用于太阳能接收器的玻璃-金属接头的制作方法

用于太阳能接收器的玻璃-金属接头的制作方法
【专利摘要】本发明提供太阳能接收器的玻璃-金属密封装置（10）及其生产方法，该装置（10）包括要被密封在一起的金属卡圈（11）和玻璃圆筒（12），其中该玻璃圆筒（12）由硼硅酸盐玻璃制成，所述硼硅酸盐玻璃具有在[50，450]摄氏度的温度范围内为[3.1，3.5]·10-6℃-1范围内的热膨胀系数；该金属卡圈（11）由奥氏体合金制成，所述奥氏体合金具有在[50，450]摄氏度的温度范围内为[3.5，6.0]·10-6℃-1范围内的热膨胀系数；金属卡圈（11）的末端部分被斜切以便增加其机械柔性；并且金属卡圈（11）的末端部分经热处理被处理，以便在金属和玻璃表面之间产生结合。
【专利说明】用于太阳能接收器的玻璃-金属接头

【技术领域】
[0001] 本发明涉及分别根据权利要求1、11和12的前序部分的玻璃-金属密封装置、生 产玻璃-金属密封装置的方法和管状太阳能接收器。

【背景技术】
[0002] 抛物槽CSP (聚光太阳能热发电）的关键部件是也被称为太阳能接收器的热收集 器元件（HCE)。这种元件必须要面对并解决的主要问题之一是保存合适的计划真空压力的 密封性以便将热损失减少至仅为辐射现象。
[0003] 在太阳能接收器中，承受可能的真空损失的最关键部件是在玻璃和金属之间的连 接，也被公知为玻璃-金属密封（GMS )。
[0004] 抛物槽CSP太阳能发电站被设计成通过将太阳能射线集中到太阳能接收器来 产生能量，其中传热流体（HTF)流入该太阳能接收器中；传热流体被加热直至高温(高达 580-600°C)并且经由专用涡轮允许在单独的发电块内产生蒸汽并因此产生电力。
[0005] 为了使得热动力学循环正确地运转，太阳能接收器必须最大地吸收集中的太阳能 射线并且最少地释放热。覆盖不锈钢管的光谱选择性涂层被优化，以便达到高吸收率和低 放射率；此外，通过借助于同轴圆筒形玻璃管(具有高光学透射率）将管封装到真空环境内 来最小化热损失。
[0006] 必须存在真空以将热损失减少至仅辐射现象。
[0007] 太阳能接收器然后将必须包含两个玻璃-金属过渡部，其也被公知为玻璃-金属 密封（GMS)，其事实上代表可能真空损失的最关键部件。
[0008] 技术GMS需求以及市场和商业需求均驱使了针对CSP领域中的太阳能接收管研发 的GMS技术方案。
[0009] 图1示意性示出了太阳能接收器，其包括未示出的内部金属管和外部玻璃管，所 述内部金属管和外部玻璃管经由两个玻璃-金属密封10并经由未示出的被焊接到内部金 属管的两个金属波纹管被连接到一起。每个玻璃-金属密封10均包括如图3示意性所示 的被密封在一起的金属卡圈11 (也被公知为金属帽或者金属环)和玻璃圆筒12。玻璃圆筒 12被连接到外部玻璃管的中央玻璃部分13。
[0010] 本领域公知使用具有不同热膨胀系数的玻璃和金属以及密封技术实现的多种不 同类型的玻璃-金属密封。
[0011] 如这里所用，材料的热膨胀系数（TEC)被定义为当材料经历温度变化ΛΤ时材料 的伸长ΛL和适当长度L之间的比率。
[0012] 根据Houske印er先生在1919年的两个美国专利（US专利号1,293,411和US专 利号1，295, 466)的公开，已知用于补偿由玻璃和金属的TEC系数的差异所导致的缺陷的技 术，其中通过减少具有几何形状的金属元件的一部分的厚度来改进玻璃和金属之间的气密 性密封，如Houskeeper先生所提出的。
