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CN104603402B - 太阳能热化学处理系统和利用其的方法 - Google Patents

太阳能热化学处理系统和利用其的方法 Download PDF

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尚卡尔·克里希南
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丹尼尔·R·帕洛
罗伯特·A·达格勒
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Abstract

公开了一种太阳能热化学处理系统和利用其的方法。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。

Description

太阳能热化学处理系统和利用其的方法
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)。
在一个实施方案中，吸热反应器是太阳能热化学反应器或反向水煤气变换反应器(reverse-water gas shift reactor)。放热反应器是甲醇合成反应器、费-托(Fischer-Tropsch)反应器、水煤气变换反应器或甲烷化反应器。水煤气变换反应用于增加合成气流中的氢含量，如对于PEM燃料电池或其中所需产物是氢的化学工艺来说可能是期望的。
太阳能热化学反应器内部的通道容纳有活性催化剂。第一组反应物在 该催化剂的存在下发生反应。
在一个实施方案中，甲醇合成反应器向汽化器提供热并产生合成气和甲醇。将合成气和甲醇通到(pass to)分离器，在那里甲醇被回收。合成气的组分可以用于通过燃烧过程为热力发动机提供热和/或用于为燃料电池提供动力(供电，power)。
在一些实施方案中，所述系统包括热泵，所述热泵用于从甲醇合成反应器吸收热并向汽化器提供额外的热。所述系统还包括换热器，所述换热器用于在反应物进入所述反应器中的至少一个之前对其进行预热，并且用于冷却离开(exit)所述反应器中的至少一个的产物。
换热器可以是微通道或介孔通道(中通道，meso-channel)换热器，并且可以具有约85％的最小放热效率(minimum exergetic efficiency)和约10瓦/cm3的最小传热功率密度(minimum heat transfer power density)。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种生产燃料的方法。该方法包括将第一组反应物送入第一操作单元中以产生第一组产物，以及将所述第一组产物送入第二操作单元中以产生第二组产物。该方法还包括利用来自第二操作单元的热来加热第三操作单元，以产生所述第一组反应物的一部分。使第二组产物进一步反应从而产生燃料。该方法还包括在燃料生产中实现高于大约85％的碳利用率。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种对太阳能热化学反应器提供温度控制的方法。该方法包括：提供包含第一材料的太阳能热化学反应器，所述第一材料具有进口和出口。该方法还包括提供多个流动机构(flow mechanism)，其用于将进口分别地连接至(耦接至，couple to)至少一个出口。该方法还包括调节流动机构以响应于反应器内的条件来控制流动通过进口和至少一个出口的流体的比例。流动机构可以具有与所述第一材料不同的热膨胀系数。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种储存太阳能的方法。该方法包括预热反应物，然后将该反应物导入第一吸热反应器中以产生第一组产物。该方法还包括冷却第一组产物，然后在第一放热反应器中使第一组产物进一步反应以产生第二组产物。来自放热反应器的反应的热被用来产生所述第一组反应物的一部分。该方法也包括分离第二组产物，以使得燃 料能够被储存。所述分离允许甲醇或长链烃被回收，其中未反应合成气被继续运送以为热力发动机通过燃烧过程提供热或为燃料电池提供动力。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种发电的方法。该方法包括将反应物预热，然后将该反应物导入第一吸热反应器中以产生第一组产物。该方法还包括将第一组产物冷却，然后在第一放热反应器中使第一组产物进一步反应以产生第二组产物。来自放热反应器的反应的热被用来产生所述第一组反应物的一部分。该方法还包括分离第二组产物以为热力发动机和燃料电池中的至少一个提供热。
