专利名称：管状太阳能集热器的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及管状太阳能集热器的领域，所述管状太阳能集热器适于在真空下操作，且适于使用不同的载热流体，并包括金属-玻璃接头连接件。所提出的发明可用于制造线性聚光太阳能集热器，其中在内部接收金属管和外部玻璃管之间提供真空间隙，且其中所述接收管通过连接元件连接至外部管，以确保在间隙中保持真空。
背景技术：
已知在利用太阳能的聚集而产生电能的部门，特别是在新型热力电厂中，使用特殊的抛物面反射镜，其仅围绕一个轴线旋转，从而在其东西轨道中追踪太阳。反射镜单独将 太阳福射的直接构成(directcomponent)反射和聚集在接收管或集热器上,合适的载热流体(如导热油或熔融盐的混合物或蒸汽)在所述接收管或集热器内流动。流体在通过一系列太阳能集热器之后加热至约600-700° C的温度，由此吸收的热量通过合适的热交换器被转移至蒸汽发生器，以用于随后通过涡轮交流发电机产生电力。因此这种集热器经受由太阳周期所导致的包含于其中的载热流体的循环加热和冷却。太阳能集热器为聚光太阳能电厂中最重要的元件之一，其性能强烈影响使用其的太阳能电站的热效率。太阳能集热器相当于太阳能电站的总成本的约20%。考虑到集热器的故障导致相当大的技术和经济缺点，考虑到集热器通常以单个闭合线路彼此连结，且仅一个元件的故障中止整个线路，太阳能集热器的可靠性为基本要求。管状集热器基本上由内部金属管和外部共轴玻璃管构成，载热流体在所述内部金属管中循环，所述外部共轴玻璃管保持在真空下，并通过金属-玻璃接头连接至所述内部管；集热器的所述外部管的构造通常需要使用具有低热膨胀系数的硼硅酸盐玻璃。金属-玻璃接头为集热器最关键的组件，因为其必须确保对气体渗透的优良气密密封、对热循环的抗性和对操作过程中腐蚀的抗性，且其还必须适当弹性以抵抗由于内部间隙的降压而导致的应力。为了在使用太阳能集热器的适当时间内可靠地确保这种性质，金属-玻璃接头应具有有关金属和玻璃之间的热膨胀系数和可湿性的某些特性。本领域技术人员已知的与构造金属-玻璃接头相关的问题之一在于如下事实金属一般具有比硼硅酸盐玻璃特有的热膨胀系数显著更大的热膨胀系数，这导致在构造的接头中建立机械应力，所述机械应力易于在热偏差(在制造和使用集热器的步骤中接头经受所述热偏差)过程中导致破坏接头，因此使得所述接头不可靠，并危害太阳能集热器排列的适当操作。已提出并使用具有不同热膨胀系数的金属以用于金属-玻璃接头，但它们的大多数产生不可靠的接头。这种接头的第一个例子描述于有关太阳能辐射集热器的专利US4523578中，其中接头的金属可为铜或不锈钢。
接头的第二个例子描述于有关用于X-射线管中的连接装置的专利US6324870中，其中接头的金属可为不锈钢。由于用于工业应用的上述接头的固有危险程度，还产生如下需要为了制造上述接头而采用难以获得的技术和几何学解决方法，这使得连结过程耗时且复杂，并意味着最终产品的成本的显著增加。为了解决接头中的机械应力的问题，因此提出了这样的金属-玻璃接头，所述金属-玻璃接头具有的金属或合金在环境温度和玻璃退火温度之间的温度范围内具有的热膨胀系数极接近所用的玻璃(如硼硅酸盐玻璃)的热膨胀系数；超过所述温度时，玻璃的热膨胀系数和金属的热膨胀系数之间的可能的差异通过如下事实补偿达到低粘度的玻璃不提供机械阻力，因此其能够跟随金属的膨胀。这些金属-玻璃接头在制造之后和在操作过程中具有低内部应力；在适用于制造 金属-玻璃接头的目的以及应用于制造金属-玻璃接头的金属和金属合金中，提议钨、钥、较便宜的铁-镍(Fe-Ni )合金，特别是铁-镍-钴(Fe-Ni-Co )合金。在铁_镍-钴(Fe-Ni-Co )合金中，通常含有29重量％的镍和17重量％的钴的那些具有等于约430° C的转变温度，所述转变温度高于Fe-Ni合金的转变温度，在所述转变温度内热膨胀系数保持几乎稳定，并接近硼硅酸盐玻璃的热膨胀温度。该类接头的第一个例子在专利US2564950中指出，所述专利公开了一种用于提供玻璃-金属连接件的玻璃，所述玻璃-金属连接件特别适于提供X-射线管。所述玻璃在X-射线管的操作温度范围内具有的热膨胀系数接近Fe-Ni-Co合金和钨的热膨胀系数。该类接头的第二个例子在有关应用于太阳能集热器的玻璃-金属接头的专利US7562655中指出，其中所述接头的金属为Fe-Ni-Co合金，且其直接熔合至硼硅酸盐玻璃。然而，专利US2564950和US7562655似乎均未提供对与粘附和锚定、热循环和操作过程中的腐蚀相关的问题的有效解决方法。此外，为了确保气密密封，金属和玻璃必须具有相对于彼此良好的可湿性。这种性质可通过测量在连结步骤中形成的金属和玻璃之间的接触角α而进行评价。所述角度α介于金属-玻璃张力的方向和玻璃-空气张力的方向之间，与玻璃的外表面正切，且顶点在玻璃-金属-空气三相点中。90°以下的接触角α为良好的可湿性的指标，相反，90°以上的角度α为较差的可湿性的指标。工业建设和应用的重大当前问题和危险程度是由于如下事实金属和玻璃不是通过单个元件形成，而是通过多个元件和化学化合物的组合形成，为了金属和玻璃的联接，需要确定能够满足技术要求的特定的金属合金和特定的玻璃混合物，以及合适的热处理(其中特定的氧化物在基底金属表面上生长)。