CN104748402B - 一种新型结构的高温太阳能真空集热管 - Google Patents

一种新型结构的高温太阳能真空集热管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型结构的高温太阳能真空集热管，属于太阳能光热利用技术领域。该集热管主要由金属内管、波纹管、遮光罩、可伐合金环、玻璃外管、吸氢材料、蒸散型吸气剂、二次激活用吸氢罐、抽气管和高真空截止阀组成；玻璃外管两端分别通过可伐合金环与遮光罩相连接；波纹管介于金属内管与玻璃外管之间，两端分别与金属内管和遮光罩相连，在金属内管与玻璃外管之间形成真空环形空间；吸氢材料和蒸散型吸气剂设置于金属内管与玻璃外管之间；二次激活用吸氢罐设置于遮光罩上，通过抽气管与真空环形空间连通，抽气管上设置高真空截止阀。本发明有效地延长了集热管寿命和降低了集热管的热损，并可进行真空度的实时抽测。

Description

一种新型结构的高温太阳能真空集热管
技术领域
本发明涉及一种新型结构的高温太阳能真空集热管，主要用于太阳能聚光集热发电系统的集热器中，属于太阳能光热利用技术领域。
背景技术
聚光集热发电是一种太阳能热利用技术，主要包括槽式聚光集热系统和菲涅尔聚光集热系统。集热管是上述系统的核心部件，通常由表面制备了吸热涂层的金属内管、带有增透膜的玻璃外管和连接两者的波纹管组成。
中国专利CN102519160A公开了一种直通式太阳能集热管，包括玻璃外管、金属内管、端盖、波纹管、可伐合金环、遮光环及吸气剂装置，波纹管的一端通过端盖与金属内管连接，另一端通过连接件与可伐合金环连接。该集热管将波纹管放置与玻璃外管外侧，影响了集热面积，整管利用率不高。
中国专利CN101986060A公开了一种太阳能吸热管，该集热管采用了金属薄壁与玻璃外管直接熔封的封接方式，金属薄壁刀口最外边缘厚度小于0.05毫米，刀口锥度小于3°，或者薄壁刀口具有二次削薄段，二次削薄段的锥度小于3°。该薄壁刀口插入玻璃外管端口的管壁中，与玻璃外管熔封在一起。采用这种封接方式的优点是结构简单，实现了玻璃外管与金属的直接封接。但这种封接方式的可靠性与成品率还有待提高。
美国专利US7013887B2公开了一种真空集热管结构，包括金属内管、玻璃外管、波纹管以及遮光罩。该集热管将波纹管封装在玻璃外管内侧，属于内封结构。这种结构的集热管有效的增加了吸热面积，提高了整管利用率。但该集热管将波纹管与金属内管连接端放置于波纹管内部，在制造过程中波纹管处于压缩状态，一方面增加了制造难度，另一方面也不利于工作过程中应力的释放。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出一种新型结构太阳能高温真空集热管。
一种新型结构的高温太阳能真空集热管，主要由金属内管、波纹管、遮光罩、可伐合金环、玻璃外管、吸氢材料、蒸散型吸气剂、二次激活用吸氢罐、抽气管和高真空截止阀等组成。所述的玻璃外管两端分别通过可伐合金环与遮光罩相连接；波纹管介于金属内管与玻璃外管（外玻管）之间，两端分别与金属内管和遮光罩相连，在金属内管与玻璃外管之间形成真空环形空间；所述的吸氢材料和蒸散型吸气剂设置于金属内管与玻璃外管之间；所述的二次激活用吸氢罐设置于遮光罩上，通过抽气管与真空环形空间连通，所述的抽气管上设置高真空截止阀。本结构的集热管便于随时检测其管内真空度，并利于在使用10年或者20年后可以打开截止阀对集热管重新进行抽真空处理，同时更换二次激活用吸氢罐中的吸氢材料，进而提高集热管的寿命，并保持其优异的性能。
所述的金属内管的外表面设置太阳能吸热涂层，内壁设置阻氢涂层，工作温度可达到600℃。钢管内表面带有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。所述的金属内管的外径为30-100毫米，厚度为1-6毫米。
所述玻璃外管内、外壁均设有均匀致密的增透膜，以提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。玻璃外管外径为70-150毫米，厚度为2-4毫米。可伐合金环与玻璃外管直接熔封在一起。
在遮光罩上设置可重复使用的抽真空封离装置（包括抽气管、二次激活用吸氢罐和高真空截止阀），可快速获得高真空，在集热管服役期间并可进行反复抽真空，延长集热管使用寿命，提高制造效率。二次激活用吸氢罐内部为高效吸氢材料，端口装有过滤片，集热管在使用一段时间后，通过激活吸氢罐中的吸氢材料来提高管内真空度，降低集热管的热损，以提高集热管的使用寿命，其中的吸氢材料在使用若干年后可进行更换。
所述的遮光罩具有锥形或直筒形状，为一体式遮光罩，设置于波纹管外侧，遮光罩一端与可伐合金环连接，另一端与波纹管连接。遮光罩可避免波纹管被聚光直射，防止其温度上升过高而导致波纹管失效，该装置可延长波纹管寿命，提高封装可靠性。所述的遮光罩壁厚为1～5毫米，长度为10～60毫米。
所述波纹管由薄壁金属挤压成型而成，与遮光罩直接连接，并位于遮光罩内侧，另一端与金属内管连接。通过波纹管的伸缩变化可有效释放金属内管与玻璃外管膨胀量不同带来的应力。
所述波纹管内侧设置吸氢材料支架，防止吸氢材料被聚光直射，确保真空稳定性。另外，还设置蒸散型吸气剂支架。
所述的玻璃外管材质为硼硅玻璃，由膨胀系数相同的单一材料构成，或由具有不同膨胀系数的多种材料串联构成。
