CN1065924A

CN1065924A - 太阳能低倍聚光透镜及其生产方法

Info

Publication number: CN1065924A
Application number: CN91106667A
Authority: CN
Inventors: 李杰吾; 黄锡成; 周孝安; 陈相刚; 唐菊芳; 刘芳定; 章之华; 徐加林
Original assignee: SHAOYANG GLASS FACTORY
Current assignee: SHAOYANG GLASS FACTORY
Priority date: 1991-04-13
Filing date: 1991-04-13
Publication date: 1992-11-04

Abstract

本发明属于太阳能的利用技术领域，是关于一种太阳能低倍聚光透镜及其生产方法。该低倍聚光透镜的底面为平面，表面为平行排列的锯齿，每个锯齿相当于一个凸透镜。锯齿有三种形状，分段分布，在每段内为一种形状平行排列的锯齿，用普通玻璃制造该透镜，采用压延法连续生产线进行生产，成型用的压延机其花辊按照透镜表面锯齿的形状和分布要求制模，压出的玻璃从压延机出来时由热汽垫支撑，可减少磨损擦伤，之后由托辊送入退火窑退火处理。

Description

本发明属于太阳能的利用技术领域，是关于一种太阳能低倍聚光透镜及其生产方法。

太阳能的利用主要是用聚光器将太阳热聚集用来发电、热水等，而聚光器分为非成象太阳聚光器和成象形透镜太阳能聚光器、非成象太阳能聚光器有常用的抛物面形聚光器等如公告CN85101607A、发明名称“复合平面太阳能聚光器”的专利申请介绍了就是一种非成象太阳能聚光器，该聚光器是由对称分布的两个反射壁组成的槽形聚光器，这类聚光器有一个共同的特征就是结构复杂、制造困难、成本高、难以推广使用。而成象形透镜一般都是采用光学玻璃制造，价格昂贵、成本高，而太阳能的基本特点是能量密度小，欲获得可利用的能量需大面积的光学接收器件，若采用光学玻璃，价格、造价不可能为民间接收。而用有机玻璃制造又容易老化和龟裂，因而难以广泛推广应用。

本发明的目的是要提供一种结构简单、制造容易、能够大批量连续进行生产的太阳能低倍聚光透镜及其生产方法。

本发明的太阳能低倍聚光透镜是根据菲湟尔透镜原理而设计的，该低倍聚光透镜的底面为平面，表面为平行排列的锯齿，每个锯齿相当于一个很长的小凸透镜。一个锯齿能会聚一条光斑线，平行排列的锯齿能会聚一条光斑带。由于菲湟尔透镜的光斑是照度不均匀的，为了得到均匀的照度，锯齿有三种形状即Ⅰ形、Ⅱ形和Ⅲ形，三种形状的锯齿分段分布即在一定距离内都为平行排列的Ⅰ形锯齿，紧挨着的一定距离内都为平行排列的Ⅱ形锯齿，再跟着一定距离内都为平行排列的Ⅲ形锯齿，锯齿的顶角αi由以下公式来确定：

αi＝90°+θ-Ai（i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）

式中：θ-生产工艺修正值，Ai-锯齿倾斜角，其值按菲湟尔透镜原理推算出来，计算依据是使三段的光斑带会聚为一条光斑带，由于每一段形成的光斑内照度基本上是均匀的，而每一段光斑的宽度都相同，且各段的光斑正好重迭，故焦斑上的总照度也是均匀的。锯齿的宽度（或齿顶距离）Li与锯齿高度h的关系由锯齿形状根据三角公式推导出为：

Li＝h· (Sinαi)/(SinAi·Cosθ) （i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）

h值的确定是兼顾透镜成形后的透光度与透镜的厚度H两者而设计的，当厚度一定时，h大，Li也大，透镜透光好，但透镜的强度会减弱，故h值大约应为透镜总厚度的一半最好。

本发明的太阳能低倍聚光透镜可采用无色的透明材料制造如普通玻璃、塑料、有机玻璃等，在这些材料中采用普通玻璃制造最好。因为用熔化的玻璃料可采用压延法连续生产，生产成本低、与光学玻璃相比成本大大降低，而光学性能相差不大，欲获得相同的能量，只需要增加一点接收面积便可达到，如遇损坏更换便宜。因此宜采用透光性好的普通玻璃（高白料玻璃），普通玻璃的化学成分组成范围为：

