太阳能与化石能源互补的多功能系统集成研究

本项目在热力学与化学反应动力学交叉层面，开展太阳热能与化石能源互补的综合梯级利用研究，探索不同品位太阳热能与化石燃料热化学反应整合的能量转化与释放新方法，揭示互补过程不可逆性减小的本质规律，率先阐述基于多能源互补的能的综合梯级利用原理。在国际上首次研制中低温太阳能热驱动的甲醇（二甲醚）重整制氢一体化反应器，实现基于太阳能热化学反应的燃料化学能梯级转化，验证热化学反应的不可逆损失降低与中低温太阳能热品位提升的相互作用的能量释放新机理。研究基于多能源热化学互补与热互补的多功能系统的系统集成方法与理论，拓展系统品位变化规律分析方法，建立多能源互补系统的集成理论。创新性提出若干具有自主知识产权的新一代多功能能源系统，使太阳能净发电效率达到30%以上，相对于常规太阳能热发电系统提高50-80%。研究成果将促进学科交叉，开拓太阳能热利用的新方向，为满足国家节能减排的重大需求提供新方法与新系统。

面对我国新兴可再生能源持续发展的重大需求，针对太阳能热发电效率低、成本高技术瓶颈，从能源、化工、环境领域交叉，以燃料源头化学能综合梯级利用为突破口，探索了聚光太阳能与化石燃料热化学互补新原理、关键过程机理及验证，多能源互补系统集成创新等。项目组经过四年努力，按计划圆满完成项目任务书规定的研究内容。重要进展与成果如下：.1）初步创建了多能源品位互补新原理。首次建立了聚光太阳能与化石燃料热化学品位互补方程，揭示出太阳能、化石燃料、反应Gibbs自由能的品位之间的相互作用，发现了中低温太阳能转功效率突破集热卡诺效率的新规律，研究成果打破了现有太阳能热发电效率受卡诺效率和集热效率双重限制的理论局限性，对太阳能热化学互补方法及发电系统创新奠定了理论基础。.2）研制了国际首套中低温太阳能燃料转换样机。从中低温太阳能提升燃料品位思路出发，研制了15kW中低温太阳能热化学互补吸收反应器，研发了太阳能热化学发电技术，验证了中低温太阳能驱动甲醇重整制氢、太阳能与化学链燃烧整合新方法,开创引领了国际中低温太阳能热化学互补发电新方向。.3）发明了新颖的多能源互补动力系统。国际上发明和提出了中低温太阳能发电系统，太阳能热发电效率达到30%以上，镜场面积减小25%以上。提出的太阳能与化学链燃烧整合的新型多功能系统，打破了传统多能源互补的能量转化与CO2捕集相互独立方式，实现了燃料化学能梯级利用既提高中低温太阳能发电效率、又降低CO2能耗的双重效应。提出了适合变辐照调控的光煤互补发电系统，可使太阳能年净发电效率达到15%-20%，为近期规模化发展太阳能热发电技术提供了新途径。.基于研究成果，荣获2009年“国家自然科学二等奖”、2011年“何梁何利科学与进步奖”。发表论文81篇，其中国际期刊30篇，国内核心期刊26篇；国际会议论文25篇次；国际会议特邀报告5次。出版中文著作1部，参编英文专著1部。授权或申请国家发明专利39项，同时国际发明专利2项。培养一批青年科技人才，其中博士生15名（已毕业10名）、硕士生14名（已毕业7名）。多人次获奖，中科院卢嘉锡青年人才奖1人，中科院“关键技术人才”1人， “中国科学院优秀博士论文奖” 2人， “中科院院长优秀奖学金” 2人，“吴仲华优秀学生奖” 2人。形成了一支我国能源动力领域老中青相结合的应用基础研究团队。