日前，在第十三届中国国际光热大会上，浙江大学能源与环境工程实验室副主任、博士生导师祝培旺带来《熔盐吸热器热应力形成机制、空间分布特征及其对服役安全的影响》主题分享。

针对塔式光热电站工况最严苛的核心装备——熔盐吸热器，祝培旺团队建立了光-热-力多场耦合的动态热应力分析方法，系统揭示了热应力的形成机理、空间分布与瞬态演化规律，为吸热器的设计优化与运行安全提供了可落地的量化支撑。

图：祝培旺

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吸热器故障与寿命管控——

影响塔式电站经济性的关键因素

随着新型电力系统建设推进，光热发电凭借自带储热、调节能力强的独特优势，成为支撑新能源消纳的重要调节性电源，政策支持力度持续加大。

据行业统计，截至2025年底，全国可再生能源装机总量达23.4亿千瓦，占全国电力总装机约60%，调峰需求日益迫切；国家层面明确提出，力争到“十五五”末全国光热发电总装机达到1500万千瓦左右，推动年均近300万千瓦的装机增速。

在各类光热技术路线中，塔式发展速度最快，截至2025年底已占国内光热累计装机的70.82%。而吸热器正是塔式光热电站的核心装备：它一方面要承受波动性的太阳辐照，将太阳能转化为热能；另一方面要保障热端输出温度稳定，运行温度常年处于600℃-800℃高温区间，是整个电站运行工况最恶劣的设备，其可靠性直接决定了整座电站的连续运行能力。早在2019年，熔盐吸热器系统就已被列入《国家支持发展的重大技术装备和产品目录》。

但在工程实践中，吸热器的服役安全始终是行业痛点。祝培旺指出，太阳辐照的剧烈波动会带来持续的交变热冲击，极易引发吸热器结构损伤，海外多个标杆电站都曾出现同类故障：

美国Solar One水工质塔式电站（10MW）因局部过热导致管道破裂，停运检修约5周；

美国Solar Two熔盐塔式电站（10MW）发生吸热器接收面板烧穿事故，维修周期达数天到一个月；

美国Crescent Dunes 110MW熔盐塔式电站（110MW）出现吸热器管道泄漏、弯管开裂问题，停运检修长达约2周。

“一座50MW的光热电站，单日发电量约50万度，仅停运10天，直接损失就达数百万元。”祝培旺表示，随着塔式光热电站商业化运营规模持续扩大，吸热器的热应力损伤与寿命管控问题，已经成为影响电站经济性的关键因素。

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拆解热应力损伤逻辑：

传统计算为何跟不上真实工况？

吸热器的损伤根源在于非均匀热流引发的热应力。祝培旺团队系统梳理了热应力的形成机理：吸热器管壁受单向聚光照射，受光侧温度高、热膨胀趋势强，背光侧温度低、膨胀量小，加上上下集箱等结构的约束，受光侧膨胀受抑制形成压应力，背光侧被拉伸形成拉应力，最终在管壁内部产生复杂的热应力分布。

这种热应力带来的破坏分为短期与长期两类：

短期失效风险：高热流区域出现局部过热与鼓包，产生不可逆的塑性变形；应力集中的焊缝位置易萌生裂纹，直接引发泄漏失效。

长期寿命衰减：每日启停与辐照波动形成循环交变应力，引发管壁热疲劳裂纹；长期高温运行下材料发生蠕变退化，最终形成蠕变-疲劳耦合损伤，加速设备寿命衰减。

祝培旺同时指出，行业现有的热应力计算方法存在明显局限，具体如下：

●理论解析法：基于热弹性理论与均匀热流假设，计算速度快，但无法反映真实非均匀能流分布，不适用于复杂瞬态工况；

●有限元数值法：计算精度高，但计算成本极高、耗时久，难以实现实时求解，无法为现场运行控制提供决策支撑；

●蠕变-疲劳损伤模型：多采用线性损伤累积假设，基于恒定工况推导，忽略了太阳辐照随机波动的影响。

整体来看，现有方法无法兼顾准确性与瞬时性，且对聚光波动、熔盐流量变化、环境扰动的多因素耦合考虑不足，难以为吸热器全生命周期的安全管控提供支撑。

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解题思路——构建光-热-力多场耦合模型

针对这一行业短板，祝培旺团队搭建了从聚光到传热、再到力学的全链条耦合分析模型，实现了波动性辐照下吸热器热应力的动态求解。整个技术路线分为三个核心环节，且每个环节都经过了实测数据对标验证。

