槽式太阳能真空集热管封接技术研究进展
时间：2020-12-29 20:00:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：槽式太阳能热发电技术是目前世界上最成熟也是商业化运行最成功的太阳能热发电模式，而真空集热管作为槽式太阳能热发电技术中的重要组成部件，其研究进展一直受到广泛的关注。文章以专利技术为主，重点分析国内外企业和科研机构对于槽式太阳能真空集热管玻璃与金属封接技术的研究重点，以期为槽式太阳能热发电技术中的真空集热管提供新的发展指引。
关键词：槽式；太阳能热发电；真空集热管；玻璃-金属；封接
中图分类号：TK512 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0026-02
Abstract： The trough solar thermal power generation technology is the most mature and commercial solar thermal power generation mode in the world at present， and the vacuum collector tube is one of the most important components of the trough solar thermal power generation technology. Its research progress has been widely concerned. Based on the patent technology， this paper mainly analyzes the research focus of domestic and foreign enterprises and scientific research institutions on the sealing technology between glass and metal of trough solar vacuum collector tube. The purpose of this paper is to provide new guidance for the development of vacuum collector tubes in trough solar thermal power generation technology.
Keywords： trough； solar thermal power generation； vacuum collector tube； glass-metal； sealing
1 概述
聚光集熱子系统是槽式太阳能热发电的核心部分，而集热管则是整个系统的关键部件，它的热性能和可靠性决定了整个槽式热发电系统的热效率。从美国9座槽式太阳能热发电站运行和维护统计数据中发现，真空集热管失效和损坏是造成太阳能热发电厂经济损失的最重要因素[1]。
专利，作为一种技术载体和法律文本，以其细致的技术内涵与严谨的撰写方式在行业中起一定的代表性作用。故而，笔者通过检索，获得了有关槽式太阳能真空集热管玻璃与金属封接技术的专利样本，并对该样本进行分析，以期为槽式太阳能热发电技术中的真空集热管提供新的发展指引。
2 槽式太阳能真空集热管的基本结构与关键技术难点
典型的槽式太阳能真空集热管，如图1所示，包括涂覆选择性吸收涂层的金属内管和玻璃套管，玻璃套管与金属内管之间抽真空以减少热损失和防止涂层氧化。由于金属内管与玻璃套管的热膨胀系数、运行时受热强度不同，因此需要采用耐高温的玻璃与金属封接以保证气密性连接，以及利用金属波纹管来缓解金属内管和玻璃套管之间的纵向热膨胀应力。为了保证集热管的真空度，在玻璃套管与金属内管之间放置维持真空的吸气剂[2]。
由于应用对象的特殊性，槽式太阳能热发电中的真空集热管和应用于太阳能热水器中的全玻璃真空集热管在结构设计、材料选择、加工工艺等方面有明显差异。其中，玻璃与金属封接工艺是槽式太阳能真空集热管制作中最为关键的难题，它的好坏直接决定了集热管的寿命和性能。对于集热温度超过300℃的槽式太阳能热发电系统，金属和玻璃的封接通常采用熔封联接。熔封又叫火封，即利用火焰将玻璃熔化后，将金属和玻璃封接在一起。根据金属与玻璃的线膨胀系数之间差异，可分为匹配封接和非匹配封接。不管是匹配封接还是非匹配封接，一般均采用双边封接，玻璃从内外两侧包住金属管壁[3]。
3 槽式太阳能真空集热管封接技术国内外专利研究进展
3.1 国外研究进展
2004年，德国肖特公司的专利US2005181925A1提出一种适配于玻璃-金属复合物的玻璃，包括氧化硅、氧化硼、氧化铝等组分，通过调整配方改变玻璃膨胀系数，该玻璃由原膨胀系数为3.3×10-6/K的高硼硅玻璃改为热膨胀系数为5.5×10-6/K的硼硅玻璃，与常用金属的热膨胀系数仅有约10%的偏差，其能同时满足耐温度交变性和耐气候性的要求。
2008年，西班牙阿文戈亚太阳能公司的专利WO2009
121987A1提出一种用于集热管的玻璃与金属之间的机械密封连接装置，其采用机械力在金属管内侧和玻璃管外侧之间形成密封装置，具体为玻璃法兰和金属件之间采用柔性、可变形的金属接合部，如弹簧，以保持玻璃管与金属管之间的真空，其好处是失效时对应部件之间的真空度不会突然降低，以防止相应设备发生不可逆转的损坏。
2010年，德国西门子公司的专利DE102010063835A1提出一种用于在金属和玻璃之间产生粘接的方法，其通过IR辐射，特别是通过激光束在部件之间加热形成接头，从而形成粘合剂结合。该粘接方法可使玻璃和金属之间保持低应力、实现可靠连接。
2010年，意大利阿基米德太阳能公司的专利ITMI20100659A提出一种金属组合物，其适用于通过与硼硅酸盐玻璃焊接而产生用于太阳能集热器的接头，该组合物具有一定重量百分比的镍、钴、锰、硅、碳、钛、锆、钽、铁及杂质，其具有高亲和力和耐热机械性，能够跟随金属膨胀，具有优良气密密封性、弹性以抵抗由于内部间隙的降压所导致的应力。2012年，该公司专利EP2626336A1进一步改进玻璃-金属接头，其包括被密封在一起的金属卡圈和玻璃圆筒，金属卡圈的末端部分被斜切以增加其机械柔性；并且金属卡圈的末端部分经过热处理以便在金属和玻璃表面之间产生结合。
