制造陶瓷太阳辐射吸收器体的方法和吸收器体

摘要

本发明涉及一个太阳能热电厂所使用的太阳辐射吸收器体(8)的外壳(80)，包含一个第一锥形外壳部分(81)，该外壳部分有一个第一自由端(82)负责容纳一个陶瓷材料的太阳辐射吸收器体(9)和一个横截面比第一端部(82)小的第二端部(83)，以及一个第二外壳部分(84)，该外壳部分延其纵深方向具有恒定的横截面。第二外壳部分(84)与第一外壳部分(81)的第二端部(83)连接在一起。根据本发明，外壳(80)的特征在于，一个具有多个孔(86)并且在第一外壳部分(81)的整个内横截面延伸的内壁(85)被安置在第一锥形的外壳部分(81)。此外，本发明还涉及一种制造这种外壳(80)的方法以及一种把该外壳(80)固定在一个支撑结构(11)的方法。

说明书

本发明涉及制造一种具有一个第一表面和一个与第一表面相对的第二表面 的陶瓷材料太阳辐射吸收器体的方法，其中该吸收器体具有许多基本上呈直线 延伸的，把第一表面和第二表面连接起来的通道。此外，本发明还涉及一种太 阳辐射吸收器体。

太阳辐射吸收器体被用在所谓的太阳能热动力发电厂。在这种太阳能热电 厂，众多吸收器体通过吸收聚集的太阳辐射所获得的热量被用于发电。具体地 说，就是射入的太阳辐射由许多反射镜(日光反射装置)反射到一个由许多固 定在一个共同的支撑结构上的吸收器所组成的吸收器单元上，使该吸收器单元 受到200～1000倍强度的冲击。由吸收器体的通道吸入的环境空气气流被 加热到700℃并且由一个管路系统被输送给热交换器，然后由热交换器输送 到一个水—蒸汽循环系统。在该循环系统，通常是驱动一台与发电机相连的汽 轮机。离开热交换器后被冷却至大约150℃的环境空气被重新输送回太阳辐 射吸收器单元，并且在对支撑吸收器体的壳体进行冷却处理后流出到外部环境， 其中有一部分重新被吸收并加热。

从现有技术中可以了解到，可以采用不同的方式实施根据总概念所述的制 造这种吸收器体的方法。在DE 197 40 644 A1中描述了一种陶瓷材料的多孔 吸收器体。吸收器体的太阳直接辐射表面经过喷砂处理，因此该表面具有高的 孔隙度。在吸收器体的太阳直接辐射表面，反射太阳辐射的表面部分因此而减 少，进入吸收器体孔隙的太阳辐射份额相应地得以提高并且在那里被吸收。

根据DE 197 40 644 A1中所述的另一个结构形式，吸收器体有许多矩 形截面的直通道，这些通道像棋盘一样上下和并排排列。对通道起限制作用并 且相互交叉的通道壁在其前面的，太阳直接辐射的区域因喷砂斜着击中表面并 且进入内部，其壁厚被降致原始厚度的四分之一，吸收器体的太阳辐射反射面 相应地减少。

但是，实践实验表明，不能重复利用喷砂处理来降低壁厚，因为喷砂只能 造成使边楞变圆，所期望的效果，即，通过降低吸收器体的太阳辐射反射面来 提高太阳辐射吸收率，利用DE 197 40 644 A1中所述的方法不能以令人满意 的方式实现。

