一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统

1.本发明涉及太阳能储能技术领域，具体涉及一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统。


背景技术：

2.近年来，可再生能源正逐步成为新增电力的重要能源，电网结构和运行模式都发生了重大变化。而太阳能储量丰富、取之不尽，用之不竭，是人类未来解决能源危机与环境问题最有潜力的可持续能源，是未来能源的主力军。
3.目前对太阳能的存储主要以储热为主，将太阳能转换为热能，用熔融盐、相变材料等进行储热利用，具有腐蚀性强、安全性差、温度波动范围大、储能时间短、储热密度低、热损失严重等缺点。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的在将太阳能转换为热能时，用熔融盐、相变材料等进行储热利用，具有腐蚀性强、安全性差、温度波动范围大、储能时间短、储热密度低、热损失严重的缺陷，从而提供一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，包括：
6.聚光反应器，具有吸光部，用于吸收太阳能；所述聚光反应器内具有第一反应腔，所述第一反应腔内适于发生吸热的分解反应；所述聚光反应器具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；
7.第一存储器，进口与所述聚光反应器的固相出口连通设置；
8.释热反应器，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；所述释热反应器的固定进口与第一储存器的出口连通；所述释热反应器的气相进口与聚光反应器气相出口、外部气源均连通设置；所述释热反应器的气相出口适于与能量利用装置连接；所述释热反应器内具有第二反应腔，所述第二反应腔内适于发生放热的合成反应；所述分解反应和合成反应为可逆反应；
9.第二存储器，进口与所述释热反应器的固相出口连通；所述第二存储器的出口与所述聚光反应器的固定进口连通。
10.作为优选方案，还包括：
11.换热器，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；所述换热器的气相进口与聚光反应器的气相出口连通；所述换热器的气相出口与释热反应器的气相进口连通；所述换热器的固相进口与所述第二存储器的出口连通；所述换热器的固定出口与聚光反应器的固定进口连通。
12.作为优选方案，还包括依次连通的气体压缩机、气体储罐和气体膨胀机；所述气体
压缩机的进口与所述换热器的气相出口连通；所述气体膨胀机的出口与所述释热反应器的气相进口连通。
13.作为优选方案，还包括：
14.空气压缩机，进口适于与外部气源连接，出口与释热反应器的气相进口连接。
15.作为优选方案，还包括：
16.空气透平，进口与释热反应器的气相出口连通，出口适于与能量利用装置连通。
17.作为优选方案，其特征在于，
18.所述吸热的分解反应包括：氧化物脱氧反应、钙钛矿脱氧反应、碳酸盐脱碳反应或氢氧化物脱水反应。
19.作为优选方案，所述氧化物脱氧反应中的氧化物为氧化钴、氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化锰、氧化铜、氧化镍、氧化铝中的一种或两种。
20.作为优选方案，所述碳酸盐脱碳反应中的碳酸盐为碳酸镁、碳酸铅、碳酸锶、碳酸钙或碳酸锌中的一种或两种。
21.作为优选方案，所述氢氧化物脱水反应中的氢氧化物为氢氧化钴、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铜、氢氧化镍或氢氧化铝中的一种或两种。
22.本发明技术方案，具有如下优点：
23.1.本发明提供的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，包括：聚光反应器、第一存储器、释热反应器和第二存储器；通过聚光反应器的吸光部吸收太阳能，为聚光反应器内的吸热分解反应提供能量，在发生反应后，在聚光反应器内产生载温颗粒料进入到第一存储器中，再由第一存储器进入到释热反应器内；在聚光反应器内产生的载热气体工质进入到释热反应器内；在释热反应器内，载温颗粒料和载热气体工质发生放热的合成反应，产生的热量通过外部气源进入的气体带入到能量利用装置中；
24.在该方式中，先将太阳能进行捕获收集，以使得产生热量，再通过热传导和对流的方式再将热量传递给工质，从而实现太阳能的利用；再通过分解反应进行吸热、合成反应的放热，将热量进行储热和传递；即，不断将聚光热存储在化学介质中，通过化学反应循环实现热机循环并输出；在整个化学反应过程中，无腐蚀，安全性好，且整个系统循环稳定性好，整个过程高效、无污染。
