一种显热与热化学耦合储热方法及装置

1.本发明涉及储能设备领域，具体地，涉及一种显热与热化学耦合储热方法及装置。


背景技术：

2.近年来，随着全球经济发展，能源需求和消耗逐年增长，对能源供给造成了巨大的压力。而煤炭、石油、天然气等传统能源产生的温室气体对人类居住环境和气候造成了一定的影响，不利于全球社会和经济的可持续发展。所以，对工业废热回收利用的节能技术和以太阳能、风能、生物质能等为代表的可再生能源逐渐成为人们关注的焦点。其中，太阳能通过光热、光电、光化学等能源转化可以应用于发电、制冷和取暖等领域，受到了各国政府的重视。
3.太阳能在进行利用的过程中存在不连续的情况，且转化过程中存在大量的热能流失。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术问题，本发明提供一种显热与热化学耦合储热装置，本发明的技术方案如下：
5.一种显热与热化学耦合储热装置，包括：
6.反应器，所述反应器内设有预热区、流化区和过滤区，所述预热区、所述流化区与所述过滤区相邻区域之间设有透气网，所述预热区设有进气口，所述流化区内设有储能颗粒，所述过滤区设有出气口；
7.换热器，所述换热器具有用于进行能量交换的第一流通区和第二流通区，所述第一流通区的一端通过第一循环管连接所述进气口，另一端通过所述第二循环管连接所述出气口；
8.储能装置，所述储能装置包括储罐和转换器，所述储罐通过第三循环管连接所述第一流通区与所述第一循环管连接的端部，所述转换器设置于所述第三循环管上，用于将第一流通区内的气体转换为液态存储到储罐内。
9.本技术方案中，换热器的第一流通区通过第二流通区与外界进行热能交换，通过第一循环管进入反应器的中，通过预热区进行气流温度的混合在传递给流化区，流化区内的温度到达反应温度进行化学反应将热能进行化学能储存，然后将反应后的气体流入到过滤区进行过滤，再经过第二循环管流入第一循环管进行热量交换，将热能经过第一循环管进入反应器，为流化区的化学反应提供能量，储能装置能够将反应的气体液化储存到储罐中进行保存，同时维持装置中的压强稳定，避免较高压强影响反应装置的安全性能，当外界温度较低时，显热的反应器使得流化区内的化学物质进行逆反应放处热量，交换到第二流通区，使得第二流通区的温度升高，保持外界工作的连续性。
10.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述储能装置还包括闸阀，所述闸阀安装在所述第一循环管上，用于控制第一循环管内气体的流动。
11.本技术方案中，闸阀能够调节第一循环管的气体流量，当流化区内储能颗粒进行反应的过程中会产生气体，闸阀一方面用于调节第一循环管道内的气体流量，另一方面便于转换器将第一流通区内的气体通过第三循环管转换为气体流入到储罐中。
12.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述预热区内设有翅片。
13.本技术方案中，设置于预热区的翅片便于携带热能的气体在预热区进行热量的交换，加快预热区的温度转换效率。
14.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述翅片包括平直翅片、锯齿翅片和多孔翅片中的至少一种。
15.本技术方案中，翅片包括平直翅片、锯齿翅片和多孔翅片中的至少一种，可以根据同的应用场景选择具体的翅片结构以及翅片的组合方式。
16.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述预热区内还设有用于增大气体流速的气体分布器。
17.本技术方案中，气体分布器能够增大从预热区进入流化区的气体流速，提高储能颗粒的流化性能，加快储能颗粒的储能效率。
18.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述透气网为丝径小、目数多的金属丝网。
19.本技方案中，金属丝网的导热性好，便于预热区将温度传递到流化区，金属丝网的丝径小便于设置更多的目数，多目数有利于反应器内气体的流通。
