CN102767918B - 一种真空和充气保温集热管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空和充气保温集热管，包括金属内管和外套于金属内管的玻璃外管，金属内管与玻璃外管在管端通过气密连接结构连接以使二者之间形成横向截面为环形的腔室，玻璃外管的管壁至少为两层，两层管壁之间为真空密闭空间，气密连接结构包括波纹管、端盖及过渡连接件，端盖分设在玻璃外管的端部且由金属内管穿过其中心通孔，波纹管套装在金属内管上且位于端盖之间，波纹管的两端分别通过过渡连接件与金属内管、端盖连接而将腔室密封，在端盖上还设有用于向腔室中充入惰性气体的气孔。本发明能降低氢气渗入腔室内对保温性能的影响，并降低了制作难度，增加了集热管隔热性能和使用寿命。金属内管上的保温层有助于减少金属内管表面的热辐射。
Description
技术领域
本发明涉及一种集热管，具体涉及一种真空和充气保温集热管。
背景技术
太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势，欧盟、日本和美国已经把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。据国际能源署(IEA)预计，到2040年太阳能发电将占世界电力供应的20％以上。
目前，聚光式太阳能热发电技术作为太阳能利用的一种重要方式，已成为国际太阳能技术发展的重要方向之一。通过三十多年的研究开发和实践，在国际上已达成以下共识：太阳能热发电站，尤其是槽式太阳能热电站，可能是目前最经济的太阳能发电方式，而且只有槽式太阳能热发电实现了商业化运行，因此它是最成熟的太阳能热发电技术。
槽式太阳能热发电系统的工作过程是：由跟踪太阳的槽型抛物面聚光器聚集太阳光，太阳光能加热集热管内的导热工质，通过热交换产生过热的蒸汽，蒸汽驱动汽轮发电机组发电。其中的集热管是槽式太阳能热发电系统的核心部件。集热管一般由表面镀有太阳光谱选择性吸收薄膜的金属内管和套装在金属内管外的玻璃外管组成，为了减少热损失，玻璃外管内壁与金属内管外壁之间的空间抽真空形成真空腔室。玻璃外管和金属内管在管端设置有用于气密性连接的连接结构。但是，由于金属和玻璃有不同的热膨胀系数且二者在集热管运行时受热情况不同，即金属管受热达到400℃左右，而玻璃管受热仅为100℃，因此要求金属内管和玻璃外管之间膨胀补偿，通常是采用金属波纹管来缓解纵向热膨胀应力。然而，这种成熟的高温真空集热管制造技术仅有德国、以色列等国家的少数厂家掌握。
近年来，在我国国内市场上出现的集热管大多是在金属内管与玻璃外管间抽真空以隔绝金属内管与空气间的热传递，从而提高集热管的效率，所以集热管往往也称为真空集热管。但是，这种真空集热管存在以下缺陷：⑴储存在金属内管中的导热工质会产生氢气，氢气分子能够透过金属内管的管壁渗透进真空腔室内，同时集热管本身也有一定的泄漏而使空气进入真空区，因此导致集热管的真空度降低，使得工作效率下降，并缩短了集热管的整体使用寿命；⑵抽真空技术以及金属与玻璃管的焊接技术十分复杂，导致集热管的生产成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、能够延长使用寿命、降低生产成本且能够保证隔热性能、提高效率的真空和充气保温集热管。
本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种真空和充气保温集热管，包括用于储存导热工质的金属内管和外套于金属内管的玻璃外管，所述金属内管与玻璃外管在管端通过气密连接结构连接以使二者之间形成横向截面为环形的腔室，其特征在于所述玻璃外管的管壁至少为两层，两层管壁之间是真空密闭空间，所述气密连接结构包括波纹管、端盖及过渡连接件，所述端盖分设在所述玻璃外管的端部且由所述金属内管穿过端盖的中心通孔，所述波纹管套装在所述金属内管上并位于所述端盖之间，所述波纹管的两端分别通过过渡连接件与所述金属内管、端盖连接而将所述腔室密封，在所述端盖上还设有用于向所述腔室中充入惰性气体的气孔。
本发明在玻璃外管的双层管壁间抽真空，玻璃外管与金属内管之间的腔室充入惰性气体进行隔热，可以很好地隔绝外界与集热管内部的热交换，同时在玻璃外管与金属内管之间充入惰性气体后，由于具有一定的压强，因此金属内管中导热介质产生的氢气对保温性能的影响极小；而充入惰性气体后在集热管制作方面能大幅降低制备技术难度，由于惰性气体气压与外气压相差不大，气密连接结构的气密性要求比真空管的要求低，惰性气体气压下降也可得到及时的补充；本发明能够较好的保证集热管的隔热性能和使用寿命。