SiO₂60-75% Al₂O₃2-5% Fe₂O₃0.01-0.3%

CaO 7-11% MgO 2-6% R₂O（即Na₂O+K₂O） 12-16%

B₂O₃0.5-1%

在化学成分的组成中要严格控制铁的含量、铁的存在使玻璃着色、降低玻璃的透光性能。玻璃中含有B₂O₃能大大改善普通玻璃的光学性能，但含量高会影响玻璃的制造成本。

本发明的用普通玻璃生产太阳能低倍聚光透镜的方法是按上述的玻璃化学成分来配制玻璃原料，玻璃原料在熔化池窑里熔化后，玻璃液由供料道拉出按压花玻璃成型法成型即经压延机压延、冷却后再经退火窑退火处理、切裁、包装，压延机有光辊和花辊，花辊的花纹按照透镜表面锯齿的形状和分布要求制模即花纹为平行排列的锯齿形状，锯齿有三种形状即Ⅰ模形、Ⅱ模形、Ⅲ模形，是低倍聚光玻璃透镜的压模。Ⅰ模、Ⅱ模、Ⅲ模的意义表示该花纹的锯齿形状与前面所述的低倍聚光透镜的形状相反，为模具和模制品关系。

下面结合实施例附图对本发明作进一步的描述。

图1太阳能低倍聚光透镜示意图;

图2锯齿放大图;

图3压延法生产低倍聚光玻璃透镜工艺示意图;

图4花辊结构剖视图。

图中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ-三种不同形状的锯齿，Ⅰ_反、Ⅱ_反、Ⅲ_反-与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对称的锯齿，αi-锯齿顶角，Ai-锯齿倾斜角，θ-工艺生产修正值，Li-齿顶距离，h-齿高，H-透镜厚度，φ-直径，1-玻璃熔炉，2-供料道，3-压延机，4-气垫风管，5-退火窑，6-托辊，7-光辊，8-花辊，S-成型段。

根据压延法生产低倍聚光玻璃透镜工艺的需要，锯齿的θ值取0-5°便于滚压成型时，压花玻璃容易脱离花辊，从理论上说，θ值越小，光能损失越少，因此在工艺许可的情况下，要使θ值尽可能小，根据菲湟尔透镜原理，推算A_Ⅰ＝17°59′、A_Ⅱ＝29°16′、A_Ⅲ＝35°17′因此αⅠ＝72°59′～77°59′、αⅡ＝60°44′～65°44′、αⅢ＝54°43′～59°43′。锯齿高度h＝2.7±0.5mm，透镜厚度H从透镜的透光性和机械强度两方面综合考虑，厚度H为锯齿高度的＝倍为佳，因此H＝2h＝5.4±1.0mm。玻璃料熔化炉使用马蹄焰窑或横火焰窑炉，炉内熔化池底部设一个窑坎，可防止底层受污染玻璃液料进入成型部、玻璃液经供料道被拉出，由压延机（3）滚压成型，连续被压延出来的压花玻璃板在成型段（S）里由软变硬定型。压延的玻璃出压延机（3）后，由气垫风管（4）出来的热风在玻璃板下形成热气垫，由热气垫支撑玻璃板向前移动，热气垫使玻璃板离托辊（6）高约0.5mm，热风温度80-150℃，风压180-250mmH20。热风是由风管绕玻璃窑炉的池墙，利用池墙散失出来的热量将风管里的空气加热得到，工作时，在玻璃板下形成一平台气垫来支撑玻璃板不与托辊接触。玻璃板在硬化定型过程中，由于有热气垫支撑，底面就不会受到擦伤、平稳光洁，提高玻璃的质量，保证玻璃的光学性能。压延机（3）的两个辊筒即光辊（7）和花辊（8）采用炮钢材料制造，要求表面光洁度0.4以上，工作部长度300-2500mm，工作部直径90-300mm，辊筒表面可以镀铬以增加表面强度延长使用寿命。花辊的花纹设计为锯齿状，三种形状的锯齿即Ⅰ模、Ⅱ模、Ⅲ模，按序分段平行排列后，又按Ⅲ模、Ⅱ模、Ⅰ模顺序锯齿顶指向相反成对称分段平行排列，在图4中，以00′中心线为对称线，左边的Ⅲ模齿顶指向右边，对称线右边的Ⅲ模齿顶指向左边，两边都按序对称循环排列。由此花辊压出的玻璃透镜锯齿的分布也是按这种规则对称排列的。在热气垫之后为托辊，托辊排列较密，使没有硬化的玻璃不易变形。从供料道的出料口至退火窑入口处的成型段长度S为1000-3000mm，压花玻璃板经成型段硬化定型后进退火窑退火，消除内应力，退火温度不能太高，退火窑的传动部分采用三级直流电动机无级调速，以确保花纹（锯齿）不变形。

