在化石燃料日趋减少和环境问题日益恶化的今天，太阳能作为清洁可再生能源已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。因此如何存储间歇分散且分布不均的太阳能资源成为太阳能利用至关重要的环节。其中一种有效的手段是太阳能热化学方法：即利用聚焦太阳能固有的高温特性，提供化学反应所需热量，形成有利于太阳能燃料生产的热力学路径。太阳能燃料的目标产物是合成气：H2和CO的混合气，它们可以被进一步加工为运输用的液态碳氢燃料（如柴油、煤油、汽油）。液态碳氢燃料具有能量密度高和便于运输的优势。
研究的最终目标是开发在技术上和经济上都可行的为可持续能源系统提供原料合成气的聚焦太阳能热化学工艺。达成这一目标的研发策略如图1所示， 主要由两条路径构成：
（1）长期路径是CO2和H2O的太阳能热化学氧化还原循环反应。它需要高温下的全新过程工程技术的发展，始终是一个极大的挑战。
（2）中短期路径是含碳物料（例如生物质、煤、含碳的固废物）在聚焦太阳能加热下的气化反应，仅仅需要中温下新旧工艺的结合。它搭建了目前以化石燃料为基础的技术和未来太阳能热化学技术之间的桥梁，缩短了太阳能燃料加工技术工业应用的转型时间。通过上述两个路径，我们将完全利用太阳能燃料代替化石燃料，减少CO2的排放。
图1 太阳能合成气的产生路径
1. CO2和H2O的太阳能热化学氧化还原循环反应
基于金属氧化物的氧化还原循环反应如图2所示。第一步还原反应：金属氧化物在聚焦太阳能高温加热下发生吸热反应释放出氧气，同时生成还原价态的金属或金属氧化物；第二步氧化反应：还原价态的金属或金属氧化物在水蒸气/二氧化碳作用下发生放热反应被氧化为原始价态的金属氧化物，同时生成合成气（H2和CO）。第二步氧化反应中生成的原始价态的金属氧化物可以重新用于第一步的还原反应中。
图2 氧化还原循环反应原理图
实验室规模的CO2和H2O的太阳能热化学氧化还原循环反应平台如图3所示。典型循环反应中金属氧化物的温度和氧气/合成气的释放速率如图4所示。我们研究的终极目标是提高太阳能热化学反应的能源转化效率，如图5所示，该效率取决于产物热值，所需的太阳能，和运行辅助系统能量消耗。因此我们可以通过研究，优化上述3个方面，而提高效率。第一增加每次循环反应的产气量；第二减少热损失，第三改善运行策略。
图3 CO2和H2O的太阳能热化学氧化还原循环反应平台
图4 典型循环反应的温度变化和产气量
图5 研究目标及内容
2. 含碳物料的聚焦太阳能气化反应
含碳物料的传统气化和聚焦太阳能气化对比如图6所示。传统的自热式气化需要燃烧30-35%的物料提供反应所需热量，此外气体产物将被燃烧产生的CO2污染。而聚焦太阳能可以直接提供反应所需热量，产生纯净的合成气。目前瑞士联邦理工，美国明尼苏达大学在从事相应的研究。此外美国的Sundrop fuels公司已经开始商业化运行。其运行参数为1200-1300ºC，由于高温最后生成了没有被焦油污染的合成气（H2与CO的比例为2:1），有利于后续的费托工艺生成汽油。在不考虑环保补贴的情况下，该工艺生产每升汽油的成本是0.53美元。此外与传统石油加工工艺相比，减少了约60%的温室气体排放。
图6 传统气化和聚焦太阳能气化的对比示意图
聚焦太阳能气化含碳物料制备合成气然后通过费托工艺生成燃油的连续性工作样机如图7所示，该小型反应器为涡流反应器。典型气化反应的温度和合成气的生成速率如图8所示。首先我们需要通过实验研究温度，吹扫气体流速，物料流速，物料颗粒大小， C和水蒸气的摩尔比对产气率和能源转化率的影响 。同时我们需要测定太阳能气化动力学参数，最后利用CFD开发反应器的三维非稳态传热传质模型。在实验和模拟的基础上，通过减少热损失和增强气化反应，从而优化反应器，为工业化应用打下基础。
图7 聚焦太阳能气化含碳物料的连续性工作样机
图8 典型气化反应的温度变化和产气量
