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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/495 780, die am 10 Juni 20111 eingereicht wurde, und der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/498 288, die am 17. Juni 2011 eingereicht wurde, die hier in ihrer Gesamteinheit einbezogen werden.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Technologie bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Herstellung von Linsen, und insbesondere auf die Herstellung von Silikon-auf-Glas-Fresnel-Linsen. Diese Technologie bezieht sich auch auf die hergestellten Linsen und Linsenanordnungen.
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HINTERGRUND
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Die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen ist kritisch für eine zunehmende Verbreitung, die zu einer nachfolgenden Herabsetzung von Treibhausgasemissionen führt. Dieser Umstand wurde sogar noch dringender, da Länder alternative saubere Energiequellen suchen. Jedoch muss dies mit wettbewerbsfähigen Kosten in Bezug auf andere Energiequellen erreicht werden. Eine Lösung, die zunehmend Gewicht erlangt, ist der Zweig von Solarenergie, der als Konzentrator-Photovoltaik (CPV) und konzentrierte Solarenergie (CSP) bekannt ist, bei dem die Kostenherabsetzung abgeleitet wird durch Ersetzen von ineffizientem Photovoltaik(PV)-Zellenmaterial durch kostengünstigere optische Systeme. Eine typische Vorrichtung der Konzentrator-Photovoltaik (CPV) enthält eine Linsenanordnung, die so positioniert ist, dass sie Licht von der Sonne auf eine entsprechende Anordnung von Photovoltaikzellen fokussiert, um Elektrizität zu erzeugen. Typischerweise ist die zum Konzentrieren des Sonnenlichts auf die Fotozelle verwendete Linse eine Fresnellinse, die ein Substrat oder einen Träger und eine optische Fresnelstruktur aufweist.
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Silikon-auf-Glas(SOG)-Primäroptik ist eine Option zur Verwendung in CPV- und in CSP-Anordnungen. Bei einer SOG-Optik ist die Fresnellinse ein Hybrid, der aus Glas als einem Träger und einer Silikonschicht (oder anderen flexiblen, hochdurchlässigen und UV-stabilen Polymeren) gebildet ist, wobei die Fresnelstruktur auf die Unterseite oder die Seite zu der Fotozelle hin gegossen ist. Somit ist bei dieser SOG-Primäroptik der Glasträger der Wetterseite ausgesetzt, während eine mikrostrukturierte Fresnellinse aus Silikon auf der inneren Oberfläche der Primäroptik ist, wo sie gegenüber den Elementen geschützt ist. Diese SOG-CPV oder -CSP sind nützlich in Solarpanelen/-modulen, da sie nur eine sehr dünne Silikonschicht benötigen und sehr dauerhaft sind, und widerstandsfähig gegenüber Wasser, extremen Temperaturen und anderen Umweltfaktoren sind.
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Das Glas in der SOG-Struktur hat typischerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8–10 ppm/°C, der sich von dem des Silikons unterscheidet, das typischerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in dem Bereich von 20–50 ppm/°C hat. Wie später erläutert wird, kann diese Differenz zu Herstellungsproblemen führen.
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Die Fresnellinse wird durch thermisches Härten des Silikons bei einer erhöhten Temperatur hergestellt. Bei der Härtungstemperatur hat das Glas größere Abmessungen als bei Umgebungstemperatur. Wenn die Fresnellinse auf die Umgebungstemperatur zurückgebracht ist, weicht die Fresnelstruktur in dem Silikon von den Abmessungen der Form ab aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfungsraten des Glases und des Silikons. Das Glas unterliegt schließlich einer geringen Zugbeanspruchung (aufgrund der Festigkeit der Materialzusammensetzung), und das Silikon unterliegt einer höheren Druckbeanspruchung, die Abweichungen von den optischen Entwurfswerten bewirkt (eine leichte Krümmung der Schrägen). Diese Änderung der Abmessungen bewirkt eine Beanspruchung in den Facetten der Fresnelstruktur in dem Silikon, die bewirkt, dass die Facetten ihre Form ändern und eine gekrümmte Oberfläche anstelle der geraden Facette der Form haben. Diese Formänderung bewirkt, dass das Leistungsvermögen der Fresnellinse nicht optimal ist, d. h., führt zu Verlusten des optischen Wirkungsgrads. Diese Technologie ist darauf gerichtet, diese und andere Mängel des Standes der Technik zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Technologie bezieht sich auf eine Linse mit einem Glasträger, einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten auf einer Oberfläche des Glasträgers miteinander gekoppelt sind, und einer Trennschicht zwischen dem Glasträger und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht.
