CN200910030870.2
2009.04.17
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2009.09.02
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G02B19/00; C03B23/023; C03B25/00; C03C17/00
G02B19/00
东南大学
匡 荛; 张耀明
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陆志斌
一种线聚焦太阳能系统用挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法,包括如下步骤:原片选择、支座设置、热弯和退火、玻璃裁切、表面粗糙度检测与聚类、光路检测与聚类、施加微调集中线荷载。其中在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩。这种制造方法能提高聚光效果,简化加工工艺,降低制造成本。
1、 一种用于聚焦太阳能的挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法,包括如下步骤:原片选择:选择制镜级的浮法玻璃作为加工原片,在完成清洗、干燥程序后,分别对玻璃的两个表面根据统计要求随机选择若干测点,测试其粗糙度,选取该值低于10nm的作为备用原片;根据聚光系统设计要求确定玻璃原片的宽度,以使镜面具有设计的焦距;支座设置:在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩;支座的跨度设置依据所要获得的挠曲柱面聚光镜的面型由计算得出,计算方法根据简支梁的挠度理论进行;热弯和退火:进行热弯、维持和退火,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,同时使玻璃表面维持平滑;玻璃裁切:退火完成后切除靠近支座的一部分边缘镜面,以提高镜面的几何聚光比;表面粗糙度检测与聚类:切除完成后检测玻璃的表面粗糙度,第一表面和第二表面的粗糙度均小于40nm的为合格品,然后根据检测结果分类供应于不同的使用系统;采用蒸发镀膜或磁控溅射技术镀反射涂层;光路检测与聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距;根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组;这样每一小组的镜面会具有非常接近的焦斑宽度和焦距,便于工程中镜组集成时进行选用。施加微调集中线荷载:在工程安装现场通过夹具对安装在镜面支架上的挠曲柱面聚光镜施加集中线荷载,以进一步微调曲面面型,提高曲面面型的拟合度,使各镜面的安装焦距与设计焦距相同。2、 根据权利要求1所述的制造方法,其特征是:所述的支座设置步骤中,两端支座设置成具有不同的高度,由此形成非对称的挠曲柱面聚光镜面型,其具体面型根据简支梁的挠度理论计算得出。3、 根据权利要求1所述的制造方法,其特征是:所述的热弯和退火步骤中,在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。4、 根据权利要求1-3之一所述的制造方法,其特征是:所述的热弯和退火步骤中,第一,退火温度从575℃开始,在575-490℃范围内退火的速率小于15K/min;在490-450℃范围内退火的速率小于5K/min;在450-370℃范围内退火的速率小于15K/min;在370℃-常温范围内退火的速率小于50K/min,以保证玻璃内部充分释放应力及维持表面光滑;第二,除支座处之外,玻璃的正反面各处在加热和退火过程中维持具有均匀的温度场,抽除热弯炉内部分空气,使炉内气压小于104Pa,同时将距离玻璃正反面较近的空间区域用钢板围合,钢板外围设置加热装置,使钢板形成一个面加热源,保证温度场的最高值与最低值之差不大于2K,各区布置独立的热电阻以监控温度场的均匀性。