本文介紹帶發電功能的LY混動車，能夠高效地利用太陽能，是目前所有STS（太陽能轉為為服務人類生產生活的有用功 solar to service）最高的一種方式。

生物質為原料，太陽能為能量源，LY混動車及光熱光伏為能量轉換平臺。遵循了碳循環規律，解決了太陽能儲能問題，實現了太陽能的高效經濟利用。更重要的是這樣的模式徹底解決了電動車和混動車的安全、里程焦慮、制造成本高、充電難等問題。

獲取能源、利用能源的方式轉變The new way to obtain energy and use energy

摘要：

(1)生物質通過厭氧發酵得到沼氣，沼渣碳。沼氣，沼渣利用太陽能獲得電能、肥料、氧氣和光液（醇類、醚類、酮類燃料）。光液經過管道輸送后到能源消耗地點，燃燒或光液利用太陽能重整獲得一氧化碳，氫氣。200℃的一氧化碳、氫氣燃燒直接帶動內燃發動機。內燃發動機帶動lightyear結構電動發電機發電。

(2)光液的生產環節，太陽能的利用效率（轉換為化學能、電能和熱能）會超過40%。光液的使用環節，配合中溫太陽能聚光系統。光液重整得到氫氣、一氧化碳通過內燃機或燃氣輪機發電，其凈發電效率高達35%。

關鍵詞：太陽能；生物質；LY系統；發電；能源。

中圖分類號：TK6生物能及其利用

Abstract：

(1)Biogas is obtained by anaerobic fermentation, and biogas residue carbon. Biogas, biogas residue carbon and solar energy to generate electricity, fertilizer, oxygen and light-liquid (alcohols, ethers, ketone fuels). The light-liquid is transported through the pipeline to the energy consumption site, and the light-liquid is reformed by solar energy to obtain carbon monoxide and hydrogen. The carbon monoxide and hydrogen at 200 ℃ directly drives the combustion engine. The engine drives the lightyear structure of the motor generator to generate electricity.

(2)In the production of light-liquid, the utilization efficiency of solar energy (converted to chemical energy, electric energy and thermal energy) will exceed 40% maximum. The use of  light-liquid is matched with a medium-temperature solar concentrating system. Light-liquid reforming results in hydrogen and carbon monoxide being generated by an engine or a gas turbine, and its net power generation efficiency is as high as 35% maximum.

Keywords: solar energy; biomass; LY system; power generation; energy.

1引言

目前太陽能的利用方式中：綠色植物的光轉存儲化學能為0%~6%[1]；光熱的光轉熱為0%~80%[2]，光熱轉電為0%~29%[2][3]；光伏的光轉電為0%~46%[3][4]。除了核能、地熱這兩類能源外的所有能源利用方式，都是太陽能利用。太陽能的儲量巨大，要想解決能源問題，提高太陽能的利用效率，降低成本是最有效的辦法。人類要想經濟地使用太陽能作為能源，必需從提高面積單位能源密度、質量單位能源密度和轉換效率這三個方面入手。太陽能的廣泛性，及能源密度低的特征，要求分散地、搭配高能量密度能源載體來利用。

根據研究，光合作用的過程是在含錳的催化劑進行的[5]。這一過程是常溫常壓下進行的化學反應。如果化學反應條件提高，相當用化學吸熱反應進行了類光合作用。而生物質+光液+太陽能+lightyear混動車的系統就是利用這個想法去實現太陽能的高效利用。暫時將這一能源轉換利用系統稱為太陽能轉換光年系統（lightyear system）。因為這個系統在解決光年跨越難題的過程中發現的。簡稱LY系統。

LY系統是一個利用生物質和陽光產生電力、光液、氧氣和肥料的太陽能利用方法，遵循了自然界碳循環的規律。

2LY系統簡介

LY系統的整體圖示如圖一所示。

圖 1 太陽能利用lightyear系統圖示

2.1光液生產過程

在地面上收集生物質，經過粉碎、膨化后，進入38℃水解酸化塔，得到小分子的有機物，再經過55℃高溫厭氧發酵得到沼氣、沼渣[7]。沼渣氣化碳化后得到沼渣炭，沼氣和炭高溫下得到富含一氧化碳、氫氣的碳氫氧復合氣體[7][8][9]。利用復合氣體作為傳熱工質，炭和熔鹽作為儲熱介質。水蒸氣、甲醇蒸汽輪機或內燃機發電。發電的同時得到光液、液態肥料和氧氣。