20.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述转换器为压缩机或冷却器。
21.本技术方案中，压缩机或冷却器均是用于将气体由气态转换为液态进行能量的存储。
22.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述反应器、换热器、第一循环管和第二循环管外部均包裹有保温层。
23.本技术方案中，保温层避免反应器、第一循环管、换热器和第二循环管组成的循环装系统的热量流失，为后期的放热反应提供所需的温度环境。
24.在上述方案的基础上并且作为上述方案的优选方案：所述储能颗粒包括多孔基体和设置于基体上的基质，所述基质为一种气体与固热化学复合材料或多种气提与固热化学材料的组合。
25.本技术方案中，多孔基体便于高温气体通过，增加基质与气体的接触面积，加快基质的储能速率；应对于不同的使用环境，基质可以采用不同的物质进行储能。
26.一种显热与热化学耦合储热方法，包括储能过程和释能过程；
27.储能过程：外部的高温气体经过换热器，将流经反应器的气体温度逐渐的升高至储能颗粒的反应温度，储能颗粒吸热发生化学反应生成新固体物质，将热能储存到新固体物质的化学键中，新固体物质保持高温状态，在高温下储存，即显热储能，生成的气体一部分在换热器与反应器之间流动，另一部分经过转换器转换为液体储存到储罐中；
28.释能过程：外部提供的气体温度为常温或低于储能颗粒反应温度，在反应器中新固体物质的显热储能用于加热反应器中的气体温度，新固体物质与气体发生放热反应，储罐中的液态转换为气体进入反反应器内与新固体物质，并生成储能颗粒，反应器中产生的
高温气体经过换热器将热能传递给外界。
29.本技术方案中，本发明公开了一种储热方法，利用储能颗粒的化学反应将热能转换为化学能，且储能颗粒反应后生产的新固体物质具有较高热量，为显热储能，生成的气体经过转换器转换为液体存储到储罐中，实现能量的存储；当外部提供的气体温度为常温或低于储能颗粒反应温度时，反应器中新固体物的显热加热反应器中的气体温度，使得储能颗粒发生逆反应，在一定时间内，释能过程不需要额外的能量，实现放热。
30.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
31.1、将未转化的热能进行显热与热化学结合的方式进行储存，在外界温度较低时，本发明装置中发生逆反应将化学能转换为热能交换到外界，保持外界生产保持连续，同时提高热能的利用效率。
32.2、闸阀能够调节第一循环管的气体流量，当流化区内储能颗粒进行反应的过程中会产生气体，闸阀一方面用于调节第一循环管道内的气体流量，另一方面便于转换器将第一流通区内的气体通过第三循环管转换为气体流入到储罐中。
33.3、设置于预热区的翅片便于携带热能的气体在预热区进行热量的交换，加快预热区的温度转换效率。
34.4、翅片包括平直翅片、锯齿翅片和多孔翅片中的至少一种，可以根据同的应用场景选择具体的翅片结构以及翅片的组合方式。
35.5、气体分布器能够增大从预热区进入流化区的气体流速，提高储能颗粒的流化性能，加快储能颗粒的储能效率。
36.6、金属丝网的导热性好，便于预热区将温度传递到流化区，金属丝网的丝径小便于设置更多的目数，多目数有利于气体的流通。
37.7、保温层避免反应器、第一循环管、换热器和第二循环管组成的循环装系统的热量流失，为后期的放热反应提供所需的温度环境。
38.8、多孔基体便于高温气体通过，增加基质与气体的接触面积，加快基质的储能速率；应对于不同的使用环境，基质可以采用不同的物质进行储能。
39.9、本发明公开了一种储热方法，利用储能颗粒的化学反应将热能转换为化学能，且储能颗粒反应后生产的新固体物质具有较高热量，为显热储能，生成的气体经过转换器转换为液体存储到储罐中，实现能量的存储；当外部提供的气体温度为常温或低于储能颗粒反应温度时，反应器中新固体物的显热加热反应器中的气体温度，使得储能颗粒发生逆反应，在一定时间内，释能过程不需要额外的能量，实现放热。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的整体结构示意图；
