基于夹层式太阳能反射镜精确成型技术的研究-穆元春.pdf

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1、第37卷第11期2016年11月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAV0137No1lNov。2016文章编号：02540096(2016)11286206基于夹层式太阳能反射镜精确成型技术的研究穆元春12，杜大艳1，徐志伟1，左 岩1，付 静1(1中国建筑材料科学研究总院，北京100024；2绿色建筑材料国家重点实验室，北京100024)摘要：利用特殊设计的新型热弯模具制备聚光系统专用夹层式反射镜组件的高精度玻璃背板，再与11 mill高强度化学钢化银镜玻璃层合，制备得到高精度聚光系统专用夹层式太阳能反射镜。研究结果表明，利用镂空式快速热弯模具可缩短玻璃背板精确

2、成型的时间；通过对热弯工艺的优化，可提高玻璃背板的成型精度，满足太阳能集热系统对聚焦光斑的要求，提高夹层式反射镜的集热性能；采用11 mm高强度化学钢化超薄银镜玻璃，在保证反射率为(932+03)的基础上，表面压应力值达到(58320)MPa，应力层深度超过27 um，可使反射镜组件经受冰雹、风沙等恶劣环境的影响。关键词：夹层式太阳能反射镜；镂空式模具；热弯工艺；精确成型；聚焦偏移度检测仪中图分类号：TK5134 文献标识码：A0 引 言太阳能光热发电(concentrating solar power，CSP)以聚焦技术为主，其根据光线采集方式不同，可细分为塔式CSP系统、槽式CSP系统、菲

3、涅尔式CSP系统和碟式CSP系统。反射镜作为太阳能发电系统的核心部件，将直接决定整个系统的集热效率n“。目前在国际市场上，CSP专用反射镜多以弯钢化镀镜为主，但该类产品的制备技术和相应装备被德国Schott公司、德国Flagbeg公司、以色列Solel公司等少数几家公司垄断，引进费用高昂，而国内各大公司均刚刚进人该领域，没有自主的知识产权，在技术推广和产品应用上受到了很大的制约，难以在短时期内满足国内热发电市场对CSP反射镜的大量需求b。3。因此，自主研发高效率的太阳能CSP反射镜对我国太阳能光热发电产业的发展至关重要阳。0I。高强度、高反射率的反射镜组件是CSP系统的关键技术之一，直接影响着

4、CSP系统的集热效率和使用寿命等重要指标。夹层式太阳能反射镜与单层弯钢化太阳能反射镜相比具有刚度高、抗变形能力好、抗风载荷性能好、镜面破碎后仍能保持聚光能力等诸多优点。11 mm超薄银镜玻璃与普通30 mm银镜玻璃相比可提高组件的反射率n“，先对11 mm超薄玻璃进行化学钢化处理后再镀镜，可进一步提高组件在我国西部地区风沙条件下的使用寿命。基于上述原因，本课题组选择夹层式结构，采用11 mm高强度超薄化学钢化银镜玻璃，同时利用镂空式快速热弯模具制备反射镜的玻璃背板，研究热弯工艺对玻璃背板成型精度的影响规律，在满足太阳能集热系统对聚焦光斑要求的前提下，进一步提高玻璃背板的成型精度、成型速度和夹层

5、式反射镜的集热性能，采用夹层式结构的太阳能反射镜组件在各项性能方面更适合在国内大规模使用。1 实验11原材料4mm原片玻璃(信义玻璃控股有限公司)；11 mm超薄玻璃(洛阳玻璃股份有限公司)；PVB胶片(美国首诺公司)；密封胶(浙江凌志精细化工有限公司)；其他化学试剂均为分析纯。1。2夹层式太阳反射镜的制备采用11 mm高强度超薄化学钢化银镜玻璃和4 mm高精度热弯玻璃背板制备夹层式太阳能反射镜，其制备过程如图1所示。收稿日期：20141127基金项目：北京市科技计划(D12110900190000)通信作者：穆元春(1983一)，男，博士、高级工程师，主要从事玻璃深力1132、乳液聚合方面的

6、研究。mycl9830310163com万方数据1 1期 穆元春等：基于夹层式太阳能反射镜精确成型技术的研究 2863，j。-F忑面磊习，7 l二竺竺竺坐图1 夹层式太阳能反射镜制备过程图Fig1 Schematic illusion of preparation of laminatedsolar reflector13反射镜集热性能的测试利用本课题组与北京奥博泰科技有限公司联合研发的聚焦偏移度检测仪对夹层式反射镜集热性能进行测试，其原理如图2所示：检测设备发射50 Hz的余弦图像，其经过反射镜样品的反射成像，被检测设备的高分辨镜头接收。在检测过程中，余弦图像通过不断进行移相，最后借助镜头可

