太陽(yáng)能聚集、高溫?zé)徂D(zhuǎn)換與蓄熱的關(guān)鍵熱科學(xué)問(wèn)題研究

課題圍繞太陽(yáng)能能量聚集、高溫?zé)徂D(zhuǎn)換、蓄熱理論及方法展開了系列研究，獲得了太陽(yáng)能的能量聚集、高溫?zé)徂D(zhuǎn)化、蓄熱過(guò)程中的高效低成本的設(shè)計(jì)理論和方法。課題完成了計(jì)劃任務(wù)書規(guī)定的研究任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在以下四方面取得了突出進(jìn)展： (1) 研制了太陽(yáng)能聚集傳輸介質(zhì)輻射物性（鏡面雙向反射分布函數(shù)，石英、藍(lán)寶石等半透明材料高溫輻射特性）測(cè)試平臺(tái)，建立了聚集能流矢量分析模型和太陽(yáng)能復(fù)合聚集系統(tǒng)能量傳輸模型，提出了量化太陽(yáng)能聚集質(zhì)量的方向分布因子、方向品質(zhì)因子和高倍聚集能流分布測(cè)試方法，獲得了聚集太陽(yáng)能傳輸介質(zhì)光譜輻射特性數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了4種適合工程應(yīng)用的復(fù)合太陽(yáng)能聚集方案。 (2) 構(gòu)建了高倍聚集、光學(xué)窗口傳輸和多孔容積吸熱一體化的太陽(yáng)能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換分析模型，獲得了石英光學(xué)窗口對(duì)聚集太陽(yáng)能流的傳輸和光熱轉(zhuǎn)換特性，提出了以無(wú)量綱半徑為特征參數(shù)的腔式吸熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和實(shí)現(xiàn)高效熱轉(zhuǎn)換的吸熱壁面溫度分布原則，揭示了光學(xué)窗口對(duì)高溫?zé)徂D(zhuǎn)換效率的影響作用和控制機(jī)制，發(fā)明設(shè)計(jì)了4種具有高效低熱應(yīng)力集中的太陽(yáng)能吸熱器。 (3) 建立了多元熔鹽體系的最佳配比準(zhǔn)則，采用靜態(tài)混合熔融的方法制備出了一種新型多元熔鹽材料，確定了多元熔鹽體系的溫度使用范圍和反應(yīng)條件，實(shí)驗(yàn)獲得了混合熔鹽體系物性數(shù)據(jù)，掌握了高溫傳熱蓄熱介質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和制備方法。 (4) 建立了多孔介質(zhì)中熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱的數(shù)值模型和蓄熱系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，獲得了熔融鹽、多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)以及工況參數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)中熔融鹽傳熱與流動(dòng)的影響規(guī)律。研制了熔融鹽傳熱—蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱特性、多孔介質(zhì)中熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱特性以及熔融鹽殼管式相變換熱器換熱蓄熱特性。 該課題在國(guó)內(nèi)外重要期刊上發(fā)表系列學(xué)術(shù)論文59篇，出版專著2本、應(yīng)邀撰寫英文學(xué)術(shù)專著2章；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利24項(xiàng)，其中14項(xiàng)已授權(quán)。 已培養(yǎng)博士生6人，碩士生13人。研究成員中1人獲國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃，2人獲教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才；部分成員參與的“熱輻射傳輸與流動(dòng)控制”獲2011年度基金委創(chuàng)新群體。在太陽(yáng)能的能量聚集、輸運(yùn)、儲(chǔ)熱蓄熱領(lǐng)域形成了一支在國(guó)際上有影響，結(jié)構(gòu)合理，素質(zhì)過(guò)硬、攻關(guān)能力強(qiáng)的科研隊(duì)伍。 2100433B

由于太陽(yáng)能能流密度低及間歇性等特點(diǎn)，必須通過(guò)聚集以提高能流密度、蓄熱以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量供應(yīng)。本項(xiàng)目以太陽(yáng)能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換為主要應(yīng)用背景，針對(duì)太陽(yáng)能聚集、高溫?zé)徂D(zhuǎn)換、高溫蓄熱等核心技術(shù)，研究以下相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)問(wèn)題：(1)太陽(yáng)能聚集傳輸?shù)妮椛涮卣髁狂詈献兓瘷C(jī)制與尺度特性；(2)高溫?zé)徂D(zhuǎn)換的熱光學(xué)特性與低損失機(jī)理；(3)聚集與吸收過(guò)程中熱力耦合效應(yīng)與控制機(jī)理；(4)高溫蓄熱多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱過(guò)程特性與控制機(jī)理；(5)低成本傳熱蓄熱熔鹽材料體系構(gòu)建與性能控制。. 通過(guò)研究，提出聚集過(guò)程中輻射特征量耦合性與尺度特性的傳輸模型，揭示輻射能向高溫?zé)崮艿霓D(zhuǎn)換機(jī)制與損失機(jī)理，建立熱力耦合效應(yīng)對(duì)光輻射傳輸特性的影響模型與分析方法，揭示高溫蓄熱孔隙結(jié)構(gòu)的多尺度傳遞機(jī)理，探索高溫相變傳熱蓄熱材料的構(gòu)建體系。為太陽(yáng)能聚集技術(shù)、高溫高效熱轉(zhuǎn)換、高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)與基礎(chǔ)支撐。

