增透膜在槽式太陽能高溫集熱管產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用

范 兵，楊 興，王 靜，曹明剛（北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司，北京 100086）

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增透膜在槽式太陽能高溫集熱管產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用

范 兵，楊 興，王 靜，曹明剛
（北京天瑞星光熱技術(shù)有限公司，北京 100086）

摘要：高溫太陽能集熱管作為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，直接影響其發(fā)電效率。文章研究了采用溶膠-凝膠技術(shù)和提拉法在高溫太陽能集熱管的玻璃外管上鍍制增透膜，大大地提高了集熱管的集熱效率；研制了年產(chǎn)15萬支的集熱管增透膜鍍膜自動化生產(chǎn)線，產(chǎn)業(yè)化能力得到穩(wěn)步提升。

關(guān)鍵詞：太陽能熱發(fā)電；高溫太陽能集熱管；增透膜；溶膠-凝膠；提拉法

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0　引言

太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)（solar thermal power generation system, STPGS）按集熱器類型可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)3大類[1]。其中槽式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化成本低、可靠性高。高溫太陽能集熱管作為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，直接影響系統(tǒng)發(fā)電效率。

增透膜又叫減反膜，利用薄膜干涉原理增加透射光的能量：當(dāng)兩列波的相位差正好是半個波長的奇數(shù)倍時，兩列波相互削弱，這就要求薄膜的厚度正好是所需要增反光線的波長的奇數(shù)倍[2]。增透膜在各種光學(xué)器件上已有廣泛的應(yīng)用。將增透膜技術(shù)應(yīng)用于高溫太陽能集熱管玻璃外管上，能有效提高槽式高溫太陽能集熱管的熱效率。目前制備增透膜的方法主要有化學(xué)氣相沉積、真空蒸鍍、靜電自組裝及溶膠-凝膠法（sol-gel），其中溶膠-凝膠法被認(rèn)為是極具潛力的制備高透光率光學(xué)增透薄膜的方法[3-5]。采用溶膠-凝膠技術(shù)和提拉法，在高溫太陽能集熱管的玻璃外管上鍍制增透膜，是提高太陽光投射率最為簡單、有效的一種方式，具有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)前景[6]。但在玻璃管上鍍制SiO2增透膜并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，是太陽能發(fā)電行業(yè)的難題。

1　增透膜在槽式太陽能高溫集熱管上的鍍制及分析

1.1槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦并反射到高溫太陽能集熱管上，通過高溫太陽能集熱管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動汽輪機(jī)發(fā)電[7]。該系統(tǒng)主要包括集熱裝置、跟蹤裝置、熱載體、蒸汽產(chǎn)生器、蓄熱系統(tǒng)和常規(guī)循環(huán)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。集熱裝置是槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心，由支架、反射鏡和高溫太陽能集熱管組成（如圖1所示）。

圖1　集熱裝置示意圖Fig. 1　Schematic diagram of the heat collection device

1.2高溫太陽能集熱管

高溫太陽能集熱管主要由金屬管（外壁鍍制選擇性吸收涂層）、玻璃管、波紋補(bǔ)償器及真空夾層組成（見圖2）。它的主要作用是進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化，即將聚集照射到太陽能選擇性吸收涂層表面的光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而將集熱管內(nèi)流動的導(dǎo)熱介質(zhì)加熱。為提高集熱管工作效率，增加玻璃外管透射率是一個不可或缺的技術(shù)環(huán)節(jié)。

圖2　高溫太陽能集熱管示意圖Fig. 2　Schematic diagram of high temperature receiver tube

1.3制備增透膜

根據(jù)目前常規(guī)的溶膠-凝膠法SiO2增透膜的制備方法，分別采用酸催化法（鹽酸）、堿催化法（氨水）以及酸堿二步催化法（鹽酸、氨水），按一定的配比和工藝制備SiO2溶膠[8]。由于堿催化法以及酸堿二步催化法溶膠容易出現(xiàn)混濁、沉淀（膠體不穩(wěn)定）[9]，而且考慮到膠體應(yīng)用在高溫太陽能集熱管上對膜層的耐受性能要求嚴(yán)格，所以最終確定采用酸催化法作為此次SiO2增透膜制備的主要方法。

