聚光太阳能可实现不同聚光比条件下驱动碳氢燃料参与的化学反应，实现太阳能互补系统的燃料转化。太阳能燃料制备的主要瓶颈是热化学循环反应温度高、辐射热损失大、不可逆损失严重，导致能量转换效率低。为解决该瓶颈，工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室提出了聚光太阳能化学链循环方法。该方法主要原理如下：天然气在聚光太阳能作用下还原载氧体生成CO和H2，被还原的载氧体与空气等反应进行载氧体的再生，CO和H2即为所需的太阳能燃料。上述方法可将热化学反应温度从1000oC以上降低至600oC左右，不仅能降低太阳能集热岛的辐射热损失，还能降低热化学反应的不可逆损失，具有将太阳能利用效率提升约5~10%的潜力。
高反应转化率和循环稳定性的载氧体材料是实现聚光太阳能化学链制取太阳能燃料的关键。为提高燃料转化率与合成气选择性，分布式研究团队与美国北卡罗来纳州立大学、西佛吉尼亚大学研究团队合作，研制了高反应性、高选择性的复合离子电子导体（MIEC）载氧体，并深入探索了复合离子电子导体载氧体的循环反应性。与单独离子电子导体载氧体相比，新型复合载氧体可将反应转化率从~20%提升至90%以上，且达到接近100%的合成气选择性；复合载氧体在50次循环反应中具有较高的循环稳定性。
为进一步提高循环反应性、降低反应温度，分布式研究团队从反应分离以及工艺流程优化的思路入手，通过反应器的设计和反应循环的分离过程对化学链制氢反应的反应路径进行优化，进一步实现了反应性能的提升。团队研发了多孔蜂窝型化学链反应器，并研究了Ni基载氧体在该反应器上的天然气化学链制氢反应性能。与传统的甲烷重整反应制氢(约800oC)相比，通过化学链循环方法可将反应温度降低至600 oC以下，该反应温度可与低聚光比的槽式聚光太阳能相结合，降低辐射热损失，提升太阳能利用效率。此外，该反应实现了甲烷化学链制氢的高效转化。甲烷转化率可达到90%以上，同时30次循环反应表明其循环反应性与稳定性优异。聚光太阳能化学链循环方法不仅实现了太阳能的高效利用，同时能够减少温室气体排放，实现了高效、低碳、清洁地太阳能利用。
上述实验研究为实现聚光太阳能化学链制取太阳能燃料奠定重要实验基础，为解决当前聚光太阳能热化学能量转换效率低的瓶颈提供了新方法。该研究受到了国家自然科学基金重大研究计划项目的资助和支持。
相关成果如下：
(1)Experimental study on honeycomb reactor using methane via chemical looping cycle for solar syngas, Applied Energy, 2020, 268,114995.
(2)Mixed Conductive Composites for ‘Low-Temperature’ Thermo-chemical CO2 Splitting and Syngas Generation. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8 (26), 13173-13182.
聚光太阳能与甲烷互补系统
天然气化学链制氢反应示意图
天然气化学链制氢反应性能结果
