CN104891790A - 一种对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置，包括模具框架和集中力加载单元，模具框架整体为空心结构，包括底座、支撑架和限位梁。集中力加载单元包括上固定装置和下固定装置，所述上固定装置包括依次设置的上固定槽钢和第一耐高温玻璃棉，所述下固定装置包括依次设置的第二耐高温玻璃棉和下固定槽钢，所述下固定槽钢的中部设置有钩环，所述上固定装置和下固定装置通过固定螺栓固定连接；上固定装置和下固定装置均采用槽钢进行固定，槽钢具有更强的强度，受力变形更小。本发明通过对称集中力与均布荷载耦合热成型制备聚光镜，制备的聚光镜的面型曲线是在集中载荷和均布荷载耦合作用下形成的复合曲线，其曲线是一个分段高次曲线。

Description

一种对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置及其应用

技术领域

本发明属于太阳能领域，涉及一种太阳能聚光镜的热弯成型装置，具体地，涉及一种对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置及其在制备聚光镜中的应用。

背景技术

太阳能作为一种可再生的清洁能源，在能源短缺、气候变暖、生态环境恶化等严峻形势下受到了越来越多的关注。经过20年左右的市场培育，我国太阳能热利用产业规模已达千亿人民币的水平，并开始进入以中高温热利用为新方向的行业发展窗口。

在传统的抛物面镜成型技术方案中，加热玻璃至其软化点以上的温度使其坍塌贴合模具成型的方法虽然可以保证面型的精确度，但是由于玻璃表面在过高的温度下与模具接触导致接触损伤，降低了其对高能波段太阳辐射的镜面反射能力。而以网格状、肋状和柔性滚轮等多点支撑模具由于悬空部位的存在，容易导致面型的畸变。传统玻璃聚光镜高昂的造价也是制约太阳能热利用的一个重要因素。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种可以大大降低成本，又通过简单、便宜的生产工艺获得聚光特性优良的太阳能聚光镜的对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置及其在制备聚光镜中的应用。

本发明还要解决的技术问题在于提供利用上述装置制备聚光镜的方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种用于制备聚光镜的热弯成型装置，其特征在于，包括模具框架和集中力加载单元，其中，

所述的模具框架为空心结构，包括底座、设置于底座两侧两端并与所述底座垂直的支撑架和设置于所述支撑架中间的限位梁，两侧的支撑架通过支撑横梁连接，所述限位梁架设于所述支撑横梁的上方并与所述支撑横梁固定连接；所述模具框架用于支撑待加工的玻璃板；

所述的集中力加载单元包括上固定装置和下固定装置，所述上固定装置包括依次设置的上固定槽钢和第一高温耐玻璃棉，所述下固定装置包括依次设置的第二耐高温玻璃棉和下固定槽钢，所述下固定槽钢的中部设置有钩环，所述上固定 装置和下固定装置通过固定螺栓固定连接；上固定装置和下固定装置均采用槽钢进行固定，槽钢具有更强的强度，受力变形更小。

所述的集中力加载单元对称设置于待加工的玻璃板的两侧，通过集中力加载单元使待加工的玻璃板固定于第一耐高温玻璃棉和第二耐高温玻璃棉形成的夹层中间，集中力负荷的大小通过所述钩环施加重量进行调节。耐高温玻璃棉即可有效的防止上固定装置和下固定装置与玻璃板之间的滑动，又能保障集中力施加的均匀性。同时，耐高温玻璃棉的保温性质可以防止钢板和玻璃直接接触引起的温度不均。所述集中力加载装置根据设计加载位置进行滑动固定安装。

所述模具框架由方钢或角钢焊接而成，所述支撑架顶端的支撑面与待加工玻璃板成30-60°夹角，所述支撑架顶端的支撑面上铺盖一层耐高温玻璃纤维。模具框架的尺寸根据玻璃尺寸而定。模具框架的支撑横梁由中间限位梁的高度根据所需要的曲面拱高尺寸决定。

