近年來，聚光太陽能利用逐漸成為能源領域中的國際前沿熱點。太陽能熱化學循環制取太陽能燃料被認為是最具發展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。

聚光太陽能可實現不同聚光比條件下驅動碳氫燃料參與的化學反應，實現太陽能互補系統的燃料轉化。太陽能燃料制備的主要瓶頸是熱化學循環反應溫度高、輻射熱損失大、不可逆損失嚴重，導致能量轉換效率低。為解決該瓶頸，中國科學院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室提出了聚光太陽能化學鏈循環方法。

該方法主要原理如下：天然氣在聚光太陽能作用下還原載氧體生成CO和H?，被還原的載氧體與空氣等反應進行載氧體的再生，CO和H?即為所需的太陽能燃料。上述方法可將熱化學反應溫度從1000℃以上降低至600℃左右，不僅能降低太陽能集熱島的輻射熱損失，還能降低熱化學反應的不可逆損失，具有將太陽能利用效率提升約5~10%的潛力。

高反應轉化率和循環穩定性的載氧體材料是實現聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料的關鍵。為提高燃料轉化率與合成氣選擇性，中國科學院工程熱物理研究所分布式研究團隊與美國北卡羅來納州立大學、西佛吉尼亞大學研究團隊合作，研制了高反應性、高選擇性的復合離子電子導體（MIEC）載氧體，并深入探索了復合離子電子導體載氧體的循環反應性。與單獨離子電子導體載氧體相比，新型復合載氧體可將反應轉化率從~20%提升至90%以上，且達到接近100%的合成氣選擇性；復合載氧體在50次循環反應中具有較高的循環穩定性。

為進一步提高循環反應性、降低反應溫度，中國科學院工程熱物理研究所分布式研究團隊從反應分離以及工藝流程優化的思路入手，通過反應器的設計和反應循環的分離過程對化學鏈制氫反應的反應路徑進行優化，進一步實現了反應性能的提升。團隊研發了多孔蜂窩型化學鏈反應器，并研究了Ni基載氧體在該反應器上的天然氣化學鏈制氫反應性能。與傳統的甲烷重整反應制氫(約800℃)相比，通過化學鏈循環方法可將反應溫度降低至600℃以下，該反應溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽能相結合，降低輻射熱損失，提升太陽能利用效率。此外，該反應實現了甲烷化學鏈制氫的高效轉化。甲烷轉化率可達到90%以上，同時30次循環反應表明其循環反應性與穩定性優異。聚光太陽能化學鏈循環方法不僅實現了太陽能的高效利用，同時能夠減少溫室氣體排放，實現了高效、低碳、清潔的太陽能利用。

上述實驗研究為實現聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料奠定重要實驗基礎，為解決當前聚光太陽能熱化學能量轉換效率低的瓶頸提供了新方法。該研究受到了國家自然科學基金重大研究計劃項目的資助和支持。

相關成果如下：

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 CO?Splitting and Syngas Generation.

Journal of Materials Chemistry A,2020,8(26),13173-13182.

圖：聚光太陽能與甲烷互補系統

圖：天然氣化學鏈制氫反應示意圖

圖：天然氣化學鏈制氫反應性能結果

太陽能是十分具有前景的清潔能源，隨著科技的發展，太陽能燃料將廣泛應用于人們的生產生活。將太陽能用于金屬、礦物生產等領域將大大降低對化石燃料的依賴，同時減少化石燃料帶來的污染；將太陽能作為反應熱源用于含碳燃料如煤、生物質和焦油的降解和氣化可有效提高燃料的品質和清潔度；將太陽能用于水和二氧化碳分解從而生產氫氣和一氧化碳，實現氫和碳的循環利用將完全改變以往以化石燃料為主的能源結構。此前，國際能源署太陽能熱發電和熱化學組織特別設置了“太陽能燃料路線圖”項目，我國西安交通大學等單位參與其中。國際社會對于太陽能燃料也在積極投入研發和示范，市場方興未艾。愿太陽能燃料能早日進入人們的日常生活中。