在另一个实施方案中，公开了一种对反应物流的化学能含量提供太阳能增加(augment)的方法。该方法包括从太阳能集中器加热太阳能重整反应器；将反应物在进入反应器之前进行预热；以及在反应器中使反应物在催化剂存在下发生反应，从而以大于约60％的太阳能-至-化学能转换效率产生产物流。产物流包括合成气并且使该合成气在化学反应器中反应以产生燃料。该方法还可以包括将产物流在换热器中冷却并将经冷却的产物流送至放热反应器，由此生产更高能量产品。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种用于接收热和实施反应的太阳能热化学反应器。该反应器包括：太阳能接收前板；具有支撑肋(support rib)和进入口(entranceport)的背板；歧管(集管，manifold)；以及流动通道。反应物流在背板中心附近进入，并且分成多个流路。反应物经过催化剂流向反应器的周边，并且通过歧管作为产物离开。歧管重新收集产物从远离反应物进入反应器的地方离开。反应器具有至少60％的太阳能-至-化学能转换效率。
流动通道可以包括窄尺寸流动通道，如微通道或介孔通道。由于它们在传热或传质方向上的窄尺寸，所以微通道和介孔通道可以在换热器和化学反应器方面提供实质性改善，包括快速的传热和降低的传热阻力，因此使得能够实现工艺集约化和放热有效的操作单元。这对于必须与太阳能接收器紧密关联的操作单元特别有用，使得将它们放置在抛物凹面集中器的焦点处或附近并放置在紧凑的外壳内可能是期望的。
反应器包括至少20％的太阳能热化学增加。在一个实施方案中，反应器包括被动结构(passive structure)以在反应器内提供适应性的流动控制。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种用于接收热并实施反应的贴砖式(tiled)接收器反应器。该反应器包括太阳能接收前板和具有单个的贴砖区(tilesection)的背板。该贴砖区包括进口、至少一个出口和催化剂通道。至少一个流动通道的长度被减小，使得进口与出口更接近。
在一个实施方案中，反应器具有至少60％的太阳能-至-化学能转换效率，和被动结构以在反应器内提供适应性的流动控制。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种用于接收热并实施反应的反径向流反应器(counter radial flow reactor)。该反应器包括进入反应器中央并且在径向上朝着在反应器周边处的出口流动的向外流动通道(outward flowing channel)。该反应器还包括邻近所述向外流动通道的向内流动通道(inward flowing channel)，其在周边进入并且朝向反应器的中央离开。该反应器可以进一步包括被动结构以在反应器内提供适应性的流动控制。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种太阳能(利用太阳能的，solar)气体-至-液体方法(工艺，process)。该方法包括在换热器中将包含甲烷和水的流体流进行预热。该方法还包括在太阳能热化学反应器中使所述流体流发生反应，从而以至少60％的太阳能-至-化学能转换效率生成产物流，其中该产物流包含合成气。该方法还包括：在换热器中将产物流冷却；和在产生燃料的化学反应器中使合成气发生反应。在一个实施方案中，碳利用率高于约85％。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种太阳能(利用太阳能的)气体-至-液体-和-电力方法。该方法包括将反应物预热，然后将反应物导入第一吸热反应器中以产生第一组产物。该方法还包括将第一组产物冷却，然后在第一放热反应器使第一组产物进一步反应以产生第二组产物。来自放热反应器的反应的热被用来产生所述第一组反应物的一部分。该方法还包括分离第二组产物以为热力发动机和燃料电池中的至少一个提供热。在一个实施方案中，碳利用率高于85％。在另一个实施方案中，碳利用率高于90％。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种接收器。该接收器包括：限定流动通道的通道壁；和流动控制装置。该装置包括部分堵塞出口孔的孔口盖(orifice cover)，并且其中该装置连接至通道壁。在流动通道中的流 体可以通过出口孔离开。