因为出于强度方面的原因，不可能随意制造壁厚任意低的吸收器体，因此 吸收器体总体上对入射的太阳辐射都有一个高的反射率，从而不能足够有效率 地工作。

从上面出发，本发明的任务是，创造一种制造陶瓷吸收器体的方法，该方 法实施简单并且用它能产生高效工作的吸收器体。

该任务可以通过上述类型的一种含有下述工作步骤的制造陶瓷太阳辐射吸 收器体的方法来解决：

—制造一个吸收器体坯

—材料剥蚀地处理吸收器体坯的第一表面来扩大第一表面，并且

—烧制坯

按照本发明的方法的特别的优点在于，通过对吸收器体坯采用材料剥蚀法 处理，而不是对烧制完的吸收器体进行加工处理，吸收太阳辐射的有效表面决 定性地被扩大，从而由吸收器体反射给环境的太阳辐射份额从总体上降低。因 为对于采用材料剥蚀法处理坯所需要的加工设备通常都用于清洁烧制完的零 件，因此可以利用现有的设备实施根据本发明的方法，几乎不会增加任何花费。

可以采用不同的方法实现扩大吸收器体的第一表面从而提高总的吸收系 数。关键是，不是对烧完的产品而是对坯进行加工处理，这样做就可以实现有 效的材料剥蚀，并且精度高，加工费用低。

根据按照本发明的方法的第一个优选的形式，是采用材料剥蚀方法来处理 吸收器体坯的第一表面：在位于第一表面处的其开口区域中在吸收体坯的至少 一个通道的壁上成型一个辐射射入面，该辐射射入面基本上是平的并且关于通 道延伸轴线倾斜。

在至少一个通道成型出一个辐射射入面所具有的优势是，在这个通道中， 太阳辐射可进入通道所经过的敞开的口截面比常规通道口截面明显扩大许多。 与此相应的是，包围该通道的吸收器体的反射表面减少，因此只有微量的太阳 辐射重新被反射回周边环境。另一方面，由于辐射射入面是倾斜的还可以实现， 视太阳视高度和各反射镜的位置以不同的角度相对于吸收器体的第一表面倾斜 入射的光被反射到通道里，在此其被通道的壁吸收并且转换成热能。在通道内 壁上继续被反射的一小部分通过多次反射最终同样被吸收。

在传统的吸收器体中，只是在直接在面向太阳辐射表面处的几毫米长的通 道上值得一提地吸收太阳辐射，如”Celluar Ceramics Use in Solar Radiation  Conversion(多孔陶瓷在太阳辐射转换中的应用)”(Celluar Ceramics：Structure， Manufacturing，Properties and Application by Scheffler，M.ard Colombo，P. (Eds.)，Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA，Winheim 2005)所述。在按照本发 明的方法的设计范围内，通过规定了辐射射入面，通道的有效吸收长度得以决 定性地扩大。

优选，在吸收器体坯的众多通道内分别成型一个关于通道延伸倾斜的辐射 射入面。在这里优选全部的辐射射入面都是彼此平行的。通过在吸收器体坯的 众多通道内，优选在全部的通道，都成型辐射射入面，相应地这个表面的有利 效果就会翻几倍。为了降低制造成本，在众多通道内成型的辐射射入面相互平 行构成。

可以选择在辐射射入面与对应的通道延伸方向之间呈不同的角度。为了一 方面扩大有效吸收表面和另一方面能够使斜着照射到辐射射入面的太阳辐射被 反射到通道的深处，辐射射入面与通道延伸轴之间的角度优选为15～30°，特别 约22.5°。

可以采用不同的方式材料剥蚀地在吸收器体坯上成型辐射射入面。优选在 从属的通道的壁上铣削表面。

可以通过多种加工策略铣削辐射射入面。为了铣削具有期望倾角的辐射射 入面，可以根据本发明的另一种结构形式将辐射射入面通过一个具有吸收器体 的第一表面平行的转动轴线的非对称盘铣刀铣削到吸收器体坯上。非对称盘铣 刀指的是盘铣刀，其周边上的切削刃关于支撑它盘非对称。优选，切削刃优选 包含一个材料剥蚀加工有效的铣削角，例如20°～50°，优选大约30°。

