CN208859912U - 太阳能集热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种太阳能集热管，包括金属内管和玻璃外管，玻璃外管套置在金属内管外，二者密封连接，金属内管与玻璃外管之间形成密闭真空空腔，金属内管的内表面有碳纳米管层，金属内管的外表面自外至内依序设有减反层、吸收层、反射层。本实用新型提供一种太阳能集热管，可有效提升管基材的耐腐蚀性，同时提升热传导效率。

Description

太阳能集热管

技术领域

本实用新型涉及太阳能集热系统，具体涉及一种应用于太阳能集热系统装置的太阳能集热管。

背景技术

采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。太阳能热发电系统一般包括四个子系统：集热系统、蒸汽发生系统、发电系统和储热系统。太阳光聚集在集热管上，使管内的介质加热，然后被加热到400-550度的热交换介质经热交换器使水变成蒸汽，再由过热器对蒸汽进一步加热，推动常规汽轮发电机组发电。集热管是整个太阳能热发电系统的核心，一般内管采用金属管，管内走加热介质，金属管外涂覆选择性吸收涂层，外面为涂层硅硼玻璃管，玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。

高温太阳能真空集热管是槽式太阳能热发电系统的核心部件，它的热性能和可靠性决定了整个槽式太阳能热发电系统的热效率和经济成本。

集热管的问题：在新能源开发和推广利用中，最大限度提高能源转换效率是研究工作者的一个追求目标。传统槽式光热发电系统是以合成导热油作为热媒介质，由于受导热油分解温度(约420 ℃)限制，工作温度一般不超过400 ℃，导致发电效率较低。为了能够使550℃的高温直驱需要，导热介质由导热油变成熔融盐成为发展方向，需要开发基于熔融盐(例如，60%KNO₃ +40%NaNO₃ )热媒介质的高温光热发电系统。该系统将进口温度290 ℃的熔融盐输送入槽式聚光阵列，经过聚光加热，至出口处温度达到550 ℃，再经过热交换产生535 ℃过热蒸汽(达到传统火力发电技术基础参数)，驱动汽轮机发电。

这种高温熔融盐光热发电系统可提高发电效率5%以上，代表着国际上槽式太阳能光热发电技术的未来发展趋势。从目前的正常使用390℃提高至550℃，更加对于稳定性提出了更高要求。所以，对于槽式热发电的高温集热管要求更加严格，势必要求高温真空集热管的具有更好的耐腐蚀性和更高的强度。或者将介质改变为低腐蚀性且高导热的其它类型的介质材料，也在广泛研究中。

对于管基材的强度来说，不锈钢可以胜任。但是耐腐蚀性还有待提高，同时不锈钢的导热效率相对较差，在高温集热管的应用中，更加需要提升导热效率。因此需解决集热器金属内管的两个问题：

a. 提升管基材的耐腐蚀性，或者改变（降低）介质的腐蚀性；

b. 提升热传导效率。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题即在于提供一种耐高温和耐腐蚀，同时具有高效热传导的太阳能集热管。

本实用新型所采用的技术手段如下所述。

一种太阳能集热管，包括金属内管和玻璃外管；所述玻璃外管套置在金属内管外，二者两端密封连接，金属内管与玻璃外管之间形成密闭真空空腔；所述金属内管的内表面有碳纳米管层，金属内管的外表面自外至内依序设有减反层、吸收层、反射层。

所述金属内管与玻璃外管的两端自外端向内依次通过端盖、波纹管及金属玻璃封接环密封连接。

所述玻璃外管的外层和内层均设有增透层，该增透层为纳米二氧化硅，厚度为15nm-2000nm。

所述减反层为单层或双层的纳米二氧化硅或纳米三氧化硅，厚度为40nm-1000nm。

所述反射层为红外反射层，厚度为100nm-350nm。

所述吸收层为金属陶瓷吸收层，厚度为0.5um -1.0um。

所述碳纳米管层的厚度为20nm-100nm。

所述金属内管内的介质为液态金属。

本实用新型所产生的有益效果如下所述。

1、金属内管内壁涂覆碳纳米管涂层，具有极高的耐热和耐腐蚀能力，同时具有超高的导热能力，可以实现：

1)碳纳米管涂层能保护集热管金属内壁；

2)碳纳米管涂层的高硬度能抵抗液态金属介质对集热管金属内壁的磨损；

3)碳纳米管涂层的耐高温性能，实现槽式太阳能核心部件集热系统长期稳定工作；

4)碳纳米管自身的高热传导率，能快速将金属吸收的热量传递到介质。

2、当金属内管材料为耐热铜合金，可以：

1)大幅度提升热传导效率；

2)大幅度提高吸热管的温度分布均匀性，有效降低太阳能集热管的热应力；

3)满足集热管设计强度要求。

3、当金属内管内的导热介质为液态金属时，可以大幅度提升热传导效率。

附图说明

图1为本实用新型太阳能集热管结构图。

图2为本实用新型金属内管及其表面涂层的截面示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种耐高温和耐腐蚀，同时具有高效热传导的太阳能集热管。

