具有由石英玻璃制成的入射窗的太阳辐射接收器和用于制造入射窗的方法
【专利摘要】常见的太阳辐射接收器配备了用于传输工作气体的腔室，所述工作气体为了吸收热量而被沿着用于太阳辐射的吸收器来传送。所述吸收器设有拱顶状的、由石英玻璃构成的入射窗，对于所述入射窗来说，朝向所述吸收器的内侧面在按照规范使用时具有至少950℃、优选至少1000℃的、标称的内部温度Ti，而背向所述吸收器的外侧面则暴露在环境下，并且经受析晶的危险。本发明涉及如此改动熟知的太阳辐射接收器，从而更确切地说在没有扩大在所述入射窗的、外侧面的区域中的、析晶的危险的情况下能够设定较高的吸收器温度，并且由此能够实现太阳热的加热的、较高的效率。
【专利说明】具有由石英玻璃制成的入射窗的太阳辐射接收器和用于制造入射窗的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有腔室的太阳辐射接收器，所述腔室用于传输用来在用于太阳辐射的吸收器上进行热量吸收的工作气体，所述吸收器布置在所述腔室中，并且所述吸收器具有由石英玻璃构成的、用于所述太阳辐射的、拱顶状的入射窗，其中所述入射窗具有一朝向所述吸收器的并且拥有至少950°c的内部温度Ti的内侧面以及一背向所述吸收器的并且经受环境温度Tu的外侧面。
[0002]此外，本发明涉及一种用于制造由石英玻璃构成的、拱顶状的入射窗的方法。
【背景技术】
[0003]太阳辐射接收器-也被称为太阳能接收器-用于用太阳热来获取热量，并且在工业领域内比如用于将含碳的化合物重整为甲烧，或者作为“太阳热发电站”用于对用来驱动燃气涡轮机的空气进行加热。
[0004]对于这些设备的、流行的结构形式来说，设置了由石英玻璃构成的入射窗，用于将有待通过所集中的太阳辐射来加热的空间与环境隔开。通过所述入射窗，太阳辐射进入到所谓的吸收器中，该吸收器被工作气体贯穿流过并且在这过程中用太阳热将所述工作气体加热到较高的温度。
[0005]所述入射窗经受较高的温度负荷。所述入射窗的、朝向吸收器的内侧面在没有应对措施的情况下大约加热到所述标称的吸收器温度。背向所述吸收器的入射窗外侧面虽然经受低得多的、由于大气温度和日射能量而出现的环境温度。但是，通过热传导，所述入射窗外侧面也加热到几百摄氏度的温度。
[0006]在所述入射窗的外侧面上的、较高的温度-在通过表面的污染、比如由于含碱的灰尘和微粒状物质以及其它环境影响推动的情况下-可能引起石英玻璃的析晶。这种结晶导致光学的透射率的降低乃至破裂，并且最后确定所述入射窗的使用寿命。定期的保养作业、更换和维修在物流方面比较麻烦并且昂贵，并且限制了所述设备的经济性。因此一种特殊的注意力在于，避免所述入射窗的析晶。
[0007]通过高纯度的、尤其无碱的石英玻璃的使用，可以降低结晶倾向。其它的技术上的措施旨在:将入射窗表面保持特别干净-比如通过经常的、透彻的清洗或者-只要有可能-通过比如在净化室中提供无粒料的环境这种方式。
[0008]作为替代方案或者补充方案，尝试像比如在EP I 610 073 A2中一样通过较低的温度来降低所述入射窗的结晶倾向，从该专利文件中知道开头所提到的类型的太阳辐射接收器。所述吸收器布置在腔室的内部，并且由拱顶状的入射窗向外隔绝，其中所述入射窗的、凸出地弯曲的表面(所述“拱顶”)伸入到所述吸收器中。通过所述吸收器的、拱顶状的结构，来降低来自所述吸收器的辐射的反向反射。
[0009]为了将所述入射窗的温度保持在800°C到850°C之下，在此建议，借助于红外辐射护罩来遮蔽所述入射窗，以防止所述吸收器的红外辐射。优选所述红外辐射护罩由吸收红外辐射的石英玻璃构成。作为补充，所述入射窗的内侧面借助于被导引的空气流来得到强制冷却。
[0010]但是，通过所述红外辐射护罩来屏蔽红外辐射的做法会降低工作气体的能量吸收程度，并且产生效率损失。强制冷却在设计上比较麻烦，并且要求额外的、用于产生气流的能量开销。这些措施由此会在总体上降低太阳热加热的效率。
[0011]在WO 2010/055439 A2中说明了一种太阳辐射接收器，其中放弃对于所述吸收器的、辐射入射窗的、主动的冷却。换而言之，在此建议，由特别强烈地发出IR辐射的石英玻璃来制造所述辐射入口窗。所述石英玻璃的、所期望的IR放射应该引起所述入射窗的冷却。这通过较高含量的羟基(0H基)来实现，所述羟基的含量优选至少为600个重量ppm。
