TW201000838A - Solar heat collection element with glass-ceramic central tube - Google Patents

Description

201000838 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 v 本發明係關於太陽熱收集元件(HCE)，其為太陽熱應用 之管狀輕射吸收裝置。 【先前技術】 在其他應用中，可使用熱收集元件作為太陽能電廠的 拋物線型槽收集器。參考圖1，傳統的熱收集構造包括—組 HCE 10,10A和10B —對耦合在一起。每個HCE 1〇包括中央 管件12和玻璃環套（外側管件）14圍繞著中央管件12,在其 間开>成圓柱型空隙16(環形橫截面）。太陽輻射經由拋物線 型追蹤鏡(未顯示出）集中並聚焦在1]〇：1〇上轉換成熱。傳 統的HCE 10大約4米長，而整個熱收集構造的長度是根據耦 ^ 合的HCE個數而定。熱量收集可經由通過HCE 10的中央管件 件12的熱運送媒介，也可直接用以熱處理或轉換成熱能。 中央（或内）管件12通常是不銹鋼的，被塗上干擾塗膜， :δ又计來：（1)吸收太陽輻射，（2)充作紅外線鏡子，和（3)在最 <大操作溫度下有低發射率。外側管件14通常是由硼矽酸鹽 -玻璃开誠1内鋼管件12和外玻璃管14利用伸縮軟管18連結 起來以補償玻璃和鋼之間的熱擴散不匹配。外玻璃管14利 用玻璃-金屬密封技術鏈結到伸縮軟管18，而伸縮軟管18再 知接到鋼官12。伸縮軟管18提供玻璃—金屬過渡元件，允許 鋼官和玻璃官件12,14的縱向移動以補償玻璃和鋼之間的 熱擴散不匹配。將玻璃管14和鋼管件12之間的空隙施以真 空抽除到約1(Γ4托(T〇rr，公釐絲⑽減少編㈣熱耗損 3 201000838 。傳統的HCE設計使用有機熱傳輸流體(HTF)通過鋼管件a 。一般的 HTF 包括 Therminol VP-1 或 Dowtherm A,每一種都 是約75%二苯氧化物和25%聯苯的混合物。 使用合成油當作HTF的傳統HCE 10的操作溫度範圍是 約300 - 400°C(最高華氏750度）以產生太陽電力。為了符 合使用合成油當作HTF的管的品質控制和可靠性需求必^貝 可以在25-30年的期間在〇。〇以下到400。(：作循環。 由於合成油HTF老化降解所產生的自由氫會透過鋼管 12擴散，而且危及圓柱型空隙16内的真空。滲透率和油的 降解率會隨著提高的操作溫度而提高。氫氣有很高的熱導 性，產生和氳氣洩漏到空隙16相關的熱耗損，而造成真空的 減少。 、 也可考慮使用超飽和蒸氣和融態鹽當作HTF，以消除氫 擴散的問題。使用超飽和蒸氣當作HTF的考量是由於和傳 統使用合成油的壓力比起來需要較高的壓力，因而也需要 增加鋼管件12的重量。更者，使用超飽和蒸氣的設計而也必 須處理廢熱蒸汽，冷凝，安全爾（即實地的#破裂）等等。 使用融態鹽當作HTF最主要的考量是;東結（或鹽固化)和腐 餘。 因而，我們發展傳統的塗膜技術來解決氯擴散的問題 。例如，使用補鋼管上天_熱氧化物和魄化物以消 題:Γ解決氫擴散的問題，傳統的中央鋼 官通承在外表面包括多個塗膜以達成數種功 太陽輕射的吸收;（⑴提升域細在紅特光譜的反射； 201000838 (iii)促進低發射率；和（iv)充當氫隔離層。例如，—般的 塗膜設計包括(從最内制最外層）:在天然氧化物上沉積 厚度約25咖的Α1ζ〇3之氫隔離層；約15〇咖的M〇紅外線鏡子 ;約70-10〇nm可見的金屬陶究吸收層（M〇_Al2〇_究金屬『； 和約1/4波長厚度的81〇2或A12〇3抗反射層。 ， 除了鋼管件12的塗膜以外，也可在空隙16加入集氣劑 材料來移除氫。和氫氣結合狀應的集氣㈣料有助於維' 持真空。當集氣劑材料的容量飽和時，又會升高空隙16内 的壓力，朗在空隙16内的自由氫部分壓力達到和溶解在 HTF的氫成平衡。在已知的吸收管中，空隙16内的氯平衡壓 力約在0. 3毫巴和3毫巴之間。 