CN109386439B - 一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能高温储热发电技术领域，并公开了一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***及方法。该***包括高温太阳能反应子***、设于其一侧的循环发电子***和设于其上方的聚光太阳能子***，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应与聚光太阳能产生的高热结合起来，将太阳能以化学能形式储存起来用于全天连续发电。办发明还公开了该***的方法。通过本发明，在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，将白天收集的太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，能够实现太阳能的高效转换和储能，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。

Description

一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***及方法
技术领域
本发明属于太阳能高温储热发电技术领域，更具体地，涉及一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***及方法。
背景技术
能源在人类社会的发展中起着至关重要的作用。目前，全球一次能源构成主要是以化石燃料为主体。然而，化石燃料不可再生，且伴随着环境污染等问题。为应对未来的发展需求，需大力开发利用太阳能、风能和生物质等清洁可再生能源。在众多可再生能源中，太阳能分布广泛，用之不竭。地球每年接收的太阳能总量达到1×1018kWh，相当于1.3×1014吨标准煤，在美国西南部、非洲、澳大利亚和中国西部等地区的太阳能资源均非常丰富。开发和利用太阳能对于满足人类日益增长的能源需求、减少温室气体排放具有重要意义。太阳能热发电利用聚光装置将太阳能的热量收集起来，通过换热装置提供高温高压蒸汽，然后利用高温高压蒸汽推动朗肯循环汽轮机来实现发电。采用太阳光热发电可以避免对煤炭、石油、天然气等不可再生能源的依赖，且不会产生任何的二次污染。因此，太阳能热发电是解决当前能源危机的重要途径之一。
然而，太阳能存在着不连续和不稳定性的缺陷，这也是开发利用太阳能面临的主要问题之一。为了提高太阳能的净发电效率和实现机组的连续稳定运行，现已开发出多种太阳能与联合循环发电***相集成的互补型发电***，主要的互补方式包括以下两种：1、利用线性聚光装置与底部朗肯循环相结合，用于完成蒸汽部分的预热或蒸发，以提高机组的发电容量；2、利用塔式点聚光集热技术与顶部布雷顿循环相结合，将经压气机加压后的空气加热至800～1000℃，而后再送入燃烧室，以此减少化石能源的消耗。另外，利用塔式聚焦产生的高温太阳能驱动生物质等固体碳氢燃料气化，而且再借助联合循环发电***高效利用的技术方案也已被提出，通过将太阳能转换为高品质化学能后，再实现化学能的高效转化。
然而，进一步研究表明，对于利用高温太阳能与布雷顿顶循环相结合以加热压缩空气的互补形式，不仅仍需消耗大量的天然气等化石能源，同时还因集热温度过高，难以通过蓄热的方式在夜间实现发电***的互补运行；其次，对于将生物质等固体碳氢燃料转化为可供燃气-蒸汽联合循环***使用的燃料来实现发电储能，虽然能实现清洁能源的再生，但是，该***仍然无法克服高温储能这一难题，同时该***庞大，操控难度大，所得合成气在燃烧过程中也产生大量的CO和CO2，污染大气环境。相应地，本领域亟需做出进一步的研究和改进，以便更好的利用太阳能满足发电储能要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应的机理与聚光太阳能产生的高热结合起来，将白天收集的高温太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，本***与现有技术相比在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，能够高效实现太阳能的转换，并将聚光后的高温太阳能以化学能的形式储能，用于全天连续发电，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***，包括聚光太阳能子***、高温太阳能反应子***和循环发电子***，
所述聚光太阳能子***包括定日场和双曲面反射镜，用于接收太阳能并将所接收的太阳能聚焦后投射至高温太阳能反应子***上以提供其反应所需热量；