2.1.1基本原理

該化學反應過程是由一系列的吸熱和放熱化學組成[6]。主要反應如下圖二。

圖 2 基本原理圖示

0.1MPa和2.0MPa下碳－蒸汽反應的平衡組成分別如圖3和圖4所示。

圖3  0.1MPa下碳－蒸汽反應的平衡組成

圖4 2.0MPa下碳－蒸汽反應的平衡組成

圖3、圖4是該連串化學反應的平衡圖。[6]

T>900℃，含有等量的H2和CO，其它組分含量接近于零。T↓，H2O、CO2、CH4含量逐漸增加。高溫，H2和CO含量高。相同T，P↑，H2O、CO2、CH4含量增加，H2和CO含量減小。低壓、高溫有利于反應的進行。

這是一個化學儲存太陽能的反應，此總反應主要在光熱/高溫條件下進行。以下是放熱反應，主要在水蒸汽鍋爐內膽發生，高壓、低溫有利于反應的進行。

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)  △H=-41.194KJ/mol

C(g)+2H2(g)=CH4(g)  △H=-74.898KJ/mol

這兩個反應不需要催化劑。

而合成甲醇、二甲醚的過程需要催化，也是在主要在水蒸氣鍋爐內膽發生。

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)  △H=-100.46kJ/mol

2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)+H2O(g)  △H=-20.59kJ/mol

鍋爐內膽分層，水蒸氣入口溫度500℃，最高溫度700℃，出口溫度420℃。

如上圖2所示，這是錳、鐵及其復合物組成的在太陽能熱源下進行的一系列化學反應。該過程的總反應方程如下：

C+H2O(g)+ CH4(g)+ CO2(g) → CH4O(L)＋O2(g)  （公式一）

該反應的條件是在最高1600℃溫度下，利用錳、鐵等物質的催化下，通過控制不同的進氣原料比，更替地變換進氣成分，得到富含CO或H2的復合氣體。該復合氣體作為傳熱介紹給水汽汽輪機發電，降溫為400℃，在繼續傳熱給甲醇蒸汽汽輪機發電，降溫為200℃。得到一股含CO體積分數20%以上的復合氣體，另外一股含H2體積分數40%以上的復合氣體。這兩股復合氣體在200~250℃催化床的作用下，80~90%的H2和CO轉換為CH4O。CH4O經壓縮到6~8MPa后，變成液體，氣體分離。液體甲醇打入甲醇鍋爐蒸汽發電。

由公式一可以知道不同的原料成分組成，需要的能量不一樣。產物都可以得到甲醇。需求能量最低的組分如下

C+2H2O(g)+ CH4(g)= 2CH4O(L) （公式二）

25℃、101kPa下，炭、氫氣、甲烷和甲醇理論凈熱值33MJ/KG、143MJ/KG、56MJ/KG、23MJ/KG。室溫燃燒放熱反應過程如下：

C（s）+0.5O2（g）=CO（g）△H=-396kJ?mol-1

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-896kJ?mol-1

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=-286kJ?mol-1

CH3OH（l）+1.5O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-736kJ?mol-1

公式二的左邊假定有12KG炭、36KG水、16KG甲烷（室溫，1大氣壓力），得到64KG的甲醇。如果炭、甲烷直接燃燒。產生熱值為1292MJ。經過光液處理后熱值為1472MJ。增加180MJ。甲烷和木炭能量增加14%。1KG甲醇需求2.82MJ能量。

