CN107634697A - 一种“热解耦”光伏热化学综合利用*** - Google Patents

一种“热解耦”光伏热化学综合利用*** Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种“热解耦”光伏热化学综合利用***，包括：热化学反应装置、沿光路依次设置的聚光装置、分频装置和太阳能光伏‑余热综合利用装置；聚光装置用于将太阳光汇聚至所述分频装置；分频装置用于根据太阳光波长的不同将太阳光分为第一光束和第二光束；太阳能光伏‑余热综合利用装置用于将第一光束转化为电能与热能；热化学反应装置用于利用第二光束进行热化学反应，生成热化学反应产物。

Description

一种“热解耦”光伏热化学综合利用***
技术领域
本公开涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种“热解耦”光伏热化学综合利用***。
背景技术
能源与环境问题日益严峻，高效、清洁与可再生能源的开发及利用迫在眉睫。作为主要可再生能源之一，太阳能具有总量巨大、分布广泛且无污染的优点，因此太阳能利用技术受到越来越多的重视。
太阳能利用的主流技术为太阳能光伏技术与太阳能光热技术。对于太阳能光伏技术，受限于其工作原理，无法将全光谱太阳能全部转化为电能。目前量产的太阳能光伏电池发电效率在20％左右，这意味着其将约80％的太阳能转化为低温热能并浪费到环境中；此外光伏***还存在供能不稳定的缺点，难以依据用户需求调整其功率。对于太阳能光热技术，光-热转化过程为强不可逆过程，该过程一般损失50％以上的太阳，后续热-功转化过程的不可逆性进一步损失了剩余部分可用能，以上两方面原因使得该技术的太阳能利用效率一般在20％左右。
光伏光热综合利用技术可以在现有光伏技术、光热技术基础上获得更高的太阳能利用效率。光伏光热综合利用技术可以分为“热耦合”与“热解耦”两类。“热耦合”光伏光热综合利用技术是将光伏电池中无法转换为电能的光伏电池余热用作热机或热电器件的热源以产生电能。在此类技术中，由于热利用部分热源的温度即是光伏电池的工作温度，因此热能温度受到限制，使得该技术太阳能利用效率相对单一太阳能利用技术效率提升较低。在“热解耦”光伏光热综合利用技术中，根据光伏、光热两部分对光谱的响应特性，将太阳光分为两部分，其中光子能量高于光伏电池带隙的光谱部分经由光伏电池进行利用，其余部分则经由光热转换装置进行直接热利用；这种方式可以避免将对光伏无用的长波太阳光投射至光伏电池表面，转化为光伏电池低温余热。
然而现有“热解耦”光伏光热综合利用技术中，光热部分能量经由朗肯热机、斯特林热机等热机进行利用，利用效率受到卡诺效率的限制，使得太阳能利用效率较低；太阳能无法长时间储存，***能量输出无法满足用户负荷或容易对电网造成冲击；该技术产品为电能或热能，产品组成比较单一，技术适应性较差。
在实现本公开的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：
(1)“热耦合”光伏光热综合利用技术中，因光伏电池运行温度较低，热利用温度受到限制，从而热利用收益较小，其太阳能利用效率相对单一太阳能利用技术提高不多；
(2)“热解耦”光伏光热综合利用技术中，太阳热能直接经由热力循环利用，效率受到卡诺效率限制，收益较低；
(3)“热解耦”光伏光热综合利用技术中，太阳能难以长时间储存，因此面临着供能不稳定的问题，无法满足用户负荷或容易对电网造成冲击。
(4)“热解耦”光伏光热综合利用技术中，输出的产品组成比较单一，技术适应性较差。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种“热解耦”光伏热化学综合利用***，以至少部分地解决上述技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种“热解耦”光伏热化学综合利用***，包括：热化学反应装置、沿光路依次设置的聚光装置、分频装置和太阳能光伏-余热综合利用装置；所述聚光装置用于将太阳光汇聚至所述分频装置；所述分频装置用于根据太阳光波长的不同将太阳光分为第一光束和第二光束；所述太阳能光伏-余热综合利用装置用于将第一光束转化为电能与热能；所述热化学反应装置用于利用第二光束进行热化学反应，生成热化学反应产物。
在本公开的一些实施例中，还包括：化学发电装置；所述热化学反应产物通入化学发电装置以产生电能。
在本公开的一些实施例中，还包括：化学储罐；热化学反应产物先储存于化学储罐，再通入化学发电装置以产生电能。
在本公开的一些实施例中，所述热化学反应产物通入化学发电装置的速率可调节。
在本公开的一些实施例中，所述太阳能光伏-余热综合利用装置包括：太阳能光伏电池与光伏电池余热利用装置，所述太阳能光伏电池面向分频装置；太阳能光伏电池产生电能与热能，电能作为***产品对外输出，光伏电池余热利用装置利用热能预热热化学反应的反应物。
在本公开的一些实施例中，所述第一光束的光子能量高于光伏电池带隙的光谱，第二光束的光子能量低于光伏电池带隙的光谱。
在本公开的一些实施例中，所述聚光装置为塔式聚光装置、点聚焦菲涅尔式聚光装置或复合抛物面聚光装置。
