基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器，属于太阳能热化学领域。现有的太阳能反应器热效率受限，导致反应效率差。碟式太阳能聚光器将汇聚的太阳光透过宽频光学石英窗片照射到球形外壳内部，一部分被涂有选择性吸收涂层的石墨集热管接收，另一部分经过球形外壳内表面全反射涂层材料的多次反射，最终同样被涂有选择性吸收涂层的石墨集热管接收，石墨集热管吸收太阳光的能量加热内部催化材料，此时向石墨集热管中通入原料气，原料气与石墨集热管内的催化材料反应，生成反应气体产物，在选择性吸收涂层的作用下，石墨集热管吸收太阳光的能量加热内部催化材料，并降低自身的对外热辐射损失。它用于通过增强热吸收提高反应效率。高反应效率。高反应效率。
【技术实现步骤摘要】
基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器
[0001]本专利技术涉及太阳能热化学反应器。属于太阳能热化学领域。
技术介绍
[0002]面对日趋严峻的能源资源形势和全球性环境问题，如何开发高效清洁能源技术以实现自然环境与人类社会的协调持续发展，已成为国际社会能源资源合理调度和开展碳减排工作的首要目标。在众多可再生能源中，太阳能由于其分布范围广、储量丰富、清洁无污染等特点而成为解决全球性能源短缺和环境污染问题的一种理想绿色能源。我国虽然拥有极为丰富的太阳能资源储量，但尚未真正掌握高效、低成本、大规模的太阳能直接利用技术，这极大地限制了能源结构的改革和社会经济的可持续发展。在当前形势下，发展并掌握以太阳能为驱动源的高效清洁能源转换技术对于促进国家能源转型有着十分重要的战略意义。
[0003]太阳能反应器是利用聚光太阳能形成高温环境，驱动化学反应并将其以化学能形式存储的绿色能源转换装置，近年来在清洁能源
引起了越来越多的关注。根据聚光太阳能的加热方式，可分为直接加热式反应器和间接加热式反应器。前者将聚光太阳能直接照射至反应介质表面进行加热，具有加热效率高、装置结构简单等优点，其缺点是前端对外辐射热损失较高，且反应介质内通常存在较大的温度梯度，进而影响反应效率；后者首先利用聚光太阳能加热吸收介质，然后通过热传导和热对流的方式间接加热反应介质，其优点是加热过程易于控制，但由于增加了额外的传热步骤，大量的热损失通常会使整个反应器的热效率受到严重限制。
[0004]太阳能反应器内部的能量转换形式为太阳能
‑
热能
‑
化学能。无论是直接加热还是间接加热方式，反应器的热效率始终是保证整个装置最终能量转换效率的前提。目前，尽管已有大量研究提出了太阳能强化吸收和提高反应器热效率的多种途径，但结合光线传输控制与光谱调控强化吸收的热效率提升方式鲜有报道，相关反应器设计原理和技术方法的实现对于提升太阳能热化学反应器的能量效率具有重要的理论和现实意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是为了解决现有的太阳能反应器热效率受限，导致反应效率差的问题，提出了基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器。
[0006]基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器，其特征在于，所述反应器包括碟式太阳能聚光器、宽频光学石英窗片、球形外壳和石墨集热管；
[0007]球形外壳的内表面涂有全反射涂层材料，石墨集热管贯穿球形外壳，且石墨集热管的两端均露在球形外壳的外部，石墨集热管内部设置催化材料，石墨集热管外表面涂覆选择性吸收涂层，石墨集热管的两端分别作为原料气入口和反应气体产物出口；
[0008]球形外壳上开有开孔，宽频光学石英窗片覆盖在球形外壳的开孔上，碟式太阳能聚光器位于宽频光学石英窗片外部，且朝向宽频光学石英窗片；
[0009]碟式太阳能聚光器，用于将汇聚的太阳光透过宽频光学石英窗片照射到球形外壳内部，进入球形外壳内部的太阳光一部分被涂有选择性吸收涂层的石墨集热管接收，另一部分经过球形外壳内表面全反射涂层材料的多次反射，最终同样被涂有选择性吸收涂层的石墨集热管接收，石墨集热管吸收太阳光的能量加热内部催化材料，此时石墨集热管中通入的原料气催化材料反应，生成反应气体产物，同时石墨集热管吸收太阳光的能量后透过选择性吸收涂层向全反射涂层材料辐射能量，全反射涂层材料接收到辐射能量后将该辐射能量反射给涂有选择性吸收涂层的石墨集热管，进一步加热石墨集热管。
[0010]优选地，宽频光学石英窗片的透光波段范围为0μm
‑
3.5μm。
[0011]优选地，石墨集热管吸收太阳光的能量后透过选择性吸收涂层向全反射涂层材料辐射能量Q
surf