[0013] 根据公知的GMS技术，已经开发出在不锈钢等级（Aisi430)与族3. 3的硼硅酸盐玻 璃之间的GMS接头。遗憾的是，在Aisi430钢和3. 3的硼硅酸盐玻璃之间的这种GMS接头 具有如下缺点：金属和玻璃的热膨胀系数（TEC)的值之间具有非常大的差异，其在热变化 导致的机械力的情况下对GMS具有不良影响。事实上，TEC值是：在[50, 450]摄氏度的温 度范围内，对于玻璃，几乎恒定为3. 3 · 1(T6°C η ;而对于金属，在[10，12] · 1(T6°C η之间。
[0014] 根据另一公知的GMS技术（US专利号7, 562, 655)，已经开发出在在具有良好限定 的浓度的镍和钴的奥氏体合金(通常公知为类Kovar合金，DIN 17745, ASTM F15)与族5. 1 的硼硅酸盐玻璃之间的GMS接头。遗憾的是，这样的GMS接头具有如下缺点：Kovar是非常 昂贵的合金(随着镍的市场价格波动而波动)并且满足CSP尺寸规格的5. 1玻璃在玻璃市场 仍是不常见的。
[0015] 根据其他的公知技术，在GMS接头中采用过渡玻璃以将5. 1玻璃限制于仅GMS部 分（10)，因此将kovar-5. 1技术方案与3. 3玻璃结合在一起，如图2所示。图2是示意性示 出太阳能接收器的外部玻璃管的一部分的附图，其包括通过使用位于GMS接头10和玻璃管 的中央部分13之间的一组具有不同TEC的过渡玻璃(例如第一过渡玻璃21、第二过渡玻璃 22和第η过渡玻璃23)而具有用于中央玻璃部分13的不同玻璃的匹配的GMS接头10。遗 憾的是，这样的GMS接头具有过渡玻璃昂贵且制造过程复杂的缺点。
[0016] 另一个公知的密封技术(例如激光焊接）是舒适的，但是甚至更敏感于原材料容差 和尺寸规格。


【发明内容】

[0017] 因此，本发明的目标是克服上述缺点，具体地通过经由[3. 1，3. 5]TEC的硼硅酸 盐玻璃和具有不同热膨胀系数的奥氏体合金之间的直接GMS接头来提供不同于完全匹配 的技术方案(例如昂贵的和市场不常见的kovar-5. 1玻璃）且不同于过渡玻璃技术方案(特 征在于，仅针对中央玻璃部分13使用较便宜的玻璃)的玻璃-金属密封装置、生产玻璃-金 属密封装置的方法和管状太阳能接收器来实现。
[0018] 上述目标是通过太阳能接收器的玻璃-金属密封装置实现的，该装置包括将被密 封在一起的金属卡圈和玻璃圆筒，该装置进一步包括如下特征： a) 玻璃圆筒是由在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 1，3. 5] ·1(Γ6? η范围内 的热膨胀系数的硼硅酸盐玻璃制成； b) 金属卡圈是由在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3.5，6.0] 范围内 的热膨胀系数的奥氏体合金制成； c) 金属卡圈的末端部分被斜切以便增强其机械柔性； d) 金属卡圈的末端部分经由热处理被处理以便在金属和玻璃表面之间产生结合。
[0019] 上述目标还通过生产太阳能接收器的玻璃-金属密封装置的方法来实现，该装置 包括将被密封在一起的金属卡圈和玻璃圆筒（12)，该方法包括如下步骤： a) 提供在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 1，3. 5] ·1(Γ6? η范围内的热膨胀 系数的硼硅酸盐玻璃作为玻璃圆筒的玻璃； b) 提供在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 5，6. 0] ·1(Γ6? η范围内的热膨胀 系数的奥氏体合金作为金属卡圈的金属； c) 斜切金属卡圈的末端部分以便增强其机械柔性； d) 经由热处理来处理金属卡圈的末端部分以便在金属和玻璃表面之间产生结合； e) 将玻璃圆筒和金属卡圈的末端卡圈部分密封在一起。