所述的玻璃裁切步骤中,对于布置在聚光镜组中间、理论设计入射角为零的镜面实施两端对称切除;对于布置在聚光镜组两侧、理论设计入射角不为零的镜面,仅对靠近镜组中间的一侧实施切除。5、 根据权利要求1所述的制造方法,其特征是:所述的表面粗糙度检测与用途聚类步骤中,镀反射涂层表面的第二表面粗糙度<20nm的供热利用系统使用,粗糙度在20-40nm之间的供聚光光伏系统使用;Ra较大的镜面用于入射角较大的反射镜,Ra较小的镜面用于入射角较小的反射镜。6、 根据权利要求1-3之一所述的制造方法,其特征是:所述的施加微调集中线荷载步骤中,在挠曲柱面聚光镜截面中点处布置中线夹具,中线夹具包括柔性辊和位于柔性辊两端的夹座,夹座上有夹持机构及力量显示装置,调整夹持机构的施力大小,通过柔性辊在挠曲柱面聚光镜截面中点处沿柔性辊方向施加集中线荷载;或者在挠曲柱面聚光镜截面两端布置边缘夹具,对裁切后的边缘通过边缘夹具施加弯矩,进一步调节形成最终所需的挠曲柱面反射镜,边缘夹具包括柔性夹板和位于柔性夹板两端的夹座,夹座上有夹持机构及力量显示装置,调整夹持机构的施力大小,通过柔性夹板在挠曲柱面聚光镜截面两端处沿柔性夹板方向施加集中线荷载。7、 一种挠曲柱面反射镜的制造方法,包括如下步骤:原片选择:选择制镜级的浮法玻璃作为加工原片,在完成清洗、干燥程序后,分别对玻璃的两个表面根据统计要求随机选择若干测点,测试其粗糙度,选取该值合格的作为备用原片;支座设置:在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩;支座的跨度设置依据所要获得的挠曲面反射镜的面型由计算得出,计算方法根据简支梁的挠度理论进行;热弯和退火:进行热弯、维持和退火,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,同时使玻璃表面维持平滑;表面粗糙度检测与用途聚类:检测玻璃的表面粗糙度,然后根据检测结果分类供应于不同的使用系统;采用蒸发镀膜或磁控溅射技术镀反射涂层;光路检测与尺寸聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距;根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组。8、 根据权利要求7所述的制造方法,其特征是:所述的支座设置步骤中,两端支座设置成具有不同的高度,由此形成非对称的挠曲面反射镜面型,其具体面型根据简支梁的挠度理论计算得出。9、 根据权利要求7所述的制造方法,其特征是:所述的支座设置步骤中,支座的钢板具有5-15度的向下倾角。10、 根据权利要求7-9之一所述的制造方法,其特征是:所述的热弯和退火步骤中,在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯和退火温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。
挠曲柱面反射式聚光镜制造方法 技术领域 本发明涉及一种聚光镜的制造方法,尤其是一种线聚焦太阳能系统用挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法,属于太阳能利用技术领域。 背景技术 能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础,随着经济的持续高速增长,化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境问题越来越成为经济和社会的可持续发展的制约因素。加快可再生能源的开发利用是解决能源和环境问题的重要途径和措施。