42.图2为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的反应器立体剖视图示意图；
43.图3为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的气体分布器示意图；
44.图4为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的平直翅片立体图示意图；
45.图5为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的锯齿翅片立体图示意图；
46.图6为本发明一种显热与热化学耦合储热装置的多孔翅片立体图示意图。
47.图中：1、反应器；101、预热区；102、流化区；103、过滤区；104、透气网；105、进气口；106、出气口；201、第一循环管；202、第二循环管；203、第三循环管；3、闸阀；401、转换器；402、储罐；501、第一流通区；502、第二流通区；6、气体分布器；701、平直翅片；702、锯齿桥翅片；703、多孔翅片。
具体实施方式
48.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
49.为了更好的说明本发明，下方结合附图1
‑
6对本发明进行详细的描述。
50.参见图1
‑
2所示，一种显热与热化学耦合储热装置，包括：反应器1、换热器和储能装置，反应器1内设有预热区101、流化区102和过滤区，预热区101、流化区102与过滤区相邻区域之间设有透气网104，预热区101设有进气口105，流化区102内设有储能颗粒，过滤区设有出气口106；换热器具有用于进行能量交换的第一流通区501和第二流通区502，第一流通区501的一端通过第一循环管201连接进气口105，另一端通过第二循环管202连接出气口106，此时反应器1、第二循环管202、第一流通区501和第一循环管201组成第一循环系统，储能装置包括储罐402和转换器401，储罐402通过第三循环管203连接第一流通区501与第一循环管201连接的端部，转换器401设置于第三循环管203上，用于将第一流通区501内的气体转换为液态存储到储罐402内。
51.本实施例中的储能颗粒为caco3，具体的使用过程，首先将高温气体过第二流通区502，第一流通区501与第二流通区502内的气体进行热交换，获得热能且具有一定温度的气体流入预热区101，并在预热区101进行热交换，使得预热区101的温度升高，升高后的气体通过金属丝网进入流化区102进行热交换，然后进入过滤区再通过第二循环管202流回第一流通区501，第一流通区501内的气体与第二流通区502的气体进行热交换，在第一循环系统内进行流动，通过预热区101进行热交换是的流化区102的温度升高，当流化区102的温度达到900℃后，caco3的分解反应温度为900℃。当温度大于900℃时，则生成cao和co2，该反应为吸热反应，通过储能颗粒caco3将热能转换为化学能进行储藏，由于该分解反应为放热反应使得在分解反应结束后，反应器1内仍然留有热量，且生成的co2经过转换器401将气态的co2转换为液态的co2储存到储罐402中。
52.需要说明的是，caco3分解生成cao和co2为可逆反应，在温度高于900℃时正反应开始，温度达到650℃时逆反应发生，由于正反应的速率远大于逆反应的速率，虽然caco3在发生分解反应的同时逆反应也在同时进行，但是由于反应速率的差距较大，但是caco3的吸热正反应仍能进行充分的反应。
53.当caco3的分解反应完全后，吸能过程结束，此时第二流通区502内的气体温度低于caco3正反应的反应温度，由于反应器1中留有热能使得caco3逆反应能够进行，发生放热反应，此时将储罐402中的连接第三循环管203的连接打开，使得液态的co2转化为气态的co2为可逆反应提供充足的co2，反应器1中的放热反应释放热能，通过第一流通区501与第二流
通区502的交换进入外界，本发明进入释能状态。
