權(quán)利要求書： 1.一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，包括聚光集熱裝置(1)、兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)、熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)、惰性氣體供給裝置(4)、真空泵(5)、氧傳感器(6)、高溫顯熱回收裝置(7)、熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置(8)、儲(chǔ)熱裝置(9)、中溫顯熱回收裝置(10)、氣體分離裝置(11)、化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)(12)、化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置(13)、換熱器(14)、混合氣(15)、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器(16)、壓縮機(jī)(17)、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器(18)、透平(19)、發(fā)電機(jī)(20)、氧氣(21)、空氣(22)、閥門Ⅰ(23)、閥門Ⅱ(24)、閥門Ⅲ(25)，其中：聚光集熱裝置(1)，用于將太陽光聚焦，提高能量密度，為系統(tǒng)提供能量；聚光集熱裝置(1)包括拋物線槽式、塔式、碟式、線性菲涅爾式、圓形菲涅爾式、平面聚光器中的一種或者多種；

兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)利用聚光集熱裝置(1)的熱量加熱熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)，使熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)發(fā)生還原反應(yīng)釋放氧氣，之后隔絕聚光集熱裝置，向被還原的氧載體中通入水/二氧化碳，發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣/一氧化碳并釋放熱量；

惰性氣體供給裝置(4)主要用于提供惰性氣體，在熱化學(xué)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃反應(yīng)器還原步反應(yīng)產(chǎn)生的O2，降低熱化學(xué)循環(huán)還原步氧分壓以提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率；

真空泵(5)用于抽吸兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)還原步產(chǎn)生的氧氣以降低氧分壓；

氧傳感器(6)連接在真空泵(5)之后，用于檢測(cè)氣體中氧含量；

閥門Ⅰ(23)、閥門Ⅱ(24)、閥門Ⅲ(25)用于控制氣路開閉從而將惰性氣體供給裝置(4)和真空泵(5)接入系統(tǒng)或斷開，從而與化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)(12)一同降低氧分壓，使得熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣以自然擴(kuò)散、真空泵抽氣、惰性氣體吹掃或先使用真空泵抽氣再使用惰性氣體吹掃的方式移出兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)；

熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置(8)用于向熱化學(xué)循環(huán)提供反應(yīng)需要消耗的水/二氧化碳；

氣體分離裝置(11)主要用于分離反應(yīng)產(chǎn)物和未參與反應(yīng)的反應(yīng)物，即分離氫氣和水蒸氣/分離一氧化碳和二氧化碳，獲得純凈的氫氣/一氧化碳；

高溫顯熱回收裝置(7)和中溫顯熱回收裝置(10)兩部分主要用于回收余熱，被回收的余熱包括熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)后的生成氣、氧載體、未反應(yīng)氣體和惰性氣體的熱量，這些余熱用于熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)物、惰性氣體的預(yù)熱，提供熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)過程反應(yīng)的吸熱量；

儲(chǔ)熱裝置(9)接收并儲(chǔ)存顯熱回收裝置回收的熱量，并將這些熱量供給熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)；

化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)(12)包括化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置(13)、換熱器(14)、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器(16)、壓縮機(jī)(17)、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器(18)、透平(19)、發(fā)電機(jī)(20)；

化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)(12)用于吸收熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)步的氧氣，降低熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)過程的氧分壓，提高熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)限度從而提高燃料制備效率；熱化學(xué)循環(huán)還原步為化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)提供氧氣，化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體，之后高溫高壓氣體通過透平(19)和發(fā)電機(jī)(20)做功發(fā)電；熱化學(xué)循環(huán)余熱驅(qū)動(dòng)化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)進(jìn)行，利用化學(xué)鏈循環(huán)還原劑還原或者自身高溫分解中的一種或者兩種結(jié)合的方式將化學(xué)鏈循環(huán)氧載體還原，使反應(yīng)能夠循環(huán)進(jìn)行；化學(xué)鏈循環(huán)氧化步能夠吸收熱化學(xué)循環(huán)還原過程吹掃所用的惰性氣體中攜帶的氧氣，使惰性氣體能循環(huán)利用。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)包括熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)、管道支架、反應(yīng)器外殼、透光材料、進(jìn)氣控制器、傳感器、其他附件；所述傳感器包括進(jìn)口的氣流流量傳感器、出口氧傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器；所述熱化學(xué)循環(huán)氧載體是鈣鈦礦、尖晶石和/或鐵、錳、鋅、鈰、鎳、鈷、鈮、銦、錫的一種或多種金屬氧化物或金屬摻雜氧化物。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，高溫顯熱回收裝置(7)利用熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氣體、未反應(yīng)氣體、吹掃用的惰性氣體以及氧載體的熱量加熱熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)所需的水蒸氣或二氧化碳，中溫顯熱回收裝置(10)則是利用熱化學(xué)循環(huán)氧化步出口氣體的熱量來為化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)提供能量，儲(chǔ)熱裝置(9)能夠收集儲(chǔ)存高溫顯熱回收裝置(7)和中溫顯熱回收裝置(10)的熱量，從而在不同時(shí)間利用熱量，解決了熱量利用時(shí)間不匹配的問題。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置(13)主要用于向化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)提供還原劑，還原劑是甲烷、二甲醚、煤、一氧化碳、氫氣或化學(xué)鏈燃燒常用還原劑；所述化學(xué)鏈循環(huán)氧載體是Ni?基氧載體、Co?基氧載體、Fe?基氧載體、Cu?基氧載體、Mn?基氧載體、尖晶石、鈣鈦礦或混合氧化物氧載體。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器(16)和化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器(18)是同一反應(yīng)器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)泵效率和惰性氣體吹掃效率綜合計(jì)算得到系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力，當(dāng)高于系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)先使用真空泵進(jìn)行熱化學(xué)循環(huán)還原步氧氣移除，隨著兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)中氧分壓降低，當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)使用惰性氣體吹掃進(jìn)行熱化學(xué)循環(huán)還原步氧氣移除；熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)中，當(dāng)氧分壓高于系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅱ(24)，關(guān)閉閥門Ⅰ(23)和閥門Ⅲ(25)以使用真空泵(5)降低氧分壓，當(dāng)氧傳感器(6)檢測(cè)到的氧分壓低于系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅰ(23)和閥門Ⅲ(25)，關(guān)閉閥門Ⅱ(24)以使用惰性氣體代替真空泵(5)在熱化學(xué)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃反應(yīng)器，繼續(xù)降低熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)器氧分壓以提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率，通過化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)吸收吹掃用的惰性氣體中攜帶的氧氣后，重新將惰性氣體通回惰性氣體供給裝置(4)中，以達(dá)到惰性氣?4體循環(huán)再利用的目的；所述系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力為0?10 atm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，惰性氣體降低熱化學(xué)循環(huán)還原步裝置內(nèi)的氧分壓后，攜帶氧氣進(jìn)入化學(xué)鏈子系統(tǒng)(12)中，利用化學(xué)鏈循環(huán)氧載體吸收其中的氧氣，惰性氣體得到純化，純化后的惰性氣體進(jìn)一步吸收儲(chǔ)熱裝置(9)熱量、吸收化學(xué)鏈循環(huán)氧化放熱反應(yīng)的熱量、或直接經(jīng)聚光集熱裝置(1)太陽能加熱中的任意一種、任意兩種結(jié)合或三種結(jié)合方式后溫度得到提升，純化后的惰性氣體用于熱化學(xué)循環(huán)下一個(gè)循環(huán)的還原步中氧分壓的降低。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)惰性氣體中的氧氣量不能滿足化學(xué)鏈循環(huán)氧化步所需時(shí)，向化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器內(nèi)通入適量的氧氣(21)或空氣(22)，提高化學(xué)鏈循環(huán)氧載體的氧化程度，增加氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體中的能量；所述化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)中，通入空氣(22)時(shí)，先通入攜帶氧氣的惰性氣體反應(yīng)后，再通入空氣(22)與化學(xué)鏈循環(huán)氧載體發(fā)生反應(yīng)，或空氣(22)與攜帶氧氣的惰性氣體在不同的反應(yīng)室內(nèi)與化學(xué)鏈循環(huán)氧載體發(fā)生反應(yīng)，避免空氣(22)與攜帶氧氣的惰性氣體摻混。

