本實(shí)用新型涉及能量存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的供給越來越難以滿足需求。在當(dāng)今世界范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的化石能源(煤、石油、天然氣等)依然占據(jù)主導(dǎo)地位。而且，化石能源的燃燒會產(chǎn)生大量溫室氣體和其它有毒有害氣體及粉塵，帶來了一系列的環(huán)境污染問題。因此，可再生清潔能源的開發(fā)與利用受到了人們的廣泛關(guān)注。太陽能是一種分布廣泛、清潔環(huán)保的能源，高效利用太陽能可以緩解當(dāng)今能源問題和環(huán)境污染問題，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。電能作為一種高品位能量，廣泛應(yīng)用于各種用能領(lǐng)域，已成為國民經(jīng)濟(jì)飛躍的主要動力。并且電能本身具有無污染、零排放的特點(diǎn)。

然而，太陽能具有間歇性、難以持續(xù)供應(yīng)等特點(diǎn)，電力系統(tǒng)中也會有供需不平衡的峰谷現(xiàn)象。若要大規(guī)模地發(fā)展太陽能熱力發(fā)電，改善電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，提高對太陽能等熱的存儲技術(shù)是關(guān)鍵。

目前，熱儲能方式主要包括有：顯熱儲能、潛熱儲能和熱化學(xué)儲能三種方式。顯熱儲能利用儲能介質(zhì)的溫度差進(jìn)行熱能的存儲，儲能密度由儲能介質(zhì)的溫差和比熱容決定；潛熱儲熱是利用儲能介質(zhì)發(fā)生相變時吸收熱量來進(jìn)行儲熱的，儲能密度由儲能介質(zhì)相變焓決定。顯熱儲熱和相變儲熱需要采用絕熱保溫設(shè)備，另外顯熱儲熱的儲存時間比較有限，相變儲熱也存在著相分離和過冷等問題。

熱化學(xué)儲熱通過可逆化學(xué)反應(yīng)，利用反應(yīng)過程中的反應(yīng)焓變進(jìn)行儲熱，是一種高效儲能手段。理論上說，任意存在吸熱/放熱的可逆化學(xué)反應(yīng)都可用于熱能的存儲。但是，選擇適用于熱化學(xué)儲能的反應(yīng)體系需要考慮到反應(yīng)的可逆性、反應(yīng)溫度和反應(yīng)速率、經(jīng)濟(jì)性等條件。目前較為合適的熱化學(xué)儲能反應(yīng)體系主要有：金屬氫化物的熱分解、氧化物和過氧化物的分解、氫氧化鈣/氧化鈣的轉(zhuǎn)換等反應(yīng)體系。目前，熱化學(xué)儲能還處于研究階段，技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的探索研究。

經(jīng)過對已有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索，申請?zhí)枮?01010500486.7的“一種中低溫太陽能熱化學(xué)蓄能系統(tǒng)”中國實(shí)用新型專利，得出了利用金屬氧化鎳還原來實(shí)現(xiàn)太陽能蓄熱，金屬鎳的氧化提供太陽能釋放，達(dá)到儲能并發(fā)電的目的，屬于熱化學(xué)儲能的方式。但其儲能溫度只有150℃至300℃，而且其儲能材料中金屬鎳的價格較為昂貴，這可能導(dǎo)致其儲能系統(tǒng)成本較高；申請?zhí)枮?01510116256.3的“新型氨基熱化學(xué)儲能系統(tǒng)”中國實(shí)用新型專利，提出利用氨基的熱化學(xué)可逆反應(yīng)進(jìn)行儲能。氨氣在催化劑的作用下發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，達(dá)到儲能的目的，也屬于熱化學(xué)儲能的方式，但該反應(yīng)體系需要催化劑才能發(fā)生反應(yīng)，而且該反應(yīng)所用介質(zhì)中的氨氣具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，能灼傷眼睛、皮膚、呼吸器官黏膜等等，具有一定的危險性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種流態(tài)化的鈣基熱化學(xué)高溫儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能或電網(wǎng)低谷電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并在有需要時通過可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)將能量釋放出來，具體方案如下。

