本发明公开了一种中低温太阳热能品位提升与CO₂一体化分离的方法及装置，该方法是在甲烷/水蒸汽重整反应中引入透氢性能极强的钯基合金膜结构，从而大幅度改善反应条件，提高甲烷转化率，实现CO₂分离。利用200℃的抛物槽式太阳能提供重整蒸汽的汽化潜热，转化为蒸汽内能，通过参与重整反应转化为合成气化学能。同时，利用550℃的聚光型塔式太阳能提供重整反应所需的反应热直接转化为合成气化学能，实现品位提升，最后在高效燃气-蒸汽联合循环系统中实现热功转换。利用本发明，实现了中低温太阳热能高效转换以及和化石燃料互补的综合梯级利用，并实现了CO₂的一体化分离。