《具有玻璃陶瓷中央管的太阳热能收集装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《具有玻璃陶瓷中央管的太阳热能收集装置.pdf（16页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN101978224A43申请公布日20110216CN101978224ACN101978224A21申请号200980110673X22申请日2009021761/066,37520080220USF24J2/05200601F24J2/46200601F24J2/4820060171申请人康宁股份有限公司地址美国纽约州72发明人RA贝尔曼WJ布顿DW哈尔KI马修斯L乌克兰采克74专利代理机构上海专利商标事务所有限公司31100代理人樊云飞周承泽54发明名称具有玻璃陶瓷中央管的太阳热能收集装置57摘要一种太阳热能收集装置，该装置包括由玻璃陶瓷材料形成的中央管102，以及由相。
2、对于该中央管102同轴设置的玻璃材料形成的外管104，从而在其间形成一定体积106。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010092086PCT申请的申请数据PCT/US2009/0009882009021787PCT申请的公布数据WO2009/105190EN2009082751INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书10页附图3页CN101978229A1/2页21一种太阳热能收集装置，其包括由玻璃陶瓷材料形成的中央管；和相对于该中央管同轴设置的由玻璃材料形成的外管，在中央管与外管之间形成一定体积，其中外管的对应端部与中央管结合。2如权利要求1。
3、所述的太阳热能收集装置，其特征在于，在不采用用于温度膨胀补偿的挠性连接件的情况下，将外管的对应端部与中央管结合。3如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述外管的对应端部采用玻璃与陶瓷密封件直接与中央管熔接。4如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括与中央管的相对的端部熔接的钢金属轴环，其中可操作该钢金属轴环从而将该太阳热能收集装置与相邻的太阳热能收集装置焊接。5如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于所述外管的操作温度范围极限低于中央管的操作温度范围极限；和对外管和中央管的对应的热膨胀系数CTE进行选择，使得外管和中央管的对应的纵向膨胀基本彼此匹配。6如。
4、权利要求5所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述外管的CTE比中央管的CTE小约26倍。7如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管的热膨胀系数小于约4PPM/。8如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括设置在外管和中央管之间的体积中的吸气材料。9如权利要求8所述的太阳热能收集装置，其特征在于，具有以下特性之一所述吸气材料小于40克；所述吸气材料小于20克；所述吸气材料小于5克；和所述吸气材料约为1克。10如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管是至少部分透明的，包括位于其内表面上的太阳能吸收涂层，该太阳能吸收涂层在波长约等于或小于2微。
