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近年來，聚(ju)(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)利用(yong)逐漸成為能(neng)(neng)源領域中(zhong)的(de)國際前(qian)沿熱(re)點(dian)，太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)熱(re)化學(xue)循環制取(qu)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料被認為是(shi)具有發展(zhan)前(qian)景的(de)聚(ju)(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)熱(re)利用(yong)方式之(zhi)一。聚(ju)(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)可實現不同聚(ju)(ju)光比(bi)條件下(xia)驅動碳氫燃(ran)料參與的(de)化學(xue)反應和太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)互補系統(tong)的(de)燃(ran)料轉化。

太(tai)陽能燃料制備的主要問題在(zai)于(yu)熱(re)化學循(xun)(xun)環反(fan)應(ying)溫(wen)度高、輻射熱(re)損(sun)失大、不可逆損(sun)失嚴(yan)重(zhong)，導致能量轉換效率低。為解(jie)決(jue)該問題，中國科(ke)學院工程熱(re)物理研究所分布(bu)式供能與可再生能源實驗室研究人員提出聚光太(tai)陽能化學鏈循(xun)(xun)環方法。

該方法(fa)的(de)主要原理是：天然氣(qi)在聚光太(tai)陽能作(zuo)用下還原載氧(yang)體生(sheng)成CO和(he)(he)H2，被還原的(de)載氧(yang)體與空氣(qi)等反應(ying)進行載氧(yang)體的(de)再(zai)生(sheng)，CO和(he)(he)H2即為所(suo)需的(de)太(tai)陽能燃料(liao)。該方法(fa)可(ke)將(jiang)熱(re)(re)(re)化學反應(ying)溫度從1000℃以上降(jiang)低至600℃左右，降(jiang)低太(tai)陽能集(ji)熱(re)(re)(re)島的(de)輻(fu)射熱(re)(re)(re)損(sun)失和(he)(he)熱(re)(re)(re)化學反應(ying)的(de)不可(ke)逆(ni)損(sun)失，具有(you)將(jiang)太(tai)陽能利用效(xiao)率(lv)提升約(yue)5~10%的(de)潛力。

圖1.聚光太陽(yang)能(neng)與(yu)甲烷互補系統(tong)

高(gao)反應(ying)轉(zhuan)化(hua)率和循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)的載氧(yang)(yang)體(ti)材料是實現聚光太陽能化(hua)學鏈(lian)制取太陽能燃料的關鍵。為提高(gao)燃料轉(zhuan)化(hua)率與合(he)成氣選(xuan)(xuan)擇性(xing)(xing)(xing)，工程熱物理所研(yan)究人員(yuan)與美國北卡羅來納(na)州立大學、西(xi)佛吉尼(ni)亞(ya)大學研(yan)究團(tuan)隊合(he)作，研(yan)制出高(gao)反應(ying)性(xing)(xing)(xing)、高(gao)選(xuan)(xuan)擇性(xing)(xing)(xing)的復(fu)合(he)離(li)子電(dian)子導體(ti)（MIEC）載氧(yang)(yang)體(ti)，深入(ru)探(tan)索(suo)復(fu)合(he)離(li)子電(dian)子導體(ti)載氧(yang)(yang)體(ti)的循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)反應(ying)性(xing)(xing)(xing)。與單獨離(li)子電(dian)子導體(ti)載氧(yang)(yang)體(ti)相比，新型復(fu)合(he)載氧(yang)(yang)體(ti)可將(jiang)反應(ying)轉(zhuan)化(hua)率從~20%提升至90%以上，且(qie)達(da)到接(jie)近100%的合(he)成氣選(xuan)(xuan)擇性(xing)(xing)(xing)；復(fu)合(he)載氧(yang)(yang)體(ti)在50次循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)反應(ying)中(zhong)具有較高(gao)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)。

為進(jin)(jin)(jin)一(yi)步(bu)提高(gao)循環反(fan)(fan)(fan)應(ying)性、降低反(fan)(fan)(fan)應(ying)溫度(du)，研究(jiu)人員從反(fan)(fan)(fan)應(ying)分(fen)離及工藝(yi)流程優化(hua)入(ru)手，通過反(fan)(fan)(fan)應(ying)器的設計和反(fan)(fan)(fan)應(ying)循環的分(fen)離過程對化(hua)學(xue)鏈制氫反(fan)(fan)(fan)應(ying)的反(fan)(fan)(fan)應(ying)路徑進(jin)(jin)(jin)行優化(hua)，進(jin)(jin)(jin)一(yi)步(bu)提升反(fan)(fan)(fan)應(ying)性能(neng)。

圖2.天(tian)然氣(qi)化學鏈制氫反應(ying)示意圖

圖3.天然氣化學鏈制氫反應性能結果

該(gai)(gai)團(tuan)隊(dui)研發出多孔蜂窩型化(hua)學(xue)鏈(lian)(lian)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器，探(tan)究Ni基載氧體在該(gai)(gai)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器上的天(tian)然氣(qi)化(hua)學(xue)鏈(lian)(lian)制(zhi)氫(qing)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)能。與傳統的甲(jia)(jia)烷(wan)重(zhong)整反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)制(zhi)氫(qing)（約800℃）相比，通過化(hua)學(xue)鏈(lian)(lian)循(xun)(xun)環方(fang)法(fa)可(ke)將反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)溫度(du)降(jiang)低至600℃以下，該(gai)(gai)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)溫度(du)可(ke)與低聚光比的槽(cao)式聚光太(tai)陽(yang)能結(jie)合，降(jiang)低輻射熱損失，提升(sheng)太(tai)陽(yang)能利(li)用(yong)(yong)效(xiao)率。該(gai)(gai)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)實(shi)現甲(jia)(jia)烷(wan)化(hua)學(xue)鏈(lian)(lian)制(zhi)氫(qing)的高(gao)效(xiao)轉化(hua)，甲(jia)(jia)烷(wan)轉化(hua)率可(ke)達(da)90%以上，同時30次(ci)循(xun)(xun)環反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)表明(ming)其循(xun)(xun)環反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)與穩定(ding)性(xing)優(you)異。聚光太(tai)陽(yang)能化(hua)學(xue)鏈(lian)(lian)循(xun)(xun)環方(fang)法(fa)實(shi)現高(gao)效(xiao)利(li)用(yong)(yong)太(tai)陽(yang)能和減少排放溫室(shi)氣(qi)體，實(shi)現高(gao)效(xiao)、低碳、清潔的太(tai)陽(yang)能利(li)用(yong)(yong)。

該研究(jiu)有(you)利于實(shi)現聚(ju)光太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能化學(xue)鏈制取太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能燃料，為(wei)解(jie)決當(dang)前聚(ju)光太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱化學(xue)能量轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)低問題提(ti)供(gong)方法。研究(jiu)工作(zuo)得到國家自然科(ke)學(xue)基金(jin)重大(da)研究(jiu)計(ji)劃項目的(de)支持。