高温钙循环热化学储能方法及系统技术领域
本发明太阳能发电领域，具体涉及一种高温钙循环热化学储能方法及系统。
背景技术
太阳能发电具有来源广、不污染环境等优点成为理想的替代能源。然而，由于太阳
能具有间歇性、低密度和不稳定性、难以持续供应的特点，利用太阳能进行热发电仍有许多
问题需要解决，其中如何实现太阳能高效、大规模的储存，保证太阳能发电持续供给是太阳
能热发电的关键技术。在显热储能、潜热储能和热化学储能等主要的储热方式中，热化学储
能具有储能密度高，反应温度高、长期储热损失小等显著优点，能有效地解决电能的转换、
储存与再生。目前主要研究的几种化学反应储能体系包括：CaCO3/CaO体系、NH3合成分解体
系、CH4/CO2和CH4/H2O重整体系、Ca(OH)2/CaO体系、Co3O4/CoO体系、MgH2/H2体系等。其中
CaCO3/CaO体系是较为理想的热化学储能体系，具有储能密度大(692kWh/m3)、无毒且安全性
好、原料来源广发且价廉、无副反应且常压反应温度高(700℃-1000℃)的显著优点，因此
CaCO3/CaO体系用于太阳能高温热化学储能，能够很好的解决太阳能高温热电站发电连续
高效运行的问题。国内目前对CaCO3/CaO体系用于热化学储能的研究还处于起步阶段，尚没
有相关的专利。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高温钙循环热化学储能方法及系统，有效地
解决电能的转换、储存与再生问题。
技术方案：
一种高温钙循环热化学储能系统，该系统由太阳能集热装置、储能装置和发电装
置三部分组成；
所述太阳能集热装置包括日光反射装置(1)、太阳能吸收塔(2)、换热器A(3)和冷
空气储罐(4)，所述日光反射装置(1)设置在太阳能吸收塔(2)的一侧，使日光反射装置(1)
反射的日光能够被太阳能吸收塔(2)所吸收，所述太阳能吸收塔(2)、换热器A(3)和冷空气
储罐(4)采用循环管路顺次连接；
所述储能装置包括粉体换热器B(5)、反应器(6)、粉体换热器C(7)、高温CaO储罐
(8)、高温CaCO3储罐(9)、磨机(10)、压缩机A(11)、CO2储罐(12)和闸阀B(18),所述CO2储罐
(12)出口设有两条CO2循环管路，其一是CO2储罐(12)出口、换热器A(3)、闸阀B(18)、反应器
(6)、粉体换热器B(5)、压缩机A(11)、CO2储罐(12)进口采用循环管路顺次连接；其二是CO2储
罐(12)出口、粉体换热器C(7)、闸阀B(18)、反应器(6)、粉体换热器B(5)、压缩机A(11)、CO2
储罐(12)进口采用循环管路顺次连接；所述反应器(6)的固体颗粒物料进口与高温CaCO3储
罐(9)相连，连接管路之间顺次设有粉体换热器B(5)、磨机(10)，所述反应器(6)的固体颗粒
物料出口与高温CaO储罐(8)相连，连接管路之间设有粉体换热器C(7)。
所述发电装置包括粉体换热器B(5)、反应器(6)、粉体换热器C(7)，高温CaO储罐
(8)、高温CaCO3储罐(9)、CO2储罐(12)、涡轮机(13)、冷凝器(14)、压缩机B(15)、膨胀机(16)、
闸阀A(17)、闸阀B(18)，所述反应器(6)气体出口、涡轮机(13)、粉体换热器B(5)、冷凝器
(14)、压缩机B(15)、闸阀A(17)、加热装置、闸阀B(18)、反应器(6)气体进口采用循环管路顺
次连接；所述CO2储罐(12)与膨胀机(16)气体进口相互连接，连接管路之间设有粉体换热器
C(7)；所述膨胀机(16)气体出口与反应器(6)相互连接，连接管路之间设有加热装置；所述
反应器(6)的固体颗粒物料进口与高温CaO储罐(8)相连，连接管路之间顺次设有粉体换热
器B(5)，所述反应器(6)的固体颗粒物料出口与高温CaCO3储罐(9)相连，连接管路之间设有
粉体换热器C(7)。
进一步地，所述加热装置包括加热器(19)，闸阀C(20)，闸阀D(21)，所述加热器