5、米的可见光谱中表现出峰值吸收。11如权利要求10所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括位于中央管外表面上的红外镜面涂层；和位于该红外镜面涂层上的减反射涂层。12如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于所述中央管含有深色不透明颜料；和该中央管的外表面上不包括太阳能吸收涂层。13如权利要求12所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括位于中央管外表面上的红外镜面涂层；和位于该红外镜面涂层上的减反射涂层。权利要求书CN101978224ACN101978229A2/2页314如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管含有浅色不透明颜料。15如权利要求14所述。
6、的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括位于中央管外表面上的红外镜面涂层。16如权利要求15所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括位于红外镜面涂层上的太阳能吸收涂层。17如权利要求16所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括位于太阳能吸收涂层上的减反射涂层。18如权利要求1所述的太阳热能收集装置，其特征在于，具有以下特性之一所述中央管的壁厚度小于5毫米；所述中央管的壁厚度小于4毫米；和所述中央管的壁厚度约为335毫米。19一种太阳热能收集装置，其包括由玻璃陶瓷材料形成的中央管；和相对于该中央管同轴设置的由玻璃材料形成的外管，在中央管与外管之间形成一定体积。20如权利。
7、要求19所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述装置还包括在外管和中央管之间的体积中设置的吸气材料，该吸气材料约为15克。21如权利要求19所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管的壁厚度约为335毫米。22如权利要求19所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管是至少部分透明的，其在内表面上包括太阳能吸收涂层。23如权利要求19所述的太阳热能收集装置，其特征在于，所述中央管含有深色不透明颜料，该中央管的外表面上不包括太阳能吸收涂层。24如权利要求19所述的太阳热能吸收装置，其特征在于，所述中央管含有浅色不透明颜料，该中央管的外表面上包括红外镜面涂层，以及位于该红外镜面涂层上的太阳能。
8、吸收涂层。权利要求书CN101978224ACN101978229A1/10页4具有玻璃陶瓷中央管的太阳热能收集装置0001相关申请交叉引用0002本申请要求2008年2月20日提交的美国申请第61/066375号的优先权，该在先申请通过参考结合于此。发明领域0003本发明涉及太阳热能收集装置HCE，该装置是一种用于太阳热能应用的管状辐射吸收装置。技术背景0004在其他应用中HCE可以用于太阳能设备的抛物线形槽收集器中。参见图1的常规热收集结构，该结构包括多个HCE10，图中成对显示了一对10A、10B。各HCE10包括中央管12，以及围绕中央管12的玻璃管状夹套外管14，从而在其间形成圆柱形。
9、空间具有环形截面16。太阳辐射经由抛物面循迹反光镜未显示汇聚，并聚焦在HCE10上，转化成热量。常规HCE10长约4米，热收集结构的总长度基于结合在一起的HCE的数量。收集的热量经由流过HCE10的中央管12的导热介质传导出去，直接用作工艺热或者转化成电能。0005中央或内管12通常是不锈钢，并涂覆有干涉涂层，该涂层设计用于1吸收太阳辐射，2用作红外镜，和3在最高操作温度下具有低发射率。外管14通常由硼硅酸盐玻璃形成。钢内管12和玻璃外管14使用波纹管18连接，以补偿玻璃和钢之间的热膨胀不匹配。玻璃外管14通过玻璃金属密封技术与波纹管18结合，波纹管18焊接在钢管12上。波纹管18提供玻璃金属。
10、过渡元件，该元件允许钢管12和玻璃管14之间发生纵向移动，以补偿它们之间的热膨胀不匹配。0006将玻璃管14和钢管12之间的空间抽空至约104托，以最大程度降低辐射热损失。常规HCE设计在钢管12中采用有机传热流体HTF。典型的HTF包括THERMINOLTMVP1或DOWTHERMA，都是约75二苯醚和25联苯的混合物。0007使用合成油作为HTF的常规HCE10对于太阳能发电的操作温度约为300400最高750F。在400的最高操作温度下，玻璃管14升温至约100。对于使用合成油作为HTF的管，要符合品质控制和可靠性要求，HCE必须能在2530年的周期内能够进行从低于0至400的循环。00。