能量需求最高的過程是

8H2O(L)+ 2CO2(g)= 2CH4O(L)＋5O2(g) （公式三）

該過程生產生產64KG甲醇最少能量為2616MJ。1KG甲醇需求40.88MJ能量。

最優的能源需求、最佳產出為甲醇、木炭。光液工藝最佳反應為(在沼氣甲烷:二氧化碳=6:4情況下)。

4C+16H2O(g)+6CH4(g)+ 4CO2(g) =14CH4O(L)＋5O2(g)（公式四）

該反應生產554KG甲醇需要能量最少為11734MJ。1KG甲醇需求26.2MJ能量。

2.1.2主反應選擇 

根據炭、氧化合物的吉布斯自由能數據：二氧化錳在530~560℃起會釋放出氧氣，碳和二氧化碳的反應啟動溫度480℃。降低最高反應溫度為400℃~600℃，將會使得這個系統更具備經濟競爭力。不過工藝過程可能會很長，除非找到一個非常高效的催化反應劑。不然可靠方法還是鐵錳反應容器，不同組分交替進料。

在日照條件非常好的情況下，選公式三，作為主反應。在日照條件很差甲烷和煤炭等原料豐富的情況下，選公式二作為主反應。在生物質資源豐富的地方，選擇公式四為主反應。

最佳的產出是甲醇、沼渣炭和電能。生物質轉化甲醇的年儲量是2000~8000噸/平方公里。1平方公里生物質的光液聚光面積需求面積不超過1公頃。1平方公里生物質聚集成本非常低廉。可以得到光液工廠年面積產量密度是0.2~0.8萬噸/公頃。

聚光器件是整個光液生產最大成本組成，按光熱發電約占到總成本的40~50%。而在最高反應溫度降為400℃~600℃時，可以直接使用槽式聚光，成本將會大幅降低。

不需要生產氧氣的公式二，或含碳物質化學直接制氫的比較適合反應溫度在750~920℃[10][11]。產氧氣的公式三、公式四錳鐵反應容器最高1600℃[12]直接反應催化的情況下，這個方案的經濟性大大折扣。

2.1.3儲能

光液的生產過程是能量的存儲和釋放過程，這個系統儲存多少能量，釋放了多少能量呢？

以秸稈為例說明，秸稈碳含量38±5%之間，高位熱值15~17MJ/KG[13]。按每噸秸稈含炭元素38%，并完全利用得到約1噸甲醇。查化工手冊知甲醇高位熱值22.7MJ/KG，低位熱值19.9MJ/KG。秸稈熱值取最大值17MJ/KG，借助太陽能光熱，秸稈的能量等價地完全轉化到甲醇，并吸收太陽能，增加了33.5%轉化到甲醇。

太陽能的光熱儲存是以化學能、熱能存儲的。由公式一，復合氣體中CO、H2生產甲醇的的化學儲能為2.82~40.88MJ/KG。光液的生產過程中

CH4(g)=C(g)+2H2(g) △H=+74.898 KJ/mol

C+CO2(g)=2CO(g) △H=+131.390 KJ/mol

C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.390 KJ/mol

總反應方程式為：

CH4(g)+CO2(g)+H2O(g)=3CO(g)+3H2(g) △H=+206.288 KJ/mol

由這三個化學得知，在化學反應充分、流化床有效分離CO、H2情況下。以CH4(g)、CO2(g)、H2O(g)和炭為原料，化學儲能甲烷為12.9MJ/KG，碳為10.95MJ/KG。該儲能能量會在光液生產工藝過程中釋放一部分。這個系統有一個固態碳高溫儲能，800℃的單質碳儲存能力跟碳熱比容、碳質量有關。復合氣體的顯熱也是儲能的一部分。

由此，總儲能=高溫碳單質儲能+復合氣體內能+已轉化甲烷存儲化學能+已轉化碳化學能。這個總儲能可用于替代部分的熔鹽儲能。

2.2光液的使用過程

光液經過太陽能低溫重整后得到一氧化碳和氫氣。經內燃發動機直接燃燒供給lightyear結構混動車動力發電[14][15]。其吸熱化學反應如下：

CxHyOz(L)+H2O(L)→CO(g)+2H2(g) 

