基于气体放电原理的槽式太阳能集热管真空性能无损测试方法的研究

张泰恒，李 想，张申昊，吴晓丽，姚方源，雷东强 ，王志峰

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院太阳能热利用与光伏系统重点实验室，北京 100190；4.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；5.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010050)

0 引言

近年来，太阳能热发电技术因具有较大的发展潜力而备受关注，槽式太阳能热发电系统是当前发电成本最低、技术相对成熟的太阳能热发电系统。槽式太阳能集热管是该系统中将太阳能转化为热能的核心部件，其真空性能的优劣直接关乎整个系统的发电效率和运行经济性，但通过分析此类系统的实际运行过程后发现，槽式太阳能集热管真空失效属于共性技术问题[1-4]。若槽式太阳能集热管发生真空失效，其真空状态的环形空间内就会因存在气体而增大集热管自身的热损失，从而导致槽式太阳能热发电系统的发电效率显著下降。尤其是当槽式太阳能集热管的环形空间内是压力为133 Pa的氢气(H2)时，集热管的热损失会比其真空性能良好时的热损失高4倍以上。因此，如何检测槽式太阳能集热管的真空性能和减小该类集热管的热损失引起了诸多研究人员的关注[5-10]。

Burkholder等[5]、Price等[11]用ThermaCAMTMS40红外相机对运行中的槽式太阳能集热管进行了测试，并根据槽式太阳能集热管玻璃的温度初步判断出其热损失，但该方法不能检测出热损失是由真空失效还是膜层失效造成的。同样，Setien等[12]使用便携式红外摄像机对运行中的槽式太阳能集热管进行了拍摄，并利用玻璃管的表面温度对槽式太阳能集热管内环形空间的气压进行了判断，当玻璃管的表面温度在300 ℃以上、环形空间内为空气时，仅能判断出环形空间内气压范围为10-5～10-2Pa时的气压，其他情况下的气压难以确定。Espinosa-Rueda等[13]采用射频电源对运行中的槽式太阳能集热管进行了放电测试，但仅探测出了一支槽式太阳能集热管存在氩气(Ar)的情况，说明此种测试的范围和能力均较小。张磊等[14]针对当前槽式太阳能热发电系统中槽式太阳能集热管会真空失效这一共性技术问题进行了阐述，提出了通过吸气剂镜面来判定槽式太阳能集热管真空性能的方法，但该方法难以有效判定槽式太阳能集热管实际的真空性能，研究者还给出了国内需要尽快出台关于槽式太阳能集热管真空失效的测试方法、评价方法及解决措施的建议。徐荣吉等[15]利用热平衡法对槽式太阳能集热管的热性能进行了测试，为槽式太阳能集热管的漏热量测试等相关标准的制定提供了参考。唐振等[16]利用直接蒙特卡洛方法，采用结构化网格对槽式太阳能集热器中太阳能集热管的真空夹层的换热性能进行了数值模拟，并验证了热损失随压力变化的关系，结果表明：当集热管壁面温差一定时，环形空间内的压力越大，热损失就越大。付旭强等[17]利用稳态平衡方法测试了槽式太阳能集热管的热损失并给出了拟合公式，为界定槽式太阳能集热管热性能的优劣提供了重要的理论参数。

综上可知，现阶段的研究多是利用槽式太阳能集热管的热损失状况或利用吸气剂镜面对槽式太阳能集热管的真空性能进行评判，但关于槽式太阳能集热管真空性能无损测试方法的研究却相对较少。因此，本文提出了一种基于气体放电原理对槽式太阳能集热管真空性能进行无损测试的方法，专门针对槽式太阳能集热管环形空间内可能出现的主要气体(H2及空气)进行测试，根据槽式太阳能集热管环形空间内气体放电时产生的光谱特性来判断气体类型和空间内气体的压力，并与由四极质谱仪残余气体分析系统得到的结果进行对比验证，以证明该方法的有效性与可行性。

1 实验准备

1.1 实验平台

实验平台由真空系统、槽式太阳能集热管及槽式太阳能集热管真空性能无损检测设备组成。其中，真空系统中的四极质谱仪残余气体分析系统可用于验证本文所提测试方法的测试结果。将槽式太阳能集热管放置在支撑架上，并通过连接装置与真空系统相连；槽式太阳能集热管真空性能无损检测设备中的气体电离施加装置放置在槽式太阳能集热管上。实验平台的构成如图1所示。

图1 实验平台的构成Fig.1 Composition of experiment plantform

1.1.1 槽式太阳能集热管

本实验采用的槽式太阳能集热管的内部为金属吸热管、外部为玻璃管；该集热管的长度为4.06 m，金属吸热管的外径为70 mm，玻璃管的外径为125 mm、壁厚为3 mm。

