CN103917831A - 具有由石英玻璃制成的入射窗的太阳辐射接收器和用于制造入射窗的方法 - Google Patents

Abstract

常见的太阳辐射接收器配备了用于传输工作气体的腔室，所述工作气体为了吸收热量而被沿着用于太阳辐射的吸收器来传送。所述吸收器设有拱顶状的、由石英玻璃构成的入射窗，对于所述入射窗来说，朝向所述吸收器的内侧面在按照规范使用时具有至少950℃、优选至少1000℃的、标称的内部温度Ti，而背向所述吸收器的外侧面则暴露在环境下，并且经受析晶的危险。本发明涉及如此改动熟知的太阳辐射接收器，从而更确切地说在没有扩大在所述入射窗的、外侧面的区域中的、析晶的危险的情况下能够设定较高的吸收器温度，并且由此能够实现太阳热的加热的、较高的效率。

Description

具有由石英玻璃制成的入射窗的太阳辐射接收器和用于制造入射窗的方法

技术领域

本发明涉及一种具有腔室的太阳辐射接收器，所述腔室用于传输用来在用于太阳辐射的吸收器上进行热量吸收的工作气体，所述吸收器布置在所述腔室中，并且所述吸收器具有由石英玻璃构成的、用于所述太阳辐射的、拱顶状的入射窗，其中所述入射窗具有一朝向所述吸收器的并且拥有至少950℃的内部温度Ti的内侧面以及一背向所述吸收器的并且经受环境温度Tu的外侧面。

此外，本发明涉及一种用于制造由石英玻璃构成的、拱顶状的入射窗的方法。

背景技术

太阳辐射接收器-也被称为太阳能接收器-用于用太阳热来获取热量，并且在工业领域内比如用于将含碳的化合物重整为甲烷，或者作为“太阳热发电站”用于对用来驱动燃气涡轮机的空气进行加热。

对于这些设备的、流行的结构形式来说，设置了由石英玻璃构成的入射窗，用于将有待通过所集中的太阳辐射来加热的空间与环境隔开。通过所述入射窗，太阳辐射进入到所谓的吸收器中，该吸收器被工作气体贯穿流过并且在这过程中用太阳热将所述工作气体加热到较高的温度。

所述入射窗经受较高的温度负荷。所述入射窗的、朝向吸收器的内侧面在没有应对措施的情况下大约加热到所述标称的吸收器温度。背向所述吸收器的入射窗外侧面虽然经受低得多的、由于大气温度和日射能量而出现的环境温度。但是，通过热传导，所述入射窗外侧面也加热到几百摄氏度的温度。

在所述入射窗的外侧面上的、较高的温度-在通过表面的污染、比如由于含碱的灰尘和微粒状物质以及其它环境影响推动的情况下-可能引起石英玻璃的析晶。这种结晶导致光学的透射率的降低乃至破裂，并且最后确定所述入射窗的使用寿命。定期的保养作业、更换和维修在物流方面比较麻烦并且昂贵，并且限制了所述设备的经济性。因此一种特殊的注意力在于，避免所述入射窗的析晶。

通过高纯度的、尤其无碱的石英玻璃的使用，可以降低结晶倾向。其它的技术上的措施旨在：将入射窗表面保持特别干净-比如通过经常的、透彻的清洗或者-只要有可能-通过比如在净化室中提供无粒料的环境这种方式。

作为替代方案或者补充方案，尝试像比如在EP 1 610 073 A2中一样通过较低的温度来降低所述入射窗的结晶倾向，从该专利文件中知道开头所提到的类型的太阳辐射接收器。所述吸收器布置在腔室的内部，并且由拱顶状的入射窗向外隔绝，其中所述入射窗的、凸出地弯曲的表面（所述“拱顶”）伸入到所述吸收器中。通过所述吸收器的、拱顶状的结构，来降低来自所述吸收器的辐射的反向反射。

为了将所述入射窗的温度保持在800℃到850℃之下，在此建议，借助于红外辐射护罩来遮蔽所述入射窗，以防止所述吸收器的红外辐射。优选所述红外辐射护罩由吸收红外辐射的石英玻璃构成。作为补充，所述入射窗的内侧面借助于被导引的空气流来得到强制冷却。

但是，通过所述红外辐射护罩来屏蔽红外辐射的做法会降低工作气体的能量吸收程度，并且产生效率损失。强制冷却在设计上比较麻烦，并且要求额外的、用于产生气流的能量开销。这些措施由此会在总体上降低太阳热加热的效率。