[0012]石英玻璃中的羟基虽然在从大约2680nm到2800nm的、红外的波长光谱范围的、窄小的区间中显示出突出的吸收或者放射特性。但是羟基少的石英玻璃在波长更长的红外光谱范围内部分地不透明，因而通过羟基进行的补充的吸收带来更小的、附加的冷却效应。除此以外，石英玻璃的结晶倾向随着其羟基含量而增加。
[0013]因而在上面所提到的现有技术中，经常所述入射窗也构造为拱顶状。这样的、拱顶状的石英玻璃入射窗的制造，借助于玻璃吹制的方法来进行。其中比如以石英玻璃管为出发点，对其进行吹气，并且在这过程中使其变形为壁体更薄的空心体。由于石英玻璃的变形特性以及其较高的黏度(即使对于SiO2的升华温度来说)，在此一般不能直接实现所期望的最终形状，并且经常需要将所述空心体分解为小块，并且将所述小块重新组合成具有所述入射窗的、近似的几何形状的预成型件。其中对所述小块进行焊接并且在经过机械的最终加工之后最后在较高的温度下对如此得到的预成型件进行回火，用于降低机械的应力。
[0014]通过这种方式方法，来得到具有较高的、外观的质量的、由石英玻璃制成的、拱顶状的构件。但是，很明显的是，借助于这种制造方法尽管较高的时间开销及能量开销也只能制造单件产品，所述单件产品在其几何形状的及机械的特性方面具有较小的可再现性。
[0015]在DE 102 13 539 Al中说明了多种用于不透明的、直至透明的、掺杂的、石英玻璃的制造方法，所述石英玻璃则用于在半导体制造中的构件。其中将由SiO2和掺杂物构成的原始粉末堆积起来，并且其中直接使其玻璃化。比如将所述原始粉末连续不断地撒入到旋转的、金属的熔模中，并且直接借助于等离子燃烧器使其玻璃化。通过这种方式，得到由所掺杂的石英玻璃构成的锭块。
[0016]DE 10 2008 033 946 B3说明了一种常见的、用于制造石英玻璃坩埚的真空-熔化法。其中在金属的熔模的内壁上面，先后堆积了两个分别为12_厚的、由石英砂或者由合成的粒料构成的SiO2粒料层，并且借助于等离子并且在真空下对这些粒料层进行烧结。其中，里面的粒料层烧结成由透明的石英玻璃构成的内层，外面的粒料层则烧结成不透明的石英玻璃。结果是具有不透明的外壁和由透明的石英玻璃构成的内层的石英玻璃坩埚。
【发明内容】
[0017]原则上，在太阳辐射接收器中的能量转换的效率随着吸收器温度(=出口温度)而增加。因此，本身尤其致力于较高的吸收器温度。另一方面，所述入射窗必须具有较高的长期稳定性，用于能够有意义地在太阳辐射接收器中使用。对于由石英玻璃构成的入射窗来说，在这里经受环境影响的外侧面的、上面所提到的析晶特别关键。因为对于比处于大约800°C到最大850°C的范围内的极限温度高的温度来说越来越多地出现这样的结晶作用，所以这种极限温度在所述入射窗的外侧面上限制了可能的吸收器温度。
[0018]本发明的任务是，提供一种具有由石英玻璃构成的入射窗的太阳辐射接收器，对于所述太阳辐射接收器来说能够设定较高的吸收器温度，并且所述太阳辐射接收器由此能够实现太阳热的加热的、较高的效率，并且更确切地说没有扩大在所述入射窗的外侧面的区域中的、析晶的危险。
[0019]此外，本发明的任务是，说明一种方法，借助于该方法可以以较高的尺寸稳定性成本低廉地并且能够再现地制造一种尤其是用于按本发明的太阳辐射接收器的、拱顶状的入射窗。
[0020]关于所述太阳辐射接收器，该任务从开头所提到的类型的太阳辐射接收器出发通过以下方式来解决:所述入射窗具有壁厚山根据Ti和Tu在-温差T1-Ta至少为150°C并且所述壁厚d在所述内部温度Ti的最大值的区域中至少为7mm-的附带指示下如此设计所述壁厚d，从而在所述入射窗外侧面的区域中出现小于850°C的温度Ta。
[0021]在使用所述太阳辐射接收器时，主要从吸收器侧对所述入射窗进行加热。通过在所述入射窗中的热传导以及在所述入射窗外侧面上的、朝环境方向的热交换而出现固定的温度分布。
