專(zhuān)利名稱(chēng)：菲涅爾聚光透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及菲涅爾聚光透鏡，具體涉及透鏡的表面齒槽結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
聚光光伏發(fā)電技術(shù)是公認(rèn)的可降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。一個(gè)完整的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括復(fù)眼式聚光太陽(yáng)電池組件、太陽(yáng)跟蹤器、電能存儲(chǔ)或逆變?cè)O(shè)備等幾部分。復(fù)眼式聚光太陽(yáng)電池組件作為光電轉(zhuǎn)換部件，主要由復(fù)眼式透鏡聚光器和安裝有光伏電池晶片的電路板所組成。其中，復(fù)眼式透鏡聚光器包括多塊平面陣列的聚光透鏡，使用時(shí)通過(guò)太陽(yáng)跟蹤器使聚光透鏡基本正對(duì)陽(yáng)光照射方向，然后通過(guò)這些聚光透鏡分別將太陽(yáng)光匯聚并投射到電路板上與各個(gè)聚光透鏡相對(duì)應(yīng)的光伏電池晶片的接收面上，從而使各個(gè)光伏電池晶片中產(chǎn)生電流，這些電流通過(guò)電路板上的線路輸出。公開(kāi)號(hào)為CN101640502A的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)文件所公開(kāi)的聚光太陽(yáng)電池組件極具代表性。該電池組件中采用的點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡已成為業(yè)界公認(rèn)的聚光透鏡的最佳選折。仍有許多公開(kāi)了采用聚光菲涅爾透鏡作聚光透鏡的聚光光伏發(fā)電技術(shù)的參考文獻(xiàn)，在此不再贅述。
如圖5a、圖恥所示，現(xiàn)有的菲涅爾聚光透鏡包括入射面3和出射面1，所述入射面3為平面，所述出射面1上設(shè)有多條凹陷的齒槽2，所述齒槽2包括起聚光作用的第一表面加和與該第一表面相交的第二表面2b。當(dāng)這些齒槽設(shè)計(jì)為同心的環(huán)形槽時(shí)，該聚光透鏡可以將入射光線匯聚在一點(diǎn)上，即成為點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡；當(dāng)這些齒槽設(shè)計(jì)為相互平行的直槽時(shí)，該聚光透鏡可將入射光線匯聚在一條直線上，即成為線聚光菲涅爾透鏡。受加工影響，連接于相鄰兩個(gè)第一表面首尾之間的第二表面的兩端將不可避免的通過(guò)內(nèi)圓角Rl 和外圓角R2與所述相鄰兩個(gè)第一表面連接；即便是高超的清角工藝也只能將內(nèi)圓角和外圓角的半徑控制在0. 1毫米左右。此外，對(duì)于連接于相鄰兩個(gè)第一表面首尾之間的第二表面，如圖如所示，現(xiàn)有的菲涅爾聚光透鏡多是將其設(shè)計(jì)為朝聚光透鏡的焦點(diǎn)方向傾斜的形式，即使得第二表面2b面向聚光透鏡的焦點(diǎn)一側(cè)，這樣設(shè)計(jì)的主要目的是使第二表面產(chǎn)生一定的拔模斜度，以滿(mǎn)足透鏡模具成型時(shí)的脫模要求；此外，也有的菲涅爾聚光透鏡是將第二表面2b設(shè)計(jì)成與入射面垂直，即如圖恥所示的情形。
