RU2043582C1

RU2043582C1 - Reflecting element and method of its manufacture

Info

Publication number: RU2043582C1
Application number: SU925056254A
Authority: RU
Inventors: Э.П. Волков; А.И. Поливода
Original assignee: Государственный Научно-Исследовательский Энергетический Институт Им.Г.М.Кржижановского
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: solar-energy engineering. SUBSTANCE: reflecting element represents part of parabolic surface comprising reflecting surface made in the form of thin bent sheet 1 with applied coatings of layers 2,3 of silver, copper or aluminium, respectively, and fiber-reinforced layer 4 of foam structure adjoining it. EFFECT: enhanced quality. 14 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к отражающим элементам, способам их изготовления и может быть использовано в солнечной энергетике, а также в светотехнике, спектрофотометрии, фотоэлектронике и других областях. The invention relates to reflective elements, methods for their manufacture and can be used in solar energy, as well as in lighting, spectrophotometry, photoelectronics and other fields.

Известны отражательные устройства, представляющие собой часть поверхности параболоцилиндра из тонкого металлического листа высокой чистоты с элементами жесткости на теневой стороне, при этом в фокусе отражателя находится трубчатый поглотитель, а сам отражатель имеет жесткую поверхностную раму, закрепленную на двух круговых ободах, установленную на роликах, с механическим приводом от системы слежения за солнцем [1] Суммарный коэффициент отражения таких зеркал достигает 0,75, но снижается до 0,5 в течение полугода из-за атмосферных загрязнений. Known reflective devices, which are part of the surface of a parabolic cylinder of a thin metal sheet of high purity with stiffeners on the shadow side, while the focus of the reflector is a tubular absorber, and the reflector itself has a rigid surface frame mounted on two circular rims mounted on rollers, with mechanical drive from the sun tracking system [1] The total reflection coefficient of such mirrors reaches 0.75, but decreases to 0.5 within six months due to atmospheric pollution nings.

Известно легковесное вогнутое зеркало с суммарным коэффициентом отражения до 0,8, в котором в целях обеспечения необходимой жесткости и стабильности оптических характеристик, в особенности коэффициента концентрации солнечной энергии, используется сэндвич конструкция в виде сотовой структуры с осями сот поперечно поверхностям, выполненная из тонких листов органического материала, армированного углеродными волокнами, при этом к вогнутой поверхности приклеивается тонкий лист стекла, на который наносят испарением отражающее покрытие в виде слоя алюминия, а поверх него тонкий слой защитного покрытия [2] Теоретический коэффициент концентрации таких зеркал в зависимости от соотношения апертуры и фокуса А/F в пределах 100-200. Известные отражающие покрытия наносятся испарением серебра позволяют получить коэффициент отражения солнечной энергии до 0,95, что на 10-12% выше алюминиевого покрытия, не нашли широкого применения в виду значительного расхода серебра до 10 г/м² и высокой стоимости.A lightweight concave mirror with a total reflection coefficient of up to 0.8 is known, in which, in order to provide the necessary rigidity and stability of optical characteristics, in particular the solar energy concentration coefficient, a sandwich structure is used in the form of a honeycomb structure with axes of cells transversely to the surfaces made of thin sheets of organic a material reinforced with carbon fibers, while a thin sheet of glass is glued to the concave surface, onto which a reflective coating is applied by evaporation as a layer of aluminum, and on top of it a thin layer of protective coating [2] Theoretical concentration coefficient of such mirrors depending on the ratio of aperture and focus A / F in the range of 100-200. Known reflective coatings are applied by evaporation of silver to obtain a solar energy reflection coefficient of up to 0.95, which is 10-12% higher than the aluminum coating, have not been widely used in view of the significant consumption of silver up to 10 g / m ² and high cost.

