專(zhuān)利名稱(chēng)：管狀太陽(yáng)能集熱器的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管狀太陽(yáng)能集熱器的領(lǐng)域，所述管狀太陽(yáng)能集熱器適于在真空下操作，且適于使用不同的載熱流體，并包括金屬-玻璃接頭連接件。所提出的發(fā)明可用于制造線(xiàn)性聚光太陽(yáng)能集熱器，其中在內(nèi)部接收金屬管和外部玻璃管之間提供真空間隙，且其中所述接收管通過(guò)連接元件連接至外部管，以確保在間隙中保持真空。
背景技術(shù)：
已知在利用太陽(yáng)能的聚集而產(chǎn)生電能的部門(mén)，特別是在新型熱力電廠(chǎng)中，使用特殊的拋物面反射鏡，其僅圍繞一個(gè)軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而在其東西軌道中追蹤太陽(yáng)。反射鏡單獨(dú)將 太陽(yáng)福射的直接構(gòu)成(directcomponent)反射和聚集在接收管或集熱器上,合適的載熱流體(如導(dǎo)熱油或熔融鹽的混合物或蒸汽)在所述接收管或集熱器內(nèi)流動(dòng)。流體在通過(guò)一系列太陽(yáng)能集熱器之后加熱至約600-700° C的溫度，由此吸收的熱量通過(guò)合適的熱交換器被轉(zhuǎn)移至蒸汽發(fā)生器，以用于隨后通過(guò)渦輪交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。因此這種集熱器經(jīng)受由太陽(yáng)周期所導(dǎo)致的包含于其中的載熱流體的循環(huán)加熱和冷卻。太陽(yáng)能集熱器為聚光太陽(yáng)能電廠(chǎng)中最重要的元件之一，其性能強(qiáng)烈影響使用其的太陽(yáng)能電站的熱效率。太陽(yáng)能集熱器相當(dāng)于太陽(yáng)能電站的總成本的約20%。考慮到集熱器的故障導(dǎo)致相當(dāng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)，考慮到集熱器通常以單個(gè)閉合線(xiàn)路彼此連結(jié)，且僅一個(gè)元件的故障中止整個(gè)線(xiàn)路，太陽(yáng)能集熱器的可靠性為基本要求。管狀集熱器基本上由內(nèi)部金屬管和外部共軸玻璃管構(gòu)成，載熱流體在所述內(nèi)部金屬管中循環(huán)，所述外部共軸玻璃管保持在真空下，并通過(guò)金屬-玻璃接頭連接至所述內(nèi)部管；集熱器的所述外部管的構(gòu)造通常需要使用具有低熱膨脹系數(shù)的硼硅酸鹽玻璃。金屬-玻璃接頭為集熱器最關(guān)鍵的組件，因?yàn)槠浔仨毚_保對(duì)氣體滲透的優(yōu)良?xì)饷苊芊?、?duì)熱循環(huán)的抗性和對(duì)操作過(guò)程中腐蝕的抗性，且其還必須適當(dāng)彈性以抵抗由于內(nèi)部間隙的降壓而導(dǎo)致的應(yīng)力。為了在使用太陽(yáng)能集熱器的適當(dāng)時(shí)間內(nèi)可靠地確保這種性質(zhì)，金屬-玻璃接頭應(yīng)具有有關(guān)金屬和玻璃之間的熱膨脹系數(shù)和可濕性的某些特性。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的與構(gòu)造金屬-玻璃接頭相關(guān)的問(wèn)題之一在于如下事實(shí)金屬一般具有比硼硅酸鹽玻璃特有的熱膨脹系數(shù)顯著更大的熱膨脹系數(shù)，這導(dǎo)致在構(gòu)造的接頭中建立機(jī)械應(yīng)力，所述機(jī)械應(yīng)力易于在熱偏差(在制造和使用集熱器的步驟中接頭經(jīng)受所述熱偏差)過(guò)程中導(dǎo)致破壞接頭，因此使得所述接頭不可靠，并危害太陽(yáng)能集熱器排列的適當(dāng)操作。已提出并使用具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬以用于金屬-玻璃接頭，但它們的大多數(shù)產(chǎn)生不可靠的接頭。這種接頭的第一個(gè)例子描述于有關(guān)太陽(yáng)能輻射集熱器的專(zhuān)利US4523578中，其中接頭的金屬可為銅或不銹鋼。