9.一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料的方法，應(yīng)用于權(quán)利要求

1?8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，該方法包括：

在兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)密閉的環(huán)境下，通過兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)的透光材料接收聚光集熱裝置(1)的能量，將熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)加熱至還原反應(yīng)溫度；當(dāng)氧分壓高于系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅱ(24)，關(guān)閉閥門Ⅰ(23)和閥門Ⅲ(25)，使用真空泵(5)降低氧分壓，當(dāng)氧傳感器(6)檢測(cè)到的氧分壓低于系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅰ(23)和閥門Ⅲ(25)，關(guān)閉閥門Ⅱ(24)，使用惰性氣體吹掃反應(yīng)器將殘余氧氣帶出反應(yīng)器，從而使得反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行、提高反應(yīng)限度最終提高系統(tǒng)的燃料制備效率；

還原步流出兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)的氣流為高溫惰性氣體和氧氣的混合氣(15)，混合氣(15)將先通過高溫顯熱回收裝置(7)，此熱量將用于加熱熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置(8)中的水蒸氣/二氧化碳至熱化學(xué)循環(huán)氧化溫度，多余的熱量將儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置(9)中；混合氣(15)溫度下降后，進(jìn)入化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)(12)，首先利用混合氣(15)以及儲(chǔ)熱裝置(9)中的熱量加熱化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置(13)，在化學(xué)鏈還原步反應(yīng)器(16)中還原化學(xué)鏈循環(huán)氧載體，將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；將氧載體還原后，向化學(xué)鏈氧化步反應(yīng)器(18)中通入壓縮機(jī)(17)壓縮后的混合氣(15)以使其中的氧氣與還原后的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱量、重新生成化學(xué)鏈循環(huán)氧載體并排出不含氧氣的惰性氣體，再利用透平(19)和發(fā)電機(jī)(20)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觯?br />
當(dāng)熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)完成后，隔絕聚光集熱裝置(1)，向兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器(2)中通入水蒸氣/二氧化碳，被還原的熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)和水蒸氣/二氧化碳發(fā)生氧化反應(yīng)生成氫氣/一氧化碳，熱化學(xué)循環(huán)氧載體(3)氧化后在下一個(gè)熱化學(xué)循環(huán)中利用；熱化學(xué)循環(huán)氧化步產(chǎn)生的混合氣為未反應(yīng)完的高溫水蒸氣和氫氣的混合氣/高溫二氧化碳和一氧化碳的混合氣，經(jīng)過中溫顯熱回收裝置(10)，將混合氣的熱量傳遞給儲(chǔ)熱裝置(9)；降溫后的混合氣經(jīng)過氣體分離裝置(11)將水和氫氣/二氧化碳和一氧化碳分離，得到純凈的氫氣/一氧化碳。

