一种基于四氧化三钴储热介质面向太阳能的储能反应器

本发明涉及太阳能热化学储能技术领域，特别是涉及一种基于四氧化三钴储热介质面向太阳能的储能反应器。

背景技术：

我国现有的能源体系中，煤炭是主要能源，特殊的能源禀赋和经济社会发展需求，决定了我国对“燃煤取能”的依赖。然而煤燃烧带来的高强度碳排放问题给我国“双碳”目标的实现带来重大挑战。目前已经制备了具有立方体微纳结构的、稳定性强的四氧化三钴储热介质。但是相应的反应器发展不成熟。现有的反应器大多存在储能与释能分开后损失大，效率低等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于四氧化三钴储热介质面向太阳能的储能反应器，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于四氧化三钴储热介质面向太阳能的储能反应器，包括:氧气循环装置、换热装置和反应装置；

所述氧气循环装置、所述换热装置和所述反应装置互相连通；

所述反应装置包括反应壳体、集热机构、分离器、驱动机构、蓄热管道、上盖板和下底板；

所述集热机构和所述分离器设置在所述反应壳体的顶部，所述蓄热管道嵌设在所述反应壳体内壁中，所述下底板设置在所述反应壳体内腔底部，所述上盖板设置在所述下底板的上方，所述上盖板与所述下底板之间形成储料腔，所述储料腔内填充有颗粒状四氧化三钴，所述上盖板的一侧与所述驱动机构连接，所述蓄热管道设置为蛇形盘管结构，所述蓄热管道顶部管口为封闭设置，所述蓄热管道底部管口伸出所述反应壳体内壁且位于所述下底板下方，所述氧气循环装置和所述换热装置均与所述蓄热管道顶部连通。

所述集热机构包括上端盖和透光镜；

所述上端盖固接在所述反应壳体的顶面，所述上端盖顶面开设有若干透光孔，所述透光镜通过螺栓设置在所述透光孔孔口处外壁。

所述分离器设置在所述上端盖顶面，所述上端盖的顶面还开设有分离孔，所述分离孔连通所述分离器和所述反应壳体内腔。

所述驱动装置包括驱动电机和转动轴；

所述驱动电机设置在所述反应壳体外部，所述驱动电机输出端与所述转动轴一端固接，所述转动轴的另一端贯穿所述反应壳体内壁并与所述上盖板侧面固接。

所述换热装置包括第一换热器、压缩机、第二换热器、第一单向阀和三通阀；

所述第一换热器输入端连通所述蓄热管道顶部一侧，所述第一换热器的输出端连通所述压缩机输入端，所述三通阀分别连通所述压缩机输出端、所述分离器输出端和所述第二换热器输入端，所述第二换热器输出端连通所述氧气循环装置，所述第一单向阀设置在所述第一换热器的输入端上。

所述氧气循环装置包括储气罐、进气管和风机；

所述储气罐分别与所述第二换热器和所述进气管的一端连通，所述进气管的另一端连通所述蓄热管道顶部另一侧，所述风机设置在所述进气管上。

所述蓄热管道内设置有蓄热陶瓷。

所述上盖板设置为与所述反应壳体内腔截面相适配的圆形结构，所述上盖板设置为石英透光板。

所述下底板顶面开设有若干通气孔，所述下底板设置为陶瓷板。

所述储气罐内储存有氩气。

本发明公开了以下技术效果：本发明中的反应器将储能与释能在一个反应器中，效率更高，只需改变进气状态和上盖板的开关便可自由切换两种状态，实现储能与释能，本发明原理通俗易懂，结构简单，易于实现。在初始反应之前，向储气罐中充入一定量的氧化钴分解产生的氧气形成较高压力，在以后的反应中便不需要再补充任何物料，故这部分反应物便可被循环持续利用，大大地节省了物料，同时也不会受到外界环境的影响，例如供给气压不稳定或者物料品质相差较大，同时也很好地克服了开口系统因进料状态的变化导致的整个系统不稳定的问题，此外，与流化床技术在工业上投入使用泄露问题较为严重的情况相比较，密闭的反应器可有效避免四氧化三钴颗粒的泄露，防止了其毒性可能导致的严重后果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明立体结构示意图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为本发明的反应流程图；