11、08由于合成油HTF的老化降解产生的游离氢扩散通过钢管12并影响到圆柱形空间16内的真空。渗透速率和油降解速率随操作温度升高而增大。氢气具有非常高的热导率，因此氢气泄漏到空间16中产生明显的热损失，并导致真空度降低。0009考虑使用过饱和的蒸汽和熔盐作为HTF，来减轻氢扩散问题。使用过饱和的蒸汽作为HTF的考虑是，与合成油采用的压力相比，要求更高的压力，因此需要增大钢管12的重量。另外，采用过饱和蒸汽的设计还必须对闪蒸蒸汽、凝聚、安全预防即，场地中的管破裂等进行处置。对使用熔盐作为HTF的主要考虑问题是结冰或盐凝固和腐蚀。0010因此，已经开发了常规涂覆技术来解决氢扩散问题。例如，使用不锈钢管。
12、上的原说明书CN101978224ACN101978229A2/10页5生NATIVE热氧化物和氧化铝来减轻氢渗透问题。除了解决氢扩散问题以外，常规钢中央管12还通常在其外表面上包括许多涂层，以实现若干功能，即I促进太阳辐射的吸收；II促进太阳辐射在红外光谱中的反射；III促进低发射率；和IV用作氢阻挡层。例如，典型的涂层结构包括从最内层至最外层沉积在原生氧化物上的约25纳米厚度的AL2O3氢阻挡层；约150纳米的MO红外镜；约70100纳米的金属陶瓷陶瓷金属，MOAL2O3可见光吸收层；以及约1/4波长厚度的SIO2或AL2O3减反射层。0011除了对钢管12进行涂覆以外，还在空间16中引入。
13、吸气材料，以除去氢。吸气材料与氢气结合或反应，有助于保持真空。当吸气材料的容量饱和时，空间16中的压力再次升高，直至空间16中游离氢的分压与HTF中溶解的氢达到平衡。在已知吸收管中，空间16中氢的平衡压力为033毫巴。0012常规HCE设计存在一些问题，包括波纹管机件的复杂性较高以及相关的部件和组装成本，通过波纹管机件的热损失可能高达10，上述热膨胀不匹配和相关的温度不稳定，以上讨论的氢渗透性问题，采用熔盐HTF时的腐蚀问题，复杂和高成本的涂覆技术，较高的重量等。0013因此，本领域中需要能减轻或消除以上一个或多个问题的新的HCE机制。0014发明概述0015根据本发明的一种或多种实施方式，一。
14、种太阳热能收集装置包括由玻璃陶瓷材料形成的中央管；由相对于该中央管同轴设置的由玻璃材料形成的外管，在其间形成一定体积。外管的对应端部与中央管结合。0016外管的对应端部可以与中央管结合，而不采用金属波纹管之类的挠性连接。作为补充或者替换，外管的对应端部可以直接与中央管熔接。0017外管的操作温度范围的极限可以低于中央管的操作温度范围极限。外管和中央管的对应的热膨胀系数CTE可以选择，从而使外管和中央管的对应的纵向膨胀基本相互匹配即，使得外管和中央管之间的接合或熔接不会在热循环时表现出过早失效。例如，外管的CTE可以比中央管的CTE小约26倍。0018由于热膨胀差别以及外管较低的操作温度极限的原。
15、因，要使在玻璃与陶瓷密封的连接处产生的应力减小，可能要求在内管和外管之间使用玻璃环由中间膨胀和操作温度的玻璃形成或分阶密封GRADEDSEAL。0019太阳热能收集装置还可包括设置在外管和中央管之间区域中的吸气材料。吸气材料有约140克，例如小于40克，小于20克，小于5克，和/或约1克。0020中央管可以是至少部分透明的，在其内表面上包括太阳能吸收涂层。可以在中央管的外表面上设置红外镜面涂层。可以在该红外镜面涂层上设置减反射涂层。0021或者，中央管可以具有深色不透明颜料。在这种情况下，中央管无需在其外表面上包括太阳能吸收涂层。可以在中央管的外表面上设置红外镜面涂层。可以在该红外镜面涂层上设。
