基于光热催化的全光谱太阳能捕获系统创新数值模型及其协同增效机制研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：An innovative integrated numerical model for full-spectrum solar energy harvesting system based on photothermal catalysis

本文提出了一种基于光热催化的全光谱太阳能利用系统创新数值模型，通过蒙特卡洛光线追迹（MCRT）、肖克利（Shockley）模型和计算流体动力学（CFD）多方法耦合，揭示了水蒸气流量与传热流体（HTF）温度对光化学效率（ηpc）和?效率（ηex）的调控机制，为高温工况下全光谱能量协同转化提供了重要设计依据。

　　

亮点

本研究构建了耦合光热催化与抛物槽式集热器（PTC）的全光谱太阳能利用系统，通过创新集成数值模型揭示了光-热-化学能量转换的协同机制。模型整合了蒙特卡洛光线追迹（MCRT）、肖克利（Shockley）载流子动力学模型和计算流体动力学（CFD）方法，精准模拟了反应器内辐射传输、载流子行为（激发、迁移、复合与弛豫）及多物理场耦合过程。

数值模型与验证

系统能量转换过程涉及太阳辐射聚集、光热催化及传热三大环节，且存在显著的多尺度耦合效应。辐射分布直接影响载流子生成，而亚带隙光子与复合载流子转化的热能又反向调控反应温度与传质动力学。通过实验数据对比验证，模型对光热催化产氢速率和温度场分布的预测误差均低于5%，证明了其在高通量反应器设计中的可靠性。

结果与讨论

在传热流体（HTF）入口温度473.15–673.15 K、水蒸气流量0–0.025 kg·s^?1的工况下模拟发现：当水蒸气流量为0.005 kg·s^?1时，系统?输出较无蒸气工况提升2.00–11.57%，尽管高温导致热?输出下降21.85–26.13%。在673.15 K和0.005 kg·s^?1条件下，系统达到峰值?效率η_ex=43.32%和光化学效率η_pc=11.38%，同时光热效率达53.87%。结果表明，热场强化了催化剂表面产物脱附与反应传质，而光生载流子的高效分离进一步降低了反应活化能。

结论

集成数值模型为光热催化反应器的规模化设计提供了关键理论工具。系统通过光-热协同效应实现了全光谱能量分级利用，避免了光谱分光技术的复杂性，为高温太阳能化工转化提供了新路径。