一種對稱集中力與均布荷載耦合熱彎成型裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能領(lǐng)域，涉及一種太陽能聚光鏡的熱彎成型裝置，具體地，涉及一 種對稱集中力與均布荷載耦合熱彎成型裝置及其在制備聚光鏡中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能作為一種可再生的清潔能源，在能源短缺、氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化等嚴(yán)峻 形勢下受到了越來越多的關(guān)注。經(jīng)過20年左右的市場培育，我國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模已 達(dá)千億人民幣的水平，并開始進(jìn)入以中高溫?zé)崂脼樾路较虻男袠I(yè)發(fā)展窗口。
[0003] 在傳統(tǒng)的拋物面鏡成型技術(shù)方案中，加熱玻璃至其軟化點以上的溫度使其坍塌貼 合模具成型的方法雖然可以保證面型的精確度，但是由于玻璃表面在過高的溫度下與模具 接觸導(dǎo)致接觸損傷，降低了其對高能波段太陽輻射的鏡面反射能力。而以網(wǎng)格狀、肋狀和柔 性滾輪等多點支撐模具由于懸空部位的存在，容易導(dǎo)致面型的畸變。傳統(tǒng)玻璃聚光鏡高昂 的造價也是制約太陽能熱利用的一個重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種可以大大降低成本，又 通過簡單、便宜的生產(chǎn)工藝獲得聚光特性優(yōu)良的太陽能聚光鏡的對稱集中力與均布荷載耦 合熱彎成型裝置及其在制備聚光鏡中的應(yīng)用。
[0005] 本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題在于提供利用上述裝置制備聚光鏡的方法。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于制備聚光鏡的熱彎成型裝置，其 特征在于，包括模具框架和集中力加載單元，其中，
[0007] 所述的模具框架為空心結(jié)構(gòu)，包括底座、設(shè)置于底座兩側(cè)兩端并與所述底座垂直 的支撐架和設(shè)置于所述支撐架中間的限位梁，兩側(cè)的支撐架通過支撐橫梁連接，所述限位 梁架設(shè)于所述支撐橫梁的上方并與所述支撐橫梁固定連接；所述模具框架用于支撐待加工 的玻璃板；
[0008] 所述的集中力加載單元包括上固定裝置和下固定裝置，所述上固定裝置包括依次 設(shè)置的上固定槽鋼和第一高溫耐玻璃棉，所述下固定裝置包括依次設(shè)置的第二耐高溫玻璃 棉和下固定槽鋼，所述下固定槽鋼的中部設(shè)置有鉤環(huán)，所述上固定裝置和下固定裝置通過 固定螺栓固定連接；上固定裝置和下固定裝置均采用槽鋼進(jìn)行固定，槽鋼具有更強的強度， 受力變形更小。
[0009] 所述的集中力加載單元對稱設(shè)置于待加工的玻璃板的兩側(cè)，通過集中力加載單元 使待加工的玻璃板固定于第一耐高溫玻璃棉和第二耐高溫玻璃棉形成的夾層中間，集中力 負(fù)荷的大小通過所述鉤環(huán)施加重量進(jìn)行調(diào)節(jié)。耐高溫玻璃棉即可有效的防止上固定裝置和 下固定裝置與玻璃板之間的滑動，又能保障集中力施加的均勻性。同時，耐高溫玻璃棉的保 溫性質(zhì)可以防止鋼板和玻璃直接接觸引起的溫度不均。所述集中力加載裝置根據(jù)設(shè)計加載 位置進(jìn)行滑動固定安裝。
[0010] 所述模具框架由方鋼或角鋼焊接而成，所述支撐架頂端的支撐面與待加工玻璃板 成30-60 °夾角，所述支撐架頂端的支撐面上鋪蓋一層耐高溫玻璃纖維。模具框架的尺寸根 據(jù)玻璃尺寸而定。模具框架的支撐橫梁由中間限位梁的高度根據(jù)所需要的曲面拱高尺寸決 定。
