本发明专利技术提供一种太阳能热化学混合储能装置和方法，其装置包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，在聚光太阳辐射下通过装置本体加热反应系统和蓄热系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行显热或相变储热，蓄热系统可以维持化学反应的高效稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能。其方法具体包括预热过程、催化剂预还原、太阳能供热反应储能、蓄热系统供热反应储能和系统停止。本发明专利技术能较好地满足规模化太阳能中高温热利用和节能减排的要求，储能密度高且时效长，储能过程高效稳定，同时具有较低的制造成本和维护成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能中高温热利用领域，特别涉及一种将太阳能转换成化学能，并储存于反应产物中的太阳能热化学混合储能装置及方法。
技术介绍
太阳能具有资源丰富、清洁无污染等特点，对解决当今面临的能源危机和环境问题具有重要作用。太阳能利用从能源转化方式来看主要有光电、光热、光化学等方式。太阳能中高温热利用技术作为低成本且具有规模化应用前景的清洁能源技术，是我国国民经济可持续发展的战略性新能源技术。太阳能中高温热利用系统主要由聚光系统、吸热系统、蓄能系统以及热利用装置组成。由于太阳能具有间歇性和不稳定性等特点，很难满足工业化大规模连续稳定供能的要求，因此必须发展高效蓄能技术，才能有效解决太阳能转换、传输 与储存问题。现有太阳能高温储能主要采用显热和相变储能方法，而较少采用化学储热方法。显热储能是利用储能介质热容量而将热能储存的方法，通过温度升高和降低实现能量的储存和释放，其储能密度由储能介质的温差焓决定。相变储能是利用储能介质在相变过程中吸收或放出热量的特性来实现热量储存释放的方法，其储能密度由相变储能介质的相变焓决定。由于温差焓和相变焓通常比热化学储能中的化学反应焓小得多，所以热化学储能的质量储能密度比显热或相变储能大，而且显热和相变储能在常温下会流失，无法做到长期储存。热化学储能技术具有储能密度大、稳定性高且储能介质易于长期储存的显著优势，是太阳能高温热利用系统中具有广泛应用前景的一种技术。热化学储能反应体系需满足多种条件，包括反应热大、反应可逆性好、生成物易分离且能稳定贮存、反应迅速且副反应影响小、反应物和生成物无毒无腐蚀且无可燃性、反应物价格低等，因此理想的化学储能体系还比较少。近年来，研究者提出一些太阳能热化学储能反应体系，如nh3/n2+h2、Ca (OH) 2/Ca0+H20、Mg (OH) 2/Mg0+H20 等。目前典型的太阳能热化学反应器是体积式反应器，这类反应器工作时一般置于聚焦太阳光焦面处，聚焦太阳光直接照射到催化剂上为化学反应提供能量从而将太阳能转化为化学能。由于太阳能辐射强度时段性变化，反应器内化学反应与太阳能辐射强度变化相耦合，反应温度和速度等参数不稳定，影响化学反应和储能效率。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种太阳能热化学混合储能装置和方法，该装置和方法结合热化学储能和显热潜热储能的优点，具有有效储能容量大、运行高效稳定的优点，从而满足工业上规模化太阳能中高温热利用的要求。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现本专利技术提供一种太阳能热化学混合储能装置，包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，所述蓄热系统设置在装置本体内，反应系统设置在蓄热系统内，输入输出系统分别与反应系统的原料输入口和反应产物输出口相连，装置本体上设置有石英窗口，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行储热，输入输出系统分别与外部的输入和输出原料管道相连。使用上述装置储存太阳能时，蓄热系统可以维持化学反应的高效稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能。优选的，所述装置本体包括壳体、保温层、石英窗口、法兰与密封圈；壳体为圆筒或方形结构，壳体内侧为耐高温保温层；石英窗口利用法兰固定于壳体一端，并采用耐高温密封圈进行密封，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统。优选的，所述反应系统包括反 应腔、过滤网和催化剂层；反应腔前端为圆柱结构，用于输入的原料气体进行混合；反应腔后端为圆锥型结构，末端与反应产物输出口相连接；反应腔中部为过滤网和催化剂层；催化剂层为多孔结构，过滤网包括前后两张过滤网，催化剂层位于前后过滤网之间。在实际装置中，催化剂材料根据反应体系确定。优选的，所述蓄热系统包括蓄热腔和蓄热介质，蓄热腔为装置本体与反应系统之间的空腔，蓄热腔内填充有蓄热介质。更进一步的，所述蓄热介质为显热蓄热介质或者相变蓄热介质，如果为相变蓄热介质，则相变蓄热介质的相变温度需高于反应温度。更具体的，所述蓄热系统内还包括金属丝网等强化传热的装置，这些装置设置在蓄热腔中的蓄热介质中间。采用这种结构可以提高蓄热介质的蓄放热速度。优选的，所述输入输出系统包括若干个输入气体通道与反应产物输出通道，在反应时，各个输入气体通道内通入各种反应物，输入气体通道一端与反应腔前端相连，另一端与输入的原料管道相连；反应产物输出通道一端与反应腔后端相连，另一端与生成物输出管道相连。更进一步的，所述输入气体通道在蓄热系统内为直管或盘管结构。