[发明专利]一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器

说明书

本发明公开了一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器，包括用于接收高聚光比太阳辐射的石英窗口、内外侧高温相变蓄热区、以及前后侧多孔介质反应床；蓄热区采用内外分离式设计，外侧相变蓄热区固定于反应器外部封装壳体上，内侧相变蓄热区固定于反应器底部封装壳体上，多孔介质反应床夹于两相变蓄热区中间，前侧反应床采用大孔径设计，后侧采用小孔径设计，以降低前侧辐射集聚，改善反应床的导热性能。一部分太阳辐射被前侧反应床或反应流体直接吸收，另一部分辐射打入多孔介质内部被内侧相变蓄热区吸收，并通过导热棒将热量迅速传递到相变材料内部，在保证热化学效率的同时提高反应器充放热速度，为辐射波动提供充分的热缓冲作用。

技术领域

本发明涉及一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器，属于太阳能高温热利用，化学储能，工程热物理等领域。

背景技术

太阳能是一种典型的清洁可持续能源，对太阳能的开发利用是解决化石燃料短缺问题的有效手段。然而，太阳能存在着密度低，时间、地域分布不匀，受天气等环境因素影响大的缺点，难以得到持续有效的利用。其中，云层的间歇性遮挡造成的太阳辐射剧烈波动，不仅会影响化学反应的稳定性和系统的转化效率，同时会导致反应器内部发生剧烈的温度变化，对反应器的结构造成不可逆的损伤。

相变材料在相变过程中会吸收或释放大量的潜热，而碳酸盐及其共晶混合物具有相变温度高，相变潜热大等特性，是理想的高温热缓冲材料。将相变蓄热作为热量传递的中介，从而在辐射剧烈波动的情况下大幅提高反应器内温度和产物纯度的稳定性，是解决辐射波动问题的有效手段。

高温热化学储能是一种高效的太阳能利用方式。通过高聚光比的太阳辐射在反应器内创造高温环境，推动煤炭、天然气、生物质等原材料化学能的改性和提质，将其转化为更高蓄热量，更易储存和运输的氢气、一氧化碳等基础化工原料。其中，甲烷的二氧化碳/水蒸气重整可以实现高效率的能量转存，不仅将进料热值提高22％-28％，同时降低了大量的温室气体排放，具有很强的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服太阳能在利用过程中辐射波动剧烈以及反应器局部高温，换热效率低下的问题，通过优化相变材料和反应床的排布方式改变热量的传输路径，开发了一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器。

本发明通过以下技术方案实现：一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器，主要结构包括聚光CPC、石英窗口、工质入口、入口腔室、外侧蓄热区、外侧蓄热区封装壳体、内侧蓄热区、内侧蓄热区封装壳体、前侧反应床、后侧反应床、工质出口、导热棒、出口腔室、蓄热区底壳、反应器底壳、反应器外壳、支撑结构、螺栓螺母，其中：聚光结构通过螺栓螺母紧固于反应器外壳上，壳体两侧设置有两个工质入口，低温工质通过入口首先进入到入口腔室内，扫略过石英玻璃后进入前侧反应床；前侧多孔介质反应床采用3-5mm的大孔径设计；后侧多孔介质反应床采用1-3mm的小孔径设计；外侧蓄热区通过外侧蓄热区封装壳体固定于反应器外壳上；内侧蓄热区通过内侧蓄热区封装壳体固定于蓄热区底壳上，前段伸入反应床高温区域内，尖端距离入口表面2-3cm；内侧蓄热区中间插有一根直径为2-3cm的导热棒；后侧多孔介质反应床包覆于内侧蓄热区外围；蓄热区底壳通过四个支撑结构与反应器底壳相连接，反应后的气体汇集到出口腔体内并流出反应器。

所述石英窗口表面贴有光线截止膜，以透过高聚光比太阳辐射的同时降低多孔介质入口的辐射散热损失。

低温工质先流入到入口腔室内，通过壳体上的环状凸起结构改变流向吹扫石英玻璃，以降低其温度，同时使得入口腔室内的压力更加均匀。

所述多孔介质反应区的基体选取导热系数较大的碳化硅泡沫，并在表面包覆钙钛矿或其他催化剂。前侧多孔介质反应床采用大孔径大孔隙率设计，以减轻辐射积聚，并使得部分辐射热能直接被内侧相变蓄热区吸收。后侧多孔介质反应床采用小孔径小孔隙率设计，从而减小后侧区域的径向导热热阻。