中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用

《中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用m一.|中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用北京市太阳能研究有限公司孙守建摘要:中高温直通式真空太阳集热管(简称直通式真空管)是由北京桑达太阳能技术有限公司最新研制的一种新型太阳能集热元件.它完全采用桑达公司自有的知识产权和技术,材料和零部件完全来自国内.该管子在太阳能聚光集热系统上使用时,管内导热工质可以达到350,管子可以承受3MPa的压力.该管型的研制目前处于国内领先水平,产品性能接近国外同类产品,采用直通式真空管的太阳能集热器可以用于太阳能空调,太阳能工业加热,太阳能热发电等中高温系统,大大拓宽了太阳能热利用的应用领域.关键词:直通式真空管;热压

2、封接;太阳能热发电;太阳能空调一前言1真空太阳集热管的分类目前真空太阳集热管的分类有多种,按吸热体分类可分为金属吸热体真空管和玻璃吸热体真空管.玻璃吸热体真空管主要有全玻璃真空管和内插热管式或U型管式全玻璃真空管等,金属吸热体真空管主要有热管式真空管,直流式真空管,储热式真空管和U型管式真空管等,这些真空管的工作温度大都在100C以下,主要是提供热水.中高温直通式真空太阳集热管(简称直通式真空管)是北京桑达太阳能技术有限公司最新研制的一种新型太阳能集热元件.它是一种新的金属吸热体真空管,不同于传统的全玻璃真空管和热管式真空管.主要特点是采用双端开口的金属管,金属管外壁有高温选择性太阳能吸收涂层

3、,金属管和外层玻璃管之间为高真空.该管型的最大特点是可以在高温,高压下使用.这样直通式真空管就可以在聚光集热器上使用,从而提高集热管内导热工质的工作温度,使太阳能热利用从低温热水向中高温应用发展.2国内外直通式真空管的研制状况直通式真空管由于采用金属管作为导热工质的流道,不可避免地要采用玻璃金属封接技术.传统的玻璃金属技术封接技术是熔封技术,要求玻璃金属的热膨胀系数很相近,而真空太阳集热管采用的是高膨硅玻璃,膨胀系数低.目前直通式真空管只有德国的SCHOTT公司和以色利SOLEL公司(原LUZ公司)生产,已经批量应用于美国和西班牙的太阳能槽式发电站.这两家公司拥有多项技术专利,特别是在玻璃金属

4、熔封,太阳能选择性吸收涂层和真空维持等方面进行了长期的研究,多次了进行改进,具有独特的技术特点.目前,国内有多家公司和研究机构在研究开发直通式真空管,大都处于研发的起步阶段.1998年,北京桑达太阳能技术有限公司就进行了有关直通式真空管的研究.近几年公司加大该管型的研制力度,经过全体研发人员的努力已经开发研制出三种尺寸的直通式真空管,并已经小批量生产.2006年研制的第一代直通式真空管已经成功应用于太阳能空调系统工程和甲醇制氢的研究.今年又开发出可用于更高工作温度的直通式真空管,初步的性能检测良好,已经开始试用于太阳能热发电等系统中.二直通式真空管的研制1国外直通式真空管的结构和特点国外用于槽

5、式发电系统的直通式真空太阳集热管称为线聚焦接收器.它是由4m长,外径70mm附有高温选择性吸收涂层的不锈钢管和外径115mm的带有减反层的玻璃管组成.钢管和玻璃管之间为高真空,玻璃金属采用熔封技术确保真空的可靠性,丽端采用金属波纹管来吸收钢管高温工作时和玻璃的膨胀差异.SOLEL管子(图1)的波纹管在玻璃管外部,SCHOTT管子(图2)的波纹管在玻璃管内部.卜一SOLARENERGY(增TJ)10/2009SOLARENERGY困孤衄图1SOLEL管子示意图图2SCHOTT管子示意图2桑达直通式真空管的结构设计和技术特性桑达直通式真空管的结构如图3,图4所示.金属曝热管芯真空栅护帽图3桑达直通

6、管示意图图4桑达直通式真空管实物图直通式真空管采用桑达公司自有的玻璃金属热压封接技术和高性能的耐高温选择性吸收涂层.这种玻璃金属热压封接技术不同于传统的熔封技术,采用过渡金属实现膨胀系数不完全匹配的玻璃和金属之间的封接,封接强度高,密封性能,耐热冲击和耐候性好.桑达公司自己研发的高性能耐高温选择性吸收涂层Cu/CrNiA1一N/A1N吸收率0.94,发射率0.15(350C),涂层耐温500C.桑达公司为直通式真空管研制了专用的真空排气工艺和设备,管子内装有新型锆稀土合金长效吸气剂和钡蒸散吸气剂,可维持管子在长期高温工作下的高真空.玻璃管表面采用减反射技术,可提高太阳光的透过率.不锈钢管内表面