16、置减反射涂层。0022或者，中央管可以由浅色不透明颜料制成。可以在中央管的外表面上设置红外镜面涂层。可以在该红外镜面涂层上设置太阳能吸收涂层。可以在太阳能吸收涂层上设置减反射涂层。0023中央管的壁厚度取决于HTF的操作压力，可以等于或小于5毫米，例如厚度小于4说明书CN101978224ACN101978229A3/10页6毫米，例如厚度约为335毫米。0024通过本文所述并结合附图，对于本领域普通技术人员而言，本发明的其他方面、特性和优点将是显而易见的。0025附图简要描述0026为了说明的目的，附图中显示了优选的形式，但是应该理解，本发明并不限于所显示的确切设置和手段。0027图1是根据。
17、现有技术的通过波纹管结构结合在一起的一对热量收集装置的侧视图；0028图2是根据本发明一个或多个方面的采用玻璃陶瓷中央管的热量收集装置的侧视图；0029图3是根据本发明另外一个或多个方面的不采用波纹管结构而结合在一起的一对热量收集装置的侧视图；0030图4是显示70毫米OD钢中央管要求的壁厚度与压力的关系图；0031图5是根据本发明另外一个或多个方面的采用玻璃陶瓷中央管和选择性涂层的热量收集装置的侧视截面图；0032图6是根据本发明另外一个或多个方面的采用玻璃陶瓷中央管和选择性涂层的另一种热量收集装置设计的侧视截面图；和0033图7是根据本发明另外一个或多个方面的采用玻璃陶瓷中央管和选择性涂层。
18、的另一种热量收集装置设计的侧视截面图。0034发明详述0035参见附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，如图2中所示，太阳热能收集装置HCE100包括由玻璃陶瓷材料形成的中央管102，以及由玻璃材料形成的外管104。外管104相对于中央管102同轴设置，在其间形成体积106。中央管102和外管104的构形优选是圆柱形的，从而形成圆柱形空间106具有环形截面。0036在本发明HCE100与现有技术HCE之间的区别中，包括使用由玻璃陶瓷材料形成的中央管102，而非不锈钢。外管104可以由合适的玻璃形成，例如可以从康宁公司CORNINGINCORPORATED获得的硼硅酸盐玻璃形成。这种结构的优点。
19、包括较少的部件数量和简化的组件；大大降低的氢渗透率；数量减少的吸气剂或者不需要使用吸气剂；对于熔盐传热流体HTF应用的耐腐蚀性；较低的重量；提高的热稳定性例如在高温下操作时减至最低的弯曲；简化的涂层结构；和减少的热量损失。以下将讨论这些优点，以及/或者这些优点将通过以下讨论变得更清晰。0037在进一步讨论本发明实施方式的细节之前，先回顾一下HCE100的一些基本结构和操作特性。将外管104和中央管102之间的空间106抽真空至约104托，以使辐射热损失降至最低。使传热流体HTF流过中央管102，传导收集的热量供进一步使用。HTF可选自油如THERMINOLTMVP1，蒸汽，熔盐等。根据HTF，。
20、内管102的操作温度范围约为300520，外管104的操作温度可以为100。0038注意，对HCE100的外管104到中央管102的对应的端部连接110A、110B进行设计，使得外管104的对应端部直接或间接地与中央管102连接。在外管104与中央管102直接熔接的情况中，将对应的材料升温，以实现熔融材料的熔合。这种连接方式不论是直接还说明书CN101978224ACN101978229A4/10页7是间接的连接都有利地避免使用温度膨胀补偿机制，例如现有技术结构中的波纹管18。这样减少了部件数量并简化了组装过程。0039不采用温度膨胀补偿机制使得与外管104和中央管102的热膨胀系数CTE相关。
21、的设计考虑因素变得更为重要。在熔接材料如玻璃和/或玻璃陶瓷方面，常规考虑是确保CTE匹配。但是对于制造HCE100而言，使CTE匹配可能并非可以接受的，因为外管104和中央管102在操作中加热到不同的温度。外管104的操作温度范围极限低于中央管102的操作温度范围极限。根据HCE100的特定设计，外管104的操作温度范围可以是从低于0到约100。中央管102的操作温度范围取决于使用中的特定HTF如THERMINOLTMVP1、蒸汽、熔盐等，其范围可以是从低于约0到约520对于使用熔盐作为HTF。如果连接处的操作温度极限高于外管104的操作温度极限，或者如果连接处的操作温度极限或者足以导致连接处。
