增透膜在槽式太阳能高温集热管产业化生产中的应用

范 兵，杨 兴，王 静，曹明刚（北京天瑞星光热技术有限公司，北京 100086）



增透膜在槽式太阳能高温集热管产业化生产中的应用

范 兵，杨 兴，王 静，曹明刚
（北京天瑞星光热技术有限公司，北京 100086）

摘要：高温太阳能集热管作为槽式太阳能热发电系统的核心部件，直接影响其发电效率。文章研究了采用溶胶-凝胶技术和提拉法在高温太阳能集热管的玻璃外管上镀制增透膜，大大地提高了集热管的集热效率；研制了年产15万支的集热管增透膜镀膜自动化生产线，产业化能力得到稳步提升。

关键词：太阳能热发电；高温太阳能集热管；增透膜；溶胶-凝胶；提拉法

http://www.bisee.ac.cnE-mail: htqhjgc@126.comTel:(010)68116407, 68116408, 68116544

0　引言

太阳能集热发电系统（solar thermal power generation system, STPGS）按集热器类型可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统3大类[1]。其中槽式太阳能集热发电系统商业化成本低、可靠性高。高温太阳能集热管作为槽式太阳能热发电系统中的核心部件，直接影响系统发电效率。

增透膜又叫减反膜，利用薄膜干涉原理增加透射光的能量：当两列波的相位差正好是半个波长的奇数倍时，两列波相互削弱，这就要求薄膜的厚度正好是所需要增反光线的波长的奇数倍[2]。增透膜在各种光学器件上已有广泛的应用。将增透膜技术应用于高温太阳能集热管玻璃外管上，能有效提高槽式高温太阳能集热管的热效率。目前制备增透膜的方法主要有化学气相沉积、真空蒸镀、静电自组装及溶胶-凝胶法（sol-gel），其中溶胶-凝胶法被认为是极具潜力的制备高透光率光学增透薄膜的方法[3-5]。采用溶胶-凝胶技术和提拉法，在高温太阳能集热管的玻璃外管上镀制增透膜，是提高太阳光投射率最为简单、有效的一种方式，具有实现产业化生产前景[6]。但在玻璃管上镀制SiO2增透膜并实现产业化生产，是太阳能发电行业的难题。

1　增透膜在槽式太阳能高温集热管上的镀制及分析

1.1槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦并反射到高温太阳能集热管上，通过高温太阳能集热管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电[7]。该系统主要包括集热装置、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规循环蒸汽发电系统。集热装置是槽式太阳能热发电系统的核心，由支架、反射镜和高温太阳能集热管组成（如图1所示）。

图1　集热装置示意图Fig. 1　Schematic diagram of the heat collection device

1.2高温太阳能集热管

高温太阳能集热管主要由金属管（外壁镀制选择性吸收涂层）、玻璃管、波纹补偿器及真空夹层组成（见图2）。它的主要作用是进行光热转化，即将聚集照射到太阳能选择性吸收涂层表面的光能转化为热能，从而将集热管内流动的导热介质加热。为提高集热管工作效率，增加玻璃外管透射率是一个不可或缺的技术环节。

图2　高温太阳能集热管示意图Fig. 2　Schematic diagram of high temperature receiver tube

1.3制备增透膜

根据目前常规的溶胶-凝胶法SiO2增透膜的制备方法，分别采用酸催化法（盐酸）、碱催化法（氨水）以及酸碱二步催化法（盐酸、氨水），按一定的配比和工艺制备SiO2溶胶[8]。由于碱催化法以及酸碱二步催化法溶胶容易出现混浊、沉淀（胶体不稳定）[9]，而且考虑到胶体应用在高温太阳能集热管上对膜层的耐受性能要求严格，所以最终确定采用酸催化法作为此次SiO2增透膜制备的主要方法。

原料采用分析纯的表面活性剂、无水乙醇、盐酸溶液和正硅酸乙酯，将其按顺序及一定的比例逐步加入后，搅拌均匀（连续搅拌10h），得到SiO2胶体；胶体密封后置于阴凉处储存15d，存储条件为洁净度30万级以上、温度-5～30℃、湿度10%～60%。

1.4增透膜在高温太阳能集热管上的镀制及分析

根据镀膜特性及产品结构特性，决定采用提拉法镀制增透膜。

SiO2增透膜镀制环境条件为：洁净度30万级，温度10～30℃，湿度20%～60%。

将清洗干净的玻璃管竖直浸泡于SiO2胶体内，然后竖直匀速提拉出来；将内外表面附着SiO2胶体的玻璃管置入高温固化炉中，以6 ℃/min的升温速率升温至500℃，保温2h后自然降温，经过高温固化后形成SiO2增透膜。

