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太阳辐射能是地球上最丰富的可再生能源。在聚光太阳能热利用系统中，太阳能集热器通过辐射能向热能转化的形式将太阳能储存在导热流体中，产生的高温导热流体可进一步被用于生产高温蒸汽。根据卡诺定律，在聚光太阳能热利用系统中太阳能集热器生产的高温导热流体的温度直接关系到后续热机的能量转化效率。
相比于传统的导热流体，例如导热油(操作温度上限～400℃)、熔融盐(操作温度上限～600℃)，颗粒可以作为一种操作温度更高的导热流体被应用，其操作温度上限可以达到1000℃以上。颗粒成本低廉，而且颗粒相比于熔融盐类型的导热流体在温度变化的过程中能够表现出更加稳定的理化性能。但是颗粒不同于液态导热流体，在其传热的过程中颗粒必须保持流化状态才能具备优良的传热性能，在静止条件下颗粒的传热系数是极低的。开发可以运用颗粒作为导热流体的流化床式集热器，是将颗粒作为导热流体应用在聚光太阳能热利用系统中的一种理想的解决方案。
考虑到工业化放大的需求，本研究首先探究了传统的以颗粒为导热流体的竖直气泡床(Up-flow Bubbling Fluidized Bed，UBFB)式太阳能集热器在竖直方向上的放大过程中流体动力学性能的变化情况。通过实验观察，发现UBFB太阳能集热器在床高度达到约40cm水平时开始出现贴壁型的大气泡，在床高度达到约120cm以上水平时开始出现活塞型大型气泡。由于空气的传热系数极低(＜50W/(m2℃))，大型气泡的出现会导致竖直气泡床内大型气泡所在位置的传热系数急剧下降。通过冷模放大试验，这部分研究归纳出了UBFB太阳能集热器在放大过程中流体动力学性能的变化模型，并且从流体动力学角度指出了UBFB太阳能集热器在工业化放大中存在的潜在局限。
UBFB太阳能集热器在放大中存在的局限限制了颗粒作为导热流体在聚光太阳能热利用系统中的应用前景。为解决这一问题，本研究进一步开发了新型的在水平方向输运颗粒的浅层错流气泡床(ShallowCross-Flow Bubbling Fluidized Bed，SCBFB)式太阳能集热器。在设备的流体动力学研究部分，通过停留时间分布实验和对SCBFB表面气泡分布的监测实验，证明了颗粒在SCBFB中具有良好的流动性能和混合性能。在SCBFB中，通过增加折流挡板或适当增加SCBFB的表观气速的方式均可以优化颗粒在设备中流动的混合效果，具体表现为颗粒流动过程中的死区和旁路迁移现象有所减少，这将使颗粒的流动更均匀。通过放大实验，研究证明了SCBFB太阳能集热器在水平方向上放大的过程中，颗粒在其中的流动、混合性能倾向于更加稳定、均匀，由此证明了SCBFB太阳能集热器克服了UBFB太阳能集热器在放大过程中出现的问题。
为了探究SCBFB太阳能集热器的传热性能，本研究首先搭建了实验室规模的传热装置。在导热油夹套加热的实验中，研究发现了SCBFB底部的传热性能相比其侧面传热性能几乎可以忽略，这是由于空气分布器在SCBFB底部形成空气隔热层导致的，这一发现为后续搭建太阳炉实验平台提供了设计依据，即汇聚后的光斑应当辐照SCBFB太阳能集热器的侧壁而非底部。本研究进一步搭建了中试水平的太阳炉实验平台，在真实光照加热条件下测试了SCBFB太阳能集热器的传热性能。实验装置同时配备了颗粒的连续进料系统和出料系统，整套设备可以实现在连续进料条件下测定SCBFB太阳能集热器的传热性能。探究发现，随着SCBFB表观气速的增加，在表观气速满足(U-Umf)/Umf约为4时SCBFB太阳能集热器的传热性能达到最优水平，SCBFB太阳能集热器壁面到床内颗粒的传热系数可以达到500±160W/(m2℃)的水平。真实光照加热条件下得到的实验结果与实验室规模的传热实验结果达成了良好的一致性。
在应用研究部分，本研究实现了在真实光照条件下利用SCBFB太阳能集热器产生的高温颗粒连续生产高温水蒸气，蒸汽压力为3bar。SCBFB内可以维持在380℃连续生产蒸汽，蒸汽气量可以达到10kg/h。本研究进一步针对蒸汽产量为5t/h的聚光太阳能热利用工厂提供了一套设计方案，对工厂的初投资、运行成本情况进行了计算，并针对过程中的各种影响因素进行了灵敏性分析。结果表明对于该工厂利用聚光太阳能生产高温蒸汽(7bar)的成本约为75.3元/吨。
