槽式太阳能热发电中的真空集热管

河海大学 南京中材天成新能源有限公司 王军 张粗明 王俊毅 陈勇 安翠攀 摘 要 ’ 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了真空集热管的结构和性能要求 比较了目前使用的两种真空集热管的结构 、 性能和应用 介绍了一种新型真空集热管 阐述我国制造真空集热管的困难和存在的问题 , 并预测了发展方向 。 关键词 太阳能 真空集热管 , 聚光器 槽式太阳能热发电中的真空集热管全名为直通 式金属一 玻璃真空集热管 , 是一根表面带有选择性 吸收涂层的金属管 吸收管 , 外套一根同心玻璃 管 , 玻璃管与金属管 通过可伐过渡 密封联接 玻 璃管与金属管夹层内抽真空以保护吸收管表面的选 择性吸收涂层 , 同时降低集热损失 。 一 真空集热管的性能要求 在槽式太阳能热发电系统中 , 槽型抛物面反射 镜为线聚焦装置 , 阳光经聚光器聚集后 , 在焦线处 成一线型光斑带 , 真空集热管放置在此光斑上 , 吸 收聚焦后的阳光 , 加热管内的工质 。 笔者在系列文 章 中曾提到 , 真空集热管的性能要求是 吸热面 的宽度要大于光斑带的宽度 , 以保证聚焦后的阳光 不溢出吸收范围 具有良好的吸收太阳光性能 在 高温下具有较低的辐射率 具有良好的导热性能 具有良好的保温性能 。 而要达到上述要求 , 真空集 热管需要解决以下五个问题 金属与玻璃之间的联 接问题 高温下的选择性吸收涂层问题 金属吸收 管与玻璃管线膨胀量不一致的问题 如何最大限度 提高集热面的问题 消除夹层内残余或产生的气体 的问题 。 金属与玻璃之间的联接问题 金属与玻璃之间的联接方式主要有 胶联接 、 密封圈联接 、 热压封联接和熔封联接等。 对于真空 集热管 , 要想长期在一定温度下保持较高的真空度 , 目前主要采用热压封联接和熔封联接 。 热压封联接 。 热压封是利用塑性较好的金 属作为焊料 , 在加压 、 加热的条件下 , 将金属封盖 和玻璃封接在一起 。 根据焊料的不同又可分为铅封 和铝封 。 热压封技术具有以下四个优点 ① 封接温度低 , 低于玻璃的应变温度 , 封接后 可以不退火 ② 封接速度快 , 封接过程在几分钟内完成 , 生 产效率高 ③ 封接材料匹配要求低 , 对金属封盖与玻璃之 间的膨胀系数的差别要求低 , 易找到替代材料 ④ 可大规模流水线生产 。 由于热压封的焊材所能承受的温度较低 , 故采 用热压封联接的真空集热管适合在低于 ℃的工 作温度下长期工作 。 温度过高 , 直接影响其寿命 , 甚 至出现漏气 。 我们曾对国内一个采用热压封的真空管进行过 竺竺竺竺笙竺生望 竺三竺里生 卫 望 · , 吧醉 恤 一点 二‘ 月封 , ‘奋沪 , 试验研究 图 , 其极限温度 ℃ , 超过这一温 度 , 管子开始漏气 , 真空受到破坏 。 之间的封接 , 封接处应力大 , 为了消除玻璃和金属 膨胀系数相差较大而产生的内应力 , 一般采用两种 方法 一是采用延展性好的薄壁金属管与玻璃封接 , 靠金属的塑性变形来消除内应力 另一种是借助一 种膨胀系数介于金属与玻璃之间的过渡材料 , 将非 匹配封接转化为匹配封接 。 目前金属与玻璃之间的 过渡材料广泛采用可伐合金 , 如 等 。 不管是匹配封接还是非匹配封接 , 一般都采用 双边封接 , 玻璃从内、 外两侧包住金属管壁 图 。 