CN101893340B - 太阳能用吸热管 - Google Patents

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Abstract

一种吸热管(1)，特别是用于太阳能热电厂中的抛物面槽形集热器的吸热管。吸热管(1)具有中央金属管(3)和环绕中央金属管(3)的玻璃套管(2)。具有膨胀补偿装置(10)，它部分设置在金属管(3)和固定在套管(2)上的玻璃-金属-过渡件(5)之间的环形室(4)内。膨胀补偿装置(10)可以具有波纹管(11)。此外具有连接件(15)，它或者具有圆柱形或者具有锥形段(17，18，18′)。

Description

太阳能用吸热管
本发明申请是原案申请号为03158832.8、发明名称为《太阳能用吸热管》、申请日为2003年7月8日的发明专利申请的分案申请。 
技术领域
本发明涉及吸热管，特别是用于太阳能热电厂中的抛物面槽形集热器吸热管，带有中央金属管和环绕中央金属管的玻璃套管，在其自由端上设置玻璃-金属-过渡件，构成金属管和套管之间的环形室，其中，金属管和过渡件借助于至少一个膨胀补偿装置在纵向上可彼此相对移动相互连接。本发明还涉及抛物面槽形集热器和吸热管的应用。 
背景技术
例如2002年5月第124期“太阳能工程学杂志”在109页上介绍了抛物面槽形集热器。 
玻璃-金属接合的特征在于，这是一种无附加粘接材料的直接的材料接合(金属与玻璃或者玻璃焊剂＝熔化的玻璃)。通过金属的预氧化达到界面接触。玻璃在这种情况下持续与金属氧化物形成化学结合。对质量来说关键的是在预处理和溶接时的过程控制。 
玻璃-金属-过渡件例如在US 1,292,466，US 1,293,441或US 6,324,870B 1中有所介绍。这种玻璃-金属-过渡件具有成锥形的由玻璃体包围的金属末端段，并一般具有金属与玻璃之间很高的热纵向膨胀差。纵向差由很薄的金属接受。 
在所谓匹配的玻璃-金属-过渡件中，例如像X射线管中公知的那样，膨胀系数相同。在这些过渡件中也要通过有目的地预氧化获得良好的附着性。 
玻璃-金属-过渡件可以直接封接或者借助于玻璃焊剂连接。 
吸热管一般由内部吸收辐射涂层的钢管和环绕的玻璃套管组成。单个吸热管约4米长，并组装成最长800米的太阳能场带。太阳辐射通过设置在管子后面的镜子聚焦到管子上。玻璃管和金属管通过玻璃-金属-过渡件相互气密连接。管子中间空隙抽真空，以便使热损耗最小化并由此提高能源收益率。由于金属 和玻璃不同的热膨胀系数和运行时不同强度的受热，其中金属管达到约400℃，而玻璃管仅100℃，要求金属管和套管之间膨胀补偿。这一点一般由金属波纹管承担，如2002年5月第124期“太阳能工程学杂志”第109-115页上介绍的那样。 
在迄今为止公开的结构中，玻璃-金属-过渡件和波纹管直线并排设置。其结果是2-3％的管表面的重要部分不能作为太阳辐射的收集面使用，从而导致光效率的降低。 
此外，聚焦在吸热管上的太阳辐射需要对易受应力侵蚀的玻璃-金属-过渡件进行过热防护。 
这种防护由附加的遮光板承担，然而在光倾斜入射时，遮光板不能完全遮住进入套管而绕开吸热管到达套管内的辐射。因此，首先是在吸热管的北面造成玻璃-金属-接合失去作用。结果是真空失效，并由此限制了吸热管的效率。更换单个吸热管费用极高，因为为此必须将整个太阳能场带停止运行。一般不采用这种措施，而是由于吸热管每年2％以上的运行故障率，造成整个太阳能场的效率逐渐降低。 
为降低遮光效果和提高开口面积，迄今为止提出了在玻璃管和套管之间采用滑动支承的各种解决方案。 