[0020] 上述目标还通过管状太阳能接收器实现，其中外部玻璃管经由根据提出的发明的 玻璃-金属密封装置被连接到内部金属管。
[0021] 本发明的实施例使得能够针对热收集器元件（HCE)的预期寿命来保持所设计的真 空。有利地，玻璃圆筒和金属帽之间的接头应该能够通过满足专用尺寸需求而保存所设计 的最终所需密封性，即P〈l(T 4mbar的压力，以便可靠地确保GMS接头的稳定性和耐用性。
[0022] 在本发明的实施例的情况下，GMS接头的玻璃部件主要经受压缩应力，从而将危险 的拉伸应力减小到几 MPa，这是完全可接受的，即使对于普通的3_厚的玻璃管来说。
[0023] 在本发明的实施例的情况下，尺寸输出导致GMS产品优良地符合太阳能电站的典 型工作状况，因此适用于CSP应用。
[0024] 从成本观点以及从目标太阳能接收器产品可实现的最终性能二者考虑，本发明的 实施例均使得能够实现制造过程的简化。
[0025] 本发明的实施例由于下述原因而实现不匹配的GMS产品领域的工业优势： -原材料商品：3. 3的硼硅酸盐玻璃是公知材料并且在市场上容易找到； -玻璃的性能：3. 3的硼硅酸盐玻璃容易地实现91. 5-92. 0%的透射率； -原材料的成本：3. 3的硼硅酸盐玻璃比5. 1硼硅酸盐玻璃更便宜； -制造过程的简化：制造过程不包含严重瓶颈步骤，以致降低了制造成本。
[0026] 因此，本发明的实施例导致了太阳能接收器的显著的成本降低、有助于减少CSP 抛物槽电站中太阳能的评估平均化能量成本（LC0E )。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1是示意性示出太阳能接收器的附图(现有技术，在前文描述）； 图2是示意性示出包括GMS装置和一组过渡玻璃的太阳能接收器的一部分的附图（现 有技术，在前文描述）； 图3是示意性示出GMS接头的附图(现有技术）； 图4是示意性示出了根据本发明示例性实施例的金属卡圈的附图； 图5是示意性示出了根据本发明示例性实施例的GMS装置的附图。

【具体实施方式】
[0028] 图4是示意性示出了根据本发明示例性实施例的金属卡圈的附图。
[0029] 图4(b)是示意性示出在图4a中用圆圈出的金属卡圈11的纵截面的末端部分的 附图。
[0030] 根据提出的本发明，在金属卡圈11和玻璃圆筒12之间的提出的GMS接头10是不 匹配的玻璃-金属密封。事实上，所用的玻璃和金属材料在热梯度下不同地表现，特别是 当其间已经建立物理连接（即密封）时。越靠近对应的TCE值，则重叠区域上的机械应力越 弱。此外，不管是否考虑到匹配或不匹配的密封，对于玻璃和金属材料来说升温或降温速度 当然是不同的。
[0031] 玻璃圆筒12是由在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 1，3.5] · 1(T6°C Η 范围内的热膨胀系数的硼硅酸盐玻璃制成。在优选实施例中，对于CSP领域，使用3. 3的硼 硅酸盐玻璃。有利地，在市场上易于以市场价找到这样的玻璃类型。金属卡圈11由在[50， 450]摄氏度的温度范围内具有[3. 5，6. 0] ·1(Γ6? η范围内的热膨胀系数的奥氏体合金制 成。在本发明的优选实施例中，对于CSP领域，根据DIN 17745/ASTM F15标准，这样的奥氏 体合金具有适当浓度的镍和钴含量。在该领域，满足这样的规格的金属也被公知为类Kovar 合金。
[0032] 金属卡圈11的末端部分被斜切以便增强其机械柔性。有利地，使用这样形成的金 属卡圈几何构型，在GMS接头10的玻璃侧上产生的张力通过玻璃刚性相对于金属移动性的 补偿而减小。
