西安交通大学绿色氢电全国重点实验室吴俊翔 刘亚 王峰 郭烈锦在《工程热物理学报•贺徐建中院士85诞辰专刊》刊发题为《基于光热电耦合利用的全光谱驱动CO₂还原制化学品系统设计研究》的论文。
摘 要
太阳能驱动的CO₂还原制化学品技术能够在实现碳排放资源化回收利用的同时，实现太阳能的稳定存储，是实现国家“双碳目标”的绿色负碳技术。然而传统单一光热化学、光电化学、光催化CO₂还原技术路线对太阳能不同波段能量的利用各有侧重，难以实现全光谱的高效转化利用。本文提出了在聚光太阳能驱动的光热/光电转化模块耦合系统的基础上，将热能传递给光电化学模块促进CO₂高效转化的太阳能全光谱利用新机制。通过多物理场仿真软件对该系统进行光热耦合计算，得出其光场、温度场、流场分布特点及其工作特征，在30倍聚光条件下其热产出效率可达80%。经室外实测，相比传统光伏/电解路线，引入光热电耦合后，CO₂还原产物CO的法拉第效率由90%提升至95%以上且稳定性良好，CO日产量可达26.31 L。
图文导读
太阳能因其分布广泛、应用场景多等特点被视为可再生能源的核心代表。在太阳能实际运用中往往采用聚光器来提升能量密度，从而获得更高的光电转换效率和光热回收效率，并结合光谱分频技术实现太阳能的全光谱利用。其中CPVT(Concentrated Photovoltaic/Thermal，聚光光电/光热) 技术在效率、成本和灵活性上具有显著优势而被广泛研究，例如Haussener 等基于CPVT 系统实现了千瓦级制氢。该系统主要由光电部分与光热部分组成，其中光电部分将短波光(400∼1100 nm) 转化为电能，光热部分则通过工质吸收长波光(>1100 nm) 能量和光电部分的冷却热。
由于CPVT 系统中光电与光热部分通过热耦合的方式结合在一起，即二者温度为同步上升或下降。随着温度的变化，光电转换效率会随着热回收效率的升高而下降，同时系统的集热温度总是低于光电的工作温度，为保证光电的正常工作热产出有限。因此，CPVT 的热产出多用在太阳能蒸馏、海水淡化、建筑供暖等中低温热利用中。尽管上述方案解决了CPVT 的热利用问题，但使得CPVT 在光电利用和光热利用上分为两条独立路线，增加了系统的整体复杂性，且多个环节间的能量传递损失降低了太阳能整体利用效率。如何将光电能量与光热能量耦合利用，协同作用于产物输出，成为当下太阳能利用的研究重点。
考虑到Ag 作为催化剂的电催化CO₂还原因能量转换效率高、产物选择性高等特点被广泛应用于太阳能驱动的CO2 还原中；同时，Ag 在电催化CO₂还原中，升高MEA(Membrane ElectrodeAssembly，膜电极电解池) 的工作温度会提高CO₂还原产物的法拉第效率及选择性。基于此，本文提出了将热能用于电催化CO₂还原的辅助供能机制，从而实现光热电耦合驱动的CO₂还原，采用多物理场仿真计算分析了该系统的光学及热力学特性，并通过室外测试验证该系统可行性，为太阳能全光谱利用提供新的方法和思路。
结 论
本文针对太阳能驱动的CO₂还原路线中各波段无法耦合利用，难以实现全光谱的高效转化利用的问题，提出了将热能传递给光电化学模块促进CO₂高效转化的光热电耦合利用机制，并通过直接匹配电化学CO₂还原系统验证了该机制的可行性。利用多物理场仿真计算软件详细研究了光热电耦合系统的光电能、热能特性，确定其热回收效率为80%。结果表明，通过制定光电转换与电催化还原之间的能量匹配机制，引入光热电耦合利用后产物CO的法拉第效率由92% 提高到了97%，同时也提高了产物的选择性。室外测试结果表明通过对太阳能全光谱光热电耦合利用可每日产出CO 26.31 L，最大瞬时产率5.0 L·h−1。综上，本文提出的光热电耦合利用机制为太阳能驱动CO₂还原中的太阳能全光谱利用提供了一条新的技术路线。
引用格式：吴俊翔， 刘亚， 王峰，郭列锦等. 基于光热电耦合利用的全光谱驱动CO₂还原制化学品系统设计研究[J]. 工程热物理学报， 2025, 46(12): 4110-4115.