在一个实施方案中，接收器是换热器或反应器。流动控制装置由与流动通道相比具有更低或更高的热膨胀的材料制成。所述材料为，但不限于，钨。所述装置可以经由该装置的两个不同长度的支柱(leg)连接至通道壁。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种接收器。该接收器包括具有进口和出口的流动通道。该接收器还包括连接至出口的插入物。该插入物与接收器相比具有更低或更高的热膨胀系数。接收器还包括用来限制插入物的运动的销钉。
在一个实施方案中，插入物由耐火材料构成(构造，construct)。耐火材料为，但不限于，钨。在一个实施方案中，接收器还包括多个流动通道。每个流动通道包括进口、出口和插入物。插入物的运动受销钉限制，并且接收器可以是换热器或反应器。
附图简述
图1是根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统的流程图。
图2是根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统的流程图。
图3是描述根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统在有阳光的时间期间的操作的流程图。
图4是描述在不可利用阳光时的时间期间太阳能热化学处理系统的操作的流程图。
图5是来自利用在某些操作条件下太阳能热化学处理系统的蒸汽重整进行的一天的试运行测试(shakedown testing)的数据的总结。
图6是根据本发明的一个实施方案的太阳能重整反应器的分解图。
图7是根据本发明的一个实施方案的径向流接收器-反应器。
图8A是根据本发明的一个实施方案的贴砖式接收器-反应器的正视图。
图8B是根据本发明的一个实施方案的贴砖式接收器-反应器的后视图。
图9是根据本发明的一个实施方案的反径向流接收器-反应器的分解图。
图10是根据本发明的一个实施方案的用于驱动吸热烃重整反应的抛物凹面集中器的实施图。
图11是根据本发明的一个实施方案的用于微通道太阳能接收器的适应性流动特征。
图12是根据本发明的一个实施方案的被动流动控制装置。
图13显示了如通过光学设计工具预测的在中午在昼夜平分点在接收器面板上的预测的太阳能通量图。
图14显示了在凹面集中器接收器上的太阳能通量。
图15A显示了双金属梁如何放大可以由于热膨胀所致的运动。
图15B显示了杠杆作用如何可以用来放大由于热膨胀所致的线性位移。
优选实施方案详述
本发明涉及利用可得自太阳能集中器的高温热来改变反应流的化学组成或提高反应流的化学能含量。本发明的实施方案包括，但不限于，通过利用化学转换反应器和使得单元化学操作能够被制成足够紧凑以安装在凹面集中器、中央接收器或其他太阳能集中器设备的焦点处的先进的工艺集约型微通道和介孔通道工艺技术，而有效地将集中的太阳能转换成化学能的开放或封闭循环的化学回路。
微通道可以是在大量流动的总体方向上为任何长度的，并且具有一个这样的尺寸，例如，大于或等于1微米且小于或等于5毫米的宽度。
介孔通道可以是在大量流动的总体方向上为任何长度的，并且具有一个这样的尺寸，例如，大于5毫米且小于或等于5厘米的宽度。
将微通道和介孔通道反应器和换热器与太阳能集中器(如抛物凹面和中央接收器集中器)连接是特别有用的，其中太阳能集中器由于能够以100或1000或更大的系数将直接正常的太阳能集中，提供足以能够实现高温吸热反应的高通量和温度(例如，大于500℃)。
在某些实施方案中，利用集中的太阳能来驱动有效的、高温吸热化学 反应，从而产生更高能量产物以及使得能够实现化学能储存。此燃料提升和化学能储存可以与热力发动机或燃料电池连接，从而与其他太阳能系统相比以更高的利用率和降低的成本产生电力。
在其他实施方案中，集中的太阳能可以用来生产运输燃料和其他化学产品。例如，可以在称作“气体-至-液体”工艺中，将甲烷转化成合成气体(或‘合成气’)，随后进行费-托反应以产生长链烃，利用后续的附加处理步骤生产汽油、柴油机燃料、喷气燃料或其他燃料产品。为了驱动吸热的气体-至-液体操作，常规的气体-至-液体过程会消耗原料反应物中的部分化学内容物和能量，其中一个结果是，甲烷进料中的碳的很大部分作为CO2从工厂排放。典型地，仅约60％的进料碳能够进入液体烃产物。然而，利用提供中温或高温热以驱动吸热的单元操作如重整和蒸馏的集中的太阳能，实现了原料的更有效利用，显著地减少了二氧化碳排放，工厂生产更大量的产物燃料和降低量的二氧化碳(温室气体)。
