太阳能中高温光热利用技术

太阳能中高温光热利用技术太阳能中高温光热利用技术摘要：太阳能中高温热利技术是太阳能光热利用技术的发展趋势，中温热利用可用于80°C~250°C的工农业用热等领域，高温热利用主要应用250°C~800°C的太阳能发电技术。本文主要介绍了力诺光热集团研发的中温太阳能真空集热管和高温真空太阳集热管，对其关键技术如中高温涂层、真空维持、玻璃金属封接等进行了具体介绍。该两项科研成果已得到业内专家的认可，其吸收比均高达0.96,中温太阳能真空集热管180C时发射比仅为0.05，最高工作温度可达150C，高温真空太阳集热管400C发射比小于0.14,且长时间工作在400C各性能无明显衰减，极大的拓展了太阳能光热利用领域，为中国太阳能光热产业做出了巨大的关键词：太阳能、中高温、热利用、光热发电引言太阳能热利用按温度划分，目前可分为三领域：其中40°C~80°C为低温领域、80C〜250C为中温领域、250°C~800°C为高温领域。低温领域热利用技术目前国内外已经比较成熟，主要提供生活用水，其产品为平板型或真空管型集热器；中温领域热利用技术主要以提供工农业用热为主，目前较为先进的应用是空调制冷、区域建筑供暖及部分工业用热等等，国际上普遍采用平板集热器或玻璃-金属封接式集热管集热器；高温领域热利用技术主要应用是太阳能热发电，集热管结构方式为高温真空太阳集热管。目前国际光热应用发展趋势正从传统的低温热水应用逐步向中高温工业应用和热发电应用转变。1太阳能中高温应用国内外发展现状1.1太阳能中高温应用国外发展现状目前，随着全球能源供应问题日显突出和可持续发展战略的积极推行，国际国内对太阳能中温技术的开发应用已掀起新一轮高潮。美国等工业化先进国家早在八十年代即开始了将太阳能中高温技术应用到纺织、建筑、食品加工、木材烘干等工农业生产和日常取暖、开水等方面，以获得100C以上的热水和蒸汽。近年来，太阳能中温技术在欧美发达国家增长更加迅猛，根据欧盟委员会发布的《能源的未来：可再生能源》白皮书，到2021年，欧盟将安装1亿m2的太阳能集热器，其中太阳能供暖系统将占1900万m2。国外太阳能中温热利用技术中所使用的集热器大部分以金属一玻璃封接式集热器、平板太阳能集热器为主，其制作成本较高、制作工艺复杂且热效率较低，技术和设备工艺没有得到突破性进展，造成太阳能中温热利用技术无法形成产业规模化，只能依托在国家政府补助与颁布新能源法来强制实施。太阳能热发电是指利用大规模阵列镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，然后结合传统汽轮发电机技术，达到发电的目的，主要有三种发电方式：塔式、碟式和槽式聚焦系统。其中槽式太阳能热发电实现了商业化运行，其主要集热部件是高温真空太阳集热管。目前高温真空太阳集热管成熟的生产技术掌握在以德国的SCHOTT和Siemens等少数公司手中，并为全球太阳能热发电工程提供核心极热部件。2009年7月启动的“欧洲沙漠行动”，堪称可再生能源领域最具野心的计划。多个欧洲财团和企业，计划在未来十年内投资4000亿，在中东及北非地区建立一系列并网的太阳能热发电站，来满足欧洲15%的电力需求，以及电站所在地的部分电力需求；西班牙的可再生能源规划中，设定了2005年~2021年装机容量500兆瓦的目标。这一目标已经提前实现。于是，西班牙部长会议在2009年11月通过决议，提出2021年~2021年太阳能热发电装机容量2440兆瓦的新目标。太阳能热发电在可再生能源发电技术中具有发电成本较低、绿色无污染等特点，相信随着可再生能源技术的发展、应用的扩大，将有着广阔的市场前景。1.2太阳能中高温国内发展现状我国对太阳能中高温集热管及其应用技术的研究起步较晚，一直局限于小型部件和材料的攻关项目，研发远远落后于一些发达国家。国际上普遍采用金属-玻璃式集热管做为太阳能中温热利用中的集热部件，使用成本较高，是制约我国太阳能中温应用的主要因素之一。力诺光热集团最新研制的中温全玻璃真空太阳集热管是由集热管发明人一一清华大学殷志强教授亲自指导，由山东力诺光热集团与清华大学联合历经3年时间研发的最新产品，该产品是集热管应用的升级产品，其应用温度为80°C〜150°C，彻底解决了集热管长期在高温下工作的真空维持问题，该产品具有热效高、耐高温、抗衰减、寿命长等特点，标志着太阳能热水应用时代迈入热能应用时代。此产品被力诺瑞特应用于开发太阳能空调制冷、区域建筑供暖等太阳能中温应用相关技术。