一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器

1.本发明涉及太阳能热利用与储能设备技术领域，具体为一种基于仿生的太阳能热化学反应器。


背景技术：

2.太阳能是储量丰富的可再生能源，每小时到达地球表面的太阳能可以满足人类在地球上一年内的能量需求。太阳能资源具有独具的储量无限性、间歇性、低热流密度以及清洁性等特点，很多发达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位。
3.目前储能技术主要包含显热、潜热和热化学储能，其中最有利用前途的为热化学储能。热化学储能系统具有高能量密度以及低储能损失的优点，太阳能热化学是一种非常有潜力的将热能转化为化学能的储能技术，热化学储能是解决太阳能本身的低热流性和间歇性问题的关键。热化学储能主要在反应器进行，其过程包括：
①
定日镜场将太阳光进行汇聚，反射到反应器的开口面；
②
化学反应-高温下利用金属氧化物进行热化学循环反应将太阳能储存在生成物中。例如在催化剂条件下ch4与水蒸气在1000℃发生反应生成h2，而实现这一过程热化学反应器是核心设备。传统的腔式反应存在热变形、反应通道堵塞以及催化剂积碳等问题，严重降低热化学反应效率，给转化系统带来安全问题。因此，研发高效、稳定的太阳能热化学反应器是目前本学科亟待解决的问题。
4.专利申请cn108187598b公开了一种旋转气流群结构太阳能热化学反应器装置，包括反应器壳体，反应器壳体内设有反应腔，反应腔为倒圆锥状，反应腔下口设有底板，底板上设有至少三个进气孔，进气孔沿底板平面周向均匀布置，进气孔下设有与反应腔内部连通的进气管道，各进气管道内均设有螺旋叶片。
5.该专利申请通过进气孔均匀的布置于反应器底部边缘，进样气料螺旋上升过程中，在离心力作用下，反应气料中的固体微粒经过反应器中心区域，有效吸收中心区域的高密度太阳能流；但是反应腔主体部分反应的均匀性难以控制，影响了热化学反应效率；通过逐渐增加反应器截面积，使旋转气流逐渐发散，交叉混合，前进速度逐渐降低，混合强度逐渐增加，增加了进料气料在光学窗口附近的停驻时间，来提高系统的整体热转换效率；易造成反应腔的热变形，催化剂积碳等问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，通过在反应腔内设置特殊结构的纵隔板、横隔板及al2o3仿生骨架，保证反应腔内气体的均匀性，增加了热化学反应面积，能够解决现有的反应器化学反应速率低、反应通道堵塞和反应器内热流分布非均匀性等问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，包括反应器外壳，反应器外壳12包括
上盖1、下盖4以及上盖1与下盖4之间的圆柱腔体3，上盖1上部设有出气口7，下盖4下部设有进气口5，圆柱腔体3侧壁设有观察窗2，所述反应器外壳12设有垂直贯穿其内腔的旋转轴8，旋转轴8外周间隔设置有多块横隔板6，横隔板6之间连接有多块纵隔板11，横隔板6之间、纵隔板11之间均匀布置有al2o3仿生骨架10，横隔板6、纵隔板11与al2o3仿生骨架10跟随旋转轴8转动。
9.所述圆柱腔体3侧壁设有观察窗2，与圆柱腔体3两端相连接的横隔板6上均设有气体均匀器9。
10.所述横隔板6与纵隔板11上均匀设有若干个直径2-5mm的小孔。
11.所述横隔板6之间、纵隔板11之间的al2o3骨架10相互垂直。
12.所述反应器外壳12内壁面涂有过渡族金属氧化物moo3。
13.所述al2o3仿生骨架10表面附着有载氧体。
14.所述载氧体以srfe,o-3-δ.
为活性组分，以cao、mno、c,a-0.5
.m,n-0.5
.o中的任意一种为分散介质，活性组分与分散剂比例采用1.5-1.0:1。
15.所述al2o3仿生骨架10的形状为利用递归算法不断生成hilbert-peano曲线，绘制曲线图，并按照绘制曲线图在al2o3基底片进行激光刻蚀得到al2o3仿生骨架10。
16.所述递归算法不断生成hilbert-peano曲线并绘制曲线的具体步骤为：
17.s1:设置递归深度n；
18.s2：确定曲线的范围，即x
min
，y
min
，x
max
，y
max
，也就是初始正方形，其中，x
min
，y
min
，x
max
，y
max
是初始正方形的四个顶点坐标；
19.s3:对初始正方形正交方向四等分，并对其边长2n等分，此时网格间隔为:dx＝(x
ma-x
min
)/(2*2n),dy＝(y
max-y
min
)/(2*2n)；
20.s4:计算曲线的起点坐标，即x＝x
min
+dx,y＝y
min
+dy；
21.s5:调用递归算法，并将信息压入堆栈，直到n＝1时，释放堆栈并绘制图曲线。
22.对所述绘制hilbert-peano曲线图，自定义缩放比例在al2o3基底片进行激光刻蚀得到al2o3仿生骨架10。
23.相对于现有技术，本发明有益效果如下：
24.1、本发明al2o3仿生骨架10呈树形，al2o3仿生骨架10表面附着载氧体催化剂，通过载氧体均匀的吸收热量，al2o3仿生骨架10树状外形，增加了热化学反应面积，大大提高太阳能热化学反应器的效率。