總之，上述的菲涅爾聚光透鏡一直存在光損失較大的問(wèn)題。對(duì)于圖fe所示的菲涅爾聚光透鏡，從內(nèi)圓角R1、外圓R2角以及第二表面2b這三個(gè)區(qū)域通過(guò)的光線將全部偏離透鏡焦點(diǎn)，即從上述這三個(gè)區(qū)域通過(guò)的光線將全部損失；而對(duì)于圖恥所示的菲涅爾聚光透鏡，從內(nèi)圓角Rl和外圓角R2這兩個(gè)區(qū)域通過(guò)的光線將全部偏離透鏡焦點(diǎn)，即從這兩個(gè)區(qū)域通過(guò)的光線全部損失，而由于其第二表面2b與入射面3垂直，因此可視為第二表面2b上未產(chǎn)生光損失?？梢?jiàn)，雖然圖恥所示的菲涅爾聚光透鏡光損失較圖fe所示的菲涅爾聚光透鏡小，但由于內(nèi)圓角和外圓角的存在，故圖恥所示的菲涅爾聚光透鏡的光損失問(wèn)題依然有待改善。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光損失較小的菲涅爾聚光透鏡。
為此，本發(fā)明的菲涅爾聚光透鏡包括入射面和出射面，所述入射面為平面，所述出射面上設(shè)有多條凹陷的齒槽，所述齒槽包括起聚光作用的第一表面和與該第一表面相交的第二表面，所述第二表面的兩端分別通過(guò)內(nèi)圓角和外圓角與相鄰兩個(gè)第一表面的首尾連接，且所述第二表面朝所述入射面方向傾斜以使通過(guò)該透鏡的光損失小于當(dāng)?shù)诙砻娲怪迸c入射面時(shí)通過(guò)透鏡的光損失。
由于第二表面朝入射面傾斜，即第二表面面向聚光透鏡的入射面一側(cè)，故第二表面與入射面之間的夾角為銳角。當(dāng)?shù)诙砻媾c入射面之間的夾角較大(即第二表面傾斜程度偏小)時(shí)，相鄰的內(nèi)圓角和外圓角之間在透鏡的徑向方向上部分重疊，在重疊區(qū)域光線不通過(guò)外圓角，即外圓角上只有部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生光的損失，故整個(gè)菲涅爾聚光透鏡的光損失相比當(dāng)?shù)诙砻娲怪迸c入射面時(shí)得以減小；當(dāng)?shù)诙砻媾c入射面之間的夾角較繼續(xù)減小時(shí)，最終可使光線完全不通過(guò)外圓角區(qū)域，且此時(shí)光線經(jīng)第一表面偏折后亦不會(huì)通過(guò)第二表面，故對(duì)于整個(gè)菲涅爾聚光透鏡而言，光線僅在內(nèi)圓角區(qū)域產(chǎn)生損失，使得整個(gè)菲涅爾聚光透鏡的光損失得以進(jìn)一步減?。蝗舻诙砻媾c入射面之間的夾角較繼續(xù)減小，達(dá)到使部分光線經(jīng)第一表面偏折后仍能通過(guò)第二表面的程度時(shí)，此時(shí)第二表面傾斜程度偏大，整個(gè)菲涅爾聚光透鏡的光損失將隨之增大，但依然可以在一定程度內(nèi)小于當(dāng)?shù)诙砻娲怪迸c入射面時(shí)而通過(guò)透鏡的光損失。由此可見(jiàn)，本發(fā)明應(yīng)優(yōu)先選擇使第二表面的傾斜程度以使光既不通過(guò)與該第二表面連接的外圓角也不通過(guò)該第二表面為宜；其次，若在不得不適當(dāng)減小第二表面的傾斜度(如透鏡材料所限等)的情況下，也可選擇讓第二表面的傾斜程度能夠使光僅通過(guò)與該第二表面連接的外圓角的部分區(qū)域。
內(nèi)圓角和外圓角的半徑當(dāng)然越小越好，本發(fā)明優(yōu)選內(nèi)圓角和外圓角的半徑在0. 1 毫米以下。此外，本發(fā)明優(yōu)選的第二表面的傾斜程度為第二表面的兩端點(diǎn)在所述入射面上的投影距離為0. 3至0. 6毫米之間。
由于第二表面朝入射面傾斜的設(shè)計(jì)使得第二表面的拔模斜度為負(fù)，從而對(duì)產(chǎn)品脫模造成一定程度的阻礙，因此在產(chǎn)品脫模時(shí)有可能造成菲涅爾聚光透鏡表面損傷。對(duì)此， 本發(fā)明的菲涅爾聚光透鏡最好是由經(jīng)模具成型時(shí)不產(chǎn)生拔模損傷的柔性材料制成，比如硅膠。
綜上所述，本發(fā)明的菲涅爾聚光透鏡采用了與現(xiàn)有菲涅爾聚光透鏡的表面齒槽不同的結(jié)構(gòu)，從而減小了光的損失，提高了光能的利用效率，如將其運(yùn)用至聚光光伏發(fā)電領(lǐng)域時(shí)可提高發(fā)電效率。
