热接收管、用于制造热接收管的方法、具有接收管的抛物形槽式集热器以及抛物形槽式集热器的用途

摘要

本发明涉及用于吸收太阳能的热接收管(1)，其中热接收管(1)包括中心管(10)，中心管(10)具有至少一个第一局部热接收管表面(11)、至少一个第二局部热接收管表面(12)和至少一个另一局部热接收管表面(13)，其中第一局部热接收管表面(11)由沉积在中心管(10)的第一局部中心管表面(101)上的第一太阳能吸收涂层(111)形成，用于吸收太阳光的第一光谱的辐射，其中第二局部热接收管表面(12)由沉积在中心管(10)的第二中心管表面(102)上的至少一个发射辐射抑制涂层(14)形成，其中另一局部热接收管表面(13)由沉积在中心管(10)的另一局部中心管表面(103)上的至少一个另一太阳能吸收涂层(131)形成，用于吸收太阳光的另一光谱的辐射(1311)，并且其中另一局部热接收管表面(13)设置在第二局部热接收管表面(12)的辐射窗口(1211)中，使得辐射(1311)可以撞击另一局部热接收管表面(13)。

说明书

技术领域

本发明涉及热接收管和用于制造热接收管的方法。此外提供具有热接收管 的抛物形槽式集热器和抛物形槽式集热器的用途。

背景技术

基于聚集太阳能技术的太阳场发电厂的太阳能收集单元包括例如具有至少 一个抛物面镜和至少一个热接收管的抛物形槽式集热器。热接收管设置在镜的 焦线上。通过镜的太阳光反射表面，太阳光聚焦于热接收管，其充满传热流体， 例如导热油或熔盐。通过热接收管，太阳光的能量耦合到传热流体中。太阳能 转换成热能。

为了使效率最大化，太阳光的能量耦合到传热流体，太阳能吸收涂层附在 热接收管的中心管表面。这种吸收涂层通常包括多层的组，其带有按顺序沉积 的薄膜层，这些薄膜层具有不同的光学特性。例如，沉积薄膜层通过溅射法完 成。

吸收涂层必要的总光学特性是用于太阳光谱波长(吸收辐射)的高太阳吸 收率(低太阳反射率)。此外，用于红外辐射的低发射率(高反射率)也是必要 的。具有这些光学特性的涂层叫做选择性太阳涂层。

发明内容

本发明的一个目的是提供具有能量输出的热接收管，其与现有技术相比具 有改进。这应该在400℃以及更高的高温下得以实现。

本发明的另一个目的是提供具有热接收管的抛物形槽式集热器。

本发明的又一个目的是提供抛物形槽式集热器的用途。

这些目的通过由权利要求中规定的本发明实现。

提供一种用于吸收太阳能以及传递吸收的太阳能给传热流体的热接收管， 传热流体可以位于热接收管的中心管内部。热接收管包括至少一个第一局部热 接收管表面、至少一个第二局部热接收管表面、和至少一个另一局部热接收管 表面。第一局部热接收管表面通过第一太阳能吸收涂层形成，用于吸收太阳光 的第一特定光谱的第一吸收辐射，其中第一太阳能吸收涂层沉积在中心管的第 一局部中心管表面上。第二局部热接收管表面通过至少一个发射辐射抑制涂层 形成，用于抑制红外辐射发射率，其中发射辐射抑制涂层沉积在中心管的第二 中心管表面上。另一局部热接收管表面通过至少一个另一太阳能吸收涂层形成， 用于吸收太阳光的另一特定光谱的另一吸收辐射，其中另一太阳能吸收涂层沉 积在中心管的另一局部中心管表面上。另一局部热接收管表面设置在第二局部 热接收管表面的辐射窗口中，使得另一吸收辐射可以撞击另一局部热接收管表 面。

例如，第一局部表面通过具有90°和270°之间的第一圆周(扇形角)的 第一扇形形成，而第二局部表面通过具有270°和90°之间的第二圆周的第二 扇形形成。在第二扇形中设置有具有10°和40°之间的另一圆周的另一扇形。