25.2、纵横交错设置的横隔板6与纵隔板11，承载al2o3仿生骨架跟随反应器的旋转轴8同步转动，一方面增加热化学反应面积，另一方面保证在反应器腔内，能量吸收转换的均匀性。
26.3、横隔板6与纵隔板11均匀分布的小孔用于通过反应气体，并使气体均匀分散，保持反应通道的通畅及气体分布的均匀性。
27.4、反应器外壳12内壁面涂有耐高温材料过渡族金属氧化物moo3，熔点高且有较高反射率，使得可见光波段和红外辐射波段可以达到较高的反射率，降低反应器的热损失。
28.综上，本发明为太阳能热化学反应过程提供了高温反应装置，该反应器克服传统反应器内热流非均匀分布、反应比表面积小以及反应器效率低等问题，大大提高了太阳能热化学反应效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
30.图中：1—上盖；2—观察窗；3—圆柱腔体；4—下盖；5—进气口；6—横隔板；7—出气口；8—旋转轴；9—气体均匀器；10—al2o3仿生骨架；11—纵隔板；12—反应器外壳。
31.图1为本发明结构示意图。
32.图2为本发明局部结构示意图。
33.图3为本发明中al2o3仿生骨架10的形貌示意图。
34.图4为本发明中al2o3仿生骨架10的形貌设计方法。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
36.参见图1、图2，一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，包括反应器外壳，反应器外壳12包括上盖1、下盖4以及上盖1与下盖4之间的圆柱腔体3，上盖1上部设有出气口7，下盖4下部设有进气口5，圆柱腔体3侧壁设有观察窗2，所述反应器外壳12正中设有垂直贯穿其内腔的旋转轴8，旋转轴8外周间隔设置有多块横隔板6，横隔板6之间连接有多块纵隔板11，横隔板6之间、纵隔板11之间均匀布置有al2o3仿生骨架10，横隔板6、纵隔板11与al2o3仿生骨架10跟随旋转轴8转动。
37.所述圆柱腔体3侧壁设有观察窗2，与圆柱腔体3两端相连接的横隔板6上均设有气体均匀器9。
38.所述横隔板6与纵隔板11上均匀设有n个直径2-5mm的小孔，用于通过反应气体，并使气体均匀分散，保持反应通道的通畅及气体分布的均匀性。
39.所述横隔板6之间、纵隔板11之间的al2o3仿生骨架10相互垂直；横隔板6、纵隔板11及al2o3仿生骨架10的设计，使气体和催化剂的接触时间和面积增大，同时反应器腔体3内局部气体流动的雷若数re(1800-3000)有利于反应器内的强化传热。
40.所述反应器外壳12内壁面涂有过渡族金属氧化物moo3，moo3熔点高且有较高反射率，使得可见光波段和红外辐射波段可以达到较高的反射率，降低反应器的热损失。
41.所述al2o3仿生骨架10表面附着有载氧体。
42.所述al2o3仿生骨架10表面附着有载氧体。
43.所述载氧体以srfe,o-3-δ.
为活性组分，以cao、mno、c,a-0.5
.m,n-0.5
.o中的任意一种为分散介质，活性组分与分散剂比例采用1.5-1.0:1。
44.参见图3，所述al2o3仿生骨架10的形貌为利用递归算法不断生成hilbert-peano曲线。并按照绘制曲线图在al2o3基底片进行激光刻蚀得到；al2o3仿生骨架10呈树形，al2o3仿生骨架10表面附着载氧体催化剂，通过载氧体均匀的吸收热量，al2o3仿生骨架10树状外形，增加了热化学反应面积，大大提高太阳能热化学反应器的效率。
45.参见图4，所述递归算法不断生成hilbert-peano曲线并绘制曲线的具体步骤为：
46.s1:设置递归深度n；
47.s2：确定曲线的范围，即x
min
，y
min
，x
max
，y
max
，也就是初始正方形，其中，x
min
，y
min
，x
max
，y
max
是初始正方形的四个顶点坐标；
48.s3:对初始正方形正交方向四等分，并对其边长2n等分，此时网格间隔为:dx＝(x
ma-x
min
)/(2*2n),dy＝(y
max-y
min
)/(2*2n)；
49.s4:计算曲线的起点坐标，即x＝x
min
+dx,y＝y
min
+dy；
50.s5:调用递归算法，并将信息压入堆栈，直到n＝1时，释放堆栈并绘制图曲线。
51.对绘制hilbert-peano曲线图，自定义缩放比例在al2o3基底片进行激光刻蚀得到al2o3仿生骨架10。
52.本发明的工作原理为：
53.定日镜场将太阳光进行汇聚，反射到反应器外壳的石英玻璃的观察窗2，反应器吸收热量以达到热化学反应所需的温度，在隔绝氧气的高温环境中，反应器外壳12内壁面涂覆的耐高温材料过渡族金属氧化物moo3被还原为金属单质或低价金属氧化物，脱出氧气；从进气口5通入水蒸气，经过气体均匀器9进行分散，热气上升，在旋转轴8的带动下，经过横隔板6、纵隔板11及al2o3仿生骨架10，与al2o3仿生骨架10上附着的载氧体充分接触吸收热量，在此过程中，金属单质或低价金属氧化物被氧化为高价金属氧化物moo3，同时产生氢气，气固分离，气体从出气口7排出。