太阳能是清洁无污染且永不枯竭的能源,是发展最快的可再生能源之一,也是各国竞相发展的重点。 在光伏发电方面,常规的光伏发电系统由于电池组件价格居高不下,难以迅速推广和普及。根据光伏电池在一定条件下输出的电流与接受的光照强度成正相关的特性,为了进一步提高光伏发电装置的性能价格比,各国技术人员开始尝试通过跟踪聚光的方法,增加光伏电池所接受的太阳光照射强度,使得同样数量的半导体材料产生更多的电能,而增加的聚光跟踪装置的成本远远低于所节约的太阳能电池成本,相当于用普通的材料代替昂贵的半导体材料,从而大幅度降低光伏发电系统的成本。现有聚光光伏发电系统可按照聚光的形式分为两种:一种采用菲涅尔透镜折射聚光,制造成本较高,耐候性不好,易老化、磨损;另外一种是采用大型抛物面反射聚光,其优点是反射效率高,缺点是制造难度大,成本较高,反射镜容易破碎,机构整体防风性能差。不难发现,现有技术中因为聚光器的成本难以降低,整套系统的性价比提高不明显,使得聚光光伏发电系统的优势难以体现。到目前为止,仅有少量试验、示范性质的聚光光伏发电系统投入运行。 目前,曲面聚光镜一般是通过将高透光率的低铁玻璃依照高精度的模具热弯成型制造,通常是利用玻璃加热软化重力成形法弯曲获得所需要的曲面形式。由于模具本身精度要求高,价格昂贵,而且在使用过程中因磨损、长时间高温等因素需要经常更换,特别是制造过程中模具表面与玻璃表面在高温下进行接触,破坏了玻璃在浮法工艺中形成的光滑表面,从而需要后续复杂、高成本的抛光过程进行表面处理,因此造成曲面聚光镜造价较高。而聚光镜在槽式太阳能热发电系统和槽式聚光光伏发电系统的成本中占有较大比例,一般达到总成本的50%以上。如能提供一种易于制造的聚光镜,使得聚光镜的成本能够大幅度下降,则必将有力地推动太阳能发电产业的发展。中国专利CN1800745公开了一种曲面聚光镜,包括框架、安装于框架上的托架、两端定位于托架的玻璃反射镜,此外还包括曲率形成装置,曲率形成装置的一端与玻璃反射镜接触定位,另一端与框架或托架固连件接触定位,两端将玻璃反射镜约束变形,形成所需曲率。该发明摒弃了造价较高的模具热弯成型工艺,采用推拉机构将曲面反射镜制成所需曲面,加工工艺简化。但是其仍然以传统的抛物面、圆弧面或抛物面与圆弧面的组合为基础来约束玻璃反射镜,基本上只能微调使之产生弯曲变形,成为具有所需曲率和聚光效用的曲面聚光镜。该方法会造成玻璃内具有较大的应力,更加容易破碎,另外,其对玻璃表面的粗糙度要求依然很高,仍需要进行抛光处理后进行镀膜。美国专利US4238265公开了一种曲面聚光镜的制造方法,尽管其镀膜方式上有所改进,但其中的曲面玻璃选用的面型仍然是抛物面、圆弧面或抛物面与圆弧面的组合。 抛物面的聚光效果虽然为业内普遍认可,但抛物面为大变形,第一表面屈曲明显,给后续加工带来困难。同时,现有的热弯工艺生产大的聚光镜同一性差。再有,抛物面、圆弧面或抛物面与圆弧面等二次曲线的成型工艺复杂,需要采用昂贵且国产化尚未过关的超薄玻璃镜进行贴面,以及高精度抛光工艺。有鉴于此,申请人经多年研究发现,挠曲变形属于小变形,不会对构件的微观表面起伏产生很大的影响。申请人对比较容易成型的挠曲柱面进行了研究,纯自重条件下的挠曲面生成方式比抛物面、圆弧面简单,但其聚光效果不好。于是,申请人提出了改进挠曲面聚光效果的若干措施,研发了一种简便易行的形成挠曲柱面聚光镜的工艺方法,不仅容易得到具有挠曲面面型的聚光镜,而且能够简化制镜工艺,省却了费工费时的抛光工序,直接在得到的挠曲面玻璃上进行镀膜制成挠曲柱面聚光镜,由此可使聚光镜的制造成本大幅度下降,若能广泛采用,必将有力地推动太阳能发电产业的发展。 发明内容 本发明的目的在于:针对现有曲面聚光镜制作中存在的精度要求高、工艺复杂、造价高等不足之处,提出一种线聚焦太阳能系统用反射式聚光镜的制造方法,从而提高聚光效果、简化加工工艺、降低制造成本。 