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随着能源危机和环境问题的日益加剧，可再生能源得到越来越多的关注。太阳能是自然界中最丰富、最永久且最易利用的一种可再生能源，而聚光太阳能热利用系统可以有效实现太阳能的大规模利用。聚光太阳能热利用系统是利用聚光技术(包括槽式、碟式、塔式以及线性菲涅尔式)将低能流密度的太阳能聚集后转化为高温热能，并进一步转换为其他易被利用的能源形式，例如电能或氢燃料。无论何种聚光形式，聚光太阳能热利用系统都可以抽象为由聚光过程、传热和储热过程以及热应用过程(如热功转换)构成。其中，传热和储热过程涉及吸热器、储热器以及换热器等设备。
太阳能能量密度低导致系统效率低，常规聚光太阳能电站的峰值发电效率也仅为20%-25%左右，需要进一步开展传热和储热过程的强化与优化研究，从而提升系统效率并降低成本。另外，聚光太阳能热利用系统的传热和储热过程还存在一些挑战：(1)储热器、吸热器以及必要的换热器构成了一个特殊且复杂的热网络，换热网络参数包括换热面积、载热流体流量需要进一步优化以降低整体成本；(2)聚光特性导致吸热器表面的热流呈现高密度、非均匀特性，复杂热流边界下吸热器的流动-换热-力学综合性能需要进一步强化；(3)太阳能的非连续性使得储热成为聚光太阳能热利用系统不可缺少的部分，化学储热的储热密度比显热储热高两个数量级，有望进一步降低储热成本，但是化学反应机理复杂、难以控制，需要开展化学储热器的性能强化研究，并建立合适的综合评价指标。因此针对以上挑战，本论文以聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络以及各关键设备(包括吸热器、储热器以及换热器)作为研究对象，从理论、数值模拟以及实验三个层面开展了深入研究。1
在理论和数值模拟研究方面，以火积原理作为本论文的统一指导思想。首先针对聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络，建立了一种以火积耗散作为约束条件的换热网络全局优化新方法；之后在火积原理的指导下，针对传热和储热过程的吸热器，采用数值模拟方法对多孔强化吸热管内的强化换热特性进行研究，提出了一种智能优化算法与计算流体动力学(CFD)相耦合的优化新方法，并对多孔介质的构型进行优化；最后针对传热和储热过程的化学储热器，采用数值模拟方法对其性能进行了改进，并建立了以火积耗散最小作为综合评价指标的化学储热器优化方法。具体如下：
(1)在火积原理的指导下，提出了一种聚光太阳能热利用系统换热网络全局优化新方法，以降低换热网络成本。在保证换热网络总火积耗散恒定的情况下，通过变分方法求解了2类换热网络优化问题：尽可能降低载热流体总热容量流(总运行功耗)和尽可能减小换热器总热导(总换热面积)。研究结果显示，典型工况下，优化后的系统换热器总热导比参考系统换热器总热导低7.9%。同时揭示不同工况下的最小总热容流量和总热导的变化规律，并推荐几种混合策略(非等温混合以及不同混合位置)来进一步降低换热网络成本。
(2)基于数值模拟方法，提出了几种适用于聚光太阳能吸热管的部分填充多孔介质结构，以增强吸热管内的换热性能。分析结果显示，在非均匀热流以及湍流工况下，多孔介质最佳填充结构受多孔介质与载热流体的导热系数比率λp/λf、孔隙率φ以及载热流体雷诺数Re的交叉影响。从换热角度看，推荐在远离高热流一侧填充多孔介质，最佳填充率为0.86，相应的努塞尔数Nu是光管时的4倍左右。从流动换热综合性能看，λp/λf应大于100；在低Re和φ时，推荐在壁面填充多孔介质，最优填充率为0.19，其单位泵功下的换热性能指标(PEC)可以达到2.0左右；而高Re和φ时，推荐在高热流一侧填充多孔介质，最佳填充率为0.05，其PEC值可以达到1.2左右。
(3)提出了一种智能优化算法与CFD相耦合的优化新方法，以进一步优化多孔介质的综合参数。采用Socket通信原理实现了优化算法与CFD的跨接，从而最大程度保证了该耦合优化方法的普适性。基于该耦合优化方法，设计了2种更加适合于非均匀热流的多孔介质填充结构。结果表明，当多孔介质材料为铜时，采用优化后的多孔介质填充结构可以使槽式吸热器的光热转换效率接近68%，高于其他参考填充结构。同时在较广的λp/λf、φ以及Re变化范围内，采用优化填充结构均可获得好强化换热效果，且强化机理符合火积和场协同原理。