說明書： 一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法發(fā)明領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明屬于太陽能熱化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法。背景技術(shù)[0002] 氫氣是一種受到廣泛關(guān)注的清潔能源，但由于目前制氫還是以化石燃料重整制氫和工業(yè)副產(chǎn)品制氫為主，制取過程中會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放；一氧化碳是合成氣和煤氣等的主要成分并常用作燃料或化工原料。太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料技術(shù)以太陽能作為能量來源，利用兩步反應(yīng)分解水/二氧化碳制氫氣/一氧化碳，在反應(yīng)過程中僅消耗水/二氧化碳、循環(huán)過程清潔無污染物產(chǎn)生，氫氣/一氧化碳和氧氣在兩個(gè)步驟分別生成，避免了氣體分離的困難，具體反應(yīng)如下：[0003] 高溫TH發(fā)生還原反應(yīng):[0004][0005] 低溫TL發(fā)生氧化反應(yīng):[0006] Mred+H2O→Mox+H2(2)[0007] 或低溫TL發(fā)生氧化反應(yīng):[0008] Mred+CO2→Mox+CO(3)[0009] 凈反應(yīng)分別為：[0010][0011] 或：[0012][0013] 其中，Mox為高價(jià)態(tài)金屬氧化物，Mred為低價(jià)態(tài)金屬氧化物或金屬。兩步法熱化學(xué)循環(huán)主要包括雙溫法(還原反應(yīng)溫度TH與氧化反應(yīng)溫度TL溫度不同)和等溫法(還原反應(yīng)溫度TH與氧化反應(yīng)溫度TL溫度相同或接近)兩種形式。雙溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)的循環(huán)過程中還原步和氧化步溫差較大，但是由于溫度較高以及缺乏高效的固體熱回收手段，升溫降溫過程存在大量的熱量損失。等溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)將固態(tài)熱回收改為流體熱回收，可提高熱化學(xué)循環(huán)效率。[0014] 盡管太陽能熱化學(xué)循環(huán)兩步法具有潛在的高效率，例如采用典型的氧化鈰CeO2作為氧載體，還原溫度為1500℃時(shí)，即便不采用任何熱回收手段，理論太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率約為16％?19％，而目前太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段而未能得到大規(guī)模運(yùn)用，這是由于成本較高且太陽能到燃料的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率還在10％以下，其中，如何降低還原反應(yīng)時(shí)的氧分壓是一個(gè)非常重要的問題。熱化學(xué)循環(huán)還原步獲得較低的氧分壓，有利于促進(jìn)還原反應(yīng)不斷進(jìn)行，增大氧載體的還原程度，降低還原反應(yīng)開始的溫度，從而增大整個(gè)循環(huán)的產(chǎn)氣量，提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)中往往采用惰性氣體吹掃或者真空泵抽氣的方式獲得較低的熱化學(xué)循環(huán)還原步氧分壓，主要存在以下缺點(diǎn)：[0015] (1)使用惰性氣體吹掃的方法來降低氧分壓時(shí)，一方面，惰性氣體吹掃前要加熱到還原反應(yīng)溫度，將消耗大量的能量，另一方面，惰性氣體回收再利用過程需要進(jìn)行惰性氣體和氧氣組分的分離，消耗大量的分離功。[0016] (2)真空泵抽氣降低氧分壓的方法則有低氧分壓下(在10?3atm及以下時(shí))泵的機(jī)械效率隨氧分壓的降低而急劇下降的問題。[0017] 如何降低熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)的氧分壓對(duì)提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。本發(fā)明采用化學(xué)鏈循環(huán)與熱化學(xué)循環(huán)耦合的方式解決該問題?；瘜W(xué)鏈循環(huán)也包含還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)兩個(gè)步驟，氧載體在兩個(gè)步驟中發(fā)生還原和氧化，原理上與熱化學(xué)循環(huán)是一致的，但是通常化學(xué)鏈循環(huán)的溫度遠(yuǎn)低于熱化學(xué)循環(huán)的反應(yīng)溫度，具體反應(yīng)如下所示：[0018] 還原反應(yīng)為：[0019] MexOy→MexOy?1+0.5O2(6)[0020] 或：[0021] (2n+m)MexOy+CnH2m→(2n+m)MexOy?1+mH2O+nCO2(7)氧化反應(yīng)為：[0022] MexOy?1+0.5O2→MexOy(8)[0023] 化學(xué)鏈循環(huán)還原步通常是一個(gè)吸熱反應(yīng)，利用外界提供的熱量將化學(xué)鏈循環(huán)氧載體直接分解或者利用甲烷等還原劑實(shí)現(xiàn)氧載體還原，而后化學(xué)鏈循環(huán)氧載體在化學(xué)鏈循環(huán)氧化步中吸收氧氣發(fā)生強(qiáng)放熱的氧化反應(yīng)，過程中釋放的能量可加熱未發(fā)生反應(yīng)和未完全反應(yīng)的氣體以及氣體生成物，這部分高溫氣體進(jìn)一步在透平中膨脹做功發(fā)電，同時(shí)化學(xué)鏈循環(huán)氧載體重新被氧化以達(dá)到循環(huán)利用的目的。[0024] 根據(jù)化學(xué)鏈循環(huán)選用的氧載體和還原劑的不同，還原步所需的溫度也不同，這就能夠通過材料的選擇來匹配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。[0025] 為了便于區(qū)分，本專利中兩個(gè)循環(huán)分別表達(dá)為熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)，其中熱化學(xué)循環(huán)的還原和氧化反應(yīng)分別表達(dá)為熱化學(xué)循環(huán)還原步和熱化學(xué)循環(huán)氧化步，化學(xué)鏈循環(huán)的還原和氧化反應(yīng)分別表達(dá)為化學(xué)鏈循環(huán)還原步和化學(xué)鏈循環(huán)氧化步，循環(huán)采用的氧載體分別表達(dá)為熱化學(xué)循環(huán)氧載體和化學(xué)鏈循環(huán)氧載體。由于熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)實(shí)現(xiàn)過程均包括反應(yīng)器、進(jìn)氣出氣結(jié)構(gòu)等部件，為方便表達(dá)，將化學(xué)鏈相關(guān)反應(yīng)裝置流程整合表達(dá)為化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)。利用化學(xué)鏈循環(huán)裝置降低熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)器發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)的氧分壓，加上耦合必要的設(shè)備后，整個(gè)體系稱為一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)燃料制備的方法稱為一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料方法。發(fā)明內(nèi)容[0026] 有鑒于此，本發(fā)明提出一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法，利用化學(xué)鏈循環(huán)氧化步吸收熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氧氣，通過耦合化學(xué)鏈循環(huán)的方法降低熱化學(xué)循環(huán)還原步氧分壓，為了進(jìn)一步加速整個(gè)系統(tǒng)燃料制備速率，借助真空泵抽氣以及惰性氣體吹掃的方法降低發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)器的氧分壓，并且利用化學(xué)鏈循環(huán)氧化反應(yīng)去除惰性氣體吹掃后氣體混合物中的氧氣，實(shí)現(xiàn)惰性氣體的循環(huán)再生與再利用，此外還能將熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)后的生成氣體、氧載體、未反應(yīng)氣體和惰性氣體的余熱作為熱化學(xué)循環(huán)氧化反應(yīng)和化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)的能量來源，具體用來加熱兩個(gè)循環(huán)反應(yīng)的反應(yīng)物、惰性氣體、提供反應(yīng)所需吸熱量，達(dá)到余熱利用的目的，減少能量損耗。