[0022]本发明旨在，通过入射窗壁体的厚度来限制对于所述入射窗的、背向过程气体的、大气侧的、外侧面的加热。因此，在按照本发明对以往熟知的入射窗进行改动时，如此设计所述入射窗厚度，从而通过所述入射窗壁体从较热的内侧面出现一种温度梯度，该温度梯度通过所述入射窗厚度引起150°C或者更大的温差T1-Ta，从而无论如何在热方面的稳定的平衡中在较冷的外侧面上产生低于850°C的温度。关于在稳定的平衡中对于所述温度Ta的设定，所述壁厚d提供一种额外的、以往没有注意的自由度。换句话说，通过在对于所述温度梯度的设定方面的自由，所述入射窗外侧面的温度Ta与在朝向所述吸收器的入射窗内侧面上的温度Ti去除耦联，使得所述入射窗外侧面的温度Ta无论如何都可以保持在850°C之下。由此在一定程度上实现所述外侧面的、相对于结晶作用的不敏感性。另一方面，所提到的去除耦联也在所述入射窗侧面上允许较高的温度，并且由此实现能量转换的更高的效率，方法是:通过更大的入射窗厚度来产生在给定的情况下必需的温差以及平坦的温度梯度，并且由此在所述入射窗外侧面上防止超过所述极限温度。除此以外，平坦的温度梯度也引起较低的、通过所述入射窗进行的散热的程度，并且由此引起较低的能量损失。
[0023]所述吸收器的标称温度越高，所述入射窗的必需的壁厚就越大。但是，对此合适的、高纯度的石英玻璃比较昂贵，并且由于其较厚的壁体而要忍受所述太阳辐射的、额外的透射损失。但是，这些缺点通过所述外侧面的、相对于结晶作用的、较高的不敏感性以及所述入射窗的、随之获得的、更长的使用寿命以及更低的、用于保养和更换的开销而得到补偿。因而可以放弃从现有技术中知道的冷却措施、比如主动的空气冷却或者遮蔽所述入射窗以防止红外辐射。
[0024]由此，所述按本发明的、对于现有技术的改动能够设定较高的吸收器温度以及由此太阳热的加热的、较高的效率，而没有由此提高在所述入射窗的外侧面的区域中的析晶的危险。
[0025]所述入射窗的最低厚度主要取决于在所述入射窗内侧面上的温度Ti。这个温度通常已知，或者它能够测定并且至少为950°C。在所述入射窗内侧面上面出现均匀的温度分布的情况下，这个温度同时相当于所述内部温度Ti的“最大值”。但是，在按照规范使用所述太阳辐射接收器时，也可能在所述入射窗的内侧面上面产生所述温度Ti的、不均匀的曲线，该曲线比如在入射的太阳辐射的中心的区域中具有最大值。
[0026]在最简单的情况中，所述入射窗拥有统一的厚度。在厚度不统一时，所述最低厚度的数额和位置以在所述入射窗内侧面上的温度最大值为准。
[0027]由所述入射窗外侧面的、尽可能小的结晶倾向看来，已经经过考验的是，所述入射窗具有壁厚d，根据Ti和Tu来如此设计所述壁厚d，从而在所述外侧面的区域中出现小于800°C、优选小于750°C的温度Ta。
[0028]“Tu”在此代表着在所述太阳辐射接收器的外部存在的环境温度，在最简单的情况中可以将所述环境温度假定为标准室内温度(=25°C )。
[0029]优选所述壁厚d在最大的内部温度Ti的区域中至少为IOmm,特别优选至少为20mmo
[0030]在给定在所述入射窗内侧面的区域中的最大温度Ti的情况下，所述壁厚d越大，在所述外侧面的区域中的温度Ta就越低。另一方面，在给定在所述外侧面的区域中的温度Ta的情况下，所述入射窗的更厚的壁厚允许在所述内侧面上的、更高的吸收器温度Ti，并且因此能够实现所述太阳辐射接收器的、更高的效率。
[0031]所述入射窗的、合适的厚度d能够借助于试验来求得。对于估算来说，已经经受考验的是，根据以下测量规则来设计在最大的内部温度Ti的区域中的壁厚d:
【权利要求】
1.太阳辐射接收器，具有腔室以用于传输用来在用于太阳辐射的吸收器上进行热量吸收的工作气体，所述吸收器布置在所述腔室中并且所述吸收器具有由石英玻璃构成的、用于太阳辐射的、拱顶状的入射窗(21)，其中所述入射窗(21)具有一朝向所述吸收器并且拥有至少950°C的、标称的内部温度Ti的内侧面(23)以及一背向所述吸收器的并且经受环境温度Tu的外侧面(24)，其特征在于，所述入射窗(21)具有壁厚d，如此根据Ti和Tu来设计所述壁厚d，从而在温差T1-Ta至少为150°C并且所述壁厚d在所述内部温度Ti的最大值的区域中至少为7_的附带指示下在所述入射窗外侧面(24)的区域中出现小于850°C的温度Ta。
