CN1837715A - 槽式热发电用高温集热管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种槽式热发电用高温集热管，属于太阳能利用技术领域。该集热管包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管，以及位于二者之间的波纹管，所述集热金属管涂有选择性吸收涂层，所述玻璃套管与集热金属管之间是真空层，其改进之处在于：所述集热金属管的端部附近直接与波纹管的一端密封焊接或通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的一端密封焊接，所述波纹管的另一端与过渡金属管端部密封焊接，所述过渡金属管与所述玻璃套管相套贴合并密封粘接。本发明公开的槽式热发电用高温集热管既可降低封接难度，又使得玻璃管不容易破裂，因此可以降低成本、增强实用性，有助于加快槽式热发电技术的商业化进程。

Description

槽式热发电用高温集热管
技术领域
本发明涉及一种太阳能高温集热管，尤其是一种可用于太阳能槽式热发电系统的高温集热管，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
日益严峻的能源短缺和环境污染问题促使太阳能利用技术加速发展，二十一世纪太阳能利用已成为发展最快的产业之一，各个国家纷纷将其作为可持续发展的重要战略内容。在形式多样的太阳能利用技术中，槽式太阳能热发电因其广阔的商业化前景备受世人瞩目。所谓太阳能槽式热发电系统，是将多个跟踪太阳的槽型抛物面聚光器聚焦太阳光，加热集热管内的工质，通过热交换产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，其中集热管是核心部件。
目前太阳能槽式热发电技术是世界各国争相研究的热点之一，美国、以色列、澳大利亚、德国等国已建设了若干实验系统或者商业化示范系统。其中美国LUZ公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范，从1985～1991年间，在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站。以最为典型的80MW装机容量的SEGSVIII电站为例，其集热管是真空管环形接收器，不锈钢管装在同心圆柱形玻璃套内，玻璃管内保持真空以减少热损失，不锈钢管表面采用磁控溅射涂覆高温选择性吸收涂层，不锈钢管和玻璃套管间通过波纹管连接，波纹管和玻璃套管间采用可伐合金(一种既可与金属焊接、也可与玻璃熔接的特殊合金)封接，这种槽式热发电用高温集热管封接技术目前仅由德、以色列等国家的少数厂家掌握。
检索发现，申请号为031588328的中国发明专利申请公开了一种太阳能用吸热管，该专利申请通过结构改进，提出了一种更为耐用的吸热管。然而，其中仍然离不开可伐合金封接——即玻璃—金属—过渡件。
申请人在以前的研究中，也设计过采用可伐合金封接的技术方案，但经过实践和进一步研究发现：含有可伐合金封接结构的技术方案存在以下不足之处：(1)由于采用可伐合金封接，玻璃管需要采用特殊配方的玻璃制造，加工难度大，成本居高不下；(2)玻璃管和可伐合金封接处因为存在应力等原因，容易破裂。
因此，世界各国的技术人员都在研究如何采用更经济的方法来解决上述问题。一旦取得突破，则必将加快槽式系统的商业化进程。
发明内容
本发明的目的在于：针对以上现有技术存在的缺点，通过对封接结构的改进，提出一种无需可伐合金即可保证密封效果和足够封接强度的槽式热发电用高温集热管，从而确保玻璃管不破裂，降低封接难度和成本。
为了实现上述目的，本发明的总体技术方案是：一种槽式热发电用高温集热管，包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管，以及位于二者之间的波纹管，所述集热金属管涂有选择性吸收涂层，所述玻璃套管与集热金属管之间是真空层，其改进之处在于：所述集热金属管的端部附近直接与波纹管的一端密封焊接或通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的一端密封焊接，所述波纹管的另一端与过渡金属管端部密封焊接，所述过渡金属管与所述玻璃套管相套贴合并密封粘接。
