CN102012534B - 抛物槽式镜面及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种柱型抛物槽式镜面及其制作方法，属于槽式聚光太阳能热发电技术领域。为了提供一种适用于规模化生产的槽式镜面以及制作该槽式镜面的方法，本发明所提供的槽式镜面形状为对称弧形，且所述槽式镜面的弧线开口弦长X与开口高度Y的关系为：X²＝4KY；其中K为一常数，其数值范围为：1440～1860。通过实施本发明所提供的技术方案，可以得到具备特定曲率和长宽尺寸的、适用于规模化生产的抛槽式镜面，该抛物槽式镜面的加工尺寸适用于规模化生产，并可以保证抛物槽式镜面的光学效率和寿命。

Description

抛物槽式镜面及其制作方法

技术领域

本发明涉及槽式聚光太阳能热发电技术领域，具体涉及一种柱型抛物槽式镜面及其制作方法。

背景技术

聚光太阳能热发电系统(CSP-Concentrating Solar Power)按聚光形式不同可分为槽式、塔式和碟式等三种主要技术。阳能收集器元件包括集热管、抛物槽式镜面、支架，太阳能收集器元件大约长为10～15m，数块槽式镜面被固定在相应的钢质支架上，支架沿长度方向设置一纵向转轴，通过转轴转动实现跟踪太阳旋转。太阳能收集器单元，一般长度约为100～160m，大约是由10个太阳能收集器元件串联组成，在单元长度中点设置一维跟踪控制装置。许多平行成排模块化的太阳能收集器单元沿南北或东西向水平轴组成了太阳能集热场。

每一个太阳能收集器单元重点是吸收太阳直接辐射光束，利用抛物线聚焦原理，反射光聚集在一个抛物槽式镜面焦轴的集热管上，随着太阳相对于地面的运动，太阳能收集器单元在白天跟随太阳光旋转，源源不断地将太阳热能收集下来，集热管内的热流体循环通过对流换热把大部分的热量吸收，再借助一系列的热交换器将发电工质加热产生高压过热蒸汽，从而推动常规蒸汽轮机发电机组发电。

在国外，美国和西班牙太阳能热发电的应用比较多、槽式热发电技术最成熟、应用最多，商业化已有25年成功运行经验。截止到2009年3月，美国太阳能热发电已经投入商业运行的有419MW，全部为槽式太阳能热发电站系统。这充分证明槽式热发电技术是当前以及今后国内外一段时间内新能源发电市场的主流方向。

在我国，太阳能热发电技术的研究开发工作始于70年代末，2007年6月，由张耀明院士牵头研发的中国首座塔式太阳能热发电系统在江苏南京通过验收，发电功率达到70kW；由中科院电工研究所、热物所、西安交大、华电集团等10家单位共同承担研究建设的我国科技部“十一五”863重点项目“1MW太阳能热发电技术及系统示范”正在北京延庆进行。

由此可以看出，国内在聚光太阳能热发电技术领域尚处于起步阶段，基本属于技术空白。国外的槽式技术虽然较成熟，核心设备产品质量高，如果在国内太阳热发电工程中购买国外的核心设备产品，投入大，成本太高，千瓦造价约为3.5万人民币。如果在国内引进国外的核心设备抛物槽式镜面产品制造技术，同样投入大、成本高。

由于目前国内抛物槽式镜面制造技术还处在是刚刚起步阶段，在制造抛物槽式反光镜面时，如玻璃的热弯、镀银、保护涂层等工艺尚未形成相关规模及生产工艺流水线，多数是依靠人工控制完成制作工艺，抛物槽式镜面的曲率更是五花八门，镜面的长度和宽度也无统一的系列尺寸，加上国内制造技术也没有统一的标准，导致产品质量低下，难以保证槽式反光镜面光学效率和寿命。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种具备特定曲率和长宽尺寸的、适用于规模化生产的抛物槽式镜面以及制作该抛物槽式镜面的方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种抛物槽式镜面，所述抛物槽式镜面形状为对称抛物弧形，且所述抛物槽式镜面的抛物弧线开口弦长X与开口高度Y的关系为：X²＝4KY；

