中高溫直通式真空太陽(yáng)集熱管的研制與應(yīng)用

1、中高溫直通式真空太陽(yáng)集熱管的研制與應(yīng)用m¨¨¨一.|¨|中高溫直通式真空太陽(yáng)集熱管的研制與應(yīng)用北京市太陽(yáng)能研究有限公司孫守建摘要:中高溫直通式真空太陽(yáng)集熱管(簡(jiǎn)稱(chēng)直通式真空管)是由北京桑達(dá)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司最新研制的一種新型太陽(yáng)能集熱元件.它完全采用桑達(dá)公司自有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù),材料和零部件完全來(lái)自國(guó)內(nèi).該管子在太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)上使用時(shí),管內(nèi)導(dǎo)熱工質(zhì)可以達(dá)到350,管子可以承受3MPa的壓力.該管型的研制目前處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,產(chǎn)品性能接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品,采用直通式真空管的太陽(yáng)能集熱器可以用于太陽(yáng)能空調(diào),太陽(yáng)能工業(yè)加熱,太陽(yáng)能熱發(fā)電等中高溫系統(tǒng),大大拓寬了

2、太陽(yáng)能熱利用的應(yīng)用領(lǐng)域.關(guān)鍵詞:直通式真空管;熱壓封接;太陽(yáng)能熱發(fā)電;太陽(yáng)能空調(diào)一前言1真空太陽(yáng)集熱管的分類(lèi)目前真空太陽(yáng)集熱管的分類(lèi)有多種,按吸熱體分類(lèi)可分為金屬吸熱體真空管和玻璃吸熱體真空管.玻璃吸熱體真空管主要有全玻璃真空管和內(nèi)插熱管式或U型管式全玻璃真空管等,金屬吸熱體真空管主要有熱管式真空管,直流式真空管,儲(chǔ)熱式真空管和U型管式真空管等,這些真空管的工作溫度大都在100C以下,主要是提供熱水.中高溫直通式真空太陽(yáng)集熱管(簡(jiǎn)稱(chēng)直通式真空管)是北京桑達(dá)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司最新研制的一種新型太陽(yáng)能集熱元件.它是一種新的金屬吸熱體真空管,不同于傳統(tǒng)的全玻璃真空管和熱管式真空管.主要特點(diǎn)是采用雙端

3、開(kāi)口的金屬管,金屬管外壁有高溫選擇性太陽(yáng)能吸收涂層,金屬管和外層玻璃管之間為高真空.該管型的最大特點(diǎn)是可以在高溫,高壓下使用.這樣直通式真空管就可以在聚光集熱器上使用,從而提高集熱管內(nèi)導(dǎo)熱工質(zhì)的工作溫度,使太陽(yáng)能熱利用從低溫?zé)崴蛑懈邷貞?yīng)用發(fā)展.2國(guó)內(nèi)外直通式真空管的研制狀況直通式真空管由于采用金屬管作為導(dǎo)熱工質(zhì)的流道,不可避免地要采用玻璃金屬封接技術(shù).傳統(tǒng)的玻璃金屬技術(shù)封接技術(shù)是熔封技術(shù),要求玻璃金屬的熱膨脹系數(shù)很相近,而真空太陽(yáng)集熱管采用的是高膨硅玻璃,膨脹系數(shù)低.目前直通式真空管只有德國(guó)的SCHOTT公司和以色利SOLEL公司(原LUZ公司)生產(chǎn),已經(jīng)批量應(yīng)用于美國(guó)和西班牙的太陽(yáng)能槽式發(fā)