在WO 2010/055439 A2中说明了一种太阳辐射接收器，其中放弃对于所述吸收器的、辐射入射窗的、主动的冷却。换而言之，在此建议，由特别强烈地发出IR辐射的石英玻璃来制造所述辐射入口窗。所述石英玻璃的、所期望的IR放射应该引起所述入射窗的冷却。这通过较高含量的羟基（OH基）来实现，所述羟基的含量优选至少为600个重量ppm。

石英玻璃中的羟基虽然在从大约2680nm到2800nm的、红外的波长光谱范围的、窄小的区间中显示出突出的吸收或者放射特性。但是羟基少的石英玻璃在波长更长的红外光谱范围内部分地不透明，因而通过羟基进行的补充的吸收带来更小的、附加的冷却效应。除此以外，石英玻璃的结晶倾向随着其羟基含量而增加。

因而在上面所提到的现有技术中，经常所述入射窗也构造为拱顶状。这样的、拱顶状的石英玻璃入射窗的制造，借助于玻璃吹制的方法来进行。其中比如以石英玻璃管为出发点，对其进行吹气，并且在这过程中使其变形为壁体更薄的空心体。由于石英玻璃的变形特性以及其较高的黏度（即使对于SiO₂的升华温度来说），在此一般不能直接实现所期望的最终形状，并且经常需要将所述空心体分解为小块，并且将所述小块重新组合成具有所述入射窗的、近似的几何形状的预成型件。其中对所述小块进行焊接并且在经过机械的最终加工之后最后在较高的温度下对如此得到的预成型件进行回火，用于降低机械的应力。

通过这种方式方法，来得到具有较高的、外观的质量的、由石英玻璃制成的、拱顶状的构件。但是，很明显的是，借助于这种制造方法尽管较高的时间开销及能量开销也只能制造单件产品，所述单件产品在其几何形状的及机械的特性方面具有较小的可再现性。

在DE 102 13 539 A1中说明了多种用于不透明的、直至透明的、掺杂的、石英玻璃的制造方法，所述石英玻璃则用于在半导体制造中的构件。其中将由SiO₂和掺杂物构成的原始粉末堆积起来，并且其中直接使其玻璃化。比如将所述原始粉末连续不断地撒入到旋转的、金属的熔模中，并且直接借助于等离子燃烧器使其玻璃化。通过这种方式，得到由所掺杂的石英玻璃构成的锭块。

DE 10 2008 033 946 B3说明了一种常见的、用于制造石英玻璃坩埚的真空-熔化法。其中在金属的熔模的内壁上面，先后堆积了两个分别为12mm厚的、由石英砂或者由合成的粒料构成的SiO₂粒料层，并且借助于等离子并且在真空下对这些粒料层进行烧结。其中，里面的粒料层烧结成由透明的石英玻璃构成的内层，外面的粒料层则烧结成不透明的石英玻璃。结果是具有不透明的外壁和由透明的石英玻璃构成的内层的石英玻璃坩埚。

发明内容

原则上，在太阳辐射接收器中的能量转换的效率随着吸收器温度（=出口温度）而增加。因此，本身尤其致力于较高的吸收器温度。另一方面，所述入射窗必须具有较高的长期稳定性，用于能够有意义地在太阳辐射接收器中使用。对于由石英玻璃构成的入射窗来说，在这里经受环境影响的外侧面的、上面所提到的析晶特别关键。因为对于比处于大约800℃到最大850℃的范围内的极限温度高的温度来说越来越多地出现这样的结晶作用，所以这种极限温度在所述入射窗的外侧面上限制了可能的吸收器温度。

本发明的任务是，提供一种具有由石英玻璃构成的入射窗的太阳辐射接收器，对于所述太阳辐射接收器来说能够设定较高的吸收器温度，并且所述太阳辐射接收器由此能够实现太阳热的加热的、较高的效率，并且更确切地说没有扩大在所述入射窗的外侧面的区域中的、析晶的危险。

此外，本发明的任务是，说明一种方法，借助于该方法可以以较高的尺寸稳定性成本低廉地并且能够再现地制造一种尤其是用于按本发明的太阳辐射接收器的、拱顶状的入射窗。

关于所述太阳辐射接收器，该任务从开头所提到的类型的太阳辐射接收器出发通过以下方式来解决：所述入射窗具有壁厚d，根据Ti和Tu在-温差Ti-Ta至少为150℃并且所述壁厚d在所述内部温度Ti的最大值的区域中至少为7mm-的附带指示下如此设计所述壁厚d，从而在所述入射窗外侧面的区域中出现小于850℃的温度Ta。

