太陽能發電裝備的潤滑油液性能要求及選用探討

張春輝

(中國石化潤滑油有限公司 北京 100085)

能源和環境問題是制約世界經濟和社會可持續發展的2個突出問題，當今節能減排、綠色發展、開發利用各種可再生能源已成為世界各國的發展戰略。太陽能具有儲量大、永久性、清潔無污染、可再生、就地可取等特點，是目前地球上可以開發的最大可再生綠色能源。利用太陽能，推動太陽能發電發展，成為世界各國的共識。2020 年中國確定了“雙碳”目標，新能源產業進入快速發展階段， 太陽能發電迎來發展黃金期。

關鍵設備的可靠性是太陽能發電技術先進性、安全性、高效性實施的基礎，而動設備良好潤滑及傳熱設施介質正確選擇對設備的可靠運行起到至關重要的作用。本文作者對太陽能發電裝備潤滑及熱傳遞關鍵技術進行研究分析，指出現用產品存在的問題，提出開發長壽命專用油品并建立針對性評價手段，確保太陽能發電系統的平穩安全運行。

1 太陽能發電基本情況

1.1 太陽能發電應用

2020年全球太陽能發電達127 GW，已占到全球發電量的 27%。根據國際能源署(IEA)預測，2020—2025年全球將新增超過900 GW的太陽能發電量，太陽能發電量將占到新增清潔能源產能的60%。

我國可再生能源利用規模占世界首位，占全球的30%。截至2020年底，累計裝機容量達253 GW。根據“十四五”規劃，2030年中國太陽能的裝機容量將達到650 GW，占比可再生能源的55%。詳見表 1。

表1 2014—2020我國太陽能發電新增及總容量 單位：GWTable 1 Newly increased and total capacity of solar power generation in China from 2014 to 2020 Unit:GW

1.2 太陽能發電技術模式

太陽能發電有2種方式，光伏發電與光熱發電。

光伏發電：是光-電直接轉換方式，太陽能電池板吸收太陽光中的可見光形成光電子，產生電流，進行發電。光伏發電是太陽能發電技術的主力軍，占全部太陽能發電并網裝機容量的 99%以上。我國光伏發電產業占據全球主動地位，光伏產業已經實現了全產業鏈的自主可控[1]。

光熱發電：即太陽能熱發電，是光-熱-電的轉換方式，采用集熱系統采集匯聚太陽光，并利用吸熱器將太陽能轉化為熱能，再通過蒸汽動力循環的熱功轉化過程發電。我國太陽能光熱發電，還處于初期階段。光熱發電與光伏發電相比，具有更好的調節和控制能力，可以與光伏、風電及傳統電力能源相結合，有利于新能源電力系統的安全運行與新能源高效消納，發展前景廣闊。槽式和塔式是目前最為主流的2種光熱發電技術路線[2]。

1.3 太陽能發電關鍵設備及相關要求

可靠性和效率始終是太陽能規模化快速發展和利用的關鍵所在。由于太陽能資源的波動性和隨機性，尤其是光伏發電具有顯著的間隙性和隨機性，導致發電功率不平穩，太陽能發電系統的安全、穩定運行是長期面臨的重大挑戰，太陽能發電技術的高可靠性成為關注的焦點；而依靠自身技術進步提高太陽能發電效率,持續降低發電成本是太陽能得以不斷擴大應用的基礎之一。

關鍵設備的可靠性是太陽能發電技術先進性、安全性、高效性實施的基礎。設備可靠性需要從設備硬件、工況、動設備潤滑、傳熱設施介質選擇幾方面綜合保障，需重點考察環境、特殊工況等多維度影響因素；而相關配套潤滑、傳熱介質的研究，是提升設備效率、延長設備壽命、達到系統設計要求、實現安全運行的前提。