所述玻璃外管的管壁为三层及三层以上，对应形成两个或者两个以上的空间，至少其中一个空间为真空密闭空间。
作为本发明的一种优选实施方式，所述过渡连接件包括同心异径管和连接管，所述同心异径管套装在所述金属内管上，所述同心异径管的较小口径一端连接在所述金属内管的端部上，而所述同心异径管的较大口径的一端与所述波纹管的一端连接；所述连接管外套在所述波纹管及同心异径管上，所述连接管的一端具有向管口平面弯折的折边，所述折边连接在所述端盖中心通孔的外缘上，所述连接管的另一端与所述波纹管的另一端连接以使连接管支撑在波纹管的外围。
作为本发明的一种改进，所述端盖包括盖体与粘结环，所述盖体是一环形板，所述粘结环的一端部开有环形的U型槽，粘结环的U型槽的底端具有环形的延伸部，所述延伸部与所述盖体的边缘连接，所述U型槽与所述玻璃外管的双层管壁结合部相适配，所述玻璃外管的结合部插入U型槽内粘接固定。由于充入的惰性气体的气压与外界气压相差小，因此对气密连接结构的气密性要求低，所以金属内管与玻璃外管连接能够采用较为简单的粘结技术。
作为本发明推荐的方式，所述粘结环与玻璃外管之间采用耐高温粘结胶粘接。
作为本发明的一种实施方式，所述玻璃外管采用全透明玻璃制成。
作为本发明的另一种实施方式，所述玻璃外管的外壁或内壁上局部镀有反射层，所述反射层沿所述玻璃外管的轴向延伸而形成弧形面，所述反射层的径向截面为弧形，它所对应的圆心角范围是20～200°。玻璃外管上镀反射层可以提高对反射、散射光线的利用，进而提高集热管的工作效率。
本发明还可以有以下实施方式：
所述金属内管的外壁上镀有太阳光谱选择性吸收膜，所述太阳光谱选择性吸收膜覆盖在金属内管的全部外壁上。
作为本发明的一种改进，在所述金属内管的最外层上局部涂有保温层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，所述保温层沿所述集热管的轴向延伸而形成弧形面，且所述保温层的径向截面为弧形，所述保温层对应的圆心角范围是20～200°。
本发明涂保温层的具体部位是根据槽型抛物聚光器的安装位置及所需要达到的集热效果来确定的，即在不吸收或较少吸收太阳光部分涂保温层，而其余部位与槽型抛物面聚光器共同配合实现集热管的集热功能，保温层可以减少热损失，提高集热管的整体效率。
作为本实用新型一种改进，在所述保温层上镀有金属抗发射层。金属抗发射层的发射率远小于金属内管外壁上选择性吸收膜的发射率，以降低金属内管非吸光区域的发射率。
作为本发明另一种实施方式，所述金属内管的最外层上局部镀有金属抗发射层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，所述金属抗发射层沿集热管的轴向延伸以使金属抗发射层形成弧形面，且所述金属抗发射层的横截面为弧形，所述金属抗发射层对应的圆心角范围是20～200°。金属抗发射层的主要作用是降低金属内管非吸光区域的发射率。
所述气孔通过管路连接用于贮存惰性气体的储气罐；所述惰性气体可以采用氩气、氪气、氙气等。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明在玻璃外管的双层管壁间抽真空，玻璃外管与金属内管之间的腔室充入惰性气体进行隔热，可以很好地隔绝外界与集热管内部的热交换，同时在玻璃外管与金属内管之间充入惰性气体后，由于具有一定的压强，因此金属内管中导热介质产生的氢气渗透到惰性气体区后对保温性能影响极小。
⑵本发明的结构简单，充入惰性气体后在集热管制作方面能大幅降低制作难度，由于惰性气体气压与外气压相差不大，气密连接结构的气密性要求比真空管的要求低；本发明能够保证较好的集热管的隔热性能和显著延长其使用寿命。
⑶本发明由于充入的惰性气体的气压与外界气压相差小，因此对气密连接结构的气密性要求低，所以金属内管与玻璃外管连接能够采用较为简单的粘结技术，可进一步降低制作成本。
⑷玻璃外管的外壁或内壁上镀反射层可以提高对反射、散射光线的利用，进而提高集热管的工作效率。
⑸在金属内管外壁不吸收或较少吸收太阳光部分涂上保温层可以减少热损失，提高集热管的整体效率。
⑹在保温层上或者金属内管的外壁上镀有金属抗发射层，金属抗发射层可以降低金属内管非吸光区域的发射率。