1.1.2 槽式太阳能集热管真空性能无损检测设备

槽式太阳能集热管真空性能无损检测设备主要包括高频电源、Maya 2000 Pro光谱仪，以及气体电离施加装置。

1)高频电源。高频电源的主要技术参数如表1所示。

表1 高频电源的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of high frequency power supply

2) Maya 2000 Pro光谱仪。Maya 2000 Pro光谱仪具有较高的灵敏度，非常适合测量深紫外光(真空状态下的紫外光)、紫外-可见光和可见-近红外光。光谱仪通过SMA905连接器连接光纤，使用过程中将光纤的探头插入夹具的观察洞内，然后放电时的光信号会由光纤探头导入光谱仪。Maya 2000 Pro光谱仪采用HC-1型光栅作为色散元件，该光栅可覆盖200～1100 nm波段的电磁波，当平行光通过光栅时，不同波长的光会因折射率不同而发生不同角度的偏转，如此可将原来的平行光依据其波长按一定顺序分离出来，并有规律地排列在一起；然后通过电荷耦合器件(CCD)将光信号转换为电信号后由USB数据传输至电脑；再利用OceanView软件对整个测量过程进行控制，并记录下200～1100 nm波段的发射光光谱图。Maya 2000 Pro光谱仪的工作原理图如图2所示。

图2 Maya 2000 Pro光谱仪的工作原理图Fig.2 Working principle diagram of Maya 2000 Pro spectrometer

1.2 测试方法

实验步骤为：首先，对槽式太阳能集热管的环形空间做质谱检测实验，以确保环形空间内的气体为纯气体；其次，依据介质阻挡放电原理[18]，对气体放电的稳定性进行分析，并根据不同类型气体放电时特征谱线对应的波长来判断气体类型；最后测试环形空间中气体(本文以纯H2和空气为例进行分析)的压力(下文简称为“环形空间内气压”)范围。

介质阻挡放电方式通常是由正弦波形的交流高压电源驱动介质阻挡放电，随着供给电压的增大，用于测试的气体会由绝缘状态逐渐转至放电状态，并在最后发生击穿。通过气体发生丝状放电、弥散放电及辉光放电时的特征谱线、发光等离子体的颜色和形状来初步判断槽式太阳能集热管的环形空间是否处于真空状态下，若其处于非真空状态下时，则需要判断环形空间内可能存在的气体类型。由于不同类型的气体会对应不同的特征谱线，因此可以通过特征谱线对应的波长来确定环形空间中的气体类型，然后再根据特征谱线的光谱强度来确定环形空间内气压范围。最后进行对比验证。

实验中，真空系统通过与槽式太阳能集热管连接来控制槽式太阳能集热管内环形空间的真空状态。真空系统的连接方式示意图如图3所示。其中，V1～V6均为真空阀门；G1、G2均为真空计；P1为机械泵；P2为分子泵。

图3 真空系统的连接方式示意图Fig.3 Schematic diagram of vacuum system connection method

V1～V6的作用是通过开、关气路来控制气流的大小，从而调节槽式太阳能集热管环形空间的真空度；P1是利用机械方法，周期性地改变其内部吸气腔的容积，使真空系统中的气体不断通过其进气口膨胀进入到吸气腔中，然后通过压缩经排气口从P1排出；P2是利用高速旋转的转子将动量传输给气体分子，使其获得定向速度，气体分子被推至P2的排气口后，会被前级抽走；四极质谱仪残余气体分析系统可通过测试分析不同质荷比的离子来判断真空状态下残余气体的类型；G1、G2是用于测量真空度的传感器。

2 实验过程

2.1 槽式太阳能集热管环形空间的质谱检测实验

依据图1放置好各部件，打开V1、V2及P1，对真空系统及槽式太阳能集热管的环形空间抽真空。

进行环形空间纯H2的质谱检测实验时，需要排尽流量计导管内的空气。当G2通过测量得到的气压低于10 Pa时，打开P2，对槽式太阳能集热管环形空间及真空系统进行连续24 h的抽高真空；当G2通过测量得到的气压低于10-6Pa时，关闭V2，打开V3及流量计，将少量纯H2充入到槽式太阳能集热管内后，关闭V3及流量计，记录此时G2通过测量得到的气压值。将四极质谱仪残余气体分析系统的前端管道内抽气至本底真空度后，在质谱分析软件上点亮“极灯丝”按钮，得到真空系统在本底真空度下的质谱图；然后微调V4，使环形空间内的H2进入四极质谱仪残余气体分析系统；再利用软件得到真空系统在此时的质谱图，以查看环形空间内的H2是否为纯H2，若是纯H2，则排气工作完成，并记录此气压下所测气体放电时的离子电流强度；若不是纯H2，则重复上述操作直到是纯H2为止。

