CN101351674A - 用于将太阳光线转换成热能的吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将太阳光线转换成热能的吸收器，尤其应用在太阳能收集器(10)中，该吸收器由无细孔的深色陶瓷构成，其中吸收器(14)被传热介质流过。

Description

用于将太阳光线转换成热能的吸收器
技术领域
本发明涉及一种用于将太阳光线转换成热能的吸收器，尤其应用在太阳能收集器中，该吸收器被传热介质流过。
背景技术
太阳能收集器用于将太阳能转换成热能，并且使之成为能利用的。太阳能收集器基本上由一个吸收器和一个管路系统构成，该吸收器由一种带有好的导热性的材料例如铜或钢构成，液体或气体通过该管路系统将吸收的能量从吸收器输送到得到的热能的使用地点。为了提高太阳能收集器的工作温度，可以使用附加的光学设备，例如定日镜或抛物面凹槽，以便将太阳光线聚焦到吸收器上。
吸收器通常由一个黑色的表面，这通过施加一种黑色素的漆实现，以便确保对太阳能最大的吸收能力。然而在此的缺点是，当吸收器在一个带有相应有效功率的太阳能收集器内例如一个太阳能发电厂内使用时，在大面积的光学设备中用于将射入的阳光集中到吸收器上，以便实现高的吸收器温度，这可能导致破坏吸收器涂层或油漆。为了所述涂层或油漆及其色彩不过快地被破坏，因此吸收器本身被固定在抽成真空的玻璃管内，以便防止氧气进入，然而这一方面提高成本，并且另一方面要求定期清洁抽成真空的玻璃管，因为否则所述玻璃管本身可能被加热，并且从而可能被破坏，然而这可能必须切断相应的设备。
发明内容
与此相对，本发明的目的是，提供一种被传热介质流过的用于将太阳光线转换成热能的吸收器，尤其应用在太阳能收集器中，该吸收器即使在高功率的太阳能收集器中使用时也允许廉价的且尽可能无维修的使用。
所述目的按本发明通过如下方式解决，即吸收器基本上由一个无细孔的由深色材料制成的陶瓷构成。即本发明的中心思想在于，代替带有深色尤其是黑色油漆或涂层的金属管，使用无细孔的陶瓷管，所述陶瓷管本来就由一种深色材料制成，这一方面具有的优点是，吸收器不必额外涂黑，并且另一方面消除通过包封的方式防止氧气进入到真空管内的必要性。此外通过使用陶瓷存在下述的可能性，即取决于使用的光学设备允许吸收器温度直到远超过400℃，尤其直到800℃，甚至更高。
按本发明在此建议，无细孔或密封的陶瓷是一种以碳化硅(SIC)为基础的非氧化陶瓷，尤其是工程碳化硅，其中该碳化硅具有高的导热性和小的热膨胀性，并且此外在非常高的温度时也可使用。工程碳化硅由于存在杂质而呈深色(黑色到绿色)，其中色度随着碳化硅的纯度的增加而降低。
作为特别合适的以碳化硅为基础的非氧化陶瓷，主要是无压力烧结的碳化硅(SSIC)和反应结合的硅渗透的碳化硅(SISIC)，而且也可以使用液相烧结的碳化硅(LPSIC)、热压的碳化硅(HPSIC)以及热均衡压制的碳化硅(HIPSIC)。
无压力烧结的碳化硅(SSIC)由碾碎的SIC精细粉末制成，该SIC精细粉末与烧结添加剂一起在通常的陶瓷成型方案中加工，并且在2000至2200℃时在保护气体下被烧结。SSIC由于高的强度而出众，该强度直到大约1600℃的高温时几乎保持不变。此外该材料具有高的耐温度交变性、高的导热性、高的耐磨性和金刚石般的硬度。
与此相对，反应结合的硅渗透的碳化硅(SISIC)例如由大约85至94％的SIC和相应15至6％的金属硅(Si)构成。此外SISIC实际上没有残余细孔性。这通过如下方式实现，即由碳化硅和碳制成的成型体用金属硅渗透。液态硅和碳之间的反应导致一种SIC结合基体，其中剩余的细孔空间用金属硅充满。所述制造技术的优点是，与粉末烧结技术相比，构件在硅化过程中不产生收缩。因此能制造特别大的或长的具有精确尺寸的吸收器。SISIC的使用范围虽然由于金属硅的熔点限制在大约1380℃，但是直到该温度范围SISIC具有高的强度和耐腐蚀性以及良好的耐温度交变性和耐磨性。