、—傳統的HCE設計有很多問題，包括:伸縮軟管相對高的 複雜度(和相關零件和組合費用），通過伸縮軟管機制的熱 損耗(可能高達10%)，前述的熱擴散不匹配，以及相關的溫 度不穩定，以上討論的氫擴散問題，當使用融態鹽咖時的 腐朗題，複雜且昂貴的塗膜技術，相對高的重量等等。 因此，此項技術需要新的HCE機制以減少或消除一種或 以上的上述問題。 “ 一 【發明内容】 依據本項發明一個或多個實施範例，太陽熱收集元件 包括：由玻璃陶兗材料形成的中央管件;和相對於中央管件 同轴放置，由賴材料形成的外側管件，在制形成一個空 間。外側管件的各別端部耦合至中央管件。 外側管件的各別端部可柄合至中央管件，而並不使用 201000838 4如金屬伸&軟管的可蠻沾技莊 件的各別端部也可直接融合至中央=或是或者，外側管 _管件的操作溫度限制可能低於 度限制。可_相管件 ㈣初作/皿 埶胗胳係勣rmn / 、吕件各自真正互相匹配的 ；；(TE) (_卜解件和t央管叙間的黏接 或融合不會在熱循環τ ώ 的的破展）。例如，外側管件 的CTE可月匕小於中央管件的CTE約2到6件。 =為熱膨_差異和外崎件較低的操作溫度 陶莞密封接頭產生的應力，可能需要玻璃環^ 由中間膨脹和操作溫度的玻璃形成)，或 間分等級的密封。 仔之 μ太陽熱收集元件可進一步包括置放在外側管件和中央 g件之間區域的集氣劑材料。集氣劑材料可以在1到4〇公 克之間，譬如小於40公克，小於2〇公克，小於5公克，和/或約 1錢。中央管件可至少部份是翻的，在其内表面上包括 太陽月b吸收塗膜。紅外線鏡子塗膜可位於中央管件的外侧 表面上。抗反射層可位於紅外線鏡子塗臈上。 或者，中央管件也可以由染暗Μ透明綱。在該情 况中’中央官件不需要在其外表面包含太陽能吸收塗膜。 太陽能吸收塗膜可位於紅外線鏡子塗膜上。抗反射層可位 於太陽能吸收塗膜上。 或者，中央管件也可以染亮色不透明的顏料。紅外線 鏡子可位於中央管件外侧表面上。太陽能吸收塗膜可位於 紅外線鏡子塗膜上。抗反射層可位於太陽能吸收塗膜上。 201000838 β中央管件壁板的厚度是根據HTF的操作溫度而定，可以 是5mm以下，譬如小於4 mm厚，譬如厚度在約3 3. 5咖之間 經由下列說明以及參考附圖熟知此技術者能夠瞭解本 發明其他項目，特性，及優點。 ’、 【實施方式】 參考附圖，其中_的編號代表姻的元件，顯示於圖 2的是太陽熱收集元件100(HCE)包括由玻璃陶瓷材料形成 的中央管件102,和由玻璃材料形成的外側管件1〇4。外侧 管件104相對於中央管件同軸放置，在其間形成—個空隙 106。中央管件1〇2和外側管件104的設計最好是圓:型的， 可以產生圓柱型的空隙1〇6(有環型橫截面）。 ， — 本發明HCE 10〇和先前技術的HCE之間的差異是在於使 用異於不銹鋼之玻璃陶瓷材料形成的中央管件ι〇2。外側 管件104可以由適合的玻璃形成，譬如取自本公司_石夕酸 鹽玻璃。這種構造的優點包括:較少的零件數目和簡化的 組合;大幅減少氫滲透率；減少（或消除)集氣劑的數目；抵 ^ 抗使用融態鹽熱傳輸流體(HTF)的腐蝕;較低的重量；改盖 的熱知疋性（譬如在尚溫運作下最小化·奪曲）；簡化塗膜設 計機制；和減少熱耗損。這些優點將會被討論，和/或從以 下的討論中變的更清楚。 在進一步討論本發明實施範例的細節之前，先回顧HCE 100的基本構造和運作特性。將外侧管件104和中央管件 102之間的空隙106施以真空抽除到約ir«托(T〇rr，公釐汞 枉）以減少輻射的熱耗損。熱傳輸流體(HTF)流過中央管件 201000838 102以引導被收集的熱量作進一步使用。HTF可選擇使用鐾 如Therminol VP-1的油，蒸氣，融態鹽等。内管1〇2的運作 溫度範圍是在300-520。(：之間，根據HTF而定，而外侧管件 104的操作溫度可以是i〇〇ac。 尤其’建造外側管件104之各別端部ii〇a，11〇b連接到 HCE 100之中央管件102,使得外側管件1〇4的端部可直接或 間接連接到中央管件102。在外側管件1〇4直接融合到中央 管件102的範例中，各個材料的溫度都要提升以使融態材料 融合在一起。無論是直接或間接的連接機制幸好都可避免 使用溫度膨脹補償機制，譬如先前技術設計的伸縮軟管Μ 。這會降低零件數目和簡化組合的過程。 