太陽能中高溫?zé)崂眉夹g(shù)的研究與應(yīng)用

摘要 太陽能中高溫技術(shù)是我國(guó)太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。山東力諾瑞特光熱集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“力諾”）作為太陽能熱利用行業(yè)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)，在太陽能中溫領(lǐng)域太陽能空調(diào)和太陽能鍋爐的研發(fā)以高溫領(lǐng)域太陽能熱發(fā)電核心技術(shù)方面均取得了一定的進(jìn)展。 　　0 前言 　　太陽能熱利用按工作溫度普遍劃分為3個(gè)領(lǐng)域：其中80℃以下為低溫領(lǐng)域，80℃~250℃為中溫領(lǐng)域，250℃~800℃為高溫領(lǐng)域。低溫領(lǐng)域熱利用技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)比較成熟，主要提供生活用水，其產(chǎn)品以平板型或真空管型太陽能集熱器為主；中溫領(lǐng)域熱利用技術(shù)可用于區(qū)域性建筑供暖、空調(diào)制冷、海水淡化及部分工業(yè)用熱等，可以說是目前太陽能熱利用發(fā)展?jié)摿ψ畲笄矣猛咀顝V的一項(xiàng)技術(shù)，也是有效解決目前能源短缺、環(huán)境污染、全球變暖的有效途徑之一。 　　高溫領(lǐng)域，主要為太陽能熱發(fā)電技術(shù)。太陽能熱發(fā)電技術(shù)是通過反射鏡將太陽光匯聚到太陽能收集裝置，利用太陽能加熱收集裝置內(nèi)的傳熱工質(zhì)，再通過換熱，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽能熱發(fā)電有槽式、塔式和碟式3種系統(tǒng)，其中槽式在國(guó)外已大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，技術(shù)較為成熟。槽式系統(tǒng)太陽能集熱管結(jié)構(gòu)方式為玻璃-金屬封接式太陽能集熱管，采用太陽能取代傳統(tǒng)的化石燃料，減少污染物排放，是一項(xiàng)清潔能源的發(fā)電技術(shù)。表1為太陽能中溫應(yīng)用領(lǐng)域，圖2為高溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)。 表1 太陽能中溫應(yīng)用領(lǐng)域 圖1 高溫?zé)岚l(fā)電技術(shù) 　　1 太陽能中溫領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 　　為滿足太陽能中溫應(yīng)用的需求，為低碳經(jīng)濟(jì)作出更大貢獻(xiàn)，力諾聯(lián)合清華大學(xué)共同開發(fā)出一種全玻璃中溫應(yīng)用新產(chǎn)品——中溫太陽能真空集熱管，該產(chǎn)品以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的鈦金涂層作為膜層材料，其當(dāng)前應(yīng)用溫度為80℃~160℃，并且采用特殊的真空維持技術(shù)，解決了全玻璃真空集熱管長(zhǎng)期在高溫下工作的真空維持問題。該產(chǎn)品具有熱效高、耐高溫、抗衰減、壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，標(biāo)志著太陽能由低溫?zé)崴畱?yīng)用時(shí)代邁入熱能應(yīng)用時(shí)代，為國(guó)內(nèi)外中溫?zé)崂眉夹g(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 　　為提高太陽能使用溫度，擴(kuò)大太陽能應(yīng)用范圍，提高太陽能集熱器熱性能，延長(zhǎng)太陽能集熱器使用壽命，力諾開發(fā)出一種新產(chǎn)品——中溫太陽能集熱器。該太陽能集熱器采用中溫太陽能真空集熱管、無機(jī)熱管和非跟蹤聚光技術(shù)，可在150℃環(huán)境下工作，具有集熱效率高、使用壽命長(zhǎng)和成本較低等特點(diǎn)，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為太陽能在空調(diào)制冷、海水淡化、工業(yè)用熱、農(nóng)業(yè)烘干等領(lǐng)域的工程化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化奠定了基礎(chǔ)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。 　　