發展航天光熱技術，服務國家能源戰略
——天瑞星高溫太陽能集熱管的研發之路

· 文 |北京天瑞星光熱技術有限公司 陳步亮 呂征宇

發展航天光熱技術，服務國家能源戰略
——天瑞星高溫太陽能集熱管的研發之路

· 文 |北京天瑞星光熱技術有限公司 陳步亮 呂征宇

高溫太陽能集熱管是太陽能熱發電系統的核心部件，用于產生高溫高壓水蒸氣（可達400℃以上），蒸汽可以用于蒸汽發電，也可以用于工業鍋爐。該產品主要由玻璃外管、金屬內管、過渡連接件組成，金屬管和玻璃管中間抽真空實現密閉結構。

一座50MW太陽能熱電站的真空集熱管總長度在50km以上，表面積達到1.15萬m2。國外集熱管開發生產和應用已超過三十年，國內的試驗、研發也經歷了較長的時間，在關鍵技術方面也取得了一定的進展。

一、源自航天的高溫集熱管核心技術

高溫集熱管技術是多學科、多技術的集成。其光學、熱學、力學及真空性能在很大程度上決定了熱發電系統的效率、穩定性和壽命。而集熱管的工作環境惡劣，不僅需要在高溫環境下保持長期、穩定運行，還要承受冷熱沖擊和風沙的影響，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構和工作原理上基本類似，但技術復雜程度則有本質的區別。國家能源局在國家能源科技發展規劃中，對太陽能熱發電示范工程提出了5項研究內容，其中，中高溫太陽能集熱管就占了3項。

通過對航天衛星熱控涂層、真空獲得、表面處理、精密光學等技術的孵化和應用，國內高溫太陽能集熱管關鍵技術得以突破并有了質的提升。

1．全球唯一的雙陶瓷選擇性吸收薄膜——衛星專用熱控涂層技術轉移

耐高溫的高效選擇性吸收涂層是利用中國航天在衛星專用熱控涂層的技術儲備，采用孿生磁控共濺射技術制備的全球唯一的“陶瓷-陶瓷”薄膜結構，有效地避免了傳統“金屬-陶瓷涂層”在高溫工作環境下，金屬原子在涂層內的遷移、聚集以及層與層之間的金屬擴散，從而保證了在800℃以內的真空環境中或450℃以內的大氣環境中長期穩定工作，具備了耐高溫、長壽命的獨特品質。

2．國際領先的金屬－玻璃匹配封接——衛星真空獲得技術體系孵化

為保持集熱管的真空狀態，根據衛星真空獲得的系列技術，創造性地采用熱膨脹系數（-50℃～600℃）完全相同的可伐合金與特種硅硼玻璃材料，其特點是兩種材料的膨脹系數隨溫度的變化曲線完全一致，可以消除金屬－玻璃結合部位的玻璃應力，從而保證了在各種高溫工作環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——衛星特種型材應用

通過衛星特種型材的應用，研究制備了采用溶膠-凝膠技術的抗反射涂層，使玻璃管擁有了高達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，將自清潔技術應用到涂層的制備過程，使得玻璃外管具備優異的疏水耐磨性，可以在嚴酷的風沙環境下依舊保持著良好的太陽光透射效率。

4．全自主設計真空應用高端裝備——衛星精密設備研發基礎

以衛星精密設備研發、高端裝備制造實力為基礎，通過技術轉化，全自主設計研發43臺/套真空應用高端裝備，具有完全的自主知識產權，成功實現在4m長金屬管外表面鍍制高溫太陽能選擇性吸收涂層，屬于光熱技術領域的機電一體化重大裝備，填補了國內該領域的空白。北京天瑞星公司是目前行業內唯一既擁有大型真空鍍膜設備研制核心技術，又具備開發太陽能耐高溫選擇性吸收涂層相關工藝的企業，擁有非常強的競爭優勢。

二、打破國際壟斷，建成亞洲首條規模化高溫太陽能集熱管生產線

作為航天衛星技術應用的前沿，北京天瑞星光熱技術有限公司是專業從事中高溫太陽能集熱管研制、光熱系統工程建設的企業，是太陽能光熱事業的國家隊。在經歷了近二十年的發展積累，確立了國際一流集熱管供應商的地位。