54.参见图1所示，本实施例的具体实例，储能装置还包括闸阀3，闸阀3安装在第一循环管201上，用于控制第一循环管201内气体的流动。闸阀3能够调节第一循环管201的气体流量，当流化区102内储能颗粒进行反应的过程中会产生气体，闸阀3一方面用于调节第一循环管201道内的气体流量，另一方面便于转换器401将第一流通区501内的气体通过第三循环管203转换为气体流入到储罐402中。值得一说的是，本实施例中的金属丝网丝径小、目数多。金属丝网的导热性好，便于预热区101将温度传递到流化区102，金属丝网的丝径小便于设置更多的目数，金属丝围成的多目数有利于气体的流通。
55.需要说明的是，本实施例的具体示例反应器1、换热器、第一循环管201和第二循环管202外部均包裹有保温层。保温层避免反应器1、第一循环管201、换热器和第二循环管202组成的第一循环系统内的热量流失，为后期的放热反应提供所需的温度环境。
56.本实施例的具体实例，储能颗粒包括多孔基体和设置于基体上的基质，基质为一种气体与固热化学复合材料或多种气提与固热化学材料的组合。多孔基体便于高温气体通过，增加基质与气体的接触面积，加快基质的储能速率；应对于不同的使用环境，基质可以采用不同的物质进行储能。
57.当高温气流进入到预热区101时，首先和预热区101的气体进行热交换，然后通过金属丝网进入流化区102，只有当预热区101内的温度高于碳酸钙的反应温度时，才能开始储能反应，现有的预热区101内通过高温气流与预热区101内的温度进行交换效率较低，为此预热区101内设有翅片，设置于预热区101的翅片便于携带热能的气体在预热区101进行热量的交换，加快预热区101的温度转换效率。
58.如图4
‑
6所示，本实施例的具体实例，翅片包括平直翅片701、锯齿翅片702和多孔翅片703中的至少一种。翅片包括平直翅片701、锯齿翅片702和多孔翅片703中的至少一种，可以根据同的应用场景选择具体的翅片结构以及翅片的组合方式。在此说明，本实施例中提供了三种翅片的结构但不仅限于使用上述三种结构的翅片。
59.本实施例的具体示例，预热区101内还设有用于增大气体流速的气体分布器6。气体分布器6能够增大从预热区101进入流化区102的气体流速，提高储能颗粒的流化性能，加快储能颗粒的储能效率。
60.本实施例的具体示例，转换器401为压缩机或冷却器。压缩机或冷却器均是用于将气体由气态转换为液态进行能量的存储，压缩机或冷却器技术成熟，稳定性高，维修成本低廉。
61.本实施例中提供一种显热与热化学耦合储热方法，包括储能过程和释能过程；
62.储能过程：外部的高温气体经过换热器，将流经反应器1的气体温度逐渐的升高至储能颗粒的反应温度，储能颗粒吸热发生化学反应生成新固体物质，将热能储存到新固体物质的化学键中，新固体物质能够保持较高温度，在高温下储存，即显热储能，生成的气体一部分在换热器与反应器1之间流动，另一部分经过转换器401转换为液体储存到储罐402中；
63.释能过程：外部提供的气体温度为常温或低于储能颗粒反应温度，在反应器1中新固体物质的显热储能用于加热反应器1中的气体温度，新固体物质与气体发生放热反应，储罐402中的液态转换为气体进入反反应器1内与新固体物质，并生成储能颗粒，反应器1中产
生的高温气体经过换热器将热能传递给外界。
64.本发明公开了一种储热方法，利用储能颗粒的化学反应将热能转换为化学能，且储能颗粒反应后生产的新固体物质具有较高热量，为显热储能，生成的气体经过转换器401转换为液体存储到储罐402中，实现能量的存储；当外部提供的气体温度为常温或低于储能颗粒反应温度时，反应器1中新固体物的显热加热反应器1中的气体温度，使得储能颗粒发生逆反应，在一定时间内，释能过程不需要额外的能量，实现放热。
65.本实施例在如图1所示的结构中进行工作，包括反应器1、换热器和储罐402，反应器1内设有预热区101、流化区102和过滤区，相邻区域之间具有丝径较小、目数较大的金属丝网隔开，预热区101设有进气口105，在流化区102与预热区101之间金属丝网的流化区102内放置热化学储能颗粒，预热区101设有气体分布器6，用于提高流化区102内颗粒的流化性能，预热区101内还设有翅片，用于预热区101内的传热性能，实现高效低阻的直接式换热，过滤区设有出气口106；换热器具有用于进行能量交换的第一流通区501和第二流通区502，第一流通区501的一端通过第一循环管201连接进气口105，另一端通过第二循环管202连接出气口106，此时反应器1、第二循环管202、第一流通区501和第一循环管201组成第一循环系统，储罐402与第一流通区501之间通过第三循环管203连接，第三循环管203上设有压缩机。