图 金属与玻璃之间的封接 我国目前普遍采用的热压封制作工艺具有许多 优点 , 制作的真空集热管性能优良 达到或超过设 计要求 , 可以应用于许多太阳能热利用场合 , 如太 阳能空调等 但对于要求集热温度超过 ℃的太 阳能中 、 高温热发电等应用领域 , 金属与玻璃的封 接需要采用熔封联接 。 熔封联接 熔封也叫火封 , 即利用火焰将玻璃熔化后 , 将 金属和玻璃封接在一起 。 根据金属与玻璃的线膨胀 系数之间差异 , 这种封接可分为匹配封接和非匹配 封接 。 匹配封接是指膨胀系数相近的玻璃和金属之间 的封接 , 封接处应力较小 。 非匹配封接指膨胀系数相差较大的玻璃和金属 高温下的选择性吸收涂层问题 太阳能选择性吸收涂层对集热器的集热效率影 响很大 , 涂层的太阳能吸收率 与涂层的热辐射率 。 比值越大 , 集热效率越高 。 反之 , 效率越低 。 一 般情况下 , 要想达到高的太阳能吸收率 并不难 , 难的是要在保持高的吸收率的同时又要保持低的发 射率 。 目前许多涂层的吸收率都在 以上 , 但随 着温度的升高 , 发射率逐渐加大 , 集热效率降低 。 铝 一 氮 铝涂层是当前使用最广泛 , 也是最成 熟的选择性吸收涂层 , 它在 ℃以下使用时 , 吸收 率大于 , 发射率小于 。 有研究表明铝一 氮 铝涂层在 ℃时 , 发射率不大于 。 但对于槽式 太阳能热发电 , 集热管内工作温度一般在 ℃左 右 , 从耐热性 、 耐久性等方面考虑 , 铝 一 氮 铝涂 层不适合在这一温度下长期使用的 。 德国 、 以色列 、 美国和澳大利亚等国许多研究 机构已开发出适用于槽式太阳能真空集热管的高温 选择性吸收涂层 。 等采用 金属陶 瓷作选择性吸收涂层 , 可在 ℃以上长期工作 , 吸 收率达 , 发射率为 一 。 旅居澳大利亚的 华人学者章其初先生等人采用 一 金属陶瓷作 吸收层 , 可在 ℃下长期稳定工作 , 吸收率达 , 发射率为 。 我国在这方面虽然起步晚 , 但随着 清华大学殷志强教授和其他科研人员及队伍的加入 , 以旧 肠口 相信我国在太阳能中、高温应用领域会有飞速发展 。 除了涂层材料本身外 , 选择性吸收涂层的制作 工艺对其性能也起到很大作用 。 目前选择性吸收涂 层可以用多种方法制备 , 如喷涂方法 、 化学方法 、 电 化学方法 、 真空蒸发方法和磁控溅射方法等 。 各种 方法制作的涂层吸收率都可达到 以上 , 但发射 率却有明显区别 , 如表 所示 。 表 说明选择性吸 收涂层的制作工艺直接关系到涂层的发射率 , 磁控 溅射是当前最佳的制作工艺 。 须密封性能好 。 一般采用无缝不锈钢管制作 对于 采用焊接的管子制作的膨胀节 , 一定要对焊缝进行 检测 , 确保不漏气 。 发生位移的膨胀节所产生的轴向弹力可能成为 关键性的影响因素 。 因而真空集热管中使用的膨胀 节在保证满足设计压力的情况下 , 要尽量提高其柔 性 。 提高柔性的方法主要有五种 减薄单层壁厚 提 高波高 增加波数 选择多层薄壁的波纹管 选择 能够经受较大轴向位移的 “ ’’ 形波纹而不是 “ ” 形波纹 。 图 是南京晨光东螺波纹管有限公司开发的专 门适用于真空集热管的膨胀节 。 各项试验研究表明 其符合真空集热管的要求 。 