众所周知,太阳能分布广泛、资源大、利用前景非常广阔。在所有的可再生能源中它的储量是最多的,并且对环境非常友好,没有污染。与普通的化石燃料相比,采用太阳能热力发电系统利用太阳能进行发电是降低氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳等排放物和减少化石燃料消耗的有效途径。其中,对环境友好的太阳能布雷顿循环技术适合用于分布式发电,并能实现多能互补,应用前景非常广阔。此外,回热可以进一步提高太阳能热发电系统的工作效率。太阳能热能发电机构工作环境恶劣,在室外经常会遭遇强风暴雪的恶劣天气,如果结构刚度和强度不够,可能会导致发电系统的损坏,甚至造成重大的倒塌事件或者人员伤亡;另外,对于碟式太阳能热发电系统中力学、光学和传热学耦合机制与特性并没有得到深入的研究,这些都制约着该发电系统的进一步推广应用。为此,论文采用数值模拟和实验相结合的方法对风激励下碟式太阳能热发电系统风振特性进行剖析,以保证该系统的正常运行;同时对该系统热发电过程中力学、光传递和热传递耦合效应进行分析,探索力学、光学和传热学耦合机制与热流损失机理,并对碟式太阳能热发电系统的性能进行优化。研究成果对太阳能热发电系统的综合性能提高和设计优化有重要的理论和现实意义。论文的创新点和主要研究工作如下:(1)建立了碟式太阳能热发电系统流场模型和有限元模型,分析了该系统在不同风激励以及不同方位角(0°~180°)和高度角(0°、45°)下的固有振动特性,并通过模态测试和仿真相结合的方法对该发电系统进行了模态分析和验证,为正弦风激振动下流固耦合谐振响应分析提供了理论支撑。(2)采用流固耦合的理论方法建立了风激振动下的大型碟式太阳能热发电系统的流固耦合模型,研究了碟式太阳能热发电系统聚光器在不同风速下的流固耦合谐响应振动,并通过选取悬臂梁与支架的铰接点为特殊点,分析了特殊点的振动状态。结果表明,系统风激受迫振动振动幅度随着风速增加而增加,且在相同的方位角和高度角下聚光器所受的风力和风力矩也是随着速度增加而增大。(3)建立了吸热器的物理和数学模型,基于场协同理论对碟式太阳能热发电系统吸热器在不同倾角、开口大小、开口位置和腔体几何参数下的对流热损失机理进行了分析,揭示了吸热器腔体自然对流热损失的减少机制,得到了吸热器腔体几种新的自然对流热损失特性,为确保吸热器具有最佳传热性能提供了较好的理论依据。(4)提出了临界设计直接法向辐照度参数概念,建立了用于计算太阳能热发电系统年发电量的数学模型,分析了太阳能倍数、直接法向辐照度、热能存储量和热能调度分数对太阳能利用效率的影响规律,最终确定了太阳倍数、热能储存量和热能调度分数等通用优化设计参数值。结果表明,在特定的天气条件下,拥有较小临界设计法向直接辐射参数的太阳能热发电站可更有效地利用更多的太阳能,且较高的热能储存量和热能调度分数可确保更多的太阳能得到有效利用。(5)建立了包括聚光器太阳能损失、热机的外部不可逆性和导热桥损失的热力学模型,并将吸热器、冷却水、工质的温度以及热交换器热端、热交换器冷端、回热器的效率定义为优化变量,利用非支配排序遗传算法对无量纲输出功率、热效率和生态性能进行了多目标优化和敏感性分析。结果表明,冷却水和工质的温度以及回热器效率对系统最优性能的影响较大。