4、電站.這兩家公司擁有多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利,特別是在玻璃金屬熔封,太陽(yáng)能選擇性吸收涂層和真空維持等方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究,多次了進(jìn)行改進(jìn),具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn).目前,國(guó)內(nèi)有多家公司和研究機(jī)構(gòu)在研究開(kāi)發(fā)直通式真空管,大都處于研發(fā)的起步階段.1998年,北京桑達(dá)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司就進(jìn)行了有關(guān)直通式真空管的研究.近幾年公司加大該管型的研制力度,經(jīng)過(guò)全體研發(fā)人員的努力已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出三種尺寸的直通式真空管,并已經(jīng)小批量生產(chǎn).2006年研制的第一代直通式真空管已經(jīng)成功應(yīng)用于太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)工程和甲醇制氫的研究.今年又開(kāi)發(fā)出可用于更高工作溫度的直通式真空管,初步的性能檢測(cè)良好,已經(jīng)開(kāi)始試用于太陽(yáng)能熱發(fā)電等系統(tǒng)中.二直通式真

5、空管的研制1國(guó)外直通式真空管的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)國(guó)外用于槽式發(fā)電系統(tǒng)的直通式真空太陽(yáng)集熱管稱(chēng)為線聚焦接收器.它是由4m長(zhǎng),外徑70mm附有高溫選擇性吸收涂層的不銹鋼管和外徑115mm的帶有減反層的玻璃管組成.鋼管和玻璃管之間為高真空,玻璃金屬采用熔封技術(shù)確保真空的可靠性,麗端采用金屬波紋管來(lái)吸收鋼管高溫工作時(shí)和玻璃的膨脹差異.SOLEL管子(圖1)的波紋管在玻璃管外部,SCHOTT管子(圖2)的波紋管在玻璃管內(nèi)部.卜一SOLARENERGY(增TJ)10/2009SOLARENERGY困孤衄圖1SOLEL管子示意圖圖2SCHOTT管子示意圖2桑達(dá)直通式真空管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)特性桑達(dá)直通式真空管的結(jié)構(gòu)如

6、圖3,圖4所示.金屬曝?zé)峁苄菊婵諙抛o(hù)帽圖3桑達(dá)直通管示意圖圖4桑達(dá)直通式真空管實(shí)物圖直通式真空管采用桑達(dá)公司自有的玻璃金屬熱壓封接技術(shù)和高性能的耐高溫選擇性吸收涂層.這種玻璃金屬熱壓封接技術(shù)不同于傳統(tǒng)的熔封技術(shù),采用過(guò)渡金屬實(shí)現(xiàn)膨脹系數(shù)不完全匹配的玻璃和金屬之間的封接,封接強(qiáng)度高,密封性能,耐熱沖擊和耐候性好.桑達(dá)公司自己研發(fā)的高性能耐高溫選擇性吸收涂層Cu/CrNiA1一N/A1N吸收率0.94,發(fā)射率0.15(350C),涂層耐溫500C.桑達(dá)公司為直通式真空管研制了專(zhuān)用的真空排氣工藝和設(shè)備,管子內(nèi)裝有新型鋯稀土合金長(zhǎng)效吸氣劑和鋇蒸散吸氣劑,可維持管子在長(zhǎng)期高溫工作下的高真空.玻璃管表面采

7、用減反射技術(shù),可提高太陽(yáng)光的透過(guò)率.不銹鋼管內(nèi)表面采用氧化阻氫層,可減少高溫工作時(shí)不銹鋼管內(nèi)導(dǎo)熱油裂解出的氫氣向真空里的滲透.桑達(dá)公司專(zhuān)門(mén)研究和設(shè)計(jì)了玻璃金屬封接保護(hù)裝置,可有效地保護(hù)和提高玻璃金屬封接處的強(qiáng)度,保證管子在長(zhǎng)期高溫工作狀態(tài)下的真空密封性能.桑達(dá)公司現(xiàn)研制出三種結(jié)構(gòu)尺寸的直通式真空管,如表1所示.表l雕_譬¨IT_薯-TTll_簋lT_II吸熱鋼管外徑/mm386370玻璃管外徑/mm102102115最高工作溫度/C20o350400耐壓/MPa1.53.03.0管子自重/kg6.51012.63桑達(dá)直通式真空管的性能檢測(cè)(1)桑達(dá)公司加熱檢測(cè)直通式真空管的加熱檢測(cè)采

