太陽能中高溫熱利用技術的研究與使用

摘要 太陽能中高溫技術是我國太陽能熱利用技術發展的重點。山東力諾瑞特光熱集團（以下簡稱力諾）作為太陽能熱利用行業研發實力較強的企業，在太陽能中溫范疇太陽能空調和太陽能鍋爐的研發以高溫范疇太陽能熱發電核心技術方面均取得了一定的進展。

0 前言

太陽能熱利用按工作溫度普遍劃分為3個范疇：其中80℃以下為低溫范疇，80℃~250℃為中溫范疇，250℃~800℃為高溫范疇。低溫范疇熱利用技術目前國內外已經比較成熟，主要提供生活用水，其產品以平板型或真空管型太陽能集熱器為主；中溫范疇熱利用技術可用于區域性建筑供暖、空調制冷、海水淡化及部分工業用熱等，可以說是目前太陽能熱利用發展潛力最大且用途最廣的一項技術，也是有效處理目前能源短缺、環境污染、全球變暖的有效途徑之一。

高溫范疇，主要為太陽能熱發電技術。太陽能熱發電技術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的傳熱工質，再通過換熱，萌生蒸汽驅動汽輪機帶動發電機發電。太陽能熱發電有槽式、塔式和碟式3種系統，其中槽式在國外已大規模商業使用，技術較為成熟。槽式系統太陽能集熱管結構方式為玻璃-金屬封接式太陽能集熱管，采用太陽能取代傳統的化石燃料，減少污染物排放，是一項清潔能源的發電技術。表1為太陽能中溫使用范疇，圖2為高溫熱發電技術。

表1 太陽能中溫使用范疇

圖1 高溫熱發電技術

1 太陽能中溫范疇的研究現狀

為滿足太陽能中溫使用的需求，為低碳經濟作出更大貢獻，力諾聯合清華大學共同開發出一種全玻璃中溫使用新產品——中溫太陽能真空集熱管，該產品以達到國際先進水平的鈦金涂層作為膜層材料，其當前使用溫度為80℃~160℃，并且采用特殊的真空維持技術，處理了全玻璃真空集熱管長期在高溫下工作的真空維持問題。該產品具有熱效高、耐高溫、抗衰減、壽命長、性價比高等特點，標志著太陽能由低溫熱水使用時代邁入熱能使用時代，為國內外中溫熱利用技術的發展奠定了基礎。

為提高太陽能使用溫度，張大太陽能使用范圍，提高太陽能集熱器熱性能，延長太陽能集熱器使用壽命，力諾開發出一種新產品——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、無機熱管和非跟蹤聚光技術，可在150℃環境下工作，具有集熱效率高、使用壽命長和成本較低等特點，技術水平達到國際領先水平，為太陽能在空調制冷、海水淡化、工業用熱、農業烘干等范疇的工程化、產業規模化奠定了基礎，具有十分廣闊的發展前景。

力諾在工業上的中溫使用取得了較大的發展和沖破，其開發的全球首座CPC中溫太陽能工業熱力系統可實現原有10t鍋爐10%以上的能源替代。同時，力諾建設的國內首個太陽能中溫熱利用民用示范工程低碳館，實現了沖破性的發展。力諾還在原有示范項目的基礎上，積極開展了太陽能中溫使用的推廣工作，主要針對太陽能空調和太陽能鍋爐系統范疇，其中太陽能鍋爐系統已經普遍推廣。

1.1太陽能空調

正在建設的中溫CPC太陽能集熱器與單效溴化鋰吸收式制冷機相結合的太陽能空調系統中所設計的系統可以通過對閥門和水泵的開關，實現系統在不同季節和不同工況模式下的自動切換。系統在全年的運行中依據建筑對制冷、采暖和熱水的不同需求可以分為夏季、冬季和過渡季節：夏季以制冷為主，冬季以采暖為主，而建筑對生活熱水的需要則貫穿一年四時之中。而依據太陽日照的好壞，系統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，使依賴太陽能來驅動的空調系統可以萌生更多的冷量。太陽能空調的制冷能力，隨著太陽輻射能量的增加而增大，這正好與夏季人們對空調的急切需求相匹配。冬天該系統可以作為采暖使用，減少對煤炭的使用及對環境的污染。該系統日常可提供熱水，供淋浴等使用。圖2為太陽能空調系統原理圖，圖3為安裝效果圖。

