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研究所在太陽能燃料研究方面取得新進展
发稿时间:2020-09-27         作者:文/洪慧 蒋琼琼          来源:分布式供能與可再生能源實驗室     【字号:

  近年來,聚光太陽能利用逐漸成爲能源領域中的國際前沿熱點,研究所在一三五發展戰略規劃中將太陽能熱利用技術列爲重點培育對象。太陽能熱化學循環制取太陽能燃料被認爲是最具發展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。 

  聚光太阳能可实现不同聚光比条件下驱动碳氢燃料参与的化学反应,实现太阳能互补系统的燃料转化。太阳能燃料制备的主要瓶颈是热化学循环反应温度高、辐射热损失大、不可逆损失严重,导致能量转换效率低。为解决该瓶颈,工程热物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室提出了聚光太阳能化学链循环方法。该方法主要原理如下:天然气在聚光太阳能作用下还原载氧体生成COH2,被還原的載氧體與空氣等反應進行載氧體的再生,COH2即爲所需的太陽能燃料。上述方法可將熱化學反應溫度從1000oC以上降低至600oC左右,不僅能降低太陽能集熱島的輻射熱損失,還能降低熱化學反應的不可逆損失,具有將太陽能利用效率提升約5~10%的潛力。 

  高反應轉化率和循環穩定性的載氧體材料是實現聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料的關鍵。爲提高燃料轉化率與合成氣選擇性,分布式研究團隊與美國北卡羅來納州立大學、西佛吉尼亞大學研究團隊合作,研制了高反應性、高選擇性的複合離子電子導體(MIEC)載氧體,並深入探索了複合離子電子導體載氧體的循環反應性。與單獨離子電子導體載氧體相比,新型複合載氧體可將反應轉化率從~20%提升至90%以上,且達到接近100%的合成氣選擇性;複合載氧體在50次循環反應中具有較高的循環穩定性。 

  爲進一步提高循環反應性、降低反應溫度,分布式研究團隊從反應分離壹s肮に嚵鞒虄灮的思路入手,通過反應器的設計和反應循環的分離過程對化學鏈制氫反應的反應路徑進行優化,進一步實現了反應性能的提升。團隊研發了多孔蜂窩型化學鏈反應器,並研究了Ni基載氧體在該反應器上的天然氣化學鏈制氫反應性能。與傳統的甲烷重整反應制氫(800oC)相比,通過化學鏈循環方法可將反應溫度降低至600 oC以下,該反應溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽能相結合,降低輻射熱損失,提升太陽能利用效率。此外,該反應實現了甲烷化學鏈制氫的高效轉化。甲烷轉化率可達到90%以上,同時30次循環反應表明其循環反應性與穩定性優異。聚光太陽能化學鏈循環方法不僅實現了太陽能的高效利用,同時能夠減少溫室氣體排放,實現了高效、低碳、清潔地太陽能利用。 

  上述實驗研究爲實現聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料奠定重要實驗基礎,爲解決當前聚光太陽能熱化學能量轉換效率低的瓶頸提供了新方法。該研究受到了國家自然科學基金重大研究計劃項目的資助和支持。 

  相關成果如下: 

  (1) Experimental study on honeycomb reactor using methane via chemical looping cycle for solar syngas, Applied Energy, 2020, 268,114995. 

  (2) Mixed Conductive Composites for ‘Low-Temperature’ Thermo-chemical CO2 Splitting and Syngas Generation. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8 (26), 13173-13182. 

 

  聚光太陽能與甲烷互補系統

 

  天然氣化學鏈制氫反應示意圖

 

  天然氣化學鏈制氫反應性能結果

 
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