上述技术方案显然避开了成本高、工艺复杂的可伐封接，以简单易行的密封粘接取而代之，因此降低了制造工艺难度和成本。并且，过渡金属管与玻璃套管的相套贴合粘接不仅可以确保密封，使粘接具有足够的强度，而且相套贴合的结构有利于充分发挥波纹管的伸缩作用，减轻热变形对粘接层的剪切应力，从而既增强了连接的可靠性，又确保玻璃管不破裂。
本发明总体技术方案的细化之一是：所述集热金属管的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的内端密封焊接，所述波纹管的外端与过渡金属管端部密封焊接，所述玻璃套管端部制有C形内翻边结构，所述玻璃套管内翻边形成的内孔套在所述过渡金属管的外圆上，相套贴合并密封粘接。
本发明总体技术方案的细化之二是：所述集热金属管的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的外端密封焊接，所述波纹管的内端与过渡金属管端部密封焊接，所述玻璃套管端部制有L形外翻边结构，所述过渡金属管的内孔制有与所述玻璃套管L形外翻边扣合结构，所述过渡金属管的内孔套在所述玻璃套管的外圆，相互径向贴合轴向扣合并密封粘接。
本发明总体技术方案的细化之三是：所述集热金属管的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的外端密封焊接，所述波纹管的内端与过渡金属管端部密封焊接，所述过渡金属管的内孔以端头对齐方式套在所述玻璃套管的外圆，相互贴合并密封粘接，所述过渡金属管与所述玻璃套管的对齐端套在C形截面的环形密封套内，通过卡簧卡紧固定。
总之，与现有技术相比，本发明避免了采用加工难度大、成本高的可伐合金封接，通过巧妙的结构设计，采用粘接密封结构妥善解决了玻璃和集热金属管之间的过渡密封连接问题，从而降低了制造难度和成本，有助于加快槽式热发电技术的商业化进程。
附图说明
下面结合附图和典型实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明实施例二的结构示意图。
图3为本发明实施例三的结构示意图。
图4为本发明实施例四的结构示意图。
图5为本发明实施例五的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的结构如图1所示，该槽式热发电用高温集热管包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管2以及连接二者的波纹管3，集热金属管2涂有选择性吸收涂层14，玻璃套管与集热金属管2之间是真空层。玻璃套管由外层玻璃管1、内层玻璃管5和玻璃法兰7构成，外层玻璃管1通过玻璃法兰7与内层玻璃管5熔焊，形成C形内翻边结构。集热金属管2的端部附近与波纹管3的内端密封焊接，波纹管3的外端与过渡金属管4的端部密封直接焊接，玻璃套管端部制有C形内翻边结构，玻璃套管内翻边形成的内孔套在所述过渡金属管4的外圆上，相套贴合，并通过粘接剂15和密封材料16密封粘接。(当然，内层玻璃管5的外端与波纹管3直接通过粘接剂15和密封材料16粘接并密封也是可行的。)
集热金属管2由主金属管12和连接金属管13两部分组成，主金属管12外壁涂覆选择性吸收涂层14，连接金属管13外壁缠绕绝热保护层10(可以是玻璃纤维布或者其它柔性耐高温隔热材料)，其端头套焊在主金属管12内壁，绝热保护层10的作用是阻挡集热金属管2内高达400℃以上的工作介质的辐射热。此外，还包括与外层玻璃管1内壁通过低熔点玻璃粉29熔焊的两个内衬玻璃管8、内衬玻璃管9和夹在其中的内衬金属法兰11，所述内衬金属法兰11与过渡金属管4焊接，当然内衬玻璃管8和9也可以直接用低温易熔玻璃制成。选择性吸收涂层14可由透明树脂添加金属氧化物或者其它涂层组成。简言之，为了保证玻璃套管与过渡金属管的长久粘接密封强度，还在玻璃套管内、集热金属管外壁环绕绝热层，阻隔集热金属管的辐射热对粘接处产生破坏，并设置使粘接密封处不受聚焦太阳光照射的隔热保护罩。这样使得粘接处始终处于相对低温状态，从而最大限度地保护粘接处。
