ОТРАЖАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F24J2/12 F24J2/14 

Изобретение относится к отражающим элементам, способам их изготовления и может быть использовано в солнечной энергетике, а также в светотехнике, спектрофотометрии, фотоэлектронике и других областях.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Радиус кривизны выбирают исходя из механических свойств материала. Например, стекло при меньших радиусах без малирования может сломаться.

Толщина подслоя серебра предпочтительно составляет 0,03-0,05 мкм. По сравнению с традиционными покрытиями толщина слоя серебра уменьшается в 10-100 раз.

Аналогично уменьшается и слой меди. Толщина составляет 1-5 мкм.

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.

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.

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.

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).

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'.

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.

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.

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.

Предлагаемый отражающий элемент обеспечивает постоянство фокуса, значительное более высокое в сравнении с зеркальными малированными стеклами.

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.

Предлагаемый отражающий элемент может быть выполнен и в вариантах выпуклых параболоцилиндрических, а также параболодальновращательных поверхностей.

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.

Использование: в гелиотехнике, светотехнике. Сущность изобретения: отражающий элемент представляет собой часть параболлической поверхности, содержащий отражающую поверхность, выполненную в виде тонкого изогнутого листа 1 с нанесенными покрытиями из слоев 2, 3 серебра, меди или алюминия соответственно, и прилегающий к ней волоконно-армированный слой 4 пеноструктуры. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Отражающий элемент в виде части параболической поверхности, содержащий жестко изогнутую отражающую поверхность и прилегающий к ней слой монолитно-анизотропной пеноструктуры, состоящий из подслоев с заданным изменением по толщине плотности и прочности, отличающийся тем, что отражающая поверхность выполнена в виде изогнутого по параболе прозрачного листа, на тыльной стороне которого расположен монолитно-адгезионно-связанный биметаллический слой, состоящий из подслоя серебра и подслоя меди или алюминия, а слой пеноструктуры выполнен волоконно-армированным. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что прозрачный лист выполнен из стекла и имеет толщину, равную 1/50 1/2000 длины фокуса параболы. 3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подслой серебра имеет толщину 0,03 0,05 мкм. 4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подслой меди или алюминия имеет толщину 1 5 мкм. 5. Способ изготовления отражающего элемента путем изгиба по параболе отражающей поверхности и нанесения на нее подслоев пеноструктуры, отличающийся тем, 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 анизотропный третий наружный подслой. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нанесение подслоя серебра производят методом химического осаждения. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нанесение подслоя меди или алюминия производят вакуумным путем. 8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нанесение подслоя меди или алюминия производят методом химического осаждения. 9. Способ по п.5, отличающийся тем, что первый подслой полиуретанового композита выполняют толщиной 1 2 мм с плотностью 1,0 0,8 кг/дм³. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что первый подслой армируют стекловолокном в толще жидких реакционных компонентов в процессе его отверждения или после него. 11. Способ по п.5, отличающийся тем, что первый подслой выполняют из нескольких слоев, армированных стекловолокном и имеющих плотность 1,5 1,8 кг/дм³, постепенно уменьшающуюся в направлении от отражающей поверхности. 12. Способ по п.5, отличающийся тем, что второй ячеистый подслой образуют путем напыления и заливки жидких реакционных компонентов полиуретана при отверждении и выполняют толщиной 20 70 мм, плотностью 0,05 0,08 кг/дм³ при диаметре ячеек 0,3 1,5 мм. 13. Способ по п. 5, отличающийся тем, что наружный подслой выполняют плотностью 1 1,2 кг/дм³. 14. Способ по п.5, отличающийся тем, что наружный подслой армируют стекловолокном и выполняют толщиной 1 8 мм, плотностью 0,8 3 кг/дм³.