本项研究的主要作者包括来自宁夏大学光伏材料重点实验室的赵紫薇（Ziwei Zhao）、宁夏大学材料与新能源学院的高莽莽（Mangmang Gao），以及中国科学院电工研究所的聂福亮（Fuliang Nie）和白凤武（Fengwu Bai）。该研究于2025年10月13日接收，在线发表于2025年10月18日，并发表在期刊《Renewable Energy》（2026年卷256，文章编号124627）。

本研究属于聚焦太阳能热利用与热能工程交叉领域，具体关注下一代聚光太阳能热发电（Concentrating Solar Power, CSP）系统中高温固体颗粒接收器的技术创新与性能评估。研究的学术背景在于，当前主流的CSP技术，特别是太阳能塔式（Solar Power Tower, SPT）系统，通常使用熔盐作为传热流体（Heat Transfer Fluid, HTF）。然而，熔盐存在约565°C的温度上限，这限制了系统转换效率（约44%）和进一步提升工作温度的潜力，从而制约了其与超超临界蒸汽循环或空气布雷顿循环等高效率发电循环的集成。为了突破这一材料瓶颈，固体颗粒（如碳化硅或石英砂）因其优异的热稳定性（理论上可达1000°C以上）而被视为极具潜力的替代传热介质。目前已开发出多种颗粒接收器设计，包括自由落体式、旋转式、移动床式和流化床式。其中，采用垂直密相输送流（Vertical Dense Phase Transport Flow）的接收器设计，将气固混合物（颗粒-空气）作为传热流体，具有实现稳定、可控、高温运行的潜力。然而，以往的研究多集中于流化床内局部传热现象的二维或三维计算流体动力学模拟，计算成本高，且较少考虑实际太阳能场能量通量分布对整个接收器系统性能的综合影响。因此，本研究旨在开发一个集成了太阳能场影响的、适用于中试规模分析的粒子接收器模型，评估垂直密相流接收器的技术可行性，为其在下一代高温CSP系统中的设计和优化提供关键指导。

本研究的详细工作流程主要包含以下几个核心步骤：理论模型构建、实验验证、参数化性能分析以及规模化日运行性能预测。

首先，在理论模型构建方面，研究者针对垂直密相流颗粒接收器，开发了一种基于离散化集总参数法（Discretized Lumped Parameter Method）的一维模型。该模型将接收器沿轴向（z轴）离散为N个微元。每个微元内，气固两相混合物被假设为具有均匀的温度（T_f），而受到太阳辐射照射的管壁表面则被视为处于均一壁温（T_w,j）。模型基于七个核心假设，包括：轴向单向流、稳态伪连续介质、局部辐射-对流耦合传热（对于小于100微米的颗粒，忽略颗粒间的辐射）、将颗粒与壁面的复杂辐射交换简化为表面交换问题、颗粒温度均匀、横截面热力学特性均匀以及背侧绝热。特别值得注意的是，模型引入了一个修正的传热框架来显式考虑单侧太阳辐射照射导致的圆周方向温度不均匀性。研究者将受热不均匀的管壁圆周方向分为三个区域：直接受照射的前部区域和两个侧向导热区域，并将侧向区域类比为附着在前部区域的翅片（Fin Analogy）。通过翅片效率分析，结合双曲函数，计算了从管壁到密相流的有效传热速率，从而更真实地反映了非均匀加热条件下的传热过程。能量守恒方程分别针对接收器管壁微元和密相流建立。管壁的能量变化等于入射太阳能、传递至密相流的有用热量以及向环境的散热之和。入射能量取决于直射太阳辐照度（DNI）、沿接收器的聚光比函数（由通量分布决定）以及光学特性。散热包括强制对流、自然对流和辐射散热。有用热传递项结合了对流和辐射两种机制，其中对流换热系数采用了作者团队之前研究中提出的关联式，辐射换热则采用了基于有效发射率的表面到表面（S2S）模型。密相流的能量守恒方程则描述了其沿轴向流动时的吸热过程。模型采用有限差分法进行数值求解，空间离散采用二阶中心差分，时间离散采用隐式格式，利用LU分解求解三对角矩阵系统，并设定了10^-4的收敛准则。

其次，在实验验证阶段，研究团队利用位于中国科学院电工研究所八达岭CSP实验基地的线性聚焦太阳炉进行了实地实验。实验系统主要包括一个颗粒-空气输送循环回路和一个线性聚焦太阳炉。接收器管的前侧受到聚光太阳辐射照射，背侧进行隔热。研究测量了实验期间（13:00至16:40）的动态直射太阳辐照度（DNI），并根据测量的通量数据，拟合得到了沿接收器长度方向呈高斯分布的集中太阳辐照度表达式。实验的关键输入参数包括：接收器管内径49毫米、壁厚4毫米、入口温度8°C等。研究者将一维模型的数值模拟结果（出口温度预测值）与实验测量的出口温度数据进行了对比验证。结果显示，模拟曲线（红色）与实验测量曲线（黑色）总体吻合良好。尽管在太阳辐照度快速波动期间，测量温度相对于预测值存在轻微滞后（主要归因于模型假设气固相瞬间热平衡以及实验中定日镜跟踪调节的渐进性），且在初始动态升温阶段存在一定差异，但最大相对误差仅为7.05%。这一误差被认为源于一维模型对三维物理过程的近似、传热系数模型和辐射传递函数的不确定性以及数值离散和舍入误差。该验证结果确认了所开发模型在预测颗粒接收器热行为方面的准确性和可靠性，为后续的参量研究和性能预测奠定了基础。

