[发明专利]太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法

说明书

本发明公开了一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补的发电装置，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、检测与控制系统、产物分离及储存单元与发电动力单元五部分。本发明采用二维跟踪太阳的形式聚焦太阳能以驱动燃料热化学转化，利用热化学转化生成的合成气燃料驱动动力发电设备作功，通过调整圆形或近圆形的太阳能吸收/反应器阵列中各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，通过聚光太阳能驱动热化学反应，提升了太阳热能的品位，进一步提升了太阳能净发电效率。

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种消除余弦损失的太阳能与燃料热化学互补发电装置及方法。

背景技术

太阳能取之不尽、用之不竭，地球每年接收到太阳总量达1×10¹²GWh，相当于燃烧1.3×10⁶吨标煤，约为世界年总能耗的一万余倍。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，进而将太阳能以燃料化学能的形式释放作功。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，使得传统槽式太阳能发电效率受季节变化影响明显。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。

另外，基于槽式太阳能集热器聚光特性，其所聚焦的中低温太阳热能可以驱动中低温热化学转化。通过中低温太阳能热化学燃料转化，可以将低品位的太阳热能以燃料化学能形式进行储存并利用，提升了太阳热能的品位，实现了太阳能利用效率的提升。太阳能与燃料热化学互补的利用技术，具有所需太阳能集热镜场面积相对较小的优点。因此，针对其所需抛物槽式集热镜场采用二维跟踪模式具有较强的可实施性。为此，采用二维跟踪模式的太阳能热化学发电装置，一方面消除了太阳能余弦损失，提升了装置的太阳能利用性能，进一步减小了集热镜场的面积；一方面实现了太阳能热化学反应单元的集成，将低品位太阳热能转化为高品位的燃料化学能，提升了太阳能的利用性能，进而提高了装置的太阳能净发电效率，实现了太阳能的高效利用。