相比于传统的导热流体，例如导热油(操作温度上限～400℃)、熔融盐(操作温度上限～600℃)，颗粒可以作为一种操作温度更高的导热流体被应用，其操作温度上限可以达到1000℃以上。颗粒成本低廉，而且颗粒相比于熔融盐类型的导热流体在温度变化的过程中能够表现出更加稳定的理化性能。但是颗粒不同于液态导热流体，在其传热的过程中颗粒必须保持流化状态才能具备优良的传热性能，在静止条件下颗粒的传热系数是极低的。开发可以运用颗粒作为导热流体的流化床式集热器，是将颗粒作为导热流体应用在聚光太阳能热利用系统中的一种理想的解决方案。
考虑到工业化放大的需求，本研究首先探究了传统的以颗粒为导热流体的竖直气泡床(Up-flow Bubbling Fluidized Bed，UBFB)式太阳能集热器在竖直方向上的放大过程中流体动力学性能的变化情况。通过实验观察，发现UBFB太阳能集热器在床高度达到约40cm水平时开始出现贴壁型的大气泡，在床高度达到约120cm以上水平时开始出现活塞型大型气泡。由于空气的传热系数极低(＜50W/(m2℃))，大型气泡的出现会导致竖直气泡床内大型气泡所在位置的传热系数急剧下降。通过冷模放大试验，这部分研究归纳出了UBFB太阳能集热器在放大过程中流体动力学性能的变化模型，并且从流体动力学角度指出了UBFB太阳能集热器在工业化放大中存在的潜在局限。
UBFB太阳能集热器在放大中存在的局限限制了颗粒作为导热流体在聚光太阳能热利用系统中的应用前景。为解决这一问题，本研究进一步开发了新型的在水平方向输运颗粒的浅层错流气泡床(ShallowCross-Flow Bubbling Fluidized Bed，SCBFB)式太阳能集热器。在设备的流体动力学研究部分，通过停留时间分布实验和对SCBFB表面气泡分布的监测实验，证明了颗粒在SCBFB中具有良好的流动性能和混合性能。在SCBFB中，通过增加折流挡板或适当增加SCBFB的表观气速的方式均可以优化颗粒在设备中流动的混合效果，具体表现为颗粒流动过程中的死区和旁路迁移现象有所减少，这将使颗粒的流动更均匀。通过放大实验，研究证明了SCBFB太阳能集热器在水平方向上放大的过程中，颗粒在其中的流动、混合性能倾向于更加稳定、均匀，由此证明了SCBFB太阳能集热器克服了UBFB太阳能集热器在放大过程中出现的问题。
为了探究SCBFB太阳能集热器的传热性能，本研究首先搭建了实验室规模的传热装置。在导热油夹套加热的实验中，研究发现了SCBFB底部的传热性能相比其侧面传热性能几乎可以忽略，这是由于空气分布器在SCBFB底部形成空气隔热层导致的，这一发现为后续搭建太阳炉实验平台提供了设计依据，即汇聚后的光斑应当辐照SCBFB太阳能集热器的侧壁而非底部。本研究进一步搭建了中试水平的太阳炉实验平台，在真实光照加热条件下测试了SCBFB太阳能集热器的传热性能。实验装置同时配备了颗粒的连续进料系统和出料系统，整套设备可以实现在连续进料条件下测定SCBFB太阳能集热器的传热性能。探究发现，随着SCBFB表观气速的增加，在表观气速满足(U-Umf)/Umf约为4时SCBFB太阳能集热器的传热性能达到最优水平，SCBFB太阳能集热器壁面到床内颗粒的传热系数可以达到500±160W/(m2℃)的水平。真实光照加热条件下得到的实验结果与实验室规模的传热实验结果达成了良好的一致性。
在应用研究部分，本研究实现了在真实光照条件下利用SCBFB太阳能集热器产生的高温颗粒连续生产高温水蒸气，蒸汽压力为3bar。SCBFB内可以维持在380℃连续生产蒸汽，蒸汽气量可以达到10kg/h。本研究进一步针对蒸汽产量为5t/h的聚光太阳能热利用工厂提供了一套设计方案，对工厂的初投资、运行成本情况进行了计算，并针对过程中的各种影响因素进行了灵敏性分析。结果表明对于该工厂利用聚光太阳能生产高温蒸汽(7bar)的成本约为75.3元/吨。