太阳能发电装备的润滑油液性能要求及选用探讨

张春辉

(中国石化润滑油有限公司 北京 100085)

能源和环境问题是制约世界经济和社会可持续发展的2个突出问题，当今节能减排、绿色发展、开发利用各种可再生能源已成为世界各国的发展战略。太阳能具有储量大、永久性、清洁无污染、可再生、就地可取等特点，是目前地球上可以开发的最大可再生绿色能源。利用太阳能，推动太阳能发电发展，成为世界各国的共识。2020 年中国确定了“双碳”目标，新能源产业进入快速发展阶段， 太阳能发电迎来发展黄金期。

关键设备的可靠性是太阳能发电技术先进性、安全性、高效性实施的基础，而动设备良好润滑及传热设施介质正确选择对设备的可靠运行起到至关重要的作用。本文作者对太阳能发电装备润滑及热传递关键技术进行研究分析，指出现用产品存在的问题，提出开发长寿命专用油品并建立针对性评价手段，确保太阳能发电系统的平稳安全运行。

1 太阳能发电基本情况

1.1 太阳能发电应用

2020年全球太阳能发电达127 GW，已占到全球发电量的 27%。根据国际能源署(IEA)预测，2020—2025年全球将新增超过900 GW的太阳能发电量，太阳能发电量将占到新增清洁能源产能的60%。

我国可再生能源利用规模占世界首位，占全球的30%。截至2020年底，累计装机容量达253 GW。根据“十四五”规划，2030年中国太阳能的装机容量将达到650 GW，占比可再生能源的55%。详见表 1。

表1 2014—2020我国太阳能发电新增及总容量 单位：GWTable 1 Newly increased and total capacity of solar power generation in China from 2014 to 2020 Unit:GW

1.2 太阳能发电技术模式

太阳能发电有2种方式，光伏发电与光热发电。

光伏发电：是光-电直接转换方式，太阳能电池板吸收太阳光中的可见光形成光电子，产生电流，进行发电。光伏发电是太阳能发电技术的主力军，占全部太阳能发电并网装机容量的 99%以上。我国光伏发电产业占据全球主动地位，光伏产业已经实现了全产业链的自主可控[1]。

光热发电：即太阳能热发电，是光-热-电的转换方式，采用集热系统采集汇聚太阳光，并利用吸热器将太阳能转化为热能，再通过蒸汽动力循环的热功转化过程发电。我国太阳能光热发电，还处于初期阶段。光热发电与光伏发电相比，具有更好的调节和控制能力，可以与光伏、风电及传统电力能源相结合，有利于新能源电力系统的安全运行与新能源高效消纳，发展前景广阔。槽式和塔式是目前最为主流的2种光热发电技术路线[2]。

1.3 太阳能发电关键设备及相关要求

可靠性和效率始终是太阳能规模化快速发展和利用的关键所在。由于太阳能资源的波动性和随机性，尤其是光伏发电具有显著的间隙性和随机性，导致发电功率不平稳，太阳能发电系统的安全、稳定运行是长期面临的重大挑战，太阳能发电技术的高可靠性成为关注的焦点；而依靠自身技术进步提高太阳能发电效率,持续降低发电成本是太阳能得以不断扩大应用的基础之一。

关键设备的可靠性是太阳能发电技术先进性、安全性、高效性实施的基础。设备可靠性需要从设备硬件、工况、动设备润滑、传热设施介质选择几方面综合保障，需重点考察环境、特殊工况等多维度影响因素；而相关配套润滑、传热介质的研究，是提升设备效率、延长设备寿命、达到系统设计要求、实现安全运行的前提。

光伏发电关键设备组件包括太阳能追踪器、硅晶板、电器开关及逆变器。太阳能追踪器对光照的有效采集起着重要作用，追踪器稳定、可靠运行是确保光能采集率最大的前提，而可靠的抗风能力是太阳能跟踪器的基本要求。逆变器是光伏发电系统核心关键部件，逆变器将系统产生的直流电转换为交流电供应给电网或者用于驱动电器等负载，其性能直接关系到整个电站的发电效率以及运行安全[3]。

太阳能热发电系统分别由集热系统、吸热系统、储热与换热系统、发电系统组成。发电部分与常规热力发电厂相同或相近，汽轮机作为核心设备需要重点关注。热能部分中，聚光集热技术是太阳能热利用的专有技术，其技术要求高,而关键动设备转动装置的精准性和可靠性直接影响聚光系统的安全性及工作效率。储热、换热系统是驱动蒸汽动力系统运行的动力，其可靠性直接关乎光热发电站能否正常运行[4]。

