CN107062654A - 一种太阳能集热管及其制备方法和用途 - Google Patents

一种太阳能集热管及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能集热管，所述集热管包括玻璃外管、金属内管、可伐合金环、波纹管；所述金属内管设在所述玻璃外管内，且与所述玻璃外管同轴；玻璃外管的两端封接有可伐合金环；所述波纹管设于所述玻璃外管的两端处，且介于金属内管和玻璃外管之间。本申请中所述玻璃外管和金属内管由于具有相似的热膨胀系数，在进行高温熔融封接时可以实现匹配封接，封接处内应力小，在冷却后，玻璃外管与可伐合金环之间不会炸裂或变形。实现了金属和玻璃的封接，真空测量和热冲击试验结果表明其具有耐高温、高气密性和高可靠性。

Description

一种太阳能集热管及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种太阳能光能热利用技术领域，主要涉及一种用于槽式太阳能热电系统中的高温集热管。
背景技术
在太阳能热能利用技术中，集热管是槽式太阳能发电站中的核心部件，现有技术中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。该真空层可以提高玻璃内管的保温效果，使得玻璃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。但是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。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得玻璃破裂，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键的差异，使得二者的封接难度较高。并且，在太阳能热发电领域，集热管内的热工作物质必须被加热到350℃以上，才有实际应用价值，所以也要避免集热管内热量的大量流失。
为了解决这一问题，国内申请号为200910058391.1的发明专利公开了一种太阳能高温真空集热管，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，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鞥或各开有一环形槽，并通过一端金属化层上连接或嵌入固定的合金构建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金属构件、过渡连接盘与金属内管密封相连。但是这种集热管密封相连时工艺复杂，而现有技术中也有通过过渡构件来连接的方式，然而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，但是由于使用的过渡构件会形成热量迅速传递的“热桥”，导致热量大量算是，使金属内管积聚的传给管内工作物质的太阳能减少，大大降低了集热管的工作效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种中高温太阳能集热管及其制备方法和用途，以克服现有技术中太阳能集热管密封加工不方便不安全以及形成的集热管热量损失多的缺陷。
为了实现上述目的及其他目的，本申请是通过包括如下的技术方案获得的。
本发明公开了一种太阳能集热管，所述集热管包括玻璃外管、金属内管、可伐合金环、波纹管；
所述金属内管设在所述玻璃外管内，且与所述玻璃外管同轴；
玻璃外管的两端封接有可伐合金环；
所述波纹管设于所述玻璃外管的两端处，且介于金属内管和玻璃外管之间。
优选地，所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
优选地，所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
更优选地，所述碎玻璃的粒径为25～35mm。
优选地，以石英砂的总质量为基准计，所述石英砂中SiO2的质量≥99.5％，Fe2O3的质量≤0.01％，Al2O3的质量≤0.2％；所述石英砂的颗粒大小为60～120目。
优选地，以所述硼砂的总质量为基准计，所述硼砂中水不溶物的含量≤0.02％，氯化物的含量≤0.02％，所述氯化物的含量是以Cl-为计。
优选地，以所述硼酸的总质量为基准计，所述硼酸中水不溶物的含量≤0.005％。
本发明还公开了一种制备如上述所述玻璃的方法，包括如下步骤：将各原料组分按照配比混合，投入电熔炉中熔融并保温1～2h，牵伸拉制成型获得玻璃内管。
优选地，所述电熔炉中依次设有第一电极对，第二电极对和第三电极对；所述第一电极对、第二电极对和第三电极对均平行安装在电熔炉内并依次形成第一加热区、第二加热区和第三加热区，所述电极为钼电极。
优选地，在电熔炉中，所述第一电极对功率为2～4KW，电流为300～500A；所述第二电极对功率为2～4KW，电流为300～500A；所述第三电极对功率为2～4KW，电流为300A。
优选地，所述第一加热区的温度先为1000～1200℃，然后为1200～1300℃。
采用电熔炉制备本发明中玻璃内管的方法为开启电源，给电极供电，将玻璃内管原料组分加入电熔炉的料池内。第一加热区将玻璃管原料加热到熔化至完全熔融，第二加热区使得玻璃管原料处于热熔和恒温状态，使得玻璃液澄清，在第三加热区为恒温区，玻璃液处于均化澄清状态，减少气泡的形成。
采用本发明中方法制备玻璃管其易于成型和牵伸，而且最终的玻璃管质量稳定。
上述所述含硼玻璃管在太阳能光热发电管上能够作为外层真空保护管。
优选地，所述金属内管为不锈钢材料。更优选地，所述金属内管为304不锈钢管。
优选地，所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。更优选地，所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
更优选地，以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
更优选地，以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
优选地，所述玻璃内管的直径为85～160mm，长度为1000～4000mm，厚度为1.8-3.5mm。
优选地，所述金属内管的直径为40～120mm，长度为1100～4060mm，厚度为2.0～3.5mm。
本发明还公开了一种如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1000～1200℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
本发明公开了如上述所述的太阳能集热管在中高温太阳能集热器上的用途，所述中高温为180～550℃。
本发明中玻璃管的原料组分中硼和硅的含量高，为高硼硅玻璃，其耐酸耐碱耐水，抗腐蚀性能优越，拥有良好的热稳定性，化学稳定性和电学性能，故具有抗化学侵蚀性，抗热冲击性，机械性能好，能够承受高温等特性。
本发明中公开的含硼玻璃管通过对原料组分种类及规格的选择，提供一种新的含硼玻璃管配方，采用本发明中含硼玻璃管配方制备出的在太阳能发电管上使用的外层真空保护管其具有太阳光透过率高，能量吸收率高的效果。另外，本发明中含硼玻璃管配方在制备过程中由于采用碎玻璃作为原料组分，不仅节约了原料成本，而且使得熔融过程中熔融速度高，按照本发明中方法进行生产时工艺稳定性好，成品质量稳定优良。
本申请中所述玻璃外管和金属内管由于具有相似的热膨胀系数，在进行高温熔融封接时可以实现匹配封接，封接处内应力小，在冷却后，玻璃外管与可伐合金环之间不会炸裂或变形。实现了金属和玻璃的封接，真空测量和热冲击试验结果表明其具有耐高温、高气密性和高可靠性。