其中，1、反应壳体；2、分离器；3、蓄热管道；4、上盖板；5、下底板；6、上端盖；7、透光镜；8、驱动电机；9转动轴；10、第一换热器；11、压缩机；12、第二换热器；13、第一单向阀；14、三通阀；15、储气罐；16、进气管；17、风机；18、隔离气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-2，本发明提供一种基于四氧化三钴储热介质面向太阳能的储能反应器，包括:氧气循环装置、换热装置和反应装置；

所述氧气循环装置、所述换热装置和所述反应装置互相连通；

所述反应装置包括反应壳体1、集热机构、分离器2、驱动机构、蓄热管道3、上盖板4和下底板5；

所述集热机构和所述分离器2设置在所述反应壳体1的顶部，所述蓄热管道3嵌设在所述反应壳体1内壁中，所述下底板5设置在所述反应壳体1内腔底部，所述上盖板4设置在所述下底板5的上方，所述上盖板4与所述下底板5之间形成储料腔，所述储料腔内填充有颗粒状四氧化三钴，所述上盖板4的一侧与所述驱动机构连接，所述蓄热管道3设置为蛇形盘管结构，所述蓄热管道3顶部管口为封闭设置，所述蓄热管道3底部管口伸出所述反应壳体1内壁且位于所述下底板5下方，所述氧气循环装置和所述换热装置均与所述蓄热管道3顶部连通。

为了使反应器可以进行储能和释能两个过程，设置的所述驱动机构可控制上盖板4进行翻盖动作，当上盖板4处于水平状态时，设置的集热机构将太阳光集中照射在所述上盖板4上，使四氧化三钴开始进行还原反应释放氧气和热量并形成氧化钴，所释放的热量跟随氧气进入蓄热管道3内并在其中留存部分热量，其余热量和氧气进入换热装置内进行冷却压缩后，最终进入氧气循环装置进行贮存和循环利用，同时，当原料进行还原反应时，上盖板4呈关闭状态，太阳光线通过顶部光孔聚焦在上盖板4上，反应室内形成一个较为稳定且均匀的温度场，为反应提供所需热量；当上盖板4处于掀起状态时，此时反应室为整个反应壳体1内部空间，原料在底部氧气鼓吹的情况下悬浮在整个反应室中，与氧气充分混合并发生反应，从氧气循环装置中释放出氧气经过蓄热管道3预热后与发生氧化反应释放能量，将蓄热管道3设置为蛇形盘管结构可以最大程度的增加蓄热管道3在反应壳体1内的接触面积，使其在吸热和放热过程种更加彻底。

同时，该反应器可在白天阳光充足时实现太阳光能的收集与转化，且理论上只要反应原料足够多，可储存的太阳光能是无限量的，不会受到温度以及相变过程的制约；储能过程结束后只要做好装置的密封措施阻塞外界气体的进入，便可保证反应产物的长时间储存，不受储存时限的限制；等到阴天或者夜晚太阳光照无法满足能量需求的时候，即可随时控制合成释热反应的发生，将白天“储存”的太阳能以热能的形式转化释放出去供给人们需要。不考虑实际的泄露等因素，理论上只需要该反应正向与逆向的不断进行就可以将储存-释放热能过程一直进行下去，将太阳能源源不断地转化为我们所需要利用的能量形式。

进一步优化方案，所述集热机构包括上端盖6和透光镜7；

所述上端盖6固接在所述反应壳体1的顶面，所述上端盖6顶面开设有若干透光孔，所述透光镜7通过螺栓设置在所述透光孔孔口处外壁。

为了使透光镜7的集热效果更好，透光镜7设置为聚光结构，同时调整透光镜7的安装角度，使所有的透光镜7均可以将光束集中投射到上盖板4上，增加的四氧化三钴受热效率，提高还原反应速率和强度。

进一步优化方案，所述分离器2设置在所述上端盖6顶面，所述上端盖6的顶面还开设有分离孔，所述分离孔连通所述分离器2和所述反应壳体1内腔，设置的分离器2为气固分离器2。

为了提高氧气的利用效率，在上端盖6上设置分离器2可以将未参加反应的氧气进行收集，并将氧气中残留颗粒状氧化钴滤除，使其重新回到反应壳体1内腔中，继续参加反应，同时避免原料泄露造成安全隐患。

