太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统

1.本发明属于清洁能源耦合及梯级利用技术领域，特别是一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统。

背景技术：

2.人类社会的能源需求日益加剧，一方面现阶段主要使用的化石能源资源有限，另一方面化石能源的大量使用导致了气候变暖和空气污染等问题，对社会与环境造成了不利的影响，因此寻符合可持续发展要求的可再生能源成为了全社会关注的热点。以能源系统升级和供需体系优化为驱动，以社会发展和技术进步为依托，世界能源转型进程加快，实现能源可持续供应和积极应对气候变化已成为全世界的共同使命。第三次能源转型阶段以实现能源低碳化、新能源规模化、大幅降低碳排放为主要发展方向和内容。
3.生物质由于对地域和气候依赖性较小，资源充足和经济性高，易于存储和转换为液体、气体燃料及电能、热能等其他能源形式，且可以通过光合作用中和燃烧固c和排放的co2，是一种被广泛认可的零碳能源。因此，生物质能被认为是太阳能等所有可再生能源中最有发展前景，并成为继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源。此外，太阳能作为一种可再生资源，具有环境友好、含量丰富、便于收集利用、经济效益高等特点，可通过光电、光热转换得到充分的利用。因此，构建太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统可实现多方能源互补利用，对于节能减排具有重要意义。
4.太阳能生物质混合气化制备天然气方案中，将预制好的生物质颗粒原料送入生物质气化反应炉中发生热化学气化反应，再将合成气去除焦油灰分杂质和二氧化碳后送入甲烷化反应单元中反应生成甲烷。其中，生物质颗粒气化时以太阳能和部分生物质颗粒自燃烧作为热源共同供热。但是未见热能向需热温度更低的用热端如生物质物料干化箱、用户端等实现供热，热能梯级利用程度不高。
5.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，可通过电能和热能的梯级利用实现生物质合成气的热-电联产，具有良好的环保效益。
7.本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统包括光热回路和光电回路，其中，
8.光热回路包括；
9.槽式太阳能集热器，其经光热转换产生热能；
10.储热装置，用其存储所述热能并梯次传送至生物质气化炉和物料干燥箱，最终送达用户端；
11.生物质气化炉，其将生物质物料经热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气，所述生物质气化炉包括；
12.壳体，其具有底部和顶部，所述壳体热传递连接所述储热装置以升温到第一温度范围；
13.至少一个空气入口，其设于所述底部或靠近底部的壳体侧壁；
14.至少一个燃料合成气出口，其设于所述顶部或靠近顶部的壳体侧壁；
15.物料入口，其设于所述顶部以导入生物质物料；
16.钨电极，其设于所述底部，所述钨电极高压供电；
17.接地环，其设于所述壳体且相对于所述钨电极，所述接地环和钨电极之间形成电离空气的电场，阳离子在电场力的作用下有序的向接地环方向移动以产生离子风，所述生物质物料在第一温度范围下的电场中热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气；
18.物料干燥箱，其连通所述物料入口以投入干燥后的生物质物料，所述物料干燥箱热传递连接所述储热装置以在第二温度范围内干燥生物质物料；
19.光电回路包括：
20.太阳能光伏板阵列，其经光电转换将太阳能转换成电能；
21.逆变器，其连接太阳能光伏板阵列以升高电压并经由直流和交流转换向光热回路供电。
22.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述光电回路还包括；
23.第一温度传感器，其设于所述壳体以测量得到第一温度数据，所述第一温度传感器电连接所述逆变器；
24.第二温度传感器，其设于所述物料干燥箱以测量得到第二温度数据，所述第二温度传感器电连接所述逆变器；
25.控制器，其连接所述第一温度传感器、第二温度传感器、湿度计、逆变器和储热装置；
26.响应于第一温度数据，控制器调节储热装置使得所述壳体处于第一温度范围内；
27.响应于第二温度数据，控制器调节储热装置使得所述物料干燥箱处于第二温度范围内。
28.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述物料干燥箱设有输入生物质物料的传送带和搅拌生物质物料的搅拌器，湿度计设于所述物料干燥箱以测量得到湿度数据，所述湿度计电连接所述逆变器，响应于湿度数据，控制器调节所述传送带的速度和/或搅拌器的搅拌速度使得所述物料干燥箱处于预定湿度范围内。
29.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，预定湿度范围为搅拌后的生物质物料含水率为15-30％。
30.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述空气入口连接空气鼓风机，所述空气鼓风机连接所述逆变器和控制器，所述控制器基于所述电场强度调节空气鼓风机的功率。
31.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述物料干燥箱设有配合传送带的单向推门和导出水分的蒸发水出口，所述传送带导热连接所述储热装置。
32.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，储热装置经由换热管梯
次传热至生物质气化炉和物料干燥箱，并最终送达用户端。