本发明在遮光罩上设置可重复使用的抽真空封离装置及二次激活用吸氢罐，可快速获得高真空，延长集热管使用寿命，提高制造效率，并可进行真空度实时抽测。波纹管外侧设有一体式遮光罩，可延长波纹管寿命，提高封装可靠性。波纹管内侧设置吸氢材料安装支架，防止吸氢材料被聚光直射，确保真空稳定性。因此，本发明的太阳能高温真空集热管由于设置了遮光罩、可重复使用的抽真空封离装置、二次激活用吸氢罐，并将波纹管置于遮光罩内侧，有效地延长了集热管寿命和降低了集热管的热损，并可进行真空度的实时抽测。
附图说明
图1是本发明遮光罩为锥形的高温真空集热管的结构示意图。
图2是本发明高温真空集热管中的可重复使用的抽真空封离装置和二次激活用吸氢罐的局部剖面图。
图3是本发明遮光罩为直筒形状的高温真空集热管的结构示意图。
图4是本结构集热管50周400℃老化过程中的热损与真空度数据曲线。
主要附图标记说明：
1 金属内管 2 波纹管
3 高真空截止阀 4 抽气管
5 二次激活用吸氢罐 6 吸氢材料及支架
7 蒸散型吸气剂及支架
8 膨胀系数为3.3×10-6/K或5.0×10-6/K的玻璃外管
9 可伐合金环 10 遮光罩
11 膨胀系数为4.9×10-6/K玻璃外管
12 膨胀系数为4.5×10-6/K玻璃外管
13 膨胀系数为4.0×10-6/K玻璃外管
14 膨胀系数为3.5×10-6/K玻璃外管
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明新型结构的高温太阳能真空集热管，主要由金属内管1、可伐合金环9、遮光罩10、波纹管2、玻璃外管8、吸氢材料及支架6、蒸散型吸气剂及支架7、二次激活用吸氢罐5、抽气管4和高真空截止阀3组成。
玻璃外管8两端分别通过可伐合金环9与遮光罩10相连接；波纹管2介于金属内管1与玻璃外管8之间，两端分别与金属内管1和遮光罩10相连，在金属内管1与玻璃外管8之间形成真空环形空间；吸氢材料和蒸散型吸气剂设置于金属内管1与玻璃外管8之间；二次激活用吸氢罐5设置于遮光罩10上，通过抽气管4与真空环形空间连通，抽气管4上设置高真空截止阀3。
金属内管1的外表面设置太阳能吸热涂层，内壁设置阻氢涂层，工作温度可达到600℃。钢管内壁带有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。金属内管1的直径为30-100毫米，厚度为1-6毫米。
玻璃外管内、外壁均设有均匀致密的增透膜，以提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。玻璃外管直径为70-150毫米，厚度为2-4毫米。可伐合金环9与玻璃外管直接熔封在一起。
在遮光罩10上设置可重复使用的抽真空封离装置（带有金属高真空密封阀），可快速获得高真空，延长集热管使用寿命，提高制造效率。
二次激活用吸氢罐5内部为高效吸氢材料，端口装有过滤片，集热管在使用一段时间后，通过激活吸氢罐中的吸氢材料来提高管内真空度，降低集热管的热损，以提高集热管的使用寿命。
遮光罩10具有锥形或直筒形状，为一体式遮光罩，设置于波纹管2外侧，遮光罩10一端与可伐合金环9连接，另一端与波纹管2连接。遮光罩10可避免波纹管2被聚光直射，防止其温度上升过高而导致波纹管2失效，该装置可延长波纹管2寿命，提高封装可靠性。遮光罩10壁厚为1～5毫米，长度为10～60毫米。
波纹管2由薄壁金属挤压成型而成，与遮光罩10直接连接，并位于遮光罩10内侧，另一端与金属内管1连接。通过波纹管2的伸缩变化可有效释放金属内管1与玻璃外管8膨胀量不同带来的应力。
波纹管2内侧设置吸氢材料安装支架，防止吸氢材料被聚光直射，确保真空稳定性。另外，还设置蒸散型吸气剂支架。
玻璃外管材质为硼硅玻璃，可由膨胀系数相同的单一材料构成，也可由具有不同膨胀系数的多种材料串联构成。
实施例1
本实施例的遮光罩为锥形的高温真空集热管如图1所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K的硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K的可伐合金环9，遮光罩10。
金属内管1选用321不锈钢合金，外径70毫米，壁厚4毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用321不锈钢合金，壁厚0.2～0.3毫米，具有4个波。
遮光罩10选用321不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度20毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃，外径125毫米，壁厚3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到96%。
可伐合金环9与玻璃外管8直接熔封在一起。
对该结构集热管的真空度和热损进行了测试，刚制造出的集热管的真空度为5×10-3Pa，在400℃的热损为210w/m。经过50周的测试其真空度与热损的数据曲线如图4所示，其热损在200～220w/m之间，真空度由初始的5×10-3Pa变为5.6×10-3Pa。
实施例2