此外，公开一种用于制造热接收管的方法。方法包括以下步骤：

a)提供一种用于热接收管的无覆盖的中心管，热接收管具有第一局部中心 管表面、第二局部中心管表面和另一局部中心管表面；以及b)将第一太阳能吸 收涂层附在第一局部中心管表面，将发射辐射抑制涂层附在第二局部中心管表 面上，并且将另一太阳能吸收涂层附在另一局部中心管表面。实施发射抑制涂 层的附着和另一太阳能吸收涂层的附着，使得另一太阳能吸收涂层设置在发射 辐射抑制涂层的内部侧向区域中。另一太阳能吸收涂层至少部分由发射辐射抑 制涂层包围，使得另一吸收辐射撞击另一太阳能吸收层变得可能。

还提供一种包括至少一个抛物面镜和至少一个热接收管的抛物形槽式集热 器，至少一个抛物面镜具有太阳光反射表面用于将太阳光聚集在抛物面镜焦线 上，至少一个热接收管设置在抛物面镜的焦线上。热接收管设置在焦线上使得 具有第一太阳能吸收涂层的第一局部热接收管表面至少部分地位于抛物面镜的 太阳光反射表面的对面，而具有发射抑制涂层的第二局部热接收管表面和第二 局部热接收管表面的辐射窗口中的另一局部热接收管表面至少部分地转向抛物 面镜的太阳光反射表面。优选地，许多热接收管和抛物面镜设置在一起。

最后公开发电厂中抛物形槽式集热器的用途，其用于将太阳能转换成电能。

本发明中的太阳光(吸收辐射)具体意味着太阳光可见(特定)光谱中的 大约270nm到2500nm的电磁辐射。但是也覆盖具有大于2500nm的更长波长 的发射辐射。

本发明的构思是通过第一局部热接收管表面和另一局部热接收管表面最大 限度地将太阳能(集中辐射能)耦合到热接收管使热接收管的热特性最优化， 而通过第二局部热接收管表面实现热能损失的最小化。形成第一局部热接收管 表面的第一太阳能吸收涂层和形成另一局部热接收管表面的另一太阳能吸收涂 层设计成尽可能多地吸收太阳辐射(吸收多于90％并且优选地多于92％或者甚 至多于95％)。这些太阳能吸收涂层是“选择性涂层”。相反，通过由发射辐射 抑制涂层形成的第二局部热接收管的发射率降低。发射辐射抑制涂层是“非选 择性”涂层。

优选地，用于吸收太阳光的第二特定光谱的第二吸收辐射的第二选择性太 阳能涂层设置在第二局部中心管表面和发射辐射抑制涂层之间。辐射抑制涂层 优选地直接附在第二太阳能吸收涂层上，导致设置在中心管的第二局部中心管 表面上的层组。该层组包括第二太阳能吸收涂层和发射辐射抑制涂层。

优选地，第一太阳能吸收涂层和/或第二太阳能吸收涂层和/或另一太阳能吸 收涂层形成共同太阳能吸收涂层。只有一种太阳能吸收涂层附在中心管的侧部 区域。这种共同太阳能吸收涂层具有全部相同的或几乎相同的化学和物理特性。 因而，太阳光的第一特定光谱的第一吸收辐射，太阳光的第二特定光谱的第二 吸收辐射和/或太阳光的另一特定光谱的另一吸收辐射是相同的或几乎相同的。 只有一种太阳能吸收涂层的使用对于热接收管的制造是有利的。只沉积一种太 阳能吸收涂层到中心管的全部中心管表面比沉积多种太阳能吸收涂层到多个局 部中心管表面容易。

在一个优选实施例中，关于制造，附着第一太阳能吸收涂层、附着第二太 阳能吸收涂层和/或附着另一太阳能吸收涂层在一个步骤中实施。例如，热接收 管的制造的实施如下：在第一步骤，共同太阳能吸收涂层沉积在中心管的(全 部)侧部区域上。在第二步骤，发射辐射抑制涂层沉积在共同太阳能吸收涂层 上，就在第二局部中心管表面的区域中。在第一局部中心管表面的区域中，共 同太阳能吸收涂层通过发射辐射抑制涂层保持无覆盖。

当沉积发射辐射抑制涂层时，另一局部中心管表面可以被覆盖，使得形成 发射辐射抑制涂层中的辐射窗口。为了该步骤要使用掩膜法。

可选地，发射辐射抑制涂层沉积在第二局部中心管表面的全部区域上。沉 积发射辐射抑制涂层后，发射辐射抑制涂层中产生辐射窗口。这通过移除发射 辐射抑制涂层的材料完成。下面的共同太阳能吸收涂层无覆盖并且形成另一局 部热接收管表面。