消除溫度膨脹補償機制會提升和外側管件1〇4和中央 官件102熱膨脹係數(CTE)相關設計考量的重要性。傳統的 〜法疋考i融材料（譬如玻璃和/或玻璃陶究）以確保⑽ 匹配。在HCE 100製造上匹配CTE可能無法令人接受，因為 外侧管件104和中央管件1()2加熱到不同的操作溫度。外側 官件104猶溫度範圍的限制低於中央管件1〇2操作溫产範 圍的限制。根據HCE 100的特定設計，外侧管件⑽的運^ 溫度細可以從(TC以下到約靴。中央管件⑽的運作 溫度範圍根據使用的勝（譬如Thermin〇1TM VM的、由暮 軋^鹽等等），可以從到約職（作為卿的融態鹽） =接^桑作溫度限制高於外側管件1〇4的操作溫度 限制，或足以導致接頭内令人討厭的應力，則玻璃-陶兗接 頭可能需要分等級的密封或破璃環（中間膨脹和操作溫度 201000838 的玻璃）。 外側管件104和中央管件1〇2的CTE組合最好可允許在 其操作溫度限制内，兩種管真正同樣的尺度改變。依據本 發明一個或多個的特性，可選擇外側管件和中央管件 102的CTE，以使外側管件1〇4和中央管件1〇2的縱向膨脹可 真正互相匹配。因此，外側管件1〇4的CTE可以小於中央管 件件102 CTE的約2到6倍，譬如約5倍以下。因而例如外側 管件104在100°C溫度範圍以上運作，而中央管件1〇2在5〇〇 °c溫度範圍以上運作，那麼中央管件102的CTE應該是小於 外側管件104 CTE的5倍。假使外側管件是以CTE為3, 3ppm /C的Pyrex製成，那麼中央管件1〇2應該是以CTE約〇. 66 ppm/°C的玻璃陶瓷製成。各種玻璃陶瓷材料，譬如本公司 • 以roceram及/或Schott，s Robax的CTE可以調整到非常低 或甚至是負數以符合HCE 1〇〇的CTE設計目標。例如，中央 管件的CTE可以是小於約4ppm/t：。 ’ 、 HCE 100的長度可以是任何實際大小，長度約4公尺是 :比較適合的。熱收集構造的整個長度是根據耗合在—起疋 -的HCE 100個數而定。以3個每個約4公尺長的職1〇 接焊接在一起形成一個12公尺長的區段。這可以不需要 經由可彎曲的軟管接頭就可達成。因此，使用破璃陶究中 央管件1〇2的-項優點是可形成較長的區段，例如在 彈性的軟管接頭之前先連接約6到9個腳⑽在 先前技術設計所使關辦央管件成對比，_ i2 i和 的區段連接到下一個12公尺長的區段時則需要昂貴A的可 9 201000838 f 尺長的元件(鋼管構造)在 各個HCE的操作溫度範圍會熱膨脹3英时。破璃陶究中央 管件102的CTE可能比鋼管的CTE低於約1〇件。 、 如圖3所示，HCE100A的一端_耗合到σ另一個HCE 100B的一端hob。這可以藉由金屬軸環咖ιΐ2β連接 到各個HCE 1_，1_的中央管件1〇2來達成。 112A，112B可以由任何適合的材料形成，譬如低碳奥氏體 鋼。金屬軸環112A, 112B财央管件1〇2_陶究材料的 黏接可使用已知的方法達成，例如在])〇1^1(1，w.之 "Preparation, properties and chemistry 〇f giaSs-and glass-ceramic-to-metal seals and coatings," Journal of Materials Science, V〇l. 28, pp. 2841-2886 (1993)所討論的。在組合期間HCE醜刪可藉 著將金屬軸環112A, 112B焊接在一起以互相耦合。日 太陽輻射可以經由拋物線型追蹤鏡（未顯示出）集中並 聚焦在多個HCE 1GG上轉換成熱。合適的抛物線型追縱鏡 技術在此項技術上是廣為人知的。熱的收集可經由通過 HCE 100的中央管件1〇2的熱運送媒介也可直接用以熱處理 或轉換成熱能。 現在將討論本發明進一步的細節。csp工廠中央管件 102的設計是部份根據··用在電力管線的ASME β31.1 (定義_央管件102的公尺寸和材料需求）;相對於抛物線型 鏡焦點線的最大效能和容限度的貯槽光學設計;和材料的 選擇，這可由下列決定：（i)中央管件和HTF的相容性；（丨i) 201000838 最小化通過中央官件的氫滲透;和（i⑴需要不退火而將各 個HCE 100焊接在一起。 