CN104724673B - 一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)。本发明提供的提高太阳能热化学循环制取燃料速度和效率的系统及方法，与太阳能热化学等温法相比，都是致力于消除加热催化剂的能量损耗，但等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H₂O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。利用本发明，通水带来的催化剂主动降温，可以把反应器每个循环所需的时间大大缩短，同时与等温法相比每个循环产生更多的氢气，并且可以提高氧化步骤的反应速度，合理地利用了高温还原步热量，提高了太阳能燃料转换效率，避免了固‑固换热器的使用，提升了反应器的机械性能。

Description

一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法

技术领域

本发明涉及高温太阳能热化学循环双温法制取燃料技术领域，尤其是通过转化CO₂或H₂O制取CO和H₂的一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法。

背景技术

氢气作为一种清洁能源在工业、医学等方面有越来越多的用途。传统的方式是通过电解水或甲烷重整制氢，这无疑间接增加了化石能源的消耗。化石能源日益枯竭的今天，通过结合太阳能等可再生能源水分解制氢方式凸显出很多优势。另外，分解二氧化碳制取一氧化碳的过程可以实现减少温室气体排放，减少化石能源的消耗，是二氧化碳捕集和封存(CCS)的一种补充方式。此外，合成气制备后可以合成甲醇、二甲醚等化工产品或者通过Fischer-Tropsch转换成液体燃料。

在太阳能热化学两步法循环制氢中，氧化铈作为一种催化剂，具有储量丰富且反应中不存在相变的特点，与Fe基氧化物相比，不存在烧结的问题，与Zn基氧化物相比不必使用淬火，并且不存在ZnO膜覆盖问题。反应中，高温下将氧化铈进行部分热分解后释放氧气(即发生还原反应)，还原后的氧化物在较低温度下被水或二氧化碳氧化，放出氢气或者一氧化碳。催化剂以氧化铈为例。

目前与本发明相关的技术主要有传统双温法高温热化学循环制备燃料、等温法热化学循环制备燃料。下面分别对以上两种技术进行描述：

传统双温法高温热化学循环制备燃料

高温T_H下的反应(还原反应)

低温T_L下的反应(氧化反应)

低温T_L下的反应

H₂O分解总反应

H₂O(g)→1/2O₂(g)+H₂(g)

CO₂分解总反应

CO₂(g)→1/2O₂(g)+CO(g)

其中δ_red是还原产物中的氧缺位，δ_ox是氧化产物中的氧缺位(δ_red＞δ_ox)。

制取CO的过程和制取H₂的过程类似。下文中以制取H₂为例。

双温法分解水制氢过程中的能量消耗主要由以下几个部分：加热氧化铈至T_H的高温，还原步吸收热量，加热水至T_L低温。此外，为了得到较低的还原步氧分压，通常采用通入惰性气体或者使用泵的方式。在二氧化碳分解制一氧化碳的过程中，还要考虑气体分离功的问题。氧化铈在氧化步与还原步中的氧缺位的变化量和H₂的产量相等。氧缺位受温度和压力的影响，随着温度的降低而降低，随着氧分压的降低而增加。由于现有的双温法T_H和T_L之间存在很大的温差，加热氧化铈的能耗很大，这将严重影响太阳能到燃料的转化效率。另外，T_H和T_L的温差会使反应器由于热胀冷缩导致的热应力增大，并在两个温度之间的热循环中降低反应器的寿命。HHV效率是输出燃料的高位热值与总的太阳能输入能量的比值。若T_H＝1500℃，T_L＝800℃，此时不考虑热回收的情况下，最大HHV效率为16％-19％左右。

等温法热化学循环制备燃料

等温法：

高温T_H下的反应(还原反应)

同样的T_H下的反应(氧化反应)

