CN102582034B - 用于成型菲涅尔聚光透镜的模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于成型菲涅尔聚光透镜的模具，以便制造出光损失较小的菲涅尔聚光透镜。该模具包括动模和定模，所述动模或定模上加工有成型菲涅尔聚光透镜出射面上的多条凹陷齿槽的齿纹，所述齿纹包括用于成型所述齿槽的第二表面的第二成型面，所述第二成型面沿齿纹的齿底至齿尖方向朝动模的外侧倾斜以使成型后的透镜的第二表面朝透镜的入射面方向倾斜，进而使通过该透镜的光损失小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。通过该模具成型的菲涅尔聚光透镜采用了与现有菲涅尔聚光透镜的表面齿槽不同的结构，从而减小了光的损失，提高了光能的利用效率，如将其运用至聚光光伏发电领域时可提高发电效率。

Description

用于成型菲涅尔聚光透镜的模具

技术领域

本发明涉及用于成型菲涅尔聚光透镜的模具。

背景技术

聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。一个完整的聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。公开号为CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘述。

如图5a、图5b所示，现有的菲涅尔聚光透镜包括入射面3和出射面1，所述入射面3为平面，所述出射面1上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面相交的第二表面2b。当这些齿槽设计为同心的环形槽时，该聚光透镜可以将入射光线汇聚在一点上，即成为点聚光菲涅尔透镜；当这些齿槽设计为相互平行的直槽时，该聚光透镜可将入射光线汇聚在一条直线上，即成为线聚光菲涅尔透镜。受加工影响，连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面的两端将不可避免的通过内圆角R1和外圆角R2与所述相邻两个第一表面连接；即便是高超的清角工艺也只能将内圆角和外圆角的半径控制在0.1毫米左右。此外，对于连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面，如图5a所示，现有的菲涅尔聚光透镜多是将其设计为朝聚光透镜的焦点方向倾斜的形式，即使得第二表面2b面向聚光透镜的焦点一侧，这样设计的主要目的是使第二表面产生一定的拔模斜度，以满足透镜模具成型时的脱模要求；此外，也有的菲涅尔聚光透镜是将第二表面2b设计成与入射面垂直，即如图5b所示的情形。

总之，上述的菲涅尔聚光透镜一直存在光损失较大的问题。对于图5a所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1、外圆R2角以及第二表面2b这三个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从上述这三个区域通过的光线将全部损失；而对于图5b所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1和外圆角R2这两个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从这两个区域通过的光线全部损失，而由于其第二表面2b与入射面3垂直，因此可视为第二表面2b上未产生光损失。可见，虽然图5b所示的菲涅尔聚光透镜光损失较图5a所示的菲涅尔聚光透镜小，但由于内圆角和外圆角的存在，故图5b所示的菲涅尔聚光透镜的光损失问题依然有待改善。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种光损失较小的菲涅尔聚光透镜。

为此，本发明的菲涅尔聚光透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，所述第二表面的两端分别通过内圆角和外圆角与相邻两个第一表面的首尾连接，且所述第二表面朝所述入射面方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。

由于第二表面朝入射面倾斜，即第二表面面向聚光透镜的入射面一侧，故第二表面与入射面之间的夹角为锐角。当第二表面与入射面之间的夹角较大(即第二表面倾斜程度偏小)时，相邻的内圆角和外圆角之间在透镜的径向方向上部分重叠，在重叠区域光线不通过外圆角，即外圆角上只有部分区域会产生光的损失，故整个菲涅尔聚光透镜的光损失相比当第二表面垂直与入射面时得以减小；当第二表面与入射面之间的夹角较继续减小时，最终可使光线完全不通过外圆角区域，且此时光线经第一表面偏折后亦不会通过第二表面，故对于整个菲涅尔聚光透镜而言，光线仅在内圆角区域产生损失，使得整个菲涅尔聚光透镜的光损失得以进一步减小；若第二表面与入射面之间的夹角较继续减小，达到使部分光线经第一表面偏折后仍能通过第二表面的程度时，此时第二表面倾斜程度偏大，整个菲涅尔聚光透镜的光损失将随之增大，但依然可以在一定程度内小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。由此可见，本发明应优先选择使第二表面的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面连接的外圆角也不通过该第二表面为宜；其次，若在不得不适当减小第二表面的倾斜度(如透镜材料所限等)的情况下，也可选择让第二表面的倾斜程度能够使光仅通过与该第二表面连接的外圆角的部分区域。