金属吸收管与玻璃管线膨胀量不一致的问题 直通式金属一 玻璃真空集热管 , 主要用于集热 加热金属管内的工质 , 因而其温度将在环境温度和 集热温度间变化 。 温度升高引起材料膨胀 个别材 料除外 , 而金属和玻璃的膨胀 系数是不一致的 , 一般来说金属的线膨胀 系数要比玻璃高一个数量 级 。 对于采用固定封接结构的真空集热管 , 必须使 用膨胀节 波纹管 来弥补金属与玻璃之间的线膨 胀量差 。 膨胀节的设计非常复杂 , 需要对耐压能力 、 位 移引起的应力 、 疲劳寿命 、 位移引起的整体弹力和 稳定性进行计算和校核 。 为了做出一项适当的设计 , 要涉及到许多设计要素 , 如直径 、 材料厚度 、 波距 和波高 、 层数 、 增强方式 、 制造工艺 、 材料的种类 和热处理等 。 膨胀节的应力主要由于压力和位移而引起 。 位 移引起的应力通常大于压力引起的应力 , 它沿着波 纹管的子午向 纵向 作用 , 一般高于波纹管材料 的屈服应力 。 压力在膨胀节的直边段和波纹上引起 沿圆周方向 环向 作用的薄膜应力 , 还在波纹内 形成沿子午线方向作用的薄膜应力和弯曲应力 。 真空集热管中使用的膨胀节 , 既要有良好的密 封性能 , 还要有足够的柔性 。 真空集热管内保持真空是关键 , 因而膨胀节必 图 膨胀节 消除夹层内残余或产生的气体的问题 玻璃管内保持一定真空度是真空集热管的关 键 , 管内保持真空的目的是 防止玻璃管内与管外 产生对流换热 , 保护吸收管表面的选择性吸收涂层 。 要使玻璃管与金属管夹套间保持一定真空度 , 必须做到 对金属管和玻璃管进行放排气 使起始真空度保持在 一 以上 , 在管内 放置消气剂或安装被动式真空泵 。 放置消气剂或安装被动式真空泵的目的是吸收 真空集热管在工作中释放出来的少量气体 。 消气剂 也叫吸气剂 , 其主要作用是 在短时间内提高管内 的真空度 , 有利于缩短排气时间 吸除封离后管内 剩余气体以及器件处于高温状态下工作时各部件所 放出的气体 吸除器件启动和反常工作时的突发性 放气 , 以保证器件内良好的真空状态 , 延长使用寿 一 包 命 , 提高集热管可靠性 。 消气剂有蒸散型和非蒸散 型两种 蒸散型消气剂在管子制好后 , 通过高频激 活 , 吸气材料沉积在真空器件壁上形成一种膜 , 用 以吸附气体 , 常见的有钡铝消气剂和钡铁消气剂 非蒸散型不释放消气物质 , 本身直接吸收气体 , 起 到长效吸收作用 , 最常用的是铅铝消气剂 。 如何最大限度提高集热面的问题 直通式金属一玻璃真空集热管使用膨胀节解决 金属与玻璃之间的线膨胀量不统一的问题 , 用可伐 合金过渡封接解决金属与玻璃的匹配封接问题 。 而 膨胀节和可伐合金所占长度对于集热管而言是无效 长度 , 减少了集热面积 , 影响到管子的集热有效长 度 。 要提高集热有效长度 , 可采取以下做法 在膨胀量达到要求的前提下 , 尽量缩短膨 胀节长度 在不影响可伐合金和玻璃接口质量的前提 下 , 尽量缩短可伐环的长度 提高玻璃的线膨胀系数 , 或降低膨胀节的 线膨胀系数 , 使玻璃与金属之间直接达到匹配封接 用内膨胀节代替外膨胀节 , 提高集热管有 效长度率 。 直通式金属 一 玻璃真空集热管的主要优点是 热损失小 可规模化生产 , 需要时进行组装 。 缺点 是 运行过程中 , 金属与玻璃的联接要求高 , 很难 达到长期运行过程中保持夹层内的真空 反复变温 下 , 选择性吸收涂层因与金属管膨胀系统的不统一 , 而易脱落 高温下 , 选择性吸收涂层存在老化问题 。 