25.2.本发明提供的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，还包括：换热器；实现载温颗粒料和载温气体工质的热量的交换。
26.3.本发明提供的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，所述吸热的分解反应包括：氧化物脱氧反应、钙钛矿脱氧反应、碳酸盐脱碳反应或氢氧化物脱水反应；在上述的分解反应中，生成的气体为水、二氧化碳或氧气，均为空气中存在的成分，可从空气中直接获取，环保；
27.同时，当该分解反应为碳酸盐脱碳反应时，生成二氧化碳，也可以用于空气中直接脱碳，具有无污染、低成本、高效等特点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统的示意图。
30.图2为本发明的释热反应器的结构示意图。
31.附图标记说明：
32.1、聚光反应器；2、第一存储器；3、释热反应器；4、第二存储器；5、换热器；6、空气压缩机；7、空气透平；8、气体压缩机；9、气体储罐；10、气体膨胀机。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
37.本实施例提供的一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，如图1所示，包括：聚光反应器1、第一存储器2、释热反应器3和第二存储器4；通过聚光反应器1的吸光部吸收太阳能，为聚光反应器1内的吸热分解反应提供能量，在发生反应后，在聚光反应器1内产生载温颗粒料进入到第一存储器2中，再由第一存储器2进入到释热反应器3内；在聚光反应器1内产生的载热气体工质进入到释热反应器3内；在释热反应器3内，载温颗粒料和载热气体工质发生放热的合成反应，产生的热量通过外部气源进入的气体带入到能量利用装置中。
38.所述聚光反应器1具有第一反应腔体，所述第一反应腔体具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；所述聚光反应器1的外部设置有吸光部；
39.在使用时，聚光反应器1具有用于吸收太阳能的吸光部；先通过吸光部对太阳能进行捕获收集，进而产生热量，然后通过热传导和对流方式再将热量传递到聚光反应器1的工质内，从而实现太阳能的利用；聚光反应器1内的第一反应腔内的工质吸收到热量后，发生吸热的分解反应；分解反应会产生载温颗粒料和载温气体工质；
40.所述聚光反应器1的固定出口与第一存储器2的进口连通，产生的载温颗粒料进入到第一储存器，第一储存器的出口与释热反应器3的固相进口连通，当释热反应器3内需要发生反应时，第一储存器内的载温颗粒料进入到释热反应器3内；
41.所述聚光反应器1的气相出口与换热器5的气相进口连通，分解反应产生的载温气体工质由聚光反应器1的气相出口进入到换热器5中；换热器5的气相出口依次连接有气体压缩机8、气体储罐9和气体膨胀机10；
42.载温气体工质在换热器5中进行热量交换后，由换热器5的气相出口进入到气体压缩机8中，在气体压缩机8中进行压缩后进入到气体储罐9中，当需要使用时，气体储罐9进入到气体膨胀机10；如果在气体储罐中存储的是二氧化碳或者氧气，也可以直接与其他的装置进行连接，供其使用，即通过该反应实现从空气中分离氧气或者二氧化碳的作用。
43.释热反应器3，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；释热反应器3为流化床气-固反应结构；所述释热反应器3内具有第二反应腔，所述第二反应腔内适于发生放热的合成反应；所述分解反应和合成反应为可逆反应；
44.气体膨胀机10的出口与释热反应器3的进口连通，且在气体膨胀机10和释热反应器3之间设置有调节阀，载温气体工质由气体膨胀机10进入到释热反应器3内，同时，可以通过调节阀，调整进入气体的多少；
45.在释热反应器3的气相进口还连通有空气压缩机6，空气压缩机6与外部气源连通，通过外部气源向释热反应器3内补充反应所需的气体，同时冲入惰性气体；
46.释热反应器3的气相出口与空气透平7连接，空气透平7与能量利用装置连接；进入到释热反应器3内的载温气体工质和载温颗粒料发生放热的合成反应，放出的能量可以传递给惰性气体，惰性气体携带能量进入到空气透平7中，在空气透平7中将惰性气体中所蕴含的能量转换成机械功，进而提供给能量利用装置。
47.释热反应器3的固相出口与第二存储器4连通，载温气体工质和载温颗粒料发生放热的合成反应后生成固相颗粒，固相颗粒进入到第二存储器4内，再由第二存储器4进入到换热器5内，固相颗粒和载温气体工质发生逆向换热后进入到聚光反应器1中，开始新的吸热的分解反应。
