中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统及方法，该系统包括甲醇罐、储水罐、调控阀门组、混合器、液压泵、预热器、换热器、温度传感器、一体化太阳能吸收反应器、气液分离器、内燃机和液体回收器。本发明专利技术通过不同太阳能热化学反应的主动调控，使系统在偏离设计辐照强度时能连续产生太阳能燃料，通过太阳能驱动甲醇裂解与甲醇重整流程的有机结合，完成太阳辐照强度瞬时特征与不同化石燃料转化反应的协同，从而达到变辐照、变工况互补发电系统的主动调控。本发明专利技术公开的中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统及方法全年太阳能燃料转化率高，年均太阳能净发电效率高，经济性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能与化石能源互补发电
，尤其涉及一种。
技术介绍
太阳能资源丰富，地球截取的太阳能辐射率是全世界用能速率的10000倍。不过由于太阳能固有的间歇性和不稳定性等特点，使得太阳能的利用存在着一些困难。近年来，太阳能热化学利用方式受到学者的广泛关注。太阳能热化学指利用聚光太阳热能驱动吸热反应，将太阳热能转化为太阳能燃料的化学能储存起来。太阳能热化学有效克服了太阳能不连续和能量密度低的缺点。 目前对太阳能热化学的研究集中在高温热化学领域，主要针对设计太阳辐照强度下装置或系统的性能进行研究。经对现有技术的文献检索，申请号为200320127837.X的技术专利介绍了一种太阳能热化学分解水制氢的装置。该装置利用太阳能驱动ZnO分解，能够提高太阳能利用效率I~5%。申请号为201310022593.7的专利技术专利介绍了一种腔体式太阳能高温热化学反应器，该反应器耦合了导热换热，对流换热，辐射换热以及化学反应动力学，为太阳能热化学反应过程提供了高温反应装置。申请号为201210256968.1的专利技术专利介绍了一种太阳能高温热化学耦合相变反应器。该反应器能降低反应腔的温度梯度，其热化学转化效率能比传统太阳能热化学反应器高8%~21%。以上专利大多关注设计太阳辐照强度下反应器的性能及设计，并没有涉及变辐照时如何提高太阳能热化学反应器的性能。本申请的研究团队之前提出了“太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢系统及方法”专利技术专利，公开了一种太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢系统，利用单轴跟踪的抛物槽式太阳能集热器和管式太阳能吸收反应器，聚集150°C到300°C温度范围的热量，驱动甲醇重整反应制取氢气。该系统将太阳能转化为热能的温度与重整制氢反应所需要的温度匹配，实现了中低温太阳热能的合理利用。同时将太阳能吸收器和反应器设备一体化，简化了系统流程，减小了散热损失。在实际运行中发现，当太阳辐照强度变化时，该申请所提系统存在着燃料转化率低，全年热力性能差的问题。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提出一种，以解决目前中低温太阳能与甲醇热化学互补发电系统在变辐照、变工况时系统热力性能差，年均净发电效率低的问题。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统，该系统包括甲醇罐1、储水罐2、第一控制阀门3、第二控制阀门4、第三控制阀门5、混合器6、液压泵7、预热器8、第一温度传感器9、换热器10、第二温度传感器11、一体化太阳能吸收反应器12、第三温度传感器13、气液分离器14、内燃机15、液体回收器16、第四控制阀门17和第五控制阀门18，其中:甲醇罐1、第三控制阀门5、液压泵7、预热器8、第一温度传感器9、换热器10、第二温度传感器11和一体化太阳能吸收反应器12依次连接，储水罐2、第一控制阀门3、混合器6、液压泵7、预热器8、第一温度传感器9、换热器10、第二温度传感器11、一体化太阳能吸收反应器12依次连接，一体化太阳能吸收反应器12再依次通过预热器8和第三温度传感器13连接于气液分离器14，气液分离器14依次通过液体回收器16和第四控制阀门17连接于液压泵7，气液分离器14依次通过液体回收器16和第五控制阀门18连接于混合器6，甲醇罐I与混合器6之间通过第二控制阀门4连接，气液分离器14还连接于内燃机15。 