CN101498517A - 太阳能高温真空集热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽式太阳能热电系统中使用的高温真空集热管，其包括玻璃外管和安装在玻璃外管中的金属内管，玻璃外管与金属内管密封连接，夹层内呈真空，其特征在于在玻璃外管与金属内管两端部之间设置有陶瓷绝热环。该陶瓷绝热环两端面覆有金属化层或各开有一环形槽，并通过一端金属化层上连接或嵌入固定的合金构件与玻璃外管密封相连，另一端通过一过渡连接盘与金属内管或通过金属化层上连接或嵌入固定的合金构件、过渡连接盘与金属内管密封相连。本发明设置的陶瓷绝热环不仅可以消除玻璃外管与金属内管之间的“热桥”，阻断两管之间的热传导，有效提高集热管的工作效率，而且本发明构造简单，制作成本低，可克服用于槽式太阳能热电系统的高温真空集热管的制作瓶颈，有效促进太阳能热电技术及其应用的发展。

Description

太阳能高温真空集热管

技术领域

本发明属于太阳能热能利用装置技术领域，涉及一种吸收太阳热能的真空集热器，尤其是一种用于槽式太阳能热电系统中的高温真空集热管。

背景技术

在太阳能热能利用技术中，热发电技术可以显著提高太阳热能的利用效率，特别是槽式太阳能热发电装置，被认为是太阳能热电技术中最有实用价值的技术。槽式太阳能热发电系统就是用一个槽式抛物面聚光器将太阳光、热聚集到位于槽式抛物面焦线上的集热元件上，该集热元件一般为管状热量吸收器(集热器)，管内为流体工作物质，被转换来的太阳能加热后，流经换热器加热工作物质，转换为高温高压的热蒸汽，再借助于蒸汽循环动力来发电。

目前使用的管状热量吸收器多为真空集热管，其典型结构包括一个表面涂有吸热材料层的金属内管以及安装在内管外的玻璃外管，二者固连并使玻璃外管和金属内管之间的夹层呈真空。该真空层可以提高金属内管的保温效果，使金属内管积聚的太阳热尽可能多的传递给管内工作物质，以提高真空集热管的工作效率。但玻璃和金属之间的封接一直以来都是真空行业和太阳能行业需要攻克的技术难关，也一直都是真空行业和太阳能行业的研究热点。因而也研发了各种封接方式。如采用热压或磁脉冲热压封接。由于集热管中的玻璃外管和金属内管之间的热膨胀差异，在温度变化较大的情况下，直接熔接的玻璃外管和金属内管会很容易使玻璃破裂，导致整个结构件破坏，且还由于玻璃和金属原子分子之间化学健的差异，使得二者的封接难度较高。为了解决这些问题，CN1266824和CN1266824公开了通过过渡构件来连接的方式，如可伐金属或支撑环和波纹管。这些手段在一定程度上解决了金属管和玻璃管之间的连接问题，延长了真空管寿命，提高了真空管的保温效率和使用温度，降低了成本。但由于使用的过渡构件都是金属材料，因而会形成热量迅速传递的“热桥”，导致热量大量散失，使金属内管积聚的传给管内工作物质的太阳热减少，大大降低了集热管的工作效率，使得这类集热管只适用于如太阳能热水器一类低温太阳能利用领域。

而在太阳能热发电领域，集热管内的热工质必须被加热到350℃以上，才有实际应用价值。很显然，以上通过金属来连接构成的集热管因热量的大量流失是无法满足使用要求的。即便采用各种强化技术措施能使集热金属管内的热工质被加热到350℃以上，又因玻璃外管的工作温度为室温或略高于室温，一方面在这样大的温差下保温非常困难，一般都需在两管腔间抽高真空，另一方面在这样大的温差下热传导的速度将更加厉害，热量损失将更大。正是由于以上种种原因，用于槽式太阳能热电系统的高温真空集热管一直未得到很好的解决，并严重制约着太阳能热电技术的发展。

中国专利申请200410014676.2公开了一种高温真空集热管，该申请未直接将金属管和玻璃管直接通过过渡构件焊接，而是使用螺母和耐高温密封件以及顶紧螺母将金属波纹管的接口和真空环形隔热腔的外壁牢靠密封，金属波纹管的另一端口采用过渡材料可伐合金与玻璃管焊接在一起。真空环形隔热腔可在一定程度起到隔热过渡作用，从而降低玻璃管口处的温度，提高高温真空集热管的可靠性，但是，由于该真空环形隔热腔仍然是由金属构成的，因而一方面使得玻璃管与金属管之间的“热桥”仍然存在，另一方面该隔热腔结构复杂，制作成本高。

