日益严峻的能源与环境问题促使世界能源结构变革迫在眉睫，因地制宜的能源生产和消费，可再生能源的大力开发和清洁高效利用，多能互补的先进能源动力系统技术研发和系统集成创新是当前重点研究和发展的方向。中国的生物质和太阳能资源丰富、分布广，其利用潜力非常巨大。结合太阳能和生物质的能源属性，热化学互补利用是一种高效稳定的互补利用方法，即利用聚光太阳热能提供生物质气化需要的热量，产生富氢气体燃料。这种互补方式不仅把太阳能提质增效，而且还实现了生物质燃料化学能的有序释放与梯级利用。因此，本学位论文依托国家自然科学基金项目，围绕太阳能与生物质热化学互补高效利用，从机理、方法和系统集成三个方面展开了深入的研究。主要研究内容和结论如下：
　　①结合太阳能和生物质的能源属性，探索了聚光太阳能与生物质燃料化学能互补利用的能量转化机理，建立了热化学互补数学模型，并进行了实验验证。首先，采用热力学第一定律和第二定律推导了能量转化过程中的能量品位关系式，研究了能量转化和释放规律，表明热化学互补方法提高了太阳能的能量品位，实现了燃料化学能的梯级利用。采用图像?法揭示了能量转化过程中的不可逆损失机制。其次，从热力学平衡和反应动力学角度建立了聚光太阳能与生物质热化学互补的数学模型，并对两种模型进行了对比分析。最后，研制了高温生物质气化实验台，对热化学互补的能量转化机理和计算模型进行了实验验证。
　　②基于互补利用机理和计算方法设计了一套小型太阳能与生物质热化学反应器，并对其进行了多物理场数值模拟，研究了反应器的速度、温度、物质浓度分布规律和热化学性能。反应器采用碟式聚光太阳能驱动生物质气化，实现了太阳能向燃料化学能的转化。多物理场模型充分考虑了几何光学、传热、CFD、物质扩散和化学反应的能量传递方程。研究结果表明，反应器中生物质的转化率达98.45%，气化产物合成气中CO和H2的份额分别为27.45%和51.34%，太阳能转化为合成气化学能的效率为21.57%。进一步还研究了太阳辐射强度和水蒸气与生物质组分比对气化反应器气化结果的影响规律。
　　③集成了一种太阳能与生物质热化学互补利用制取合成天然气的联合发电系统，并完成了系统的热力学性能分析、关键参数（气化温度和被转化合成气份额）对系统性能的影响。系统遵循了“分级转化，梯级利用”的原则，未反应的合成气直接在联合循环中燃烧发电，降低了合成反应过程的不可逆损失，促进了系统整体性能的改善。计算结果表明，系统的产SNG能力为0.306m3.SNG/kg-bio，一次能源利用效率为47.88%。较传统的气化方式，系统的节能率为15.29%。当气化温度和被转化合成气份额分别为1000℃和0.55时系统的性能最佳。研究成果为应对中国天然气资源紧缺的问题提供了一种新思路。
　　④为了探索热化学互补利用方法与分布式供能系统的集成规律，提出了太阳能与生物质混合气化的分布式供能系统，完成了系统设计工况和全工况热力学性能分析，以及经济性评估。混合气化方式避免了太阳能间歇不稳定性对系统性能的影响，与参考系统（太阳能斯特林发电系统和传统生物质气化分布式供能系统）相比，新系统的投资回收期减少了3.94年。最后，基于建筑负荷需求特性，对所提出的分布式供能系统进行了优化和供需匹配分析，采用遗传算法评估了系统在中国不同气候区的应用潜力。研究表明，较传统的分产系统，新系统在节能、环境和经济性能上优势明显，综合性能提升了约32.7%~62.4%。并且在严寒或寒冷地区系统的性能优势最突出，主要因为丰富的太阳能资源和稳定的建筑热负荷需求。本文还讨论了系统的全年运行策略和经济波动性对系统收益的影响。