进行环形空间空气的质谱检测实验时，缓慢且微微打开V2并迅速关闭；记录此时G2测量得到的气压值，再利用四极质谱仪残余气体分析系统测试此时的质谱图，记录此气压下所测气体放电时的离子电流强度。

重复操作上述2种实验，可得到多组实验数据，对数据进行分析并获得所测气体放电时的离子电流强度随环形空间内气压变化的拟合曲线。

2.2 气体放电稳定性测试方式

本文采用介质阻挡放电方式对气体的放电稳定性进行测试。测试方式为：在测试前设置高频电源的输出电流为0.01 A，当环形空间内的气体放电能够产生等离子体时，检查高频电源的输出电流和输出电压的大小是否保持不变，若保持不变，则说明气体放电稳定；然后继续增大高频电源的输出电流，再次测试气体的放电稳定性；当气体的放电功率迅速变化且无恒定值，放电电流急速变大时，说明气体开始不稳定放电，若继续增大高频电源的输出电流将导致气体被击穿。最后统计气体稳定放电时的输出电流范围。

2.3 环形空间内气压范围的测试

对槽式太阳能集热管环形空间内的气体在稳定放电时的压力范围进行测试，具体的测试步骤为：1)向环形空间充入少量纯H2或空气，由真空计G2测量环形空间气压；2)当高频电源的输出电流为最大值时，观察环形空间内的气体是否能稳定放电，若不能，则继续增大环形空间内气压，直到气体可以稳定放电，将此时的环形空间内气压作为下限值；3)在保持高频电源输出最大电流的同时，不断增大环形空间内气压，直到环形空间气体不再稳定放电为止，将此时的环形空间内气压作为上限值。

3 实验结果分析

3.1 不同气体的放电稳定性测试结果分析

气体的稳定放电过程为：随着环形空间内气压的升高，气体的放电模式均为先辉光放电(形状都为电极空间内的圆柱体，但长度不断变化)，接着为弥散放电(先是在电极表面呈圆柱曲面状，然后出现斑块)，然后为丝状放电(电极空间内逐渐出现丝状放电通道，且放电通道的轮廓逐渐清晰)。各种气体均会在一定的气体压力下稳定放电，低于或高于这个气体压力都不会稳定放电。

3.1.1 纯H2的放电稳定性测试结果

环形空间内气压在20～500 Pa时，纯H2的放电模式为辉光放电，如图4所示，环形空间内纯H2的发光等离子体呈圆柱状，分布在环形空间，随着环形空间内气压逐渐升高，纯H2的发光等离子体的颜色从红色逐渐变为紫红色，由发光等离子体形成的圆柱的长度逐渐变长，并在环形空间内气压为40 Pa时达到最长，之后其长度逐渐变短。

环形空间内气压在500～1000 Pa时，纯H2的放电模式为弥散放电，纯H2的发光等离子体为圆柱曲面状，分布在金属管外壁和玻璃管内壁表面，且仅在夹具内侧；随着环形空间内气压的升高，发光等离子体的颜色变为紫红色。

图4 辉光放电模式下不同环形空间内气压时纯H2的发光等离子体的变化Fig.4 Variation of luminescent plasma of pure H2 at different pressures in the annular space under glow discharge mode

3.1.2 空气的放电稳定性测试结果

环形空间内气压在3～220 Pa时，空气的放电模式为辉光放电。在该放电模式下，随着环形空间内气压的升高，空气的发光等离子体的颜色由紫红色变为淡紫色，且长度逐渐变长；环形空间内气压为30 Pa时空气的发光等离子体长度达到最长，随后其长度逐渐缩短，具体如图5所示。

图5 辉光放电模式下不同环形空间内气压时空气的发光等离子体的变化Fig.5 Variation of luminescent plasma of air at different pressures in the annular space under glow discharge mode

环形空间内气压在220～380 Pa时，空气的放电模式为弥散放电。随着环形空间内气压的升高，空气的发光等离子体逐渐出现斑块，且个数越来越多，与此同时，电极空间内的光照强度逐渐增强。环形空间内气压在380～800 Pa之间时，空气的放电模式为丝状放电；当环形空间内气压为400 Pa时，电极空隙开始形成丝状放电通道，随着环形空间内气压升高，丝状放电通道的轮廓逐渐清晰，但放电通道的个数有减少的趋势。

3.2 不同气体放电时的光谱分析

3.2.1 纯H2放电时的光谱分析

对槽式太阳能集热管环形空间内的纯H2进行了放电实验，利用Maya 2000 Pro光谱仪得到不同环形空间内气压下纯H2放电时的光谱图，具体如图6所示。需要说明的是，图中的每组数据都是经过多次实验后得到的，且每个光谱都具有很好的重复性。

图6 不同环形空间内气压下纯H2放电时的光谱图Fig.6 Spectra of pure H2 discharge at different pressures in annular space