所述的限位梁上覆盖一层耐高温玻璃棉来缓冲玻璃板与限位梁的接触。

本发明进一步提出了上述利用上述装置制备聚光镜的方法，包括如下步骤：

(1)首先将上述模具框架送入炉中；

(2)在模具框架的支撑架顶端的支撑面上铺盖一层耐高温玻璃纤维，将待加工的玻璃板平放在空心模具上，用找平器对玻璃平面找平；

(3)将集中力加载单元的上固定装置放置到玻璃板上对应的安装位置，然后将下固定装置在玻璃板对应的另一侧，最后安装固定螺栓，使待加工的玻璃板固定于第一耐高温玻璃棉和第二耐高温玻璃棉形成的夹层中间，其中，所述的对应的安装位置为待加工玻璃板的对称的两侧；

(4)在钩环上添加砝码，用手使砝码保持静止后松开来防止砝码晃动引起的受力不均；

(5)通过模具框架的限位梁进行控位，控制炉温使其稳定在热弯温度附近，并随炉退火完成热弯成型工艺；

(6)旋开固定螺栓，卸下集中力加载单元，从模具框架上取下玻璃板，竖直放置以进一步消除内部应力。

其中，步骤(5)中，所述的热弯温度控制步骤为：

(1)温度初上升阶段：在300℃之间，控制电阻丝的开关是间断性断开和 闭合的，此时的温度上升速度是≤5℃/min；

(2)温度速上升阶段：在300℃到500℃之间，增加开关的打开数量，合理的控制闭合与断开的比例，此时温度的上升速度是在5℃/min和15℃/min之间；

(3)热弯成型阶段：控制炉内温度，根据玻璃几何尺寸和热弯需求使热弯速度维持在520～560℃左右热弯成型。本发明设计热弯温度区间，玻璃板在这样的温度下既具有较强的弹性自我约束能力，又具有缓慢的玻璃的流动性使其发生蠕变变形；

(4)退火阶段：此工艺中，在热弯成型后进行退火，退火冷却速度应小于等于15℃/min，待炉退火到200℃以下后打开炉盖进行空气冷却。

本发明在保持非接触空心模具热弯的基础上，通过一种对称集中力与均布荷载耦合热成型的聚光镜制造方法，使热弯后的聚光镜曲线更加的接近抛物线。

前期的非接触成型制镜技术纯粹依靠玻璃板在简支支座上的重力均布荷载下成型，这种成型方式所对应的挠曲面沿跨度方向越靠近端部镜面聚光越慢，必须通过较大比例的边缘截除量来保证最终的焦斑宽度足够小。为进一步增大单镜尺寸以及在同等镜面尺寸下得到更小的焦斑，本发明通过在热弯过程中施加对称集中力来优化整个聚光镜的面型曲线轮廓。

下面分别对均布载荷下的理论面型和集中力下的理论面型进行分析，并通过力的耦合来使复合面型更加接近抛物面，从而提高镜面的聚光效果。

如图5所示，在重力均布载荷作用下玻璃板的理论面型方程可以表示为：

$y_1=-\frac{\mathrm{qx}}{24\mathrm{EI}}(l^3-{2\mathrm{lx}}^2+x^3)---\left(1\right)$

其中，y₁为均布载荷下的挠度；x为跨度方向的位置；I为玻璃板转动惯量；q为均布荷载；l为玻璃板长度；E为弹性模量。 

如图6所示，在对称集中力的作用下玻璃板的理论面型方程可以表示为：

$y_2=\left\{\begin{array}{c}-\frac{\mathrm{Pbx}}{6\mathrm{EIl}}(l^2-x^2-b^2)-\frac{\mathrm{Pb}(l-x)}{6\mathrm{EIl}}[\frac{l}{b}{(l-x-a)}^3+(l^2-b^2)(l-x)-{(l-x)}^3]0\≤x\≤b\\ -\frac{\mathrm{Pbx}}{6\mathrm{EIl}}(l^2-x^2-b^2)-\frac{\mathrm{Pb}(l-x)}{6\mathrm{EIl}}[l^2-{(l-x)}^2-b^2]b\≤x\≤l-b\\ -\frac{\mathrm{Pb}(l-x)}{6\mathrm{EIl}}[l^2-{(l-x)}^2-b^2]-\frac{\mathrm{Pbx}}{6\mathrm{EIl}}[\frac{l}{6}{(x-a)}^3+(l^2-b^2)x-x^3]l-b\≤x\≤l\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，y₂为对称集中力下的挠度；P为集中力；b为集中力加载位置点 距离边缘的位置；a＞b，且a+b＝l。

