项目名称: 中国科学院工程热物理所在基于高温热管高效聚光集热太阳能系统研究取得阶段进展

项目编号: 2024YFF0506501

招标公司: 中国科学院工程热物理所

采购标的物: 基于高温热管高效聚光集热太阳能系统研究

项目地区：北京 北京

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转载自：中国科学院工程热物理研究所航空宇航制造实验室（筹）

面向国家能源战略需求，如何将低能流密度太阳辐射高效转化为高品位热能，成为新能源与工程热物理领域的前沿课题。针对聚光太阳能系统（CST）在极端高浓度比下普遍面临的强非均匀热流、严重热损失以及热流—温度场失配等核心瓶颈，中国科学院工程热物理研究所科研团队系统深入地开展了高温热管（HTHPs）技术与聚光太阳能系统耦合机理及优化设计研究。

图 1高温热管原理图

太阳能聚光集热系统是实现高效光热转化的核心，但高光学聚光比往往导致集热器表面出现高中心峰值、强空间衰减的高斯型非均匀热流分布，诱发局部严重过热、热应力集中及材料疲劳失效。为此，研究团队建立了一个融合光学特性、接收器热力学挑战、热管多相传热机制及工程应用的综合评价框架，并引入热力学火用（Exergy）效率模型，定量揭示了高热流太阳能集热过程中的能量质量退化规律与熵增控制机制。研究指出，高温热管凭借内部工质的相变循环与毛细驱动，展现出优异的近等温传热特性与自适应热流重构能力。针对传统热管在实际工程中面临的冷启动延迟、传热极限约束及碱金属工质高温腐蚀等关键挑战，团队系统阐述了非常规异形高温热管（如球冠异形、楔形、柔性弯曲及环形脉动结构）的创新设计原理；同时，结合激光粉末床熔融等增材制造技术与多目标拓扑优化算法，实现微通道构型与多孔毛细芯孔隙率的精准构筑，可有效破解极端热流下的热载荷突变与传热失效难题。

图 2高温热管与空心钢管传热性能对比图

该成果系统梳理了高温热管在高参数、高可靠性聚光太阳能系统中的应用路径与前沿突破方向，为解决聚光集热器热面局部烧蚀与热应力过载提供了系统的理论依据和新颖的技术方案，也对聚光太阳能热利用技术在油田热采中高温高压动力蒸汽、聚光太阳能光热发电系统等领域的创新应用提出新思路。

相关研究成果发表在国际学术期刊International Communications in Heat and Mass Transfer，本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0506501）的资金资助。

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