除了使用非对称盘铣刀，可以通过一个具有与吸收器体的第一表面倾斜的 转动轴线的对称盘铣刀以希望的角度将辐射射入面铣削到吸收器体坯上。在对 称铣刀中，切削刃对关于支撑其的盘或关于一个与铣刀的旋转轴正交的平面对 称。切削刃也优选包含一个角度，20°～50°，优选大约30°，并且盘铣刀的旋转轴 线关于吸收器体的第一表面倾斜5°～25°，优选7.5°。

对于吸收器体通道通常具有一个矩形或正方形的孔口横截面并且孔口横截 面呈棋盘状设置在吸收器体的第一表面上。当通道的孔口横截面是矩形时，即 分别对置的长边和短边，从而优选在长边上形成辐射射入面，尤其是其整个长 度上。从而扩大由单个辐射射入面组成的有效总面积并且反射太阳辐射的表面 相应地缩小。

根据本发明的另一种优选结构形式，对于矩形或正方形的并且呈棋盘状布 置的通道孔口横截面，对于多个吸收器体的通道，这样铣削辐射射入面，而铣 刀成排地在布置在排中的通道的相应壁上铣削辐射射入面，这是一种特别节省 时间的加工策略。

根据本发明的另一种优选结构形式，非对称的盘铣刀形成一种多通道铣刀 并且同时在吸收器体铣削多个辐射射入面。同时铣削的多个辐射射入面与布置 在多通道铣刀旋转轴线上的单个铣刀的数量相应。这样可以在很短的时间内制 造大量的辐射射入面。

为了继续扩大表面，可以最后规定，表面被扩大后烧制的吸收器体的通道 壁的前边楞通过喷砂进行倒圆处理。

代替通过利用铣削对吸收器体坯进行材料剥蚀加工生成一个或多个辐射射 入面，按照本发明的另一个形式还可以规定，利用喷砂工艺来对吸收器体坯进 行材料剥蚀加工。通过喷砂处理吸收器体坯，在吸收器体坯的第一表面实现重 要的材料剥蚀。在此，通道分界壁的边楞被凹地圆化，这只有通过吸收器体坯 的喷砂处理才能实现。

同样也可以利用喷砂工艺在吸收器体坯成型辐射射入面。为此，为了进行 喷砂处理优选吸收器体坯倾斜并且在砂射束和第一表面之间产生相对运动。当 然，由倾角确定辐射射入面与通道延伸轴线之间的角度。为了能够制造尽可能 多的辐射射入面，还可以规定，为了使吸收器体的第一表面最大面积地受到加 载，使砂射流喷嘴摆动地，关于相对运动，优选正交运动。

作为加工策略，按照本发明的另一种理论可以规定，砂射束关于第一表面 的表面法线从两侧对称地向第一表面喷射，从而产生一个特别均匀的表面结构。 如果位于第一表面的通道的孔口横截面又是矩形并且呈棋盘状布置，则通道的 分界壁通常是垂直交叉，重要的是，吸收器体预制旋转大约90°后重复喷砂，以 便在全部的边楞都能实现期望的均匀倒圆的表面结构。

申请人的实验表明，由具有六边形通道横截面的蜂窝状的吸收器体可以实 现特别有效的辐射输入，因为与方形横截面相比虽然水力直径没有变化并且横 截面的面积也相同，但是热交换面积可以扩大15％。在六边形通道横截面还可 以实现通过按一定的角度向吸收器体的第一表面加载生成辐射射入面。

把表面显著地增加20％的可例如，通过利用3.5～5巴的压力向吸收器体坯 的第一表面喷砂，持续时间2～10秒。

本发明的另一项任务是，为吸收太阳辐射创造一种吸收器体，该吸收器体 的特征是，对入射的太阳辐射吸收比高并且高效。

根据本发明，该任务可以通过一个按照权利要求17的前序部分所述的吸收 器体来如下解决，在位于第一表面处在开口区域中在至少一个通道的通道壁上 成形一个关于通道延伸轴线倾斜并且基本上是平的辐射射入面，使照射到辐射 射入面上的太阳辐射被反射到各通道内。

