目前，太陽能與化石能源互補發(fā)電研究主要分為兩大類：一是太陽能與熱力循環(huán)的“熱互補”，即通常我們說的太陽能熱發(fā)電；二是太陽能與化石燃料的“熱化學(xué)互補”，即太陽能熱化學(xué)發(fā)電。太陽能與熱力循環(huán)的“熱互補”是根據(jù)不同聚光形式，將不同集熱溫度的太陽熱以熱量傳遞的方式注入熱力循環(huán)。太陽能與化石燃料的“熱化學(xué)互補”是將太陽熱與化石燃料重整、裂解等不同燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程結(jié)合，使太陽能轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)能，再同熱力循環(huán)集成共同實現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功。
太陽能熱發(fā)電的相關(guān)內(nèi)容在之前已有介紹，在此不再贅述。
太陽能與化石燃料熱化學(xué)互補發(fā)電
什么是太陽能熱化學(xué)發(fā)電？圖1是太陽能熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)換過程示意圖。分散的太陽能被聚集，然后通過相應(yīng)的吸收器接收，轉(zhuǎn)化為太陽能熱能。太陽熱能以反應(yīng)熱的形式驅(qū)動吸熱的化學(xué)反應(yīng)，從而將太陽熱能轉(zhuǎn)換到燃料化學(xué)能中去。太陽能熱化學(xué)發(fā)電技術(shù)就是利用該過程的新型太陽能與化石能源互補利用模式。
國外相關(guān)研究現(xiàn)狀
高溫太陽能與化石燃料“熱化學(xué)互補”發(fā)電系統(tǒng)僅有20年研究歷程，主要著眼于900~1200℃左右的高溫太陽熱化學(xué)與天然氣互補的轉(zhuǎn)化和利用。研究也多集中在二次聚光的高溫聚光鏡、太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器等部件性能的提高和相關(guān)催化劑的研發(fā)。一方面將太陽能能轉(zhuǎn)化為高密度燃料化學(xué)能；另一方面化石燃料可以從高碳組分變?yōu)榈吞嫉奶柲芏稳剂?。這樣，不僅可以遠距離輸運和長時存儲太陽能，而且化石燃料轉(zhuǎn)化二次燃料的燃燒產(chǎn)生較少的污染物。德國和瑞士科學(xué)家們首先提出高溫太陽熱能與天然氣重整相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)。2003年德國啟動了國家能源計劃，開展太陽能重整甲烷－燃氣蒸汽復(fù)合熱發(fā)電系統(tǒng)示范項目研究工作。德國DLR（德國宇航實驗室）與以色列Weizmann研究所共同開展了300KW太陽能甲烷重整集熱反應(yīng)器的研究。瑞士在國家ETH計劃和PSI研究中心資助下，開展更具廣泛性的太陽能－天然氣與氧化鋅重整的能源環(huán)境系統(tǒng)研究。
但是，這種高溫太陽能熱化學(xué)互補發(fā)電依賴于高聚光比（近千倍聚光）和不穩(wěn)定的太陽能能流密度，難以低成本大規(guī)模應(yīng)用。
研究所在太陽能熱化學(xué)方面的原創(chuàng)工作
為了加速和推進高效、低成本太陽能熱互補發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式供能與可再生能源實驗室研究團隊原創(chuàng)性提出太陽能驅(qū)動替代燃料裂解動力系統(tǒng)。構(gòu)建了中低溫太陽能與化石燃料品位互補的能量釋放新方法：以中低溫太陽熱能驅(qū)動替代燃料的吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為高品位的太陽能燃料；然后通過燃燒和熱力循環(huán)，實現(xiàn)太陽熱和替代燃料的共同高效利用。利用廉價、成熟的槽式聚光鏡聚集200~300℃太陽熱，不僅對降低太陽能互補發(fā)電投資成本具有巨大潛力，而且太陽能凈發(fā)電峰值效率能達到35%，比德國宇航實驗室提出的高溫太陽能與天然氣重整發(fā)電系統(tǒng)高5個百分點，比傳統(tǒng)太陽能單獨熱發(fā)電系統(tǒng)效率高15~20個百分點。
這一方法通過替代燃料化學(xué)能釋放的品位轉(zhuǎn)化機制，在燃料化學(xué)能逐級、有序轉(zhuǎn)化的同時顯著提升了中低溫太陽熱能的品位。它不僅改變了化石燃料直接燃燒的做法，而且革新了太陽能簡單光熱發(fā)電的方式。進一步，通過研制國際首套中低溫太陽能吸收-反應(yīng)器（5kW），試驗驗證了中低溫太陽能品位提升方法與機理，建立了國際首套10kW太陽能熱化學(xué)發(fā)電裝置，并初步完成了國際首套100KW熱化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。并發(fā)明了中低溫太陽能與化石燃料熱互補的發(fā)電系統(tǒng)和冷熱電分布式供能系統(tǒng)，研究引領(lǐng)了國際上太陽能中低溫?zé)峄瘜W(xué)與化石燃料互補研究的新方向，為發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能先進能源系統(tǒng)技術(shù)、推動能源可持續(xù)發(fā)展與節(jié)能減排提供了新途徑。
