CN2913965Y - 线聚焦金属流道太阳能真空集热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及线聚焦金属流道太阳能真空集热管技术。主要解决金属流道太阳能真空集热管在高压、高温条件下封接端口对外热损失大和玻璃金属封接工艺问题。本实用新型增加的外散热片、经改进的金属端盖和增设的玻璃端盖组件以及内外结合设置的外卸载装置，有助于提高金属流道太阳能真空集热管的连接强度，减少内管热辐射、热对流、热传导造成的对外热泄露，提高真空集热管可靠性，有利于实现专业化生产。广泛适用于槽式太阳能热发电、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等太阳能中高温集热装置。

Description

线聚焦金属流道太阳能真空集热管

技术领域

本实用新型涉及一种用于槽式线聚焦和复合抛物面即CPC聚光装置中的金属流道太阳能真空集热管，其中新发明设计的玻璃端盖封装结构也适合热管式太阳能真空集热管使用。属太阳能热利用技术领域。

背景技术

随着太阳能等可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，太阳能热发电、太阳能制冷空调、太阳能海水淡化等太阳能工业热利用技术逐步为人们所认识，建立这些太阳能热利用装置均离不开槽式(抛物面)线聚焦和复合抛物面即CPC聚光装置，线聚焦太阳能集热管是该系统中的主要集热元件。特别是槽式太阳能热发电，主要利用线性抛物面聚光器聚光，通过线聚焦内置金属流道太阳能真空集热管集热，获取近400℃左右的热量，然后借助高温低压工质如高温导热油导热，通过常规换热技术获得蒸汽，推动汽轮发电机组发电。由于该电站所要求的集热器工况温度和压力相对较低，可以利用较为成熟的换热设备和发电技术，单位投资成本低，因此被认为是最具有商业化前景的一项太阳能热发电技术。其中线聚焦中高温内置金属流道太阳能真空集热元件的制造技术即是建立该装置的关键技术。

线聚焦太阳能集热元件由于受工质温度高和金属内管热膨胀、玻璃金属封接技术的制约，对设计结构和制造工艺提出相对较高的要求。ZL03218208.2专利公开的以金属波节内管、扭纹内管和波纹管为主要特征的内置金属流道太阳能真空集热管，和经改进的具有内外卸载功能的耐高温耐高压内置金属流道太阳能真空集热管ZL200420091975.1专利，就是专门为线聚焦装置设计的中高温内置金属流道太阳能真空集热元件，重点解决了金属内管热膨胀对结构影响的问题，明显提高了集热管的光热吸收和工质热转换效率，经生产证明，整管结构简单，适于工业化生产。该线性聚焦太阳能集热管已在太阳能空调制冷装置中应用。但是，在实例制作和使用中发现，集热管在高倍聚焦装置上，其封接结构面临严重考验，由于实例采用的是国内成熟的铅压封接技术，封接温度260℃，低于管内工质温度，因而限制了该技术的使用范围。同时，暴露在外的外卸载装置也存在着热损失机率高的缺陷，为扩大前两项专利成果的使用范围，在适用太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等一般工业装置的基础上用于槽式太阳能热发电，进一步提高封接强度，降低外卸载装置热损失，必须在上述专利基础上根据槽式太阳能热发电的需要，对线聚焦金属流道太阳能真空集热管的结构和制造工艺进行改进。

经改进的结构适用于其它各种内置金属流道太阳能真空集热管和低温工况的热管式太阳能真空集热管。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服专利ZL200420091975.1中存在的上述铅封接温度低、金属端盖热损失、有效吸热面积减少的技术缺陷，提供一种能适合线聚焦和CPC聚焦方式的太阳能真空集热管及其多种封装结构和工艺。

本实用新型所称问题是由以下技术方案解决的：

适用于抛物面聚焦装置的线聚焦金属流道太阳能真空集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃端盖、管接件、铁镍可伐合金端盖、铁镍可伐合金件、消气环、外卸载装置波纹管、金属端盖、耐高温热吸收涂层、金属隔热工艺环、散热片、排气管、内管支架、玻璃封接料组成。

第一种技术方案

1、在专利ZL200420091975.1基础上增加散热装置，散热装置为铜、铝等金属材料制作的金属圆形散热片，其内孔与可伐端盖与玻璃法兰封接面内圆相同，外圆根据散热效果确定，其内圆和端盖铅封处粘接或紧密配合，金属散热片外圆为平板、波纹状、伞翅状(未标图示)。

