高聚焦比塔式太阳能系统中吸热器热应力形成机理及其动态变化特性和影响机制

As the solar receiver goes into the direction of large capacity and high parameters, thermal stress and thermal fatigue become key factors that affect the safety and stabilization of receiver due to the highly non-uniform heat flux and intermittent energy supply. The distributions of heat flux and temperature inside the receiver were usually considered as the boundary conditions with given values in most of the previous studies on the thermal stress of receiver. However, these parameters should be calculated according to the incident energy of receiver. Therefore, the distribution characteristics of thermal stress in the real solar receiver have not been effectively revealed yet. Besides, the previous studies on the heat flux homogenization rarely took the thermal stress into consideration, therefore the impact of heat flux homogenization on the thermal stress cannot be quantitatively analyzed. Based on the law of solar thermal conversion and heat absorption, the present project aims to establish a solar-thermal-fluid-structure multi-physical fields coupling model of solar receiver under extreme irradiation conditions. The model can be used to explore the forming mechanism of thermal stress of solar receivers. The temporal and spatial distributions of thermal stress under the typical working conditions will be studied as well. In addition, the relationships between characteristic parameters and thermal stress will also be investigated, after which some effective ways to reduce the thermal stress on key positions are expected to be proposed. The research can provide theoretic guidance in structural design and long-term safe operation of the solar receiver.

随着太阳能吸热器向高参数发展，高度不均匀的热流分布和间歇性的能量供给致使吸热管热应力和热疲劳问题成为制约吸热器安全运行的关键因素。现有吸热器热应力的研究直接给定热流密度或温度作为边界条件，未考虑入射能流对热流和温度分布的影响，因而无法有效揭示真实吸热器的热应力分布特性。此外，现有吸热器热流均匀化研究未与热应力的分布相关联，以致无法定量分析热流均匀化特性参数对热应力的影响。本项目基于吸热器光热转换与热量吸收传递规律，通过建立极端辐照条件下太阳能吸热器吸热过程光热流固多物理场耦合计算模型，探索吸热器热应力的形成机理，分析热应力在典型工况下的时空分布规律及动态变化特性，构建辐射、结构和流动的特征参数对热应力的影响关系。该研究工作将为太阳能吸热器结构的科学设计和长周期安全运行提供理论指导。

随着低碳经济时代的来临，能够实现规模化应用的塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展。太阳能吸热器是塔式系统中实现将聚光后的高热流密度太阳能转换为工质高温热能的关键设备，其内部涉及到复杂的光热转换以及热量吸收传递的过程。随着太阳能吸热器向高参数发展，高度非均匀的热流分布和间歇性的能量供给致使吸热管热应力和热疲劳问题成为制约吸热器安全运行的关键因素。现有吸热器热应力的研究直接给定热流密度或温度作为边界条件，未考虑入射阳光能流对热流和温度分布的影响，因而无法有效揭示真实吸热器的热应力分布特性，而对于吸热器在交变载荷作用下引起的疲劳失效问题也几乎没有研究。此外，有关吸热器热流均匀化的研究并未与热应力的分布关联起来，以致无法定量分析热流均匀化特征参数对热应力的影响。本项目基于极端辐照条件下具有复杂结构的太阳能腔式吸热器内部的光热转换与热量吸收传递规律，建立了吸热过程光/热/流/固多物理场耦合计算模型，实现了温度场数据向热弹性力学分析模块的准确传递。利用该模型，获取了吸热器两大核心吸热部件沸腾面和过热器上温度和热应力的时空分布特性以及高强应力和应力集中的关键位置，揭示了不同温度梯度作用下吸热管热应力的形成机理。基于线性热应力理论和ASME疲劳评定方法，开发了吸热器疲劳寿命的数值计算模型，研究了吸热面在交变载荷作用下的疲劳寿命及疲劳失效规律。此外，在已建立的模型中增加了参与辐射换热介质的光热吸收转化程序，探索了在腔体内填充碳气溶胶介质其散射、吸收以及自身流动与再辐射等因素对吸热面热流密度均匀化的协同作用机理，分析了碳气溶胶的数密度、粒径、体积率、反照率以及吸热管的排布方式等特征参数对吸热面热流均匀性及吸热管热应力的影响，并提出了降低热应力的有效措施。该项目的研究形成了较为完善的高效太阳能吸热器的科学设计理论以及安全性评定体系，为太阳能吸热器长周期安全稳定运行提供了理论基础。