玻璃-金属连接的制造方法与流程
本发明涉及一种用于太阳能接收器的玻璃-金属连接的制造方法，该太阳能接收器包括玻璃管和金属环，玻璃管包括两个端部。进一步地，本发明还涉及一种包括至少一个玻璃-金属连接的太阳能接收器和一种包括至少一个太阳能接收器的抛物面槽式太阳能聚光器。
背景技术：
1、太阳能集热器通常用于太阳能场，太阳能场使用抛物面槽式太阳能聚光器(也称为太阳能接收器)捕获太阳能，用于产生电能。这些太阳能集热器中广泛使用的类型是聚光太阳能(csp，concentrated solar power)抛物面槽式集热器，其目的是接收高产量的太阳辐射。
2、太阳能集热器由反射镜组成，反射镜能够将入射的太阳辐射反射到与由镜子的曲率形成的槽的焦点相对应的线上。而且，在与槽的焦点相对应的线上具有由一系列太阳能接收器组成的管道，管道中输送流经太阳能场整个表面的传热流体。
3、太阳能接收器是抛物面槽式聚光太阳能太阳场的主要元件之一，也称为线性菲涅尔接收器。该太阳能接收器主要由钢吸收管、保护玻璃罩、真空室和两个补偿器组成。
4、玻璃罩通常通过放置在该管的每个端部的金属环连接到每个补偿器。然而，由于两种材料之间存在物理特性差异，将玻璃罩与金属环连接的过程是制造太阳能接收器的最关键步骤之一。为了防止连接后的残余应力，市场上已经规定了使用特定的玻璃和金属材料以及不同的连接方法。
5、如果接收器发生故障，太阳场效率会显著下降，因此必须确保接收器的正确状态，以确保太阳场的产量，特别是玻璃元件和金属元件之间的连接。换句话说，真空室保持密封性至关重要，从而保持分子传输特性，从而保持钢吸收管的最大辐射捕获。
6、如果真空度不是最佳的，即真空度没有保持或真空度恶化，则相应的对流和传导热损失呈指数增加，接收器及其效率随之下降。该真空度下降通常是由于接收器的某些组件出现裂缝或破裂而发生的。为了防止这种情况，必须确保其每个组件以及生产太阳能接收器本身的每个工艺的质量和坚固性。
7、目前已知两种连接玻璃罩和金属环的方法，称为豪斯基伯(housekeeper)和匹配(matching)。在这两种方法中，玻璃元件都通过均匀加热进行预处理，以实现该玻璃的合适的粘弹性状态，其特性取决于两种材料的尺寸和特性。
8、理想的玻璃-金属连接是两种材料具有相似的膨胀系数的玻璃-金属连接，如此在加热和冷却过程中，两种材料以相似的方式加热和冷却，从而防止残余热应力的出现，从而防止潜在的连接破裂。
9、如果膨胀系数不相似，使玻璃-金属连接的困难在于在材料的尺寸和厚度之间建立适当的平衡，以使材料能够承受引起的机械应力和热应力。
10、当具有较高膨胀系数的材料非常厚时，连接是可行的，但由于连接过程后残留的残余应力，连接很容易破裂。当材料非常薄时，该材料将很容易破裂和/或变形，因此其不允许同种类的连接和可重复的方法。如果接收器的直径增加，那么玻璃管的直径会增加，这种影响会加剧。
11、因此，需要一种改进的太阳能接收器制造方法，在该制造方法中，玻璃的膨胀系数小于金属的膨胀系数，并且金属的尺寸最小化以实现完美的连接。而且，理想地，该制造方法将专注于在将玻璃与金属元件连接之前对玻璃进行额外处理。同样，需要使该处理适应玻璃的物理特性，并且使与金属的最佳连接成为可能。
技术实现思路
1、本发明提出了一种通过根据权利要求1的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接的制造方法、根据权利要求13的太阳能接收器以及根据权利要求14的抛物面槽式太阳能聚光器而解决前面的问题的方法。从属权利要求定义了本发明的优选实施例。
2、第一发明方面提供了一种用于太阳能接收器的玻璃-金属连接的制造方法，太阳能接收器包括具有直径dt和厚度et的玻璃管以及具有直径da和厚度ea的金属环。其中，玻璃管包括两个端部。该方法包括以下步骤：
3、将玻璃管的第一端部的厚度et修改为修改厚度em，修改厚度em大于该玻璃管的第一端部的厚度et；以及
4、连接金属环与玻璃管的第一端部。
5、在整个文件中，将关联具有玻璃管的太阳能接收器，该玻璃管构成太阳能接收器的中间部分，该玻璃管包括两个端部，本发明的方法允许在该两个端部进行创新处理，用于在玻璃管的至少一个端部连接玻璃管与金属环。