[0027] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：[0028] 一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)，包括聚光集熱裝置、兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器、熱化學(xué)循環(huán)氧載體、惰性氣體供給裝置、真空泵、氧傳感器、顯熱回收裝置、熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置、儲(chǔ)熱裝置、氣體分離裝置、化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)、化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器、換熱器、壓縮機(jī)、透平、發(fā)電機(jī)、閥門Ⅰ、閥門Ⅱ、閥門Ⅲ，其中：[0029] 所述聚光集熱裝置，用于將太陽光聚焦到兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器和惰性氣體供給裝置中，加熱熱化學(xué)循環(huán)氧載體和惰性氣體，提供熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)所需要的能量；聚光集熱裝置包括拋物線槽式、塔式、碟式、線性菲涅爾式、圓形菲涅爾式、平面聚光器中的一種或者多種；[0030] 所述兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器利用聚光集熱裝置的熱量加熱熱化學(xué)循環(huán)氧載體，使其發(fā)生還原反應(yīng)釋放氧氣，之后隔絕聚光集熱裝置，向被還原的氧載體中通入水/二氧化碳，發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣/一氧化碳并釋放熱量；[0031] 所述真空泵用于在反應(yīng)器氧分壓較高時(shí)抽吸兩步法熱化學(xué)燃料制備反應(yīng)器還原步產(chǎn)生的氧氣以降低氧分壓；[0032] 所述惰性氣體供給裝置主要用于提供惰性氣體，吹掃熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)產(chǎn)生的O2，降低熱化學(xué)循環(huán)還原步氧分壓；在氧分壓較低時(shí)代替真空泵在熱化學(xué)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃反應(yīng)器，再次降低熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)器氧分壓以提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率；[0033] 所述氧傳感器連接在真空泵之后，用于檢測(cè)氣體中氧含量；[0034] 所述顯熱回收裝置包括高溫顯熱回收裝置和中溫顯熱回收裝置兩部分，系統(tǒng)可以利用的余熱包括熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)后的生成氣、氧載體、未反應(yīng)氣體和惰性氣體的熱量，需要用熱的包括熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)，高溫顯熱回收裝置是利用熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氣體和吹掃用的惰性氣體的熱量加熱熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)所需的水蒸氣/二氧化碳，中溫顯熱回收裝置則回收熱化學(xué)循環(huán)氧化步出口氣體的熱量；[0035] 所述熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置將用于向熱化學(xué)循環(huán)提供反應(yīng)需要消耗的水/二氧化碳；[0036] 所述儲(chǔ)熱裝置接收并儲(chǔ)存顯熱回收裝置回收的部分熱量，并將這些熱量供給熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)；[0037] 所述氣體分離裝置主要用于分離反應(yīng)產(chǎn)物和未參與反應(yīng)的反應(yīng)物，氫氣和水蒸氣/一氧化碳和二氧化碳，獲得純凈的氫氣/一氧化碳；[0038] 所述化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)包括化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置、換熱器、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器、壓縮機(jī)、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器、透平、發(fā)電機(jī)；[0039] 所述化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)用于吸收熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)步的氧氣，降低熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)過程的氧分壓，提高熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)限度從而提高燃料制備效率；所述熱化學(xué)循環(huán)還原步為化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)提供氧氣，化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體，之后高溫高壓氣體通過透平和發(fā)電機(jī)做功發(fā)電；所述熱化學(xué)循環(huán)余熱驅(qū)動(dòng)化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)進(jìn)行，利用化學(xué)鏈循環(huán)還原劑還原或者自身高溫分解中的一種或者兩種結(jié)合的方式將化學(xué)鏈循環(huán)氧載體還原，使反應(yīng)能夠循環(huán)進(jìn)行；所述化學(xué)鏈循環(huán)氧化步能夠吸收吹掃用的惰性氣體中攜帶的氧氣，使惰性氣體能循環(huán)利用。[0040] 所述兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器包括管道支架、反應(yīng)器外殼、透光材料、進(jìn)氣控制器、傳感器、熱化學(xué)循環(huán)氧載體、其他附件；所述傳感器包括進(jìn)口的氣流流量傳感器、出口氧傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器；所述熱化學(xué)循環(huán)氧載體是鈣鈦礦、尖晶石和/或鐵、錳、鋅、鈰、鎳、鈷、鈮、銦、錫的一種或多種金屬氧化物或金屬摻雜氧化物。[0041] 所述高溫顯熱回收裝置是利用熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氣體、未反應(yīng)氣體、吹掃用的惰性氣體以及氧載體的熱量加熱氧化步反應(yīng)所需的水蒸氣或二氧化碳，中溫顯熱回收裝置則是利用氧化步出口氣體的熱量來為化學(xué)鏈反應(yīng)提供能量；所述儲(chǔ)熱裝置能夠收集儲(chǔ)存高溫顯熱回收裝置和中溫顯熱回收裝置的熱量，從而在不同時(shí)間利用熱量，解決了熱量利用時(shí)間不匹配的問題。[0042] 所述化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置主要用于向化學(xué)鏈還原步反應(yīng)提供還原劑，還原劑是甲烷、二甲醚、煤、一氧化碳、氫氣或化學(xué)鏈燃燒常用還原劑；所述化學(xué)鏈循環(huán)氧載體是Ni?基氧載體、Co?基氧載體、Fe?基氧載體、Cu?基氧載體以及其他混合氧化物氧載體。[0043] 所述化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器和化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器可以是同一反應(yīng)器。[0044] 所述最優(yōu)臨界壓力根據(jù)泵效率和惰性氣體吹掃效率綜合計(jì)算得到，當(dāng)高于此壓力時(shí)使用真空泵效率較高，低于此壓力時(shí)使用惰性氣體吹掃效率較高；熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)中，當(dāng)氧分壓高于最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅱ，關(guān)閉閥門Ⅰ和閥門Ⅲ以使用真空泵降低氧分壓，當(dāng)氧傳感器檢測(cè)到的氧分壓低于最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅰ和閥門Ⅲ，關(guān)閉閥門Ⅱ以使用惰性氣體代替真空泵在熱化學(xué)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃反應(yīng)器，再次降低熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)器氧分壓以提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率，通過化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)吸收吹掃用的惰性氣體中攜帶的氧氣后，重新將惰性氣體通回惰性氣體供給裝置中，以達(dá)到惰性氣?4體循環(huán)再利用的目的；所述系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力為0?10 atm。