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Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse. Das Verfahren weist auf: Vorsehen eines Glasträgers, Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, und Vorsehen einer Trennschicht zwischen dem Glasträger und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht.
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Diese Technologie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, das aufweist: Vorsehen eines Glasträgers, Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht, die auf einer Oberfläche des Glasträgers zumindest teilweise gehärtet ist, und nach dem zumindest teilweise Härten Bilden einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche der zumindest teilweise durchlässigen Schicht.
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Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf eine Linse, aufweisend einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine modifizierte Schicht aufweist, die eine Härtungstemperatur hat, die bei einem oder niedriger als ein Betriebstemperaturbereich der Linse ist.
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Diese Technologie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, aufweisend das Vorsehen eines Glasträgers und das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine modifizierte Schicht aufweist, die eine Härtungstemperatur hat, die in einem oder unterhalb eines Betriebstemperaturbereichs der Linse ist.
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Ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf eine Linse, aufweisend einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die Abmessungen der zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacette miteinander gekoppelt sind, so ausgewählt sind, dass sie einem Betriebstemperaturbereich der Linse entsprechen.
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Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, aufweisend das Vorsehen eines Glasträgers und das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die Abmessungen der zumindest teilweise durchlässigen Schicht so ausgewählt sind, dass sie einem Betriebstemperaturbereich der Linse entsprechen.
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Ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf eine Linse, aufweisend einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht durch ultraviolettes Licht härtbar ist.
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Noch ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, welches Verfahren aufweist: Vorsehen eines Glasträgers und Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, die durch ultraviolettes Licht härtbar ist.
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Ein weiterer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf ein System, enthaltend eine Anordnung von Linsen nach einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und eine Anordnung von Photovoltaikzellen, die mit Bezug auf die Anordnung von Linsen ausgebildet sind, um durch die Anordnung von Linsen hindurchgehende Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln.
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Bei einem typischen optischen Silikon-auf-Glas-Produkt sind die Schräg- und Steilfacetten der Fresnellinse als Täler in den Silikon gegossen, die das Glas nahezu kontaktieren. Das Produkt wird bei erhöhten Temperaturen behandelt, um das Silikon zu härten; jedoch hat das endgültige Produkt bei Raumtemperatur eine Form mit unterschiedlichen Abmessungen gegenüber der theoretischen Form oder der Form des Formwerkzeugs, das zur Bildung der Fresnellinse verwendet wird, aufgrund von Beanspruchungsverformungen. Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen vermeiden diese Beanspruchungsverformung der Facetten der Linse.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technologie;
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2 ist eine Querschnittsansicht einer Linse gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technologie;
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3 ist eine Querschnittsansicht einer Linse gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technologie;
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4 ist ein Diagramm, das den Brechungsindex bei verschiedenen Temperaturen für ein beispielhaftes Silikonmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 zeigt die Verformung der Schräge einer Prismenfacette einer Fresnellinse gemäß einem Keilprofil nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In 1 ist eine Linse 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Technologie illustriert. Die Linse 100 enthält einen Glasträger 102 und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht 104. Der Glasträger 102 hat eine erste Oberfläche 106 und eine zweite Oberfläche 108. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 106 des Glasträgers 102 der Witterung ausgesetzt, wenn sie für CPV verwendet wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Glasträger 102 eine Dicke von etwa 2,0 mm bis etwa 6.0 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt der Brechungsindex des Glasträgers zwischen etwa 1,515 und etwa 1,519. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Glasträger ein Floatglas mit niedrigem Eisengehalt mit weniger als etwa 0,4% Eisen. Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Glasträger beispielsweise wärmeverfestigt durch TVG DIN EN 1863, A2.
