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光热综述

 

1、光热发电综述

 

1.1 光热发电概述

 

能源是经济社会可持续发展的重要物质基础。既要增加国内能源有效供给,又要减少能源生产温室气体排放量,是我国能源发展的客观要求和必须面对解决的重要问题。大力发展可再生能源特别是太阳能是应对能源问题的重要措施。

太阳能光热发电是通过大量的反射镜以聚焦的方式,将太阳能直射光聚集并加热导热介质,热交换后产生高温水蒸气,再通过蒸汽轮机发电的一种可再生能源形式。其和光伏、风电等其他新能源形式相比,具有可调频、调峰、电力输出稳定、易于被电网吸纳,并可进行低成本储能,实现连续发电,以及可与传统热电站结合,形成联合发电等特点,因此更适合大规模发电。

 

1.2 光热发电的四种形式

 

目前,太阳能光热发电主要有四种技术路径,即:槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。核心原理是最大程度地用集热场吸收太阳能,将太阳能转化为热能,再利用热能产生过热蒸汽,推动传统 汽轮机进行发电。

图1 太阳能光热发电主要有四种技术路径

 

1.3 槽式光热发电是最成熟的光热发电技术

 

槽式热发电技术采用线聚焦原理,通过曲面反射镜将太阳能反射聚焦到集热管,使集热管内部的热传导介质(合成油)加热,通过热交换加热水产生高温蒸汽(400℃),推动汽轮机发电。目前,商业化成本最低、可靠性最高的是槽式热发电技术。

 

1.4 太阳能真空集热管是槽式光热电站的核心部件

 

真空集热管是槽式光热电站的核心部件,负责将太阳光能转换为热能的任务,所以真空管的光热转换效率,直接影响到电站的运营和收益!

 

1.5 太阳能真空集热管的关键技术

 

1)高温太阳能选择性吸收涂层

集热管的吸热涂层结构包含:红外反射层、干涉吸收层以及减反层。红外发射层是阻止高温工作是的红外辐射能量损失;减反层是为了提高光线的透过率,吸收层是实现对太阳光能量更好的吸收。早期应用的高温涂层是由澳大利亚专家提出的金属-陶瓷涂层,但是由于高温下金属原子在陶瓷中的扩散,导致涂层的结构及性能产生很大的改变,从而降低集热管的光热转换效率。

 

2)金属玻璃封接 

真空太阳能集热管主要由金属管和玻璃管组成,因此金属与玻璃的封接处是集热管的薄弱环节。封接的可靠性,直接影响到集热管产品的真空稳定性。如果该处发生真空泄漏,将增大集热管的热量损失,从而降低集热管的光热转换效率。

玻璃与金属的封接一般分为匹配封接、非匹配封接和过渡封接。匹配封接是将膨胀系数相近的玻璃与金属封接在一起的工艺。因为玻璃与金属线膨胀系数差值较小,所以可以大大降低封接处的结构应力,从而提升产品真空稳定性。非匹配封接和过渡封接采用的金属和玻璃的膨胀系数相差较大,封接处的结构应力无法消除,长期使用不稳定。

 

3)玻璃管增透膜

玻璃管的内外壁的增透膜将进一步提升太阳光透过率,从而提升集热管的光热转换效率。

 

2、天瑞星集热管产品介绍

 

天瑞星公司依托中国航天科技集团公司已在上述领域积累了大量先进技术,通过实施工艺研发专项,全面提升高温太阳能集热管的主要性能,在膜层均匀性和高温稳定性、长寿命、可靠性方面取得长足进展,增强了产品的竞争力。

 

图2 天瑞星神舟集热管TRX70-125结构

 

2.1天瑞星集热管关键技术

 

1)航天双陶瓷技术,长寿命光热转化涂层

公司从2000年开始进入集热管生产领域,2005年公司开始研究并成功开发,新一代双陶瓷高温光热转换涂层。

根据研究结果表明,金属+陶瓷体系的涂层在高温条件下界面和微观结构都会发生变化,层内金属原子会发生聚集和迁移(见图1),对涂层在800℃下进行真空退火5 h,观察退火前后的表面形貌变化,退火前表面形貌为团状结构,每个团状颗粒由大量细小颗粒组成,形成致密结构。退火后,主要从陶瓷晶界渗出不规则的金属原子的晶粒,说明金属原子已经扩散和渗透到了陶瓷晶界表面,从图中可以看出,金属原子在退火后已经渗透到陶瓷成分的晶界表面了,导致涂层原本的成分和结构发生了很大的改变,而这一改变也导致了涂层的光学性能的衰变。

而双陶瓷结构的涂层将会大大改善这一现象,主要原因就是涂层中的单个金属原子数量相较于金属+陶瓷结构而言大大减少,也就不会导致高温下涂层的结构及成分的巨大改变,高温下的光学性能因此会更加稳定,这一点通过过热老化试验的数据已经得到验证。

图3 金属+陶瓷涂层退火前后表面结构图

因此,根据研究成果以及长期的试验论证,双陶瓷涂层在高温下的表现明显优于金属+陶瓷结构,而且目前国内外也只有天瑞星公司的集热管产品采用这种双陶瓷结构。该核心技术已申请了发明专利的保护。

 

2)航天级金属—玻璃匹配封接

天瑞星公司采用膨胀系数均为5.0*10-6/K的特种硅硼玻璃与可伐合金匹配熔封直接封接,玻璃浸润深度为3-10mm,浸润层颜色为鼠灰色,退火后的残余应力为浅蓝色。产品可以实现自动化生产,具有可靠性高,工作寿命长,抵抗冷热冲击能力强等特点。封接样品见图4。

 

图4 封接样品

 

天瑞星采用的金属—玻璃匹配封接技术是目前最先进也是可靠的封接技术,而自主研发的封接工艺也经受住了极端气候条件的考验,而此项关键技术也是集热管长寿命的最基本的保障。

 

3)玻璃管专用太阳能增透涂层

玻璃管的透射率会直接影响集热管的光学效率,由于玻璃管本身的透光率较低,根据选择玻璃材质的不同,透射率会在90~92%之间,因此需要在玻璃管内外表面镀制增透膜来进一步增加太阳光的透过率,天瑞星公司研制的专用太阳能增透膜,具有膜层附着力强、耐磨性及耐候性高的特点。

 

2.2天瑞星集热管型号及技术参数

    1)TRX70-125

   

   

2)TRX102-150

   

 

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