[0045] 所述惰性氣體降低熱化學(xué)循環(huán)還原步裝置內(nèi)的氧分壓后，攜帶氧氣進(jìn)入化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)裝置中，利用化學(xué)鏈循環(huán)氧載體吸收其中的氧氣，惰性氣體得到純化，純化后的惰性氣體進(jìn)一步吸收儲(chǔ)熱裝置熱量、吸收化學(xué)鏈循環(huán)氧化放熱反應(yīng)的熱量、或直接經(jīng)聚光集熱裝置太陽能加熱中的任意一種、任意兩種結(jié)合或三種結(jié)合方式后溫度得到提升，純化后的惰性氣體用于熱化學(xué)循環(huán)下一個(gè)循環(huán)的還原步中氧分壓的降低。[0046] 所述化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)中，當(dāng)惰性氣體中的氧氣量不能滿足化學(xué)鏈循環(huán)氧化步所需時(shí)，向化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器內(nèi)通入適量的純氧氣或空氣，提高化學(xué)鏈循環(huán)氧載體的氧化程度，增加氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體中的能量；所述化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)中，通入空氣時(shí)，先通入攜帶氧氣的惰性氣體反應(yīng)后，再通入空氣與化學(xué)鏈循環(huán)氧載體發(fā)生反應(yīng)，或空氣與攜帶氧氣的惰性氣體在不同的反應(yīng)室內(nèi)與化學(xué)鏈循環(huán)氧載體發(fā)生反應(yīng)，避免空氣與攜帶氧氣的惰性氣體摻混。[0047] 一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)具體流程包括：在熱化學(xué)制備燃料的還原步反應(yīng)開始之前，聚光集熱裝置收集高溫?zé)嵩窗l(fā)出的能量用于加熱還原步反應(yīng)物(即熱化學(xué)循環(huán)氧載體)和吹掃用的惰性氣體。在反應(yīng)器密閉的環(huán)境下，通過反應(yīng)器上的玻璃板接收聚光集熱裝置的能量，將氧載體材料加熱至反應(yīng)溫度；此時(shí)，隨著溫度的升高和反應(yīng)的進(jìn)行，首先通過真空泵抽吸的方式將反應(yīng)器中原有的氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣帶出反應(yīng)器，當(dāng)氧分壓很低時(shí)，繼續(xù)使用真空泵耗能將隨著氧分壓的降低而大幅上升，故停止使用真空泵，改向反應(yīng)器中通入惰性氣體以將殘余氧氣帶出反應(yīng)器，從而使得反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行、提高反應(yīng)限度最終提高系統(tǒng)的燃料制備效率。[0048] 出還原步反應(yīng)器的氣流為高溫惰性氣體和氧氣的混合氣，混合氣將通過高溫顯熱回收裝置，此熱量將用于加熱氧化步反應(yīng)物，多余的熱量將儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置中；所述氧化步反應(yīng)物是水蒸氣/二氧化碳，經(jīng)過加熱后溫度需達(dá)到氧化步的要求。[0049] 經(jīng)過顯熱回收的惰性氣體和氧氣的混合氣溫度下降后，作為中低溫化學(xué)鏈循環(huán)的反應(yīng)物進(jìn)入循環(huán)。首先利用混合氣以及儲(chǔ)熱裝置中的熱量驅(qū)動(dòng)甲烷、二甲醚或化學(xué)鏈燃燒常用還原劑還原Ni?基氧載體、Co?基氧載體、Fe?基氧載體、CoO?NiO復(fù)合金屬氧化物氧載體，將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。將氧載體還原后，再向其中通入混合氣以使混合氣中的氧氣與還原后的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱量、重新生成化學(xué)鏈循環(huán)氧載體并排出不含氧氣的惰性氣體，再將此熱量用于發(fā)電等用途。[0050] 同時(shí)，考慮到進(jìn)入化學(xué)鏈循環(huán)中的混合氣為熱化學(xué)還原步產(chǎn)生的氧氣和吹掃用的惰性氣體，而由于要使還原步反應(yīng)進(jìn)行的更完全就要盡可能降低反應(yīng)器中的氧分壓，這就導(dǎo)致混合氣中的氧氣含量較低，這可能會(huì)影響化學(xué)鏈循環(huán)中放出的熱量從而影響發(fā)電量。所以在混合氣進(jìn)入化學(xué)鏈反應(yīng)前，可以考慮壓縮混合氣或向混合氣中通入適量氧氣從而在完全除去混合氣中氧氣的前提下盡可能減小對(duì)化學(xué)鏈本身的影響。