本实施例的遮光罩为直筒形的高温真空集热管如图3所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K可伐合金环9，遮光罩10，膨胀系数为4.9×10-6/K玻璃管11，膨胀系数为4.5×10-6/K玻璃管12，膨胀系数为4.0×10-6/K玻璃管13，膨胀系数为3.5×10-6/K玻璃管14。
金属内管1选用321不锈钢合金，外径90毫米，壁厚3毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用321不锈钢合金，壁厚0.3毫米，具有5个波。
遮光罩10选用321不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度30毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为3.3×10-6/K硼硅玻璃，外径140毫米，壁厚3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过玻璃管14、13、12和11及可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有新型太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到96%。
膨胀系数为5.0×10-6/K的可伐合金环9与玻璃外管8通过膨胀系数为3.5～4.9×10-6/K的硼硅玻璃过渡熔封在一起。
该结构集热管封离后的真空度为5×10-3Pa，在400℃的热损为205w/m。经过50周400℃老化试验后，其真空度与热损分别为211w/m和5.8×10-3Pa。随后对二次激活用吸氢罐进行了激活，管内真空度变为3×10-3Pa，热损变为198w/m。如果使用10年或者20年后可以打开截止阀对集热管重新进行抽真空处理，同时更换二次激活用吸氢罐中的吸氢材料，可进一步提高集热管的寿命，并保持其优异的性能。
实施例3
本实施例的遮光罩为锥形的高温真空集热管如图1所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K可伐合金环9，遮光罩10。
金属内管1选用316L不锈钢合金，外径70毫米，壁厚2～4毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用316L不锈钢合金，壁厚0.2～0.3毫米，具有3～5个波。
遮光罩10选用316L不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度10～40毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃，外径115～125毫米，壁厚2～3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有新型太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。
可伐合金环9与玻璃外管8直接熔封在一起。
实施例4
本实施例的遮光罩为锥形的高温真空集热管如图1所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K可伐合金环9，遮光罩10。
金属内管1选用304不锈钢合金，外径70毫米，壁厚2～4毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用304不锈钢合金，壁厚0.2～0.3毫米，具有3～5个波。
遮光罩10选用304不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度10～40毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃，外径115～125毫米，壁厚2～3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有新型太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。
可伐合金环9与玻璃外管8直接熔封在一起。
实施例5
本实施例的遮光罩为直筒形的高温真空集热管如图3所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K可伐合金环9，遮光罩10，膨胀系数为4.9×10-6/K玻璃管11，膨胀系数为4.5×10-6/K玻璃管12，膨胀系数为4.0×10-6/K玻璃管13，膨胀系数为3.5×10-6/K玻璃管14。
金属内管1选用316L不锈钢合金，外径90毫米，壁厚3～6毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用316L不锈钢合金，壁厚0.2～0.3毫米，具有3～5个波。
