一种用于槽式聚光集热系统的高温真空集热管的制作方法

本发明属于太阳能光热利用技术领域，涉及太阳能集热元件，具体涉及用于槽式聚光集热系统的高温真空集热管。

技术背景

太阳能槽式聚光集热系统是目前高温太阳能利用商业化程度最高、技术最为成熟的集热装置，高温真空集热管是槽式聚光集热系统技术最复杂、要求最严格的核心部件，其运行温度高达550℃，广泛应用在槽式光热发电系统等光热领域中。

然而，在高温运行下的高温集热管面临着一个重大的难题—大量的辐射热损，这造成了集热管集热效率下降。特别是在槽式太阳能热发电系统中，真空集热管集热温度更是可以达到550℃，这使得集热管热损量呈指数式急剧增大，进一步降低了太阳能高温真空集热管集热效率，成为了槽式聚光集热系统获取更高集热温度一大拦路虎。因此降低较高集热温度下的槽式太阳能高温真空集热管热损问题具有较高的学术和商业价值。

当前真空集热管的热损减少方法主要是通过优化、提升真空集热管各关键部件的材料和涂层性能，降低真空集热管的热损从而提升真空集热管综合性能。如提高真空集热管内吸收管表面太阳能选择性吸收涂层的吸收率，提高外玻璃管太阳辐照透过率等。但随着材料技术的发展，当前真空集热管的关键部件材料性能上升空间已非常小，这导致通过传统的材料改进方法以降低真空集热管热损的效果也十分有限。

申请人根据槽式聚光集热系统的聚光特性，提出了一种更简单、有效减少高温真空集热管热损的方法。

技术实现要素：

为了有效削减槽式聚光集热系统中的高温真空集热管在较高集热温度下大量的对外辐射热损，有效地提高高温真空集热管的集热效率，本发明提出了一种外玻璃管镀红外反射膜的高温真空集热管。

一种用于槽式聚光集热系统的高温真空集热管包括内吸收管2和外玻璃罩管3，外玻璃罩管3和内吸热管2之间的空腔为真空环形空间5，改进在于：

所述外玻璃管3正对太阳入射光线的上半部分4的内表面和外表面分别设有内红外反射膜41和外红外反射膜42；

所述内红外反射膜41和外红外反射膜42均具有在红外波段高反射率、太阳辐射波段高透过率特性；

进一步限定的技术方案如下：

所述内红外反射膜41和外红外反射膜42均为在0.2～2.5μm的太阳辐射透过率高于60%、在2.5μm以上的红外波段反射率高于60%。

所述红外反射膜41的材料和外红外反射膜42的材料为透明导电氧化物薄膜或银膜或铜膜。

所述内红外反射膜41和外红外反射膜42覆盖的外玻璃管3范围对应的内吸收管2的圆心角为180度。

本发明高温真空集热管的内吸收管2和外玻璃管3之间为真空环形空间，有效阻止了内吸收管2通过热对流和热导方式将热量散失出去，所以集热管主要热损方式为辐射散热。高温真空集热管的辐射热损主要与集热温度和内吸收管2外表面太阳能选择性吸收涂层发射率相关。随着集热温度升高，内吸收管2对外的发射功率呈指数式增长，同时太阳能选择性吸收涂层发射率也会急剧增加，这造成了高温真空集热管的辐射热量损失会急剧增加。如图2所示，槽式太阳能聚光集热系统中，高温真空集热管底部接收来自底部反射镜聚焦的高热流密度的太阳光线，真空集热管正对太阳入射光线的上部区域仅接收来自太阳的低热流密度直射辐射；但随着真空集热管集热温度的提升，真空集热管周向对外辐射热损量呈指数式增加，这使得在真空集热管上部区域会出现辐射热损量高于其所吸收的太阳辐照能量，造成该区域净负得热量。以目前商业化程度最高的eurotrough150以及著名集热管制造厂家德国肖特公司的ptr70集热管为例，真空集热管周向接收的聚光比（太阳辐照能流q与太阳直射辐照gb之比，q/gb）如图3所示。在集热管下部圆心角为90—270°的聚光部分是集热管获取热量的主要来源；在集热管上部圆心角为0-90°、270-360°区间，聚光比低于1，得热量低。当集热温度较高时，集热管上部分的内吸收管表面对外辐射热量高于其吸收到的太阳辐照量。为有效改善该区域热损量，我们提出了在集热管外玻璃管3的内表面、外表面分别涂设红外反射涂层。尽管红外反射涂层使外玻璃管3上部分太阳辐射透过降低，但它们有效地拦截了内吸收管发射的红外热辐射以及降低了外玻璃管对外的辐射热损。综合利弊，该方法有效地解决了太阳能真空管中高温情况下散热损失大的问题，具有很好的使用和推广价值。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.通过对外玻璃管上半部分内表面进行优化并增设红外反射膜，可有效阻拦内吸收管表面发射的以红外波段为主的红外热辐射，并将红外热辐射反射回内吸收管表面，大幅度地降低了真空集热管的热量损失；

