【基金标书】2010CB227100-高效规模化太阳能热发电的基础研究

项目名称： 高效规模化太阳能热发电的基础研究 首席科学家： 黄湘 中国科学院电工研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 中国科学院 一、研究内容 （一） 拟解决的关键科学问题 太阳能热发电是太阳能的高品位利用方式，以能 量的 高效 转换 为主线，涉及到大量的光学、热学、材料 学和热能工程 等 科学 领域的基础科学问题以及 “ 光 热 功”系统高效运行 的基础理论，重点解决以下关键科学问题： 1、 太阳辐射能流聚集 吸收的时空协同输运及转换规律 揭示 聚光过程中 辐射能流矢量的时空分布规律，研 究光热转换过程与吸热结构的关联特性，阐明能流矢量的时空分布对吸热效率的影响机理，探索太阳辐射可控传输及高效光热转换规律，建立聚光与吸热协同设计理论， 为大幅度 提高光热转换效率 和可靠性探索 有效途径 。 2、 极端条件下热能传输蓄存机理及与材料组成结构的关联机制 吸热传热及蓄热系统长期在高温高热流及其时空高度不稳定不均匀等极端条件下运行 。 研究极端条件下热量吸收与传递机理，深刻认识 高温 变物性传热及蓄热 工质管内 传递规律及强化机制，阐明界面传递规律与传热及蓄热材料微结构的量化关系，为太阳能热发电 系统 传热及蓄热 单元 高效稳定 运行 及其 材料 体系 设计提供科学基础。 3、 非稳态太阳能光 热 功能量系统集成理论 太阳能热发电是多 物理 过程、非稳态、强非线性 耦合的 复杂系统 。注重 提高 系统 效率、可靠性 和 环境适应性是规模化太阳能热发电发展的基 本 需求。 构建以聚集太阳辐射为热源的从光到功的太阳能热发电热力循环理论， 深刻认识光 、热 、 功 三者 耦合规律 及热发电 系统稳态 和 动态特性，研究 不同传热和蓄热材料对系统热力循环特性的影响，为 太阳能热发电系统 一体化 多层次集成建模 提供 理论基础。 （二） 主要研究内容 针对上述关键科学问题， 提出以下 主要研究内容： 1. 建立光 热传输协同设计理论 探索吸热器中流动边界层、热边界层发展与聚光器场 边缘能流传输 特性的时空对应机制。 阐明太阳辐射从聚光器到接收面的 空间矢量分布 规律， 研究从非 朗伯 特性靶面的能流分布反演大反射面聚光器跟踪误差的方法， 探索 光流到热 流高效可控 转化方法 。 导热 对流耦合传热机理及高效强化的基础理论 主要研究不同 吸热结构光热转换规律与效率，揭示 非稳态、高度不均匀高热流密度条件下不同传热工质的耦合传热规律和水 /蒸汽工质吸热管束内两相流水动力不稳定性特性，探索吸热过程单相和相变工质的强化传热和温度控制原 理，阐明吸热结构热应力分布规律，建立吸热器适于吸热器运行实时控制的多参数动态模型。 高温 蓄热过程多尺度表征与 传热 强化方法 研究 时空随机变化的辐射热边界条件下非稳态 高温 传热和高温 蓄热过程多相流体流动行为与耦合传热传质规律。建立传递现象与多尺度结构的耦合关系或构建本构方程，深入探悉多孔蓄热介质相界面行为，相扩散以及界面效应对传递过程的影响机理，揭示高温 传热及蓄热 过程多尺度结构中热过程特性与控制机理， 探索 高温 变物性传热及蓄热 工质管内 传递规律及强化 方法。 4. 新型高温传热蓄热材料微结构设计、绿色 制备原理及其环境效应 。 研究 液态金属、 熔融盐 、 离子液体 等高温传热材料和相变 合金、混凝土、 多孔 陶瓷等 蓄 热材料 的分子组成和结构 设计 、 绿色制备原理 和材料的常温及高温热物理性能 ，建立 高温 传热 和蓄热 材 料 的 相变温度、相变潜热、比热容、导热系数及膨胀系数等热物 理 性 能与材料组成结构的关联机制 。 