2 太阳能发电润滑需求

润滑对保证设备“安、稳、长、满、优”运行的重要性不言而喻。广义上讲太阳能发电的润滑主要包含两方面功能，一是运动部件的润滑，二是热传导作用(包含冷却)。

在光伏发电系统中，需要润滑及冷却的装置主要有2个：一是太阳能接收系统的转动装置，二是电流转化及输出系统的变压器及液冷逆变器。

在光热发电系统中，需要润滑的装置主要包括集热系统传动装置及发电系统汽轮机。除此之外，传热介质在热存储及热交换系统中承担热量传递作用，其正确选择和使用过程监控需要重点关注，以提升热效率和使用安全性。

3 太阳光接收回转装置润滑需要

无论是光伏还是光热，其太阳光接收系统都需要跟随太阳转动的传动机构，蜗轮蜗杆减速机由于其具有自锁性、大传动比及定位精准性的特点，在太阳能发电行业被广泛应用。回转蜗轮蜗杆减速器被业界誉为地面跟踪的“心脏”。以塔式光热发电的定日镜为例，一般50 MW的光热发电项目需要约3 万面定日镜，每面镜子都需要一个蜗轮蜗杆减速机，以保证定日镜与太阳光照射角度的精准吻合。

3.1 太阳能用回转减速器装置特点

相比于一般蜗轮蜗杆传动装置，用于光伏光热领域的回转减速器——蜗轮蜗杆装置有着自己鲜明的特殊性：

(1)配副材质不同于传统蜗轮蜗杆的“钢对铜”， 一般为“钢对铸铁或其他合金”。

(2)转速很慢。为保持实时跟踪太阳位置， 传动机构每3～5 s转动一次，蜗轮蜗杆输入端的转速为0.3 r/s，输出端只有0.01 r/s。

(3)承受较大负荷及倾覆力矩。风对传动装置的冲击负荷很大，可达13 000 N/m2，且由于风力不平稳，产生的冲击震动使得磨损较大，同时如果载荷产生的力矩大于装置的倾覆力矩时，会产生倾覆失稳。

(4)环境恶劣。很多大型集中式发电场在4 000 m以上高海拔地区，四季、昼夜温差大,对油品黏温性能要求高。

(5)超长寿命。由于更换过程复杂，太阳能跟踪装置设计寿命一般要求超过25年。

3.2 太阳能用蜗轮蜗杆装置润滑技术要求

基于太阳能蜗轮蜗杆传动装置的特殊性，配套的润滑剂也须满足长寿命、适应恶劣工况要求，终极目标是润滑油达到和装置同寿命25年。因此润滑剂应具备如下特征：

(1)优异低温性能。太阳能传动机构完全暴露于室外，加之光资源丰富地区所处环境工况苛刻，如沙漠环境的温度范围为-20～50 ℃，油品应具有优异的低温流动性和黏温特性。

(2)良好的密封橡胶相容性。用户对油品泄漏非常关注，不同于一般的工业装置，太阳能传动机构暴露在室外空间，油品稍有泄漏都会造成电池板及定日镜等外观污染，用户无法接受。也正是该原因最初用户选用半流体润滑脂以期解决泄漏问题，但如果油品不具备良好的橡胶相容性能，并不能从根本上解决。

(3)优秀减摩性能、低摩擦因数。该特性是蜗轮蜗杆油相对于一般工业齿轮润滑油最大的特点之一。蜗轮蜗杆主要用于两交错轴间的动力传递，具有传动速比大、结构紧凑、蜗轮输出转矩大等特点。蜗轮蜗杆的传动方式以滑动为主，且相对滑动速度大、滑动距离大，不易实现良好的润滑；另外，齿面温度高、油膜易破坏，容易引起发热，传动效率低、蜗轮易磨损[5]。加之太阳能传动装置所承受的冲击负荷较大，润滑条件苛刻，油品应具有更优异的抗磨、抗擦伤能力，以及适宜的低摩擦因数以保证蜗轮蜗杆减速机的传动效率并降低温升。针对上述性能要求，蜗轮蜗杆减速器生产商都会采用蜗轮蜗杆台架考察配套油品的传动效率、温升等表现，以确定油品综合性能是否满足要求。如 Flender公司的G722蜗轮蜗杆油测试方法《Oil Test with Cylindrical Worm Gear Drives》中重点对点蚀、温升和传动效率几个重要性能进行考察。