在热接收管的一个可选的优选实施例中，第二局部中心管表面基本不被第 一太阳能吸收涂层覆盖和/或基本不被另一太阳能吸收涂层覆盖。发射辐射抑制 涂层优选地直接沉积在第二中心管表面上。当然，至少一个不同于第一太阳能 吸收涂层和/或不同于另一太阳能吸收涂层的隔层，可以设置在发射辐射抑制涂 层和第二局部中心管表面之间。这种隔层可以是IRR(红外辐射)层，其是第 一局部热接收管表面、第二局部热接收管表面和另一局部热接收管表面的层组 的一部分。这种隔层可以改善随后沉积层的粘附。例如，隔层改善第二局部中 心管表面上的发射辐射抑制涂层的粘附。

热接收管可以设置在抛物面镜的焦线上使得由抛物面镜的反射表面聚集的 太阳能辐射撞击第一局部热接收管表面的第一太阳能吸收涂层。不被该聚集的 太阳能辐射(也就是通常面对太阳的区域)加热的热接收管的区域由发射辐射 抑制涂层涂覆。除此之外，辐射抑制涂层的窗口的另一局部吸热表面也面对太 阳。因此，直接太阳辐射可以撞击另一局部热接收表面。

优选地，第一局部热接收管表面和/或第二局部热接收管表面和/或另一局部 热接收管表面沿热接收管的纵向对准线对准。该特性也应用到第一中心管表面 和/或第二中心管表面和/或另一中心管表面。沿热接收管纵向对准线的对准和沿 中心管纵向对准线的对准分别有利于热接收管布置在抛物面镜的焦线中。

太阳聚集的辐射能量耦合到热接收管被最大化并且热接收管的热能损失最 小化。

在一个优选实施例中，第一局部热接收管表面包括具有第一圆周的热接收 管的侧部区域的第一扇形，其选择范围在150°和300°之间并且优选地在180 °和270°之间。在一个进一步的优选实施例中，第二局部热接收管表面包括 具有第二圆周的热接收管的侧部区域的第二扇形，其选择范围在210°和60° 之间并且优选地在180°和90°之间。在又一优选实施例中，另一局部热接收 管表面包括具有另一圆周的热接收管的侧部区域的另一扇形，其选择范围在10 °和40°之间并且优选地在15°和30°之间。另一扇形设置在第二扇形中。 扇形的角度关于热接收管的能量平衡被优化(例如通过RIM角)。

由于发射辐射抑制涂层，红外辐射的发射率的大小减小。辐射抑制涂层的 红外辐射的发射率少于30％。优选地，发射辐射抑制涂层包括小于20％的红外 辐射的发射率。

在一个优选实施例中，发射辐射抑制涂层包括金属，其从由铝、铜、银、 金和钼构成的组中选择。其它金属或合金也是可能的。发射辐射抑制涂层可以 是金属的并且可以包括一种金属或多种金属。例如，发射辐射抑制涂层是由铜 组成的层。这种具有铜的涂层阻碍热接收管的“上部”部分的热辐射(发射率)， 其通过直接太阳辐射撞击。这很强地降低了热接收管的总体热损失，同时损失 了在其上的一些总辐射撞击。

局部热接收管表面的区域无需具有相同的范围。局部热接收管表面的范围 容易被优化，并且它们在热接收管的侧部表面上的位置被优化(例如由于RIM)。

单独的局部热接收管表面可以分成两个或多个子部分。例如，第二局部热 接收管表面通过由另一热接收管表面形成的辐射窗口分成两部分。但是优选地， 这些局部表面不被分开。因此，局部热接收管表面的至少一个形成连续区域。 热接收管设置在平行于镜的纵向对准线的焦线上。由此，太阳能的吸收非常有 效率。聚集的太阳辐射总是撞击第一局部热接收管表面的太阳吸收涂层(大约 52太阳强度)。另外，能被聚集的直接太阳辐射(见下文)也撞击另一局部热接 收表面。第二局部热接收管表面不被聚集的太阳辐射(大约0.6太阳强度)撞击。 可能浪费非常少的能量，而由于总的发射率获得的更多的热损失。