7、捕捉到一系列的反射图像，再经过相关计算软件的分析，可获得反射镜型线、集热性能等数据，从而判断其是否满足设计要求。图中，LCD为图形发生器，CCD为相机，根据CCD靶面与镜面的对应关系，由靶面某一点B找到镜面对应点B，并确定其(x，Y，z)坐标；由日7探测的时序光强相位确定c点的位置。由B 7坐标可确定经4点出射光线与z轴的夹角09，由LABC可计算出光线的人射角d，则镜面B点处法线方向与z轴的夹角口=一仅。口蘸 火反射镜妙l B x图2反射镜检测原理Fig2 Detection principle of solar reflector2结果与讨论21专用模具的研究夹层式太阳能反射镜组件的实际聚

8、焦效率主要取决于玻璃背板型线的精准度，因此要求制备玻璃背板的热弯模具必须具有非常高的成型精度。通常情况下，为了获得高质量的成型效果，一般采用合金铸块的实心凹模，但因其体积和重量都很大，不但生产成本高，且该模具升温、降温速度慢，能耗大，导致加工成型时间较长，生产效率也较低。更重要的是，普通合金模具在长时间高温条件下容易发生变形，无法保证玻璃热弯的质量，这一点将直接影响反射镜的成型精度，进而降低组件的聚光效果，难以满足集热系统对反射镜焦距、光斑尺寸等设计要求，降低了太阳能热发电系统的效率。为解决上述问题，本课题组设计了一种全新理念的太阳能反射镜专用玻璃背板的快速热弯镂空模具，如图3a所示。与实心模

9、具相比，其质量不到实心模具的20，在降低生产成本的基础上也缩短了模具升温、降温的时间，提高了生产效率。图3b为根据上述设计所研发的快速热弯镂空模具，其采用高性能镍基合金材料BC8为主体材料，可实现在500600的工作环境中长期工作；在高温状态下，由于该材质具有抗氧化的特点，模具表层不会起皮，不影响玻璃背板表面的光学质量。相对于实心模具，为实现反射镜玻璃背板快速成型的要求，将该模具整体设计为镂空结构，以实现模具减重、维持热弯玻璃上下表面温度均匀的技术要求，其孔洞直径大小(50100 inn)、孑L壁厚度(515 mm)、高度(40200 mm)等参数可以根据反射镜的不同规格通过计算量身打造。根据

10、该原理所设计的太阳能反射镜热弯成型镂空模具，具有成型精度高、耐热性能好、能耗低、修复性强、生产效率高等特点，利用这种模具成型玻璃背板时，无需外力作用，仅靠局部加温就可以实现玻璃背板的精度成型。以图3b为例，由于该玻璃背板尺寸较大(投影面积为1600ram1600 mm)、最大弧深处超过150 mm、玻璃厚度为4 mm，为保证玻璃的面型误差小于02 mm，经过一系列计算、热弯实验、模具修改，最终将模具定型为：孑L洞尺寸为70 mmX70 mm、孑L壁厚度10 mm、模具中心高度100 mm。为实现整体高精度的设计要求，避免热弯过程中玻璃边部因受热不均而产生万方数据太 阳 能 学 报 37卷变形，

11、在玻璃背板边缘与模具接触的5 mm范围内设计一个仿形曲面层；同时为保证玻璃背板放置在模具上的位置正确，特在该仿形曲面表面加工出一条定位槽，以确保成型产品的最终形线与抛物线方程相吻合。利用该镂空模具经过热弯得到的玻璃背板如图3b所示，经检测其与模具整体紧密贴合，最大面型误差为012 mm，满足设计要求。I仿形曲面层2铸造体3镂空孔4定位槽a热弯镂空模具示意图b热弯镂空模具实物照片图3热弯镂空模具Fig3 The hollow hot bending mould图4是为利用该模具为国内某客户碟式太阳能发电系统所研制的夹层式反射镜的聚焦光斑及其反射镜样品。由于采用镂空设计，其单块玻璃背板的生产时间从