大致而言，中央管件102壁板的厚度是藉著材料的壓力 負載和樑彎曲特性而建立。ASME B311 c〇de使用下列的 式子來計算管最大的工作壓力： t，D/(2S+2yp) 其中t是所需的最小壁板厚度，p是可允許的最大工作壓力， D是外直徑，S是材料金屬設計溫度可允許的應力值，而y是 在〇. 4和G. 7之暖化的溫度從屬參數。在較高的溫度應該 使用y=0.4。 在先前技術設計中，中央管件的材料是鋼，在6〇〇psi最 大操作溫度40(TC時，鋼管件12必須有至少i〇,〇〇〇psi的可 允卉應力（或在40(TC有1500psi的軟化強度）。依據先前技 術的設計，下列尺寸的參數是可接受的：〇D=7〇mm，壁板厚度 =2mm(Therinol VP-1之勝），長度,6〇_，以及最大允許 工作壓力=600psi(在400。〇。材料規格是根據焊接管線的 A 249彳*準。以上參數的取得如下列所討論。 ASME規範提出各型態鋼之可允許應力，其為溫度的函 數。依據ASME B31.1，先前技術的中央管件件12可允許的 金屬應力在時間獨立範圍，也可藉著選擇下列的最低值來 叶算：（1)操作溫度下的最小軟化強度除以丨.5; (2)最小伸 拉強度除以3. 5; (3)操作溫度下的伸拉強度乘以1.1再除以 3. 5;和（4)室溫下的最小軟化強度除以丨.5。 參考圖4,鋼管件12的壁板厚度也可使用箍環應力來計 201000838

算，以得到類似上述ASME B31.1式子的結果。圖4是70mm 0D鋼管所需的壁板厚度以壓力為函數之曲線圖，其中可允 許應力（S)使用ASME B31. 1破壞試驗壓力式子，以及箍環應 力式子來計算。曲線A對應y=〇. 4和S=10, 000 psi之ASME B31. 1;曲線 B 對應 y=〇. 4 和 S=12, OOOpsi 之 ASME B31.1;曲線 C 對應 y=〇. 4 和 S=15, OOOpsi 之 ASME B31.1;曲線 D 對應 S= l，000psi之箍環應力；以及曲線e對應s=i〇,〇〇〇psi之箍環 應力；曲線F對應S=15, OOOpsi之箍環應力。 溫度和壓力值是根據HTF。對TherminolTM VP-1而言， 操作溫度400°C，最大工作壓力600psi，而70腿鋼管在S= 10, 000 - 12, OOOpsi時的壁板厚度是2腿。對流體而言，運 作溫度480-50(TC，最大工作壓力900-3000psi，而70mm鋼管 在S=10, 000 - 12, 〇〇〇psi時的壁板厚度是3_1〇mm。對融態 鹽而言，操作溫度480-500〇C，最大工作壓力i5〇psi，而7〇mm 鋼管在S=l〇, 〇〇〇 - 12, OOOpsi時的壁板厚度是2· 5—3mm。對 融態鹽而言，壁板厚度是由彎曲需求而不是破壞試^^壓力 驅動，因為壓力非常低，但管會因為高操作溫度而彎曲（請 見表1)。 有很多不銹鋼符合在400-50(Tc溫度的可允許應力，其 中HCE與各種HTF —起使用。然而，低焊接應力和最小氫滲 透需要使用低碳鋼，所謂的L型鋼。非常少的L型鋼可以丄 450 C以上有好的評價，因為在約4〇〇〇c以上，彈性模數和軟 化強度會快速降解。儘管如此，可能性的鋼之選擇包含. TP316U(16Gr-12Ni-2Mo-N)，其在棚。(：下允許應力為 201000838 12, OOOpsi，以及在 500°c下為 u，〇〇〇psi;Tp31〇M〇LN(25Cr_ 22Ni-2Mo-N)，其在4〇〇°c下允許應力為16, 〇〇〇psi，以及在 482 C下為15, _psi(其為該種鋼之最高操作溫度以及 TP317L(18Gr-13M-3M。)，其為管件财並無應力之數據，不 過板形式之允許應力以及最大操作溫度與Tp31〇M〇LN情況 相同。 在業界玻璃陶瓷允許應力為2〇,〇〇〇psi為可接受的。 中央管件的壁板厚度也可藉由結構堅硬度的需求來決 定，這可使轉f曲計算絲算。表丨顯讀統管設計所用 的不銹鋼彈性模數，其為溫度的函數，以及管中央的最大撓 曲和應力。