接頭的第二個(gè)例子描述于有關(guān)用于X-射線(xiàn)管中的連接裝置的專(zhuān)利US6324870中，其中接頭的金屬可為不銹鋼。由于用于工業(yè)應(yīng)用的上述接頭的固有危險(xiǎn)程度，還產(chǎn)生如下需要為了制造上述接頭而采用難以獲得的技術(shù)和幾何學(xué)解決方法，這使得連結(jié)過(guò)程耗時(shí)且復(fù)雜，并意味著最終產(chǎn)品的成本的顯著增加。為了解決接頭中的機(jī)械應(yīng)力的問(wèn)題，因此提出了這樣的金屬-玻璃接頭，所述金屬-玻璃接頭具有的金屬或合金在環(huán)境溫度和玻璃退火溫度之間的溫度范圍內(nèi)具有的熱膨脹系數(shù)極接近所用的玻璃(如硼硅酸鹽玻璃)的熱膨脹系數(shù)；超過(guò)所述溫度時(shí)，玻璃的熱膨脹系數(shù)和金屬的熱膨脹系數(shù)之間的可能的差異通過(guò)如下事實(shí)補(bǔ)償達(dá)到低粘度的玻璃不提供機(jī)械阻力，因此其能夠跟隨金屬的膨脹。這些金屬-玻璃接頭在制造之后和在操作過(guò)程中具有低內(nèi)部應(yīng)力；在適用于制造 金屬-玻璃接頭的目的以及應(yīng)用于制造金屬-玻璃接頭的金屬和金屬合金中，提議鎢、鑰、較便宜的鐵-鎳(Fe-Ni )合金，特別是鐵-鎳-鈷(Fe-Ni-Co )合金。在鐵_鎳-鈷(Fe-Ni-Co )合金中，通常含有29重量％的鎳和17重量％的鈷的那些具有等于約430° C的轉(zhuǎn)變溫度，所述轉(zhuǎn)變溫度高于Fe-Ni合金的轉(zhuǎn)變溫度，在所述轉(zhuǎn)變溫度內(nèi)熱膨脹系數(shù)保持幾乎穩(wěn)定，并接近硼硅酸鹽玻璃的熱膨脹溫度。該類(lèi)接頭的第一個(gè)例子在專(zhuān)利US2564950中指出，所述專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于提供玻璃-金屬連接件的玻璃，所述玻璃-金屬連接件特別適于提供X-射線(xiàn)管。所述玻璃在X-射線(xiàn)管的操作溫度范圍內(nèi)具有的熱膨脹系數(shù)接近Fe-Ni-Co合金和鎢的熱膨脹系數(shù)。該類(lèi)接頭的第二個(gè)例子在有關(guān)應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器的玻璃-金屬接頭的專(zhuān)利US7562655中指出，其中所述接頭的金屬為Fe-Ni-Co合金，且其直接熔合至硼硅酸鹽玻璃。然而，專(zhuān)利US2564950和US7562655似乎均未提供對(duì)與粘附和錨定、熱循環(huán)和操作過(guò)程中的腐蝕相關(guān)的問(wèn)題的有效解決方法。此外，為了確保氣密密封，金屬和玻璃必須具有相對(duì)于彼此良好的可濕性。這種性質(zhì)可通過(guò)測(cè)量在連結(jié)步驟中形成的金屬和玻璃之間的接觸角α而進(jìn)行評(píng)價(jià)。所述角度α介于金屬-玻璃張力的方向和玻璃-空氣張力的方向之間，與玻璃的外表面正切，且頂點(diǎn)在玻璃-金屬-空氣三相點(diǎn)中。90°以下的接觸角α為良好的可濕性的指標(biāo)，相反，90°以上的角度α為較差的可濕性的指標(biāo)。工業(yè)建設(shè)和應(yīng)用的重大當(dāng)前問(wèn)題和危險(xiǎn)程度是由于如下事實(shí)金屬和玻璃不是通過(guò)單個(gè)元件形成，而是通過(guò)多個(gè)元件和化學(xué)化合物的組合形成，為了金屬和玻璃的聯(lián)接，需要確定能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求的特定的金屬合金和特定的玻璃混合物，以及合適的熱處理(其中特定的氧化物在基底金屬表面上生長(zhǎng))?