7、采用氧化阻氢层,可减少高温工作时不锈钢管内导热油裂解出的氢气向真空里的渗透.桑达公司专门研究和设计了玻璃金属封接保护装置,可有效地保护和提高玻璃金属封接处的强度,保证管子在长期高温工作状态下的真空密封性能.桑达公司现研制出三种结构尺寸的直通式真空管,如表1所示.表l雕_譬IT_薯-TTll_簋lT_II吸热钢管外径/mm386370玻璃管外径/mm102102115最高工作温度/C20o350400耐压/MPa1.53.03.0管子自重/kg6.51012.63桑达直通式真空管的性能检测(1)桑达公司加热检测直通式真空管的加热检测采用在管芯内置电加热管的方法,两端做好保温,在不锈钢管内壁和玻璃

8、管表面对应设置测温点,管芯加热至350400,每天保温8小时,连续15天,如图5所示.图5管子加热测试图桑达公司共进行了20支管子的测试,测试结果一致性较好,差异小,如表2所示.表2管芯温度/C20o300350400玻璃外表面温度/C3035404850606O72Jl一SOLARENERGY(增qJ)l0/20090l:讹,表2的数据表明,管子的真空度保持良好,选择性涂层高温发射率低.与国外同类产品SCHOTT和SOLEL的管子性能接近.(2)北京工业大学对桑达直通式真空管的初步检测初步检测数据如表3,图6所示.数据表明,桑达直通式真空管的热损低于国外同类管子,下一步将进行更高温度的热损对

9、比检测.表3唧唧皿嵋倒啁胁翻删-皿HIl_I一鲤圈翻隅删砸嘲田匝1176.544.026.12220.964.630.03266.31o2.034.5100150200250300350400450AL./K图6热损一温度曲线三直通式真空管的应用1太阳能热发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电,是太阳能热利用的重要方面.上世纪8O年代以来,美,欧,澳等国相继建立起不同型式的示范装置,促进了热发电技术的发展.目前世界现有的太阳能热发电系统大致有三类:槽式线聚焦系统,塔式系统和碟式系统.直通式真空管是槽式热发电系统的核心部件.槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物

10、面反射镜太阳能热发电系统,是利用槽式抛物柱面反射镜将太阳光聚焦到直通管上,多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列加热直通管内的传热工质,在换热器内产生高温蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电,如图7所示.槽式太阳能热发电系统包括以下五个系统:槽式聚光集热系统.它是系统的核心,由聚光镜,接收器(真空管)和跟踪装置构成.换热系统.由预热器,蒸汽发生器,过热器和再热器组成.发电系统.基本组成与常规发电设备类似,但需要配备一种专用装置,用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换.蓄热系统.太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙依靠储存的能量维持系统正常运行.辅助能源系统.在夜间或阴雨天,采用辅助能源系统供热.r

11、lIIIIJjrl】-lIIIlIJl1lIIIl1IlIIIllIlIlIlIilll量IlIlIll图7槽式太阳能发电系统不意图槽式抛物面集热器由抛物面反射镜,集热管,支撑结构组成.反射镜把太阳直射辐射反射并聚集到位于抛物线焦线上的集热管上,集热管由于接受了太阳辐射温度升高,加热流经管内的工质.一般用油作工质,这是因为如果采用一般的水作介质,聚光器这种额定的工作温度(200450C)会在吸热器的管内产生高压和管涌,而高压需要性能更高的吸热管接口和管路,聚光器的价格也会因此而提高.PlataformaSolardeAlmeria(PSA)研究证明了在10MPa/400C的条件下,吸热器管内直

12、接产生蒸汽的可行性.槽式集热器的反射面材料主要有3种:抛光铝板,铝化或镀银的塑料和背面镀银玻璃.为了保持能量聚焦在集热管上,集热器必须绕轴旋转来跟踪太阳.这种旋转需要一个传动装备.对于串联在一起的数个槽式集热器单元来说,通常一个传动装备就够了,就像驱动单个的集热器一样.传动设备有的利用电动机和传动箱的结合实现旋转,有的利用液压传动系统.一个完整的聚光器通常由多个串联在一起的槽式集热器模块组成,它们由同一个驱动设备实现旋转.一般来讲,几个集热器连接在一起构成一”环”(一个回路)或一”排”,如图8所示.在一个环路里的集热器是用柔性软管或球头节连接起来的,允许接收器管子的线性热膨胀.这些柔性软管或球

13、头节不仅保障了集热器跟踪太阳时吸一SOLARENERGY(增刊)10/2009啪伽o图8槽式抛物面聚光集热系统热管的运动,而且把位于每一个环路两端的集热管和收集管连接起来.太阳跟踪仪控制着槽式集热器的旋转.比较常用的太阳跟踪装置主要有两种:影带跟踪装置和通量线跟踪装置.桑达公司研制的直通式真空管在小型槽式系统上初步试验,导热油出口温度可以达到350C,管子安装在华电工程集团和中科院等单位合作建设的廊坊200kW太阳能槽式发电试验系统上.该系统采用德国进口的玻璃反射镜,集热器的安装高度为4m(抛物面中心点与地面的距离).槽式抛物面集热器的开口宽度5.77m,开口角8O.,焦距1.7lm,导热油工

