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槽式太阳能真空集热管研发的关键技术

2017-10-12  来源:互联网      槽式  真空集热管  光热发电   

截至2016年底,全球已投运的光热电站总装机量已超过5GW,其中约80%采用了槽式技术路线。在国家能源局首批正在推进的20个光热示范项目中,采用槽式技术路线的就有7个,这也是目前商业化验证程度最高的光热发电技术。槽式高温集热管是槽式热发电系统中从光到热转换的最为核心的部件,其性能和质量决定了整个槽式太阳能热发电系统的发电效率和运行维护成本。美国建造的9座槽式光热发电站(SEGS)已经商业运行20多年,根据最近的槽式光热发电站运行统计数据,每年平均有3.4%真空集热管发生失效,其失效主要包括玻璃与金属封接处损坏、真空损失和膜层老化。

本文作者从槽式太阳能热发电系统的工作原理出发,对集热管的结构、功能进行论述,提出了制约当前集热管发展的关键技术难点,并对今后的开展具有自主知识产权的槽式高温集热管技术研发及其产业化发展进行了总结。

一、 槽式太阳能热发电系统分析

1、槽式太阳能热发电系统工作原理

通过将多个抛物面槽式聚光器(如图1所示)经过串并联排列,利用可跟踪太阳的抛物面反射镜,将太阳入射光反射聚焦在位于焦线的式高温集热管上,利用其金属内管表面涂覆的选择性吸收膜吸收太阳光加热管内工质,在被充分加热后,管内工质流动通过多个热转换装置产生蒸汽,蒸汽中的能量通过Rankine循环的汽轮机装置转化为电能。而加热蒸汽后,管内传热工质回流到槽式热发电系统中循环利用。

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图 1:槽式集热器

槽式太阳能热发电技术的核心部件就是高温集热管。该集热管由涂覆选择性吸收膜的金属内管和玻璃外管组成。玻璃外管内外壁都涂有增透膜涂层来减少玻璃管表面的光线反射损失,玻璃外管与金属内管之间抽真空减少热损失和防止选择性吸收膜氧化。单根集热管长约4m左右,金属内管外径为70mm,玻璃外管外径在115-125mm,由于金属内管与玻璃外管的膨胀系数不同和运行时受热强度不同,需要采用耐高温的玻璃与金属封接来保证气密性连接和利用金属波纹管来缓解金属内管和玻璃外管之间的纵向热膨胀差。为了保证集热管的真空度,在玻璃外管与金属内管之间放置维持真空的吸气剂。另外,为了避免集热管中玻璃与金属封接处受到聚光照射,在集热管内安装一遮光反射罩,既阻挡了聚光照射又能将光线反射到金属内管上。

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图 2:典型的槽式高温集热管

2、槽式高温集热管主要结构及功能

(1)玻璃外管

玻璃外管的太阳透光率是光热转化的关键因素之一,硼硅玻璃的透光率一般在92%左右。为了提高透光率,减少菲涅尔反射损失,一般需在玻璃管内外沉积减反射膜,使透光率增加到95%以上。

一般采用高硼硅玻璃,如Pyrex玻璃等,但该玻璃的膨胀系数为3.3×10-6/K,硬度高,光学性能好,耐酸碱腐蚀,非常适合应用于高温真空集热管中,但缺点是没有与之匹配的金属进行封接;由于软化温度在820℃左右,封接操作温度要求很高。

金属内管受热不均匀时会发生弯曲以及真空空间需求,玻璃外管直径不能太小,考虑到生产成本和集热效率等因素,目前玻璃管外径为115-125mm,壁厚3mm。

(2)金属内管

金属内管是槽式高温集热管的吸热部件,金属管外径在满足聚光器的光学和热学要求的基础上,尽可能减少材料的使用以降低成本。金属内管的外径应大于槽式聚光器光斑带的宽度,在理想状态下,零入射角的平行入射光会聚焦到金属内管的轴线上,但由于聚光器的加工精度、跟踪精度及冷热变形等问题,金属内管的截光率一般在95%左右。