8、用在管芯內(nèi)置電加熱管的方法,兩端做好保溫,在不銹鋼管內(nèi)壁和玻璃管表面對(duì)應(yīng)設(shè)置測(cè)溫點(diǎn),管芯加熱至350400,每天保溫8小時(shí),連續(xù)15天,如圖5所示.圖5管子加熱測(cè)試圖桑達(dá)公司共進(jìn)行了20支管子的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果一致性較好,差異小,如表2所示.表2管芯溫度/C20o300350400玻璃外表面溫度/C3035404850606O72Jl一SOLARENERGY(增qJ)l0/20090l¨:訛,表2的數(shù)據(jù)表明,管子的真空度保持良好,選擇性涂層高溫發(fā)射率低.與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品SCHOTT和SOLEL的管子性能接近.(2)北京工業(yè)大學(xué)對(duì)桑達(dá)直通式真空管的初步檢測(cè)初步檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3,圖6所示.數(shù)據(jù)

9、表明,桑達(dá)直通式真空管的熱損低于國(guó)外同類(lèi)管子,下一步將進(jìn)行更高溫度的熱損對(duì)比檢測(cè).表3唧唧皿嵋倒啁脅翻刪-皿HIl_I一鯉圈翻隅刪砸嘲田匝1176.544.026.12220.964.630.03266.31o2.034.5100150200250300350400450AL./K圖6熱損一溫度曲線三直通式真空管的應(yīng)用1太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電,是太陽(yáng)能熱利用的重要方面.上世紀(jì)8O年代以來(lái),美,歐,澳等國(guó)相繼建立起不同型式的示范裝置,促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展.目前世界現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大致有三類(lèi):槽式線聚焦系統(tǒng),塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng).

10、直通式真空管是槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件.槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱(chēng)為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng),是利用槽式拋物柱面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到直通管上,多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的排列加熱直通管內(nèi)的傳熱工質(zhì),在換熱器內(nèi)產(chǎn)生高溫蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,如圖7所示.槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)包括以下五個(gè)系統(tǒng):槽式聚光集熱系統(tǒng).它是系統(tǒng)的核心,由聚光鏡,接收器(真空管)和跟蹤裝置構(gòu)成.換熱系統(tǒng).由預(yù)熱器,蒸汽發(fā)生器,過(guò)熱器和再熱器組成.發(fā)電系統(tǒng).基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類(lèi)似,但需要配備一種專(zhuān)用裝置,用于工作流體在接收器與輔助能源系統(tǒng)之間的切換.蓄熱系統(tǒng).太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙依靠?jī)?chǔ)存的能

11、量維持系統(tǒng)正常運(yùn)行.輔助能源系統(tǒng).在夜間或陰雨天,采用輔助能源系統(tǒng)供熱.rlIIIIJjrl】-lIIIlIJl1lIIIl1IlIIIllI¨lIlIlIilll量IlIlIll圖7槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不意圖槽式拋物面集熱器由拋物面反射鏡,集熱管,支撐結(jié)構(gòu)組成.反射鏡把太陽(yáng)直射輻射反射并聚集到位于拋物線焦線上的集熱管上,集熱管由于接受了太陽(yáng)輻射溫度升高,加熱流經(jīng)管內(nèi)的工質(zhì).一般用油作工質(zhì),這是因?yàn)槿绻捎靡话愕乃鹘橘|(zhì),聚光器這種額定的工作溫度(200450C)會(huì)在吸熱器的管內(nèi)產(chǎn)生高壓和管涌,而高壓需要性能更高的吸熱管接口和管路,聚光器的價(jià)格也會(huì)因此而提高.PlataformaSol