由图6可以看出，纯H2放电时在波长为655 nm处有特征峰，且此特征峰的光谱强度最大；随着环形空间内气压的升高，655 nm处的特征峰的光谱强度逐渐降低，这是因放电击穿电压不同引起的，随着环形空间内气压升高，放电电压逐渐降低，当形成的电场相对较弱时，参与跃迁的电子会减少，产生的光子量也会降低，所以气体放电时的辐射减少，光谱强度下降。

3.2.2 空气放电时的光谱分析

不同环形空间内气压下空气放电时的光谱图如图7所示。

通过对比图6和图7可以发现，空气在环形空间内气压为5和140 Pa情况下放电时，其光谱图中特征谱线的峰值普遍低于纯H2在环形空间内气压为100、190 Pa情况下放电时特征谱线的峰值，这是由于空气中混有除H2以外的其他气体，此时的H2含量会低于相近环形空间气压下纯H2的含量导致的。

图7 不同环形空间内气压下空气放电时的光谱图Fig.7 Spectra of air discharge at different pressures in annular space

3.3 实验验证

分别利用四极质谱仪残余气体分析系统和本文提出的槽式集热管真空性能无损测试方法对环形空间内的气体类型和气压进行测试，测试结果如图8～图9所示。

图8 四极质谱仪残余气体分析系统的测试结果Fig.8 Test results of quadrupole mass spectrometer residual gas analysis system

图9 本文测试方法测得的气体辉光放电时的光谱图Fig.9 Spectrum of gas glow discharge measured by test method in this paper

由图8可知，通过四极质谱仪残余气体分析系统测得槽式太阳能集热管环形空间内的气体为纯H2，并通过真空计获得测试期间环形空间内气压为89 Pa。由图9可知，利用本文提出的方法对气体放电时的光谱进行分析，可以发现在451.0、484.6和655.1 nm处均有特征谱线，符合纯H2辉光放电时的特征谱线，这说明环形空间内的气体为纯H2。其中，波长为451.0 nm和波长为655.1 nm时的特征谱线对应的光谱强度分别为748 counts、6123 counts，而由该光谱强度可分析得到环形空间内气压为86.5 Pa，相较于四极质谱仪残余气体分析系统测试时根据真空计得到的89 Pa，误差为3%，说明这2种测试结果的吻合度较高。由此可知，本文提出的槽式太阳能集热管真空性能无损测试方法的误差较小，可以获得较为准确的结果，验证了本测试方法的准确性和可行性。

4 展望

本文对于槽式太阳能集热管环形空间中主要可能存在的H2和空气进行了实验分析和讨论，获得了气体放电时的特征谱线及其与环形空间内气压的关系，并通过与四极质谱仪残余气体分析系统的测试结果进行对比，验证了本文提出的采用气体放电与光谱分析相结合进行槽式太阳能集热管真空性能无损测试的可行性和准确性。由于槽式太阳能集热管在运行过程中其环形空间内有存在氮气(N2)、H2、Ar、氦气(He)等多种气体的可能性，因此，今后需要对这些气体的放电特性和光谱特征进行实验分析，从而完善该真空性能无损测试技术，使其更广泛地应用于槽式太阳能集热管中所含气体类型和环形空间内气压的测试，解决当前槽式太阳能热发电站运行和维护中缺乏实时在线探测技术的难题。本技术已通过了实验验证，并可为玻璃、电真空等相关领域的真空性能进行无损探测，在真空行业具有巨大的应用市场。

5 结论

本文提出了一种基于气体放电原理的槽式太阳能集热管真空性能无损测试的方法，并针对槽式太阳能集热管环形空间内可能出现的H2及空气进行了测试，根据槽式太阳能集热管环形空间内气体放电时所产生的光谱特性来判断气体类型和环形空间内压力，并将该方法测得的结果与四极质谱仪残余气体分析系统测得的结果进行了对比验证测试，得到以下结论：

1)环形空间内气压在20～500 Pa时，H2的放电模式为辉光放电，等离子体分布在环形空间中；随着环形空间内气压升高至500～1000 Pa，H2的放电模式变为弥散放电。在此过程中，环形空间内H2放电时发光等离子体的颜色、形状及长度变化非常明显。

2)环形空间内气压在3～220 Pa时，空气的放电模式为辉光放电；环形空间内气压在220～380 Pa时，空气的放电模式为弥散放电；环形空间内气压在380～800 Pa时，空气的放电模式为丝状放电。

3)通过分析气体放电时的光谱特性可以得出气体的特征谱线，并以此来判断气体的类型，作为混合气体的空气也可以通过不同的特征谱线及各特征谱线的光谱强度来判断空气的组分，并通过将本测试方法与四极质谱仪残余气体分析系统的验证结果进行对比发现，误差仅为3%，证明了本测试方法的准确性和可行性。