聚光式太阳能热发电关键技术研究

胡金亮 靳宣强 张纪同 王 永

（1.蒙阴县科技信息情报研究所，蒙阴276200；2.山东省机械设计研究院，济南250031；3.山东新帅克能源科技有限公司，蒙阴276200；4.蒙阴县科学技术局，蒙阴276200）

太阳能热发电通常叫做聚光式太阳能热发电，与传统火电、水电等发电站不同，它们是通过聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电的。由于是把太阳辐射热能转化为电能，因此，该技术无化石燃料的消耗，无废气排放，对环境无污染，是一种清洁的、有前景的能源利用技术。

近年来，我国不断加大对太阳能聚光式热发电利用系统应用的支持力度，2014年国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划（2014～2020年）》中明确指出，要稳步实施太阳能热发电利用示范工程。《太阳能发展“十三五”规划》也把太阳能热发电利用列为了重点，这也意味着光热发电将成为我国“十三五”期间着力发展的重要产业。

1 国内外研究情况

太阳能聚光式热发电利用系统在国外应用稳步提升，美国、西班牙、以色列等国太阳能聚光式热发电利用系统占能源比重不断提高，而随着技术的成熟、运行经验的增加以及系统成本、投资风险的降低，太阳能聚光式热发电技术的应用前景更加广阔。在未来几年中，太阳能聚光式热发电利用系统成本还会持续降低，太阳能聚光式热发电利用系统技术的创新，新的电站模块化集成方案，关键零部件性能的提高，跟踪控制技术的运用都将做到降低成本，这些都将为太阳能聚光式热发电利用技术未来短期内的竞争力提供更多的经济上的数据。

太阳能聚光式热发电利用系统产业在我国还处于产业化起步阶段。在技术方面，经过多年的技术研究及实际应用，我国在太阳能聚光、高温蓄热、高温光热转换等方面积累了很多经验，得到了进一步发展。随着国外太阳能聚光式热发电利用市场的快速发展，我国企业已经进入太阳能聚光式热发电应用产业链的上下游环节。国家相关机构也相继出台一系列政策支持，支持太阳能热发电用材料、聚光部件、吸热部件、储热装置、系统集成和项目开发等，并明确列为重点和优先发展方向。在关键部件的开发方面，已经涌现出一批龙头企业。目前，国内已基本可全部生产太阳能热发电的关键零部件和主要设备，太阳能热发电产业链已逐步形成。比起关键零部件及主要设备制造，光热电站系统集成技术则更为缺乏，目前国内还没有商业化运行的光热电站，都处于实验示范阶段，商业化的投资和运行成本需要证实，整体系统设计能力和模块化集成技术、太阳能聚光式热发电利用系统模拟及仿真技术也刚刚起步，缺乏系统建设运营经验和能力。

2 主要研究内容

我国聚光式太阳能热发电技术虽然得到了很大发展，但是还存在着诸多问题。例如：吸收器集热效率低、高温下稳定性差、储热介质适用范围小、腐蚀性大、跟踪系统精度低等问题。针对目前太阳能热发电系统的不足，开展了基于glass/TiN/AlN-SS/Al-C-F高选择性吸收性膜层的中高温集热管、一种混合熔融盐蓄热系统及基于快速-粗略和慢速-精确跟踪模式的跟踪控制系统的研究改进，优化提高了部件性能及系统的集热效率、稳定性，同时降低了系统成本，为实现工业等行业的能源替代奠定了良好基础，其大面积推广应用将为我国开发绿色新能源、净化空气、减少碳排放产生巨大作用。

2.1 基于高选择性吸收性膜层的中高温集热管制备技术研究

2.1.1 高选择性吸收性膜层的材料及结构研究

利用磁控溅射制备技术制备高选择性吸收性膜层。吸收膜层由抗红外反射膜、第一复合吸收膜、第二复合吸收膜和抗辐射复合保护膜组成。其中，抗红外反射膜TiN、第一复合吸收莫AlN-SS、第二复合吸收膜AlN-SS和抗辐射复合保护膜Al-C-F依次附着在同轴玻璃管内壁组成玻璃/氮化钛/氮化铝-不锈钢/铝-碳-氟glass/TiN/AlN-SS/Al-C-F的高选择性吸收器。膜层按溅射材料分四层溅射。

