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光热协同反应与集热一体化实验及模拟研究

光热协同反应与集热一体化实验及模拟研究

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作者：韩俊畴浙江大学

学位级别：硕士

太阳能是一种储量丰富的可再生能源,应用于发电、燃料制备、供热和海水淡化等领域,有效助力双碳目标的实现。太阳能转化技术涵盖光伏、光（电）催化和光热等多种路径。本文致力于将光热协同反应和槽式集热技术整合于同一系统中,高频光... 详细信息

太阳能是一种储量丰富的可再生能源,应用于发电、燃料制备、供热和海水淡化等领域,有效助力双碳目标的实现。太阳能转化技术涵盖光伏、光（电）催化和光热等多种路径。本文致力于将光热协同反应和槽式集热技术整合于同一系统中,高频光子用于光热协同反应合成燃料,低频光子能量转化为储热介质的热能,实现光热协同反应制氢和集热的一体化。本系统相较于单一化的太阳能利用方式,能拓展太阳辐射光谱利用范围,提高太阳能的整体利用率。设计光热协同反应与集热核心器件,基于槽式聚光搭建一体化实验系统,以分解水制氢为光热协同反应目标。基于水分解性能优越的光催化剂Sr Ti O3:Al,负载助催化剂,在集热管外壁面喷涂催化膜层,构成“催化层-集热层-金属管”的多层辐射吸收结构。制备材料面密度为0.5、1.0和1.5 mg/cm2的三种催化层,以探究不同厚度催化层的光学性能、催化性能。表征发现催化层对紫外波段光辐射有强烈的吸收作用,而对可见及红外波段光主要表现为反射作用。催化层全光谱透射率随膜层厚度的增加而下降。1.0 mg/cm2的催化层集热管具有最好的产氢表现,最高产氢率达1.85μmol/hr,而0.5 mg/cm2的催化层集热管具有最好的集热性能,在一小时光照下反应器进出口油温差可达14℃。催化层增厚有利于光催化反应,但不利于集热,因此在保证产氢率最大化的前提下,应尽可能减薄催化层,使系统仍保持一定的集热性能。探究系统运行参数变化对反应产氢率及集热的影响,在已有的实验工况范围内,产氢率与光辐射强度、导热油初温和水蒸气流量的变化分别呈正相关,在最好的工况下产氢率分别达到了92、145和145μmol/g/hr。导热油初温高时,运行一小时后油温降低得更多,这是由于系统的散热较为强烈。光辐射强度和水蒸气流量增加时,集热性能略有提升。实验结合仿真研究系统光路结构参数变化对产氢率及集热的影响。仿真表明反光镜与金属管的相对高度在23～36.5 mm的范围内时,管上下表面的能流分布情况不同,但总的辐射强度相同且达到最大值。当反光镜偏离金属管的距离从26mm增加至32 mm时,管壁周向能流均匀性从0.26降低至0.11,产氢率也随之下降,但系统的集热性能基本不受影响,这与仿真结果较为吻合。由系统的光路能流分析,系统理论光学效率为88.1%。本文开展的光热协同反应与集热一体化实验,为太阳能全光谱利用的实际系统设计与优化提供了理论依据与经验参考。

关键词：光热协同反应集热聚光太阳能制氢

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