6、进一步地，同样在整个文件中，玻璃-金属连接这一术语是指该方法的最后步骤，在该方法的最后步骤中玻璃管连接到金属环，即当两种材料接触并且永久固定在一起时。该术语“玻璃-金属连接”是指两个元件在玻璃管的每个端部接触的连接位置，在该连接位置已经完成了该连接。
7、本发明所述的玻璃-金属连接的先前处理包括：修改玻璃管的第一端部的厚度et直至达到修改厚度，称为em，修改厚度em大于该管的第一端部的厚度et。
8、通过进行先前处理，在进行本发明第一发明方面的方法的步骤之后进行金属环与玻璃管的第一端部的连接，玻璃管的第一端部的厚度被修改。
9、优选地，该先前处理允许在玻璃加热过程中对玻璃管的第一端部施加厚度et的修改。优选地，加热玻璃管的第一端部的该过程也从开始保持到完成玻璃-金属连接。
10、有利地，本发明的第一发明方面允许一种玻璃-金属连接。在该玻璃-金属连接中，具有较高膨胀系数的材料的量最小化，具有较低膨胀系数的第二材料的量最大化。此外，本发明的第一发明方面允许玻璃管和金属环之间更坚固和更持久的连接。
11、此外，厚度et的修改和修改厚度em的实现允许在玻璃管的第一端部的区域(即玻璃管的边缘)中形成玻璃团块。进一步地，该玻璃团块降低了玻璃管中该团块所在区域的粘度。
12、有利地，鉴于本发明的第一方面仅在金属环插入区域(即玻璃管的第一端部)成功地增加了玻璃管的厚度，本发明允许增加玻璃管的第一端部的该区域的坚固性，而没有增加管的其余部分的厚度，这保持了先前实施的太阳能接收器的太阳透射率特性。
13、在一个特定实施例中，根据前一权利要求的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接的制造方法，将玻璃管的第一端部的厚度et修改为修改厚度em的步骤包括以下步骤：
14、a)布置玻璃管，使玻璃管绕玻璃管的纵轴x-x’旋转；
15、b)加热玻璃管的第一端部，保持该第一端部的加热直到连接金属环与玻璃管的第一端部；
16、c)将玻璃管的第一端部沿纵向方向x-x’定位在第一滚轮和第二滚轮之间；
17、优选地，第一滚轮包括具有直径d1和长度l1的第一端部和具有直径d2和长度l2的第二端部；
18、第一端部的直径d1小于第二端部d2的直径，第一端部和第二端部之间形成台阶，
19、第二滚轮为具有直径d3和长度l3的圆柱体，第二滚轮配置为在第二滚轮的初始位置与第一滚轮分离布置；
20、d)沿横向方向y-y’移动第二滚轮直到第一滚轮和第二滚轮接触，其中，y-y’基本垂直于纵向方向x-x’；
21、e)沿x-x’方向移动滚轮对或者玻璃管和/或两者，使得玻璃管的第一端部与滚轮对接触并且继续沿x-x’方向移动，玻璃管的第一端部的厚度et被不断修改直至达到修改厚度em，该厚度em大于玻璃管的厚度et。
22、在用于太阳能接收器的玻璃-金属连接的制造方法的步骤a)中，优选地，设置玻璃管以恒定速度绕玻璃管自身纵轴x-x’旋转，直到执行该方法的最后一步。
23、在步骤b)中，当玻璃管绕其纵轴x-x’旋转时，玻璃管的第一端部被加热，并且持续加热直到执行本发明方法的最后一步。
24、在该步骤b)中，玻璃管绕其纵轴x-x’旋转的同时加热，能够使得玻璃管的第一端部的整个区域均匀加热，并且该区域达到所需温度，使得其粘度系数发生变化，优选地为粘度系数减小。较低的粘度系数有利于在本发明的方法的最后一步中引入金属环。
25、在步骤c)中，玻璃管的第一端部位于第一滚轮和第二滚轮之间。优选地，第一滚轮的轴和第二滚轮的轴基本平行，具有用于封装预定量的玻璃的特定设计，并且用于与该玻璃材料接触的目的。进一步地，该滚轮对允许在玻璃管的第一端部与金属环连接之前赋予玻璃管的第一端部所需的最终形状和尺寸。
26、此外，第一滚轮和第二滚轮以操作模式旋转，并且允许玻璃管的第一端部的部分保持在该两个滚轮之间。
27、在优选实施例中，第一滚轮和第二滚轮位于加热系统所在的玻璃管的直径的相对侧，使得其能够在保持玻璃管均匀加热的同时执行步骤c)至e)。
28、此外，第一滚轮和第二滚轮能够在执行本发明的用于制造玻璃-金属连接的方法时保持玻璃管的初始直径并且防止玻璃管本身发生任何变形。
29、优选地，第一滚轮包括具有直径d1和长度l1的第一端部和具有直径d2和长度l2的第二端部。优选地，长度l2也大于长度l1。
