太阳能中高温热利用技术的研究与应用

摘要 太阳能中高温技术是我国太阳能热利用技术发展的重点。山东力诺瑞特光热集团（以下简称“力诺”）作为太阳能热利用行业研发实力较强的企业，在太阳能中温领域太阳能空调和太阳能锅炉的研发以高温领域太阳能热发电核心技术方面均取得了一定的进展。 　　0 前言 　　太阳能热利用按工作温度普遍划分为3个领域：其中80℃以下为低温领域，80℃~250℃为中温领域，250℃~800℃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，其产品以平板型或真空管型太阳能集热器为主；中温领域热利用技术可用于区域性建筑供暖、空调制冷、海水淡化及部分工业用热等，可以说是目前太阳能热利用发展潜力最大且用途最广的一项技术，也是有效解决目前能源短缺、环境污染、全球变暖的有效途径之一。 　　高温领域，主要为太阳能热发电技术。太阳能热发电技术是通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热工质，再通过换热，产生蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。太阳能热发电有槽式、塔式和碟式3种系统，其中槽式在国外已大规模商业应用，技术较为成熟。槽式系统太阳能集热管结构方式为玻璃-金属封接式太阳能集热管，采用太阳能取代传统的化石燃料，减少污染物排放，是一项清洁能源的发电技术。表1为太阳能中温应用领域，图2为高温热发电技术。 表1 太阳能中温应用领域 图1 高温热发电技术 　　1 太阳能中温领域的研究现状 　　为满足太阳能中温应用的需求，为低碳经济作出更大贡献，力诺联合清华大学共同开发出一种全玻璃中温应用新产品——中温太阳能真空集热管，该产品以达到国际先进水平的钛金涂层作为膜层材料，其当前应用温度为80℃~160℃，并且采用特殊的真空维持技术，解决了全玻璃真空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、性价比高等特点，标志着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。 　　为提高太阳能使用温度，扩大太阳能应用范围，提高太阳能集热器热性能，延长太阳能集热器使用寿命，力诺开发出一种新产品——中温太阳能集热器。该太阳能集热器采用中温太阳能真空集热管、无机热管和非跟踪聚光技术，可在150℃环境下工作，具有集热效率高、使用寿命长和成本较低等特点，技术水平达到国际领先水平，为太阳能在空调制冷、海水淡化、工业用热、农业烘干等领域的工程化、产业规模化奠定了基础，具有十分广阔的发展前景。 　　力诺在工业上的中温应用取得了较大的发展和突破，其开发的全球首座CPC中温太阳能工业热力系统可实现原有10t锅炉10%以上的能源替代。同时，力诺建设的国内首个太阳能中温热利用民用示范工程“低碳馆”，实现了突破性的发展。力诺还在原有示范项目的基础上，积极开展了太阳能中温应用的推广工作，主要针对太阳能空调和太阳能锅炉系统领域，其中太阳能锅炉系统已经普遍推广。 　　1.1太阳能空调 　　正在建设的“中温CPC太阳能集热器与单效溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调系统”中所设计的系统可以通过对阀门和水泵的开关，实现系统在不同季节和不同工况模式下的自动切换。系统在全年的运行中根据建筑对制冷、采暖和热水的不同需求可以分为夏季、冬季和过渡季节：夏季以制冷为主，冬季以采暖为主，而建筑对生活热水的需要则贯穿一年四季之中。而根据太阳日照的好坏，系统的工作模式又可以分为“全太阳能”、“太阳能+辅助电加热”和“热泵”3种。 　　夏季太阳辐射能量增加，使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量。太阳能空调的制冷能力，随着太阳辐射能量的增加而增大，这正好与夏季人们对空调的迫切需求相匹配。冬天该系统可以作为采暖使用，减少对煤炭的使用及对环境的污染。该系统日常可提供热水，供淋浴等使用。图2为太阳能空调系统原理图，图3为安装效果图。 图2 太阳能空调系统原理 图3 安装效果图 　　1.2太阳能锅炉 　　我国是世界锅炉生产和使用最多的国家，锅炉数量约50多万台，80%左右为燃煤锅炉，耗煤量占全国煤碳产量的1/3，燃烧效率很低，仅有45％~70％，其中有一半以上是效率更低的小锅炉。