根据本发明,提供一种线聚焦太阳能系统用挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法,包括如下步骤:原片选择、支座设置、热弯和退火、玻璃裁切、表面粗糙度检测、光路检测与聚类、施加微调集中线荷载。 原片选择:选择制镜级的浮法玻璃作为加工原片,在完成清洗、干燥程序后,分别对玻璃的两个表面根据统计要求随机选择若干测点,测试其粗糙度Ra,选取该值低于10nm的作为备用原片;根据聚光系统设计要求确定玻璃原片的宽度,以使镜面具有设计的焦距; 支座设置:在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩;支座的跨度设置依据所要获得的挠曲柱面聚光镜的面型由计算即可得出,计算方法根据简支梁的挠度理论进行; 热弯和退火:进行热弯、维持和退火,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,同时使玻璃表面维持平滑; 玻璃裁切:退火完成后切除靠近支座的一部分边缘镜面,以提高镜面的几何聚光比; 表面粗糙度检测与聚类:切除完成后检测玻璃的表面粗糙度,第一表面和第二表面的Ra均小于40nm的为合格品,然后根据检测结果分类供应于不同的使用系统;采用蒸发或磁控溅射技术镀反射涂层; 光路检测与聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距;根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组;这样每一小组的镜面会具有非常接近的焦斑宽度和焦距,便于工程中镜组集成时进行选用; 施加微调集中线荷载:在工程安装现场通过夹具对安装在镜面支架上的挠曲柱面聚光镜施加集中线荷载,以进一步微调曲面面型,提高曲面面型的拟合度,使各镜面的安装焦距与设计焦距相同。 进一步地,在支座设置步骤中,两端支座设置成具有不同的高度,由此形成非对称的挠曲柱面聚光镜面型,其具体面型也可根据简支梁的挠度理论计算得出。 进一步地,在热弯和退火步骤中,在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。 进一步地,在热弯和退火步骤中,第一,退火温度从575℃开始,在575-490℃范围内退火的速率小于15K/min;在490-450℃范围内退火的速率小于5K/min;在450-370℃范围内退火的速率小于15K/min;在370℃-常温范围内退火的速率小于50K/min,以保证玻璃内部充分释放应力及维持表面光滑;第二,除支座处之外,玻璃的正反面各处在加热和退火过程中维持具有均匀的温度场,抽除热弯炉内部分空气,使炉内气压小于104Pa,同时将距离玻璃正反面较近的空间区域用钢板围合,钢板外围设置加热装置,使钢板形成一个面加热源,保证温度场的最高值与最低值之差不大于2K,各区布置独立的热电偶以监控温度场的均匀性。所述的玻璃裁切步骤中,对于布置在聚光镜组中间、理论设计入射角为零的镜面实施两端对称切除;对于布置在聚光镜组两侧、理论设计入射角不为零的镜面,仅对靠近镜组中间的一侧实施切除。 进一步地,在表面粗糙度检测与用途聚类步骤中,镀反射涂层表面的第二表面Ra<20nm的供热利用系统使用,Ra在20-40nm之间的供聚光光伏系统使用;Ra较大的镜面用于入射角较大的反射镜,Ra较小的镜面用于入射角较小的反射镜。 进一步地,在施加微调集中线荷载步骤中,在挠曲柱面聚光镜截面中点处布置中线夹具,中线夹具包括柔性辊和位于柔性辊两端的夹座,夹座上有夹持机构及力量显示装置,调整夹持机构的施力大小,通过柔性辊在挠曲柱面聚光镜截面中点处沿柔性辊方向施加集中线荷载;或者在挠曲柱面聚光镜截面两端布置边缘夹具,对裁切后的边缘通过边缘夹具施加一定的弯矩,进一步调节形成最终所需的挠曲柱面反射镜,边缘夹具包括柔性夹板和位于柔性夹板两端的夹座,夹座上有夹持机构及力量显示装置,调整夹持机构的施力大小,通过柔性夹板在挠曲柱面聚光镜截面两端处沿柔性夹板方向施加集中线荷载。 