高温集热管整体可以采取如下的加工安装步骤：第一步，将内衬玻璃管9与外层玻璃管1通过低熔点玻璃粉29熔焊，并将波纹管3、过渡金属管4焊接，其中过渡金属管4上有一台阶，内衬金属法兰11在台阶处与过渡金属管4焊接，为减轻重量，内衬金属法兰11上可加工若干孔；第二步，先将外层玻璃管1套在集热金属管2上，然后将焊接好的波纹管3、过渡金属管4装入外层玻璃管1内，最后将法兰盘6与主金属管12焊接；第三步，将内衬玻璃管8套入外层玻璃管1内，压紧内衬金属法兰11，然后将内衬玻璃管8与外层玻璃管1通过低熔点玻璃粉2 9熔焊；第四步，先在过渡金属管4上分别涂覆耐高温粘接剂15和密封材料16，然后将内层玻璃管5相套贴合在过渡金属管4上并与内衬金属法兰11压紧，使得内层玻璃管5和过渡金属管4粘接并密封；第五步，将玻璃法兰7分别与外层玻璃管1和内层玻璃管5熔焊，然后抽真空。当集热金属管2热胀冷缩时，如果内层玻璃管5和过渡金属管4的粘接密封处直接受到经波纹管3传递的推力或拉力，则容易出现松动或开裂。而在本实施例中由于内衬金属法兰11和内衬玻璃管8、内衬玻璃管9的作用，使得集热金属管2热胀冷缩产生的推力或拉力经波纹管3均匀地传递到外层玻璃管1和过渡金属管4上，所有的推力或拉力最终集中到波纹管3上，使其伸长或者压缩，这样就不会使内层玻璃管5和过渡金属管4的粘接密封处受到推力或拉力的破坏，也不会出现因外层玻璃管1与玻璃法兰7的结合部受力较大而导致破裂的情况，从而实现可靠的粘接和密封。
为了使内层玻璃管5与过渡金属管的4保持长久的粘接密封强度，本实施例不仅在连接金属管13外壁缠绕绝热保护层10，而且还包括焊接在过渡金属管4上的隔热保护罩17，可保护密封粘接处不受聚焦太阳光的照射。这样使得粘接处始终处于相对低温状态，从而最大限度地保护粘接处。
传统加工工艺是采用可伐合金将外层玻璃管和集热金属管密封连接在一起，首先外层玻璃管需要采用特殊配方的玻璃制造，其次复杂的加工工艺导致成本居高不下加工，而现在通过巧妙的结构设计，将外层玻璃管与过渡金属管通过粘接剂和密封材料粘接并密封，这样既避开了加工较为困难的可伐合金封接工艺，又不需要特殊配方的玻璃，并且外层玻璃管不易破裂，显然成本较低。
实施例二
如图2所示，本实施例与实施例一的主要区别是：
(1)还包括与所述外层玻璃管1内壁熔焊的内衬玻璃管8、嵌夹内衬玻璃管8的嵌套，所述嵌套由与过渡金属管4焊接的内衬金属法兰11、与内衬金属法兰11焊接的短金属管18、焊接在短金属管18上的金属法兰19翻边组成，外层玻璃管1和内衬玻璃管8可通过低熔点玻璃粉29熔焊。
(2)集热金属管2的端部附近不是直接与波纹管3的一端密封焊接，而是通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管3的内端密封焊接，所述过渡金属件是法兰盘6。
当集热金属管2受热膨胀而伸长时，由于嵌套和内衬玻璃管8的作用，使得集热金属管2伸长产生的推力经波纹管3均匀地传递到外层玻璃管1和过渡金属管4上，最终波纹管3压缩，不会使内层玻璃管5和过渡金属管4的粘接密封处受到推力破坏，也不会出现因外层玻璃管1与玻璃法兰7的结合部受力较大而导致破裂的情况。反之，当集热金属管2降温而收缩时，由于金属翻边19的作用，使得集热金属管2收缩产生的拉力经波纹管3均匀传递到外层玻璃管1和过渡金属管4上，最终使波纹管3伸长，同样不会使内层玻璃管5和过渡金属管4的粘接密封处受到推力破坏，从而实现可靠的粘接和密封。
实施例三
本实施例的结构如图3所示，该槽式热发电用高温集热管包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管2(与实施例一和二不同，集热金属管2是由一根金属管组成的)以及连接二者的波纹管3，集热金属管2涂有选择性吸收涂层14，玻璃套管与集热金属管2之间是真空层。集热金属管2的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管3的外端密封焊接(本实施例中的过渡金属件由法兰盘6和过渡金属管22构成)，波纹管3的内端与过渡金属管4端密封焊接，玻璃管套管由外层玻璃管1构成，该外层玻璃管1制有向外的L形翻边20，过渡金属管21制有与所述玻璃套管L形外翻边扣合结构即向内的收口23(也可以同轴焊接一段小直径的金属管)，过渡金属管4的内孔套在外层玻璃管1的外圆上，相互径向贴合。收口23与翻边20扣合并通过粘接剂15、密封剂16密封粘接，波纹管3的内端与过渡金属管21密封焊接。波纹管3的外端通过与之密封焊接的过渡金属件与集热金属管2焊接，该过渡金属件由法兰盘6和与法兰盘6焊接的过渡金属管22构成。