此外，本發(fā)明還要解決的另一技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于成型菲涅爾聚光透鏡的模具，以便制造出上述的這種光損失較小的菲涅爾聚光透鏡。
為此，該模具包括動(dòng)模和定模，所述動(dòng)模或定模上加工有成型菲涅爾聚光透鏡出射面上的多條凹陷齒槽的齒紋，所述齒紋包括用于成型所述齒槽的第二表面的第二成型面，所述第二成型面沿齒紋的齒底至齒尖方向朝動(dòng)模的外側(cè)傾斜以使成型后的透鏡的第二表面朝透鏡的入射面方向傾斜，進(jìn)而使通過(guò)該透鏡的光損失小于當(dāng)?shù)诙砻娲怪迸c入射面時(shí)而通過(guò)透鏡的光損失。
作為優(yōu)選，所述第二成型面的傾斜程度以使光既不通過(guò)成型后的透鏡上與所述第二表面連接的外圓角也不通過(guò)該第二表面?；蛘撸龅诙尚兔娴膬A斜程度以使光僅通過(guò)成型后的透鏡上與所述第二表面連接的外圓角的部分區(qū)域。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。本申請(qǐng)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本申請(qǐng)的實(shí)踐了解到。


圖1為本發(fā)明菲涅爾聚光透鏡的立體示意圖。
圖2為圖1中的A向示圖。
圖3為圖2中的局部放大圖。
圖如為本發(fā)明透鏡中第二表面的傾斜程度偏小時(shí)的示意圖。
圖4b為本發(fā)明透鏡中第二表面的傾斜程度適中時(shí)的示意圖。
圖4c為本發(fā)明透鏡中第二表面的傾斜程度偏大時(shí)的示意圖。
圖5為本發(fā)明透鏡與現(xiàn)有透鏡的光損失區(qū)域比較示意圖。
圖fe為現(xiàn)有透鏡(第二表面面向焦點(diǎn)一側(cè)傾斜)的光損失區(qū)域示意圖
圖5b為現(xiàn)有透鏡(第二表面與入射面垂直)的光損失區(qū)域示意圖。
圖5c為本發(fā)明透鏡的光損失區(qū)域示意圖。
圖6為成型本發(fā)明透鏡的模具示意圖。
圖7為圖6中動(dòng)模的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的菲涅爾聚光透鏡，包括入射面3和出射面1，所述入射面3為平面，所述出射面1上設(shè)有多條凹陷的齒槽2，所述齒槽2包括起聚光作用的第一表面加和與該第一表面加相交的第二表面2b ；從圖2至圖3中可以清楚看出，所述第二表面2b的兩端分別通過(guò)內(nèi)圓角Rl和外圓角R2與相鄰兩個(gè)第一表面加的首尾連接，且所述第二表面2b朝所述入射面3方向傾斜；而通過(guò)圖如至圖如可以看出，當(dāng)?shù)诙砻?b的傾斜程度處于圖如所示的偏小情形時(shí)，垂直于入射面3射入的光線Al從與該第二表面2b連接的內(nèi)圓角Rl的左端點(diǎn)外發(fā)生折射后指向透鏡的焦點(diǎn)，另一垂直于入射面3射入的光線A2從與該第二表面 2b連接的外圓角R2的右端點(diǎn)外發(fā)生折射后指向透鏡的焦點(diǎn)，而位于光線Al和光線A2之間的關(guān)光束則在通過(guò)內(nèi)圓角Rl和外圓角R2時(shí)損失，不再匯聚于焦點(diǎn)，但值得注意時(shí)的是，由于相鄰的內(nèi)圓角Rl和外圓角R2之間在透鏡的徑向方向上部分重疊，在重疊區(qū)域(即內(nèi)圓角Rl的右端點(diǎn)與外圓角R2的左端點(diǎn)之間的區(qū)域)光線不通過(guò)外圓角R2，即外圓角R2上只有部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生光的損失，故整個(gè)菲涅爾聚光透鏡的光損失相比當(dāng)?shù)诙砻?b垂直與入射面時(shí)得以減小；當(dāng)?shù)诙砻?b的傾斜程度處于如圖4b所示的情形時(shí)，垂直于入射面3 