研究 耐高温铝酸盐水泥并掺入颗粒 /纤维导热组分蓄热混凝土材料体系， 研究 金和熔融盐 在 高 温静态与动态工况下热稳定性、热疲劳和热腐蚀等化学物理特性 及分子结构、相组成与性能的演变规律，研究包裹熔盐相变材料的 相 蜂窝陶瓷的 相界面形成机理、孔结构特征和材料微结构的控制原理。 研究传热和蓄热材料与系统的耦合机理。 建立 传热和蓄热材料在高温非稳态工况下的 可靠性及耐久性评价体系。 5. 非稳态 “ 光 热 功 ” 能量系统一体化多层次建模及调控策略 创新性地建立将太阳辐射与功耦合考虑的 热力 学 循环 模型。在此基础上 分析由于太阳辐射特点带来的 系统非稳态 能 量流结构 ， 建立工质物性、局部系统、流体网络和环境效应 等 四个层次解析模型 并研究其相互关系， 研究宽进汽参数透平设计参数， 揭示系统事故发生 和 发展机理 ， 研究非稳态太阳能热发电系统 的 调控策略 和 安全 机制。 6规模化太阳能热发电的环境适应性 未来大规模太阳能热发电站是节水运行电站，同时大规模镜场的覆盖对减少土壤蒸发量有益，有利于缓解干旱。该部分主要研究 不同的干冷模式对 太阳能热发电 热力循环效率和成本的影响机制， 研究规模化太阳能热发电技术全生命周期环境效应分析方法 。 二、预期目标 （一） 总体目标 通过本项目研究，以 提高效率为主要手段，期望 在太阳能热发电领域 低成本化方面 取得重大进展 ， 全面掌握百 太阳能热发电站系统设计方法， 将平均发电成本（ 降低 30%以上 。 并 结合工程示范，验证新理论 、 新方 法 和新材料 。 建立太阳辐射能流聚集 吸收的协同输运及转换的理论框架，开发聚光系统新型材料体系，形成聚光与吸热过程协同设计方法；发展辐射能流时空不稳定非均匀条件下传热学理论，揭示蓄热过程多相耦合传递机理，探索新型传热、蓄热材料的构建体系，深入认识基于高效吸热 蓄热特征的材料可控设计的科学内涵，为低成本高效传热、蓄热材料制备技术及规模化应用提供科学基础；建立不可控输入的太阳能 “ 光 热 功 ” 能量系统 一体化 集成与调控理论，发展 “ 光热 功 ” 转化中热能梯级利用原理；探明规模化热发电全寿命周期内环境影响机制，形成 太阳能热发电的 环境适应性 设计方法。 形成一支在太阳能热发电领域具有国际竞争力的研究团队，建成培养太阳能领域高素质创新人才、太阳能热发电科学技术研究基地，增强承担国家重大科研攻关任务的能力，提升太阳能利用水平 和 发展能源、材料学科的科技创新能力 与综合竞争实力。 （二） 五年预期目标 1 科学理论层面 (1) 揭示聚光器能流传输的时空分布规律及其对吸热过程的影响机理，完善高聚光比及能流高效可控传输的非成像聚光理论，发展聚光吸热一体化集成设计方法，为高效聚光系统和吸热结构的设计提供科学理论支撑。 (2) 揭示不同工质 在时间和空间分布高度不均匀、高温、高热流、辐射 传导 对流耦合条件下的传热机理， 阐明 吸热器内能量传递的机理和规律，提出减小吸热器热损失、强化换热过程和提高吸热器接纳光通量及其热流密度分布均匀化的方法和途径。 (3) 发展完善高温传热介质 和 蓄热介质的变物性流动传热理论、预测方法及其强化途径，获得多孔蓄热介质相界面行为，相扩散以及界面效应对传递过程的影响机理，建立传递现象与孔隙结构的多尺度耦合关系并构建本构方程。发展高温传热及蓄热材料微结构形成，控制和演变理论和制备技术，构建高温传热及蓄热材料体系。 (4) 构 建适应太阳能利用过程的非稳态、非线性 “ 光 热 功 ” 一体化 能量系统模型，探明非稳态体系的光热及热功转化过程之间相互作用机理，探索适合太阳能热发电规模化的新型工质和新型高效热力循环，创建太阳能热发电系统可靠性控制与安全策略理论； 建立规模化太阳能热发电站对整体环境作用的评价体系，揭示太阳能热发电过程环境影响机制。 2 关键技术层面 1. 研制 两 种新型 光学曲面，并配合研制出相应的 聚光器 原理样机 ： 其光斑 90%能量 区年典型天变化量与同时刻球面系统相比小 10%； 2 可在 400C1200C 下 长期 工作的吸热器设计方 法，研制两种吸热器 样机 ，输出介质温度不低于 450C 和 800C。 3. 发展若干新型蓄热技术。与现有的蓄热技术相比： 单位重量 蓄热密度增大 75% 100%，传热系数提高 20% 80%， 单位蓄热量 成本降低 25% 40%，为蓄热系统的工程设计提供依据。 4. 使用新型太阳能吸热器 、 传热介质 及储热单元 与现有塔式系统配合 进行试验 。 3 论文发表和人才培养 在本项目研究过程中，拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著 1 2 部，发表论文 200 篇以上，其中 录的论文 100 篇以上，申报发明专利 25项以上，软 件著作权登记 2；培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的可再生能源基础与高技术研究队伍，包括 2具有国际影响力的科学家、 12 名国家级人才奖励计划获得者、中青年学术带头人 8 10 名、 培养 博士 、硕士研究生 90。 三、研究方案 （一） 学术思路 本项目拟 以构建光、热、功间的内部关联机制为牵引，以探索光能到热能高效输运与 转换 的 时空协同 规律 为 主线 ， 以材料功能创新与能量高效转换相耦合为突破口，同时注意热发电与生态环境作用机制， 完善太阳能热发电 理论。 并结合正在进行的 863 项目 ， 对提出新原理 、新 方法 和新材料予以实 证 和放大 。 从包括热力学、流体力学、传热学、光学、材料 学 以及 热能工程等多 门工程科学的学科交叉协同的角度， 整合 各学术群体的 力量，运用非 成像 光学聚光理论 、不可逆过程热力学、材料设计理论等学科方法， 在 几何光学、 热力学 、 传 热学与材料科学的 学科边缘上取得突破 ， 以揭示太阳能 “ 光 热 功” 转换过程传递 、转化 及反应规律为切入点，得到多尺度结构与 宏观 传递性能 的 关系，设计材料结构与性能，发展光热转换材料与传热及蓄热材料的绿色制备技术 。以聚光比为主要参数，对光到功的太阳能热发电的热力学循环模式和一体化集成建 模进行研究，从而提出 提高系统性能 和 可靠性 的方法，并为适合于太阳能热发电汽轮机的设计提供基本参数依据 。 利用 材料科学与工程热物理 基础理论分析高温传热及蓄热材料的多相转变与界面动力学特征，分析多尺度结构中传热及蓄热介质的多相耦合传递机理，建立蓄热系统的基本物理模型。在实验研究基础上研究 高温 变物性传热及蓄热 工质管内 传递规律及强化机理，并进行传热 及 蓄热过程的热力学与动力学性能优化与控制机制研究。研究传热及蓄热材料热物性的变化规律与物理机理，进一步分析传热及蓄热材料高温稳定性与腐蚀动力学特征与机理。根据材料原子、离子 或分子间的相互作用，研究材料微结构与宏观传热特性的关联机制，探索高温传热及蓄热材料的成分构成体系，发展传热及蓄热材料微结构形成 、 控制和演变理论及微结构可控的制备技术。 （二） 技术路线 图 1 项目 技术路线 开展本项目研究的技术路线如图 1 所示，兹对各个环节说明如下。 1 研究聚光器边缘光线传播的时空特性，建立聚光器与吸热面间能流传输及光热转换的理论模型，实现聚光与吸热的协同设计，通过聚光器结构设计和材料选择减小温度、重力和风载等对聚光性能的影响，采 用聚光器跟踪误差的高精度测量技术对积累误差进行可控修正，实现聚光器高精度跟踪和定位。 研究适合用于制作复杂高精度曲面的薄膜反射材料。 对高分子主链结构和侧链取代基进行设计，主链采用键能更高的化学键作为高分子骨架，使之从分子结构上达到耐候的要求；侧链取代基根据自洁和与反射层的结合进行设计，保证这种高分子链结构及其聚集态结构达到反射光材料的结构要求。 在其表面修饰可与高分子膜进行分子间键合的无机纳米官能基。通过调整无机颗粒的尺寸分布，来保证复合膜高的透明度，同时利用无机颗粒的高强度提供给透明层更高的抗蚀性能和力学强度 ，满足光反射材料的复杂环境下的服役要求。 2 研究 高温 蓄热 混凝土、 金高温相变 蓄 热材料和夹层包裹相变材料的蜂窝陶瓷 的 成分 及结构 设计与 材料的 热物理性能之间的关系， 探索 蓄能流可控聚光技术 高温吸热蓄热技术 关键材料制备技术 全工况太阳能热发电系统 系统全生命周期环境效应分析评价 聚集吸收时空协同输运理论 高温传热蓄热理论 非稳态热功转换系统 集成理论 理论原理突破 关键技术创新 系统集成验证 环境效应评估 热材料的构建体系和材料性能的影响机制。 研究耐高温铝酸盐水泥 蓄 热混凝土材料体系，采取多元级配紧密堆积方式提高材料的高温力学性能和耐热冲击性能。根据导热与管内流动换热系数设计换热管道布局方式。 对 分进行多元合金设计，以热焓值较大的 主组分，加入高密度的 高材料体积热容和热 循环 使用寿 命； 添加 节合金的相变温度，形成相变温度高 、 潜热大 和使用寿命长的高温合金 蓄 热材料体系。研究包裹熔盐相变材料的相蜂窝陶瓷，构成显热和潜热协同高效 蓄 热体系。蜂窝陶瓷基体采用入 现相变增韧，添加 米颗粒弥散增韧并提高热导率，以瞬态热熔技术封装熔融盐形成潜热单元，与其他通孔显热单元构成 高温 蜂窝陶瓷蓄 热材料 。 3 建立不同传热及蓄热介质的对流传热试验台，进行不同条件下（流速，温度、压力、换热方式，管型等）的对流换热测试，获得自然 、 受迫及混合对流传热系数及其影响规律，综合大量 试验数据获得试验关联式。确定熔融盐相变材料蓄热段结构设计、选择合适的多孔介质颗粒直径分布、孔隙率、流速等，使得传热、蓄热、流阻之间达到平衡。对蓄热系统进行整体性能测试，包括蓄 /放热效率、换热系数、相变过程、以及可重复性和可靠性测试，并确定各参数对熔融盐在多尺度结构中流动与传热性能的影响趋势与作用规律。建立多尺度结构蓄热过程多相耦合传递的物理模型和数学表述，结合实验探悉深层次的流体动力学行为、相界面形态及热质传递规律。 4 从太阳能热发电不可控输入与可控能量输出特征入手， 通过深入分析太阳能热发电系统的 能 量流结 构，采用显式欧拉算法，构建太阳能光 功能量转换系统集成一体化模型。在此基础上，建立全工况实时仿真模型，结合典型实例，分析事故脉络拓扑与时间序列，揭示事故发生、发展机理，建立多过程耦合、非线性发电系统的多层次安全保护机制和调控策略。基于环境学理论和采用全生命周期分析方法，构建太阳能热发电系统的环境相容局域解析模型，研究太阳能热发电系统全生命周期内环境效应机制和预测方法，以形成大规模太阳能光 功能量系统 一体化 集成与调控理论体系框架。 （三） 创新点与特色 1 揭示高效聚集的太阳辐射能流矢量的时空分布规律与 光热转换过程及吸热结构的关联规律，建立聚光器和吸热器的 协同 设计理论。 2 传热及蓄热过程的多尺度表征与传热及蓄热材料微结构形成、控制与演变理论。 揭示 多尺度结构中传热及蓄热过程的多相耦合传递机理，构建高温传热及蓄热材料体系，发展微结构可控的绿色制备、无害化处理再生技术 。 3 建立从太阳辐射能到功的全系统热力学循环新模式， 揭示非稳态 条件 下 “ 光 热 功 ”的 能量转化 规律。 建立较为完善的整体优化综合集成模型及全工况动态模型 。 初步形成大规模太阳能 “ 光 热 功 ” 系统集成与调控理论体系框架。 （四） 可行性分析 本项目的学术 思路和技术途径来源于项目承担单位在光学、热学 、 材料学 和热能工程 等学科领域扎实的工作基础和太阳能热发电领域的多年研究经验。 1 项目承担单位具备扎实的研究基础。 本项目主要承担单位正共同 承担863“十一五 ”重点项目 “太阳能热发电技术及系统示范 ”的研究和建设，对聚光、吸热、蓄热等关键技术开展了系统研究，并率先开展了系统集成仿真及环境效应的初步研究，为本项目的学术思路形成和技术途径制定奠定了良好基础。 2010年将建成的 1阳能塔式热发电实验电站，可以为本项目提供实用化的实验平台。 2 项目承担单位在相关领域已取得大 批高水平研究成果。 本项目 申请各个单位在国家自然科学基金、国家 863 计划和 973 计划资助下，已经在 光学、热学、材料学 和热能工程 等相关 领域开展了大量 的基础研究 工作 ，并取得了丰硕成果，作为主要完成人 已 获得 6 项国家级科技奖励，很多成果与本项目直接相关，或者可以直接应用于本项目的研究工作， 为本项目提供了丰富的研究经验和充分的知识 储 备。 3 项目承担单位具备从事本项目研究的实验基础条件。 每个项目承担单位都在本项目相关领域设有至少一个省部级重点实验室，如西安交通大学、武汉理工大学、中国科学院长春光学精密 机械 与物理研究所均 设有国家重点实验室，中国科学院电工研究所设有中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点 实验室 。这些实验室特色鲜明，在应用光学、热学、材料学等研究领域具有重要影响力，可以为本项目研究提供非常好的基础研究实验条件。 4 项目承担单位具有很好的国际合作基础。 目前 ，项目承担单位与美国、西班牙、英国、澳大利亚及日本等国家和地区的大学和研究单位保持着实质性的合作关系，并已经在本项目相关研究领域开展了合作研究。例如：电工所与西班牙国家能源实验室 国可再生能源实验室 （ 桑迪亚实验室、法国 国家科学研究中心 太阳能与材料研究所 ( 澳大利亚国家太阳能研究中心 (正在进行实质性的合作。 项目具有良好的国际合作环境。 (五 ) 课题设置 本项目针对规模化太阳能热发电的三个关键科学问题，通过对光 功转换基础理论的研究， 围绕项目的总体目标和研究方案，设置了 如下 6个课题： 1. 太阳辐射能高效聚集与镜场时空协同理论 2. 吸热过程光 3. 高温传热及蓄热过程多尺度结构中流动与传递规律 4. 大规模太阳能热发电系统集成及调控策略 5. 高温传热及蓄热材料设计与性能调控原理 6. 规模化太阳能热发电系统环境 的 适应性 上述 6个课题相互关联又互相支撑。课题 1重点研究太阳辐射能流高效传输的非成像聚光机理和动态分配机制，为规模化聚光系统的建立提供理论指导，并为课题 2的研究提供必要的边界条件信息。