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太阳能光伏热化学综合利用研究取得新进展
发稿时间:2017-11-27         作者:文/赵雅文          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  化石能源的大规模使用导致日益严峻的能源环境问题,包括气候变暖、空气污染等。可再生能源利用是解决目前能源与环境问题的有效方法。太阳能是最重要的可再生能源之一,具有总量巨大、清洁无污染、分布广泛等优点。但以太阳能为能量来源为生产生活供能的技术面临着利用过程效率较低、供能不持续、不稳定的问题。 

    针对上述问题,分布式供能与可再生能源实验室研究人员提出了太阳能聚光光伏与甲醇裂解互补的太阳能集中发电系统(图1,简称太阳能集中发电系统)与太阳能分布式供能系统(图2,简称太阳能分布式供能系统)。太阳光经聚光器汇聚至光伏电池表面,光伏电池将部分太阳能转换为电能,其余太阳能转换为热能并进而被甲醇的预热、裂解过程吸收。其中在200℃左右的反应段吸热发生裂解反应生成合成气(CH3OH (g) CO (g) + 2H2 (g),96.79kJ/mol),储存在合成气储罐中,按需通入燃气蒸汽联合循环系统或内燃机热电联产系统。甲醇裂解反应实现了对光伏电池余热品位的提升,即200℃左右的余热经甲醇裂解反应转换为合成气中的化学能,并最终在燃气轮机或内燃机中以燃烧的形式在高温下(如1300℃)释放,作功(即发电)能力得到显著提升。

  针对太阳能集中发电系统,研究人员运用实验与模拟相结合的手段,分析了系统内光、热、电、化学、流动等多场耦合问题,建立了经过实验验证的系统模型。结果表明,太阳能净发电效率可达43%(优化条件下可以达到52%),且系统可以在太阳辐照变化55%时,太阳能净发电效率仍维持在40±1%。该系统相对传统光伏光热系统的效率提升主要来源于前述甲醇裂解反应对光伏电池余热品位的提升。在太阳能集中发电系统的基础上,模拟分析了太阳能分布式供能系统,结果表明,该系统可以在满足用户全天动态能量需求的基础上,获得较高的太阳能㶲效率(46%),同时相对现有供电、供热技术减少40%以上的耗煤量与二氧化碳排放量。以上研究为解决现有太阳能利用技术中效率低、供能不持续、不稳定的问题提供了新的方案。 

  此研究依托国家自然科学基金重大专项太阳能全光谱利用的能量耦合原理课题、国家重点研发计划多能互补与综合梯级利用的分布式能源系统项目,以及中国科学院可再生能源高效利用交叉团队项目支持。研究成果已在ECOSICAE等国际会议宣读(获ICAE2016最佳论文奖),并在Applied EnergyScience Bulletin与工程热物理学报等期刊发表。 

  图1 聚光光伏与甲醇热化学互补太阳能集中发电系统示意图 

  图2 聚光光伏与甲醇热化学互补的太阳能分布式供能系统示意图 

 

  

 
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