《国际太空》《卫星应用》
  
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发展航天光热技术,服务国家能源战略——天瑞星高温太阳能集热管的研发之路
 

高温太阳能集热管是太阳能热发电系统的核心部件,用于产生高温高压水蒸气(可达 400℃以上),蒸汽可以用于蒸汽发电,也可以用于工业锅炉。该产品主要由玻璃外管、金属内管、过渡连接件组成,金属管和玻璃管中间抽真空实现密闭结构。


一座 50MW 太阳能热电站的真空集热管总长度在 50km 以上,表面积达到 1.15 万m 2。国外集热管开发生产和应用已超过三十年,国内的试验、研发也经历了较长的时间,在关键技术方面也取得了一定的进展。


一、源自航天的高温集热管核心技术


高温集热管技术是多学科、多技术的集成。其光学、热学、力学及真空性能在很大程度上决定了热发电系统的效率、稳定性和寿命。而集热管的工作环境恶劣,不仅需要在高温环境下保持长期、稳定运行,还要承受冷热冲击和风沙的影响,对耐候性要求极高。高温集热管和常温真空玻璃管虽然在结构和工作原理上基本类似,但技术复杂程度则有本质的区别。国家能源局在国家能源科技发展规划中,对太阳能热发电示范工程提出了 5 项研究内容,其中,中高温太阳能集热管就占了 3 项。

通过对航天卫星热控涂层、真空获得、表面处理、精密光学等技术的孵化和应用,国内高温太阳能集热管关键技术得以突破并有了质的提升。


1.全球唯一的双陶瓷选择性吸收薄膜——卫星专用热控涂层技术转移


耐高温的高效选择性吸收涂层是利用中国航天在卫星专用热控涂层的技术储备,采用孪生磁控共溅射技术制备的全球唯一的“陶瓷 - 陶瓷”薄膜结构,有效地避免了传统“金属 - 陶瓷涂层”在高温工作环境下,金属原子在涂层内的迁移、聚集以及层与层之间的金属扩散,从而保证了在800℃以内的真空环境中或 450℃以内的大气环境中长期稳定工作,具备了耐高温、长寿命的独特品质。


2.国际领先的金属-玻璃匹配封接——卫星真空获得技术体系孵化


为保持集热管的真空状态,根据卫星真空获得的系列技术,创造性地采用热膨胀系数(-50℃~ 600℃)完全相同的可伐合金与特种硅硼玻璃材料,其特点是两种材料的膨胀系数随温度的变化曲线完全一致,可以消除金属-玻璃结合部位的玻璃应力,从而保证了在各种高温工作环境中的真空维持性能,极大地降低了集热管的破损率(图 1)。

图1 金属-玻璃匹配封接

3.专用玻璃抗反射涂层——卫星特种型材应用


通过卫星特种型材的应用,研究制备了采用溶胶 - 凝胶技术的抗反射涂层,使玻璃管拥有了高达 96% 的太阳光谱平均透射率。采用特殊的工艺和配方,提高了抗反射涂层的显微硬度,令其耐擦洗性能得到显著提高。同时,将自清洁技术应用到涂层的制备过程,使得玻璃外管具备优异的疏水耐磨性,可以在严酷的风沙环境下依旧保持着良好的太阳光透射效率。


4.全自主设计真空应用高端装备——卫星精密设备研发基础


以卫星精密设备研发、高端装备制造实力为基础,通过技术转化,全自主设计研发 43 台 / 套真空应用高端装备,具有完全的自主知识产权,成功实现在 4m 长金属管外表面镀制高温太阳能选择性吸收涂层,属于光热技术领域的机电一体化重大装备,填补了国内该领域的空白。北京天瑞星公司是目前行业内唯一既拥有大型真空镀膜设备研制核心技术,又具备开发太阳能耐高温选择性吸收涂层相关工艺的企业,拥有非常强的竞争优势。


二、打破国际垄断,建成亚洲首条规模化高温太阳能集热管生产线


作为航天卫星技术应用的前沿,北京天瑞星光热技术有限公司是专业从事中高温太阳能集热管研制、光热系统工程建设的企业,是太阳能光热事业的国家队。在经历了近二十年的发展积累,确立了国际一流集热管供应商的地位。


1.研发背景


(1)国际垄断


集热管技术自上世纪 80 年代商业应用以来,一直由以色列 Solel Solar System 公司独家掌握。德国肖特公司投入 5000 万欧元以上的研发费用,于2005 年开发出了中高温太阳能集热管,成为第二家进入该领域的公司。之后,国际市场进入肖特公司的寡头垄断格局,市场集中度高,产品供不应求。