所述高温太阳能反应子***包括冷储室、第一流化床反应器、热储室和第二流化床反应器，所述冷储室的出料口与所述第一流化床反应器的进料口相连，所述第一流化床反应器的出料口经由分离室与所述热储室相连，所述冷储室用于在白天光照条件下将其中存储的MnO输入所述第一流化床反应器，并在所述热量驱动下发生还原反应且生成MnO和高温气体，由此将高温气体输入所述循环发电子***进行发电，所述热储室用于在夜晚条件下将其中存储的MnO输入所述第二流化床反应器中进行氧化反应，生成Mn2O3并进入下一工作循环，同时由此将化学键储存能量释放以加热气体进而将产生的高温气体再次被输入所述循环发电子***进行发电；
所述循环发电子***包括燃气透平和发电机，所述燃气透平的进气口与所述分离室和第二流化床反应器的出气口连接，用于收集高温氧气和氮气并利用其驱动所述燃气透平做功，从而带动发电机发电；所述燃气透平的出气口分别与所述分离室和第二流化床反应器的进气口连接，用于将做功后冷却的气体送回所述高温太阳能反应子***，由此进入下一太阳能反应及发电的循环过程。
进一步的，所述循环发电子***还包括依次连接的余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器和水泵，所述水泵的出水口与所述余热锅炉的进水口连接，从而形成一个循环的水汽回路。
进一步的，所述冷储室的下方还设有风机。
进一步的，所述第二流化床反应器中部还设有带孔隔板。
进一步的，所述热储室与所述第二流化床反应器之间设有第一旋转式进料器。
进一步的，所述第二流化床反应器与所述下降管之间设有第二旋转式进料器。
进一步的，所述第一流化床反应器的进气口处设有二次气体喷射器。
按照本发明的另一个方面，还提供一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***的方法，具体包括如下步骤：
S1:将所述冷储室中储存的Mn2O3通过送料阀输送到所述第一流化床反应器中，并利用聚光太阳能子***产生的热量驱动Mn2O3的还原反应；
S2:所述S1中反应产生的MnO和高温气体进入所述分离室进行分离，固体MnO被送入热储室进行储存，高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；
S3：将所述热储室中的MnO颗粒被入所述第二流化床反应器中进行氧化反应，反应生成的Mn2O3通过下降管进入冷储室，同时，反应生成的高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；
S4：做功后的次高温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应。
进一步的，所述S2中做功后的次高温气体被送入余热锅炉中，并利用气体余热将余热锅炉中水转化成高温水蒸气，从而驱动蒸汽透平做功，进而带动发电机发电，产生低温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应，做功后的水蒸气则被送入冷凝器冷凝成液态水，然后通过所述水泵送入余热锅炉中，进入下一工作循环。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的发电***，其中通过利用MnO/Mn2O3氧化还原循环反应与聚光太阳能产生的高热结合起来，将白天收集的高温太阳能以化学能形式储存起来，同时通过两种不同路径方式利用化学能释放的高热实现全天连续发电，本***与现有技术相比在不消耗其他天然气等化石能源的基础上，能够高效实现太阳能的转换，并将聚光后的高温太阳能以化学能的形式储能，用于全天连续发电，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高、初始投入成本低，环境友好等特点。
2.本发明的发电***，充分利用氧气和氮气做功后的余热加热水，从而利用加热产生的水蒸气继续做功发电，从而进一步提高了太阳能的利用率。
附图说明
图1是为一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***的结构示意图；
图2是本发明涉及的高温太阳能反应子***的具体结构示意图；
图3是本发明涉及的氧化锰氧化还原循环发电***概念图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-高温太阳能反应子***、2-燃气透平、3-余热锅炉、4-蒸汽透平、5-冷凝器、6-水泵、7-发电机、8-定日镜场、9-风机、10-冷储室、11-第一流化床反应器、12-二次气体喷射器、13-分离室、14-热储室、15-第二流化床反应器、16-带孔隔板、17-下降管、A-氮气、B-氧气和氮气。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的基于氧化还原反应的太阳能储能发电***的结构示意图，该***包括高温太阳能反应子***1、设于高温太阳能反应子***1一侧的循环发电子***和设于高温太阳能反应子***1上方的聚光太阳能子***。
