[发明专利]结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器

说明书

结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，属于太阳能热利用领域。现有的太阳能反应器内部温度不均匀，导致反应效率低。碟式太阳能聚光器汇聚的太阳光透过石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面，另一部分穿过泡沫陶瓷中的孔隙，最终被涂有吸收涂层的椭球型石墨片接收，椭球型石墨片吸收热量后通过热传导加热与椭球型石墨片相邻处的泡沫陶瓷外球面，使泡沫陶瓷温度均匀；根据计算流体力学数值模拟的能流分布结果，泡沫陶瓷采用双层嵌套、长短轴相互垂直的“双椭球面”几何结构，以缓解前端区域的热量集中，同时增强周向温度分布的均匀性；椭球型外壳上和底部分别开设原料气入口和气体产物出口，原料气入口朝向石英窗片。它用于提高反应效率。

技术领域

本发明涉及匀热式太阳能反应器，属于太阳能热利用领域。

背景技术

太阳能反应器(集热器)通常以聚光太阳能为驱动源，能够在低碳或零碳的条件下将太阳能转化为化学能(或热能)并将其储存或直接利用，是一种高效清洁的可再生能源利用方式。按照聚光太阳能的加热方式，常见的太阳能反应器可分为直接加热式和间接加热式两种类型：直接加热式反应器前端通常安装有透过率较好的石英玻璃，在保证气密性的同时允许聚光太阳能透过石英窗口直接照射至反应器内部并加热反应介质；间接加热式反应器内的反应介质则不会直接受到太阳能照射，而是由位于反应器外部聚光靶平面上的吸热材料间接传递热量，同时原料气或工质在反应介质内形成流动将热量带走。相比较而言，由于间接加热过程中存在大量的对外散热和内部传热损失，直接加热式反应器的热效率会相对较高，但同样存在两个限制能量效率的关键因素：一是反应器内已经被加热至高温的反应介质会以热辐射的形式通过石英窗口向外散失能量，且热辐射损失会随着温度的升高而显著增加；二是聚光太阳能的靶平面通常位于反应器或介质的前端，极易形成局部的高温过热区域并在整个反应区产生较大的温度梯度，这种温度场的不均匀性不仅会加剧石英窗口对外的辐射热损失，更重要的是会对内部的化学反应产生很强的负面影响，进而降低整个反应器的能量效率。

随着现代计算流体力学的发展，太阳能反应器内部的辐射传输过程、流体流动过程、气固两相对流换热过程，以及化学反应过程都能够被直观地展示出来。若能够结合反应区域内的能流分布状况对反应介质的几何形状进行重新设计，则可在很大程度上降低温度场分布的不均匀性。另一方面，利用反应介质和吸收涂层的光学特性对太阳辐射能量的传输和吸收过程进行调控，能够进一步缓解聚光太阳能直接加热过程中的热量集中现象，并对温度较低的区域进行再加热，进而提升整个温度场的均匀性，提高反应器的能量转换效率和反应速率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的太阳能反应器内部温度不均匀，导致太阳能反应器内反应速率低的问题，提出了结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器。

结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，所述反应器包括碟式太阳能聚光器、石英窗片、椭球型外壳、椭球型石墨片、吸收涂层和泡沫陶瓷；

泡沫陶瓷为具有多个通孔泡沫结构的陶瓷体，泡沫陶瓷的表面涂覆催化材料，泡沫陶瓷为半椭球形；

泡沫陶瓷的外球面涂有吸收涂层，椭球型石墨片包裹在吸收涂层的外表面，椭球型外壳包裹在椭球型石墨片的外表面，椭球型外壳的轴向与半椭球形的泡沫陶瓷的长轴方向一致；

石英窗片盖合在椭球型外壳的开口处，在贴近石英窗片的泡沫陶瓷上挖设半椭球形的槽，半椭球形槽的长轴与泡沫陶瓷的长轴垂直相交；

碟式太阳能聚光器位于石英窗片外部，碟式太阳能聚光器用于汇聚太阳光，汇聚后的太阳光透过石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面上，另一部分穿过泡沫陶瓷中的孔隙，最终被涂有吸收涂层的椭球型石墨片接收，椭球型石墨片吸收太阳光的热量后通过热传导加热与椭球型石墨片相邻处的泡沫陶瓷外球面，进而使泡沫陶瓷的温度均匀；

椭球型外壳上开设多个原料气入口，且多个原料气入口均朝向石英窗片；椭球型外壳的底部开设气体产物出口。