54.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
55.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
56.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，包括反应器外壳(12)，反应器外壳(12)包括上盖(1)、下盖(4)以及上盖(1)与下盖(4)之间的圆柱腔体(3)，上盖(1)上部设有出气口(7)，下盖(4)下部设有进气口(5)，其特征在于：所述反应器外壳(12)设有垂直贯穿其内腔的旋转轴(8)，旋转轴(8)外周间隔设置有多块横隔板(6)，横隔板(6)之间连接有多块纵隔板(11)，横隔板(6)之间、纵隔板(11)之间均匀布置有al2o3仿生骨架(10)，横隔板(6)、纵隔板(11)与al2o3骨架(10)跟随旋转轴(8)转动。2.根据权利要求1所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述圆柱腔体(3)侧壁设有观察窗(2)，与圆柱腔体(3)两端相连接的横隔板(6)上均设有气体均匀器(9)。3.根据权利要求1所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述横隔板(6)与纵隔板(11)上均匀设有若干个直径2-5mm的小孔。4.根据权利要求1所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述横隔板(6)之间、纵隔板(11)之间的al2o3仿生骨架(10)相互垂直。5.根据权利要求1所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述反应器外壳(12)内壁面涂有过渡族金属氧化物moo3。6.根据权利要求1所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述al2o3仿生骨架(10)表面附着有载氧体。7.根据权利要求6所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述载氧体以srfe,o-3-δ.
为活性组分，以cao、mno、c,a-0.5
.m,n-0.5
.o中的任意一种为分散介质，活性组分与分散剂比例采用1.5-1.0:1。8.根据权利要求1、4、6任一项所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述al2o3仿生骨架(10)的形状为利用递归算法不断生成hilbert-peano曲线。9.根据权利要求8所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：所述递归算法不断生成hilbert-peano曲线的具体步骤为：s1:设置递归深度n；s2：确定曲线的范围，即x
min
，y
min
，x
max
，y
max
，也就是初始正方形，其中，x
min
，y
min
，x
max
，y
max
是初始正方形的四个顶点坐标；s3:对初始正方形正交方向四等分，并对其边长2n等分，此时网格间隔为:dx＝(x
ma-x
min
)/(2*2n),dy＝(y
max-y
min
)/(2*2n)；s4:计算曲线的起点坐标，即x＝x
min
+dx,y＝y
min
+dy；s5:调用递归算法，并将信息压入堆栈，直到n＝1时，释放堆栈并绘制图曲线。10.根据权利要求9所述的一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，其特征在于：对所述绘制hilbert-peano曲线图，自定义缩放比例在al2o3基底片进行激光刻蚀得到al2o3仿生骨架(10)。

技术总结
一种基于仿生骨架的太阳能热化学反应器，包括反应器外壳，反应器外壳正中垂直贯穿有旋转轴，旋转轴外周间隔设置有多块横隔板，横隔板之间连接有多块纵隔板，横隔板之间、纵隔板之间均匀布置有AL2O3仿生骨架，横隔板、纵隔板与AL2O3仿生骨架跟随旋转轴转动；太阳光汇聚反射进入反应器观察窗，反应器吸收热量以达到热化学反应所需的温度，从进气口通入水蒸气，经过气体均匀器进行分散，旋转轴带动横隔板、纵隔板及AL2O3仿生骨架同步转动，气体与AL2O3仿生骨架上附着的载氧体充分接触吸收热量，在此过程中，金属单质或低价金属氧化物被氧化为高价金属氧化物MoO3，同时产生氢气，从出气口排出；有效提高反应器内热流均匀性、反应接触面积和局部气体流动，提高了热化学反应效率。提高了热化学反应效率。提高了热化学反应效率。


技术研发人员：靳亚斌 张乐 刘琰 周亮 张倩 郑煜鑫
受保护的技术使用者：西安航空学院
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/7/25