郑志强，董 猛，谢逍原
( 东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)
摘要：在塔式光热发电技术中，使用聚氨酯结构胶连接钢结构与五边形定日镜面，实现了二者之间的“软连接”，可以有效保证定日镜面的安全性。由于光热发电项目设计服役时间长、所处地理环境较为恶劣，聚氨酯结构胶的力学、耐老化等性能提出了较高要求。结合相关光热发电项目的建设要求，以及对聚氨酯结构胶的使用经验，对其材料特性进行介绍，从而为该材料的国产化研究提供参考。
关键词：光热发电;定日镜;聚氨酯结构胶;耐老化性能
前言
光热发电利用太阳能这一清洁、可再生的能源，可实现零排放，对环境友好。光热发电通过高温熔盐储热配置能够在夜 间或阴雨天供电(通常为 8 h)，兼具峰调电源和储能的双重作用，有效解决了光伏发电和风电等间歇性问题［1］。此外，光热发电的输出电力平稳，既可以作为基础电力供应，也可以作为调峰电源，增强了电力系统的稳定性和灵活性［2-3］。这些优势使得光热发电在新能源领域中具有重要地位，并有望在未来得到更广泛的应用和发展。2023 年 4 月，国家能源局发布《关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》提出，结合沙漠、戈壁、荒漠地区新能源基地建设，尽快落地一批光热发电项目。力争“十四五”期间，全国光热发电每年新增开工规模达到 3 000 MW 左右。
国内外光热项目正迎来快速发展期。国内在 2018 年前后开始建设第一批商业性质的光热电站，光热电站装机容量迅速攀升，光热发电相关核心技术得到飞速发展。在技术方面，光热发电技术已相对成熟，包括槽式、塔式和抛物面集热式等多种技术路线，并在实际项目中得到应用。塔式光热发电技术通过反射镜将太阳光集中聚焦到塔顶，加热塔内的熔盐介质(硝酸钾与硝酸钠混合物)，熔盐介质与低温水换热后产生高温蒸汽，驱动汽轮机组发电［4-5］。塔式系统具有系统效率高、热损小、便于储存热量等优点，是光热发电的重要技术之一［6］。
本研究以塔式光热发电技术为例，介绍聚氨酯结构胶在光热发电领域的应用场景及性能要求，为光热发电用聚氨酯结构胶的国产化开发工作提供参考，以期促进国内光热产业技术的全面发展。
1 聚氨酯胶在塔式光热发电技术中的应用
光热定日镜涉及反射镜与钢结构之间的连接，包括灌封胶固定和机械固定两种方式。灌封固定主要通过在钢结构型腔中灌注一种快速固化成型的聚氨酯结构胶，对型腔中预埋的销钉进行包裹，从而实现稳固的结构连接，如图 1 所示。由于聚氨酯结构胶具有一定的强度与韧性，可以有效避免因大风、震动等引起的镜面与钢结构之间的冲击，实现两者之间的软连接，因此能够有效降低镜面的破损率，提高镜场运行的安全性和稳定性。因此，聚氨酯结构胶作为光热定日镜生产中的关键材料，其性能不但需要满足生产工艺流程快速流转的要求，也要保证定日镜的长寿命周期的安全稳定运行，从而提高设备的性能、降低电站建设和运维成本。
2 塔式光热发电对聚氨酯结构胶的性能要求
聚氨酯结构胶作为塔式光热发电项目定日镜生产技术路线中的关键材料，是定日镜生产工艺中不可或缺的核心材料。该材料不同于常规聚氨酯胶，要求具备快速凝胶、高强度、高耐候等特点，进而满足光热项目快速生产流转、工况恶劣(日照强、温差大等)、服役时间长等要求。
从项目生产角度分析，一是单个塔式光热发电项目通常设计有定日镜 1万～1．5万面，每面定日镜设计有注胶点位 100 ～ 200 个，每个点位注胶 30 ～ 40 g，单个项目使用聚氨酯结构胶不少于80 t，定日镜产量要求在 100 面/d 以上。为保证高效的生产流转效率，要求聚氨酯结构胶的凝胶时间短、在短时间内具有固化强度、固化后收缩率低等要求。二是项目生产地点多位于高海拔地区(海拔大于2 500 m)，为保证低温条件下的生产进度，还要求聚氨酯胶有良好的低温固化性能，以及抗低温结晶性能。
从项目运行角度分析，一是聚氨酯结构胶起到对镜面的承载作用，对其力学性能有一系列的要求，包括拉伸强度、弯曲强度、压缩强度、冲击强度、抗蠕变性能等；二是光热发电项目的所在地要求具有充足的太阳辐射，因此项目往往位于日照时间长、太阳辐射强度高、昼夜温差大的一类地区，如新疆哈密、甘肃敦煌/阿克塞、青海德令哈/共和等。因此要 聚氨酯结构胶具有良好的耐候性，包括耐盐雾、耐紫外、耐高低温冲击、耐湿热交替等性能。以某项目设计要求为例，实验室测试要求聚氨酯结构胶分别经过耐盐雾、耐紫外、耐高低温冲击、耐湿热交替四种老化测试 2 000 h 后，其力学性能保持率不低于 80% 。三是考虑到定日镜钢结构经光照后会将热量传导至聚氨酯结构胶，因此要求聚氨酯结构胶的玻璃化转变温度不低于 120 ℃，以保证高温条件下的结构稳定。