如何降低耗能最大的工业用化石燃料的使用，成为解决现状的有效途径，力诺开发的中温太阳能集热器填补了此项空白，使太阳能应用在工业领域成为可能。图4和图5都为太阳能锅炉方案。 图4  太阳能锅炉方案图1   图5太阳能锅炉方案图2 　　该系统主要用于用气量不连续、用气量较小的低压低温蒸汽场所，采用两个闭式承压系统，太阳能集热系统是一个独立的闭式循环系统。当工作介质流经集热系统时，吸收太阳能的热量使其温度升高，利用自然对流或采用循环泵强制循环至蒸汽发生器内，通过内部的换热器将热量释放到内部的水中；温度降低后再循环至太阳能热水系统进行二次加热，往复将热量输送到蒸汽发生包内。内部的水接受热量后温度不断升高，当温度达到饱和后，开式汽化，随着热量的进入，汽化量也越来越大，达到供应蒸汽的目的。 　　系统制作成本较低，系统安装简单，无需考虑系统压力问题，由于采用了直接加热方式效率高，全年均能正常运行，保温效果好。 　　2太阳能热发电核心技术 　　槽式太阳能热发电技术是将多个槽式抛物面聚光集热器经过串并联的排列，将阳光聚焦到位于焦点处的高温发电管上，流经高温发电管的传热工质获得能量后直接或者间接的产生高温蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。该技术具有规模大、寿命长、成本低等优点，非常适合商业并网发电，是目前最成熟的大规模商业化太阳能热发电技术。 　　槽式太阳能热发电系统的核心部件是高温真空太阳能集热管，其由覆盖有选择性吸收涂层的不锈钢管、罩玻璃管、波纹管等部件组成，图6为高温真空太阳能集热管结构。罩玻璃管与不锈钢管之间抽成真空，减少集热管热损同时防止不锈钢管外的选择性吸收膜层氧化。单根集热管的长约4000mm左右，不锈钢吸热管外径70mm，罩玻璃管外径125mm。 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；5—增透膜涂层；6—吸气剂；7—非蒸散吸气剂；8—玻璃金属封接环；9—波纹管；10—排气尾嘴 图6 高温真空太阳能集热管结构图  　　高温真空太阳能集热管的关键技术主要包括：高温太阳选择性吸收涂层技术，玻璃与金属的封接技术和真空维持技术。 　　2.1高温膜层技术 　　槽式太阳能发电系统中工质温度高达390℃~400℃，普通的太阳选择性吸收涂层无法满足高温使用要求，故此力诺与清华大学联合研发了适合高温真空太阳能集热管使用工况的高温太阳选择性吸收涂层，涂层性能优异：吸收比≥0.95，400℃下发射比≤0.14。 　　2.2玻璃与金属的封接技术 　　高温真空太阳能集热管，吸热管采用不锈钢管，外管采用玻璃管。由于这种特殊的结构，玻璃与金属的封接技术一直是其研发中的关键技术，封接技术直接影响到集热管的寿命，热性能，甚至是整个太阳能光热发电厂的运行安全和运行成本。 　　玻璃与金属的封接分为两种，一种是非匹配封接，一种是匹配封接。匹配封接是指玻璃与金属的线膨胀系数在一定温度范围内是相近的（差值＜10%）；非匹配封接是指玻璃与金属的线膨胀系数在一定温度范围内差值较大（差值＞10%）。非匹配封接方式需对金属部分进行特殊处理，即金属刃口的加工，最薄可达0.03mm~0.04mm，加工难度较大，玻璃与其在封接过程中金属易变形，且封接成品强度较低，特别是在高温环境下易损坏。 　　力诺研发出一种新型硼硅酸盐玻璃，其线平均膨胀系数控制在（5.2士0.1）×10-6K-1范围内，与可伐合金可匹配封接。该玻璃耐候性强，抗机械冲击强度临界值≥8J，太阳透射比≥0.92（AM1.5），玻璃环切等级不低于B级，与可伐合金润湿性良好，封接处能承受冷热冲击240℃温差而不损坏，抗拉强度≥2MPa。 　　2.3真空维持技术 　　与普通太阳能集热管相比，高温真空太阳能集热管无论是在产品组件、生产工艺以及产品的工作条件，均发生了翻天覆地的变化。力诺拥有十几年普通集热管研发生产经验，并在多年前开始对该难点做技术储备及预研工作，使得力诺在高温真空太阳能集热管研发中具有较大优势。 　　力诺通过与清华大学等高等院校和科研机构开展深入合作，潜心研发，针对高温真空太阳能集热管的技术难点进行攻关，目前已经制作出性能优异的高温真空太阳能集热管，并实现了产品的批量生产。