[0011] 所述的限位梁上覆蓋一層耐高溫玻璃棉來緩沖玻璃板與限位梁的接觸。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步提出了上述利用上述裝置制備聚光鏡的方法，包括如下步驟：
[0013] (1)首先將上述模具框架送入爐中；
[0014] (2)在模具框架的支撐架頂端的支撐面上鋪蓋一層耐高溫玻璃纖維，將待加工的 玻璃板平放在空心模具上，用找平器對玻璃平面找平；
[0015] (3)將集中力加載單元的上固定裝置放置到玻璃板上對應(yīng)的安裝位置，然后將下 固定裝置在玻璃板對應(yīng)的另一側(cè)，最后安裝固定螺栓，使待加工的玻璃板固定于第一耐高 溫玻璃棉和第二耐高溫玻璃棉形成的夾層中間，其中，所述的對應(yīng)的安裝位置為待加工玻 璃板的對稱的兩側(cè)；
[0016] (4)在鉤環(huán)上添加砝碼，用手使砝碼保持靜止后松開來防止砝碼晃動引起的受力 不均；
[0017] (5)通過模具框架的限位梁進(jìn)行控位，控制爐溫使其穩(wěn)定在熱彎溫度附近，并隨爐 退火完成熱彎成型工藝；
[0018] (6)旋開固定螺栓，卸下集中力加載單元，從模具框架上取下玻璃板，豎直放置以 進(jìn)一步消除內(nèi)部應(yīng)力。
[0019] 其中，步驟（5)中，所述的熱彎溫度控制步驟為：
[0020] (1)溫度初上升階段：在300°C之間，控制電阻絲的開關(guān)是間斷性斷開和閉合的， 此時的溫度上升速度是彡5°C /min ;
[0021] ⑵溫度速上升階段：在300°C到500°C之間，增加開關(guān)的打開數(shù)量，合理的控制閉 合與斷開的比例，此時溫度的上升速度是在5°C /min和15°C /min之間；
[0022] (3)熱彎成型階段：控制爐內(nèi)溫度，根據(jù)玻璃幾何尺寸和熱彎需求使熱彎速度維 持在520~560°C左右熱彎成型。本發(fā)明設(shè)計熱彎溫度區(qū)間，玻璃板在這樣的溫度下既具有 較強的彈性自我約束能力，又具有緩慢的玻璃的流動性使其發(fā)生蠕變變形；
[0023] (4)退火階段：此工藝中，在熱彎成型后進(jìn)行退火，退火冷卻速度應(yīng)小于等于 15°C /min，待爐退火到200°C以下后打開爐蓋進(jìn)行空氣冷卻。
[0024] 本發(fā)明在保持非接觸空心模具熱彎的基礎(chǔ)上，通過一種對稱集中力與均布荷載耦 合熱成型的聚光鏡制造方法，使熱彎后的聚光鏡曲線更加的接近拋物線。
[0025] 前期的非接觸成型制鏡技術(shù)純粹依靠玻璃板在簡支支座上的重力均布荷載下成 型，這種成型方式所對應(yīng)的撓曲面沿跨度方向越靠近端部鏡面聚光越慢，必須通過較大比 例的邊緣截除量來保證最終的焦斑寬度足夠小。為進(jìn)一步增大單鏡尺寸以及在同等鏡面尺 寸下得到更小的焦斑，本發(fā)明通過在熱彎過程中施加對稱集中力來優(yōu)化整個聚光鏡的面型 曲線輪廓。
[0026] 下面分別對均布載荷下的理論面型和集中力下的理論面型進(jìn)行分析，并通過力的 耦合來使復(fù)合面型更加接近拋物面，從而提高鏡面的聚光效果。
[0027] 如圖5所示，在重力均布載荷作用下玻璃板的理論面型方程可以表示為：
[0029] 其中，71為均布載荷下的撓度；x為跨度方向的位置；I為玻璃板轉(zhuǎn)動慣量；q為均 布荷載；1為玻璃板長度；E為彈性模量。
[0030] 如圖6所示，在對稱集中力的作用下玻璃板的理論面型方程可以表示為：
[0033] 其中，y2為對稱集中力下的撓度；P為集中力；b為集中力加載位置點距離邊緣的 位置；a > b，且 a+b = 1。
[0034]
[0035] 公式⑵在b < x < 1-b范圍內(nèi)，集中力載荷下中間波段的曲線為拋物線，故可通 過對稱集中力和均布荷載耦合熱彎成型的面型曲線將更加的接近理想拋物線。