射入的光線Al從與該第二表面2b連接的內(nèi)圓角Rl的左端點(diǎn)外發(fā)生折射后指向透鏡的焦點(diǎn)，另一垂直于入射面3射入的光線A2從該內(nèi)圓角Rl的右端點(diǎn)外經(jīng)過(guò)并到達(dá)上部的第一表面加后發(fā)生折射而指向透鏡的焦點(diǎn)，由于光線完全不通過(guò)外圓角R2區(qū)域，且此時(shí)光線經(jīng)第一表面2b偏折后亦不會(huì)通過(guò)第二表面2b，故對(duì)于整個(gè)菲涅爾聚光透鏡而言，光線僅在內(nèi)圓角Rl區(qū)域產(chǎn)生損失，使得整個(gè)菲涅爾聚光透鏡的光損失得以進(jìn)一步減??；而當(dāng)?shù)诙砻?2b的傾斜程度處于如圖如所示的情形時(shí)，這時(shí)，垂直于入射面3射入的光線Al從與該第二表面2b連接的內(nèi)圓角Rl的左端點(diǎn)外發(fā)生折射后即將與該第二表面2b接觸，一旦當(dāng)?shù)诙砻?b的傾斜程度繼續(xù)增大，光線Al將通過(guò)第二表面2b，由此將在第二表面2b上產(chǎn)生光的損失，但即便如此，在一定程度內(nèi)繼續(xù)增大第二表面2b的傾斜程度仍舊能使通過(guò)透鏡的光損失相比當(dāng)?shù)诙砻?b垂直與入射面時(shí)更小。
由此可以看出，最優(yōu)的選擇是使第二表面2b的傾斜程度以使光既不通過(guò)與該第二表面2b連接的外圓角R2也不通過(guò)該第二表面2b為宜。在此基礎(chǔ)上，最好使內(nèi)圓角Rl 和外圓角R2的半徑在0. 1毫米以下，這樣，當(dāng)?shù)诙砻?b的兩端點(diǎn)在所述入射面3上的投影距離D為0. 3至0. 6毫米之間可使光既不通過(guò)與該第二表面2b連接的外圓角R2也不通過(guò)該第二表面2b。
圖5為本發(fā)明透鏡與現(xiàn)有透鏡的光損失區(qū)域比較示意圖。其中，圖fe為現(xiàn)有透鏡 (第二表面2b面向焦點(diǎn)一側(cè)傾斜)的光損失區(qū)域示意圖；圖恥為現(xiàn)有透鏡(第二表面2b 與入射面3垂直)的光損失區(qū)域示意圖；圖5c為本發(fā)明透鏡(第二表面2b的傾斜程度以使光既不通過(guò)與該第二表面2b連接的外圓角R2也不通過(guò)該第二表面2b)的光損失區(qū)域示意圖。在圖fe至圖5c中，虛線之間的區(qū)域表示透鏡的光損失區(qū)域4。從三圖的比較可以看出，圖5c中的光損失區(qū)域4明顯小于圖fe和圖恥的光損失區(qū)域4。
本發(fā)明的菲涅爾聚光透鏡可以通過(guò)硅膠注射成型，由此需要設(shè)計(jì)成型模具。如圖6 至圖7所示，用于成型菲涅爾聚光透鏡的模具包括動(dòng)模5和定模6，所述動(dòng)模5或定模6上加工有成型菲涅爾聚光透鏡出射面1上的多條凹陷齒槽2的齒紋8，所述齒紋8包括用于成型所述齒槽2的第二表面2b的第二成型面8b，所述第二成型面8b沿齒紋8的齒底至齒尖方向朝動(dòng)模5的外側(cè)傾斜以使成型后的透鏡的第二表面2b朝透鏡的入射面3方向傾斜，進(jìn)而使通過(guò)該透鏡的光損失小于當(dāng)?shù)诙砻?b垂直與入射面3時(shí)而通過(guò)透鏡的光損失。
在圖6所示的動(dòng)、定模合模狀態(tài)下，動(dòng)模5和定模6之間會(huì)形成注射型腔7，在不考慮材料收縮等變形情況下，該注射型腔7的形狀和大小理論上與成型后的菲涅爾聚光透鏡的形狀、大小一致。
如圖7所示，所述動(dòng)模5上齒紋8的第一成型面8a用于成型透鏡的第一表面2a， 因此要求其具有較高的加工精度；而由于透鏡的第二表面2b并不起聚光作用，只要保證第二表面2b的傾斜角度在要求的范圍內(nèi)即可，故模具第二成型面8b的加工精度可適當(dāng)降低， 但必須盡可能保證第一成型面8a與第二成型面8b之間的角為尖角。
