线性菲涅尔式太阳能聚焦集热系统复杂聚光传热机理及综合性能研究

The linear Fresnel collector system is one of the key components and the most challenging research project to realize the energy transporting and transferring of the whole photo-thermal-fluid process of the linear Fresnel solar thermal power generation system. In this project, researches for the efficient solar collecting, coupled heat transfer, and comprehensive performance of the linear Fresnel collector system will be carried out. It includes following three basic aspects, matching rules and integrative designing of the light capturing process and the photothermal conversion process, the mechanisms and dynamic characteristics of the complex photo-thermal coupling process, performance optimizations of the linear Fresnel collector system and the methods of comprehensive assessment. It is a systematic research on these key problems from steady to unsteady and from part to whole, with the condition of high solar energy flux which is non-stationarity in time and non-uniformity in space. And it is a typical interdisciplinary research subject with much academic significance and scientific interest. From the study, significant references can be provided to develop more efficient and steady linear Fresnel collector systems, and it is also of much realistic significance to master the key core technology and design fundamentals of the whole linear Fresnel solar thermal power generation systems.

线性菲涅尔反射式聚焦集热系统是实现菲涅尔式太阳能热发电系统光-热-流能流输运与转换的核心关键部件之一，也是太阳能热发电系统中极具挑战性的研究课题。本课题拟开展线性菲涅尔式太阳能聚焦集热系统复杂聚光传热机理及综合性能研究，主要包括太阳能光捕获与光热转换过程匹配规律及其一体化设计、太阳能吸热过程复杂光-热耦合机理及吸热器动态特性，以及线性菲涅尔反射式聚光集热系统性能优化及综合评价方法等3个方面。本项目将针对时空非均匀高辐射热流密度下线性菲涅尔反射式聚焦集热系统上述关键基础问题开展由稳态到非稳态、由局部到整体的系统研究，研究内容涉及多个学科交叉，具有重要的学术意义和科学价值。研究成果将为研发高效稳定线性菲涅尔反射式聚焦集热系统提供重要依据，亦对于掌握整个线性菲涅尔式太阳能热发电核心关键技术与基本设计原理具有重要现实意义。

线性菲涅尔反射式聚焦集热系统是实现菲涅尔式太阳能热发电系统光-热-流能流输运与转换的核心部件之一，也是太阳能热发电系统中极具挑战性的研究课题。本项目针对线性菲涅尔式太阳能聚焦集热系统复杂聚光传热机理及综合性能方面的关键科学问题开展了一系列研究工作并取得了一些创新性成果，主要如下：（1）构建了线性菲涅尔反射式聚光集热系统一体化光线追迹数学模型，开发了光学性能分析与设计软件，揭示了系统内太阳辐射传播吸收全过程的多因素影响规律，开展了参数协同匹配与一体化优化设计方法研究。（2）基于蒙特卡罗光线追迹法和有限容积法建立了线性菲涅尔系统三维光-热-流耦合稳态与非稳态模型，揭示了吸热管内外、吸热器腔体内部及吸热器腔体与外界环境之间的多重复杂对流-导热-辐射耦合传热过程机理，研究了不同因素影响下非稳态过程吸热器动态特性，探讨了安全稳定性综合评价方法与调控机制。（3）基于粒子群优化算法与蒙特卡罗光线追迹算法提出了一种线性菲涅尔系统性能优化及综合评价模型，提出了一种有效减少线性菲涅尔系统蒙特卡罗光线追迹过程计算时间的权衡考核方法，开发了优化计算程序软件，获得了不同目标函数考核评价情形下系统几何结构与优化参数；提出了一种线性菲涅尔反射式中低温太阳能热化学利用装置，并自行设计搭建了一套非均匀热流线性太阳能热化学利用装置电热模拟仿真系统。本项目研究成果对于掌握整个线性菲涅尔式太阳能热发电核心关键技术与基本优化设计原理具有重要意义。项目执行期间共发表论文11篇，入选ESI高被引论文1篇、SCI检索6篇、EI检索7篇，国际会议论文 1 篇（相关合作4篇），申请国家发明专利2项并已授权1项、获得软件著作权4项。在国内外合作交流方面，与团队共同邀请了美国桑迪亚国家实验室、澳大利亚国立大学等国际团队学者来校访问讲学，与此同时项目组成员分别参加了国内外学术会议8人次。在人才培养方面，参与团队培养或指导硕博研究生8人。