在这种情况下，可以消除加热氧化铈所耗费的巨大能量，虽然效率在特定条件下较传统的双温法有所提高，但是由于氧化步是放热反应，高温将不利于反应的进行。此外高温下(温度不低于1100℃)的换热器不成熟，热量回收利用困难。在没有热回收的情况下，若T_H＝1500℃，那么HHV效率最高为3％。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，以合理利用高温还原步热量，提高太阳能燃料转换效率，避免固固换热器的使用，提升反应器的机械性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，该系统包括聚光装置a、接触换热装置b、反应器c、氧气收集装置d、换热器e和气体分离收集装置f，其中：

聚光装置a，用于将太阳光会聚至反应器c，提供还原反应需要的热量；

反应器c，用于吸收聚光装置a会聚的热量，使反应器c中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO₂/H₂O进一步加热到T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器e；

氧气收集装置d，用于收集还原反应释放出来的氧气；

换热器e，用于将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的入口原料CO₂/H₂O进行热量交换，加热入口原料CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的入口原料CO₂/H₂O被通入接触换热装置b；

接触换热装置b，用于将加热后的入口原料CO₂/H₂O直接喷洒在氧载体3上，将氧载体3的温度降低到温度T_L，同时将入口原料CO₂/H₂O的温度提高到T_L；

气体分离收集装置f，用于收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂。

上述方案中，所述反应器c，自外向内依次设置有耐高温金属1、耐火材料2和氧载体3，其中氧载体3作为催化剂，采用金属氧化物氧化铈、氧化锌或氧化铁，或者采用钙钛矿、尖晶石或金属离子变价的金属氧化物材料。

上述方案中，所述反应器c中的氧载体3发生还原反应时，反应器c中的温度T_H为1000℃-1800℃。

上述方案中，所述温度T_L为500℃至T_H，所述温度T₁为25℃至T_L。

上述方案中，在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定。

上述方案中，在该系统中，还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，并在氧化反应时将反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。

本发明还提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法，应用于所述的系统，该方法包括：

反应器c中的氧载体吸收聚光装置a会聚的热量，发生还原反应释放出氧气，释放出的氧气被氧气收集装置d收集；

在还原反应后反应器c隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将温度为T₁的CO₂/H₂O加热到温度T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器e；

换热器e将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的CO₂/H₂O进行热量交换，加热室温下的CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的CO₂/H₂O被通入接触换热装置b；

接触换热装置b将加热后的CO₂/H₂O直接喷洒在反应器c中的氧载体上，将氧载体的温度降低到温度T_L，同时将CO₂/H₂O的温度由T₁提高到T_L；

气体分离收集装置f收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂。

(三)有益效果

本发明提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，与太阳能热化学等温法相比，都是致力于消除加热催化剂的能量损耗，但太阳能热化学等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H₂O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。利用本发明，通水带来的催化剂主动降温，可以把反应器每个循环所需的时间大大缩短，同时与等温法相比每个循环产生更多的氢气，并且可以提高氧化步骤的反应速度，合理地利用了高温还原步热量，提高了太阳能燃料转换效率，避免了固-固换热器的使用，提升了反应器的机械性能。

附图说明

图1是本发明提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统的示意图；

图2是本发明提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法流程图；

图3是依照本发明第一实施例的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统的结构示意图；

图4是依照本发明实施例的根据热力学第一定律计算太阳能原料转换效率的示意图；

图5是太阳能热化学双温法分解H₂O的HHV效率随T_H的变化示意图；

图6是太阳能热化学双温法分解H₂O的效率随T_H的变化示意图；

图7是太阳能热化学双温法分解CO₂的HHV效率随T_H的变化示意图；

图8是太阳能热化学双温法分解CO₂的效率随T_H的变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统与方法，采用氧化铈作为催化剂，制备CO的过程和H₂原理相同，包括两个主要的反应过程：高温T_H下氧载体(例如氧化铈)吸收太阳能热量发生还原反应释放O₂；低温T_L下，向被还原的氧载体中通入CO₂/H₂O发生氧化反应释放出CO/H₂。能量输入部分有两项：将氧化铈从低温T_L加热到高温T_H需要的热量Q_{氧化铈，加热}和高温T_H下还原氧化铈吸收的热量Q_{氧化铈，还原}，这二者均由太阳能提供。

