太阳能热化学处理系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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（SOLARTHERMOCHEMICALPROCESSINGSYSTEMANDMETHOD)" 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。
[0003] 关于联邦资助的研宄或开发的声明
[0004] 本发明在由美国能源部提供的合同DE-AC05-76RL01830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
[0005] 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（solarconcentrator)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。
[0006] 发明背景
[0007] 对于集中式太阳能发电（concentratedsolarpower) (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（intermediatepower market)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（RankineCycle)循环、布雷登 循环（BraytonCycle)和斯特林循环（StirlingCycle)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。
[0008] 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。
[0009] 发明概述
[0010] 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（solar thermochemicalprocessingsystem)。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，firstunitoperation)，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。
[0011] 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)。
[0012] 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-watergasshiftreactor)。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。
[0013] 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。
[0014] 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（passto)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)。
[0015] 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。
[0016] 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（minimumexergeticefficiency)和约10瓦/cm3的最小传热功 率密度（minimumheattransferpowerdensity) 〇
[0017] 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。
[0018] 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（flowmechanism)，其用于将进口分别地连接至 (親接至，coupleto)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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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（supportrib)和进入口 (entranceport)的背板；歧管（集管，ma