太阳能热化学互补发电系统的变辐照性能研究

本文基于10 kW中低温太阳能与甲醇热化学互补发电实验平台,采用不同太阳辐照强度与吸收反应器内甲醇裂解反应、甲醇重整反应两种化学反应的有机集成,提出了一种新颖的变辐照与不同化学反应相匹配的主动调控新方法,针对不同典型日太阳辐照强度偏离设计值,探讨了热化学互补发电系统变辐照工况的特性规律。研究结果表明,在中低温太阳能热化学互补发电系统中,与采用单一的太阳能驱动甲醇裂解反应相比,本文提出的主动调控方法使互补系统的日均太阳能净发电效率从30%提高到36%,更接近设计工况,有效提高了甲醇燃料化学能的梯级利用程度。该方法为减小单位镜场面积、提高太阳能年均净发电效率提供了有效途径。     

甲烷二氧化碳重整热化学储能实验研究

实验研究固定床反应器内CH_4-CO_2重整热化学储能过程,揭示加热温度、反应物流量及CH_4/CO_2摩尔比等参数对热化学储能过程的影响机制。实验结果显示:反应器内部轴向与径向均存在较大温度差;提高加热温度能够提高甲烷转化率和化学储能效率,但反应温度升高会导致反应器轴向温差变大,对反应器稳定运行不利;随着反应物流速的增大,甲烷转化率降低,化学储能效率先增后减存在极大值;提高CO_2含量有利于提高甲烷转化率,但会导致化学储能效率的降低。     

太阳能膜反应器燃料制取及联合循环效率分析

膜反应器是一种可在等温条件下连续运行的高效热化学反应器。基于膜反应器的甲烷重整吸热反应可利用太阳能作为热源制备更高热值的合成气,并可作为燃料提供给下游的联合循环进行发电,实现太阳能与化石能源的互补利用。本文对基于透氧膜的太阳能制取合成气系统建立理论研究模型,首先研究制取合成气的效率在不同热回收效率下随H_2O/CO_2比率变化的规律,然后讨论上游膜反应器的合成气产物热回收效率对于系统总发电效率的影响,并得到系统总效率的变化规律。膜反应器与常规甲烷重整反应系统相比,甲烷转化率和产气纯度更高,且燃料产物便于储存和运输。系统总发电效率为39.3%(太阳能聚光温度1200℃),具有实际应用潜力。     

太阳能甲醇分解吸收-反应器研制与实验研究

利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热,可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能,同时提高燃料热值和太阳能的可用性,还可以实现太阳能与化石燃料的互补.本研究提出了太阳能热化学系统的一体化设计原则,建立了综合考虑太阳能集热、反应动力学和反应器结构参数的太阳能甲醇分解反应器的理论分析模型,并首次研制了5 kW热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置.太阳能甲醇分解的实验结果表明太阳能集热器可以为甲醇分解提供200～300 ℃的反应温度,在辐照300～800 W/m2,甲醇进料量为0.5～4l/h条件下,甲醇转化率可以达到50%～95%,投射到吸收-反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到30%～60%,具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能.研制的实验装置体现了一体化设计特征,同时理论分析结果与实验结果也具有很好的一致性.本文研究成果将为开拓太阳能与化石能源互补的能量系统提供理论支撑和实验数据.     

集成太阳能热化学过程的冷热电联产系统

提出了集成抛物槽式双轴跟踪镜场的太阳能与清洁燃料热化学互补的微燃机冷热电联产系统。双轴跟踪的抛物槽镜场产生中低温太阳能热驱动吸收/反应管内甲醇分解生成合成气。合成气作为微燃机燃料,驱动分布式能源系统输出冷热电产品。研究了太阳能热化学关键过程吸收/反应管内甲醇转化率、沿程温度分布规律,对系统进行了能量分析和拥分析。结果表明,新系统热效率为74.74%,系统发电效率达到32.34%。研究结果为高效、稳定利用太阳能和清洁燃料提供了一种有效途径。     