Известен отражающий элемент, представляющий собой часть параболической поверхности, содержащий жестко изогнутую отражающую поверхность и прилегающий к ней слой монолитно-анизотропной пеноструктуры, состоящей из подслоев с заданным изменением по толщине плотности и прочности [3]
Несмотря на высокий начальный коэффициент отражения (0,8-0,9) поверхностно-нанесенных зеркальных покрытий, их недостатком является постепенно прогрессирующее разрушение микрослоев вследствие коррозионно-химического действия загрязнений из атмосферы в комплексе с фотохимическими реакциями, инициируемыми УФ-излучением солнца. За несколько лет эксплуатации коэффициент отражения таких зеркал может снизиться до 0,4 и ниже.Known reflective element, which is part of a parabolic surface, containing a rigidly curved reflective surface and an adjacent layer of a monolithic anisotropic foam structure consisting of sublayers with a given change in density and strength [3]
Despite the high initial reflection coefficient (0.8-0.9) of surface-deposited mirror coatings, their disadvantage is the gradually progressive destruction of microlayers due to the corrosive and chemical effects of air pollution in combination with photochemical reactions initiated by solar UV radiation. For several years of operation, the reflection coefficient of such mirrors can drop to 0.4 or lower.

Этого недостатка частично лишены малированные стеклянные зеркала, однако им свойственен другой недостаток волнистость и бугристость, возникающие при малировании, которые снижают оптико- геометрические характеристики, в том числе коэффициент концентрации с 100-200 до 70-40. При этом в толще стекла бесполезно поглощается часть солнечной энергии. This defect is partially deprived of stained glass mirrors, but they are characterized by another disadvantage of waviness and tuberosity arising from malignancy, which reduce the optical-geometric characteristics, including the concentration coefficient from 100-200 to 70-40. In this case, part of the solar energy is uselessly absorbed in the thickness of the glass.

Существенным недостатком известных предложений является малая ударная механическая прочность отражений поверхности вследствие нерационального распределения прочности и плотности материала слоев, отсутствия монолитности и адгезии между элементом сэндвич фацеты. Высокая ударопрочность зеркальных фацет требуется для обеспечения градоустойчивости и соответственно надежности работы солнечно-энергетических установок. A significant drawback of the known proposals is the low impact mechanical strength of surface reflections due to the irrational distribution of the strength and density of the material of the layers, the lack of solidity and adhesion between the facet sandwich element. High impact resistance of mirror facets is required to ensure urban stability and, accordingly, the reliability of the operation of solar power plants.

Недостатком известных способов изготовления фацет параболоцилиндрических зеркал является низкая производительность процесса малирования стекла, сложность технологии производства трудоемкости, а также значительный расход серебра до 10 г на 1 м²зеркальной фацеты.A disadvantage of the known methods for manufacturing the facet of parabolic cylindrical mirrors is the low productivity of the glass coating process, the complexity of the labor-intensive manufacturing technology, and the significant consumption of silver up to 10 g per 1 m ^{2 of} mirror facet.

В основу изобретения положена задача создать такой отражающий элемент и способ его изготовления, которые бы обеспечивали существенное улучшение оптикометрических характеристик в течение длительного времени в сочетании с механической прочностью. The basis of the invention is the task of creating such a reflective element and a method for its manufacture, which would provide a significant improvement in optical characteristics over a long time in combination with mechanical strength.

Указанная задача решена в отражающем элементе, представляющем собой часть параболической поверхности, содержащем жестко отражающую поверхность и прилегающий к ней слой монолитно-анизотропной пеноструктуры, состоящий из подслоев с заданным изменением по толщине плотности и прочности. Согласно изобретению отражающая поверхность выполнена в виде изогнутого по параболе прозрачного листа, на тыльной поверхности которого расположены монолитно-адгезионно связанный с листом биметаллический слой, состоящий из подслоя серебра и подслоя меди или алюминия, а слой пеноструктуры выполнен волоконно-армированным. This problem is solved in a reflective element, which is a part of a parabolic surface containing a rigidly reflective surface and an adjacent layer of a monolithic-anisotropic foam structure, consisting of sublayers with a given change in density and strength in thickness. According to the invention, the reflective surface is made in the form of a transparent sheet curved in a parabola, on the back surface of which there is a bimetallic layer monolithically adhesively bonded to the sheet, consisting of a silver sublayer and a copper or aluminum sublayer, and the foam structure layer is fiber-reinforced.