30、第一端部的直径d1小于第一滚轮的第二端部的直径d2，并且在两个端部之间形成台阶。该台阶由止动部或底部形成，具有能够从第二端部看见的圆的表面，即该表面未被由第一端部形成的圆和第一端部的圆柱体的侧表面的部分覆盖。
31、进一步地，第二滚轮是具有均匀直径d3和长度l3的圆柱体。该第二滚轮在其初始位置布置成与第一滚轮分离。
32、在步骤d)中，第二滚轮沿横向方向y-y’移动，基本垂直于横向方向x-x’，直到第一滚轮和第二滚轮接触。当第二滚轮与第一滚轮接触时，在第一滚轮的台阶所在的位置形成一个空间，该空间的一侧由第一滚轮的台阶划定，该空间的另一侧由第二滚轮的圆柱体的侧面的一部分划定。
33、优选地，第一滚轮和第二滚轮绕其各自的轴线以相反的方向旋转，以允许两个滚轮在执行该方法的步骤时滚动，因此两个滚轮保持接触直至完成所有c)至e)的步骤。
34、进一步地，玻璃管和滚轮对之间的放置基本垂直，并且在引入玻璃之前固定。例如，玻璃管和滚轮对固定在
35、在步骤e)中，滚轮对或玻璃管或两者沿x-x’方向移动，使得玻璃管的第一端部与滚轮对接触。具体地，玻璃管的第一端部接触由第一滚轮的第二端部的直径形成的台阶的底面。
36、进一步地，玻璃管继续沿x-x’方向移动，直到玻璃管的初始厚度et达到大于初始厚度et的修改厚度em。
37、有利地，第一滚轮和第二滚轮之间划定的空间允许玻璃管的第一端部的厚度的多次修改，因此使所需的修改的厚度适应随后连接到玻璃管的金属环的类型。
38、在特定实施例中，在至少一个端部执行步骤b)至e)。
39、在优选实施例中，在玻璃管的两个端部执行该步骤b)至e)。
40、在特定实施例中，在步骤c)中，滚轮对的定位使得具有直径dt的玻璃管的修改厚度em的增加被指向于：
41、玻璃管的初始圆周长的外侧，或
42、玻璃管的初始圆周长的内侧，或
43、玻璃管的初始圆周长的内侧和玻璃管的初始圆周长的外侧。
44、通过增加修改厚度em到玻璃管初始圆周长的内侧，该区域中的玻璃量明显高于玻璃管的其余部分，因此该区域能够承受金属环在玻璃-金属连接步骤后冷却时引起的应力。
45、有利地，除了降低该区域中玻璃的粘度之外，玻璃管的修改厚度em的增加还允许玻璃在该修改厚度区域中具有增加的强度，该修改厚度区域为本发明第一发明方面的第二步骤的金属环的插入区域。
46、具体而言，修改厚度em的增加允许插入厚度高达0.05毫米的金属环，而不会在玻璃管的第一端部或金属环的边缘处引起额外的变形。
47、此外，修改厚度em的增加允许引入具有较小厚度的金属环，从而降低插入后的残余热应力水平。
48、进一步地，通过增加玻璃管的端部的厚度，在该区域形成的团块增加了玻璃-金属连接的坚固性和强度。
49、有利地，玻璃管的端部的厚度的修改没有涉及在玻璃管制造过程中添加材料，并且允许在玻璃管的其余部分保持相同的厚度。因此，与之前实施的产品相比，通过该方法得到的玻璃管和太阳能接收器不存在重量变化。
50、在优选实施例中，厚度的修改相对于玻璃管的初始圆周长是等距的。换句话说，基本上相同量的玻璃团块分布在内侧和外侧，因此它能够承受由于金属环的更多膨胀和更多收缩。进一步地，玻璃在玻璃管的第一端部的内侧和外侧的等量分布有利于插入金属环，因为具有修改厚度的玻璃更软，并且被玻璃管其余部分的未修改的冷玻璃均匀地支撑，该玻璃管其余部分的未修改的冷玻璃具有更大的硬度。
51、在特定实施例中，修改厚度em使玻璃管的第一端部的厚度et增加30％至130％，更优选地增加60％。
52、有利地，修改厚度em使玻璃管的第一端部的厚度et增加30％至130％，使得玻璃管的第一端部可以附接到具有不同直径和/或厚度的大范围的金属环上。
53、在特定实施例中，在步骤b)中，玻璃管的第一端部的加热延伸到介于[0mm，5mm]之间的长度lc。
54、有利地，玻璃管的第一端部的加热在长度lc上进行的，长度lc允许包括足够的玻璃材料以在玻璃管的第一端部形成所需质量，以便进行本发明第一发明方面的玻璃-金属连接。
55、在特定实施例中，在步骤b)中，加热玻璃管直到达到介于[1100℃，1300℃]之间的温度，优选地介于[1180℃，1220℃]之间。
56、在特定实施例中，连接金属环与玻璃管的第一端部的步骤包括以下步骤：
57、f)在玻璃管的第一端部定位直径校准装置，该校准装置配置为修改玻璃管的端部的直径；以及