原料采用分析純的表面活性劑、無水乙醇、鹽酸溶液和正硅酸乙酯，將其按順序及一定的比例逐步加入后，攪拌均勻（連續(xù)攪拌10h），得到SiO2膠體；膠體密封后置于陰涼處儲存15d，存儲條件為潔凈度30萬級以上、溫度-5～30℃、濕度10%～60%。

1.4增透膜在高溫太陽能集熱管上的鍍制及分析

根據(jù)鍍膜特性及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，決定采用提拉法鍍制增透膜。

SiO2增透膜鍍制環(huán)境條件為：潔凈度30萬級，溫度10～30℃，濕度20%～60%。

將清洗干凈的玻璃管豎直浸泡于SiO2膠體內(nèi)，然后豎直勻速提拉出來；將內(nèi)外表面附著SiO2膠體的玻璃管置入高溫固化爐中，以6 ℃/min的升溫速率升溫至500℃，保溫2h后自然降溫，經(jīng)過高溫固化后形成SiO2增透膜。

依據(jù)增透膜原理，膜層的透射率及性能由其厚度決定。提拉法鍍制SiO2增透膜的膜層厚度由提拉速度決定，速度快，膜層厚；速度慢，膜層薄。以不同提拉速度對玻璃管進(jìn)行鍍制，透射率數(shù)據(jù)見表1。可見，提拉速度在55 mm/min時，增透效率最高，經(jīng)分光光度計測量，與玻璃基片相比，SiO2增透膜的透射率提高近5個百分點。

表1　提拉速度/透射率對照表Table1　Comparison of dip speed and transmittance

2　增透膜在高溫太陽能集熱管產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用

經(jīng)過了大量調(diào)研，完成了鍍制4 m長玻璃管設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計，并實現(xiàn)了大規(guī)模、自動化生產(chǎn)（15萬支/年），生產(chǎn)工藝成熟穩(wěn)定，成品率達(dá)到100%。

增透膜鍍膜生產(chǎn)線（見圖3）工藝流程為：上料（上料機(jī)）→傳送（自動傳送線）→玻璃管豎直旋轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)機(jī)）→下降、浸泡（翻轉(zhuǎn)機(jī)）→提拉（翻轉(zhuǎn)機(jī)）→玻璃管水平旋轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)機(jī)）→傳送（自動傳送線）→下料（下料機(jī)）。

圖3　增透膜鍍膜生產(chǎn)線示意圖Fig. 3　Layout of production line for AR coating

3　結(jié)束語

在槽式太陽能高溫集熱管上鍍制增透膜是提高集熱管集熱效率的一種關(guān)鍵技術(shù)。采用溶膠-凝膠技術(shù)和提拉法在高溫集熱管的玻璃外管上鍍制SiO2增透膜，能夠使玻璃管的透射率提高近5個百分點，從而使槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效率得到進(jìn)一步提高。經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計、試驗及生產(chǎn)，目前已經(jīng)形成了穩(wěn)定可靠的年產(chǎn)15萬支的集熱管增透膜鍍膜自動化生產(chǎn)線，產(chǎn)業(yè)化能力得到穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)（References）

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（編輯：馮 妍）

Application of the enhanced transmission film in industrialized production of solar energy high temperature trough receiver tube

Fan Bing, Yang Xing, Wang Jing, Cao Minggang
(Tianruixing Solar Thermal Technology Co. Ltd., Beijing 100086, China)

Abstract:The high temperature receiver tube is the core component of the parabolic trough solar power generation system, and has a direct bearing on the efficiency of the system. By using the sol-gel and dip coating method, anti-reflective coatings are prepared on the surface of the high temperature receiver tube. Thus the thermal efficiency of the high temperature receiver tube is increased. An automatic production line of anti-reflection coating for solar collector tubes is developed to enhance its industrialized production capacity.

Key words:solar power generation; high temperature receiver tube; antireflective coating; sol-gel; dip coating

作者簡介：范 兵（1965—），男，高級工程師，主要從事新型槽式發(fā)電集熱管的研發(fā)與制造工作。E-mail: fanbing@spaceman.com.cn。

收稿日期：2015-05-20；修回日期：2016-03-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.021

中圖分類號：TV651.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1673-1379(2016)02-0224-03