管径越大的金属内管对整个聚光器的光学误差具有更好的适应性,但金属内管的外径越大,聚光比越小,影响集热管所能达到的最高温度。同时,增大管径也会增加生产成本。因此,对于开口宽度为5-6m的槽式聚光器,金属内管的直径一般为70mm左右,标准长度为4060mm。

减小金属内管与导热流体的温差有助于提高流体的温度,降低热损失,因此金属内管材料必须具有优越的导热性能。减小管径和管壁厚度可提高传热效果,但是减小管径会增大聚光光学误差,而减小壁厚则无法承受管内导热流体的高压。选用有机导热油(如Therminol VP-1 或Dowtherm A)作为导热流体时,管内承受的压力较小,金属内管的壁厚可为2-3mm,而当选用水作为导热流体时,金属内管需承受10MPa的压力,壁厚需要增加到6mm。

选用槽式高温集热管的金属内管材料时,还需要考虑到材料结构强度、耐腐蚀性、真空性能、焊接安装方便性以及成本等因素,常用的有321H、316L和304L等。

(3)封接过渡件

封接过渡件一端与玻璃外管通过熔封方式连接,另一端与波纹管焊接,主要是解决波纹管和玻璃外管膨胀系数不一致的问题而选择的一种封接合金,因此其膨胀系数与玻璃外管的膨胀系数应尽可能一致,进行匹配封接,否则需使用非匹配豪斯基伯封接方式,但其封接强度和可靠性会大大减弱。

(4)波纹管

波纹管主要作用是用于金属内管与玻璃管进行膨胀补偿,波纹管需要有较好的柔韧性、拉伸疲劳强度和寿命,耐高温和酸碱腐蚀。波纹管的长度尽可能要短以增加集热管的有限聚光长度。波纹管成型后壁厚较薄,一般在0.3mm左右,是集热管的另一个薄弱环节,影响集热管的寿命。

波纹管大体上分为无缝波纹管和焊接波纹管。无缝波纹管按截面形状可分为U形、C形、Ω形、V形和阶梯形。U形、C形波纹管在液压成型后不需要整形或稍加整形后即可使用,其刚度较大,灵敏度高。焊接波纹管焊缝较多,成本高,但刚度小。集热管中为了保证真空和耐腐蚀,大多采用耐高温和耐腐蚀316L不锈钢液压成型波纹管。波纹管的寿命和工作位移、压力、温度、受力频率及冲击震动等使用情况有很大关系。

波纹管由于要与金属内管和封接金属焊接,其外径和通径的选择与封接金属和金属内管的直径有关。按照集热管中金属内管和玻璃外管的膨胀系数与使用温度的关系可以确定波纹管需要缓解的位移量,一般在13mm左右(400℃),根据波纹的刚度选择波纹管的波数。

(5)吸气剂

为了维持槽式高温集热管内的真空度,在管内都装有可以吸收管内残余气体的吸气剂。吸气剂大致分为两大系列:蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂。蒸散型吸气剂是一种在蒸散时和蒸散成膜后能吸气的吸气金属材料,以钡、锶、镁、钙为主体材料,常用的有钡铝镍吸气剂和掺氮吸气剂等[11]。非蒸散型吸气剂是不需要把吸气金属蒸散出来,通过对吸气金属表面激活使其具有吸气能力的吸气剂,其成分主要由锆、钛、钍以及它们的铝合金所组成,常用的有锆铝16、锆钒铁和锆石墨等。

在选择吸气剂时,吸气剂本身应易于去气,具有较高的吸气能力,并能牢固地保持所吸收的气体,其激活温度要高于集热管高温排气时的温度。由于集热管真空中最大的威胁是氢气,需要吸气剂具有较强的氢吸收能力。同时也考虑集热管设计的使用寿命,从而选择足够数量的吸气剂。

在槽式高温集热管内,一般既装有非蒸散型吸气剂,也装有蒸散型吸气剂。其中,非蒸散型吸气剂的安装量比较多,主要用来吸收集热管内的残余气体,而蒸散型吸气剂的量比较少,主要作用是通过观察蒸散膜的颜色,判断集热管的真空是否失效,当蒸散膜由银色变为白色之后,说明集热管的真空已经失效。