2、外卸载装置波纹管采用内置或分拆结构，外卸载装置波纹管至少但不限于2-20波，设置在玻璃管外部或玻璃管内部；外卸载装置波纹管通过管接件和金属内管焊接，外卸载装置波纹管另一端与焊接在金属内管上的金属管接件焊接，即外卸载装置由铁镍可伐合金端盖、卸载波纹管、管接件和隔热工艺环组成，由于卸载波纹管置于玻璃管内，集热管对外热损失大大减少。

3、铁镍可伐合金端盖与玻璃外管实施金属封接。

4、金属内管为金属直管、金属波节管、金属螺旋管和带内卸载装置的环型波纹金属管，金属内管表面真空溅射耐高温热吸收涂层，该涂层在300-400度工况条件下的热吸收率大于90％，反射率小于18％。

通过采取这些措施，可满足工况温度300℃左右的太阳能中高温集热装置使用。这些措施尽管是对原设计的创新，但客观地讲，散热装置仅为补救措施，不能从根本上克服铅压封接技术机械强度低和耐高温性能差的固有缺陷，如图1、2所示。

第二种技术方案

1、将上述线聚焦内置金属流道太阳能真空集热管的铁镍可伐合金端盖改制成内圆不同的金属环件，玻璃外管制作成相对应的玻璃法兰，玻璃过渡料放置在铁镍可伐合金件与玻璃外管法兰接触面上，通过高温熔接使可伐合金件与玻璃外管紧密封接；铁镍合金可伐件和金属端盖焊接。

2、集热管两端设置中心开孔的凹型金属端盖，中心圆孔向凹内、外翻边，分别同内、外设置的外卸载波纹管以及金属内管和管接件焊接，金属端盖与铁镍合金可伐件焊接。

3、金属内管和卸载方式可采用上述所有结构设计方案，通过这一改进，可从根本上克服已有技术缺陷，其它整管结构同上，如图3所示。

第三种技术方案

将铁镍合金可伐端盖或金属端盖改换为与玻璃外管材质相同且线膨胀系数相接近的玻璃或者是低膨胀陶瓷、微晶玻璃等材料制作的非热传导端盖，并安装在金属内管和玻璃外管之间，其特别之处是：

1、将铁镍合金可伐件制作成管状球型体，通过热熔压制方法直接将铁镍可伐合金件熔接在玻璃端盖内，形成一个完整的端盖组件，铁镍可伐合金件的环形端面与其它结构件焊接。如图4b所示。

2、玻璃端盖中心为半球型、喇叭口型、T形管状型，与相应的铁镍可伐合金件采用间接玻璃封接即常规低熔微晶玻璃金属封接方法，将可伐件间接熔接在玻璃端盖上，形成一个完整的端盖组件，如图4a、c、d、e、f所示。

3、玻璃端盖组件同卸载波纹管、金属内管和管接件焊接，玻璃端盖外圆与玻璃外管实施玻璃封接，其它整管结构同上，如图5、6所示。

4、为加强T形管状型铁镍可伐合金件封接强度，玻璃端盖中心和对应的铁镍可伐合金件的封接平面上至少压制一凹槽或波纹状槽，然后分别在玻璃端盖和铁镍可伐合金件的圆平面处均匀涂复玻璃焊料进行熔接。当T形封接台面设计为一平面时，也可使用纯铝压封接技术。

所述排气管为金属或玻璃材料制作并设置在金属端盖、玻璃端盖或玻璃外管上，经排气保持内真空。

该实用新型除作为太阳能热发电的集热元件外，还可以此为基础组成太阳能中高温集热系统，广泛应用于集团供热、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化、一般工业供热等利用线聚焦装置的太阳能工业用热设备中。

附图说明

图1是本实用新型带散热装置的外卸载装置内置结构示意图

图2是本实用新型带散热装置的外卸载装置两边设置结构示意图

图3是本实用新型铁镍可伐合金环间接封接结构示意图

图4是本实用新型各种玻璃端盖结构示意图

图5是本实用新型玻璃端盖喇叭口内卸载结构示意图

图6是本实用新型玻璃端盖外卸载结构示意图

鉴于结构形式多样，附图均为典型例，不一一列举。

其中

金属内管1：包括金属波纹管、波节管、螺旋管也称扭纹管、金属直管和与内卸载装置一体的环型波纹金属管。以下均以金属直管为特征加以说明。

玻璃外管2：高硬、高透光率、抗冲击和具有高耐热性的带玻璃法兰的玻璃直管，透光率大于91％。

玻璃端盖3：与玻璃外管材质相同的玻璃或者是低膨胀陶瓷、微晶玻璃等材料制作的非热传导端盖。线膨胀系数在(33-48)×10^-7/℃之间。

管接件4：连接外卸载装置波纹管8和金属内管1的金属件。

铁镍可伐合金端盖5：线膨胀系数在(40-48)×10^-7/℃之间。

铁镍可伐合金件6：线膨胀系数在(40-48)×10^-7/℃之间。

消气环7：非蒸散型钡系消气剂。(未标)

