床(2)的进料口，斜板式移动床(2)的出料口连接至CaO料仓a(15)的固体进口，斜板式移动床(2)的CO2气体出口依次经换热器a(4)、冷却器(5)、压缩机(7)连接至CO2气瓶a(8)；所述聚光器(1)用于将太阳光聚集到斜板式移动床(2)上，斜板式移动床(2)内部CaCO3固体颗粒通过吸热完成化学反应；所述风机a(3)的空气出口、CaO料仓a(15)的空气进口和空气出口、换热器a(4)的空气进口和空气出口、CaCO3料仓a(14)的空气进口和空气出口、以及风机a(3)的空气进口之间通过管路形成空气循环；所述CaO料仓a(15)的固体出口连接至CaO料仓b(16)的固体进口，CaO料仓b(16)的固体出口连接至多级流化床(9)的进料口，多级流化床(9)的出料口连接至CaCO3料仓b(17)的固体进口，CaCO3料仓b(17)的固体出口连接至CaCO3料仓a(14)的固体进口；所述CaCO3料仓b(17)的气体进口连接低温加热工质，CaCO3料仓b(17)的气体出口通过换热器b(10)连接至多级流化床(9)的加热工质进口，多级流化床(9)的加热工质出口输出高温工质；所述多级流化床(9)的气体出口、换热器b(10)、CaO料仓(16)气体进口和气体出口、换热器c(11)高温侧进口、风机b(12)、CO2气瓶b(13)、换热器c(11)低温侧进口和多级流化床(9)气体进口采用管路顺次连接形成CO 2
循环。2.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，其特征在于，所述斜板式移动床(2)的顶部设置有用于透过太阳光的石英窗口(18)。3.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，其特征在于，所述多级流化床(9)的内部设置有三个腔室，所述CaO料仓b(16)中CaO固体颗粒进入第一个腔室后，通过溢流的方式依次进入第二个腔室和第三个腔室。4.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，其特征在于，所述多级流化床(9)内部设置有均匀交错排布的换热管b(20)。5.根据权利要求4所述的基于可逆化学反应的高通量太阳能热化学储能系统，其特征在于，所述CaCO3料仓a(14)、CaCO3料仓b(17)、CaO料仓a(15)和CaO料仓b(16)的内部均设置有换热管a(19)，换热管a(19)的端口即为各个料仓的气体进出口。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：方嘉宾，张慧新，王驰宇，刘汉卿，刘晓群，魏进家，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：