此外，还包括紧贴过渡金属管的限位环，所述限位环是通过低熔点玻璃粉与外层玻璃管熔焊的玻璃环30。绝热保护层10是防红外隔热玻璃管27，其作用是阻挡集热金属管2内高达400℃工作介质的辐射热。防红外隔热玻璃管内外表面分别镀有红外反射膜25和反射层26，防红外隔热玻璃管通过粘接剂15固定在支架24上，当然绝热保护层10也可以是直接焊接在内衬金属法兰11上的防红外辐射金属管，绝热保护层10的支架24焊接在内衬金属法兰11上，内衬金属法兰11焊接在集热金属管2上。为了保护粘接处不受聚焦太阳光的照射，还含有焊接在集热金属管2上的隔热保护罩17。
当集热金属管2热胀冷缩时，由于收口23和玻璃翻边20以及限位玻璃环30的作用，使得集热金属管2热胀冷缩产生的推力或拉力经波纹管3均匀地传递到外层玻璃管1和过渡金属管4上，所有的推力或拉力最终集中到波纹管3上，使其伸长或者压缩，这样就不会使粘接密封处受到推力或拉力的破坏，从而实现可靠的粘接和密封。
实施例四
如图4所示，本实施例可看作是对实施例三的简化，与实施例三的区别在于：
(1)绝热保护层10不是防红外隔热玻璃管，而是玻璃纤维布或者其它柔性耐高温隔热材料。过渡金属管21与外层玻璃管1的密封粘接处对应的一段集热金属管2附近环绕绝热保护层10，集热金属管2的其它部分涂有选择性吸收涂层14。绝热保护层10能够阻挡集热金属管2内高温工作介质的辐射热。
(2)在外层玻璃管内壁镀上透可见光、反红外的薄膜28，可进一步阻挡集热金属管2内高温工作介质的辐射热。绝热保护层10、反红外的薄膜28的双重保护作用可使得密封粘接处处于相对低温状态。当然根据实际需要可以只选择其中一种防护方式即可。
(3)波纹管3的一端与过渡金属管21密封焊接，另一端通过与之密封焊接的金属法兰6与集热金属管2焊接，未使用过渡金属管22。
(4)限位环为金属环31，金属环31通过耐高温缓冲垫32紧箍在外层玻璃管1上。
(5)本实施例中的过渡金属件是法兰盘6。
实施例五
如图5所示，该槽式热发电用高温集热管的基本结构与实施例三类似，包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管2以及连接二者的波纹管3，集热金属管2涂有选择性吸收涂层14，玻璃套管与集热金属管2之间是真空层。玻璃管套管由外层玻璃管1构成，该外层玻璃管是一根直管，集热金属管2的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管3的外端密封焊接(本实施例中的过渡金属件是法兰盘6)，波纹管3的内端与过渡金属管4端部密封焊接，所述过渡金属管4的内孔以端头对齐方式套在外层玻璃管1的外圆上，相互贴合，并通过粘接剂15、密封剂16与外层玻璃管1密封粘接。在集热金属管2对应密封粘接处的位置缠绕绝热保护层10，其作用是阻挡集热金属管2内高达400℃工作介质的辐射热。为了保护粘接处不受聚焦太阳光的照射，还含有焊接在集热金属管2上的隔热保护罩17。
为了进一步保证外层玻璃管1与过渡金属管21之间密封粘接的可靠性，还包括带有锥形内孔的螺母33、压紧密封圈34、C形截面的环形密封套35、内卡簧36以及外卡簧37。压紧密封圈34紧靠过渡金属管21，并通过密封剂16与外层玻璃管1外圆密封连接，过渡金属管21制有外螺纹，当带有锥形内孔的螺母33在过渡金属管21上旋合时，压紧密封圈位于过渡金属管、外层玻璃管以及带有锥形内孔的螺母之间，由于锥度部分的推压作用，使得压紧密封圈34分别压紧过渡金属管21和外层玻璃管1。带有锥形内孔的螺母33、压紧密封圈34和外层玻璃管1之间的空隙填充密封剂16。这样，当外层玻璃管1与集热金属管2之间因热胀冷缩而产生明显差异时，所有的受力最终均传递到外层玻璃管1和过渡金属管21上，二者之间的密封粘接处就不再承受经波纹管3传递的拉力和推力，最大限度地保护了外密封粘接处，满足真空密封的要求。另外，过渡金属管21还制有凹槽，C形截面的环形密封套35套在凹槽和外层玻璃管1的内圆上，并通过内卡簧36以及外卡簧37压紧。这种设计可避免粘接剂15和密封剂16在真空状态下挥发，并进一步增加密封粘接的牢度。
事实上，本发明列举的几种实施例经过重新组合，还可以形成许多实施的技术方案，实施例中列举的实施步骤也可以根据实际情况加以调整，在此不一一赘述。

Claims (12)

1.一种槽式热发电用高温集热管，包括玻璃套管、同轴安装在玻璃套管内部的集热金属管，以及位于二者之间的波纹管，所述集热金属管涂有选择性吸收涂层，所述玻璃套管与集热金属管之间是真空层，其特征在于：所述集热金属管的端部附近直接与波纹管的一端密封焊接或通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的一端密封焊接，所述波纹管的另一端与过渡金属管端部密封焊接，所述过渡金属管与所述玻璃套管相套贴合并密封粘接。
