CN101135501A - 高温太阳能集热管及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种高温太阳能集热管及其制造工艺，主要应用于槽式太阳能高温热发电领域，集热管包括玻璃外管和同轴的金属内管，连接件将具有膨胀补偿作用的波纹管与金属内管连接在一起，波纹管的另一端与金属－玻璃过渡件可伐环焊接，可伐环再与玻璃管进行封接。为了保护玻璃与金属封接处不受辐射，在封接处外面装配遮热罩，波纹管上焊接一薄壁遮光环。该玻璃管采用DM308、DM305或DM320钼组玻璃，可伐环采用4j29或4j30铁镍钴低膨胀合金，玻璃与金属封接满足匹配封接条件，利用扩散炉将可伐环有目的预氧化，然后将其与玻璃管进行火焰熔封。本发明能够很好的解决高温太阳能集热管玻璃与金属封接及封接后真空高温排气的问题，并且工艺简单，成本较低，实用性强。

Description

高温太阳能集热管及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种高温太阳能高温集热管及其制造工艺，主要用于槽式太阳能热发电***的真空吸热管，属于太阳能光热利用技术领域。
背景技术
槽式太阳能热发电***是一种典型的高温太阳能利用装置，其利用可跟踪太阳的槽型抛物面反射镜，将入射阳光反射聚焦在真空管上，金属管表面涂覆的选择性吸收膜吸收太阳光加热管内工质，产生高压蒸气，推动汽轮机发电。90年代初，美国与以色列组建的LUZ公司在加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热电站，总装机容量353MW太阳能热力发电机组，取得成功经验。
集热管一般由吸收辐射涂层的金属管和环绕的玻璃外管组成，玻璃管与金属管之间抽真空以减少热损失，单个集热管约4-6米长，并组装成800米长的线状太阳能吸热器。玻璃管和金属管通过玻璃-金属一过渡件相互气密连接。由于金属和玻璃不同的热膨胀系数和运行时受热情况不同，其中金属管达到400℃左右，而玻璃管仅100℃，因此要求金属管和玻璃套管之间膨胀补偿。一般由金属波纹管来缓解纵向热膨胀应力，这种高温真空集热管制造技术目前仅有德、以色列等国家的少数厂家掌握。
太阳能热利用中一般都采用高硼硅3.3玻璃，它是一种低膨胀率、耐高温、透光率和化学稳定性都比较高的玻璃，  因此被广泛应用于太阳能光热转换领域，但是由于它的热膨胀系数为3.3×10-6K-1，与金属的热膨胀系数相差较大，难以实现匹配封接，多采用过渡封接或热压力封接。如专利号为CN1078569的发明专利公开了一种玻璃与金属磁脉冲热压封接工艺，采用铝丝为焊料，通过磁脉冲将玻璃与金属热压封接在一起，封接温度400℃左右，属于非匹配压力封接。
专利号为CN1808015的专利发明了一种太阳能集热管，金属与玻璃封接处两层密封，内层使用粘结剂和密封剂粘结密封，外层靠压力差将皮碗紧密压紧在玻璃管上，实现两层密封。
由于固体表面或体内都吸附和溶解着大量的气体，当温度升高时吸附或溶解的气体就会向真空中逐渐释放，从而导致真空度降低甚至真空失效。在抛物面槽式太阳能电站中，高温真空集热管工作时金属内管的温度为400℃以上，所以集热管的真空排气温度要高于400℃才能较彻底的排除管体吸附的气体，从而保证集热管在正常工作时管体不再向真空中释放气体。显然封接温度低的方法难以满足集热管真空高温排气的要求。
发明内容