(4)优异的氧化稳定性。用户希望配套的油品能达到与装置同寿命，即超过25年，因此润滑剂要求有优异的氧化稳定性。

3.3 现用润滑产品技术状况

蜗轮蜗杆齿面啮合效率低，齿面间磨损大，工作时易发热，加之结构造成不易润滑等原因，易发生失效[6]。润滑油性能对蜗轮蜗杆减速器装置的有效运转起着重要作用，高机械效率、低摩擦是对蜗轮蜗杆润滑剂的基本要求。

传统的蜗轮蜗杆回转传动机构均采用油润滑， 但如前所述考虑到泄漏等原因，目前太阳能领域使用的蜗轮蜗杆减速箱，大多数采用了OEM推荐的半流体润滑脂润滑。但一方面由于应用环境恶劣，润滑脂经反复辐射高温暴晒后，也会造成溢脂泄漏问题；另一方面因现有润滑脂无法达到太阳能领域长寿的需求，许多OEM规定5～6年应补充或更换润滑脂。现场调研反馈现有润滑脂润滑存在振动磨损过大，7～8年后蜗轮蜗杆传动装置间隙变大，发生磨损问题，影响定日镜系统对太阳的精准跟踪。

相比于脂润滑，油润滑在冷却效果、传动效率等方面都更有优势。我国现行的行业标准 SH0094(详见表2)规定了蜗轮蜗杆油技术规范，但该规格对油品密封相容性、抗氧化、抗磨损等性能要求，与太阳能传动装置要求都有一定的差别。如对油品的氧化安定性要求，标准GB/T 12581(等效ASTM D943)要求润滑油氧化寿命仅为350 h，显然不能满足太阳能传动系统长寿命的需求。同时该规格中也未对油品的密封性能提出任何约束指标要求。

表2 SH0094 L-CKE/P重负荷蜗轮蜗杆油规格Table 2 SH0094 L-CKE/P heavy duty worm gear oil specification

3.4 专用油产品开发建议

从前述太阳能传动机构特点及苛刻要求，可知用于太阳能传动机构的专用油品，既要满足在密封性、抗冲击能力、减摩能力方面的特殊要求，还要保证油品至少10年使用寿命，并最终实现与回转减速机同寿命。表3给出了专用油品参考的性能指标要求，建议采用台架模拟实际工况来评价油品综合性能。

表3 太阳能蜗轮蜗杆传动机构润滑油参考技术要求Table 3 Technical requirements for lubricating oil of solar worm gear transmission system

值得注意的是，用于光伏光热领域的蜗轮蜗杆装置没有采用传统蜗轮蜗杆的“钢对铜”摩擦副，在油品开发过程中极压抗磨剂的选择与传统蜗轮蜗杆润滑剂中的单剂选择可以有所不同。

4 汽轮机组的润滑

与传统的火力发电基本相同，汽轮机作为太阳能热发电站中的关键设备，用于实现热能和机械能的转换[7]。然而，由于太阳能热发电站受太阳光照等因素的影响，能量来源具有不稳定性，电站存在负荷变化及启停频繁的特点[8]。负荷波动增加及多次启停，会导致阀门和转子产生较高热应力，汽轮机处于疲劳运行状态，最终影响使用寿命[9]。

汽轮机油在长周期运行过程中，不断氧化降解，而高温、水分、金属颗粒(如铜或铁)、细小气泡都会催化氧化过程。研究表明：温度每升高10 ℃ ,润滑油油品氧化的速度增加一倍[10]。加速氧化使低温氧化生成的过氧化物、醇、醛和酮等缩合物聚合形成羧酸、金属羧酸盐等，进一步反应生成纳米级别颗粒。当这些颗粒的数量不断增加，浓度超过油品溶解度时，就会在润滑系统表面析出不溶物，这些吸附在设备表面的不溶物，即为油泥[11]。太阳能热发电汽轮机组的频繁启停引起的高温，加重了油品漆膜及油泥的产生。因此，需要格外关注汽轮机油的抗氧化性能及油泥生成趋势。氧化安定性试验D943超过10 000 h的长寿命汽轮机油，可推荐应用于太阳能热发电机组。

5 热系统介质

不同于光伏能直接发电，光热发电是将光能转化成热能再发电，因此对于光热发电而言，热系统(包括热交换系统及储热)介质对整个系统的运行起着至关重要的作用。热介质主要有两类：合成导热油和熔盐。

5.1 合成高温导热油

国标GB 23791规定了有机热载体(导热油)的技术指标要求。与大多数润滑油、液标准为推荐性标准不同的是，由于导热油用于高温传热，涉及安全性，GB 23791标准为强制标准。该标准按照使用状态及最高的允许使用温度划分产品类别，其中L-QD型产品为具有特殊高热稳定性的合成型产品。表 4 列出了L-QD型产品部分关键性能指标要求。太阳能热电系统导热油的选择除了考虑油品的自燃点(最高允许使用温度)等指标外，更需要关注油品在最高使用温度下的热稳定性指标，该指标体现的是油品在高温下的长周期热稳定性能(1 000 h)，也是重要的安全性能指标。