賴依據本發明，可使職多種締度和溫度 等級的玻_紐料，但為了比_目的，選擇本公3 Pyroceram 9606玻璃陶兗作為範例來估計所需的壁板厚度 ，以付到和先前技術不銹鋼管的中央管件1〇2正中央同樣的 撓曲。Pyroceram 9606麵陶究在長期使用的最大操作 溫度是6800C，而報告的彈性模數從9哪(表⑽12撕（ 幾乎獨立於測試溫度）。 表1顯示使賴似PyrQeeram 9嶋玻璃喊或Sch〇tt，S 齡狀材料製成的玻璃陶兗管，需要約3-3. 5ram的壁板厚度 ，以確保在400-500〇C可比得上鋼管的結構堅硬度。表ι也 顯示玻璃喊中央管件1G2和鋼管（5刪壁板厚度的鋼管和 玻璃陶寬官）比起來產生明顯的低重量，這可降低所使用追 縱系_成本。這種好處在需要4_6m讀板厚度鋼管的高 壓直接纽產生上特綱顯。在啊㈣，即使在低壓的結 13 201000838 構厚度，這些鋼管的壁板厚度 表示。 需要增加到至少2.5mm,以氺來 表1樑彎曲計算，資料假定

Tu - 弋有滿官的密度為1.06g/cm 的流體C譬如Therm 1 no 1 VP〜1) —---- …'s-…… --—-____ 管泮if料 密度 彈性祺數 OD —rnnT 營汴审f· f件承^ (滿的） 最大堍曲 a/cm^ —：--一 GPa (空的.j -~~_ il 力1 4 不鏽鋼2(fC 7.85 n 尸 ! 岵 mm kPa psi 不该鋼100¾ 7'85 Γΐ8δ.5 70 Π 27.9 4.7 -1 93E+04 -2799 不鍵铜500aG* 低壓；/i htf 27,9 5.5 -1.93E+04 -2799 7.85 .^1600 70 不鏽鲷50G°C* 壓力HTF 7.85 27.9 5.8 -1.93E+04 -2799 _160.0 70 不.罐鋼500°C， -1500-1800 psi HTF 30.7 5.2 -1.74E+04 -2517 7.85 160 〇 70 7Q _ 70 TO -1Λ Pyroceram 或 Robax 2.58 92 0 92,0 —^'s | 44.0 4.1 -1.39E+04 -2012 Pyroceram A Robax Pyroceram Λ Robax 2.58 —-2-_ 18.9 6.8 ^1.31 E+04 -1896 2,58 3.5 5 ..,,.....,...7.5 r_,20.B…— 4,6 -8.75E+03 :126S 10 5 l._ij 3.7 -7.09E+03 從以上的翁相，巾好件12_祕度可能小於 或專於5麵厚，譬如約3-3.5咖厚。 對譬如玻璃陶兗的脆性材料而言，當考慮連續負載下 的使用預期#命時，裂痕的緩慢增長是—項重要參數。以 下討論是有關於在朗贼的巾央管件撤中修飾表面的 重要性。的確，固定負载下的裂痕緩慢增長是最可能的失 敗主要模式。因為沒有利用管的形狀的測試資料，估計的 失效時間是根據玻璃喊扁平試樣上發佈的龍。以23〇 ! 270的鑽石粒度和—厚度研磨的玻璃陶竟試樣，以固定 的5. 5MPa(798psi)施加應力，〇.咖的失敗機率冑737, 〇〇〇 年的使用可咋。也測s式和報告了機器製的pyr〇ceram 96〇6 14 201000838 破璃_樣，和彳__㈣化）的PyTO_m 9606 破璃陶竞試樣(每個厚度2. 5mm)。機器製的試樣㈣犯模 數範圍從9到19,如粗_面魏性材料所職，裂痕大小、 有很廣的分佈。報告巾以化學_触表_試樣有40-〇較同的Weibull模數，因為裂痕大小的分佈很窄，而且蝕 刻處理會癒合表面。報告中，預_失效時間由於裂痕緩 慢的增長可使用下列式子： tf=从3897!^0·02.11^^1^ + 5·7082/945,21.45 ^中F疋失敗的機率，σ是施加的應力。研究報告指出，在 施加的應力下（亦即管線内的流體壓力可上至3000pSi和 l〇MPa)，玻璃喊失效的時間基本上是無限制的。以上資料 在 Choi, S. R.’Gyekenyesi，J. P.，nResuits 〇f mechanical testing of Pyroceram glass-ceramic," NASA/TM 2003-212487 。