如上文所說(shuō)，由于本發(fā)明優(yōu)先選擇使第二表面2b的傾斜程度以使光既不通過(guò)與該第二表面2b連接的外圓角R2也不通過(guò)該第二表面2b為宜，若在不得不適當(dāng)減小第二表面2b的傾斜度(如透鏡材料所限等)的情況下，也可選擇讓第二表面2b的傾斜程度能夠使光僅通過(guò)與該第二表面2b連接的外圓角R2的部分區(qū)域，因此，在設(shè)計(jì)模具的第二成型面 8b時(shí)也應(yīng)以上該條件為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.菲涅爾聚光透鏡，包括入射面C3)和出射面(1)，所述入射面(3)為平面，所述出射面(1)上設(shè)有多條凹陷的齒槽O)，所述齒槽( 包括起聚光作用的第一表面Oa)和與該第一表面Oa)相交的第二表面(2b)，所述第二表面Qb)的兩端分別通過(guò)內(nèi)圓角(Rl)和外圓角(似)與相鄰兩個(gè)第一表面Oa)的首尾連接，其特征在于所述第二表面Ob)朝所述入射面C3)方向傾斜以使通過(guò)該透鏡的光損失小于當(dāng)?shù)诙砻鍻b)垂直與入射面(3)時(shí)通過(guò)透鏡的光損失。
2.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于所述第二表面Ob)的傾斜程度以使光既不通過(guò)與該第二表面Ob)連接的外圓角(似)也不通過(guò)該第二表面Ob)。
3.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于所述第二表面Ob)的傾斜程度以使光僅通過(guò)與該第二表面Ob)連接的外圓角(似)的部分區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于所述內(nèi)圓角(Rl)和外圓角(R2)的半徑在0. 1毫米以下。
5.如權(quán)利要求4所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于所述第二表面Qb)的兩端點(diǎn)在所述入射面⑶上的投影距離⑶為0. 3至0. 6毫米之間。
6.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于該菲涅爾聚光透鏡是由經(jīng)模具成型時(shí)不產(chǎn)生拔模損傷的柔性材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述的菲涅爾聚光透鏡，其特征在于該菲涅爾聚光透鏡由硅膠制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光損失較小的菲涅爾聚光透鏡。該菲涅爾聚光透鏡包括入射面和出射面，所述入射面為光面，所述出射面上設(shè)有多條凹陷的齒槽，所述齒槽包括起聚光作用的第一表面和與該第一表面相交的第二表面，所述第二表面的兩端分別通過(guò)內(nèi)圓角和外圓角與相鄰兩個(gè)第一表面的首尾連接，且所述第二表面朝所述入射面方向傾斜以使通過(guò)該透鏡的光損失小于當(dāng)?shù)诙砻娲怪迸c入射面時(shí)而通過(guò)透鏡的光損失。上述透鏡采用了與現(xiàn)有菲涅爾聚光透鏡的表面齒槽不同的結(jié)構(gòu)，從而減小了光的損失，提高了光能的利用效率，若將其運(yùn)用至聚光光伏發(fā)電領(lǐng)域時(shí)可提高發(fā)電效率。
文檔編號(hào)H01L31/052GK102540286SQ20121002915
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者黃忠 申請(qǐng)人:四川鐘順太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司