采用可伐合金环进行封接后将金属内管和波纹管及其他组件组合，或进一步通过可伐合金环与其他不锈钢管或不锈钢组件进行组装焊接、排气、退火后即可形成太阳能集热管，这种太阳能集热管的工艺简单，而且形成的。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
本发明实施例公开了一种太阳能集热管，所述集热管包括玻璃外管、金属内管、可伐合金环、波纹管；
所述金属内管设在所述玻璃外管内，且与所述玻璃外管同轴；
玻璃外管的两端封接有可伐合金环；
所述波纹管设于所述玻璃外管的两端处，且介于金属内管和玻璃外管之间。
实施例1
本实施例中所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
所述金属内管为不锈钢材料。所述金属内管为304不锈钢管。
所述可伐合金的型号为所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
所述玻璃内管的直径为100mm，长度为4000mm，厚度为1.8mm。
所述金属内管的直径为60mm，长度为3600mm，厚度为2.0mm。
本实施例中如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1100℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
实施例2
本实施例中所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
所述金属内管为不锈钢材料。所述金属内管为304不锈钢管。
所述可伐合金的型号为所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
所述玻璃内管的直径为160mm，长度为3000mm，厚度为3.5mm。
所述金属内管的直径为120mm，长度为2500mm，厚度为3.5mm。
本实施例中如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1200℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
实施例3
本实施例中所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
所述金属内管为不锈钢材料。所述金属内管为304不锈钢管。
所述可伐合金的型号为所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
所述玻璃内管的直径为120mm，长度为4000mm，厚度为2.0mm。
所述金属内管的直径为100mm，长度为3800mm，厚度为2.0mm。
本实施例中如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1000℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
实施例4
本实施例中所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
所述金属内管为不锈钢材料。所述金属内管为304不锈钢管。
所述可伐合金的型号为所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
所述玻璃内管的直径为90mm，长度为4000mm，厚度为1.8mm。
所述金属内管的直径为50mm，长度为3900mm，厚度为2.0mm。
本实施例中如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1000℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
实施例5
本实施例中所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
所述金属内管为不锈钢材料。所述金属内管为304不锈钢管。
所述可伐合金的型号为所述可伐合金环的合金为Fe-Ni-Co硬玻璃。所述可伐合金按照GB/T4339-2008标准在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃的化学成分如下：
Ni 31.3～31.8％
Co 18.1～18.6％
余量为铁。
以所述Fe-Ni-Co硬玻璃的总质量为基准计，所述Fe-Ni-Co硬玻璃中Al的含量不大于0.10％，Mg的含量不大于0.10％，C的含量≤0.03％，Mn≤0.150％，Si≤0.20％，Cu≤0.10％,Cr≤0.10％，Mo≤0.010％，且Al、Mg和Mn的总量不大于0.25％。
所述玻璃内管的直径为160mm，长度为4000mm，厚度为3.0mm。
所述金属内管的直径为120mm，长度为4060mm，厚度为2.00mm。
本实施例中如上述所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1100℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
采用实施例1～5中方法制备获得的玻璃外管能够与可伐合金环无缝匹配封接，冷却之后和使用1年之内均没有出现炸裂和变形的情况。可伐合金进一步的与波纹管或其他不锈钢组件通过焊接、排气和退火后形成太阳能集热管。退火的工艺为500℃保温30min。经上述处理后获得的太阳能集热管通过真空测量和热冲击试验结果表明其具有耐高温、高气密性和高可靠性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能集热管，其特征在于，所述集热管包括玻璃外管、金属内管、可伐合金环、波纹管；
所述金属内管设在所述玻璃外管内，且与所述玻璃外管同轴；
玻璃外管的两端封接有可伐合金环；
所述波纹管设于所述玻璃外管的两端处，且介于金属内管和玻璃外管之间。
2.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述玻璃外管含有以下原料组分及重量份：
3.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述碎玻璃含有以下原料组分及重量份：
4.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管为不锈钢材料。
5.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述可伐合金环的合金型号为Fe-Ni-Co硬玻璃。
6.如权利要求5所述太阳能集热管，其特征在于，所述可伐合金在20～400℃下的平均线膨胀系数为4.047×10-6/℃。
7.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述玻璃内管的直径为85～160mm，长度为1000～4000mm，厚度为1.8-3.5mm。
8.如权利要求1所述太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管的直径为40～120mm，长度为1100～4060mm，厚度为2.0～3.5mm。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的太阳能集热管的封接方法，包括如下步骤：
1)将要封接的玻璃外管和可伐合金环接触定位，通过高温使得可伐合金环升温并使玻璃外管软化或熔化与可伐合金环熔接；所述高温是指1000～1200℃；
2)冷却，使得玻璃外管的玻璃凝固完成封接；
3)将金属内管同轴安装在金属外管内；
4)将波纹管置于金属内管和玻璃外管之间。
10.如权利要求1～8任一项所述的太阳能集热管在中高温太阳能集热器上的用途，所述中高温为180～550℃。
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