在一个优选实施例中，太阳光聚集装置设置成与热接收管有一聚集距离， 使得另一吸收辐射可以聚集在热接收管的另一局部热接收管表面上。例如，这 种太阳光聚集装置是透镜。优选地，太阳光聚集装置是菲涅耳透镜。透镜的其 它类型也是可能的。借助于太阳光聚集装置，直接太阳光(另一太阳吸收辐射) 聚焦在具有另一太阳吸收涂层的另一热接收管表面上。这通过另一太阳吸收涂 层增加了另外的太阳辐射的吸收。

通过这一措施，热接收管的吸收与发射率的总体比率增加。用于吸收的直 接太阳辐射损失降低，这将无需另一局部热接收管表面而发生。

为了改善热接收管的物理和化学稳定性以及热特性，额外实施其它一些措 施。优选地，热接收管包括至少一个封装体用于包围局部热接收管表面的至少 一个，其中封装体包括至少一个透明的封装壁，其至少部分透明用于第一吸收 辐射和/或至少部分透明用于第二吸收辐射和/或至少部分透明用于另一吸收辐 射。在这种情况下所说的至少部分透明是指吸收辐射的透射率大于80％，并且 优选地大于90％。

例如，封装体是由亚克力玻璃组成的管。在一个优选实施例中，封装体是 玻璃(SiO₂)管并且封装壁是玻璃管壁。在热接收管的化学和物理稳定性以及 吸收辐射的透明度方面，这是非常有效的封装体。

在另一个优选实施例中，封装壁包括太阳光聚集装置。由此，高化学和物 理稳定性和高的太阳光聚集效率是可能的。

热接收管的热接收管表面和封装壁之间具有接收空隙。该接收空隙优选地 是真空的。这意味着接收空隙中的气体压力小于10^-2mbar并且优选地小于 10^-3mbar。这具有的优势是，由于对流而以传热流体从热接收管传递走的热量被 降低。热能不会耗散并且基本完全可用于传热流体的加热。

为了太阳能吸收涂层的附着和/或为了发射辐射抑制涂层的附着，采用薄膜 沉积技术。

薄膜沉积技术优选地从由原子层沉积、化学蒸汽沉积和物理蒸汽沉积组成 的组中选择。物理蒸汽沉积例如是溅射。

为了获得结构化涂层，采用结构化沉积技术。涂层的至少一个是结构化沉 积的。在一个优选实施例中，至少一个太阳能吸收涂层的附着和/或发射辐射抑 制涂层的附着借助于掩膜法实施。可选地，涂层可以被非结构地沉积，并且沉 积非结构涂层后完成结构化，例如通过移除沉积的材料。

本发明具有以下优点：

直接太阳光辐射通过另一局部热接收管额外耦合到热接收管中，导致用于 加热传热流体的太阳能效用的增加。

用于热接收管表面的不同区域的不同种类的涂层的使用导致完全的热接收 管的吸收与发射率的总体较高比率。

热接收管的第二局部热接收管表面的发射辐射抑制涂层可以使用宽范围的 可用材料。

在非选择性涂覆部分上具有热辐射的高阻塞(通过发射辐射抑制涂层)。

附图说明

参照附图，本发明的进一步特征和优势通过示例性实施例的描述示出。附 图是示意性的。

图1示出热接收管和具有热接收管的抛物形槽式集热器的第一示例的横截 面。

图2以侧视图示出第一示例的热接收管。

图3示出热接收管和具有热接收管的抛物形槽式集热器的第二示例的横截 面。

图4示出带有封装体的第一示例的热接收管的横截面。

具体实施方式

每个示例包括热接收管1用于吸收太阳能并且用于将吸收的太阳能传递给 传热流体2，传热流体2可以位于热接收管的中心管10的内部。中心管由钢制 的中心管壁103组成。

中心管10包括第一局部中心管表面101、第二局部接收管表面12和另一局 部热接收管表面13。

第一局部热接收管表面11由第一太阳能吸收涂层111形成，用于吸收太阳 光的第一特定光谱的第一吸收辐射。由此，第一太阳能吸收涂层沉积在中心管 10的第一局部中心管101表面上。第一太阳能吸收涂层是具有不同光学特性的 不同层的多层排列。