太阳能高温发电技术方面，与国外对聚光太阳能热发电技术在材料、设计、工艺及理论方面进行了长达50多年的研究相比，我国太阳能热发电起步较晚。槽式太阳能热发电系统中的核心部件，如兆瓦级槽式太阳能聚光器、高温真空太阳集热管、储热单元等尚处于研发阶段。以高温真空太阳集热管为例，目前此技术处于领先地位的几家单位及企业包括清华大学、力诺光热集团、皇明、东南大学等，清华大学和力诺目前已掌握4m长高温真空太阳集热管的相关技术，成功解决了玻璃-金属非匹配封接这一技术难题，预计2021年底能完成中试。随着国家新能源法的颁布，一些太阳能中高温应用的示范性项目相继上马，如2021年太阳能光热联盟申请的太阳能储热技术研究及大规模应用项目（科技部支撑项目），构建一个万平米级区域性太阳能供暖的示范项目；2021年4月内蒙古鄂尔多斯50MW槽式热发电项目开始招标，此项目总投资16亿元人民币。项目建成后，年可发电1.2亿度，实现产值1.8亿元，实现税收1530万元；另据科技部“十二五”规划将在5年内建成1MW槽式热发电示范项目；中国华电集团也规划在甘肃建设4X50MW槽式发电站等。因此山东力诺光热集团有限公司制定了中温太阳能真空集热管和高温真空太阳集热管开发发展战略规划，通过建立中高温集热管技术研发平台一一中高温集热管光热材料实验室来拓展全玻璃集热管的应用领域范围和研制适合国内高温发电应用的高温真空太阳集热管。以期提高国内太阳能中高温集热管生产水平，缩短与国外同行差距。2太阳能中高温光热利用的核心部件关键技术突破中温太阳能真空集热管技术目前工业上中温应用的温度范围大多集中在80°C〜150°C之间，从材料承受能力上讲，全玻璃真空太阳集热管可以满足在此温度范围内的使用要求。为此，我公司与清华大学就中温涂层、增透膜技术以及真空维持技术进行深入研究，并研制开发出中温太阳能真空集热管。关键技术开发情况如下：2.1.1中温涂层的设计开发在中温涂层的设计开发中，我们淘汰了含有重金属铭的不锈钢溅射材料，选用高熔点、环保型的金属钛做为磁控溅射材料，借鉴“钛金太阳集热管”的成功经验，通过大量试验调整确定了涂层工艺参数，制备出适用于中温范围(80°C〜150°C)的选择性吸收涂层。2.1.2罩玻璃管增透技术的开发本公司作为国内最大的集热管专业生产厂家，大力引进国内外领先技术和设备，一方面通过引进德国公司的精密设备进行增透涂层的初步研发，另一方面我公司增透膜实验室与清华大学和国内知名玻璃增透膜研究所共同合作，引进一系列先进设施共同开发出中温太阳能真空集热管的增透技术(专利申请：一种太阳集热管增透涂层的制备方法，申请号：200810237834.9)。罩玻璃管太阳透射比可提高至94%，大大提高中温太阳能真空集热管集热性能。2.1.3双效真空维持技术全玻璃真空太阳集热管的真空夹层设计有效避免了因空气对流、热传递造成的热量损失，使集热管的保温能力显著提高，也是决定集热管寿命的主要因素之一。而中温太阳能真空集热管由于正常使用过程中温度较高，其夹层中各部件的放气量相比普通集热管大数倍，为了保证其能够稳定工作，并具有较长的使用寿命，因此中温太阳能真空集热管对真空维持技术提出了更高的要求。我公司真空维持实验室通过大量试验，自行设计双效吸气剂激活和测试仪器，同时确定两种吸气剂的激活工艺条件，选型用量及安装位置等，最终达到两种吸气剂双效合一，优势互补；同时开发了中温太阳能真空集热管风循环式连续排气系统，温场温差＜20C，实现排气工艺自动化，保证排气工艺稳定性。并结合中温太阳能真空集热管设计的各因素和全自动排气系统对其排气工艺进行了具体研究，如：研究升温时夹层真空度对吸气剂和中温选择性吸收涂层的影响，确定升温真空度；测试夹层温度和排气台温场温度的差异；研究温场温度和保温时间对特效吸气剂的激活程度，确定合理的保温温度和保温时间等等，从而完成整个中温太阳能真空集热管的排气工艺研究。采用双效真空维持技术有效解决了中温太阳能真空集热管长期在中温环境下的真空维持问题，其使用寿命明显提高。对普通集热管与中温太阳能真空集热管进行400°C,2500h真空老化试验，测试夹层真空度在老化试验过程中的变化。2.1.4中温太阳能真空集热管相关检测系统目前太阳能集热管国家标准中只规定了低温领域集热管的相关标准，对中温领域相关性能参数、检测设备及检测方法没有明确的规定。我公司在开发研究中温太阳能真空集热管的过程中，就各性能参数检测方法及检测设备进行了探索，逐渐形成一套适用于中温太阳能真空集热管的测试系统与检测标准。