为了保持在中高温集热管领域的垄断地位,肖特公司对中国一直采取严格的技术保密和封锁措施,在进入中国市场时,附带较为苛刻的附加条件,要求中国客户采购其整体系统。不仅价格昂贵,还严重影响我国光热发电产业化的国产化率,制约我国太阳能新能源行业的健康发展。我国要发展中高温太阳能集热管产业,是无法效仿光伏和风电关键设备的技术引进或股权合作的模式,必须走自主创新和独立研发的道路。


(2)市场准入门槛高,关键生产设备和工艺均需要自主开发


由于集热管的技术特点,决定了集热管的主要生产设备如镀膜机、玻璃与金属的融封设备、除气炉等均需要自行开发设计,市场上无直接购买的标准化生产设备。


同时,光热电站对集热管的产品质量及可靠性要求极高,需要三大国际权威检测机构(DLR、PSA、NREL)出具的检测报告,还需要有在客户的试验系统稳定的运行经验,才可大批量采购,市场准入门槛极高。


(3)集热管性能对发电效率的影响程度极大


在太阳能热电站集热效率的五个因素:系统集成技术、集热管、金属支架、反射镜、对日跟踪系统中,金属支架和对日跟踪控制的技术相对容易,门槛较低;抛物面反射镜是由高反射率的热弯钢化玻璃镜片组成,是标准化产品,其成套生产设备可以在国际上直接购买;系统集成技术主要是靠经验的积累。因此,高温太阳能集热管是集热系统中最核心的部件。其质量的优劣对电站的投资成功与否,起着至关重要的作用。根据行业测算,仅集热管的热损这一项指标,对电站的影响程度就大致为:在350℃时,热损每相差 10%,大约导致 1.2% 的光场效率的变化(负相关),影响发电量 1%。


2.研发历程


2000 年,天瑞星公司研制出中温太阳能选择性吸热涂层;2003 年,高温太阳能选择性吸收涂层研发成功,并申请发明专利;2007 年,成功研制出一套聚焦比为 30:1、集热面积 6.4m 2的小型中温太阳能蒸汽发生系统,包括 2m 长中高温太阳能真空集热管,以及第一代对日跟踪系统;2009 年,成功研制出一套聚焦比为80:1、集热面积 288m 2的中高温太阳能蒸汽发生系统,包括新一代抛物面发射镜,并解决玻璃 -金属匹配封接难题;2010 年,成功突破中高温太阳能集热管所有关键技术,达到国际先进水平,研制出 4m 长真空集热管样管,并开始着手建设中高温太阳能集热管中试生产线;2011 年,成功建成一条中高温太阳能集热管中试生产线,开始小批量生产并进行国内外推广试用;2013年,启动产业化发展之路,建设中高温太阳能集热管生产线;2014 年,亚洲首条规模化高温太阳能集热管生产线建成,经过一年的试运行、调试、改造,可实现年产10万支的批量柔性制造,满足 200MW 太阳能热电站的使用,同时产品覆盖三大系列五种型号,满足国内外所有槽式、菲涅尔式电站用管需求。

图2 天瑞星集热管研发历程

表 1 与肖特公司集热管对比

图3 权威机构检测数据

3.产品检测应用情况


(1)经权威机构测试,达到国际领先水平


通过多家国内外权威机构在疲劳、老化、耐候性等方面的测试,天瑞星公司集热管产品测试数据优异,达到国际一流的技术性能指标。


(2)远销国内外市场


经过近二十年的发展,天瑞星公司高温太阳能集热管产品已远销国际:西班牙、日本、澳大利亚、印度、埃及、以色列、塞浦路斯、南美等国家。作为全球最大的太阳能热发电国家,西班牙的国家电力集团Elecnor (最大的光热电站业主)、OHL 集团(西班牙最大的建设公司)均已采购天瑞星集热管产品。


目前,我国太阳能热发电产业正处于商业化示范积累阶段。国家能源局在 2015- 2018 年期间,将组织国家首轮示范项目(20 个,总计装机容量 134.9 万kW)的建设,以攻克关键技术装备,形成完整的产业链和系统集成能力。截至 2016 年底,天瑞星公司成为国内唯一取得国家示范项目规模化合同订单的集热管供应商。

三、结束语


充分利用和开发新能源,已成为全球能源转型及实现应对气候变化目标的重大战略举措。作为新能源体系的重要组成部分,太阳能光热产业的发展,既符合国家建设清洁、低碳、安全、高效、现代能源体系的总体要求,也为社会实现低碳减排、环境保护、绿色生活的目标开辟了全新的道路。


北京天瑞星光热技术有限公司将秉承“为国家寻求能源战略之路、为社会提供节能减排之策”的发展理念,在肩负“发展航天事业、建设航天强国”重任的同时,将充分利用并发挥航天技术和资源优势,为推动我国太阳能光热应用事业健康快速的发展贡献一份航天力量。