在使用所述太阳辐射接收器时，主要从吸收器侧对所述入射窗进行加热。通过在所述入射窗中的热传导以及在所述入射窗外侧面上的、朝环境方向的热交换而出现固定的温度分布。

本发明旨在，通过入射窗壁体的厚度来限制对于所述入射窗的、背向过程气体的、大气侧的、外侧面的加热。因此，在按照本发明对以往熟知的入射窗进行改动时，如此设计所述入射窗厚度，从而通过所述入射窗壁体从较热的内侧面出现一种温度梯度，该温度梯度通过所述入射窗厚度引起150℃或者更大的温差Ti-Ta，从而无论如何在热方面的稳定的平衡中在较冷的外侧面上产生低于850℃的温度。关于在稳定的平衡中对于所述温度Ta的设定，所述壁厚d提供一种额外的、以往没有注意的自由度。换句话说，通过在对于所述温度梯度的设定方面的自由，所述入射窗外侧面的温度Ta与在朝向所述吸收器的入射窗内侧面上的温度Ti去除耦联，使得所述入射窗外侧面的温度Ta无论如何都可以保持在850℃之下。由此在一定程度上实现所述外侧面的、相对于结晶作用的不敏感性。另一方面，所提到的去除耦联也在所述入射窗侧面上允许较高的温度，并且由此实现能量转换的更高的效率，方法是：通过更大的入射窗厚度来产生在给定的情况下必需的温差以及平坦的温度梯度，并且由此在所述入射窗外侧面上防止超过所述极限温度。除此以外，平坦的温度梯度也引起较低的、通过所述入射窗进行的散热的程度，并且由此引起较低的能量损失。

所述吸收器的标称温度越高，所述入射窗的必需的壁厚就越大。但是，对此合适的、高纯度的石英玻璃比较昂贵，并且由于其较厚的壁体而要忍受所述太阳辐射的、额外的透射损失。但是，这些缺点通过所述外侧面的、相对于结晶作用的、较高的不敏感性以及所述入射窗的、随之获得的、更长的使用寿命以及更低的、用于保养和更换的开销而得到补偿。因而可以放弃从现有技术中知道的冷却措施、比如主动的空气冷却或者遮蔽所述入射窗以防止红外辐射。

由此，所述按本发明的、对于现有技术的改动能够设定较高的吸收器温度以及由此太阳热的加热的、较高的效率，而没有由此提高在所述入射窗的外侧面的区域中的析晶的危险。

所述入射窗的最低厚度主要取决于在所述入射窗内侧面上的温度Ti。这个温度通常已知，或者它能够测定并且至少为950℃。在所述入射窗内侧面上面出现均匀的温度分布的情况下，这个温度同时相当于所述内部温度Ti的“最大值”。但是，在按照规范使用所述太阳辐射接收器时，也可能在所述入射窗的内侧面上面产生所述温度Ti的、不均匀的曲线，该曲线比如在入射的太阳辐射的中心的区域中具有最大值。

在最简单的情况中，所述入射窗拥有统一的厚度。在厚度不统一时，所述最低厚度的数额和位置以在所述入射窗内侧面上的温度最大值为准。

由所述入射窗外侧面的、尽可能小的结晶倾向看来，已经经过考验的是，所述入射窗具有壁厚d，根据Ti和Tu来如此设计所述壁厚d，从而在所述外侧面的区域中出现小于800℃、优选小于750℃的温度Ta。

“Tu”在此代表着在所述太阳辐射接收器的外部存在的环境温度，在最简单的情况中可以将所述环境温度假定为标准室内温度（=25℃）。

优选所述壁厚d在最大的内部温度Ti的区域中至少为10mm，特别优选至少为20mm。

在给定在所述入射窗内侧面的区域中的最大温度Ti的情况下，所述壁厚d越大，在所述外侧面的区域中的温度Ta就越低。另一方面，在给定在所述外侧面的区域中的温度Ta的情况下，所述入射窗的更厚的壁厚允许在所述内侧面上的、更高的吸收器温度Ti，并且因此能够实现所述太阳辐射接收器的、更高的效率。

所述入射窗的、合适的厚度d能够借助于试验来求得。对于估算来说，已经经受考验的是，根据以下测量规则来设计在最大的内部温度Ti的区域中的壁厚d：

其中：λ⁼透明的石英玻璃的导热系数，并且

　　　α=在对流时石英玻璃/空气的换热系数

对于透明的石英玻璃的导热系数来说，在文献中提到数值λ=1.4W/(m^.K)。所述石英玻璃/空气的换热系数取决于空气的流动速度。对于10m/s的流动速度来说，产生α=36W/(m².K)的数值，该数值适合于按照方程式（1）对所述壁厚进行估算。

环境温度“Tu”相当近似地大约为标准室内温度。“Ta”根据对结晶自由及所述入射窗的使用寿命的、特殊的要求而产生，并且最大为850℃。在所述入射窗内侧面上的温度“Ti”在-其比Ta高出至少150℃-的附带指示下相当近似地相当于所述吸收器温度。在Ta=850℃的情况下，Ti≥1000℃。

