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        發(fā)展航天光熱技術(shù),服務(wù)國(guó)家能源戰(zhàn)略
        ——天瑞星高溫太陽能集熱管的研發(fā)之路

        2017-04-06 11:04:11北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司陳步亮呂征宇
        衛(wèi)星應(yīng)用 2017年3期
        關(guān)鍵詞:瑞星光熱熱管

        · 文 |北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司 陳步亮 呂征宇

        發(fā)展航天光熱技術(shù),服務(wù)國(guó)家能源戰(zhàn)略
        ——天瑞星高溫太陽能集熱管的研發(fā)之路

        · 文 |北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司 陳步亮 呂征宇

        高溫太陽能集熱管是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,用于產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣(可達(dá)400℃以上),蒸汽可以用于蒸汽發(fā)電,也可以用于工業(yè)鍋爐。該產(chǎn)品主要由玻璃外管、金屬內(nèi)管、過渡連接件組成,金屬管和玻璃管中間抽真空實(shí)現(xiàn)密閉結(jié)構(gòu)。

        一座50MW太陽能熱電站的真空集熱管總長(zhǎng)度在50km以上,表面積達(dá)到1.15萬m2。國(guó)外集熱管開發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用已超過三十年,國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)、研發(fā)也經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間,在關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了一定的進(jìn)展。

        一、源自航天的高溫集熱管核心技術(shù)

        高溫集熱管技術(shù)是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。其光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)及真空性能在很大程度上決定了熱發(fā)電系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和壽命。而集熱管的工作環(huán)境惡劣,不僅需要在高溫環(huán)境下保持長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行,還要承受冷熱沖擊和風(fēng)沙的影響,對(duì)耐候性要求極高。高溫集熱管和常溫真空玻璃管雖然在結(jié)構(gòu)和工作原理上基本類似,但技術(shù)復(fù)雜程度則有本質(zhì)的區(qū)別。國(guó)家能源局在國(guó)家能源科技發(fā)展規(guī)劃中,對(duì)太陽能熱發(fā)電示范工程提出了5項(xiàng)研究?jī)?nèi)容,其中,中高溫太陽能集熱管就占了3項(xiàng)。

        通過對(duì)航天衛(wèi)星熱控涂層、真空獲得、表面處理、精密光學(xué)等技術(shù)的孵化和應(yīng)用,國(guó)內(nèi)高溫太陽能集熱管關(guān)鍵技術(shù)得以突破并有了質(zhì)的提升。

        1.全球唯一的雙陶瓷選擇性吸收薄膜——衛(wèi)星專用熱控涂層技術(shù)轉(zhuǎn)移

        耐高溫的高效選擇性吸收涂層是利用中國(guó)航天在衛(wèi)星專用熱控涂層的技術(shù)儲(chǔ)備,采用孿生磁控共濺射技術(shù)制備的全球唯一的“陶瓷-陶瓷”薄膜結(jié)構(gòu),有效地避免了傳統(tǒng)“金屬-陶瓷涂層”在高溫工作環(huán)境下,金屬原子在涂層內(nèi)的遷移、聚集以及層與層之間的金屬擴(kuò)散,從而保證了在800℃以內(nèi)的真空環(huán)境中或450℃以內(nèi)的大氣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,具備了耐高溫、長(zhǎng)壽命的獨(dú)特品質(zhì)。

        2.國(guó)際領(lǐng)先的金屬-玻璃匹配封接——衛(wèi)星真空獲得技術(shù)體系孵化

        為保持集熱管的真空狀態(tài),根據(jù)衛(wèi)星真空獲得的系列技術(shù),創(chuàng)造性地采用熱膨脹系數(shù)(-50℃~600℃)完全相同的可伐合金與特種硅硼玻璃材料,其特點(diǎn)是兩種材料的膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線完全一致,可以消除金屬-玻璃結(jié)合部位的玻璃應(yīng)力,從而保證了在各種高溫工作環(huán)境中的真空維持性能,極大地降低了集熱管的破損率(圖1)。

        3.專用玻璃抗反射涂層——衛(wèi)星特種型材應(yīng)用

        通過衛(wèi)星特種型材的應(yīng)用,研究制備了采用溶膠-凝膠技術(shù)的抗反射涂層,使玻璃管擁有了高達(dá)96%的太陽光譜平均透射率。采用特殊的工藝和配方,提高了抗反射涂層的顯微硬度,令其耐擦洗性能得到顯著提高。同時(shí),將自清潔技術(shù)應(yīng)用到涂層的制備過程,使得玻璃外管具備優(yōu)異的疏水耐磨性,可以在嚴(yán)酷的風(fēng)沙環(huán)境下依舊保持著良好的太陽光透射效率。

