一#65380;研究背景及意义

随着人类社会的发展，能源的需求量越来越大，但是传统化石能源资源的匮乏，以及其使用过程的环境污染问题严重制约着社会发展进程。2011年南非德班会议，讨论全球气候变化应对措施，决定实施《京都议定书》第二承诺期并启动绿色气候基金；国家”十二五”规划^[1]”明确绿色发展，建设资源节约型#65380;环境友好型社会”的发展主题。因此，开发清洁能源，进行节能减排技术研究，实施以低能耗#65380;低污染和低排放为特征的”低碳经济” ^[2]模式，是实现环境#65380;资源和能源可持续发展的必由之路。

太阳能的高效开发利用是实现绿色可持续发展的主要途径之一。中国在太阳能光伏的开发和产能上处于国际领先；在太阳能低温热利用方面，如太阳能热水器的研发和商业化运用方面也处在领先水平。但在太阳能高温热利用方面，起步较晚，研究基础薄弱，与国际领先技术还有较大差距。

太阳能高温热化学过程是太阳能高温热利用^[3]方向之一。该技术最早从直接热解水制氢^[4]开始，由于其面临高温(超过2500K的分解温度)、高压(水蒸汽)和易爆炸(生成的氧气和氢气难以瞬间有效分离)等难题，仅作为探索性概念^[5]进行研究。近年来，随着传统能源危机加剧和环境恶化，以及在太阳能中高温集热技术上的突破^[6]，太阳能高温热化学转化过程的研究再一次成为热点。

当前太阳能高温热化学过程如图1所示，一般包括两个过程^[8-12]:(1)光转化为热能，即采用塔式或碟式聚光器将太阳光聚集，利用高温集热器(也称为吸热器或接收器)收集太阳光，并将其转化为高温热能；(2)热能转化为化学能:①高温下金属氧化物(如ZnO)在化石资源(如煤)存在的条件下吸热分解，产生Zn(可用于固体氧化物燃料电池)和CO，实现太阳能和化石燃料向清洁资源(Zn和CO)转换(图1中实线所示)；②当①中获得的Zn在水解集热器中夺取水中的氧生成ZnO(循环返回热化学集热器)，释放出氢气，则实现了太阳能高温热化学循环分解水制氢过程(如图1虚线所示)。

图 1 太阳能高温热化学转化过程示意图

Fig.1 Simplified process flow diagram of solar high-temperature thermochemical conversion

为了降低金属-氧化物对温度和集热器材质的要求，后又开发出利用碳基原料^[13-14] (焦炭和天然气)进行金属氧化物还原的准循环制氢技术，可将金属氧化物热解温度进一步降至1100K，比直接热解降低近50%，使制氢效率大为提高。

2010年，美国和瑞士研究人员在《Science》^[15]上发表文章，利用高温接收器收集高倍太阳能聚光，以H₂O和CO₂为原料，利用二氧化铈(铈是储量最丰富的稀土元素)在加热和冷却过程中结合氧原子能力的差异，将太阳能转化为”可储存”和”可移动”的能量(CO和H₂)，虽然目前转化率仅为0.7%~0.8%，但预计未来能够将太阳能转化率提高到19%，达到商用要求，证实了该过程的可行性。

因此，太阳能高温热化学转化是解决化石资源短缺#65380;环境污染和温室效应等问题的长远途径之一。实现该过程的关键部件之一是太阳能高温热化学集热器，所以开发太阳能高温热化学集热器具有重要意义。