槽式太陽能真空集熱管封接技術(shù)研究進(jìn)展

陳蘇蘇

摘 要：槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前世界上最成熟也是商業(yè)化運(yùn)行最成功的太陽能熱發(fā)電模式，而真空集熱管作為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的重要組成部件，其研究進(jìn)展一直受到廣泛的關(guān)注。文章以專利技術(shù)為主，重點(diǎn)分析國(guó)內(nèi)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)于槽式太陽能真空集熱管玻璃與金屬封接技術(shù)的研究重點(diǎn)，以期為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的真空集熱管提供新的發(fā)展指引。

關(guān)鍵詞：槽式；太陽能熱發(fā)電；真空集熱管；玻璃-金屬；封接

中圖分類號(hào)：TK512 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

聚光集熱子系統(tǒng)是槽式太陽能熱發(fā)電的核心部分，而集熱管則是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的熱性能和可靠性決定了整個(gè)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率。從美國(guó)9座槽式太陽能熱發(fā)電站運(yùn)行和維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，真空集熱管失效和損壞是造成太陽能熱發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)損失的最重要因素[1]。

專利，作為一種技術(shù)載體和法律文本，以其細(xì)致的技術(shù)內(nèi)涵與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖珜懛绞皆谛袠I(yè)中起一定的代表性作用。故而，筆者通過檢索，獲得了有關(guān)槽式太陽能真空集熱管玻璃與金屬封接技術(shù)的專利樣本，并對(duì)該樣本進(jìn)行分析，以期為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的真空集熱管提供新的發(fā)展指引。

2 槽式太陽能真空集熱管的基本結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

典型的槽式太陽能真空集熱管，如圖1所示，包括涂覆選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管和玻璃套管，玻璃套管與金屬內(nèi)管之間抽真空以減少熱損失和防止涂層氧化。由于金屬內(nèi)管與玻璃套管的熱膨脹系數(shù)、運(yùn)行時(shí)受熱強(qiáng)度不同，因此需要采用耐高溫的玻璃與金屬封接以保證氣密性連接，以及利用金屬波紋管來緩解金屬內(nèi)管和玻璃套管之間的縱向熱膨脹應(yīng)力。為了保證集熱管的真空度，在玻璃套管與金屬內(nèi)管之間放置維持真空的吸氣劑[2]。

由于應(yīng)用對(duì)象的特殊性，槽式太陽能熱發(fā)電中的真空集熱管和應(yīng)用于太陽能熱水器中的全玻璃真空集熱管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、加工工藝等方面有明顯差異。其中，玻璃與金屬封接工藝是槽式太陽能真空集熱管制作中最為關(guān)鍵的難題，它的好壞直接決定了集熱管的壽命和性能。對(duì)于集熱溫度超過300℃的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，金屬和玻璃的封接通常采用熔封聯(lián)接。熔封又叫火封，即利用火焰將玻璃熔化后，將金屬和玻璃封接在一起。根據(jù)金屬與玻璃的線膨脹系數(shù)之間差異，可分為匹配封接和非匹配封接。不管是匹配封接還是非匹配封接，一般均采用雙邊封接，玻璃從內(nèi)外兩側(cè)包住金屬管壁[3]。

3 槽式太陽能真空集熱管封接技術(shù)國(guó)內(nèi)外專利研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

2004年，德國(guó)肖特公司的專利US2005181925A1提出一種適配于玻璃-金屬?gòu)?fù)合物的玻璃，包括氧化硅、氧化硼、氧化鋁等組分，通過調(diào)整配方改變玻璃膨脹系數(shù)，該玻璃由原膨脹系數(shù)為3.3×10-6/K的高硼硅玻璃改為熱膨脹系數(shù)為5.5×10-6/K的硼硅玻璃，與常用金屬的熱膨脹系數(shù)僅有約10%的偏差，其能同時(shí)滿足耐溫度交變性和耐氣候性的要求。

2008年，西班牙阿文戈亞太陽能公司的專利WO2009

121987A1提出一種用于集熱管的玻璃與金屬之間的機(jī)械密封連接裝置，其采用機(jī)械力在金屬管內(nèi)側(cè)和玻璃管外側(cè)之間形成密封裝置，具體為玻璃法蘭和金屬件之間采用柔性、可變形的金屬接合部，如彈簧，以保持玻璃管與金屬管之間的真空，其好處是失效時(shí)對(duì)應(yīng)部件之間的真空度不會(huì)突然降低，以防止相應(yīng)設(shè)備發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

2010年，德國(guó)西門子公司的專利DE102010063835A1提出一種用于在金屬和玻璃之間產(chǎn)生粘接的方法，其通過IR輻射，特別是通過激光束在部件之間加熱形成接頭，從而形成粘合劑結(jié)合。該粘接方法可使玻璃和金屬之間保持低應(yīng)力、實(shí)現(xiàn)可靠連接。