光伏發電關鍵設備組件包括太陽能追蹤器、硅晶板、電器開關及逆變器。太陽能追蹤器對光照的有效采集起著重要作用，追蹤器穩定、可靠運行是確保光能采集率最大的前提，而可靠的抗風能力是太陽能跟蹤器的基本要求。逆變器是光伏發電系統核心關鍵部件，逆變器將系統產生的直流電轉換為交流電供應給電網或者用于驅動電器等負載，其性能直接關系到整個電站的發電效率以及運行安全[3]。

太陽能熱發電系統分別由集熱系統、吸熱系統、儲熱與換熱系統、發電系統組成。發電部分與常規熱力發電廠相同或相近，汽輪機作為核心設備需要重點關注。熱能部分中，聚光集熱技術是太陽能熱利用的專有技術，其技術要求高,而關鍵動設備轉動裝置的精準性和可靠性直接影響聚光系統的安全性及工作效率。儲熱、換熱系統是驅動蒸汽動力系統運行的動力，其可靠性直接關乎光熱發電站能否正常運行[4]。

2 太陽能發電潤滑需求

潤滑對保證設備“安、穩、長、滿、優”運行的重要性不言而喻。廣義上講太陽能發電的潤滑主要包含兩方面功能，一是運動部件的潤滑，二是熱傳導作用(包含冷卻)。

在光伏發電系統中，需要潤滑及冷卻的裝置主要有2個：一是太陽能接收系統的轉動裝置，二是電流轉化及輸出系統的變壓器及液冷逆變器。

在光熱發電系統中，需要潤滑的裝置主要包括集熱系統傳動裝置及發電系統汽輪機。除此之外，傳熱介質在熱存儲及熱交換系統中承擔熱量傳遞作用，其正確選擇和使用過程監控需要重點關注，以提升熱效率和使用安全性。

3 太陽光接收回轉裝置潤滑需要

無論是光伏還是光熱，其太陽光接收系統都需要跟隨太陽轉動的傳動機構，蝸輪蝸桿減速機由于其具有自鎖性、大傳動比及定位精準性的特點，在太陽能發電行業被廣泛應用。回轉蝸輪蝸桿減速器被業界譽為地面跟蹤的“心臟”。以塔式光熱發電的定日鏡為例，一般50 MW的光熱發電項目需要約3 萬面定日鏡，每面鏡子都需要一個蝸輪蝸桿減速機，以保證定日鏡與太陽光照射角度的精準吻合。

3.1 太陽能用回轉減速器裝置特點

相比于一般蝸輪蝸桿傳動裝置，用于光伏光熱領域的回轉減速器——蝸輪蝸桿裝置有著自己鮮明的特殊性：

(1)配副材質不同于傳統蝸輪蝸桿的“鋼對銅”， 一般為“鋼對鑄鐵或其他合金”。

(2)轉速很慢。為保持實時跟蹤太陽位置， 傳動機構每3～5 s轉動一次，蝸輪蝸桿輸入端的轉速為0.3 r/s，輸出端只有0.01 r/s。

(3)承受較大負荷及傾覆力矩。風對傳動裝置的沖擊負荷很大，可達13 000 N/m2，且由于風力不平穩，產生的沖擊震動使得磨損較大，同時如果載荷產生的力矩大于裝置的傾覆力矩時，會產生傾覆失穩。

(4)環境惡劣。很多大型集中式發電場在4 000 m以上高海拔地區，四季、晝夜溫差大,對油品黏溫性能要求高。

(5)超長壽命。由于更換過程復雜，太陽能跟蹤裝置設計壽命一般要求超過25年。

3.2 太陽能用蝸輪蝸桿裝置潤滑技術要求

基于太陽能蝸輪蝸桿傳動裝置的特殊性，配套的潤滑劑也須滿足長壽命、適應惡劣工況要求，終極目標是潤滑油達到和裝置同壽命25年。因此潤滑劑應具備如下特征：

(1)優異低溫性能。太陽能傳動機構完全暴露于室外，加之光資源豐富地區所處環境工況苛刻，如沙漠環境的溫度范圍為-20～50 ℃，油品應具有優異的低溫流動性和黏溫特性。