其中，K为常数，其数值范围为：1440～1860。

其中，所述抛物槽式镜面的弧线的焦距范围为：1440mm～1860mm。

其中，所述抛物槽式镜面包括四段曲弧子镜面，所述四段曲弧子镜面依次排列并将其依次定义为K₁、K₂、K₃、K₄，且所述四段曲弧子镜面的焦点均汇聚在同一焦点轴上。

其中，所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1580mm～1650mm；

所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1570mm～1640mm。

其中，所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1500mm～1560mm；

所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1490mm～1540mm。

其中，所述K₁曲弧子镜面与所述K₂曲弧子镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃曲弧子镜面与所述K₄曲弧子镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙弧长与所述第三间隙弧长相等，其范围为20mm～50mm；

所述K₂曲弧子镜面与所述K₃曲弧子镜面之间的间隙为第二间隙，所述第二间隙弧长范围为50mm～100mm。

其中，所述抛物槽式镜面的总弧长范围为6250mm～6620mm。

其中，所述抛物槽式镜面的镜面侧边长度范围为1600mm～1690mm。

其中，所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为59mm～66mm；所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为83mm～89mm。

此外，本发明还提供一种抛物槽式镜面的制作方法，所述方法包括如下步骤：

S1：选择厚度范围3mm～5mm、宽度范围为1600mm～1690mm的超白低铁玻璃板；

S2：从所述玻璃板上切割下长度范围为6160mm～6420mm的玻璃平板；

S3：将所述玻璃平板沿长边依次切割为四块子玻璃平板，将所述四块子玻璃平板依次排列并分别定义为K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板；

其中，所述K₁子玻璃平板与K₄子玻璃平板长度相同，其范围为1580mm～1650mm；所述K₂子玻璃平板与K₃子玻璃平板长度相同，其范围为1500mm～1560mm；

S4：将所述K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板分别进行热弯及钢化成形工艺，之后，分别成形为K₁子槽式镜面、K₂子槽式镜面、K₃子槽式镜面、K₄子槽式镜面；

S5：对热弯、钢化成形合格后的四块子槽式镜面进行镀银操作；

S6：对镀银后的四块子槽式镜面，分别进行防辐射保护层、防腐蚀保护层以及防磨保护层的涂镀操作；

S7：对步骤S4工艺结束后的四块子槽式镜面进行间距设置；

其中，定义所述K₁子槽式镜面与所述K₂子槽式镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃子槽式镜面与所述K₄子槽式镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙长度与所述第三间隙长度相等，其范围为20mm～50mm；

此外，定义所述K₂子槽式镜面与所述K₃子槽式镜面的间隙为第二间隙，所述第二间隙长度范围为50mm～100mm；

其中，所述四块子槽式镜面按规律顺次排列组合，各自所形成的抛物弧线具备相同的焦点及焦距，所述焦距范围为1440mm～1860mm。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明技术方案具备如下有益效果：

1)镜面弧曲率的选取：系列化生产，将受到热弯、钢化设备加工尺寸的限制，故选抛物面弧长范围1500-1900mm；

2)镜面加工弧线精度小于±5mm，可使98.5％太阳直接辐射光束反射至位于焦轴(点)的接收器，热流体加热高达390℃；

3)镜面反射率：反射率为93％；

4)镜面效率：光学效率80％；

5)镜面寿命：系列化生产，表面应力达60MPa以上，防腐、抗风、防磨性能提高，寿命可达20年；

6)镜面单位成本：系列化生产抛物槽式镜面，经测算将低于300元/m²；

通过实施本发明所提供的技术方案，可以得到具备特定曲率和长宽尺寸的、适用于规模化生产的抛槽式镜面，该抛物槽式镜面的加工尺寸适用于规模化生产，并可以保证抛物槽式镜面的光学效率和寿命。