[0036] 本發(fā)明提供了在集中力和均布載荷耦合作用下熱彎成型的面型理論方程，根據(jù)疊 加原則曲線yJP y 2疊加曲線可表示為：
[0037] y = C1Y^C2Y2, C^C2= 1 ； (3)
[0038] 其中C1, C2為小于1的正數(shù)。
[0039] 在聚光鏡玻璃熱彎過程中，當(dāng)施加較大的集中載荷時，鏡面將產(chǎn)生比較大的內(nèi)部 應(yīng)力。根據(jù)浮法玻璃抗拉強度一般在50Mpa以上的性質(zhì)，考慮到200°C玻璃容易破損，我們 選了應(yīng)力在20Mpa左右以內(nèi)。經(jīng)過理論計算發(fā)現(xiàn)只要集中力和均布載荷貢獻(xiàn)撓度比小于 1 : 1時，玻璃熱彎時可以達(dá)到應(yīng)力要求。
[0040] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0041] (1)本發(fā)明通過對稱集中力與均布荷載耦合熱成型制備聚光鏡，制備的聚光鏡的 面型曲線是在集中載荷和均布荷載耦合作用下形成的復(fù)合曲線，其曲線是一個分段高次曲 線。不同于傳統(tǒng)的槽式拋物面鏡，本發(fā)明熱彎成型聚光鏡是一種非成像聚光鏡；
[0042] (2)本發(fā)明實用的模具框架為空心模具，從模具剖面上看玻璃僅在邊緣處和最大 拱高處與模具接觸，玻璃其它的有效聚光面在熱彎爐內(nèi)全程不與硬物接觸，不會形成接觸 損傷；
[0043] (3)本發(fā)明采用的集中力加載單元上下全采用槽鋼進(jìn)行固定，槽鋼具有強度高，應(yīng) 力變形小的優(yōu)點，同時通過添加砝碼調(diào)節(jié)集中力的大小，具有操作方便的特點；
[0044] (4)在集中力加載單元中設(shè)置耐高溫玻璃棉即可有效的防止固定裝置和玻璃板之 間的滑動，又能保障集中力施加的均勻性。同時，耐高溫玻璃棉的保溫性質(zhì)可以防止鋼板和 玻璃直接接觸引起的溫度不均；
[0045] (5)通過在模具框架中設(shè)置限位梁，可以保證熱彎聚光鏡的拱高，同時，在限位橫 梁上覆蓋一層一定厚度的耐高溫玻璃棉來緩沖玻璃與橫梁的接觸；
[0046] (6)本發(fā)明選擇520~560°C區(qū)間的熱彎溫度，玻璃在這樣的溫度下既具有較強的 彈性自我約束能力，又具有緩慢的玻璃的流動性使其發(fā)生蠕變變形。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發(fā)明的模具框架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖2為采用對稱集中力與均布荷載耦合熱成型的聚光鏡制造方法示意圖，其中，P 代表集中力加載的方位；
[0049] 圖3為在玻璃板兩側(cè)對稱加載集中力加載單元的示意圖；
[0050] 圖4為集中力加載單元的側(cè)視圖； 圖5為均布載荷簡支梁的示意圖； 圖6為對稱集中力簡支梁的示意圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面通過具體的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0052] 實施例1用于制備聚光鏡的熱彎成型裝置。
[0053] 本發(fā)明提供了一種用于制備聚光鏡的熱彎成型裝置，如圖1所示，包括模具框架 和集中力加載單元，其中，模具框架整體為空心結(jié)構(gòu)，包括底座1、支撐架2和限位梁3,其 中，支撐架2設(shè)置于底座兩側(cè)兩端并與底座垂直，兩個支撐架通過支撐橫梁4固定連接，限 位梁3架設(shè)于兩個支撐橫梁4之間，該限位梁3用于控制制備的聚光鏡的拱高。模具框架 由方鋼或角鋼焊接而成，支撐架頂端的支撐面與待加工玻璃板成在30-60°C