圖2 太陽能空調系統原理

圖3 安裝效果圖

1.2太陽能鍋爐

我國是世界鍋爐加工和使用最多的國家，鍋爐數量約50多萬臺，80%左右為燃煤鍋爐，耗煤量占全國煤碳產量的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。要怎么樣降低耗能最大的工業用化石燃料的使用，成為處理現狀的有效途徑，力諾開發的中溫太陽能集熱器填補了此項空白，使太陽能使用在工業范疇成為可能。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

該系統主要用于用氣量不連續、用氣量較小的低壓低溫蒸汽場所，采用兩個閉式承壓系統，太陽能集熱系統是一個獨立的閉式循環系統。當工作介質流經集熱系統時，吸收太陽能的熱量使其溫度升高，利用自然對流或采用循環泵強制循環至蒸汽發生器內，通過內部的換熱器將熱量釋放到內部的水中；溫度降低后再循環至太陽能熱水系統進行二次加熱，往復將熱量輸送到蒸汽發生包內。內部的水接受熱量后溫度不斷升高，當溫度達到飽和后，開式汽化，隨著熱量的進入，汽化量也越來越大，達到供應蒸汽的目的。

系統制作成本較低，系統安裝簡單，無需考慮系統壓力問題，由于采用了筆直加熱方式效率高，全年均能正常運行，保溫效果好。

2太陽能熱發電核心技術

槽式太陽能熱發電技術是將多個槽式拋物面聚光集熱器經過串并聯的排列，將陽光聚焦到位于焦點處的高溫發電管上，流經高溫發電管的傳熱工質獲得能量后筆直或者間接的萌生高溫蒸汽驅動汽輪機帶動發電機發電。該技術具有規模大、壽命長、成本低等優勢，非常適合商業并網發電，是目前最成熟的大規模商業化太陽能熱發電技術。

槽式太陽能熱發電系統的核心部件是高溫真空太陽能集熱管，其由傾覆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構。罩玻璃管與不銹鋼管之間抽成真空，減少集熱管熱損同時戒備不銹鋼管外的選擇性吸收膜層氧化。單根集熱管的長約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；9—波紋管；10—排氣尾嘴

圖6 高溫真空太陽能集熱管結構圖

高溫真空太陽能集熱管的關鍵技術主要包括：高溫太陽選擇性吸收涂層技術，玻璃與金屬的封接技術和真空維持技術。

2.1高溫膜層技術

槽式太陽能發電系統中工質溫度高達390℃~400℃，一般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聯合研發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，涂層性能優異：吸收比≥0.95，400℃下發射比≤0.14。

2.2玻璃與金屬的封接技術

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。由于這種特殊的結構，玻璃與金屬的封接技術一直是其研發中的關鍵技術，封接技術筆直影響到集熱管的壽命，熱性能，甚至是整個太陽能光熱發電廠的運行安全和運行成本。

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在一定溫度范圍內是相似的（差值＜10%）；非匹配封接是指玻璃與金屬的線膨脹系數在一定溫度范圍內差值較大（差值＞10%）。非匹配封接方式需對金屬部分進行特殊解決，即金屬刃口的出產，最薄可達0.03mm~0.04mm，出產難度較大，玻璃與其在封接過程中金屬易變形，且封接成品強度較低，特別是在高溫環境下易損壞。

力諾研發出一種新型硼硅酸鹽玻璃，其線均勻膨脹系數控制在（5.2士0.1）×10-6K-1范圍內，與可伐合金可匹配封接。該玻璃耐候性強，抗機械沖擊強度臨界值≥8J，太陽透射比≥0.92（AM1.5），玻璃環切等級不低于B級，與可伐合金潤濕性良好，封接處能承受冷熱沖擊240℃溫差而不損壞，抗拉強度≥2MPa。

2.3真空維持技術

與一般太陽能集熱管相比，高溫真空太陽能集熱管無論是在產品組件、加工工藝以及產品的工作條件，均發生了翻天覆地的變化。力諾擁有十幾年一般集熱管研發加工經驗，并在多年前開始對該難點做技術儲備及預研工作，使得力諾在高溫真空太陽能集熱管研發中具有較大優點。

力諾通過與清華大學等高等院校和科研機構開展深入合作，潛心研發，針對高溫真空太陽能集熱管的技術難點進行攻關，目前已經制作出性能優異的高溫真空太陽能集熱管，并實現了產品的批量加工。

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