48.在聚光反应器1内，固相颗粒在太阳能提供的能量的驱动下发生化学反应，生成了载温颗粒料和载温气体工质；载温气体工质的少部分热量通过换热器5被换走，即载温气体工质的温度会有所降低；之后经过气体压缩机8后存储到气体储罐9中；生成的载温颗粒料则直接进入到第一存储器2中，该过程实现了聚光集热能量的转换和热化学的存储。
49.进一步的，在释能的过程中，本方案中的惰性气体选择为空气，即空气作为载体，通过空气压缩机6将空气中的低分压反应气体调整至高分压态，调压后的空气与气态储罐中的载温气体工质一同进入到释热反应器3，同时载温颗粒料由第一存储器2进入到释热反应器3内，两者在释热反应器3内发生化学反应并放出热量。同时，由于在释热反应器中发生反应的反应物是空气中的一种成分，也可以对释热反应器中发生的化学反应的反应物进行补充。
50.进一步的，如图2所示，图中s1与第一存储器2出口连接，空气从底部进料,载温气体工质由g2进入；发生反应后，固态颗粒经旋风分离后由s2进入到第二存储器4中，反应释放的热量由气相通过g1进入到空气透平7中，进而提供给能量利用装置。该过程实现了化学反应热泵释热与热机输出。固相颗粒由第二存储器4出口进入到换热器5预热后，进入到聚光反应器1中执行下一个储能循环，如此循环往复，不断将聚光热存储到化学介质中，通过化学反应循环实现热机循环并输出。
51.所述吸热的分解反应和放热的合成反应为可逆反应，在本方案中，吸热的分解反应包括：氧化物脱氧反应、钙钛矿脱氧反应、碳酸盐脱碳反应或氢氧化钠脱水反应。
52.进一步的，所述氧化物脱氧反应中的氧化物为氧化钴、氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化锰、氧化铜、氧化镍或氧化铝中的至少一种，或者利用该氧化物作为基材开发的复合物。例如：以氧化钴为基材，添加氧化铁构成co-fe多元复合氧化物材料。
53.所述的钙钛矿脱氧类型反应中的钙钛矿优选为cam
x
mn
1-x
o3(m代表al或ti或fe)、la
x
sr
1-x
co
ym1-y
o3(m代表fe或mn)、bamo3(m代表fe或co)的至少一种，或者利用该钙钛矿作为基材开发的复合物。例如：以srfeo3为基材，添加camno3构成的复合钙钛矿材料。
54.所述碳酸盐脱碳反应中的碳酸盐为碳酸镁、碳酸铅、碳酸锶、碳酸钙或碳酸锌中的一种，或者利用该氢氧化物作为基材开发的复合物。例如：以碳酸钙为基材，添加氧化镁构成ca-mg多元复合碳酸盐材料。
55.所述氢氧化钠物脱水反应中的氢氧化物为氢氧化钴、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铜、氢氧化镍或氢氧化铝中的一种，或者利用该氢氧化物作为基材开发的复合物。例如：以氢氧化钙为基材，添加氢氧化锌构成ca-zn多元复合氢氧化物材料。
56.脱氧反应体系：
[0057][0058][0059][0060]
钙钛矿脱氧类型的：
[0061][0062]
碳酸盐脱碳类型：
[0063][0064]
氢氧化物脱水类型：
[0065][0066]
使用方法及原理
[0067]
以氧化钴为例，四氧化三钴在聚热反应器中，聚热反应器吸收太阳能的热量，提供给四氧化三钴，四氧化三钴吸收热量，发生分解反应，生成氧化钴和氧气；生成的氧化钴存储在第一存储器内，生成的氧气进入到换热器中，再由换热器经过气体压缩机后存储到气体储罐中；氧化钴和氧气同时进入到释热反应器中；同时，需要注意的是，该氧气的来源可以是从空气压缩机中进入的空气中含有的，也可以是气体储罐中直接进入的，或者两者混合而来；
[0068]
在释热反应器中，氧化钴和氧气发生合成反应，生成四氧化三钴，同时放出热量，热量通过低含氧空气带到空气透平中，实现热量的输出做功，此时气体储罐中氧气可通过膨胀和阀门进入释热反应器，调控释热反应的氧分压进而实现释热增焓功能；四氧化三钴进入到第二存储器中，经过换热器后进入到聚光反应器中，进入下一个反应循环。
[0069]
以碳酸钙为例，碳酸钙在聚热反应器中，聚热反应器吸收太阳能的热量，提供给碳酸钙，碳酸钙吸收热量，发生分解反应，生成氧化钙和二氧化碳；生成的氧化钙存储在第一
存储器内，生成的二氧化碳进入到换热器中，再由换热器经过气体压缩机后存储到气体储罐中；氧化钙和二氧化碳气体同时进入到释热反应器中，同时，需要注意的是，该二氧化碳的来源可以是从空气压缩机中进入的空气中含有的，也可以是气体储罐中直接进入的，或者两者混合而来；如果释热反应器中的二氧化碳完全来源于空气中，即可将气体储罐中的二氧化碳存储起来，作为其他的用途，即在释热反应器中发生的反应也可用于空气中脱碳的作用；在释热反应器中，氧化钙捕获空气中的二氧化碳发生合成反应，生成碳酸钙，同时放出热量，热量通过低含二氧化碳空气带到空气透平中，实现热量的输出做功，此时气体储罐中二氧化碳不作为释热增焓功能输出；碳酸钙进入到第二存储器中，经过换热器后进入到聚光反应器中，进入下一个反应循环。