课题 2和课题 3主要开展极端条件下热量的吸收、 传递与蓄存过程的能量输运规律和强化机理研究，为课题 4的热功转换提供支撑。课题 4研究不可控输入与可控输出能量系统的集成机理及运行控制策略，为大规模太阳能热发电的系统集成、性能评价和实时控制提供理论支撑。结合课题 2和 3的研究，课题 5通过高温传热及蓄热介质分子设计和微结构可控设计，发展高温传热蓄热介质的优化设计理论和制备方法 。课题 6主要研究太阳能热发电系统的选址要素、可行性条件及其环境适应性， 使规模化太阳能热发电与环境具有良好的 相 容性。 本项目各个课题间的关系如图 2所示。 课题 1. 太阳辐射能高效聚集与镜场时空协同理论 高效规模化太阳能热发电的基础研究 国家重大需求聚集吸收材料设计传递蓄存 热功转换 环境效应光 学 工程热物理 材料科学与工程成及调控策略大规模太阳能热发电系统集涉及学科领域课题研究侧重太阳辐射能流聚集 - 吸收时空协同理论极端条件下热能传输储存关键基础非稳态太阳能热发电系统集成理论关键科学问题时空协同理论太阳辐射能高效聚集与镜场杂非稳态传热机理吸热过程光热耦合特性及复构中流动与传递规律高温传热蓄热过程多尺度结能调控原理高温传热蓄热材料设计与性环境适应性规模化太阳能热发电系统的课题设置图 2 本项目各个课题之间的关系 (1) 能流高效传输的非成像聚光机理。 研究聚光器边缘光线传播的时空分布特性，建立聚光器性能分析和评价理论模型，探索高聚光比高效率的非成像太阳能聚集机理。 (2) 聚光场能流传输的动态分配机制。 揭示能流矢量的时空分布对吸热效率的影响机理，建立聚光场与接收面间能流高效传输的动态分配理论模型。 (3) 聚光器及跟踪系统的适应性设计。 研究复杂环境下聚光器支撑结构和面形的变化规律，探索聚光器运行姿态的精确测量方法，建立聚光器跟踪系统的自主纠偏机制。 (4) 轻质高强 聚光器用高分子复合薄膜设计及复合结构模拟。 研究有机 无机纳米复合效应、高分子复合薄膜耐 候机 制，揭示透明高分子复合薄膜的多尺度结构与聚光器环境适应性的关联规律。 2. 研究目标 建立聚光器与接收面间的高效聚光和能流传输的物理模型，揭示风载、温度、重力及材料对聚光性能的影响规律，探悉聚光器结构与材料的环境适应性机制及跟踪误差自主纠偏机制，阐明透明高分子薄膜的多尺度结构与聚光器环境适应性的关联规律，建立新型高效聚光系统和高精度跟踪体系，为低成本、规模化聚光系统的构建提供科学技术支撑。 承担单位： 中国科学院 长春光学精密 机械 与物理研究所 课题负责人： 卢振武 经费比例 : 10% 课题 2. 吸热过程光 (1) 吸热表面能流时空分布规律及其均匀化机理。 研究高效的光 热转换结构，建立 吸热面或腔体内部辐射能流分布的数学物理模型，发展相应的数值方法，获取吸热面或腔体内部热流的分布规律；采用微分进化算法对吸热器的腔体结构和吸热管的分布进行调整，得出吸热管最佳热流密度分布的优化方案；探索吸热表面能流均匀化机理，设计与之相适应的吸热结构。 (2) 吸热过程辐射 对 流耦合的传热机理。 阐明非稳态、高度不均匀高热流密度条件下不同传热工质（水 /蒸汽、熔融盐、液态金属、空气等）在复杂结构吸热器内的耦合传热规律；构建真空管式吸热器内跨尺度数值模拟方法；建立非连续辐射强度下，并联吸热管束内两相流水动力不稳定性的系统数学模型；针对系统模型方程中瞬态变化系数差别很大而导致的病态方程组问题，开发专门的高效而稳定的算法；建立吸热器对外界冲击热负荷的解耦性能评价模块，掌握太阳能吸热器的水力热力不稳定特性。 (3) 吸热过程单相和相变工质的强化传热和温度控制原理。 研究无相变工质和水/蒸汽工质 高效强化传热表面的设计优化； 阐 明无相变工质对流传热强化与流动阻力增加之间的联系，探索能实现高效低阻强化传热的原理与途径；揭示相变工质在非连续、非均匀的辐射条件下由过冷状态发展到过热蒸汽的热质传递新规律，开发强化沸腾传热表面结构。 (4) 吸热表面热应力分布规律及其运行安全可靠性。 建立非稳态非连续非均匀辐射强度下吸热表面的热流固耦合计算模型，发展吸热管热应力测试方法，阐明吸热结构热应力分布规律；分析吸热结构在加载和卸载下的应力正态分布曲线，研究吸热管的安全可靠性评价方法；分析吸热器运行条件、运行状况和吸热管安 全可靠性之间的关系，为吸热器材料的选取和安全可靠运行提供理论指导。 (5) 吸热器动态模型及其时变自适应性。 建立吸热器当地太阳方位和气象条件下的流动传热及热应力数据库，基于 法发展适于吸热器运行实时控制的动态多参数降阶模型，利用正交设计方法研究动态多变量降阶模型的变量对吸热器性能影响的显著性水平，实现吸热器运行的实时控制。 2. 研究目标 探索高效的光 究与吸热器结构耦合的高温传热工质的运行特性，揭示不同工质在时间和空间分布高度不均匀、高温、高热流、辐射对流耦合条件下的传热 机理，获得吸热器内能量传递的机理和规律，提出减小吸热器热损失、强化换热过程和提高吸热器接纳光通量及其热流密度分布均匀化的方法和途径。建立太阳能吸热器热流固耦合模型和动态模型，设计两种类型的吸热器样件并进行运行特性的实验研究，为吸热器的工程设计提供依据。 承担单位： 西安交通大学，河海大学 课题负责人： 李增耀 经费比例： 25% 课题 3. 高温传热及蓄热过程多尺度结构中流动与传递规律 (1)变物性传热及蓄热介质管内流动传热规律与强化机理 。研究变物性高温传热及蓄热介质管内混合对流及 受迫对流（包括层流、湍流和过渡流）的流动传热机理及强化方法，获得传热及蓄热介质在光滑管及各种强化管内流动与换热的无量纲准则数方程式 。 (2)多孔介质中高温熔融盐的相变与界面动力学特征 。认识界面传递现象的基本特性和规律，以结构尺度、孔隙分布和微弱效应影响区域为重点考虑，确定传递现象、各种微弱效应现象与多尺度因素的内在关系，建立描述多孔介质输运性质分析模型， 探讨表面和界面区粒子传递现象、微观相界面瞬态变化规律 ； (3)多尺度结构中传热及蓄热介质的多相耦合传递机理。 探索多相系统多尺度结构形成机制、稳定性条件、结构 形态与突变演化规律及其对传递和反应性能影响等，利用在特定尺度范围内系统特征关系满足标度不变性的规律， 阐明 微观、介观和宏观尺度现象之间相互关联和量化的规律，建立时空多尺度结构及其传递性能的量化方法； (4)熔融盐蓄热过程热力学与动力学性能优化与控制理论。 根据高温蓄热多尺度结构能量传递与结构形成、形态和演化等内在规律，发展进行多孔介质内相变传热及蓄热材料传递现象的宏观分析模型，探索强化蓄热过程传热传质机理与方法。 (5)多孔介质内部传递现象和微弱效应的准确实验技术和测试方法。 研究多孔介质输运性质参数的测试技术， 如渗透率、孔隙率、毛细表面张力和接触角等测试方法，探索多孔介质内部传递现象和微弱效应的准确实验技术和测试手段，验证模型的有效性。 2. 研究目标 揭示高温变物性传热及蓄热介质的流动传热规律、预测方法及其强化途径，通过多孔介质界面和尺度结构特性参数的 分形 表述、建立起传递现象与孔隙结构和多尺度耦合关系或构建本构方程， 阐明 多孔蓄热介质相界面行为，相扩散以及界面效应对传递过程的影响 机理和耦合作用规律，揭示 高温传热及蓄热过程多尺度结构中热过程特性与控制机理，为蓄热系统的工程设计提供依据。 