В предпочтительном варианте исполнения толщина прозрачного листа из стекла составляет 1/50-1/2000 длины фокуса параболы. Материал листа должен быть достаточно упругим и одновременно жестким для обеспечения удержания заданной формы параболы в процессе нанесения жидких осаждающихся компонентов. В качестве материала листа могут быть использованы боросиликатное стекло, прозрачные органические полимерные пленки, полиэтилен-терефталатные (лавсан), метакрилатные, полистирольные, полиамидные, карбамидные, полиуретановые. In a preferred embodiment, the thickness of the transparent sheet of glass is 1 / 50-1 / 2000 of the focus length of the parabola. The sheet material must be sufficiently elastic and at the same time rigid to ensure retention of a given parabolic shape during the application of liquid precipitating components. Borosilicate glass, transparent organic polymer films, polyethylene terephthalate (lavsan), methacrylate, polystyrene, polyamide, urea, polyurethane can be used as the sheet material.

Радиус кривизны выбирают исходя из механических свойств материала. Например, стекло при меньших радиусах без малирования может сломаться. The radius of curvature is selected based on the mechanical properties of the material. For example, glass with smaller radii without coating can break.

Толщина подслоя серебра предпочтительно составляет 0,03-0,05 мкм. По сравнению с традиционными покрытиями толщина слоя серебра уменьшается в 10-100 раз. The thickness of the silver sublayer is preferably 0.03-0.05 microns. Compared with traditional coatings, the thickness of the silver layer is reduced by 10-100 times.

Аналогично уменьшается и слой меди. Толщина составляет 1-5 мкм. Similarly, the copper layer decreases. The thickness is 1-5 microns.

Сущность изобретения заключается в том, что сначала на тонкий прозрачный лист отражающей поверхности последовательно наносят химически чистый подслой серебра и подслой меди или алюминия, а после изгиба отражающей поверхности на нее со стороны биметаллического слоя последовательно наносят первый плотный подслой невспененного полиуретанового композита, вспененный ячеистый второй подслой и анизотропно вспененный третий наружный подслой. The essence of the invention lies in the fact that first a chemically pure sublayer of silver and a sublayer of copper or aluminum are successively applied to a thin transparent sheet of a reflective surface, and after bending the reflective surface, the first dense sublayer of an unfoamed polyurethane composite, a foamed cellular second sublayer is successively applied to it from the side of the bimetallic layer and anisotropically foamed third outer sublayer.

На фиг. 1 показан предлагаемый отражающий элемент; на фиг. 2 структура биметаллического слоя на прозрачном листе с участком плотной зоны в увеличенном масштабе; на фиг. 3 график распределения плотности и прочности по толщине отражающего элемента. In FIG. 1 shows the proposed reflective element; in FIG. 2 structure of a bimetallic layer on a transparent sheet with a plot of the dense zone on an enlarged scale; in FIG. 3 is a graph of the distribution of density and strength over the thickness of a reflective element.

Отражающий элемент выполнен в виде изогнутого по параболе прозрачного листа 1, на тыльной стороне которого расположен монолитно адгезионно связанный с ней биметаллический слой, состоящий из подслоев металлического серебра 2 и подслоя меди или алюминия 3, а сам лист 1 с биметаллическим слоем 2, 3 является частью волоконно-армированной плотной зоны 4 монолитно-анизотропной пеноструктуры 5, 6 с заданным изменением плотности и прочности. На тыльной стороне поверхности 6 располагаются элементы 7 крепления. The reflecting element is made in the form of a transparent sheet 1 curved in a parabola, on the back of which there is a bimetallic layer monolithically adhesive connected with it, consisting of sublayers of metallic silver 2 and an underlayer of copper or aluminum 3, and sheet 1 itself with a bimetallic layer 2, 3 is part fiber-reinforced dense zone 4 of a monolithic anisotropic foam structure 5, 6 with a given change in density and strength. On the back of the surface 6 are the fastening elements 7.