33.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，第一温度范围处于700℃-500℃，第二温度范围处于200℃-100℃，用户端的温度低于100℃。
34.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述壳体内自钨电极至接地环方向上依次分为氧化区、还原区、热解区和干燥区。
35.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统中，所述热解区经由换热管导热连接所述储热装置。
36.和现有技术相比，本发明具有以下优点：
37.本发明光热回路中利用槽式太阳能集热器产热并设有储热装置。选取具有较大比热容和导热系数的流动工质，通过换热管将热量依次送至生物质气化炉热解段、物料干燥箱和用户端。其中，利用控制器与传感器将流经各需热端的工质温度依次控制在700℃、200℃和100℃，实现热能的梯级利用。光电回路中，利用太阳能光伏板产生电能并经逆变器升压后对系统内耗能设备如生物质气化炉空气鼓风机、钨电极、干燥箱搅拌器等自供电，或对用户端外接负载供电，不需要外界输入能量。其中，生物质气化炉内的钨电极与接地环间可形成强电场，一方面实现空气电离并产生自由基加速生物质气化，另一方面形成离子风，有利于合成气的排出。综合来看，该系统通过电能和热能的梯级利用实现了生物质合成气的热-电联产，具有良好的环保效益。
附图说明
38.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
39.在附图中：
40.图1是根据本发明一个实施例的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的整体系统示意图；
41.图2是根据本发明一个实施例的生物质气化炉侧视图；
42.图3是根据本发明一个实施例的生物质气化炉顶视图；
43.图4是根据本发明一个实施例的生物质气化炉内电势分布图；
44.图5是根据本发明一个实施例的生物质气化炉内离子风模拟图；
45.图6是根据本发明一个实施例的物料干燥箱侧视图；
46.图7是根据本发明一个实施例的物料干燥箱顶视图。
47.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
48.下面将参照附图1至图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围
完整的传达给本领域的技术人员。
49.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
50.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
51.在一个实施例中，如图1至图7所示，本发明揭示了一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统包括光热回路和光电回路，其中，
52.光热回路包括，
53.槽式太阳能集热器1，其经光热转换产生热能，
54.储热装置2，用其存储所述热能并梯次传送至生物质气化炉4和物料干燥箱7，最终送达用户端；
55.生物质气化炉4，其将生物质物料12经热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气，所述生物质气化炉4包括，
56.壳体，其具有底部和顶部，所述壳体热传递连接所述储热装置2以升温到第一温度范围，
57.至少一个空气入口17，其设于所述底部或靠近底部的壳体侧壁，
58.至少一个燃料合成气出口15，其设于所述顶部或靠近顶部的壳体侧壁，
59.物料入口3，其设于所述顶部以导入生物质物料12，
60.钨电极6，其设于所述底部，所述钨电极6高压供电，
61.接地环5，其设于所述壳体且相对于所述钨电极6，所述接地环5和钨电极6之间形成电离空气的电场，阳离子在电场力的作用下有序的向接地环5方向移动以产生离子风，所述生物质物料12在第一温度范围下的电场中热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气，
62.物料干燥箱7，其连通所述物料入口3以投入干燥后的生物质物料12，所述物料干燥箱7热传递连接所述储热装置2以在第二温度范围内干燥生物质物料12，
63.光电回路包括：
64.太阳能光伏板阵列9，其经光电转换将太阳能转换成电能；
65.逆变器10，其连接太阳能光伏板阵列9以升高电压并经由直流和交流转换向光热回路供电。
66.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述光电回路还包括，
67.第一温度传感器，其设于所述壳体以测量得到第一温度数据，所述第一温度传感器电连接所述逆变器10，
68.第二温度传感器，其设于所述物料干燥箱7以测量得到第二温度数据，所述第二温度传感器电连接所述逆变器10，
69.控制器，其连接所述第一温度传感器、第二温度传感器、湿度计23、逆变器10和储热装置2，
70.响应于第一温度数据，控制器调节储热装置2使得所述壳体处于第一温度范围内；
71.响应于第二温度数据，控制器调节储热装置2使得所述物料干燥箱7处于第二温度范围内。
72.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述物料干燥箱7设有输入生物质物料12的传送带8和搅拌生物质物料12的搅拌器19，湿度计23设于所述物料干燥箱7以测量得到湿度数据，所述湿度计23电连接所述逆变器10，响应于湿度数据，控制器调节所述传送带8的速度和/或搅拌器19的搅拌速度使得所述物料干燥箱7处于预定湿度范围内。