⑺本发明的实用性强，可广泛适用于太阳能热发电系统中。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例1的轴向半剖视示意图；
图2是本发明实施例2的轴向半剖视示意图；
图3是本发明实施例3的轴向半剖视示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，是本发明一种真空和充气保温集热管，包括用于储存导热工质的金属内管1和外套于金属内管1的玻璃外管2，金属内管1的外壁上镀有太阳光谱选择性吸收膜（图中未画出），太阳光谱选择性吸收膜覆盖在金属内管1的全部外壁上。玻璃外管2采用全透明玻璃制成。金属内管1与玻璃外管2在管端通过气密连接结构连接以使二者之间形成横向截面为环形的腔室3，玻璃外管2的管壁为两层，两层管壁之间为真空密闭空间4，气密连接结构包括波纹管5、端盖6及过渡连接件，端盖6分设在玻璃外管2的端部且由金属内管1穿过端盖6的中心通孔，波纹管5套装在金属内管1上并位于端盖6之间，波纹管5的两端分别通过过渡连接件与金属内管1、端盖6连接而将腔室3密封，在端盖6上还设有用于向腔室3中充入氩气的气孔，气孔通过管路9连接用于贮存氩气的储气罐。
在本实施例中，过渡连接件包括同心异径管7和连接管8，同心异径管7套装在金属内管1上，同心异径管7的较小口径一端焊接在金属内管1的端部上，而同心异径管7的较大口径的一端与波纹管5的一端焊接；连接管8外套在波纹管5及同心异径管7上，连接管8的一端具有向管口平面弯折的折边，折边的外侧焊接在端盖6中心通孔的外缘上，而连接管8的另一端与波纹管5的另一端焊接以使连接管8支撑在波纹管5的外围，因此连接管同时具有连接、支撑及保护波纹管的作用。
端盖6包括盖体61与粘结环62，盖体61是一环形板，粘结环62的一端部开有环形的U型槽，粘结环62的U型槽的底端具有环形的延伸部，延伸部与盖体61的边缘连接，U型槽与玻璃外管2的双层管壁结合部相适配，玻璃外管2的结合部插入U型槽内采用耐高温粘结胶粘接固定，由于充入的惰性气体的气压与外界气压相差小，因此对气密连接结构的气密性要求低，所以金属内管与玻璃外管连接能够采用较为简单的粘结技术。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别之处在于：玻璃外管2的外壁上局部镀有反射层10，反射层10沿玻璃外管2的轴向延伸形成弧形面，且反射层10的径向截面为弧形，它所对应的圆心角范围是120°。玻璃外管上镀反射层可以提高对反射、散射光线的利用，进而提高集热管的工作效率；在端盖6上设有用于向腔室3中充入氪气的气孔，气孔通过管路9连接用于贮存氪气的储气罐。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1的区别之处在于：在太阳光谱选择性吸收膜上局部镀涂有保温层11，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，保温层沿集热管的轴向延伸而形成弧形面，且保温层11的径向截面为弧形，保温层11对应的圆心角范围是180°。保温层可以减少热损失，提高集热管的整体效率；在端盖6上设有用于向腔室3中充入氙气的气孔，气孔通过管路9连接用于贮存氙气的储气罐。
实施例4
本实施例与实施例2的区别之处在于：在太阳光谱选择性吸收膜上局部涂有保温层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，保温层沿集热管的轴向延伸而形成弧形面，且保温层的径向截面为弧形，保温层对应的圆心角范围是20°。保温层可以减少热损失，提高集热管的整体效率；在端盖上设有用于向腔室3中充入氙气的气孔，气孔通过管路连接用于贮存氙气的气体储罐。
实施例5
本实施例与实施例4的区别之处在于：在保温层上还镀有金属抗发射层。金属抗发射层用于降低金属内管非吸光区域的发射率。
实施例6
本实施例与实施例1的区别之处在于：在金属内管的外壁上局部镀有金属抗发射层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，金属抗发射层沿集热管的轴向延伸以使金属抗发射层形成弧形面，且金属抗发射层的横截面为弧形，金属抗发射层对应的圆心角范围是20～200°。金属抗发射层的主要作用是降低金属内管非吸光区域的发射率。