力諾在工業(yè)上的中溫應(yīng)用取得了較大的發(fā)展和突破，其開發(fā)的全球首座CPC中溫太陽能工業(yè)熱力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)原有10t鍋爐10%以上的能源替代。同時(shí)，力諾建設(shè)的國(guó)內(nèi)首個(gè)太陽能中溫?zé)崂妹裼檬痉豆こ?ldquo;低碳館”，實(shí)現(xiàn)了突破性的發(fā)展。力諾還在原有示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，積極開展了太陽能中溫應(yīng)用的推廣工作，主要針對(duì)太陽能空調(diào)和太陽能鍋爐系統(tǒng)領(lǐng)域，其中太陽能鍋爐系統(tǒng)已經(jīng)普遍推廣。 　　1.1太陽能空調(diào) 　　正在建設(shè)的“中溫CPC太陽能集熱器與單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽能空調(diào)系統(tǒng)”中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以通過對(duì)閥門和水泵的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同季節(jié)和不同工況模式下的自動(dòng)切換。系統(tǒng)在全年的運(yùn)行中根據(jù)建筑對(duì)制冷、采暖和熱水的不同需求可以分為夏季、冬季和過渡季節(jié)：夏季以制冷為主，冬季以采暖為主，而建筑對(duì)生活熱水的需要?jiǎng)t貫穿一年四季之中。而根據(jù)太陽日照的好壞，系統(tǒng)的工作模式又可以分為“全太陽能”、“太陽能+輔助電加熱”和“熱泵”3種。 　　夏季太陽輻射能量增加，使依靠太陽能來驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)可以產(chǎn)生更多的冷量。太陽能空調(diào)的制冷能力，隨著太陽輻射能量的增加而增大，這正好與夏季人們對(duì)空調(diào)的迫切需求相匹配。冬天該系統(tǒng)可以作為采暖使用，減少對(duì)煤炭的使用及對(duì)環(huán)境的污染。該系統(tǒng)日?？商峁崴?，供淋浴等使用。圖2為太陽能空調(diào)系統(tǒng)原理圖，圖3為安裝效果圖。 圖2 太陽能空調(diào)系統(tǒng)原理 圖3 安裝效果圖 　　1.2太陽能鍋爐 　　我國(guó)是世界鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國(guó)家，鍋爐數(shù)量約50多萬臺(tái)，80%左右為燃煤鍋爐，耗煤量占全國(guó)煤碳產(chǎn)量的1/3，燃燒效率很低，僅有45％~70％，其中有一半以上是效率更低的小鍋爐。如何降低耗能最大的工業(yè)用化石燃料的使用，成為解決現(xiàn)狀的有效途徑，力諾開發(fā)的中溫太陽能集熱器填補(bǔ)了此項(xiàng)空白，使太陽能應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域成為可能。圖4和圖5都為太陽能鍋爐方案。 圖4  太陽能鍋爐方案圖1   圖5太陽能鍋爐方案圖2 　　該系統(tǒng)主要用于用氣量不連續(xù)、用氣量較小的低壓低溫蒸汽場(chǎng)所，采用兩個(gè)閉式承壓系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)工作介質(zhì)流經(jīng)集熱系統(tǒng)時(shí)，吸收太陽能的熱量使其溫度升高，利用自然對(duì)流或采用循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)至蒸汽發(fā)生器內(nèi)，通過內(nèi)部的換熱器將熱量釋放到內(nèi)部的水中；溫度降低后再循環(huán)至太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行二次加熱，往復(fù)將熱量輸送到蒸汽發(fā)生包內(nèi)。內(nèi)部的水接受熱量后溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到飽和后，開式汽化，隨著熱量的進(jìn)入，汽化量也越來越大，達(dá)到供應(yīng)蒸汽的目的。 　　系統(tǒng)制作成本較低，系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，無需考慮系統(tǒng)壓力問題，由于采用了直接加熱方式效率高，全年均能正常運(yùn)行，保溫效果好。 　　