DE 10036746A1公开了一种补偿装置，具有可轴向移动的密封装置，固定在两个管中的一个上，而另一个管可以在密封装置上滑动。密封装置例如在金属管上收缩并相对于玻璃套管移动。 
依据DE 10036746A1另一种设置在管端上的密封装置，具有密封接受套管端的环形槽。密封装置在该案例中固定保持在中央管上。环形槽内有以密封装置和套管的末端为界的空腔，用于接受可施加压力的液体。这种设置费用高且不能可靠运行，以至于不得不考虑到经过一段时间后真空失效。然而，如果没有真空，吸热管涂层在正常大气的高温下会比真空下退化得更快。 
US 4.231.353公开了一种热水管集热器，工作温度仅为70℃。在玻璃套管和中央金属管之间设置金属板，借助于粘结剂粘贴在套管的端面上。这种设置没有玻璃-金属-过渡件。同样没有保证管子在纵向上大距离彼此相对移动的膨胀补偿装置。带有环状卷边的盖最多只能接受很小的长度差，却会对玻璃边缘施加径向力。这种集热器管根本不适合在抛物面槽形集热器中使用。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种更加耐用的的吸热管。本发明的目的还在于提供一种更加耐用的抛物面槽形集热器以及吸热管的应用。 
该目的通过一种吸热管得以实现，即其膨胀补偿装置至少部分设置在金属管和玻璃-金属过渡件之间的环形室内。 
该吸热管特别用于太阳能热电厂中的抛物面槽形集热器，该吸热管带有中央金属管和环绕该中央金属管的玻璃套管，在该玻璃套管的自由端上设置玻璃-金属-过渡件，构成金属管和套管之间的环形室，其中，金属管和玻璃-金属-过渡件借助于至少一个膨胀补偿装置在纵向上可彼此相对移动地相互连接。根据本发明，膨胀补偿装置至少部分地设置在金属管和玻璃-金属-过渡件之间的环形室内，并且膨胀补偿装置具有波纹管和连接件，其中该连接件从波纹管的内端一直延伸到波纹管的外端的附近，其中波纹管的内端通过连接件与金属管连接，波纹管的外端通过玻璃-金属-过渡件与玻璃管连接。 
膨胀补偿装置因此承担两个功能。一是保证金属管和套管之间的膨胀补偿，同时通过膨胀补偿装置防止玻璃-金属-过渡件受到辐射，从而在该区域内不会出现过热，并不会损害金属管和套管之间的真空密封连接。 
通过膨胀补偿装置在轴向上不是设置在玻璃-金属-过渡件的旁边，而是设置在吸热管下面的该玻璃-金属-过渡件的下面，结构明显缩短，同时减小了吸热管的遮光面，随之而来的是再次提高了吸热管的效率。由此膨胀补偿装置和玻璃-金属-过渡件构成紧凑式组件，按简单方式保证真空密封连接，并且像内置的遮光板这种附加部件变得多余。 
另一优点在于，玻璃-金属-过渡件通过内置的膨胀补偿装置，防止受到进入套管内后从内部向过渡区的辐射。因为迄今为止，玻璃-金属-过渡件因辐射受热和破裂是吸热管报废的主要原因，所以，通过依据本发明的设置明显提高了耐用性。此外，通过双重真空绝缘减少端区内的热损耗。双重真空绝缘由此形成连接件到金属管已经绝缘。随之向外产生连接件和波形管之间的环状空隙和波形管与玻璃之间的第二个真空绝缘。由于套管和波形管之间很窄的间隙量，不会形成空气交换，从而向外形成真空-空气-真空的绝缘层效果。膨胀补偿装置不直接受热内管辐射，这同样导致玻璃-金属-过渡件较低的负荷。 
最好膨胀补偿装置具有波形管。波形管在吸热管的纵向上延伸。 
吸热管的有效面通过波形管置入吸热管的内部而扩大。这也造成更高的能 源生产量。 
依据第一实施方式，波形管的内端通过连接件与金属管连接，波形管的外端通过玻璃-金属-过渡件与套管连接。内端表示指向环形室内的末端，而外端或者处于环形室的外面，或者指向向外的环形室。该连接件最好与金属管气密焊接。在该实施方式中，玻璃-金属-过渡件具有指向内部的束带，其上固定波形管的外端。 
