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近年來，聚光(guang)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能利(li)用(yong)逐漸成(cheng)為(wei)能源(yuan)領域(yu)中的(de)國際前(qian)沿熱(re)點，太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能熱(re)化(hua)學(xue)(xue)循環制(zhi)取太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能燃料(liao)被認為(wei)是具有(you)發展前(qian)景的(de)聚光(guang)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能熱(re)利(li)用(yong)方式之一。聚光(guang)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能可(ke)實現不同聚光(guang)比條件下驅動碳氫燃料(liao)參與(yu)的(de)化(hua)學(xue)(xue)反應(ying)和(he)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能互(hu)補系統(tong)的(de)燃料(liao)轉化(hua)。

太陽能(neng)燃料制備的主要(yao)問題(ti)在于熱(re)化(hua)學循環(huan)反應溫度高、輻射熱(re)損失(shi)大、不可逆(ni)損失(shi)嚴重，導致(zhi)能(neng)量轉換效(xiao)率低。為解決該問題(ti)，中國(guo)科(ke)學院工程(cheng)熱(re)物理研究(jiu)所(suo)分(fen)布(bu)式供能(neng)與(yu)可再生能(neng)源實驗(yan)室研究(jiu)人員提出聚(ju)光太陽能(neng)化(hua)學鏈循環(huan)方法。

該方(fang)(fang)法的(de)(de)主(zhu)要原理是：天然氣(qi)在聚光太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能作(zuo)用下還(huan)(huan)原載(zai)(zai)氧(yang)(yang)體(ti)生成(cheng)CO和H2，被(bei)還(huan)(huan)原的(de)(de)載(zai)(zai)氧(yang)(yang)體(ti)與(yu)空氣(qi)等(deng)反(fan)應(ying)(ying)進行載(zai)(zai)氧(yang)(yang)體(ti)的(de)(de)再生，CO和H2即為所(suo)需的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能燃料(liao)。該方(fang)(fang)法可將熱化學反(fan)應(ying)(ying)溫度從1000℃以上(shang)降低(di)至(zhi)600℃左(zuo)右，降低(di)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能集(ji)熱島的(de)(de)輻射熱損失(shi)和熱化學反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)不(bu)可逆損失(shi)，具有將太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能利用效率提升(sheng)約5~10%的(de)(de)潛力。

圖1.聚光太陽能與(yu)甲烷互補系統(tong)

高(gao)反(fan)應(ying)(ying)轉(zhuan)化率和循環(huan)(huan)(huan)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)的(de)載(zai)(zai)氧(yang)體材料是實現(xian)聚光太(tai)(tai)陽能(neng)化學(xue)鏈(lian)制取太(tai)(tai)陽能(neng)燃料的(de)關鍵。為提高(gao)燃料轉(zhuan)化率與(yu)合(he)(he)成(cheng)氣(qi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)，工(gong)程熱(re)物(wu)理所研(yan)究(jiu)人員與(yu)美國北卡羅來納(na)州立大(da)學(xue)、西佛吉尼亞大(da)學(xue)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊合(he)(he)作，研(yan)制出高(gao)反(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)(xing)、高(gao)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)的(de)復(fu)合(he)(he)離(li)子(zi)電子(zi)導體（MIEC）載(zai)(zai)氧(yang)體，深入探(tan)索復(fu)合(he)(he)離(li)子(zi)電子(zi)導體載(zai)(zai)氧(yang)體的(de)循環(huan)(huan)(huan)反(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)(xing)。與(yu)單獨離(li)子(zi)電子(zi)導體載(zai)(zai)氧(yang)體相比(bi)，新型復(fu)合(he)(he)載(zai)(zai)氧(yang)體可(ke)將反(fan)應(ying)(ying)轉(zhuan)化率從~20%提升至90%以上，且達(da)到接近100%的(de)合(he)(he)成(cheng)氣(qi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)；復(fu)合(he)(he)載(zai)(zai)氧(yang)體在(zai)50次循環(huan)(huan)(huan)反(fan)應(ying)(ying)中(zhong)具有較高(gao)循環(huan)(huan)(huan)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)。

為進一步(bu)提(ti)高循環(huan)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)性、降低(di)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)溫度(du)，研究人員(yuan)從反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)分離及工藝流程優化(hua)入手，通過反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器的(de)設計和反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)循環(huan)的(de)分離過程對化(hua)學鏈制氫反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)路(lu)徑(jing)進行優化(hua)，進一步(bu)提(ti)升反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)性能(neng)。

圖2.天(tian)然(ran)氣化學鏈制氫反應示意圖

圖3.天然(ran)氣化學鏈制氫(qing)反(fan)應性(xing)能結(jie)果

該團(tuan)隊(dui)研發出多(duo)孔蜂窩(wo)型(xing)化(hua)學鏈反應(ying)器，探究(jiu)Ni基載氧體在該反應(ying)器上的(de)(de)天然氣化(hua)學鏈制氫(qing)反應(ying)性能(neng)(neng)。與傳(chuan)統的(de)(de)甲(jia)烷(wan)重整反應(ying)制氫(qing)（約800℃）相比，通過化(hua)學鏈循環方(fang)法(fa)可(ke)(ke)將反應(ying)溫度(du)降低至600℃以(yi)(yi)下，該反應(ying)溫度(du)可(ke)(ke)與低聚(ju)光比的(de)(de)槽式(shi)聚(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)結合，降低輻射(she)熱(re)損失，提升太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)利(li)用(yong)(yong)效(xiao)率(lv)。該反應(ying)實現(xian)甲(jia)烷(wan)化(hua)學鏈制氫(qing)的(de)(de)高效(xiao)轉化(hua)，甲(jia)烷(wan)轉化(hua)率(lv)可(ke)(ke)達90%以(yi)(yi)上，同(tong)時(shi)30次循環反應(ying)表明其循環反應(ying)性與穩定(ding)性優異。聚(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)化(hua)學鏈循環方(fang)法(fa)實現(xian)高效(xiao)利(li)用(yong)(yong)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)和減少排放溫室氣體，實現(xian)高效(xiao)、低碳、清潔的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)利(li)用(yong)(yong)。

該研究(jiu)有(you)利于(yu)實現(xian)聚光(guang)太(tai)陽(yang)(yang)能化(hua)學鏈制(zhi)取太(tai)陽(yang)(yang)能燃料，為解(jie)決(jue)當(dang)前(qian)聚光(guang)太(tai)陽(yang)(yang)能熱化(hua)學能量轉(zhuan)換效(xiao)率低問題提供方法。研究(jiu)工作得到國家自然(ran)科學基金重(zhong)大研究(jiu)計(ji)劃項(xiang)目(mu)的支持。