聚光太阳能与热化学循环耦合机理研究

This project takes high-temperature solar thermochemical cycling fuel synthesis as its research topic, aims at improving practical conversion efficiency from solar energy to chemical energy as its research objective, from an interdisciplinary perspective of concentrated solar energy, chemical reactions and thermodynamic cycles, explores two core scientific questions including irreversible loss mechanism in high-concentration-ratio solar energy conversion and temperature-pressure coordinated thermochemical cycling method. Targeting on the bottleneck problem of low-efficiency conversion from solar energy to chemical energy, by way of energy level analysis method, theoretical models including light-thermal conversion, thermal-chemical conversion and thermodynamic cycling are established, action mechanisms of characteristic parameters of concentrated solar energy such as irradiation and concentration ratio on the variation of energy level in solar thermochemical cycling are studied, coupling mechanisms between thermodynamic cycles and the thermodynamic & kinetic aspects of chemical reactions are studied, principles underlying the creation of major irreversibilities are revealed, and the principle of cascaded utilization of energy in solar thermochemical cycling is elucidated. The method and theoretical model of temperature-pressure coordinated thermochemical cycling are proposed, a proof-of-principle prototype reactor is developed in order to verify the reduction of irreversible losses and the optimization of efficiency experimentally. The experimental solar-to-chemical energy conversion efficiency is expected to reach 10% or above. The research outcomes shall form new methodologies for high-efficiency solar thermochemical cycling, address the low-efficiency problem of solar energy storage by way of solar thermochemical cycling, and promote the development of solar thermochemistry and related areas.

本项目以太阳能高温热化学循环制备燃料为研究对象，以提升太阳能到化学能的实际效率为研究目标，在聚光太阳能、化学反应、热力循环的交叉层面，探索高聚光比太阳能转换不可逆损失机理、温压协同热化学循环方法两个核心科学问题；针对太阳能到化学能转换效率低的瓶颈，采用能的品位分析方法，建立光热转换、热化学转换、热力学循环理论模型，研究聚光太阳能的辐照、聚光比等特征参数对太阳能热化学循环能量品位变化的作用机理，研究热力循环与化学反应的热力学、动力学耦合机理，揭示主要不可逆性的产生规律，阐明太阳能热化学循环过程中的能量梯级利用规律；提出温压协同的太阳能热化学循环方法与理论模型，研制原理验证反应器，实验验证不可逆性减少及效率优化；预计太阳能到化学能转换实验效率可达10%或以上。研究成果将形成高效太阳能热化学循环的新方法，破解太阳能热化学循环储能效率低下的难题，促进太阳能热化学及相关技术的发展。

太阳能热化学制氢及碳氢燃料是太阳能技术的重要一环。通过太阳能的全光谱利用，聚光太阳能热化学将太阳能转换为氢能乃至液体碳氢燃料，可以通过与现有能源基础设施相容的方式高效率、高密度、低成本储存太阳能。太阳能热化学是可再生能源、化学、技术科学等领域的国际交叉前沿，在能源革命和碳达峰、碳中和的大背景下，具有非常广阔的应用前景。..本项目以太阳能高温热化学循环制备燃料为研究对象，以提升太阳能到化学能的实际效率为研究目标，在聚光太阳能、化学反应、热力循环的交叉层面，研究太阳能热化学循环过程中的不可逆性机理和能量梯级利用规律，从热化学循环方式的热力学机理、聚光太阳能－化学反应－热力循环三者相互作用规律、高聚光比太阳能集热的不可逆损失减小方法三个方面开展研究。项目建立了温压协同热化学循环的理论模型，研究了热力学参数、循环温度、压力参数与氧化还原反应热力学、动力学特性的相互耦合和不可逆性机理；研究了聚光太阳能的最大作功能力，明确了不可逆损失的主要原因，提出了小温差温压协同的热化学循环思路，确定了反应器构型、设计方案、运行策略和优化；探索了太阳能-化学能过程中的能量转换与损失机理，提出了波段截止膜方法有效降低二次辐射损失、化学链除氧方法有效降低除氧功耗。..在此基础上，研制了5kW级温压协同循环原理验证反应器，在1500℃还原反应温度下，单次循环可获得1.8L的CO；进一步研制了大装载量、高反应动力学性能的氧化铈角锥反应器，并开发了太阳能热化学循环全工况优化软件，确定了最优运行温度、压力、流量条件，在还原、氧化反应温度分别为1500℃、846℃的工况下，系统的太阳能制燃料效率可达10%. 通过上述理论研究与实验验证，通过学科交叉研究解决了高聚光比太阳能转换不可逆损失机理、温压协同热化学循环方法两个核心科学问题，对太阳能热化学制氢及相关领域产生了促进作用，促进了学科增长点的形成。