好其他玻璃陶曼 的研究也支援具有優良和一致的修飾表面的高強度。 玻璃陶瓷中央管件102的熱傳導性是從約丨· 5到3. 5W/ (m-K)’低於不嫁鋼的14 6W/(m—K)。因為中央管件玻 璃陶瓷）的壁板厚度只有數微米，我們認為可快速達到穩定 狀態的溫度。因此，玻璃陶瓷的低熱導性可能不會對中央 管件102内的HTF熱傳輸有顯著的影響，特別是使用不透明 的玻璃陶瓷材料時。假使是使用透明的玻璃陶瓷材料來形 成中央管件102,那麼太陽輻射頻譜可能就無法有效地轉換 成熱，直到其達到中央管件102的内壁板，在其中應該會產 生很鬲的熱傳輸效能。 15 201000838 ，面發明的伸縮軟管18會顯著減少潛在 == 屬零件的熱損耗。於是，在傳統賴 ^在的_耗。應該也要注意排除本發明 的伸細軟官18會顯著減少滅集元件的成本。 =同先前段落所討論的，使用某些譬如Th— 的主要考慮之-是油的降解和氫擴散至空隙ι〇6。也 有一種考慮是當使用蒸氣作為_時的氫渗透問題。聊老 ，降解產生的自由氫可能需要透過中央管件⑽擴散，而且 巴及圓柱型空隙106内的真空。滲透率會隨著提高的操作 溫度而增加。氫氣有非常高的熱導性，產生和氫㈣漏到 空隙16相關的熱耗損而造成真空的減少。 低碳和fcc結構的奥氏體(austenitic)鋼，在鋼中的氫 擴散率是最低的。3G4L和316不錄鋼在約300—6(){rc的溫度 下擴散係數分別是 2. lxl(T3cm2/sec 和 i 74χ1〇-2cm2/sec, 活化能量是46和52.則/福。_滲透率與壓力相關的 。合成HTF内的H2壓力範圍估計是lxl0-4至〇 〇3MPa，而溫 度範圍是373-623K，奥氏體合金内的H2滲透率估計是& 1〇 5莫耳H2/(m s MPa〗/2)，活化能量是56· lkJ/m〇l。在 該條件下，不銹鋼的Hz溶解度是266莫耳H2/(m s MPa1/2)。 玻璃陶瓷材料是最好的氫隔離層。玻璃内氫滲透的研 究報告大約ΗΓ7至l〇-8cm2/sec的擴散係數，約小於不銹鋼 的4-6倍。氫在玻璃内有高溶解性，也會限制其從破璃陶究 管滲透。對玻璃或玻璃陶瓷材料而言，滲透率是氫溶解度 和氫擴散係數的乘積，然而鋼的表面條件也扮演很重要的 16 201000838 角色（例如和原始的鋼表面比起來，氧化的表面可以降低數 倍的渗透率）。 在該技術上，氫滲透鋼和玻璃管的問題，已使用η2渗透 薄膜的式子加以研究並報告。以下是氫滲透鋼的式子： n^2 - Area^s.ft^T) it H2’HTF) (^H2,annulus)] thickness ss 以及玻璃陶瓷為： qH2 = Arm ·κ(Τ；) ，HTF ΡΗ2, annulus) thickness ss 其中nH2是氫進入環形物(annuius)的速率（莫耳h2/s), _ 疋氫進入環形物的速率（cm3(STp)/s), Areass是可滲透吸 收斋的表面面積（ID=0. 〇66m,長4. 06m的管是〇. 8418m2), Φ(Τ)和K(T)分別是不銹鋼和玻璃的滲透率，單位顯示於表 2(使用絕對溫度的滲透率和活化能量，由Arhenius關係計 算出），PA HTF是氫在HTF估計出的蒸氣壓力，％ ^在環形物的壓力⑽4 Τοιτ，表2取零)，而thicknesSss 是管的壁板厚度。利用理想的氣體律將恤和qH2轉換成L-Toir I^/hour 的單位。 表2使用破璃和玻璃陶瓷一般的滲透率範圍。在相同 條件下，玻璃陶究的滲透率是低於鋼的5〇_25〇〇倍。表2的 結果顯示’藉著選則低的氫渗透率的玻璃組成份使用很少 的集氣劑就可雜持空隙10轉常㈣氫部分壓力 。例如， 將集氣劑材料放在外側管件⑽和中央管件搬之間的空隙 1 曰06,最好是少於4〇公克，譬如少於2〇公克，少於5公克，特別 疋約1公克。相對於這些，先前技術不錢鋼中央管件構造是 17 201000838 使用4〇,公克的集氣劑。由於玻_竟__# n 玻璃陶竟中央管件⑽沾如r ’灿低嫌（表1)， 管内的h2滲透率甚至會更降^度至少約3.5_，破璃陶竟

