天瑞星将与中科院电工所共同研究槽式太阳能集热管的寿命

　　近期，天瑞星应中国科学院电工研究所邀请，将与电工所共同申请槽式太阳能集热管共性技术开放课题，课题主要内容为槽式太阳能集热管寿命评价。

　　太阳能集热管是槽式太阳能热发电站中将太阳能转化为热能的关键部件，其耐久性直接影响了整个槽式热发电系统效率和运行经济性。现有数据表明集热管失效一直是槽式电站中存在的主要问题，其中SEGS电站集热管年失效率超过4%，如图1所示，而2006年后新建槽式电站据统计年失效率至少3.4%，失效主要包括玻璃损坏、真空损失和膜层老化。上述失效，一方面造成集热管热损急剧上升，显著降低了系统的发电效率。另一方面，为了更换单个集热管整个回路必须停止运行，也降低了电站的经济性。

 

图1 集热管失效率统计

　　

　　根据集热管失效的特点分析，主要是集热管部件耐久性问题和结构可靠性两个共性问题。其中耐久性问题主要为选择性吸收膜层老化寿命问题。结构可靠性问题主要包括金属内管弯曲问题、玻璃与金属封接失效问题和波纹管热-机械疲劳失效问题。

　　国际上，对于选择性吸收膜层高温老化寿命研究，国际上国际能源署在1994年曾针对平板集热器膜层耐久性测试方法制定了标准初稿，并于2014年最终颁布了ISO 22975-3 2014。该测试方法基于温度引起的膜层光学性能衰减可以采用Arrhenius方程进行描述定义，但该方法限定范围为太阳能平板集热器的膜层老化寿命评价，最高闷晒温度280℃左右。针对于槽式太阳能集热管中高温选择性吸收膜层的老化寿命评价目前尚无测试标准，一些大学及研究机构都相继开展了膜层高温老化相关研究，特别是意大利ENEA研究机构对5MW槽式熔盐系统的集热管膜层高温老化和集热管结构可靠性进行了较多研究，是当前的研究热点问题。

　　对于集热管可靠性评价方法，许多国际上光热电站及研究单位也都开展了一些研究，如美国可再生能源实验室NREL和德国宇航中心DLR都进行了较多的研究，提出了一些测试方法和减少集热管现场失效率测试,但国际上同样尚未有相关测试标准,也是当前急需解决的共性问题。

　　以真空失效为例，国内用户对真空失效的标准尚存争议。对此，肖特公司对集热管调试运行之前、之后分别提出了判断依据：集热管调试运行之前发生真空泄露，真空指示斑就会和进入的空气（氧气）反应，颜色变白，如图2所示。

 

图2 肖特公司判定集热管真空泄露的标准—真空指示斑变白

 

　　除此之外，肖特公司的集热管产品手册中也明确表示，在集热管的使用过程中，真空指示斑除了通常的银色镜面外，还有很多的外观，如彩虹状或黑色，如图3所示，这也代表真空良好。

 

图3 真空良好的几种真空指示斑的颜色

 

　　关于真空指示斑会出现黑色和彩虹色的原因，主要是由于蒸散型吸气剂形成的钡膜和吸附的杂质气体反应之后生成的化合物呈现的颜色。

　　在集热管生产过程中（排气之后），真空指示环的材料被加热，通常用感应加热的方式加热并蒸发，沉积在玻璃管上形成涂层，而我们看到的就是银色镜面状态的真空指示斑。

　　真空指示环的原材料的主要成分是金属钡（Ba），蒸发之后在玻璃管内壁形成一层钡膜，从外表面看就是银色镜面。但在集热管的运行过程中，因为长期处于高温状态下，玻璃管以及金属管会释放出吸附H、CO、CO2 等碳的化合物气体，高温下，钡膜吸气剂与CO、CO2、H2等杂质气体反应，形成碳化钡，碳酸钡，氢化钡等，其中碳化钡是黑色，其他化合物颜色多样，也即是彩虹斑的成因，而这个过程中真空指示斑参与了反应，其面积也会逐渐减小。

　　如果集热管出现破损或外部泄露，空气中的氧气将大量进入，钡膜便与空气中的氧气反应，生成氧化钡，呈现完全的白色，因此只有真空指示斑呈现白色时，才可以初步判定集热管的真空失效。

　　肖特公司也指出，一旦系统开始运行之后，此类依据就不够准确了。其运行后的真空失效的判断公式如下：

Tthr =Tamb + 50 + (Toil – 300)/3

其中Tamb为大气温度[ºC] ,Toil为导热油的温度[ºC]

　　肖特公司关于集热管运行后的真空失效公式，行业尚存些许争议，国内对此也没有公认的判断标准，天瑞星公司将与电工所及相关单位合作，在共性问题的研究基础上，推动此项国内标准的确立。

　　天瑞星公司中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院所属专业从事太阳能光热技术领域研发、核心产品制造、技术服务的产业化公司。2000年7月18日，天瑞星公司筹建成立，是集研发、生产、技术服务、市场营销于一体的高新技术企业。依托于卓越的航天技术，天瑞星公司研制出拥有完全知识产权的高温太阳能集热管，并通过德国宇航中心DLR 和欧洲太阳能试验中心PSA的测试，通过一系列工程示范和商业应用，公司掌握了槽式系统集成的核心技术，具备在全球大规模部署槽式聚光集热系统的能力。2014年，天瑞星建成年产200MW的航天神舟光热产业园。自2011年起，公司已为几十余家国内外客户提供了近千支集热管，并获得了用户的认可，其中包括延庆863项目和西班牙的商业化槽式电站La Dehesa,而且也获得了用户Samca公司的使用推荐信。

　　鉴于今年国内11个线聚焦的槽式和菲涅尔式热发电项目将相继启动，集热管的寿命以及真空失效评价问题不仅是国内众多集热管生产厂家急需解决的关键问题，也是电站业主单位、电站设计单位及EPC单位等最为关心的关键问题，天瑞星将与电工所和相关单位合作，共同研究出相应测试评价手段，群策群力，减少厂家各自重复、无效研究，探索国内集热管产品存在的共性问题的测试评价方法及解决措施，提升吸热管的产品质量和性能，为保证国内太阳能热发电系统安全可靠运行提供理论和实验基础。