原文信息：
An Efficient Ordered Conversion System for Hydrogen and Electricity Cogeneration Driven by Concentrated Solar Energy
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666792420300020
Highlights
• 一种新型氢电联产的太阳能全光谱有序转换系统
• 催化层和集热管散失热量可以被有效再利用
• 对比传统槽式热发电系统，系统㶲效率由23.51%提升至28.49%
• 基于太阳辐射强度优化催化层温度以达到最佳系统㶲效率
Research gap
文章以太阳光子高效转化为出发点，基于槽式聚光器构建了聚光太阳能氢电联产有序转换系统，阐明了光催化制氢与朗肯循环发电有机耦合的必要性，实现了催化反应与集热等过程中耗散能量的再利用，明晰了催化剂带隙、催化层温度等参数对系统产氢、发电效率的影响机理，为进一步实现太阳能高效转化提供了理论指导。
Abstract
Efficient utilization of full-spectrum solar photons is significant for improving the efficiency of solar energy conversion and thus alleviating energy shortage. In this work, a novel concentrated ordered conversion system based on a parabolic trough collector (PTC) that couples photocatalysis and Rankine cycle for hydrogen and electricity cogeneration to more efficiently use the full-spectrum solar energy is proposed. Higher-energy photons are absorbed by the photocatalytic layer for water splitting hydrogen production, and the remaining photons with lower energy that cannot excite electron-hole pairs (EHPs) are transmitted to the photocatalytic layer and converted into thermal energy to drive the Rankine cycle for electricity generation. Furthermore, the EHPs dissipated heat and absorber tube radiation heat loss can be reutilized in the photocatalytic layer to preheat the circulating water to increase the reaction temperature and solar evaporator inlet temperature to the designate temperature of 140 ℃. Solar photocatalysis model and thermodynamic model are developed to simulate and analyze the system performance. Of the input solar energy, 10.34% and 17.85% are converted into hydrogen and electricity by photocatalysis and Rankine cycle processes, respectively. The total exergy efficiency increases from 23.51% for the conventional PTC thermal power generation system to 28.49% for the proposed system under the design condition. Then, the effects of the photocatalyst bandgap and temperature on the system exergy efficiency are analyzed, which indicates that when the photocatalyst bandgap increases, its operating temperature should be adjusted downward. The photocatalytic layer temperature is adjusted for corresponding maximum system exergy efficiency under different direct nominal irradiation (DNI) conditions, and it can maintain 140 ℃ of operation when DNI is greater than 240 W·m-2. This research provides a new approach to improve the efficiency and flexibility of full-spectrum solar utilization.
Keywords
Solar energy
Ordered conversion
Hydrogen-electricity cogeneration
Full-spectrum
Graphics
图1 图形摘要
图2 聚光太阳能有序转化氢电联产系统
图3 光催化与热发电光子转化效率
图4 催化剂带隙与温度对系统性能的影响规律：（a）光催化效率；（b）发电效率；（c）热水㶲效率；（d）系统㶲效率；
图5 全工况条件下系统参数优化：（a）太阳辐照强度与催化层温度匹配规律探究；（b）不同太阳辐照强度下系统性能表现
团队介绍
团队介绍：
本研究由浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室的研究人员完成。
通讯作者简介：
许辰宇，博士毕业于浙江大学能源环境工程专业，后赴阿尔伯塔大学Jing-Li Luo院士课题组从事博士后研究工作，回国后任浙江大学能源工程学院“百人计划”研究员、博士生导师，围绕太阳辐射吸收转化发表论文30余篇，包括Nano Energy、Appl. Catal. B-Environ.、Chem. Eng. J.、ACS Catal.及Environ. Sci. Tech.等。
张彦威，浙江大学能源工程学院教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，立足聚光全光谱太阳能有序转化综合利用，在国家自然科学基金面上和专项项目、浙江省自然科学基金重大项目（创新群体）、省杰出青年基金等支持下发表论文100余篇。曾获国家科学技术进步奖创新团队、国家科学技术进步奖二等奖、浙江省技术发明奖二等奖。
第一作者简介：
张恩涛，浙江大学能源工程学院博士研究生，主要从事聚光太阳能全光谱有序转化器件设计，在国内外学术期刊Appl. Energy、Chem. Eng. J.等发表论文3篇。
关于Applied Energy
本期小编：鲁大钢 ；审核人：张恩涛
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