本发明属于太阳能利用，具体涉及一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统及方法。
背景技术：
1、随着空间技术的日益成熟，人类对于探索深空的愿望愈加强烈。作为距离地球最近的太空大型自然天体，月球成为了人类实现地外天体长期生存和开发利用的首选，对于人类太空探索具有重要的研究意义与丰富的利用价值。登陆小行星并建立研究或前哨基地实现小行星资源利用一直是人类太空探索的研究热点，并且伴随着地球资源消耗加剧和部分资源的逐渐耗竭，开发利用地外资源已经成为新的科技竞争的制高点。
2、地月运输成本远高于近地轨道运输，引力和其他空间环境因素都增加了任务的复杂性和成本，此外月球表面的环境极端恶劣增加了着陆和返回的难度，最终使得低于运输成本普遍不低于＄30000/kg，因此月球资源开发中对于基本资源的原位获取至关重要。其中，氧气既是未来月球基地的建设的关键物资，同时对于保障宇航员在月球表面的生存至关重要。太阳能是早期开发中最容易获得的能源，月球表面真空环境降低了太阳辐射的大气反射与吸收损失，因此月球表面接受的太阳能密度相比地球更多，但依赖太阳能的供能系统必须具备长时间、大规模的储能技术以应对月面长时间的无光照环境。
3、如果将太阳能转化为化学能，既能充分利用月球太阳能的优势，还能解决无光照条件下的能量长时间储存与运输问题。太阳能化学储能技术主要包括太阳能光催化制备燃料技术以及太阳能热化学制备燃料技术。光催化技术在太阳光线激发下催化剂表面生成电子并释放氧气完成还原反应，随后提供热量使材料氧空位与h2o中氧原子结合发生氧化反应得到氢气。太阳能热化学制备燃料中常用的是“两步法”太阳能热化学循环分解水制氢制氧技术，“两步法”热化学循环分为还原与氧化过程，在发生还原过程时金属氧化物氧载体材料吸收热能分解并产生氧气，还原反应完成后被还原的氧载体材料再与通入的h2o发生氧化反应恢复为高价金属氧化物同时制得氢气。
4、两个过程涉及的化学反应方程式分别为：
5、光催化还原反应：
6、光催化材料的氧化反应：moa-b+bh2o→moa+bh2
7、热化学还原反应：
8、热化学氧化反应：mox-y+yh2o→mox+yh2
9、光催化材料剂以及热化学循环氧载体材料包括铁氧化物、多金属掺杂氧化物，以及氧化铈、钙钛矿、尖晶石等非化学计量比材料，其中非化学计量比材料在发生还原反应时不完全失氧，形成的氧空位数量与结构形貌会对材料的物理化学特性产生影响，因此光催化以及热化学还原反应中通常通过引入和调控氧空位的方法来改善催化活性。然而在发生光催化以及热化学还原反应时氧载体材料失去的氧原子数量不统一，材料整体经过还原后的氧空位难以维持在最佳的氧化性能点位，导致材料总体需求量提高，最终影响太阳能利用效率。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提出了一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，该系统直接利用月壤结构烧结制得氧载体材料，将太阳光线通过太阳能聚光集热器按照光催化以及热化学反应需求向反应器提供合适的聚光比与聚光温度，在现有技术基础上将热化学还原与光催化还原相结合，用光催化辅助热化学或热化学辅助光催化的方法实现材料氧空位的动态调控，提高材料的氧化还原性能，最终提高太阳能的总体利用效率。
2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
3、一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，具体包括：太阳能聚光集热器、太阳能光热化学反应器、月壤基氧载体材料、分段式温度控制系统、真空室、热回收系统，其中：
4、所述太阳能聚光集热器，用于汇聚月面太阳光线，内部的调节器能够按照反应类型降低聚光功率提供光催化还原反应所需光照，也能切换至聚光集热模式为热化学反应提供足够热量；
5、所述太阳能光热化学反应器，用于承载光催化还原反应、热化学还原反应以及热化学氧化反应，太阳能光热化学反应器的透光窗口使月壤基氧载体材料接受太阳光线发生光催化还原反应释放氧气，同时能够承受热化学还原反应的工作温度使月壤基氧载体材料发生热化学还原反应分解并释放氧气，经过光催化还原反应以及热化学还原反应后，向太阳能光热化学反应器通入h2o与月壤基氧载体材料发生热化学氧化反应释放氢气，月壤基氧载体材料被重新氧化后再次参与光催化还原反应以及热化学还原反应；