发明内容

针对真空集热管现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种消除玻璃外管与金属内管之间“热桥”、有效提高工作效率的太阳能高温真空集热管。

本发明的目的可通过具有如下技术方案的高温真空集热管来实现：

该太阳能高温真空集热管，包括玻璃外管和安装在玻璃外管中的金属内管，玻璃外管与金属内管密封连接，夹层内呈真空，其特征在于在所述玻璃外管与金属内管两端部之间设置有陶瓷绝热环。

由于本发明使用的陶瓷具有良好的绝热性能，因而可以消除玻璃外管与金属内管之间“热桥”，阻断两管之间的热传导，提高金属内管的保温性能，有利于金属内管将热量尽可能多的传送给工作物质，有效提高工作效率。

作为陶瓷绝热环与玻璃外管和金属内管连接方式的一种优选方案，该陶瓷绝热环两端面覆有金属化层，陶瓷绝热环通过一端金属化层上连接的合金构件与玻璃外管密封相连，另一端通过一过渡连接盘与金属内管或通过金属化层上连接的合金构件、过渡连接盘与金属内管密封相连。

作为陶瓷绝热环与玻璃外管和金属内管连接方式的另一种优选方案，该陶瓷绝热环两端面各开有一环形槽，其中嵌入固定有一合金构件，并通过合金构件另一端分别与玻璃外管密封连接和通过一过渡连接盘与金属内管密封连接。

上述方案中所述的合金构件为由可伐合金制作的合金环；所述的连接方式具体为焊接或熔接。在连接前对可伐合金环的连接面进行玻璃化处理，或对玻璃外管的连接面进行金属化处理，以增加两者的连接强度。

由于本发明集热管中的金属内管在受热时将不可避免的会发生膨胀，冷却下来后又会发生收缩，特别是金属管的纵向热膨胀率远远大于玻璃管，因此，在玻璃外管与金属内管之间还设置有一个金属波纹管，该金属波纹管位于合金构件与过渡连接盘之间或者连接在玻璃外管一端。由于金属波纹管具有良好的轴向伸缩性，因而可有效解决金属内管与玻璃外管由于热胀冷缩程度不同而损害真空集热管的问题。

为了更好的实现本发明的应用目的，本发明还可以采取以下一些技术措施：

所述陶瓷环的材料采用三氧化二铝一类的真空电子陶瓷，以尽量减小导热系数和热膨胀系数。

在陶瓷环的外表面覆有一层釉质层，以保证陶瓷环良好的真空密闭性。

所述金属内管采用不锈钢管，使钢管具有较高的机械强度和很高的导热性，并在钢管的外表面覆上可增强太阳能吸收的涂层，如对太阳能具有选择性的黑体吸收涂层材料。该涂层可采用真空溅射、磁控溅射、化学沉积等方法镀制到钢管上。

所述玻璃外管采用具有较高的透光率、优良的耐候性和较高的机械强度的高硼玻璃制作，其内壁镀制增透膜，外壁镀制耐候性优良的增透保护膜，该增透保护膜还有自洁功能。

所述集热管的两端各设置一个保护端帽，该端帽可以保护集热管端头避免被反光面聚集的光热灼烧，所述端帽由金属材料制作，其内表面可以涂覆一层隔热材料。

如果该高温真空集热管的长径比较大，所述玻璃外管与金属内管的真空夹层之间还设置有至少一个支撑环，该支撑环固定在钢管上，用耐热性和隔热性都很好的陶瓷材料制作，且该支撑环径向至少开有二个盲孔，孔内安放有弹簧，以缓冲在钢管受热发生径向膨胀时对玻璃外管的径向挤压力。

所述金属内管的外表面上设置有真空度显色带，该真空度显色带既可以吸收真空夹层中的少量气体，也可以作为真空夹层的真空度变化的指示标志。

为了方便集热管的金属内管与玻璃外管之间的夹层抽真空，可以在玻璃外管上预接一个玻璃支管，抽真空后熔封该支管；也可以在可伐合金环的外露部位上预设一个可伐合金支管，抽真空后熔封该支管。

所述绝热陶瓷环、可伐合金环、波纹管、保护端帽等部件与金属内管之间可以衬垫隔热材料环，用以减少内钢管的热量向外传递，该隔热材料环可以是云母、石棉、陶瓷等耐高温隔热材料制备而成。