本发明的另一目的在于:针对现有曲面反射镜制作中存在的精度要求高、工艺复杂、造价高等不足之处,提出一种挠曲柱面反射镜的制造方法,从而丰富反射镜面型、简化加工工艺、降低制造成本。尤其是无需对镜面边缘进行额外加工。 根据本发明,提供一种挠曲柱面反射镜的制造方法,包括如下步骤: 原片选择:选择制镜级的浮法玻璃作为加工原片,在完成清洗、干燥程序后,分别对玻璃的两个表面根据统计要求随机选择若干测点,测试其粗糙度Ra,选取该值合格的作为备用原片; 支座设置:在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩;支座的跨度设置依据所要获得的挠曲面反射镜的面型由计算即可得出,计算方法根据简支梁的挠度理论进行; 热弯和退火:进行热弯、维持和退火,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,同时使玻璃表面维持平滑; 表面粗糙度检测与聚类:检测玻璃的表面粗糙度,然后根据检测结果分类供应于不同的使用系统;采用蒸发镀膜或磁控溅射技术镀反射涂层; 光路检测与聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距;根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组。 进一步地,在支座设置步骤中,两端支座设置成具有不同的高度,由此形成非对称的挠曲面反射镜面型,其具体面型也可根据简支梁的挠度理论计算得出。 进一步地,在支座设置步骤中,支座的钢板具有5-15度的向下倾角。 进一步地,在热弯和退火步骤中,在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯和退火温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。 本发明的有益效果是,提供了一种生产具有挠曲面的曲面玻璃的方法,可以得到具有更佳聚光比的曲面聚光镜,简化了制镜工艺,无需进行抛光工序,直接在得到的挠曲面玻璃上进行镀膜制成挠曲柱面聚光镜,由此可使聚光镜的制造成本大幅度下降,成品的制得率大幅度提高,同时,还可获得聚光比不小于10的单镜,聚光镜的聚光效率提升,聚光镜的面型种类增多,适于多种不同的场所,并能适于精确拟合二次曲线。本发明必将有力地推动太阳能发电产业的发展。更进一步,本发明的制作工艺将有利于各种挠曲面玻璃的加工制作,丰富曲面玻璃的面型。 附图说明 图1为本发明的挠曲柱面聚光镜的制造流程图; 图2为本发明实施例中玻璃置于热弯炉中的截面图; 图3为本发明实施例中的热弯炉上加热盖板前视图; 图4为本发明实施例中的热弯炉上加热盖板剖面图; 图5为本发明实施例中的热弯炉下加热盖板前视图; 图6为本发明实施例中的热弯炉下加热盖板剖面图; 图7为本发明实施例中的玻璃支座前视图; 图8为本发明实施例中的玻璃支座剖面图; 图9为本发明实施例中的夹具布置示意图; 图10为本发明实施例中的挠曲柱面聚光镜裁切前后在集中线荷载作用下聚光光路示意图。 具体实施方式 下面结合附图和优选实施例对本发明做进一步说明。 图1示出了一种线聚焦太阳能系统用挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法的流程,包括如下步骤:原片选择、支座设置、热弯和退火、玻璃裁切、表面粗糙度检测与用途聚类、光路检测与尺寸聚类、施加集中荷载。 原片选择:选择制镜级的3.2mm厚的浮法玻璃1作为加工原片。3mm以下和14mm以上的玻璃不适合作为聚光镜加工原片。在此范围内选择较薄的玻璃,以减少辐射吸收损失并获得较小的焦距开口比。