聚光光伏-热化学耦合利用系统热力学分析

本文建立了一种聚光光伏-热化学耦合利用系统的模型。系统利用抛物槽式聚光分频装置将光谱分成不同的两部分分别进行光伏和热化学转换,其中热化学模块以太阳能作为反应热驱动甲醇重整反应产生氢气进入燃气轮机发电。对系统进行了能量分析和拥分析,得出系统拥损失主要集中在光学拥损失,光伏模块能量转换过程的拥损失和热化学模块能量转换过程的拥损失这三项,分别占总损失的32.7%,32.2%和27.0%。研究了不同分频波段下的光伏模块输出功率、集热器甲醇转化率和系统发电效率,同时将该系统与相同条件下的纯光伏系统和纯热化学系统进行了性能比较。结果表明,系统发电效率最高可达26.0%,相应的最佳光伏匹配波段为450～870 nm,相比于同等条件下的纯光伏系统和纯热化学系统,系统发电效率分别提高了11.1和6.1个百分点。     

聚光光伏与甲醇重整热化学互补发电系统性能研究

本文提出了太阳能光伏电池与甲醇中低温重整反应相结合的发电系统;通过太阳能的梯级利用以及物理能与化学能之间的品位耦合,太阳能净发电效率较单一光伏或甲醇热化学发电方式获得显著提升。热力学分析表明,在100~250℃C的系统运行温度范围内,系统的理论太阳能净发电效率达43.6%~44.3%(已考虑光学损失),显著高于光伏系统(22.5%)及热化学系统(32.7%)。系统约50%的太阳净发电量来自甲醇重整产物氢气,以化学能形式实现了太阳能的高效储能,且光伏、热化学发电随温度变化的相反趋势间互补达到了稳定输出的效果。此外,系统产生的电能中约25%来自太阳能,高于单一太阳能甲醇热化学发电系统的14%,对化石能源的依赖度降低。光伏与热化学互补发电为太阳能高效综合利用提供了新的思路。     

太阳能热化学与化学回热联合的冷热电系统

提出了一种太阳能热化学与化学回热过程联合的冷热电联产系统。利用太阳能驱动甲醇分解反应,产生的合成气在内燃机中燃烧作功,内燃机排烟余热与导热油换热,并驱动甲醇分解反应以回收余热。对系统进行了热力学性能分析,探究了全年典型日下系统热力性能与储能特性规律.研究结果表明:设计工况下系统一次能源利用率为78.4%,太阳能净发电效率为21.1%。在300~1000 W/m~2的直射辐照强度范围内,系统可以实现稳定运行,太阳能净发电效率稳定在19.3%~21.5%的变化范围内。     

中温太阳能驱动甲烷化学链重整冷热电系统及性能研究

针对高温太阳能与天然气热化学互补分布式能源系统存在聚光比高、互补反应温度高、变工况性能不稳定的技术瓶颈,本文探索了一种能实现主动调控的中温太阳能与天然气互补的化学链重整冷热电联产系统。利用约500℃太阳热能驱动天然气基-氧化镍化学链重整,生成合成气太阳能燃料,通过燃气轮机冷热电联产系统,实现中温太阳能与天然气综合梯级利用.研究结果表明:在设计点工况条件下,系统的总能效率可达到80.9%,太阳能集热面积节约率达到53.2%,太阳能净发电效率可达27.3%.分析了关键参数如NiO和甲烷摩尔比(Ni/C)和太阳辐照强度(DNI)对系统热力学性能的影响。     

槽式太阳能集热与化学热泵耦合的复合发电系统

本文提出了一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵耦合的复合发电系统,对其热力性能进行了分析,并研究了反应器中反应蒸汽温度、镜场加热给水温度等关键运行参数对系统性能的影响。研究了太阳能特征参数对系统性能的影响规律,分析了太阳直射辐照强度(DNI)高于设计工况时,储能材料氧化钙的量与DNI的关系。设计工况下,系统输出功335.7 MW,热效率为30.4%,发电效率23.6%。所提出的系统,为解决槽式太阳能单独热发电系统蒸汽参数低导致动力循环热效率低的难题提供了新途径。     

