【基金标书】2010CB227100-高效规模化太阳能热发电的基础研究.doc

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-2014年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。

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Al-Si-Cu-Mg-Zn合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ASZ复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。

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