遮光罩10选用316L不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度10～40毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为3.3×10-6/K硼硅玻璃，外径140～145毫米，壁厚2～3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过玻璃管14、13、12和11及可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有新型太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。
膨胀系数为5.0×10-6/K的可伐合金环9与玻璃外管8通过膨胀系数为3.5～4.9×10-6/K的硼硅玻璃过渡熔封在一起。
实施例6
本实施例的遮光罩为直筒形的高温真空集热管如图3所示。太阳能真空集热管包括金属内管1，波纹管2，高真空截止阀3，抽气管4，二次激活用吸氢罐5，吸氢材料及支架6，蒸散型吸气剂及支架7，膨胀系数为5.0×10-6/K硼硅玻璃外管8，膨胀系数为4.7～5.0×10-6/K可伐合金环9，遮光罩10，膨胀系数为4.9×10-6/K玻璃管11，膨胀系数为4.5×10-6/K玻璃管12，膨胀系数为4.0×10-6/K玻璃管13，膨胀系数为3.5×10-6/K玻璃管14。
金属内管1选用304不锈钢合金，外径90毫米，壁厚3～6毫米，长度4060毫米。
波纹管2选用304不锈钢合金，壁厚0.2～0.3毫米，具有3～5个波。
遮光罩10选用304不锈钢合金，壁厚1～3毫米，长度10～40毫米。
玻璃外管8选用膨胀系数为3.3×10-6/K硼硅玻璃，外径140～145毫米，壁厚2～3毫米。
金属内管1通过波纹管2和遮光罩10连接。
玻璃外管8两端通过玻璃管14、13、12和11及可伐合金环9与遮光罩10连接，内部形成真空环形空间，通过对其抽高真空，并配有吸氢材料5和6来维持其高真空，从而达到降低整管热损的目的。
金属内管1外表面制备有新型太阳能吸热涂层，工作温度达到600℃。
金属内管1内壁制备有阻氢涂层，可有效防止传热介质中氢的扩散，提高集热管真空寿命。
吸氢材料及支架6位于可伐环9和遮光罩10内部，与波纹管2直接连接。
玻璃外管8内外壁制备均匀致密的增透膜，提高玻璃外管在可见光范围内的透过率，太阳光谱平均透过率达到92～99%。
膨胀系数为5.0×10-6/K的可伐合金环9与玻璃外管8通过膨胀系数为3.5～4.9×10-6/K的硼硅玻璃过渡熔封在一起。
实施例1-6的集热管在遮光罩上设置可重复使用的抽真空封离装置及二次激活用吸氢罐，实现了真空度的实时抽测，从而确保真空稳定性，延长集热管使用寿命。此外，波纹管外侧设有一体式遮光罩，可延长波纹管寿命，提高封装可靠性；波纹管内侧设置吸氢材料安装支架，防止吸氢材料被聚光直射，有效地延长了集热管寿命和降低了集热管的热损。

Claims (10)

1.一种高温太阳能真空集热管，其特征在于：主要由金属内管、波纹管、遮光罩、可伐合金环、玻璃外管、吸氢材料、蒸散型吸气剂、二次激活用吸氢罐、抽气管和高真空截止阀组成；所述的玻璃外管两端分别通过可伐合金环与遮光罩相连接；波纹管介于金属内管与玻璃外管之间，两端分别与金属内管和遮光罩相连，在金属内管与玻璃外管之间形成真空环形空间；所述的吸氢材料和蒸散型吸气剂设置于金属内管与玻璃外管之间；所述的二次激活用吸氢罐设置于遮光罩上，通过抽气管与真空环形空间连通，所述的抽气管上设置高真空截止阀。
2.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的金属内管的外表面设置太阳能吸热涂层，内表面设置阻氢涂层，工作温度达到600℃。
3.根据权利要求2所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的金属内管的直径为30-100毫米，厚度为1-6毫米。
4.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述玻璃外管内、外壁均设有增透膜，太阳光谱平均透过率为92～99％。
5.根据权利要求4所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的玻璃外管直径为70-150毫米，厚度为2-4毫米。
6.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的二次激活用吸氢罐内为吸氢材料，端口装有过滤片。
7.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的遮光罩具有锥形或直筒形状，设置于波纹管外侧，壁厚为1～5毫米，长度为10～60毫米。
8.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述波纹管由薄壁金属挤压成型而成，与遮光罩直接连接，并位于遮光罩内侧，另一端与金属内管连接。
9.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述波纹管内侧设置吸氢材料支架及蒸散型吸气剂支架。
10.根据权利要求1所述的高温太阳能真空集热管，其特征在于：所述的玻璃外管由单一材料构成或由具有不同膨胀系数的多种材料串联构成。
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