58、g)连接金属环与玻璃管的第一端部。
59、在优选实施例中，在连接金属环与玻璃管的第一端部之前，定位具有圆形轮廓和平坦外表面的、用于修改玻璃管的第一端部的直径的直径校准装置。
60、在特定实施例中，玻璃管和金属环以40rpm至100rpm的转速(优选地，在53rpm至73rpm之间)、2mm/s至15mm/s的平移速度(优选地为9mm/s)旋转。
61、在特定实施例中，在与金属环连接的过程中，用于校准修改后的玻璃管外径的校准装置与玻璃保持接触。
62、有利地，用于校准玻璃管外径的校准装置允许在玻璃管和金属环接触时维持和控制玻璃管的第一端部的厚度变化。
63、在优选实施例中，用于校准玻璃管外径的校准装置与玻璃保持恒定接触，直到完成用于玻璃-金属连接的制造方法的所有步骤。
64、在特定实施例中，玻璃管为具有给定几何规格的圆柱体，由玻璃材料制成，优选地由硼硅酸盐1型玻璃材料制成。
65、在优选实施例中，玻璃管为具有高透射率的圆柱体，其化学和物理特性决定了连接玻璃管的第一端部与金属环的过程的参数的定义和选择。
66、此外，玻璃管的物理和化学特性使其具有最佳的光学特性，其中可以实现高于92％的太阳透射率值。
67、在特定实施例中，金属环由不锈钢合金或co-ni合金制成，优选地为kovar。
68、在一实施例中，金属环是具有给定几何设计和特定化学组成的圆柱形部件，以在连接玻璃管与该环的过程中以及在连接玻璃管与该环的过程之后，协调由于与玻璃管不同的热膨胀系数和不同的温度而引起的应力。
69、优选地，金属环的厚度介于0.08mm和0.8mm之间。
70、在特定实施例中，当执行连接金属环与玻璃管的第一端部的步骤时，玻璃的膨胀系数αv小于或等于金属的膨胀系数αm。
71、由于具有不同的膨胀系数，温度变化会引起尺寸变化，从而产生应力。玻璃管的第一端部的厚度增加有助于使玻璃管的该第一端部更加坚固，因此能够承受由金属引起的应力，保持两者的连接稳定。
72、在优选实施例中，由于玻璃是非牛顿流体，在连接金属环与玻璃管的第一端部的步骤之前，玻璃管的第一端部的粘度已显著降低。
73、玻璃管的第一端部粘度的变化(在这种情况下是粘度的降低)是由玻璃管的第一端部的厚度变化和非牛顿流体上的滚轮对的致动引起的。
74、这种粘度的降低可以确保金属环渗透到玻璃团块中，并且优化玻璃-金属连接步骤，从而相对于本发明方法之前的方法改进该玻璃-金属连接，以及当使用本发明方法获得的太阳能接收器运行时，降低该玻璃-金属破裂的可能性。
75、本发明的第二发明方面提供了一种太阳能接收器，包括至少一个根据前述权利要求中任一项的玻璃-金属连接。
76、包括至少一个根据本发明第一方面的方法的玻璃-金属连接(优选地在玻璃管的两个端部)的太阳能接收器，具有与目前运行的太阳能接收器相同的尺寸(直径、厚度等)，因此具有至少相同的技术特征。
77、进一步地，通过本发明第一发明方面的方法获得的太阳能接收器与目前运行的太阳能接收器相比不存在重量变化，因为第一发明方面的方法包括在玻璃管的至少一个端部形成团块而没有添加更多玻璃材料。
78、有利地，除了具有目前运行的太阳能接收器的技术特征之外，包括根据本发明的第一发明方面的至少一个玻璃-金属连接的太阳能接收器提供更高的强度，并且降低玻璃-金属连接区域断裂的可能性。
79、此外，本发明的第一方面允许在进行玻璃-金属连接时增加太阳能接收器的玻璃管的第一端部的坚固性，而无需增加该管的其余部分的厚度，这提供了玻璃管的更大太阳能透射率，因此保持了在抛物面槽式太阳能聚光器中实施太阳能接收器所需的效率范围。
80、有利地，从本发明的方法获得的太阳能接收器是平衡的均质产品，该产品具有两个第一发明方面的类型的玻璃-金属连接，这提高了产品运行效率，并且降低了断裂的可能性。
81、本发明的第三发明方面提供了一种抛物面槽式或菲涅尔式太阳能聚光器，其包括至少一个根据本发明的第二发明方面的太阳能接收器。
82、包括至少一个根据本发明的第二发明方面的太阳能接收器的太阳能聚光器比以前使用的装置具有更长的使用寿命，并且其元件损坏的可能性降低，因此提高了抛物面槽式太阳能聚光器的质量和整体效率。
83、本说明书(包括权利要求、说明书和附图)中描述的所有特征和/或方法步骤可以以任意组合进行组合，但相互排斥的特征的组合除外。
