非均匀高辐射热流条件下吸热器光热耦合特性研究

Photo-thermal conversion characteristics is the basis of highly efficient utilization of solar energy with a non-uniform and high radiation flux. It is also the most challenging research project to realize the solar thermal power system. The project combines the national energy development needs and technical requirements of future product, and uses the engineering thermal physics to the solar thermal utilization. In this project, it is a typical interdisciplinary research subject which includes the heat transfer, thermodynamics,optics, and hydrodynamics. For the key issue of the photo-thermal conversion process with a non-uniform and high radiation flux, the method coupling with experiment, theory, and simulation is adopted. The aim is to recognize the mechanism of the aerosol affecting the solar irradiance, explore and reveal the optical characteristics of materials with a non-uniform and high radiation flu, and quantitatively analyze the distribution performance of the photo-thermal conversion efficiency. The study of the project as following: change law of the direct normal irradiation; the optical characteristics of the receiver with a non-uniform and high radiation flux; the experiment of photo-thermal conversion efficiency and the uncertainty analysis under non-steady state conditions. The results of the project have an important academic significance and scientific interest to know the basic principle and key technology of the high-efficient solar utilization.

非均匀高辐射热流条件下吸热器光热耦合特性是太阳能高效利用的基础，也是太阳能光热利用系统中极具挑战性的研究课题。项目结合国家能源发展需要和未来产品技术需求，将工程热物理领域的专业知识应用于太阳能光热利用技术中，内容涉及传热学、工程热力学、光学、流体力学等多学科知识的交叉。项目针对非均匀高辐射热流条件下吸热器光热转换过程中的关键基础科学问题，采用实验、理论、以及数值模拟相结合的方法，从机理上认识太阳辐射强度计算中气溶胶的作用机制，探索和揭示非均匀高辐射热流条件下吸热器材料光学特性，定量分析高温非稳态条件下光热转换效率规律。研究主要内容包括：太阳辐射强度的动态性变化规律；非均匀高辐射热流条件下吸热器材料光学特性；高温非稳态条件下高效光热转换实验及不确定度分析。项目的研究成果对于掌握太阳能高效利用的基本原理和关键核心技术具有重要的学术意义和科学价值。

高效利用太阳能是解决能源短缺和环境危机的有效技术措施之一。本项目结合新时代国家能源发展需要和未来产品的技术需求，将工程热物理领域的专业知识应用于太阳能高效利用中，内容涉及了传热学、流体力学、工程热力学等知识。项目重点开展了非均匀高辐射热流条件下吸热器光热耦合机理及特性研究，即从考虑气溶胶影响后的太阳辐射强度的动态性变化规律、非均匀高辐射热流条件下吸热器材料光学特性、以及高温非稳态条件下高效光热转换实验及不确定度分析等3个方面开展由稳态到非稳态、由点到面的系统研究。.通过本项目的研究获取了15种煤烟天气和8种沙尘天气条件下的气溶胶修正因子并给出了实际应用中的选定方法；提出了基于气溶胶修正因子的Hottel太阳辐射强度计算模型；设计了4种不同形状的腔式吸热器，并进行了腔内热流密度场分布特征的研究；给出了吸热器热流密度随材料光学特性的变化尺度；得到了圆柱形吸热器具有热流分布均匀、对称和安装维修方便的优点，吸热器最优的高径比为1.3；开展了6种不同系统误差对碟式聚光系统吸热器无量纲热流分布规律的影响研究，定量获得了热流密度的分布特征；提出了严寒地区碟式太阳能聚光系统的实验测试方法和技术措施；实验测试了腔式吸热器热流密度分布规律，验证了数值模拟结果的精度，最大误差在13.31%。项目的研究成果对于掌握太阳能高效利用的基本设计原理和关键核心技术具有重要的意义。