[0033] 因此，由弹性特性表征的这样的金属卡圈几何构型通过提高金属的机械弹性而减 轻能够在GMS接头的（刚性）玻璃部件上产生的玻璃应力。
[0034] 在图4和图5中示意性示出了优选实施例的示例的附图。
[0035] 通过开发典型太阳能CSP电站的实际工作状况中所涉及的机械应力已经获得了 图4和图5的所示尺寸。优选使用的材料是针对圆筒12使用3. 3的硼硅酸盐玻璃并且针 对金属卡圈11使用类Kovar合金（DIN 17745，ASTM F15)。
[0036] 图4(a)示意性示出了根据本发明示例性实施例的金属卡圈11。
[0037] 图4(b)示意性示出图4 (a)中圆圈圈出的金属卡圈11的自由末端部分FEP的纵 截面的放大细节。之后，这样的金属卡圈自由末端部分FEP将被密封到玻璃圆筒，如后所 述。
[0038] 根据优选实施例，如图4(b)示意性示出的，执行对金属卡圈11的末端部分斜切以 便获得具有类梯形形状的纵截面，其中次要底边m处于金属卡圈的自由末端侧。这里，应该 注意到，使用术语"类梯形形状"不意味着仅是梯形形状本身还可以是类似形状，在该类似 形状中，侧边不完全笔直或者其中两个底边平行但是为更倾斜的形状或齿状形状，或者末 端部分相对于开始部分具有减小的厚度。事实上，术语"类梯形形状"在此主要用于解释性 目的，即为了简明，以便按照底边和角来描述几何构型规格。在图4(c)中示出了卡圈末端 的类梯形形状的主要底边M、次要底边m、两个横向侧边L1、L2。横向侧边L1也代表了两个 底边m、Μ之间的距离。未被示出的角度α表明由两个横向侧边L1、L2所形成的锐角。
[0039] 在本发明的实施例中，基于对典型CSP电站的实际应力状况的开发而建议下列尺 寸： -次要底边m的长度与主要底边Μ的长度之间的比率大于0. 25 ;和/或， -主要底边Μ的长度在[0.3，0.6]mm的范围内，并且次要底边m的长度在[0.15，0.6] mm的范围内；和/或， -横向侧边L1、L2形成在[0. 5，10]度范围内的角度α ;和/或， -金属卡圈的最大厚度Τ在[0. 3，1. 2]mm的范围内。
[0040] 例如，在优选实施例中，次要底边m的长度可以是0. 3,主要底边Μ的长度可以是 0.4,横向侧边L1的长度可以是7毫米并且角度α可以是0.82度。
[0041] 根据提出的发明，金属卡圈11的末端部分经由热处理来处理，以便在GMS接头的 金属和玻璃表面之间产生结合。有利地，实现了适于金属至玻璃的物理和化学结合的金属 表面上的专用结构。
[0042] 事实上，在对金属卡圈的这种热处理的情况下，方便地在金属上产生网格结构以 便玻璃材料抓住金属基质(机械地/物理地连结)，并且同时在金属表面上合适地产生适当 层以便玻璃与其结合(化学结合)。
[0043] 根据本发明的优选实施例，热处理可以优选地是氧化处理以便在金属表面上产生 玻璃专用的氧化层。
[0044] 优选地，玻璃专用的氧化层厚度被微调成在[0.3，3.0] μ m的范围内，且在金属 基体中具有在[1.5，18.0] μ m范围内的熔深。
[0045] 此外，根据另一优选实施例，推荐使用一种氧化过程，其特征在于氢含量被限制成 百分之几的浓度(体积上最高达5%)，以便最小化晶体结构内空隙位置内的氢原子的粘附 (因为氢是最难以被泵走的气体之一)。
[0046] 根据本发明的优选实施例，玻璃专用的氧化物是铁氧化物。铁氧化物可以优选地 是FeO或Fe 3C4、或者FeO和Fe3C4的混合物。
[0047] 建议使用受控的热循环过程以便实现所需铁氧化物以及最佳厚度和一致性。
