[發明專利]結合能流分布與吸收涂層設計的勻熱式太陽能反應器

在審

• 申請號: 202310074724.X
• 申請日: 2023-02-07
• 公開（公告）號: CN116026047A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張昊;楊大智;張小密;帥永;樂古
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F24S23/71
• 分類號: F24S23/71;F24S70/20;F24S70/10;F24S70/60;F24S80/52;F24S80/65;C01B3/04;C01B3/40
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 楊曉輝

結合能流分布與吸收涂層設計的勻熱式太陽能反應器，屬于太陽能熱利用領域。現有的太陽能反應器內部溫度不均勻，導致反應效率低。碟式太陽能聚光器匯聚的太陽光透過石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面，另一部分穿過泡沫陶瓷中的孔隙，最終被涂有吸收涂層的橢球型石墨片接收，橢球型石墨片吸收熱量后通過熱傳導加熱與橢球型石墨片相鄰處的泡沫陶瓷外球面，使泡沫陶瓷溫度均勻；根據計算流體力學數值模擬的能流分布結果，泡沫陶瓷采用雙層嵌套、長短軸相互垂直的“雙橢球面”幾何結構，以緩解前端區域的熱量集中，同時增強周向溫度分布的均勻性；橢球型外殼上和底部分別開設原料氣入口和氣體產物出口，原料氣入口朝向石英窗片。它用于提高反應效率。

技術領域

本發明涉及勻熱式太陽能反應器，屬于太陽能熱利用領域。

背景技術

太陽能反應器(集熱器)通常以聚光太陽能為驅動源，能夠在低碳或零碳的條件下將太陽能轉化為化學能(或熱能)并將其儲存或直接利用，是一種高效清潔的可再生能源利用方式。按照聚光太陽能的加熱方式，常見的太陽能反應器可分為直接加熱式和間接加熱式兩種類型：直接加熱式反應器前端通常安裝有透過率較好的石英玻璃，在保證氣密性的同時允許聚光太陽能透過石英窗口直接照射至反應器內部并加熱反應介質；間接加熱式反應器內的反應介質則不會直接受到太陽能照射，而是由位于反應器外部聚光靶平面上的吸熱材料間接傳遞熱量，同時原料氣或工質在反應介質內形成流動將熱量帶走。相比較而言，由于間接加熱過程中存在大量的對外散熱和內部傳熱損失，直接加熱式反應器的熱效率會相對較高，但同樣存在兩個限制能量效率的關鍵因素：一是反應器內已經被加熱至高溫的反應介質會以熱輻射的形式通過石英窗口向外散失能量，且熱輻射損失會隨著溫度的升高而顯著增加；二是聚光太陽能的靶平面通常位于反應器或介質的前端，極易形成局部的高溫過熱區域并在整個反應區產生較大的溫度梯度，這種溫度場的不均勻性不僅會加劇石英窗口對外的輻射熱損失，更重要的是會對內部的化學反應產生很強的負面影響，進而降低整個反應器的能量效率。

隨著現代計算流體力學的發展，太陽能反應器內部的輻射傳輸過程、流體流動過程、氣固兩相對流換熱過程，以及化學反應過程都能夠被直觀地展示出來。若能夠結合反應區域內的能流分布狀況對反應介質的幾何形狀進行重新設計，則可在很大程度上降低溫度場分布的不均勻性。另一方面，利用反應介質和吸收涂層的光學特性對太陽輻射能量的傳輸和吸收過程進行調控，能夠進一步緩解聚光太陽能直接加熱過程中的熱量集中現象，并對溫度較低的區域進行再加熱，進而提升整個溫度場的均勻性，提高反應器的能量轉換效率和反應速率。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的太陽能反應器內部溫度不均勻，導致太陽能反應器內反應速率低的問題，提出了結合能流分布與吸收涂層設計的勻熱式太陽能反應器。

結合能流分布與吸收涂層設計的勻熱式太陽能反應器，所述反應器包括碟式太陽能聚光器、石英窗片、橢球型外殼、橢球型石墨片、吸收涂層和泡沫陶瓷；

泡沫陶瓷為具有多個通孔泡沫結構的陶瓷體，泡沫陶瓷的表面涂覆催化材料，泡沫陶瓷為半橢球形；

泡沫陶瓷的外球面涂有吸收涂層，橢球型石墨片包裹在吸收涂層的外表面，橢球型外殼包裹在橢球型石墨片的外表面，橢球型外殼的軸向與半橢球形的泡沫陶瓷的長軸方向一致；

石英窗片蓋合在橢球型外殼的開口處，在貼近石英窗片的泡沫陶瓷上挖設半橢球形的槽，半橢球形槽的長軸與泡沫陶瓷的長軸垂直相交；

碟式太陽能聚光器位于石英窗片外部，碟式太陽能聚光器用于匯聚太陽光，匯聚后的太陽光透過石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面上，另一部分穿過泡沫陶瓷中的孔隙，最終被涂有吸收涂層的橢球型石墨片接收，橢球型石墨片吸收太陽光的熱量后通過熱傳導加熱與橢球型石墨片相鄰處的泡沫陶瓷外球面，進而使泡沫陶瓷的溫度均勻；

橢球型外殼上開設多個原料氣入口，且多個原料氣入口均朝向石英窗片；橢球型外殼的底部開設氣體產物出口。