这个测量规则根据以下考虑而产生：

所述入射窗首先通过与在所述吸收器中的、热空气的接触来加热。另一个热源是所述吸收器的、照射到所述入射窗上的热辐射。由于这种热辐射的光谱的分布，所述热辐射部分地在所述入射窗中被吸收，因而所述入射窗得到加热。所述入射窗的、较大的厚度降低了通过热传导并且通过热辐射引起的能量损失。

在稳定的状态中，通过经由所述入射窗的热传导来输送的、相同的热量在所述外壁上转入到环境中。由此可以将用于热传导的方程式和所述用于热交换的方程式等同起来，因而适用：

通过转换，按照方程式（1）从中产生上面的测量规则。随着入射窗厚度d的增加，经由所述入射窗的热传导稍许减小，由此降低了所述吸收器的热量损失。在所述入射窗外侧面上面的温度Ta随着更大的壁厚明显减小。自相当于比方程式（1）的商数的、两倍大的壁厚起，越来越多地在重量、成本和光学的透射方面产生缺点，通过更低的温度Ta的优点不再足以对这些缺点进行补偿。

通常，在所述内侧面上面的温度曲线在所述入射窗的中心中显示出最大值。尤其由此看来，所述太阳辐射接收器的一种实施方式经受了考验，在该实施方式中所述入射窗的壁厚d在拱顶中心的区域中具有最大值。

所述入射窗的壁体在此显示出不均匀的、而是非均一的壁厚分布，该壁厚分布在所述拱顶中心的区域中具有最大值，这在最简单的情况中大约相当于所述入射窗中心。由此，将所述厚壁的入射窗的、在材料成本和透射损失方面的、上面所提到的缺点降低到最低限度。

由此看来，已经经受考验的是，所述壁厚在最大值中比在最小值的区域中大了至少20%、优选大了至少50%。

尤其由较小的结晶倾向看来，所述入射窗的石英玻璃具有小于100个重量ppm、优选小于30个重量ppm的、平均的羟基含量。

关于所述用于制造这样的、由石英玻璃构成的、尤其用于太阳辐射接收器的、拱顶状的、入射窗的方法，上面所提到的技术任务按照本发明通过一种方法得到解决，该方法包括以下方法步骤：

（a）提供具有多细孔的壁体的、拱顶状的熔模；

（b）将SiO₂粒料放入到所述熔模中，并且在所述熔模内壁上构造具有至少12mm的厚度的、拱顶状的SiO₂粒料层；

（c）在等离子的作用下并且在加载从外面穿过所述多细孔的壁体作用于所述粒料层的负压的条件下在形成所述入射窗的毛坯的情况下将所述SiO₂粒料层压实；

（d）在形成所述入射窗的预成型件的情况下机械地去除所述毛坯的外部区域；

（e）将所述预成型件机械地或者热地抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗。

所述按本发明的方法能够在拱顶模具中、比如在球缺体的、双曲面的或者椭圆形的抛物面的模具中在没有焊缝的情况下制造由石英玻璃构成的、一体的入射窗。

与以往的方法不同的是，在所述按本发明的方法中不是以预制的石英玻璃构件为出发点，而是以SiO₂粒料为出发点，所述SiO₂粒料在成形及玻璃化方法中直接成形为具有所述拱顶状的入射窗的、大致尺寸的预成型件。在此不需要其它的变形步骤，比如对于管子的吹制、部件的接合以及类似步骤。

尤其由于石英玻璃的、较小的导热能力，厚壁的、弯曲的、石英玻璃构件的、能够再现的制造比较困难。所述按本发明的方法消除了这些问题。所述熔模的使用以及在所述熔模的内侧面上的SiO₂粒料层的构造，保证了能够再现的造型。因此，比如所述SiO₂粒料层的内侧面在压实、玻璃化以及可能的清洁步骤之后形成所述拱顶状的、入射窗的内侧面。

将SiO₂粒料放入到所述熔模中，这个过程比如在使用模板的情况下进行，借助于所述模板将所述粒料压紧到所述围绕着自身的中轴线旋转的熔模的内壁上并且/或者这一点在引力的作用下在所述熔模旋转时进行。将所述粒料层要么直接施加到所述熔模的内壁上，要么施加到已经在那里存在的石英玻璃层的内壁上。所述模板如此成形，从而产生所述粒料层的、所期望的层厚度分布；在最简单的情况中，产生所述SiO₂粒料层的、均匀的层厚度。作为替代方案，也可以将所述SiO₂粒料撒入到所述熔模中，并且在此同时在等离子的作用下使其软化，并且将其甩向所述熔模的内壁。