Hydrodynamics and heat and mass transfer at chemical conversions in slot reactors

In this paper, experimental and numerical investigations of the hydrodynamics and heat transfer in a disk slot heat exchanger-reactor for a radial flow of a gas mixture reacting on the channel walls are described. Data for the coefficients of heat transfer from the wall being heated to the gas flowing inside the reactor are presented. The temperature field of a catalytically active reactor plate at heat release on it has been investigated experimentally. Calculations of the flow and heat transfer in a slot reactor element for a catalytic reaction with heat release have been performed. Partial oxidation of methane in an oxygen medium with the formation of a hydrogen-containing synthesis gas in a two-dimensional microchannel has been investigated numerically. Data for the extent of the chemical conversion of methane versus the initial mixture consumption and reaction temperature are presented.     

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在常温常压下采用新型旋转电极等离子体反应器，对辉光等离子体作用下的甲烷偶联反应制C2烃进行了研究。结果表明，甲烷偶联反应的主要产物为C2H2，占C2烃的80%以上，能量效率在5.6%～11.2%之间；增加H2含量可以提高CH4转化率和C2烃收率；在500～2200kJ•mol−1的能量密度范围内，CH4转化率随能量密度的增大而线性增加，C2烃收率随着能量密度的增加呈峰形变化趋势。     

槽式聚光光伏-光热化学互补系统中吸热反应管性能研究

本文以槽式聚光光伏-光热化学互补系统为对象,并以甲醇裂解反应为例,探究了该系统内的吸热反应管在入射光谱仅为透过的红外光谱波段时的性能。研究结果表明,当几何聚光比为21.4时,透射到吸热反应管的红外光谱能量转化为太阳能燃料化学能的效率可达54%~58%。此外,还研究了太阳直射辐射强度、甲醇进口流量、甲醇进口温度等关键运行参数对吸热反应管中反应管温度、甲醇转化率等的影响。本文的研究工作为探索聚光光伏-光热化学互补方法提供了一种可能。     

Degradation of pentachlorophenol aqueous solutions using a continuous flow ultrasonic reactor: experimental performance and modelling

The degradation of aqueous solutions of pentachlorophenol (PCP) in a three-stage sonochemical reactor operating in the continuous flow mode has been investigated. The experimental reactor may be considered as a series of three high-frequency ultrasonic units. The influence of several parameters such as ultrasonic power, reactor volume and volumetric feed flow rate on the reactor performance is reported. Application of classical basic chemical engineering principles leads to a model that enables us to predict the PCP concentration within the reactor. In steady state, experimental conversion rates are shown to be in good agreement with model predictions.     

Monocrystalline silicon photovoltaic luminescent solar concentrator with 4.2% power conversion efficiency

We report conversion efficiencies of experimental single and dual light guide luminescent solar concentrators. We have built several 5 cm×5 cm and 10? cm×10 cm luminescent solar concentrator (LSC) demonstrators consisting of c-Si photovoltaic cells attached to luminescent light guides of Lumogen F Red 305 dye and perylene perinone dye. The highest overall efficiency obtained was 4.2% on a 5 cm×5 cm stacked dual light guide using both luminescent materials. To our knowledge, this is the highest reported experimentally determined efficiency for c-Si photovoltaic-based LSCs. Furthermore, we also produced a 5 cm×5 cm LSC specimen based on an inorganic phosphor layer with an overall efficiency of 2.5%.     

