太阳能热化学反应中金属氧化物光谱辐射特性演变与输运

Combined theoretical, experimental and numerical analysis, thermochemical decomposition characteristics of a semi-transparent metal-oxide particle under direct irradiation are studied on the basis of radiative heat transfer and thermochemical theory. Representation and forecasting model are also built on spectral radiative properties of a semi-transparent particle with heterogeneous thermochemical decomposition status. Furthermore, the relationships between chemical reaction parameters and heat/mass transfer parameters including energy, spectrum, and temperature are analyzed in this project. According to the coupling effect of radiation field and chemical reaction field, the evolution and transfer model of spectral radiation properties and multi-scale analysis method are proposed on the reacting flow with pyrolyzed metal-oxide particle using concentrated solar energy. At last, the entropy production and exergy loss in the solar thermochemical flow are studied by a concrete sample. The results can guide the optimum design of solar thermochemical system and establish a theoretical foundation to evaluate the thermochemical catalyst performance and the solar-to-fuel energy conversion efficiency. This project belongs to an application and fundamental research program in the fields of new energy, thermochemical process, and heat and mass transfer.

本项目是理论研究、数值模拟、实验测量相结合，从辐射传热学和热化学出发，研究聚集辐照下半透明金属氧化物粒子的热化学分解特性，建立非均匀热解态半透明大粒子高温光谱辐射物性表征和预测模型。分析热质输运参数中能量、光谱、温度与化学反应参数之间的关联，考察辐射场与化学反应场的交互作用，创建聚集太阳辐照下金属氧化物粒子热解反应流的光谱辐射特性演变和输运模型，建立太阳能热化学矢量瞬态光谱辐射的多尺度分析方法，结合具体实例分析太阳能热化学反应流的熵产和(火用)损特性，为指导太阳能热化学系统的优化设计、太阳能热化学燃料转化效率和热化学催化剂性能评估提供理论基础，可在新能源、热化学、传热传质等领域发挥作用，是一项应用基础性研究课题。

本项目研制了能源材料光谱透反特性和太阳能热化学反应流传输特性测试系统，建立了金属氧化物粒子光谱辐射物性表征模型和腔式太阳能反应器内空间㶲分布模型，提出了聚集辐照下热化学反应流中热输运过程模拟算法和热力学分析算法，揭示了太阳能热化学反应中金属氧化物光谱辐射特性演变与输运规律，获得了几何参数、颗粒参数、温度和热回收系统等工况条件对系统效率以及太阳能-化学能转化效率的影响规律，为太阳能热化学反应系统的设计提供指导原则，为科学地组织太阳辐射能的利用、实现太阳能热化学燃料高效转化奠定理论基础，具有重要的理论价值和广泛的工程应用前景。.项目在执行期间已发表学术期刊论文21篇，其中SCI、EI双检论文15篇，EI单检论文6篇；国际学术会议论文6篇；学术特邀报告9篇；出版学术专著1本；申请国家发明专利15项，其中10项已授权；培养博士生5人（其中3人已毕业），硕士生6人（其中4人已毕业）；项目负责人兼任Smart Science, Energy Technology & Policy等国际杂志编委；项目负责人获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助，入选教育部青年长江学者；获得2015年度国防技术发明二等奖1项（序5）和2016年度黑龙江省自然科学一等奖1项（序4）。