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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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，
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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：
[0013] (1)首先将上述模具框架送入炉中；
[0014] (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；
[0015] (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；
[0016] (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；
[0017] (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；
[0018] (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。
[0019] 其中，步骤（5)中，所述的热弯温度控制步骤为：
[0020] (1)温度初上升阶段：在300°C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彡5°C /min ;
[0021] ⑵温度速上升阶段：在300°C到500°C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°C /min和15°C /min之间；
[0022] (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°C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；
[0023] (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°C /min，待炉退火到200°C以下后打开炉盖进行空气冷却。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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：
[0029] 其中，71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；1为玻璃板长度；E为弹性模量。
[0030] 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：
[0033] 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 = 1。
[0034]
[0035] 公式⑵在b < x < 1-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。
[0036] 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yJP y 2叠加曲线可表示为：
[0037] y = C1Y^C2Y2, C^C2= 1 ； (3)
[0038] 其中C1, C2为小于1的正数。
[0039] 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°C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。
[0040] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0041] (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；
[0042] (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；
[0043] (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；
[0044] (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；
[0045] (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；
[0046] (6)本发明选择520~560°C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】
[0047] 图1为本发明的模具框架的结构示意图；
[0048] 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；
[0049] 图3为在玻璃板两侧对称加载集中力加载单元的示意图；
[0050] 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】
[0051] 下面通过具体的实施例详细说明本发明。
[0052] 实施例1用于制备聚光镜的热弯成型装置。
[0053] 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°C