，F(xiàn)有技術(shù)提供了在將金屬，如Fe-Ni-Co合金連結(jié)至玻璃之前使其在高溫濕氫氣中經(jīng)受脫碳處理。脫碳旨在從金屬基體去除碳，以防止金屬基體與玻璃的氧化物反應(yīng)而形成危害接頭抗性的CO和/或CO2氣泡。然而，脫碳處理暴露了如下缺點(diǎn)由于使用高濃度的氫氣而導(dǎo)致需要特定的安全措施，因此代表了提供接頭的方法的昂貴且復(fù)雜的步驟。用于在連結(jié)至玻璃之前避免Fe-Ni-Co合金脫碳的方法在CN101117276中指出，所述專(zhuān)利描述了組裝玻璃和金屬的方法以及經(jīng)組裝的組件的后續(xù)處理，所述處理包括在450-700° C下在濕氮?dú)庵醒趸?-50分鐘，以5-15° C/min的梯度加熱，在900-1050° C下在含有氫氣的溫和還原 環(huán)境中保持5-60分鐘，以及最終以5-15° C/min的下降梯度在250-200° C下冷卻。這種方法非常復(fù)雜，并需要嚴(yán)格控制方法的溫度和氣氛，因此難以應(yīng)用于自動(dòng)化大規(guī)模制造用于聚光太陽(yáng)能集熱器的金屬-玻璃接頭。然而，所述文獻(xiàn)未確定待聯(lián)接至玻璃組合物的理想金屬組合物。因此觀察到，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，即使使用熱膨脹系數(shù)接近玻璃的熱膨脹系數(shù)的合金(例如Fe-Ni-Co)，也無(wú)法以如下方式在由硼硅酸鹽玻璃和金屬制成的管狀元件之間獲得抗性和可靠的接頭允許在焊接或連結(jié)之前避免關(guān)鍵的脫碳階段，或者避免引入對(duì)金屬-玻璃接頭產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不利影響的復(fù)雜熱連結(jié)過(guò)程。本發(fā)明提出了一種管狀太陽(yáng)能集熱器，其使用創(chuàng)新的具有特定金屬合金組合物和特定的玻璃組合物的金屬-玻璃接頭獲得，從而克服現(xiàn)有技術(shù)已知的問(wèn)題。新型金屬合金的使用允許通過(guò)簡(jiǎn)單的操作條件獲得金屬-玻璃接頭，所述簡(jiǎn)單的操作條件適合通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)以工業(yè)水平獲得。此外，通過(guò)將金屬與具有創(chuàng)新組成和化學(xué)物理特性的玻璃聯(lián)接，提供了金屬-玻璃管狀接頭，其具有在兩種材料之間的改進(jìn)的粘附特性，以及存在強(qiáng)真空值、熱循環(huán)和暴露于腐蝕劑時(shí)的優(yōu)良穩(wěn)定性。通過(guò)提供具有根據(jù)本發(fā)明所提出的金屬-玻璃接頭的太陽(yáng)能集熱器而可實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)為對(duì)氣體滲透的優(yōu)良?xì)饷苊芊?、合適的彈性以抵抗由于內(nèi)部間隙的降壓所導(dǎo)致的應(yīng)力、對(duì)熱循環(huán)的高抗性和對(duì)操作過(guò)程中的腐蝕的高抗性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)主要目的為一種金屬組合物，其適用于通過(guò)與硼硅酸鹽玻璃焊接而產(chǎn)生用于太陽(yáng)能集熱器的接頭。所述組合物以重力百分比表示包含如下合金元素
權(quán)利要求
1.一種金屬組合物，其適用于通過(guò)與硼硅酸鹽玻璃焊接而產(chǎn)生用于太陽(yáng)能集熱器(10)的接頭(22)，其中所述組合物以重量百分比表示包含如下合金元素