[0051] 當(dāng)還原步的反應(yīng)達(dá)到反應(yīng)限度不再繼續(xù)反應(yīng)后，不再將聚光集熱裝置的熱量用于加熱還原步反應(yīng)物而用于加熱之后反應(yīng)使用的吹掃用惰性氣體；此時(shí)，向熱化學(xué)反應(yīng)器中通入加熱后的水蒸氣/二氧化碳，氧化步的反應(yīng)為被還原而產(chǎn)生氧缺位的熱化學(xué)循環(huán)氧載體材料和高溫水蒸氣/二氧化碳反應(yīng)生成氫氣/一氧化碳并將材料氧化以達(dá)到循環(huán)的目的。[0052] 氧化步產(chǎn)生的混合氣為未反應(yīng)完的高溫水蒸氣和氫氣的混合氣/高溫二氧化碳和一氧化碳的混合氣，氣流溫度接近氧化反應(yīng)的溫度，為了提高系統(tǒng)效率，再加入中溫顯熱回收的裝置，將混合氣的熱量傳遞給儲(chǔ)熱裝置收集利用；此時(shí)，經(jīng)熱回收后的混合氣經(jīng)過氣體分離裝置分離水和氫氣/分離二氧化碳和一氧化碳，得到純凈的氫氣/一氧化碳。[0053] 本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是：[0054] (1)溫度梯度利用。由于太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料所需的溫度較高且還原步和氧化步間溫差較大，本發(fā)明利用熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)后的生成氣體、氧載體、未反應(yīng)氣體和惰性氣體的余熱來加熱熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)，梯級(jí)利用不同溫度的熱量從而增加系統(tǒng)的整體熱效率。熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)后的氣體生成物和惰性氣體預(yù)熱熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物中的水蒸氣/二氧化碳其余熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置中，而熱化學(xué)循環(huán)氧載體余熱、熱化學(xué)循環(huán)氧化反應(yīng)后的生成氣和氧化步反應(yīng)后的混合氣體的余熱進(jìn)入儲(chǔ)熱裝置，再將儲(chǔ)熱裝置作為化學(xué)鏈循環(huán)還原反應(yīng)的熱量來源，驅(qū)動(dòng)化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)生電能。[0055] (2)在兩步法熱化學(xué)循環(huán)的還原步中通過真空泵抽吸和惰性氣體吹掃相結(jié)合的方法將反應(yīng)器中的氧分壓降到很低，低氧分壓可以提高還原步反應(yīng)物的還原程度從而增加燃料產(chǎn)量。在氧分壓較高時(shí)使用真空泵抽吸，而當(dāng)氧分壓較低時(shí)，泵的機(jī)械效率隨氧分壓的降低而急劇下降，故換用惰性氣體吹掃的方法繼續(xù)降低氧分壓。[0056] (3)將化學(xué)鏈循環(huán)和太陽能兩步法熱化學(xué)制備燃料循環(huán)耦合，在不影響兩個(gè)子系統(tǒng)功能的前提下，將惰性氣體與氧氣的分離步驟融合到系統(tǒng)中來，以使惰性氣體能夠在反應(yīng)中循環(huán)利用。這將節(jié)省原本用于惰性氣體分離能量，同時(shí)利用混合氣中的余熱給化學(xué)鏈反應(yīng)供能，充分利用熱量，提高太陽能到燃料的制備效率。附圖說明[0057] 圖1為一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)示意圖；[0058] 圖2為圖1另外一種僅使用惰性氣體的耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料系統(tǒng)示意圖；[0059] 圖3為圖1另外一種僅使用真空泵的耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料系統(tǒng)示意圖；[0060] 圖4為圖1另外一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)示意圖；[0061] 圖5為一種化學(xué)鏈循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)圖；[0062] 圖6為圖5另一種通入氧氣的化學(xué)鏈循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)圖；[0063] 圖7為圖5另一種通入壓縮空氣的化學(xué)鏈循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)圖。[0064] 其中，1?聚光集熱裝置、2?兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器、3?熱化學(xué)循環(huán)氧載體、4?惰性氣體供給裝置、5?真空泵、6?氧傳感器、7?高溫顯熱回收裝置、8?熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置、9?儲(chǔ)熱裝置、10?中溫顯熱回收裝置、11?氣體分離裝置、12?化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)、13?化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置、14?換熱器、15?混合氣、16?化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器、17?壓縮機(jī)、18?化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器、19?透平、20?發(fā)電機(jī)、21?氧氣、22?空氣、23?閥門Ⅰ、24?閥門Ⅱ、25?閥門Ⅲ。