技术特征：
1.一种用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，所述太阳能接收器包括具有直径dt和厚度et的玻璃管(2)和具有直径da和厚度ea的金属环(3)，其中，所述玻璃管(2)包括两个端部(2.1、2.2)；其特征在于，所述用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法包括以下步骤：
2.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，在至少一个所述端部(2.1、2.2)处执行步骤b)至e)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，在步骤c)中，将所述滚轮对(4)定位成使得具有直径dt的所述玻璃管(2)的修改厚度em的增加指向于：
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，所述修改厚度em使所述玻璃管(2)的所述第一端部(2.1)的所述厚度et增加30％至130％，更优选地增加60％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，在步骤b)中，所述玻璃管(2)的所述第一端部(2.1)的加热延伸到介于[0mm，5mm]之间的长度lc。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，在步骤b)中，加热所述玻璃管(2)直到达到介于[1100℃，1300℃]之间的温度，优选地介于[1180℃，1220°c]之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，所述玻璃管(2)和所述金属环(3)以40rpm至100rpm、优选地53rpm至73rpm的转速、2mm/s至15mm/s、优选地9mm/s的平移速度旋转。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，在与所述金属环(3)连接的过程中，用于校准修改后的所述玻璃管(2)外径的校准装置与玻璃保持接触。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，所述玻璃管(2)是由玻璃材料制成的圆柱体，优选地由硼硅酸盐1型制成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，所述金属环(3)由不锈钢合金或co-ni合金制成，优选地为kovar。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳能接收器的玻璃-金属连接(1)的制造方法，其特征在于，当执行所述连接所述金属环(3)与所述玻璃管(2)的所述第一端部(2.1)的步骤时，玻璃的膨胀系数αv小于或等于金属的膨胀系数αm。
12.一种太阳能接收器，其特征在于，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的玻璃-金属连接。
13.一种抛物面槽式或菲涅尔式太阳能聚光器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求12所述的太阳能接收器。
技术总结
本发明涉及一种用于太阳能接收器的玻璃‑金属连接的制造方法。太阳能接收器包括具有直径D<subgt;t</subgt;、厚度e<subgt;t</subgt;的玻璃管和具有直径D<subgt;a</subgt;的金属环，其中，玻璃管包括两个端部。该方法包括以下步骤：将玻璃管的第一端部的厚度et修改为修改厚度e<subgt;m</subgt;，修改厚度e<subgt;m</subgt;大于该管的第一端部的厚度e<subgt;t</subgt;；连接金属环与玻璃管的第一端部。
技术研发人员：费利克斯·艾因斯·伊巴隆多
受保护的技术使用者：里奥玻璃太阳能有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23