能源与现代人类的生活密切相关,是经济社会发展的基础。人类面临着大量化石能源消耗所带来的能源紧缺与环境污染的双重危机,开发清洁的可再生能源以及探索其高效利用方式的任务势在必行,解决能源和环境问题的根本方法在于从化石能源到可再生能源的结构转换。目前,可再生能源太阳能的高效利用方式主要包括太阳能光伏发电和光热发电利用,但是存在着成本高、发电效率低、储能困难而无法稳定供能等实际问题,这严重限制了太阳能的大规模利用和发展。本文基于甲烷与水蒸气的重整反应,提出一种太阳能高效发电利用的新途径,并对系统中的热化学模块:设计了一种用于太阳能甲烷湿重整的高效集热反应器,实验测试出一种催化活性良好的钙钛矿催化剂。具体研究工作如下:(一)基于太阳能全光谱利用理论,提出了太阳能分频光伏-甲烷湿重整互补发电系统。将太阳光的短波部分分配至光伏电池,转换为电能和低温热能,长波部分分配至反应器转换为高温热能,用于甲烷湿重整反应,生成的合成气可被存于储罐中或直接经燃气蒸汽联合循环发电。通过对太阳光谱的优化分配以及光伏-热化学互补方式,使得互补系统的太阳能净发电效率最高达到37.1%,并且系统中部分太阳能可通过合成气形式储存,解决光伏电池难以储能的问题,提高系统供能稳定性。此外,引入光伏电池模块可显著降低系统对化石能源的依赖度。(二)太阳能甲烷重整反应器的集热及化学反应效率影响着太阳能的高效利用。针对反应器进行了结构设计和性能研究:引入光谱选择性涂层,有效减少腔体的辐射散热损失;复合抛物聚光装置增加聚光比,缩小入射窗口直径,同时增强光斑能量分布的均匀性;催化剂载体采用多孔陶瓷泡沫结构,mm级的孔有利于热量和物质的传递,μm级的孔可有效增大载体的比表面积,使催化剂与反应气体充分接触。结果表明:当反应器温度为925℃,聚光比为300时,有涂层的反应器的集热效率提高了 31个百分点;腔体在850℃时,余热回收90.0%的工况下,太阳能到化学能的转换效率最高达到59.4%。(三)反应器中催化剂的活性影响甲烷水蒸气重整反应的效率,采用溶胶-凝胶法制备多种复位钙钛矿型氧化物,用于催化甲烷湿重整反应。实验测试了催化剂La1.6Sr0.4B’B"O6(B=Ni、Co、Fe、Cu)中B位元素及其掺杂比对于催化剂活性的影响,发现Fe和Ni共同掺杂时效果最优,而当Ni的掺杂比为1.4时,催化活性更为优越,甲烷转化率可仅在750℃达到100.0%,并且催化剂的活性可稳定在100.0%左右持续近4 h,然后逐渐下降,可维持50.0%以上的效率超过32 h,积碳现象较弱。