中国农业大学信电学院余强教授课题组在太阳能热发电研究领域取得新进展

近日，中国农业大学信息与电气工程学院余强教授团队在能源领域顶级期刊《可再生能源》（Renewable Energy）上发表研究论文《基于多尺度建模的CSP颗粒吸热器优化设计——光热性能的数值模拟与实验综合研究》（Optimization Design of CSP Particle Receiver Based on Multi scale Modeling: Comprehensive Numerical and Experimental Study of Photothermal Performance）。该研究聚焦塔式聚光太阳能热发电（CSP）系统中的关键部件——固体颗粒吸热器，通过多尺度建模、实验验证与参数优化，揭示了复杂辐照条件下颗粒传热机理，为高温太阳能热利用与超临界二氧化碳发电系统设计提供了新的思路。

固体颗粒吸热器是太阳能热发电系统实现高效能量转换的核心部件，其传热过程同时受到非均匀太阳辐照、颗粒碰撞、辐射—对流耦合等多因素影响。针对上述问题，团队构建了蒙特卡洛光线追踪（MCRT）、离散元法（DEM）与计算流体力学（CFD）相结合的多尺度耦合模型（如图1所示），并搭建了单管颗粒自由下落实验平台，对颗粒在聚光条件下的吸热、升温与传热过程进行了系统研究（如图2所示）。

图1 颗粒传热过程的蒙特卡洛光线追踪法框架图

图2 固体颗粒单管自由落体换热实验台

研究采用CFD-DEM方法对颗粒接收器内部温度场进行仿真（如图4所示）。结果表明，实验与数值模拟结果一致，颗粒出口温度最大误差仅为2.52 ℃，相对误差小于4.22%，验证了模型的可靠性。研究还发现，靠近管壁约5 mm范围内存在明显低速区，该区域会抑制颗粒换热并造成局部温度滞后，这一认识为吸热器结构优化提供了重要依据。在参数优化方面，团队进一步分析了颗粒流量、粒径与辐照强度对系统热性能的影响规律。相关成果可为塔式太阳能热发电系统颗粒吸热器的设计、运行调控与规模化示范提供理论支撑。

图3 颗粒接收器管内温度场

该论文由中国农业大学信息与电气工程学院完成，余强教授为通讯作者，2024级电气工程博士研究生徐啸宇为第一作者。研究得到国家自然科学基金（No.52376219）的支持。