發(fā)展航天光熱技術(shù)，服務(wù)國家能源戰(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

發(fā)展航天光熱技術(shù)，服務(wù)國家能源戰(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度在50km以上，表面積達(dá)到1.15萬m2。國外集熱管開發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用已超過三十年，國內(nèi)的試驗(yàn)、研發(fā)也經(jīng)歷了較長的時間，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)境下保持長期、穩(wěn)定運(yùn)行，還要承受冷熱沖擊和風(fēng)沙的影響，對耐候性要求極高。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。國家能源局在國家能源科技發(fā)展規(guī)劃中，對太陽能熱發(fā)電示范工程提出了5項(xiàng)研究內(nèi)容，其中，中高溫太陽能集熱管就占了3項(xiàng)。

通過對航天衛(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航天在衛(wèi)星專用熱控涂層的技術(shù)儲備，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)境中長期穩(wěn)定工作，具備了耐高溫、長壽命的獨(dú)特品質(zhì)。

2．國際領(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，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)計研發(fā)43臺/套真空應(yīng)用高端裝備，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，成功實(shí)現(xiàn)在4m長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)的競爭優(yōu)勢。

二、打破國際壟斷，建成亞洲首條規(guī)?；邷靥柲芗療峁苌a(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)的國家隊(duì)。在經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展積累，確立了國際一流集熱管供應(yīng)商的地位。

1．研發(fā)背景

（1）國際壟斷

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，國際市場進(jìn)入肖特公司的寡頭壟斷格局，市場集中度高，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，肖特公司對中國一直采取嚴(yán)格的技術(shù)保密和封鎖措施，在進(jìn)入中國市場時，附帶較為苛刻的附加條件，要求中國客戶采購其整體系統(tǒng)。不僅價格昂貴，還嚴(yán)重影響我國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的國產(chǎn)化率，制約我國太陽能新能源行業(yè)的健康發(fā)展。我國要發(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，市場上無直接購買的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)設(shè)備。

同時，光熱電站對集熱管的產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性要求極高，需要三大國際權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)（DLR、PSA、NREL）出具的檢測報告，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，市場準(zhǔn)入門檻極高。

（3）集熱管性能對發(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因素：系統(tǒng)集成技術(shù)、集熱管、金屬支架、反射鏡、對日跟蹤系統(tǒng)中，金屬支架和對日跟蹤控制的技術(shù)相對容易，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)測算，僅集熱管的熱損這一項(xiàng)指標(biāo)，對電站的影響程度就大致為：在350℃時，熱損每相差10%，大約導(dǎo)致1.2%的光場效率的變化（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長中高溫太陽能真空集熱管，以及第一代對日跟蹤系統(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)到國際先進(jìn)水平，研制出4m長真空集熱管樣管，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)行國內(nèi)外推廣試用；2013年，啟動產(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，同時產(chǎn)品覆蓋三大系列五種型號，滿足國內(nèi)外所有槽式、菲涅爾式電站用管需求。

3．產(chǎn)品檢測應(yīng)用情況

（1）經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)測試，達(dá)到國際領(lǐng)先水平

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

（2）遠(yuǎn)銷國內(nèi)外市場

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、南美等國家。作為全球最大的太陽能熱發(fā)電國家，西班牙的國家電力集團(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比

目前，我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)正處于商業(yè)化示范積累階段。國家能源局在2015 －2018年期間，將組織國家首輪示范項(xiàng)目（20個，總計裝機(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，天瑞星公司成為國內(nèi)唯一取得國家示范項(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“為國家尋求能源戰(zhàn)略之路、為社會提供節(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”重任的同時，將充分利用并發(fā)揮航天技術(shù)和資源優(yōu)勢，為推動我國太陽能光熱應(yīng)用事業(yè)健康快速的發(fā)展貢獻(xiàn)一份航天力量。