太阳能光解水制氢的核心催化剂及多场耦合研究进展

太阳能光解水制氢可从根本上解决能源需求及碳排放造成的环境污染问题,是各国关注的热点之一。利用太阳能全光谱光催化制氢是目前研究的主要方式,但存在催化效率较低,难以实际应用的问题。造成光催化剂催化效率低的主要因素在于比表面积小、光吸收能力弱、禁带宽度较宽、载流子迁移能力弱。对光催化机理和催化剂的优化策略进行了总结,通过敏化材料掺杂、元素掺杂、异质结构建、助催化剂负载、高导电性石墨烯掺杂等策略来有效提高光催化剂对可见光的吸收、降低光生载流子的复合、增加活性位点、加速表面反应。此外,对光电、光热及光热电催化等近年发展起来的多场耦合催化制氢做了系统的介绍,对太阳能制氢催化剂理论和实践的未来发展做出了展望。     

基于品位耦合的太阳能互补联合循环发电系统集成评价理论

太阳能互补联合循环(ISCC)系统被认为是高效利用太阳能与化石能源的最有前景的途径之一。然而,由于目前缺乏对太阳能互补集成系统的普适性分析与评价,导致统一评价体系下不同集成系统方案之间的直接性能对比难以实现。鉴于此,首先提出并建立一套具有普适性的ISCC系统理论模型,该模型涵盖了太阳能集成到布雷顿循环与朗肯循环的不同耦合方案,对不同集成系统进行合理概括。基于■分析理论推导得到统一性评价指标——燃料节省因子理论表达式,并对其进行验证,运用该评价方法对不同集成方案进行横向性能评估。然后基于能量品位耦合思想,利用统一表达式中的桥接项揭示了ISCC系统集成中的“分配效应”,即分配给布雷顿循环和朗肯循环的总输入(■)比例因太阳能投入位置的不同而改变。最后扩展了前期工作提出的“叠加效应”在ISCC系统中的应用,说明系统总燃料节省因子由代表太阳能投入带来直接效益的基本项、代表太阳能投入对系统中各组件浮动影响的浮动项和代表太阳能投入后隐含的循环间影响的桥接项叠加综合决定,包括太阳能局部整合的直接影响和各部分之间的相互影响。该研究结果具有普适性,为未来复杂太阳能互补多循环系统研究应用提供理论指导。     

高效太阳能电解水制氢系统及其性能的多目标优化

针对日益重要的清洁可持续绿氢生产技术需求,开发了一种基于太阳能,集发电和制氢于一体的高效系统。该系统由塔式太阳能发电和热能存储系统、质子交换膜(PEM)电解水系统和含有回热器的再热式蒸汽朗肯循环及含有回热器的有机朗肯循环余热回收子系统组成,可实现能量梯级利用。在Aspen Plus中建立了各子系统的模拟模型,并用Fortran语言编写太阳能定日镜场和PEM电解槽数学模型,基于非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)和Aspen Plus与MATLAB软件的交互和多目标优化权衡最大?效率、最大日净输电量、最小氢气的平准化成本(LCOH),实现该系统的优化。所建立的模型可以高效准确地模拟、分析和优化该集成系统。帕累托前沿表明,该系统最优的?效率、日净输电量和LCOH分别为52.19%、247.352 MWh/d和6.05 USD/kg;优化后,最佳氢气产能为4.796 t/d,?效率提高3.00%,日净输电量增加31.14%,LCOH降低4.87%。该研究对于大规模太阳能耦合发电和制氢工艺的开发具有重要的指导意义。     

炼厂制氢与烷烃脱氢工艺耦合研究

根据制氢装置和烷烃脱氢装置工艺特点,构思了三种制氢装置废热锅炉和烷烃脱氢装置加热炉工艺耦合的方案。通过工艺流程模拟对三种耦合效果进行分析,结果显示工艺耦合可有效提高热利用率,节省大量的操作成本。通过分析比选,认为工艺耦合方案二即废热锅炉(2×10⁵m³/h 制氢装置)替代再生空气加热炉(6×10⁵t/a烷烃脱氢装置)是优先推荐采用的耦合方案。通过“ ”计算,方案二采用工艺耦合后装置的“ ”效率从 58.38%提高至 67.09%,由此每年节省的装置操作费用可达 2776.8 万元。     