在其它实施例中，玻璃外管的外壁或内壁上局部镀有反射层；金属内管的外壁上局部涂有保温层。另外，反射层对应的圆心角可在20～200°内任意选择，而保温层对应的圆心角也可在20～200°内任意选择。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明玻璃外管的管壁还可以为三层及三层以上，对应形成两个或者两个以上的空间，至少其中一个空间为真空密闭空间；过渡连接件可以采用其它结构以确保腔室的密闭性，而且能够同时起到连接、支撑及保护波纹管的作用即可，因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种真空和充气保温集热管，包括用于储存导热工质的金属内管和外套于金属内管的玻璃外管，所述金属内管与玻璃外管在管端通过气密连接结构连接以使二者之间形成横向截面为环形的腔室，其特征在于：所述玻璃外管的管壁至少为两层，两层管壁之间为真空密闭空间，所述气密连接结构包括波纹管、端盖及过渡连接件，所述端盖分设在所述玻璃外管的端部且由所述金属内管穿过端盖的中心通孔，所述波纹管套装在所述金属内管上并位于所述端盖之间，所述波纹管的两端分别通过过渡连接件与所述金属内管、端盖连接而将所述腔室密封，在所述端盖上还设有用于向所述腔室中充入惰性气体的气孔；所述过渡连接件包括同心异径管和连接管，所述同心异径管套装在所述金属内管上，所述同心异径管的较小口径一端连接在所述金属内管的端部上，而所述同心异径管的较大口径的一端与所述波纹管的一端连接；所述连接管外套在所述波纹管及同心异径管上，所述连接管的一端具有向管口平面弯折的折边，所述折边连接在所述端盖中心通孔的外缘上，所述连接管的另一端与所述波纹管的另一端部连接以使连接管支撑在波纹管的外围。
2.根据权利要求1所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述玻璃外管的管壁为三层或三层以上，对应形成两个或者两个以上的空间，至少其中一个空间为真空密闭空间。
3.根据权利要求2所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述端盖包括盖体与粘结环，所述盖体是一环形板，所述粘结环的一端部开有环形的U型槽，粘结环的U型槽的底端具有环形的延伸部，所述延伸部与所述盖体的边缘连接，所述U型槽与所述玻璃外管的管壁结合部相适配，所述玻璃外管的结合部插入U型槽内粘接固定。
4.根据权利要求3所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述粘结环与玻璃外管之间采用耐高温粘结胶粘接；所述玻璃外管采用全透明玻璃制成；所述气孔通过管路连接用于贮存惰性气体的储气罐。
5.根据权利要求4所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述玻璃外管的外壁或内壁上局部镀有反射层，所述反射层沿所述玻璃外管的轴向延伸而形成弧形面，且所述反射层的径向截面为弧形，它所对应的圆心角范围是20～200°。
6.根据权利要求5所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述金属内管的外壁上镀有太阳光谱选择性吸收膜，所述太阳光谱选择性吸收膜覆盖在金属内管的全部外壁上。
7.根据权利要求5或6所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：在所述金属内管的最外层上局部涂有保温层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，所述保温层沿所述集热管的轴向延伸而形成弧形面，且所述保温层的径向截面为弧形，所述保温层对应的圆心角范围是20～200°。
8.根据权利要求7所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：在所述保温层上覆盖有金属抗发射层。
9.根据权利要求5或6所述的真空和充气保温集热管，其特征在于：所述金属内管的最外层上局部镀有金属抗发射层，其余部位则与设置在集热管外部的聚光器相配合实现聚光集热，所述金属抗发射层沿集热管的轴向延伸以使金属抗发射层形成弧形面，且所述金属抗发射层的横截面为弧形，所述金属抗发射层对应的圆心角范围是20～200°。
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