一種流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，包括能量輸入單元、能量存儲單元、能量輸出單元，它與現(xiàn)有的熱化學(xué)儲能系統(tǒng)的顯著區(qū)別在于：

所述的能量輸入單元包括太陽能吸熱器、電加熱器、重油儲罐、給油泵、第一加熱盤管；其中，重油儲罐的出口通過管道與給油泵入口相連接，給油泵的出口通過管道與第二三通閥的入口相連接，第二三通閥的一個出口通過管道 與電加熱器的入口相連接，另一個出口通過管道與第一三通閥的入口相連接，第一三通閥的一個出口通過管道與太陽能吸熱器的入口相連接，第一三通閥的另一個出口、太陽能吸熱器的出口和電加熱器的出口并入同一管道后與第一加熱盤管的入口相連接，第一加熱盤管的出口則通過第一閥門與重油儲罐的入口相連接；

所述的能量存儲單元包括鈣基反應(yīng)裝置、旋風(fēng)分離器、臥式沸騰流化床、慣性分離器、第二氮?dú)鈨?、第一風(fēng)機(jī)、氫氧化鈣儲罐、氧化鈣儲罐、第二風(fēng)機(jī)、第三風(fēng)機(jī)、氣體分布器、第一氮?dú)鈨蕖⑵蛛x器、第一冷凝器；其中，鈣基反應(yīng)裝置的氣體出口與旋風(fēng)分離器的入口相連接，旋風(fēng)分離器的固體出口與臥式沸騰流化床的固體入口相連接，臥式沸騰流化床的氣體出口與慣性分離器的入口相連接，慣性分離器的氣體出口與第二氮?dú)鈨薜娜肟谙噙B接，第二氮?dú)鈨薜某隹诮?jīng)第八閥門與第一風(fēng)機(jī)的入口相連接，第一風(fēng)機(jī)的出口與臥式沸騰流化床的氣體入口相連接，慣性分離器的固體出口經(jīng)第二閥門與臥式沸騰流化床的固體出口并入同一管道后與第四三通閥的入口相連接，第四三通閥的一個出口與氫氧化鈣儲罐的入口相連接，另一個出口與氧化鈣儲罐的入口相連接，氫氧化鈣儲罐的出口經(jīng)第三閥門后、氧化鈣儲罐的出口經(jīng)第四閥門后和第二風(fēng)機(jī)的出口通過管道與鈣基反應(yīng)裝置的固體入口相連接，旋風(fēng)分離器的氣體出口通過第一冷凝器與汽水分離器入口相連接，汽水分離器的液體出口經(jīng)第七閥門后與下述能量輸出單元的水儲罐的一個液體入口相連接，汽水分離器的氣體出口與第一氮?dú)鈨薜娜肟谙噙B接，第一氮?dú)鈨薜囊粋€出口經(jīng)第五閥門與第二風(fēng)機(jī)的入口相連接，第一氮?dú)鈨薜牧硪粋€出口經(jīng)第6閥門與第三風(fēng)機(jī)的入口相連接，第三風(fēng)機(jī)的出口與氣體分布器的一個入口相連接；

所述的能量輸出單元包括水儲罐、給水泵、第二加熱盤管、汽包、下降管、水冷壁、蒸氣管道、過熱器、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、第二冷凝器；其中，水儲罐的出口通過第九閥門與給水泵相連接，給水泵經(jīng)第二加熱盤管與汽包的液體入口相連接，汽包的液體端通過下降管與水冷壁相通，水冷壁又與汽包的氣體端 入口相接構(gòu)成循環(huán)，汽包氣體端的一個出口通過蒸氣管道與第三三通閥的一個入口相連接，第三三通閥的另一個入口與外部蒸汽管網(wǎng)相連，第三三通閥的一個出口與氣體分布器的另一個入口相連接，汽包氣體端的另一個出口通過過熱器后與蒸汽輪機(jī)的入口相連接，蒸汽輪機(jī)的出口通過第二冷凝器與水儲罐的另一個液體入口相連接，蒸汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連接。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，所述的鈣基反應(yīng)裝置采用循環(huán)流化床反應(yīng)器，所用的反應(yīng)介質(zhì)為固體氫氧化鈣粉末或氧化鈣粉末，固體氫氧化鈣粉末或氧化鈣粉末依靠第二風(fēng)機(jī)經(jīng)第三閥門或第四閥門進(jìn)入鈣基反應(yīng)裝置內(nèi)。為提高鈣基反應(yīng)裝置底部流態(tài)化氣體的流速，鈣基反應(yīng)裝置為倒錐形的圓筒型結(jié)構(gòu)，錐角為10°～15°，圓筒尺寸由儲能容量確定，裝置的可承受壓力位0.15MPa～0.3MPa。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，在夜間電網(wǎng)供電處于低谷時，鈣基反應(yīng)裝置由電加熱器提供熱源；太陽能吸熱器和電加熱器內(nèi)的流體為重油。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，所述的鈣基反應(yīng)裝置的流態(tài)化氣體為氮?dú)饣虻獨(dú)馀c水蒸氣的混合物；