12、24 h(实心模具)减少到78 h，缩短了玻璃背板精确成型的时间。经过检测该反射镜聚焦光斑直径约为80 mm(图4a所示)，优于客户要求的直径120 mm的技术要求，其集热效果非常理想，该夹层式反射镜得到了客户的认可与使用(图4b所示)。相对于国内其它设计的碟式太阳能a太阳能反射镜聚焦光斑b碟式太阳能反射镜图4太阳能反射镜的聚焦光斑Fig4 The focusing spot of the solar reflector发电系统用反射镜组件(单片反射镜最大弧深约为40 mm)，该反射镜最大弧深超过150 mm，传统的银镜玻璃在层合过程中均发生破裂，无法保证完整性，因此必须用11 mm高强度超薄

13、化学钢化银镜玻璃代替传统的11 mm银镜玻璃，其层合后反射镜组件性能参数如表l所示。表l为所制备的夹层式太阳能反射镜组件的性能参数表。研究结果表明：采用超薄银镜玻璃可提高组件的反射率，达到(932+03)，超过国外3 mm弯钢反射镜的反射率(约88)，从而可提高发电系统的整体集热效率，降低运营成本；同时对超薄玻璃进行化学钢化处理，可提高玻璃的强度，其表面压应力值达到(583+20)MPa，应力层深度超过27m，在夹层式结构的基础上可使反射镜组件经受冰雹、风沙等恶劣环境的影响。表1反射镜组件性能Table 1 The performance of the solar reflector在镂空设计

14、理念的基础上，可根据客户要求设计不同规格的槽式、碟式反射镜热弯成型模具。图5为国内某客户所制备的夹层式槽式CSP太阳能反射镜的模具及其反射镜组件照片经检测其聚焦a模具实物照片万方数据11期 穆元春等：基于夹层式太阳能反射镜精确成型技术的研究 2865b槽式太阳能反射镜图5槽式反射镜镂空模具及反射镜组件照片Fig5 The hollow hot bending mould of trough reflector andthe picture of electrical power generating system光斑尺寸约为58 mm，小于客户70 mm的技术要求。目前，该反射镜已经批量用于该

15、客户的槽式太阳能发电系统。22热弯工艺的研究反射镜镜面的成型精度决定了聚焦光斑的大小，在太阳能热发电系统中直接反应了发电效率的高低，因此玻璃背板的成型精度至关重要。根据槽式反射镜的设计要求，利用多室连续热弯炉制备夹层式反射镜专用玻璃背板，其温度一时间控制如表2所示。表2热弯过程时间一温度控制表Table 2 The control table of hot bending process玻璃热弯并非是简单的升温、保温、降温的过程，温度的高低、升温的速率、保温时间、降温速度等参数均关系到玻璃背板的成型精度。图6a为利用表2中实验1的热弯工艺制备出的夹层式反射镜的聚焦光斑，其光斑实光部分约为约65

16、 mm，虽满足设计要求，但虚光部分偏大(局部超过150 mm)，光线损失比较严重，降低了反射镜的集热效率。这主要是由于连续化生产线中的成型区温度偏低，玻璃背板没有加热到软化点。在成型速度恒定的条件下，由于成型时间短，玻璃背板局部未贴附在模具表面(面型误差在约l mm)；同时冷却区温度偏低，导致玻璃冷却速度过快，使得玻璃回弹，出现两边翘起的现象，这是导致虚光的主要原因。图6b为利用表2中实验2的热弯工艺制备出的反射镜的聚焦光斑图片，虽然其虚光部分较实验1缩小了很多，但玻璃背板表面出现模具的镂空网格图案。由于采用的是11 mm超薄银镜玻璃，玻璃背板表面高低不平的镂空形态也通过高温高压的层合工艺最终

17、印在夹层式反射镜的表面，这将无法保证夹层式反射镜聚光均匀性的技术要求。这主要是由于玻璃背板成型区温度过高，导致玻璃过热软化，空洞位置处的玻璃下垂严重，造成玻璃表面出现凹凸不平的波形形变；同时成型时间过长，也造成玻璃背板过热，也发生变形。因此，本课题组在上述实验的基础上对反射镜背板的热弯工艺进行了相关调整，对不同阶段的热弯温度、成型时间进行了优化，图6c就是利用优化后的热弯工艺(实验3)制备出的反射镜的聚焦光斑图片，其聚焦光斑完全符合设计要求，其聚焦光斑尺寸约为58 mm。图6反射镜的光斑照片万方数据2866 太 阳 能 学 报 37卷23夹层式反射镜聚焦精度的研究利用聚焦偏移度检测仪可对所制备