用本发明的方法制造的低倍聚光玻璃透镜，透光率达40-70%，能聚光3-6倍，产品价格低廉，是光学玻璃的十分之一，生产方法简单，能够机械化连续大批量生产。太阳能低倍聚光透镜可用于太阳能房屋建筑、聚光跟踪太阳能发电及太阳能热水器等作为太阳能聚光器。低倍聚光玻璃透镜用于太阳能跟踪发电装置中，使造价成本大大降低，造价仅有11元/瓦，而采用光学玻璃作聚光器时造价高达200元/瓦。因此本发明具有很大的推广价值，使太阳能的普遍推广应用（特别是民用）成为可能。

Claims

1、一种太阳能低倍聚光透镜，其特征在于该低倍聚光透镜的底面为平面、表面为平行排列的锯齿，每个锯齿相当于一个凸透镜。

2、根据权利要求1所述的太阳能低倍聚光透镜，其特征在于透镜表面锯齿有三种形状的锯齿即Ⅰ形、Ⅱ形、Ⅲ形、三种形状的锯齿分段分布即在一定距离内都为平行排列的Ⅰ形锯齿、紧挨着的一定距离内都为平行排列的Ⅱ形锯齿，再跟着都为平行排列的Ⅲ形锯齿，锯齿的顶角αi（i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）由以下公式来确定：

αi＝90°+θ-Ai（i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）

式中：θ-工艺生产修正角，Ai-锯齿倾斜角。

3、根据权利要求2所述的太阳能低倍聚光透镜，其特征在于锯齿的宽度或齿顶距离Li与锯齿高度h的关系为

Li＝h· (Sinαi)/(SinAi·Cosθ) （i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）

4、根据权利要求1或2或3所述的太阳能低倍聚光透镜，其特征在于该低倍聚光透镜采用普通玻璃原料制造，其玻璃化学成分组成范围为：

SiO₂60-75% Al₂O₃2-5% Fe₂O₃0.01-0.3%

CaO 7-11% MgO 2-6% R₂O 12-16%

BaO 0.1-0.7% B₂O₃0.5-1%（重量百分比）

5、根据权利要求4所述的太阳能低倍聚光透镜，其特征在于θ值为0-5°，A_Ⅰ＝17°59′、A_Ⅱ＝29°16′、A_Ⅲ＝35°17′，因此αⅠ＝72°59′-77°59′、αⅡ＝60°44′-65°44′、αⅢ＝54°43′-59°43′。

6、根据权利要求5所述的太阳能低倍聚光透镜，其特征在于锯齿高度2.7±0.5mm。

7、一种用普通玻璃生产太阳能低倍聚光透镜的方法，其特征在于玻璃的成型采用压延法连续生产工艺即：玻璃原料在熔池里熔化后，玻璃液由供料道拉出经压延机压延，冷却硬化后再由退火窑退火处理冷却切裁，压延机两个辊子，一个为光辊、一个为花辊、花辊的花纹为平行排列的锯齿形状，锯齿有三种形状即Ⅰ模形、Ⅱ模形、Ⅲ模形，是低倍聚光玻璃透镜的压模。

8、根据权利要求7所述的用普通玻璃生产太阳能低倍聚光透镜的方法其特征在于压延玻璃出压辊后由热气垫支撑玻璃板向前移动，热气垫使玻璃板离托辊高约0.5mm，热风温度80-150℃，风压180-250mmH20。

9、根据权利要求7或8所述的用普通玻璃生产太阳能低倍聚光透镜的方法，其特征在于压延机辊子材质采用炮钢材料。

10、根据权利要求7或8所述的用普通玻璃生产太阳能低倍聚光透镜的方法，其特征在于从供料道的出料口至退火窑入口处的成型段长度S为1000-3000mm。