太阳能热化学循环系统的一种“可行供热耦合优化”方法：以太阳能铜-氯（Cu-Cl）循环系统为例

《Energy》：A “feasible heating-coupled optimization” method for solar thermochemical cycle system: Taking the solar copper-chlorine cycle system as an example

　　

太阳能驱动的热化学水分解循环系统是极具前景的清洁、高效、规模化制氢技术，但目前针对集成系统热源输入温度（Thot）与输出温度（Tcold）优化的研究十分有限。一方面，热化学循环具有带多个夹点的阶梯式吸热曲线，对优化形成约束；另一方面，系统与太阳能单元及动力循环耦合后，性能偏离单一循环特性，且热量需同时供给热化学循环与动力循环，二者存在竞争关系，系统最高效率并不总是对应最大制氢量。为此，研究人员提出了一种“可行供热耦合优化”方法。该方法基于单一热化学循环的可行供热边界，明确Thot与Tcold的约束关系，通过分析系统在可行供热边界上及偏离边界时的性能，揭示各单元耦合作用下Thot与Tcold的影响规律并确定最优供热设计方案。针对太阳能铜-氯（Cu-Cl）循环，最优Thot与Tcold分别为520 °C和469.83 °C，此时能量效率和?效率分别达19.75%和22.27%。集成动力循环后，系统存在“发电增益”与“制氢损失”的权衡：供热偏离可行供热边界可提升系统效率但会降低制氢量——当Thot与Tcold为520 °C和290 °C时，能量效率升至28.17%，而制氢量仅为可行供热边界上的21.90%。

该研究由清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室团队完成，发表于能源领域知名期刊《Energy》。随着工业化进程推进，化石能源消耗持续增长，全球能源危机与气候变暖问题加剧，能源结构转型迫在眉睫。氢能作为来源丰富、能量密度高的清洁能源载体，是能源转型的核心支撑，但当前主流制氢技术依赖煤制气与天然气蒸汽重整，面临化石能源枯竭与高碳排放的双重困境。热化学水分解循环（Thermochemical Water Splitting Cycles, TWSCs）以地球上储量最丰富的水为原料，通过热能驱动系列反应实现无污染物排放的制氢过程，相比2000 °C以上的直接热解水，可将分解温度降至500-1800 °C，适配太阳能热、核能及工业余热等多种热源，结合聚光太阳能技术的高温化发展，太阳能驱动热化学水分解制氢成为极具潜力的规模化清洁制氢路径。现有太阳能热化学循环系统的优化多聚焦于部件改进、余热回收、参数敏感性分析等，针对集成系统核心供热参数T_hot与T_cold的优化研究不足：单一热化学循环的阶梯式吸热特性带来夹点约束，集成后太阳能单元、动力循环与热化学循环的能量流与物质流深度耦合，且热化学循环与动力循环的供热存在竞争关系，仅以效率为目标优化易导致制氢量下降。为此，研究人员提出“可行供热耦合优化”方法，以太阳能铜-氯（Cu-Cl）循环为对象开展研究。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于夹点分析的热化学循环可行供热边界构建方法，明确单一循环的T_hot与T_cold约束关系；太阳能集热-储热系统建模方法，量化定日镜场、接收器的能量转换特性；系统集成耦合分析方法，揭示热化学循环、动力循环与太阳能单元的相互作用机制；多目标性能评估方法，同步追踪能量效率、?效率与制氢量的变化规律。

研究结果如下：

系统部分：研究对象为太阳能Cu-Cl循环系统，聚光太阳能经定日镜场转化为熔盐热能，高温熔盐为五步Cu-Cl循环供热，内部物质循环仅实现水分解为氢气与氧气的过程。

太阳能部分：采用外部圆柱式接收器，建立太阳输入功率、接收器输入功率与输出功率的量化计算模型，明确定日镜效率等关键参数的影响。

模型验证部分：通过对比已有研究的太阳能单元、朗肯循环参数及水解、热解、制氢反应的温度吸放热特性，验证了系统模型的可靠性。

结论部分：提出的“可行供热耦合优化”方法以单一热化学循环可行供热边界为基础，明确T_hot与T_cold的约束关系，通过边界上及偏离边界的性能分析确定最优供热设计。未集成动力循环的系统最优T_hot与T_cold分别为520 °C和469.83 °C，对应能量效率19.75%、?效率22.27%；集成动力循环后存在“发电增益”与“制氢损失”的权衡，偏离可行供热边界可提升效率但降低制氢量，当T_hot与T_cold为520 °C和290 °C时，能量效率提升至28.17%，制氢量仅为边界工况的21.90%。

讨论部分指出，该研究突破了传统单一模块参数优化的局限，首次将热化学循环的可行供热边界与系统集成优化相结合，明确了供热参数在多单元耦合下的影响机制，解决了供热竞争导致的效率与制氢量权衡问题。研究结论为太阳能热化学制氢系统的供热设计提供了普适性方法，可指导不同热化学循环与动力循环的集成优化，推动清洁制氢技术向更高效率、更优经济性发展，为实现“太阳能-氢能”全链条零碳转化提供了重要的理论与方法支撑。