太陽能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理與實驗研究.pdf

1、構建化石燃料高效利用方式和開發(fā)太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，是實現(xiàn)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和我國經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展的重要途徑。 本文依托國家自然科學基金重點資助項目，著眼于促進化石燃料高效利用和開拓太陽能應用，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釋放的熱力學機理和太陽能燃料能量轉(zhuǎn)換的熱力學原理，以太陽能甲醇催化分解反應系統(tǒng)為例，開展計算機模擬和實驗驗證研究。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程，提出化石燃料能量梯級釋放機理和太陽能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理。 基于（）基準態(tài)，給出物質(zhì)標準焓的計算方法，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程（0．514），并且經(jīng)中間燃料能量釋放過程的（）損失小于甲烷直接能量釋放過程。據(jù)此提出化石燃料能量梯放的熱力學機理：系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外低品位熱驅(qū)動的中間燃料合成過程形成燃料做功能力增加；中間燃料燃燒過程和整個用能過程的不可逆性小。當?shù)推肺粺釣樘柲軙r，中間燃料就是太陽能燃料?；谏鲜鰴C理，闡明太陽能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理，即太陽能燃料燃燒過程和整個用能過程不可行性比化石燃料小，并且做

4、功能力增加。 其次，以太陽能甲醇催化分解為例，在非等溫拋物槽太陽能吸收/反應器中開展合成太陽能燃料的計算機模擬和實驗研究，演示和驗證太陽能燃料的能量轉(zhuǎn)換原理。 基于DSG集熱器模型和BASF K3-110催化劑動力學模型，建立非等溫拋物槽式太陽能甲醇催化分解反應系統(tǒng)的計算機分析程序。模擬結果表明，在適宜進料下甲醇轉(zhuǎn)化率可以達到100%；拋物槽式太陽能集熱器提供大約385～875 K的太陽熱能，能夠滿足反應的溫度要求。研究

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

6、4．5 dm3·h-1條件下，甲醇轉(zhuǎn)化率可以達到0．50～0．95。實驗分析結果表明，太陽能熱化學轉(zhuǎn)化率可達到30%～60%，（）再生率可達7%～23%。 最后，在開展加壓合成生物柴油和真空蒸餾實驗基礎上，拓展太陽能燃料研究，提出了一種太陽能公用工程驅(qū)動的生物柴油生產(chǎn)工藝。 以粗菜籽油和粗甲醇為原料，通過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能公用工程