在本公开的一些实施例中，所述分频装置采用分频膜。
在本公开的一些实施例中，所述热化学反应为甲醇裂解反应、二甲醚裂解反应、甲醇水蒸气重整反应、二甲醚水蒸气重整反应、乙醇水蒸气重整反应、甲烷水蒸气重整反应、甲烷二氧化碳重整反应、水分解反应或二氧化碳分解反应。
在本公开的一些实施例中，所述聚光装置的数量是一个或多个；分频装置为至少一组，每组分频装置包括沿光路依次设置的至少一个分频装置，其产生一路第一光束，每一分频装置产生一路第二光束；每组分频装置接收一个或多个聚光装置汇聚的光束；太阳能光伏-余热综合利用装置为一个或多个，每一太阳能光伏-余热综合利用装置接收一束或多束第一光束；热化学反应装置为一个或多个，每一热化学反应装置接收一束或多束第二光束。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的“热解耦”光伏热化学综合利用***具有如下技术效果：
(1)通过将不同光谱分配至可高效利用对应光谱的装置，避免了光谱不匹配带来的太阳损失，相对于“热耦合”光伏光热综合利用***，尤其避免了将光伏电池无法利用的光谱经光伏转化为低温热能，而是将该部分光谱经由热化学反应装置转化为温度较高的热能，避免了光谱不匹配带来的可用能损失，有利于太阳能利用效率提高；
(2)较低品位的太阳热能经化学反应转化为较高品位的化学能，提升了太阳热能的品位，相对于“热解耦”光伏光热综合利用***对该部分热能直接经热机进行利用，可以获得更高的太阳能效率；
(3)热化学反应的产物储存于化学储罐中，可以实现长时间储能，使得***具有了对太阳能利用技术至关重要的储能功能；
(4)通过调节化学储罐中的化学产物通入化学发电装置的速率，可以调节化学发电装置的发电功率，可以使其与光伏功率互补从而使***发电功率稳定，提高供能质量，避免对用户、电网的冲击，也可以依据用户需求调节化学发电装置的发电功率以满足用户负荷；
(5)***的输出产品可以为电能、热能或化学能，***的产品更加丰富，***适应性增强。
附图说明
图1为本公开实施例的“热解耦”光伏热化学综合利用***结构示意图；
图2为本公开实施例的“热解耦”光伏热化学综合利用***另一结构示意图；
图3为本公开实施例的“热解耦”光伏热化学综合利用***又一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
本公开实施例提供了一种“热解耦”光伏热化学综合利用***，其包括：沿光路依次设置的菲涅尔透镜式聚光装置1、分频膜2和太阳能光伏-余热综合利用装置3、以及热化学反应装置4、化学储罐5和化学发电装置6。
分频膜2可以根据太阳光波长的不同将太阳光分为两束。太阳能光伏-余热综合利用装置3包括太阳能光伏电池3a与光伏电池余热利用装置3b，太阳能光伏电池3a面向分频膜2。
本实施例的光伏热化学综合利用***，菲涅尔透镜式聚光装置1将太阳光汇聚至分频膜2，分频膜2根据太阳光波长的不同将太阳光分为两束：第一光束和第二光束，其中，第一光束的光子能量高于光伏电池带隙的光谱，第二光束的光子能量低于光伏电池带隙的光谱。
第一光束分配至太阳能光伏-余热综合利用装置3的表面，即太阳能光伏电池3a的表面，被转化为电能与热能。电能作为***产品对外输出，热能经光伏电池余热利用装置3b利用，作为***产品对外输出或用于预热热化学反应装置4的反应物。
第二光束分配至热化学反应装置4并转化为热能，驱动热化学反应。热化学反应的反应物，其首先经光伏电池余热利用装置3b预热，然后进入热化学反应装置4进行热化学反应。热化学反应的产物进入并储存于化学储罐5中，并根据需要通入化学发电装置6以产生符合用户需求的电能，其中，由化学储罐通入化学发电装置的产物的通入速率可调节。
由此可见，本公开的“热解耦”光伏热化学综合利用***，通过将不同光谱分配至可高效利用对应光谱的装置，避免了光谱不匹配带来的太阳可用能损失，相对于“热耦合”光伏光热综合利用***，尤其避免了将光伏电池无法利用的太阳光谱经光伏转换为低温热能，而是将该部分光谱经由热化学反应装置转换为温度较高的热能，避免了光谱不匹配带来的可用能损失，有利于太阳能利用效率提高；较低品位的太阳热能经化学反应转换为较高品位的化学能，提升了太阳热能的品位，相对于“热解耦”光伏光热综合利用***对该部分热能直接经热机进行利用，可以获得更高的太阳能利用效率；热化学反应的产物储存于化学储罐中，可以实现长时间储能，使得***具有了对太阳能利用至关重要的储能功能；通过调节化学储罐中的化学产物通入化学发电装置的速率，可以调节化学发电装置的发电功率，可以使其与光伏功率互补从而使***发电功率稳定，提高供能质量，避免对用户、电网的冲击，也可以依据用户需求调节化学发电装置的发电功率以满足用户负荷；***产品可以为电能、热能或化学能，***的产品更加丰富，***适应性增强。
本公开另一实施例的“热解耦”光伏热化学综合利用***，与上一实施例不同之处在于，其不具有储能功能，即***不包含化学储罐5，热化学反应装置4直接连接化学发电装置6，热化学反应装置4的产物可由热化学反应装置4直接通入化学发电装置6。进一步地，还可以不包含化学发电装置6，热化学反应装置4的产物作为***产品直接对外输出。