是使用起飽彳卜^^破酬聽射好件1G2時，更好 疋使用域和域和融_作為HT 超飽和蒸氣作為聊耐㈣㈣…’调吕吸用 Ί 為鋼管的重量λ在破場陶究 、疋^、。者，在破璃陶曼使用融態鹽HTF可能產生 的腐蝕問題，幾乎不會和鋼管—樣。 王 表2鋼頂部區段及破璃陶兗底部區段

Isssesli & ^5? # tg 1.33EOS 0.S4 1.规观 0.84 1,33E»03 0>©4 1.33^05 0.84 1.33^154 QM QM 133E-0S 0.84 1舉04 麵 1；33ε〇3 084

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機咖 26^19 25^941 2赛瓣34 25373407 52mQ 4C»5SO 3806011 ?®356· 7S1B82 mm 7613822 158712 1522754 HCE 100的中央管件l〇2可以有選擇性的塗膜：⑴吸收 太陽輻射（最好高峰在頻譜的可見光部分，延伸到約2微米) ;(ii)反射紅外線輻射；和（iii)低發射率（〈〇.丨，在4〇〇_5〇〇 18 201000838 C最好<0. 07)。不像先前技術的塗膜，玻璃陶瓷的塗膜不 需要特別指示來當作氫隔離層，雖然塗膜可能也有一些氫 隔離層的特性。 日參1圖5,中央管件丨〇2可以是至少部份透_構造(可 以是顯著的透明）。太陽能吸收塗膜120可放在其内表面（ 而不是外表面）。和鋼管作比較，鋼管則需要在外表面塗膜 。太陽能吸收塗膜12〇可以是暗色顏料，藉由層壓，凝膠處 理，及/或此項技術其他適合的技術加以處理。太陽能吸收 ，膜12G可以在約2微米或以下可肤的波長頻譜中顯示出 尚峰吸收。結構可在中央管件的外表面選擇性加上紅外線 鏡子塗膜122。在該範例中，紅外線鏡子塗膜122可塗覆於 中央官件102本身的外表面。在紅外線鏡子塗膜122之上還 可進一步加上抗反射塗臈124(例如1/4又的&〇2或剋2〇3): 在圖6顯示的另一選擇性實施範例，中央管件1〇2可以 由染暗色不透明顏料的玻璃陶瓷形成中央管件1〇2。結構 可能在中央管件1Q2的外表面加上紅外線鏡子塗膜122。因 為玻璃陶瓷材料是暗色的，不需要在外表面置放任何太陽 能吸收塗膜120。在紅外線鏡子塗膜122之上還可進一步加 上抗反射塗膜124(例如1/4又的8瓜或八12〇3)。 ^ 在圖7顯示的另一選擇性實施範例，中央管件ι〇2可以 由稍微不透明顏料的玻璃陶瓷形成中央管件1〇2。紅外線 鏡子塗膜122可以加在中央管件1〇2的外表面。太陽能吸收 塗膜120(譬如70—i〇〇nm Mo-Ala的金屬陶£)可以加在層 122上。在太陽能吸收塗膜120之上還可進一步加上抗反射 19 201000838 塗膜124(例如1/4又的Si〇2或Al2〇3)。 雖然本發明在此已對特定實施例作說明，人們了解這 些實施例只作為說明本發明原理以及應用。因而人們了解 列舉性實施例能夠作許多變化以及能夠設計出其他排列而 並不會脫離下列申請專利範圍界定出本發明精神及原理。 應該只受限於下列申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 為了 δ兒明本發明各項目的，附圖所顯示的為本發明優 先情況，不過人們暸解本發明並不受限於所顯示精確排列 以及構造。 圖1為依據先前技術一對經由伸縮軟管排列搞合在— 起之熱收集元件的侧視圖。 圖2為依據本發明一項或多項採用玻璃陶曼中央管件 之熱收集元件的侧視圖。 圖3為依據本發明一項或多項一對並不採用伸縮軟管 麵合在一起之熱收集元件的側視圖。 圖4為曲線圖，顯示出7〇imn外徑鋼製中央管件所需要之 厚度，為壓力之函數。 圖5為依據本發明一項或多項採用玻璃陶瓷中央管件 以及選擇性塗膜之熱收集元件的側視斷面圖。 圖6為依據本發明一項或多項採用玻璃陶竟中央管件 以及選擇性塗膜另一設計之熱收集元件的側視斷面圖。 圖7為依據本發明一項或多項採用玻璃陶瓷中央管件 以及選擇性塗膜更進一步另一設計之熱收集元件的側视斷 20 201000838 面圖。 【主要元件符號說明】 熱收集元件(HCE) 10;内鋼管件12;外玻璃管14;空 隙16;伸縮軟管18;HCE 100;中央管件1〇2;外側管件 104;空隙 106;端部 ll〇A，ll〇B;金屬軸環 112A，112B;太 陽能吸收塗膜120;紅外線鏡子塗膜122;抗反射塗膜 124。 21

