全工况条件下太阳能直接蒸汽集热系统动态运行规律研究

Direct steam generation (DSG) has been recognized as one of the most promising technologies for next-generation solar thermal power generation. The present experience of operation rules for heat transfer fluid (HTF) technology is no longer applicable for DSG systems due to the phase-change process. In the proposed project, theoretical, numerical and experimental works will be carried out jointly to study the dynamic operation rules for DSG systems in all-condition operations. The ‘all-condition’ here covers the working conditions when the weather changes hourly regarding seasonal difference; working conditions where random cloud passing and changing wind speed exist; start-up and shut-down procedures; working conditions when there is local abnormity/failure. The nucleation mechanism, bubble dynamics, characteristics of fluid flow and heat transfer in flow boiling will be theoretically investigated, based on which an unsteady two-phase fluid-flow-heat-transfer-thermal-stress-coupled model under large-scale various heat flux boundary conditions will be built from a multi-scale point of view. The response of the profiles of thermophysical parameters along the loop to the all-condition operations will be numerically studied. The potential thermal-stress-induced failure of receiver will be investigated and a combined solution is expected. The above-mentioned coupled model and some of the operation rules will be verified experimentally. The proposed project will support the advancement of the DSG technology in engineering applications with theoretical guidance and experimental reference.

太阳能直接蒸汽（DSG）技术是最具前景的下一代太阳能热发电技术之一。由于采用相变工质使集热系统的运行规律显著区别于已有导热油技术经验。本项目拟采用理论、模拟及实验相结合的方案对全工况条件下DSG集热系统动态运行规律进行研究。此处“全工况条件”包括：考虑地理、季节等差异的日间逐时变化气象条件下的运行工况；考虑随机性云层、风速等变化气象条件下的运行工况；系统启动和停机过程的特殊运行工况；系统局部发生工作异常/失效时的特殊运行工况。通过多尺度研究探索沸腾成核机理，分析气泡动力学特性，结合两相流动换热特征，建立适用于大跨度变热流边界的非稳态气-液两相流动-换热-应力耦合模型。通过模拟研究热物理参数沿程分布在全工况条件下的变化规律和响应特性，研究热应力诱发集热管失效问题并提出综合解决方案。通过实验验证耦合模型及部分特殊工况的运行规律。研究成果将为推进DSG技术的工程应用提供理论指导和实验依据。

本项目针对全工况条件下太阳能直接蒸汽（DSG）集热系统有别于传统单相工质系统的动态运行规律，开展了关键技术与系统集成方面的多方法研究。首先，针对水平固体表面相变成核过程进行了机理性研究，获得了分子簇经历成核、生长、合并等一系列动力学过程受固体壁面特性的影响规律以及接触热阻生长过程受壁面特性的影响机制，为气-液相变相关模型建立提供了理论支持。其次，针对抛物槽式DSG发电系统运行特性提出了多级耦合分析的概念并建立了模型，该模型考虑流动-传热-应力耦合效应以及部件-回路-系统不同层面的相互作用与影响，具备“问题诊断”与“性能预测”两种基本应用模式。借助所建立的多级耦合分析模型，对再循环式DSG回路全工况运行特性进行了模拟研究。特别地，针对热应力诱发集热管变形/失效问题，进行了复杂工况条件下处于回路不同位置DSG吸收管热应力-应变分析及其对系统性能反馈影响规律的研究，并据此提出了避免该问题的DSG回路优化运行策略。再次，针对太阳能-化石能源互补利用方式，基于“能量互补、品位耦合”的思想，揭示了不同形式热互补系统共性集成机理并提出了统一的评判准则。最后，针对抛物槽式集热器传统跟踪方式余弦损失大以及输出热量不稳定的问题，分别提出了抛物槽式广角跟踪主动调控技术以及主动散焦调控技术并进行了实验验证，实验结果得到国内权威第三方监测机构认证。本项目研究成果为发展我国具有自主知识产权的抛物槽式DSG技术提供了宝贵的经验和数据。. 本项目研究成果发表发表期刊论文16篇，其中SCI收录14篇、EI收录2篇；发表国际会议论文3篇，其中ISTP收录1篇；独立完成撰写英文专著章节1章；获得授权国家发明专利7项，申请国际专利1项；受邀进行主题报告1次，国际会议口头报告3篇次。项目负责人入选“中国科学院青年创新促进会”，入选Journal of Thermal Science期刊编委（SCI、EI检索）。