[发明专利]一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法，包括铝‑水反应器、蒸汽发生器、冷凝式锅炉、换热器和太阳能供热发电系统等。采用高温高压和粒径较小的铝粉促进铝‑水反应的开始和进行，同时提高混合气体进入蒸汽‑氢气透平的初始温度和压力。将反应产生的液态水重新泵入蒸汽发生器再次进行反应，减少系统热量损失的同时完成了产物的循环。混合气体经过冷凝后可能有一部分无法被冷凝，其同氢气进入氢气干燥器被吸收，同时从蒸汽透平出来的水蒸汽也存在损失，因此仍需每隔一段时间对液态水进行补充。本发明通过反应将太阳能供热发电转化为铝燃料中的化学能，间接减弱了太阳能发电的储运问题，整个过程贯彻环保理念，有利于碳减排的进行。

技术领域

本发明涉及一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法。

背景技术

在可再生能源发电技术不断迅猛发展的同时，因为其不稳定和间断性的特点，目前对储能技术的需求也日趋增长。金属铝能量密度高，地壳中分布广，易于获得，其燃烧产物具有较为成熟的回收重生的工业化流程，并且基于铝燃料的能源转化系统在实现能源转化的过程中不涉及碳排放，污染极低，同时金属铝化学性质稳定，储运较为安全便捷，是实现大规模长周期储能的优秀载体之一。金属铝在空气(氧气)、水和二氧化碳中均可进行氧化反应，但其与水反应可实现就地制氢，同时释放大量的热。但铝粉表面存在氧化膜，其造成铝-水反应的启动和发展困难。因此诸多针对铝-水反应的活化技术得到长足的发展，如通过球磨或高温在铝燃料中加入其他低熔点金属(如Ga、Mg和Bi等)、盐类添加剂(如NaCl、KCl和AlCl₃等)、氧化物(如AlOOH、Al(OH)₃和Al₂O₃等)类添加剂，或在反应溶液中加入NaOH等碱性溶液破坏铝粉表面的氧化膜进行活化。上述活化方式均在室温下进行，重点研究反应的产氢特性，对反应产热研究较少，且均会引入其他物质，对铝-水反应后的产物重生有一定的影响。而通过机械活化存在一定的安全隐患，高温活化铝-水反应则需要投入更多的成本。结合各活化方式的综合活化技术正在不断发展。目前常见的铝燃料能源转化系统均采用电池发电，无法充分利用铝-水反应产生的大量热能和反应产物，造成一定程度热量的浪费。同时，传统电解氧化铝制铝的过程常选用碳素阳极，在实现铝再生的同时仍会有温室气体产生，并未达到零碳排放的目标。因此如何同时合理利用铝-水反应产生的氢气和释放的大量热量仍是铝燃料能源转化技术研究的关键。

发明内容

针对以上问题，本发明在考虑产物循环、环境保护的基础上对各种技术进行优劣分析与组合利用，提供一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法，利用太阳能零碳排放制铝、产物多级发电以及余热利用方式来获得以铝-水反应为基础的多级发电循环系统。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于铝燃料储能的能源转化系统，包括太阳能供热发电系统、铝-水反应器、蒸汽发生器、蒸汽-氢气透平、燃气透平、蒸汽透平、冷凝式锅炉、压气机、蒸汽-氢气透平发电机、燃气透平发电机和换热器；

铝-水反应器的高温高压混合气体出口连接至蒸汽-氢气透平的高温高压混合气体进口，蒸汽-氢气透平与蒸汽-氢气透平发电机同轴连接，蒸汽-氢气透平的混合气体出口连接至第一冷凝器的混合气体进口，第一冷凝器的液态水出口连接至蒸汽发生器的液态水进口，第一冷凝器的氢气出口通过氢气干燥器连接至燃烧室的氢气进口，压气机上设置有空气进口，压气机的高压空气出口连接至燃烧室的高压空气进口，燃烧室的水蒸汽出口连接至燃气透平的水蒸汽进口，燃气透平的水蒸汽出口连接至冷凝式锅炉的水蒸汽进口，燃气透平与燃气透平发电机同轴连接，冷凝式锅炉上设置有锅炉冷凝水和烟气出口，冷凝式锅炉的水蒸汽出口连接至蒸汽透平的水蒸汽进口，蒸汽透平的水蒸汽出口通过换热器和第二冷凝器连接至蒸汽发生器的液态水进口，蒸汽透平与蒸汽-氢气透平发电机同轴连接，蒸汽发生器的水蒸汽出口连接至铝-水反应器的水蒸汽进口；