上述内容属于按照本发明的吸收器体的优点。

特别是在吸收器体的至少一个通道成型一个辐射射入面引起，在这个通道， 太阳辐射进入通道所经过的敞开的孔口横截面比常规通道孔口横截面明显扩大 许多。与此相应的是，包围该通道的吸收器体的反射面减少，因此只有微量的 太阳辐射重新被反射回周边环境。由于辐射射入面是倾斜，视太阳视高度和各 反射镜的位置以不同的角度关于吸收器体的第一表面斜着照射的光被反射到通 道里，在此其被在通道的壁吸收并且转换成热能。在通道壁上继续被反射的一 小部分通过多次反射最终同样被吸收在通道壁中。

优选，在吸收器体的众多通道内成型一个关于通道延伸方向倾斜的辐射射 入面。在这里，优选全部的太阳辐射射入面都是彼此平行的。在这种吸收器体 中可以特别高效地把太阳辐射转变成热能，在这种吸收器体中全部的通道都配 置一个这种类型的辐射射入面。

可以选择在辐射射入面与从属的通道延伸方向之间呈不同的角度。为了一 方面扩大有效吸收表面和另一方面能够使斜着照射到辐射射入面的太阳辐射被 反射到通道的深处，太阳辐射射入面与通道延伸轴线之间的角度为优选15～30°， 特别约22.5°。

吸收器体的通道可以具有不同几何形状的横截面。适合的是其可以是矩形 孔口横截面并且该孔口横截面呈棋盘状布置在吸收器体的第一表面。

由具有的按蜂窝状六边形通道横截面布置在吸收器体中的吸收器体可以实 现特别有效的辐射输入，因为与方形横截面相比虽然水力直径没有变化并且横 截面的面积也相同，但是热交换面积可以扩大15％。

根据本发明所规定的在至少一个通道内的辐射射入面可以用不同的方式施 加在吸收器体内。同样也可以从一开始就给吸收器体成型一个辐射射入面。但 是，优选通过铣削处理在吸收器体补充加工成型辐射射入面。

如果吸收器体是由陶瓷材料，尤其是碳化硅或渗硅碳化硅制成，按照本发 明的一个特别优选的形式在吸收器体坯，即在还没有烧制的吸收器体通过铣削 加工成型辐射射入面。同样也可以通过喷砂工艺加工成型太阳辐射射入面。这 样做的优点是，与其在烧完的产品时相比在坯内成型辐射射入面明显更精确， 费用低。

根据本发明的另一个优选的形式，可以额外地对吸收器体第一表面上的经 铣削处理的通道壁的边楞进行倒圆处理。优选利用喷砂法进行倒圆。如果吸收 器体也是陶瓷件，在这里重要的是，在已经烧制的元件上利用喷砂法对壁进行 倒圆处理，因为在坯利用喷砂法处理会造成辐射射入面不希望的变形。

下面将借助附图所展示的实施示例对本发明进行详细的说明。附图简介：

图1太阳辐射吸收器体透视图

图2图1中的吸收器体的X部分放大图

图3图1中的吸收器体沿图1中的Ⅲ-Ⅲ切线剖视图

图4太阳辐射吸收器体的另一个透视图

图5图4中的吸收器体沿图4Ⅴ-Ⅴ切线剖视图

图6图4中的吸收器体剖视图，根据图5显示从不同方向射入的太阳辐 射。

图7a-c根据图4和图5所述的制造一个吸收器体的方法

图8太阳辐射吸收器体的另一个透视图

图9图8中的太阳辐射吸收器体的Y部分放大图

图1是一个太阳辐射吸收器体1的透视图。该吸收器体1是一个扁平元件， 具有一个第一表面2和一个与第一表面2相对的第二表面3，其中该吸收器体2 具有许多基本上呈直线延伸的，把第一表面2和第二表面3连接起来的通道4。 该吸收器体1优选由碳化硅，特别是渗硅碳化硅制成。