太阳能热与燃煤电站互补发电技术综述

太阳能热与燃煤电站互补发电(SAPG)系统作为一种新型互补发电技术,在减少燃煤电站CO₂排放的同时,可降低光热发电成本,近年来备受关注。首先,基于槽式和塔式太阳能集热场工作原理和运行特点,总结了槽式和塔式太阳能集热场与燃煤机组集成时的多种耦合方案,并对不同耦合方案下系统的集成原理进行分析。因塔式太阳能集热场换热介质的工作温度较高,与燃煤机组的集成部位既可在回热系统侧,也可在锅炉侧,槽式太阳能集热场换热介质工作温度较低,与燃煤机组集成多在回热系统侧。其次,总结了SAPG系统热力性能研究进展,目前针对SAPG系统热力性能的研究多集中在静态性能方面,动态性能分析较少。静态性能分析主要包括设计工况、变工况下系统光电转换效率、太阳能发电功率等性能指标以及蓄热系统对SAPG系统运行影响等。结果表明,无论在何种工况下,SAPG系统中的光电转换效率均明显高于纯光热系统;动态性能分析主要研究太阳辐照强度实时变化、系统云遮等工况下,SAPG系统在一段时间内的参数变化规律,分析太阳辐照扰动对系统运行稳定性、安全性的影响,并制定SAPG系统的运行控制策略。然后,论述了SAPG系统经济性能...     

区域水源热泵与太阳能耦合系统的经济技术分析

介绍了水源热泵与太阳能耦合系统的工作原理和性能特点,对水源热泵与太阳能耦合系统和水源热泵系统进行了经济技术对比分析。结果表明,采用水源热泵与太阳能耦合系统更具有节能环保效益,在建筑节能领域更具有规模化应用前景。     

风力发电制氢与氢气网络耦合系统的氢气波动平抑特性分析

将可再生能源发电制氢集成于炼厂氢气系统中,不仅可替代部分氢气公用工程以满足炼厂的氢气需求,同时也可为炼厂中旋转设备提供电能,但可再生能源发电制氢的波动性将影响氢气网络的稳定运行。为了探究风力发电制氢与氢气网络集成中两个子系统平抑风能波动的特性,本文构建了集成风力发电制氢的氢气网络数学优化分析模型,研究了氢气网络平抑风力发电制氢波动的经济性和系统结构特性。研究表明,为了适应可再生能源发电制氢的波动,氢气网络需要更加复杂的网络结构,且风力发电制氢输出的电力和氢气经储能电池和氢气储罐的缓冲调节后仍存在较大波动,氢气网络仍需通过调节公用工程和燃气系统来实现氢气网络的稳定运行。     

首套千吨级太阳能发电、电解水制氢、二氧化碳与氢气合成甲醇示范项目试车成功

2020年1月17日,首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州新区绿色化工园区试车成功。该项目迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。太阳燃料合成是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电,进而电解水制备氢气、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源存储在液体燃料中。     

太阳能光催化分解水制氢研究进展

利用太阳能分解水制备氢气是一种将太阳能转换成氢能的有效方式。介绍了太阳能光催化分解水制氢的原理,综述了近年来国内外太阳能分解水制氢催化剂的研究进展,介绍了贵金属负载、离子掺杂以及复合半导体等技术对催化剂进行修饰和改性处理的技术及其影响,并展望了未来太阳能光催化分解水制氢催化剂的发展方向。     

太阳能热化学反应循环制氢技术及其最新发展

氢能是一种高效、洁净的新能源，太阳能热化学循环制氢实现了制氢工艺的清洁、无污染，具有非常理想的应用前景。本从热化学反应循环系统的研发入手，系统地介绍了该技术的最新研究进展情况，并对未来发展方向进行了展望。     

基于Cu/TiO2/C-Wood复合材料的聚光太阳能驱动自漂浮高效海水汽化催化分解制氢体系

利用储量丰富且易获得的太阳能和海水资源为人类提供可持续的清洁能源是一项具有深远影响的探索。在本工作中,设计合成了一种自漂浮复合材料（Cu/TiO₂/C-Wood）,该材料具有高效的毛细输液、全光谱太阳能光热转化及光-热协同催化能力,可通过快速的界面相转移过程实现太阳能驱动海水汽化与水蒸气催化分解制氢的一步协同增效反应。其中,具有大量微通道和极轻质量的碳化木（C-Wood）作为漂浮载体,通过毛细作用将液态水快速输送至局部升温的C-Wood表面,借助高效光热转化过程使海水汽化脱盐,同时负载等离子金属Cu的TiO₂纳米粒子作为催化活性组分触发水蒸气光-热协同催化分解制氢反应,从而实现太阳能驱动高效海水汽化催化分解制氢。实验结果表明：该复合材料在15 kW·m^-2的光照条件下,产氢速率达到179 μmol·h^-1·cm^-2（35.8 mmol·h^-1·g^-1）,且在循环利用5次后产氢速率仍基本保持不变。更重要的是,通过聚光太阳能和自漂浮毛细输液条件的共同作用,可以获得海水中主要成分氯化钠对产氢性能的显著促进,从而打破了海水制氢技术一直以来面临的氯离子副作用瓶颈问题,证实了聚光太阳能驱动自漂浮高效光热协同催化体系在规模化、绿色、可持续太阳能海水制氢中的应用潜力。     

