太阳能聚集、高温热转换与蓄热的关键热科学问题研究

课题围绕太阳能能量聚集、高温热转换、蓄热理论及方法展开了系列研究，获得了太阳能的能量聚集、高温热转化、蓄热过程中的高效低成本的设计理论和方法。课题完成了计划任务书规定的研究任务，达到了预期目标。在以下四方面取得了突出进展： (1) 研制了太阳能聚集传输介质辐射物性（镜面双向反射分布函数，石英、蓝宝石等半透明材料高温辐射特性）测试平台，建立了聚集能流矢量分析模型和太阳能复合聚集系统能量传输模型，提出了量化太阳能聚集质量的方向分布因子、方向品质因子和高倍聚集能流分布测试方法，获得了聚集太阳能传输介质光谱辐射特性数据，设计了4种适合工程应用的复合太阳能聚集方案。 (2) 构建了高倍聚集、光学窗口传输和多孔容积吸热一体化的太阳能高温热转换分析模型，获得了石英光学窗口对聚集太阳能流的传输和光热转换特性，提出了以无量纲半径为特征参数的腔式吸热器设计准则和实现高效热转换的吸热壁面温度分布原则，揭示了光学窗口对高温热转换效率的影响作用和控制机制，发明设计了4种具有高效低热应力集中的太阳能吸热器。 (3) 建立了多元熔盐体系的最佳配比准则，采用静态混合熔融的方法制备出了一种新型多元熔盐材料，确定了多元熔盐体系的温度使用范围和反应条件，实验获得了混合熔盐体系物性数据，掌握了高温传热蓄热介质的优化设计理论和制备方法。 (4) 建立了多孔介质中熔融盐单相流体斜温层蓄热的数值模型和蓄热系统综合性能评价准则，获得了熔融盐、多孔介质孔隙结构以及工况参数对多孔介质中熔融盐传热与流动的影响规律。研制了熔融盐传热—蓄热实验装置，获得了熔融盐单相流体斜温层蓄热特性、多孔介质中熔融盐单相流体斜温层蓄热特性以及熔融盐壳管式相变换热器换热蓄热特性。 该课题在国内外重要期刊上发表系列学术论文59篇，出版专著2本、应邀撰写英文学术专著2章；申请国家发明专利24项，其中14项已授权。 已培养博士生6人，硕士生13人。研究成员中1人获国家高层次人才特殊支持计划，2人获教育部新世纪优秀人才；部分成员参与的“热辐射传输与流动控制”获2011年度基金委创新群体。在太阳能的能量聚集、输运、储热蓄热领域形成了一支在国际上有影响，结构合理，素质过硬、攻关能力强的科研队伍。 2100433B

由于太阳能能流密度低及间歇性等特点，必须通过聚集以提高能流密度、蓄热以实现稳定的能量供应。本项目以太阳能高温热转换为主要应用背景，针对太阳能聚集、高温热转换、高温蓄热等核心技术，研究以下相互关联的科学问题：(1)太阳能聚集传输的辐射特征量耦合变化机制与尺度特性；(2)高温热转换的热光学特性与低损失机理；(3)聚集与吸收过程中热力耦合效应与控制机理；(4)高温蓄热多尺度孔隙结构的热过程特性与控制机理；(5)低成本传热蓄热熔盐材料体系构建与性能控制。. 通过研究，提出聚集过程中辐射特征量耦合性与尺度特性的传输模型，揭示辐射能向高温热能的转换机制与损失机理，建立热力耦合效应对光辐射传输特性的影响模型与分析方法，揭示高温蓄热孔隙结构的多尺度传递机理，探索高温相变传热蓄热材料的构建体系。为太阳能聚集技术、高温高效热转换、高温储热技术的发展提供理论指导与基础支撑。

本项目将高效传热工质熔盐与高温热管相结合，开拓一种以熔盐作为传热工质的新型高效传热元件-高温熔盐重力热管，具有高效传热、安全环保、成本低廉等优点。针对熔盐传热工质，研究提出高温热管用熔盐传热工质的优选机制；探索加热功率、倾角、熔盐关键热物性、蒸发段与冷凝段比、充液量等主要因素对高温熔盐重力热管的起动性能影响规律；研究加热功率、倾角、熔盐关键热物性等主要因素对高温熔盐重力热管传热性能如等温性能、传热极限、蒸发段与冷凝段传热系数和热阻等的影响规律，揭示高温熔盐重力热管的传热机理；主要采用数值模拟与理论分析的方法，研究高温熔盐重力热管内蒸发换热与凝结换热的换热机理。在此基础上，提出高温熔盐重力热管的优化设计方法。研究成果将为我国节能减排提供新技术，为我国传统能源和可再生能源的高效利用提供新的技术支撑。

熔盐是一种熔融状态下高效传热工质，广泛应用于传热储热领域。由于其高效传热特性，本课题将其用作高温重力热管的传热工质。本课题通过对单组份硝酸盐、单组份溴化盐、混合硝酸盐、混合溴化盐的高温热物性如密度、熔点、比热、导热系数、粘度、表面张力、饱和蒸汽压、熔化潜热、分解温度等进行实验研究，综合考虑工质传输能力和饱和蒸汽压力，初步选择课题组前期开发的四元混合硝酸盐-低熔点熔盐Hts作为热管传热工质，研制了不同熔盐填充质量的高温熔盐重力热管。在此基础上，通过实验方法研究了熔盐填充质量、热管倾角对热管启动稳定性、启动时间、轴向温度分布等的影响；该熔盐热管在熔盐充装量40g时，热管启动效果最好，在倾角50°时热管传热效果最好。填充40克低熔点熔盐和萘的热管实验对比结果表明，低熔点熔盐热管的响应时间比萘热管的时间短，初步证明了低熔点熔盐作为热管工质的可行性。但由于熔盐在高温下具有较低的饱和蒸汽压及抽真空和真空保持的影响，熔盐在热管内的蒸发速度低，导致热管传热阻力相对较大.熔盐热管还需要进一步研究，优选更适合作为热管传热工质的熔盐。 2100433B

国外最早的高温热管被应用于空间技术上。1970年美国RCA首次用100根高温热管排成一个宽65 cm，高108 cm的方阵，制成了一种空间辐射器，这种热管辐射器可带走50 kW热量，能减轻因流星损伤而引起的载热体的泄漏。后来高温热管开始逐渐向其他领域不断渗透。

我国高温热管的应用研究始于1978年，中国科学院力学研究所首次成功地研制成功了外延炉等温热管，采用高温钠热管作为等温元件，用于半导体材料生产中的一种掺杂工艺，使这种管式炉的等温精度从原来的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等温性能获得了很好的改进，炉子的使用寿命也明显提高。