73.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，预定湿度范围为搅拌后的生物质物料12含水率为15-30％。
74.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述空气入口17连接空气鼓风机11，所述空气鼓风机11连接所述逆变器10和控制器，所述控制器基于所述电场强度调节空气鼓风机11的功率。
75.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述物料干燥箱7设有配合传送带8的单向推门20和导出水分的蒸发水出口21，所述传送带8导热连接所述储热装置2。
76.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，储热装置2经由换热管16梯次传热至生物质气化炉4和物料干燥箱7，并最终送达用户端。
77.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，第一温度范围处于700℃-500℃，第二温度范围处于200℃-100℃，用户端的温度低于100℃。
78.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述壳体内自钨电极6至接地环5方向上依次分为氧化区、还原区、热解区和干燥区。
79.所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实施例中，所述热解区经由换热管16导热连接所述储热装置2。
80.在一个实施例中，太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统包括光热回路和光电回路。其中光热回路包括：
81.槽式太阳能集热器1，用于通过光热转换将太阳能转换成热能；
82.高温储热装置2，用于通过相变材料存储槽式太阳能集热器1产生的热能；
83.生物质气化炉4，用于将生物质物料12经热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气，实现生物质能的有效利用；
84.空气鼓风机11，用于将气化剂空气泵送至生物质气化炉4内；
85.物料干燥箱7，用于干燥后续投入生物质气化炉4的生物质物料12，降低物料含水率，提高生物质转化率和合成气热值；
86.温、湿度计23，用于实时监测并反馈物料干燥箱7内的第二温度数据和湿度数据；
87.换热管16，用于通过热对流、热传导及热辐射等方式将低品位热能梯级投放至需热端。
88.光电回路包括：
89.太阳能光伏板阵列9，用于通过光电转换将太阳能转换成电能；
90.逆变器10，用于升高电压并实现直流/交流电压转换以满足用电需求；
91.传感器和控制器，用于检测和稳定送至各需热端的高温换热工质的温度。
92.光热回路利用太阳能集热器1产生热能并存储于高温储热装置2中，利用换热管16将热量依次传送至生物质气化炉4热解段、物料干燥箱7，并最终送达用户端，实现热能的梯级利用。光伏回路利用太阳能光伏板经光电转换产生电能，利用逆变器10变压后对系统内耗能设备如生物质气化炉4空气鼓风机11、钨电极6、干燥箱搅拌器19等自供电，或对用户端外接负载供电，不需要外界输入能量。
93.在一个实施例中，太阳能光伏板阵列9中的各个板的倾斜角默认与所在位置纬度相关联或相同。
94.在一个实施例中，利用控制器与传感器将流经生物质气化炉4热解段、物料干燥箱7、用户端的高温换热工质温度分别控制在700℃、200℃和100℃，实现热能的梯级利用。
95.在一个实施例中，物料干燥箱7中设有物料传送带8，根据箱内的温度和湿度调控传送带8转速，使干化后的物料含水率保持在15～30％。上吸式生物质气化炉4的底部和顶部分别对称设有四个空气入口17和四个合成气出口15。上吸式生物质气化炉4的空气入口17上方和合成气出口15下方分别设有钨电极6和接地环5。其中，钨电极6由逆变器10高压供电并与接地环5间可形成强电场，一方面实现空气电离并产生自由基加速生物质气化，另一方面形成离子风，有利于合成气的排出。
96.在一个实施例中，上吸式生物质气化炉4的底部和顶部分别对称设有四个空气入口17和四个合成气出口15。上吸式生物质气化炉4的钨电极6由逆变器10高压供电，实现空气电离并产生更多的自由基和离子风。
97.在一个实施例中，所述生物质气化炉4的底部和顶部分别设有底盖18和顶盖13。
98.在一个实施例中，太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统共包括两个回路，即光热回路和光电回路。其中，光热回路包括槽式太阳能集热器1、高温储热装置2、生物质气化炉4、空气鼓风机11、物料干燥箱7、温度计22、湿度计23和换热管16。光电回路包括太阳能光伏板阵列9、逆变器10、信息采集与控制装置如传感器24、控制器25等。
99.所述的一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实例中，光热回路利用太阳能集热器1经光热转换产生热能并存储于高温储热装置2中，利用换热管16将热量依次传送至生物质气化炉4热解段、物料干燥箱7，并最终送达用户端，并利用控制器24与传感器25将流经各需热端的高温换热工质温度依次控制在700℃、200℃和100℃，实现热能的梯级利用。光伏回路利用太阳能光伏板9经光电转换产生电能，利用逆变器10变压后对系统内耗能装置如生物质气化炉空气鼓风机11、钨电极6、干燥箱搅拌器19等自供电，或对用户端外接负载供电，不需要外界输入能量。
100.所述的一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实例中，上吸式生物质气化炉的底部18和顶部13分别对称设有四个空气入口17和四个合成气出口15。此外，空气入口上方17和合成气出口下方15分别设有钨电极6和接地环5。电场线14如图2所示。