2.2.1光液發電效率

按照隋軍[16]計算及實驗數據，槽式太陽能能聚光+甲醇。最高太陽能轉化化學能可達70%。實際實驗數據為30~60%。洪慧，金紅光等人理論及研究表明[17][20]，利用熱力學第一、二定律改善動力利用系統的效率。并計算出太陽能熱力學在適合工況下凈發電效率高達35%。曲延濤，張國強等人，發動機余熱重整甲醇可使得發動機熱效率達到50%[18]。李文甲，郝勇等仿真研究表明甲醇重整、光伏結合發電的情況下。最高凈發電效率達43%，綜合利用效率達52%。

按曲延濤研究。這樣一個甲醇發動機加上傳動作為lightyear混動車發動機的動力來源。考慮傳動損耗及發電效率。最終有約0.8~0.9的熱效轉化為電能。綜合發電效率約為40%~45%。甲醇低位熱值5.53KWH。也就是說1KG甲醇發電2.2~2.5KWH。按3元1公斤甲醇燃料價格，度電成本為1.36~1.2元。

圖 5 槽式聚光導熱油儲能

利用槽式太陽能聚光，導熱油儲熱。再用400℃導熱油重整甲醇。甲醇化學能增加12%，熱能增加15%。整體能量增加27%。也就是說1KG甲醇理論熱值為7KWH。發電系統通過渦輪及廢熱重整額外的甲醇。綜合發電效率扔能達到0.45。也就是說1KG甲醇發電2.8~3.15KWH。按3元1公斤甲醇燃料價格，度電成本為1.07~0.95元。

按照洪慧等提出了集成中溫甲醇熱分解的太 陽能熱動力循環, 其太陽能凈發電效率達到35%, 燃燒過程傭損失減少7%。按照李文甲等人研究光熱-光伏互補系統產生的電能中：約73~76％源于甲醇化學能，其余約25%是來自太陽能，約16%來子太陽能甲醇裂解發電[23]。其太陽能利用效率高達43.5%。光液與LY混動車發電系統跟洪慧、李文甲等提出來的工況有所差別[24]。但達到25%以上是可以預期的。

lightyear混動車和槽式400℃導熱油聚光儲熱組成的發電平臺，其成本低廉。

當光液生產工藝成本下降，甲醇的客戶端售價降為2元1KG，度電成本會低到0.64元。此外，當重整的光液不是甲醇，而是醚類，如乙醚。太陽能發電量和利用效率有可能會提高，也會降低度電成本。

2.3光液技術如何推廣

Lightyear結構混動車（簡稱LY混動）不需要光液也可以發展起來。最先會是LY混動卡車，因其高效并有望實現無人駕駛。LY混動卡車實現無人駕駛，將降低物流成本。LY混動小車，也是一種短程純電動車。成本比長續航車更低，并且無里程焦慮和有更好的安全性能。柴油、重油的燃燒加入光液，將會更加清潔。LY混動車的廣泛應用將會建立起一個光液消費市場。這個光液消費市場對光液技術的發展、推廣至關重要。

利用甲烷、煤炭生產醇類燃料的技術已經發展了數十年，目前仍然沒有經濟競爭力。光液技術仍未成熟，也沒有形成產業。需要突破多項技術如：降低聚光器件成本、獲得更高儲熱溫度。找到降低甲烷、炭變為CO、H2的反應溫度。提高光液各個化學反應產率。

3光液技術展望

所有生物質，如樹木、農作物廢棄物、糞便、廚余垃圾都可以進光液生產系統。光液生產環節太陽能轉化學能不低于8%。在光照條件如佛山市5000~5500MJ/m2、使用沼氣中甲烷和沼渣炭生產光液140KG/m2，聚光面積如佛山3875平方公里和需求約6~8億噸生物質條件下，就能獲得5.425億噸甲醇（植物含碳量387~506g/kg）[25]。足夠全國LY混動車的燃料需求，同時還獲得大量電能。全國生物質總量生產潛力可達650億噸/年[26]（濕重），只需要將2~5%總量利用起來，生產得到的光液足夠滿足全部全部能源需求。

4結論

LY系統及lightyear結構類交通工具（汽車、卡車、高鐵、輪船）的使用，很有可能是一種改變當前能源獲得和使用的形式的有效方法。這個方法使得太陽能利用效率更高，能源轉換更有效率，并解決了儲能問題。

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