如图1所示，图1是本发明提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统的示意图，该系统包括聚光装置a、接触换热装置b、反应器c、氧气收集装置d、换热器e和气体分离收集装置f，其中：

聚光装置a，用于将太阳光会聚至反应器c，提供还原反应需要的热量；

反应器c，用于吸收聚光装置a会聚的热量，使反应器c中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO₂/H₂O进一步加热到T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器e；

氧气收集装置d，用于收集还原反应释放出来的氧气；

换热器e，用于将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的入口原料CO₂/H₂O进行热量交换，加热入口原料CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的入口原料CO₂/H₂O被通入接触换热装置b；

接触换热装置b，用于将加热后的入口原料CO₂/H₂O直接喷洒在氧载体3上，将氧载体3的温度降低到温度T_L，同时将入口原料CO₂/H₂O的温度提高到T_L；

气体分离收集装置f，用于收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂。

图1中，所述反应器c自外向内依次设置有耐高温金属1(例如不锈钢)、耐火材料2和氧载体3，氧载体3作为催化剂，采用金属氧化物氧化铈、氧化锌或氧化铁，或者采用钙钛矿、尖晶石或金属离子变价的金属氧化物材料，优选地采用氧化铈。

图1中，反应器c中的氧载体3发生还原反应时，反应器c中的温度T_H为1000℃-1800℃，优选地采用1500℃。换热器e将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的入口原料CO₂/H₂O进行热量交换，加热入口原料CO₂/H₂O至温度T₁，温度T₁一般为25℃至T_L。在还原反应后隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO₂/H₂O进一步加热到T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，温度T_L一般为500℃至T_H，优选地采用800℃。

在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定。还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，即在氧化反应时将反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。

基于图1所示的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，本发明还提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：反应器c中的氧载体吸收聚光装置a会聚的热量，发生还原反应释放出氧气，释放出的氧气被氧气收集装置d收集；

步骤2：在还原反应后反应器c隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将温度为T₁的CO₂/H₂O加热到温度T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器e；

步骤3：换热器e将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的CO₂/H₂O进行热量交换，加热室温下的CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的CO₂/H₂O被通入接触换热装置b；

步骤4：接触换热装置b将加热后的CO₂/H₂O直接喷洒在反应器c中的氧载体上，将氧载体的温度降低到温度T_L，同时将CO₂/H₂O的温度由T₁提高至T_L；

步骤5：气体分离收集装置f收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂。

以制取H₂为例，如图3所示，本发明在高温T_H还原反应后即向反应器中通入水(室温水或者与氧化反应后温度为T_L的H₂/H₂O混合物进行热交换的水或者经过太阳能预热的H₂O)与氧载体发生氧化反应释放H₂，将氧化铈从T_H冷却至T_L的热量Q_{氧化铈，冷却}用于加热Q_水，加热，冷却氧化铈所释放的热量Q_{氧化铈，冷却}以及氧化反应释放的热量Q_L用于满足加热水的热量需求，这样就避免了传统的双温法过程采用换热器去回收固体氧载体所携带的热量Q_{氧化铈，冷却}。采用直接接触换热的方式进行热回收。另外，为了进一步提高系统的能量利用率，进行热量回收时，可以将氧化反应后气体分离收集装置以及氧气收集装置的显热经过换热器供给氧化步的输入原料(H₂O/CO₂)，将其提前预热到一定的温度T₁。

Q_{氧化铈，加热}是将氧化铈从低温T_L加热到高温TX需要的热量，Q_{氧化铈，还原}是在高温TX下氧化铈发生还原反应时吸收的热量，Q_{氧化铈，冷却}是还原反应结束后体系中存在的热量，Q_{CO2/H2O，加热}是将CO₂或H₂O从室温加热至低温T_L所消耗的热量。Q_CO/H2是CO/H₂的显热。Q_O2是O₂的显热。CO₂/H₂O代表二氧化碳与H₂O混合物、或者仅有其中一种组分。

