中高温直通式真空管的研制与应用

梦泽赤子 2012-03-15

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中高温直通式真空管的研制与应用太阳能联盟网 www.　时间:2011-09-19 10:20　字号: 大中小　已有(0)人评论　我也要投稿

太阳能真空管

　　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，吸热体按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１０Ｃ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，同于传统的全玻璃真空管和热管式真空管不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，属管和外层玻璃管金之间为高真空。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流道，不可避免地要采用玻璃金属封接技术。传的玻璃金属技术封接技术是熔封技术，要求玻璃属的热膨胀系数很相近，而真空太阳集热管采用是高膨硅玻璃，膨胀系数低。目前直通式真空管有德国的ＳＨＯＴ公司和以色利ＳＥＣＴＯＬＬ公司（原ＬＺ司）产，Ｕ公生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，都处于研发的起步阶段。９８，大１９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。几年公司加大该管型的研制力度，近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。２０年研制０６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７ｍｍ附有高温选择性吸收涂层的不锈钢管和外径１５ｍｍ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。ＯＥ管子（）ＳＬＬ图１的波纹管在玻璃管外部，ＳＨＯＴ管子（２的波纹管在玻璃管内部。ＣＴ图）

　　２桑达直通式真空管的结构设计和技术特性

　　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Ｃｕｒ—１Ａ１收率≥０９，／—Ａ一ＣＮｉＮ／Ｎ吸．４发射率≤０１（５￣，涂层耐温５０Ｃ。

　　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，维持管子在长期高温工作可下的高真空。

　　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，有效地保护和提高玻璃金属封接处的强度，可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。

　　３桑达直通式真空管的性能检测

　　１桑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管表面对应设置测温点，管芯加热至３００５～４０℃，每天保温８时，连续１天，如图５所示。

　　桑达公司共进行了２支管子的测试，试结果测致性较好、差异小，如表２示。

　　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ＳＨＴＣＯＴ和ＳＥＯＬＬ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示。据表明，桑所数达直通式真空管的热损低于国外同类管子，一步下将进行更高温度的热损对比检测。三直通式真空管的应用

　　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示。槽式太阳能热发电系统包括以下所五个系统：

　　①槽式聚光集热系统。是系统的核心，由聚它光镜、接收器（空管）真和跟踪装置构成。

　　②换热系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。

　　③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。

　　④蓄热系统。阳能热发电系统在早晚或云遮太间隙依靠储存的能量维持系统正常运行。

　　⑤辅助能源系统。夜间或阴雨天，在采用辅助能源系统供热。

　　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（０～４０Ｃ）２０５￣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。

　　ＰａａｏｍａＳｌｒｄｍｅｉ（Ｓ研究证明了在ｌｔｆｒｏａｅＡｌｒＰＡ）ａ１ＭＰ／０￣０ａ４０Ｃ的条件下，吸热器管内直接产生蒸汽的可行性。式集热器的反射面材料主要有３槽种：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，通常个传动装备就够了，像驱动单个的集热器一样。就一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，它们由同个驱动设备实现旋转。一般来讲，几个集热器连一接在一起构成一“”一个回路）一“，图８环（或排”如所示。

　　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。这些柔性软管或球头节不仅保障了集热器跟踪太阳时吸热管的运动，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，热油出口温度可以达到３０Ｃ，子导管安装在华电工程集团和中科院等单位合作建设的廊坊２０Ｗ太阳能槽式发电试验系统上。系统采用该德国进口的玻璃反射镜，集热器的安装高度为４ｍ（物面中心点与地面的距离）抛。槽式抛物面集热器的开口宽度５７ｍ，开口角８。，焦距１ｌ．７Ｏ．ｍ，导热７油工作温度约３０５℃。

　　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（称ＣＰ越高，这样空调系统的亦Ｏ）制冷效率也越高。如，热媒水温度６￣例若０Ｃ左右，则制冷机ＣＰ约０；若热媒水温度９￣Ｏ．４０Ｃ左右，则制冷机ＣＰ约０７Ｏ．；若热媒水温度１０Ｃ左右，２￣则制冷机ＣＰ可达１１Ｄ．以上。

　　制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（度低于ｌ０，温０￣适Ｃ）配的吸收式制冷机为单效热水型机幺；果太阳能且如集热系统采用聚焦式集热器，能够产生中温热水或蒸汽（度达到１０Ｃ以上）温５￣，可以驱动双级蒸汽型制冷机。