汪 上还数据是现有严品 的数据 二 现有两种真空集热管比较 目前这种结构的代表产品有以色列 公司 生产的外膨胀真空集热管 图 和德国 公 司生产的内膨胀真空集热管 图 。 一些结构和性 能参数见表 。 图 以色列 公司真空集热管 德国 公司作为近几年发展起来的公司 , 在高温真空管方面做了如下改进 为防止两端 温度过高影响封接质量 , 局部增加了太阳辐射反射 圈 结构上力求最大限度减少遮光面积 , 使得 真空管有效长度大于 调整相关玻璃材料 配方 , 使得可伐与玻璃管更好的封接等 可适 用于 技术 。 为了适应槽式太阳能电站的发展要求 , 德国 公司和以色列 公司均在研发新型真空集 热管 , 即 公司生产的 及 公司生产 的第 号集热管 , 前者管长为 , 采用新型 的吸收涂层 , 工作温度有望达到 ℃ , 吸收率大于 , ℃时的发射率小于 后者为 , 公叹 反加 工作温度可达到 ℃ , 吸收率大于 , 同时在 ℃时发射率小于 , 由于采用了新型的吸气装 置 , 集热管可在长时间内保持很高真空度 , 进而延 长了管子的使用寿命 。 对这两种集热管进行比较后 发现 , 二者在 ℃时热损失量基本相同 。 三 我国在槽式太阳能真空集热管方面所做工 作及存在问题 张耀明院士等人成功开发了新型直通式金属一 玻璃槽式太阳能真空集热管 图 。 具体参数是 总长 , 金属管直径 一 , 玻璃管直径 一 巧 采用熔封技术解决了金属与玻璃 之间的封接问题 采用薄壁膨胀节解决了金属与玻 璃之间线膨胀系数不一致的问题 采用保护罩保护 金属与玻璃之间的接口 。 拉伸试验表明真空集热管 的金属与玻璃之间的联接是可靠的 疲劳试验表明 真空集热管的膨胀节 、 金属与玻璃的接口能够达到 设计寿命 样管经一年多耐候性试验 , 结果表明整 管设计科学 、 合理 。 目前正在进行 长槽式太阳能 真空集热管热性能试验 。 通过一系列试验表明 设计 、 制造的新型槽式 太 阳能真空 集热管能够达到 国 内即将 建设 的 “ 槽式太阳能热发电系统 ” 的使用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 虽然我们已经可以制作真空集热管 , 但仍存在 很多问题 , 主要有 国内尚无成熟的有自主知识产权的高温选择 性吸收涂层技术 目前只能制作 长真空集热管 , 其有效长度 率仅达 , 下一步必须开发 长的真空集热管 国内尚无 长的金属管表面磁控溅射镀膜 设备 国内尚无生产 长大直径 大于 高 透光率的高硼硅玻璃管的设备 熔封技术现尚难形成流水线生产 。 真空集热管是槽式太阳能热发电的核心 , 其性 能直接关系到槽式系统的效率 。 我们希望国内有实 力 、 有兴趣的企业和科研单位一起参与到这项工作 中来 , 共同发展国内槽式太阳能热发电市场 。 扮 参考文献 罗运俊 , 何梓年 , 王长贵 太阳能利用技术 北京 化学工业出版社 , 方荣生 , 项立成 , 李亭寒 太阳能应用技术 北京 中国农业机械出版社 , 吕坤 , 王海英 , 董华 太阳能选择性吸收涂层的现状 及发展 中国涂料 , 一 以 , , 汀 · , , 一 , , 一 爬 , , · · · 一 讲 一 , 一 · 一 图 新型直通式金属 一 玻璃槽式太阳能真空集热管