所述SiO₂粒料层的厚度由一种产生所述入射窗的额定壁厚加上可能的加工余量的份额以及另一种在取出毛坯时作为剩余层留在所述熔模中的份额所组成。为了制造按照本发明的、厚壁的入射窗，重要的是，所述粒料层拥有相应大的厚度，从而在考虑到在玻璃化以及通过机械的精整进行的可能的材料去除之后所述粒料层的堆积或者装填密度的情况下，产生所述入射窗的、7mm的最低厚度。为了保证这一点，按照本发明产生一种粒料层，该粒料层至少在一种区域中拥有12mm或者更大的、优选20mm或者更大的层厚度，其中在制成的入射窗中应该从所述区域中产生7mm、优选至少10mm并且特别优选至少20mm的最低壁厚。

所述SiO₂粒料层的玻璃化，以其内侧面为出发点来进行。它可以额外地以其外侧面为出发点来玻璃化。在从所述内侧面玻璃化时（这里也称为“压实”），使用等离子，将所述等离子导入到所述熔模内腔中，并且借助于所述等离子来将所述粒料层加热到较高的温度。在这过程中，熔体前沿从所述SiO₂粒料层逐渐向外移动。在这个熔体前沿已经到达所述熔模的内壁之前，一般就结束这种压实过程。

因为以微粒状的SiO₂为出发点，所以在所述按本发明的方法中，一项特殊挑战在于，使所述SiO₂粒料层玻璃化为透明的石英玻璃。为此作贡献的主要是：在将所述SiO₂粒料层压实时加载负压，通过该负压将气体通过所述透气的熔模壁体从所述粒料层中抽出，所述气体否则会导致气泡形成。

在此得到由石英玻璃构成的、拱顶状的毛坯，该毛坯在其内侧面上基本上无气泡，并且该毛坯朝外侧面的方向具有越来越多的细孔。这种毛坯还不适合于对光学的透射具有较高的要求的使用情况。

如此机械地去除所述毛坯的、未完全压实的外部区域，从而得到一种预成型件，该预成型件基本上已经具有所述入射窗的形状和额定尺寸，尤其是所规定的壁厚和轮廓。因为在此被去除的石英玻璃未完全压实，所述较小的能量开销就足以用于进行去除。但是，如此得到的预成型件具有依然粗糙的外部区域，并且因此随后以机械的或者热的方法-通过火法抛光-对其进行打光。在抛光时，还几乎没有改变所述预成型件的尺寸。

通过这种方式，由透明的石英玻璃构成的、尤其是用于太阳辐射能吸收器的入射窗能够以较高的尺寸稳定性成本低廉地并且能够再现地制造。

在一种优选的方法变型方案中，按照方法步骤（c）的、对于所述SiO₂的压实包括一个双阶段的过程，该双阶段的过程具有第一过程阶段和第二过程阶段，其中在所述第一过程阶段中将所述SiO₂的粒料层的、内部的区域压实并且加载较小的负压，并且其中在所述第二过程阶段中加载较高的负压并且进一步将所述SiO₂的粒料层压实。

由于所述SiO₂粒料的较高的烧结活性，对于所述SiO₂粒料的压实已经较早地开始。由此在所述粒料层的内侧面上产生紧密的“密封层”，该密封层在连续地多细孔的底面上面具有所定义的、较薄的壁厚。在构成所述紧密的“密封层”之后，提高所述负压的强度，从而将气体从所述粒料层的、依然多细孔的区域中除去，并且随后在所述第二加热阶段中以更高的温度将所述粒料层的这个区域压实。

为了制造具有非匀一的壁厚曲线的入射窗，一种方法已经经过考验，在该方法中在按照方法步骤（c）将所述SiO₂粒料层压实时形成拱顶状的毛坯，该毛坯在拱顶中心的区域中具有其壁厚的最大值，该最大值比在最小的壁厚的区域中大了至少20%，优选大了至少50%。

在机械地去除所述毛坯外部区域时，优选产生一种预成型件，该预成型件具有与内侧面相一致的、拱顶状的外侧面以及至少7mm、优选至少10mm并且尤其优选至少20mm的、最大的壁厚。

已经经受考验的是，将所述预成型件抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗这个过程通过借助于燃烧器用燃烧火焰加热到至少1600℃的温度这种方式来进行。

其中，借助于一个燃烧器或者多个燃烧器从外面对事先经过机械加工的预成型件的、依然粗糙的表面区域进行加热，方法是：用氧气使燃料、比如氢气、乙炔或者丙烷燃烧。借助于这样的燃烧器，可以产生局部很高的温度，所述局部很高的温度足以用于对所述预成型件的、依然粗糙的部分进行透明烧结，而在此没有出现值得一提的变形。在此如此设定在玻璃化时的温度和加热持续时间，使得所述石英玻璃在玻璃化之后在处于300nm与2400nm之间的波长范围内具有较高的、内部的、至少95%的透射率（关于1mm的层厚度）。

