太阳能与化石能源互补系统理论与方法

In order to meet the national needs on the utilization of the renewable energy sources, based on the engineering thermophysics, the interdisciplinarity of the optics and the chemistry, the energy potential coupling mechanism of the solar complementation, the 'source energy-storage' method in the solar thermochemistry and the solar complementary power generation system will be investigated intensively in this project. The maximum working capability of the concentrated solar energy on the earth surface will be refound; the ideal temperature and the characterization of the energy potential of the concentrated solar energy will be studied; the coupling mechanisms of the energy potential on the complementary advantages of the solar energy and the fossil fuel will be expounded; the "source energy-storage" method of integrating the advantages of the mid-and low-temperature solar energy and the chemical energy of the fuels will be proposed; the active control mechanisms of the solar-thermal transformation performance will be cleared; an experimental prototype of integrating the complementary advantages of the mid-and low-temperature thermochemical solar energy and the internal-combustion engine will be developed to validate the mechanisms and methods; an innovative mid-and low-temperature solar distributed energy supply system will be proposed, and the annual average net generating efficiency will exceed 20%.The research achievements of this project will develop the solar-thermal conversion theory, establish the energy potential coupling theory of the concentrated solar energy, and form a new interdisciplinary branch of the engineering thermal physics and the chemistry, which will provide the theoretical supports for solving the scientific and technological challenges of the high cost and low efficiency in the solar thermal power generation system.

本项目面向可再生能源利用的国家重大需求，在工程热物理、光学与化学的学科交叉层面，针对太阳能与化石能源互补发电，在太阳能互补的能势耦合机理、太阳能"源头蓄能"热化学方法，以及太阳能互补发电系统方面开展深入研究。重新认知地球表面的聚光太阳能最大作功能力，探索聚光太阳能的理想温度和能势表征，阐明太阳能与化石燃料互补的能势耦合机理；提出中低温太阳能与燃料化学能整合的"源头蓄能"方法，揭示光热转化性能主动调控机制；研制中低温太阳能热化学互补内燃机发电实验样机，验证机理及方法；创新性提出中低温太阳能分布式供能系统，使太阳能全年平均净发电效率达到20%以上。本项目研究成果将发展光热转化理论，建立聚光太阳能互补的能势耦合理论，有望形成工程热物理与化学的学科交叉的新分支学科，对解决太阳能热发电高成本效率低的科技难题奠定了理论基础。

面对国家节能减排的重大战略需求，多能互补是推进我国能源技术革命的一个重要途径。本项目针对太阳能利用低效、高成本、不稳定的难题，以挖掘聚光太阳能的最大作功能力利用潜力为突破口，以能势耦合理论为主线，探索了太阳能与化石能源互补的能势耦合原理、方法与系统。项目组经过五年努力，圆满完成了项目任务书规定的内容，重要进展如下：. （1）建立了聚光太阳能与化石能源互补的能势耦合原理。从聚光源头，首次表征了聚光太阳能的能势热力学属性，重新认知了聚光太阳能最大作功能力和理想发电效率极限；建立了聚光能势、燃料能势、反应Gibbs自由能品位、热能品位间的基本关系方程，揭示了互补能势耦合的增效作用机理。.（2）研制了国际首套百kW中低温太阳能热化学互补发电系统样机。发明了聚光源头的太阳能合成气、化学链循环固体金属的燃料化学能蓄能新方法，研制了太阳能合成气燃料蓄能反应器，研发了百kW中低温太阳能源头蓄能的互补内燃机发电系统样机，验证了能势耦合机理以及增效机制，开拓了聚光源头燃料蓄能的太阳能热化学新方向。.（3）发明了源头节能与源头蓄能的互补系统。国际上首次提出了中温太阳能与二甲醚化学链互补分布式供能系统、太阳能与天然气重整多联产系统。研制了变辐照主动调控的广角跟踪槽式聚光集热器，阐释了光热转换与源头蓄能协同的变辐照主动调控系统集成机制，为源头蓄能与源头节能的互补系统集成提供了理论基础。.上述研究成果，发表期刊论文81篇，其中 SCI 48篇，中文著作1部，国际特邀报告5次，国际会议论文25篇，4篇获国际会议的Best Paper Award等奖励。授权和申请美国发明专利2项，国家发明专利59项，并获中国专利优秀奖。培养一批青年科技人才，博士生19名、硕士生10名。多人次获奖，1人获国家优秀青年基金资助，3人入选中科院青年创新促进会，中国科学院百篇优秀博士论文奖 2篇，吴仲华优秀学生奖7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。