太阳能塔式电站高效聚光集热传热机理及新型动力循环热物理基础问题研究

The key issues of the solar tower power system are how to improve the efficiency of the whole process of energy transport and conversion, and the comprehensive efficiency of the power cycle integration. In this project, basic researches for key thermal physical scientific problems on the high-efficiency photo-thermal conversion, heat transfer and power cycle of the solar tower power system will be carried out. First, the mechanisms of photo-thermal-stress coupling process and the integration matching theory for the solar collector/molten salt receiver system will be investigated. The integrated optical model will be developed and the thermal-stress design criteria will be proposed for the molten salt receiver. The solar collector/molten salt receiver system will be designed and optimized based on the integration matching theory. Second, the fluid flow and heat transfer characteristics in the complicated flow structures and design theories of novel molten salt heat exchanger will be carried out. Numerical simulations and experimental studies on the fluid flow and heat transfer in porous medium, shell-side of the shell-and-tube exchangers and mini- and micro-channels in printed circuit heat exchangers will be conducted, then the flow and heat transfer correlations will be proposed. Finally, the integrated innovation of solar power system and supercritical CO2 Brayton power cycle will be carried out to find the optimized power cycle and coupling scheme. Also, the criteria for the new integrated system will be proposed. The project is a systematic research on these key problems and expected to reveal the mechanisms of energy transport process of the solar power system, to tap potential of efficiency improvements for each key part of the system, and thus to promote integrated innovation of novel solar power systems.

提高系统能流输运与转换效率及动力循环综合效率是塔式太阳能热发电技术发展的核心问题。本项目拟开展塔式太阳能电站中高效聚光、集热、传热机理及动力循环的关键热物理科学问题研究。首先研究太阳能聚光集热系统的光-热-力耦合机理及一体化协同匹配原理，建立一体化光学模型，提出热力设计准则，对整个聚光集热系统进行一体化协同优化；然后开展复杂流动结构内熔盐流动传热特性及新型熔盐换热器设计原理及强化机制研究，针对多孔介质、管壳式换热器壳侧及印刷电路板换热器微细通道内熔盐的流动换热进行实验与数值模拟研究，总结实验关联式，探索新型熔盐换热器的设计原理及强化机制；再者进行聚光吸热系统与超临界二氧化碳布雷顿循环高效匹配机制的研究，探索动力循环优化方式和耦合方案及新型集成系统综合评价准则。本课题以太阳能热发电中的共性问题为研究对象，通过揭示系统能量流输运过程机理，可望挖掘系统关键环节效率提升潜力，推动新型太阳能热发电系统一体化创新研究。

项目执行5年来，按照原定研究计划完成了各项研究内容和目标，很多内容和指标超额完成，详细内容参见结题报告正文部分。项目执行期间，编著英文书籍1部，英文论著2章；发表国际期刊论文87篇（均被SCI、EI双检索，其中SCI一区论文74篇，二区11篇，1篇SCI封面文章，1篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，16篇入选ESI），国际会议论文16篇，中文核心期刊论文12篇（均被EI检索，其中3篇为科学通报封面文章），国内会议论文9篇。据不完全统计，SCI论文他引1500余次。授权发明专利18项，软件著作权2项。参加国内外学术会议75余人次，受邀做国内外大会特邀报告22次，协助举办了2次国际论坛与会议。项目相关成果“太阳能高效聚光-集热-储热机理与光热协同调控理论及方法”获2019年度陕西省自然科学一等奖。. 项目执行期间，项目负责人何雅玲当选中国科学院院士，入选国家“万人计划”领军人才和全球高被引科学家，当选国家自然科学基金委员会工程与材料科学部专家咨询委员会委员等。所获主要科研教学奖项如下：.（1）2019年，获全国首届杰出教学奖（全国仅5名）；.（2）2019年，获陕西省自然科学一等奖，第1获奖人；.（3）2018年，获国家级教学成果一等奖，第2获奖人；.（4）2017年，获国家科学技术进步奖一等奖-创新团队奖，第2获奖人。. 在人才梯队建设方面，以项目负责人何雅玲为学术带头人的团队获2017年国家自然科学基金委创新群体。项目组新晋升教授2名，副教授5名。项目组成员李印实教授获陕西青年五四奖章；李明佳教授获陕西省优青和青千、亚洲热科学与工程联合会(AUTSE)青年科学家奖、吴仲华优秀青年学者奖，西安交通大学青年拔尖人才。培养博士生28人，硕士生9人。项目组成员2人入选人力资源和社会保障部博新计划，5人获陕西省优博、4人获吴仲华优秀研究生奖，5人获王补宣-过增元青年优秀论文奖，1人获英国传热大会最佳论文奖，3人获国家太阳能光热产业技术创新战略联盟研究生论坛优秀论文奖，1人获中国大学生自强之星提名奖。