依据增透膜原理，膜层的透射率及性能由其厚度决定。提拉法镀制SiO2增透膜的膜层厚度由提拉速度决定，速度快，膜层厚；速度慢，膜层薄。以不同提拉速度对玻璃管进行镀制，透射率数据见表1。可见，提拉速度在55 mm/min时，增透效率最高，经分光光度计测量，与玻璃基片相比，SiO2增透膜的透射率提高近5个百分点。

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

2　增透膜在高温太阳能集热管产业化生产中的应用

经过了大量调研，完成了镀制4 m长玻璃管设备的研发、设计，并实现了大规模、自动化生产（15万支/年），生产工艺成熟稳定，成品率达到100%。

增透膜镀膜生产线（见图3）工艺流程为：上料（上料机）→传送（自动传送线）→玻璃管竖直旋转（翻转机）→下降、浸泡（翻转机）→提拉（翻转机）→玻璃管水平旋转（翻转机）→传送（自动传送线）→下料（下料机）。

图3　增透膜镀膜生产线示意图Fig. 3　Layout of production line for AR coating

3　结束语

在槽式太阳能高温集热管上镀制增透膜是提高集热管集热效率的一种关键技术。采用溶胶-凝胶技术和提拉法在高温集热管的玻璃外管上镀制SiO2增透膜，能够使玻璃管的透射率提高近5个百分点，从而使槽式太阳能发电系统的整体效率得到进一步提高。经过调研、设计、试验及生产，目前已经形成了稳定可靠的年产15万支的集热管增透膜镀膜自动化生产线，产业化能力得到稳步提升。

参考文献（References）

[1] 胡其颖. 太阳能热发电技术的进展及现状[J]. 能源技术, 2005, 26(5): 200-207 Hu Qiying. History and present situation on generate electricity technical of solar heat[J]. Energy Technology, 2005, 26(5): 200-207

[2] 李金丽, 刘全校, 许文才. 光学薄膜及其发展现状[J].化工新型材料, 2012, 40(2): 14-20 Li Jinli, Liu Quanxiao, Xu Wencai. Optical thin film and its current situation[J]. New Chemical Materials, 2012, 40(2): 14-20

[3] Fujishima A, Zhang X, Tryk D A. TiO2photocatalysis and related surface phenomena[J]. Surface Science Reports, 2008, 63(12): 515-582

[4] Du X, He J H. Hierarchically mesoporous silica manoparticles: extraction, amino-functionalization, and their multipurpose potentials[J]. Langmuir, 2011, 27: 2972-2979

[5] Jonsson E, Fredriksson H, Sellappan R, et al. Nanostructures for enhanced light absorption in solar energy devices[J]. International Journal of Photoenergy, 2011(2011): 11

[6] 张志晖, 贺军辉, 杨巧文. 酸催化溶胶-凝胶法制备高强度SiO2增透膜研究进展[J]. 影像科学与光化学, 2013, 31(2): 91-102 Zhang Zhihui, He Junhui, Yang Qiaowen. Reserch progress in preparation of mechanically durable SiO2antireflective coating by acid catalyzed solgel process[J]. Imaging Science and Photochemistry, 2013, 31(2): 91-102

[7] Helmut Klaiβ, Rainer Köhne, Joachim Nitsch, et al. Solar thermal plants for solar countries-technology, economics and market potential[J]. Applied Energy, 1995, 52: 165-183

[8] 肖轶群, 谢志勇, 沈军, 等. 溶胶-凝胶工艺制备SiO2薄膜的结构控制和稳定性研究[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(8): 1302-1305 Xiao Yiqun, Xie Zhiyong, Shen Jun. Structure control and stability in preparation of silica film via solgel process[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(8): 1302-1305

[9] 马永新, 周友苏, 万春平, 等. 溶胶-凝胶法二氧化硅增透膜的制备与研究[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(3): 298-300 Ma Yongxin, Zhou Yousu, Wan Chunping, et al. Study on the SiO2antireflective coating prepared by sol-gel method[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(3): 298-300

（编辑：冯 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

作者简介：范 兵（1965—），男，高级工程师，主要从事新型槽式发电集热管的研发与制造工作。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

中图分类号：TV651.3

文献标志码：B

文章编号：1673-1379(2016)02-0224-03