[发明专利]一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能吸热与储能系统研究领域，特别涉及一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法。

背景技术

化石能源是社会发展与现代工业的主要能源，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭已不可避免，而其使用过程中产生的大量温室气体和一些有毒有害物质也会威胁全球生态环境与人类健康。因此，开发清洁可再生能源是今后的发展方向。太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、缓解日益严重的环境污染问题的重要途径。

目前，太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电和光化学转换三种形式。聚光太阳能热利用是未来最具吸引力的太阳能技术，主要实现方式有塔式、槽式和碟式系统，而高温太阳能吸热器是聚光太阳能热利用系统的核心部件。腔式吸热器是目前应用较为广泛的高温太阳能吸热器，其通常是有一个空心壳体容纳吸热装置，开口由石英玻璃窗覆盖，形成封闭腔体，工作流体流过吸热装置吸收热量。中国专利CN2758657提出腔式太阳能吸收器，其分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于高温传热和显热蓄热。中国专利CN2872208提出一种空腔式太阳能吸收器，主要采用管状吸热层，具有换热表面积小、传热效率不高、结构较复杂的缺点。中国专利CN101122425A提出一种泡沫碳化硅太阳能空气吸热器，采用泡沫碳化硅材料作为太阳能吸收体加热空气。上述几种太阳能吸收器主要具有吸热和空气加热功能，而蓄热功能相对欠缺。中国专利CN102721312A提出一种太阳能热化学混合储能装置及方法，利用热化学过程储存聚光太阳辐射并采用熔盐显热蓄热，实现太阳能的稳定高效储存，但由于催化剂直接暴露在非均匀的聚光太阳辐射下，容易导致催化剂过热与温度分布不均匀问题，降低催化剂使用寿命。

因此，提出一种结构简单、热效率高、使用寿命长且蓄热能力强的太阳能吸热器具有重要的意义。

发明内容

本发明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储能吸热器，该吸热器采用吸热层与反应层相结合的方式进行太阳能储存，具有储能密度高、时效长、热效率高的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述太阳能热化学储能吸热器的吸热方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种太阳能热化学储能吸热器，包括装置本体，其开口由石英玻璃窗密封，外部包覆有保温层，石英玻璃窗和装置本体内部围成一腔体，该腔体内设置有一由吸热层和反应层组成的储能吸热体，该储能吸热体将腔体分为前腔和后腔，石英玻璃窗和吸热层之间的前腔与输入通道相连，后腔与输出通道相连，反应时，反应气体通过输入通道进入前腔进行混合，然后依次流过吸热层和反应层，最后反应产物从输出通道流出。

优选的，所述前腔腔体内表面涂覆有含氧化锆、氧化铝等材料的耐高温高反射率涂层。该前腔为反应气体混合区，通过涂覆此高反射率的涂层可以把聚光太阳辐射反射到吸热体上，同时避免壁面过热。

优选的，所述吸热层采用泡沫碳化硅材料定制成薄层。由于泡沫碳化硅材料可在1000℃长期使用，具有高导热系数（70-350W/m/K），并且具有高孔隙率和吸收率，能很好满足吸热层材料的要求。在反应时，透过石英玻璃窗的聚光太阳辐射被吸热层表面和内部骨架吸收后，热量通过对流传热从吸热层传递到反应气体使其升温。吸热层确保吸热器在高温下运行，而且在聚光太阳辐射或反应气体进口温度不均时，反应气体能在吸热层孔道内充分混合和传热，达到均温的目的，从而适应聚光太阳辐射能流分布不均匀、能流密度大的特点，同时避免反应层直接接受聚光太阳辐射和局部过热，有利于延长反应层的使用寿命。

优选的，所述反应层采用整体式催化剂，由结构化基体、涂层载体和催化活性组分构成，其中结构化基体用于物理支撑反应层，催化活性组分根据不同的反应进行选择，涂层载体为过渡层，涂层载体选用比表面积大于100m²/g的γ-Al₂O₃材料，通过涂覆、干燥和烘焙等程序使其附着于结构化基体表面，然后通过浸渍，把催化活性组分负载在涂层载体上，可增大结构化基体与催化活性组分之间的结合力和催化剂的比表面积。

更进一步的，所述结构化基体采用陶瓷材料。陶瓷材料具有耐高温的优点。

优选的，所述吸热器包括若干个输入通道和输出通道，输入通道与外部反应气体输入管道相连，输出通道与外部反应产物输出管道相连。