2.根据权利要求1所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述集热金属管的端部附近直接与波纹管的一端密封焊接或通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的内端密封焊接，所述波纹管的外端与过渡金属管端部密封焊接，所述玻璃套管端部制有C形内翻边结构，所述玻璃套管内翻边形成的内孔套在所述过渡金属管的外圆上，相套贴合并密封粘接。
3.根据权利要求1所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述集热金属管的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的外端密封焊接，所述波纹管的内端与过渡金属管端部密封焊接，所述玻璃套管端部制有L形外翻边结构，所述过渡金属管的内孔制有与所述玻璃套管L形外翻边扣合结构，所述过渡金属管的内孔套在所述玻璃套管的外圆上，相互径向贴合轴向扣合并密封粘接。
4.根据权利要求1所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述集热金属管的端部附近通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的外端密封焊接，所述波纹管的内端与过渡金属管端部密封焊接，所述过渡金属管的内孔以端头对齐方式套在所述玻璃套管的外圆上，相互贴合并密封粘接，所述过渡金属管与所述玻璃套管的对齐端套在C形截面的环形密封套内，通过卡簧卡紧固定。
5.根据权利要求2所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述玻璃套管由外层玻璃管、内层玻璃管和玻璃法兰构成，所述外层玻璃管通过玻璃法兰与内层玻璃管熔焊，形成C形内翻边结构，所述外层玻璃管内壁熔焊有两内衬玻璃管和夹在其中的内衬金属法兰，所述内衬金属法兰与过渡金属管焊接。
6.根据权利要求2所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述玻璃套管由外层玻璃管构成，所述外层玻璃管内壁熔焊有内衬玻璃管、嵌夹内衬玻璃管的嵌套，所述嵌套由与过渡金属管焊接的内衬金属法兰、与内衬金属法兰焊接的短金属管、焊接在短金属管上的金属法兰翻边组成，外层玻璃管和内衬玻璃管通过低熔点玻璃粉熔焊。
7.根据权利要求3所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述波纹管的外端通过与之密封焊接的过渡金属件与集热金属管焊接，所述过渡金属件由法兰盘和与法兰盘焊接的过渡金属管构成。
8.根据权利要求3所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述集热金属管上焊接有内衬金属法兰，所述内衬金属法兰焊接有支架，所述支架中固定有防红外隔热玻璃管，所述防红外隔热玻璃管内外表面分别镀有红外反射膜和反射层。
9.根据权利要求4所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述玻璃套管为外层玻璃管，所述过渡金属管制有外螺纹，所述外螺纹上旋合带有锥形内孔的螺母，压紧密封圈位于过渡金属管、外层玻璃管以及带有锥形内孔的螺母之间。
10.根据权利要求2、3或4所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：所述集热金属管端部外壁缠绕绝热保护层。
11.根据权利要求3所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：还包括紧贴过渡金属管的限位环，所述限位环是通过低熔点玻璃粉与外层玻璃管熔焊的玻璃环，或者是通过耐高温缓冲垫紧箍在外层玻璃管上的金属环。
12.根据权利要求1所述的槽式热发电用高温集热管，其特征在于：还包括焊接在过渡金属管上、使粘接处不受聚焦太阳光照射的隔热保护罩。
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