        4.全自主設(shè)計(jì)真空應(yīng)用高端裝備——衛(wèi)星精密設(shè)備研發(fā)基礎(chǔ)

        以衛(wèi)星精密設(shè)備研發(fā)、高端裝備制造實(shí)力為基礎(chǔ),通過技術(shù)轉(zhuǎn)化,全自主設(shè)計(jì)研發(fā)43臺(tái)/套真空應(yīng)用高端裝備,具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),成功實(shí)現(xiàn)在4m長(zhǎng)金屬管外表面鍍制高溫太陽能選擇性吸收涂層,屬于光熱技術(shù)領(lǐng)域的機(jī)電一體化重大裝備,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。北京天瑞星公司是目前行業(yè)內(nèi)唯一既擁有大型真空鍍膜設(shè)備研制核心技術(shù),又具備開發(fā)太陽能耐高溫選擇性吸收涂層相關(guān)工藝的企業(yè),擁有非常強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        二、打破國(guó)際壟斷,建成亞洲首條規(guī)模化高溫太陽能集熱管生產(chǎn)線

        作為航天衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用的前沿,北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司是專業(yè)從事中高溫太陽能集熱管研制、光熱系統(tǒng)工程建設(shè)的企業(yè),是太陽能光熱事業(yè)的國(guó)家隊(duì)。在經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展積累,確立了國(guó)際一流集熱管供應(yīng)商的地位。

        1.研發(fā)背景

        (1)國(guó)際壟斷

        集熱管技術(shù)自上世紀(jì)80年代商業(yè)應(yīng)用以來,一直由以色列Solel Solar System 公司獨(dú)家掌握。德國(guó)肖特公司投入5000萬歐元以上的研發(fā)費(fèi)用,于2005年開發(fā)出了中高溫太陽能集熱管,成為第二家進(jìn)入該領(lǐng)域的公司。之后,國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)入肖特公司的寡頭壟斷格局,市場(chǎng)集中度高,產(chǎn)品供不應(yīng)求。

        為了保持在中高溫集熱管領(lǐng)域的壟斷地位,肖特公司對(duì)中國(guó)一直采取嚴(yán)格的技術(shù)保密和封鎖措施,在進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)時(shí),附帶較為苛刻的附加條件,要求中國(guó)客戶采購其整體系統(tǒng)。不僅價(jià)格昂貴,還嚴(yán)重影響我國(guó)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的國(guó)產(chǎn)化率,制約我國(guó)太陽能新能源行業(yè)的健康發(fā)展。我國(guó)要發(fā)展中高溫太陽能集熱管產(chǎn)業(yè),是無法效仿光伏和風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)引進(jìn)或股權(quán)合作的模式,必須走自主創(chuàng)新和獨(dú)立研發(fā)的道路。

        (2)市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻高,關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備和工藝均需要自主開發(fā)

        由于集熱管的技術(shù)特點(diǎn),決定了集熱管的主要生產(chǎn)設(shè)備如鍍膜機(jī)、玻璃與金屬的融封設(shè)備、除氣爐等均需要自行開發(fā)設(shè)計(jì),市場(chǎng)上無直接購買的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)設(shè)備。

        同時(shí),光熱電站對(duì)集熱管的產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性要求極高,需要三大國(guó)際權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)(DLR、PSA、NREL)出具的檢測(cè)報(bào)告,還需要有在客戶的試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),才可大批量采購,市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻極高。

        (3)集熱管性能對(duì)發(fā)電效率的影響程度極大

        在太陽能熱電站集熱效率的五個(gè)因素:系統(tǒng)集成技術(shù)、集熱管、金屬支架、反射鏡、對(duì)日跟蹤系統(tǒng)中,金屬支架和對(duì)日跟蹤控制的技術(shù)相對(duì)容易,門檻較低;拋物面反射鏡是由高反射率的熱彎鋼化玻璃鏡片組成,是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,其成套生產(chǎn)設(shè)備可以在國(guó)際上直接購買;系統(tǒng)集成技術(shù)主要是靠經(jīng)驗(yàn)的積累。因此,高溫太陽能集熱管是集熱系統(tǒng)中最核心的部件。其質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)電站的投資成功與否,起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)行業(yè)測(cè)算,僅集熱管的熱損這一項(xiàng)指標(biāo),對(duì)電站的影響程度就大致為:在350℃時(shí),熱損每相差10%,大約導(dǎo)致1.2%的光場(chǎng)效率的變化(負(fù)相關(guān)),影響發(fā)電量1%。

