科创中国

基于太阳能的绿色制氢技术被提及最多的方案是光伏发电+电解水制氢技术。然而，光伏电站所发的直流电需要经过逆变转化为交流电，而电解水时又需要将交流电整流为直流电，两次转化造成能量的无谓损失。此外，一般光伏电池仅能利用其禁带宽度对应的太阳光谱能量，其他的能量以热的形式耗散，这部分能量不仅被无谓浪费，也会对光伏板自身性能和寿命产生影响。进一步考虑波动性光伏输出与电解水装置功率的不匹配以及各种传输损失，使得传统光伏电解制氢技术的实际效率与理论值差距巨大。因此，从源头上对波动性的太阳能光谱的光热区间进行合理分割并选择性加以利用是实现太阳能全光谱高效转化利用的关键。本项目针对非稳态、高分散的太阳辐射特点，发明了基于聚光分频和光热耦合的辐射强化吸收转化方法，精准调控系统内水力学及光热谱吸收发射特性，同步实现系统内聚光分频、辐射重构、能量优化运移，解决了太阳能全光谱高效多能流转化输出难题；发明了场流协同能质流动态分配及主动调控方法，提出了全光谱太阳能到多能输出终端的梯级有序、动态调节自分频液体器件构造方法，解决了多模块最优工况动态匹配和系统内部光热流及反应场的运行参数自主优化控制运行难题；发明了基于信息流、物质流融合的变工况、变辐照综合管理技术及控制方法。针对非稳态太阳辐照、多能转换及其传输的多时间尺度、能流惯性和信息时滞，提出“主动调控-超前优化”的分层控制方法，太阳能转化系统体系内能质传输及流动反应的多尺度优化，实现不同时间尺度的能量动态平衡和系统高效运行，太阳能聚光分频氢热电系统第三方认证制氢效率达到25.2%，且可以根据用户需求实时调整氢、热、电输出比例。团队先后承担国内首个太阳能制氢相关 “973”、“863”及国家重点研发计划项目。核心技术共授权国家发明专利32项，PCT专利2项，公开美国专利1项，授权软件著作权6项，国家标准2项。在Nature Energy等国际著名期刊发表系列研究论文，成果被同行多次评价为“创新的”、“少有的”、“极具吸引力”，并被PCT第三方全球检索后认为是“具有新颖性、创造性和工业实用性”。经中国可再生能源学会组织院士专家鉴定认为项目总体达到国际领先水平。位于新疆塔城国家开发开放试验区的制氢规模达50万Nm3/年的太阳能氢热电多联产工业化示范项目已落地。相关核心技术也已成功应用于航天及国防领域，民用技术也在内蒙鄂尔多斯、广东佛山等地得到推广应用。

1.发明了基于聚光分频和光热耦合的辐射强化吸收转化方法。设计了可选择性吸收特定波段光能的悬浮流体液态自分频器件，悬浮流体不仅可以选择性吸收紫外光及红外波，促进光热反应，其自身亦可作为“液态透镜”对聚光辐射能进行二次分配。通过液态透镜与均匀聚光二次抛物面聚光器的合理匹配，实现光能转化单元表面聚光辐射能流的高度均匀化，提升了光电转化单元的工作效率和寿命。以上聚光分频体系的发明可为光热化学制氢过程吸光过程主动式强化及多维、变工况多能输出系统的精准调控提供指导，使得光电转化单元的能量转化效率大幅提高，光电单元的尺寸可以在同等能效下大幅降低，系统运行和维护成本亦随之降低。

2.发明了场流协同能质流动态分配及主动调控方法。本项目团队自主搭建了连续流颗粒悬浮液全流程输运监测系统，实现了管式反应器内流动颗粒速度和数量分布同步监测。提出“小尺寸、高能流、光调控、自输运”的能流转化系统设计优化思路。通过对微纳颗粒悬浮流体内部及通道界面的改造，使“场”“流”在不同时空尺度上高效耦合、最佳匹配；确保能质流协同耦合的定向、超低阻传输，实现高效能质转化及产物原位分离。将制氢单元与光电单元主动式散热相耦合，通过对光热反应悬浮流体流动模式、流动特性的优化控制，实现制氢单元与聚光光电转化单元最大功率输出的动态匹配。基于不同波段光子与光/热催化反应之间的交叉互耦分析，成功对系统废热进行合理分配，将光热化学制氢速率提升1个数量级。上述技术发明可为设计构建以光谱有序及合理分配和终端能源转化联供为目的的中试及串并行示范装置设计提供可靠方案。

3. 发明了基于信息流、物质流融合的变工况、变辐照综合管理技术及控制方法。本项目采用低成本聚光单元辅助以液态光学自分频器件，结合光电转化模块、串级制氢反应器构成聚光分频太阳能氢热电多能输出系统。通过光学传感器及天文算法耦合可实现在极端天气或晴天状态下太阳能方位的自主精准跟踪，同时，统筹风速、故障诊断、光电转化高温信号、角度偏差、昼夜模式等信号来完成智能远程式多功能并行信号调配及调度；考虑电、热、氢多能转换及传输多时间尺度的能流惯性和信息时滞，提出“主动调控-优化控制”的分层控制体系，实现不同时间尺度的能量动态平衡和系统高效运行，第三方验证太阳能制氢最佳效率达到25.2%，为技术的产业化推广提供了坚实的成本和效率保障。