请参阅图1，本实用新型一种太阳能集热管，包括金属内管7和玻璃外管2，金属内管7套入玻璃外管2之中，金属内管7内的介质9为液态金属。玻璃外管的两端自外端向内通过端盖12、波纹管11及封接环10与金属内管7密封连接，金属内管7与玻璃外管2之间形成密闭的真空空腔3。玻璃外管2的内外壁上附有增透功能涂层，该涂层为纳米粒子二氧化硅，其厚度为15nm-2000nm，优选20-1000nm。

请参阅图2，在金属内管7基体的外表面从下层至上层依次设有：红外反射层6、金属陶瓷吸收层5和减反(增透)层4，在金属内管7基体的内壁表面设有碳纳米管涂层8。

红外反射层6：红外发射层是阻止高温工作是的红外辐射能量损失，具有较高的红外发射率，紧贴金属管表面，其厚度为100nm-350nm。例如，可以采用铜靶溅射Cu红外反射层。

金属陶瓷吸收层5：其厚度为 0.5 至 1.0um，利用溅射法制备，涂层材料可以为不锈钢 / 三氧化二铝，或不锈钢 / 二氧化硅，或不锈钢 / 三氧化二铝与不锈钢 / 二氧化硅复合而成的两层金属陶瓷吸收层，或为其它类型的金属陶瓷。

减反(增透)层4：减反层是为了提高光线的透过率，厚度为40nm-1000nm，利用溅射法制备。减反(增透)层4为纳米粒子二氧化硅或三氧化二铝，也可设计为双层减反层。

碳纳米管涂层8：碳纳米管的热导率大约为2000-3000W/m·k，是铜的5-8倍。因此，碳纳米管涂层8能快速将金属内管的热量传送到熔盐中。同时，碳纳米管有非常优秀的耐腐蚀能力，涂覆在金属内管7的内壁上，能有效提升铜合金的耐腐蚀性能。

碳纳米管涂层8的制备方法步骤如下。

步骤1. 清洗金属管，去除金属内管内壁上的油污。

步骤2. 对金属内管内壁进行抛光，抛光至表面粗糙度≤ 2um。

步骤3. 对金属内管内壁进行超声波清洗，然后用接着用酒精或丙酮冲洗。

步骤4. 将碳纳米管涂覆或层积在金属内管内壁，其厚度为20-100 nm。

也可利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法从甲烷和氢气的混合气体中沉积碳纳米管薄膜在金属内管内壁，或者利用喷涂的方式将碳纳米管涂覆在金属内管内壁。

液态金属本身具有高导热率的性能，且无腐蚀问题，可替代传统的导热溶液熔盐，这样介质对管壁的腐蚀性能大幅降低。镓、铟、锡、镉等诸多低熔点金属材料在不同比例、不同工艺、不同条件下合成的一种液态合金材料。目前，液态金属材料的熔点可以在 8℃到200℃之间可调节。液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，是一种非常安全的流动工质。

金属内管基材为耐热高强高导铜合金，合金中含有镍、铬、锆、钛等高熔点元素，形成耐热化合物，加入铍、铝、镁等提高稳定性，通过热处理方式提高其强度。这种耐热高强高导铜合金的耐热性能优异，能够承受550摄氏度甚至以上的高温。

Claims (8)

1.一种太阳能集热管，其特征在于，包括金属内管（7）和玻璃外管（2），所述玻璃外管（2）套置在金属内管（7）外，二者两端密封连接，金属内管（7）与玻璃外管（2）之间形成密闭真空空腔（3）；所述金属内管（7）的内表面有碳纳米管层（8），金属内管（7）的外表面自外至内依序设有减反层（4）、吸收层（5）、反射层（6）。

2.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管（7）与玻璃外管（2）的两端自外端向内依次通过端盖（12）、波纹管（11）及金属玻璃封接环（10）密封连接。

3.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述玻璃外管（2）的外层和内层均设有增透层，该增透层为纳米二氧化硅，厚度为15nm-2000nm。

4.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述减反层（4）为单层或双层的纳米二氧化硅或纳米三氧化硅，厚度为40nm-1000nm。

5.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述反射层（6）为红外反射层，厚度为100nm-350nm。

6. 如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述吸收层（5）为金属陶瓷吸收层，厚度为0.5um -1.0um。

7.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述碳纳米管层（8）的厚度为20nm-100nm。

8.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管（7）内的介质（9）为液态金属。