在不考虑热回收的情况下，系统中高温T_H下进行氧化铈的分解制取氧气，是在反应器c进行高温还原反应之后，立即向反应器c中注入室温的水，由于巨大的温差，水在汽化过程中将吸收热，导致氧化铈降温。

在考虑热回收的情况下，回收的是氧化反应产生的气体混合物H₂/H₂O或CO/CO₂中的热量，氧化反应释放的热量Q_L，将加热作为原料的室温的CO₂/H₂O加热到温度T₁；然后将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原金属氧载体中，进而利用还原反应后的高温热量将温度为T₁的CO₂/H₂O加热到温度T_L；对氧化反应后气体分离收集装置f的热量进行回收的同时，分离出来CO/H₂；氧化反应完成之后，对热量进行热回收，回收后的热量用来加热室温下进来的CO₂/H₂O，用于下一个循环。

在双温法制取燃料过程中，以制备H₂为例，氧载体作为催化剂，一般选用氧化铈。没有热回收的情况下，系统中高温T_H下进行氧化铈的分解制取O₂，与传统的思路不同，本发明在高温还原反应完成之后，立即向反应器中注入室温的水，由于巨大的温差，水在汽化过程中将吸收大量的热，而吸热效应正好可以导致氧化铈降温。从热力学上讲，这一方法的最大好处是充分利用了双温法氧载体在降温过程中原本向环境释放的热量，并使得原本为了抵达氧化步所需的较大温差有所缩减，从而节省了下一个循环加热氧载体所需的太阳能输入。这种方法与等温法相比，即都是致力于消除加热催化剂的部分。但区别在于等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H₂O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。

T_L＝f(r_H2O，T_H)

其中r_H2O＝n_H2O/(δ_in_CeO2)

n_H2O代表初始水的物质的量，n_CeO2代表初始加入的氧化铈的物质的量，而δ_i是还原反应得到的氧缺位。

若考虑热回收，将Q_水，加热进行回收，这样可以将水提前预热到一个较高的温度T₁。然后将温度为T₁的水注入到反应器中，进而利用还原反应后的高温热量将温度为T₁的水加热到温度T_L，以进行氧化反应。在这个过程中分离出来H₂。氧化反应完成之后，对热量进行热回收，回收后的热量用来加热室温下进来的水。用于下一个循环。

需要说明的是，在本发明提供的这种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统中，所有的反应过程都是在同一个反应器中进行的。

在实际应用中，为了提高效率，避免太阳能的浪费，还可以采用多个本发明提供的这种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统以流水线方式进行作业。例如，将多个本发明提供的这种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统组合来实现两步法热化学循环制取H₂/CO的过程，第一个系统通过利用太阳能照射实现还原反应之后，将该系统移到没有阳光照射的地方进行不需要太阳能照射的氧化反应。而另一个系统在第一个系统移走后被置于阳光照射的地方进行还原反应，进而交替实现还原氧化的两步热化学循环反应。

本发明提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，在高温TH下催化剂发生还原反应释放出O₂，在温度T_L下催化剂发生氧化反应释放出H₂或者CO。两个反应最终在太阳能的驱动下，加入催化剂实现了水或二氧化碳的分解反应，分别制取H₂和CO。低温反应的温度T_L受温度T_H和水量共同作用影响。在给定的温度T_H下，控制初始氧化铈和水的量的关系，可以获得太阳能燃料转换效率最优值。