我国传统燃煤消耗带来了巨大的环境污染，而石油却对进口有极大的依赖，严重影响我国的能源战略安全。太阳能丰富的区域占国土面积2/3以上，年辐射量超过6000MJ/m2，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿标准煤的能量。然而，太阳能能量密度低，分散不连续，将太阳能大规模、低成本低转化为可储、可输的氢能，有望根本解决人类清洁能源供给和化石燃料替代问题。此外，近年来美日欧等在氢燃料电池汽车商业化上展开了激烈竞争，但传统制氢技术源头上仍强烈依赖化石能源，使“绿色”氢燃料电池车备受质疑。作为世界上最大的氢能生产国和消费国。现阶段中国氢气来源以煤制氢为主、工业副产氢及燃料重整为辅等状况决定了目前中国氢能产业仍处于发展初期，且制备方法不可持续。如若采用取之不尽用之不竭的太阳能辐射资源制备的氢能源替代传统化石燃料的能源利用模式，能够大大减弱碳排放，助力我国早日实现“双碳”目标，并具备很好的投资及应用前景，预估投资回报率可达15 %或更高。太阳能分散不连续，要大规模收集转化必须要配套大量的用地，而这对我国东部人口稠密地区显然非常困难。位于新疆塔城国家开发开放试验区的制氢规模达50万Nm3/年的太阳能氢热电多联产工业化示范项目已落地。相关核心技术也已成功应用于航天及国防领域，民用技术也在内蒙鄂尔多斯、广东佛山等地得到推广应用。 项目技术辅之于盐湖卤水淡化，有望在西部沙漠、戈壁地区进行大规模推广，未来类似于我国的天然气西气东输的形式，采用管网进行西氢东送，则可有效缓解我国可再生能源分布及能源需求东西部不均衡的问题。而通过采用漂浮式制氢系统设计以及海水淡化技术，该技术则有望在我国沿海地区推广。因为本技术中存在着规模化的产热和热管理，因为也有望用于工业园区及大型社区的分布式氢/热(冷)/电互补综合供能。不过，需要指出的是，由于本技术驱动源头为太阳能，而我国不同地区太阳能辐照特点、气候差异显著，因此不同地区应根据当地天气和水源情况因地制宜，设计最优化的氢热电耦合制氢系统，针对不同地区、不同季节的太阳能辐射特性及极端天气状态规律等对装置进行不同程度的优化，使得在该地区的年均氢产量达到最优值。我国实现太阳能大规模制氢技术的突破，有助于氢能全产业链条的形成，保障我国能源战略安全。

该团队由中科院郭烈锦院士领衔，团队人员包括杰青及长江学者共6人，“四青”人才20余人。自2003年起率先在国内攻关太阳能光催化制氢技术的规模化难题，深入研究光氢转化过程能质传输转化及互匹配机制，创建了太阳能光电化学制氢多相流能质传输集储与转化理论，研制首套低成本太阳能聚光制氢中试装置，光氢转化效率达国际同期最高值，被认为“首次清晰展示出太阳光解水制氢大规模应用前景”。团队连续主持了太阳能制氢相关国家“973”“863”及首个国家重点研发计划，成果申请及授权国家发明专利百余项，并获2017年国家自然科学二等奖、2016年陕西省科学技术一等奖、2020年陕西省教育成果特等奖、2022年中国可再生能源学会技术发明一等奖。

此外，近年来美日欧等在氢燃料电池汽车商业化上展开了激烈竞争，但传统制氢技术源头上仍强烈依赖化石能源，使“绿色”氢燃料电池车备受质疑。作为世界上最大的氢能生产国和消费国。现阶段中国氢气来源以煤制氢为主、工业副产氢及燃料重整为辅等状况决定了目前中国氢能产业仍处于发展初期，且制备方法不可持续。如若采用取之不尽用之不竭的太阳能辐射资源制备的氢能源替代传统化石燃料的能源利用模式，能够大大减弱碳排放，助力我国早日实现“双碳”目标，并具备很好的投资及应用前景。本项目技术辅之于盐湖卤水淡化，有望在西部沙漠、戈壁地区进行大规模推广，未来类似于我国的天然气西气东输的形式，采用管网进行西氢东送，则可有效缓解我国可再生能源分布及能源需求东西部不均衡的问题。而通过采用漂浮式制氢系统设计以及海水淡化技术，该技术则有望在我国沿海地区推广。因为本技术中存在着规模化的产热和热管理，因为也有望用于工业园区及大型社区的分布式氢/热(冷)/电互补综合供能。

本项目团队已与国家电投集团新疆能源化工有限责任公司签署合作协议，计划分三期共计上亿元滚动支持西安交通大学发展氢能制备研发、工艺设计、工程示范等。以“太阳能聚光分频氢热电一体化关键技术”为支撑，在新疆塔城地区国家重点开发开放试验区搭建了一期示范工程，现场测试示范系统的太阳能输入端到终端氢能的转化效率达16 %。项目与国资科技创新平台鄂尔多斯碳中和研究院合作，该单位为团队聚光分频光热电耦合高效低成本规模化分解水制氢技术提供示范场地，协助本项目在内蒙地区的技术推广，相关技术示范和展示已经引起了自治区领导高度关注。项目技术也成功运用于美国霍尼韦尔公司商业化空气净化器中气体超深度净化模块研制。依托项目研究团队的佛山市南海区鑫锦伟华洁净能源研究院与佛山市南海区密切合作，在氢能制备技术和装备、洁净可再生能源利用技术、燃料电池技术与系统、氢能与洁净可再生能源产业技术科创平台人才建设、氢能与洁净可再生能源国际交流五个方面，为南海区氢能产业及氢能基础设施建设提供技术和人才支撑平台。团队与航天六院西安航天动力研究所合作进行了应用于空间推进系统的技术验证，有望解决飞行器长期飞行及卫星长期在轨能力。项目承担的国防科技创新特区项目“xxx 制氢xxx”，实现了空气集水太阳能高效解水制氢，制氢效率可达 10 %以上。

1)技术许可；2)作价入股； 3)产学研合作。