太陽能燃料的能量轉換原理與實驗研究.pdf

1、構建化石燃料高效利用方式和開發(fā)太陽能、生物質能等可再生能源，是實現能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和我國經濟持續(xù)健康發(fā)展的重要途徑。 本文依托國家自然科學基金重點資助項目，著眼于促進化石燃料高效利用和開拓太陽能應用，旨在基于能量品質分析方法，試圖闡明化石燃料能量梯級釋放的熱力學機理和太陽能燃料能量轉換的熱力學原理，以太陽能甲醇催化分解反應系統(tǒng)為例，開展計算機模擬和實驗驗證研究。主要內容如下： 首先，基于能質系數建立了物質能量品質分析

2、方法，以甲烷及甲醇的直接燃燒和經中間燃料再燃燒為例，研究化石燃料能量釋放過程，提出化石燃料能量梯級釋放機理和太陽能燃料的能量轉換原理。 基于（）基準態(tài)，給出物質標準焓的計算方法，建立物質能量品質定量分析的α-H-ε圖式分析方法。基于該方法，以甲烷直接燃燒、甲烷水蒸汽轉化后再燃燒和甲烷CO2轉化后再燃燒三種路徑為例，研究化石燃料能量釋放過程。發(fā)現甲烷水蒸汽和CO2轉化得到的中間燃料的做功能力分別比甲烷增加21%和35%，其燃燒過程

3、的能質系數減小值（0．423，0．323）明顯小于甲烷燃燒過程（0．514），并且經中間燃料能量釋放過程的（）損失小于甲烷直接能量釋放過程。據此提出化石燃料能量梯放的熱力學機理：系統(tǒng)內或系統(tǒng)外低品位熱驅動的中間燃料合成過程形成燃料做功能力增加；中間燃料燃燒過程和整個用能過程的不可逆性小。當低品位熱為太陽能時，中間燃料就是太陽能燃料?；谏鲜鰴C理，闡明太陽能燃料的能量轉換原理，即太陽能燃料燃燒過程和整個用能過程不可行性比化石燃料小，并且做

4、功能力增加。 其次，以太陽能甲醇催化分解為例，在非等溫拋物槽太陽能吸收/反應器中開展合成太陽能燃料的計算機模擬和實驗研究，演示和驗證太陽能燃料的能量轉換原理。 基于DSG集熱器模型和BASF K3-110催化劑動力學模型，建立非等溫拋物槽式太陽能甲醇催化分解反應系統(tǒng)的計算機分析程序。模擬結果表明，在適宜進料下甲醇轉化率可以達到100%；拋物槽式太陽能集熱器提供大約385～875 K的太陽熱能，能夠滿足反應的溫度要求。研究

5、發(fā)現：（1）甲醇直接進入反應器更有利太陽熱能的能量轉化；（2）在環(huán)境條件確定時甲醇催化分解反應基本維持在某一溫度進行；（3）系統(tǒng)效率隨著太陽輻照強度的增大而小幅增加，基本維持在55%～58%之間。 在實驗層面研究太陽能集熱過程與甲醇催化分解過程耦合，研制了5kW拋物槽式太陽能甲醇催化分解實驗平臺，并開展實驗研究。研究發(fā)現集熱器可以為吸收/反應器提供353～573 K的太陽熱能。在輻照280～750W·m-2，甲醇進料量為0．9～

6、4．5 dm3·h-1條件下，甲醇轉化率可以達到0．50～0．95。實驗分析結果表明，太陽能熱化學轉化率可達到30%～60%，（）再生率可達7%～23%。 最后，在開展加壓合成生物柴油和真空蒸餾實驗基礎上，拓展太陽能燃料研究，提出了一種太陽能公用工程驅動的生物柴油生產工藝。 以粗菜籽油和粗甲醇為原料，通過加壓酯交換法合成生物柴油，并采用真空蒸餾精制產品。采用Aspen Plus軟件分別模擬化石燃料公用工程和太陽能公用工程