本发明的目的在于：根据高温太阳能集热器在槽式太阳能电站中的使用条件，提供一种高温太阳能集热管及其制造工艺，能够很好的解决高温太阳能集热管玻璃与金属封接及封接后真空高温排气的问题，并且工艺简单，成本较低，实用性强，为建造槽式太阳能发电站打下基础。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高温太阳能集热管，外玻璃套管采用热稳定性好、耐高温、价格相对高硼硅3.3玻璃要便宜的钼组玻璃如DM308、DM305、DM320玻璃，同轴金属内管采用不锈钢合金，金属管外壁镀有耐高温三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层。玻璃管与金属管之间抽真空以减少热损失，连接件将具有膨胀补偿作用的波纹管与金属内管连接在一起，波纹管的另一端与玻璃—金属过渡件可伐环焊接。可伐环采用铁镍钴低膨胀合金如4j29号或4j30号合金，金属与玻璃封接满足匹配封接，利用扩散炉将可伐环有目的预氧化，然后将其与玻璃在火焰中进行熔封。同时为避免抛物面反射镜的的光线反射到玻璃与金属封接处，在封接处外面套装有遮热罩，在波纹管上焊接也有一薄壁遮光环。
本发明的具体制造工艺内容简述如下：
本发明的工艺特征在于，高温太阳能集热管的制造工艺是按下列步骤完成的：
1.玻璃管的清洗：用玻璃清洗剂清洗玻璃管的内外壁，再用离子水清洗干净，然后烘干，温度在110℃-150℃之间，时间5-20分钟；
2.金属的清洗：清洗部件包括金属内管、波纹管、连接件、可伐环和遮光环，先进行机械净化，再用汽油在超声波清洗机中脱脂处理，再用丙酮在超声波清洗机中脱脂处理，然后烘干，温度在110℃-170℃之间，时间5-20分钟；
3.可伐环烧氢退火处理：未经烧氢处理的金属与玻璃熔封时会产生大量气泡，破坏了气密性和机械强度，因此需在高温、湿氢中对金属零件进行去气、脱碳，烧氢退火温度必须高于封接温度，温度范围为970℃-1050℃，时间10-25分钟；
4.金属管外壁镀三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层；
5.  可伐环封接处预氧化：氧化时要采用微还原气氛N2+H2O+H2，利用扩散炉将其加热到750-850℃进行5-15分钟左右；
6.封接：将氧化好的金属与玻璃在玻璃车床上利用火焰在保护气氛N2下加热熔封，封接方式采用***法，封接温度范围为900-1020℃，时间在15秒-60秒之间；
7.退火：封接后和接完排气尾管都要进行仔细退火，以消除玻璃的热应力；
8.焊接：包括波纹管与遮热环、连接件与可伐环、连接件与波纹管、连接件与金属管的焊接，都采用钎焊焊接，尽量减少焊接时由于局部温差引起的封接处热应力，保证真空压强低于10-3Pa；
9.真空排气：排气温度要保证在450℃-500℃之间，保温时间50-80分钟。当压力达到10-3pa时才可以逐渐降温，低于100℃时封离。
本发明中玻璃采用钼组DM308、DM305或DM320玻璃，热稳定性好，硬度高，耐腐蚀，并且能制成大管径的玻璃管。
封接处金属氧化膜的厚度对封接件的透气率、强度等有着至关重要的作用。为了达到玻璃与金属的良好润湿，对金属必须进行预氧化处理。传统的预氧化方式采用退火后暴露在空气中预氧化或封接时在火焰上直接氧化。而本发明金属预氧化工艺由于采用扩散炉，操作简单，便于控制气氛、温度和时间，能很好地将金属预氧化与封接结合在一起。
所述封接方式采用***法，即将可伐环封接处***玻璃管壁内形成双面封接或将其插进玻璃管内形成单面封接。如在实施例1中，可伐环直径比玻璃管直径相同，可伐环在封接端向里弯曲，封接时保证玻璃管内壁能紧密贴在可伐的弯曲部份，从而形成紧密封接，并能承受一定的压力。在实施例2中可伐环直接***玻璃管壁内一部分形成双边封接，这样封接强度更高。
膨胀补偿装置使用的是波纹管，它可以缓解玻璃外管与金属内管之间轴向的热膨胀量。
高温太阳能集热管在槽式太阳能电站运行时，金属管壁温度在400℃以上，而集热管经过450℃以上的高温排气，保证了集热管管壁不会由于高温释放气体导致真空失效，延长了使用寿命。并且玻璃与金属过渡部分因辐射受热和破裂是集热管报废的主要原因，所以本发明不仅在管外安装了遮热罩，而且还设计了喇叭形的遮光环，长度比可伐环略长，它可以将从抛物面反射镜射来的光线再反射到金属管或反射镜上，从而保证了封接处不受辐射。