内圆角和外圆角的半径当然越小越好，本发明优选内圆角和外圆角的半径在0.1毫米以下。此外，本发明优选的第二表面的倾斜程度为第二表面的两端点在所述入射面上的投影距离为0.3至0.6毫米之间。

由于第二表面朝入射面倾斜的设计使得第二表面的拔模斜度为负，从而对产品脱模造成一定程度的阻碍，因此在产品脱模时有可能造成菲涅尔聚光透镜表面损伤。对此，本发明的菲涅尔聚光透镜最好是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成，比如硅胶。

综上所述，本发明的菲涅尔聚光透镜采用了与现有菲涅尔聚光透镜的表面齿槽不同的结构，从而减小了光的损失，提高了光能的利用效率，如将其运用至聚光光伏发电领域时可提高发电效率。

本发明其次要解决的技术问题是提供一种用于成型菲涅尔聚光透镜的模具，以便制造出上述的这种光损失较小的菲涅尔聚光透镜。

为此，该模具包括动模和定模，所述动模或定模上加工有成型菲涅尔聚光透镜出射面上的多条凹陷齿槽的齿纹，所述齿纹包括用于成型所述齿槽的第二表面的第二成型面，所述第二成型面沿齿纹的齿底至齿尖方向朝动模的外侧倾斜以使成型后的透镜的第二表面朝透镜的入射面方向倾斜，进而使通过该透镜的光损失小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。

作为优选，所述第二成型面的倾斜程度以使光既不通过成型后的透镜上与所述第二表面连接的外圆角也不通过该第二表面。或者，所述第二成型面的倾斜程度以使光仅通过成型后的透镜上与所述第二表面连接的外圆角的部分区域。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1为本发明菲涅尔聚光透镜的立体示意图。

图2为图1中的A向示图。

图3为图2中的局部放大图。

图4a为本发明透镜中第二表面的倾斜程度偏小时的示意图。

图4b为本发明透镜中第二表面的倾斜程度适中时的示意图。

图4c为本发明透镜中第二表面的倾斜程度偏大时的示意图。

图5为本发明透镜与现有透镜的光损失区域比较示意图。

图5a为现有透镜(第二表面面向焦点一侧倾斜)的光损失区域示意图。

图5b为现有透镜(第二表面与入射面垂直)的光损失区域示意图。

图5c为本发明透镜的光损失区域示意图。

图6为成型本发明透镜的模具示意图。

图7为图6中动模的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的菲涅尔聚光透镜，包括入射面3和出射面1，所述入射面3为平面，所述出射面1上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面2a相交的第二表面2b；从图2至图3中可以清楚看出，所述第二表面2b的两端分别通过内圆角R1和外圆角R2与相邻两个第一表面2a的首尾连接，且所述第二表面2b朝所述入射面3方向倾斜；而通过图4a至图4c可以看出，当第二表面2b的倾斜程度处于图4a所示的偏小情形时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后指向透镜的焦点，另一垂直于入射面3射入的光线A2从与该第二表面2b连接的外圆角R2的右端点外发生折射后指向透镜的焦点，而位于光线A1和光线A2之间的关光束则在通过内圆角R1和外圆角R2时损失，不再汇聚于焦点，但值得注意时的是，由于相邻的内圆角R1和外圆角R2之间在透镜的径向方向上部分重叠，在重叠区域(即内圆角R1的右端点与外圆角R2的左端点之间的区域)光线不通过外圆角R2，即外圆角R2上只有部分区域会产生光的损失，故整个菲涅尔聚光透镜的光损失相比当第二表面2b垂直与入射面时得以减小；当第二表面2b的倾斜程度处于如图4b所示的情形时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后指向透镜的焦点，另一垂直于入射面3射入的光线A2从该内圆角R1的右端点外经过并到达上部的第一表面2a后发生折射而指向透镜的焦点，由于光线完全不通过外圆角R2区域，且此时光线经第一表面2b偏折后亦不会通过第二表面2b，故对于整个菲涅尔聚光透镜而言，光线仅在内圆角R1区域产生损失，使得整个菲涅尔聚光透镜的光损失得以进一步减小；而当第二表面2b的倾斜程度处于如图4c所示的情形时，这时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后即将与该第二表面2b接触，一旦当第二表面2b的倾斜程度继续增大，光线A1将通过第二表面2b，由此将在第二表面2b上产生光的损失，但即便如此，在一定程度内继续增大第二表面2b的倾斜程度仍旧能使通过透镜的光损失相比当第二表面2b垂直与入射面时更小。