2.通过对外玻璃管上半部分外表面进行优化并增设红外反射膜，由于红外反射膜具备红外波段低发射率特性，玻璃管外表面对环境辐射散热相比于传统外玻璃管表面大大降低，这进一步有效地减少了集热管热损。

3.在外玻璃管上半部分内、外表面均进行优化和增设涂层，为减少集热管热损的研究提出了一种新方法、新思路，具有较高的研究价值和实用价值。

4.通过计算发现，在集热温度为400℃时，传统真空集热管热损量为230w/m²，本发明所述的一种高温真空集热管热损量仅为195.7w/m²，热损量相对降低达到14.9%。相应地，真空集热管集热效率可突破性的相对提升3%左右，槽式光热电站年发电量可相对提升6%。本发明性能远超当前市场上主流真空集热管性能。

附图说明

图1为外玻璃管膜层优化的高温真空集热管装配于太阳能槽式聚光集热系统中横截面示意图。

图2为槽式聚光集热系统光线跟踪示意图。

图3为装配在eurotrough150聚光槽上的ptr70集热管周向聚光比图。

上图中序号：槽式聚光反射器1、内吸收管2、外玻璃管3、上半部分4、内红外反射膜41、外红外反射膜42、真空环形空间5、高温真空集热管6。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种用于槽式聚光集热系统的高温真空集热管6包括内吸热管2和外玻璃管3。内吸热管2和外玻璃管3之间的空隙为真空环形空间5。外玻璃管3正对太阳入射光线的上半部分4的内表面、外表面均涂设内红外反射膜41和外红外反射膜42以减少真空集热管辐射热损。

内红外反射膜41和外红外反射膜42均在在0.2～2.5μm的太阳辐射透过率高于60%、在2.5μm以上的红外波段反射率高于60%。

太阳在一天范围内的高度角不断变化，槽式聚光系统一般采用一维跟踪方式跟踪太阳旋转从而获得最大集热效果。参见图1，槽式聚光反射器1与高温真空集热管6安装在一起旋转跟踪太阳，因此外玻璃管3的上半部分4正对太阳和天空且只接收太阳直射辐照。外玻璃管3的下半部分则接收来自底部槽式聚光反射器1反射聚焦的高倍太阳辐照，且该部分高倍太阳辐照是高温真空集热管6获得热量的主要来源。为了不遮挡底部的聚光光线，内红外反射膜41和外红外反射膜42仅覆盖外玻璃管3的上半部分4，也就是覆盖的外玻璃管3范围对应的内吸收管2圆心角的180度。

内红外反射膜41可有效阻拦内吸收管2表面发射的以红外波段为主的红外热辐射，并将红外热辐射反射回内吸收管2表面，大幅度地降低了高温真空集热管6的辐射热损；同时由于外红外反射膜42具备低发射率特性，外红外反射膜42对环境辐射散热相比于传统外玻璃管表面大大降低，这进一步有效地减少了高温真空集热管6的热损。因此，通过对外玻璃管3的上半部分4内表面和外表面进行优化增设红外反射涂层，可有效减小高温真空集热管6对外辐射热损，大大提高高温真空集热管6的集热效率；内红外反射膜41和外红外反射膜42材料相同为透明导电氧化物薄膜，具体以掺锡氧化铟（ln2o3:sn）为例，对高温真空集热管6进行性能验证。掺锡氧化铟薄膜在太阳辐射波段透过率为70%，红外波段反射率为60%-80%。按照上述描述，经过计算，相比于传统未经改造的太阳能真空集热管，采用这两种膜层的新高温真空集热管在集热温度为400度时可有效减少14.9%的热量损失；在太阳直射辐照800w/m²条件下，可相对提高3%左右的集热效率。

参见图2为槽式聚光集热系统光线跟踪示意图，来自太阳的直射辐照经过底部槽式反射镜1聚焦到反射槽焦点处的高温真空集热管6上。聚焦光线主要集中在高温真空集热管6的下部，而高温真空集热管6上部仅接收来自太阳的直射辐照。

参见图3，选择eurotrough150聚光槽和ptr70集热管为例，对高温真空集热管周向热流进行分析。在高温真空集热管的下部分（圆心角θ范围为90-270°）接收到的是高能量密度的太阳辐照（聚光比q/gb高于1），而高温真空集热管上部分（圆心角θ范围为0-90°，270-360°）仅接收到低能量密度的太阳直射辐照（聚光比q/gb低于1）。

实施例2

内红外反射膜41和外红外反射膜42材料相同为铜膜。其它结构同实施例1。铜膜的厚度为10nm，在太阳辐射波段透过率为40%，红外波段反射率为90%；在集热管集热温度为400℃和太阳辐照800w/m²条件下，热损相对可降低16.8%，集热效率可相对提升2.4%左右。因此，采用外玻璃管增设红外反射膜的方法对真空集热管热性能提高具有突破性价值。