基于光谱分束技术的太阳能驱动绿色氨生产系统性能分析与优化

本研究针对间歇性太阳辐射和低效太阳能-氨转化难题，创新性地集成光谱分束聚光光伏/热（SBS-CPVT）、有机朗肯循环（ORC）及储热技术，实现高效绿色氨生产。系统通过光谱分束将短波用于光伏发电、长波用于供热，优化能量利用，最终实现84.2%的SBS-CPVT效率、11.07%的太阳能-氨转化率，并显著降低单位氨生产的能耗（9.42 kWele /kgNH3 ）。该研究为可再生能源驱动的氨合成提供了高效集成方案，对清洁能源载体开发具有重要意义。

　　

在全球能源转型背景下，绿色氨（NH₃
）因其高氢含量和易储运特性，被视为理想的清洁能源载体。然而，传统氨生产依赖化石燃料，碳排放强度高，而太阳能驱动的绿色氨合成又面临两大瓶颈：一是太阳辐射的间歇性导致系统不稳定；二是现有技术中太阳能-氨转化效率普遍低于12%，远未达到工业化要求。更棘手的是，聚光光伏/热（CPVT）系统在高温下电效率骤降，而单纯的光伏电解方案又难以利用全光谱能量。如何通过系统集成突破能效天花板，成为可再生能源制氨领域的关键科学问题。

针对这一挑战，国内研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，提出了一种革命性的集成方案。该团队创新性地将光谱分束技术（SBS）与CPVT系统结合，并耦合有机朗肯循环（ORC）、质子交换膜电解（PEM）和哈伯-博施（HB）反应器，构建了首套"光-热-电-氨"全链条生产系统。通过数学建模与动态仿真，揭示了多能耦合的优化路径，最终实现太阳能-氨转化效率11.07%的突破性进展，较传统光伏电解路径能耗降低56%。

研究采用三大关键技术：1）光谱分束CPVT（SBS-CPVT）系统，通过光学滤光片将太阳光谱分为短波（PV发电）和长波（供热）；2）两级热管理策略，高温热驱动ORC发电，低温热预热电解水；3）热化学储热（TES）与电/热协同调度算法，实现24小时连续制氨。系统以突尼斯等太阳能丰富地区的辐照数据为输入，采用Dowtherm为传热流体、甲苯（Toluene）为ORC工质进行优化。

系统性能

• SBS-CPVT子系统：光谱分束使PV电池工作温度降低28°C，电效率提升至24.3%，同时热端输出中温（180°C）蒸汽。Dowtherm作为传热流体时系统总效率达84.2%。
• ORC子系统：甲苯工质在100°C蒸发温度下实现24%热-电转化效率，年发电量较传统PV系统提高24%。
• 氨合成单元：PEM电解在4.5 kWh/m³
  H₂
  能耗下产氢纯度达99.99%，HB反应器在450°C、15 MPa条件下实现单程转化率12.4%。

结果与讨论

• 气候适应性：在热带气候下（年均辐照1000 W/m²
  ），系统年产氨量达210.04 kg/kW，单位氨太阳能消耗仅64.52 kW_solar
  /kg_NH3
  ，较独立PV系统（145.82 kW_solar
  /kg_NH3
  ）下降55.8%。
• 能量流分析：ORC贡献总电量的46%，电解槽能耗占比51%，系统热-电比优化至1.3:1。
• 关键创新点：长波热能梯级利用（ORC发电+电解预热）使整体能效提升13%，储热系统解决太阳间歇性问题，实现氨产量波动率<5%。

该研究首次证实SBS-CPVT-ORC集成架构在绿色氨生产中的技术经济优势：一方面通过光谱分束突破CPVT的"效率墙"，另一方面通过多能互补实现太阳能的全谱段利用。相比传统方案，该系统单位氨生产的碳排放降低92%，且无需化石能源输入。研究为可再生能源制氨提供了可扩展的模块化设计范式，其热-电协同调度策略对氢能载体开发具有普适指导意义。未来需进一步开展ORC工质筛选、HB催化剂优化等研究，以推动该技术走向商业化应用。