2太陽能熱發(fā)電核心技術(shù) 　　槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是將多個(gè)槽式拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，將陽光聚焦到位于焦點(diǎn)處的高溫發(fā)電管上，流經(jīng)高溫發(fā)電管的傳熱工質(zhì)獲得能量后直接或者間接的產(chǎn)生高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該技術(shù)具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電，是目前最成熟的大規(guī)模商業(yè)化太陽能熱發(fā)電技術(shù)。 　　槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是高溫真空太陽能集熱管，其由覆蓋有選擇性吸收涂層的不銹鋼管、罩玻璃管、波紋管等部件組成，圖6為高溫真空太陽能集熱管結(jié)構(gòu)。罩玻璃管與不銹鋼管之間抽成真空，減少集熱管熱損同時(shí)防止不銹鋼管外的選擇性吸收膜層氧化。單根集熱管的長(zhǎng)約4000mm左右，不銹鋼吸熱管外徑70mm，罩玻璃管外徑125mm。 1—金屬吸熱管；2—高溫太陽選擇性吸收涂層；3—真空夾層；4—罩玻璃管；5—增透膜涂層；6—吸氣劑；7—非蒸散吸氣劑；8—玻璃金屬封接環(huán)；9—波紋管；10—排氣尾嘴 圖6 高溫真空太陽能集熱管結(jié)構(gòu)圖  　　高溫真空太陽能集熱管的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高溫太陽選擇性吸收涂層技術(shù)，玻璃與金屬的封接技術(shù)和真空維持技術(shù)。 　　2.1高溫膜層技術(shù) 　　槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中工質(zhì)溫度高達(dá)390℃~400℃，普通的太陽選擇性吸收涂層無法滿足高溫使用要求，故此力諾與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了適合高溫真空太陽能集熱管使用工況的高溫太陽選擇性吸收涂層，涂層性能優(yōu)異：吸收比≥0.95，400℃下發(fā)射比≤0.14。 　　2.2玻璃與金屬的封接技術(shù) 　　高溫真空太陽能集熱管，吸熱管采用不銹鋼管，外管采用玻璃管。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，玻璃與金屬的封接技術(shù)一直是其研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，封接技術(shù)直接影響到集熱管的壽命，熱性能，甚至是整個(gè)太陽能光熱發(fā)電廠的運(yùn)行安全和運(yùn)行成本。 　　玻璃與金屬的封接分為兩種，一種是非匹配封接，一種是匹配封接。匹配封接是指玻璃與金屬的線膨脹系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)是相近的（差值＜10%）；非匹配封接是指玻璃與金屬的線膨脹系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)差值較大（差值＞10%）。非匹配封接方式需對(duì)金屬部分進(jìn)行特殊處理，即金屬刃口的加工，最薄可達(dá)0.03mm~0.04mm，加工難度較大，玻璃與其在封接過程中金屬易變形，且封接成品強(qiáng)度較低，特別是在高溫環(huán)境下易損壞。 　　力諾研發(fā)出一種新型硼硅酸鹽玻璃，其線平均膨脹系數(shù)控制在（5.2士0.1）×10-6K-1范圍內(nèi)，與可伐合金可匹配封接。該玻璃耐候性強(qiáng)，抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度臨界值≥8J，太陽透射比≥0.92（AM1.5），玻璃環(huán)切等級(jí)不低于B級(jí)，與可伐合金潤(rùn)濕性良好，封接處能承受冷熱沖擊240℃溫差而不損壞，抗拉強(qiáng)度≥2MPa。 　　2.3真空維持技術(shù) 　　與普通太陽能集熱管相比，高溫真空太陽能集熱管無論是在產(chǎn)品組件、生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品的工作條件，均發(fā)生了翻天覆地的變化。力諾擁有十幾年普通集熱管研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并在多年前開始對(duì)該難點(diǎn)做技術(shù)儲(chǔ)備及預(yù)研工作，使得力諾在高溫真空太陽能集熱管研發(fā)中具有較大優(yōu)勢(shì)。 　　力諾通過與清華大學(xué)等高等院校和科研機(jī)構(gòu)開展深入合作，潛心研發(fā)，針對(duì)高溫真空太陽能集熱管的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，目前已經(jīng)制作出性能優(yōu)異的高溫真空太陽能集熱管，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。