本发明与现有的太阳能真空集热管相比，具有以下十分突出的技术效果：

1、由于本发明在玻璃外管与金属内管之间设置的陶瓷环具有良好的绝热性能，因而不仅消除了采用金属件过渡构件所形成的“热桥”，也阻断两管之间的热传导，提高了金属内管的保温性能，有利于金属内管将热量尽可能多的传送给工作物质，有效提高工作效率。

2、由于本发明采用的绝热陶瓷环阻断了玻璃外管与金属内管之间的热传导，因而使内外管之间可以长期保持较大的温度差，保证金属内管可以在350℃以上的高温下工作运行。

3、本发明构造简单，制作成本低，克服了用于槽式太阳能热电系统的高温真空集热管的制作瓶颈，可有效促进太阳能热电技术及其应用的发展。

附图说明

图1为本发明实施例1中的真空集热管的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1中的真空集热管一端的局部结构放大示意图。

图3为本发明实施例2中的真空集热管一端的局部结构放大示意图

图4为本发明实施例3中的真空集热管一端的局部结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例给出的高温真空型集热管主要由金属内管1、玻璃外管3、陶瓷绝热环4、可伐合金环7、金属波纹管11、过渡连接盘12和保护端帽15构成。

金属内管1为一不锈钢管，同轴套于玻璃外管3内，钢管的外表面覆有对太阳能具有选择性的黑体吸收涂层材料。玻璃外管3由高硼玻璃制作，其内壁镀制有增透膜，外壁镀制有增透保护膜。玻璃外管3和金属内管1密封连接，夹层内呈真空。夹层内的不锈钢管1的外表面上还点焊有一条可以吸气的真空度显色带16，其既可以作为真空夹层的真空度变化的指示标志，又可以吸收真空夹层中的少量气体。陶瓷绝热环4为两个，分别套接于金属内管1和玻璃外管3两端部之间。陶瓷绝热环4是由三氧化二铝材料制作的真空电子陶瓷，两端面进行了金属化处理，使之覆有一层金属化层5。为了避免气体通过陶瓷绝热环4外表面上的小孔渗入真空夹层内，其外表面上还烧结有釉质层6，釉质层与端面的金属化层之间不留缝隙，以保证陶瓷环的气密性。可伐合金环7的截面形状呈凹形，其通过其外环面和内凹面分别与玻璃外管3和陶瓷绝热环4连接。其具体的连接方式可为焊接或熔接。为增加两者的连接强度，可在连接前对可伐合金环7的外环面进行玻璃化处理，或对玻璃外管3的内连接面进行金属化处理。金属波纹管11位于可伐合金环7与过渡连接盘12之间。过渡连接盘12本实施例为一法兰盘，焊接在金属内管1上。保护端帽15为两个，采用金属材料制作，其内表面涂覆有一层隔热材料，该保护端帽15分别套接于玻璃外管3两端部外，以保护集热管端头避免被反光面聚集的光热灼烧。另外，保护端帽15和陶瓷绝热环4与金属内管1的接触部位之间安放有由云母制作的隔热垫2，用以减少金属内管的热量向外传递。

考虑到当集热管长径比较大时，玻璃外管3的强度要受到一定影响，本实施例在玻璃外管3和金属内管1的真空夹层中设置有一个支撑环13，该支撑环13固定在金属内管1上，用耐热性和隔热性都很好的陶瓷材料制作，且该支撑环13径向至少开有二个盲孔，孔内安放有弹簧14，以缓冲金属内管1受热发生径向膨胀时对玻璃外管3的径向挤压力。

本实施例适用于尺寸较小、长径比较小的真空集热管。

实施例2

如图3所示，本实施例给出的高温真空型集热管也主要由金属内管1、玻璃外管3、陶瓷绝热环4、可伐合金环7-8、金属波纹管11、过渡连接盘12和保护端帽15构成。

由于本实施例的金属内管1、玻璃外管3、陶瓷绝热环4、可伐合金环7、金属波纹管11、过渡连接盘12和保护端帽15的结构和制作材料等，包括其中设置的支撑环13等都与实施例1相同，故略去不述。所不同的是在绝热陶瓷环4与金属波纹管11之间增设了一个可伐合金环8。该可伐合金环8的截面形状呈“π”形，并通过其“π”形的上端面与陶瓷绝热环4焊接相连，其下部的外表面与金属波纹管11一端焊接相连。本实施例可将与玻璃外管3相连的可伐合金环7、陶瓷绝热环4和与金属波纹管11相连的可伐合金环8先焊接起来制成一个预制件，然后进行下一步连接。

