太阳能高温热化学储能过程的能质传递转换特性

High temperature solar thermochemical storage process is a very promising renewable energy technology, and this multi-scale and multi-process energy-mass transport and conversion problem will be experimentally and theoretically investigated in this project. The catalyst materials for high temperature solar thermochemical storage process are prepared and characterized, and the morphology and formation of the catalyst microstructure are studied. The quantization relationship between catalyst microstructure and macro transport-reaction performance are further analyzed, and then the microscopic foundation for high temperature thermochemical storage process is established. The mechanics and mathematical description for the transport and chemical reaction inside the porous catalyst layer are presented, the interface effects on the heat-mass transfer and reaction are disclosed, and then the calculation model for the energy storage process in combination of heat-mass transfer and chemical reaction is further proposed. The multi-process nonlinear model for high temperature solar thermochemical storage system is established, and then the response characteristics and stability mechanism of the energy storage process under unsteady solar flux condition are described. In addtion, the energy transport-conversion enhancement mechanics during the photo-heat-chemical energy conversion process is studied, and the optimization design method for high temperature solar thermochemical storage system is developed. Based on this project, the energy-mass transport and conversion theories in engineering thermophysics are promoted, and the predictive and design method for high temperature solar thermochemical storage system are provided.

太阳能高温热化学储能是极具前景的可再生能源利用技术，本项目围绕这一多尺度多过程能质传递与转换问题进行系统的实验与机理研究。实验制备和表征太阳能高温热化学储能过程的催化材料，认识催化材料内部微结构的物理形态与形成机制，揭示微结构与宏观传递反应性能之间的关联和量化规律，形成高温热化学储能研究的微观理论基础；探析多孔催化床层内微细传递和化学反应的内在机制，揭示界面效应对热质传递与反应过程的影响规律，发展多孔介质内化学反应与热质传递协同储能过程的数理模型；建立太阳能高温热化学储能系统的多过程非线性模型，研究非稳态聚光太阳辐射条件下热化学储能的动态响应特征和稳定机制，揭示光-热-化学能转换过程中能量传递转换的强化机理，形成太阳能高温热化学储能系统的优化设计方法。项目实施将丰富工程热物理学科的能质传递和转换理论，并为太阳能热化学储能系统的理论预测和工程设计提供方法。

太阳能高温热化学储能是极具前景的可再生能源利用技术，涉及多尺度多过程能质传递与转换问题。立项以来，研究团队根据研究计划围绕太阳能高温热化学储能过程进行了深入的理论探索和实验研究，在科学研究、人才培养等方面取得了重要进展，已按计划进度完成项目目标，部分目标超额完成。制备了适用于太阳能高温热利用的甲烷重整热化学储能催化材料，认识催化材料的内部微结构、活性组分分布和传递反应特性，揭示材料结构与传递反应性能之间的关系，奠定高温热化学储能研究的微观基础。建立多尺度能质传递及其驱动势的计算关联式，发展多孔介质内化学反应与热质传递协同储能的数理模型，获得各种条件下储能系统的温度分布、反应物转化率、化学储能效率与各因素影响机制，为热化学储能过程研究提供理论方法。构建了基于电加热、碟式太阳能聚光器、多碟氙灯太阳能模拟器的管式、半腔式和腔式热化学储能系统，发展光-热-化学能转换过程中能量传递转换强化机理，形成热化学储能系统的优化设计方法，为太阳能热化学储能系统的理论预测和工程设计提供指导。项目已发表学术论文20篇，其中中科院一区与Top期刊11篇，包括4篇Applied Energy、2篇International Journal of Heat and Mass Transfer、1篇Energy Conservation and Management、4篇Applied Thermal Engineering；授权国家发明专利1项，申请国家发明专利3项；已毕业5名硕士和1名博士研究生。研究结果被国际期刊（Applied Energy、Energy、Solar Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews等）广泛引用，其中1篇论文入选ESI高被引论文。项目负责人参加国际传热学大会（IHTC 16）与工程热物理年会等会议交流研究内容，受邀参加传热传质青年学者论坛热能存储基础理论与前沿技术专题，并做专题报告“聚光太阳能高温热化学储能研究”。项目的实施和完成丰富了工程热物理学科的能质传递和转换理论，并为太阳能热化学储能系统的应用提供技术支撑。