表示为：
[0012][0013]式中，A
pipe
为石墨集热管外壳的辐射面积；
[0014][0015]式中，E
bλ
为石墨集热管的辐射力；c1为普朗克定律第一辐射常数；c2为普朗克定律第二辐射常数；λ为波长，T为石墨集热管辐射能量的温度。
[0016]优选地，选择性吸收涂层的吸收率a
coat
为：
[0017][0018]式中，λ
c
为选择性吸收涂层的截止波长，λ
c
＝2μm。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]本申请首次提出一种基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器，预期的理论最佳热效率(太阳能
‑
热能转换效率)为87.4％。该装置是为了克服现太阳能反应器热损失高、整体热效率低的不足。本申请技术核心和优势在于：(1)采用球形外壳结构设计，并在其内表面涂覆全反射涂层，当开孔比(定义为球形壳体开孔处的面积与整个球内壁面积之比)足够小时，入射至其内的绝大多数太阳光线在经过多次反射后最终被中心的石墨集热管吸收，而难以从入射窗口处向外逃逸，进而从光线传输控制的角度降低对外的能量损失；(2)利用涂覆在集热管外表面的选择性吸收涂层进行光谱调控，在保证尽可能多的太阳能光谱能量吸收的同时，减少高温集热管表面的对外热辐射损失(800K以下几乎无对外热辐射)，进而提升集热管的集热效率；(3)将光线传输控制与光谱调控强化吸收相结合，即使高温情况下(800K以上)集热管在选择性吸收涂层的截止波长以内会存在一定的对外热辐射，但在石墨集热管的快速导热特性下，均匀向各个方向辐射能量中的绝大部分能量会在球形壳体内表面的反射下重新被集热管吸收，在能量平衡中维持反应器的最佳热效率。
附图说明
[0021]图1为强化吸收太阳能反应器二维结构示意图；
[0022]图2为强化吸收太阳能反应器三维结构示意图；
[0023]图3为宽频光学石英窗片的光谱透过率；
[0024]图4为不同温度下的黑体光谱辐射力。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0028]具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器，所述反应器包括碟式太阳能聚光器1、宽频光学石英窗片2、球形外壳3和石墨集热管5；
[0029]球形外壳3的内表面涂有全反射涂层材料4，石墨集热管5贯穿球形外壳3，且石墨集热管5的两端均露在球形外壳3的外部，石墨集热管5内部设置催化材料，石墨集热管5外表面涂覆选择性吸收涂层7，石墨集热管5的两端分别作为原料气本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于光线传输控制与光谱调控强化吸收的太阳能反应器，其特征在于，所述反应器包括碟式太阳能聚光器(1)、宽频光学石英窗片(2)、球形外壳(3)和石墨集热管(5)；球形外壳(3)的内表面涂有全反射涂层材料(4)，石墨集热管(5)贯穿球形外壳(3)，且石墨集热管(5)的两端均露在球形外壳(3)的外部，石墨集热管(5)内部设置催化材料，石墨集热管(5)外表面涂覆选择性吸收涂层(7)，石墨集热管(5)的两端分别作为原料气入口和反应气体产物出口；球形外壳(3)上开有开孔，宽频光学石英窗片(2)覆盖在球形外壳(3)的开孔上，碟式太阳能聚光器(1)位于宽频光学石英窗片(2)外部，且朝向宽频光学石英窗片(2)；碟式太阳能聚光器(1)，用于将汇聚的太阳光透过宽频光学石英窗片(2)照射到球形外壳(3)内部，进入球形外壳(3)内部的太阳光一部分被涂有选择性吸收涂层(7)的石墨集热管(5)接收，另一部分经过球形外壳(3)内表面全反射涂层材料(4)的多次反射，最终同样被涂有选择性吸收涂层(7)的石墨集热管(5)接收，石墨集热管(5)吸收太阳光的能量加热内部催化材料，此时石墨集热管中通入的原料气催化材料反应，生成反应气体产物，同时石墨集热管(5)吸收太阳光的能量后透过选择性吸收涂层(7)向全反射涂层材料(4)辐射能量，全反射涂层材料(4)接收到辐射能量后将该辐射能量反射给涂有选择性吸收涂层(7)的石墨集热管(5)，进一步加热石墨集热管(5)。2.根据权利要求1所述的基...
【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，杨大智，张小密，王文婷，孔宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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