CN103235402B - 一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法，该菲涅尔反射聚光镜包括反射镜体，该反射镜体的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，每一螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面的倾角、螺纹的螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑。由于该反射镜体可以采用一次加工成型，以及还可包括表面保护层和底面支撑层并一起形成一个密封体，如此其可以实现高效率的产业化与量产化，由于是采用母模具一次加工而成，只要母模具设置好，其批量化生产的光学性能以及结构均稳定可靠；另外，本发明还具有易于保洁和维护的功效。

Description

一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及非成像光学系统设计领域，更具体的说涉及一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法，其可获得光强均匀分布的方形会聚光斑。

背景技术

聚光光伏电热综合利用是高效利用太阳能的一种重要的新技术途径。与光伏发电或光热发电相比，这种电热联供技术的特点在于高效率地综合利用太阳能，它在一些重要场合（如边疆及海岛哨所、机场、海上船舰、无电村、 偏远地区等）的应用具有不可替代的优势。

国内外聚光光伏发电技术的研究及产业化与电站工程建设已有不少案例，聚光光热发电技术及电站示范工程的也有不少报道。但是这两类技术的实际太阳能利用效率都在30%以内。

美国的Solergy Inc提出了用玻璃菲涅尔透镜作为主聚光镜的折射型聚光光伏电热综合利用系统，声称该系统的太阳能综合利用效率可达75%。但是这种电热联供系统每个单元聚光系统所能积聚的热量有限，利用它可以产生的热水温度不高。解决这个问题的途径是采用大口径反射聚光镜以便在光伏发电的同时能够更集中地产生热量。

以色列的ZenithSolar，澳大利亚的Solar System Technology研发了采用蝶式反射型聚光镜的光伏电热综合利用系统，并在以色列、澳大利亚和意大利等地安装了光伏电热联供热系统。这几家公司声称该系统的太阳能综合利用效率可达72%。多数光伏电热联供系统采用蝶式玻璃反射聚光镜，在列阵接收器组件上获得聚焦光强的均匀分布是光伏电热联供系统的关键技术之一。

早期通常采用由较小方形平面反射镜列阵来构成蝶式大口径反射聚光镜，这种技术可以获得均匀光斑但是随着小镜子的数量增加，装配与调校困难也越大。另一个途径是采用一种特殊设计的自由曲面反射聚光镜，这种技术途径也会随着口径的增大，在生产中曲面面形精度的控制以及量产一致性的保障也越为困难。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜，可应用于聚光光伏电热联产系统，并具有装配调校方便以及批量化生产时一致形佳的特点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜，其中，包括反射镜体，该反射镜体的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，每一螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面的倾角、螺纹的螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑。

进一步，该反射镜体采用高分子聚合物经模压或辊压一次加工成型。

进一步，该高分子聚合物选自有机玻璃或光学塑料。

进一步，该菲涅尔反射聚光镜还包括镀设在反射镜体面光侧上的金属反射膜。

进一步，该菲涅尔反射聚光镜还包括表面保护层和底面支撑层，该表面保护层位于反射镜体的面光侧，该底面支撑层位于反射镜体的背光侧，该表面保护层、反射镜体和底面支撑层通过装配结构形成一密封体。

进一步，该表面保护层与反射镜体之间的空腔呈真空状态或充满有惰性气体。

进一步，该表面保护层的上下表面均形成有减反射膜。

本发明的另一目的在于提供一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜的制造方法，其中，包括如下步骤：

①制造菲涅尔反射聚光镜的母模具；

②使用模压或辊压工艺在厚度均匀的高分子聚合物薄板上，用上述母模具加工出带有同心设置且断面呈锯齿状排布多个螺纹的反射镜体；

③用真空镀膜或磁控溅射的镀膜工艺在反射镜体的面光侧上镀置一层金属反射膜；

④将带有金属反射膜的反射镜体的背光侧固定在底面支撑层上，再用一双面均镀有减反射膜的表面保护层盖在反射镜体的面光侧上，再经装配后形成一个密封体。

进一步，该步骤④中的装配是指先采用厚度大于反射镜体的垫片将表面保护层与反射镜体隔开，然后在四周用铝边框固定并密封。

进一步，该制造方法还包括位于步骤④之后：

⑤对表面保护层与反射镜体之间的空腔抽真空或者充惰性气体。

采用上述结构后，本发明涉及一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法，其通过在反射镜体的面光侧设置有同心且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，且每个螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，如此可以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑。

