近年來，聚光太陽能利用逐漸成為能源領(lǐng)域中的國際前沿?zé)狳c(diǎn)。太陽能熱化學(xué)循環(huán)制取太陽能燃料被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。

聚光太陽能可實(shí)現(xiàn)不同聚光比條件下驅(qū)動碳?xì)淙剂蠀⑴c的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)太陽能互補(bǔ)系統(tǒng)的燃料轉(zhuǎn)化。太陽能燃料制備的主要瓶頸是熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)溫度高、輻射熱損失大、不可逆損失嚴(yán)重，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低。為解決該瓶頸，中國科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出了聚光太陽能化學(xué)鏈循環(huán)方法。

該方法主要原理如下：天然氣在聚光太陽能作用下還原載氧體生成CO和H?，被還原的載氧體與空氣等反應(yīng)進(jìn)行載氧體的再生，CO和H?即為所需的太陽能燃料。上述方法可將熱化學(xué)反應(yīng)溫度從1000℃以上降低至600℃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(xué)反應(yīng)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(yīng)轉(zhuǎn)化率和循環(huán)穩(wěn)定性的載氧體材料是實(shí)現(xiàn)聚光太陽能化學(xué)鏈制取太陽能燃料的關(guān)鍵。為提高燃料轉(zhuǎn)化率與合成氣選擇性，中國科學(xué)院工程熱物理研究所分布式研究團(tuán)隊(duì)與美國北卡羅來納州立大學(xué)、西佛吉尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，研制了高反應(yīng)性、高選擇性的復(fù)合離子電子導(dǎo)體（MIEC）載氧體，并深入探索了復(fù)合離子電子導(dǎo)體載氧體的循環(huán)反應(yīng)性。與單獨(dú)離子電子導(dǎo)體載氧體相比，新型復(fù)合載氧體可將反應(yīng)轉(zhuǎn)化率從~20%提升至90%以上，且達(dá)到接近100%的合成氣選擇性；復(fù)合載氧體在50次循環(huán)反應(yīng)中具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步提高循環(huán)反應(yīng)性、降低反應(yīng)溫度，中國科學(xué)院工程熱物理研究所分布式研究團(tuán)隊(duì)從反應(yīng)分離以及工藝流程優(yōu)化的思路入手，通過反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和反應(yīng)循環(huán)的分離過程對化學(xué)鏈制氫反應(yīng)的反應(yīng)路徑進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)性能的提升。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了多孔蜂窩型化學(xué)鏈反應(yīng)器，并研究了Ni基載氧體在該反應(yīng)器上的天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)性能。與傳統(tǒng)的甲烷重整反應(yīng)制氫(約800℃)相比，通過化學(xué)鏈循環(huán)方法可將反應(yīng)溫度降低至600℃以下，該反應(yīng)溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽能相結(jié)合，降低輻射熱損失，提升太陽能利用效率。此外，該反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了甲烷化學(xué)鏈制氫的高效轉(zhuǎn)化。甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上，同時30次循環(huán)反應(yīng)表明其循環(huán)反應(yīng)性與穩(wěn)定性優(yōu)異。聚光太陽能化學(xué)鏈循環(huán)方法不僅實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效利用，同時能夠減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)了高效、低碳、清潔的太陽能利用。

上述實(shí)驗(yàn)研究為實(shí)現(xiàn)聚光太陽能化學(xué)鏈制取太陽能燃料奠定重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為解決當(dāng)前聚光太陽能熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)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(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助和支持。

相關(guān)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 CO?Splitting and Syngas Generation.

Journal of Materials Chemistry A,2020,8(26),13173-13182.

圖：聚光太陽能與甲烷互補(bǔ)系統(tǒng)

圖：天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)示意圖

圖：天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)性能結(jié)果

太陽能是十分具有前景的清潔能源，隨著科技的發(fā)展，太陽能燃料將廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活。將太陽能用于金屬、礦物生產(chǎn)等領(lǐng)域?qū)⒋蟠蠼档蛯剂系囊蕾嚕瑫r減少化石燃料帶來的污染；將太陽能作為反應(yīng)熱源用于含碳燃料如煤、生物質(zhì)和焦油的降解和氣化可有效提高燃料的品質(zhì)和清潔度；將太陽能用于水和二氧化碳分解從而生產(chǎn)氫氣和一氧化碳，實(shí)現(xiàn)氫和碳的循環(huán)利用將完全改變以往以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)。此前，國際能源署太陽能熱發(fā)電和熱化學(xué)組織特別設(shè)置了“太陽能燃料路線圖”項(xiàng)目，我國西安交通大學(xué)等單位參與其中。國際社會對于太陽能燃料也在積極投入研發(fā)和示范，市場方興未艾。愿太陽能燃料能早日進(jìn)入人們的日常生活中。