高温太阳能集热管及其制造工艺有很多优点，它采用DM308、DM305或DM320玻璃，热稳定性好，硬度高，耐腐蚀；封接处为了使玻璃和金属有良好的浸润，采用扩散炉进行预氧化，效率高，封接效果好；波纹管可以缓解玻璃管与金属管之间的纵向热膨胀量；遮光环和遮热罩的结构保证封接处不受辐射，集热管在450℃以上排气使其在高温下工作真空不会失效，延长了集热管的使用寿命。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施方式作详细说明。其中：
图1为本发明实施例1的集热管局部剖面图；
图2为本发明实施例2的集热管局部剖面图；
图3A为遮光环的结构图；
图3B为遮光环的展开图。
参考符号表
1    集热管
2    玻璃外管
3    金属内管
4    连接件
5    波纹管
6    可伐环
7    遮热罩
8    遮光环
9    连接件
10   连接缝隙
具体实施方式
实施例1：
图1以剖面示出集热管1的末端。集热管1包括玻璃外管2和同轴位于玻璃外管2内的金属内管3，金属内管3采用不锈钢合金，其外层镀有耐高温三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层。
连接件4将金属内管3与具有膨胀补偿作用的波纹管5连接在一起；连接件9将波纹管5与可伐环6焊接在一起，薄壁遮光环8也焊接在波纹管5上，遮光环的倾斜度根据反射规律计算，保证既能遮挡光线又能尽量将光线反射到金属管体上。遮热罩7套装在可伐环上，保护封接处不被辐射。
具体工艺流程：
本实施例中玻璃外管2选用DM308号玻璃，其热膨胀系数为4.8×106K-1，直径为90-150mm，壁厚1.5-4mm；可伐环选用4j29号合金，其热膨胀系数为4.7×10-6K-1，直径90-150mm，壁厚0.8-2mm；
1.将玻璃管用玻璃清洗剂清洗内外壁，再用离子水清洗干净，然后在130℃烘干，时间10分钟；
2.将金属内管3、连接件4、波纹管5、遮光环8和连接件9进行机械净化，再用汽油在超声波清洗机中脱脂处理，再用丙酮在超声波清洗机中脱脂处理，然后在150℃烘干15分钟。可伐环6在封接处采用热加工进行向里弯曲处理后再清洗、烘干；
3.将可伐环6在1050℃湿氢气氛中进行20分钟左右烧氢退火；
4.金属内管3外壁镀三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层；
5.在可伐环6弯曲处进行预氧化，采用微还原气氛N2+H2O+H2，在扩散炉中将其加热到750-850℃进行5-15分钟左右；
6.将氧化好的可伐环6装在玻璃车床上并通入N2进行气氛保护，利用火焰加热玻璃管端部，当玻璃软化后迅速将同轴旋转的可伐环弯曲部分***玻璃管中，继续加热玻璃外管2与可伐环6封接处，保证火焰温度在900-1020℃之间，时间视具体情况而定，一般在15秒-60秒之间；
7.退火：封接好后要进行仔细退火，在玻璃管接完尾管后也要进行退火；
8.对波纹管5与遮热环8、连接件9与可伐环6和波纹管5，连接件4与金属管3和波纹管5的焊接采用钎焊，保证真空压强低于10-3pa；
9.集热管两端焊接完成后，进行真空排气，排气温度为470℃，保温时间70分钟。当压力达到10-3pa时逐渐降温，低于100℃时封离。
实施例2：
图2以剖面示出第二实施例的集热管局部剖面图。
本实施例中玻璃外管2选用DM305号玻璃，其热膨胀系数为4.9×10-6K-1，直径为90-150mm，壁厚1.5-4mm；可伐环选用4j30号合金，其热膨胀系数为4.8×10-6K-1，直径90-150mm，壁厚0.5-1mm；集热管结构基本与实施例1类似，不同之处是金属-玻璃过渡件可伐环6采用直接***玻璃管体2端部大约3-9mm左右，这样就形成了双面封接，保证了封接强度和漏气率。另外可伐环6与波纹管5直接焊接，未使用连接件。
具体工艺流程：
1.  同实施例1；