(2)良好的密封橡膠相容性。用戶對油品泄漏非常關注，不同于一般的工業裝置，太陽能傳動機構暴露在室外空間，油品稍有泄漏都會造成電池板及定日鏡等外觀污染，用戶無法接受。也正是該原因最初用戶選用半流體潤滑脂以期解決泄漏問題，但如果油品不具備良好的橡膠相容性能，并不能從根本上解決。

(3)優秀減摩性能、低摩擦因數。該特性是蝸輪蝸桿油相對于一般工業齒輪潤滑油最大的特點之一。蝸輪蝸桿主要用于兩交錯軸間的動力傳遞，具有傳動速比大、結構緊湊、蝸輪輸出轉矩大等特點。蝸輪蝸桿的傳動方式以滑動為主，且相對滑動速度大、滑動距離大，不易實現良好的潤滑；另外，齒面溫度高、油膜易破壞，容易引起發熱，傳動效率低、蝸輪易磨損[5]。加之太陽能傳動裝置所承受的沖擊負荷較大，潤滑條件苛刻，油品應具有更優異的抗磨、抗擦傷能力，以及適宜的低摩擦因數以保證蝸輪蝸桿減速機的傳動效率并降低溫升。針對上述性能要求，蝸輪蝸桿減速器生產商都會采用蝸輪蝸桿臺架考察配套油品的傳動效率、溫升等表現，以確定油品綜合性能是否滿足要求。如 Flender公司的G722蝸輪蝸桿油測試方法《Oil Test with Cylindrical Worm Gear Drives》中重點對點蝕、溫升和傳動效率幾個重要性能進行考察。

(4)優異的氧化穩定性。用戶希望配套的油品能達到與裝置同壽命，即超過25年，因此潤滑劑要求有優異的氧化穩定性。

3.3 現用潤滑產品技術狀況

蝸輪蝸桿齒面嚙合效率低，齒面間磨損大，工作時易發熱，加之結構造成不易潤滑等原因，易發生失效[6]。潤滑油性能對蝸輪蝸桿減速器裝置的有效運轉起著重要作用，高機械效率、低摩擦是對蝸輪蝸桿潤滑劑的基本要求。

傳統的蝸輪蝸桿回轉傳動機構均采用油潤滑， 但如前所述考慮到泄漏等原因，目前太陽能領域使用的蝸輪蝸桿減速箱，大多數采用了OEM推薦的半流體潤滑脂潤滑。但一方面由于應用環境惡劣，潤滑脂經反復輻射高溫暴曬后，也會造成溢脂泄漏問題；另一方面因現有潤滑脂無法達到太陽能領域長壽的需求，許多OEM規定5～6年應補充或更換潤滑脂。現場調研反饋現有潤滑脂潤滑存在振動磨損過大，7～8年后蝸輪蝸桿傳動裝置間隙變大，發生磨損問題，影響定日鏡系統對太陽的精準跟蹤。

相比于脂潤滑，油潤滑在冷卻效果、傳動效率等方面都更有優勢。我國現行的行業標準 SH0094(詳見表2)規定了蝸輪蝸桿油技術規范，但該規格對油品密封相容性、抗氧化、抗磨損等性能要求，與太陽能傳動裝置要求都有一定的差別。如對油品的氧化安定性要求，標準GB/T 12581(等效ASTM D943)要求潤滑油氧化壽命僅為350 h，顯然不能滿足太陽能傳動系統長壽命的需求。同時該規格中也未對油品的密封性能提出任何約束指標要求。

表2 SH0094 L-CKE/P重負荷蝸輪蝸桿油規格Table 2 SH0094 L-CKE/P heavy duty worm gear oil specification