第一环：聚光仿真建模：精准还原光斑能流分布

团队采用几何投影法结合iHFLCAL解析模型，基于高斯光斑假设，结合定日镜尺寸还原光斑形态，计算吸热器表面的能流密度分布。依托浙江大学青山湖2000平米、约1MW吸热功率的镜场测试平台，团队用朗伯板+CCD相机实测的光斑数据对模型进行验证，结果显示模拟光斑与实测光斑在形状、能流分布上高度吻合，整体平均误差仅3.57%，能够准确还原真实镜场的聚光特性。

第二环是吸热器传热建模：精准计算管壁温度场

团队采用分段集总参数法，对吸热管的轴向、周向、径向进行离散化，完整模拟管壁的导热、对流与辐射换热过程以及熔盐的交叉流动特性。经实测数据对标（吸热器类型与SolarTwo吸热器一致），仿真得到的熔盐出口温度绝对误差不超过±1℃，可以精准反映吸热器的真实温度场分布。

第三环是热应力解析建模：热弹性力学解析求解

团队基于热弹性力学理论，将管壁径向与周向的温差换算为轴向、周向、径向三个方向的主应力，并进一步计算等效总热应力。经与公开文献中Gemasolar电站所采用的同类型吸热器的数值模拟结果对比显示，在吸热管最大热应力截面上，模型计算的最大等效热应力为525MPa，文献数值模拟结果为560MPa，相对偏差仅6.25%，且周向分布规律完全吻合，验证了应力计算方法的可靠性。

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稳态+瞬态双重解析

依托验证后的耦合模型，祝培旺团队分别从稳态设计工况与瞬态动态过程两个维度，系统解析了吸热器的热应力特征。

在稳态设计点工况下，当采用单聚焦点中心聚焦方式时，吸热器的最大等效热应力可达540MPa，已经超过了材料515MPa的极限抗拉强度。

这一结果直接说明：如果仅通过材料升级来满足全工况的应力要求，吸热器的设计成本会大幅攀升；而通过优化镜场聚焦策略、匀化吸热器表面的能流密度分布，可以有效控制峰值热应力，是更经济的技术路径。

祝培旺强调，吸热器的服役安全并非单纯的设计问题，与电站运行策略高度相关，合理的调焦运行是延长吸热器寿命的关键手段。

在瞬态动态过程中，团队发现了明显的热响应非同步性：聚光照射后，管壁温度在6秒左右即可升至600℃以上并达到峰值，但管内熔盐温度需要约21秒才能进入稳定状态。这意味着启动阶段管壁与熔盐温差最大，是吸热器热应力最严苛的时刻。

从空间分布来看，吸热器热应力呈现三条清晰规律：

方向主导性：等效热应力主要由轴向热应力主导，径向热应力数值接近0，几乎可以忽略；

径向演化规律：从内壁到外壁，径向热应力逐渐减小，周向热应力从拉应力转变为压应力，轴向热应力始终为压应力且持续增大；

周向分布特征：热应力整体呈对称分布，外壁迎光侧是整个吸热管应力集中最显著的区域。

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未来优化方向：

从应力计算走向全寿命在线预警

祝培旺表示，目前光-热-力耦合的动态分析模型已具备较高的可靠性，计算得到的实时应力数据，既可以为吸热器的结构设计提供参考，也能够指导电站的运行策略优化。

下一步团队将沿着两个方向持续深化：

一是结合更多实际光热电站的运行数据，积累热疲劳损伤的基础数据，建立吸热器热疲劳寿命预测方法，实现吸热器设计寿命的量化评估；

二是引入人工智能技术，融合实时光照数据与电站运行参数，开发吸热器寿命在线预测系统，让运行人员可以直观掌握吸热器的健康状态与风险等级，为现场运行调优提供直接依据。

附演讲嘉宾简介：

祝培旺，工学博士，浙江大学能源与环境工程实验室副主任、博士生导师，主要从事太阳能利用，规模化储热技术，先进动力循环和多能互补等研究。中国热能储能技术与产业发展蓝皮书编辑委员，浙江省能源研究会储能技术专委会委员，参编十四五电力行业教材《储能技术及应用》。

主持和参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划项目等纵向课题10余项，发表SCI论文40余篇、获国家授权专利20余项。

长时储能一规模化储热技术研究成果已应用于国家首台套工程示范项目。

曾荣获2023年度国家光热联盟太阳能热利用技术创新大赛一等奖、中电联电力创新奖一等奖和电机工程学会电力科学技术进步奖三等奖等奖励。

兼任Green Energy and Resources、《发电技术》和《锅炉技术》等期刊编委。