附图说明

图1为本发明具体实施方式所涉及的抛物槽式镜面的整体侧面示意图；

图2为本发明具体实施方式所涉及的抛物槽式镜面分解为四段后的侧面示意图；

图3为本发明具体实施方式所涉及的抛物槽式镜面四段顺序相连的示意图；

图4为本发明具体实施方式所涉及的抛物槽式镜面的四段子镜面的尺寸示意图；

图5-1为本发明具体实施方式所涉及的K₁及K₄曲弧子镜面尺寸的平面展开示意图；

图5-2为本发明具体实施方式所涉及的K₁及K₄曲弧子镜面尺寸的三视图；

图6-1为本发明具体实施方式所涉及的K₂及K₃曲弧子镜面尺寸的平面展开示意图；

图6-2为本发明具体实施方式所涉及的K₂及K₃曲弧子镜面尺寸的三视图；

图7为本发明具体实施方式所涉及的抛物槽式镜面制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的一种抛物槽式镜面，如图1所示，所述抛物槽式镜面形状为对称抛物弧形，所述抛物槽式镜面的抛物弧线开口弦长X与开口高度Y的关系为：X²＝4KY；其中，K为常数，其数值范围为：1440～1860，优选为1700。

本发明所选择的抛物槽式镜面的总弧长范围为6250mm～6620mm，优选为6482.20mm；对应的总弦长范围为5000mm～6000mm，优选为5831mm；所述抛物槽式镜面的镜面侧边宽度范围为1600mm～1690mm，优选为1680mm；所述抛物槽式镜面的弧线的焦距范围为：1440mm～1860mm，优选为1700mm。

其中，如图2至图6所示，所述抛物槽式镜面包括四段曲弧子镜面，所述四段曲弧子镜面依次排列并将其依次定义为K₁、K₂、K₃、K₄，且所述四段曲弧子镜面的焦点均汇聚在同一焦点轴上。

沿抛物弧线外侧的两块曲弧子镜面，即所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1580mm～1650mm，优选为1630mm；

所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1570mm～1640mm，优选为1623mm。

所述抛物弧线内侧的两块曲弧子镜面，即所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1500mm～1560mm，优选为1550mm；

所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1490mm～1540mm，优选为1538mm。

所述K₁曲弧子镜面与所述K₂曲弧子镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃曲弧子镜面与所述K₄曲弧子镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙弧长与所述第三间隙弧长相等，其范围为20mm～50mm，优选为31.10mm；

所述K₂曲弧子镜面与所述K₃曲弧子镜面之间的间隙为第二间隙，所述第二间隙弧长范围为50mm～100mm，优选为60.0mm。

所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为59mm～66mm，优选为62mm；所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为83mm～89mm，优选为86mm。

如图7所示，本实施例具体描述本发明技术方案所涉及的抛物槽式镜面的制作方法流程，包括如下步骤：

S1：选择厚度范围3mm～5mm、宽度范围为1600mm～1690mm的超白低铁玻璃板；其中，厚度优选为4mm，宽度优选为1680mm；其中，所述超白低铁玻璃是具有优越的物理、机械及光学性能，高透明的一种玻璃，由超白低铁玻璃制作成镜面有利于进行太阳能反射；

S2：从所述玻璃板上切割下长度范围为6160mm～6420mm的玻璃平板；其中，长度优选为6482.2mm；

S3：将所述玻璃平板沿长边依次切割为四块子玻璃平板，将所述四块子玻璃平板依次排列并分别定义为K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板；

其中，所述K₁子玻璃平板与K₄子玻璃平板长度相同，其范围为1580mm～1650mm，其尺寸优选为1630mm(长度)×1680mm(宽度)；所述K₂子玻璃平板与K₃子玻璃平板长度相同，其范围为1500mm～1560mm，其尺寸优选为1550mm(长度)×1680mm(宽度)；

上述，本发明选取了四块玻璃平板宽度尺寸数据排列依次为1630、1550、1550、1630mm，长度均为1680mm。

S4：根据预设的抛物弧线开口弦长与开口高度的关系将所述K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板，借助自动生产线热弯、钢化工艺设备，分别进行热弯及钢化成形工艺，之后，分别成形为K₁子槽式镜面、K₂子槽式镜面、K₃子槽式镜面、K₄子槽式镜面；