光生物制氢技术研究进展与经济分析

氢能可作为汽车清洁能源替代石油等碳基能源,但目前以石油、煤炭、天然气为原料生产氢气是不可持续的。通过热解、电解、光解和生物质化学分解等途径可以由太阳能制取可再生氢气。本文重点介绍其中的光生物法生产可再生氢能的国内外研究现状和发展趋势,计算了几种光生物法制氢工艺的太阳能氢气(STHs)转换效率,对比分析了近10年来该技术工业可行性的经济技术评估结果,并估算了光生物法生产可再生氢能的全生命周期(LCA)CO2排放指标。     

太阳能甲烷干重整复杂反应体系的热化学储能特性

基于热力学第一和第二定律对太阳能甲烷干重整复杂反应体系的热力学特性进行建模分析,研究该体系在不同太阳光照强度时的反应器温度响应及热化学储能特性,以及副反应和各部分能量损失对整个体系能量效率的影响规律。通过平衡常数法计算反应器平衡状态时的物质组成,并进而利用热力学模型计算不同条件下入口气转化率、选择性、功效率和能量转换效率的变化规律。结果表明：进料比n(CO₂)/n(CH₄)的升高有助于提高甲烷转化率、选择性、功效率和能量转换效率;反应器温度的变化对系统热化学储能特性的影响显著,在较低温区（923～1123K）,副反应较多,且随着温度的升高副反应逐渐受到抑制,积炭减少,功效率和能量转换效率逐渐升高,并在1123K时达到峰值;温度继续升高（>1123K）,反应器辐射损失显著增加,导致功效率和能量转换效率随温度升高而降低;高温区（>1200K）,副反应受到抑制,复杂反应体系的系统效率同单一反应体系趋于一致,副反应基本对系统性能无影响。     

太阳能分解水制氢技术研究进展

介绍了传统氢的获取方式;综述了以太阳能为能源分解水制氢技术的研究进展;概述了光伏法、光热法、光电化学法及光热电化学耦合制氢技术的基本原理及技术关键;评述了反应器材料、半导体催化剂材料、光强、反应温度、反应压力等工艺条件对制氢效率的影响。展望了目前太阳能制氢技术的研究前景。     

太阳能与建筑一体化结合技术进展

太阳能与建筑一体化结合已经成为建筑节能领域的技术热点。针对与建筑一体化的太阳能热水系统和太阳能光伏系统进行了分析,阐述了国内外太阳能技术在建筑中应用的进展,探讨了国内外几个典型的太阳能建筑的技术特点,指出了我国太阳能建筑一体化目前存在的主要问题及其解决思路。     

太阳能雾化脱盐系统热能利用率的研究

在构建太阳能雾化脱盐系统的基础上对该系统处理浓盐水的热能利用率进行了研究,考察了辐照值、空气流量、气水比等因素对系统热能利用率的影响。结果表明,系统的热能利用率随着辐照值的升高呈现减小趋势,随着气水比、空气流量的增大呈现先增大后减小的趋势。系统的热能利用率与空气流量存在二次抛物线关系。     

Plasmon-induced photothermal effect of sub-10-nm Cu nanoparticles enables boosted full-spectrum solar H2 production

Distinguishing the contributions from localized surface plasmon resonance (LSPR)induced photothermal effect is a significant challenge in the study of solar hydrogen production. Herein, a well-defined one-dimensional Cu/TiO₂ heterostructure with Cu size of 3–6 nm is designed to address such issue. Cu nanoparticles present notable LSPR absorption from visible to near-infrared light, while no hydrogen is produced in the presence of simulated light with λ ≥ 700 nm. Interestingly, a remarkable improvement of hydrogen evolution under full-spectrum light was observed which is almost twice of that under only ultraviolet–visible light irradiation, implying the critical yet auxiliary role of LSPR-induced photothermal effect in promoting photocatalytic performance. Significantly, a notable reduction of the apparent activation energy and strengthened charge separation efficiency are observed due to the increased local temperature of catalyst surface caused by the plasmon-induced photothermal effect. The kinetic and thermodynamic changes should be responsible for the enhanced hydrogen production.