另外，由于该反射镜体采用一次加工成型，以及还包括表面保护层和底面支撑层并一起形成一个密封体，如此其可以实现高效率的产业化与量产化，由于是采用母模具一次加工而成，只要母模具设置好，其批量化生产的光学性能以及结构均稳定可靠。本发明还具有易于保洁和维护的功效。

附图说明

图1为菲涅尔反射聚光镜在平行光入射时会聚光路的示意图；

图2为本发明中反射镜体对光线进行反射时的示意图；

图3为本发明中反射镜体的一个螺纹对入射光线的挡光示意图；

图4为本发明涉及菲涅尔反射聚光镜组件的结构示意图。

图中：

反射镜体 1 螺纹 11

倾斜反射面 12 金属反射膜 13

表面保护层 2 减反射膜 21

底面支撑层 3。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1所示，其为典型的非成像菲涅尔反射聚光镜，其产生的会聚光斑位于反射镜体的光轴上，平行于光轴入射的太阳光经过菲涅尔反射聚光镜后会聚到反射镜的非成像接收面上，该接收面离开菲涅尔反射镜平面一定的工作距处。与自由曲面玻璃反射聚光镜相比，这种反射聚光镜具有光学性能高，结构稳定，易于保洁，成本较低的特点。

如图2至图4所示，本发明涉及的一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜，包括反射镜体1，该反射镜体1的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹11，每一螺纹11都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面12，该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面12的倾角、螺纹11的螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑。具体地，该大口径是指直径为500mm以上。

对于该反射镜体1，其是采用高分子聚合物经模压或辊压一次加工成型，该高分子聚合物需具有良好的模压特性、光学致密性以及稳定性，该高分子聚合物具体可以选自有机玻璃或光学塑料。为了提高反射量，以增加整个聚光镜对太阳光的利用率，该菲涅尔反射聚光镜还包括镀设在反射镜体1面光侧上的金属反射膜13。

如图2所示，强度均匀的平行光入射到边长为D的方形菲涅尔反射聚光镜上，在距离反射镜体1一定工作距WD的接收面上会聚形成一个边长为d的方形光斑，该聚焦光斑的大小d由具体的非成像应用系统的几何聚光比要求来决定。当然对于该会聚光斑，其也可以是圆形或者一维线性，具体可以根据实际情况而做出调整。

为获得光强均匀的会聚光斑，任意一个锯齿面，即螺纹11的倾斜反射面12上的入射光线位置Y到达接收器面上的相应位置y由以下公式来确定：

y=Y（d/D）……（1）

所述反射镜体1的任意一个螺纹11倾斜反射面12的倾斜角度α由以下公式来计算：

tan(2α)=(Y-y)/WD……（2）

根据反射镜体1的实际设计要求及模具加工技术与工艺条件来选择反射镜体1的螺纹间距P或高度，即锯齿高h。

一旦确定了通光孔径D，几何聚光比Cg=(D/d)²，工作距WD，以及菲涅尔螺纹间距P，即可由以上两个公式计算出每个螺纹的位置Y_i及锯齿的倾角参数α_i。而锯齿高度h=P×Tan(α)。

所述菲涅尔反射聚光镜的光学效率除了由金属反射膜13的反射率决定外，还取决于反射镜的通光孔径D、工作距WD的选择以及反射镜体1中的每个螺纹11倾斜反射面12的倾角。

如图3所示，入射到一个螺纹11倾斜反射面12上的光线有一部分L=hsin(2α)在反射时被下一个锯齿高部挡住，当会聚光斑减小为零时，反射镜体1的非成像接收平面与成像聚焦平面重合，这里的工作距WD等于反射聚光镜的焦距f。其中，β=2α, Δ=2hsin(α), L=hsin(β),α为倾斜角，h为齿高，Δ为损失区域。

根据上述方法可以设计计算出所述非成像菲涅尔反射聚光镜的初始结构。为了获得满足会聚光斑的均匀性及光学效率的要求，还需要对反射镜的参数（如螺距P及角度α）进行最后的优化设计。