[0048] 根据优选实施例，可以推荐使用下列热密封过程步骤来将金属卡圈密封到玻璃圆 筒： -加热步骤，其中推荐对温度和旋转进行控制； -熔化步骤，其中推荐对熔融玻璃边缘的温度、旋转和校准进行控制； -用于将斜切金属插入到玻璃圆筒的熔融末端部分内的连结步骤，其中推荐对温度、旋 转、火炉相对位置和将来的最终GMS接头上的生成机械力(推/拉力）进行控制； -在线退火步骤，其中推荐对温度降低进行仔细控制，以实现在其特征软化温度之下的 玻璃温度。
[0049] 为了避免由于小的误差传播造成的破坏性效果，已经监测最关键的热密封子步骤 并且因此某些参数已经被识别为需要尤其关注对其绝对值和表现的控制，例如： -升温速率应该优选地维持在[6，35]摄氏度/秒， -降温速率应该优选地维持在[1. 5，20]摄氏度/秒， -旋转速度应该优选地维持在[12，100]rpm， -火炉应该优选地与玻璃边缘的距离取决于所考虑的过程步骤而可在[-5. 5，5. 5]毫 米的距离范围内进行调整，并且处于在[0，15]毫米/秒内的平移速度。
[0050] 图5 (b)是示意性示出根据示例性实施例的图5 (a)的GMS接头的被圈出细节的附 图。
[0051] 根据优选实施例，玻璃圆筒12的末端部分经由专用热过程被熔融以便在玻璃边 缘处形成具有类球形形状的扩大熔融玻璃，在下文被称为熔融玻璃球GB。如图5(b)所示， 玻璃边缘具有大约12. 6毫米的最大厚度（Gi+G^m)，而远离玻璃球GB的玻璃圆筒的厚度GT 是大约3毫米的规则玻璃厚度。
[0052] 在优选实施例中，有利地推荐GMS接头的下列尺寸，其中分别使用〃内部〃旁边和 〃外部〃侧边来标注面向太阳能管状接收器的对称轴线的侧边和面向外部大气的侧边： -玻璃-金属的轴向（线性）延长部的内部和外部〇i、重叠在：[2，5. 0]毫米的范围 内，和/或 -内部和外部的玻璃厚度Gp 在[3. 0，6. 0]毫米的范围内；和/或， -此外，还推荐以平滑的小于90度的接触角β i、β e来结束，该角度被限定为在图5 (b) 中的玻璃和金属之间的接触界面处测量的角度。
[0053] 因为前述热密封过程包含在金属卡圈和玻璃圆筒上的非常高的温度(超过软化和 熔融点)，所以不可避免的张力会累积在两种材料之间的界面处。
[0054] 因为在典型的连续太阳能接收器生产步骤的进一步热循环期间以及在实际工作 状况下这些张力会导致GMS具有微裂纹（即GMS泄漏)，因此在优选实施例中推荐执行离线 退火过程，其目标是摆脱重叠区域中可能的玻璃残余应力。
[0055] 因此，上述张力能够在较宽的范围上有利地分布其强度，从而因此减少其潜在的 危险影响。降温速率值可以便利地被设定在[0. 4，2. 5]摄氏度/分钟的范围内。
[0056] 在本发明的实施例中，作为真空装置的一部分，玻璃圆筒12和金属帽11可以被恰 当地清洁，这通过使用专用配方以便避免不希望的污染实现，但是不施用会导致对玻璃表 面的不希望的纳米刮痕的强化学抛光。在清洁过程中也应该考虑到GMS接头被存储的方 式，目的在于避免在存储过程期间由于湿气和油腻大气造成的污染。
[0057] 除了上述的本发明的实施例之外，本领域技术人员还将能够实现即便没有在本文 献中明确描述但落入所附权利要求范围内的各种其他设置和步骤。
[0058] 所用缩略语列表 CSP聚光太阳能热发电 GMS玻璃-金属密封 HCE热收集器元件 HTF传热流体 LC0E平均化能量成本 TEC热膨胀系数。
【权利要求】
