槽式太阳能真空集热管封接技术研究进展

陈苏苏

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。

3.2 国内研究进展

2006年，中国科学院电工研究所的专利CN101135501A在集热管的玻璃-金属之间采用可伐环进行匹配封接，玻璃外管采用钼玻璃，可伐环采用铁镍钴低膨胀合金，封接处采用扩散炉进行预氧化以使玻璃和金属有良好的浸润。2011年，该研究所的专利CN102276166A进一步改进封接方法，在高频电磁感应设备的线圈内设置厚壁金属管，对玻璃与金属进行热封接，并形成内外夹封结构，具有较好的封接强度，该方法为匹配封接，无需使用过渡玻璃，并且解决了玻璃软化温度高难以封接的问题。

2011年，北京工业大学的专利CN102390927A对集热管用玻璃进行改进，其化学组成（wt%）为：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。该玻璃可实现较好的熔化质量，具有优良的封接性，在20～400℃范围内热膨胀系数与可伐合金材料一致，可满足匹配性封接技术要求，并保障封接气密性和材料润湿性。

2011年，河海大学的专利CN102225850A在集热管的可伐合金与内管之间设置环形中空圆管，利用槽式热发电系统凝结水泵出来的冷却水通过设置的圆管，减少可伐合金的温度和热应力，并在可伐合金的外表面设置环形遮热罩对可伐金属进行保护。

2015年，北京有色金属研究总院的专利CN105254191A提出一種封接方法，其采用在室温至450℃温度区间、膨胀系数相差不超过15%的可伐合金和高硼硅玻璃管，利用膨胀系数介于二者之间的玻璃粉作为过渡材料，实现玻璃与金属的封接，且在封接前将可伐合金加工成带凹槽的可伐合金环并进行烧氢和预氧化处理，以最大限度提高可伐合金与玻璃的封接质量。

4 结束语

对于槽式太阳能真空集热管玻璃-金属封接技术的研究，国内外研究重点在于玻璃-金属封接的最佳结构、封接过程中工艺参数的优化以及与可伐合金匹配封接的玻璃材料的探索等方面。和国外的多家科研实力雄厚的公司相比，我国在该方面的研发力量较为分散，且尚未得到规模化应用验证，从而成为制约我国槽式热发电部件发展的因素之一。国内企业和科研机构应当重视玻璃与金属封接技术的同步研究，重点着力于规模化生产和应用。

参考文献：

[1]雷东强.高温槽式太阳能真空集热管的研究[J].高科技与产业化，2008（11）：39-41.

[2]王杰峰，焦存柱，张粉利，等.槽式太阳能真空集热管研发的关键技术分析[J].太阳能，2017（07）：28-32.

[3]王军，张耀明，王俊毅，等.太阳能热发电系列文章（11）槽式太阳能热发电中的真空集热管[J].太阳能，2007（05）：24-28.