基于光热协同反应的太阳能有序转化综合利用
发布时间：2021-06-22 00:45
太阳能作为储量最丰富、分布最广、最具发展潜力的清洁能源,是众多学者研究的重点内容。太阳能利用技术主要分为基于太阳光量子效应的光利用技术和基于太阳能热效应的热利用技术。而将太阳能按照波段能量进行划分,针对不同频率光使用相应转换方式是有效提高太阳能整体利用效率的重要思路。本课题组提出的光热协同方法是一种能够全光谱利用太阳能的燃料制备方法。从能量分级分质利用的角度出发,本论文提出基于光热协同反应的太阳能有序转化综合利用,并根据这一思路构建了一套实验系统。本文以CO2还原为光热协同目标反应,导热油为储换热工质进行实验,验证了以辐射为唯一能量来源的光热协同反应,以及该方法实现太阳能有序转化的可行性。实验结果表明,光热协同反应的CO产量为5.8μmol/g-cat,且相对稳定。同时太阳能集热子系统能量利用效率ηh为59.7%,并对反应器中辐射能量进行了初步分析:在材料厚度为4μm时,在光热协同反应器内的辐射能量占总能量的25.79%,其中的紫外可见波段用于驱动反应进行,部分近红外波段用于产热;进入集热器的辐射能量占总能量的63.45%,全部用于产生热量。...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
至2050年全世界不同燃料发电量[3]
浙江大学硕士学位论文1绪论4包括：高温太阳能分解二氧化碳、中温太阳能甲醇分解[21]与中温太阳能甲烷重整等[22]。1.3太阳能综合利用方法和系统随着太阳能利用领域研究的深入，学者们发现，单一太阳能转化方式存在着一定限制。就太阳能光利用技术而言，无论是光伏发电还是光化学制备燃料，其设计均基于半导体材料和太阳光的量子效应。根据物理学中的能带理论，半导体能带分为价带和导带，价带顶和导带底之间存在断层区域，被称之为禁带，其宽度称为带隙。当处于基态时，电子填满半导体价带，导带为空；而当太阳光照射半导体材料时，能量大于带隙的光子激发价带电子，使之跃迁到导带，同时在价带留下空穴，形成电子空穴对。这一过程存在不可避免的损失[23]：一束太阳光中包含大量不同能量的光子，其中能量小于半导体带隙的光子因无法激发电子跃迁而造成损失，另一部分能量过大的光子会将电子激发至高于导带底能级的高能级，这些电子状态不稳定，会迅速热化至导带底造成热化损失，而光生电子空穴对由于容易复合也会造成能量损失。电子激发过程损失示意图如图1.2所示。除了上文所述原因，光利用技术主要应用的是紫外和部分可见光波段，而占太阳光总量超过50%红外波段能量难以利用，这也造成太阳能光利用技术整体效率不高。图1.2电子激发过程损失示意图而在太阳能热利用技术中，尽管全波段太阳能量被转换为热能用于加热工质或者驱动反应，但在转换过程中，高频波段的能量“大材小用”变为低品位的中低温热能，存在大量损降低了效率。可以看到，太阳光子的频率与其能量品质有关，不同能量品质的光应“物尽其用”。按照能量分级分质利用思想，耦合太阳
浙江大学硕士学位论文1绪论7优势，同时可储存输送热能，其研究的重点在于液体种类、配比、浓度等参数的综合协调[39]；全息分频器和荧光分频器的发展方向则在于分频效率的进一步提高[40]。图1.4太阳能分频光伏-光热互补利用方法示意图[41]1.3.2基于太阳能利用的冷热电联供系统（CCHP系统）冷热电联供系统（CCHP，CombinedCooling,HeatingandPower）是一种以清洁能源为燃料的分布式供能系统，主要用于城市楼宇建筑。该系统将发电机组布置于用户附近供给电力，同时将发电机组排出乏汽所带余热传递至余热利用设备，提供低品位的热能用于满足用户的采暖、制冷和生活用水等负荷要求，由此实现能量梯级利用[42]。传统的CCHP系统由化石能源驱动，考虑到全年内冷热电负荷的供需不平衡问题，系统难以高效运行；而能流密度低的太阳能与规模不大、输出产品丰富的CCHP系统较为吻合。因此基于太阳能的新型CCHP系统构想得以提出。基于太阳能利用的新型CCHP系统有多种形式，包括热动力CCHP系统、可再生燃料电池CCHP系统以及太阳能作为辅助能源的CCHP系统等[43]。荆有印等设计了一种集成太阳能利用和内燃机驱动的CCHP系统，并基于生命周期分析法对系统的设备容量和运行策略进行优化[44]。A.Lorestani等则将光伏光热一体化组件与CCHP系统结合，并通过改进粒子群算法找出可再生能源与冷热电联供结合方式[45]。RodríguezL.R.等在TRNSYS仿真平台上构建了不同太阳能利用形式的太阳能冷热电联供系统，并对系统参数进行对比分析[46]。
