基于金属氧化物热化学反应的太阳能高温颗粒储/放热机制

Solar thermal power generation could achieve good dispatchability with annual utilization hours more than 5000h due to its inexpensive thermal storage system and is expected as base load or peak load supply. High-temperature solar thermal power based on solid particles is promising to raise the system efficiency from ~15% to ~20%, and is getting more and more attention. This application is aimed to combine redox reactions of metal oxides with solar heat absorption and release to enhance the energy density and stability. In order to validate the ideas, experimental and simulation studies focusing on the coupling principles among radiation absorption, thermochemical reaction, gas-particle flow, heat transfer enhancement will be carried out. The reaction kinetic characteristics of metal oxide particles under unstable high-density concentrated solar radiation is to be studied. This application also illustrates the matching principle between radiation absorption and endothermic reaction by flowing particles, and build the heat release model coupling of exothermic reaction, fluidization flow and heat transfer enhancement of particle flow. The design and control methods of the high-temperature heat absorption and release by particles based on thermochemical reactions of metal oxides are proposed. It is expected to provide new ideas and theory for high-temperature solar thermal power technologies.

太阳能热发电可耦合低成本储热，输出稳定，年发电可达5000小时，能承担基础负荷，参与电网调峰。基于固体颗粒的太阳能热发电吸热温度可达800℃以上，系统效率有望从目前~15%提高到20%。针对颗粒显热储热密度较低、颗粒流动难控制、放热温度不稳定等难点，本申请拟将金属氧化物氧化还原反应与颗粒吸热放热相结合，大幅提高颗粒储/放热密度及稳定性。从实验与理论两方面，重点研究金属氧化物颗粒在吸热与放热过程中涉及到的辐射吸热、热化学反应、气固流动、强化传热等交叉层面的复杂耦合问题，探索聚光辐射条件下金属氧化物颗粒的反应动力学特征，阐明不稳定聚光辐射条件下还原吸热反应的自启动温区及吸热容量与流动颗粒辐射吸热的匹配原则，建立金属氧化物颗粒放热化学反应、气固流动与强化传热的耦合放热模型，提出基于金属氧化物热化学反应的颗粒吸热与放热动态调控策略与优化设计方法，可望为高效太阳能热发电技术提供新的思路和理论指导。

高温热储能是太阳能热发电中的关键技术之一。基于固体颗粒储热的太阳能热发电的工作温度可达800℃以上，大幅提高系统发电效率，降低成本。本项目重点研究了钙钛矿型金属氧化物和Al掺杂的氧化铜金属氧化物储能体系。Sr掺杂Ba1-xSrxCoO3钙钛矿型金属氧化物可以提高反应特性，降低反应温度和提高反应焓，具有良好的调控潜力。Al掺杂体系的首次循环反应率高达99.5%，经过120次循环后其循环反应率为81.1%。Al元素在CuO颗粒的表面形成CuAl2O4，并且将不同CuO颗粒隔离减缓在氧化还原反应中的烧结。搭建了高倍太阳能模拟灯下热态试验装置，研究固体颗粒在高强度辐射条件下的流动传热耦合规律，集热温度可达800℃，建立了基于蒙特卡洛跟踪法的光热耦合模型。对模块化金属氧化物储能体系建立了气固耦合的储放热动态模型，分析其内部的传热传质以及化学反应，获得气固两相各自的温度场分布。开展了颗粒流化床换热器模拟和试验研究，颗粒侧换热系数可达590~860 W/(m2﹒K)，试验结果与模拟结果误差在10%以内。提出了100 MWe太阳能超临界CO2布雷顿循环与金属氧化物储能耦合系统，建立全系统仿真平台，获得了典型晴朗春分日逐小时系统性能，满足一天24小时稳定发电，系统平均光电转换效率为25.2%，为高效太阳能热发电技术提供新的思路。发表学术论文3篇，授权发明专利1项、实用新型1项。