外卸载装置波纹管8：波数至少但不限于2-20波。

金属端盖9：用以过渡连接铁镍可伐合金件6和波纹管8、金属内管1的金属圆盖。

耐高温热吸收涂层10：300-500℃时的吸收率大于90％，反射率小于18％。

金属隔热工艺环11：用于焊接波纹管8和金属端盖1、铁镍可伐合金件6的金属环。

散热片12：铜、铝材料制作的金属圆片。

排气管13：用金属或玻璃制作的供真空排气的连接管。

内管支架14：用以支撑金属波纹内管的支架。(未标)

玻璃封接料15：选用软化温度在300-800℃的低熔微晶玻璃，线膨胀系数调整至200-500℃时为(33-46)×10^-7/℃，介于铁镍可伐合金件6与玻璃外管2、玻璃端盖3线膨胀系数之间或相同。

具体实施方式

实施例一：

为保持现有可伐端盖5与玻璃法兰封接面的铅封接强度，增加散热装置12。散热装置12采用传热性能较好的铜、铝金属材料制作成圆形散热片，其内孔与可伐端盖5和玻璃法兰封接面内圆相同，外圆大小根据散热效果确定。在组装集热阵列时，将圆形散热片用硅胶或热传导性能好的高温胶粘剂连接在可伐端盖5与玻璃法兰封接面处。或设计一金属卡具配套使用，将圆形散热片固定在可伐端盖5与玻璃外法兰处，中间涂复高温胶粘剂，通过降温措施，保持现有铅封接强度。金属散热装置12作为太阳能真空集热管的配套组件使用。同时，为减少外卸载装置波纹管8对外热损失，将其由玻璃管2外移至玻璃管2内，增加一金属隔热工艺环11，外卸载装置波纹管8一端与焊接在金属内管1上的金属管接件4焊接，另一端与可伐端盖5和金属隔热工艺环11焊接。即外卸载装置由铁镍可伐合金端盖5、波纹管8、隔热工艺环11和固定在金属内管1上的管接件4组成。由于外卸载装置波纹管8内置于玻璃管2内，集热管对外热损失大大减少。同时隔热工艺环11和波纹管8以及固定在金属内管1上的管接件4中间形成隔热腔，进一步阻止集热管热量向外泄露。如图1所示。

为兼顾卸载需要，采取外卸载装置内外置结合的办法，一方面保持金属内管1受热均匀卸载，另一方面减少外卸载装置波纹管8暴露在外的波数，以降低对外热损失。根据有效卸载量分拆外卸载装置波纹管8，其中一段放置在玻璃管2外，另一段如上所述放置在玻璃管2内。放置在玻璃管2外的外卸载装置采用铁镍可伐合金端盖5凹型设计封接方案，内圆向内翻边，连接外置卸载装置波纹管8。放置在玻璃管2内的外卸载装置波纹管8同另一端的铁镍可伐合金端盖5连接。其它连接方式同上。通过采取这些措施，可满足工况温度300℃左右的太阳能中高温集热装置的使用。如图2所示。

实施例二：

为从根本上克服铅封接温度低和机械强度差的问题，可引用ZL200420091975.1专利所述玻璃封接方式，也即采用玻璃间接熔封接技术。为实现间接封接，将铁镍可伐合金板通过冲压制成内圆不同的环型状，小环与玻璃外管2内壁相接，外环与玻璃法兰高度一致。同时增加一金属端盖9，金属端盖9用以连接铁镍可伐合金件6和外卸载波纹管8，外卸载波纹管8另一端与金属管接件4焊接在金属内管1上。在集热管两端铁镍可伐合金件6与玻璃接触面中间分别放置玻璃焊料15，在静态高温环境中熔接。这一方法可从根本上克服已有缺陷。该制作过程即能在玻璃车床上完成，也能在设定温度的高温炉内完成；其它连接方式同前。如图3所示。

