[发明专利]一种太阳能驱动的燃料转化装置及方法

说明书

本发明公开了一种太阳能驱动的燃料转化装置，该装置包括：原料预处理单元、二维旋转跟踪太阳能热化学吸收/反应单元、产物分离及储存单元和检测与控制单元四部分。本发明将太阳能热化学转化与二维跟踪太阳能集热过程进行集成，多组太阳能热化学吸收/反应单元形成圆形或近圆形阵列，并通过调整抛物型槽式太阳能吸收/反应器的倾角和方位角，实现其对太阳的二维跟踪，有效避免了太阳能余弦损失、提升了太阳能的利用效率以及减小了太阳能集热镜场的面积，同时，通过太阳能驱动燃料进行热化学转化，将太阳热能转化为燃料化学能，实现了太阳热能品位的提升。本发明提供了一种热力学性能优异、经济性良好的太阳能利用装置和燃料转化装置。

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种太阳能驱动的燃料转化装置及方法。

背景技术

能源是人类文明和社会发展的重要动力，随着社会经济发展，人类对能源的需求日益增加。现阶段化石能源作为世界能源供应的主体，传统化石能源的大量开发利用严重威胁人类的生存环境。面对化石能源短缺和环境污染等制约社会经济发展的问题，大力开发可再生能源已经成为全世界范围内促进节能减排和实现能源可持续发展的共同选择。其中，太阳能作为一种清洁、分布广泛、总量巨大的可再生能源，如何高效利用太阳能资源受到了广泛的关注。

我国是太阳能资源丰富的国家之一，年均日太阳辐照量为180W/m²，整体呈现出西高东低的分布趋势，尤其是在西藏、青海和新疆等西部地区，年日均时间维持在3000h以上，具有优良的太阳能资源开发利用的条件，年总辐射量超过1800kW·h/m²。我国年太阳能辐射值约为1050～2450kW·h/m²，年均辐照大于1050kW·h/m²占国土面积的96％以上，年均辐照高于1750kW·h/m²约占22.8％以上。我国整体范围内优良的太阳能资源，为大力推进太阳能资源开发利用奠定了资源基础。

现阶段主要通过光伏、光热及热化学的形式对太阳能进行利用。太阳能光热利用形式中，常见的太阳能聚光集热器主要有：抛物槽式太阳能集热器、线性菲涅尔集热器、塔式集热器以及碟式集热器。太阳能光热利用是指将所聚焦的太阳热能加热循环工质通过动力循环输出电功。太阳能热化学利用技术通过太阳能作为反应过程的热量，驱动吸热的化学反应，将所聚焦的太阳热能转化并储存在燃料的化学能中，实现了太阳热能到化学能的转化。在太阳能热化学转化中主要有太阳能光解水、煤气化技术、甲烷干/湿重整技术、甲醇重整技术、甲醇分解技术以及其他有机燃料的热化学转化技术等。国际能源署(IEA)将太阳能热化学互补利用作为太阳能利用重要的的技术路线之一。针对上述太阳能热化学利用技术的多类燃料转化装置已投入运行。例如：澳大利亚建立了世界上首台50MW级太阳能驱动的天然气湿重整装置。

由于抛物型槽式太阳能集热器结构简单、技术成熟，广泛应用在太阳能光热、太阳能热化学利用技术方面。常见的槽式太阳能集热装置单个回路较长，通常采用一维方式跟踪太阳，即调节太阳能集热器倾角将太阳光线经反射汇聚到集热管上。但是，由于全年范围内太阳方位角随时间在不断变化，使得太阳光线与抛物型镜面法线之间存在夹角。由于该夹角的存在，使得太阳能发生余弦损失，造成了集热器光学效率的下降。例如在北纬30°附近东西方向布置的槽式太阳能集热装置，由于余弦损失导致的太阳能损失在冬季、春季达到50％以上，严重影响了太阳能的利用效率，降低了太阳能利用装置年均的利用性能。如何减少太阳能利用装置的余弦损失对提升太阳能利用效率具有重要的意义，是提升太阳能利用装置运行性能及经济性的重要途径。