为提高吸热管的效率，连接件从波形管的内端通过在波形管和金属管之间构成的第一环状间隙延伸。这种造型的连接件提供了特别是将平面入射的辐射再反射到吸热管上的可能性，由此可以进一步提高效率。 
最好连接件一直延伸到波形管外端的附近。第一环状间隙中的连接件直到波形管的位于对面的末端延伸得越远，功效就越大。 
连接件最好具有固定在波形管上的环形片，它过渡成锥形的管状的通过第一环状间隙延伸的段。锥形造型特别是对于将平面出现的辐射反射到金属管上来说具有优点，并用于由于工作中的变形必须保持波形管和吸热管之间最小距离的地方。如果使用较小内径的波形管的话，也可以是圆柱形的造型，从而提供窄的第一环状间隙。 
为了进一步提高效率，连接件在靠近金属管的面上至少部分反射。 
依据另一实施方式，波纹管的内端通过连接件和玻璃-金属-过渡件与套管连接，其中，波纹管的外端固定在金属管上。在该实施方式中，无论是连接件还是波纹管也处于玻璃-金属-过渡件和金属管之间。 
最好连接件从波纹管的内端通过在波纹管和套管之间构成的第二环状间隙延伸。但也可以具有更短的变型，从而波纹管的外端与连接件相对。 
连接件最好具有固定在波纹管上的环形片，它在其外部边缘上过渡成管状的圆柱形通过第二环状间隙延伸的段。 
玻璃-金属-过渡件固定在连接件上成形的外束带上。 
波纹管在其靠近金属管的面上至少部分反射，从而波纹管在该实施方式中也可用于入射的平面辐射的再反射，由此提高吸热管的效率。 
最好在吸热管的每个末端设置这种膨胀补偿装置。 
套管和金属管之间的环形室被抽真空或者依据另一实施方式充入惰性气体。 
抛物面槽形集热器具有纵向延伸的线性抛物面状的反射器，在其焦线上至少设置一个带有上述特征的吸热管。吸热管在用于抛物面槽形集热器中时必须承受约400℃的温度。吸热管由于其结构非常适合于在此方面的应用。 
附图说明
下面借助附图对本发明的实施方式作详细说明。其中： 
图1示出依据第一实施方式的吸热管的局部纵剖面； 
图2示出依据第二实施方式的吸热管的局部纵剖面，和 
图3示出依据第三实施方式的局部纵剖面。 
具体实施方式
图1以剖面示出吸热管1的末端。吸热管1具有玻璃构成的套管2和同心设置在套管2内的金属管3，金属管在其外面涂有吸收太阳辐射的辐射选择涂层。 
在套管2的自由端侧的末端，固定有玻璃-金属-过渡件5，它具有径向向内的束带。在套管2和金属管3之间构成的环形室4内，设置波纹管11形式的膨胀补偿装置10，它利用其外端13固定在玻璃-金属-过渡件5的束带6上。 
波纹管11因此在玻璃-金属-过渡件5的下面延伸到环形室4内，并固定在连接件15上的位于对面的末端上，为此目的连接件具有环形片16。该环形片16在其内部边缘上过渡成锥形段17，它在波纹管11和金属管3之间的第一环状间隙8内延伸。 
在位于对面的末端上，连接件15具有固定束带19，连接件15与其最好钎焊固定在金属管3上。 
段17的锥形构成的优点是，平面入射的辐射可以反射到吸热管3上。由此提高了效率。吸热管的末端附加由保护管20覆盖，其轴向延伸大致相当于波纹管的长度。可以将保护管20支承在套管2或者玻璃-金属-过渡件5上，并防止波纹管11的直接照射。 
玻璃-金属-过渡件5因此通过保护管20和波纹管11以及通过连接件15遮盖，不会出现过热，因此不会对该部件造成损害。 
图2示出另一实施方式，其中，波纹管11同样设置在套管2和金属管3之间的环形室4内。套管2具有带径向向外束带7的玻璃-金属-过渡件5，连接件 15′的固定束带19固定在向外束带上。连接件15′通过在波形管11和套管2或玻璃-金属-过渡件5之间构成第二环状间隙9延伸。因为在该区域内不取决于反射，所以连接件的中间段构成圆柱形段18，它在内置末端上过渡成固定在波纹管11上的环形片16。在这种情况下，波纹管的内边至少部分构成反射。 
