[发明专利]具有玻璃陶瓷中央管的太阳热能收集装置

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2008年2月20日提交的美国申请第61/066375号的优先权，该在先申请通过参考结合于此。

发明领域

本发明涉及太阳热能收集装置(HCE)，该装置是一种用于太阳热能应用的管状辐射吸收装置。

技术背景

在其他应用中HCE可以用于太阳能设备的抛物线形槽收集器中。参见图1的常规热收集结构，该结构包括多个HCE 10，图中成对显示了一对10A、10B。各HCE10包括中央管12，以及围绕中央管12的玻璃管状夹套(外管)14，从而在其间形成圆柱形空间(具有环形截面)16。太阳辐射经由抛物面循迹反光镜(未显示)汇聚，并聚焦在HCE 10上，转化成热量。常规HCE 10长约4米，热收集结构的总长度基于结合在一起的HCE的数量。收集的热量经由流过HCE 10的中央管12的导热介质传导出去，直接用作工艺热或者转化成电能。

中央(或内)管12通常是不锈钢，并涂覆有干涉涂层，该涂层设计用于：(1)吸收太阳辐射，(2)用作红外镜，和(3)在最高操作温度下具有低发射率。外管14通常由硼硅酸盐玻璃形成。钢内管12和玻璃外管14使用波纹管18连接，以补偿玻璃和钢之间的热膨胀不匹配。玻璃外管14通过玻璃-金属密封技术与波纹管18结合，波纹管18焊接在钢管12上。波纹管18提供玻璃-金属过渡元件，该元件允许钢管12和玻璃管14之间发生纵向移动，以补偿它们之间的热膨胀不匹配。

将玻璃管14和钢管12之间的空间抽空至约10^-4托，以最大程度降低辐射热损失。常规HCE设计在钢管12中采用有机传热流体(HTF)。典型的HTF包括Therminol^TM VP-1或Dowtherm A，都是约75％二苯醚和25％联苯的混合物。

使用合成油作为HTF的常规HCE 10对于太阳能发电的操作温度约为300-400℃(最高750°F)。在400℃的最高操作温度下，玻璃管14升温至约100℃。对于使用合成油作为HTF的管，要符合品质控制和可靠性要求，HCE必须能在25-30年的周期内能够进行从低于0℃至400℃的循环。

由于合成油HTF的老化降解产生的游离氢扩散通过钢管12并影响到圆柱形空间16内的真空。渗透速率和油降解速率随操作温度升高而增大。氢气具有非常高的热导率，因此氢气泄漏到空间16中产生明显的热损失，并导致真空度降低。

考虑使用过饱和的蒸汽和熔盐作为HTF，来减轻氢扩散问题。使用过饱和的蒸汽作为HTF的考虑是，与合成油采用的压力相比，要求更高的压力，因此需要增大钢管12的重量。另外，采用过饱和蒸汽的设计还必须对闪蒸蒸汽、凝聚、安全预防(即，场地中的管破裂)等进行处置。对使用熔盐作为HTF的主要考虑问题是结冰(或盐凝固)和腐蚀。

因此，已经开发了常规涂覆技术来解决氢扩散问题。例如，使用不锈钢管上的原生(native)热氧化物和氧化铝来减轻氢渗透问题。除了解决氢扩散问题以外，常规钢中央管12还通常在其外表面上包括许多涂层，以实现若干功能，即：(i)促进太阳辐射的吸收；(ii)促进太阳辐射在红外光谱中的反射；(iii)促进低发射率；和(iv)用作氢阻挡层。例如，典型的涂层结构包括(从最内层至最外层)：沉积在原生氧化物上的约25纳米厚度的Al₂O₃氢阻挡层；约150纳米的Mo红外镜；约70-100纳米的金属陶瓷(陶瓷金属，Mo-Al₂O₃)可见光吸收层；以及约1/4波长厚度的SiO₂或Al₂O₃减反射层。

除了对钢管12进行涂覆以外，还在空间16中引入吸气材料，以除去氢。吸气材料与氢气结合或反应，有助于保持真空。当吸气材料的容量饱和时，空间16中的压力再次升高，直至空间16中游离氢的分压与HTF中溶解的氢达到平衡。在已知吸收管中，空间16中氢的平衡压力为0.3-3毫巴。

常规HCE设计存在一些问题，包括：波纹管机件的复杂性较高(以及相关的部件和组装成本)，通过波纹管机件的热损失(可能高达10％)，上述热膨胀不匹配和相关的温度不稳定，以上讨论的氢渗透性问题，采用熔盐HTF时的腐蚀问题，复杂和高成本的涂覆技术，较高的重量等。

因此，本领域中需要能减轻或消除以上一个或多个问题的新的HCE机制。

发明概述