本項(xiàng)目將高效傳熱工質(zhì)熔鹽與高溫?zé)峁芟嘟Y(jié)合，開拓一種以熔鹽作為傳熱工質(zhì)的新型高效傳熱元件-高溫熔鹽重力熱管，具有高效傳熱、安全環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)熔鹽傳熱工質(zhì)，研究提出高溫?zé)峁苡萌埯}傳熱工質(zhì)的優(yōu)選機(jī)制；探索加熱功率、傾角、熔鹽關(guān)鍵熱物性、蒸發(fā)段與冷凝段比、充液量等主要因素對(duì)高溫熔鹽重力熱管的起動(dòng)性能影響規(guī)律；研究加熱功率、傾角、熔鹽關(guān)鍵熱物性等主要因素對(duì)高溫熔鹽重力熱管傳熱性能如等溫性能、傳熱極限、蒸發(fā)段與冷凝段傳熱系數(shù)和熱阻等的影響規(guī)律，揭示高溫熔鹽重力熱管的傳熱機(jī)理；主要采用數(shù)值模擬與理論分析的方法，研究高溫熔鹽重力熱管內(nèi)蒸發(fā)換熱與凝結(jié)換熱的換熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出高溫熔鹽重力熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究成果將為我國(guó)節(jié)能減排提供新技術(shù)，為我國(guó)傳統(tǒng)能源和可再生能源的高效利用提供新的技術(shù)支撐。

熔鹽是一種熔融狀態(tài)下高效傳熱工質(zhì)，廣泛應(yīng)用于傳熱儲(chǔ)熱領(lǐng)域。由于其高效傳熱特性，本課題將其用作高溫重力熱管的傳熱工質(zhì)。本課題通過(guò)對(duì)單組份硝酸鹽、單組份溴化鹽、混合硝酸鹽、混合溴化鹽的高溫?zé)嵛镄匀缑芏?、熔點(diǎn)、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、表面張力、飽和蒸汽壓、熔化潛熱、分解溫度等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，綜合考慮工質(zhì)傳輸能力和飽和蒸汽壓力，初步選擇課題組前期開發(fā)的四元混合硝酸鹽-低熔點(diǎn)熔鹽Hts作為熱管傳熱工質(zhì)，研制了不同熔鹽填充質(zhì)量的高溫熔鹽重力熱管。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了熔鹽填充質(zhì)量、熱管傾角對(duì)熱管啟動(dòng)穩(wěn)定性、啟動(dòng)時(shí)間、軸向溫度分布等的影響；該熔鹽熱管在熔鹽充裝量40g時(shí)，熱管啟動(dòng)效果最好，在傾角50°時(shí)熱管傳熱效果最好。填充40克低熔點(diǎn)熔鹽和萘的熱管實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，低熔點(diǎn)熔鹽熱管的響應(yīng)時(shí)間比萘熱管的時(shí)間短，初步證明了低熔點(diǎn)熔鹽作為熱管工質(zhì)的可行性。但由于熔鹽在高溫下具有較低的飽和蒸汽壓及抽真空和真空保持的影響，熔鹽在熱管內(nèi)的蒸發(fā)速度低，導(dǎo)致熱管傳熱阻力相對(duì)較大.熔鹽熱管還需要進(jìn)一步研究，優(yōu)選更適合作為熱管傳熱工質(zhì)的熔鹽。 2100433B

國(guó)外最早的高溫?zé)峁鼙粦?yīng)用于空間技術(shù)上。1970年美國(guó)RCA首次用100根高溫?zé)峁芘懦梢粋€(gè)寬65 cm，高108 cm的方陣，制成了一種空間輻射器，這種熱管輻射器可帶走50 kW熱量，能減輕因流星損傷而引起的載熱體的泄漏。后來(lái)高溫?zé)峁荛_始逐漸向其他領(lǐng)域不斷滲透。

我國(guó)高溫?zé)峁艿膽?yīng)用研究始于1978年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所首次成功地研制成功了外延爐等溫?zé)峁?，采用高溫鈉熱管作為等溫元件，用于半導(dǎo)體材料生產(chǎn)中的一種摻雜工藝，使這種管式爐的等溫精度從原來(lái)的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等溫性能獲得了很好的改進(jìn)，爐子的使用壽命也明顯提高。