[发明专利]一种耦合太阳能氨基热化学能储能和卡琳娜循环的高温固体氧化物电解水制氢系统及工艺

说明书

本发明公开了一种耦合太阳能氨基热化学能储能和卡琳娜循环的高温固体氧化物电解水制氢系统及工艺，该系统包括氨基热化学能系统、卡琳娜循环系统和高温固体氧化物电解水制氢系统，所述氨基热化学能系统和高温固体氧化物电解水制氢系统通过第六换热器、第三换热器和第七换热器实现换热连接，氨基热化学能系统和卡琳娜循环系统通过第五换热器实现换热连接，卡琳娜循环系统与高温固体氧化物电解水制氢系统连接，为高温固体氧化物电解水制氢系统提供原料。本发明可以通过降低能量吸收品位、常温储存、提高能量释放品位的方式，降低聚光集热成本，减少储能损失，提高发电循环效率及电解水制氢效率。

技术领域

本发明属于太阳能电解水制氢技术领域，具体涉及一种耦合太阳能氨基热化学能储能和卡琳娜循环的高温固体氧化物电解水制氢系统及其工艺。

背景技术

太阳能作为规模最大的可再生能源能够减少人类对化石能源的依赖以及碳排放。为了克服太阳能间歇性的不足，可将太阳能储存在燃料中，例如氢气、甲醇等可运输的能量载体，其中，氢气具有能量密度大、无污染等优点，被认为是最优质的二次能源之一。因此，太阳能制氢是早日实现碳中和的重要方案之一。

由于相同冷凝温度下氨水蒸汽的凝结压力远高于水蒸汽的凝结压力，卡琳娜循环的排汽将在大于大气压力的状态下工作，因此避免了传统水蒸汽循环中由于真空引起的许多麻烦。卡琳娜循环可以通过调节混合溶液的浓度来适应环境温度的变化，以充分利用冬季低温环境,获得更多出力，而无工质结冰的顾虑。同样，卡琳娜循环在负荷变动时可以通过改变溶液浓度来保持效率平稳。

高温固体氧化物电解池是一种高效、低污染的能量转化装置，可以将电能和热能转化为化学能从而实现高效制氢储能的目的，较大缓解能源危机和环境恶化。利用SOEC高温下电解水蒸气制氢与常规水电解相比，具有更高效、环境友好等优点，可以与各种清洁能源结合用于氢气、氧气和其他能源载体的制备。SOEC主要由陶瓷材料组成，不需要贵金属，材料成本较低，也不存在常规碱性电解的腐蚀问题。陶瓷材料机械强度较好，如果在较高压力下运行，可以进一步提高制氢效率。此外，根据不同的热能来源，高温固体氧化物电解水蒸气制氢的规模和工作温度可以灵活调整。虽然传统太阳能光热发电利用更高聚光比的集热系统与更高工作温度的显热储能系统将水加热到HTE所需的温度（700℃以上），但是高温聚光与储热会造成大量的能量损失并且导致制氢成本的急剧增加。

氨基热化学储能系统通过热能与化学能转换进行储能。NH₃系统除原料丰富廉价、可以全天候连续供能外，还具有其他热化学或光化学储能所不具备的独特优点，如储能密度高、可逆反应易控制且无副反应、技术成熟、应用可靠、储存与分离简单等，使其成为太阳能热力发电首选的热化学储能物质。国外已进行了利用氨分解反应作为太阳能储热发电的实验研究，其效率多在0.6以上，因此该反应还是很有实用前景的。氨基热化学储能系统简单且小型化，能有效地对太阳能进行收集、储存与输送、转换而无需担心太阳辐射的瞬态性，且合成反应产生的能量品质高，但是NH₃/N₂/H₂热化学储能体系实际应用中仍然有一些问题需要解决，如反应在高温、高压、催化剂下操作，反应条件比较苛刻，储能系统操作成本高；反应的不完全转化等。

就产氢方式而言，约50%来自天然气的蒸汽重整，30%来自重油重整，18%来自煤的气化。氢作为能源使用时其需求量很大，必须寻求绿色、经济的制氢方法。利用热化学制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决。目前，对大规模太阳能制氢的研究主要集中在太阳能光伏电解水以及太阳能光热制氢。太阳能光伏电解水虽然能够达到30%以上的太阳能制氢效率，但是具有间歇性、不稳定等缺陷，使得装机容量大于实际运行功率，增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种耦合太阳能氨基热化学能储能和卡琳娜循环的高温固体氧化物电解水制氢系统及工艺。

为达到上述目的，提出以下技术方案：