塔式太阳能热发电系统高效光捕获与转换机制及一体化集成理论的基础研究

The key issues of the solar tower power system are how to improve the system efficiencies of the light capturing and the photothermal conversion, and the comprehensive efficiency of the whole system integration. In this project, basic theoretical researches for the high-efficiency light capturing, photothermal conversion and system integration of the solar tower power system will be carried out. It includes following four aspects, matching rules of light capturing and photothermal conversion in the solar receiver with the heliostat field, the mechanisms of steady/unsteady fluid flow and heat transfer inside the multi-scale and complicated solar receiver, optimizations of the solar receiver structure and performance and design of new-style high-efficiency solar receivers, and the integrative design of the solar-thermal-power system and the method of comprehensive assessment. It is a systematic research on these key problems from part to whole, from unit to system, from single energy to multi-energy combined usage. The project is closely related to the strategy needs of national energy developments and the demands of technology products, and is a typical interdisciplinary research subject with much academic significance and scientific interest. In the meantime, it is also of a great strategic and realistic significance to master the key technologies for the light capturing, the photothermal conversion and the whole system integration of the solar tower power system, to improve the research level of the solar tower technology, and to realize the large-scale engineering applications of this technology.

提高系统光捕获与光-热转换效率及系统一体化集成综合效率是塔式太阳能热发电技术发展的核心问题。本项目拟开展塔式太阳能热发电系统高效光捕获与转换机制及一体化集成理论的基础研究,即从定日镜场与吸热器光捕获与转换匹配规律、吸热器多尺度复杂结构内稳态/非稳态流动换热机理、吸热器结构与性能优化及新型高效吸热器设计、系统光-热-电一体化集成设计及综合评价方法等4个方面对塔式太阳能热发电系统光捕获与光-热转换及系统一体化集成设计的关键问题开展由局部到整体、由单元到系统、由单一能源到多能源联合利用的全面系统研究。本项目结合了国家能源发展战略需要和技术产品需求，是一个典型的涉及交叉学科的研究课题，具有重要的学术意义和科学价值；同时，本研究成果对于掌握塔式太阳能热发电系统光捕获与转化过程及整个系统一体化集成关键核心技术，提升我国塔式太阳能热发电技术研究水平，实现塔式电站的大规模工程应用有着重要的战略和现实意义。

本项目针对塔式太阳能热发电系统高效光捕获与转换机制及综合集成理论方面的关键科学问题，从理论和实验方面深入开展了一系列的研究工作并取得了一些创新性成果。主要开展的工作及取得的成果如下：（1）构建了塔式太阳能系统由太阳经定日镜场到吸热器内部的辐射传播与吸收过程的三维模型，揭示了有压腔体式吸热器复杂结构和多管吸热器内的动态太阳辐射能量分布规律，实现了对定日镜场与吸热器的光热匹配研究。（2）提出了基于MCRT、FVM、FEM方法的吸热器光-热-力耦合跨接方法，实现了有压腔体吸热器的光-热-力耦合综合理论研究，揭示了吸热器多尺度复杂结构内的流动换热与失效机理；同时，开展了传热流体在多孔介质吸热体内的流动换热实验研究，获得了相应的高精度实验关联式；基于上述研究结果，完成了高效有压腔式吸热器的优化设计研究。（3）基于能量阶梯利用思想和物质能流匹配特性，实现了塔式太阳能-化石能互补利用系统的一体化动态理论研究，开展了系统光-热-电综合集成设计及综合评价研究；同时，基于火积耗散理论，发展了塔式太阳能系统换热网络的全局优化新方法，实现了系统“聚光-集热-换热”过程一体化动态模拟，实现了对系统性能的准确分析与优化。本项目研究成果对于掌握塔式太阳能系统太阳辐射能捕获与转化过程及整个系统的综合集成关键核心技术、促进我国塔式太阳能热发电技术的大规模工程应用具有重要意义。.本项目执行期间共发表论文19篇，其中入选ESI高被引论文2篇，SCI检索12篇，EI检索14篇；申请国家发明专利2项并已授权1项、获得软件著作权1项。同时，本项目执行过程中，十分注重国际交流和人才培养。在国际合作与交流方面，邀请了美国桑迪亚国家实验室（SNL）等国际团队学者来校访问和讲学，同时项目组成员分别参加国内外学术会议10余人次。在人才培养方面，项目负责人入选中组部“青年海外高层次人才引进计划（青年千人计划）”、教育部“新世纪优秀人才支持计划”和西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。同时，共培养研究生4人，其中博士研究生1人，硕士研究生3人。.