3.4 專用油產品開發建議

從前述太陽能傳動機構特點及苛刻要求，可知用于太陽能傳動機構的專用油品，既要滿足在密封性、抗沖擊能力、減摩能力方面的特殊要求，還要保證油品至少10年使用壽命，并最終實現與回轉減速機同壽命。表3給出了專用油品參考的性能指標要求，建議采用臺架模擬實際工況來評價油品綜合性能。

表3 太陽能蝸輪蝸桿傳動機構潤滑油參考技術要求Table 3 Technical requirements for lubricating oil of solar worm gear transmission system

值得注意的是，用于光伏光熱領域的蝸輪蝸桿裝置沒有采用傳統蝸輪蝸桿的“鋼對銅”摩擦副，在油品開發過程中極壓抗磨劑的選擇與傳統蝸輪蝸桿潤滑劑中的單劑選擇可以有所不同。

4 汽輪機組的潤滑

與傳統的火力發電基本相同，汽輪機作為太陽能熱發電站中的關鍵設備，用于實現熱能和機械能的轉換[7]。然而，由于太陽能熱發電站受太陽光照等因素的影響，能量來源具有不穩定性，電站存在負荷變化及啟停頻繁的特點[8]。負荷波動增加及多次啟停，會導致閥門和轉子產生較高熱應力，汽輪機處于疲勞運行狀態，最終影響使用壽命[9]。

汽輪機油在長周期運行過程中，不斷氧化降解，而高溫、水分、金屬顆粒(如銅或鐵)、細小氣泡都會催化氧化過程。研究表明：溫度每升高10 ℃ ,潤滑油油品氧化的速度增加一倍[10]。加速氧化使低溫氧化生成的過氧化物、醇、醛和酮等縮合物聚合形成羧酸、金屬羧酸鹽等，進一步反應生成納米級別顆粒。當這些顆粒的數量不斷增加，濃度超過油品溶解度時，就會在潤滑系統表面析出不溶物，這些吸附在設備表面的不溶物，即為油泥[11]。太陽能熱發電汽輪機組的頻繁啟停引起的高溫，加重了油品漆膜及油泥的產生。因此，需要格外關注汽輪機油的抗氧化性能及油泥生成趨勢。氧化安定性試驗D943超過10 000 h的長壽命汽輪機油，可推薦應用于太陽能熱發電機組。

5 熱系統介質

不同于光伏能直接發電，光熱發電是將光能轉化成熱能再發電，因此對于光熱發電而言，熱系統(包括熱交換系統及儲熱)介質對整個系統的運行起著至關重要的作用。熱介質主要有兩類：合成導熱油和熔鹽。

5.1 合成高溫導熱油

國標GB 23791規定了有機熱載體(導熱油)的技術指標要求。與大多數潤滑油、液標準為推薦性標準不同的是，由于導熱油用于高溫傳熱，涉及安全性，GB 23791標準為強制標準。該標準按照使用狀態及最高的允許使用溫度劃分產品類別，其中L-QD型產品為具有特殊高熱穩定性的合成型產品。表 4 列出了L-QD型產品部分關鍵性能指標要求。太陽能熱電系統導熱油的選擇除了考慮油品的自燃點(最高允許使用溫度)等指標外，更需要關注油品在最高使用溫度下的熱穩定性指標，該指標體現的是油品在高溫下的長周期熱穩定性能(1 000 h)，也是重要的安全性能指標。

太陽能發電熱交換系統一般高于300 ℃，聯苯- 聯苯醚型合成導熱油是目前較為適宜的熱交換介質，使用溫度范圍為 120～400 ℃。表4給出了中石化的QD400聯苯-聯苯醚合成導熱油的典型數據。

表4 QD400聯苯-聯苯醚的典型數據Table 4 Typical data of QD400 biphenyl,mixed with biphenyl oxide

導熱油在使用過程中要確保其適當的流速(≥2 m/s)，避免過熱運行，同時還需按照有機熱載體安全技術條件 GB 24747進行油品監測，主要監控項目見表5，根據檢測指標及時采取適當的措施。

表5 運行中導熱油重點監測項目Table 5 Key monitoring items of thermal conduction oil in operation