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，所述的太陽能吸熱器為碟式結(jié)構(gòu)；電加熱器所用的電源為電網(wǎng)夜間低谷電。太陽能條件較好時，用太陽能吸熱器的熱量加熱反應(yīng)器，夜間則使用電網(wǎng)低谷電能加熱。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，采用臥式沸騰流化床為液態(tài)水預(yù)熱，同時把鈣基反應(yīng)裝置的生成的固體冷卻；臥式沸騰流化床的流態(tài)化氣體為氮?dú)狻?/p>

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，所述的臥式沸騰流化床的氣體分布板有5°～10°的傾角，以便氧化鈣或氫氧化鈣粉末往儲罐方向轉(zhuǎn)移。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，所述的臥式沸騰流化床的氣體出口側(cè)連接了一個或多個慣性分離器，以防止固體粉末被帶入第二氮?dú)鈨拗?；所述的慣性分離器的固體出口通過閥門與臥式沸騰流化床的固體出口相接。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)，其特征在于，采用的汽水分離器用于分離經(jīng)過第一冷凝器后產(chǎn)生的液態(tài)水，以防止液態(tài)水被帶入第一氮?dú)鈨拗小?/p>

本實(shí)用新型流態(tài)化鈣基熱化學(xué)高溫儲能/釋能系統(tǒng)的儲能方法是，氫氧化鈣在流態(tài)化條件下在鈣基反應(yīng)裝置中發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，將吸收的熱量以化學(xué)能的形式存儲在反應(yīng)產(chǎn)物氧化鈣并送入氧化鈣儲罐中。釋能方法是，氧化鈣和水蒸氣在流態(tài)化條件下在鈣基反應(yīng)裝置中發(fā)生放熱反應(yīng)，反應(yīng)生成的氫氧化鈣送入氧化鈣儲罐中儲存，放出的熱量則通過加熱水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。

從上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型流態(tài)化的鈣基熱化學(xué)高溫儲能系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該系統(tǒng)利用鈣基熱化學(xué)高溫可逆反應(yīng)以氫氧化鈣/氧化鈣體系為儲能介質(zhì)，其中，該反應(yīng)的放熱反應(yīng)溫度可達(dá)為450℃～500℃，反應(yīng)無需催化劑，反應(yīng)生成的熱可以將水加熱至400℃的高溫水蒸氣，推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。氫氧化鈣通過熱化學(xué)儲能的方式進(jìn)行能量的存儲與釋放，其單位質(zhì)量儲能密度遠(yuǎn)高于顯熱儲能和潛熱儲能，儲能損失小。而且，氫氧化鈣/氧化鈣具有易于獲取、價格低廉、無毒等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模的對能量的長期儲存要求。

(2)該系統(tǒng)采用的反應(yīng)器為循環(huán)流化床反應(yīng)器，流化床相對于固定床，具有反應(yīng)速率快，換熱面積大的優(yōu)勢，滿足了高負(fù)荷儲熱的要求，且可通過調(diào)節(jié)水蒸氣和流態(tài)化氣體的流量對反應(yīng)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3)該系統(tǒng)的熱源為太陽能或電網(wǎng)低谷電能，可通過第一三通閥和第二三 通閥的調(diào)節(jié)來切換太陽能吸熱器與電加熱器，充分利用了太陽能充足時的能量和電網(wǎng)低谷的電能，促進(jìn)峰谷調(diào)節(jié)。