如通过改进半球向发射比测试系统将测试温度由80C提高到180C稳定测试，并有望将其测试温度提高至350C；开发了业内首创的中温吸气剂检测系统及真空校准系统，经国家计量一级站验证，能够模拟排气工艺对中温吸气剂的激活过程来开展试验；改进了集热管真空品质测试系统，使其控温精确，温场温差小于5C，可实现智能化控制，并具有分段控温功能，以满足中温太阳能真空集热管的真空品质测试要求等。同时该中温太阳能真空集热管的各测试系统与测试方法已经得到业内专家的一致认可，认为方法科学、数据合理。高温真空太阳集热管高温真空太阳集热管作为槽式太阳能热发电的核心器件其制作技术目前被国外少数几家公司垄断。我公司与清华大学就高温涂层、玻璃-金属封接以及真空维持等相关技术进行深入研究，并研制开发出高温真空太阳集热管。关键技术开发情况如下：2.2.1高温涂层的设计开发高温真空太阳集热管内工质工作温度可达400C，普通的太阳能选择性吸收涂层已无法满足在此高温下的长期工作。我公司与清华大学共同研制的高温太阳能选择性吸收涂层采用金属红外反射层、金属陶瓷吸收层和介质减反层的多层干涉吸收薄膜结构。涂层的金属材料涉及W、Mo、Ni、Pt、Cu、Al、Y等，介质材料采用低折射率的Al、Si氮氧化物。可承受500C以上的高温工作环境，涂层太阳吸收比不低于0.94+0.02，400C时发射比不高于0.14±0.02。玻璃-金属封接技术研发罩玻璃管与金属封接环采用两种封接方式：（1）开发出非匹配直接熔封技术，罩玻璃管为硼硅3.3玻璃，其特点是高透过、高抗机械冲击强度和耐水、酸碱性能，低线性膨胀系数等，金属封接环为不锈钢材料。一方面，通过精密加工、表面处理等方法调整金属封接环的结构参数、应力状态；另一方面，优化熔封工艺条件和后期处理技术，从而实现硼硅玻璃与金属封接环直接熔封。玻璃金属封接处牢固，可承受450°C缓变高温和200°C急速热冲击，漏率小于＜1X10-11Pam3/s；（2）匹配封接，自主开发设计玻璃窑炉，开发出硼硅5.0玻璃做为罩玻璃管，金属封接环为可伐合金。硼硅5.0玻璃兼具硼硅3.3玻璃的高透过、高抗机械冲击强度和耐水、酸碱性能和高温环境下的低放气量，又具有与金属匹配的线性膨胀系数，可实现金属-玻璃匹配封接，从而大大降低封接难度。2.2.3真空维持性能通过研究高温环境下材料的出气特性及残余气体成分分析，对高温吸气材料进行吸气量、吸气速率检测和筛选，理论分析计算并结合试验确定高温真空太阳集热管排气工艺、吸气剂的用量及激活工艺。排气后真空度＜5X10-3Pa，经450C〜500C高温环境试验1000h，真空度＜5X10-2Pa，且各性能无明显衰减。2.3高温真空太阳集热管结构图（略）注：1-金属吸热管；2-高温太阳选择性吸收涂层；3-真空夹层；4-罩玻璃管（硼硅3.3玻璃）；5-增透膜涂层；6-新型吸气剂；7-特效吸气剂；8-玻璃金属封接环；9-波纹管；10-吸气剂环；11-排气尾嘴；12/13-法兰。3结论2021年7月21日在力诺集团总部举行的中温太阳能真空集热管科技成果鉴定会，由中国工程院三位院士参与组成的鉴定专家组对该项产品给予了高度评价，鉴定委员会专家一致认为：“该成果具有多项创新，填补了全玻璃真空太阳集热管和集热器150C温区的技术空白，达到了国际领先水平”。中温太阳能真空集热管的研制成功将极大地拓展了太阳能光热利用领域，引领太阳能由低温热水应用时代迈入热能应用时代，为国内外中温热利用技术的发展奠定了基础。同时力诺光热集团与清华大学在高温真空太阳集热管的研发也已取得突破性进展，已研制出高温真空太阳集热管，其高温膜层、玻璃金属封接、真空维持性能等关键技术进行了深入研究，且高温真空太阳集热管项目即将在力诺科技园开工建设，该生产线配套德国JSJ玻璃窑炉、德国劳赫等离子减反射设备、玻璃金属封接系统、总装车床、镀膜机、排气系统等生产设备和检测仪器设备。计划2021年底试产，2021年可实现年产5万支高温真空太阳集热管的产能。届时，力诺光热将成为国内首个规模化生产高温真空太阳集热管的太阳能企业，这必将进一步推动整个太阳能热利用行业的快速提升。2009年11月26日国家正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，到2021年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%--45%，非化石能源占一次能源消费比例15%左右。这将意味着国家将在新能源、可再生能源领域投入更大的支持，太阳能热利用的研究是开发和利用新能源的重要手段。我们研究太阳能中高温应用技术，其目的就是扩大太阳能应用范围，积极响应国家