所述弧线开口弦长X与开口高度Y的关系为：X²＝4KY；其中，K为常数，其数值范围为：1440～1860，优选为1700；

进行热弯、钢化操作后的四块子槽式镜面中，所述K₁子槽式镜面及K₄子槽式镜面的弦长相同，其范围为1570mm～1640mm；所述K₂子槽式镜面及K₃子槽式镜面的弦长相同，其范围为1490mm～1540mm；所述四块子槽式镜面各自所形成的抛物弧线具备相同的焦点及焦距，所述焦距范围为1440mm～1860mm。

在这里，本发明选取所述K₁子槽式镜面及K₄子槽式镜面的弧长、弦长、弦高相同，分别为1630mm、1623mm、62mm；所述K₂子槽式镜面及K₃子槽式镜面的弧长、弦长、弦高相同，分别为1550、1538mm、86mm。所述成型的四块子槽式镜面具备相同的焦距1700mm。

S5：对热弯、钢化成形合格后的四块子槽式镜面进行镀银操作；

所述成形的四块子槽式镜面，尺寸分别1630mm(弧长)×1680mm(宽度)、1550×(弧长)1680mm、1550(弧长)×1680mm(宽度)、1630mm(弧长)×1680mm(宽度)，借助自动生产线镀银工艺设备，对所述四块子槽式镜面进行镀银；

S6：对镀银后的四块子槽式镜面，分别进行防辐射保护层、防腐蚀保护层以及防磨保护层的涂镀操作；

借助自动生产线涂膜工艺设备，对其槽式镀银玻璃板进行防辐射保护层、防腐蚀保护层以及防磨保护层的涂镀工序。

S7：步骤S6工艺结束后，按照图1和图3所示的顺序，对检验合格的四块子槽式镜面进行间距设置并安装；

其中，定义所述K₁子槽式镜面与所述K₂子槽式镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃子槽式镜面与所述K₄子槽式镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙长度与所述第三间隙长度相等，其范围为20mm～50mm，优选为31.10mm；此外，定义所述K₂子槽式镜面与所述K₃子槽式镜面的间隙为第二间隙，所述第二间隙长度范围为50mm～100mm，优选为60.0mm。

与现有技术相比较，本发明技术方案具备如下有益效果：

1)镜面弧曲率的选取：系列化生产，将受到热弯、钢化设备加工尺寸的限制，故选抛物面弧长范围1500-1900mm；

2)镜面加工弧线精度小于±5mm，可使98.5％太阳直接辐射光束反射至位于焦轴(点)的接收器，热流体加热高达390℃；

3)镜面反射率：反射率为93％；

4)镜面效率：光学效率80％；

5)镜面寿命：系列化生产，表面应力达60MPa以上，防腐、抗风、防磨性能提高，寿命可达20年；

6)镜面单位成本：系列化生产抛物槽式镜面，经测算将低于300元/m²；

通过实施本发明所提供的技术方案，可以得到具备特定曲率和长宽尺寸的、适用于规模化生产的抛槽式镜面，该抛物槽式镜面的加工尺寸适用于规模化生产，并可以保证抛物槽式镜面的光学效率和寿命。

下面，只更换镜面，在光资源、试验装置其它工作状态等边界条件相同的条件下，通过在国内某中试装置上进行试验，此时，选用总弧长为6482.20mm、开口总弦长为5831mm的抛物槽式镜面，其中组成所述抛物槽式镜面的四块K₁、K₂、K₃、K₄子槽式镜面的尺寸分别为：1630mm(弧长)×1680mm(宽度)、1550mm(弧长)×1680mm(宽度)、1550mm(弧长)×1680mm(宽度)、1630mm(弧长)×1680mm(宽度)；其中，K₁与K₂子槽式镜面之间的间距、K₃与K₄子槽式镜面之间的间距均设置为31.1mm，K₃与K₄子槽式镜面之间的间距设置为60.0mm。该抛物槽式镜面的焦距为1700mm。而作为对比的则选择开口总弦长为5000mm的现有的小口径镜面。

根据对比试验所得出的结论，可以证明依照本发明的技术方案所设计的镜面比国内已有的小开口的镜面性能要优越，使用本发明技术方案所制造的槽式镜面，并在具体工艺环境中安装该镜面，将会使其性能更好。下表所示为在中试装置上本发明技术方案所提供的槽式镜面与现有的镜面分别进行试验后，所测量的数据对比：