现有技术提供了在将金属，如Fe-Ni-Co合金连结至玻璃之前使其在高温湿氢气中经受脱碳处理。脱碳旨在从金属基体去除碳，以防止金属基体与玻璃的氧化物反应而形成危害接头抗性的CO和/或CO2气泡。然而，脱碳处理暴露了如下缺点由于使用高浓度的氢气而导致需要特定的安全措施，因此代表了提供接头的方法的昂贵且复杂的步骤。用于在连结至玻璃之前避免Fe-Ni-Co合金脱碳的方法在CN101117276中指出，所述专利描述了组装玻璃和金属的方法以及经组装的组件的后续处理，所述处理包括在450-700° C下在湿氮气中氧化1-50分钟，以5-15° C/min的梯度加热，在900-1050° C下在含有氢气的温和还原 环境中保持5-60分钟，以及最终以5-15° C/min的下降梯度在250-200° C下冷却。这种方法非常复杂，并需要严格控制方法的温度和气氛，因此难以应用于自动化大规模制造用于聚光太阳能集热器的金属-玻璃接头。然而，所述文献未确定待联接至玻璃组合物的理想金属组合物。因此观察到，根据现有技术，即使使用热膨胀系数接近玻璃的热膨胀系数的合金(例如Fe-Ni-Co)，也无法以如下方式在由硼硅酸盐玻璃和金属制成的管状元件之间获得抗性和可靠的接头允许在焊接或连结之前避免关键的脱碳阶段，或者避免引入对金属-玻璃接头产品的可靠性产生不利影响的复杂热连结过程。本发明提出了一种管状太阳能集热器，其使用创新的具有特定金属合金组合物和特定的玻璃组合物的金属-玻璃接头获得，从而克服现有技术已知的问题。新型金属合金的使用允许通过简单的操作条件获得金属-玻璃接头，所述简单的操作条件适合通过自动化系统以工业水平获得。此外，通过将金属与具有创新组成和化学物理特性的玻璃联接，提供了金属-玻璃管状接头，其具有在两种材料之间的改进的粘附特性，以及存在强真空值、热循环和暴露于腐蚀剂时的优良稳定性。通过提供具有根据本发明所提出的金属-玻璃接头的太阳能集热器而可实现的主要优点为对气体渗透的优良气密密封、合适的弹性以抵抗由于内部间隙的降压所导致的应力、对热循环的高抗性和对操作过程中的腐蚀的高抗性。
发明内容
本发明的一个主要目的为一种金属组合物，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。所述组合物以重力百分比表示包含如下合金元素
权利要求
1.一种金属组合物，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(10)的接头(22)，其中所述组合物以重量百分比表示包含如下合金元素
2.根据权利要求I所述的金属组合物，其包含如下合金元素
3.为了制造太阳能集热器而通过焊接获得的金属-玻璃接头(22)，其中金属组合物根据权利要求I或2所述，且其中玻璃为硼硅酸盐。
4.根据权利要求3所述的接头(22)，其中玻璃组合物包含以重量百分比表示的如下组分
5.根据权利要求3所述的接头(22)，其中玻璃组合物包含以重量百分比表示的如下组分
6.根据权利要求5所述的接头(22)，其中适于获得金属-玻璃接头的硼硅酸盐玻璃的组合物还包含O. 3-2. O重量％的CaO。
7.根据权利要求5或6所述的接头(22)，其中硼硅酸盐玻璃的组合物包含以重量百分比表示的如下组分
8.一种金属环(20)，其适用于通过与由硼硅酸盐玻璃制成的管(14)焊接而产生用于太阳能集热器(10)的金属-玻璃接头(22)，其中所述环(20)的金属的组合物根据权利要求I或2所述。
9.一种管状太阳能集热器(10)，其包括第一内部金属管(12)和第二外部共轴管(14)，载热流体在所述第一内部金属管(12)中循环，所述第二外部共轴管(14)由适于在真空下操作的玻璃制成，并通过至少一个金属-玻璃接头(22)连接至所述第一管，其中 -所述接头(22)的玻璃为硼硅酸盐， -所述第一管(12)由金属材料制成，所述金属材料抵抗高温载热流体的机械和化学作用； 其特征在于 -所述接头的玻璃通过直接熔合而联接至根据权利要求8所述的环(20)。
10.根据权利要求9所述的集热器(10)，其中所述金属-玻璃接头(22)根据权利要求3至7中任一项所述。
11.根据权利要求9或10所述的集热器(10)，其中抵抗高温载热流体的机械和化学作用的第一管(12)的金属为奥氏体不锈钢，优选为AISI 321或316Ti。
全文摘要
本发明涉及一种金属组合物，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(10)的接头(22)。所述组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，除了不可避免的杂质之外，剩余部分由铁组成。本发明还涉及一种金属环(20)、由此获得的金属-玻璃接头以及由此获得的管状太阳能集热器(10)，所述金属环(20)由上述金属组合物制成，并适用于通过焊接而产生金属-玻璃接头。
文档编号F24J2/05GK102906512SQ201180019637
公开日2013年1月30日 申请日期2011年4月11日 优先权日2010年4月19日
发明者F·鲁菲尼, C·拉吉, S·福尔图纳蒂, L·卡焦拉, A·德卢卡 申请人:阿基米德太阳能有限公司