[发明专利]太阳能热化学处理系统和方法

说明书

公开了一种太阳能热化学处理系统。该系统包括用于接收集中的太阳能的第一操作单元。来自该太阳能的热被用来驱动第一操作单元。所述第一操作单元还接收第一组反应物并产生第一组产物。第二操作单元接收来自第一操作单元的第一组产物并产生第二组产物。第三操作单元接收来自第二操作单元的热以产生第一组反应物的一部分。

本申请是国际申请日为2013年7月26日、中国申请号为201380039354.0且发明名称为“太阳能热化学处理系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年7月26日提交的名称为“太阳能热化学处理系统和方法(SOLAR THERMOCHEMICAL PROCESSING SYSTEM AND METHOD)”的美国专利申请序列号13/559,127的优先权，对其所有教导以其整体通过引用结合在此。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在由美国能源部提供的合同DE-AC05-76RLO1830下的政府支持下完成。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明涉及太阳能热化学反应。更具体地，本发明涉及这样的系统和方法，其利用可得自太阳能集中器(solar concentrator)的高温热，从而增加反应流的化学能含量和/或改变反应流的化学组成。

发明背景

对于集中式太阳能发电(concentrated solar power)(CSP)系统，能源部的目标包括：增加CSP在美国的使用，使得到2015年CSP在腰荷电力市场(intermediate powermarket)中具有竞争力，以及开发使得CSP到2020年在基荷市场中具有竞争力的先进技术。CSP传统上利用集中的太阳能驱动热力发动机，如兰金循环(Rankine Cycle)循环、布雷登循环(Brayton Cycle)和斯特林循环(Stirling Cycle)循环，产生电力。传统的CSP系统具有在20-25％范围内的有限利用率，因为它们仅在可利用直射阳光时才产生电力。这限制了将CSP用于产生基荷发电的能力。CSP系统的利用率可以通过将在收集器处接收到的能量以能够在以后的时间转换为电力的形式储存而增大。将太阳能作为显热或潜热储存是一种选择。

另一种有前途的选择是在热化学反应中将太阳能转换成化学能。在这种情况下，能量储存在化学产品中，并且此化学能可以在以后的时间在放热化学反应中作为用于发电的热释放。此封闭型循环途径的优点在于，化学产品可以在环境温度下储存，简化了运输和储存的要求，并且能够实现在没有能量衰减的情况下长期储存。用于太阳热能至化学能转换的开放型循环途径也是可能的。例如，可以利用太阳能重整来在可以利用阳光时将燃料流(如来自天然气或生物质的甲烷)的化学能含量提升，并且此提升的燃料流可以用来利用热力发动机或燃料电池产生电力。在不可利用直射阳光时，化石燃料或生物质能量源仍然可以用来利用相同的基础设施产生电力。这样的系统可以用于基荷发电，并且可以在可用时以高转换效率利用太阳能。热化学能量转换也可以使得CSP系统能够利用工业废热产生电力，以及用于其他市场(例如，运输)的燃料。甲醇和长链烃是能够由作为重整反应器的产物的合成气生产的产物的实例。

发明概述

根据本发明的一个实施方案，公开了一种太阳能热化学处理系统(solarthermochemical processing system)。该系统包括用于接收集中的太阳能的第一操作单元(第一单元操作，first unit operation)，利用来自太阳能的热来驱动所述第一操作单元，其中所述第一操作单元还接收第一组反应物并产生第一组产物。该系统还包括用于接收来自所述第一操作单元的第一组产物并且用于产生第二组产物的第二操作单元。该系统还包括用于接收来自所述第二操作单元的热以产生一部分所述第一组反应物的第三操作单元。

在一个实施方案中，第一操作单元是吸热反应器，第二操作单元是放热反应器，并且第三操作单元是汽化器(vaporizer)。