胡金亮 靳宣強(qiáng) 張紀(jì)同 王 永

（1.蒙陰縣科技信息情報研究所，蒙陰276200；2.山東省機(jī)械設(shè)計研究院，濟(jì)南250031；3.山東新帥克能源科技有限公司，蒙陰276200；4.蒙陰縣科學(xué)技術(shù)局，蒙陰276200）

太陽能熱發(fā)電通常叫做聚光式太陽能熱發(fā)電，與傳統(tǒng)火電、水電等發(fā)電站不同，它們是通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)來發(fā)電的。由于是把太陽輻射熱能轉(zhuǎn)化為電能，因此，該技術(shù)無化石燃料的消耗，無廢氣排放，對環(huán)境無污染，是一種清潔的、有前景的能源利用技術(shù)。

近年來，我國不斷加大對太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)應(yīng)用的支持力度，2014年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014～2020年）》中明確指出，要穩(wěn)步實施太陽能熱發(fā)電利用示范工程?！短柲馨l(fā)展“十三五”規(guī)劃》也把太陽能熱發(fā)電利用列為了重點，這也意味著光熱發(fā)電將成為我國“十三五”期間著力發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。

1 國內(nèi)外研究情況

太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)在國外應(yīng)用穩(wěn)步提升，美國、西班牙、以色列等國太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)占能源比重不斷提高，而隨著技術(shù)的成熟、運行經(jīng)驗的增加以及系統(tǒng)成本、投資風(fēng)險的降低，太陽能聚光式熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊。在未來幾年中，太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)成本還會持續(xù)降低，太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新，新的電站模塊化集成方案，關(guān)鍵零部件性能的提高，跟蹤控制技術(shù)的運用都將做到降低成本，這些都將為太陽能聚光式熱發(fā)電利用技術(shù)未來短期內(nèi)的競爭力提供更多的經(jīng)濟(jì)上的數(shù)據(jù)。

太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在我國還處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。在技術(shù)方面，經(jīng)過多年的技術(shù)研究及實際應(yīng)用，我國在太陽能聚光、高溫蓄熱、高溫光熱轉(zhuǎn)換等方面積累了很多經(jīng)驗，得到了進(jìn)一步發(fā)展。隨著國外太陽能聚光式熱發(fā)電利用市場的快速發(fā)展，我國企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入太陽能聚光式熱發(fā)電應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈的上下游環(huán)節(jié)。國家相關(guān)機(jī)構(gòu)也相繼出臺一系列政策支持，支持太陽能熱發(fā)電用材料、聚光部件、吸熱部件、儲熱裝置、系統(tǒng)集成和項目開發(fā)等，并明確列為重點和優(yōu)先發(fā)展方向。在關(guān)鍵部件的開發(fā)方面，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批龍頭企業(yè)。目前，國內(nèi)已基本可全部生產(chǎn)太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵零部件和主要設(shè)備，太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈已逐步形成。比起關(guān)鍵零部件及主要設(shè)備制造，光熱電站系統(tǒng)集成技術(shù)則更為缺乏，目前國內(nèi)還沒有商業(yè)化運行的光熱電站，都處于實驗示范階段，商業(yè)化的投資和運行成本需要證實，整體系統(tǒng)設(shè)計能力和模塊化集成技術(shù)、太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)模擬及仿真技術(shù)也剛剛起步，缺乏系統(tǒng)建設(shè)運營經(jīng)驗和能力。

2 主要研究內(nèi)容

我國聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)雖然得到了很大發(fā)展，但是還存在著諸多問題。例如：吸收器集熱效率低、高溫下穩(wěn)定性差、儲熱介質(zhì)適用范圍小、腐蝕性大、跟蹤系統(tǒng)精度低等問題。針對目前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的不足，開展了基于glass/TiN/AlN-SS/Al-C-F高選擇性吸收性膜層的中高溫集熱管、一種混合熔融鹽蓄熱系統(tǒng)及基于快速-粗略和慢速-精確跟蹤模式的跟蹤控制系統(tǒng)的研究改進(jìn)，優(yōu)化提高了部件性能及系統(tǒng)的集熱效率、穩(wěn)定性，同時降低了系統(tǒng)成本，為實現(xiàn)工業(yè)等行業(yè)的能源替代奠定了良好基礎(chǔ)，其大面積推廣應(yīng)用將為我國開發(fā)綠色新能源、凈化空氣、減少碳排放產(chǎn)生巨大作用。