由此可以看出，最好的选择是使第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b为宜。在此基础上，最好使内圆角R1和外圆角R2的半径在0.1毫米以下，这样，当第二表面2b的两端点在所述入射面3上的投影距离D为0.3至0.6毫米之间可使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b。

图5为本发明透镜与现有透镜的光损失区域比较示意图。其中，图5a为现有透镜(第二表面2b面向焦点一侧倾斜)的光损失区域示意图；图5b为现有透镜(第二表面2b与入射面3垂直)的光损失区域示意图；图5c为本发明透镜(第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b)的光损失区域示意图。在图5a至图5c中，虚线之间的区域表示透镜的光损失区域4。从三图的比较可以看出，图5c中的光损失区域4明显小于图5a和图5b的光损失区域4。

本发明的菲涅尔聚光透镜可以通过硅胶注射成型，由此需要设计成型模具。如图6至图7所示，用于成型菲涅尔聚光透镜的模具包括动模5和定模6，所述动模5或定模6上加工有成型菲涅尔聚光透镜出射面1上的多条凹陷齿槽2的齿纹8，所述齿纹8包括用于成型所述齿槽2的第二表面2b的第二成型面8b，所述第二成型面8b沿齿纹8的齿底至齿尖方向朝动模5的外侧倾斜以使成型后的透镜的第二表面2b朝透镜的入射面3方向倾斜，进而使通过该透镜的光损失小于当第二表面2b垂直与入射面3时而通过透镜的光损失。

在图6所示的动、定模合模状态下，动模5和定模6之间会形成注射型腔7，在不考虑材料收缩等变形情况下，该注射型腔7的形状和大小理论上与成型后的菲涅尔聚光透镜的形状、大小一致。

如图7所示，所述动模5上齿纹8的第一成型面8a用于成型透镜的第一表面2a，因此要求其具有较高的加工精度；而由于透镜的第二表面2b并不起聚光作用，只要保证第二表面2b的倾斜角度在要求的范围内即可，故模具第二成型面8b的加工精度可适当降低，但必须尽可能保证第一成型面8a与第二成型面8b之间的角为尖角。

如上文所说，由于本发明优先选择使第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b为宜，若在不得不适当减小第二表面2b的倾斜度(如透镜材料所限等)的情况下，也可选择让第二表面2b的倾斜程度能够使光仅通过与该第二表面2b连接的外圆角R2的部分区域，因此，在设计模具的第二成型面8b时也应以上该条件为准。

Claims (3)

1.用于成型菲涅尔聚光透镜的模具，包括动模（5）和定模（6），所述动模（5）或定模（6）上加工有成型菲涅尔聚光透镜出射面（1）上的多条凹陷齿槽（2）的齿纹（8），所述齿纹（8）包括用于成型所述齿槽（2）的第一表面（2a）的第一成型面（8a）和用于成型所述齿槽（2）的第二表面（2b）的第二成型面（8b），成型后透镜齿槽（2）的第一表面（2a）起聚光作用，第二表面（2b）不起聚光作用，第二表面（2b）的两端分别通过内圆角（R1）和外圆角（R2）与相邻两个第一表面（2a）的首尾连接，其特征在于：所述第二成型面（8b）沿齿纹（8）的齿底至齿尖方向朝动模（5）的外侧倾斜以使成型后的透镜的第二表面（2b）朝透镜的入射面（3）方向倾斜，进而使通过该透镜的光损失小于当第二表面（2b）垂直于入射面（3）时而通过透镜的光损失。

2.如权利要求1所述的用于成型菲涅尔聚光透镜的模具，其特征在于：所述第二成型面（8b）的倾斜程度以使垂直入射面（3）射入的光既不通过成型的透镜上与所述第二表面（2b）连接的外圆角（R2）也不通过该第二表面（2b）。

3.如权利要求1所述的用于成型菲涅尔聚光透镜的模具，其特征在于：所述第二成型面（8b）的倾斜程度以使垂直入射面（3）射入的光仅通过成型后的透镜上与所述第二表面（2b）连接的外圆角（R2）的部分区域。