时空非线性强能流下聚集系统光热力场交互耦合机理与能流分布控制

High concentrated solar collector systems are widely used in the field of power plant, thermochemical reaction. This study takes the high concentrated solar collector system as the application background and focuses on the research of two-stage solar collector system. For the problems of surface shape distortion, thermal crack of mirrors and sunlight transmission distortion, this study will develop numerical methods for sunlight transmission problems with the consideration of spectral irradiative property variation due to temperature change and ray-thermal-structural coupled analysis for solar collector. The developed numerical methods coupled with spectral bidirectional reflectance distribution function test rig and ultra-high energy flux density distribution test rig are adopted to investigate the following scientific issues: effects of spectral irradiative property on sunlight transmission under high temperature variation condition, ray-thermal-structural coupled effects for high concentrated solar collector system and reliability evaluation of solar collector, thermal stress depression of solar collector through flux distribution optimization. The following results can be obtained: methods for solving the problems of sunlight transmission with the consideration of spectral irradiative property variation, construction of ray-thermal-structural coupled model for solar collector system and reliability evaluation model for solar collector, methods of thermal stress depression for solar collector through energy distribution optimization. This study can be benefit of enriching the theory of sunlight transmission, providing innovative theoretical guidance for collector reliability and promoting the cross study of irradiative transfer, heat transfer and mechanics.

太阳能高倍汇聚利用在发电、热化学等领域受到研究重视。本申请以太阳能高倍汇聚利用为应用背景，以两级反射式聚集系统为主要研究对象，针对强能流及非均匀变化引起的面型畸变、镜面热破裂及光束传输畸变等问题，发展镜面光谱热辐射特性随温度变化的光束传输求解方法、光热力场耦合跨接模拟方法等数值方法，并结合变温光谱双向反射分布函数测量、超高密度光斑分布测量等实验手段研究以下内容：大温差下镜面光谱热辐射特性对光束传输影响机理；太阳能高倍汇聚系统光热力场交互耦合影响机理与可靠性综合评价；聚集器热变形抑制的能流分布控制机理。通过研究，获得镜面光谱热辐射特性对光束传输影响的求解方法；构建太阳能聚集系统光热力耦合效应模型；探索提出聚集器可靠性综合评价模型；获得聚集器热变形抑制的能流分布控制方法。研究成果将有助于丰富太阳能光束传输理论和促进光辐射与传热学、力学等学科研究的交叉融合，为提高聚集器可靠性提供创新性理论指导。

强能流及非均匀能流变化引起太阳能吸热器失效问题是一项学科交叉性课题。本项目采用传热学、光谱辐射学、力学等交叉学科理论和方法，开展时空非线性强能流下聚集系统光热力场交互耦合机理与能流分布控制研究，研究内容包括：实验测试结合反演方法获取高温下光学窗口等太阳能材料的光学参数；开展太阳能高倍汇聚系统光热力场交互耦合影响机理与可靠性综合评价研究；并获得聚集器及吸热器热变形抑制的能流分布控制机理。通过研究充分认识了时空非线性强能流下聚集系统光热力场交互耦合机理与能流分布控制机制与效应，所得研究成果可为提高太阳能吸热器的可靠性提供创新性理论指导。本项目经过3年研究，取得了一些创新性成果，包括：1.对现有的椭圆偏振光谱仪升级改造，对太阳能光学窗口、金属氧化物的光学特性进行了测量及反演研究，获得了常温下四种典型太阳能利用中的金属氧化物及太阳能光学窗口在300~673K温度范围内的光学常数；2. 建立了含光学窗口吸热器的光束聚集与矢量传输模型；提出了通过控制光学窗口光束辐射传输而提高吸热器可靠性的方法；引入了椭圆形玻璃罩以实现管式吸热器表面能流密度分布均匀化的目的；引出了一种内凸起式新型太阳能光学窗口以实现腔式吸热器内能流密度分布均匀的目的。3.构建了太阳能高倍汇聚系统光-热-力场转换过程的耦合跨接程序，揭示了太阳能聚集系统的光热力场间交互耦合影响机理；引入了波纹管式及扰流柱式的太阳能吸热器以达到强化传热、提高可靠性的目的；研究了雷诺数变化对吸热器的温度分布与热应变特性的影响，分析了雷诺数、波距等参数对吸热器综合传热性能的影响，并拟合出努赛尔数随波高、波距、雷诺数等参数变化的回归关联式。申请人以第一/通讯作者发表SCI论文14篇，含一区及Top期刊9篇，最高IF为8.05，入选ESI热点论文1篇、高引论文2篇，并入选《Applied Energy》年度高被引原创论文1篇。发表中文核心期刊2篇，申请发明专利5项，授权3项。