[00821219]太阳能高效聚光-集热-储热机理与光热协同调控理论及方法

太阳能光热发电技术为能源领域带来了新机遇和新挑战，是解决能源、资源和环境等问题的一种重要途径。太阳能本身存在能流密度低、间歇不稳定等共性问题，对应的能量聚集、存储技术存在效率低、可靠性差的问题，已成为光热发电技术规模化发展的瓶颈。如何发展面向可承担基础电力负荷的高效聚光集热、高性能储热、高参数转化的太阳能光热发电技术，不仅是该领域的共性前沿研究方向，也是加快中国太阳能光热发电关键技术与设备研发的重大需要。该项目面向太阳能光热发电国家战略需求和国际学术前沿共性问题，在多项国家自然科学基金和国家973计划的资助下，针对光热发电中聚光、集热、储热及光热协同匹配等核心问题，经过10年努力，在聚光过程光子多尺度传输特性、集热过程能质耦合传递机理、高效储热机制与性能强化、系统光热协同调控理论及方法等方面，开展了创新性和系统性的研究工作，获得了一系列的原创性成果： 1.构建了适用于槽式、塔式、菲涅尔式、碟式等多种太阳能聚光系统的光子多尺度传输普适计算体系，实现了复杂聚光结构内光子传输全过程的一体化模拟，揭示了聚光系统能流分布的时空变化规律。推导了聚光系统内在数学重构关系，发现了聚光系统多阶次、多表面共有特性，创新性地构建了光子多尺度传输普适计算体系与统一考核评价准则。提出了兼顾计算速度与精度的“多重网格、逐级搜索、快速寻的”新方法，计算时间相比于国际通用方法可减少91％。基于所提出普适重构理论与高效计算方法，实现了对任意聚光结构内光子多尺度传输全过程的一体化模拟，实时、快速、准确揭示了聚光系统太阳能流分布的时空变化规律，发现并应用吸热器“重吸收效应”定量调控光学吸收率，揭示了能流时空分布不均现象及影响机理。研究成果被瑞士工程科学院院士、国际太阳能协会最高奖获得者A.Steinfeld教授，Sol.energy副主编(AE)、美国桑迪亚国家实验室杰出研究员C.K.Ho等国际著名学者多次引用和正面评价，被认为“成功地(successfully)应用于评估聚光系统性能”。 2.发展了聚光-集热无缝耦合跨接原理及全场数值求解方法，揭示了多尺度、多物理场耦合的热质传递机理；提出了解决时空非均匀性、提高聚光集热性能的方法。针对聚光集热系统内辐射-导热-对流多种复合传热方式并存、多物理场强烈非线性耦合这一光热转换全过程，提出了基于蒙特卡罗光线追迹法与有限容积法耦合算法的聚光集热过程全场数值求解方法，发展了不同计算方法之间与不同尺度能量传递过程之间的无缝耦合跨接原理，实现了光子微观传播特性及其与宏观尺度体系间热质传递转换性能快速准确计算，揭示了聚光集热系统多物理场耦合机理、热损失影响机制以及性能提升瓶颈所在，提出了整个光热耦合过程的定向、定量调控方法。研究成果被主编、国际太阳能协会最高荣誉奖获得者D.Y.Goswami教授，欧盟太阳能研究权威机构CIEMAT-PSA的J.Fernandez-Reche等国际著名学者多次引用和正面评价，被认为是“最全面(most comprehensive)的容积式吸热器(光热耦合特性)数值模拟方法”。研究成果已被相关企业用于光热电站系统设计与优化。 3.发现了储热材料微观结构与宏观储热性能的内在关联，查明了导热、对流在相变储热过程中的主导机制，提出了材料设计-过程强化-系统优化相匹配的储热系统协同强化方法，实现了热量高速率、高密度、高品质存储。揭示了纳米材料强化相变材料储热性能的微观机理，查明储热过程微观载能子相互作用规律，发现纳米材料微观结构与相变储热材料宏观性能参数间的内在关联，并用于复合相变储热材料设计，制备出导热系数提升57％且不削弱储热密度的高温纳米复合相变材料。发现相变储热过程中的传热主导机制存在从导热到自然对流再到导热的演变规律，发展相变界面的精确捕捉模型，提出了兼顾导热和对流的储热过程强化方法，实现热量均匀、快速传递。分析了材料热物性对储热性能的影响规律，提出了兼顾速率、密度和品质的梯级储热优化方法，建立了储热材料选择和匹配依据，形成了材料设计-过程强化-系统优化相匹配的协同强化方法，实现了热量高速率、高密度、高品质存储。研究成果被欧洲科学与艺术院院士、主编J.Yan，ASME Fellow L.Shi，Sol.Energy副主编L.F.Cabeza等国际著名学者广泛引用和正面评价，被认为是“正确的(true)”，“导热系数强化高达69％”。 4.提出了太阳能捕集与存储过程多物理场协同的光热调控理论和方法，抑制了聚光能流的非均匀性和不稳定性带来的集热恶化和储热波动，实现了聚光、集热、储热系统的一体化能流调控。在聚光集热调控方面，发现非均匀光场与均匀流场之间的不匹配是导致系统出现极端非均匀温度场与热应力场、吸热器失效的根本原因。提出了“按流均光、以光定流”的光场-流场协同调控理论及方法，实现了均化温度场和热应力场，抑制集热恶化的效果。在集热储热调控方面，揭示了不稳定集热引起的流场波动对储热器温度场与储热效能的作用机理，提出了储热效能快速预测新方法；明确了流场变化引起的斜温层温度场扩展是造成储热效率下降的关键诱因，提出了以抑制斜温层扩展为核心的流场-温度场协同调控思想及斜温层串联分层调控方法，实现了集热储热过程的高效协同运行。基于此系列原创性研究成果形成了聚光、集热、储热系统的光场-流场-温度场协同的光热调控理论和方法，实现了对光热系统的协同设计与综合优化。研究成果被诺贝尔奖获得者C.Rubbia、加拿大工程研究院院士I.Dincer、韩国科学院院士K.C.Kim、希腊国家科学研究中心研究主任V.Belessiotis等国际著名学者大量引用，被评价为“先进的优化方法(advanced optimization method)”，“重要的研究工作(valuable scientific work)”。 该项目的8篇代表性论文被SCI他引523次，总他引810次，4篇入选ESI高引论文(前1％)，所开辟四方面的创新研究被ESI库10余次列为国际研究前沿，并于ESI库中形成一个新的研究前沿类别，被14本英文专著引用，被来自59个国家、131个机构的1484位学者广泛引用和高度评价，产生了重要学术影响。项目成果引用者包括诺贝尔奖获得者，中国科学院、美国国家工程院、美国人文与科学院、英国皇家工程院、德国国家科学与工程院、瑞士工程科学院、韩国科学院等的15位院士，Sol.energy等15个著名国际期刊的主编或副主编，众多知名学会Fellow。获授权国家发明专利12项，软件著作权5项。何雅玲主持完成的973首席科学家项目、国家自然科学基金重点项目均被评为优秀；受邀担任等多个国际期刊副主编；受邀在国内外学术会议做邀请报告26次，入选Elsevier发布的中国高被引学者(Chinese Most Cited Researchers)。项目执行期间，项目成员中1人被聘为科技部973项目首席科学家；1人入选教育部新世纪优秀人才计划；1人获亚洲热科学青年科学家奖，并入选陕西省首批青年杰出人才、全国博新计划。该项目培养了国家/省部级青年人才7人次，另有1人获全国百篇优秀博士学位论文，5人获得陕西省优秀博士论文。