图1是根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统的流程图。在此系统中，将反应物如(但是不限于)水和甲烷-可得自天然气或生物质(例如厌氧消化器的流出物)-预热，然后在吸热的、蒸汽重整反应器中发生反应。该吸热反应器由来自抛物凹面或其他太阳能集中器的集中的太阳能加热。将产物流或‘重整产物’冷却，然后在下游的放热反应器中进一步反应以产生甲醇，其中反应的热被用于使液体水进料流汽化。在所述系统中可以包括热泵(未示出)，如蒸汽压缩热泵、吸附式热泵或热电式热泵，用于吸收来自甲醇合成反应器的热并向汽化器提供处于更高温度的额外的热。下游分离器允许将甲醇和水回收，其中未反应的合成气组分(CH4、CO、CO2和H2)被继续运送以通过燃烧过程为热力发动机提供热。这能够使产物流的热值的一部分立即用于产生动力，而储存的甲醇用于在另外的时间发电。
图2是根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统的流程图。在此实施方案中，分别通过容积式泵(positive displacement pump)和质量流量控制器，将水和甲烷进料至系统，以控制蒸汽与碳的比率(S∶C)和总体流率。微通道各个流通过如所示的逆流微通道同流换热器初步预热(由重整操作的废气流加热的)。
与图1相比，在图2中示出了附加的换热器，提供反应物的预热。将蒸汽和甲烷在进入高温换热器或同流换热器之前混合，在那里混合的流被预热，在可行的范围内，至接近重整反应器的操作温度的温度。混合且预热的流随后进入重整反应器，在那里混合物在甲烷蒸汽重整催化剂上方通过，在高至或高于大约650℃、更优选高于800℃的温度下吸收太阳热，并根据分别为式1和2的甲烷重整反应和水煤气变换反应，转化成合成气。
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
因为合并的反应是高度吸热的，所以太阳能在重整器内被有效地转换为化学能。离开反应器的热合成气立即流入高温同流换热器，在那里它将混合的甲烷/蒸汽在进料至上述的一个或多个低温同流换热器之前预热。在离开所述一个或多个同流换热器之后，合成气流流动通过其他换热器和气冷散热器，在那里，其被进一步冷却，然后流动通过在其中冷凝水被除去的汽-液分离器(VLS)。离开VLS的相对干燥的合成气在流率和组成方面进行表征，之后其备用于燃烧驱动的系统中或化学过程如甲醇合成。
图3是描述根据本发明的一个实施方案的太阳能热化学处理系统的操作的流程图。在有阳光的时间期间，通过甲烷重整和甲醇合成步骤，太阳能被有效地转换为化学能，其中通过部分未转化合成气的放热的再甲烷化(remethanation)发生发电。在这些操作期间，甲醇和H2或合成气也被储存。
图4是描述在阳光不可用的时间期间，图3的太阳能热化学处理系统的操作的流程图。当阳光不可用时，储存的甲醇和H2或合成气被再甲烷化，产生用于发电的热，其中水和甲烷被储存。因为热力发动机不是集成到凹面-集中器地制成，所以热力发动机的数量和优化与凹面-集中器的数量和优化脱钩(decouple)。
图3和4中的热力发动机可以是用于热力发动机的若干类型的热动力循环中的任一种，如兰金循环、斯特林循环或布雷登循环。
图5是来自用在某些操作条件下，图2的太阳能热化学处理系统的蒸汽重整进行的一天的试运行测试的数据的总结。在此前的日期，系统在低温下用氮-氢流操作，用于蒸汽重整催化剂的初始还原和用于控制系统的试验。对于蒸汽重整，考察了三种太阳能的操作条件，一种条件是其中将屏 放置在光圈前面，以大概遮住太阳能通量的一半(“屏条件”)，因此限制在初始试验操作期间进入的太阳能通量，第二种条件是其中将凹面以圆周运动移动，以将一部分太阳能通量从光圈中“溢出”(“圆跟踪”)，而第三种条件是其中将全部太阳能通量导入接收器单元的光圈中(“全日照”)。
以使用屏开始系统启动，允许反应器以少于可得自太阳能集中器的全部热启动。在移除屏之后，使用圆追踪，再一次限制反应器上的太阳能通量，测试最终进入至全部太阳能(“全日照”)。这一天的测试的结果示于图5中，包括利用屏、利用圆追踪和利用全日照的条件。图5还显示了接近那一天结束时的测试期，其中凹面部分地被附近的树木遮住。
