太阳能吸热器多物理/多尺度/多场耦合的非均匀非稳态工作机理与性能优化的基础研究

太阳能吸热器是影响整个太阳能热发电系统效率的关键部件之一，也是太阳能热发电系统中最具挑战性的研究课题。本项目拟开展太阳能吸热器多物理/多尺度/多场耦合的非均匀、非稳态工作机理与性能优化的基础研究，即从太阳辐射由镜场到吸热器内部的一体化传播吸收过程、蒙特卡罗光线追迹法与有限容积法在三维复杂结构中的耦合跨接、流体工质在多孔吸热体中的渗流换热机理、吸热器内关键组件的换热及热应力产生机理、太阳能吸热热性能及稳定性的优化和综合评价方法等5个方面对高密度、非均匀辐射热流下的塔式高温空气吸热器的关键问题开展由局部到整体、由微观到宏观、由稳态到非稳态的系统研究。研究工作涉及光学、传热学、流体力学与结构力学等学科交叉，对本学科的拓展具有重要的学术意义；同时对于掌握太阳能热发电的关键核心技术，研发具有高的能流密度、工作温度、热能转换效率和工作稳定性的吸热器，实现太阳能热发电的实际工程应用具有着重要的现实意义。

太阳能吸热器是影响整个太阳能热发电系统效率的关键部件之一，也是太阳能热发电系统中最具挑战性的研究课题。本项目围绕太阳能吸热器中的多物理/多尺度/多场耦合的非均匀、非稳态工作机理与性能优化的基础问题，主要开展的工作及取得的成果如下：（1）实现了塔式聚光集热系统中太阳辐射传播全过程的一体化模拟，准确描述了吸热体内能流分布的时空变化规律；（2）提出了基于统一网格的多孔介质内随机光子传播模型，并实现了蒙特卡洛光线追迹（MCRT）与有限容积法（FVM）在三维复杂结构内的无缝耦合跨接；（3）针对有压腔体空气吸热器大尺度复杂结构内的光热转化过程和微观多孔结构内的渗流换热过程进行了MCRT-FVM耦合模拟，同时开展了特殊流体超临界二氧化碳在多孔介质内的流动换热实验，总结获得了相应的经验关联式；（4）实现了MCRT、FVM、FEM三种方法的无缝耦合跨接，对有压腔体吸热器进行了光热力耦合的一体化综合模拟，分析了极端工况下吸热器关键部件的温度场与应力场，揭示了太阳能吸热器热应力产生机理；（5）开发了基于统一MCRT方法的多阶多表面复杂结构吸热器的光热特性分析通用软件，提出了一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合自动优化设计评价方法，并结合遗传算法和粒子群算法等先进算法及光热互反馈原则对吸热器进行了综合优化。本项目的研究成果可以为研发具有高的能流密度、工作温度、热能转换效率和工作稳定性的吸热器提供有力工具与关键数据，对实现太阳能热发电的实际工程应用具有重要意义。.本项目的研究成果共发表论文41篇，其中SCI检索23篇，EI检索28篇；申请发明专利4项，已授权3项；申请并授权软件著作权4项。在国内外学术会议上做特邀报告7人次。本项目执行过程中，注意人才培养和队伍建设，1名研究生获全国百篇优秀博士学位论文，3名研究生获陕西省优秀博士论文，项目负责人和所领导的团队成员多人任职于国际学术组织和期刊副主编或编委，形成了优秀的创新团队。