太阳能高温热化学转换过程中粒子系的光谱辐射传输机理及调控机制研究

High temperature solar thermochemical particle reactor can couple the energy absorption, heat transfer and catalyst in the reactor with good stability and high efficiency, which has broad application prospect. Radiative transfer accounts the mainly part of heat transfer in the high temperature solar thermochemical particle reactor. As the energy conversion efficiency is highly related to the radiative properties of particles, this application would research the following contents: 1. Setting up high-temperature particle-based spectral radiative characteristic experimental rig, and developing theoretical models for radiative property calculation of high-temperature particles; 2. Building precise multi-dimensional, multi-spectral radiative transfer model for high temperature solar thermochemical particle reactor and develop the numerical calculation method with high efficiency and precision; 3. Combining the experimental measurements and numerical method to study the “light-heat-thermochemical” coupled problems, obtaining the effects of particle shape, density and particle size distribution on energy conversion efficiency in the particle reactor, and revealing the mechanism of regulating the radiative transfer to optimize temperature distribution and improving the energy conversion efficiency in the particle reactor. The achievement of this study can provide theoretical guidelines for developing high temperature solar thermochemical particle reactor with high efficiency and low cost.

基于粒子为能量吸收、热量传递及催化剂载体的太阳能高温热化学反应器可以将集热和热化学反应耦合在反应器内同时完成，具有稳定性好、效率高等优点而具有广泛的应用前景，其中高温热辐射是粒子系反应器内主要传热方式。针对反应器内能量转换效率受粒子系光谱辐射特性严重影响的问题，本申请拟开展：1、搭建高温粒子系光谱辐射特性实验测量平台，开展考虑粒子辐射场间相互干扰的高温球形、非球形粒子系光谱辐射特性理论建模研究；2、构建精确模拟粒子系反应器内多维、多光谱辐射输运模型，并发展高效精确数值算法；3、采用实验测量和数值计算相结合的方法开展太阳能高温热化学转换过程中粒子系反应器内“光-热-化学”多场耦合研究，获得粒子的形状、浓度、粒径分布等参数对反应器内能量转换效率的影响规律，揭示通过调整粒子系光谱辐射特性参数实现粒子系反应器内能量转换效率提高的调控机制，为研发高效、低成本粒子系太阳能高温热化学反应器提供理论指导。

基于粒子为能量吸收、热量传递及催化剂载体的太阳能高温热化学反应器可以将集热和热化学反应耦合在反应器内同时完成，具有稳定性好、效率高等优点而具有广泛的应用前景，其中高温热辐射是反应器内主要传热方式。针对反应器内能量转换效率受粒子系光谱辐射特性严重影响的问题，本项目开展了金属氧化物粒子、高温光学窗口等材料基础辐射物性的测量及光谱辐射特性参数反演的研究，为先进太阳能光热、热化学转换的研究提供基础辐射物性参数；提出采用激光粒度分析仪提取每种粒径Di及对应的体积分数fv,i，结合米散射理论建立考虑合粒径非均一效应的光谱辐射特性修正模型，将现有误差由30%降到4%；构建了太阳能光-热-化学转换的多场耦合分析模型，从光、热、化学多角度揭示了高温弥散介质内的复杂能量协同转换机制；采用电磁理论分析结合实验测试厘清了通过调整粒子系辐射特性参数实现反应器内光谱辐射强度空间分布优化并进而提高催化剂粒子对局域体积光子吸收率及温度空间分布优化的调控机制，发现了太阳能光热协同催化产氢反应中最佳温度点及最佳催化剂粒子半径，并指导实验产氢率提升10%及以上。. 申请人以第一/通讯作者发表SCI检索论文27篇，EI检索论文1篇、中文期刊及其他期刊论文3篇，授权发明专利1项，入选ESI高引论文1篇，入选ES Energy & Environment期刊后封面文章1篇。相关成果获2018年黑龙江省自然科学一等奖“太阳能高温光热转换中的能流输运机理研究”（序3）、2019年威海市自然科学优秀学术成果一等奖“太阳能光-热-化学转换中的复杂能量转换机制及光谱辐射调控方法”（序1）、2020年黑龙江省自然科学二等奖“中低温热能高效利用机制”（序5）。项目执行期间，申请人先后入选山东省泰山青年学者、威海市有突出贡献中青年专家。