如在图5中所示的，初始试验条件处于屏模式，并在早上9点至下午10点之间发生，其中太阳能通量高(868±4W/m2)，且所述屏向反应器提供太阳能通量的约50％衰减。在此条件下，反应器进口和出口分别在373℃和610℃，这是对于反应高度不理想的条件。不出意料，转化率低(45-52％)，在更高热值的变化为约4kW。
由于相当严重的中午云遮挡，将系统关闭以移除屏并进行一些系统诊断。在约下午2点，云遮挡过去，并将系统重启。
接下来的几个稳定状态值利用圆追踪模式在增大的甲烷进料速率下获得。不幸的是，水泵问题导致蒸汽-与-碳的比率在此时间期间漂移。尽管如此，在此圆追踪期期间获得的数据给出一些有用的结果。随着反应器温度(和产物出口温度)继续提高，甲烷转化率在此时间期期间增加。称为“转化途径(conversion approach)”的相对于平衡转化率(在反应器出口温度)的甲烷转化率持续上升，达到75％那么高。
通过利用直射阳光操作该系统，结束这一天的实验。此时，直接垂直入射(DNI)开始减少，但是结果相对于我们陈述的目标是非常令人鼓舞的。例如，我们至平衡转化的接近继续上升，并且达到约99％的水平，并且总的甲烷转化率超过90％。此外，总的太阳能-至-化学能转换率，被计算为反应流的在更高热值的增加与入射在凹面集中器上的直射日光的比率，经计算为63±4％凹面，这代表了我们所注意到的最高值。这些非凡的结果是通过由微通道换热器的高度有效的热回收实现的，导致进入反应器的反应物流的明显预热并允许大部分集中的太阳能被用于驱动吸热蒸汽重整 反应。
图6是根据本发明的一个实施方案的太阳能重整反应器的分解图。该反应器能够扩大的高温和高压操作。在图6中，收集器板是组装体的朝向集中器的板，并且还包含反应通道和蒸汽重整催化剂楔。在一个实施方案中，收集器板的外径和厚度分别为大约27.3cm和1.9cm，且单个通道是介孔通道，大约0.6cm深。应当注意，收集器板不限于这些尺寸。三角形形状的“死区”位于收集器板内，并且对应于其中减少的太阳能通量由于凹面集中器的设计而被接收的区域。
使用高活性催化剂是紧凑反应器的配置中的有利因素(enabling factor)，其中传热和传质阻力已被最小化。在这样的条件下，在此使用的重整催化剂在活性和焦化方面远远胜过标准的碱金属重整催化剂。装置结构与催化剂选择的组合使得工艺集约化，这是在化学过程中捕获集中的太阳能的一个关键。
图6中还有太阳能重整反应器的其他部分，包括单个的“催化剂楔”的图示，用于插入到反应通道、中间板、歧管板和用于反应产物的收集和路径选择的头部以及反应器进口和反应器出口之中。来自反应通道/催化剂楔的离开气体经由在中间板上的圆形孔阵列流出收集器板通道，通过产物返回流动通道，被收集并通过歧管板，并通过在歧管板的背面上的锥形通道到达反应器出口。还注意到反应器进口管焊接在中间板的中心孔，从而确保反应物和产物不混合。
反应通道几何形状被形成为更适于在圆形抛物凹面太阳能集中器上使用的圆形接收器几何形状。
对于将反应通道结合至圆形太阳能接收器几何形状中来说，径向流动是自然的选择。图7是根据本发明的一个实施方案的径向流接收器-反应器700。该反应器700包括前板710、背板720、支撑肋750、和反应物流动通过的多孔催化剂载体740。反应物流在背板720的中央760处进入，分成多个流路730，通过催化剂载体740流向装置的周边，并通过周边歧管(未示出)离开。反应气体流动也从中央760到反应器700的周边。
用于将反应通道结合至圆形几何形状中的另一个途径是将该几何形状划分成更小的含有进口、出口和催化剂通道的部分。可以将这些反应器 “砖片”组合以填充圆形接收器区域。贴砖式几何形状的一个优点是可以减小给定流动通道的长度，使得冷的进口与热的出口更接近，并且能够使顶板的热传导更好以降低在接收器-反应器的顶板的表面处和之中所见的温度梯度。此优点形成了对接收器表面上由于抛物面太阳能集中器的偏差和缺陷所致的热点进行补偿的能力。利用通过每个片部分的液流的单个控制，接收更高太阳能通量的区域可以进料更多的甲烷和蒸汽。
图8A和8B显示了贴砖式接收器-反应器800，其结合有通过催化剂层860的金属热传导路径。图8A是根据本发明的一个实施方案的贴砖式接收器-反应器800的正视图，且图8B是贴砖式接收器-反应器800的后视图。贴砖式接收器-反应器800包括前板810、背板820、进口830、出口840、金属片850和其中反应物流动通过的催化剂层860。
在流场中也可以存在死点。在该区域中的催化剂对反应贡献很小。尽管最大温度类似于径向流动模拟，但是较小的片尺寸降低了温度梯度并且在接收器表面处产生更均匀的温度。