2.按权利要求1所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗(21)具有壁厚d，根据Ti和Tu来如此设计所述壁厚d，从而在所述外侧面(24)的区域中出现小于800°C、优选小于750°C的温度Ta。
3.按权利要求1或2所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述壁厚d在最大的内部温度Ti的区域中至少为IOmm,优选至少为20mm。
4.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，根据以下测量规则来设计在最大的内部温度Ti的区域中的壁厚d:
5.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗(21)的壁厚d在拱顶中心(25)的区域中具有最大值。
6.按权利要求5所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述壁厚在最大值中比在最小值的区域中大了至少20%、优选大了至少50%。
7.按前述权利要求中任一项所述的太阳辐射接收器，其特征在于，所述入射窗(21)的石英玻璃具有小于100个重量ppm、优选小于30个重量ppm的、平均的羟基含量。
8.用于制造由透明的石英玻璃构成的、拱顶状的入射窗(21)的方法，包括以下方法步骤: (a)提供具有多细孔的壁体的、拱顶状的熔模(I)； (b)将SiO2粒料放入到所述熔模(I)中，并且在所述熔模内壁上构造具有至少12mm的厚度的、拱顶状的SiO2粒料层(6)； (c)在等离子(10)的作用下并且在加载从外面穿过所述多细孔的壁体作用于所述粒料层(6)的负压的条件下在形成所述入射窗(21)的毛坯(16)的情况下将所述SiO2粒料层(6)压实； (d)在形成所述入射窗(21)的预成型件(17)的情况下机械地去除所述毛坯(16)的外部区域(14、15)； Ce)将所述预成型件(17)机械地或者热地抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗(21)。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，产生具有至少20mm厚度的SiO2粒料层(6)。
10.按权利要求8或9所述的方法，其特征在于，按照方法步骤(c)的、对所述SiO2S料层(6)的压实包括双阶段的过程，该过程具有第一过程阶段和第二过程阶段，其中在所述第一过程阶段中将所述SiO2粒料层(6)的内部的区域压实并且加载较低的负压，并且其中在所述第二过程阶段中加载较高的负压并且将所述SiO2粒料层(6)进一步压实。
11.按权利要求8到10中任一项所述的方法，其特征在于，在按照方法步骤(c)将所述SiO2粒料层(6)压实时形成拱顶状的毛坯(16)，该毛坯在所述拱顶中心(25)的区域中具有其壁厚的最大值，该最大值比在最小的壁厚的区域中大了至少20%、优选大了至少50%。
12.按权利要求8到11中任一项所述的方法，其特征在于，在机械地去除所述毛坯-外部区域时产生预成型件(17)，该预成型件具有与内侧面(23)相一致的、拱顶状的外侧面(24)并且具有处于至少7mm、优选至少IOmm并且尤其优选至少20mm的范围内的、最大的壁厚。
13.按权利要求8到12中任一项所述的方法，其特征在于，将所述预成型件(17)抛光成由透明的石英玻璃构成的入射窗(21)这个过程通过借助于燃烧器(8)用燃烧火焰加热到至少1600°C的温度这种方式来进行。
14.按权利要求8到13中任一项所述的方法，其特征在于，使用熔模(I)，对于该熔模来说透气的壁体由石墨制成，并且按照方法步骤(c)的、对所述SiO2粒料层(6)的压实在包含氦气和/或氢气的氛围中进行。
【文档编号】F24J2/07GK103917831SQ201280055858
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年9月13日 优先权日:2011年9月14日
【发明者】K.贝克, A.霍夫曼, M.许纳曼, C.申克 申请人:赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司