18、的夹层式反射镜型线精度进行检测，其反射图像经过软件分析，最终得到反射镜x方向的斜率误差、l，方向的斜率误差以及面形误差。通过分析可确定反射镜何处存在热弯过火或热弯未到位的情况，为后续调整高精度玻璃背板的热弯工艺提供准确的数据支持。图7为连续化生产过程中抽查的反射镜的测试结果：由于玻璃在热弯过程中存在加热不均匀的情况，该块反射镜在x方向、y方向均存在较大的斜率误差，局部区域超过6 mrad，导致其面型误差超过05 am。借助聚焦偏移度检测仪的分析，通过对热弯炉中加热管的位置进行适当的升降调整，最终实现槽式反射镜玻璃背板的连续化生产，所制备的夹层式太能反射镜均具有与图6c相似的聚焦光斑。aX方向斜

19、率误差mrady方向斜率误差mratc被测镜面形误差mm图7反射镜测试结果Fig7 The test results of the solar reflector针对槽式太阳能光热发电系统，目前国内外存在不同规格尺寸的集热管，系统采用何种规格的集热管可实现效益最大化是设计方需要考虑的重要因素。借助聚焦偏移度检测仪，利用分析软件对图7进行数据分析可以计算出当系统采用不同管径的集热管时，太阳光通过反射镜能够有效汇聚到集热管上的区域面积，从而得到集热效率。当集热管半径分别为30、50、70 mm时，该反射镜的集热效率分别达到836578、993846、999993。研究表明，当系统采用直径50 mm

20、以上的集热管时，基本上所有的太阳光均能有效通过该夹层式反射镜汇聚到集热管上。3 结论1)利用新型镂空式快速热弯模具制备聚光系统专用夹层式反射镜所需的高精度玻璃背板，缩短了玻璃背板精确成型的时间，提高了玻璃背板的生产效率，通过优化夹层式反射镜玻璃背板的热弯工艺，提高了玻璃背板的成型精度。2)采用11 mm高强度化学钢化超薄银镜玻璃，在保证反射率为(93203)的基础上，表面压应力值达到(58320)MPa，应力层深度超过27txm，可使反射镜组件经受冰雹、风沙等恶劣环境的影响。3)利用聚焦偏移度检测仪对夹层式反射镜进行测试分析，可确定所制备夹层式反射镜x方向的斜率误差、l，方向的斜率误差以及被测

21、镜面形误差、集热效率等参数，为是否调整其热弯工艺提供准确的型线数据支持。参考文献1Tao Tao，Zheng Hongfei，He Kaiyan，et a1A newtrough solar concentrator and its performance analysisJSolar Energy，201 1，85(1)：1982072 肖杰，何雅玲，程泽东，等，槽式太阳能集热器集热性能分析J工程热物理学报，2009，30(5)：729733，2Xiaoie，He Yaling，Cheng Zedong，et a1Performanceanalysis of parabolic trough

22、 solar collectionJJournalof Engineering Thermophysics，2009，30(5)：7297333 Garcia A F，Zarza E，Valenzuela L，et a1Parabolictrough solar collectors and their application lJ jRenewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(7)：169517214Pasumarthi N， Sherif S AExperimental andtheoretiacal performance of a

23、demonstration solarchimney model part II：Experimental and theorticalresults and economic analysisJ InternationalJournal ofEnergy Research，199822(5)：443_461n同簟n642044642044O5O5O5万方数据11期 穆元春等：基于夹层式太阳能反射镜精确成型技术的研究 286756788910Li JunScaling up concentrating solar thermaltechnology in ChinaJRenewable and

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29、SoLAR REFLECToRMu Yuanchunl一，Du Dayanl，Xu Zhiweil，ZuoYanl，Fu Jing(1China Building Materials Academy，Beijing 100024，China；2StateKeyLaboratory ofGreenBuildingMaterials，Beijin9100024，China)Abstract：Study on the glass bending process was described，which meets the focal spot of the solar collector system

30、and further improve the collector performance of the reflectorThe laminated solar reflector withsand the impact of hail，wind and other harsh environments with thel1mm chemical tempered mirror which solar reflectance is(09320003)，surface compressive stress is(58320)MPa and depth of stress layer is 27“mKeywords：laminated solar reflector；hollow mould；hot bending process；precision molding；focus deviation detector1JJJJJJn屹BHMrLrLrlrLrlrL万方数据