太陽(yáng)能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、構(gòu)建化石燃料高效利用方式和開發(fā)太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等可再生能源，是實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要途徑。 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目，著眼于促進(jìn)化石燃料高效利用和開拓太陽(yáng)能應(yīng)用，旨在基于能量品質(zhì)分析方法，試圖闡明化石燃料能量梯級(jí)釋放的熱力學(xué)機(jī)理和太陽(yáng)能燃料能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)原理，以太陽(yáng)能甲醇催化分解反應(yīng)系統(tǒng)為例，開展計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。主要內(nèi)容如下： 首先，基于能質(zhì)系數(shù)建立了物質(zhì)能量品質(zhì)分析

2、方法，以甲烷及甲醇的直接燃燒和經(jīng)中間燃料再燃燒為例，研究化石燃料能量釋放過(guò)程，提出化石燃料能量梯級(jí)釋放機(jī)理和太陽(yáng)能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理。 基于（）基準(zhǔn)態(tài)，給出物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)焓的計(jì)算方法，建立物質(zhì)能量品質(zhì)定量分析的α-H-ε圖式分析方法?；谠摲椒?，以甲烷直接燃燒、甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化后再燃燒和甲烷CO2轉(zhuǎn)化后再燃燒三種路徑為例，研究化石燃料能量釋放過(guò)程。發(fā)現(xiàn)甲烷水蒸汽和CO2轉(zhuǎn)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(guò)程

3、的能質(zhì)系數(shù)減小值（0．423，0．323）明顯小于甲烷燃燒過(guò)程（0．514），并且經(jīng)中間燃料能量釋放過(guò)程的（）損失小于甲烷直接能量釋放過(guò)程。據(jù)此提出化石燃料能量梯放的熱力學(xué)機(jī)理：系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外低品位熱驅(qū)動(dòng)的中間燃料合成過(guò)程形成燃料做功能力增加；中間燃料燃燒過(guò)程和整個(gè)用能過(guò)程的不可逆性小。當(dāng)?shù)推肺粺釣樘?yáng)能時(shí)，中間燃料就是太陽(yáng)能燃料?；谏鲜鰴C(jī)理，闡明太陽(yáng)能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理，即太陽(yáng)能燃料燃燒過(guò)程和整個(gè)用能過(guò)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(yáng)能甲醇催化分解為例，在非等溫拋物槽太陽(yáng)能吸收/反應(yīng)器中開展合成太陽(yáng)能燃料的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，演示和驗(yàn)證太陽(yáng)能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理。 基于DSG集熱器模型和BASF K3-110催化劑動(dòng)力學(xué)模型，建立非等溫拋物槽式太陽(yáng)能甲醇催化分解反應(yīng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分析程序。模擬結(jié)果表明，在適宜進(jìn)料下甲醇轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到100%；拋物槽式太陽(yáng)能集熱器提供大約385～875 K的太陽(yáng)熱能，能夠滿足反應(yīng)的溫度要求。研究

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

6、4．5 dm3·h-1條件下，甲醇轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到0．50～0．95。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，太陽(yáng)能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化率可達(dá)到30%～60%，（）再生率可達(dá)7%～23%。 最后，在開展加壓合成生物柴油和真空蒸餾實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，拓展太陽(yáng)能燃料研究，提出了一種太陽(yáng)能公用工程驅(qū)動(dòng)的生物柴油生產(chǎn)工藝。 以粗菜籽油和粗甲醇為原料，通過(guò)加壓酯交換法合成生物柴油，并采用真空蒸餾精制產(chǎn)品。采用Aspen Plus軟件分別模擬化石燃料公用工程和太陽(yáng)能公用工程