22、中产生有害的应力，则玻璃陶瓷连接可能要求使用阶梯密封或玻璃环具有中间膨胀和操作温度。0040外管104和中央管102的对应CTE的有利组合使得这两种管在它们的操作温度极限内产生基本相同的维度变化。根据本发明一个或多个方面，对外管104和中央管102的对应热膨胀系数CTE进行选择，使得外管104和中央管102的对应纵向膨胀基本彼此匹配。因此，外管104的CTE可以比中央管102的CTE小约26倍，例如小约5倍。因此，如果例如外管104在超过100的温度范围操作，中央管102在超过500的温度范围操作，则中央管102的CTE应当比外管104的CTE小约5倍。若外管由CTE为33PPM/的制成，则中。
23、央管102应当由CTE约为066PPM/的玻璃陶瓷形成。可以对各种玻璃陶瓷材料如康宁公司CORNING的和/或SCHOTT公司的的CTE进行定制，使其非常低或甚至为负值，以符合HCE100的CTE设计要求。例如，中央管的CTE可以小于约4PPM/。0041HCE100的长度可以是任何实际量级，约4米的长度是合适的。热量收集结构的总长度基于结合在一起的HCE100的数量。可以将大约3个各自长度约为4米的HCE100直接焊接在一起，形成一个长12米的段。进行这种连接时无需使用挠性软管连接件。因此，采用玻璃陶瓷中央管102的优点之一在于，可以形成长得多的段，例如，在无需挠性软管连接件的情况下将大约6。
24、9个HCE100连接在一起。这与采用钢中央管的现有技术设计形成对比，现有技术需要使用高成本的挠性软管连接件将12米长的段与另一个12米长的段连接。其原因在于，该12米组件具有钢管结构在对应HCE的操作温度范围内热膨胀超过3英寸。玻璃陶瓷中央管102的CTE可以比钢管的CTE小约10倍以上。0042如图3所示，HCE100A的端部110B与HCE100B的端部110A结合。这可以使用与对应HCE100A、100B的中央管102结合的金属轴环112A、112B实现。金属轴环112A、112B可以由任何合适的材料形成，例如低碳奥氏体钢。金属轴环112A、112B与中央管102的玻璃陶瓷材料的结合可以。
25、使用已知方法实现，例如在DONALD，IW的“玻璃金属与玻璃陶瓷金属密封和涂层的制备、性质和化学PREPARATION，PROPERTIESANDCHEMISTRYOFGLASSANDGLASSCERAMICTOMETALSEALSANDCOATINGS”JOURNALOFMATERIALSSCIENCE材料科学，第28卷，第28412886页1993中讨论的方法。在场地中进行组装的过程中，可以通过将金属轴环112A、112B焊接在一起，将HCE100A、100B彼此结合。0043可以经由抛物面循迹反光镜未显示将太阳辐射汇聚并聚焦到多个HCE100说明书CN101978224ACN101978。
26、229A5/10页8上，并转化成热能。合适的抛物面循迹反光镜技术是本领域中众所周知的。经由流过HCE100中央管102的导热介质HTF将收集的热能传导出去，可以直接作为工艺热能使用或者转化成电能。0044以下讨论本发明实施方式的其他细节情况。用于CSP设备的中央管102的设计部分基于用于动力管路的ASMEB311规范限定用于中央管102的维度和材料要求；达到对抛物面镜聚焦线的最高效率和公差TOLERANCE的槽TROUGH的光学设计；以及材料选择，其由以下因素确定I中央管102与HTF的相容性；II最大程度减小通过中央管102的氢渗透；和III需要在不进行退火的条件下将对应的HCE100焊接在。
27、一起。0045一般来说，中央管102的壁厚度通过承压和材料的梁弯曲BEAMBENDING特性确立。ASMEB311规范使用以下等式计算管的最大工作压力00460047其中T是要求的最小壁厚度，P是允许的最大工作压力，D是外径，S是在材料金属设计温度下的允许应力值，Y是在04和07之间变化的温度依赖性参数。对于高温条件，应使用Y04。0048在现有技术的设计中，中央管的材料是钢，在600PSI条件下的最高工作温度是400，钢管12必须具有至少为10000PSI的允许应力或者400时的屈服强度为15000PSI。根据现有技术的设计，已经接受以下维度参数OD70毫米，壁厚度2毫米对于HTF是THER。