在片中央的金属850显著提高对催化剂通道860的背侧的热传导。相比于此前的片几何形状，具有离散流动通道和到背板820的热传导路径的这种几何形状需要明显更少的催化剂材料来实现相同量的甲烷转化。这些金属传导路径也起到结构支撑体的作用并且大大增加反应器的强度。
伴随在太阳能接收器-反应器中完成重整反应的问题之一是由太阳能集中器提供的热通量的均匀性或不均匀性。预期的是，重整反应在其中甲烷浓度最高的进口处最活跃且在甲烷耗尽处最低。然而，如果达成在接收器]反应器表面上每个区域恒定的热通量，则反应速率将由所提供的热和达到的温度所限制，并且可以实现在通道中更恒定的反应速率。这在具有高甲烷浓度的区域较冷而具有低甲烷浓度的区域较热而使得较高的催化活性(在较高的温度)补偿低甲烷浓度时发生。作为结果，在接收器]反应器上的均匀热通量对反应器结构中所见的温度梯度和最大温度有贡献。较低的最大温度是期望的，因为在较低温度下用于构造反应器的金属的强度和蠕变断裂抗性较高且催化剂失活降低。简言之，尽管较高温度可能对于较高的太阳能]至]化学能转换效率有贡献，但是在过高温度下运行接收器]反应器的一部分将降低装置的寿命。能够降低过高的反应器温度的对此问题的 一个可能的解决方案是具有逆流通道的几何形状。在逆流几何形状中，一个通道的富甲烷部分(进口部分)安置在紧邻其他通道的甲烷耗尽部分(出口)，如图9所示。这导致了较低的反应器温度，因为在热更容易被引导至反应器中具有高甲烷浓度和高反应速率的区域。
图9是根据本发明的一个实施方案的对向径向流接收器]反应器900的分解图。反应器900包括前板910、多孔催化剂片920、进口头部(进口集管，inlet header)930、出口头部940、背板950、肋960和流动通道970。还示出的是具有用于将反应物在进入反应器900之前预热的进口管980和用于将离开反应器900的产物冷却的出口管980的换热器。
在一个实施方案中，一半的反应物在反应器900的中央处进入并且经过催化剂区域920流至反应器900的周边；另一半的反应物在周边进入并且流向中央。
模拟类似于图9的对向流径向几何形状，以研究该几何形状如何可以降低接收器表面处的温度和反应器内的温度梯度。此几何形状含有进入接收器]反应器的中央并且在径向上流向在圆形反应器周边处的出口的通道。紧邻这些向外流动通道的是在周边处进入并朝向接收器]反应器的中央离开的向内流动通道。在模拟中，考虑到几何形状的对称性，仅仅建模了两个这样的通道(仅仅对每个通道的一半建模，因为对称面向下行进到各通道的中央)。如同具有中央金属区的改良贴砖几何形状一样，此几何形状得益于将流动通道分开的金属肋。这些肋允许向反应器的背板的热传导，并且有助于获得更加均匀的通过催化剂的温度。尽管在图9中所示的在装置的周边处的头部将所有流入通道和流出通道集合在一起，但如果使用单个的头部，可以控制向每个通道的流动。这将会能够实现对重整速率的一些空间控制，并且类似于贴砖式接收器]反应器设计有助于在非均匀热通量的情况下保持更均匀的接收器温度。
在模拟中，在接收器表面处的最大温度与贴砖式或径向流反应器几何形状相比更冷大约60至80℃。可利用对向流几何形状获得的更低温度将对反应器强度和寿命具有显著的有利影响。然而，与具有在一个方向上的径向流的设计相比，流动通道更加复杂，并且这可能增加制造或组装反应器的难度或成本。
本发明描述了若干具有较小催化剂通道厚度和结合有对反应器性能有利的金属肋或其他改善热传导的结构的反应器的实施方案。对向流几何形状在降低最大温度和温度梯度方面是有利的。过高的反应器温度可以降低反应器外壳的寿命和强度和蠕变断裂抗性，并且降低催化剂性能。
还要避免过冷的温度，因为对于吸热反应来说反应动力学和转化率是直接成比例的。因此，需要将局部的反应温度控制在优选的温度范围内。
图10是根据本发明的一个实施方案的抛物凹面集中器，其包括吸热和放热反应器。该抛物凹面集中器提供热以驱动吸热的烃重整反应，如甲烷蒸汽重整。
在接收器表面上的太阳能通量是不均匀的。该通量可以随位置变化，并且在接收器的一部份上的最大太阳能通量可以为平均通量的2或3倍。本发明的接收器被设计为应对此不均匀的通量。在具有多个流路的接收器中，当工作流体密度和/或粘度伴随传热过程有大的改变时，也可能发生流动不稳定性。重要的是，为了使接收器效率最大化，期望的是，使得接收器的每个部分都在接近于使得接收器表面和工作流体之间的温差最小并且保持可接受的操作温度的最佳流量下操作。可以使用适应性流动控制来达成此目的。