在对玻璃原片进行清洗、干燥程序后,分别对该玻璃原片的两个表面按每平方米随机选择10个测点的频度,测试其粗糙度Ra,选取该值低于10nm的作为备用原片。根据聚光系统设计要求,确定玻璃原片的宽度为1.5米宽,以使镜面具有设计的焦距。 支座设置:如图2所示,在热弯炉5内布设支座2。如图7、8所示,支座2的顶端设置4*100*2000mm的钢板4,钢板上垫有隔热耐火材料,例如,偏硅酸铝纤维隔热层,以减弱玻璃与支座间的传导换热,避免玻璃边缘的翘曲。玻璃搁置在钢板的长边上,钢板4具有约10度的向下倾角,这样的倾角足以允许玻璃1端部边缘自由转动,不会受到约束,形成了简支条件下的支座转角,从而避免在支座处产生不利于玻璃1成型的弯矩。支座2的跨度设置为1500mm,根据简支梁的挠度理论公式计算得出挠曲柱面聚光镜的面型为三次曲线。支座2的顶端、立杆和底座在调平后用保温耐火材料包裹,以防形成热桥。底座设有调节高度的微调螺栓3。 均布荷载下挠曲柱面聚光镜的挠度曲线计算公式为: f xq = qx 24 EI ( l 3 - 2 l x 2 + x 3 ) ]]> 式中q为玻璃承受的竖向均布荷载,I为玻璃的截面惯性矩,均布荷载由玻璃自重引起,因此玻璃的厚度确定,则随之q、I值也确定。本例取玻璃厚度为3.2mm。E为玻璃的杨氏弹性模量,与玻璃的温度有关,实施例中选择的温度下,使E=40Gpa。1为支座跨度,实施例为1500mm。x为挠度计算点与左支座的距离。于是上式可确定一条挠曲线,在热弯炉中,该挠曲线即是玻璃热弯坍塌之后的面型曲线。 在另一实施例中,两端的支座2也可以设置在不同的高度上,由此形成非对称的挠曲柱面聚光镜面型,其具体面型也可根据简支梁的挠度理论计算得出。 热弯和退火:如图2所示,玻璃的热弯和退火均在热弯炉5内进行,热弯炉设有密封炉门,热弯炉上部设有抽气孔6,为耐受大气压力,热弯炉5的炉壁7中布置支撑以进行结构强化。 玻璃1在进入热弯过程中的过渡温度区后,杨氏弹性模量会随温度的升高而下降。根据设计要求,采用的热弯温度为620-575℃、维持时间1-60分钟,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,此时杨氏弹性模量为40GPa,同时使玻璃1表面维持平滑。这一过程中,玻璃1表面无需与模具表面发生接触,从而使其在浮法工艺中形成的光滑表面不被破坏,玻璃1表面达到能够对0.3-3um的高能太阳辐射波段形成镜面反射的条件。 采用以下两点工艺措施,可以大幅度提高聚光镜的产出成品率: 第一,在退火过程中,退火温度从575℃开始,在575-490℃范围内退火的速率小于15K/min;在490-450℃范围内退火的速率小于5K/min;在450-370℃范围内退火的速率小于15K/min;在370℃-常温范围内退火的速率小于50K/min,以保证玻璃内部充分释放应力及维持玻璃1表面光滑。 第二,除支座2处附近50mm之外,玻璃1的正反面各处在加热和退火过程中维持均匀的温度场。为达到这一要求,如图2所示,热弯和退火过程中通过抽气孔6抽除热弯炉内部分空气,使炉内气压小于104Pa,同时在距离玻璃1正反面250mm处的空间区域设置2mm厚钢板8围合,钢板8外围设置加热电阻丝9,使钢板8形成一个面加热源,保证温度场的最高值与最低值之差不大于2K,分四个区布置独立的测温热电阻10,以监控温度场的均匀性。如图3-6所示,钢板8围合成的空间区域可设置成活动支架的形式,钢板8制成的上加热盖板、下加热盖板外周均设置加热电阻丝9,下端设有活动支架,活动支架底座设有调节高度的微调螺栓3,上加热盖板悬垂布设多个测温热电阻10,下加热盖板竖立固设多个测温热电阻10。 在另一实施例中,可以对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调。