如图4所示，该菲涅尔反射聚光镜还包括表面保护层2和底面支撑层3，该表面保护层2位于反射镜体1的面光侧，该底面支撑层3位于反射镜体1的背光侧，该表面保护层2、反射镜体1和底面支撑层3通过装配结构形成一密封体。优选地，该表面保护层2的上下表面均形成有减反射膜21，而该表面保护层2与反射镜体1之间的空腔呈真空状态或充满有惰性气体。如此使得本发明对太阳光的利用效率更高，并且还具有易于保洁和维护的功效。

本发明还提供一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜的制造方法，包括如下步骤：

①制造菲涅尔反射聚光镜的母模具；其具体是根据非成像菲涅尔反射聚光镜的光学设计采用精密模具加工技术来制造该母模具；

②使用模压或辊压工艺在厚度均匀的高分子聚合物薄板上，用上述母模具加工出带有同心设置且断面呈锯齿状排布多个螺纹11的反射镜体1；该高分子聚合物薄板具有一定厚度，具体为2mm；

③用真空镀膜或磁控溅射的镀膜工艺在反射镜体1的面光侧上镀置一层金属反射膜13，具体该金属反射膜13还包括一增强附着力的过渡层以及对金属反射膜13进行保护的保护层；

④将带有金属反射膜13的反射镜体1的背光侧固定在底面支撑层3上，具体是采用胶水粘接的方式进行固定，该底面支撑层3具体采用的为钢化玻璃，其尺寸与反射镜体1相同；再用一双面均镀有减反射膜21的表面保护层2盖在反射镜体1的面光侧上，再经装配后形成一个密封体，即形成了两块钢化玻璃把反射镜体1夹在中间的Glass-Polymer-Glass（GPG）密封的中间夹层反射聚光镜组件。具体地在本实施例中，该表面保护层2为超白钢化玻璃。

其中，上述装配是指先采用厚度大于反射镜体1的垫片将表面保护层2与反射镜体1隔开，然后在四周用铝边框固定并密封；该垫片的厚度为2.1mm，如此可以起到避免表面保护层2压坏反射镜体1的锯齿结构。

另外，该制造方法还包括位于步骤④之后：步骤⑤，对表面保护层2与反射镜体1之间的空腔抽真空或者充惰性气体，从而提高整个菲涅尔反射聚光镜的使用寿命和可靠性。

综上所述，本发明涉及一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜及其制造方法，其通过在反射镜体1的面光侧设置有同心且断面呈锯齿状排布的多个螺纹11，且每个螺纹11都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面12，如此可以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑。

另外，由于该反射镜体1采用一次加工成型，以及还包括表面保护层2和底面支撑层3并一起形成一个密封体，如此其可以实现高效率的产业化与量产化，由于是采用母模具一次加工而成，只要母模具设置好，其批量化生产的光学性能以及结构均稳定可靠。。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (1)

1.一种大口径非成像菲涅尔反射聚光镜，其特征在于，包括反射镜体，该反射镜体的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，每一螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，该菲涅尔反射聚光镜根据已知的通光孔径、几何聚光比、工作距,调整每个倾斜反射面的倾角、螺纹的螺纹距和每个锯齿高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑，为获得光强均匀的会聚光斑，任意一个锯齿面i，即任意一个螺纹的倾斜反射面i上的入射光线位置Y_i到达接收器面上的相应位置y_i由以下公式来确定：

y_i=Y_i（d/D）……（1）

其中，D为方形菲涅尔反射聚光镜边长，d为接收面上会聚形成的方形光斑的边长；

所述反射镜体的任意一个螺纹倾斜反射面i的倾斜角度α_i由以下公式来计算：

tan(2α_i)=(Y_i-y_i)/WD……（2）

反射镜体与会聚光斑接收面的距离为工作距WD，根据反射镜体的实际设计要求及模具加工技术与工艺条件来选择反射镜体的螺纹间距P；

一旦确定了通光孔径D，几何聚光比Cg=(D/d)²，工作距WD，以及菲涅尔螺纹间距P，即可由以上两个公式计算出每个螺纹的入射光线位置Y_i及锯齿的倾角参数α_i，得到锯齿高度h_i=P×Tan(α_i)。