公式(2)在b≤x≤l-b范围内，集中力载荷下中间波段的曲线为抛物线，故可通过对称集中力和均布荷载耦合热弯成型的面型曲线将更加的接近理想抛物线。

本发明提供了在集中力和均布载荷耦合作用下热弯成型的面型理论方程，根据叠加原则曲线y₁和y₂叠加曲线可表示为：

y＝C₁y₁+C₂y₂，C₁+C₂＝1；    (3) 

其中C₁，C₂为小于1的正数。

在聚光镜玻璃热弯过程中，当施加较大的集中载荷时，镜面将产生比较大的内部应力。根据浮法玻璃抗拉强度一般在50Mpa以上的性质，考虑到200℃玻璃容易破损，我们选了应力在20Mpa左右以内。经过理论计算发现只要集中力和均布载荷贡献挠度比小于1∶1时，玻璃热弯时可以达到应力要求。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过对称集中力与均布荷载耦合热成型制备聚光镜，制备的聚光镜的面型曲线是在集中载荷和均布荷载耦合作用下形成的复合曲线，其曲线是一个分段高次曲线。不同于传统的槽式抛物面镜，本发明热弯成型聚光镜是一种 非成像聚光镜；

(2)本发明实用的模具框架为空心模具，从模具剖面上看玻璃仅在边缘处和最大拱高处与模具接触，玻璃其它的有效聚光面在热弯炉内全程不与硬物接触，不会形成接触损伤；

(3)本发明采用的集中力加载单元上下全采用槽钢进行固定，槽钢具有强度高，应力变形小的优点，同时通过添加砝码调节集中力的大小，具有操作方便的特点；

(4)在集中力加载单元中设置耐高温玻璃棉即可有效的防止固定装置和玻璃板之间的滑动，又能保障集中力施加的均匀性。同时，耐高温玻璃棉的保温性质可以防止钢板和玻璃直接接触引起的温度不均；

(5)通过在模具框架中设置限位梁，可以保证热弯聚光镜的拱高，同时，在限位横梁上覆盖一层一定厚度的耐高温玻璃棉来缓冲玻璃与横梁的接触；

(6)本发明选择520～560℃区间的热弯温度，玻璃在这样的温度下既具有较强的弹性自我约束能力，又具有缓慢的玻璃的流动性使其发生蠕变变形。

附图说明

图1为本发明的模具框架的结构示意图；

图2为采用对称集中力与均布荷载耦合热成型的聚光镜制造方法示意图，其中，P代表集中力加载的方位；

图3为在玻璃板两侧对称加载集中力加载单元的示意图；

图4为集中力加载单元的侧视图；

图5为均布载荷简支梁的示意图；

图6为对称集中力简支梁的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例详细说明本发明。

实施例1用于制备聚光镜的热弯成型装置。

本发明提供了一种用于制备聚光镜的热弯成型装置，如图1所示，包括模具框架和集中力加载单元，其中，模具框架整体为空心结构，包括底座1、支撑架2和限位梁3，其中，支撑架2设置于底座两侧两端并与底座垂直，两个支撑架通过支撑横梁4固定连接，限位梁3架设于两个支撑横梁4之间，该限位梁3用于控制制备的聚光镜的拱高。模具框架由方钢或角钢焊接而成，支撑架顶端的支撑面与待加工玻璃板成在30-60℃区间的夹角，支撑架顶端的支撑面上铺盖一 层耐高温玻璃纤维。待加工的玻璃板5架设于模具框架之上，限位梁3上覆盖一层耐高温玻璃棉来缓冲玻璃板与限位梁3的接触，如图2所示，图中，P为集中力加载单元施加的位置。

集中力加载单元包括上固定装置和下固定装置，上固定装置包括依次设置的上固定槽钢6和第一耐高温玻璃棉7，下固定装置包括依次设置的第二耐高温玻璃棉8和下固定槽钢9，下固定槽钢9的中部设置有钩环10，上固定装置和下固定装置通过固定螺栓11固定连接。集中力加载单元对称设置于待加工的玻璃板5的两侧，通过集中力加载单元使待加工的玻璃板5固定于第一耐高温玻璃棉7和第二耐高温玻璃棉8形成的夹层中间，集中力负荷的大小通过向所述钩环10施加重量进行调节。