在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯和退火温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。 玻璃的裁切:由于在挠曲柱面中,从边缘到中间各段镜面聚光形成的最小焦斑与镜面的距离逐渐变小,即越靠近中间的镜面越先完成聚光,并在散光后与远离中间的镜面的焦斑重合,因此在退火完成后切除靠近支座的一部分边缘镜面,可以提高镜面的几何聚光比。对于布置在聚光镜组中间、理论设计入射角为零的镜面实施两端对称切除;对于布置在聚光镜组两侧、理论设计入射角不为零的镜面,仅对靠近镜组中间的一侧实施切除。切除的宽度根据计算或者光路分析确定,一般为总宽度的5%-30%。本实施例中,挠曲柱面玻璃两端各裁切掉宽150mm的边。 表面粗糙度检测与用途聚类:玻璃裁切完成后进行玻璃的表面粗糙度检测。第一表面和镀反射涂层表面的第二表面的Ra均小于40nm为合格品。镀反射涂层表面的第二表面的Ra<20nm的供热利用系统使用;Ra在20-40nm之间的供聚光光伏系统使用;Ra较大的镜面用于入射角较大的反射镜;Ra较小的镜面用于入射角较小的反射镜。镀反射涂层的程序采用蒸发或磁控溅射技术,所获得的曲面玻璃的最大拱高小于30cm,以满足镀膜设备对于尺寸的上限要求。 光路检测与尺寸聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距。首先根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组。这样每一小组的镜面会具有非常接近的焦斑宽度和焦距,挠曲柱面玻璃的同一性能够得到提高,便于定日镜工程中镜组集成时进行选用。 施加集中线荷载:在工程安装现场实施。如图9所示,在镜面支架16上设置有夹具座,在挠曲柱面聚光镜截面中点处布置中线夹具12,进一步还在两端布置边缘夹具14,中线夹具包括柔性辊和位于柔性辊两端的夹座,夹座上有夹持机构13及力量显示装置,调整夹持机构13的施力大小,通过柔性辊在挠曲柱面聚光镜截面中点处沿柔性辊方向施加10-50kN/m的集中线荷载。 根据简支梁的挠度理论公式计算得出施加集中荷载时挠曲柱面聚光镜的面型曲线。 集中荷载下挠曲柱面聚光镜的挠度曲线计算公式为: f xp = Px 12 EI ( 3 l 2 4 - x 2 ) , 0 ≤ x ≤ l 2 P 12 EI [ 2 ( x - l 2 ) 3 + 3 l 2 4 x - x 3 ] , l 2 < x ≤ l ]]> 式中p为玻璃承受的集中荷载,也就是集中线荷载与长度的乘积,I为玻璃的截面惯性矩,由玻璃的厚度确定,E为玻璃的杨氏弹性模量,1为支座跨度,x为挠度计算点与左支座的距离。于是上式可确定一条挠曲线。上述计算得到的挠度与均布荷载作用下产生的挠度叠加即可获得挠曲柱面聚光镜的最终挠度。 进一步,对裁切后的边缘通过边缘夹具14施加一定的弯矩,进一步调节形成最终所需的挠曲柱面反射镜,边缘夹具包括柔性夹板和位于柔性夹板两端的夹座,夹座上有夹持机构13及力量显示装置,调整夹持机构13的施力大小,通过柔性夹板在挠曲柱面聚光镜截面两端处沿柔性夹板方向施加10-50kN·m/m的集中线荷载。夹持机构13可以是调整螺栓。通过对挠曲柱面聚光镜的夹具进行调节,可以进一步微调曲面面型,提高曲面面型的拟合度,使各镜面的安装焦距与设计焦距相同。 最后再经调试定型即完成了挠曲柱面聚光镜的建造,形成最终所需的挠曲柱面反射式聚光镜。 如图10所示,为安装好后的聚光镜,其中跨度为1500mm,受均布荷载成形,过渡区弹性模量为40GPa,安装后施加10-50kN/m的集中线荷载。根据对挠曲柱面聚光镜裁切前后在集中线荷载作用下聚光光路的分析,由图10中可以看出,如果不裁切掉两边,则聚光比为c1=7.1;若两边各裁切10%的宽度,则聚光比c2=10.2。这样,通过增加集中荷载和边缘裁切,聚光比得到合理的提高。 