本文编号：3241767
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
至2050年全世界不同燃料发电量[3]
浙江大学硕士学位论文1绪论4包括：高温太阳能分解二氧化碳、中温太阳能甲醇分解[21]与中温太阳能甲烷重整等[22]。1.3太阳能综合利用方法和系统随着太阳能利用领域研究的深入，学者们发现，单一太阳能转化方式存在着一定限制。就太阳能光利用技术而言，无论是光伏发电还是光化学制备燃料，其设计均基于半导体材料和太阳光的量子效应。根据物理学中的能带理论，半导体能带分为价带和导带，价带顶和导带底之间存在断层区域，被称之为禁带，其宽度称为带隙。当处于基态时，电子填满半导体价带，导带为空；而当太阳光照射半导体材料时，能量大于带隙的光子激发价带电子，使之跃迁到导带，同时在价带留下空穴，形成电子空穴对。这一过程存在不可避免的损失[23]：一束太阳光中包含大量不同能量的光子，其中能量小于半导体带隙的光子因无法激发电子跃迁而造成损失，另一部分能量过大的光子会将电子激发至高于导带底能级的高能级，这些电子状态不稳定，会迅速热化至导带底造成热化损失，而光生电子空穴对由于容易复合也会造成能量损失。电子激发过程损失示意图如图1.2所示。除了上文所述原因，光利用技术主要应用的是紫外和部分可见光波段，而占太阳光总量超过50%红外波段能量难以利用，这也造成太阳能光利用技术整体效率不高。图1.2电子激发过程损失示意图而在太阳能热利用技术中，尽管全波段太阳能量被转换为热能用于加热工质或者驱动反应，但在转换过程中，高频波段的能量“大材小用”变为低品位的中低温热能，存在大量损降低了效率。可以看到，太阳光子的频率与其能量品质有关，不同能量品质的光应“物尽其用”。按照能量分级分质利用思想，耦合太阳
浙江大学硕士学位论文1绪论7优势，同时可储存输送热能，其研究的重点在于液体种类、配比、浓度等参数的综合协调[39]；全息分频器和荧光分频器的发展方向则在于分频效率的进一步提高[40]。图1.4太阳能分频光伏-光热互补利用方法示意图[41]1.3.2基于太阳能利用的冷热电联供系统（CCHP系统）冷热电联供系统（CCHP，CombinedCooling,HeatingandPower）是一种以清洁能源为燃料的分布式供能系统，主要用于城市楼宇建筑。该系统将发电机组布置于用户附近供给电力，同时将发电机组排出乏汽所带余热传递至余热利用设备，提供低品位的热能用于满足用户的采暖、制冷和生活用水等负荷要求，由此实现能量梯级利用[42]。传统的CCHP系统由化石能源驱动，考虑到全年内冷热电负荷的供需不平衡问题，系统难以高效运行；而能流密度低的太阳能与规模不大、输出产品丰富的CCHP系统较为吻合。因此基于太阳能的新型CCHP系统构想得以提出。基于太阳能利用的新型CCHP系统有多种形式，包括热动力CCHP系统、可再生燃料电池CCHP系统以及太阳能作为辅助能源的CCHP系统等[43]。荆有印等设计了一种集成太阳能利用和内燃机驱动的CCHP系统，并基于生命周期分析法对系统的设备容量和运行策略进行优化[44]。A.Lorestani等则将光伏光热一体化组件与CCHP系统结合，并通过改进粒子群算法找出可再生能源与冷热电联供结合方式[45]。RodríguezL.R.等在TRNSYS仿真平台上构建了不同太阳能利用形式的太阳能冷热电联供系统，并对系统参数进行对比分析[46]。
本文编号：3241767
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