一种优选的方法变型方案为较高的透明程度作贡献，在该方法变型方案中使用熔模，对于该熔模来说透气的壁体由石墨制成，并且对于该熔模来说按照方法步骤（c）的、对于SiO₂粒料层的压实在包含氦气和/或氢气的氛围中进行。

所述熔模拥有透气的、比如由多细孔的石墨构成的壁体。作为替代方案或者补充方案，所述壁体设有大量的直通孔。石墨这种材料一方面在凝固之后使所述毛坯的取出过程变得容易，并且另一方面所述石墨壁体尤其能够容易地在多细孔的模具中制成或者设有直通孔。

氦气和氢气属于在石英玻璃中快速扩散的气体。通过这些气体来更换一般在粒料层中存在的空气，这种做法在压实和玻璃化时在所述粒料层中不仅防止气泡形成而且防止气泡增长。

对于SiO₂粒料层的压实在此优选在流动开放（str?mungsoffen）的系统中进行，其中将氦气和/或氢气作为经过调节的气流连续不断地输送给所述熔模。所述流动敞开的系统不仅能够在所述熔模的内部实现气流，而且也允许从所述熔模中流出的气流。由此使被污染的气体或者蒸发的材料的、从所述熔模中排出的过程变得容易。由此防止不受欢迎的沉淀物并且减少不纯物。

在这方面也已经经受考验的是，在构成SiO₂粒料层的方法步骤与压实的方法步骤之间设置了所述SiO₂粒料层的气体富集，其中通过包含氦气和/或氢气的氛围来使在所述熔模中的氛围富集。

通过这种在将所述粒料层压实之前实施的气体富集，来降低在所述层中的空气（或者氮气）的含量，使得在压实过程中比较昂贵的气体-氦气和/或氢气-的使用更加有效，并且如此产生的层具有特别低的气泡密度。

附图说明

下面借助于实施例和附图对本发明进行详细解释。图1到4以示意图示出了在实施按本发明的、用于制造由石英玻璃构成的抛物面状的、用于按本发明的太阳辐射接收器的方法时的方法步骤。详细来讲，附图示出：

图1是在熔模中构造SiO₂粒料层的图示；

图2是借助于等离子将SiO₂的粒料层压实的图示；

图3是在脱膜并且对外侧面进行磨光之后经过压实的、用于入射窗的预成型件；

图4是通过借助于燃烧器进行的加热来产生所述预成型件的、透明的壁体的图示；

图5是根据所述方法得到的入射窗；并且

图6是用于根据标称的吸收器温度来求得所述入射窗的、必需的最低壁厚的图表。

具体实施方式

图1示出了一种由石墨构成的、具有100cm的最大的内直径的熔模1，该熔模以外部法兰安放在支座2上面，该支座能够围绕着中轴线3旋转。在熔模1与支座2之间的空间4能够抽真空。熔模壁体具有大量的通风孔2，加载在所述熔模1的外侧面上的真空可以通过所述通风孔朝内部7起作用。

在第一方法步骤中，将由天然的、高纯度的石英粉构成的、结晶的粒料装入到所述能够围绕着自身的纵轴线3旋转的熔模1中。所述石英粉拥有多方式（mehrmodale）的粒度分布，所述粒度分布：具有粒度的、处于从50到120μm的范围内的主要最大值，其中平均的粒度大约为85μm；并且具有粒度分布的、拥有大约为1μm的粒度的次要最大值。在离心力的作用下并且借助于成型模板，在所述熔模1的内壁上成形了由机械地凝固的石英砂构成的、旋转对称的、抛物面状的层6。所述层6的平均的层厚度为18mm。

在第二方法步骤中，使包含在所述粒料层6中的空气富集含有氦气的过程气体。为此，通过透气的粒料层6向外抽出在所述熔模1内部的空气，并且同时将由氦气和20%氧气构成的混合气导入到所述熔模1的内腔7中。所述熔模1的、敞开的上侧面在这过程中在留有排气缝隙12的情况下部分地用隔热罩11（参见图2）来遮盖。在大约10分钟的持续时间之后，结束用含有氦气的过程气体进行的富集过程。

在另一个在图2中示意性地示出的方法步骤中，按区带地将所述SiO₂粒料层6压实。为此，在结束气体富集过程之后，将电极8、9插入到所述内腔7中，并且在由氦气和氧气构成的熔模氛围中在所述电极8、9之间点燃电弧，所述电弧的特征在图2中通过作为灰色阴影的区域的等离子区10来表示。在此，继续向所述内腔7输送He/O₂混合气的、恒定的并且经过调节的、300l/min的气流，从而在所述内腔7的内部在处于所述隔热罩11中的（未示出的）进气口与所述排气缝隙12之间构成稳定的气流。