(19)与闸阀C(20)顺次相连，所述闸阀D(21)与加热器(19)、闸阀C(20)相互并联。
为了减少磨损与堵塞，反应器(6)优选双向高温振动流化反应器，反应器内部设置
有耐高温的传送带，其作用是促进固体颗粒充分流化，使固体颗粒与气体充分反应。
考虑到高温储能的特殊性对系统的安全性、可靠性、可维护型、工艺性等要求，所
述双向高温振动流化反应器采用的是Inconel 617材料。
一种高温钙循环热化学储能方法，采用的热化学储能体系为CaCO3/CaO，通过热能
与化学能之间的相互转换进行储能，当太阳辐照充足时，CaCO3固体颗粒在太阳能产生的热
空气进行间壁加热发生吸热分解反应，将接受的热量以化学能的形式储存于分解产物CaO
和CO2中；当需要热量时，在常压下CaO和CO2发生逆向热化学反应，将CaO和CO2中所储存的化
学能逆转成热能并释放出来。
高温钙循环热化学反应流程，分为储能阶段和释能阶段。在储能阶段，原存有CO2
与吸收了太阳热能高温热空气在换热器A(3)换热，使CaCO3固体颗粒在双向高温振动流化
反应器(6)达到反应温度和流态化，CaCO3固体颗粒发生分解反应，反应温度在900～1100
℃，随着储能反应进程深入，CaCO3固体颗粒分解产物CO2反应余热在粉体换热器B(5)预热后
来的参与反应的CaCO3固体颗粒；CaCO3固体颗粒分解产物CaO反应余热在粉体换热器C(7)预
热CO2储罐中的CO2。在释能阶段，CO2与CaO固体颗粒反应生成CaCO3固体颗粒，反应温度在
500～700℃，释放大量热量。此时CO2处于超临界状态，结合朗肯循环和布雷顿循环实现发
电。在整个高温钙循环热化学储能系统中，CaCO3固体颗粒、CaO固体颗粒的输送均采用螺旋
送料的方法，防止CO2气体泄漏。
有益效果：
本发明利用热化学可逆反应CaCO3/CaO体系，实现高温热能再生。CO2在流程中作为
换热介质、流化介质、反应介质。CO2在释能过程中，温度大于31℃，压力大于7MPa，处于超临
界状态，CO2在系统中经历朗肯循环和布雷顿循环可实现在无阳光时的电能的持续电力供
应，平滑太阳能热电站的功率曲线。同时有效利用CaCO3分解反应产物CO2热量及压力能，并
利用蓄热器、换热器对系统中的高温热能回收利用，实现能量的综合梯级利用，储能系统效
率得到显著提高。
本发明提供的新型高温钙循环热化学储能系统，太阳能集热驱动
可逆反应，接受的能量以化学能的形式储存在其分解产物CaO和CO2。具有储能密度高、循环
效率高、环境友好、结构简单、变工况灵活控制、应用可靠的特点，能够解决太阳能高温热电
站发电连续高效运行的问题，可以广泛应用于太阳能高温发电领域，也适用于其它类型电
站的高温热能储存与再生。
本发明通过温度变化调控储/释能，即CaCO3固体颗粒分解/合成反应；通过热能-
化学能-热能这一能量转换利用概念，解决了时间或地点引起的用热不匹配和不均匀性导
致低能源利用率。
附图说明
图1为本发明系统工作流程总示意图；
图2为本发明系统工作流程储能示意图；
图3为本发明系统工作流程释能示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该
实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，一种高温钙循环热化学储能系统，该系统太阳能集热装置、储能装置
和发电装置；
太阳能集热装置包括日光反射装置(1)、太阳能吸收塔(2)、换热器A(3)和冷空气
储罐(4)，所述日光反射装置(1)设置在太阳能吸收塔(2)的一侧，使日光反射装置(1)反射
的日光能够被太阳能吸收塔(2)所吸收，所述太阳能吸收塔(2)、换热器A(3)和冷空气储罐
(4)采用循环管路顺次连接；
储能装置包括粉体换热器B(5)、高温振动流化反应器(6)、粉体换热器C(7)、高温
CaO储罐(8)、高温CaCO3储罐(9)、磨机(10)、压缩机A(11)、CO2储罐(12)和闸阀B(18),所述
