[发明专利]太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢系统及方法

说明书

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中低温热驱动的热化学反应制氢的系统及方法，特别是一种利用低聚光比太阳能聚光装置提供替代燃料重整反应制氢所需要的中低品位能量的转换系统及方法。

背景技术

21世纪，世界能源将从以化石能源为主，向化石燃料、核能、太阳能、可再生能源等不断变化的多元化能源结构转变。特别是太阳能具有分布广泛，储量无限，开采利用清洁等优点引起了人们的广泛关注，但在相当长一段时间内，太阳能的大规模开发利用成本仍然很高，在经济上无法与常规的化石能源相匹敌，而且还存在不连续与不稳定性等问题。因此，高效、低成本太阳能的利用、贮存等就成为当今能源动力领域研究的热点与前沿课题。

同时，氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要资源，被认为是未来的主要清洁能源之一。故氢能越来越受到关注。

太阳能在利用过程中为了解决能流密度低的不足，通常利用聚光装置(如抛物槽式、碟式、塔式等)将太阳能转化为热能。一般地，将太阳能集聚的温度越高，相应的成本也越高，效率越低，另外为了解决能量不连续的问题，可以采用蓄热手段，如何蓄热也是一个具有挑战性的问题；这一过程还有不可避免的热损失，应用受到限制。而利用太阳能进行的吸热化学反应，将太阳能转化为反应产物的化学能可以解决上述难题，因此利用太阳能进行热化学反应制氢已成为国际上开发利用太阳能的一个研究热点。

目前利用太阳能进行热化学反应制氢的方法主要有以下几种：

(1)直接利用太阳能高温分解水制氢，反应操作温度在2000℃左右。该方法由于分解后的高温气体产物有接触爆炸的危险，并且高温的气体产物难于分离。

(2)太阳能热化学分解水循环制氢，反应操作温度一般在1000℃左右。该方法可以有效地解决上述问题，出现了几十种循环制氢方法，其中最为出名有Fe₂O₃/SO₂循环、S/I循环、UT-3循环、Fe/Cl/O/H循环、Mark循环、太阳能分解金属氧化物循环、S/I/Mg循环及S/O循环等。

(3)太阳能甲烷重整制氢，甲烷水蒸汽重整所需要的900℃左右的热量由塔式太阳能聚光装置提供，但是由于高温，接收器的效率低，整个系统复杂并且成本高。

(4)太阳能化石燃料/气化制氢，操作温度也在1000℃左右；太阳能为煤等化石燃料气化反应提供热量，制得的合成气需要较为复杂的净化、提纯工艺。

针对前述的四种制氢方法，均是采用高温太阳能制氢，共同特点是均是采用昂贵的太阳能聚光装置，聚集高于900℃的高品位太阳能，以提供制氢需要的热能，造成制氢成本高的技术难题，同时对材料的使用提出了更高的要求，不利于大规模应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢系统，以降低利用太阳能制氢的成本，便于大规模的推广和应用。

本发明的另一个目的在于提供一种太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢的方法，以降低利用太阳能制氢的成本，便于大规模的推广和应用。

(二)技术方案

为达到上述一个目的，本发明提供了一种太阳能中低温热驱动的热化学反应制氢系统，该系统包括：

原料供应装置，用于贮存制氢所需的原料，并将贮存的原料输出给原料混合装置；

原料混合装置，用于接收并混合来自原料供应装置中的新鲜原料和气液分离器分离出来的未反应物，并将得到的混合物输出给原料计量装置；

原料计量装置，用于控制单位时间内原料进入预热器的体积，将接收自原料混合装置的原料按一定的速率输出给预热器；

预热器，用于对接收自原料计量装置的原料进行预热，将预热后的原料输出给太阳能吸收反应器；

太阳能吸收反应器，利用吸收的太阳能热量供接收自预热器的原料在自身的反应管中发生重整反应，反应产物通过预热器放出热量，然后再进入冷凝器；

太阳能集热器，用于以线性聚焦方式将低能流密度的太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，向太阳能吸收反应器中的原料重整反应提供热量；所述太阳能吸收反应器位于太阳能集热器的线性聚焦线上，该太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，抛物槽内表面涂有对太阳光具有高反射率、低吸收率的选择性镀膜，向太阳能吸收反应器中的原料重整反应提供150℃至300℃温度范围的热量；

冷凝器，用于冷却太阳能吸收反应器通过预热器输入的反应产物，并将冷却后的反应产物输出给气液分离器；