1. 一种太阳能接收器的玻璃-金属密封装置（10)，该装置（10)包括将被密封在一起 的金属卡圈（11)和玻璃圆筒（12)，该装置进一步包括如下特征： a) 所述玻璃圆筒（12)由在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 1，3. 5] ·1(Γ6? η 范围内的热膨胀系数的硼硅酸盐玻璃制成； b) 所述金属卡圈（11)由在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3.5，6.0] ?lO+CT1 范围内的热膨胀系数的奥氏体合金制成； c) 所述金属卡圈（11)的末端部分被斜切以便增强其机械柔性； d) 所述金属卡圈（11)的末端部分经由热处理被处理以便在所述金属和所述玻璃表面 之间产生结合。
2. 根据权利要求1所述的玻璃-金属密封装置，其中执行对所述金属卡圈（11)的末端 部分的斜切以便获得具有类梯形形状的纵截面，其中次要底边（m)处于所述金属卡圈（11) 的自由末端处。
3. 根据权利要求2所述的玻璃-金属密封装置，其中所述类梯形形状的次要底边(m) 的长度和主要底边（Μ)的长度之间的比率大于0. 25。
4. 根据权利要求2或3所述的玻璃-金属密封装置，其中所述主要底边(Μ)的长度在 [0. 3，0.6]mm的范围内，并且所述次要底边（m)的长度在[0. 15，0. 3]mm的范围内。
5. 根据权利要求2-4中任一项所述的玻璃-金属密封装置，其中所述类梯形形状的横 向侧边（L1、L2)形成在[0. 5，10]度的范围内的角度。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的玻璃-金属密封装置，其中b)项中的所述奥氏 体合金具有根据DIN 17745/ASTM F15标准的适当浓度的镍和钴含量。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的玻璃-金属密封装置，其中d)项中的所述热处 理是在所述金属表面上产生玻璃专用的氧化层的氧化处理。
8. 根据权利要求7所述的玻璃-金属密封装置，其中所述玻璃专用的氧化层具有跨度 在[0.3，3.0] μ m的范围内的厚度并且在所述金属基体中具有在[1.5，18.0] μ m范围内 的熔深。
9. 根据权利要求8或9所述的玻璃-金属密封装置，其中所述玻璃专用的氧化物是铁 氧化物。
10. 根据权利要求9所述的玻璃-金属密封装置，其中所述铁氧化物选自由FeO、Fe3C4、 或FeO和Fe 3C4的混合物所构成的组。
11. 一种生产太阳能接收器的玻璃-金属密封装置（10)的方法，该装置（10)包括将被 密封在一起的金属卡圈（11)和玻璃圆筒（12)，该方法包括如下步骤 ： a) 提供在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 1，3. 5] ·1(Γ6? η范围内的热膨胀 系数的硼硅酸盐玻璃作为所述玻璃圆筒（12)的玻璃； b) 提供在[50，450]摄氏度的温度范围内具有[3. 5，6. 0] ·1(Γ6? η范围内的热膨胀 系数的奥氏体合金作为所述金属卡圈（11)的金属； C)斜切所述金属卡圈（11)的末端部分以便增强其机械柔性； d) 经由热处理来处理所述金属卡圈（11)的末端部分，以便在所述金属和玻璃表面之 间产生结合； e) 将所述玻璃圆筒和所述金属卡圈的末端卡圈部分密封在一起。
12. -种管状太阳能接收器，其中外部玻璃管经由根据权利要求1-10中任一项所述 的玻璃-金属密封装置被连接到内部金属管。
【文档编号】F24J2/07GK104203861SQ201380008795
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2012年2月9日
【发明者】T.奇亚拉帕, C.拉吉 申请人:阿基米德太阳能有限公司