图1中的辐射吸收器体1按照本发明首先是作成一个坯，并且为了有效地 扩大第一表面和因此实现更有效地吸收太阳辐射，对该坯进行材料剥蚀处理。 在图1～3的实施示例，吸收器体1作为坯，利用喷砂工艺来处理，从而通道4 的分界壁4a的边楞4a^*被凹地倒圆，见图1中的X部分放大图，图2。所显示 的轮廓，例如可以通过在3.5～5巴的压力下持续时间2～10秒喷砂并且而形成。 为此，优选斜着并且关于表面法线从两方面对称地向第一表面2喷射并且在所 述的加工时间后把表面旋转90°，以便两个相互正交的边楞4a^*和4b^*组都能以 所示方式被倒圆处理。申请人的实验表明，因此可以使表面扩大15％～20％。

图4显示的另一种按照本发明制作的辐射吸收器体1′。坯成型之后，在坯 的全部的通道4′中都通过材料剥蚀加工各成型一个辐射射入面5′。在此通过铣 削进行。

在位于第一表面1′的各通道4′的开口区，在吸收器体1′的壁成型加工辐射 射入面5′。此外，图5还说明，辐射射入面5′是平的并且全部都是彼此平行的， 这在一个共同的加工步骤中简化制造。此外，它们还与各通道4′的延伸轴线以 一定的倾角γ倾斜并且相应地把斜着射入的太阳辐射反射到从属的通道4′的内 部深处，因而使输入到吸收器体1′的太阳辐射最大化。

图6显示的是辐射如何借助辐射射入面5′进入通道4′的内部。图中示例性 显示的是两个反射镜6，这两个反射镜与吸收器体1′的距离不同并且相应地把严 格平行照射到反射镜6的太阳辐射按不同的角度反射到吸收器体1′。图6还显 示，照射到辐射射入面5′的辐射由第一表面2′反射到通道4′的内部，在此其经 通道壁4a′，4b′多次反射被吸收并且转换成热能。

图7a-c显示的是在通道壁4a′，4b′上成型加工辐射射入面时的不同的加工 策略。在图7a，太阳辐射射入面5′通过一个关于吸收器体的表面2′倾斜角约 β＝7.5°的对称盘铣刀7铣削而成。吸收器体坯1′内的加工此时是成排进行。对 称表示，切削刃72的相互成α＝30°角的切削面73，74的角平分线与铣刀的旋 转轴线R垂直。

在图7b，辐射射入面5′是通过一个非对称的盘铣刀7′铣削而成。铣刀7′ 的旋转轴线与吸收器体1′的第一表面2′平行，但是切削刃72′的切削面73′，74′ 的角平分线与铣刀的旋转轴线R不是正交。

图7c显示的是一种特别高效的加工方法。在此使用的是一种多通道铣刀 7″，其有许多布置在一个辊子上的切削刃72″。这些切削刃与图7b中的非对称 铁刃72′的结构一样并且围绕着共同的轴线R转动。借此可以同时在吸收器体坯 1′上加工成型许多个辐射射入面5′。

图8是另一个太阳辐射吸收器体1″的透视图。吸收器体具有蜂窝状布置的 通道4′并且通道横截面为六边形，其可以实现最有效的辐射输入，与方形横截 面的通道相比虽然水力直径没有变化并且横截面的面积也相同，但是吸收有效 面积扩大15％。通过对坯喷砂，可以类似于像图1～3的实施例对通道4″的前边 楞进行倒圆处理，见图9的详节Y。同样也可以通过喷砂在通道生成平行的辐 射射入面(没有进行示出)。为此，吸收器体的第一表面关于喷砂倾斜并且与喷 砂嘴相对运动。为了使吸收器体的第一表面最大程度地受到加载，优选使砂射 流喷嘴沿一定的方向，优选垂直于吸收器体和喷嘴之间的相对运动地摆动。