(6)选择性吸收膜层

在槽式高温集热管的金属内管外表面镀有选择性吸收涂层,以提高集热管的吸热效率。选择性吸收膜层的优劣直接影响着槽式太阳能热发电的效率,在高温下要有高吸收率和低发射率,一般要求温度在400℃时,吸收率不低于95%,发射率小于14% 。

太阳能选择性吸收涂层的制备方法主要是电化学沉积法(电镀和阳极氧化法)、气相沉积法(物理气相沉积PVD化学气相沉积法CVD)等。

(7)增透膜

为了增加透过率,减少菲涅耳反射损失,在玻璃管内外沉积可见光段的增透薄膜材料(AR),要求其有较好的耐磨性能和高透光率,在高温集热管内外表面外镀的增透膜,目前应用较多的主要材料为二氧化钛。

(8)真空

高温集热管的热性能和寿命都取决于集热管中的真空度,如果集热管的真空被破坏,不仅热损失将急剧增大,而且选择性吸收膜由于氧化而性能衰减,最终造成集热管的热效率严重降低。集热管的真空度必须低于Knudsen气体导热范围,减少玻璃管与金属管环形空间内的对流损失,要求不得低于0.013Pa。

槽式太阳能热发电系统中,高温集热管的金属内管的温度始终处于300℃以上,材料自身存在大量的气体由于高温不断析出,造成集热管真空失效,因此,高温集热管一般在制作过程中需要长时间、至少400℃以上的高温排气过程,尽可能多地排除材料自身体内的气体,以确保高温集热管具有较长的真空寿命。

(9)遮光罩

在槽式电站中,集热器采用南北放置,这样可以提高全年平均发电效率。但是集热管南北放置时反射聚焦的高温太阳光倾斜的照射到封接处,造成封接处较大热应力,易使玻璃与金属封接失效,因此需要采用遮光罩将光线遮挡的同时又能将光线反射到金属内管上,增加热效率。一般采用反光性好的薄壁材料制成。

二、槽式太阳能热发电系统的关键技术环节

1 、玻璃与金属封接技术

玻璃与金属封接工艺主要包括探索新型玻璃与金属封接材料,研究材料膨胀系数、匹配和不匹配的玻璃与金属封接技术,测试封接应力、可靠性和气密性,完成封接结构设计和优化,研究出金属与玻璃批量化封接工艺技术及设备。

槽式高温集热管中一般内管采用不锈钢材料,外管为透光性和耐候性较好的玻璃材料,如硼硅玻璃。两者膨胀系数相差较大,硼硅玻璃膨胀系数约为3.3×10-6/C,而不锈钢材料约为17×10-6/C。为实现槽式高温集热管的真空密封和相互连接,高可靠的玻璃-金属封接技术成为限制我国槽式高温集热管研发的瓶颈。

国际上拥有槽式高温集热管制作技术的三家企业,德国Siemens公司和意大利的Archimede公司都采用“Housekeeper”封接方法,将与玻璃膨胀系数相差较大的不锈钢边缘制作出薄壁刀口插入到玻璃管壁内形成非匹配封接,该方法由于硼硅玻璃与不锈钢膨胀系数相差过大,对金属封接件薄壁机械加工和封接技术要求极高,槽式高温集热管封接合格率较低,实际运行容易发生封接失效。而德国Schott公司通过调整玻璃原料配方改变玻璃膨胀系数,该玻璃由原来膨胀系数为3.3×10-6/C的高硼硅玻璃改为热膨胀系数5.0×10-6/C硼硅玻璃,使其与封接合金的膨胀系数较为接近,实现了玻璃与金属的匹配封接。这种匹配封接方法可靠性较好,但是调整玻璃原料配方成本和技术要求较高。我国有关科研单位曾采用低温压力封接的方法:在较低的温度下,在槽式高温集热管的玻璃端面与金属端面之间加入铅基焊料,适当加压使玻璃-焊料-金属封接在一起。由于铅基焊料熔点较低(~300C),采用该技术制作的槽式高温集热管最高工作温度在300C左右。