В качестве примера отражающий элемент может быть выполнен в виде параболической поверхности с суммарной толщиной δ, включающий тонкий жесткий изогнутый по образующей параболы прозрачный лист 1, например, стеклянный, с поверхностями оптической чистоты, с толщиной равной δ

длины фокуса параболоцилиндрического зеркала с фокальной полосой F, при этом на тыльной стороне листа 1 расположен монолитно-адгезионно связанный с ней биметаллический слой, состоящий из подслоев металлического серебра, толщиной 0,02-0,03 мкм и подслоя 3 меди или алюминия толщиной 1-5 мкм, а сам лист 1 с биметаллическими подслоями 2, 3 является частью волоконно-армированной плотной зоны 4 монолитно-анизотропной пеноструктуры 5, 6 с заданным по толщине законом изменения плотности ρ и прочности σ например, по графику фиг. 3. В зоне 6 у тыльной стороны элемента плотность ρ пеноструктуры повышается до 1,5 кг/дм³ при повышении прочности σ до 3 МПа. В зоне 5 диаметр ячеек 0,3-1,5 мм (фиг. 2).As an example, the reflecting element can be made in the form of a parabolic surface with a total thickness of δ, including a thin rigid transparent sheet 1 curved along the parabolic generatrix, for example, glass, with surfaces of optical purity, with a thickness equal to δ

the focal length of the parabolic cylindrical mirror with a focal band F, while on the back side of sheet 1 there is a monolithic-adhesive bimetallic layer associated with it, consisting of metallic silver sublayers 0.02-0.03 μm thick and 3 copper or aluminum sublayers 1- 5 μm, and the sheet 1 itself with

bimetallic sublayers

2, 3 is part of a fiber-reinforced dense zone 4 of a monolithic-

anisotropic foam structure

5, 6 with the law of density ρ and strength σ changing in thickness, for example, according to the graph of FIG. 3. In zone 6 at the back of the element, the density ρ of the foam structure increases to 1.5 kg / dm ³ with increasing strength σ to 3 MPa. In zone 5, the diameter of the cells is 0.3-1.5 mm (Fig. 2).

П р и м е р. Изготавливается отражающий элемент шириной 100 см, длиной хорды 302 см, осесимметричная половина апертуры А-600 см параболического модуля с фокусом F 200 см, с допустимыми геометрическими отклонениями ± 3'. PRI me R. A reflecting element is manufactured with a width of 100 cm, a chord length of 302 cm, an axisymmetric half of the aperture A-600 cm of a parabolic module with a focus of F 200 cm, with permissible geometric deviations of ± 3 '.

На тонкий лист 1 из боросиликатного стекла плотностью 2,55-2,70 кг/дм³, размером 100х302 см, толщиной 1 мм, с коэффициентом пропускания не менее 0,94, с оптической чистотой поверхностей вакуумным или химическим методом осаждают непрозрачный подслой 2 химически чистого серебра толщиной 0,02-0,03 микрона с расходом 0,3-0,5 мг/см². Затем вакуумным или химическим способом осаждают подслой 3 химически чистой меди или алюминия толщиной от 1-5 микронов. Далее создают пространственное выпуклое параболоцил- индрическое поле размером до 240 см с допусками с помощью регулируемого выдвижения трех рядов вертикально закрепленных опор по четыре в ряду с шагом между ними 30 см, после чего точно выставляют их по параболическому лекалу с допуском 0,05 мм от расчетной параболы. На выпуклое поле опор биметаллическими подслоями 2, 3 наружу укладывают лист 1, который под собственным весом изгибается по выпуклой параболоцилиндрической поверхности, при этом по ширине лист на 5-4 см свешивается с опор, а по длине на 25-35 см. С боков может быть построена коробчатая опалубка.On a thin sheet 1 of borosilicate glass with a density of 2.55-2.70 kg / dm ³ , size 100x302 cm, thickness 1 mm, with a transmittance of at least 0.94, with an optical cleanliness of the surfaces, an opaque sublayer 2 is chemically deposited by vacuum or chemical method pure silver with a thickness of 0.02-0.03 microns with a flow rate of 0.3-0.5 mg / cm ² . Then, a sublayer 3 of chemically pure copper or aluminum with a thickness of 1-5 microns is deposited by a vacuum or chemical method. Next, create a spatial convex parabolocylindric field up to 240 cm in size with tolerances using the adjustable extension of three rows of vertically fixed supports four in a row with a spacing of 30 cm between them, after which they are accurately set in a parabolic pattern with a tolerance of 0.05 mm from the calculated parabolas. On the convex field of the supports with bimetallic sublayers 2, 3, sheet 1 is laid out, which under its own weight bends along a convex para-cylindrical surface, while the sheet is 5-4 cm wide from the supports and 25-35 cm long from the sides. box formwork to be built.