14、作温度约350.2太阳能空调太阳能空调的实现方式主要依靠太阳的热能进行制冷和供热,一般可分为吸收式和吸附式两种.吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术,根据吸收剂的不同,分为氨一水吸收式制冷和溴化锂一水吸收式制冷两种.太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成.利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水,热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数(亦称COP)越高,这样空调系统的制冷效率也越高.例如,若热媒水温度60C左右,则制冷机COP约0.4;若热媒水温度90C左右,则制冷机COP约0.7;若热媒水温度120C左右,则制冷机CDP可达1.1以上.制

15、冷机机组的选择取决于热源品位的高低.如果太阳能集热系统采用平板式集热器或热管真空管集热器,只能产生低温的热水(温度低于l00C),适配的吸收式制冷机为单效热水型机幺且;如果太阳能集热系统采用聚焦式集热器,能够产生中温热水或蒸汽(温度达到150C以上),可以驱动双级蒸汽型制冷机.图9太阳能空调系统原理示意图目前,世界各国都在大力研究开发高效,廉价的中高温集热技术.太阳能聚焦集热器和非聚焦集热器的比较见表4.表4非聚焦集热器与聚焦集热器性能比较出口热源集热效率/%适配制冷机制冷机COP系统COP6095热水3060单级0.700.20.515020o水蒸气4060双级1.11.5O.40.9通过表

16、4可以看出,采用聚焦集热技术,系统的整体效率比传统技术高一倍左右,优越性明显.采用桑达直通式真空管的空调系统如图l0所示.图10采用桑达直通式真空管的空调系统以下是采用桑达直通式真空管的一个太阳能空调试验系统结构参数.反射板:镜面抛物线型反射铝板;开口宽度:2.26m;焦距:0.8m;传热介质:纯水;工作温度:150C.3太阳能甲醇制氢利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热,可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能.中科院工程热物理所采用桑达公司的直通式真空管研制了5kW热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置,如图11所示.太阳能甲醇分解的(转54页)SOLARENERGY(增:FIJ)

17、10/2009太阳能泳池加热工程实例介绍前言太阳能应用于游泳池水体加热是太阳能光热利用的新兴领域.此项技术一方面满足了社会快速持续发展,人民生活水平不断提高的实际需求,另一方面符合节约常规能源消耗,减少污染物及温室气体排放的政策导向,其发展前景十分看好.太阳能泳池加热技术起源于国外,目前在国外的普及程度较高.国外游泳池加热多应用于家用小型泳池,太阳能集热器多选用塑料材料类非承压太阳能集热器.与国外相比,由于公众认知,技术水平,资金实力等多方面因素的影响,目前国内太阳能泳池加热技术的应用还比较少.本文通过对一处太阳能泳池加热工程实例的介绍,以期对类似工程,特别是以直流真空管太阳能集热器为集热元件

18、的闭式承压二次换热方式运行的太阳能泳池加热工程的设计,施工中需要注意的问题提供一些参考性意见.(接51页)实验结果表明,太阳能集热器可以为甲醇分解提供200300的反应温度,投射到吸收一反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到30%60%,具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能.图11采用桑达直通式真空管的甲醇制氢系统集热器反射板:镜面玻璃;开口宽度:2.5m;焦距:1.7m;工作温度:200250C.四结论北京市太阳能研究有限公司郝睿二太阳能泳池加热工程概况本文介绍的工程实例为某大学体育馆太阳能热水工程.体育馆建筑面积26900m,其中游泳馆配有国际标准8泳道泳池,泳池表面为25m50m,

19、平均深度1.8m,游泳馆四季全天候开放.室内设计温度为25,通过太阳能及辅助热源结合运行,使泳池水温度恒定在2628C范围内.游泳馆配套的太阳能泳池加热系统集热侧闭式承压运行,采用的集热器为直流真空管集热器,具体型号为seido216,共布置78组,太阳能集热器轮廓面积共计312mz.三系统设计1集热器选型太阳能集热器是太阳能泳池加热工程的核心元件,其性能好坏直接关系到系统能否高效可靠运行.北京桑达太阳能技术有限公司研制的直通式真空太阳集热管采用自有的玻璃金属封接技术和涂层技术,研发了一整套专用生产工艺.研制出的直通式真空管经过初步检测和试用,玻璃金属封接可耐受长期的高温冲击,封接强度高,密封

20、性能,选择性吸收涂层耐高温性能好,太阳吸收率高,高温发射率低,在聚光系统中工作温度可以到达350,满足中高温太阳能系统的要求,可广泛应用于太阳能空调,太阳能工业加热,太阳能海水淡化和太阳能热发电等.参考文献1】H_Price,R.Forristall,T.Wendelin,eta1.FieldsurveyofparabolictroughreceiverthermalperformanceR.2006.2】杨军华,董军.浅析吸收式太阳能空调【J.阳光能源,2004,4:4547.3】刘启斌,洪慧,金红光,等.中低温太阳热能的甲醇重整制氢能量转换机理研究J】_工程热物理,2007,5:729732.日五口一SOLARENERGY(增刊)10/2009