清华大学学报(自然科学版)

作者：林鹏翥, 娄佳慧, 李建兰, 郝勇

单位：1. 中国科学院工程热物理研究所, 北京 100190;<br>2. 中国科学院大学, 北京 100049;<br>3. 华中科技大学 能源与动力工程学院, 武汉 430074

关键词：聚光太阳能,热化学循环,光谱选择性透过膜,太阳能燃料,效率

基金：国家自然科学基金资助项目（51676189，51590904）；中国科学院前沿科学重点研究项目（QYZDY-SSW-JSC036）

太阳能高温热化学反应分解水或二氧化碳是制取太阳能燃料的重要途径，通常以热化学循环的方式进行。鉴于太阳能热化学循环反应腔体温度显著低于太阳表面温度，可以通过光谱选择性透过膜抑制腔体向环境的二次辐射，从而达到显著降低不可逆损失、提升集热效率、降低聚光集热成本的目的。该文对选择性透过膜的特征参数截止波长及其对热化学循环性能的影响进行了系统的研究，进而在氧化铈热化学循环分解二氧化碳实验基础上，分析了选择性透过膜对太阳能-燃料化学能效率的影响。最后，对聚光集热成本相对于选择性透过膜成本的敏感性进行了讨论。结果表明，对于最高温度为1 773 K的太阳能热化学循环，最佳截止波长为1 350 nm，与太阳能光谱（AM1.5）的水蒸气、二氧化碳吸收峰重合。选择性透过膜可以将黑体腔理论集热效率提升34.7%~85.2%，可以较为明显地提升热化学循环分解二氧化碳的太阳能-燃料化学能效率上限。选择性透过膜对缩短还原反应的升温时间和减少辐射损失分别为13.7%和36.7%。当选择性透过膜的单位成本低于碟式聚光镜的单位成本的330倍时，使用选择性透过膜可以有效降低聚光集热成本。

来源：2021年第12期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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