2.1 基于高選擇性吸收性膜層的中高溫集熱管制備技術(shù)研究

2.1.1 高選擇性吸收性膜層的材料及結(jié)構(gòu)研究

利用磁控濺射制備技術(shù)制備高選擇性吸收性膜層。吸收膜層由抗紅外反射膜、第一復(fù)合吸收膜、第二復(fù)合吸收膜和抗輻射復(fù)合保護(hù)膜組成。其中，抗紅外反射膜TiN、第一復(fù)合吸收莫AlN-SS、第二復(fù)合吸收膜AlN-SS和抗輻射復(fù)合保護(hù)膜Al-C-F依次附著在同軸玻璃管內(nèi)壁組成玻璃/氮化鈦/氮化鋁-不銹鋼/鋁-碳-氟glass/TiN/AlN-SS/Al-C-F的高選擇性吸收器。膜層按濺射材料分四層濺射。

制備步驟具體如下：（1）抗紅外反射膜氮化鈦TiN的濺射。工作壓強(qiáng)0.2～0.5Pa，反應(yīng)氣體氮氣，氮氣量20～200Sccm，濺射厚度0.04～0.3μm；（2）第一復(fù)合吸收膜，氮化鋁-不銹鋼AlN-SS的濺射。工作壓強(qiáng)0.2～0.8Pa，反應(yīng)氣體氮氣，氮氣量60～150Sccm，鋼靶電流20～40A，濺射厚度0.04～0.1μm；（3）第二復(fù)合吸收膜，氮化鋁-不銹鋼AlN-SS的濺射。工作壓強(qiáng)0.2～0.8Pa，反應(yīng)氣體氮氣，氮氣量60～150Sccm，鋼靶電流8～20A，濺射厚度0.04～0.15μm；（4）抗輻射復(fù)合保護(hù)膜，鋁-碳-氟Al-C-F的濺射。工作壓強(qiáng)0.2～0.8Pa，反應(yīng)氣體四氟化碳，四氟化碳?xì)怏w量，30～200Sccm，鋼靶電流8～20A，濺射厚度0.03～0.12μm。

2.1.2 濺射工藝優(yōu)化

（1）雙反應(yīng)氣體反應(yīng)濺射規(guī)律的摸索。通過實驗找到雙反應(yīng)氣體的最佳組成比例和遲滯效應(yīng)曲線，目標(biāo)是為工藝的深入開發(fā)打好基礎(chǔ)。（2）干涉效應(yīng)曲線調(diào)試。通過調(diào)試涂層各層的濺射成分，優(yōu)化調(diào)節(jié)涂層光干涉效應(yīng)曲線，使其處于最佳狀態(tài)，目標(biāo)是使涂層吸收比達(dá)到0.93～0.96，發(fā)射率降低到0.03～0.06。（3）耐候性試驗。進(jìn)一步調(diào)節(jié)膜層成分和工藝參數(shù)，目標(biāo)是使產(chǎn)品具有較強(qiáng)的耐候性，涂層使用壽命達(dá)到25年，達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。

2.1.3 設(shè)備改進(jìn)

濺射鍍膜設(shè)備改進(jìn)包括：（1）雙反應(yīng)氣體流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)開發(fā)，目標(biāo)是使反應(yīng)氣體靈敏有效混合，且壓力穩(wěn)定。（2）引入中頻濺射電源，目標(biāo)是減少靶中毒現(xiàn)象，提高濺射效率，使反應(yīng)濺射更加穩(wěn)定。（3）引入反饋濺射控制系統(tǒng)，目標(biāo)是使濺射反應(yīng)更加穩(wěn)定，濺射效率更高。