3 聚氨酯结构胶性能分析
3．1 材料介绍
以国内塔式光热发电项目中成熟应用的一款快速固化型聚氨酯结构胶为例，其组分包括异氰酸酯、聚醚多元醇两种，添加有耐老化填料及催化剂、消泡剂、除水剂、流平剂等功能性助剂。这款聚氨酯结构胶不仅提高了材料的力学和耐老化性能，而且固化
后的胶块表面光滑平整、内部无气泡，保证了粘接可靠性。在使用时将两种组分按特定的体积比例进行混合，在 1 分钟以内即可实现凝胶且具有一定的强度，满足生产现场的快速吊运流转要求。此外由于其具有快速固化、与金属/塑料等基材的粘接强度高、耐高低温冲击、力学性能优异等优点，对于光热定日镜的生产节奏要求及较恶劣的运行环境有良好的适应性，并且与定日镜支架的粘接十分稳定，胶块本身良好的韧性实现了镜面与支架的“软连接”。
3．2 常规性能
以目前塔式光热发电领域应用成熟的一款聚氨酯结构胶产品为例，其常规性能如表 1 所示。
结合项目生产要求及使用经验，该聚氨酯结构胶一是凝胶时间较快，在 45 ～ 65 s 即可凝胶，可满足生产节奏的快速流转要求;二是综合力学性能优异，能够在大风、震动等条件下保证对定日镜的稳定支撑;三是玻璃化转变温度高，在 130 ℃ 以上，能满足在夏季温度较高的情况下胶块强度不下降，保证结构的安全性。
3．3 耐老化性能
该聚氨酯结构胶经耐盐雾、高低温冲击、紫外老化、双85(温度 85 ℃、相对湿度 85% ) 4项耐老化性能测试后，在 23 ℃ 条件下，对其力学性能保持率(力学性能保持率=老化后性能/老化前性能 × 100% )进行测试，结果如表 2～表 5 所示。
由表 2 ～ 表 5 可以看出，该聚氨酯结构胶经紫外、高低温、双 85、盐雾 4 种老化测试 2 000 h 后，其力学性能保持率均在 80% 以上，表明该材料具有良好的耐紫外线、盐雾、高低温冲击、湿热交替老化性能，温度和湿度适用范围广泛，适合在光热发电项目所处的较为恶劣的自然环境中长期使用。
4 聚氨酯结构胶在塔式光热发电项目中的应用
国内塔式光热发电项目的定日镜技术路线主要包括四边形、五边形两种。四边形定日镜的镜面与支架主要采用机械连接( 硬连接)，而五边形定日镜的镜面与支架则采用聚氨酯结构胶及其他材料连接(软连接)。采用聚氨酯结构胶连接镜面与支架，在恶劣天气下(如大风)对镜面可以起到保护作用，降低镜面破损率，因此该技术具有一定的优势。在国内的光热发电项目中，新疆哈密 50 MW 光热发电项目、甘肃阿克塞 110 MW 光热发电项目、中电建共和二期 100 MW 光热发电项目、西藏安多 100 MW 光热发电项目等项目均采用聚氨酯结构胶生产定日镜的技术路线，定日镜最长运行时间已有7 年，运行情况良好。
5 国产光热用聚氨酯结构胶展望
鉴于目前光热发电项目所需聚氨酯结构胶需要进口，因此实现聚氨酯结构胶的国产化，对于保证供应稳定、提高国内光热技术能力具有重要意义。考虑到光热发电应用场景对聚氨酯结构胶的综合性能要求高，因此，针对材料优化角度建议从以下方面开展工作。
( 1) 原材料。选择高质量的异氰酸酯、多元醇等原材料，确保聚氨酯结构胶的基础性能优良，并结合需求可对多元醇分子进行改性［7］。例如，光热发电项目多位于高海拔地区(海拔＞ 2 500 m)，由于气候寒冷，在运输、存放及生产过程中，多元醇中的小分子多元醇(如线性多元醇)可能由于低温结晶影响生产进度，可通过对多元醇的针对性分子结构设计及改性，提升其对温度的适应性;
( 2) 催化剂。由于光热项目对定日镜的快速生产效率要求，聚氨酯结构胶需具有快速凝胶性能，因此可筛选合适的催化剂或采用双促进剂体系，从而使得聚氨酯结构胶在混合后 1 min 内快速凝胶、表干，并在短时间内具有一定强度［8］;
( 3) 稳定剂。在聚氨酯结构胶的制备过程中，可以添加稳定剂以提高交联过程的稳定性，同时抑制副反应的发生，保护交联结构不受破坏［9］。此外，还可以通过对多元醇体系进行耐热改性，从而使得产品固化后具有高耐热高韧性的特性［10］;
( 4) 抗老化剂。在聚氨酯结构胶的配方中，可以添加适量的抗老化剂，如抗氧化剂、紫外线吸收剂等，以提高其抗氧化性和抗紫外线能力，从而减缓聚氨酯结构胶在自然环境中的老化过程［11-12］。
6 结语
本研究从塔式光热电站的建设、运行角度，分析了对于生产定日镜使用的聚氨酯结构胶的相关性能要求，提出了材料优化建议，为实现光热用聚氨酯结构胶的国产化研究提供参考，以期破解光热发电用卡脖子材料难题，实现关键原材料自主可控，从而提高国内光热发电技术水平。
来源：《粘接》2026年5月第53卷第5期
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