可以使用被动流动控制部件，其利用热膨胀的差异以增加向接收器的较热区域的流动，使热点最小化，并且提供对工作流体更均匀的加热。在一个实施方案中，这样的流动控制特征(结构部件，feature)由耐火金属如钨的插入物构成，其具有与接收器主体不同的热膨胀系数。在热膨胀方面的差异用于打开流动特征如孔口，增加在接收器的更热区域中的工作流体流动，并且减少在较冷区域中的流体流动。这些适应性流动结构被设计为，基于工作流体性质和在接收器表面处预期的太阳能通量，将流动调节在合适的范围内。
适应性流动控制的使用增强的流动稳定性并将工作流体流动作为入射在接收器表面上的太阳能通量的函数优化。此类型的适应性流动控制在其中入射的太阳能通量作为位置的函数变化的太阳能接收器中是期望的。对于适应性地控制进入换热结构的不同部分的质量流率的期望对于太阳能接收器有些独特。本发明的控制特征利用了热膨胀方面的差异来增加在 接收器的较热区域中的工作流体流动，补偿了增加的太阳能通量。
术语“被动流动控制”和“适应性流动控制”可以交换使用。术语“适应性的”描述了控制装置如何根据温度来调节流动。术语“被动的”强调的是装置在没有外部使用者或信号的干预下的自调节。
图13显示了使用DELSOL(一种光学设计工具)对于熔融盐盐接收器面板在中午在昼夜平分点的预期太阳能通量图。从此图可见，太阳能通量在接收器表面上改变了几乎一个数量级；然而，在大部分表面上，通量在3倍以内。还应当注意到，太阳能通量分布将作为时间(一天的时间)以及其他环境变量如云遮挡的函数而变化。太阳能通量可变性的空间距离与在微通道太阳能接收器中所用的通道长度相比很大。
图14显示了在凹面集中器接收器上的太阳能通量。在这种情况下，太阳能通量的空间可变性在可与微通道或介孔通道接收器中所用的流动通道的长度可比的距离上发生。中央和抛物凹面接收器两者都得益于能够增加在接收器的高通量区域中的流动的适应性流动控制系统。适应性流动控制允许同一接收器面板在中央接收器中的任何位置工作。在凹面集中器系统中，适应性流动控制可以用于应对在相对较小距离上的大的太阳能通量变化。在这种情况下，适应性控制允许各个流动通道在接近设计温度运行以获得最大性能。适应性流动控制应当能够在50-100℃的温度范围内调节流量3或4倍。
图11图示了一种这样的适应性流动特征，尽管其他的几何形状和机构也是可能的。在图11中，使用由与接收器主体相比具有低热膨胀系数的耐火材料如钨构造的插入物而实现适应性流动。除了钨之外的其他材料包括但不限于陶瓷、硅和其他金属。当接收器的温度增加时，通道长度增大，且插入物的长度增加较小的量。这打开了用于控制离开传热通道的热工作流体的流动的孔口。
适应性流动控制结构被设计成以补偿局部热通量的方式，在设计的压降下改变通过孔口的流动，或者改变控制特征变化，将离开接收器的不同部分的工作流体温度的差异最小化。图11显示了本发明的一种适应性流动特征。
为了定量计算，假设接收器温度保持在目标的100℃之内，其中假设 所述目标处于700至800℃的范围内，目标是750℃，并且为了达成这一目的，需要将在接收器的不同部分的流动由零流动调节至满流动。在这种情况下，适应性流动控制需要随着100℃的温度变化从完全关闭(零流动)到完全开放。可以使用高度尺寸为一英寸的几千分之一的微通道。流动控制通路将具有类似的尺寸并且将假设在两个不同的金属之间需要0.001″的相对运动以切断流动。钨具有大约4.7x10-6至5.0331x10-6in/(in℃)的热膨胀系数，且哈斯特洛依(Hastalloy)(用于建造微通道的耐火金属)具有大约14x10-6in/(in℃)的热膨胀系数。这些材料之间的热膨胀系数之差为约9x10-6in/(in℃)。对于100℃的温度变化，我们可以实现约9x10-4的长度差，以便实现0.001″的相对运动，需要长度为1.11″的适应性流动控制元件。
也可以构建使用杠杆作用来放大由热膨胀获得的相对运动的流动控制特征。图15A和15B显示了一些放大由于热膨胀导致的运动的装置。在这些途径中，花费较少的力增加运动。与在不同材料的热膨胀的差别相比，最大位移的放大可以容易地增大一个数量级。这些计算和论据显示，在不使用杠杆作用来放大运动的情况下，使用钨和哈斯特洛依在热膨胀方面的差异，可以获得所需的相对运动。可获得可以放大运动的调节机构几何形状，并且这些构思可以用于调节流动控制装置。
为了获得对给定的温度升高的最大调节，期望的是由热膨胀与流动通道的热膨胀明显不同的材料制出被动流动控制装置。例如，可以使用热膨胀系数为大约5x10-6cm/(cm℃)的钨来建造被动控制装置，以用于由热膨胀系数为大约14x 10-6cm/(cm℃)的哈斯特洛依构成的流动通道中。此构思的一种实践示于图12中。