(4)提出了一种适合于直接辐射式化学储热器(吸热器-反应器)的催化剂填充结构，以提升吸热器-反应器的综合性能。数值模拟研究发现，在非均匀热流边界条件下，应该将催化剂部分填充在高热流密度一侧，推荐催化剂填充率为0.37，其单位泵功下的化学能转换率可以比全填充时高一个数量级，而力学性能与全填充时相当。
(5)建立了以火积耗散最小作为综合评价指标的化学储热器优化方法，综合考虑了储热器的储热能力和反应可控性。基于该优化方法对套管式甲烷重整化学储热器进行优化设计，优化结果显示，储热器应该按逆流方式进行布置，且沿程载热流体温度应该为非线性分布，以减小整体不可逆损失；而对比火积耗散最小(EDM)和熵产最小优化(EPM)结果发现，EPM过于侧重减小反应的不可逆性，导致在总换热量给定时，EPM的甲烷转化率比EDM低18.4%。
在实验研究方面，首先搭建了大型熔盐流动换热综合性能测试平台，为聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络以及各子设备的性能测试提供基础。之后在对该实验平台进行校核验证的基础上，针对管壳式熔盐换热器内的湍流换热特性开展了实验研究。具体如下：
(6)搭建了大型熔盐流动换热综合性能测试平台，可同时开展吸热器、储热器和换热器的性能测试实验研究。实验平台包含了聚光太阳能热利用领域常见的2种工质：熔盐和导热油。实验平台总功率为200kW左右，熔盐侧和导热油侧的最大流量分别为20和30m3·h-1。实验台采用集中控制和数据采集、流量和功率的智能控制以及易更换实验段等措施保证了实验台的通用性，通过水-水换热校核了该实验平台的热平衡偏差在6%以内。
(7)在搭建的熔盐实验台上，测试了管壳式熔盐换热器内的湍流换热特性，填补国内外的研究空白。实验拟合得到了熔盐换热器管侧和壳侧的湍流换热关联式，关联式与实验值之间的误差均能保持在20%以内。推荐的管侧关联式为：Nu=0.0248Re0.8Pr0.3，40,000＜Re＜100,000，2.2＜Pr＜2.8；Nu=0.0206Re0.8Pr0.3，10,000＜Re＜20,000，6.5＜Pr＜10.0。推荐的壳侧关联式为：Nu=0.0197Re0.8Pr0.4，10,000＜Re＜30,000，3.5＜Pr＜4.9。
太阳能能量密度低导致系统效率低，常规聚光太阳能电站的峰值发电效率也仅为20%-25%左右，需要进一步开展传热和储热过程的强化与优化研究，从而提升系统效率并降低成本。另外，聚光太阳能热利用系统的传热和储热过程还存在一些挑战：(1)储热器、吸热器以及必要的换热器构成了一个特殊且复杂的热网络，换热网络参数包括换热面积、载热流体流量需要进一步优化以降低整体成本；(2)聚光特性导致吸热器表面的热流呈现高密度、非均匀特性，复杂热流边界下吸热器的流动-换热-力学综合性能需要进一步强化；(3)太阳能的非连续性使得储热成为聚光太阳能热利用系统不可缺少的部分，化学储热的储热密度比显热储热高两个数量级，有望进一步降低储热成本，但是化学反应机理复杂、难以控制，需要开展化学储热器的性能强化研究，并建立合适的综合评价指标。因此针对以上挑战，本论文以聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络以及各关键设备(包括吸热器、储热器以及换热器)作为研究对象，从理论、数值模拟以及实验三个层面开展了深入研究。1
在理论和数值模拟研究方面，以火积原理作为本论文的统一指导思想。首先针对聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络，建立了一种以火积耗散作为约束条件的换热网络全局优化新方法；之后在火积原理的指导下，针对传热和储热过程的吸热器，采用数值模拟方法对多孔强化吸热管内的强化换热特性进行研究，提出了一种智能优化算法与计算流体动力学(CFD)相耦合的优化新方法，并对多孔介质的构型进行优化；最后针对传热和储热过程的化学储热器，采用数值模拟方法对其性能进行了改进，并建立了以火积耗散最小作为综合评价指标的化学储热器优化方法。具体如下：