12、ardeAlmeria(PSA)研究證明了在10MPa/400C的條件下,吸熱器管內(nèi)直接產(chǎn)生蒸汽的可行性.槽式集熱器的反射面材料主要有3種:拋光鋁板,鋁化或鍍銀的塑料和背面鍍銀玻璃.為了保持能量聚焦在集熱管上,集熱器必須繞軸旋轉(zhuǎn)來(lái)跟蹤太陽(yáng).這種旋轉(zhuǎn)需要一個(gè)傳動(dòng)裝備.對(duì)于串聯(lián)在一起的數(shù)個(gè)槽式集熱器單元來(lái)說(shuō),通常一個(gè)傳動(dòng)裝備就夠了,就像驅(qū)動(dòng)單個(gè)的集熱器一樣.傳動(dòng)設(shè)備有的利用電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱的結(jié)合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn),有的利用液壓傳動(dòng)系統(tǒng).一個(gè)完整的聚光器通常由多個(gè)串聯(lián)在一起的槽式集熱器模塊組成,它們由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn).一般來(lái)講,幾個(gè)集熱器連接在一起構(gòu)成一”環(huán)”(一個(gè)回路)或一”排”,如圖8所示.在一個(gè)環(huán)路

13、里的集熱器是用柔性軟管或球頭節(jié)連接起來(lái)的,允許接收器管子的線性熱膨脹.這些柔性軟管或球頭節(jié)不僅保障了集熱器跟蹤太陽(yáng)時(shí)吸一SOLARENERGY(增刊)10/2009啪伽o圖8槽式拋物面聚光集熱系統(tǒng)熱管的運(yùn)動(dòng),而且把位于每一個(gè)環(huán)路兩端的集熱管和收集管連接起來(lái).太陽(yáng)跟蹤儀控制著槽式集熱器的旋轉(zhuǎn).比較常用的太陽(yáng)跟蹤裝置主要有兩種:影帶跟蹤裝置和通量線跟蹤裝置.桑達(dá)公司研制的直通式真空管在小型槽式系統(tǒng)上初步試驗(yàn),導(dǎo)熱油出口溫度可以達(dá)到350C,管子安裝在華電工程集團(tuán)和中科院等單位合作建設(shè)的廊坊200kW太陽(yáng)能槽式發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)上.該系統(tǒng)采用德國(guó)進(jìn)口的玻璃反射鏡,集熱器的安裝高度為4m(拋物面中心點(diǎn)與地面

14、的距離).槽式拋物面集熱器的開(kāi)口寬度5.77m,開(kāi)口角8O.,焦距1.7lm,導(dǎo)熱油工作溫度約350.2太陽(yáng)能空調(diào)太陽(yáng)能空調(diào)的實(shí)現(xiàn)方式主要依靠太陽(yáng)的熱能進(jìn)行制冷和供熱,一般可分為吸收式和吸附式兩種.吸收式制冷技術(shù)是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進(jìn)行制冷的技術(shù),根據(jù)吸收劑的不同,分為氨一水吸收式制冷和溴化鋰一水吸收式制冷兩種.太陽(yáng)能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)集熱器和吸收式制冷機(jī)兩部分構(gòu)成.利用太陽(yáng)集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水,熱媒水的溫度越高,則制冷機(jī)的性能系數(shù)(亦稱(chēng)COP)越高,這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高.例如,若熱媒水溫度60C左右,則制冷機(jī)COP約0.4;若熱媒水溫度90C左

15、右,則制冷機(jī)COP約0.7;若熱媒水溫度120C左右,則制冷機(jī)CDP可達(dá)1.1以上.制冷機(jī)機(jī)組的選擇取決于熱源品位的高低.如果太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用平板式集熱器或熱管真空管集熱器,只能產(chǎn)生低溫的熱水(溫度低于l00C),適配的吸收式制冷機(jī)為單效熱水型機(jī)幺且;如果太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用聚焦式集熱器,能夠產(chǎn)生中溫?zé)崴蛘羝?溫度達(dá)到150C以上),可以驅(qū)動(dòng)雙級(jí)蒸汽型制冷機(jī).圖9太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖目前,世界各國(guó)都在大力研究開(kāi)發(fā)高效,廉價(jià)的中高溫集熱技術(shù).太陽(yáng)能聚焦集熱器和非聚焦集熱器的比較見(jiàn)表4.表4非聚焦集熱器與聚焦集熱器性能比較出口熱源集熱效率/%適配制冷機(jī)制冷機(jī)COP系統(tǒng)COP6095熱水306