本发明采用聚光太阳能或者太阳能模拟器照射反应器，反应器中的催化剂(以氧化铈为例)在高温下分解生成氧气。通过通入惰性气体或者使用真空泵降低还原步的氧气分压。促进反应的不断进行。还原反应完成后，我们立即向反应中通入H₂O(CO₂两步分解的过程与此类似)。这里我们可以采用室温下的液态水，或者是通过热回收经过换热器升温后的水蒸气。此时会发生氧化反应，释放出H₂。可以通过多种方式回收H₂，如物理冷凝法，或者膜方法等。这样我们就可以通过高温太阳能热实现水的分解。该方法在不同的温度下进行了模拟和计算。若不考虑水的热回收。通过计算，热力学第一定律效率如图4所示。

通过计算太阳能到燃料的转化效率，在没有热回收的情况下，采用本方案，当T_H＝1500℃，r_H2O＝9，此时T_L＝1011℃时，可以达到20.6％。高于传统的双温法和等温法。在热回收的情况下，T_H＝1500℃，r_H2O＝31，此时T_L＝1153℃，此时效率可以达到23.6％。在原基础上又提高了三个百分点。而且T_H和T_L间的温差减小。T_H取其他值的时候，可以得到相同的变化规律。通过这种新方法，通水带来的催化剂主动降温，可以把反应器每个循环所需的时间大大缩短，同时比等温法相比每个循环产生更多的氢气，并且可以提高氧化步骤的反应速度，显著提高了反应的效率。

下面进一步描述采用本发明所能够达到的有益效果。这里，定义两个效率分别是HHV效率(热力学第一定律效率)以及效率(热力学第二定律效率)：

HHV效率＝HHV_H2/Q_输入，其中Q_输入＝η_abs ^-1(Q_{氧化铈，加热}+Q_{氧化铈，还原})+Q_泵

效率＝ΔG_H2/E_输入，其中E_输入＝_ηabs ^-1(E_{氧化铈，加热}+E_{氧化铈，还原})+W_泵

是理想黑体接收器的太阳能集热效率，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为集热温度，C为太阳能集热器聚光比，I是太阳能辐照强度，HHV是所获燃料(如H₂或者CO)的高位热值。Q_{氧化铈，还原}是还原反应中吸收的热量，Q_{氧化铈，加热}是加热氧化铈需要的热量。Q_泵是还原反应中用泵抽取氧气所耗的热能。此外，针对CO₂分解时，输入还包括分离CO/CO₂所耗的能量。

ΔG_H2代表H₂(g)+O₂(g)＝H₂O(1)的吉布斯自由能的变化。E_{输入代表总的} 输入，其中E_{氧化铈，还原}是还原反应中吸收的热量，E_{氧化铈，加热}是加热氧化铈需要的热量。W_泵是还原反应中用泵抽取氧气所耗的功。

r_H2O＝n_H2O/(δ_in_CeO2)

r_CO2＝n_CO2/(δ_in_CeO2)

其中r_H2O(或r_CO2)是通入H₂O(或CO₂)的物质的量与氧化铈中含有的氧空位的物质的量比值。δ_i代表氧化铈进行还原反应前的氧空位。

针对H₂O分解过程：图5是太阳能热化学双温法分解H₂O的HHV效率随T_H的变化示意图，这里实线和虚线分别表示0％和80％热回收，全填充的符号代表本发明所能达到的最佳效率，空心的符号代表传统双温法所能够达到的最佳效率，半封闭符号代表与本发明的T_L及r_H2O相同时候的传统双温法的效率。此外，a1与a2曲线代表本发明80％热回收和无热回收两种情况下的还原反应与氧化反应的温差，b1与b2温差曲线代表80％热回收和无热回收两种情况下的优化后的传统双温法还原反应与氧化反应的温差。图6是太阳能热化学双温法分解H₂O的效率随T_H的变化示意图。通过分析可以发现，本发明能够减少高温T_H与低温T_L之间的温差，有利于反应器的设计，减少循环时间。同时相比传统的双温法，效率有很大程度的提高。例如，在T_H＝1600℃且无热回收下，本发明分解H₂O的HHV效率可以达到24.3％，而传统的双温法经过优化后达到的HHV效率为16.4％，效率提升了48％。若经过80％热回收，本发明的HHV效率可以达到27％，而传统的双温法只能达到21％。此外效率也有相同的趋势，在80％的热回收的时候，效率也可以有进一步的提高。

