CN102230980B - 高光效的聚光太阳能菲涅尔透镜制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高光效的聚光太阳能菲涅尔透镜制作方法，采用如下五项措施：一是波纹面的改进，将每条波纹中的垂直面(15)改为内斜面(9)，内斜面(9)与底面(2)交角的倾斜角度随该交点与中心光轴(7)垂直距离增加而减小，各倾斜角di的度数可由反三角函数计算得出，再将纹底改为窄平底。二是选用平板石英玻璃与硅胶为材料，三是将单层镜体改为玻璃与硅胶双层复合型镜体。经制模、玻璃表面处理，注橡复合成型、修边和检验后制成本改进型菲涅尔透镜。用本方法制得的透镜光效高、对光精度要求低，透光性能与抗老化性能好，制造成本低，使用寿命长。复合型透镜的材料性能的互补性强，模具与镜体加工的难度减少，模具使用寿命提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种透镜的制作方法，具体是对公知的菲涅尔透镜的镜面结构进行改进的高光效聚光太阳能透镜的制作方法。
背景技术
现有菲涅尔透镜就制作材料而言，用石英玻璃和有机玻璃或聚碳(PC)等光学级塑料制作，石英玻璃加工困难，加工成本高，难以制作大尺寸菲涅尔透镜；有机玻璃和PC等光学级塑料制作，透光率偏低，易老化而进一步降低透光率，使用寿命短。就菲涅尔透镜的镜面结构而言，其迎光面为一个平面，背光面是由折射面与垂直面结合的波纹面，有环形波纹和条形波纹之分，折射面有直线型面和抛物线型面，每条波纹内的垂直面与折射面相交，组成了纹顶和纹底，折射面为折光工作面。因加工机床的精度和刀具磨损等因素，纹顶和纹底不可能加工成绝对的尖角，一般会有R0.02-R0.05的圆弧，正因这样的镜面结构特征，才造成菲涅尔透镜存在光效低于85％和对太阳光入射角度要求高的缺陷。现有的菲涅尔透镜纹顶和纹底存在着R0.02-R0.05的圆弧，入射光射至该两个弧形面产生的折射光是分散的，不会产生折向焦点的有效光，光效受到损失；再说，每一波纹中的垂直面，理论上与太阳的入射光线相平行，实际应用上还是存在一定的偏差，就会有部分入射光照到垂直面上，但该入射光产生的折射光和反射光不会聚到焦点上，也成为一种无效光。由此可见，现有的垂直面、纹顶和纹底结构，制约菲涅尔透镜的光效发挥。经检索和市场调查，未见有改进菲涅尔透镜结构的资料报道和产品面市。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一套完整的制作高效的聚光太阳能菲涅尔透镜的方法。
解决该技术问题采用如下技术方案：本高光效的聚光太阳能菲涅尔透镜制作方法采用如下五项措施：
一、波纹面的改进：无论环形波纹或条形波纹，每条波纹内的垂直面改为内斜面，将纹底改为窄平底，每个内斜面与底面相交的倾斜角di的度数为：
其中Li为纹底至中心光轴的垂直距离，F为焦距；
二、材料的改进：选用透光性好的平板石英玻璃和光学级硅胶为制作透镜的材料；
三、镜体结构的改进：改单层透镜体为双层的复合型透镜体，在平板石英玻璃的底面复合硅胶质透镜；
四、制模：按与步骤一和步骤三改进相结合的设计方案制作改进型的菲涅尔透镜模具；
五、注橡复合成型：先将平板石英玻璃底面用有机硅底涂进行处理，然后将处理好的玻璃放入模具中再注入硅胶注橡成型，硫化后取出，修边检验即成。
本发明的有益效果是：采用本方法制成的改进型菲涅尔透镜，因将垂直面改为内斜面、纹底改为窄平底后，避免了纹顶、纹底和垂直面不产生有效折射光造成的光效损失，不仅提高了光效，也改变了菲涅尔透镜对光偏差时光效急剧下降的情况。采用硅胶作原料其柔韧性有利脱模，且大大提高了透明度和抗老化能力，进一步提高了光效并增加了透镜的使用寿命。硅胶与玻璃复合使玻璃的坚挺与硅胶的柔韧互补。纹顶和纹底的加工精度要求下降，降低了加工模具和产品的难度，提高了模具的使用寿命。
附图说明
图1为环纹菲涅尔透镜结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为条纹菲涅尔透镜结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为本发明的改进型菲涅尔透镜结构示意图。
图6为本发明内斜面倾斜规律示意图。
图7为菲涅尔透镜纹顶和纹底光效损失示意图
图8为菲涅尔透镜垂直面光效损失示意图
具体实施方式
本发明下面结合实施例并参照附图予以详述：图1-4显示了未经改进的菲涅尔透镜的基本结构，其底面2为平面，是透镜的迎光面，其背光面是左右对称以中心点为圆心的环纹波纹面(见图1、2)或以中心线为基准的条纹波纹面(见图3、4)，纵剖面呈对称的锯齿状。见图7，每条波纹中有折射面1、垂直面15、纹顶10和纹底6，后三者的结构特征妨碍菲涅尔透镜的光效发挥。参见图5，把垂直面改为向焦点倾斜的内斜面9，将原有圆弧的纹底6改为窄平面底后，入射光5透过纹底的窄平面射至内斜面9，因入射角很小，便全反射到光斑17中。减少了纹底6的光损；当入射光4与中心光轴7有角度偏差，偏差角度小于1°时，光线也不会超过最大入射偏差线11照射到纹顶10和内斜面9上，避免了纹顶、内斜面的光效损失，提高了透镜在对光偏差情况下的光效，改变了菲涅尔透镜对光偏差时光效急剧下降的情况。这些改进均有利于提高光效，克服现有菲涅尔透镜光效低及对入射光角度敏感的缺陷。见图6，内斜面9与底面2相交的倾斜角di的角度随该角与中心光轴7的垂直距离增加而减小，各倾斜角di度数由反三角函数得出：
其中Li为各纹底至中心光轴7的垂直距离，F为焦距。不同距离的不同倾斜角才能确保各波纹中的内斜面均能将入射光反射到光斑17中。众所周知，聚碳等透明塑料(PC)的透光和抗老化性能均不及硅胶，硅胶柔软有脱模容易和不易碎裂的优点，但也因其柔软不甚坚挺，微观上影响折光与反光方向的固定定位，与坚挺易碎的玻璃复合，实现了最佳互补，提高了透镜整体质量。
Claims (1)
1.一种高光效的聚光太阳能菲涅尔透镜制作方法，其特征是采用如下五项措施：
一、波纹面的改进：无论环形波纹或条形波纹，每条波纹内的垂直面(15)改为内斜面(9)，将纹底改为窄平底，每个内斜面与底面(2)相交的倾斜角di的度数为：
其中Li为纹底与内斜面的交点至中心光轴的垂直距离，F为焦距；
二、材料的改进：选用透光性好的平板石英玻璃和光学级硅胶为制作透镜的材料；
三、镜体结构的改进：改单层透镜体为双层的复合型透镜体，在平板石英玻璃(14)的底面(2)复合硅胶质透镜；
四、制模：按与措施一和措施三改进相结合的设计方案制作改进型的菲涅尔透镜模具；
五、注橡复合成型：先将平板石英玻璃(14)底面(2)用有机硅底涂进行处理，然后将处理好的玻璃(14)放入模具中再注入硅胶注橡成型，硫化后取出，修边检验即成。
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