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬組合物，其包含如下合金元素
3.為了制造太陽(yáng)能集熱器而通過(guò)焊接獲得的金屬-玻璃接頭(22)，其中金屬組合物根據(jù)權(quán)利要求I或2所述，且其中玻璃為硼硅酸鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接頭(22)，其中玻璃組合物包含以重量百分比表示的如下組分
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接頭(22)，其中玻璃組合物包含以重量百分比表示的如下組分
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接頭(22)，其中適于獲得金屬-玻璃接頭的硼硅酸鹽玻璃的組合物還包含O. 3-2. O重量％的CaO。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的接頭(22)，其中硼硅酸鹽玻璃的組合物包含以重量百分比表示的如下組分
8.一種金屬環(huán)(20)，其適用于通過(guò)與由硼硅酸鹽玻璃制成的管(14)焊接而產(chǎn)生用于太陽(yáng)能集熱器(10)的金屬-玻璃接頭(22)，其中所述環(huán)(20)的金屬的組合物根據(jù)權(quán)利要求I或2所述。
9.一種管狀太陽(yáng)能集熱器(10)，其包括第一內(nèi)部金屬管(12)和第二外部共軸管(14)，載熱流體在所述第一內(nèi)部金屬管(12)中循環(huán)，所述第二外部共軸管(14)由適于在真空下操作的玻璃制成，并通過(guò)至少一個(gè)金屬-玻璃接頭(22)連接至所述第一管，其中 -所述接頭(22)的玻璃為硼硅酸鹽， -所述第一管(12)由金屬材料制成，所述金屬材料抵抗高溫載熱流體的機(jī)械和化學(xué)作用； 其特征在于 -所述接頭的玻璃通過(guò)直接熔合而聯(lián)接至根據(jù)權(quán)利要求8所述的環(huán)(20)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的集熱器(10)，其中所述金屬-玻璃接頭(22)根據(jù)權(quán)利要求3至7中任一項(xiàng)所述。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的集熱器(10)，其中抵抗高溫載熱流體的機(jī)械和化學(xué)作用的第一管(12)的金屬為奧氏體不銹鋼，優(yōu)選為AISI 321或316Ti。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬組合物，其適用于通過(guò)與硼硅酸鹽玻璃焊接而產(chǎn)生用于太陽(yáng)能集熱器(10)的接頭(22)。所述組合物以重力百分比表示包含如下合金元素 Ni Co Mn Si C Ti Zr Ta Ti+Zr+Ta 28-31 15-18 ≤0.5 ≤0.3 ≤0.05 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.40且使得45.5≤(Ni+Co)≤46.5且(Ti+Ta+Zr)≥4×C，除了不可避免的雜質(zhì)之外，剩余部分由鐵組成。本發(fā)明還涉及一種金屬環(huán)(20)、由此獲得的金屬-玻璃接頭以及由此獲得的管狀太陽(yáng)能集熱器(10)，所述金屬環(huán)(20)由上述金屬組合物制成，并適用于通過(guò)焊接而產(chǎn)生金屬-玻璃接頭。
文檔編號(hào)F24J2/05GK102906512SQ201180019637
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者F·魯菲尼, C·拉吉, S·福爾圖納蒂, L·卡焦拉, A·德盧卡 申請(qǐng)人:阿基米德太陽(yáng)能有限公司