На лист 1 напыляют слой 4 невспененного полиуретанового композита толщиной 1-2 мм, плотностью ρ1,0-0,8 кг/дм³, наносят 3 слоя полиуретана со стекловолокном, армированным с плотностью 1,5-1,8 кг/дм³. Затем наносят (напыляют или наливают) промежуточный ячеистый слой пенополиуретана с плотностью ρ= 0,5-0,08 кг/дм³ при диаметре ячеек 0,3-1,5 мм, толщиной 20-70 мм. Наносят наружную анизотропную зону 6 отражающего элемента с плотностью 1-1,2 кг/дм³ возможно со стекловолоконным армированием. Вместо поля опор возможно применение выпуклой параболоцилиндрической матрицы.A layer 4 of an unfoamed polyurethane composite with a thickness of 1-2 mm and a density of ρ1.0-0.8 kg / dm ³ is sprayed onto sheet 1, 3 layers of polyurethane with glass fiber reinforced with a density of 1.5-1.8 kg / dm ³ are applied. Then, an intermediate cellular layer of polyurethane foam is applied (sprayed or poured) with a density ρ = 0.5-0.08 kg / dm ³ with a cell diameter of 0.3-1.5 mm and a thickness of 20-70 mm. The outer anisotropic zone 6 of the reflective element is applied with a density of 1-1.2 kg / dm ^3, possibly with fiberglass reinforcement. Instead of a field of supports, it is possible to use a convex parabolic cylinder matrix.

Действие отражающего элемента, например, при фокусе F 200 см и апертуре А 600 см сводится к следующему. При установке параболоцилиндрического элемента перпендикулярно солнечному лучу Е последний концентрируется в фокальную полосу F шириной 1,86 см при теоретическом коэффициенте поглощения А_т 0,05-0,07. Стекло 1 с плотностью ρ 2,6 кг/см³ и прочностью σ4 МПа защищает отражающий подслой 2 серебра толщиной 0,02-0,03 мкм от наружных повреждений, а подслой 3 (меди или алюминия) позволяет, не снижая с 0,95 коэффициента отражения серебра, обеспечить минимальный его расход при изготовлении порядка 0,3 г/м², а также обеспечивает его защиту от окисления и механическое соединение с зоной 4 плотностью ρ 1,8 кг/дм³ и прочностью σ около 3 МПа.The action of the reflecting element, for example, with a focus of F 200 cm and an aperture of A 600 cm is reduced to the following. When installing a parabolic-cylindrical element perpendicular to the sun's beam E, the latter is concentrated in the focal band F with a width of 1.86 cm with a theoretical absorption coefficient A _t 0.05-0.07. Glass 1 with a density of ρ 2.6 kg / cm ³ and strength σ4 MPa protects the reflecting sublayer 2 of silver 0.02-0.03 μm thick from external damage, and sublayer 3 (copper or aluminum) allows, without reducing it from 0.95 the reflection coefficient of silver, to ensure its minimum consumption in the manufacture of about 0.3 g / m ² , and also provides its protection against oxidation and mechanical connection with zone 4 with a density of ρ 1.8 kg / dm ³ and strength σ of about 3 MPa.

Предлагаемый отражающий элемент обеспечивает постоянство фокуса, значительное более высокое в сравнении с зеркальными малированными стеклами. The proposed reflective element provides a constant focus, significantly higher in comparison with mirrored stained glass.