实施例2利用对称集中力和均布荷载耦合作用下制备聚光镜。

本发明利用对称集中力和均布荷载耦合作用制备聚光镜，其制造方法步骤是玻璃选型——玻璃入炉——安装集中力施加单元——通过模具框架的限位梁控位，热弯温度控制，随炉退火完成热弯成型工艺——玻璃面型校验——切边——镀膜等。

具体步骤如下：

(1)根据热弯聚光镜的要求，选取厚度为4mm，误差在±0.2mm，跨度在1500mm，误差在±2mm的低铁钠钙玻璃板。在玻璃聚光镜几何尺寸方面，选择了标称厚度为4mm的玻璃原片，热弯跨度1为1500mm，而宽度w为1000mm。

(2)首先将模具框架放入热弯炉中，保证其水平位置；

(3)在模具框架的支撑架顶端的支撑面上铺盖一层耐高温玻璃纤维，将待加工的玻璃板平放在模具框架上，用找平器对玻璃平面找平；

(4)将集中力加载单元的上固定装置放置到玻璃板上对应的安装位置，然后将下固定装置在玻璃板对应的另一侧，最后安装固定螺栓，使待加工的玻璃板固定于第一高耐温玻璃棉和第二耐高温玻璃棉形成的夹层中间，其中，对应的安装位置为待加工玻璃板的两侧；

(5)在钩环上添加砝码来调整集中力的大小，用手使砝码保持静止后松开来防止砝码晃动引起的受力不均；

(6)通过模具框架的限位梁进行控位，使其在热弯温度附近进行热弯，并 随炉退火完成热弯成型工艺；

(7)旋开固定螺栓，卸下集中力加载单元，从模具框架上取下玻璃板，竖直放置以进一步消除内部应力；

(8)对热弯面型进行面型检测，对符合要求的热弯玻璃进行下一步处理。根据应用中聚光的需要，适量的进行裁边已提高聚光效果。待裁切结束后，在玻璃的背面镀反射膜及保护层(同时在侧面镀上保护膜)，至此一块在对称集中力与均布荷载耦合热成型的聚光镜制作完毕。

实施例3聚光镜性能测试。

(1)粗糙度测试 

通过用德国制造的高精度粗糙度测试仪Mahr Perthometer M1(带PFM驱动单元)对前期采用同样空心模具纯均布载荷作用下热弯获得的10块热弯前后聚光镜的粗糙度Ra值进行统计分析。结果显示，玻璃粗糙度的平均值热弯前为10.7nm，热弯后总平均值减小为10nm，表明聚光镜具有优秀的表面特性。

(2)对称集中力与均布荷载耦合热成型聚光镜聚光效果

对一种b＝0.15m的加载方案进行了聚光分析。首先通过SolidWorks对太阳能聚光镜进行实体建模，然后，把实体模型导入Tracepro光学软件进行光学追踪。

对集中力和均布载荷挠度贡献比例分别为0∶1、1∶4、1∶2和1∶1四种情况进行分析。通过分析发现，在60mm初始拱高1.1m的裁切后跨度下，聚光镜的聚光焦斑宽度由均布载荷下的75.3mm分别减小到对称集中力与均布载荷贡献拱高为1∶4、1∶2和1∶1下的63.8、56.3、47.8。聚光镜的聚光比由14.6分别提高到了17.2、19.5和23。分析结果表明，对称集中力与均布荷载耦合热成型聚光镜比纯均布载荷热弯成型聚光镜的聚光效果有较大的提高。

实施例4聚光镜制造成本分析。

前期已经试制了300块左右在纯均布载荷作用下热弯的聚光镜。本发明所采用的聚光镜制作方法和前期方法制作成本相近。根据试制经验，我们可以实现的规模化制造成本如表1所示。