为了使反应物能够在进入反应腔前能够最大程度的预热，可以将输入气体通道尽可能多的在蓄热腔内进行停留。优选的，所述反应产物输出通道设于反应腔后端，焊接于反应腔腔体上形成一体式结构。这种结构可以防止反应产物发生泄漏。更进一步的，输入的原料管道和生成物输出管道在装置本体外均通过同一个热交换器进行热交换。采用这种结构是为了利用生成物热能预热原料气体。尽量降低能量损耗，提高太阳能的利用率。本专利技术还提供一种太阳能热化学混合储能方法，包括下述步骤聚光太阳辐射透过装置本体上的石英窗口加热设置于装置本体内的蓄热系统和反应系统，蓄热系统内的蓄热介质吸收太阳辐射进行储热，反应系统内先进行催化剂还原，然后通入原料气体进行热化学反应得到反应产物，反应产物输出实现太阳能储存；蓄热系统维持热化学反应的稳定进行并在无太阳辐射时继续热化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值，然后停止系统。具体包括以下步骤(I)预热过程调节太阳能聚光系统，使储能装置位于聚光太阳辐射的焦斑处，反应系统与蓄热系统中的蓄热介质温度开始升高直至预设温度；蓄热介质为相变材料时，预设温度要高于熔点，预热过程包括固液相变过程；(2)催化剂预还原反应系统温度升高到预设反应温度后，通入还原气体还原反应腔内催化剂，直至催化剂完全还原；(3)太阳能为热反应储能供热催化剂预还原后通入原料气体反应，混合气体在催化剂作用下吸收太阳能发生反应并生成反应产物，反应产物通过出口输出实现太阳能储存；太阳辐射强度短时间或小幅变动时，蓄热系统使反应系统保持适宜温度；太阳辐射强度较长时间或大幅变动时，调节进气量使反应系统保持适宜温度；(4)蓄热系统为热反应储能供热太阳辐射较低时，继续通入原料气体反应，把蓄热系统的显热蓄热或相变热转化为化学储能，直至蓄热系统温度低于最低反应温度值；(5)系统停止调节太阳能聚光系统，使储能装置偏离太阳辐射焦斑位置，使储能装置温度逐步降低；然后停止通入反应气体，向储能装置通入N2，排空反应气体。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果I、本专利技术储能密度高且时效长。化学储能密度高于显热储能与相变储能装置，并可在常温下实现长期无热损储存，因此可长期高效储存太阳能。2、本专利技术储能过程高效稳定。热化学混合储能装置包括蓄热装置，能够在太阳辐射强度变化时为化学反应提供能量，使反应器维持合适的反应温度，减小储能过程参数波动，保证储能效率维持在较高水平，并为反应物流量调节提供时间，提高储能装置运行稳定性；蓄热装置同时可以为进口原料气体预热，提高反应效率。3、本专利技术结构简单、易于加工。装置组件结构简单，易于加工，而且便于大规模生产，有利于该装置的大规模利用。4、本专利技术节能减本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种太阳能热化学混合储能装置，其特征在于，包括装置本体、反应系统、蓄热系统和输入输出系统，所述蓄热系统设置在装置本体内，反应系统设置在蓄热系统内，输入输出系统分别与反应系统的原料输入口和反应产物输出口相连，装置本体上设置有石英窗口，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统，反应系统在催化剂作用下吸收太阳能进行化学储能，蓄热系统吸收太阳辐射进行储热，输入输出系统分别与外部的输入和输出原料管道相连。2.根据权利要求I所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于所述装置本体包括壳体、保温层、石英窗口、法兰与密封圈；壳体为圆筒或方形结构，壳体内侧为耐高温保温层；石英窗口利用法兰固定于壳体一端，并采用耐高温密封圈进行密封，聚光太阳辐射透过石英窗口加热蓄热系统和反应系统。3.根据权利要求I所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于所述反应系统包括反应腔、过滤网和催化剂层；反应腔前端为圆柱结构，用于输入的原料气体进行混合；反应腔后端为圆锥型结构，末端与反应产物输出口相连接；反应腔中部为过滤网和催化剂层；催化剂层为多孔结构，过滤网包括前后两张过滤网，催化剂层位于前后过滤网之间。4.根据权利要求I所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于所述蓄热系统包括蓄热腔和蓄热介质，蓄热腔为装置本体与反应系统之间的空腔，蓄热腔内填充有蓄热介质。5.根据权利要求4所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于所述蓄热介质为显热蓄热介质或者相变蓄热介质，如果为相变蓄热介质，则相变蓄热介质的相变温度需高于反应温度； 所述蓄热系统还包括金属丝网，金属丝网设置在蓄热腔中的蓄热介质中间。6.根据权利要求3所述的太阳能热化学混合储能装置，其特征在于所述输入输出系统包括若干个输入气体通道与反应产物输出通道，输入气体通道一端与反应腔前端相连，另一端与输入的原料管道相连；反应产物输出通道一端与反应腔后端相连，另一端与生成物输出管道相连。7.根据权利要求6所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁静，杨建平，陆建峰，魏小兰，陈源，彭强，杜娟，杨晓西，
申请(专利权)人：中山大学，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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