对于所述粒料层6的压实在双阶段的过程中进行。在第一阶段中，将所述电极8、9置于所述内腔7的、中心的位置中并且向其加载大约270kW（200V、1350A）的功率。在所述内腔7中的、由此产生的高温结合所述过程气体（80He/O₂）足以用于对所述粒料层6的、烧结活性的微粒进行烧结，使得所述粒料层6的整个内侧面构成较薄但是紧密的密封层，该密封层将所述粒料层6的、未熔化的部分与在所述熔模内腔7中的氛围隔开。

一旦存在着所述密封层，则开始所述第二玻璃化阶段。因为继续通过真空装置来抽真空，所以在所述粒料层6的、还没有玻璃化的区域中产生大约200mbar的负压（绝对）。现在向所述电极8、9加载600kW（300V、2000A）的功率并且将其置于所述内壁的附近，并且使其下沉。通过这种方式来保证，不仅等离子区10而且过程气体（80He/20O₂）都到达所述粒料层6的内部的区域。在此，熔体前沿从里往外移动，因而在所述粒料层6的内侧面上得到如灰色阴影的表面区域13所勾画的那样的、由透明的、气泡少的石英玻璃所构成的区域。所述较薄的、不透明的、将透明的内部的区域13覆盖的密封层，在接下来的处理过程中通过所述等离子10的作用至少部分地被除去，并且需要时在所述制造过程结束时通过喷砂处理来完全消除。

一旦所述透明地玻璃化的、内部的区域13已经达到大约11mm的厚度并且在所述熔体前沿到达所述熔模1的内壁之前，结束从所述SiO₂粒料层的内侧面开始的压实过程。在此将最初的粒料层6的、紧接着的、更加靠外面的区域14压实成多细孔的石英玻璃，而所述原有的粒料层6的、最外面的层15则保持未被压实的状态。

在从所述熔模1中取出之后，由此得到所述入射窗的、在图3中示意性地示出的、拱顶状的毛坯16。对于所述毛坯16来说，所述内部的区域由一个由石英玻璃构成的、光滑的、玻璃的并且气泡少的、具有11mm的厚度的内层13所构成，所述石英玻璃与由含有气泡的石英玻璃构成的外部区域14固定地相连接，在所述外部区域14上部分地附着了还未压实的粒料15。附着的粒料15通过喷砂处理来除去。完全将所述含有气泡的外部区域14磨光，从而得到由石英玻璃构成的、拱顶的预成型件17（参见图4），该预成型件具有大约11mm的均匀的壁厚并且具有由透明的石英玻璃构成的内部区域13。

如在图4中示意性地示出的那样，随后对所述预成型件17的、经过研磨过程依然粗糙的外表面进行火法抛光。沿着所述围绕着自身的纵轴线20旋转的、预成型件17的外壁来导引氢氧气燃烧器18（如通过方向箭头19所勾画出来的那样），并且在这过程中将所述外壁局部地加热到大于2000℃的高温。所述粗糙的外表面在这过程中被熔化，而所述预成型件的、透明的区域13在这过程中则没有软化并且没有值得一提地变形。

作为这种火法抛光的替代方案，通过机械的抛光和研磨将所述粗糙的外表面打光。在这过程中借助于研磨机来对所述预成型件的外壁进行加工，其中持续地改进所述抛光程度，方法是更换研磨条。用#800研磨条以大约60μm的去除量来进行最终处理。

在玻璃化之后，得到在图5中示意性地示出的、由完全透明的石英玻璃构成的、拱顶状的入射窗21，该入射窗具有一面拥有大约11mm的、统一的壁厚的壁体22。所述入射窗21的石英玻璃拥有小于50个重量ppm的、平均的羟基含量，并且在从300到2400nm的波长范围内具有大于95%的、内部的透射率（关于1mm的层厚度）。在安装状态中，所述内侧面23朝向所述按本发明的太阳辐射接收器的吸收器，并且所述外侧面24暴露在环境下。所述入射窗21的拱顶中心或者所拱顶的顶点用附图标记25来表示。

在图6的图表中，为1000℃的吸收器温度Ti这种情况，关于以[mm]计的壁厚d在y轴上绘示出在所述入射窗21的外侧面24上的、以[℃]计的温度Ta。

从中得知这一点：对于具有6mm的、大约处于以往常见的壁厚的范围内的壁厚的入射窗21来说，在所述外侧面24上出现大约870℃的最大温度。对于像在上面的实施例中一样11mm的入射窗壁厚来说，通过所述入射窗壁体形成大约220℃的温度梯度，使得在所述外侧面24上的温度还仅仅大约为770℃。这种与标准壁厚相比大约100℃的差别对于所述入射窗的长期稳定性来说可能起到决定性的作用。

