太阳能中高温光热利用技术

太阳能中高温光热利用技术

摘要：太阳能中高温热利技术是太阳能光热利用技术的发展趋势，中温热利用可用于80℃~250℃的工农业用热等领域，高温热利用主要应用250℃~800℃的太阳能发电技术。本文主要介绍了力诺光热集团研发的中温太阳能真空集热管和高温真空太阳集热管，对其关键技术如中高温涂层、真空维持、玻璃金属封接等进行了具体介绍。该两项科研成果已得到业内专家的认可，其吸收比均高达0.96，中温太阳能真空集热管180℃时发射比仅为0.05，最高工作温度可达150℃，高温真空太阳集热管400℃发射比小于0.14，且长时间工作在400℃各性能无明显衰减，极大的拓展了太阳能光热利用领域，为中国太阳能光热产业做出了巨大的贡献。

关键词：太阳能、中高温、热利用、光热发电

引言

太阳能热利用按温度划分，目前可分为三领域：其中40℃~80℃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，其产品为平板型或真空管型集热器；中温领域热利用技术主要以提供工农业用热为主，目前较为先进的应用是空调制冷、区域建筑供暖及部分工业用热等等，国际上普遍采用平板集热器或玻璃-金属封接式集热管集热器；高温领域热利用技术主要应用是太阳能热发电，集热管结构方式为高温真空太阳集热管。目前国际光热应用发展趋势正从传统的低温热水应用逐步向中高温工业应用和热发电应用转变。

1 太阳能中高温应用国内外发展现状

1.1 太阳能中高温应用国外发展现状

目前，随着全球能源供应问题日显突出和可持续发展战略的积极推行，国际国内对太阳能中温技术的开发应用已掀起新一轮高潮。美国等工业化先进国家早在八十年代即开始了将太阳能中高温技术应用到纺织、建筑、食品加工、木材烘干等工农业生产和日常取暖、开水等方面，以获得100℃以上的热水和蒸汽。近年来，太阳能中温技术在欧美发达国家增长更加迅猛，根据欧盟委员会发布的《能源的未来：可再生能源》白皮书，到2010年，欧盟将安装1亿m2的太阳能集热器，其中太阳能供暖系统将占1900万m2。国外太阳能中温热利用技术中所使用的集热器大部分以金属—玻璃封接式集热器、平板太阳能集热器为主，其制作成本较高、制作工艺复杂且热效率较低，技术和设备工艺没有得到突破性进展，造成太阳能中温热利用技术无法形成产业规模化，只能依托在国家政府补助与颁布新能源法来强制实施。

太阳能热发电是指利用大规模阵列镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，然后结合传统汽轮发电机技术，达到发电的目的，主要有三种发电方式：塔式、碟式和槽式聚焦系统。其中槽式太阳能热发电实现了商业化运行，其主要集热部件是高温真空太阳集热管。目前高温真空太阳集热管成熟的生产技术掌握在以德国的SCHOTT和Siemens等少数公司手中，并为全球太阳能热发电工程提供核心极热部件。2009年7月启动的“欧洲沙漠行动”，堪称可再生能源领域最具野心的计划。多个欧洲财团和企业，计划在未来十年内投资4000亿，在中东及北非地区建立一系列并网的太阳能热发电站，来满足欧洲15%的电力需求，以及电站所在地的部分电力需求；西班牙的可再生能源规划中，设定了2005年~2010年装机容量500兆瓦的目标。这一目标已经提前实现。于是，西班牙部长会议在2009年11月通过决议，提出2010年~2013年太阳能热发电装机容量2440兆瓦的新目标。太阳能热发电在可再生能源发电技术中具有发电成本较低、绿色无

污染等特点，相信随着可再生能源技术的发展、应用的扩大，将有着广阔的市场前景。

1.2 太阳能中高温国内发展现状

我国对太阳能中高温集热管及其应用技术的研究起步较晚，一直局限于小型部件和材料的攻关项目，研发远远落后于一些发达国家。国际上普遍采用金属-玻璃式集热管做为太阳能中温热利用中的集热部件，使用成本较高，是制约我国太阳能中温应用的主要因素之一。力诺光热集团最新研制的中温全玻璃真空太阳集热管是由集热管发明人——清华大学殷志强教授亲自指导，由山东力诺光热集团与清华大学联合历经3年时间研发的最新产品，该产品是集热管应用的升级产品，其应用温度为80℃~150℃，彻底解决了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、寿命长等特点，标志着太阳能热水应用时代迈入热能应用时代。此产品被力诺瑞特应用于开发太阳能空调制冷、区域建筑供暖等太阳能中温应用相关技术。

太阳能高温发电技术方面，与国外对聚光太阳能热发电技术在材料、设计、工艺及理论方面进行了长达50多年的研究相比，我国太阳能热发电起步较晚。槽式太阳能热发电系统中的核心部件，如兆瓦级槽式太阳能聚光器、高温真空太阳集热管、储热单元等尚处于研发阶段。以高温真空太阳集热管为例，目前此技术处于领先地位的几家单位及企业包括清华大学、力诺光热集团、皇明、东南大学等，清华大学和力诺目前已掌握4m长高温真空太阳集热管的相关技术，成功解决了玻璃-金属非匹配封接这一技术难题，预计2010年底能完成中试。

随着国家新能源法的颁布，一些太阳能中高温应用的示范性项目相继上马，如2010年太阳能光热联盟申请的太阳能储热技术研究及大规模应用项目（科技部支撑项目），构建一个万平米级区域性太阳能供暖的示范项目；2010年4月内蒙古鄂尔多斯50MW槽式热发电项目开始招标，此项目总投资16亿元人民币。项目建成后，年可发电1.2亿度，实现产值1.8亿元，实现税收1530万元；另据科技部“十二五”规划将在5年内建成1MW槽式热发电示范项目；中国华电集团也规划在甘肃建设4×50MW槽式发电站等。

因此山东力诺光热集团有限公司制定了中温太阳能真空集热管和高温真空太阳集热管开发发展战略规划，通过建立中高温集热管技术研发平台——中高温集热管光热材料实验室来拓展全玻璃集热管的应用领域范围和研制适合国内高温发电应用的高温真空太阳集热管。以期提高国内太阳能中高温集热管生产水平，缩短与国外同行差距。

2 太阳能中高温光热利用的核心部件关键技术突破

2.1 中温太阳能真空集热管技术

目前工业上中温应用的温度范围大多集中在80℃~150℃之间，从材料承受能力上讲，全玻璃真空太阳集热管可以满足在此温度范围内的使用要求。为此，我公司与清华大学就中温涂层、增透膜技术以及真空维持技术进行深入研究，并研制开发出中温太阳能真空集热管。关键技术开发情况如下：

2.1.1 中温涂层的设计开发

在中温涂层的设计开发中，我们淘汰了含有重金属铬的不锈钢溅射材料，选用高熔点、环保型的金属钛做为磁控溅射材料，借鉴“钛金太阳集热管”的成功经验，通过大量试验调整确定了涂层工艺参数，制备出适用于中温范围（80℃~150℃）的选择性吸收涂层。