        2.研發(fā)歷程

        2000年,天瑞星公司研制出中溫太陽能選擇性吸熱涂層;2003年,高溫太陽能選擇性吸收涂層研發(fā)成功,并申請(qǐng)發(fā)明專利;2007年,成功研制出一套聚焦比為30∶1、集熱面積6.4m2的小型中溫太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng),包括2m長(zhǎng)中高溫太陽能真空集熱管,以及第一代對(duì)日跟蹤系統(tǒng);2009年,成功研制出一套聚焦比為80∶1、集熱面積288m2的中高溫太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng),包括新一代拋物面發(fā)射鏡,并解決玻璃-金屬匹配封接難題;2010年,成功突破中高溫太陽能集熱管所有關(guān)鍵技術(shù),達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,研制出4m長(zhǎng)真空集熱管樣管,并開始著手建設(shè)中高溫太陽能集熱管中試生產(chǎn)線;2011年,成功建成一條中高溫太陽能集熱管中試生產(chǎn)線,開始小批量生產(chǎn)并進(jìn)行國(guó)內(nèi)外推廣試用;2013年,啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路,建設(shè)中高溫太陽能集熱管生產(chǎn)線;2014年,亞洲首條規(guī)?;邷靥柲芗療峁苌a(chǎn)線建成,經(jīng)過一年的試運(yùn)行、調(diào)試、改造,可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬支的批量柔性制造,滿足200MW太陽能熱電站的使用,同時(shí)產(chǎn)品覆蓋三大系列五種型號(hào),滿足國(guó)內(nèi)外所有槽式、菲涅爾式電站用管需求。

        3.產(chǎn)品檢測(cè)應(yīng)用情況

        (1)經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平

        通過多家國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)在疲勞、老化、耐候性等方面的測(cè)試,天瑞星公司集熱管產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)優(yōu)異,達(dá)到國(guó)際一流的技術(shù)性能指標(biāo)。

        (2)遠(yuǎn)銷國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)

        經(jīng)過近二十年的發(fā)展,天瑞星公司高溫太陽能集熱管產(chǎn)品已遠(yuǎn)銷國(guó)際:西班牙、日本、澳大利亞、印度、埃及、以色列、塞浦路斯、南美等國(guó)家。作為全球最大的太陽能熱發(fā)電國(guó)家,西班牙的國(guó)家電力集團(tuán)Elecnor(最大的光熱電站業(yè)主)、OHL集團(tuán)(西班牙最大的建設(shè)公司)均已采購天瑞星集熱管產(chǎn)品。

        表1 與肖特公司集熱管對(duì)比

        目前,我國(guó)太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)正處于商業(yè)化示范積累階段。國(guó)家能源局在2015 -2018年期間,將組織國(guó)家首輪示范項(xiàng)目(20個(gè),總計(jì)裝機(jī)容量134.9萬kW)的建設(shè),以攻克關(guān)鍵技術(shù)裝備,形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)集成能力。截至2016年底,天瑞星公司成為國(guó)內(nèi)唯一取得國(guó)家示范項(xiàng)目規(guī)模化合同訂單的集熱管供應(yīng)商。

        三、結(jié)束語

        充分利用和開發(fā)新能源,已成為全球能源轉(zhuǎn)型及實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)的重大戰(zhàn)略舉措。作為新能源體系的重要組成部分,太陽能光熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,既符合國(guó)家建設(shè)清潔、低碳、安全、高效、現(xiàn)代能源體系的總體要求,也為社會(huì)實(shí)現(xiàn)低碳減排、環(huán)境保護(hù)、綠色生活的目標(biāo)開辟了全新的道路。

        北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司將秉承“為國(guó)家尋求能源戰(zhàn)略之路、為社會(huì)提供節(jié)能減排之策”的發(fā)展理念,在肩負(fù)“發(fā)展航天事業(yè)、建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)”重任的同時(shí),將充分利用并發(fā)揮航天技術(shù)和資源優(yōu)勢(shì),為推動(dòng)我國(guó)太陽能光熱應(yīng)用事業(yè)健康快速的發(fā)展貢獻(xiàn)一份航天力量。

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