66.本实施例中储能颗粒包括多孔基体以及附着在基体上具有热化学储能特性的基质，caco3/cao，或ca(oh)2/cao或mg(oh)2/mgo或mn2o3/mno或某一种气
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固热化学复合材料或多种气
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固热化学材料的组合，不局限于某一种气
‑
固热化学储能材料。
67.本实施例中换热器为间壁式换热器，但并不局限于此类换热器，用于冷热流体热交换，实现第一流通区501与第二流通区502的流体热能转换，在释能过程中，实现了能量的释放。为了提高显热的储存时间，在反应器1、换热器、第一循环管201、第二循环管202和第三循环管203外表面上均设有保温层，保温层能够降低装置的热损失。
68.显热与热化学耦合储能装置工作流程：
69.在储能过程时，第一流通区501交换第二流通区502的热能，加热后的第一流通区501的气流通过第一循环管201进入反应器1内，此处气体为惰性气体，本实施例的惰性气体为氮气，热化学储能颗粒受到气体的作用，使得储能颗粒悬浮于运动的流体之中，实现了储能颗粒流态化，在预热区101内，根据预热区101和流化区102的颗粒流化性能，可以设有气体分布器6，增大气体流速，优化储能颗粒流化性能，此外，由于高温流化气体，反应器1内的温度逐渐升高，各个位置温度相差不大，当温度升高到反应温度时，热化学储能颗粒开始发生吸热反应，即为热化学储能过程，通过化学键将热量牢牢锁住，实现长时间储能。具体地，当热化学储能材料为caco3时，caco3的分解反应温度为900℃，当温度大于900℃时，则生成cao和co2，当吸热反应结束时，生成的固体颗粒仍然处于高温状态，即为显热储能过程；生成的气体经反应器1过滤区通过第二循环管202进入第一流通区501与第二流通区502的冷流体进行换热(或直接通过)，实现加热冷流体的作用，当热化学储能颗粒没有完全反应时，气体通过闸阀3和循环管道再次进入反应器1；当热化学储能颗粒完全反应时，气体则经过冷却或压缩，以液态形式储存于储罐402中。
70.储能过程结束后，一部分热量以显热和化学能形式被存放在反应器1内，而另一部分热量以化学能形式被存放在储罐402内。
71.在释能过程时，调整适合释能过程的操作工况，储罐402内的反应器1通过升温或膨胀等方法成为气体，进入反应器1内第三循环管203内，第三循环管203内的混合气体再经过第二循环管202进入预热区101内，此处气体为反应气体与惰性气体的混合物，由于反应器1温度均匀且温度大于流化气体温度，气体温度在预热区101得到了提高，即为显热释能过程；在预热区101内，根据预热区101传热性能，通过翅片强化传热，实现预热区101高效低阻的直接式换热；根据预热区101和流化区102的颗粒流化性能，在预热区101内设有气体分布器6，增大气体流速，优化颗粒流化性能，当气体达到流化区102时，气体温度达到释能反应温度；在流化作用下，固体颗粒与气体发生放热反应(例如：cao与co2、cao与h2o、mgo与h2o、mno与o2)，将先前储存的热量释放出来，即为热化学放热过程；为了利用这部分释放的能量，流化气体经过滤区后将这部分热量带出，进入换热器，用于加热冷介质；随后，通过闸阀3和循环管道再次进入反应器1，获得释放的热量。
72.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，以及对于上述实施例一个或多个进行组合实施例，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改或组合，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。