基于冲击射流太阳能气体集热的高温化学储热与防护耦合机制

A high-temperature gas receiver is one of the key components of a solar thermal power system based on gas working medium. The operating temperature of pressurized gas receivers is difficult to be improved further, because it is very hard to guarantee a long-time operation at high temperatures due to the instability and non-uniformity of concentrated solar radiation. This proposal tries to resolve the local overheating issue caused by the fluctuation of concentrated radiation by introducing high-temperature endothermic chemical reactions of metallic oxides which can absorb thermal energy quickly once being over heated. Impinging jet is applied to enhance heat transfer in parts where absorb concentrated radiation energy directly. The reduced metallic oxides can be oxidized under control to release chemical heat for heating pressurized gas and to keep a stable outlet temperature at unstable conditions. In order to check the ideas, experimental and simulation studies will be carried out to research heat transfer of impinging jet, oxidation/reduction reactions of metallic oxides and their composites under various concentrated radiation. Exothermic/endothermic reactions and control methods will be studied to meet with the requirements of impinging jet gas receiver, and a optimization model will be developed for coupling high-temperature thermal chemical storage and solar gas impinging receiver. It is expected to provide new ideas and a new theory to high-temperature solar thermal power technologies based on gas working medium.

高温集热是基于气体工质的太阳能热发电关键技术之一。由于太阳能聚光辐射能流具有不稳定和不均匀特征，基于金属材质的加压气体接收器对运行温度有着严格的限制条件。太阳能高温气体接收器的运行寿命和出口温度之间，一直存在比较尖锐的矛盾。本申请提出采用高温化学吸热反应解决聚光辐射波动时可能造成的接收器局部超温问题；研究气体冲击射流强化换热方法，优化接收器结构，增强直接吸收高强聚光辐射能力，提高出口温度；调控化学反应的吸/放热过程，优化与接收器吸热管之间的换热匹配，充分利用化学反应的储热功能，保障云遮或太阳光变弱时出口温度相对稳定。拟研究聚光辐射及波动条件下金属氧化物及多孔介质复合材料的氧化/还原反应规律，探讨不稳定聚光能流下的冲击射流、吸/放热反应与吸热管局部换热的匹配原则，阐明基于储热化学反应的高温冲击射流接收器优化设计与调控方法，以期为基于气体工质的太阳能高温发电技术提供新的思路和方法。

基于气体工质的高温集热系统是太阳能布雷顿循环发电技术的关键部件之一。本项目开展了基于气体射流太阳能高温集热的化学储热与防护耦合机制研究，系统分析了金属氧化物的反应动力学特性，探讨了金属氧化物的改性方法，发现SiO2和ZrO2等掺杂物可增强化学储热介质的结构稳定性，提高反应循环特性；发现还原过程中氧浓度对Mn-Fe复合金属氧化物反应特性的影响较小，且还原曲线和氧化曲线随氧分压的增加而移向高温区。开发了金属氧化物储放热与高温气体吸热器动态模型，模型误差小于15%。研究了高温气体吸热器在实际太阳辐射下的运行特性，发现在实际太阳辐射下高温气体吸热器出口温度可达888℃。当吸热器进口空气压力为284kPa时，吸热器压损为0.88%，最大吸热效率和吸热功率可分别达到68.9%和132kW。探究了套管吸热器冲击射流换热特性与耦合防护的吸热特性，发现在射流发生区域，流体与管壁之间的换热系数提高了1倍以上；在吸热管侧壁开孔，可有效提高吸热管侧壁的换热效果。射流吸热器加热试验显示，吸热器内工质的温升超过310℃。采用热化学储热防护时，吸热器表面温度可降低10-20℃。基于气体射流的化学储热与防护耦合机制研究为太阳能高温集热系统设计与优化运行提供重要参考。发表和录用第一标注的学术论文18篇、第二标注学术论文6篇，其中SCI收录17篇和EI收录3篇。授权国际发明专利9件、国家发明专利18件；申请国际发明专利2件、国家发明专利21件；获得软件著作权4项；编著并出版教材1本；主持编写2部太阳能光热产业技术创新联盟标准；作为第二起草人，起草2部国家标准（出版社校稿完毕，等待正式发布）；培养与本项目直接相关的研究生11名。