本实施例适用于管径相对较长、长径比相对较大的真空集热管。

实施例3

如4所示，本实施例给出的高温真空型集热管也主要由金属内管1、玻璃外管3、陶瓷绝热环4、可伐合金环9-10、金属波纹管11、过渡连接盘12和保护端帽15构成。

由于本实施例的金属内管1、玻璃外管3、陶瓷绝热环4、金属波纹管11、过渡连接盘12和保护端帽15的结构和制作材料等，包括其中设置的支撑环13等都与实施例1相同，故略去不述。所不同的是：①本实施例在绝热陶瓷环4与金属波纹管11之间增设了一个可伐合金环10；②与玻璃外管3相连的可伐合金环9的截面形状为在其呈凹形的基础上，其内环面端部延伸有一凸起，该凸起与外环面的延伸凸起同向平行；③在制作绝热陶瓷环4时，先将两端面各开一环形槽，然后将①、②两个形状的可伐合金环9、10分别嵌入其中，再进行烧结固定。本实施例也可将与玻璃外管3相连的可伐合金环9、陶瓷绝热环4和与金属波纹管11相连的可伐合金环10先焊接起来制成一个预制件，然后进行下一步连接。

本实施例适用于管径更长(4米及以上)、长径比更大的真空集热管。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，有必要在此特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所给出的形式，本领域普通技术人员根据本发明揭示的内容和所具备的知识范围，还可以对其作出种种变化，因此不应将本发明的具体实施方式理解为对本发明保护范围的限制。

Claims (10)

1、一种太阳能高温真空集热管，包括玻璃外管和安装在玻璃外管中的金属内管(1)，玻璃外管(2)与金属内管(1)密封连接，夹层内呈真空，其特征在于在所述玻璃外管(2)与金属内管(1)两端部之间设置有陶瓷绝热环(4)。

2、根据权利要求1所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于该陶瓷绝热环(4)两端面覆有金属化层(5)，陶瓷绝热环(4)通过一端金属化层(5)上连接的合金构件(7)与玻璃外管(3)密封相连，另一端通过一过渡连接盘((12)与金属内管(1)或通过金属化层(5)上连接的合金构件(8)、过渡连接盘(12)与金属内管(1)密封相连。

3、根据权利要求1所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于在该陶瓷绝热环(4)两端面各开有一环形槽，其中嵌入固定有一合金构件(9、10)，并通过合金构件(9、10)另一端分别与玻璃外管(3)密封连接和通过一过渡连接盘(12)与金属内管(1)密封连接。

4、根据权利要求2或3所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于合金构件(7、8、9、10)为由可伐合金制作的合金环。

5、根据权利要求1或2或3所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于所述陶瓷绝热环(4)的外表面覆有釉质层(6)。

6、根据权利要求4所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于所述陶瓷绝热环(4)的外表面覆有釉质层(6)。

7、根据权利要求1或2或3所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于所述金属内管(1)的外表面覆有可增强太阳能吸收的涂层；所述玻璃外管(3)与金属内管(1)之间还设置有金属波纹管(11)，该金属波纹管(11)位于合金构件(8、10)与过渡连接盘(12)之间或者连接在玻璃外管(3)一端。

8、根据权利要求6所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于所述金属内管(1)的外表面覆有可增强太阳能吸收的涂层；所述玻璃外管(3)与金属内管(1)之间还设置有金属波纹管(11)，该金属波纹管(11)位于合金构件(8、10)与过渡连接盘(12)之间或者连接在玻璃外管(3)一端。

9、根据权利要求1或2或3所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于在集热管的两端各设置一个保护端帽(15)；所述玻璃外管(3)与金属内管(1)之间还设置有至少一个支撑环(13)，且该支撑环(13)径向至少开有二个盲孔，孔内安放有弹簧(14)；所述金属内管(1)的外表面上设置有真空度显色带(16)。

10、根据权利要求8所述的太阳能高温真空集热管，其特征在于在集热管的两端各设置一个保护端帽(15)；所述玻璃外管(3)与金属内管(1)之间还设置有至少一个支撑环(13)，且该支撑环(13)径向至少开有二个盲孔，孔内安放有弹簧(14)；所述金属内管(1)的外表面上设置有真空度显色带(16)。

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