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基金委重大项目“太阳能利用中的能量传递与转换基础研究”之课题“太阳能全光谱利用的能量耦合原理”研究进展
发稿时间:2018-07-10         作者:曲万军 洪慧          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  一、项目概述

  面对国家可再生能源发展的重大战略需求,太阳能发电将处于大规模可再生能源技术发展的首要位置。但太阳能发电系统效率低是长期以来限制太阳能发电大规模发展的瓶颈。单一光伏发电只能利用特定波长光谱范围,无法对太阳能全光谱进行转换;单一光热发电可以实现全光谱利用,但转换效率仍然比较低,而且发电成本是常规燃煤电站5-10倍。因此,全光谱高效转化是当前太阳能利用技术亟待解决的重要科技难题,也是太阳能领域国际前沿研究之一。

  本项目围绕太阳能高效捕获机理、太阳能转换中的传递规律、太阳能梯级匹配调控机制三个科学问题,阐明太阳能全光谱耦合利用的能量匹配原理,提出太阳能梯级调控新方法,旨在基础理论和研究方法的源头创新上有所突破。该项目于2016年1月获得国家自然科学基金委立项支持,南京航空航天大学为项目承担单位,执行期为2016年1月至2020年12月,项目总预算经费1500万元。中国科学院工程热物理研究所作为课题单位,承担了太阳能宽波段能量转化梯级利用新原理与新方法研究。以太阳能全光谱转换过程不可逆性研究为主线,主要从不可逆性演变机理、增效方法、关键过程机理实验验证三个方面开展研究,为项目突破太阳能全光谱利用效率低的重大科技难题提供新理论与新方法。

  二、项目年度进展情况

  课题自2016年1月执行以来,研究工作进展顺利,主要研究成果和工作进展如下:

  1. 初步表征了单色波段和聚光太阳能全光谱的最大作功能力。在普朗克辐射热力学理论基础上,从各个波段能量的品位入手,构建单色波段最大作功能力模型,初步给出全光谱的?表征,探析了全波段转功的不可逆损失。在理想黑体模型基础上,考虑光强差无限小,进而构建了单色波段转功可逆过程模型。同时获得了不同波长对应的温度在不同聚光比下的变化规律,给出聚光单色波段最大作功能力表达式。为下阶段揭示全光谱能量转化不可逆性生成机理奠定了基础。

  2. 从聚光源头出发,依据紫外、可见、红外各个波段的能量“品位”高低实现各个波段品位分级转换思路,提出了透光光伏-光热反应互补方法。其中,高于光伏电池带隙能部分的波段能量直接被光伏电池转为高品位电能;低于其带隙能部分的低能光子透过光伏电池并被聚光到光热反应器,直接驱动化学吸热反应。不同于传统的光伏余热能量转化途径,宽波段的能量(例如红外波段能)不再转化为低品位余热,而是转化为燃料化学能。与此同时,本课题构建了透光电池的物理模型,以光谱分布、光子做功以及光伏电池带隙能间函数关系,剖析了全光谱入射能量、光伏产电量、透光能量等能量间的匹配关系,并揭示最优全光谱利用率的最佳光伏电池透光率。

  此外,从能的品位概念出发,以提升光伏电池余热品位为切入点,发明了聚光砷化镓光伏-余热化学回收发电方法。通过甲醇吸热裂解或重整的热化学反应,回收光伏电池的余热,将其转化为合成气燃料化学能,实现低品位热能的品位提升。开展了基于多物理场分析方法的光伏-热化学互补的动力学研究。分析了辐照强度、聚光比、电池表面温度等关键参数对该方法的全光谱能量利用效率的影响,初步揭示了光伏与热化学互补发电功比与电池电压之间的作用规律,并揭示了光电效率对聚光光伏-余热化学反应过程的不可逆损失的影响规律。

  3. 建立了纳米流体体 吸收电磁学物理模型,考虑将全光谱太阳光作为激励源,分析了不同半导体/金属纳米复合结构的光学近场分布,获得了单个纳米颗粒的吸收、散射与透射光谱。在单粒子光学特性研究基础上,进一步研究多粒子组成的纳米聚光光化学反应体系的光吸收与传递机理。分析了液体分频器中光场、温度场和流场的协同作用,重点探析了纳米流体光谱透过率与光伏电池光谱响应的互补规律。搭建了纳米体吸收光热化学实验台,实验结果显示:等离激元效应能显著提高纳米光热化学制氢速率,并初步确定了适宜的浓度和聚光比范围。

  4. 研制了线聚焦光伏-光热反应互补原理样机。依据各个波段品位分级转换思路,通过几何光学与太阳能热力学相结合,建立了聚光光伏-光热反应一体化设计方法,研制了1-3kW 聚光光伏-光热反应一体化的核心部件。其中,可见光被聚焦到光伏电池表面激发产生电子空穴对并对外输出电能;紫外和红外光被聚焦到光热反应管表面驱动光热反应进行,并将热化的可见光波段能量转化为燃料化学能,从而实现了聚光光伏电池带隙与接收波段能量匹配和光热反应与电池余热间的能量耦合。通过对双层聚光镜的设计优化,实现了电池表面能流均匀分布,有效保证了光转电性能;同时改善了反应管周向的能流集中。明确了最优互补性能下的双层镜尺寸、相对位移、反射波段范围等关键参数,并完成了关键部件的研制。该原理样机研制为项目开展光伏光热反应互补系统关键技术研究提供了重要基础。

  自2016年至今,上述研究进展已发表国际期刊论文9篇,申请国际发明专利1项、国家发明专利6项。上述研究成果为下阶段相关机理实验验证提供了重要基础,为项目开展太阳能全光谱综合梯级利用系统集成奠定了理论依据。课题组多人次参加国际会议,并获得第九届国际应用能源会议最佳论文奖。同瑞典皇家理工学院,美国斯坦福大学、麻省理工学院开展了国际合作交流。培养博士生9名(已毕业2名),2人次获“吴仲华优秀学生奖”,1人次获“中国科学院优秀博士论文奖”,1人获国家基金委优秀青年基金,逐步形成一支我国光伏光热综合利用领域应用基础研究团队。

  三、下一阶段工作

  1. 完善全光谱转换不可逆性理论的研究。以全光谱利用最大化为目标,揭示光-热-电耦合利用的不可逆性演变基本规律、多物理场耦合作用对太阳能与化石能源互补过程不可逆性影响,建立光-热-电、聚光集热不可逆损失最小化方程,阐明全光谱利用转换过程不可逆损失减小机理。

  2. 开展关键过程实验验证。研制国际首套1-3kW聚光光伏-光热反应互补原理样机,实验验证互补增效机制与方法,为太阳能全光谱梯级利用提供原始创新方法。基于纳米体吸收光热化学实验台,分析聚光后吸收/反应器的光谱能流损失情况,进一步实验研究纳米流体对聚光-集热-吸收/反应过程不可逆损失减小的有效手段。

 
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