槽式太陽能集熱管壽命評價分析

北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司 ■ 張磊 劉雪蓮 王靜 崔孟龍

中國科學(xué)院電工研究所 ■ 雷東強

0 引言

太陽能集熱管是槽式太陽能熱發(fā)電站中將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵部件，其耐久性直接影響了整個槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的效率和運行經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，集熱管失效一直是槽式熱發(fā)電站中存在的主要問題，如圖1a所示，美國加州的SEGS太陽能熱發(fā)電站集熱管累計失效率超過4%；而據(jù)統(tǒng)計，2006年后新建的槽式太陽能熱發(fā)電電站累計失效率超過3.4%。集熱管失效主要包括玻璃破損、真空損失和膜層老化，圖1b列舉了1989～2003年SEGS太陽能熱發(fā)電站不同失效類型的占比情況。集熱管失效，一方面會造成集熱管熱損急劇上升，顯著降低系統(tǒng)的發(fā)電效率；另一方面，為了更換單個集熱管，整個回路必須停止運行，也降低了電站的經(jīng)濟(jì)性。

集熱管的失效主要與集熱管部件的耐久性和結(jié)構(gòu)的可靠性相關(guān)。其中，耐久性主要涉及到選擇性吸收膜層的老化問題。結(jié)構(gòu)的可靠性主要包括金屬內(nèi)管彎曲問題、玻璃與金屬封接失效問題和波紋管熱－機械疲勞失效問題。

圖1 SEGW太陽能熱發(fā)電站集熱管失效率統(tǒng)計

1 研究內(nèi)容

對于選擇性吸收膜層高溫老化壽命的研究，國際上，國際能源署在1994年曾針對平板集熱器膜層耐久性測試方法制定了標(biāo)準(zhǔn)初稿，并于2014年最終頒布了ISO 22975-3-2014《太陽能收集器的部件和材料 第3部分：吸收表面的耐用性》。國際標(biāo)準(zhǔn)中提到的測試方法是基于溫度引起的膜層光學(xué)性能衰減可以采用Arrhenius方程而進(jìn)行描述定義的，但該方法限定范圍為太陽能平板集熱器的膜層老化壽命評價，最高悶曬溫度約為280 ℃。而對于槽式太陽能集熱管中高溫選擇性吸收膜層的老化壽命評價，目前尚無測試標(biāo)準(zhǔn)。一些大學(xué)及研究機構(gòu)都相繼開展了膜層高溫老化的相關(guān)研究，特別是意大利ENEA研究機構(gòu)，對5 MW槽式熔鹽系統(tǒng)的集熱管膜層高溫老化和集熱管結(jié)構(gòu)可靠性等當(dāng)前的研究熱點問題進(jìn)行了較多研究。

對于太陽能熱發(fā)電集熱管可靠性能的評價手段，國內(nèi)外不少電站項目和研究機構(gòu)已經(jīng)開展了一些研究，比如國外的德國宇航中心DLR、西班牙PSA實驗室及德國的CSP Services，以及國內(nèi)的中國科學(xué)院電工研究所、中國國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟等。他們都提出了關(guān)于集熱管的產(chǎn)品檢測方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，但目前國際上尚未形成統(tǒng)一定論的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這也是當(dāng)前亟需解決的共性問題。

以真空失效為例，國內(nèi)用戶對真空失效的標(biāo)準(zhǔn)尚存爭議。對此，S公司對判斷集熱管在調(diào)試運行之前是否發(fā)生真空泄露提出了判斷依據(jù)：集熱管調(diào)試運行之前發(fā)生真空泄露，真空指示斑就會和進(jìn)入的空氣(氧氣)反應(yīng)，顏色變白，如圖2所示。

除此之外，S公司的集熱管產(chǎn)品手冊中也明確表示，在集熱管的使用過程中，真空指示斑除了通常的銀色鏡面外，還有很多的外觀，如彩虹色或黑色，如圖3所示，這也代表真空良好。