因此总之碳化硅由于特性如高的硬度、即使在高温时的耐腐蚀性，高的耐磨性、即使在高温时的高的强度、直到非常高的使用温度的抗氧化性、良好的耐温度交变性、小的热膨胀性和非常高的导热性而出众。尤其小的热膨胀是特别有利的，其中吸收器构成为管形的，或者如在本发明的一种实施方式中规定的，由多个密封地互相连接的管形元件构成。这种吸收器尤其在太阳能发电厂中使用，所述太阳能发电厂使用抛物面内部收集器，所述抛物面内部收集器由拱形镜子构成，所述镜子将阳光聚焦到一根在收集器焦线上延伸的吸收器管上，该吸收器管通过支架固定在收集器的焦线上。这样的收集器的长度并且从而使用的吸收器管的长度可以根据结构类型在20至150米之间，其中各个互相连接的管形吸收器元件通常具有大约2至4米的长度。此外上面列举的碳化硅的特性允许尽可能地放弃在现有技术中规定的用于承受长度膨胀、支承重量和防止在使用的吸收器材料的高温时变形的措施。
为了能将多个构成为管形的吸收器简单地连接成一个唯一的吸收器元件，按本发明可以规定，两个管形元件的连接通过一个插塞连接实现。这种类型的连接允许快速装配，然而缺点是，它对于纵向力是敏感的，然而所述纵向力由于按本发明的使用带有小的热膨胀性的非氧化陶瓷仅仅很小地出现。然而也可以想像的是，使用法兰连接或螺纹连接用于连接两个管形元件。
然而也可以附加地规定，为了固定插塞连接设有金属夹，所述金属夹防止在吸收器内出现的纵向力松开插塞连接。
由于碳化硅例如反应结合的硅渗透的碳化硅(SISIC)的特性，该碳化硅在制造过程中不产生收缩，各个管件可以非常精确地制造，这甚至能使各个管形元件在没有附加密封的情况下精确配合且密封地互相连接。然而按本发明可以规定，插塞连接的密封借助于一个硅树脂密封件实现，该硅树脂密封件与管形元件的管子形状相适配，或者插塞连接的密封通过耐火的油膏或粘结剂实现。
作为传热介质可以使用液态或气态的载热流体，如水、液态钠、异丁烷、导热油或过热的水蒸汽等等。当导热油用作为传热介质时，温度可以达到直到390℃，所述温度在一个热交换器中用于产生蒸汽，并且然后输入到一个传统的蒸汽涡轮机内。过热的水蒸汽相反在直接产生蒸汽时使用，直接产生蒸汽在没有热交换器的情况下也行，因为加热的水蒸汽直接在吸收器管内产生，并且输入到一个蒸汽涡轮机内，这在使用抛物面内部收集器时能使温度超过500℃。此外当按本发明的吸收器在太阳能发电厂中使用时，其中太阳光线借助于成百上千的自动抛物面镜子(定日镜)集中到中央吸收器上，最大温度能达到大约1300℃。
按本发明可以附加地规定，传热介质由硅油构成，该硅油由于小的挥发性、粘度的小的温度系数、耐火性和对于酸和碱的高耐性而出众，然而也具有高的电阻和低的表面张力。此外硅油是气味或味觉中性的以及在生理学上中性的。通过使用按本发明的带有以硅油为基础的传热介质的吸收器可以实现直到远超400℃、尤其直到800℃、可能甚至更高的温度。
附图说明
下面参考附图详细解释本发明的实施例。其中：
图1抛物面内部收集器的透视图，该抛物面内部收集器包括按本发明的吸收器；
图2两个通过插塞连接互相连接的管形吸收器的连接位置的横截面图；
图3在图2中示出的插塞连接的放大的视图；
图4按本发明的另一种实施方式的插塞连接的放大的视图，类似于图3；
图5按本发明的另一种实施方式的插塞连接的放大的视图；
具体实施方式
