来源：太阳能光热产业技术创新战略联盟、中国可再生能源学会太阳能热发电专委会《中国太阳能热发电行业蓝皮书2025》
太阳能热发电是可再生能源系统中最具应用前景的发电技术之一，而大规模示范性热化学储能系统的建设上，国内外尚属于空白。其关键科学问题主要有：1. 载能体共掺杂改性晶体调控与微孔结构原位再造抑制烧结机理；2. 直接吸热移动床与分布式可控声激励流化床的反应过程强化机理；3. 非稳态多尺度多场耦合作用下的高通量聚光热化学储能机理。为此，由西安交通大学牵头，联合浙江大学、中国科学院电工研究所、中国科学院理化技术研究所、福州大学、北京石油化工学院共同开展国家重点研发计划“工程科学与综合交叉”重点专项——高通量聚光太阳能热化学转化储能理论与方法，为实现大规模、长寿命、高效率太阳能热化学转化储能提供理论与技术支撑。
项目针对常规太阳能储能系统储能密度低、放热温度低的瓶颈问题，项目将建立非稳态高通量聚光条件下的光、热、力、流、化、声多场多尺度耦合协同强化热化学转化储能理论，提出高性能热化学载能体构筑与制备方法，开发颗粒载能体烧结和团聚的高效抑制技术，构建聚光集热-化学储能一体化太阳能高效储能装置与系统并实现应用验证，形成高能量密度、高反应温度、长循环寿命的大规模太阳能热化学转化储能的创新理论与方法，为稳定连续太阳能热利用提供关键支撑。
项目骨干、西安交通大学副教授、博士生导师方嘉宾分享项目进展
该项目由西安交通大学教授、国家杰青、中国可再生能源学会太阳能热发电专委会副主任委员魏进家担任首席科学家，2025年研究取得了多项重要进展。
基于共掺杂碳酸钙颗粒优化光学测应变实验，构建了“光–热–力”多物理场耦合模型，预测误差降至4.29%，系统揭示了颗粒物性对光热–热应力演化的影响规律。进一步建立“光–热–力–流–化”耦合模型，阐明Ca100Mn3Fe3Mg10掺杂对导热、比热及反应动力学的增强作用，明确了煅烧与碳酸化的控制机理与反应层推进特征。基于声场耦合CFD–DEM模型揭示了声场打散团聚的机制，并通过双流体模型优化多腔室结构，使平均停留时间提升14.5%。构建的多循环模型明确最佳运行条件，并开发降阶算法，将计算效率提升约10⁶。
在高稳定性载能体方面，采用自燃烧法制备Mn/Al共掺杂材料，确认掺杂诱导的晶格畸变与耐热相形成机制，实现2000次循环后储能密度仅下降20.37%。系统表征与DFT分析揭示了Ca₃Al₂O₆和Ca₂Al₁.₃₄Mn₀.₆₆O₅对CaO团簇的锚定效应，显著抑制烧结。针对长期循环中积碳导致的失活问题，提出原位除焦策略，使Al/Mn/Ce共掺杂材料在800℃下完成1000次循环后仍保持1039kJ/kg储能密度。围绕核–壳结构材料，构建CaCO₃(M)@XO₂体系并实现对ZrO₂壳层厚度的可控调节，验证其优越的高温结构稳定性。建立的长效循环评价平台形成了2000次循环的指标体系并通过专家评审。
在反应器与系统集成方面，完成移动式颗粒吸热器实验与二维瞬态模型构建，可准确描述光场波动下的吸热过程。搭建内置埋管流化床放热系统，实现反应温度大于700℃、转化率大于90%。构建1MWth反应器动态模型并与再压缩sCO₂循环耦合，系统热效率达32.2%。建立光学模型与能流测量体系，优化匀光策略，显著提升光斑均匀性与能流质量。
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