太阳能与清洁燃料热化学互补机理与实验研究

发布时间：2020-04-11 05:55

【摘要】：作为一种资源丰富、分布广泛的可再生能源,太阳能的大力开发利用对节能减排具有重要意义,已经成为解决能源短缺、减少CO2及污染物排放的有效途径之一。受太阳能能流密度低、间歇以及不稳定等自然属性的影响,现阶段太阳能利用面临发电效率低、不稳定、储能成本高等难题,严重制约了太阳能利用技术的发展。为此,本学术论文旨在提升太阳能的利用效率、稳定性及可靠性,依托国家自然科学基金、国家重点研发计划等研究课题,针对太阳能与清洁燃料热化学互补利用,分别从太阳能与燃料热化学品位耦合机理、太阳能热化学反应建模与分析、原理样机研制与实验研究以及系统集成优化等方面开展研究工作。基于热力学与热化学反应动力学特性,开展了太阳能与燃料热化学转化全工况品位耦合机制研究。针对太阳能热化学转化过程,开展全工况下能的品位耦合及不可逆损失机制的研究,分析太阳辐照强度、进料空速变化对太阳能热化学能质耦合规律的影响。通过研究太阳能热化学全工况品位耦合机制,分析得出不同运行工况下能量转化不可逆损失变化规律及形成原因,阐明热力系统全工况下提质增效机制,得出太阳能热化学互补系统理论太阳能净发电效率。构建太阳能聚光-热-化学反应多场耦合模型,数值研究中低温太阳能热化学转化性能及多场耦合规律,分析结构参数及运行参数对热化学转化性能的影响。针对基于甲醇分解的太阳能热化学转化过程,研究热化学转化特性规律及多场耦合特性,分析太阳能热化学吸收/反应器结构参数及运行参数对热化学转化性能的影响,进而为太阳能热化学吸收/反应器结构及运行调控参数的优化奠定理论模型基础。集成太阳能热化学与化学回热过程,提出新型的太阳能与清洁燃料热化学互补的分布式供能系统,开展系统热力学性能、运行调控策略、全工况性能及集成优化研究工作。在太阳能与燃料热化学互补机理与建模分析的基础上,提出集成了太阳能热化学转化及化学回热过程的多能互补分布式供能系统,通过热化学转化将太阳能及动力余热升级为燃料化学能,进而实现太阳能及动力余热的高效利用。面向实时变化的太阳能辐照强度和用户负荷需求,研究了系统的运行调控策略及变工况运行性能,并以能源利用率、经济性及CO2减排性能为优化目标开展系统关键单元容量的优化设计。系统年均能源利用率达70.22%,输入太阳能份额为10.39%。相对分产供能系统,多能互补系统年燃料节省率、CO2减排率及成本节省率分别为3 1.49%、39.18%和6.09%,具有明显节能减排及经济性优势。开展了 100 kW太阳能与甲醇热化学互补发电样机的研制、调试运行、太阳能热化学转化及互补发电等实验研究工作。基于所建样机测试平台,实验研究了太阳能热化学转化规律,分析太阳辐照强度及甲醇进料空速对太阳能热化学性能的影响规律,并研制基于朗伯靶的能流密度测量装置对吸收/反应器热流密度分布进行测试,其中,典型运行工况下平均甲醇分解转化率达82.72%,平均太阳能热化学利用效率达40%;实验研究互补发电系统运行调控方法与变工况发电性能,首次实现太阳能热化学转化与动力发电的联调运行。
【图文】：

线聚,太阳能,方式,集热器

集热器根据聚光方式可分为中低温线集热器和高温中心集热器。前者逡逑多与抛物槽式和菲涅尔式聚光器匹配，后者多与塔式聚光器和碟式聚光器匹配。逡逑相关研究主要针对其结构形式以及表面涂层开展。例如：Ｈｏ等人［１３］对比研宄了逡逑气体、液体和固体颗粒式中心集热器，研宄发现气体和液体作为集热工质的管式逡逑集热器具有较好的应用前景，而固体颗粒式集热器有待进一步提高集热效率以及逡逑整体性能。在中低温涂层的研究方面，美国国家可再生能源实验室［１４１使用物理气逡逑相沉积法设计并研制了一款新涂层，新涂层较传统Ｍｏ－Ａｂ0３陶瓷涂层具有更高逡逑的吸收率和更低的发射率，为光热电站提供了一种高效、低成本的吸热涂层。在逡逑高低温涂层的研究方面，Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ作为金属材料，ＡＩ２Ｏ３作为介电材料的逡逑陶瓷涂层［１５］被广泛研宄，，在１０００°Ｃ下，涂层吸收率可达０．８５以上，发射率低于逡逑０．２２，且具有良好的稳定性，为高温光热发电提供了多种选择。逡逑如上所述，在不同集热温度的集热器中，所采用的集热工质不同。例如，集逡逑热温度低于４００°Ｃ的集热器通常采用ＴｈｅｒｍｉｎｏｌＶＰ－１型导热油工质，其被广泛应逡逑用于中低温光热电站。与此同时，Ｍｗｅｓｉｇｙｅ等人１１６１在Ｔｈｅｒｍｉｎｏｌ邋ＶＰ－１中添加Ｃｕ、逡逑Ａｇ和ＡＩ２Ｏ３纳米颗粒以强化传热，研究表明，集热效率可提高７－１４个百分点。逡逑

流程图,化学转化,流程图,水分解

存，其流程结构如图１－４所示。现阶段，针对太阳能水分解、Ｃ0２分解、甲烷千／湿重整、生物质的研究工作。通过太阳能热化学转化过程，将太阳料的化学能当中。针对太阳能热化学转化过程，分析、热化学反应动力学、反应器优化设计、高与优化以及样机示范等方面的研究工作。逡逑
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK519;TK16;X382.1

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