(4)該系統(tǒng)設(shè)置了臥式沸騰流化床用于預(yù)熱液態(tài)水，同時促使反應(yīng)后的氫氧化鈣/氧化鈣冷卻，符合了能源梯級利用的原則，從而減少過程的儲熱損失，提高儲熱效率。

附圖說明

圖1為流態(tài)化的鈣基熱化學(xué)高溫儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案更加清晰明了，參照附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

該系統(tǒng)利用鈣基熱化學(xué)高溫可逆反應(yīng)通過太陽能、熱能、化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行能量的存儲與釋放。該系統(tǒng)主要包括能量輸入單元、能量存儲單元、能量輸出單元，主要分為儲能過程和釋能過程，儲能時，氫氧化鈣在流態(tài)化條件下發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，將吸收的熱量以化學(xué)能的形式存儲在反應(yīng)產(chǎn)物氧化鈣中；釋能時，氧化鈣和水蒸氣在流態(tài)化條件下發(fā)生放熱反應(yīng)，放出的熱量加熱水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，從而推動渦輪機(jī)發(fā)電。

如圖1所示，流態(tài)化的鈣基熱化學(xué)高溫儲能系統(tǒng)，包括太陽能吸熱器1，電加熱器4，重油儲罐5，給油泵6，第一加熱盤管13，鈣基反應(yīng)裝置14，旋風(fēng)分離器28，臥式沸騰流化床27，慣性分離器15，第二氮?dú)鈨?2，第一風(fēng)機(jī)25，氫氧化鈣儲罐18，氧化鈣儲罐21，第二風(fēng)機(jī)23，第三風(fēng)機(jī)20，氣體分布器11，第一氮?dú)鈨?6，汽水分離器31，第一冷凝器29，水儲罐37，給水泵38，第二加熱盤管27，汽包8，下降管9，水冷壁10，蒸氣管道41，過熱器12，蒸汽輪機(jī)34，發(fā)電機(jī)35，第二冷凝器36，第一至第四三通閥(2、 3、42、16)即圖中的K1～K4，第一至第九閥門(7、16、17、19、24、22、30、33、39)即圖中的V1～V9。具體的工作流程為：

能量存儲過程：重油儲罐5儲存的重油，由給油泵6輸送至太陽能吸熱器1或電加熱器4。當(dāng)太陽能充足時，第二三通閥3開向太陽能吸熱器1的方向，第一三通閥2開向太陽能吸熱器1的方向，重油被輸送至太陽能吸熱器1受熱，被加熱后，沿著管道通向第一加熱盤管13；當(dāng)電網(wǎng)電力供應(yīng)處于低谷時，第二三通閥3開向電加熱器4的方向，第一三通閥2開向電加熱器4的方向，重油被輸送至電加熱器4，利用電網(wǎng)低谷電加熱。被加熱后，沿著管道通向第一加熱盤管13。第一加熱盤管13為鈣基反應(yīng)裝置14提供熱量，確保反應(yīng)物氫氧化鈣能達(dá)到其分解的溫度。在能量存儲過程中，反應(yīng)物為氫氧化鈣粉末，鈣基反應(yīng)裝置14使用的流態(tài)化氣體為氮?dú)?。開啟第三閥門17和第五閥門24，此時氫氧化鈣儲罐18中的氫氧化鈣被第二風(fēng)機(jī)23輸送至鈣基反應(yīng)裝置14。開啟第六閥門22，第一氮?dú)鈨拗械牡獨(dú)庥傻谌L(fēng)機(jī)20輸送至鈣基反應(yīng)裝置14中的氣體分布器11，經(jīng)過氣體分布器11布風(fēng)后，氮?dú)庥蓺怏w分布板上的風(fēng)帽噴出，使反應(yīng)物氫氧化鈣流態(tài)化。氫氧化鈣在流態(tài)化條件下被第一加熱盤管13加熱，達(dá)到分解溫度，反應(yīng)生成氧化鈣和氣態(tài)水。氧化鈣和氣態(tài)水被氮?dú)廨斔椭列L(fēng)分離器28進(jìn)行氣固分離。為防止氣態(tài)水在旋風(fēng)分離器28中冷凝，旋風(fēng)分離器28的外殼采用絕熱結(jié)構(gòu)。第四三通閥16開至通往氧化鈣儲罐21的方向，生成物經(jīng)旋風(fēng)分離器28分離后，固態(tài)的氧化鈣粉末在管道內(nèi)落至氧化鈣儲罐21儲存，氣態(tài)的氮?dú)夂蜌鈶B(tài)水混合物經(jīng)過第一冷凝器29，氣態(tài)水冷凝成液態(tài)水，再通過汽水分離器31將水和氮?dú)夥蛛x，氮?dú)饨?jīng)管道回到第一氮?dú)鈨?6中，液態(tài)水則流至水儲罐37中。