28、MINOLTMVP1的情况，长度4060毫米，允许的最大工作压力600PSI在400时。该材料规格基于焊接管路的A249标准。如以下所讨论获得以上参数。0049ASME规范公布了各种类型钢随温度变化的允许应力。根据ASMEB311，通过在以下参数中选择最低的参数，还可以计算现有技术的中央管12在不依赖于时间的范围内的允许金属应力1操作温度下的最小屈服强度除以15；2最小拉伸强度除以35；3操作温度下的拉伸强度乘以11，然后除以35；以及4室温下的最小屈服强度除以15。0050参见图4，还可以采用环向应力计算钢管12的壁厚度，得到与以上ASMEB311等式类似的结果。在图4中，将70毫米OD钢管。
29、的要求的壁厚度相对于压力作图，其中允许的应力S采用ASMEB311爆破压力等式和环向应力等式计算。曲线A对应于ASMEB311，Y4且S10000PSI；曲线B对应于ASMEB311，Y04且S12000PSI；曲线C对应于ASMEB311，Y04且S15000PSI；曲线D对应于环向应力，S1000PSI；曲线E对应于环向应力，S10000PSI；以及曲线F对应于环向应力，S15000PSI。0051温度和压力值由HTF决定。对于THERMINOLTMVP1，操作温度为400，最大工作压力为600PSI，在S1000012000PSI条件下70毫米钢管的壁厚度为2毫米。对于蒸汽，操作温度为4。
30、80500，最大工作压力为9003000PSI，在S10000PSI条件下70毫米钢管的壁厚度为310毫米，在S12000PSI条件下70毫米钢管的壁厚度为258毫米。对于熔盐，操作温度为500520，最大工作压力为150PSI，70毫米钢管在S1000012000PSI条件下的壁厚度为253毫米。对于熔盐，壁厚度受弯曲要求的影响大于其受爆破压力的影响，因为爆破压力非常低，而该管会因为高操作温度发生弯曲参见表1。0052有许多不锈钢符合400500温度下的允许应力要求，在该温度条件下，HCE与说明书CN101978224ACN101978229A6/10页9不同HTF一起使用。但是，对低焊接应。
31、力和最大程度减小氢渗透率的要求需要使用低碳钢，所谓L钢。因为在约400以上，弹性模量和屈服强度迅速劣化，只有极少数的L钢被鉴别为温度超过450的钢。但是，潜在的钢的选择包括TP316LN16CR12NI2MON，其在400时的允许应力为12000PSI，在500时的允许应力为11000PSI；TP310MOLN25CR22NI2MON，其在400时的允许应力为16000PSI，在482时的允许应力为15000PSI482是这种钢的最高操作温度；以及TP317L18CR13N3MO，其没有管路形式的应力数据，但是为板形时，其允许应力和最高操作温度与TP310MOLN的相同。0053对于玻璃陶瓷，。
32、20000PSI的允许应力在本领域中是可以接受的。0054中央管的壁厚度还由结构刚度要求决定，可以采用梁弯曲计算来估计结构刚度。表1显示不锈钢的弹性模量随着常规管设计所用的温度以及该管中央处的最大挠曲和应力而变化的关系。虽然可以根据本发明使用多种具有高强度和温度评级的玻璃陶瓷材料，但是为了进行比较，选择康宁公司的9606玻璃陶瓷作为例子，来估计要在中央管102的中央处获得与现有技术的不锈钢管相同的挠曲所需要的壁厚度。长期使用时，9606玻璃陶瓷的最高操作温度为680，报告的弹性模量从92千兆帕GPA如表中所用变化到122千兆帕几乎不依赖于测试温度。0055表1显示采用类似于9606玻璃陶瓷或S。
33、CHOTT公司的的材料制成的玻璃陶瓷管要求壁厚度约为335毫米，以确保结构刚度在400500条件下能与钢管相当。表1还显示玻璃陶瓷中央管102产生比钢管明显更低的重量钢管和玻璃陶瓷管的壁厚度为5毫米，使得可以采用成本较低的跟踪系统。对于高压直接蒸汽产生而言，这个优点尤为显著，高压直接蒸汽产生要求等同的钢管具有46毫米的壁厚度。如“”所指示，在500条件下，即使在对结构厚度产生低压的情况下，也需要将这些钢管的壁厚度增大到至少为25毫米。00560057说明书CN101978224ACN101978229A7/10页100058表1梁弯曲计算。数据假设管中充满密度为106克/立方厘米的流体如。00。