太阳能发电热交换系统一般高于300 ℃，联苯- 联苯醚型合成导热油是目前较为适宜的热交换介质，使用温度范围为 120～400 ℃。表4给出了中石化的QD400联苯-联苯醚合成导热油的典型数据。

表4 QD400联苯-联苯醚的典型数据Table 4 Typical data of QD400 biphenyl,mixed with biphenyl oxide

导热油在使用过程中要确保其适当的流速(≥2 m/s)，避免过热运行，同时还需按照有机热载体安全技术条件 GB 24747进行油品监测，主要监控项目见表5，根据检测指标及时采取适当的措施。

表5 运行中导热油重点监测项目Table 5 Key monitoring items of thermal conduction oil in operation

由于联苯、联苯醚使用的最高温度为400 ℃ ， 研究开发合成高温硅油导热油成为新的需求。

5.2 熔盐

所谓熔盐是指无机物熔融盐 (简称为熔盐)，熔融盐使用温度为300～1 000 ℃，具有相对的热稳定性及低蒸气压。对于温度超过450 ℃的热交换系统需采用熔盐进行热量传递，如塔式光热发电热交换系统(最高温度550 ℃)以及光热系统的储热介质均采用熔盐。目前已经广泛应用的熔盐多为硝酸盐，如SolarSalt和Hitec等。但这种以多种硝酸盐混合而成的高温熔盐的热导率较低，有的仅为2.93×10-3J/(m·h·℃)，故在使用过程中容易引起局部过热[12]。熔盐具有较高的凝固点，为130～230 ℃，容易发生凝固。太阳岛系统回路分布广阔， 系统构造复杂，一旦温度低于传热工质凝固点，极易造成管路冻堵，甚至导致整个系统陷入瘫痪，且会引起集热管爆管、集热器镜片破坏等一些列问题[13-14]。同时熔盐融化需要单独加热热源。而联苯-联苯醚型合成导热油的凝固点一般在10 ℃以下，氢化三联苯型合成导热油(QD340)的凝固点一般在-25 ℃以下。

6 其他系统的润滑与冷却

在太阳能发电系统中还会使用到普通工业齿轮装置及液压装置等，如一些槽式太阳能发电的太阳能接收板使用推杆式传动机构等，这些可根据实际应用的环境等情况进行相关油品的配套。

目前光伏发电逆变器基本采用风冷模式，随着光伏发电并网容量的增大，并网电压等级的增高， 逆变器的功率也越来越大，液冷却技术将成为光伏发电机组冷却技术的主流[15]。GE公司在2012年发布的2 MW光伏逆变器及2014年发布的4 MW光伏逆变器均采用液冷系统。对于逆变器冷却液，冷却性与防冻性是其最基本要求，更重要的是冷却液对冷却系统金属材料的保护性能，防止腐蚀，避免结垢， 堵塞流道。

7 结束语

太阳能利用技术是一种低碳、高效和可持续的能源供给方式，随着全球环保要求日益严格，特别是中国“双碳”目标战略实施，太阳能成为我国能源结构转型升级的必然选择，我国太阳能利用技术必将迎来更加广阔的发展前景。润滑剂及热能介质对于保障太阳能发电系统的安全稳定运行至关重要。不同的太阳能发电技术路线对相关润滑及热能介质有着不同的需求，相对于一般工业应用场合， 太阳能发电关键设备涉及的油、液有着自己鲜明的特点和特殊需求，但目前关键设备制造商在选择配套的润滑油、液一般延续传统工业行业习惯。以太阳能回转减速机构的润滑为例，它与与传统的蜗轮蜗杆减速机的润滑要求差别很大，现用产品存在磨损、泄漏、无法达到长寿命要求等突出问题，目前市场上尚无有针对性的专用油品。

我国太阳能发电行业经过近十年的发展，关键技术及设备已实现自主，太阳能利用技术作为系统工程，需要相关多领域的协同进步与发展。专业的润滑油公司应尽快联合关键设备制造商，关注行业痛点，开展相关润滑技术研究，结合零部件特性、工况及环境特点，探究建立针对性评价手段，开展功能设计，开发系列专用油品，重点关注产品寿命特性，达到与关键设备同寿命；同时根据设备应用工况提供专业的用油指导，为太阳能发电系统提供更安全、高效的油、液保证，共同推进绿色能源的高效利用，实现“双碳”目标。