如图2所示，为高温太阳能反应子***的具体结构图，高温太阳能反应子***1包括风机9、冷储室10、第一流化床反应器11、二次气体喷射器12、分离室13、热储室14、第二流化床反应器15、带孔隔板16和下降管17。风机9设于冷储室10的下方，用于将保护气N2送至冷储室10，第一流化床反应器11的入口与冷储室10连接，用于将储存在冷储室10中的Mn2O3和保护气N2送至第一流化床反应器11中进行反应，Mn2O3在聚光太阳能产生的1500℃以上的高温条件下发生还原反应，生成高温氧气和MnO。第一流化床反应器11的出口端与分离室13连接，分离室13将气体和固体分离，固体通过分离室13的固体出口端送至与其固体出口端连接的热储室14，气体则通过气气体出口端送至循环发电子***用于发电。热储室14的出口端通过第一旋转式进料器与第二流化床反应器15连接，第二流化床反应器15连接的底部设有带孔隔板16，第二流化床反应器15的出口端通过第二旋转式进料器与冷储室10连接，从而形成MnO/Mn2O3氧化还原循环反应的子***。其中：
在白天光照条件充足时，该***直接利用第一流化床反应器11完成Mn2O3颗粒的还原反应，反应产生的MnO颗粒送入热储室14中，高温O2和保护气N2送至循环发电子***中进行高效发电。在夜间等光照条件不充足时，开启第一旋转式进料器，使用第二流化床反应器15并借助利用MnO与O2发生氧化反应放热，氧化反应产生的Mn2O3送入冷储室10中，过量的高温O2和保护气N2再次送至循环发电子***中进行高效发电。在白天时段，利用塔式太阳能聚焦设备获得1500℃以上的高温太阳能驱动Mn2O3颗粒在第一流化床反应器11中进行高温还原反应，N2为还原反应的保护气，Mn2O3由冷储室10所得，此时第一旋转式进料器为关闭状态。第一流化床反应器11中Mn2O3发生还原反应，产生的MnO颗粒经分离室13送入热储室14中，待晚上时段与O2发生氧化反应，高温O2和保护气N2送至循环发电子***中进行高效发电。
在夜间时段，开启第一旋转式进料器，使用第二流化床反应器15并利用MnO与O2发生氧化反应，氧化反应温度比还原反应稍低，氧化反应放出的热量可以使反应无需外加热源就可以持续进行，N2为氧化反应的保护气，MnO由热储室14所得。第二流化床反应器15中MnO发生氧化反应，产生的Mn2O3经第二旋转式进料器和下降管17送入冷储室10中，待白天时段再进行还原反应，过量的高温O2和保护气N2再次送至燃气-蒸汽联合循环发电***中进行高效发电。
如图1所示，循环发电子***包括燃气透平2、余热锅炉3、蒸汽透平4、冷凝器5、水泵6和发电机7，其中，燃气透平2的功率输出端与发电机7连接，气体输出端与余热锅炉3连接，余热锅炉3的气体输出端与风机9连接，同时，余热锅炉3的的水汽输出端与蒸汽透平4连接，蒸汽透平4的功率输出端与发电机7连接，器水汽输出端与冷凝器5、水泵6顺次连接并通过水泵6输送至余热锅炉3的水汽输入端。其中：
白天时段第一流化床反应器11和晚上时段流化床反应器15产生的高温O2和N2(温度为1200-1300℃)首先送至燃气透平2并驱动其旋转作功，燃气透平2排放的高温O2和N2(温度为600-700℃)借助余热锅炉3回收热量并生产高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽送至蒸汽透平4驱动其旋转作功，蒸汽透平4排放的蒸汽乏汽依次经过冷凝器5和水泵6进行冷凝和加压处理，而后送至余热锅炉3中循环利用，最后O2和N2从余热锅炉3中排出并送至高温太阳能反应子***1中循环使用，同时燃气透平2和蒸汽透平4驱动发电机7旋转发电。
作为进一步的优选，第一流化床反应器11采用流化床技术，并在冷储室10底部设置风机9，从底部引入纯净的高压N2促使在第一流化床反应器11形成流化状态。第一流化床反应器11进一步充分利用所投入气态反应物的高速动能，在第一流化床反应器11内部形成涡旋流场，加速反应物的扰动，提高动力学反应性能。
作为进一步的优选，第一流化床反应器11中进一步设置有二次气体喷射器12，以保证Mn2O3在其内部的顺畅流动。
按照本发明的另一个方面，还提供一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***的方法，具体包括如下步骤：
S1:将所述冷储室中储存的Mn2O3通过送料阀输送到所述第一流化床反应器中，并利用聚光太阳能子***产生的热量驱动Mn2O3的还原反应；
S2:所述S1中反应产生的MnO和高温气体进入所述分离室进行分离，固体MnO被送入热储室进行储存，高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；