6、所述月壤基氧载体材料，用于在光催化还原与热化学还原反应中受太阳能光线激发作用发生光催化还原反应，并吸收太阳热能在热化学还原反应中分解释放氧气，光催化还原反应与热化学还原反应结束后与太阳能光热化学反应器内通入的h2o发生氧化反应释放氢气，月壤基氧载体材料被重新氧化参与下一次光催化还原反应和热化学还原反应；
7、所述月壤基氧载体材料以月壤矿物颗粒为基本原料，经过重选、电选、磁选、浮选等工艺筛选获得金属氧化物颗粒，在高温下烧结成型后获取由高活性高选择性的催化剂材料，具体以月壤中较为丰富的钛铁矿为主，包括月壤矿物元素组成的铁氧化物、多金属氧化物以及钙钛矿和尖晶石；
8、所述分段式温度控制系统，根据氧分析设备所检测的氧气生成量判断月壤基氧载体材料氧空位形成情况，用于调控光催化还原反应与热化学还原反应的进行与结束，先进行光催化还原再通过热化学还原反应调控称为调控方案ⅰ，先进行热化学还原反应再通过光催化调控称为方案ⅱ，在分段式温度控制系统设定一个氧气生成总量值作为调控切换值，方案ⅰ中光催化还原反应氧气生成总量达到调控切换值后，调整太阳能聚光集热器汇聚高温光线满足热化学还原反应需求；方案ⅱ中热化学还原反应得到的氧气总量达到调控切换值后，向太阳能光热化学反应器提供光照而避免月壤基氧载体材料明显升温；所述调控切换值，先通过热力学计算得到光催化还原反应与热化学还原反应过程中氧气生成速率由快转慢时的氧气生成总量值，调控切换值可以根据实际情况在反应开始和该氧气生成总量值之间任取一点；
9、所述真空室，用于借助月球表面真空环境零能耗抽吸光催化还原反应与热化学还原反应中产生的氧气以及热化学氧化反应出口处h2o与氢气混合气体；
10、所述热回收系统用于利用暂存在真空室中气体的余热，将高温气体的热量用于加热光热化学氧化反应的原料h2o，并辅助月壤基氧载体材料制备过程中的烧结成型，实现系统热量回收利用。
11、基于一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，本发明提出了一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用方法，该方法具体内容为：
12、太阳能聚光集热器汇聚月球表面太阳光线为光催化还原反应与热化学还原反应过程提供光能与热能，从而实现月面原位分解水制取氧气以及氢气；在分段式温度控制系统调控下，太阳能光热化学反应器内的月壤基氧载体材料在使用热化学辅助光催化的方案ⅰ时首先发生光催化还原反应，此时材料表面温度在太阳光照下升温至50℃-400℃范围，通过检测氧气生成情况判断光催化反应进程，氧气生成速率明显变缓后太阳能聚光集热器切换至聚光集热模式，太阳能光热化学反应器内部升温至1000℃-2000℃范围，通过热化学还原分解的方式促进月壤基氧载体材料氧空位的进一步形成并保持稳定，最后想太阳能光热化学反应器内通入h2o与月壤基氧载体材料发生热化学氧化反应制取氢气；在使用光催化辅助热化学的方案ⅱ时先升温至热化学还原反应温度范围，达到调控切换值后逐渐降温至50℃-400℃，利用光催化还原反应调控氧载体氧空位活性点位，最后利用回收的降温过程热量加热热化学氧化反应所需原料，完成材料的热化学氧化反应制取氢气；真空室工作前与月球表面真空环境相连使真空室内部保持真空环境，光催化还原反应、热化学还原反应过程中开启与太阳能光热化学反应器反应腔相连的阀门，利用太阳能光热化学反应器反应腔与真空室的压力差抽出还原反应产生的氧气，降低氧分压，此外热化学氧化反应结束后利用真空室将生成的氢气与高温水蒸气从太阳能光热化学反应器抽离出来；与真空室相连的热回收系统初步完成太阳能光热化学反应器出口高温气体的热量回收。
13、该方法涉及的具体化学方程式为：
14、方案ⅰ：
15、(光催化，室温)
16、(热化学调控，1400-1800℃)
17、mox-z+zh2o→mox+zh2(氧化反应)
18、方案ⅱ：
19、(光催化，室温)
20、(热化学调控，1400-1800℃)
21、mox-z+zh2o→mox+zh2(氧化反应)
22、本发明所产生的有益效果是：
23、(1)通过光催化还原反应与热化学还原反应耦合的方式调控月壤基氧载体材料的氧空位，提高月壤基氧载体材料的氧化活性，增强月壤材料对反应的促进作用，最终提高太阳能分解水制氢制氧的效率。