具體實(shí)施方式[0065] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：[0066] 如圖1和圖5中所示，本發(fā)明提供了一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法，具體包括聚光集熱裝置1、兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2、熱化學(xué)循環(huán)氧載體3、惰性氣體供給裝置4、真空泵5、氧傳感器6、高溫顯熱回收裝置7、熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置8、儲(chǔ)熱裝置9、中溫顯熱回收裝置10、氣體分離裝置11、化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12、化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13、換熱器14、混合氣15、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16、壓縮機(jī)17、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18、透平19、發(fā)電機(jī)20、氧氣21、空氣22、閥門Ⅰ23、閥門Ⅱ24、閥門Ⅲ25等部分；所述兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2包括管道支架、反應(yīng)器外殼、透光材料、進(jìn)氣控制器、傳感器、熱化學(xué)循環(huán)氧載體、其他附件；所述傳感器包括進(jìn)口的氣流流量傳感器、出口氧傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器；所述熱化學(xué)循環(huán)氧載體3是鈣鈦礦、尖晶石和/或鐵、錳、鋅、鈰、鎳、鈷的氧化物；所述化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12由化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13、換熱器14、化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16、壓縮機(jī)17、化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18、透平19、發(fā)電機(jī)20構(gòu)成；

所述化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13主要用于向化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16提供還原劑，還原劑是甲烷、二甲醚或化學(xué)鏈燃燒常用還原劑。

[0067] 聚光集熱裝置1用于將太陽光聚焦，提供熱化學(xué)循環(huán)和化學(xué)鏈循環(huán)所需要的能量；兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2利用聚光集熱裝置1的熱量加熱熱化學(xué)循環(huán)氧載體3以及惰性氣體供給裝置4提供的惰性氣體，使熱化學(xué)循環(huán)氧載體3發(fā)生還原反應(yīng)釋放氧氣，之后隔絕聚光集熱裝置1，向被還原的熱化學(xué)循環(huán)氧載體3中通入水/二氧化碳，發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣/一氧化碳并釋放熱量；真空泵5在反應(yīng)器氧分壓高于最優(yōu)臨界壓力時(shí)抽吸兩步法熱化學(xué)燃料制備反應(yīng)器2還原步產(chǎn)生的氧氣以降低氧分壓，氧傳感器6檢測(cè)到氧分壓低于最優(yōu)臨界壓力時(shí)，換用惰性氣體供給裝置4提供惰性氣體以代替真空泵5在熱化學(xué)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃反應(yīng)器，繼續(xù)降低熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)器氧分壓以提高太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率。

[0068] 高溫顯熱回收裝置7是利用熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氣體、未反應(yīng)氣體、吹掃用的惰性氣體以及熱化學(xué)循環(huán)氧載體的熱量加熱氧化步反應(yīng)所需的水蒸氣/二氧化碳，中溫顯熱回收裝置10則回收氧化步出口氣體的熱量，儲(chǔ)熱裝置9接收并儲(chǔ)存高溫顯熱回收裝置7和中溫顯熱回收裝置10回收的熱量，并將這些熱量輸入到熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置8和化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16中。[0069] 化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12將用于吸收熱化學(xué)循環(huán)還原反應(yīng)步的氧氣，降低還原反應(yīng)過程的氧分壓，化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13主要用于向化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16提供還原劑，化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16吸收熱量，利用還原劑將化學(xué)鏈循環(huán)氧載體還原后，化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18中被還原的化學(xué)鏈循環(huán)氧載體和混合氣15或氧氣21或空氣22提供的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的熱，透平19和發(fā)電機(jī)20將高溫氣體的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。[0070] 具體實(shí)施例，如圖1和圖5所示，應(yīng)用所述的一種耦合化學(xué)鏈循環(huán)的太陽能熱化學(xué)制備燃料系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法包括：聚光集熱裝置1收集高溫?zé)嵩窗l(fā)出的能量用于加熱還原步反應(yīng)物(即熱化學(xué)循環(huán)氧載體3)和惰性氣體供給裝置4；在兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2密閉的環(huán)境下，通過反應(yīng)器上的玻璃板接收聚光集熱裝置1的能量，將熱化學(xué)循環(huán)氧載體3加熱至反應(yīng)溫度；此時(shí)，隨著溫度的升高和反應(yīng)的進(jìn)行，首先打開閥門Ⅱ24，關(guān)閉閥門Ⅰ23和閥門Ⅲ25通過真空泵5抽吸的方式將反應(yīng)器中原有的氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣帶出反應(yīng)器，當(dāng)氧傳感器6檢測(cè)到氧分壓低于最優(yōu)臨界壓力時(shí)，打開閥門Ⅰ23和閥門Ⅲ25，關(guān)閉閥門Ⅱ24，改用惰性氣體供給裝置4向反應(yīng)器中通入惰性氣體以將殘余氧氣帶出反應(yīng)器，從而使得反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行、提高反應(yīng)限度最終提高系統(tǒng)的燃料制備效率；還原步出兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2的氣流為高溫惰性氣體和氧氣的混合氣，混合氣將通過高溫顯熱回收裝置7，此熱量將用于加熱熱化學(xué)循環(huán)原料供給裝置8中的水蒸氣/二氧化碳至氧化步的要求，多余的熱量將儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置9中；混合氣溫度下降后，進(jìn)入化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12，首先利用混合氣以及儲(chǔ)熱裝置9中的熱量加熱化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13，在化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16中還原化學(xué)鏈循環(huán)氧載體，將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；將氧載體還原后，向化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18中通入壓縮機(jī)17壓縮后的混合氣15以使混合氣中的氧氣與還原后的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱量、重新生成化學(xué)鏈循環(huán)氧載體并排出不含氧氣的惰性氣體，再利用透平19和發(fā)電機(jī)20將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?；?dāng)還原步的反應(yīng)達(dá)到反應(yīng)限度不再繼續(xù)反應(yīng)后，隔絕聚光集熱裝置1，向兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2中通入加熱后的水蒸氣/二氧化碳，氧化步的反應(yīng)為被還原而產(chǎn)生氧缺位的熱化學(xué)循環(huán)氧載體3和高溫水蒸氣/二氧化碳反應(yīng)生成氫氣/一氧化碳并將材料氧化以達(dá)到循環(huán)的目的；氧化步產(chǎn)生的混合氣為未反應(yīng)完的高溫水蒸氣和氫氣的混合氣/高溫二氧化碳和一氧化碳的混合氣，氣流溫度接近氧化反應(yīng)的溫度，為了提高系統(tǒng)效率，再加入中溫顯熱回收裝置10，將混合氣的熱量傳遞給儲(chǔ)熱裝置9；此時(shí)，經(jīng)熱回收后的混合氣經(jīng)過氣體分離裝置11分離水和氫氣/分離二氧化碳和一氧化碳，得到純凈的氫氣/一氧化碳。

