1.1目的及意义

随着经济的发展，科技的进步，世界能源的需求量在不断增长。经济的高速发展以能源的高消耗为代价，因此不可再生的化石能源迟早会枯竭。此外，化石能源燃烧产生大量废气，对环境造成了严重污染。SO₂、NO₂、CO₂、PM_2.5等燃烧产物是造成酸雨、雾霾和温室效应等环境问题的罪魁祸首。建立脱硫、脱硝标准与限制排放在一定程度上能够减缓污染，但不能从根本上解决化石能源燃烧带来的污染问题。基于对能源危机与环境问题的研究，寻找可替代传统能源的新能源才是解决问题的最佳方案。

各国对新能源的研究始于上世纪七八十年代，经过几十年发展，诸如太阳能、风能和地热能等绿色可再生新能源已为人所熟知。《世界能源发展报告2018》中指出，全球能源正在向高效、清洁、多元化的特征方向加速转型推进，旨在提高能源安全及减少对化石能源的依赖^[1]。

太阳能是一种丰富的可再生能源。据统计，一小时内到达地球的光能超过了人类一年消耗的能量^[2]。因此，太阳能是新能源领域重点研究的对象。目前，太阳能的利用方式主要有光热和光电两种。所谓光热利用，就是将太阳能转化为热能直接利用。光电利用方式包括光伏发电和太阳能热发电两种，目的是将太阳能直接或间接转化为电能。

近年来，光伏发电技术日趋成熟，已达到了商业使用能级。据国家能源局统计数据，2018年我国光伏新增装机量超过43GW，其中集中式约23GW，分布式约20GW，累计装机量超170GW^[3]。因为太阳辐射昼夜交替且强度不稳，所以光伏发电技术有着储电难、电压不稳和冲击电网等缺点。而太阳能热发电技术凭借其可储热调峰、可连续发电、电力品质好等优点，逐渐成为太阳能利用领域研发和投资的热点。预计到2050年，太阳能热发电能够满足全球11.3％的电力需求，届时中国太阳能热发电电力生产将占全球总电力的4％^[4]。

太阳能热发电系统由聚光集热、跟踪控制、储热、蒸汽发生和发电等装置组成。聚光集热装置是系统的核心，是光热转换的关键设备。聚光集热效率直接决定着槽式太阳能发电系统的效率，提高槽式太阳能聚光集热装置的热效率是提高槽式太阳能热发电站的发电效率、降低发电成本的关键所在。

太阳辐射能经聚光器反射后，主要聚焦在真空集热管底部，造成集热管表面的太阳能流密度分布不均匀。集热管表面太阳能流密度分布不均匀带来诸多问题：首先，使集热管局部温度过高，导致局部热斑烧毁和吸热涂层性能减退甚至脱落，使传热性能劣化，热效率降低；其次，局部温度过高会降解导热油析出氢气并渗透到环形空间，降低集热管真空度，增加热损失；此外，会使吸热管壁周向温度梯度过大，产生热应力，热应力超过吸热管的屈服强度会导致吸热管弯曲变形，严重时甚至会使集热管外面的玻璃套管破裂^[5]。

因此，开展真空集热管在能流密度分布不均匀情况下热性能和安全性的研究，具有重要的意义：

（1）通过模拟计算，可以研究影响集热管热性能的因素，找到提高集热管热效率的方法，从而提高槽式太阳能热发电站的发电效率、降低发电成本；

（2）掌握能流密度分布不均匀情况下真空集热管的温度和应力的真实分布规律，对集热管安装、使用与维护均有指导作用，可以延长真空集热管的使用寿命，降低维修次数与成本；