第二局部热接收管表面12由发射辐射抑制涂层14形成，用于抑制红外辐 射的发射率。由此，发射辐射抑制涂层14沉积在中心管10的第二中心管表面 102上。发射辐射抑制涂层14由铜组成。可选地，发射辐射抑制涂层包括金属 铝。

另一局部热接收管表面13由至少一个另一太阳能吸收涂层131形成，用于 吸收太阳光的另一特定光谱的另一吸收辐射。由此，另一太阳能吸收涂层131 沉积在中心管10的另一局部中心管表面103上。

另一局部热接收管表面13设置在第二局部热接收管表面12的辐射窗口 1211中，使得另一吸收辐射1311可以撞击另一局部热接收管表面13。

第一局部热接收管表面11形成具有大约180°的第一圆周1611的热接收管 1的侧部区域16的第一扇形161。第二局部热接收管表面12形成具有大约180 °的第二圆周1612的热接收管1的侧部区域16的第二扇形162。另一局部热接 收管表面13形成具有大约30°的另一圆周1613的热接收管1的侧部区域16 的另一扇形163。由此，局部热接收管表面11、12和13沿热接收管1(图2) 的纵向对准线15对准。

示例1

发射辐射抑制涂层14不直接附于第二局部中心管表面102(图1)。第二局 部中心管表面102由第二太阳能吸收涂层121覆盖，用于吸收太阳光的第二特 定光谱的第二吸收辐射。发射辐射抑制涂层14沉积在第二选择性太阳能涂层 121上，使得第二选择性太阳能涂层121设置在第二局部中心管表面102和发射 辐射抑制涂层14之间。

第一太阳能吸收涂层111、第二太阳能吸收涂层121和另一太阳能吸收涂层 131的物理和化学特性是相同的。第一太阳能吸收涂层111、第二太阳能吸收涂 层121和另一太阳能吸收涂层131形成共同连续的太阳能吸收涂层200，其沉积 在中心管的中心管表面的全部侧部区域。

示例2

发射辐射抑制涂层14直接附于第二局部中心管表面102(图3)。第二局部 中心管表面12基本不被第一太阳能吸收涂层111覆盖，并且基本不被另一太阳 能吸收涂层131覆盖。

这种接收管可被制造如下：连续的吸收涂层沉积在无覆盖的中心管的侧表 面上(例如通过溅射工艺的帮助)。沉积过程后，吸收涂层的材料在第二局部中 心管表面的区域中被移除，导致无覆盖的第二局部中心管表面。然后，发射辐 射抑制涂层14沉积到无覆盖的第二局部中心管表面上。

图4示出另外的结构措施。尽管图4只涉及示例1，但是这些措施可用于实 施两个示例：热接收管包括具有封装壁的封装体17，用于包围所有局部热接收 管表面11、12和13。

封装体17是玻璃管并且封装壁171是玻璃管壁。玻璃管壁是透明的，用于 以大于90％的透射率进行第一吸收辐射和另一吸收辐射。接收空隙位于玻璃管 壁和接收表面16之间。该接收空隙是真空的。气体压力大约10^-3mbar。

另外，太阳光聚集装置500设置成与热接收管1的热接收管表面有一聚集 距离501，使得另一吸收辐射1311可被聚集到热接收管1的另一局部热接收管 表面13上。太阳光聚集装置500包括菲涅耳透镜，其位于封装壁(玻璃管壁) 171中。通过该措施，直接太阳光的聚集变得可能。

关于示例1或关于示例2的热接收管是抛物形槽式集热器1000的一部分。 抛物形槽式集热器1000包括至少一个具有太阳光反射表面31的抛物面镜3。通 过反射表面31，太阳光聚集在抛物面镜3的焦线32上。

热接收管1位于抛物面镜3的焦线32上。由此，热接收管的第一局部热接 收管表面11(接收管1的“下部”部分)与镜3的太阳光反射表面31相对设置。 第二局部热接收管表面12和第二局部热接收管表面12的辐射窗口1211中的另 一局部热接收管表面13(热接收管1的“上部”部分)转移到镜3的太阳光反 射表面31。

传热流体2位于热接收管1的中心管10的内部。传热流体2是导热油。可 选地，传热流体是熔盐。

抛物形槽式集热器用在太阳能发电厂，用于将太阳能转换成电能。