16、0單級(jí)0.700.20.515020o水蒸氣4060雙級(jí)1.11.5O.40.9通過(guò)表4可以看出,采用聚焦集熱技術(shù),系統(tǒng)的整體效率比傳統(tǒng)技術(shù)高一倍左右,優(yōu)越性明顯.采用桑達(dá)直通式真空管的空調(diào)系統(tǒng)如圖l0所示.圖10采用桑達(dá)直通式真空管的空調(diào)系統(tǒng)以下是采用桑達(dá)直通式真空管的一個(gè)太陽(yáng)能空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù).反射板:鏡面拋物線型反射鋁板;開(kāi)口寬度:2.26m;焦距:0.8m;傳熱介質(zhì):純水;工作溫度:150C.3太陽(yáng)能甲醇制氫利用中溫太陽(yáng)能為甲醇分解的吸熱反應(yīng)供熱,可以將中溫太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為合成氣燃料的化學(xué)能.中科院工程熱物理所采用桑達(dá)公司的直通式真空管研制了5kW熱功率的拋物槽式太陽(yáng)能甲醇分解一體化實(shí)

17、驗(yàn)裝置,如圖11所示.太陽(yáng)能甲醇分解的(轉(zhuǎn)54頁(yè))SOLARENERGY(增:FIJ)10/2009太陽(yáng)能泳池加熱工程實(shí)例介紹前言太陽(yáng)能應(yīng)用于游泳池水體加熱是太陽(yáng)能光熱利用的新興領(lǐng)域.此項(xiàng)技術(shù)一方面滿足了社會(huì)快速持續(xù)發(fā)展,人民生活水平不斷提高的實(shí)際需求,另一方面符合節(jié)約常規(guī)能源消耗,減少污染物及溫室氣體排放的政策導(dǎo)向,其發(fā)展前景十分看好.太陽(yáng)能泳池加熱技術(shù)起源于國(guó)外,目前在國(guó)外的普及程度較高.國(guó)外游泳池加熱多應(yīng)用于家用小型泳池,太陽(yáng)能集熱器多選用塑料材料類(lèi)非承壓太陽(yáng)能集熱器.與國(guó)外相比,由于公眾認(rèn)知,技術(shù)水平,資金實(shí)力等多方面因素的影響,目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能泳池加熱技術(shù)的應(yīng)用還比較少.本文通過(guò)對(duì)一處

18、太陽(yáng)能泳池加熱工程實(shí)例的介紹,以期對(duì)類(lèi)似工程,特別是以直流真空管太陽(yáng)能集熱器為集熱元件的閉式承壓二次換熱方式運(yùn)行的太陽(yáng)能泳池加熱工程的設(shè)計(jì),施工中需要注意的問(wèn)題提供一些參考性意見(jiàn).(接51頁(yè))實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,太陽(yáng)能集熱器可以為甲醇分解提供200300的反應(yīng)溫度,投射到吸收一反應(yīng)器上的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為燃料化學(xué)能的效率可以達(dá)到30%60%,具有良好的甲醇分解和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換性能.圖11采用桑達(dá)直通式真空管的甲醇制氫系統(tǒng)集熱器反射板:鏡面玻璃;開(kāi)口寬度:2.5m;焦距:1.7m;工作溫度:200250C.四結(jié)論北京市太陽(yáng)能研究有限公司郝睿二太陽(yáng)能泳池加熱工程概況本文介紹的工程實(shí)例為某大學(xué)體育館太陽(yáng)能熱水工程.體育館建筑面積26900m,其中游泳館配有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)8泳道泳池,泳池表面為25m×50m,平均深度1.8m,游泳館四季全天候開(kāi)放.室