[发明专利]基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法

说明书

本发明属于太阳能光热转换技术领域，具体提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法。基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统包括颗粒吸热器、入料罐、换热器、氧浓度分析仪以及计算机，热化学颗粒自入料罐进入颗粒吸热器内进行吸热并发生反应，将光能转化为热能和化学能进行存储，反应后的热化学颗粒到达换热器内，并与后续的工质进行热交换。氧浓度分析仪实时检测颗粒吸热器及换热器内的氧浓度并将氧浓度数据传送给计算机，计算机根据氧浓度检测结果对系统的反应进程进行检测和控制。本系统以热化学颗粒作为吸热储热工质，通过对系统的氧浓度和温度的检测、调节以及通过对热化学颗粒流动的控制实现对系统内颗粒吸热器的防护。

技术领域

本发明属于太阳能光热转换技术领域，具体提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统及方法。

背景技术

太阳能由于其可再生、清洁等特性受到广泛欢迎，但由于太阳能的能流密度较低，年均值仅能达到200W/㎡，使用起来效率较低，因此就需要相应的光线聚集及转换装置，提升能流密度，便于进行集中发电。而目前较为常用的太阳能收集系统就是塔式太阳能聚光吸热系统，其通过大量的定日镜使太阳光聚集于吸热器上，进而加热工质，完成由光能到热能的转化，聚光比可到达1500，运行温度最高可以达到1300℃。当前吸热器已经发展到第四代——颗粒集热器，其实现了吸热、储热的一体化，有效缩减设备体积，同时可以在1000℃的高温下运行，有着极大的发展潜力。

对于当前常见的一些颗粒吸热器，比如幕帘式颗粒吸热器、阻碍流式颗粒吸热器、离心式颗粒吸热器以及流化床式颗粒吸热器，它们往往采用惰性颗粒作为吸热储热工质。惰性颗粒包括树脂、石英砂、氧化铝、粘土、滑石及其混合物等，比热容较小。由于颗粒吸热器设备运行温度高，而惰性颗粒比热容相对较小，升温速度极快，同时考虑到光斑区域能流分布不均，导致光斑中心区域的惰性颗粒吸收大量热量，温度快速上升，而光斑边缘区域的颗粒温度上升速度缓慢，温度较低。伴随这一现象的发生，容易产生局部的过高温，导致颗粒吸热器设备内部形成热应力，进而引发设备变形甚至断裂。同时，颗粒本身也容易由于局部温度过高而熔化，导致颗粒吸热器无法正常运行。并且，在监测颗粒吸热情况时，一般单纯通过布置温度测点来进行监测，无法精确计算颗粒吸收热量及参与反应的颗粒质量，难以制定精准的控制策略。

热化学颗粒，也即在一定温度区间内能够可逆地进行氧化还原反应的金属氧化物颗粒。相比惰性颗粒，热化学颗粒具备下述优势：(1)比热容较大。热化学颗粒既有显热又有潜热，因此有较大的比热容，利于保持温度恒定，防止出现局部过高温；(2)反应稳定性强。热化学颗粒有着相对稳定的性质，可承受温度高达1150℃，不会因为反应温度过高的原因而熔化；(3)集吸热、储热、防护等功能一体化。热化学颗粒能在较高温下保持较好的稳定性，可以同时实现热量收集、热量存储以及化学防护的功能，无需额外采取防护措施；(4)反应可逆且具有高选择性。热化学颗粒在高温下反应吸收热量并产生氧气，在低温下反应逆向进行，同氧气反应放出热量，使得便捷精确监测及控制吸放热过程成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，该系统以热化学颗粒作为吸热储热工质，通过对系统的氧浓度和温度的检测、调节以及通过对热化学颗粒流动的控制来精确监测和控制系统的反应过程，进而实现对系统内吸热储热设备的防护。

本发明提供了一种基于太阳能高温热化学颗粒的吸热储热系统，包括：

颗粒流通组件，具有多个部件，热化学颗粒在多个部件之间进行流通，多个部件具体包括：

颗粒吸热器，用于吸收太阳能，并对位于其中的热化学颗粒加热，热化学颗粒在吸热后升温并发生还原反应，得到高温的还原后热化学颗粒并释放氧气；

入料罐，与颗粒吸热器连通，用于向颗粒吸热器提供低温的热化学颗粒；

换热器，与颗粒吸热器连通，用于接收颗粒吸热器中高温的还原后热化学颗粒以及氧气，还原后热化学颗粒与氧气反应放热并与后续的做工工质进行热交换；