实施例三：

采用玻璃端盖3替代铁镍合金可伐端盖5。方法有两种：一是将熔炉高温溶解的高硼玻璃料滴注在模腔中，在滴注玻璃料之前，将球型管状铁镍可伐合金件6放置在模具中，与模具一同预热后滴料压制成型。出料后按玻璃操作规程热处理，经退火、去应力后作为组件备用。玻璃端盖3的外圆可通过实验设计成多种连接形状，以便与玻璃外管2在玻璃车床上实现玻璃熔封。整管封接后退火、去应力。排气管13熔焊在一端的玻璃端盖3上，经排气后保证内真空度。如图4b所示。

另一方法是：新型玻璃端盖3采用与玻璃外管材质相同、热膨胀系数相近的玻璃或陶瓷、微晶玻璃材料制作。经模具压制成中心部为半球管状、向外翻边的喇叭口管状以及T型管状的封接端盖。玻璃端盖3的外圆可设计成多种连接形状，以便于与玻璃外管直接或间接熔接。铁镍可伐合金件6预制成对应的半球管状、向外翻边的喇叭口管状，并放置在玻璃端盖3的中心部位，放置前将低熔微晶玻璃过渡料15放于两者之间，在高温炉内选择适合低熔微晶玻璃过渡料15熔解的温度熔焊铁镍可伐合金件6。熔解的温度和工艺要求按玻璃过渡料生产厂家提供的技术规范进行操作。封接完毕作为组件备用。为防止慢泄露发生，T型管状玻璃端盖3需在结构上设计带凹槽以及波纹状的封接面。铁镍可伐合金件6制作成T型管状，T型顶部预制对应的平面型或带凹槽或波纹状的连接面，并放置在与之相匹配的玻璃端盖3的中心部位进行间接熔接。其它工艺同上。如图4a、c、d、e、f所示。

在制作集热管整管时，两端的内外管之间放置玻璃端盖3。镶嵌或间接熔封在玻璃端盖3上的铁镍合金可伐件6，其焊接口与集热管一端的金属内管1、管接件4氩弧焊接。集热管另一端的铁镍可伐合金件6焊接口与与外卸载波纹管8、隔热工艺环11焊接。外卸载波纹管8同焊接在金属内管上的管接件4焊接。其它结构件连接方式同前。使用玻璃端盖3制作的线聚焦金属流道太阳能真空集热管的结构如图5、6所示。鉴于玻璃端盖3形式多样，从事太阳能集热管制造的技术人员应于理解，故不一一列举。

Claims (8)

1.适用于抛物面聚焦装置的线聚焦金属流道太阳能真空集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃端盖、管接件、铁镍可伐合金端盖、铁镍可伐合金件、消气环、外卸载装置波纹管、金属端盖、耐高温热吸收涂层、金属隔热工艺环、散热片、排气管、内管支架、玻璃封接料组成，其特征在于：所述线聚焦金属流道太阳能真空集热管设置散热装置，外卸载装置波纹管采用内置或分拆结构，设置在玻璃管外部或玻璃管内部，与管接件和金属内管焊接，铁镍可伐合金端盖与金属隔热工艺环和外卸载装置波纹管焊接，铁镍可伐合金端盖与玻璃外管实施金属封接；所述铁镍合金可伐件制作成内圆不同的金属环，与对应的玻璃外管法兰接触面实施低熔微晶玻璃封接，铁镍合金可伐件和金属端盖焊接；所述玻璃端盖为内圆成球型、半球型、喇叭口型、T形管状型端盖，与对应的铁镍可伐合金件直接熔焊或通过低熔微晶玻璃间接封接在一起的组件。

2.跟据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述散热装置为金属圆形散热片，其内圆和端盖铅封处粘接或紧密配合，金属散热片外圆为平板、波纹状、伞翅状。

3.跟据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述金属端盖为中心开孔的平面、曲面或凹型端盖，中心圆孔向凹内、外翻边，同内、外设置的外卸载波纹管、金属内管和管接件焊接。

4.跟据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述玻璃端盖组件同卸载波纹管、金属内管、管接件焊接；玻璃端盖外圆与玻璃外管实施玻璃封接。

5.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述玻璃端盖中心和对应的铁镍可伐合金件的T形封接平面上至少压制一凹槽或波纹状槽。

6.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述排气管为金属或玻璃材料制作并设置在金属端盖、玻璃端盖或玻璃外管上。

7.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述内外设置的外卸载装置波纹管至少但不限于2-20波。

8.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述金属内管为金属直管、金属波节管、金属螺旋管和带内卸载装置的环型波纹金属管，金属内管表面真空溅射耐高温热吸收涂层。

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