2010年，意大利阿基米德太陽能公司的專利ITMI20100659A提出一種金屬組合物，其適用于通過與硼硅酸鹽玻璃焊接而產(chǎn)生用于太陽能集熱器的接頭，該組合物具有一定重量百分比的鎳、鈷、錳、硅、碳、鈦、鋯、鉭、鐵及雜質(zhì)，其具有高親和力和耐熱機(jī)械性，能夠跟隨金屬膨脹，具有優(yōu)良?xì)饷苊芊庑浴椥砸缘挚褂捎趦?nèi)部間隙的降壓所導(dǎo)致的應(yīng)力。2012年，該公司專利EP2626336A1進(jìn)一步改進(jìn)玻璃-金屬接頭，其包括被密封在一起的金屬卡圈和玻璃圓筒，金屬卡圈的末端部分被斜切以增加其機(jī)械柔性；并且金屬卡圈的末端部分經(jīng)過熱處理以便在金屬和玻璃表面之間產(chǎn)生結(jié)合。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2006年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所的專利CN101135501A在集熱管的玻璃-金屬之間采用可伐環(huán)進(jìn)行匹配封接，玻璃外管采用鉬玻璃，可伐環(huán)采用鐵鎳鈷低膨脹合金，封接處采用擴(kuò)散爐進(jìn)行預(yù)氧化以使玻璃和金屬有良好的浸潤(rùn)。2011年，該研究所的專利CN102276166A進(jìn)一步改進(jìn)封接方法，在高頻電磁感應(yīng)設(shè)備的線圈內(nèi)設(shè)置厚壁金屬管，對(duì)玻璃與金屬進(jìn)行熱封接，并形成內(nèi)外夾封結(jié)構(gòu)，具有較好的封接強(qiáng)度，該方法為匹配封接，無需使用過渡玻璃，并且解決了玻璃軟化溫度高難以封接的問題。

2011年，北京工業(yè)大學(xué)的專利CN102390927A對(duì)集熱管用玻璃進(jìn)行改進(jìn)，其化學(xué)組成（wt%）為：SiO2 68～78、B2O3 5.2～8.0、Al2O3 4.8～6.5、Li2O 0.05～0.50、Na2O 2.4～8、K2O 0.6～3.0、CaO 4～9、SnO2 0.15～0.40。該玻璃可實(shí)現(xiàn)較好的熔化質(zhì)量，具有優(yōu)良的封接性，在20～400℃范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)與可伐合金材料一致，可滿足匹配性封接技術(shù)要求，并保障封接氣密性和材料潤(rùn)濕性。

2011年，河海大學(xué)的專利CN102225850A在集熱管的可伐合金與內(nèi)管之間設(shè)置環(huán)形中空?qǐng)A管，利用槽式熱發(fā)電系統(tǒng)凝結(jié)水泵出來的冷卻水通過設(shè)置的圓管，減少可伐合金的溫度和熱應(yīng)力，并在可伐合金的外表面設(shè)置環(huán)形遮熱罩對(duì)可伐金屬進(jìn)行保護(hù)。

2015年，北京有色金屬研究總院的專利CN105254191A提出一種封接方法，其采用在室溫至450℃溫度區(qū)間、膨脹系數(shù)相差不超過15%的可伐合金和高硼硅玻璃管，利用膨脹系數(shù)介于二者之間的玻璃粉作為過渡材料，實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬的封接，且在封接前將可伐合金加工成帶凹槽的可伐合金環(huán)并進(jìn)行燒氫和預(yù)氧化處理，以最大限度提高可伐合金與玻璃的封接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

對(duì)于槽式太陽能真空集熱管玻璃-金屬封接技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)在于玻璃-金屬封接的最佳結(jié)構(gòu)、封接過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化以及與可伐合金匹配封接的玻璃材料的探索等方面。和國(guó)外的多家科研實(shí)力雄厚的公司相比，我國(guó)在該方面的研發(fā)力量較為分散，且尚未得到規(guī)模化應(yīng)用驗(yàn)證，從而成為制約我國(guó)槽式熱發(fā)電部件發(fā)展的因素之一。國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)重視玻璃與金屬封接技術(shù)的同步研究，重點(diǎn)著力于規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷東強(qiáng).高溫槽式太陽能真空集熱管的研究[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2008（11）：39-41.

[2]王杰峰，焦存柱，張粉利，等.槽式太陽能真空集熱管研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].太陽能，2017（07）：28-32.

[3]王軍，張耀明，王俊毅，等.太陽能熱發(fā)電系列文章（11）槽式太陽能熱發(fā)電中的真空集熱管[J].太陽能，2007（05）：24-28.