能量釋放過程：在能量釋放過程中，反應(yīng)物為氧化鈣粉末，鈣基反應(yīng)裝置14使用的流態(tài)化氣體為氮?dú)夂退魵獾幕旌衔?。開啟第四閥門19和第五閥門24，此時氧化鈣儲罐21中的氧化鈣被第二風(fēng)機(jī)23輸送至鈣基反應(yīng)裝置14。開啟第六閥門22，第一氮?dú)鈨?6中的氮?dú)庥傻谌L(fēng)機(jī)20輸送至鈣基反應(yīng) 裝置14中的氣體分布器11。在能量釋放過程的啟動階段，由外加的蒸汽管網(wǎng)提供水蒸氣，水蒸氣經(jīng)第三三通閥42進(jìn)入氣體分布器11中，與氮?dú)饣旌虾笥刹硷L(fēng)板上的風(fēng)帽噴出，使反應(yīng)物氧化鈣流態(tài)化，混合氣中的水與氧化鈣發(fā)生水合放熱反應(yīng)生成氫氧化鈣。反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣與剩余的氣體混合物(氮?dú)夂退?被輸送至旋風(fēng)分離器28進(jìn)行氣固分離。第四三通閥16開至通往氫氧化鈣儲罐18的方向。生成物經(jīng)旋風(fēng)分離器28分離后，氣態(tài)的氮?dú)夂蜌鈶B(tài)水混合物經(jīng)過第一冷凝器29，氣態(tài)水冷凝成液態(tài)水，再通過汽水分離器31將水和氮?dú)夥蛛x，氮?dú)饨?jīng)管道回到第一氮?dú)鈨?6中，液態(tài)水則流至水儲罐37中。固態(tài)的氫氧化鈣粉末則在管道內(nèi)落至臥式沸騰流化床27中。氫氧化鈣粉末在臥式沸騰流化床27中由第一風(fēng)機(jī)25輸送第二氮?dú)鈨?2中氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)沸騰流態(tài)化，與第二加熱盤管27中的水換熱后經(jīng)臥式沸騰流化床27的固體出口落至氫氧化鈣儲罐18中。第二加熱盤管27中的水由給水泵38從水儲罐37輸送，被沸騰流態(tài)化的氫氧化鈣粉末預(yù)熱。預(yù)熱后的水經(jīng)管道流至汽包8中。汽包8中的液態(tài)水由下降管9送至水冷壁，在水冷壁中受氧化鈣水合放熱反應(yīng)的熱量加熱至沸騰，沸騰后流至汽包8，并在汽包8中實(shí)現(xiàn)汽水分離。汽包8中的水蒸氣的一部分由管道41輸送至氣體分布器11的入口(此時需要調(diào)節(jié)第三三通閥42至氣體分布器11的入口方向)，以代替蒸汽管網(wǎng)為水合放熱反應(yīng)提供水蒸氣。汽包8中的水蒸氣的另一部分被管道輸送至過熱器12中，在過熱器12中受熱形成過熱蒸汽。過熱蒸汽推動蒸汽輪機(jī)34做功發(fā)電。做功后的水蒸氣在第二冷凝器36中冷凝流回水儲罐37中。在整個能量釋放過程中，為了防止反應(yīng)器中的第一加熱盤管13過熱，通過調(diào)節(jié)第一三通閥2，使得第一加熱盤管13中的重油在管道內(nèi)循環(huán)散熱。

上述的具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型的詳細(xì)說明不用以限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何改進(jìn)、等同替換等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。