При ударных нагрузках, например ударе градины весом до 0,3 кг со скоростью порядка 60-70 м/с последняя разрушается на мелкие куски на поверхности 1, не оставляя следов и не повреждая отражающие биметаллические подслои 2 и 3. При этих условиях известные стеклянные элементы разбиваются на куски. Under shock loads, for example, impact gradients weighing up to 0.3 kg at a speed of the order of 60-70 m / s break down into small pieces on surface 1 without leaving any marks and without damaging the reflecting bimetallic sublayers 2 and 3. Under these conditions, known glass elements broken into pieces.

Предлагаемый отражающий элемент может быть выполнен и в вариантах выпуклых параболоцилиндрических, а также параболодальновращательных поверхностей. The proposed reflective element can be made in the form of convex parabolic cylindrical as well as parabolodal-rotary surfaces.

Предлагаемый элемент обладает еще целым рядом преимуществ. В частности, повышается коэффициент отражения до 0,9, улучшается коэффициент концентрации, снижаются потери в толще стен, повышается ударная механическая прочность, снижается расход серебра, причем в способе его изготовления исключен процесс малирования, снижения трудоемкости и повышения производительности труда при массовом производстве элементов. The proposed element has a number of advantages. In particular, the reflection coefficient increases to 0.9, the concentration coefficient improves, losses in the thickness of the walls decrease, the impact mechanical strength increases, the silver consumption decreases, and the process of its manufacture excludes the process of malting, reducing labor intensity and increasing labor productivity during mass production of elements.

Claims

1. A reflective element in the form of a part of a parabolic surface, containing a rigidly curved reflective surface and an adjacent layer of a monolithic-anisotropic foam structure, consisting of sublayers with a given change in thickness and strength, characterized in that the reflective surface is made in the form of a transparent bent along the parabola sheet, on the back side of which there is a monolithic-adhesive-bonded bimetallic layer consisting of a silver sublayer and a copper or aluminum sublayer, and the foam structure layer is made fiber reinforced.

2. The element according to p. 1, characterized in that the transparent sheet is made of glass and has a thickness equal to 1/50 1/2000 of the focus length of the parabola.

3. The element according to claim 1, characterized in that the silver sublayer has a thickness of 0.03 0.05 microns.

4. The element according to claim 1, characterized in that the sublayer of copper or aluminum has a thickness of 1 5 μm.

5. A method of manufacturing a reflective element by bending the reflective surface in a parabola and applying sublayers of a foam structure on it, characterized in that, first, a chemically pure silver sublayer and a copper or aluminum sublayer are successively applied to a thin transparent sheet of the reflecting surface, and after bending the reflecting surface onto it with the sides of the bimetallic layer sequentially apply the first dense sublayer of the non-foamed polyurethane composite, the foamed cellular second sublayer and the anisotropic third outer under Loy.

6. The method according to claim 5, characterized in that the deposition of the silver sublayer is carried out by chemical deposition.

7. The method according to p. 5, characterized in that the deposition of a sublayer of copper or aluminum is produced by vacuum.

8. The method according to p. 5, characterized in that the deposition of a sublayer of copper or aluminum is produced by chemical deposition.

9. The method according to claim 5, characterized in that the first sublayer of the polyurethane composite is 1 to 2 mm thick with a density of 1.0 to 0.8 kg / dm ³ .

10. The method according to claim 9, characterized in that the first sublayer is reinforced with fiberglass in the thickness of the liquid reaction components in the process of curing or after it.

11. The method according to claim 5, characterized in that the first sublayer is made of several layers reinforced with fiberglass and having a density of 1.5 to 1.8 kg / dm ³ , gradually decreasing in the direction from the reflective surface.

12. The method according to claim 5, characterized in that the second cellular sublayer is formed by spraying and pouring the liquid reaction components of the polyurethane during curing and is performed with a thickness of 20 70 mm, a density of 0.05 0.08 kg / dm ³ with a cell diameter of 0.3 1.5 mm.

13. The method according to p. 5, characterized in that the outer sublayer is performed with a density of 1.2 kg / dm ³ .

14. The method according to claim 5, characterized in that the outer sublayer is reinforced with fiberglass and perform a thickness of 1 8 mm, a density of 0.8 3 kg / dm ³ .