24、(2)反应过程中制得的氢气与氧气便于储存运输，能够作为月球上重要的资源供应方式，实现月面资源原位利用。
25、(2)在分段式温度控制系统调控下能针对不同方案采取不同的热能利用措施，减小光催化还原反应与热化学还原反应之间大温差切换带来的热能损失。
26、(3)利用月球表面的真空环境收集气体，避免了传统除氧方式的大量能量消耗，可较大程度地减少不可逆损失提高太阳能利用率。
1.一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，主要部件包括：太阳能聚光集热器(1)、太阳能光热化学反应器(2)、月壤基氧载体材料(3)、分段式温度控制系统(4)、真空室(5)、热回收系统(6)，其中：
2.根据权利要求1所述的一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，所述太阳能聚光集热器(1)工作时太阳能聚光集热器(1)通过碟式或塔式聚光器汇聚太阳光线，加热聚光焦点处的月壤基氧载体材料(3)进行热化学还原反应；需要发生光催化还原反应时太阳能聚光集热器(1)降低聚光功率并将光束反射进入太阳能光热化学反应器(2)中，或使用其他低倍聚光镜提供光照，或使太阳能光热化学反应器(2)直接接受太阳光照。
3.根据权利要求1所述的一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，光催化还原反应和热化学还原反应依次进行，设定一个氧气生成总量作为调控切换值，方案ⅰ中光催化还原反应氧气生成总量达到调控切换值后，调整太阳能聚光集热器(1)汇聚高温光线满足热化学还原反应需求；方案ⅱ中热化学还原反应得到的氧气总量达到调控切换值后，向太阳能光热化学反应器(2)提供光照而避免月壤基氧载体材料(3)明显升温。
4.根据权利要求1所述的一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，分段式温度控制系统(4)在光催化还原反应与热化学还原反应耦合先后顺序不同情况下有不同的调控策略：方案ⅰ通过分段式升温方式，首先控制太阳能聚光集热器(1)仅提供光照使月壤基氧载体材料(3)发生光催化还原反应释放氧气直至光催化还原反应完全，此时材料表面温度由于太阳辐射升温至50-400℃，随后调控太阳能聚光集热器(1)提高聚光温度范围至1000-2000℃，进一步加热材料至发生热化学还原反应温度并稳定氧空位生成量；方案ⅱ先将月壤基氧载体材料(3)升温至热化学还原反应温度完成热化学还原反应，随后通过换热器将月壤基氧载体材料(3)降温至50-400℃，在光催化还原反应中调控氧空位的形成，光催化还原反应与热化学还原反应阶段结束后利用热回收系统(6)回收的热量逐渐加热被还原的月壤基氧载体材料(3)，升温过程中向太阳能光热化学反应器(2)通入h2o完成热化学氧化反应，产出氢气同时实现月壤基氧载体材料(3)循环。
5.根据权利要求1所述的一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，凭借月面真空条件，借助真空室(5)实现光催化还原反应与热化学还原反应过程的氧气收集，氧分析设备对光催化还原反应与热化学还原反应产生氧气浓度的检测控制真空室(5)与太阳能光热化学反应器(2)连接的阀门开闭；真空室(5)同样用于收集热化学氧化反应结束后太阳能光热化学反应器(2)出口的高温水蒸气与氢气；真空室(5)收集到的光催化还原反应与热化学还原反应高温氧气与热化学氧化反应高温混合气在热回收系统(6)中与h2o热交换，交换的余热辅助完成月壤基氧载体材料(3)制备阶段中的烧结成型；真空室(5)与月球表面真空环境相连的阀门保证光催化还原反应与热化学还原反应以及热化学氧化反应气体吸收过程完成后真空室(5)腔体内真空环境的恢复。
6.根据权利要求1所述的一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用系统，其特征在于，月壤基氧载体材料(3)由月壤原位提取，月壤中含有的矿物碎屑包括斜长石、橄榄石、辉石及钛铁矿、尖晶石，将月壤开采并经过离心筛分、静电筛选与磁选后在1000-1800℃下烧结成型，得到月壤基氧载体材料(3)。
7.一种串联式太阳能光热化学耦合月面资源利用方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，该方法实施过程包括：