进一步优化方案，所述驱动装置包括驱动电机8和转动轴9；

所述驱动电机8设置在所述反应壳体1外部，所述驱动电机8输出端与所述转动轴9一端固接，所述转动轴9的另一端贯穿所述反应壳体1内壁并与所述上盖板4侧面固接。

为了实现反应器可以进行储能和释能两个过程，设置的驱动电机8可以驱动上盖板4进行转动，以分别适应还原反应和氧化反应。

进一步优化方案，所述换热装置包括第一换热器10、压缩机11、第二换热器12、第一单向阀13和三通阀14；

所述第一换热器10输入端连通所述蓄热管道3顶部一侧，所述第一换热器10的输出端连通所述压缩机11输入端，所述三通阀14分别连通所述压缩机11输出端、所述分离器2输出端和所述第二换热器12输入端，所述第二换热器12输出端连通所述氧气循环装置，所述第一单向阀13设置在所述第一换热器10的输入端上。

为了可以将氧气进行循环利用，原料进行还原反应生成氧气时，压缩机11可以将氧气压力提高并输送到储气罐15中暂存起来供下一次氧化反应使用，两个换热器均是对氧气起冷却作用，氧气的热量可用于制冷或制热。

进一步优化方案，所述氧气循环装置包括储气罐15、进气管16和风机17；

所述储气罐15分别与所述第二换热器12和所述进气管16的一端连通，所述进气管16的另一端连通所述蓄热管道3顶部另一侧，所述风机17设置在所述进气管16上；

所述进气管16上设置有第二单向阀。

为了实现氧气的循环利用，风机17是为整个循环提供动力的部件，在进行释能反应阶段，储气罐15中的氧气经过风机17吹出，经过蓄热管道3的预热后进入反应室并吹起氧化钴颗粒使之与氧气充分接触而发生氧化反应释放能量。

进一步优化方案，所述蓄热管道3内设置有蓄热陶瓷。

为了提高蓄热管道3的蓄热能力，蓄热管道3蛇形布置在反应器壁面内，管道内部装有蓄热陶瓷。高温氧气通过时，氧气的一部分显热被储存在蓄热陶瓷中，而这部分热量可用于对参与氧化反应的氧气进行预热。

进一步优化方案，所述上盖板4设置为与所述反应壳体1内腔截面相适配的圆形结构，所述上盖板4设置为石英透光板。

为了可以充分利用太阳能，上盖板4设置为石英透光板，可以使热量集中在原料上。

进一步优化方案，所述下底板5顶面开设有若干通气孔，所述下底板5设置为陶瓷板。

设置的陶瓷板可以实现氧气的进出。

进一步优化方案，所述氧气管内储存有氩气。

为了使的氧化钴的氧化反应更加彻底，向储气罐15中充入足量用以鼓吹原料的高压的40％氧气与60％氩气的混合气体，而此氧气是由原料的还原反应所得，选用氩气是因为其移动性或扩散系数在稀有气体中较高，既不会对反应本身产生影响且容易加大密闭腔室内气体流动度，促进流化反应，且相对较为廉价。

本发明的使用过程为，太阳能热化学储能反应流程如图4所示。在进行储能反应阶段，太阳光聚焦在反应室内，立方体四氧化三钴在高温下分解成氧化钴和高温氧气，高温氧气经过蓄热管道3和两个换热器共同冷却后，进入压缩机11形成高压氧气，此高压氧气暂存在储气罐15中。在进行释能反应阶段，储气罐15中的氧气经过风机17吹出，经过蓄热管道3的预热后进入反应室并吹起氧化钴颗粒使之与氧气充分接触而发生氧化反应释放能量。如此，四氧化三钴与氧化钴在相互转化的过程中将太阳能转化为可利用的高位热能。

值得强调的是，本循环过程始终在封闭系统中进行，反应过程不会向环境排放任何有害物质，是较为高效的清洁能源。

参照图3，在本发明的一个实施例中，还在所述蓄热管道3的顶部设置隔离气管18，所述隔离气管18设置有若干个且分别连通所述蓄热管道3顶部两侧，所述隔离气管18的出气端喷气方向与所述上端盖6底面平行；

由于在进行氧化反应的过程中，氧气从反应壳体1内腔底面喷出，会致使颗粒状氧化钴在整个内腔飞动，而在上端盖6上设置透光镜7为玻璃制品，由于原料的撞击可能会使其发生破裂，造成泄漏，不仅缩短反应器的使用寿命，还会危害工作人员的身体健康，设置的隔离气管18会喷射出氧气，形成一层气体防护层，防止发生撞击，避免出现上述情况。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。