34、59考虑以上讨论，中央管106的壁厚度可小于或等于5毫米，例如厚度约为335毫米。0060对于脆性材料，例如玻璃陶瓷，考虑连续负荷条件下的预期寿命时，裂纹缓慢扩展是一个重要的参数。以下讨论涉及玻璃陶瓷中央管102中表面精加工的重要性。事实上，恒定负荷条件下的裂纹缓慢扩散似乎是主要的失效模式。由于使用管路几何结构时没有获得测试数据，所以对失效时间的估计基于公布的对玻璃陶瓷平坦样品的数据。据报告，用过程230研磨至270金刚石粒度且厚度为6毫米的玻璃陶瓷样品在施加恒定应力55兆帕798PSI的条件下，在O001失效概率情况下，寿命为737000年。经过机加工的9606玻璃陶瓷样品和经过化学蚀刻表面。
35、强化的9606玻璃陶瓷样品厚度各为25毫米都已经过测试并报告了数据。经过机加工的样品的WEIBULL模量为919，正如对于具有粗糙表面脆性材料所预期的，具有宽的裂纹尺寸分布。据报告，通过化学蚀刻进行表面强化的样品具有4050的高得多的WEIBULL模量，原因在于，裂纹的尺寸分布较窄，蚀刻过程使表面复原。已经采用以下等式报告了由裂纹缓慢扩展导致的预期的失效时间00610062其中F是失效概率，是施加的应力。在该研究中报告的施加应力的作用下即，管路中的流体压力最高为3000PSI或10兆帕，玻璃陶瓷的失效时间基本是无限的。在CHOI，SR，GYEKENYESI，JP的“PYROCERAM玻璃陶瓷的。
36、机械测试结果RESULTSOFMECHANICALTESTINGOFPYROCERAMGLASSCERAMIC”NASA/TM2003212487中进一步讨论了以上信息。对于玻璃陶瓷的许多其他研究也支持具有优良和一致的表面精加工的高强度。0063玻璃陶瓷中央管102的热导率约为1535瓦/米开，低于不锈钢的热导率146瓦/米开。由于中央管102玻璃陶瓷的壁厚度只有几毫米，所以可以假设能迅速达到稳态温度。因此，玻璃陶瓷的较低的热导率不会对向管102中的HTF的传热产生显著影响，尤其是在使用非透明性玻璃陶瓷材料时。若使用透明的玻璃陶瓷材料来形成中央管102，则太阳辐射光谱在其到达中央管102的内壁。
37、之前可能尚不能有效转化成热量，而在其到达中央管102的内壁之后，应当发生非常高效的传热。0064注意到在本发明中取消了波纹管18，显著减小了通过导热金属部件产生热损失的潜在的表面积。结果是，消除了在常规HCE设计中产生的10的潜在热损失。还应当注意，在本发明中取消了波纹管18，显著降低了热量收集装置的成本。0065如本说明书背景部分中讨论的，使用一些HTF如VP1的一个主要考虑因素是油降解和氢扩散进真空空间106中。使用蒸汽作为HTF时，还要考虑氢渗透的问题。HTF老化降解产生的游离氢可能会扩散通过中央管102，并影响到圆柱形空间106内的真空。渗透速率随着操作温度升高而增大。氢气具有非常高的。
38、热导率，因此有任何氢泄漏到空间106中都会产生很大的热量损失，并使真空度降低。说明书CN101978224ACN101978229A8/10页110066对于具有低碳和FCC结构的奥氏体钢，氢在钢中的扩散性最低。在300600的温度下，304L和316不锈钢的扩散常数分别为21103平方厘米/秒至174102平方厘米/秒，活化能为46和528千焦/摩尔。H2渗透率依赖于压力。对于合成HTF中的H2压力，当估计的压力范围为1104至003兆帕且温度范围为373623开时，奥氏体合金中的H2渗透率估计为535105摩尔H2/米秒兆帕1/2，活化能为561千焦/摩尔。在这些条件下，不锈钢的H2溶解度。
39、为266摩尔H2/米秒兆帕1/2。0067玻璃陶瓷是一种最好的氢阻挡层。对氢在单独玻璃中的渗透的研究已经报告为107108平方厘米/秒量级的扩散常数，比不锈钢的量级小约46个量级。氢在玻璃中具有高溶解度，这也限制了其从玻璃陶瓷管向外渗透。对于玻璃或玻璃陶瓷材料，渗透速率是氢溶解度和氢扩散常数的乘积，而对于钢，其表面条件也起到重要作用例如，氧化的表面能降低渗透率至比原始钢表面小若干量级。0068在本领域中已经采用用于H2渗透通过薄膜的等式研究并报告了氢渗透通过钢和玻璃管。对氢渗透通过钢采用以下等式00690070对氢渗透玻璃陶瓷采用以下等式00710072其中NH2是氢进入环面的速率摩尔H2/秒。