通過進(jìn)行膜層制備工藝雙反應(yīng)氣體反應(yīng)濺射規(guī)律的摸索、干涉效應(yīng)曲線調(diào)試、耐候性試驗等研究，該涂層具有更低的低溫發(fā)射率和更高的吸收比，因此，該膜系下的太陽能槽式熱利用系統(tǒng)吸收器具有更低的熱損，保溫性能更好。

2.2 中高溫儲熱系統(tǒng)研究

油品儲熱技術(shù)在我國已經(jīng)有很多應(yīng)用，但該技術(shù)不是主流的研究方向，其在國外應(yīng)用并不多。熔融鹽儲熱技術(shù)是太陽能熱發(fā)電的重要的研究方向，但我國在熔融鹽制備技術(shù)、介質(zhì)物性表征技術(shù)等方面研究與國外還有一定差距。

為此，需要研究新的熔鹽儲熱系統(tǒng)。其主要研究內(nèi)容：根據(jù)幾種熔鹽混合起來形成共晶混合熔鹽后能夠顯著降低共晶熔鹽混合物的熔點，并能在液態(tài)溫區(qū)穩(wěn)定的原理，制備由K2CO3、LiCO3和Na2CO3組成；各組分的質(zhì)量配比——K2CO3：26wt% ～ 38wt%；LiCO3：4wt% ～ 15wt%；Na2CO3：51wt%～67wt%。該混合熔鹽的配制的成分成本低、配制工藝簡單，熱物性性能穩(wěn)定，使用過程中不會出現(xiàn)某一成分的分離現(xiàn)象，在液態(tài)溫區(qū)具有良好的傳熱性能，且飽和蒸汽壓力低于2個大氣壓，且取消了熔融鹽中氯化物的使用，降低熔鹽的腐蝕性，延長儲熱系統(tǒng)的使用壽命。

2.3 跟蹤控制系統(tǒng)的研究

針對目前系統(tǒng)跟蹤器件減速比較高，造成聚光器旋轉(zhuǎn)周期較長等問題，研究提出了一種基于改進(jìn)型電壓擾動算法的boot電路跟蹤控制模式，高精度傳感器（High-Accuracy Sensor）和低精度傳感器（Low-Accuracy Sensor）均包括兩部分光電傳感器件及放大器兩部分。由該模式設(shè)計的跟蹤控制器具有這樣的特性：在太陽輻射強(qiáng)度較低時能自動切斷電源停止跟蹤；在聚光器的指向偏離太陽位置的角度較大時能驅(qū)動電機(jī)作先快后慢轉(zhuǎn)動，使聚光器的指向在較短的時間內(nèi)就能調(diào)整到太陽的精確位置。并根據(jù)這一控制模式設(shè)計出相應(yīng)的控制電路和成本較為低廉的采用鋼絲繩連接的大輪和小輪組合的減速機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)語

本研究獲得新型高效太陽能聚光式熱發(fā)電利用系統(tǒng)，解決了我國太陽能聚光式熱發(fā)電領(lǐng)域存在的吸收器集熱效率低、高溫下穩(wěn)定性差、儲熱介質(zhì)適用范圍小、腐蝕性大、跟蹤系統(tǒng)精度低等問題，填補(bǔ)了我國太陽能聚光式熱發(fā)電利用產(chǎn)業(yè)在關(guān)鍵元器件研發(fā)、整體系統(tǒng)設(shè)計能力和集成技術(shù)等方面的不足，可直接應(yīng)用到熱發(fā)電、紡織、建筑、食品加工、木材烘干等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常用高溫取暖、開水等方面，帶動槽式聚光集熱器、吸收器、跟蹤器行業(yè)的發(fā)展，市場競爭力非常強(qiáng)。