[0070]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，包括：聚光反应器(1)，具有吸光部，用于吸收太阳能；所述聚光反应器(1)内具有第一反应腔，所述第一反应腔内适于发生吸热的分解反应；所述聚光反应器(1)具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；第一存储器(2)，进口与所述聚光反应器(1)的固相出口连通设置；释热反应器(3)，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；所述释热反应器(3)的固定进口与第一储存器的出口连通；所述释热反应器(3)的气相进口与聚光反应器(1)气相出口、外部气源均连通设置；所述释热反应器(3)的气相出口适于与能量利用装置连接；所述释热反应器(3)内具有第二反应腔，所述第二反应腔内适于发生放热的合成反应；所述分解反应和合成反应为可逆反应；第二存储器(4)，进口与所述释热反应器(3)的固相出口连通；所述第二存储器(4)的出口与所述聚光反应器(1)的固定进口连通。2.根据权利要求1所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，还包括：换热器(5)，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；所述换热器(5)的气相进口与聚光反应器(1)的气相出口连通；所述换热器(5)的气相出口与释热反应器(3)的气相进口连通；所述换热器(5)的固相进口与所述第二存储器(4)的出口连通；所述换热器(5)的固定出口与聚光反应器(1)的固定进口连通。3.根据权利要求2所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，还包括依次连通的气体压缩机(8)、气体储罐(9)和气体膨胀机(10)；所述气体压缩机(8)的进口与所述换热器(5)的气相出口连通；所述气体膨胀机(10)的出口与所述释热反应器(3)的气相进口连通。4.根据权利要求3所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，还包括：空气压缩机(6)，进口适于与外部气源连接，出口与释热反应器(3)的气相进口连接。5.根据权利要求1所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，还包括：空气透平(7)，进口与释热反应器(3)的气相出口连通，出口适于与能量利用装置连通。6.根据权利要求1-5中任一项所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，所述吸热的分解反应包括：氧化物脱氧反应、钙钛矿脱氧反应、碳酸盐脱碳反应或氢氧化物脱水反应。7.根据权利要求6所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，所述氧化物脱氧反应中的氧化物为氧化钴、氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化锰、氧化铜、氧化镍、氧化铝中的一种或两种。8.根据权利要求6所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在于，所述碳酸盐脱碳反应中的碳酸盐为碳酸镁、碳酸铅、碳酸锶、碳酸钙或碳酸锌中的一种或两种。9.根据权利要求6所述的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，其特征在
于，所述氢氧化物脱水反应中的氢氧化物为氢氧化钴、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铜、氢氧化镍或氢氧化铝中的一种或两种。

技术总结
本发明提供的一种集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，属于太阳能储能技术领域，包括：聚光反应器，具有吸光部，用于吸收太阳能；所述聚光反应器内具有第一反应腔，所述第一反应腔内适于发生吸热的分解反应；第一存储器；释热反应器，具有气相出口、固相出口、气相进口和固相进口；第二存储器，进口与所述释热反应器的固相出口连通；所述第二存储器的出口与所述聚光反应器的固定进口连通；本发明的集热化学存储与聚光集热一体化的空气储能系统，以空气中组分作为化学反应介质，先将太阳能进行捕获收集，从而实现太阳能的化学热存储；再通过化学反应放热，将热量进行释放利用。可用于空气中直接脱碳，具有无污染、低成本、高效等特点。效等特点。效等特点。


技术研发人员：陈海生 葛志伟 王亮
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2022/3/8