在上述实施例中，菲涅尔透镜式聚光装置1可以用塔式聚光装置、复合抛物面聚光装置等几何聚光装置来替换。分频膜2还可以采用其他类型的分频装置替换。热化学反应装置4内的热化学反应可以为但不限于：甲醇裂解反应、二甲醚裂解反应、甲醇水蒸气重整反应、二甲醚水蒸气重整反应、乙醇水蒸气重整反应、甲烷水蒸气重整反应、甲烷二氧化碳重整反应、水分解反应、二氧化碳分解反应。化学发电装置6可以为但不限于内燃机发电装置、燃气轮机发电装置、燃料电池发电装置。
以上只是通过两个示例对本公开进行了介绍，但本公开的技术方案并不限于此。具体来说，聚光装置数量可以是多个。分频膜2也可以为多个，具体来说，***可以包括多组分频膜，每组分频膜包括沿光路依次设置的至少一个分频膜，其产生一路第一光束，每一分频膜产生一路第二光束。每组分频膜可以接收1个聚光装置汇聚的光束，也可以接收多个聚光装置汇聚的光束。相应的太阳能光伏-余热综合利用装置3与热化学反应装置4也可以为多个，以接收相应第一光束与第二光束。其中每一太阳能光伏-余热综合利用装置3可以接收一束或多束第一光束，每一热化学反应装置4可以接收一束或多束第二光束。
如图2所示，***包括1个菲涅尔透镜式聚光装置、2个分频膜2、1个太阳能光伏-余热综合利用装置3与2个热化学反应装置4。第一分频膜将太阳光分为两束，其中一束由第一热化学反应装置4接收，第二分频膜将另一束再分为两束，分别由太阳能光伏-余热综合利用装置3与第二热化学反应装置4接收。如图3所示，相对于图2，***还包括另一组的1个菲涅尔透镜式聚光装置、2个分频膜2与1个太阳能光伏-余热综合利用装置3。与图2类似，另一组的第一分频膜也将太阳光分为两束，其中一束也由第一热化学反应装置4接收，该组第二分频膜将另一束再分为两束，分别由该组的太阳能光伏-余热综合利用装置3与第二热化学反应装置4接收。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种“热解耦”光伏热化学综合利用***，包括：热化学反应装置、沿光路依次设置的聚光装置、分频装置和太阳能光伏-余热综合利用装置；
所述聚光装置用于将太阳光汇聚至所述分频装置；
所述分频装置用于根据太阳光波长的不同将太阳光分为第一光束和第二光束；
所述太阳能光伏-余热综合利用装置用于将第一光束转化为电能与热能；
所述热化学反应装置用于利用第二光束进行热化学反应，生成热化学反应产物。
2.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，还包括：化学发电装置；所述热化学反应产物通入化学发电装置以产生电能。
3.如权利要求2所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，还包括：化学储罐；热化学反应产物先储存于化学储罐，再通入化学发电装置以产生电能。
4.如权利要求3所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述热化学反应产物通入化学发电装置的速率可调节。
5.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述太阳能光伏-余热综合利用装置包括：太阳能光伏电池与光伏电池余热利用装置，所述太阳能光伏电池面向分频装置；
太阳能光伏电池产生电能与热能，电能作为***产品对外输出，光伏电池余热利用装置利用热能预热热化学反应的反应物。
6.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述第一光束的光子能量高于光伏电池带隙的光谱，第二光束的光子能量低于光伏电池带隙的光谱。
7.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述聚光装置为塔式聚光装置、点聚焦菲涅尔式聚光装置或复合抛物面式聚光装置。
8.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述分频装置采用分频膜。
9.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述热化学反应为甲醇裂解反应、二甲醚裂解反应、甲醇水蒸气重整反应、二甲醚水蒸气重整反应、乙醇水蒸气重整反应、甲烷水蒸气重整反应、甲烷二氧化碳重整反应、水分解反应或二氧化碳分解反应。
10.如权利要求1所述的“热解耦”光伏热化学综合利用***，所述聚光装置的数量是一个或多个；
分频装置为至少一组，每组分频装置包括沿光路依次设置的至少一个分频装置，其产生一路第一光束，每一分频装置产生一路第二光束；每组分频装置接收一个或多个聚光装置汇聚的光束；
太阳能光伏-余热综合利用装置为一个或多个，每一太阳能光伏-余热综合利用装置接收一束或多束第一光束；
热化学反应装置为一个或多个，每一热化学反应装置接收一束或多束第二光束。
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