S3：将所述热储室中的MnO颗粒被入所述第二流化床反应器中进行氧化反应，反应生成的Mn2O3通过下降管进入冷储室，同时，反应生成的高温气体进入燃气透平并驱动其做功，从而带动发电机发电；
S4：做功后的次高温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应。
进一步的，所述S2中做功后的次高温气体被送入余热锅炉中，并利用气体余热将余热锅炉中水转化成高温水蒸气，从而驱动蒸汽透平做功，进而带动发电机发电，产生低温气体则被送回所述分离室和第二流化床反应器，进入下一循环反应，做功后的水蒸气则被送入冷凝器冷凝成液态水，然后通过所述水泵送入余热锅炉中，进入下一工作循环。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***，包括聚光太阳能子***、高温太阳能反应子***（1）和循环发电子***，其特征在于：
所述聚光太阳能子***包括定日场和双曲面反射镜，用于接收太阳能并将所接收的太阳能聚焦后投射至高温太阳能反应子***（1）上以提供其反应所需热量；
所述高温太阳能反应子***（1）包括冷储室（10）、第一流化床反应器（11）、热储室（14）和第二流化床反应器（15），所述冷储室（10）的出料口与所述第一流化床反应器（11）的进料口相连，所述第一流化床反应器（11）的出料口经由分离室（13）与所述热储室（14）相连，所述冷储室（10）用于在白天光照条件下将其中存储的Mn2O3输入所述第一流化床反应器（11），并在所述热量驱动下发生还原反应且生成MnO和高温气体，由此将高温气体输入所述循环发电子***进行发电，所述热储室（14）用于在夜晚条件下将其中存储的MnO输入所述第二流化床反应器（15）中进行氧化反应，生成Mn2O3并进入下一工作循环，同时由此将化学键储存能量释放以加热气体进而将产生的高温气体再次输入所述循环发电子***进行发电；
所述循环发电子***包括燃气透平（2）和发电机（7），所述燃气透平（2）的进气口与所述分离室（13）和第二流化床反应器（15）的出气口连接，用于收集高温氧气和氮气并利用其驱动所述燃气透平（2）做功，从而带动发电机（7）发电；所述燃气透平（2）的出气口分别与所述分离室（13）和第二流化床反应器（15）的进气口连接，用于将做功后冷却的气体送回所述高温太阳能反应子***（1），由此进入下一太阳能反应及发电的循环过程；所述循环发电子***还包括依次连接的余热锅炉（3）、蒸汽透平（4）、冷凝器（5）和水泵（6），所述水泵（6）的出水口与所述余热锅炉（3）的进水口连接，从而形成一个循环的水汽回路。
2.如权利要求1所述的太阳能储能发电***，其特征在于，所述冷储室（10）的下方还设有风机（9）。
3.如权利要求1所述的太阳能储能发电***，其特征在于，所述第二流化床反应器（15）中部还设有带孔隔板（16）。
4.如权利要求3所述的太阳能储能发电***，其特征在于，所述热储室（14）与所述第二流化床反应器（15）之间设有第一旋转式进料器。
5.如权利要求4所述的太阳能储能发电***，其特征在于，所述第二流化床反应器（15）与下降管（17）之间设有第二旋转式进料器。
6.如权利要求1-5任一项所述的太阳能储能发电***，其特征在于，所述第一流化床反应器（11）的进气口处设有二次气体喷射器（12）。
7.一种基于氧化还原反应的太阳能储能发电***的方法，其特征在于，其采用如权利要求1-6中任一项所述的基于氧化还原反应的太阳能储能发电***实现，具体包括如下步骤：
S1: 将所述冷储室（10）中储存的Mn2O3通过送料阀输送到所述第一流化床反应器（11）中，并利用聚光太阳能子***产生的热量驱动Mn2O3的还原反应；
S2: 所述S1中反应产生的MnO和高温气体进入所述分离室（13）进行分离，固体MnO被送入热储室（14）进行储存，高温气体进入燃气透平（2）并驱动其做功，从而带动发电机（7）发电；
S3：将所述热储室（14）中的MnO颗粒送入所述第二流化床反应器（15）中进行氧化反应，反应生成的Mn2O3通过下降管（17）进入冷储室（10），同时，反应生成的高温气体进入燃气透平（2）并驱动其做功，从而带动发电机（7）发电；
S4：做功后的次高温气体则被送回所述分离室（13）和第二流化床反应器（15），进入下一循环反应。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述S2中做功后的次高温气体被送入余热锅炉（3）中，并利用气体余热将余热锅炉（3）中水转化成高温水蒸气，从而驱动蒸汽透平（4）做功，进而带动发电机（7）发电，产生低温气体则被送回所述分离室（13）和第二流化床反应器（15），进入下一循环反应，做功后的水蒸气则被送入冷凝器（5）冷凝成液态水，然后通过所述水泵（6）送入余热锅炉（3）中，进入下一工作循环。
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