30m~2槽式太阳能集热器性能模拟研究

本文针对30 m~2槽式太阳能集热试验装置,对太阳能集热器的性能进行了模拟。分析了太阳能集热器光热转化过程,建立了太阳能能量转换与传递模型,并开发了模拟计算程序,研究了集热器关键结构参数和运行参数对集热性能的影响规律。具体考察了太阳辐照强度、工质流量、环境风速、吸热管管径等对集热效率的影响。结果表明:太阳能集热器的集热效率随太阳辐照强度的增加而增大,随工质流量的增加而增大,存在最佳的吸热管管径使得集热效率最大。研究结果将为太阳能集热器的设计提供参考依据。     

中低温太阳能-甲醇重整互补供能系统动力学提升与系统优化

本文考察了中低温-甲醇重整互补制氢及其与高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)结合的中低温太阳能-甲醇重整互补发电系统,并分析、优化了两供能系统的性能。从动力学性能优化角度,研发了一种适用于甲醇重整制氢反应的新型复合金属氧化物纳米催化剂,并测试了不同反应物体积流量与反应温度下的催化剂性能。基于动力学实验结果,模拟了太阳能-甲醇重整互补供能系统的性能。模拟结果显示,在太阳直射辐照强度为1000 W·m^-2、反应物体积流量为1.70 mL·min^-1时,采用新型纳米催化剂的互补制氢系统太阳能制氢效率与能量利用总效率分别为52.5%与87.5%,比采用铜锌铝商业催化剂的系统提高了12.4个百分点和3.3个百分点。如将重整产物气用于高温质子交换膜燃料电池发电,则太阳直射辐照强度为10000 W·m^-2、反应物体积流量为1.75 mL·min^-1时,中低温太阳能-甲醇重整互补发电系统太阳能净发电效率(40.9%)比应用商业催化剂的系统提高10.4个百分点。     

聚光太阳能PV/T空气集热器能量和(火用)效率分析

文中建立了带有散热翅片的复合抛物面聚光太阳能PV/T空气集热器内部传热过程的一维稳态数学模型,对传热过程进行了数值模拟,对集热器热、电、(火用)和净电效率进行了计算.分析了空气质量流量、入射光强度、风速对集热器的空气温度及系统各效率的影响.结果表明:随着入射光强度的增加,空气进出口温差、热和(火用)效率是增大的,而电效率则有所降低.随着空气流量的增加,系统的净电效率和进出口温度差是降低的.通过计算可知集热器的(火用)效率在18%～11%,热效率可达65%,净电效率低于2%,并明显受空气质量流速的影响.     

平板集热太阳热电器件建模及结构优化

太阳能热电转换是光伏效应外另一种直接将太阳辐射转变为电能的途径, 近年来已经成为太阳能利用的热点之一. 本文以Bi₂Te₃材料为基础构建平板集热太阳热电器件模型, 采用有限元法分析AM1.5辐射条件下器件温度分布情况, 并结合基于温度的物性参数计算集热比、热臂截面积与长度变化等因素对器件的开路电压、 最大输出功率及转化效率的影响. 研究发现: 集热比与热臂长度的变化对器件性能有显著影响, 热臂截面积的变化对器件转化效率影响相对较弱; 在这一模型中, 平板集热太阳热电器件的转化效率达到1.56%.     

Temperature-dependent gas-surface chemical kinetic model for methane ignition catalyzed by in situ generated palladium nanoparticles

A temperature-dependent gas-surface kinetic model for methane oxidation over palladium is proposed. Thermodynamic data for the surface species (O, H, OH, H₂O, and CO) are derived from statistical mechanic analysis using literature heats of desorption and vibrational frequencies. The rate parameters in the model also satisfy thermo-kinetic constraints. The hydrogen oxidation submodel is validated against literature stagnation flow reactor experiments at 1300 K and 13 Pa. The current model is further tested against catalytic methane ignition in a laminar flow reactor at atmospheric pressure, and with time-resolved measurements of the size distribution of palladium nanoparticles generated in situ from an aerosol containing palladium acetate. The improved gas-surface model predicts closely the experimental data. The role of palladium nanoparticles in enhancing methane ignition is attributed to heat release due to catalytic methane oxidation over distributed nanoparticle surfaces, leading to a temperature rise and thus an accelerated gas-phase chain-branching process.