101.生物质气化炉内的电势分布图如图4所示，其中，钨电极6由逆变器10高压供电并与接地环5间可形成强电场，最大电场模可达4.3523
×
106v/m，可实现空气电离。电离后的
空气与生物质物料12反应生成更多的自由基，有利于生物质热解及氧化还原反应的进行，提高合成气中h2、co的比例，降低焦油含量。此外，空气中的阴离子在钨电极6附近聚集，阳离子在电场力的作用下有序的向接地环5方向移动，产生离子风，如图5所示，加速合成气的排出。
102.所述的一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统的优选实例中，物料干燥箱7中设有温度计22和湿度计23以实时监测箱7内的温湿度，并反馈给物料传送带8的控制器。根据箱内的温度和湿度调控传送带8转速，使干化后的物料含水率保持在15～30％。降低物料含水率，提高生物质转化率和合成气热值。
103.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：

1.一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其特征在于，包括光热回路和光电回路，其中，光热回路包括；槽式太阳能集热器，其经光热转换产生热能；储热装置，用其存储所述热能并梯次传送至生物质气化炉和物料干燥箱，最终送达用户端；生物质气化炉，其将生物质物料经热解和氧化还原反应气化制备出燃料合成气，所述生物质气化炉包括；壳体，其具有底部和顶部，所述壳体热传递连接所述储热装置以升温到第一温度范围；至少一个空气入口，其设于所述底部或靠近底部的壳体侧壁；至少一个燃料合成气出口，其设于所述顶部或靠近顶部的壳体侧壁；物料入口，其设于所述顶部以导入生物质物料；钨电极，其设于所述底部，所述钨电极高压供电；接地环，其设于所述壳体且相对于所述钨电极，所述接地环和钨电极之间形成电离空气的电场，阳离子在电场力的作用下有序的向接地环方向移动以产生离子风，所述生物质物料在第一温度范围下的电场中热解和氧化还原反应气化得到燃料合成气；物料干燥箱，其连通所述物料入口以投入干燥后的生物质物料，所述物料干燥箱热传递连接所述储热装置以在第二温度范围内干燥生物质物料；光电回路包括：太阳能光伏板阵列，其经光电转换将太阳能转换成电能；逆变器，其连接太阳能光伏板阵列以升高电压并经由直流和交流转换向光热回路供电。2.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，优选的，所述光电回路还包括，第一温度传感器，其设于所述壳体以测量得到第一温度数据，所述第一温度传感器电连接所述逆变器；第二温度传感器，其设于所述物料干燥箱以测量得到第二温度数据，所述第二温度传感器电连接所述逆变器；控制器，其连接所述第一温度传感器、第二温度传感器、湿度计、逆变器和储热装置；响应于第一温度数据，控制器调节储热装置使得所述壳体处于第一温度范围内；响应于第二温度数据，控制器调节储热装置使得所述物料干燥箱处于第二温度范围内。3.根据权利要求2所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，所述物料干燥箱设有输入生物质物料的传送带和搅拌生物质物料的搅拌器，湿度计设于所述物料干燥箱以测量得到湿度数据，所述湿度计电连接所述逆变器，响应于湿度数据，控制器调节所述传送带的速度和/或搅拌器的搅拌速度使得所述物料干燥箱处于预定湿度范围内。4.根据权利要求3所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，预定湿度范围为搅拌后的生物质物料含水率为15-30％。5.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，所述空
气入口连接空气鼓风机，所述空气鼓风机连接所述逆变器和控制器，所述控制器基于所述电场强度调节空气鼓风机的功率。6.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，所述物料干燥箱设有配合传送带的单向推门和导出水分的蒸发水出口，所述传送带导热连接所述储热装置。7.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，储热装置经由换热管梯次传热至生物质气化炉和物料干燥箱，并最终送达用户端。8.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，第一温度范围处于700℃-500℃，第二温度范围处于200℃-100℃，用户端的温度低于100℃。9.根据权利要求1所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，所述壳体内自钨电极至接地环方向上依次分为氧化区、还原区、热解区和干燥区。10.根据权利要求9所述的太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其中，所述热解区经由换热管导热连接所述储热装置。

技术总结

公开了一种太阳能光伏-光热耦合强化的生物质气化系统，其包括光热回路和光电回路，储热装置存储热能并梯次传送至生物质气化炉和物料干燥箱，最终送达用户端；生物质气化炉将生物质物料通过热解和氧化还原反应气化制备出燃料合成气；接地环和钨电极之间形成电离空气的电场，阳离子在电场力的作用下有序的向接地环方向移动以产生离子风；物料干燥箱连通物料入口以投入干燥后的生物质物料，物料干燥箱热传递连接储热装置以在第二温度范围内干燥生物质物料；光伏板阵列经光电转换将太阳能转换成电能；逆变器连接太阳能光伏板阵列以升高电压，并经由直流和交流转换向光热回路供电。并经由直流和交流转换向光热回路供电。并经由直流和交流转换向光热回路供电。