图3示出另一实施方式，它原则上相当于图1示出的实施方式。但波纹管11的直径较小，以至于第一环形室4也较小。出于该原因，连接件15”具有圆柱形段18′。 
参考符号表 
1                 吸热管 
2                 套管 
3                 金属管 
4                 环形室 
5                 玻璃-金属-过渡件 
6                 向内束带 
7                 向外束带 
8                 第一环状间隙 
9                 第二环状间隙 
10                膨胀补偿装置 
11                波纹管 
12                内端 
13                外端 
14                固定件 
15，15’，15”    连接件 
16                环形片 
17                锥形段 
18，18’          圆柱形段 
19                固定束带 
20                保护管 

Claims (10)

1.吸热管，带有中央金属管(3)和环绕该中央金属管(3)的玻璃套管
(2)，在该玻璃套管的自由端上设置玻璃-金属-过渡件(5)，构成金属管(3)和套管(2)之间的环形室(4)，其中，金属管(3)和玻璃-金属-过渡件(5)借助于至少一个膨胀补偿装置(10)在纵向上可彼此相对移动地相互连接，其特征在于，膨胀补偿装置(10)至少部分地设置在金属管(3)和玻璃-金属-过渡件(5)之间的环形室(4)内，并且膨胀补偿装置(10)具有波纹管(11)和连接件(15)，其中该连接件(15)从波纹管(11)的内端(12)一直延伸到波纹管(11)的外端(13)的附近，其中波纹管(11)的内端(12)通过连接件(15)与金属管(3)连接，波纹管(11)的外端(13)通过玻璃-金属-过渡件(5)与玻璃管(2)连接。
2.按权利要求1所述的吸热管，其特征在于，连接件(15)从波纹管(11)的内端(12)通过在波纹管(11)和金属管(3)之间构成的第一环状间隙(8)延伸。
3.按权利要求2所述的吸热管，其特征在于，连接件(15)具有固定在波纹管(11)上的环形片(16)，该环形片在其内部边缘上过渡成锥形的或者圆柱形的管状的、通过第一环状间隙(8)延伸的段(17，18′)。
4.按权利要求1或2所述的吸热管，其特征在于，玻璃-金属-过渡件(5)固定在连接件(15′)上成型的外束带(19)上。
5.按权利要求1或2所述的吸热管，其特征在于，在所述吸热管的每个末端上设置膨胀补偿装置(10)。
6.按权利要求1或2所述的吸热管，其特征在于，环形室(4)被抽真空。
7.按权利要求1或2所述的吸热管，其特征在于，环形室(4)充入惰性气体。
8.按权利要求1或2所述的吸热管，其特征在于，所述吸热管被用于太阳能热电厂中的抛物面槽形集热器。
9.抛物面槽形集热器，带有纵向延伸的线性的抛物面状的反射器，在其焦线上至少设置一个按权利要求1至7之一所述的吸热管。 
10.按权利要求1至8之一所述的吸热管用于抛物面槽形集热器的应用。 
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