■ 劉元元 陳洪晶 劉春喜

(1.皇明太陽能股份有限公司技術(shù)中心；2.山東勝寧電器有限公司研發(fā)部)

0 引言

全球范圍來看，從美國到歐洲，太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展迅速，很多大型電站已實現(xiàn)商業(yè)化運行，而國內(nèi)太陽能熱發(fā)電起步較晚。近幾年，國家對太陽能熱發(fā)電技術(shù)越來越重視，《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，要積極推動太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2020年，太陽能熱發(fā)電規(guī)模要達到500萬kW[1]；2016年9月14日，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》[2]，共20個項目入選我國首批太陽能熱發(fā)電示范項目名單，總裝機量約為1.35 GW，包括9個塔式熱發(fā)電站、7個槽式熱發(fā)電站和4個菲涅爾熱發(fā)電站，其中，槽式熱發(fā)電站占很大比重。

槽式太陽能熱發(fā)電是利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，在這條線上安裝吸熱管，吸收太陽能并對傳熱工質(zhì)進行加熱，再借助蒸汽的動力循環(huán)發(fā)電。槽式吸熱管是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿暮诵牟考?，其熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性將直接決定整個槽式熱發(fā)電站的熱效率和經(jīng)濟成本。從國際商業(yè)化的槽式太陽能熱發(fā)電站運行和維護的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，吸熱管真空失效和破損是造成太陽能熱發(fā)電站經(jīng)濟損失的最主要因素。吸熱管真空失效和破損需要及時更換，以免影響電站運行，會大幅提高電站的維護成本，降低整個電站的經(jīng)濟性。因此，從太陽能熱發(fā)電站的經(jīng)濟性考慮，提高吸熱管的可靠性至關(guān)重要，本文對槽式吸熱管的質(zhì)量控制、直線度變化規(guī)律、焊接應(yīng)力等多方面進行了分析。

1 槽式吸熱管的質(zhì)量控制

對于槽式吸熱管的質(zhì)量控制，主要檢測吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的同軸度及其隨溫度變化的情況，如圖1所示。將吸熱管水平放置在測試臺架上，兩端用滾輪支撐吸熱管端部漏出的鋼管部分，借用高度尺、激光筆和激光接收靶測試外玻璃管與內(nèi)金屬管之間的間隙大小，在常溫和加熱到400 ℃后分別進行測試。外玻璃管與內(nèi)金屬管之間間隙的理論值為20 mm，實測間隙值的變化代表同軸度偏差值，用ΔL表示。加熱前后外玻璃管與內(nèi)金屬管之間間隙的數(shù)值變化規(guī)律如圖2所示。

圖1 吸熱管同軸度測試

圖2 吸熱管加熱前后間隙變化規(guī)律

從圖2可以看出，吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的ΔL≤5 mm。此外，吸熱管在經(jīng)過400 ℃的高溫加熱后，ΔL變化值有正有負(fù)且絕對值很小，最大僅為0.9 mm。因此可以認(rèn)為，400 ℃以內(nèi)，不同溫度對吸熱管同軸度的影響可忽略不計。

2 吸熱管直線度的變化規(guī)律

吸熱管直線度是指吸熱管水平放置時，吸熱管軸線水平方向的偏移量。每根吸熱管長度約4 m，一組集熱器陣列需要多根吸熱管焊接。理論上，吸熱管需安裝在一條直線上；但在實際運行過程中，因吸熱管隨溫度變化軸向伸縮，單根吸熱管升溫400 ℃后伸長量為26 mm，每根吸熱管焊接處通過吸熱管支撐固定。吸熱管軸向伸縮引起吸熱管支撐位置的變化如圖3所示，吸熱管常溫安裝時，吸熱管支撐擺動一定角度c，支撐中心點高度為b1；吸熱管升溫至200 ℃，吸熱管支撐擺動至豎直位置，支撐中心點高度為b2；吸熱管升溫至400 ℃時，吸熱管支撐向反方向擺動角度c，支撐中心點高度為b3。吸熱管支撐位置變化規(guī)律如表1所示，吸熱管軸向伸縮造成吸熱管支撐隨固定點擺動，吸熱管支撐中心點高度也發(fā)生變化，從1561.0降至1553.2 mm，高差約為8 mm。所以，同一陣列吸熱管直線度變化為8 mm。

圖3 吸熱管支撐位置變化示意圖

3 吸熱管焊接應(yīng)力的變形分析

一組集熱器陣列需要多根吸熱管“管管”對焊，為分析焊接殘余應(yīng)力對吸熱管變形的影響，選用不同方式焊接樣管并進行應(yīng)力檢測，得出測試數(shù)據(jù)如表2所示。

由測試數(shù)據(jù)得出結(jié)論，手工焊管一端自由的焊接方式，因為有變形空間，所以焊接殘余應(yīng)力值較低；兩端約束的焊接方式，因為變形空間減少，所以焊接殘余應(yīng)力值較高。自動焊管精度高，殘余應(yīng)力值較小。手工焊管經(jīng)焊接應(yīng)力消除后，殘余拉應(yīng)力均變成殘余壓應(yīng)力。未處理的工件焊縫的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力是個不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，在工件受到荷載時，如果荷載與殘余應(yīng)力疊加超過材料屈服極限，就會造成殘余應(yīng)力釋放而變形。

表1 吸熱管支撐位置變化規(guī)律

表2 吸熱管焊接應(yīng)力測試

4 結(jié)論

太陽能槽式吸熱管的可靠性受多種因素的影響：1)吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的同軸度及其隨溫度變化情況的出廠質(zhì)量控制；2)吸熱管直線度變化規(guī)律，吸熱管軸向伸縮造成吸熱管支撐隨固定點擺動，吸熱管支撐中心點高度也發(fā)生變化；3)一組集熱器陣列的多根吸熱管“管管”對焊后，存在焊接殘余應(yīng)力，在工件受到荷載時， 如果荷載與殘余應(yīng)力疊加超過材料的屈服極限，就會造成殘余應(yīng)力釋放而變形。