针对CO₂分解过程：图7是太阳能热化学双温法分解CO₂的HHV效率随T_H的变化示意图，其中虚线与点划线的温差曲线分别代表本发明与优化的传统双温法高温T_H与低温T_L间的温差。图8是太阳能热化学双温法分解CO₂的效率随T_H的变化示意图。在T_H＝1600℃时，没有热回收的情况下，本发明分解CO₂的效率可以达到23％，而传统的双温法效率即便优化后最高能够达到19％，若与本发明选取相同的T_L及r_CO2的时候，HHV效率只能达到15％。本发明中分解CO₂的效率在1600℃的T_H且无热回收的情况下，可以达到28.9％，而传统的双温法优化后仅能够达到24.6％。本发明中分解CO₂的HHV效率及效率较传统的双温法均有大幅度的提高。并且本发明的T_H与T_L间的温差大大减小，减少反应器设计过程中的热应力损失。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)，其中：

聚光装置(a)，用于将太阳光会聚至反应器(c)，提供还原反应需要的热量；

反应器(c)，用于吸收聚光装置(a)会聚的热量，使反应器(c)中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置(a)会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO₂/H₂O进一步加热到T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器(e)进入气体分离收集装置(f)，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器(e)；

氧气收集装置(d)，用于收集还原反应释放出来的氧气；

换热器(e)，用于将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的入口原料CO₂/H₂O进行热量交换，加热入口原料CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的入口原料CO₂/H₂O被通入接触换热装置(b)；

接触换热装置(b)，用于将加热后的入口原料CO₂/H₂O直接喷洒在氧载体(3)上，将氧载体(3)的温度降低到温度T_L，同时将入口原料CO₂/H₂O的温度提高到T_L；

气体分离收集装置(f)，用于收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂；

在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定；还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，并在氧化反应时将反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。

2.根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述反应器(c)，自外向内依次设置有耐高温金属(1)、耐火材料(2)和氧载体(3)。

3.根据权利要求2所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述氧载体(3)作为催化剂，采用金属氧化物氧化铈、氧化锌或氧化铁，或者采用钙钛矿或尖晶石。

4.根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述反应器(c)中的氧载体(3)发生还原反应时，反应器(c)中的温度T_H为1000℃-1800℃。

5.根据权利要求4所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述温度T_L为500℃至T_H。

6.根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述温度T₁为25℃至T_L。

7.一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括：

反应器(c)中的氧载体吸收聚光装置(a)会聚的热量，发生还原反应释放出氧气，释放出的氧气被氧气收集装置(d)收集；

在还原反应后反应器(c)隔绝聚光装置(a)会聚的热量，将CO₂/H₂O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将温度为T₁的CO₂/H₂O加热到温度T_L，使被还原的氧载体在温度T_L下与CO₂/H₂O发生氧化反应，产生CO/H₂并且释放出热量Q_L，产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O通过换热器(e)进入气体分离收集装置(f)，释放出的热量Q_L被产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带至换热器(e)；

换热器(e)将氧化反应产生的CO/H₂及未反应完全的CO₂/H₂O携带的热量与室温下的CO₂/H₂O进行热量交换，加热室温下的CO₂/H₂O至温度T₁，加热后的CO₂/H₂O被通入接触换热装置(b)；

接触换热装置(b)将加热后的CO₂/H₂O直接喷洒在反应器(c)中的氧载体上，将氧载体的温度降低到温度T_L，同时将CO₂/H₂O的温度由T₁提高到T_L；

气体分离收集装置(f)收集氧化反应产生的CO/H₂以及未反应完全的CO₂/H₂O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H₂。