承担单位： 中山大学， 北京工业大学 课题负责人： 丁 静 经费比例： 25% 课题 4: 大规模太阳能热发电系统集成及调控策略 （ 1）非稳态光 功能量协同转换规律 。 研究大容量太阳能热发电系统吸热工质、蓄热工质和做功工质的性能和匹配机理；研究非稳态下光 功能量转化的稳态和动态热力特性，阐明光热转化、热量传输、热量蓄存及热功转换过程相互作用规律，建立全工况控制模型。 （ 2）规模化太阳能热发电系统节水型热力循环 。 研究冷却水再利用的复合热力循环和太阳能空气多级预热新型燃气轮机布雷顿热力循环，探讨与水资源相 容的光 功能量系统集成方法，构建适合荒漠地区的太阳能热发电系统设计的理论框架；研究适合于非稳态光 功能量转化系统的新型工质和新型动力循环。 （ 3）光 热 功能量系统 一体化 模型建立及集成方法 。 构建工质物性、局部系统、流体网络和太阳能热发电全过程的四个层次解析模型，研究求解复杂的非线性问题的集成算法，从全过程的高度构建用于整体优化综合集成模型，寻求全工况的太阳能热发电系统 一体化 集成方法，研究宽进汽参数透平内效率的影响机制和可靠性影响机理。 （ 4）非稳态太阳能热发电系统控制行为机制与安全应对策略 。 分析太阳 能热发电系统的量流结构，研究太阳能热发电系统内在作用规律，热发电系统热力学、控制学耦合机理。构建太阳能热发电系统全工况动态仿真模型，研究太阳能热发电系统非稳态特征调控策略、安全机制，揭示多过程耦合、非线性系统事故发生、发展机理，建立非稳态太阳能热发电系统多层次安全保护机制。 2. 研究目标 揭示光 热 功转换特征对太阳能热发电效率影响的物理机制，阐明太阳能热发电系统集成规律；建立多过程耦合、非稳态、非线性太阳能热发电系统的全范围、全过程、全工况实时仿真模型和综合评价模型；揭示太阳能热发电系统事故发生、发展机 理，建立事故预警、干预、防止的机制，为制定全系统安全应对策略提供理论依据；研究适合非稳态光 功能量转化系统的新型工质和新型动力循环，为高效规模化太阳能热发电系统的设计方法提供理论支撑。 承担单位： 中国科学院电工研究所，中国科学院工程热物理研究所 课题负责人： 孔 力 经费比例： 课题 5. 高温传热及蓄热材料设计与性能调控原理 (1) 高温相变传热蓄热 材料 体系构建规律 与 相界面效应 。 研究 凝土、 多孔 陶瓷、熔融盐、离子液体等传热 蓄 热材料成分 结构 设计与 材料的 相变温度、相变潜热、比热容、导热系数及膨胀系数等之间的关系，探索材料 微 结构 和 性能 在高温非稳态工况条件下的演变规律 。 (2) 传热 蓄 热材料热物性计算与测试方法 。 根据传热 蓄 热材料热物性规律， 建立材料在常温及高温条件下性能的 测 试评价 方法， 构建 其热物 理 性 能 数值模拟计算模型，建立 蓄 热传热材料热物性测试评价体系及评价规范。 (3) 高温静态与动态 下 相变传热 蓄 热材料热稳定性、腐蚀 性 与环境效应。 研究金和熔融盐在热循环条件下热物理性能的变化规律，研究相变传热蓄 热材料在 高温静态与动态工况下热稳定性、热疲劳和热腐蚀等化学物理特性。研究 蓄 热系统在长期循环高热载荷和循环交变热应力工况下化学及力学稳定性，建立 蓄 热系统的可靠性及耐久性测试与评价体系。 (4) 多孔 蓄 热材料微结构形成规律与控制原理。 研究新型混凝土 蓄 热材料的绿色制备原理，相界面形成机理、孔结构特征和材料微结构的