制备步骤具体如下：（1）抗红外反射膜氮化钛TiN的溅射。工作压强0.2～0.5Pa，反应气体氮气，氮气量20～200Sccm，溅射厚度0.04～0.3μm；（2）第一复合吸收膜，氮化铝-不锈钢AlN-SS的溅射。工作压强0.2～0.8Pa，反应气体氮气，氮气量60～150Sccm，钢靶电流20～40A，溅射厚度0.04～0.1μm；（3）第二复合吸收膜，氮化铝-不锈钢AlN-SS的溅射。工作压强0.2～0.8Pa，反应气体氮气，氮气量60～150Sccm，钢靶电流8～20A，溅射厚度0.04～0.15μm；（4）抗辐射复合保护膜，铝-碳-氟Al-C-F的溅射。工作压强0.2～0.8Pa，反应气体四氟化碳，四氟化碳气体量，30～200Sccm，钢靶电流8～20A，溅射厚度0.03～0.12μm。

2.1.2 溅射工艺优化

（1）双反应气体反应溅射规律的摸索。通过实验找到双反应气体的最佳组成比例和迟滞效应曲线，目标是为工艺的深入开发打好基础。（2）干涉效应曲线调试。通过调试涂层各层的溅射成分，优化调节涂层光干涉效应曲线，使其处于最佳状态，目标是使涂层吸收比达到0.93～0.96，发射率降低到0.03～0.06。（3）耐候性试验。进一步调节膜层成分和工艺参数，目标是使产品具有较强的耐候性，涂层使用寿命达到25年，达到国外同类产品水平。

2.1.3 设备改进

溅射镀膜设备改进包括：（1）双反应气体流量调节系统开发，目标是使反应气体灵敏有效混合，且压力稳定。（2）引入中频溅射电源，目标是减少靶中毒现象，提高溅射效率，使反应溅射更加稳定。（3）引入反馈溅射控制系统，目标是使溅射反应更加稳定，溅射效率更高。

通过进行膜层制备工艺双反应气体反应溅射规律的摸索、干涉效应曲线调试、耐候性试验等研究，该涂层具有更低的低温发射率和更高的吸收比，因此，该膜系下的太阳能槽式热利用系统吸收器具有更低的热损，保温性能更好。

2.2 中高温储热系统研究

油品储热技术在我国已经有很多应用，但该技术不是主流的研究方向，其在国外应用并不多。熔融盐储热技术是太阳能热发电的重要的研究方向，但我国在熔融盐制备技术、介质物性表征技术等方面研究与国外还有一定差距。

为此，需要研究新的熔盐储热系统。其主要研究内容：根据几种熔盐混合起来形成共晶混合熔盐后能够显著降低共晶熔盐混合物的熔点，并能在液态温区稳定的原理，制备由K2CO3、LiCO3和Na2CO3组成；各组分的质量配比——K2CO3：26wt% ～ 38wt%；LiCO3：4wt% ～ 15wt%；Na2CO3：51wt%～67wt%。该混合熔盐的配制的成分成本低、配制工艺简单，热物性性能稳定，使用过程中不会出现某一成分的分离现象，在液态温区具有良好的传热性能，且饱和蒸汽压力低于2个大气压，且取消了熔融盐中氯化物的使用，降低熔盐的腐蚀性，延长储热系统的使用寿命。

2.3 跟踪控制系统的研究

针对目前系统跟踪器件减速比较高，造成聚光器旋转周期较长等问题，研究提出了一种基于改进型电压扰动算法的boot电路跟踪控制模式，高精度传感器（High-Accuracy Sensor）和低精度传感器（Low-Accuracy Sensor）均包括两部分光电传感器件及放大器两部分。由该模式设计的跟踪控制器具有这样的特性：在太阳辐射强度较低时能自动切断电源停止跟踪；在聚光器的指向偏离太阳位置的角度较大时能驱动电机作先快后慢转动，使聚光器的指向在较短的时间内就能调整到太阳的精确位置。并根据这一控制模式设计出相应的控制电路和成本较为低廉的采用钢丝绳连接的大轮和小轮组合的减速机构。

3 结语

本研究获得新型高效太阳能聚光式热发电利用系统，解决了我国太阳能聚光式热发电领域存在的吸收器集热效率低、高温下稳定性差、储热介质适用范围小、腐蚀性大、跟踪系统精度低等问题，填补了我国太阳能聚光式热发电利用产业在关键元器件研发、整体系统设计能力和集成技术等方面的不足，可直接应用到热发电、纺织、建筑、食品加工、木材烘干等工农业生产和日常用高温取暖、开水等方面，带动槽式聚光集热器、吸收器、跟踪器行业的发展，市场竞争力非常强。