图1示出一种抛物面凹槽转换器10的透视图。抛物面凹槽转换器10具有一个长形的反射器12，该反射器一般由玻璃构成，该玻璃涂有一层银并且从而作为镜子。在横截面内反射器12具有抛物面形状，并且在反射器12的未示出的焦线上存在一个由大量单个吸收器-管件16构成的长形的吸收器14，传热介质例如硅油、导热油或水蒸气在该吸收器内循环。载热体和吸收器管14的结构在图1中未示出。
由大量反射器元件13构成的反射器12具有一个支承结构18，该支承结构基本上由大量固定在地面上的支架20构成，并且具有一个固定在所述支架上的骨架结构22，该骨架结构不仅无变形地支承各个反射器元件13，而且用于安置支承元件24，用所述的支承元件24将吸收器管14始终固定在反射器12的焦线上。此外为了能使反射器12跟踪阳光，设有未示出的旋转驱动装置，这些旋转驱动装置允许骨架结构22相对于支架20在回转轴承26上转动，其中示出一个回转轴承。
在吸收器14的相对的端部28和30上，所述吸收器14与一个管路系统32连接，该管路系统具有一根输入管34，通过该输入管传热介质可以导入到吸收器14内；以及具有一根输出管36，通过该输出管导出传热介质。此外取决于使用的传热介质可能的是，传热介质或者首先输入到一个未示出的用于产生蒸汽的热交换器内，然后该蒸汽输入到传统的蒸汽涡轮机内，或者当过热的水蒸汽直接在吸收器管内产生时，所述的水蒸汽在没有中间连接热交换器的情况下直接输入到一个蒸汽涡轮机内。
图2是两个吸收器管件16、16的连接部的横截面图，所述吸收器管件在本实施方式中都是吸收器14的一部分。每个吸收器管件16由一种以碳化硅为基础的无细孔的/密封的非氧化陶瓷构成，该碳化硅以工程形式存在并且是深色的。使用的碳化硅具有非常高的硬度、即使在高温时的耐腐蚀性、高的耐磨性、即使在高温时的高的强度、直到高的使用温度的抗氧化性、良好的耐温度交变性、小的热膨胀性、非常高的导热性和良好的摩擦特性。
优选使用无压力烧结的碳化硅(SSIC)和反应结合的硅渗透的碳化硅(SISIC)，该碳化硅由于其制造方法使构件在硅化过程中不产生收缩，由此可以制造特别大的具有精确尺寸的构件。因为此外碳化硅只有小的热膨胀性，也可以使用非常长的相应带有许多单个吸收器管件16的吸收器14，而不必关注吸收器管14的轴向膨胀。
然而可选的也可以使用液相烧结的碳化硅(LPSIC)或热压的碳化硅(HPSIC)以及热均衡压制的碳化硅(HIPSIC)，这些碳化硅也属于密封的或无细孔的碳化硅一类。
使用的工程碳化硅由于存在的杂质取决于纯度呈深色(淡绿色/深绿色、黑色、灰色)，以便不必还将管子额外涂黑，由此也不必通过包封的方式防止氧气进入到真空管内，以便防止过快地破坏吸收器涂层或色彩，如这在现有技术中是必需的。
如在图2中可见，两个所述吸收器管件16、16通过一个插塞连接互相连接，其中一个吸收器管件16的尖端38嵌入到一个邻接的吸收器管件16的套筒端40内，这使快速装配成为可能。传热介质的流动方向在图2中通过一个箭头42示出，并且从管件的套筒端流到其尖端。此外插塞连接附加地通过未示出的固定夹或固定螺钉固定，以便防止插塞连接松开。
图3示出图2的插塞连接的放大视图，在该视图内可见，插塞连接附加地通过合适的陶瓷粘结剂或金属陶瓷粘结剂44密封，该粘结剂不含有机溶剂，不可燃，并且可以在远超1000℃的温度范围内使用。然而可选地也可以使用其他耐火的粘结剂或具有直到1700℃耐温性的密封油膏或陶瓷粘结材料，它们在两个所述吸收器管件的连接区域内以液态形式加入并且在硬化后可靠地连接吸收器管件16。