40、，QH2是氢进入环面的速率立方厘米STP/秒，面积SS是可以用于渗透的吸收剂的表面积对于ID0066米的长406米的管路为08418平方米，T和KT分别是不锈钢和玻璃的渗透速率，单位如表2中所示由ARHENIUS关系采用绝对温度下的渗透速率和活化能计算，PH2，HTF是估计的HTF中的氢蒸气压，PH2，环面是环面中的氢压力104托，在表2中取零，厚度SS是管的壁厚度。采用理想气体定律将NH2和QH2转化成升托H2/小时的单位。0073表2采用玻璃和玻璃陶瓷的典型的渗透速率范围。在相同条件下，与钢相比，进入玻璃陶瓷的渗透率低50200倍。表2中的结果显示，通过选择对氢具有低渗透率的玻璃组成，在使。
41、用极少吸气材料的情况下，可以在空间106中保持非常低的氢分压。例如，在外管104和中央管102之间的空间106中设置的吸气材料可小于40克，例如小于20克，小于5克，具体约为1克。将这种情况与现有技术不锈钢中央管结构进行比较，在现有技术中使用4080克吸气剂。因为玻璃陶瓷中央管102的壁厚度由于玻璃陶瓷模量较低的原因表1可以至少约为35毫米，所以H2在玻璃陶瓷管中的渗透速率将进一步降低。0074另外，在使用玻璃陶瓷作为中央管102时，使用过饱和蒸汽和熔盐作为HTF更具有吸引力。事实上，对于玻璃陶瓷而言，使用过饱和蒸汽作为钢管中的HTF的考虑原因在于钢的重量并非重要因素。而且，熔盐HTF使玻璃陶。
42、瓷材料腐蚀的可能性也不象使钢管腐蚀那样严重。说明书CN101978224ACN101978229A9/10页1200750076HCE100的中央管106可以具有以下功能的选择性涂层I吸收太阳辐射优选在频率谱的可见光部分的峰，向上延伸至约2微米；II反射红外辐射；和III具有低说明书CN101978224ACN101978229A10/10页13的发射率在400500时小于01，优选小于007。与现有技术的涂层不同，不要求玻璃陶瓷上的涂层特定地用作氢阻挡层，不过这些涂层也可具有一些氢阻挡性质。0077参见图5，中央管102可以具有至少部分透明的结构可以是基本透明的。可以在其内表面上设置太阳能吸。
43、收涂层120而非在其外表面上。这与钢管不同，钢管要求在其外表面上具有涂层。太阳能吸收涂层120可以具有深色色调，经由层压、溶胶凝胶处理和/或本领域中的其他合适技术施加。太阳能吸收涂层120可以在波长约等于或小于2微米的可见光谱中表现出峰值吸收。作为替换或补充，该结构在中央管的外表面上可以包括红外镜面涂层122。在这个例子中，在中央管102本身的外表面上施加红外镜面涂层122。另一个减反射涂层124如，1/4SIO2或AL2O3可以覆盖该红外镜面涂层122。0078在图6中所示的另一种实施方式中，中央管102可以由具有深色不透明颜料的玻璃陶瓷形成。该结构可包括位于中央管102的外表面上的红外镜面。
44、涂层122。由于玻璃陶瓷材料是深色的，所以不需要在其外表面上设置任何太阳能吸收涂层120。另一个减反射涂层124如，1/4SIO2或AL2O3可以覆盖该红外镜面涂层122。0079在图7中所示的另一种实施方式中，中央管102可以由具有浅色不透明颜料的玻璃陶瓷形成。红外镜面涂层122可以施加在中央管102的外表面上。可以在层122上设置太阳能吸收涂层126如，金属陶瓷，70100纳米MOAL2O3。另一个减反射涂层124如，1/4SIO2或AL2O3可以覆盖该太阳能吸收涂层126。0080虽然已经参考具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，这些实施方式仅仅说明了本发明的原理和应用。因此应该理解，可以对说明性实施方式进行许多修改，可以设想其他安排而不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。说明书CN101978224ACN101978229A1/3页14图1现有技术图2图3说明书附图CN101978224ACN101978229A2/3页15图4图5说明书附图CN101978224ACN101978229A3/3页16图6图7说明书附图CN101978224A。