Claims (1)

1. 201000838 七、申請專利範圍： 1. 一種太陽熱收集元件，其包括： 由玻璃陶瓷材料形成的中央管件；以及 由玻璃材料形成的外侧管件，其相對於中央管件同軸放 置以在其間形成一個空間， 其中外側管件之各別端部耦合至中央管件。 2. 依據申請專利範圍第j項之太陽熱收集元件,其中外側管 件之各別端部_合至中央管件並不採用溫度膨脹補償之可 彎曲接頭。 3. 依據中請翻_第丨項之太陽熱收集元件，其中外側管 件之各別端部可利用玻璃與陶莞密封直接地融合至中央管 件。 、 4. 依據申請專利範圍第^之太陽熱收集桃並中更進— 步包含鋼製金屬軸環，其融合至中央管件相對之端部，其中 鋼製金屬軸環可允許太陽熱收集元件鋅接至相鄰之太陽教 收集元件。 … 5·依射請專利範圍第1項之太陽熱收集祕，其中. 外側管件之溫絲_㈣低財央管件之操作溫 度範圍限制；以及 ^擇外側&件以及中央管件之各別熱膨脹係數，使得外 側&件以及t央t件之各繼喊膨脹餘彼此相匹配。 6. 依據申請專利範圍第5項之太陽熱收集元件,其中外側管 件之熱膨脹魏為t央管件之鱗祕數的2至6倍之間。 7. 依據申請專利範圍第1項之太陽熱收集元件，其中中央管 22 201000838 件之熱膨脹係數為小於4ppm/°c。 8. 依據申請專利範圍第1項之太陽熱收集元件，其中 步包含集氣劑材料位於外侧管件與中央管件之間办更進〜 9. 依據中請專概圍第8項之太陽熱收隼 =中。 一種情況： 、卞，/、中為下列 集氣劑材料為小於4〇公克； 集氣劑材料為小於2〇公克； 集氣劑材料為小於5公克； 集氣劑材料為小於1公克。 1—0.依據申請專利範圍帛i項之太陽熱收集元件，其中中央 管件至少為部份透明的以及包含太陽能吸收塗膜於其内側 表面上，太陽能吸收塗膜呈現出尖峰吸收為在可見光頻譜 中波長為2微米或更短波長。 11. 依據ΐ請專概圍第丨項之太陽熱收集元件，其中更進 一步包含： 紅外線鏡子塗膜於中央管件之外側表面上；以及 抗反射塗膜於紅外線鏡子塗膜上。 12. 依據申請專利範圍第丨項之太陽熱收集元件，其中： 中央管件染暗色不透明顏料；以及 中央官件並不包含太陽能吸收塗膜於其外側表面上。 13·依據申請專利範圍第12項之太陽熱收集元件，其中更進 一步包含： 紅外線鏡子塗中央管件之外絲面上；以及 抗反射塗膜於紅外線鏡子塗膜上。 23 201000838 14. 依據申請翻_第丨項之太陽純“件，其 管件為染亮色不透明顏料。 、 15. 依據申請專利範圍第14項之太陽熱收集元件，其中 一步包含紅外線鏡子塗膜於中央管件之外侧表面上。 16·依據申請專利範圍第15項之太陽熱收集元件，其中更進 一步包含太陽能吸收塗膜於紅外線鏡子塗膜上。 17. 依據申請專利範圍_164項之太陽熱收集元件，其中更進 步包含抗反射塗膜於太陽能吸收塗膜上。 18. 依據申請專利範圍第！項之太陽熱收集元件，其 一種情況： ' 中央營件之壁板厚度為小於5mm; 中央管件之壁板厚度為小於4mm; 中央管件之壁板厚度為3至3. 5mm之間。 19. 一種太陽熱收集元件，其包含： 由玻璃陶瓷所形成之中央管件；以及 由玻璃所形成之外側管件，其相對於中央管件同軸放置 以在其間形成一個空間。 20. 依據申凊專利範圍第μ項之太陽熱收集元件，其中更進 一步包含集氣劑材料位於外側管件與中央管件之間空間中 ’其中集氣劑材料在1至5公克之間。 21. 依據申請專利範圍第19項之太陽熱收集元件，其中中央 管件之壁板厚度為3至3. 5mm之間。 、 22. 依據申請專利範圍第19項之太陽熱收集元件，其中中央 S件至少部份為透明的以及包含太陽能吸收塗膜於其外側 24 201000838 表面上。 23.依據申請專利範圍第19項之太陽熱收集元件，其中中央 管件染暗色不透明顏料以及中央管件並不包含太陽能吸收 塗膜於其外側表面上。 21依據申請專利範圍第19項之太陽熱收集元件，其中中央 官件為染亮色不透明顏料以及紅外線鏡子塗膜於中央管件 之外側表面上，以及太陽能吸收塗膜於紅外線鏡子塗臈上。 25