金属-玻璃太阳能真空集热管的封接工艺技术

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1、金属-玻璃太阳能真空集热管的封接工艺技术金属一玻璃太阳能真空集热管的封接工艺技术深圳职业技术学院化生学院■罗大为深圳光启高等理工研究院■李雪北京科技大学材料学院■沈卓身摘要:阐述了金属一玻璃太阳能真空集热管的结构和选用材料,简述了国内外在金属与玻璃封接中所采取的办法.关键词:可伐合金;封接;太阳能;集热管一引言太阳能真空集热管于上世纪20年代由美国人发日月【",它是一种高效太阳集热元件,是接收太阳光能并转化为热能的关键部件,其优点是真空夹层使两管问的对流热损失几乎为零.从集热管的材料来看可分为两类,一类是全玻璃真空太阳能集热管

2、,另一类是金属一玻璃太阳能真空集热管【叫】.其中,全玻璃真空太阳能集热管具有承压耐冻能力差,耐冲击能力弱等缺陷,在寒冷地区容易冻裂,主要应用于太阳能热水器等中低温领域.金属一玻璃太阳能真空集热管是一种新型集热管,比全玻璃真空集热管的效率高若干倍,热循环效果好,不会发生管的冻裂,坚固耐用,可做成大,中,小各种太阳能集热管.金属一玻璃太阳能真空集热管的研制中主要存在三大关键技术难题玻璃与金属封接技术,高温选择性涂层技术和真空技术l5l.玻璃与金属封接是生产技术中的大难题,其封接质量直接决定了集热管的寿命和性能.国外已开发出300～

3、500~C的中高温真空集热管,是新一代的太阳能产品,主要用于太阳能空调,海水淡化和槽式太阳能热发电的基础部件.目前,世界上只有少数几家企业可生产高温真空集热管,如以色列Solel公司和德国Schott公司,年产值皆在100亿欧元以上.国内现有真空集热管的封接方法一般只适用于中低温(3oooc以下),很难满足中高温(3oooc以上)的工作要求.二金属一玻璃太阳能真空集热管的结构金属一玻璃太阳能真空集热管属于中高温集热管的范畴.以应用于槽式太阳能发电的金属一玻璃真空集热管为例,如图1所示是以色列Solel2003UVAC真空集热管

4、结构图.金属一玻璃真空集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管,外套一根同心玻璃管.金属一般采用不锈钢材料,并要求金属管表面有一定的光洁度,而玻璃管大多采用Pyrex玻璃制造.为解决金属和玻璃之间线膨胀系数不统一的问题,在金属管和玻璃套管之间两端采用波纹管(也称膨胀节)进行膨———一SoLARENERGY1/2012抽气口真空部分金属一玻璃封接口金属管玻璃管真空指示装置波纹管图1以色列Solel2003UVAC真空集热管胀补偿.波纹管既要有良好的密封性能,还要有足够的柔性.真空集热管内保持真空是关键,因而膨胀节必须密封良好,

5、一般采用无缝不锈钢管制作.玻璃管和金属管夹层内要求抽真空以保护金属管表面的选择性吸收涂层,同时降低集热损失.由于玻璃管和不锈钢金属管间膨胀系数差异较大,为实现玻璃管和金属管的密封连接,在金属一玻璃封接口一般采用可伐合金(其热膨胀系数介于玻璃和金属之间)过渡封接技术.为尽量提高集热管中工质的温度,要求真空管的金属一玻璃封接口在高温环境下保持良好的工作状态.因此,Pyrex玻璃与可伐合金的密封成为金属一玻璃太阳能真空集热管封接的关键问题.由于可伐合金和Pyrex玻璃这两种材料的热膨胀系数不匹配,导致在采用传统的封接方式时,封接口时

6、常失效,引起玻璃管的破裂,真空度下降以及选择性涂层降解等问题.据报道,美国正在运行的9座槽式太阳能电站11年的调查结果表明,30%～40%的集热管损坏,其主要原因是在冷却过程中金属与玻璃接口的残余应力导致的【1.有些学者试图寻找合适的封接材料,但玻璃管和金属管帽材料的选择要求都很苛刻,尤其是对玻璃管的性能要求格外严苛.三封接材料的选择玻璃管是太阳能真空集热管的基础材料,约占其材料成本的80%,而且对产品性能,寿命,制造工艺影响很大.集热管对玻璃主要有三方面要求:热效率,长寿命;满足各种加工要求;能机械化大规模生产.为满足以上三

7、方面的要求,要求玻璃具有良好的投射性,良好的真空保持性,化学稳定性强,机械强度高,耐热冲击性好,热膨胀系数低,抗酸性等特点f8].经生产和使用证明,Pyrex玻璃是目前国内外生产制造太阳能真空玻璃管的首选材料.Pyrex玻璃由美国康宁公司于1915年发明,当时商业名称为Pyrex,所以一般将这类玻璃都称为Pyrex玻璃,其主要成为是SiO和B0,热膨胀系数为3.3xlO一6/~C,所以也常称为硼硅玻璃3-3.中国的商业牌号为BJTY或GG一17.由于Pyrex玻璃是一种低膨胀的硼硅玻璃,很难选择与其膨胀系数相同的金属材料.在电

8、真空行业,玻璃与金属封装大多采用硼硅硬玻璃和可伐合金材料,因此,一般选择可伐合金与Pyrex玻璃进行封接.可伐合金(Fe-29Ni-17Co)由H.Scott等人在20世纪30年代研究成功,其膨胀系数为(4.7～5.1)x1℃,较接近硼硅硬玻璃,且具有优异的加工和焊接性能,因