(1)在火积原理的指导下，提出了一种聚光太阳能热利用系统换热网络全局优化新方法，以降低换热网络成本。在保证换热网络总火积耗散恒定的情况下，通过变分方法求解了2类换热网络优化问题：尽可能降低载热流体总热容量流(总运行功耗)和尽可能减小换热器总热导(总换热面积)。研究结果显示，典型工况下，优化后的系统换热器总热导比参考系统换热器总热导低7.9%。同时揭示不同工况下的最小总热容流量和总热导的变化规律，并推荐几种混合策略(非等温混合以及不同混合位置)来进一步降低换热网络成本。
(2)基于数值模拟方法，提出了几种适用于聚光太阳能吸热管的部分填充多孔介质结构，以增强吸热管内的换热性能。分析结果显示，在非均匀热流以及湍流工况下，多孔介质最佳填充结构受多孔介质与载热流体的导热系数比率λp/λf、孔隙率φ以及载热流体雷诺数Re的交叉影响。从换热角度看，推荐在远离高热流一侧填充多孔介质，最佳填充率为0.86，相应的努塞尔数Nu是光管时的4倍左右。从流动换热综合性能看，λp/λf应大于100；在低Re和φ时，推荐在壁面填充多孔介质，最优填充率为0.19，其单位泵功下的换热性能指标(PEC)可以达到2.0左右；而高Re和φ时，推荐在高热流一侧填充多孔介质，最佳填充率为0.05，其PEC值可以达到1.2左右。
(3)提出了一种智能优化算法与CFD相耦合的优化新方法，以进一步优化多孔介质的综合参数。采用Socket通信原理实现了优化算法与CFD的跨接，从而最大程度保证了该耦合优化方法的普适性。基于该耦合优化方法，设计了2种更加适合于非均匀热流的多孔介质填充结构。结果表明，当多孔介质材料为铜时，采用优化后的多孔介质填充结构可以使槽式吸热器的光热转换效率接近68%，高于其他参考填充结构。同时在较广的λp/λf、φ以及Re变化范围内，采用优化填充结构均可获得好强化换热效果，且强化机理符合火积和场协同原理。
(4)提出了一种适合于直接辐射式化学储热器(吸热器-反应器)的催化剂填充结构，以提升吸热器-反应器的综合性能。数值模拟研究发现，在非均匀热流边界条件下，应该将催化剂部分填充在高热流密度一侧，推荐催化剂填充率为0.37，其单位泵功下的化学能转换率可以比全填充时高一个数量级，而力学性能与全填充时相当。
(5)建立了以火积耗散最小作为综合评价指标的化学储热器优化方法，综合考虑了储热器的储热能力和反应可控性。基于该优化方法对套管式甲烷重整化学储热器进行优化设计，优化结果显示，储热器应该按逆流方式进行布置，且沿程载热流体温度应该为非线性分布，以减小整体不可逆损失；而对比火积耗散最小(EDM)和熵产最小优化(EPM)结果发现，EPM过于侧重减小反应的不可逆性，导致在总换热量给定时，EPM的甲烷转化率比EDM低18.4%。
在实验研究方面，首先搭建了大型熔盐流动换热综合性能测试平台，为聚光太阳能热利用系统传热和储热过程的整体热网络以及各子设备的性能测试提供基础。之后在对该实验平台进行校核验证的基础上，针对管壳式熔盐换热器内的湍流换热特性开展了实验研究。具体如下：
(6)搭建了大型熔盐流动换热综合性能测试平台，可同时开展吸热器、储热器和换热器的性能测试实验研究。实验平台包含了聚光太阳能热利用领域常见的2种工质：熔盐和导热油。实验平台总功率为200kW左右，熔盐侧和导热油侧的最大流量分别为20和30m3·h-1。实验台采用集中控制和数据采集、流量和功率的智能控制以及易更换实验段等措施保证了实验台的通用性，通过水-水换热校核了该实验平台的热平衡偏差在6%以内。
(7)在搭建的熔盐实验台上，测试了管壳式熔盐换热器内的湍流换热特性，填补国内外的研究空白。实验拟合得到了熔盐换热器管侧和壳侧的湍流换热关联式，关联式与实验值之间的误差均能保持在20%以内。推荐的管侧关联式为：Nu=0.0248Re0.8Pr0.3，40,000＜Re＜100,000，2.2＜Pr＜2.8；Nu=0.0206Re0.8Pr0.3，10,000＜Re＜20,000，6.5＜Pr＜10.0。推荐的壳侧关联式为：Nu=0.0197Re0.8Pr0.4，10,000＜Re＜30,000，3.5＜Pr＜4.9。