由于聯苯、聯苯醚使用的最高溫度為400 ℃ ， 研究開發合成高溫硅油導熱油成為新的需求。

5.2 熔鹽

所謂熔鹽是指無機物熔融鹽 (簡稱為熔鹽)，熔融鹽使用溫度為300～1 000 ℃，具有相對的熱穩定性及低蒸氣壓。對于溫度超過450 ℃的熱交換系統需采用熔鹽進行熱量傳遞，如塔式光熱發電熱交換系統(最高溫度550 ℃)以及光熱系統的儲熱介質均采用熔鹽。目前已經廣泛應用的熔鹽多為硝酸鹽，如SolarSalt和Hitec等。但這種以多種硝酸鹽混合而成的高溫熔鹽的熱導率較低，有的僅為2.93×10-3J/(m·h·℃)，故在使用過程中容易引起局部過熱[12]。熔鹽具有較高的凝固點，為130～230 ℃，容易發生凝固。太陽島系統回路分布廣闊， 系統構造復雜，一旦溫度低于傳熱工質凝固點，極易造成管路凍堵，甚至導致整個系統陷入癱瘓，且會引起集熱管爆管、集熱器鏡片破壞等一些列問題[13-14]。同時熔鹽融化需要單獨加熱熱源。而聯苯-聯苯醚型合成導熱油的凝固點一般在10 ℃以下，氫化三聯苯型合成導熱油(QD340)的凝固點一般在-25 ℃以下。

6 其他系統的潤滑與冷卻

在太陽能發電系統中還會使用到普通工業齒輪裝置及液壓裝置等，如一些槽式太陽能發電的太陽能接收板使用推桿式傳動機構等，這些可根據實際應用的環境等情況進行相關油品的配套。

目前光伏發電逆變器基本采用風冷模式，隨著光伏發電并網容量的增大，并網電壓等級的增高， 逆變器的功率也越來越大，液冷卻技術將成為光伏發電機組冷卻技術的主流[15]。GE公司在2012年發布的2 MW光伏逆變器及2014年發布的4 MW光伏逆變器均采用液冷系統。對于逆變器冷卻液，冷卻性與防凍性是其最基本要求，更重要的是冷卻液對冷卻系統金屬材料的保護性能，防止腐蝕，避免結垢， 堵塞流道。

7 結束語

太陽能利用技術是一種低碳、高效和可持續的能源供給方式，隨著全球環保要求日益嚴格，特別是中國“雙碳”目標戰略實施，太陽能成為我國能源結構轉型升級的必然選擇，我國太陽能利用技術必將迎來更加廣闊的發展前景。潤滑劑及熱能介質對于保障太陽能發電系統的安全穩定運行至關重要。不同的太陽能發電技術路線對相關潤滑及熱能介質有著不同的需求，相對于一般工業應用場合， 太陽能發電關鍵設備涉及的油、液有著自己鮮明的特點和特殊需求，但目前關鍵設備制造商在選擇配套的潤滑油、液一般延續傳統工業行業習慣。以太陽能回轉減速機構的潤滑為例，它與與傳統的蝸輪蝸桿減速機的潤滑要求差別很大，現用產品存在磨損、泄漏、無法達到長壽命要求等突出問題，目前市場上尚無有針對性的專用油品。

我國太陽能發電行業經過近十年的發展，關鍵技術及設備已實現自主，太陽能利用技術作為系統工程，需要相關多領域的協同進步與發展。專業的潤滑油公司應盡快聯合關鍵設備制造商，關注行業痛點，開展相關潤滑技術研究，結合零部件特性、工況及環境特點，探究建立針對性評價手段，開展功能設計，開發系列專用油品，重點關注產品壽命特性，達到與關鍵設備同壽命；同時根據設備應用工況提供專業的用油指導，為太陽能發電系統提供更安全、高效的油、液保證，共同推進綠色能源的高效利用，實現“雙碳”目標。