2.将金属内管3、连接件4、波纹管5、可伐环6和遮光环8，先进行机械净化，再用汽油在超声波清洗机中脱脂处理，再用丙酮在超声波清洗机中脱脂处理，然后在150℃烘干15分钟；
3.同实施例1；
4.同实施例1；
5.在可伐环6封接处预氧化，采用微还原气氛N2+H2O+H2，在扩散炉中将其加热到750-850℃进行5-15分钟左右；
6.将氧化好的可伐环6装在玻璃车床上并通入N2进行气氛保护，利用火焰加热玻璃管端部，当玻璃软化一定程度后，迅速将同轴旋转的可伐管预氧化段***玻璃管壁中，继续加热玻璃与可伐环6封接处，保证火焰温度在900-1020℃左右，时间视具体情况而定，一般在20秒-60秒之间；
7.同实施例1；
8.对波纹管5与遮热环8、可伐环6和波纹管5，连接件4与金属内管3和波纹管5的焊接采用钎焊，保证真空压强低于10-3pa。
9.集热管两端焊接完成后，进行真空排气，排气温度为460℃，保温时间80分钟。当压力达到10-3Pa时逐渐降温，低于100℃时封离。
图3A中遮光环采用具有高反射性能的薄壁铝板，其展开图如图3B所示，图中连接缝隙10可以是机械连接或焊接。
根据具体使用参数利用反射规律来计算所需要的遮光环的结构尺寸，确保其既能阻挡反射来的光线辐射封接处，又能实现尽量将光线反射到金属管3体上，从而增加吸热管的吸热效率。

Claims (4)

1.一种高温太阳能集热管，包括玻璃外管(2)和同轴的金属内管(3)，以及具有膨胀补偿作用的波纹管(5)，连接件(4)将波纹管(5)与金属内管(3)连接在一起，波纹管(5)的另一端与金属一玻璃过渡件可伐环(6)焊接，可伐环(6)再与玻璃管(2)进行封接，遮热罩(7)套装在可伐环(6)上，薄壁遮光环(8)焊接波纹管(5)上。所述薄壁遮光环(8)，其特征在于，遮光环(8)成喇叭形，能将光线反射到金属管体上。
2.按权利要求1所述的高温太阳能集热管，其特征在于，金属内管(3)采用不锈钢合金，其外层表面镀有耐高温三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层。
3.按权利要求1所述的高温太阳能集热管，其特征在于，该玻璃管采用DM308号、DM305号或DM320号钼组玻璃，可伐采用4j29或4j30铁镍钴低膨胀合金，玻璃与金属封接为匹配封接。
4.按权利要求1所述的高温太阳能集热管的制造工艺，其工艺特征在于，制造工艺是按下列步骤完成的：
1)玻璃管的清洗：用玻璃清洗剂清洗玻璃管的内外壁，再用离子水清洗干净，然后烘干，温度在110℃-150℃之间，时间5-20分钟；
2)金属的清洗：清洗部件包括不锈钢内管、连接件、波纹管、可伐环和遮光环，先进行机械净化，再用汽油在超声波清洗机中脱脂处理，再用丙酮在超声波清洗机中脱脂处理，然后烘干，温度在110℃-170℃之间，时间5-20分钟；
3)可伐环的烧氢退火处理：要在高温、湿氢中对可伐环进行去气、脱碳，烧氢退火温度必须高于封接温度，温度范围为970℃-1050℃，时间10-25分钟；
4)金属内管外壁镀三氧化二铝金属陶瓷选择性吸收涂层；
5)可伐环封接处预氧化：氧化时要采用微还原气氛N2+H2O+H2，利用扩散炉将其加热到750℃-850℃进行5-15分钟；
6)封接：将氧化好的金属与玻璃在玻璃车床上利用火焰在保护气氛N2下加热熔封，封接方式采用***法，封接温度范围为900℃-1020℃，时间在15秒-60秒之间；
7)退火：封接后和接完排气尾管后都要进行仔细退火，以消除玻璃热应力；
8)焊接：包括波纹管与遮热环、连接件与可伐环、连接件与波纹管、连接件与金属管的焊接，都采用钎焊焊接，尽量减少焊接时由于局部温差引起的封接处热应力，保证真空压强低于10-3pa；
9)真空排气：排气温度要保证在450℃-500℃之间，保温时间50-80分钟，当压力达到10-3Pa时才可以逐渐降温，低于100℃时封离。
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