1．研發背景

（1）國際壟斷

集熱管技術自上世紀80年代商業應用以來，一直由以色列Solel Solar System 公司獨家掌握。德國肖特公司投入5000萬歐元以上的研發費用，于2005年開發出了中高溫太陽能集熱管，成為第二家進入該領域的公司。之后，國際市場進入肖特公司的寡頭壟斷格局，市場集中度高，產品供不應求。

為了保持在中高溫集熱管領域的壟斷地位，肖特公司對中國一直采取嚴格的技術保密和封鎖措施，在進入中國市場時，附帶較為苛刻的附加條件，要求中國客戶采購其整體系統。不僅價格昂貴，還嚴重影響我國光熱發電產業化的國產化率，制約我國太陽能新能源行業的健康發展。我國要發展中高溫太陽能集熱管產業，是無法效仿光伏和風電關鍵設備的技術引進或股權合作的模式，必須走自主創新和獨立研發的道路。

（2）市場準入門檻高，關鍵生產設備和工藝均需要自主開發

由于集熱管的技術特點，決定了集熱管的主要生產設備如鍍膜機、玻璃與金屬的融封設備、除氣爐等均需要自行開發設計，市場上無直接購買的標準化生產設備。

同時，光熱電站對集熱管的產品質量及可靠性要求極高，需要三大國際權威檢測機構（DLR、PSA、NREL）出具的檢測報告，還需要有在客戶的試驗系統穩定的運行經驗，才可大批量采購，市場準入門檻極高。

（3）集熱管性能對發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：系統集成技術、集熱管、金屬支架、反射鏡、對日跟蹤系統中，金屬支架和對日跟蹤控制的技術相對容易，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，是標準化產品，其成套生產設備可以在國際上直接購買；系統集成技術主要是靠經驗的積累。因此，高溫太陽能集熱管是集熱系統中最核心的部件。其質量的優劣對電站的投資成功與否，起著至關重要的作用。根據行業測算，僅集熱管的熱損這一項指標，對電站的影響程度就大致為：在350℃時，熱損每相差10%，大約導致1.2%的光場效率的變化（負相關），影響發電量1%。

2．研發歷程

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成功，并申請發明專利；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生系統，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；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生系統，包括新一代拋物面發射鏡，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鍵技術，達到國際先進水平，研制出4m長真空集熱管樣管，并開始著手建設中高溫太陽能集熱管中試生產線；2011年，成功建成一條中高溫太陽能集熱管中試生產線，開始小批量生產并進行國內外推廣試用；2013年，啟動產業化發展之路，建設中高溫太陽能集熱管生產線；2014年，亞洲首條規模化高溫太陽能集熱管生產線建成，經過一年的試運行、調試、改造，可實現年產10萬支的批量柔性制造，滿足200MW太陽能熱電站的使用，同時產品覆蓋三大系列五種型號，滿足國內外所有槽式、菲涅爾式電站用管需求。

3．產品檢測應用情況

（1）經權威機構測試，達到國際領先水平

通過多家國內外權威機構在疲勞、老化、耐候性等方面的測試，天瑞星公司集熱管產品測試數據優異，達到國際一流的技術性能指標。

（2）遠銷國內外市場

經過近二十年的發展，天瑞星公司高溫太陽能集熱管產品已遠銷國際：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電國家，西班牙的國家電力集團Elecnor（最大的光熱電站業主）、OHL集團（西班牙最大的建設公司）均已采購天瑞星集熱管產品。

表1 與肖特公司集熱管對比

目前，我國太陽能熱發電產業正處于商業化示范積累階段。國家能源局在2015 －2018年期間，將組織國家首輪示范項目（20個，總計裝機容量134.9萬kW）的建設，以攻克關鍵技術裝備，形成完整的產業鏈和系統集成能力。截至2016年底，天瑞星公司成為國內唯一取得國家示范項目規模化合同訂單的集熱管供應商。

三、結束語

充分利用和開發新能源，已成為全球能源轉型及實現應對氣候變化目標的重大戰略舉措。作為新能源體系的重要組成部分，太陽能光熱產業的發展，既符合國家建設清潔、低碳、安全、高效、現代能源體系的總體要求，也為社會實現低碳減排、環境保護、綠色生活的目標開辟了全新的道路。

北京天瑞星光熱技術有限公司將秉承“為國家尋求能源戰略之路、為社會提供節能減排之策”的發展理念，在肩負“發展航天事業、建設航天強國”重任的同時，將充分利用并發揮航天技術和資源優勢，為推動我國太陽能光熱應用事業健康快速的發展貢獻一份航天力量。