上述方案中，当直射太阳辐照强度(DNI)高于预设辐照值时，该系统采用驱动甲醇裂解反应的流程，此时开启第三控制阀门5与第四控制阀门17，第一控制阀门3、第二控制阀门4和第五控制阀门18均保持关闭；25°C的液态甲醇从甲醇罐I中进入液压泵7，在预热器8中吸收反应产物的热量升温，并在换热器10中吸收热量，使一体化吸收反应器12的进口温度维持在150°C ;甲醇蒸汽在一体化太阳能吸收反应器12中吸收太阳热能的同时发生甲醇裂解反应，产生H2和CO的合成气燃料；一体化太阳能吸收反应器12的出口温度在150°C~30(TC之间；反应产物经过预热器8后冷凝至26°C，进入气液分离器14分离；未反应的液态甲醇进入液体回收器16，通过第四控制阀门17进入液压泵7准备循环利用；合成气燃料进入内燃机15燃烧发电。上述方案中，当DNI低于预设辐照值不能满足驱动甲醇裂解反应的需要时，该系统采用驱动甲醇重整反应的流程，此时开启第一控制阀门3、第二控制阀门4和第五控制阀门18，关闭第三控制阀门5与第四控制阀门17 ;25°C的液态甲醇和25°C的脱盐水按摩尔比I:1.2的比例分别从甲醇罐I和储水罐2中进入混合器6，充分混合后被液压泵7泵入预热器8，吸收反应产物的热量升温，并在换热器10中吸收热量，使甲醇与水混合物的温度维持在150°C进入一体化太阳能吸收反应器12 ;吸收太阳热能的同时发生甲醇重整反应，产生H2和CO2 ;反应产物经过预热器8释放热量后冷凝，在气液分离器14中分离，未反应的液体进入液体回收器16，通过第五控制阀门18进入混合器6循环利用；H2和CO2的混合气体进入内燃机15燃烧发电。上述方案中，所述直射太阳辐照强度(DNI)的预设辐照值为390W / m2，当DNI高于390W / m2时该系统采用驱动甲醇裂解反应的流程，当DNI低于390W / m2时该系统采用驱动甲醇重整反应的流程。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控方法，该方法通过在DNI高于预设辐照值时采用甲醇裂解反应，在DNI低于预设辐照值时采用甲醇重整反应，完成不同DNI与不同吸热反应的协同。上述方案中，在DNI高于预设辐照值能很好的驱动甲醇裂解反应时，甲醇经液压泵、换热器、第一温度传感器、预热器、第二温度传感器，以恒定温度进入一体化太阳能吸收反应器，在一体化太阳能吸收反应器中，甲醇燃料吸收中低温太阳热能的同时发生甲醇裂解反应，CH30H=C0+2H2 Δ H298K=90kJ / mol,中低温太阳热能转化为H2和CO合成气燃料的化学能，合成气燃料在内燃机中燃烧作功。上述方案中，在DNI低于预设辐照值不足以驱动甲醇裂解反应时，通过改变系统流程，甲醇和脱盐水按一定比例进入混合器，充分混合后被液压泵加压、经过预热器、第一温度传感器、换热器、第二温度传感器，以恒定温度进入一体化太阳能吸收反应器，在一体化太阳能吸收反应器中吸收太阳热能的同时发生甲醇重整反应，CH30H+H20=C02+3H2 Δ H298k= 50kJ / mol，反应后的混合物通过气液分离器分离，甲醇与水的液态混合物回流至液体回收器，富氢燃料气体进入内燃机燃烧发电。上述方案中，所述DNI的预设辐照值为390W / m2，当DNI高于390W / m2时采用驱动甲醇裂解反应的流程，当DNI低于390W / m2时采用驱动甲醇重整反应的流程。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果:1、利用本专利技术，根据甲醇裂解反应温度相对高，甲醇重整反应温度相对低的特点，在DNI高于390W / m2适合驱动甲醇裂解反应时，系统采用甲醇裂解反应流程，当DNI低于390W / m2时，增加混合器和调控阀门，改变太阳能驱动甲醇裂解反应系统的流程，并调控为太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统，其特征在于，该系统包括甲醇罐(1)、储水罐(2)、第一控制阀门(3)、第二控制阀门(4)、第三控制阀门(5)、混合器(6)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)、一体化太阳能吸收反应器(12)、第三温度传感器(13)、气液分离器(14)、内燃机(15)、液体回收器(16)、第四控制阀门(17)和第五控制阀门(18)，其中：甲醇罐(1)、第三控制阀门(5)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)和一体化太阳能吸收反应器(12)依次连接，储水罐(2)、第一控制阀门(3)、混合器(6)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)、一体化太阳能吸收反应器(12)依次连接，一体化太阳能吸收反应器(12)再依次通过预热器(8)和第三温度传感器(13)连接于气液分离器(14)，气液分离器(14)依次通过液体回收器(16)和第四控制阀门(17)连接于液压泵(7)，气液分离器(14)依次通过液体回收器(16)和第五控制阀门(18)连接于混合器(6)，甲醇罐(1)与混合器(6)之间通过第二控制阀门(4)连接，气液分离器(14)还连接于内燃机(15)。...

【技术特征摘要】
1.一种中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统，其特征在于，该系统包括甲醇罐(1)、储水罐(2)、第一控制阀门(3)、第二控制阀门(4)、第三控制阀门(5)、混合器(6)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)、一体化太阳能吸收反应器(12)、第三温度传感器(13)、气液分离器(14)、内燃机(15)、液体回收器(16)、第四控制阀门(17)和第五控制阀门(18)，其中: 甲醇罐(1)、第三控制阀门(5)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)和一体化太阳能吸收反应器(12)依次连接，储水罐(2)、第一控制阀门(3)、混合器(6)、液压泵(7)、预热器(8)、第一温度传感器(9)、换热器(10)、第二温度传感器(11)、一体化太阳能吸收反应器(12)依次连接，一体化太阳能吸收反应器(12)再依次通过预热器(8)和第三温度传感器(13)连接于气液分离器(14)，气液分离器(14)依次通过液体回收器(16)和第四控制阀门(17)连接于液压泵(7)，气液分离器(14)依次通过液体回收器(16)和第五控制阀门(18)连接于混合器(6)，甲醇罐(I)与混合器(6)之间通过第二控制阀门⑷连接，气液分离器(14)还连接于内燃机(15)。2.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统，其特征在于，当直射太阳辐照强度高于预设辐照值时，该系统采用驱动甲醇裂解反应的流程，此时开启第三控制阀门(5)与第四控制阀门(17)，第一控制阀门(3)、第二控制阀门(4)和第五控制阀门(18)均保持关闭；25°C的液态甲醇从甲醇罐(I)中进入液压泵(7)，在预热器(8)中吸收反应产物的热量升温，并在换热器(10)中吸收热量，使一体化吸收反应器(12)的进口温度维持在150°C;甲醇蒸汽在一体化太阳能吸收反应器(12)中吸收太阳热能的同时发生甲醇裂解反应，产生H2和CO的合成气燃料；一体化太阳能吸收反应器(12)的出口温度在150°C~300°C之间；反应产物经过预热器(8)后冷凝至26°C，进入气液分离器(14)分离；未反应的液态甲醇进入液体回收器(16)，通过第四控制阀门(17)进入液压泵(7)准备循环利用；合成气燃料进入内燃机(15)燃烧发电。3.根据权利要求1所述的中低温太阳能热化学互补发电的变辐照调控系统，其特征在于，当直射太阳辐照强度低于预设辐照值不能满足驱动甲醇裂解反应的需要时，该系统采用驱动甲醇重整反应的流程，此时开启第一控制阀门(3)、第二控制阀门(4)和第五控制阀门(18)，关闭第三控制阀门(5)与第四控制阀门(17) ;25°C的液态甲醇和25°C的脱盐水按摩尔比1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪慧，金红光，刘秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
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