郭烈錦院士團隊：基于光熱電耦合利用的全光譜驅動CO?還原制化學品系統設計研究

西安交通大學綠色氫電全國重點實驗室吳俊翔 劉亞 王峰 郭烈錦在《工程熱物理學報?賀徐建中院士85誕辰專刊》刊發題為《基于光熱電耦合利用的全光譜驅動CO?還原制化學品系統設計研究》的論文。

摘 要

太陽能驅動的CO?還原制化學品技術能夠在實現碳排放資源化回收利用的同時，實現太陽能的穩定存儲，是實現國家“雙碳目標”的綠色負碳技術。然而傳統單一光熱化學、光電化學、光催化CO?還原技術路線對太陽能不同波段能量的利用各有側重，難以實現全光譜的高效轉化利用。本文提出了在聚光太陽能驅動的光熱/光電轉化模塊耦合系統的基礎上，將熱能傳遞給光電化學模塊促進CO?高效轉化的太陽能全光譜利用新機制。通過多物理場仿真軟件對該系統進行光熱耦合計算，得出其光場、溫度場、流場分布特點及其工作特征，在30倍聚光條件下其熱產出效率可達80%。經室外實測，相比傳統光伏/電解路線，引入光熱電耦合后，CO?還原產物CO的法拉第效率由90%提升至95%以上且穩定性良好，CO日產量可達26.31 L。

圖文導讀

太陽能因其分布廣泛、應用場景多等特點被視為可再生能源的核心代表。在太陽能實際運用中往往采用聚光器來提升能量密度，從而獲得更高的光電轉換效率和光熱回收效率，并結合光譜分頻技術實現太陽能的全光譜利用。其中CPVT(Concentrated Photovoltaic/Thermal，聚光光電/光熱) 技術在效率、成本和靈活性上具有顯著優勢而被廣泛研究，例如Haussener 等基于CPVT 系統實現了千瓦級制氫。該系統主要由光電部分與光熱部分組成，其中光電部分將短波光(400～1100 nm) 轉化為電能，光熱部分則通過工質吸收長波光(>1100 nm) 能量和光電部分的冷卻熱。

由于CPVT 系統中光電與光熱部分通過熱耦合的方式結合在一起，即二者溫度為同步上升或下降。隨著溫度的變化，光電轉換效率會隨著熱回收效率的升高而下降，同時系統的集熱溫度總是低于光電的工作溫度，為保證光電的正常工作熱產出有限。因此，CPVT 的熱產出多用在太陽能蒸餾、海水淡化、建筑供暖等中低溫熱利用中。盡管上述方案解決了CPVT 的熱利用問題，但使得CPVT 在光電利用和光熱利用上分為兩條獨立路線，增加了系統的整體復雜性，且多個環節間的能量傳遞損失降低了太陽能整體利用效率。如何將光電能量與光熱能量耦合利用，協同作用于產物輸出，成為當下太陽能利用的研究重點。

考慮到Ag 作為催化劑的電催化CO?還原因能量轉換效率高、產物選擇性高等特點被廣泛應用于太陽能驅動的CO2 還原中；同時，Ag 在電催化CO?還原中，升高MEA(Membrane ElectrodeAssembly，膜電極電解池) 的工作溫度會提高CO?還原產物的法拉第效率及選擇性。基于此，本文提出了將熱能用于電催化CO?還原的輔助供能機制，從而實現光熱電耦合驅動的CO?還原，采用多物理場仿真計算分析了該系統的光學及熱力學特性，并通過室外測試驗證該系統可行性，為太陽能全光譜利用提供新的方法和思路。

結 論

本文針對太陽能驅動的CO?還原路線中各波段無法耦合利用，難以實現全光譜的高效轉化利用的問題，提出了將熱能傳遞給光電化學模塊促進CO?高效轉化的光熱電耦合利用機制，并通過直接匹配電化學CO?還原系統驗證了該機制的可行性。利用多物理場仿真計算軟件詳細研究了光熱電耦合系統的光電能、熱能特性，確定其熱回收效率為80%。結果表明，通過制定光電轉換與電催化還原之間的能量匹配機制，引入光熱電耦合利用后產物CO的法拉第效率由92% 提高到了97%，同時也提高了產物的選擇性。室外測試結果表明通過對太陽能全光譜光熱電耦合利用可每日產出CO 26.31 L，最大瞬時產率5.0 L·h?1。綜上，本文提出的光熱電耦合利用機制為太陽能驅動CO?還原中的太陽能全光譜利用提供了一條新的技術路線。

引用格式：吳俊翔， 劉亞， 王峰，郭列錦等. 基于光熱電耦合利用的全光譜驅動CO?還原制化學品系統設計研究[J]. 工程熱物理學報， 2025, 46(12): 4110-4115.

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