图4示出本发明的一种可选的实施方式，在该实施方式中两个吸收器管件如在图3中通过一个插塞连接互相连接，其中一个吸收器管件16的一个尖端38导入到另一个吸收器管件16的套筒端40内。然而附加地在该实施方式中设有一个硅树脂密封件46，以便密封该插塞连接。在图4中示出的实施方式中，一个吸收器管件16的尖端38设有一个斜角48，以便一方面便于尖端38导入到另一个管件16的套筒端40内，而且作为硅树脂密封件46的套装助手，以便在将尖端38导入到套筒端40内时不夹住该硅树脂密封件。在所示实施方式中不仅尖端38而且套筒端40具有各一个用于接纳硅树脂密封件46(该硅树脂密封件在图4中示出为O形环)的槽或空隙50或52，以便用所述的方式能附加地固定两个互相连接的吸收器管件16、16。
图5示出本发明的另一种实施方式，在该实施方式中两个吸收器管件16、16如在图4中通过一个插塞连接互相连接，其中一个吸收器管件16的一个尖端38导入到另一个管件16的套筒端40内，其中插塞连接通过一个硅树脂密封件54密封。然而该实施方式与在图4中示出的实施方式的不同在于，尖端38不仅如在图4中所示的成斜角，而且构成为一个瓶颈状逐渐变细的尖端38和一个相应对立构成的喇叭形的套筒端40。此外在该实施方式中弹性体的套筒密封件(硅树脂密封件)54不是嵌入到槽或空隙内，而是面状地贴靠在尖端38与套筒端40之间，以便密封连接区域。
在装配弹性体的套筒密封件54时，该套筒密封件“干式地”插到一个(左侧的)吸收器管件16的尖端38上，然后外面涂上润滑剂，同样在另一个(右侧的)吸收器管件的套筒密封件40的内侧上涂上润滑剂。现在带有插上的密封件的(左侧的)吸收器管件16装到另一个(右侧的)吸收器管件16的套筒端40上，并且与套筒密封件54一起压入到套筒端40上，其中尖端38通过套筒密封件54的圆锥形状在套筒端40内对中。
尖端38的在图5中示出的瓶颈状的形状只是示例性地选择，并且取决于使用的套筒密封件可以不同地构成，例如带有一个较长或较短的颈部，带有不同的材料厚度等等。此外所述插塞连接的类型也可以附加地通过一个未示出的固定夹或固定螺钉固定，以便防止插塞连接松开。
然而此外也可能的是，代替设置在一个相应吸收器管件16的一端上的套筒端40，可以将这些端部构成为尖端并且设有单独的套筒，所述套筒在两个需要连接的管件上移动。然而可选地也可能的是，取决于使用的碳化硅的材料特性使用其他类型的连接，例如法兰连接或螺纹连接，以便用这种方式在吸收器内能实现较高的压力。

Claims (11)

1.用于将太阳光线转换成热能的吸收器，尤其应用在太阳能收集器(10)中，该吸收器被传热介质流过，其特征在于：吸收器(14)基本上由无细孔的深色陶瓷构成。
2.根据权利要求1所述的吸收器，其特征在于：无细孔的陶瓷是以碳化硅为基础的非氧化陶瓷。
3.根据权利要求2所述的吸收器，其特征在于：碳化硅以工程形式存在。
4.根据上述任何一项权利要求所述的吸收器，其特征在于：吸收器(14)构成为管形的。
5.根据权利要求4所述的吸收器，其特征在于：吸收器(14)由多个密封地互相连接的管形元件(16、16)构成。
6.根据权利要求5所述的吸收器，其特征在于：两个管形元件(16、16)的连接通过插塞连接实现。
7.根据权利要求6所述的吸收器，其特征在于：为了固定插塞连接设有金属夹。
8.根据权利要求6或7所述的吸收器，其特征在于：插塞连接的密封借助于硅树脂密封件(46)实现。
9.根据权利要求6或7所述的吸收器，其特征在于：插塞连接的密封通过耐火的油膏或粘结剂(44)实现。
10.根据上述任何一项权利要求所述的吸收器，其特征在于：设有一个将太阳光线反射到吸收器(14)上的镜子(12)。
11.根据上述任何一项权利要求所述的吸收器，其特征在于：传热介质优选由硅油构成。
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