2、太阳选择性吸收涂层材料研制与制备技术

太阳选择性吸收涂层材料的关键指标为高吸收比、低发射比、稳定性好,涂层的稳定性直接决定着太阳能热发电系统的集热效率。目前高温选择性吸收涂层的机理、材料等基础性研究已比较深入,国内外研究单位都普遍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。其中涂层的金属材料涉及Mo、W、Ni、Pt、Cu、Al、Au及不锈钢等,介质材料采用低折射率的Al、Si氮氧化物,金属颗粒的热稳定性决定了涂层的最高工作温度,介质薄膜的镀膜方式影响涂层的制作成本。Schott公司和Siemens公司都实现了大面积钢管镀膜工艺和生产线制作,400℃时膜层吸收比达到了95%,而发射比低于14%。

3、真空获得与维持技术

为保证真空集热管的性能,要求内外管之间在高温条件下处于真空状态。一般采用排气来获得集热管的真空,真空维持技术主要涉及材料的真空预处理与吸气剂的合理选用。低温真空集热管,工作温度在100C左右,通常只需要在400C条件下对集热管进行真空去气,采用钡蒸散型吸气剂维持真空。而所涉及的高温真空集热管,工作温度达到400C,因此对真空预处理和吸气剂的性能提出更高的要求。根据真空原理,真空材料的出气量随绝对温度指数增长,而槽式太阳能真空集热管长期处于400℃的高温工作状态,对集热管真空获得和维持提出了更加苛刻的要求。为保持集热管真空寿命,需要在研究相关材料的高温出气性能和相关吸气剂的真空维持特性的基础上,提出可用于批量化生产的高温排气和吸气剂使用规范。

槽式高温集热管的真空性能决定了槽式热发电系统的年运行效率和发电成本。其真空获得与维持技术,主要涉及材料的真空处理与吸气剂系统设计。Siemens与Schott公司都宣称产品真空寿命可达到25年。目前国内外在高温槽式高温集热管获得与维持技术方面技术研究报道较少。

4、增透膜材料研制与制备

增透膜材料研制与制备技术主要是研究选择在大直径玻璃管涂覆SiO2膜层,解决溶胶制备、增透膜层的制备工艺等技术难题,并开发合理的镀膜前处理工艺以及溶胶-凝胶涂层的热处理工艺,实现SiO2膜层在槽式高温集热管的玻璃管镀膜,保证镀膜质量。

5、产品测试方法与测试平台研究

研究槽式高温集热管的高温热损测试标准方法,建立国际通用标准的4m槽式高温集热管的热损测试平台;研究槽式高温集热管材料出气、金属内管渗氢和吸气剂吸气机理,建立相应材料真空性能测试平台,获得槽式高温集热管真空性能及其寿命预测方法;研究选择性吸收涂层高温性能,得出膜层高温发射比测试与计算方法,探索膜层高温老化特性。

6、槽式高温集热管生产用关键设备及自动化生产线研制

研制出槽式高温集热管生产用关键专项设备,并自行设计投建槽式高温集热管自动化生产线。

7、槽式集热管实际挂机试验及系统示范

建立小型槽式集热示范,对槽式高温集热管进行实际挂机性能测试,分析其热性能及其可靠性能,并根据测试情况对相关的工艺参数进行改进。

三、总结

上文通过对槽式集热管结构功能的分析,论述了制约制约集热管制作的技术难点主要是高温选择性吸收涂层制作、高可靠性的玻璃与金属封接和真空获得与真空维持三大核心技术,以及七个关键技术包括:大玻璃与金属封接技术、太阳选择性吸收涂层材料研制与制备技术、真空获得与维持技术、增透膜材料研制与制备、产品测试方法与测试平台研究、槽式高温集热管生产用关键设备及自动化生产线研制、槽式集热管实际挂机试验及系统示范,这七个方面是国内槽式太阳能热发电集热管制作技术不断完善,成熟产品逐步迈向市场必不可缺少核心技术。(本文作者为:皇明太阳股份有限公司王杰峰、焦存柱、张粉利;中国科学院电工研究所刘宇)

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