太阳能集热器镜面试验特征数据对比表

镜面	现有的小口径镜面	本发明的大口径镜面
			年份	2010	2010
开口尺寸(m)	5	5.831
			设备长度(m)	8	8
集热管直径(m)	0.07	0.07
			浓度比	65∶1	82∶1
光学效率	0.70	0.80
			镜面反射率	0.90	0.93

可以看出，本发明技术方案所提供的镜面可以有效提高镜面上的光学效率以及镜面光反射率，进而可以基于该镜面来提高太阳能发电工程的整体发电效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种抛物槽式镜面，其特征在于，所述抛物槽式镜面原料为超白低铁玻璃板，其形状为对称抛物弧形，且该抛物槽式镜面包括四段曲弧子镜面，所述四段曲弧子镜面依次排列并将其依次定义为K₁、K₂、K₃、K₄，且所述四段曲弧子镜面的焦点均汇聚在同一焦点轴上；所述抛物槽式镜面的抛物弧线曲线方程式为：X²=4KY；

其中，K为常数，其数值范围为：1440～1860；

所述抛物槽式镜面总弦长的数值范围为：5000mm～6000mm，且所述抛物槽式镜面的总弧长范围为6250mm～6620mm。

2.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述抛物槽式镜面的弧线的焦距范围为：1440mm～1860mm。

3.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1580mm～1650mm；

所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1570mm～1640mm。

4.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其范围为1500mm～1560mm；

所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弦长相同，其范围为1490mm～1540mm。

5.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述K₁曲弧子镜面与所述K₂曲弧子镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃曲弧子镜面与所述K₄曲弧子镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙弧长与所述第三间隙弧长相等，其范围为20mm～50mm;

所述K₂曲弧子镜面与所述K₃曲弧子镜面之间的间隙为第二间隙，所述第二间隙弧长范围为50mm～100mm。

6.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述抛物槽式镜面的镜面侧边长度范围为1600mm～1690mm。

7.如权利要求1所述的抛物槽式镜面，其特征在于，所述K₁曲弧子镜面及K₄曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为59mm～66mm；所述K₂曲弧子镜面及K₃曲弧子镜面的弧长相同，其开口高度范围为83mm～89mm。

8.一种抛物槽式镜面的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：选择厚度范围3mm～5mm、宽度范围为1600mm～1690mm的超白低铁玻璃板；

S2：从所述玻璃板上切割下长度范围为6160mm～6420mm的玻璃平板；

S3：将所述玻璃平板沿长边依次切割为四块子玻璃平板，将所述四块子玻璃平板依次排列并分别定义为K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板；

其中，所述K₁子玻璃平板与K₄子玻璃平板长度相同，其范围为1580mm～1650mm；所述K₂子玻璃平板与K₃子玻璃平板长度相同，其范围为1500mm～1560mm；

S4：将所述K₁子玻璃平板、K₂子玻璃平板、K₃子玻璃平板、K₄子玻璃平板分别进行热弯及钢化成形工艺，之后，分别成形为K₁子槽式镜面、K₂子槽式镜面、K₃子槽式镜面、K₄子槽式镜面；

S5：对热弯、钢化成形合格后的四块子槽式镜面进行镀银操作；

S6：对镀银后的四块子槽式镜面，分别进行防辐射保护层、防腐蚀保护层以及防磨保护层的涂镀操作；

S7：对步骤S6工艺结束后的四块子槽式镜面进行间距设置；

其中，定义所述K₁子槽式镜面与所述K₂子槽式镜面之间的间隙为第一间隙，所述K₃子槽式镜面与所述K₄子槽式镜面之间的间隙为第三间隙，所述第一间隙长度与所述第三间隙长度相等，其范围为20mm～50mm；

此外，定义所述K₂子槽式镜面与所述K₃子槽式镜面的间隙为第二间隙，所述第二间隙长度范围为50mm～100mm；

其中，所述四块子槽式镜面按规律顺次排列组合，各自所形成的抛物弧线具备相同的焦点及焦距，所述焦距范围为1440mm～1860mm。

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