碳酸钙复合颗粒太阳能吸收机理与热化学储能特性研究

At present, surface heat collection is mainly used in calcium carbonate solar energy storage technology, which has some shortcomings such as high surface temperature, high heat transfer resistance and low conversion efficiency. In order to solve these problems, this project proposes a novel calcium carbonate thermochemical energy storage system, which can directly absorb solar spectrum to improve the utilization efficiency of solar energy. In the view of the light capturing, the effects of doping materials, particle size and structure morphology on the optical absorption characteristics of solar energy in single calcium carbonate composite particles were studied. The effects of particle concentration, particle size distribution and particle arrangement distribution on the optical absorption characteristics of solar energy in calcium carbonate composite particles were clarified. The effects of chemical reactions on the full spectrum optical absorption of solar energy in calcium carbonate composite particles were explained. The influence of the characteristics reveals the mechanism of solar energy absorption for calcium carbonate composite particles. In addition, in the view of thermochemical energy storage, the ability of thermochemical energy storage characteristics for calcium carbonate composite particles were studied. The effects of particle size, structure and morphology, chemical reaction temperature, reaction conditions and gas atmosphere on the stability of heat storage/release cycle were analyzed, and the mechanism of heat storage/release cycle stability of calcium carbonate composite particles was revealed. The purpose of this project is to design the calcium carbonate composite particles for both solar energy full spectrum absorption and thermochemical energy storage. This project can provide a scientific basis for direct and efficient storage of solar energy to chemical energy.

目前碳酸钙太阳能储热技术主要采用表面集热方式，存在表面温度高、传递热阻大、转换效率低等缺点。本项目针对这些难题，提出了太阳能体吸收式的碳酸钙热化学储能系统，直接吸收利用太阳能，提高太阳能热化学储能效率。从光学捕获出发，研究碳酸钙单个复合颗粒中掺杂材料、粒子尺寸、结构形貌对太阳能光学吸收特性的影响，阐明碳酸钙复合颗粒群的太阳能光学吸收特性随颗粒浓度、粒径分布、粒子排列分布的变化规律，诠释了化学反应对碳酸钙复合颗粒太阳能全光谱光学吸收特性的影响，揭示了碳酸钙复合颗粒太阳能吸收机理。从热化学储能出发，研究碳酸钙复合颗粒的热化学储能特性，分析颗粒尺寸、结构形貌、化学反应温度、反应条件、气体氛围等对储热/释热循环稳定性的影响，揭示碳酸钙复合颗粒储热/释热循环稳定性机理。本项目旨在建立集太阳能全光谱吸收与热化学储能的碳酸钙复合颗粒设计方法，为太阳能到化学能的直接高效存储提供科学依据。

针对传统热化学储能系统存在“太阳能间接利用”和“循环稳定性差”的瓶颈问题，本项目提出太阳能直接驱动碳酸钙热化学储能的新方法，围绕碳酸钙复合颗粒太阳能吸收机理、碳酸钙复合颗粒储热/释热循环稳定性机制与调控方法两个关键科学问题，从以下四个方面展开研究：.（1）基于有效介质和电磁场理论，建立了太阳能光子与碳酸钙复合颗粒相互作用的理论模型，阐明了掺杂材料属性和掺杂份额对碳酸钙复合材料折射率和消光系数的影响规律，揭示了太阳能光子-碳酸钙复合颗粒相互作用机理。.（2）针对传统碳酸钙材料存在光学吸收率低、循环稳定性差等难题，提出多元掺杂策略改性碳酸钙材料的方法。首先，研究了单一掺杂元素对钙基复合材料的光学吸收、循环稳定性和碳酸化动力学的影响，阐明了Ce、Co和Mn在碳酸钙复合材料中的功能与作用。其次，分析了掺杂含量对多元素（Ce/Co/Mn）掺杂钙基复合材料的储热性能的影响。.（3）以过渡金属Mn掺杂碳酸钙为研究对象，结合实验表征与密度泛函理论，从微观角度揭示钙基复合材料光学吸收增强与动力学加速分解机理。对于光学吸收特性，从分子层面认识了Mn掺杂改变CaCO3电子和光学性质的原因，揭示了Mn掺杂增强CaCO3光学吸收机理。对于反应动力学，采用Kissinger-Akahira-Sunose方法，获得了纯CaCO3和Mn掺杂CaCO3的分解反应速率方程，进一步通过过渡态搜索确定了分解反应路径，揭示了Mn掺杂加速CaCO3分解反应的动力学机理。.（4）搭建了聚光太阳能直接加热的固定床反应器，以反应程度和储能密度为特征参数，比较了钙基复合材料在热重分析仪与太阳能直接驱动煅烧两种加热模式下的储能性能，发现太阳能直接驱动反应器的反应程度、储能密度和循环稳定性均低于热重分析仪中测量值，这是由于太阳能驱动反应器内温度分布不均匀造成的。针对太阳能驱动反应器内存在温度分布不均匀影响循环稳定性的瓶颈问题，提出了两种可行的解决方案：优化具有均匀形状的太阳辐射通量与设计新型反应器，如流化床反应器和回转窑等。