1.文章亮点

（1）提出了特殊太阳能选择性涂层局域耦合的新型塔式吸热器；

（2）构建了基于光谱参数和有限容积法的新型光谱传热网络模型；

（3）验证了下一代太阳能塔式吸热器负能流区存在的基本事实；

（4）探索并验证了新型塔式发电系统的光热转化性能和经济特性；

（5）新型塔式吸热器热效率有效提升6.9~12.0%，度电成本降低3.2~5.6%。

2.研究背景

塔式聚光集热被普遍认为是未来最具应用前景的太阳能高温光热技术之一。塔式吸热器作为塔式聚光集热系统中最核心的光热转化器件，表面一般涂镀单一的全波段高吸收涂层以最大化吸收太阳能。可是由于塔式吸热器具有极高的温度-聚光特性以及分布不均匀性，其表面局部区域会出现太阳辐射能与对外辐射能的光-热失配现象，从而导致吸热器光热转化效能较低。本文构建了基于光谱参数和有限容积法的新型光谱传热网络模型，验证了塔式吸热器光-热失配现象和负能流区存在的基本事实。为有效提升负能流区光热转化性能，本文提出了特殊太阳能选择性涂层局域（负能流区）耦合的新型塔式吸热器，并深入研究了新型塔式吸热器的光热性能和经济性能，验证了所提方法的高效性和经济性。

3.图文导读

图1 敦煌10MWe塔式发电系统: (a) 塔式发电站布局图; (b) 塔式吸热器示意图; (c)塔式吸热器的流道分布俯瞰图

为充分验证塔式吸热器存在上述光-热失配现象，本文选取敦煌10 MWe太阳能塔式发电站为研究对象（图1）。考虑到塔式吸热器表面高温高聚光的复杂物理场条件及太阳能涂层光谱选择特征优化的需要，本文构建了塔式吸热器基于光谱参数和有限容积法的新型光谱传热网络模型，其能够精确描述高温高聚光条件下光谱能量传播及捕获过程，从而实现吸热器周向光谱层级传热特性分析。基于以上模型计算结果，本文验证了塔式吸热器在边缘低聚光区域存在负能流现象，即：对外辐射能高于所吸收太阳辐射能，致使该区域净得热量为负值。如图2所示，负能流区约占吸热器表面积的四分之一，是造成塔式吸热器光热转化效率较低的重要原因之一。为有效提升负能流区光热性能，本文提出采用特殊选择特性涂层局域耦合的方法替换塔式吸热器负能流区涂层。本文选择了具有不同选择特性的4种涂层（图3）：黑铬涂层和抛光银膜涂层，截止波长为2.5和1.5μm的理想选择性涂层。

图2塔式吸热器表面净得热分布图（塔式吸热器二维展开图）及负能流区（斜线填充区域）

图3 不同涂层的光谱选择特征

图4 涂镀传统黑漆涂层的吸热器表面热发射率

图5 银膜涂层局域耦合的吸热器表面热发射率

本文精确计算了四种涂层局域耦合的新型塔式吸热器表面各区域辐射特性参数和传热特性被精准计算（如图4和5），详情请见文章。结果表明基于真实抛光银膜和理想选择涂层（截止波长1.5μm）的新型塔式吸热器光热转化效率提升分别达6.9和12.0%。说明了：采用特殊涂层局部耦合的方法可有效提高塔式吸热器热性能；且在涂层的选择方面，应更注重降低热发射率而非一味追求高太阳吸收率。

此外，本文建立了选择性涂层经济性评估方法及塔式光热发电站的经济性计算模型。计算发现：银膜涂层耦合和理想涂层（截止波长1.5μm）耦合的新型塔式吸热器分别可降低光热电站度电成本（LCOE）3.2和5.6%，有效提升了传统光热电站的经济性。

4.产业/应用前景

本研究对具有较短截止波长选择性涂层在高温高聚光复杂物理适应性的探索，为未来新型涂层的研发方向提供了重要参考。本文充分验证了所提出的特殊涂层局域耦合方法应用于塔式吸热器的有效性和经济性，预期在未来具有较好的商业化应用前景。该技术为高温高聚光利用领域开辟了全新的研究方法，可进一步推展到槽式和碟式高温聚光系统中。以上新型吸热器及聚光集热系统不仅可用于太阳能光热发电，还可广泛应用到热化学/储能/污染处理等领域。

5.作者简介

第一作者：Qiliang Wang，2019年获得中国科学技术大学博士学位，入选2020年“香港政府RGC博后资助计划”，现为香港理工大学建筑环境与能源工程学系博后。主要从事太阳能高效能量转化、高温光热发电、建筑能源与储能等方向。目前共发表论文40余篇，授权专利14项，担任Applied Energy、International Journal of Photoenergy等期刊编委（青年）及Energies等SCI期刊客座编辑职务。获中科院经理特别奖、日内瓦国际发明展特别金奖、Energy and Built Environment学术新人奖等10余项荣誉。电邮：qiliang.wang@polyu.edu.hk

通讯作者及本论文中知名学者：Hongxing Yang，香港理工大学建筑环境与能源工程学系教授，可再生能源研究室主任，国际期刊《Applied Energy》高级编辑及香港太阳能学会主任委员。主要研究方向为建筑可再生能源利用和节能技术的前沿课题研发，包括太阳能光伏建筑一体化技术，风力发电技术，风光互补发电技术，地源热泵空调技术和间接蒸发冷却技术。目前共出版著作7部，发表了480多篇论文，并评为2016年全球150名土木工程学科“高被引学者”以及Clarivate (科睿唯安)2017-2020年度的工程学科“高被引学者”。主持完成了60多项研发项目，获得超过四千万港币的资助。电邮：hong-xing.yang@polyu.edu.hk