CO2储罐(12)出口设有两条CO2循环管路，其一是CO2储罐(12)出口、换热器A(3)、闸阀B(18)、
高温振动流化反应器(6)、粉体换热器B(5)、压缩机A(11)、CO2储罐(12)进口采用循环管路
顺次连接；其二是CO2储罐(12)出口、粉体换热器C(7)、闸阀B(18)、高温振动流化反应器
(6)、粉体换热器B(5)、压缩机A(11)、CO2储罐(12)进口采用循环管路顺次连接；所述高温振
动流化反应器(6)的固体颗粒物料进口与高温CaCO3储罐(9)相连，连接管路之间顺次设有
粉体换热器B(5)、磨机(10)，所述高温振动流化反应器(6)的固体颗粒物料出口与高温CaO
储罐(8)相连，连接管路之间设有粉体换热器C(7)。
发电装置包括粉体换热器B(5)、高温振动流化反应器(6)、粉体换热器C(7)，高温
CaO储罐(8)、高温CaCO3储罐(9)、CO2储罐(12)、涡轮机(13)、冷凝器(14)、压缩机B(15)、膨胀
机(16)、闸阀A(17)、闸阀B(18)，所述高温振动流化反应器(6)气体出口、涡轮机(13)、粉体
换热器B(5)、冷凝器(14)、压缩机B(15)、闸阀A(17)、加热装置、闸阀B(18)、双向高温流化反
应器(6)气体进口采用循环管路顺次连接；所述CO2储罐(12)与膨胀机(16)气体进口相互连
接，连接管路之间设有粉体换热器C(7)；所述膨胀机(16)气体出口与高温振动流化反应器
(6)相互连接，连接管路之间设有加热装置；所述高温振动流化反应器(6)的固体颗粒物料
进口与高温CaO储罐(8)相连，连接管路之间顺次设有粉体换热器B(5)，所述高温振动流化
反应器(6)的固体颗粒物料出口与高温CaCO3储罐(9)相连，连接管路之间设有粉体换热器C
(7)。
加热装置包括加热器(19)，闸阀C(20)，闸阀D(21)，所述加热器(19)与闸阀C(20)
顺次相连，所述闸阀D(21)与加热器(19)、闸阀C(20)相互并联。
双向高温振动流化反应器采用的是Inconel 617材料。
高温钙循环热化学储能系统工作流程：
储能阶段，太阳辐射充足时，如图2，太阳光通过日光反射装置(1)，将太阳辐射热
能在太阳能吸收塔(2)中通过空气集热，原先存有CO2与高温热空气在换热器A(3)中充分换
热，高温CO2随后进入双向高温振动流化反应器(6)使CaCO3固体颗粒流态化并发生分解反
应。随着分解反应深入，分解产物CO2在粉体换热器B(5)预热后来的CaCO3固体颗粒，再通过
压缩机A(11)压缩储存。为了充分利用反应余热，CO2在粉体换热器C(7)与分解产物CaO充分
换热，在进入双向高温振动流化反应器(6)，重复先前的流程，使得热量充分利用。高温热空
气经过换热器A(3)后存放于冷空气储罐(4)。
释能阶段，太阳辐射不充足时，如图3，初次释能发电时，打开闸阀C(20)，关闭闸阀
D(21)，CO2经过膨胀机(16)，加热器(19)，CO2升温达到反应温度，进入双向高温振动流化反
应器(6)使CaO流态化并与之发生合成反应，释放大量热量。此时，CO2温度大于31℃，压力大
于7MPa，处于超临界状态，经过涡轮机(13)发电。CO2经汽轮机(13)发电后，仍存有热量，可
以预热CaO固体颗粒。初次释能后，关闭闸阀C(20)，打开闸阀D(21)，利用合成产物CaCO3固
体颗粒反应余热在粉体换热器C(7)预热CO2，使其达到反应温度，重复先前CO2流程。在释能
过程中，CO2经过粉体换热器C(7)升温，膨胀机(16)膨胀，预热CaO固体颗粒后，进入冷凝器
(14)降温，在进入压缩机B(15)压缩的过程实现轴承做功发电。
在整个高温钙循环热化学储能系统中，CaCO3固体颗粒、CaO固体颗粒的输送均采
用螺旋送料的方法，防止CO2气体泄漏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。