圖2 真空指示斑變白

圖3 真空良好的幾種真空指示斑的顏色

2 結(jié)果及分析

真空指示斑出現(xiàn)的黑色和彩虹色，主要是由于蒸散型吸氣劑形成的鋇膜和吸附的雜質(zhì)氣體反應(yīng)后生成的化合物所呈現(xiàn)的顏色。

在集熱管生產(chǎn)過程中(排氣之后)，真空指示環(huán)的材料被加熱，通常用感應(yīng)加熱的方式加熱并蒸發(fā)，沉積在玻璃管上形成涂層，而所看到的就是銀色鏡面狀態(tài)的真空指示斑。

真空指示環(huán)的原材料的主要成分是金屬鋇，蒸發(fā)之后在玻璃管內(nèi)壁形成一層鋇膜，從外表面看就是銀色鏡面。但在集熱管的運行過程中，因為長期處于高溫狀態(tài)下，玻璃管及金屬管會釋放出吸附H2、CO、CO2等化合物氣體，在高溫下，鋇膜吸氣劑與CO、CO2、H2等雜質(zhì)氣體反應(yīng)，形成碳化鋇、碳酸鋇、氫化鋇等，其中碳化鋇是黑色，其他化合物顏色多樣，也即是彩虹色指示斑的成因；而這個過程中真空指示斑參與了反應(yīng)，其面積也會逐漸減小。

如果集熱管出現(xiàn)破損或外部泄露，空氣中的氧氣將大量進(jìn)入，鋇膜便與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成氧化鋇，呈現(xiàn)完全的白色，因此只有真空指示斑呈現(xiàn)白色時，才可以初步判定集熱管的真空失效。

S公司也指出，一旦系統(tǒng)開始運行之后，此類依據(jù)就不夠準(zhǔn)確了。其運行后的真空失效的判斷公式為：

式中，Tamb為大氣溫度，℃；Toil為導(dǎo)熱油的溫度，℃；Tthr為玻璃管溫度理論值。

系統(tǒng)開始運行后，實際測量運行中的集熱管(集熱管在其回路運行時，將集熱管對應(yīng)的發(fā)射鏡翻轉(zhuǎn)，使集熱管不處于太陽光聚焦位置)玻璃管的溫度Tg，并將其與公式(1)中的Tthr進(jìn)行對比，若Tg＞Tthr，則表示集熱管內(nèi)部真空失效。

對于S公司的關(guān)于集熱管運行后的真空失效公式，行業(yè)內(nèi)尚存些許爭議，國內(nèi)對此也無公認(rèn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司(下文簡稱“天瑞星”)將與電工所及相關(guān)單位合作，在共性問題的研究基礎(chǔ)上，推動此項國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的確立。

2017年，國內(nèi)20個太陽能熱發(fā)電站示范項目相繼啟動，其中槽式和菲涅爾式電站占了11個，高溫太陽能集熱管的可靠壽命及真空失效問題成為很多集熱管廠家亟需破解的難題。也是電站業(yè)主單位、電站設(shè)計單位及EPC單位等最為關(guān)心的關(guān)鍵問題。天瑞星將與電工所和相關(guān)單位合作，共同研究出相應(yīng)測試評價手段，群策群力，減少廠家各自重復(fù)、無效的研究，探索國內(nèi)集熱管產(chǎn)品存在的共性問題的測試評價方法及解決措施，提高集熱管的產(chǎn)品性能和質(zhì)量，為確保國內(nèi)太陽能熱發(fā)電站安全可靠運行提供理論和實驗依據(jù)。

3 結(jié)論

國內(nèi)的S公司對集熱管的真空失效標(biāo)準(zhǔn)提出了判斷依據(jù)，但其真空失效公式在行業(yè)內(nèi)尚存些許爭議。槽式和菲涅爾式太陽能熱發(fā)電項目中使用的高溫集熱管，其表面的蒸散吸氣劑鏡面只能用于表征集熱管正式運行之前的真空度。在集熱管上系統(tǒng)運行之后除非其內(nèi)部完全失真空，否則單純通過蒸散吸氣劑鏡面不能完全判斷集熱管內(nèi)部的實際真空情況。