图12显示了被动流动控制装置的一种实践。在流动通道中，流体从左向右流动，并且通过出口孔离开。流动控制装置由与流动通道相比具有较低热膨胀的材料制成。流动控制装置在两条不同长度支柱的末端处附着至通道壁，并且此装置的一部分是部分地堵塞出口孔的孔口盖。当流体温度增加时，流动通道和流动控制装置变热。热膨胀的差异导致控制结构旋转起来，不覆盖出口孔并且增加在流动通道中的流动。
相比于单纯由热膨胀所达成的情况，图12的装置利用杠杆作用实现孔口盖的更大位移，以及出口孔的更大打开。例如，考虑由防止在由哈斯 特洛依构成的流动通道中的由钨构成的被动流动控制装置。被动控制装置的较长支柱可以为大约1.5cm长，而较短的支柱可以为0.5cm长。50℃的温度增加在1cm距离上将导致流动通道长度相比于控制结构约4.5x10-6m的相对差异，其中流动控制结构用销钉被固定在流动通道上。然而，此适度的4.5x10-6m差异可以导致孔口盖向上移动多达约9.5x10-4m，将位移放大了超过100倍。其他放大孔口盖位移的几何形状也是可能的。
本发明还描述了有效地将太阳能转换为化学能的系统和方法。应用包括用于集中太阳能电厂的热化学能量储存(否则其将不能在阳光不可用时产生电力)，以及从天然气和/或生物质生产合成的运输燃料。实现了高的甲烷转化率以及相对高的太阳能-至-化学能转换率。
而且，甲醇合成反应器仅部分地将合成气转化成甲醇，使得系统的产物包括甲醇和未反应的合成气体二者。此外，甲醇合成反应器提供水汽化所需的大部分热。正是通过这种热组件的集成，可以获得高的总体太阳能-至-化学能转换率。
已经在结合细节的具体实施方案方面描述了本发明，以有助于理解本发明的构造和操作的原理。这样，在本文中对于具体实施方案及其细节的提及不意图限制所附权利要求的范围。对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在被选择用于举例说明的这些实施方案中进行改变。

Claims (6)

1.一种太阳能热化学处理系统，所述太阳能热化学处理系统包括：
a.吸热反应器，所述吸热反应器用于接收集中的太阳能，利用来自所述太阳能的热驱动所述吸热反应器，其中所述吸热反应器还接收第一组反应物并且产生第一组产物；
b.放热反应器，所述放热反应器用于接收来自所述吸热反应器的所述第一组产物并且用于产生第二组产物；和
c.汽化器，所述汽化器用于接收来自所述放热反应器的热以产生所述第一组反应物的一部分，其中所述放热反应器向所述汽化器提供热并且产生合成气和液体烃产物；
其中使所述合成气和所述液体烃产物通过分离器，在那里所述液体烃产物被回收，并且所述合成气的组分被用于以下目的中的至少一个：用于对燃料电池提供动力和用于通过燃烧过程对热力发动机提供热，
所述系统还包括热泵，所述热泵用于从所述放热反应器吸收热并向所述汽化器提供额外的热。
2.权利要求1所述的系统，所述系统还包括换热器，所述换热器用于将所述反应物在进入所述反应器中的至少一个之前预热，并且用于冷却离开所述反应器中的所述至少一个的产物，其中所述换热器具有85％的最小放热效率和10瓦/cm3的最小传热功率密度。
3.一种利用权利要求1所述的系统的太阳能热化学方法，所述方法包括：
a.在换热器中预热包含甲烷和水的流体流；
b.在太阳能热化学反应器中使所述流体流在催化剂存在下发生反应，从而以至少60％的太阳能-至-化学能转换效率生成产物流，其中产物流包括合成气；
c.在所述换热器中冷却所述产物流；和
d.在生产燃料的烃合成反应器中使所述合成气发生反应。
4.权利要求3所述的方法，其中所述方法在燃料生产中实现高于85％的碳利用率。
5.一种利用权利要求1所述的系统的太阳能热化学方法，所述方法包括：
a.利用来自太阳能集中器的太阳能预热反应物，然后将所述反应物导入第一吸热反应器中以产生第一组产物；
b.冷却所述第一组产物，然后在第一放热反应器中使所述第一组产物在催化剂存在下进一步发生反应以产生第二组产物；和
c.分离所述第二组产物以产生包括液体烃燃料的第三组产物和用于发电的第四组产物，其中所述第四组产物发生燃烧以对热力发动机提供热或在燃料电池中发生反应。
6.权利要求5所述的方法，其中将来自所述燃料电池的阳极侧的流出物的至少一部分再循环至所述第一吸热反应器。
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