第三，在参数化性能分析环节，研究者利用验证后的模型，系统评估了颗粒质量通量和辐照通量分布对接收器性能的影响。性能评估指标定义为温度升高值（δT = 出口温度 - 入口温度）和颗粒效率（η_p，即颗粒吸收的有用热量与入射到接收器管上的总太阳能通量之比）。分析表明：（1）在恒定辐照下，随着颗粒质量通量的增加，温度升高值（δT）减小，但由于增强了颗粒与受热壁面之间的传热并降低了壁温（从而减少了热损失），颗粒效率（η_p）得到改善。存在一个临界质量通量（约80 kg/m²s），超过此值后，效率提升变得不显著，系统呈现收益递减效应。（2）辐照通量分布（高斯分布 vs. 均匀分布）对性能有显著影响，尤其是在高温工况下。当平均辐照通量低于250 kW/m²时，两种分布的性能差异较小。但当平均通量超过250 kW/m²，特别是针对800°C的高目标出口温度时，高斯分布由于会导致局部过热和更高的壁温峰值，其热效率显著低于均匀分布，差距可达15%。通过壁温分布图可以清晰看到，高斯分布下高温区（例如594–950°C）在管长方向上占据更大比例，而均匀分布下高温区更集中于出口附近（400–750°C），温度梯度更平缓，有利于热管理和减少热应力。

最后，在规模化日运行性能预测部分，研究将该模型应用于一个1 MWth规模的工业级垂直密相流接收器系统的技术可行性分析。系统由35根垂直管呈平面阵列布置，考虑了管间的辐射传热（通过计算视角因子）。基于北京延庆地区特定日期的历史气象数据，模拟了从早晨8:00到下午16:00的日运行性能，分析了两种初始条件：冷启动（入口20°C）和常规循环（入口250°C，这是超临界二氧化碳循环的常见入口温度）。模拟结果显示，在入口250°C、DNI为800 W/m²、颗粒质量通量恒为30 kg/m²s的条件下，由于高斯通量分布，中心管（18#）出口温度可超过1000°C，而边缘管（如8#）仅约751°C，存在巨大温差。为了避免这种不均匀性，研究者提出了一种分布式控制策略，即根据不同管位置接收的通量高低，分组调节其颗粒质量通量（从中心的30 kg/m²s到外围的100 kg/m²s不等）。实施该策略后，各管出口温度的最大差异显著减小（最高873°C，最低654°C），证明了通过主动流量控制实现温度均化的可行性。研究还将垂直密相流接收器与上行鼓泡流化床（UBFB）和循环流化床（CFB）接收器进行了对比，指出垂直密相流在规模、复杂性和运行成本之间取得了平衡，为大规模应用提供了一种有前景的选项。

本研究的主要结论是，成功开发并验证了一个用于垂直密相流颗粒接收器的简化而稳健的一维模型。该模型揭示了颗粒质量通量和辐照通量分布是影响接收器性能的两个关键操作参数。最佳性能出现在颗粒质量通量约80 kg/m²s时。对于高温（800°C）应用，均匀的辐照通量分布比高斯分布可实现高达15%的效率优势，凸显了优化太阳能场通量分布或开发缓解局部过热技术（如先进涂层）的重要性。日运行模拟证明了该接收器设计在工业规模上的技术可行性，并展示了通过调节颗粒质量通量来管理温度均匀性的控制策略潜力。

本研究的科学价值在于，它提供了一个计算高效且经过实验验证的集成系统性能分析工具，弥补了以往研究多关注局部现象而缺乏系统级评估的不足。模型中对单侧辐射导致的非均匀加热的精细化处理，增强了对真实物理过程的描述能力。其应用价值在于，为设计、优化和运行下一代高温（>800°C）CSP系统的固体颗粒接收器提供了重要的理论指导和数据支持，有助于推动固体颗粒传热技术向商业化迈进。研究指出的通量分布敏感性、临界质量通量以及温度均匀性控制策略，都是工程实践中需要重点关注和解决的议题。

本研究的亮点包括：第一，方法新颖，采用了离散化集总参数法与修正的非均匀加热传热框架相结合，在保证计算效率的同时，提升了模型对实际复杂工况的预测精度。第二，研究全面，工作流程完整涵盖了从基础模型建立、实验验证、关键参数影响机理分析到规模化系统性能预测的全链条研究。第三，结论具有明确的工程指导意义，不仅量化了颗粒质量通量和辐照分布的影响，还提出了具体的操作策略（如分布式流量控制），并对不同流化模式接收器进行了横向对比，为技术选型提供了参考。第四，模型经过实地太阳炉实验数据验证，可信度高，为后续更深入的研究和放大设计奠定了坚实基础。