功能梯度容积式太阳能吸热器内耦合传热理论研究

Volumetric solar receiver, with ceramic foams as absorber, has been considered to have higher thermal efficiency. However, the actual operating data indicate that its thermal efficiency is only around 70%, and the “volumetric effect” has not yet been realized. It is mainly due to the solar-to-heat conversion and transfer mechanism, and the route to high efficiency have not yet been fully mastered. This project focus on the solar absorber, at first, based on the theory of heat transfer, by using X-ray computered tomography, large scale parallel computing and model tests etc.al, to research the convective heat transfer in foam material, coupling of spectral radiative heat transfer and multi-scale flow inside extreme complex geometries. Secondly, based on these studies, to establish a macroscopic model for combined heat transfer in porous material, then make sensitivity studies of absorber material properties, clarify the effects of structural parameters on the convective heat transfer coefficient. Finally, design functionally graded porous materials by referring Field Synergy Principle, then theoretically study the combined heat transfer mechanism inside it, to expand the research area of thermophysic engineering. To manufacture a functionally graded volumetric solar receiver and test it, and thus lay a theory foundation for the design and development of volumetric solar receiver with high efficiency.

以泡沫陶瓷为吸热体的容积式太阳能吸热器一直被认为具有高的光热转换效率。然而，实际运行数据表明其光热转换效率只达到约70%、没有实现“容积效应”。主要原因是吸热体内的光-热转换和传递机理及光热高效转换机制还没有被充分认识。本课题以容积式太阳能吸热器的吸热体为研究对象。首先，基于传热学理论、采用X射线计算机断层扫描和大规模并行计算等试验和模拟技术手段，开展泡沫陶瓷多孔介质内对流换热表征、具有光谱性的辐射传热与多尺度流动耦合；其次，建立宏观多孔介质流动和传热模型，对吸热体材料属性进行敏感性研究，阐明泡沫多孔介质结构参数对体对流换热系数的影响规律；最后，利用场协调原理指导设计功能梯度多孔材料，研究其内部流动和传热特征，拓展工程热物理相关理论。研制功能梯度容积式太阳能吸热器并开展试验研究，探索吸热器高效光热转换机制，为设计和开发高效、高可靠性容积式太阳能吸热器奠定理论基础。

本项目对梯度多孔介质内部的对流换热开展基础研究。项目立项之初是基于用于太阳能空气吸热器的背景，由于光伏发电应用成本下降太快，所以太阳能热热发电的应用前景变得不明朗，因此研究内容有所调整。主要研究内容：项目对多孔介质内部对流换热、梯度材料在相变储热方面的应用、多孔材料在往返流动下的特点等方面展开研究。经过4年的研究，支持了2名硕士研究生和1名博士研究生毕业，1名研究生和1名博士生在读。发表了11篇论文（8篇SCI论文、3篇会议论文），申请5项专利（发明4，实用新型1）。提出的建筑外墙呼吸式智能通风系统，参加2020年国科大创新创业大赛获二等奖，成果目前正在商业转化过程中。首次提出提出了揭示了多孔介质内部很容易出现局部热平衡现象，这与学术界常用的局部热非平衡假设相矛盾——即一直采用的假设是不合理的，证明了传统的模型方法存在不足。研究结果解释了现有关联式相互之间存在巨大差异的主要原因——试验中采用了不同厚度的式样，而背后的本质原因是存在局部热平衡现象。同时，指出了单吹法测量体对流换热系数的缺陷以及体对流换热系数的本质。模拟结果还显示真实的体对流换热系数是随时间变化的，而单吹法测量的体对流换热系数是一个与时间无关的常数。多孔介质内部对流换热问题的清晰阐述，将把多孔介质的传热研究从“局部热非平衡模型”导向为“局部热平衡模型”和“局部热非平衡模型”共存并不断相互演变的新的科学问题，这对不断深入理解多孔介质内部传热规律，并优化其在换热器、储热系统、反应器等工程应用具有重要科学价值和指导意义。