当前,太阳能与化石燃料热化学互补制清洁燃料是可再生能源利用的一个重要国际前沿方向。太阳能与化石燃料热化学互补能将低密度太阳能转化高密度燃料化学能,并加以储存利用或制取液体燃料等。国家在2016年发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中指出,加快太阳能热化学制取太阳能燃料方面的研究,是我国实现能源技术革命的重大需求,对可持续发展我国太阳能利用具有重要的战略意义。本文从太阳能热化学互补能量转换机理、太阳能热化学蓄能方法、关键过程实验验证三个层面,开展了太阳能驱动化学链循环固体燃料蓄能的研究。太阳能热化学系统现有理论揭示了单一太阳能输入时的能量转化规律,对于多能源热化学互补的能量转化系统,不仅涉及到不同能源“量”的相互补充,还涉及到不同能源“质”的相互作用。现有理论对多能源互补中能的转化规律尚未揭示,特别是不同能的能质转化特征与基本规律还有待深入探究。本研究在我们以往燃料化学能梯级利用原理基础上,从化石燃料转化和聚光集热的角度,进一步重视太阳能热化学互补过程的Gibbs自由能品位变化规律。以高温太阳能驱动天然气重整、中温太阳能驱动化学链燃烧、低温太阳能驱动甲醇裂解为对象,定量给出能量互补系数和品位耦合系数,探讨热化学互补过程的能量互补系数与品位耦合系数的相干性,揭示两者相干对减小化石燃料转化和聚光集热过程不可逆损失的作用机制;指出品位耦合对太阳能热化学互补净发电效率的增效效应。上述研究为发展多能源互补的能量转换理论提供了重要基础。针对高温太阳能热化学互补过程不可逆性严重、太阳能燃料转化效率低的难题,提出了中温太阳能驱动化学链循环制固体燃料的蓄能新方法,并集成了固体燃料蓄能发电系统。以350℃的中温太阳能驱动二甲醚的Co基化学链循环为典型实例,分析了系统在四季典型日的全工况特性及全年热力性能,比较了有蓄能和无蓄能时系统的性能规律。研究结果表明,太阳能固体燃料Co的蓄能密度可高达570 kWh/m3,分别是相同条件下相变蓄热和显热蓄热的5倍和8倍。新系统年均太阳能净发电效率达到22.4%,比相同集热温度下太阳能熔盐蓄热发电高出近10个百分点。该研究将化学链燃烧拓展到太阳能热化学利用,对开拓源头节能、源头蓄能的多能源互补利用提供了一个新途径。化学链燃烧循环反应是实现上述固体燃料蓄能的关键过程。本研究在上述机理和方法研究的基础上,进一步原创性地研制了多孔蜂窝型化学链燃烧反应器的10kW原理样机。该多孔蜂窝型化学链燃烧反应器可以实现反应腔与载氧体材料的一体化。从反应器的几何结构、能量转换、气固反应动力学,建立了多孔蜂窝型化学链燃烧反应器的设计方法。以CH4和合成气为燃料,以NiO/NiA12O4、CoO/CoA12O4、CoO-NiO/A1203和Fe203/A1203等不同载氧体,开展了相关实验研究。实验结果表明:与传统固定床比较,多孔蜂窝型化学链燃烧反应器有效地解决了反应器内过大的温度波动,将气固化学反应速率提升至固定床中的3-4倍。此外,还开展了三角形、方形、圆形不同孔型Fe203/A1203载氧体的化学链燃烧反应性研究。实验结果指出三角形孔载氧体具有最大的气固接触面积和最高的氧传递速率。上述研究为下一步研制具有高反应物转化率和循环稳定性的太阳能直接式化学链燃烧反应器奠定了基础。