相反，具有11mm的（以及更大的）壁厚的、尤其厚壁的入射窗21在给定在所述外侧面24上的、比如850℃的、最大的温度的情况下在所述入射窗内侧面23上允许高了大约100℃的过程温度，这一点显著地改进了转换为电能的转换效率。

Claims (14)

1.太阳辐射接收器，具有腔室以用于传输用来在用于太阳辐射的吸收器上进行热量吸收的工作气体，所述吸收器布置在所述腔室中并且所述吸收器具有由石英玻璃构成的、用于太阳辐射的、拱顶状的入射窗（21），其中所述入射窗（21）具有一朝向所述吸收器并且拥有至少950℃的、标称的内部温度Ti的内侧面（23）以及一背向所述吸收器的并且经受环境温度Tu的外侧面（24），其特征在于，所述入射窗（21）具有壁厚d，如此根据Ti和Tu来设计所述壁厚d，从而在温差Ti-Ta至少为150℃并且所述壁厚d在所述内部温度Ti的最大值的区域中至少为7mm的附带指示下在所述入射窗外侧面（24）的区域中出现小于850℃的温度Ta。

2.按权利要求1所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗（21）具有壁厚d，根据Ti和Tu来如此设计所述壁厚d，从而在所述外侧面（24）的区域中出现小于800℃、优选小于750℃的温度Ta。

3.按权利要求1或2所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述壁厚d在最大的内部温度Ti的区域中至少为10mm，优选至少为20mm。

4.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，根据以下测量规则来设计在最大的内部温度Ti的区域中的壁厚d：

其中：λ=透明的石英玻璃的导热系数

　　　α=石英玻璃/空气的换热系数。

5.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗（21）的壁厚d在拱顶中心（25）的区域中具有最大值。

6.按权利要求5所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述壁厚在最大值中比在最小值的区域中大了至少20%、优选大了至少50%。

7.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗（21）的石英玻璃具有小于100个重量ppm、优选小于30个重量ppm的、平均的羟基含量。

8.用于制造由透明的石英玻璃构成的、拱顶状的入射窗（21）的方法，包括以下方法步骤：

（a）提供具有多细孔的壁体的、拱顶状的熔模（1）；

（b）将SiO₂粒料放入到所述熔模（1）中，并且在所述熔模内壁上构造具有至少12mm的厚度的、拱顶状的SiO₂粒料层（6）；

（c）在等离子（10）的作用下并且在加载从外面穿过所述多细孔的壁体作用于所述粒料层（6）的负压的条件下在形成所述入射窗（21）的毛坯（16）的情况下将所述SiO₂粒料层（6）压实；

（d）在形成所述入射窗（21）的预成型件（17）的情况下机械地去除所述毛坯（16）的外部区域（14、15）；

（e）将所述预成型件（17）机械地或者热地抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗（21）。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，产生具有至少20mm厚度的SiO₂粒料层（6）。

10.按权利要求8或9所述的方法，其特征在于，按照方法步骤（c）的、对所述SiO₂粒料层（6）的压实包括双阶段的过程，该过程具有第一过程阶段和第二过程阶段，其中在所述第一过程阶段中将所述SiO₂粒料层（6）的内部的区域压实并且加载较低的负压，并且其中在所述第二过程阶段中加载较高的负压并且将所述SiO₂粒料层（6）进一步压实。

11.按权利要求8到10中任一项所述的方法，其特征在于，在按照方法步骤（c）将所述SiO₂粒料层（6）压实时形成拱顶状的毛坯（16），该毛坯在所述拱顶中心（25）的区域中具有其壁厚的最大值，该最大值比在最小的壁厚的区域中大了至少20%、优选大了至少50%。

12.按权利要求8到11中任一项所述的方法，其特征在于，在机械地去除所述毛坯-外部区域时产生预成型件（17），该预成型件具有与内侧面（23）相一致的、拱顶状的外侧面（24）并且具有处于至少7mm、优选至少10mm并且尤其优选至少20mm的范围内的、最大的壁厚。

13.按权利要求8到12中任一项所述的方法，其特征在于，将所述预成型件（17）抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗（21）这个过程通过借助于燃烧器（8）用燃烧火焰加热到至少1600℃的温度这种方式来进行。

14.按权利要求8到13中任一项所述的方法，其特征在于，使用熔模（1），对于该熔模来说透气的壁体由石墨制成，并且按照方法步骤（c）的、对所述SiO₂粒料层（6）的压实在包含氦气和/或氢气的氛围中进行。