[0071] 如圖2所示的一個(gè)實(shí)施例中，取消真空泵5和氧傳感器6，即在圖1所示系統(tǒng)中打開閥門Ⅰ23和閥門Ⅲ25，關(guān)閉閥門Ⅱ24，直接使用惰性氣體供給裝置4提供惰性氣體進(jìn)行吹掃的方法降低兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2中還原步的氧分壓，與圖1相比，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了系統(tǒng)流程，減少步驟，但所需惰性氣體多，將惰性氣體加熱至還原步反應(yīng)溫度需要消耗大量能量，導(dǎo)致反應(yīng)效率的下降。[0072] 如圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，即在圖1所示系統(tǒng)中關(guān)閉閥門Ⅰ23和閥門Ⅲ25，打開閥門Ⅱ24，取消惰性氣體供給裝置4，僅使用真空泵5抽吸的方法降低兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2中還原步的氧分壓，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化流程，避免了加熱惰性氣體導(dǎo)致的能量消耗，但真空泵抽吸降低氧分壓的方法存在極限且在低氧分壓下隨著氧分壓的降低消耗的泵功急劇上升，導(dǎo)致循環(huán)耗能提高，總效率下降。[0073] 如圖4所示的一個(gè)實(shí)施例中，即在圖1所示系統(tǒng)中關(guān)閉閥門Ⅰ23和閥門Ⅱ24，打開閥門Ⅲ25，取消惰性氣體供給裝置4、真空泵5、氧傳感器6，依靠自然擴(kuò)散的方法，利用化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)消耗熱化學(xué)循環(huán)還原步產(chǎn)生的氧氣，從而降低兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2的氧分壓。[0074] 如圖1和圖6所示的一個(gè)實(shí)施例中，在化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12中取消了壓縮機(jī)17改而通入純氧氣21，此時(shí)通入的氧氣的量需要經(jīng)過計(jì)算，保證通過化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18后將混合氣中的氧氣完全吸收的前提下，通過調(diào)整氧氣的量以減小對(duì)化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)發(fā)電量的影響。[0075] 如圖1和圖7所示的一個(gè)實(shí)施例中，使用壓縮機(jī)17壓縮空氣后通入化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18，在此流程中，混合氣15和壓縮空氣在化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18中先后發(fā)生反應(yīng)以避免氣體的摻雜導(dǎo)致惰性氣體無法循環(huán)利用。[0076] 當(dāng)使用惰性氣體在熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)時(shí)吹掃兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2，不直接使用聚光集熱裝置1中的熱量為惰性氣體供給裝置4中的惰性氣體加熱，而將常溫惰性氣體直接通入兩步法熱化學(xué)循環(huán)制備燃料反應(yīng)器2中。[0077] 系統(tǒng)中熱量回收裝置的熱量來源為熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)后的生成氣、氧載體、未反應(yīng)氣體和惰性氣體的熱量，需要用熱的包括熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)，以儲(chǔ)熱裝置9作為中轉(zhuǎn)，能夠?qū)⒂酂岫純?chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置9中并以儲(chǔ)熱裝置9作為熱源向熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)物和化學(xué)鏈循環(huán)的吸熱還原反應(yīng)供熱。[0078] 熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)后的生成氣、氧載體和惰性氣體中的熱量用于加熱熱化學(xué)循環(huán)氧化步的反應(yīng)物，即水或二氧化碳，而熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)后的生成氣、氧載體和惰性氣體的余熱以及熱化學(xué)循環(huán)氧化步反應(yīng)后的生成氣、氧載體和未反應(yīng)氣體的熱量用于加熱化學(xué)鏈循環(huán)氧載體及還原劑。[0079] 取消化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13，化學(xué)鏈循環(huán)還原步反應(yīng)器16中的化學(xué)鏈循環(huán)氧載體僅依靠熱化學(xué)循環(huán)提供的熱量發(fā)生還原反應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了系統(tǒng)的物質(zhì)輸入，但更高的溫度就對(duì)化學(xué)鏈循環(huán)反應(yīng)器有更高的要求。[0080] 當(dāng)熱化學(xué)循環(huán)氣體余熱不足以提供化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12所需時(shí)，使用聚光集熱裝置1額外提供熱量以加熱化學(xué)鏈循環(huán)氧載體和化學(xué)鏈循環(huán)供氣裝置13，使化學(xué)鏈反應(yīng)能夠正常進(jìn)行、完全吸收混合氣15中的氧氣。[0081] 當(dāng)熱化學(xué)循環(huán)氣體余熱不足以提供化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12所需時(shí)，額外使用燃料如化石燃料煤、石油或甲烷、甲醇等燃料燃燒以向化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12提供熱量，使化學(xué)鏈反應(yīng)能夠正常進(jìn)行，完全吸收混合氣15中的氧氣。[0082] 當(dāng)熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣量不足供給化學(xué)鏈循環(huán)氧化反應(yīng)時(shí)，可以將多個(gè)熱化學(xué)循環(huán)的混合氣15通入同一個(gè)化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12的化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18中，提高氧氣量，從而增加化學(xué)鏈子系統(tǒng)12的發(fā)電量。

[0083] 當(dāng)熱化學(xué)循環(huán)還原步反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣量過多時(shí)，將出熱化學(xué)循環(huán)的混合氣15通入多個(gè)化學(xué)鏈循環(huán)子系統(tǒng)12的化學(xué)鏈循環(huán)氧化步反應(yīng)器18中，從而確保混合氣15中的氧氣完全被化學(xué)鏈循環(huán)中的氧化反應(yīng)吸收。[0084] 系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力為0?10?4atm，隨著真空泵技術(shù)的發(fā)展和效率的提升，當(dāng)氧分壓較低時(shí)，真空泵效率依然能夠保持較高的效率，使用真空泵抽吸的消耗低于惰性氣體吹掃的耗能，這就會(huì)導(dǎo)致氧分壓更低時(shí)使用惰性氣體吹掃的效率才高于使用真空泵，從而使得系統(tǒng)最優(yōu)臨界壓力降低。[0085] 由此，本發(fā)明中具體實(shí)施方式的描述，并非是對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)技術(shù)方案所做出的任何變形和改進(jìn)將仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。