当然,本发明还可以进行如下改进:(1)反射镜采用模压成型加工工艺制造,安装时利用夹具施加集中荷载;(2)玻璃反射镜的背面粘贴纤维网格布、玻璃、薄金属板、铝塑板、塑料板、有机玻璃板等作为加强层。 本发明还可以用于制造一种挠曲柱面反射镜。该方法包括如下步骤: 原片选择:选择制镜级的3-14mm厚的浮法玻璃作为加工原片。在完成清洗、干燥程序后,分别对玻璃的两个表面根据统计要求随机选择若干测点,测试其粗糙度Ra,选取该值低于10nm的作为备用原片。 支座设置:在热弯炉内布设支座,设置的支座能够使玻璃不发生平动,但不限制玻璃自由转动,这样玻璃在加工过程中,可以自由转动,不会由于在两端搁置时受到约束,而是形成了简支条件下的支座转角,从而避免在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩。支座的跨度设置依据所要获得的挠曲柱面聚光镜的面型由计算即可得出,计算方法根据简支梁的挠度理论进行。两端的支座可以设置在不同的高度上,由此形成非对称的挠曲柱面聚光镜面型,其具体面型也可根据简支梁的挠度理论计算得出。 热弯和退火:玻璃在进入热弯过程中的过渡温度区后,杨氏弹性模量会随温度的升高而下降,根据设计要求采用热弯温度、维持时间和退火要求,以使玻璃的杨氏弹性模量达到设定的指标,同时使玻璃表面维持平滑;这一手段完全区别于现有的模具成型法,玻璃表面不与模具表面发生接触,从而使其在浮法工艺中形成的光滑表面不被破坏,无需后续高难度、高成本的抛光工艺即可使玻璃表面达到能够对0.3-3um的高能太阳辐射波段形成镜面反射的条件。 表面粗糙度检测与用途聚类:检测玻璃的表面粗糙度,然后根据检测结果分类供应于不同的使用系统;第二表面(镀反射涂层表面)的Ra<20nm的供热利用系统使用;Ra在20-40nm之间的供聚光光伏系统使用;Ra较大的镜面用于入射角较大的反射镜;Ra较小的镜面用于入射角较小的反射镜。采用磁控溅射技术镀反射涂层;所获得的曲面玻璃的最大拱高一般控制在小于30cm,以满足镀膜设备对于尺寸的上限要求。 光路检测与尺寸聚类:对完成镀膜及保护层的反射镜进行面型、焦斑大小和焦距测试并标出每块镜面的最小焦斑宽度及焦距;根据焦斑宽度的大小,按照一定的容许误差分成若干大组,然后在各组中根据焦距的大小,按照一定的容许误差再分成若干小组。 进一步地,在支座设置步骤中,两端支座设置成具有不同的高度,由此形成非对称的挠曲面反射镜面型,其具体面型也可根据简支梁的挠度理论计算得出。 进一步地,在支座设置步骤中,支座的钢板具有10度的向下倾角。 进一步地,在热弯和退火步骤中,在玻璃的局部区域设置绝热板,形成小区域的绝热空间,对该区域调整加热电阻丝的发热量,调节该区域的热弯和退火温度,达到对挠曲柱面玻璃的局部面型进行微调的目的。 本发明解决了现有技术中的许多问题,在热弯过程中以非接触的方式施加荷载产生弯曲,合理地控制了聚光镜的局部弯曲,精确的拟合了二次挠曲线。由此使形成完全所需的曲面面型,提高了聚集太阳光的效率,加工工艺简化,成本更为经济,极有利于产业化推广应用。 虽然上面用举例的方式描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以对公开的实施例作出各种修改而并不超出本发明的保护范围。
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一种线聚焦太阳能系统用挠曲柱面反射式聚光镜的制造方法,包括如下步骤:原片选择、支座设置、热弯和退火、玻璃裁切、表面粗糙度检测与聚类、光路检测与聚类、施加微调集中线荷载。其中在热弯炉内设置能够使玻璃自由转动的支座,以避免玻璃在支座处产生不利于玻璃成型的弯矩。这种制造方法能提高聚光效果,简化加工工艺,降低制造成本。 。
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