槽式太阳能热发电用高温真空集热管玻璃与金属封接失效机理研究

高温真空集热管中玻璃与金属封接失效一直是槽式太阳能热发电系统中最主要的问题，对其失效原因及机理进行深入理论研究是提高集热管可靠性和疲劳寿命的前提基础。本课题首先针对匹配和非匹配的玻璃与金属在封接过程中温度场与应力场耦合作用及玻璃发生热应力松弛现象进行分析，采用热-应力耦合有限元方法构建封接残余热应力三维数学模型，结合实验验证，揭示玻璃与金属匹配和非匹配封接的残余热应力形成机理；其次以周向非均匀、剧烈热震辐射热流条件下，集热管的导热-对流-辐射耦合传热和封接处温度场与应力场耦合作用为研究对象，结合封接本身残余热应力，建立集热管在运行时三维耦合传热及热应力数学模型，探索集热管在剧烈热震条件下封接处热应力产生规律和疲劳特性；最后结合实验验证，揭示出集热管运行时封接失效机理，提出集热管封接热应力及疲劳消减机制，为优化集热管结构设计和提高其运行可靠性提供科学理论支撑。

高温真空集热管中玻璃与金属封接失效一直是槽式太阳能热发电系统中最主要的问题，对其失效原因及机理进行深入理论研究是提高集热管可靠性和疲劳寿命的前提基础。本项目分别针对玻璃与金属膨胀系数匹配和非匹配封接结构进行了残余热应力数值建模与模拟，分析了不同的封接材料、结构设计和封接工艺等对封接残余热应力的影响规律，并通过玻璃应力和金属残余应力测试，证明玻璃与金属封接残余热应力数值模拟结果与实验结果较为吻合，完成了封接残余热应力的分布规律和产生机理研究。采用蒙特卡洛光线跟踪方法，建立了周向非均匀太阳辐射在集热管表面的能流密度计算模型，获得了玻璃管和金属内管能流密度分布规律。建立了集热管导热-对流-辐射耦合传热分析的三维数值模型，分析了不同导热工质温度、流速对集热管温度分布的影响规律，获得了集热管在运行中各部件的温度精确分布，并分析了集热管在最为恶略的空晒工况下其温度变化情况及其失效分析。采用有限元方法，建立了集热管整管热应力数学模型，分析了集热管中玻璃管、金属内管和玻璃与金属封接等关键部件的热应力分布及其影响因素，完成了集热管在实际运行中玻璃与金属封接失效机理研究，提出集热管封接失效消减机制，为优化集热管结构设计和提高其运行可靠性提供科学理论支撑。