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采用二氧化铈进行热化学氧化还原循环的50千瓦太阳能接收-反应器传热模型

DOI：10.1115/1.4042059 期刊：Journal of Solar Energy Engineering 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 本研究报告了一种太阳能接收-反应器瞬态传热模型的开发，该反应器专为通过温度和压力波动实现纯二氧化铈（以网状多孔陶瓷RPC形式存在）的热化学氧化还原循环而设计。第一步为吸热过程：在低于10毫巴的真空条件下，用聚焦太阳辐射直接加热二氧化铈RPC至1500°C，从而使其晶格释放氧气。随后的放热步骤中，反应器在冷却过程中重新充入二氧化碳，当温度低于1000°C时，部分还原的二氧化铈通过二氧化碳气流再次氧化。为分析太阳能反应器性能并优化设计与运行条件，本研究针对还原步骤中50kW太阳辐射输入功率工况，开发了瞬态传热模型并在ANSYS CFX中实现。该数值模型采用蒙特卡洛光线追踪耦合入射聚焦太阳辐射，通过假设热力学平衡纳入还原化学反应，并应用有效传热特性计算多孔二氧化铈内部辐射传热。通过高通量太阳模拟器获取的数据验证表明，模型与实验的温度演变及产氧结果高度吻合。数值结果显示太阳辐射输入功率具有显著影响——功率提升可大幅缩短二氧化铈结构的还原时间。据此模型预测，在50kW太阳辐射功率输入下太阳能-燃料能量转换效率超过6%；若将RPC宏观孔隙率显著提高并实现更好的体积吸收与均匀加热，效率可达10%以上?？刂苹乖讨卸趸姹砻嫖露纫员苊馍?，是直接吸收式太阳能接收-反应器的关键设计考量。
作者： S. Zoller，E. Koepf，P. Roos，A. Steinfeld
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

分析太阳能反应器的性能，并深入了解改进设计和操作条件的方法。

研究成果

数值结果表明太阳辐射输入功率具有显著影响，在增大该功率时可大幅缩短二氧化铈结构的还原时间。模型预测当太阳辐射功率输入为50千瓦时，太阳能-燃料能量转换效率超过6%；若显著提高反应性多孔陶瓷的宏观孔隙率并实现更好的体积吸收与均匀加热，则可获得超过10%的效率。在还原过程中控制二氧化铈表面温度以避免升华，是直接吸收式太阳能接收-反应器设计的关键考量因素。

研究不足

该研究的局限性在于需要具有优化体积吸收特性的稳定二氧化铈结构，以及在功率增加时氧化还原活性材料直接受照表面存在升华风险。

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