表1聚光镜的规模化生产成本元/m²

表1显示挠曲柱面镜的大规模制作成本为156.1元/m²。根据关于太阳能热发电的文献(Kennedy C E，Terwilliger K，Provide status of test results of candidate solar mirror samples and identify promising candidates[R].CSP FY 2005 Milestone Report，2005.李德贵，龚思源，田丰，等.中国太阳能集热发电的可行性及政策研究报告[R].北京：中国科学院清洁能源技术发展中心，2009.)，抛物面超白玻璃聚光镜量化生产的成本约为46.2～64.8美元/m²，折合约260～390元/m²。据CSPPLAZA光热发电站(Robin Jason.微弧平面镜光热发电聚光镜的未来趋势[Z].http://www.cspplaza.com/article-1740-1.html，2013-5-17.)成本测算，平板玻璃镜的成本约100元/m²，微弧平面镜的成本比其高出约三分之一，即130元/m²左右。可见，本发明制备的聚光镜的成本与微弧平面镜的成本相当，比平面镜稍贵，但只有抛物面玻璃聚光镜的成本一半左右。仅由成本角度上讲，本发明很具有发展前景，且使用玻璃材质制作，耐久性可靠，非常值得推广。

Claims (6)

1.一种对称集中力与均布荷载耦合热弯成型装置，其特征在于，包括模具框架和集中力加载单元，其中，

所述的模具框架为空心结构，包括底座(1)、设置于底座两侧两端并与所述底座垂直的支撑架(2)和设置于所述支撑架中间的限位梁(3)，两侧的支撑架通过支撑横梁(4)连接，所述限位梁(3)架设于所述支撑横梁(4)的上方并与所述支撑横梁(4)固定连接；所述模具框架用于支撑待加工的玻璃板(5)；

所述的集中力加载单元包括上固定装置和下固定装置，所述上固定装置包括依次设置的上固定槽钢(6)和第一耐高温玻璃棉(7)，所述下固定装置包括依次设置的第二耐高温玻璃棉(8)和下固定槽钢(9)，所述下固定槽钢(9)的中部设置有钩环(10)，所述上固定装置和下固定装置通过固定螺栓(11)固定连接；

所述的集中力加载单元对称设置于待加工的玻璃板(5)的两侧，通过集中力加载单元使待加工的玻璃板(5)固定于第一耐高温玻璃棉(7)和第二耐高温玻璃棉(8)形成的夹层中间，集中力负荷的大小通过向所述钩环(10)施加重量进行调节。

2.根据权利要求1所述的热弯成型装置，其特征在于，所述模具框架由方钢或角钢焊接而成，所述支撑架顶端的支撑面与待加工玻璃板成30-60°范围内的夹角，所述支撑架顶端的支撑面上铺盖一层耐高温玻璃纤维。

3.根据权利要求1所述的热弯成型装置，其特征在于，所述的限位梁(3)上覆盖一层耐高温玻璃棉来缓冲玻璃板与限位梁(3)的接触。

4.利用权利要求1所述的热弯成型装置在制备聚光镜上的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先在模具框架的支撑架顶端的支撑面上铺盖一层耐高温玻璃纤维，将待加工的玻璃板平放在模具框架上，用找平器对玻璃平面找平；

(2)将上述支撑有待加工的玻璃板的模具框架送入炉中；

(3)将集中力加载单元的上固定装置放置到玻璃板上对应的安装位置，然后将下固定装置在玻璃板对应的另一侧，最后安装固定螺栓，使待加工的玻璃板固定于第一耐高温玻璃棉和第二耐高温玻璃棉形成的夹层中间，其中，所述的对应的安装位置为待加工玻璃板的两侧；

(4)在钩环上添加砝码来调整集中力的大小；

(5)通过模具框架的限位梁进行控位，在热弯温度下热弯，并随炉退火完成热弯成型工艺；

(6)旋开固定螺栓，卸下集中力加载单元，从模具框架上取下热弯玻璃，竖直放置以进一步消除内部应力。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤(5)中，所述的热弯温度控制步骤为：

(1)温度初上升阶段：在温度上升至300℃之前，控制电阻丝的开关是间断性断开和闭合，控制温度上升速度≤5℃/min；

(2)温度速上升阶段：在300℃到500℃之间，增加开关的断开数量，控制闭合与断开的比例，控制温度的上升速度在5℃/min和15℃/min之间；

(3)热弯成型阶段：控制炉内温度，根据玻璃几何尺寸和热弯需求使热弯速度维持在520～560℃左右热弯成型；

(4)退火阶段：此工艺中，在热弯成型后进行退火，退火冷却速度应小于等于15℃/min，待炉退火到200℃以下后打开炉盖进行空气冷却。