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Gemäß 1 ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 angrenzend an die zweite Oberfläche 108. Der hier verwendete Begriff ”zumindest teilweise durchlässig” bedeutet ein Material, das zumindest teilweise den Durchgang von Licht ermöglicht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 hochdurchlässig, wobei sie den Durchgang von im Wesentlichen dem gesamten Licht einer bestimmten Lichtquelle zulässt. Die Lichtquelle kann jede geeignete Lichtquelle sein, enthaltend, aber nicht hierauf beschränkt, Sonnenlicht, Lampenlicht und künstliches Licht. Der hier verwendete Begriff ”angrenzend” bedeutet, dass der Glasträger und die zumindest teilweise durchlässige Schicht in Kontakt miteinander sein können oder nicht, aber es ist nichts von derselben Art zwischen ihnen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Silikonschicht. Geeignete zumindest teilweise durchlässige Schichten enthalten, aber nicht beschränkt hierauf, Dow Corning Sylgard 184 oder Äquivalente, optisch klare Einkomponenten-Silikone und optisch klare druckempfindliche Klebstoffe. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 2,0 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex der zumindest teilweise durchlässigen Schicht 104 zwischen etwa 1,405 und etwa 1,420, wenn bei der Natrium-D-Linie mit einer Wellenlänge von 589 Nanometer und 21°C gemessen wird.
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Die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 enthält eine oder mehr Schrägfacetten 110, die durch eine oder mehr Steilfacetten (oder Relieffacetten) 112 miteinander gekoppelt sind. Die Schräg- und Steilfacetten 110, 112 bilden Facettenspitzen 114 und Facettentäler 116. In 1 sind der Facettenwinkel B und der Steilwinkel A sowie die Facettenbreite oder -teilung FW und die optische Achse O gezeigt. Die besonderen Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten 110, 112 und der sich ergebende Facettenwinkel, Steilwinkel und die Teilung sind bestimmt auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung und der Eigenschaften der Linse. Die Winkel der Facetten sind typischerweise von null oder parallel zu der Oberfläche bis zu einem Maximum von angenähert 42 Grad von der Oberfläche. Die Höhe der Facetten kann konstant oder variabel sein und typischerweise im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm auf der Grundlage des optischen Entwurfs liegen. Die typische Teilung bzw. der Facettenabstand kann konstant oder variabel sein und im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,9 mm liegen.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, eine Fresnellinse. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Facettenwinkel der Fresnellinse so entworfen, dass ein minimaler Punktdurchmesser bei einer nominellen Brennweite für eine Wellenlänge von Licht erzielt wird. Kürzere und längere Wellenlängen haben einen größeren Durchmesser bei dieser nominellen Brennweite (haben minimale Punktdurchmesser, die sich oberhalb und unterhalb dieser nominellen Weite befinden). Sekundäre optische Elemente (SOE) können verwendet werden, um die Konzentration der kürzeren und längeren Wellenlängen des Lichts zu verbessern. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Fresnellinse eine Mehrfokusausbildung. Mehrere Wellenfallen werden verwendet, um einen Satz von spezifischen Wellenlängen zu fokussieren. Ein Satz von benachbarten Facetten kann mit einem spezifischen Satz von Wellenlängen assoziiert sein, wobei jede Prismenform so gefertigt ist, dass sie eine assoziierte Wellenlänge fokussiert. Dieses Entwurfsverfahren kann lichtnominell auf den Photovoltaikzellenort oder den SOE-Annahmebereich bei einer CPV lenken.
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Gemäß 1 ist eine Trennschicht 118 zwischen dem Glasträger 102 und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht 104 angeordnet. bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Trennschicht 118 eine zweite zumindest teilweise durchlässige Materialschicht auf. Nur beispielhaft kann das Material zwischen dem Glas und der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht 104 eine gefüllte oder ungefüllte Klebstoffschicht, eine mit Nanopartikeln gefüllte Harzschicht, eine Schnellhärtungs-Harzschicht oder ein anderes Material sein, das das Leistungsvermögen der Fresnellinse erhöht. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die zweite zumindest teilweise durchlässige Materialschicht eine Dicke von etwa 0,001 mm bis etwa 0,6 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex der zweiten zumindest teilweise durchlässigen Materialschicht zwischen etwa 1,405 und etwa 1,420.
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Geeignete Beispiele für Adhäsionsschichten sind beispielsweise im
US-Patent Nr. 5 755 866 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit einbezogen wird, und enthalten, jedoch nicht beschränkt hierauf, OP2N-1 ein Teil Silikonprimer von ACC Silicones. Geeignete, von Nanopartikeln gefüllte Harzschichten sind beispielsweise in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0240931 A1 beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit einbezogen wird, und enthalten, aber nicht hierauf beschränkt, Harzschichten mit Halbleiter-Nanopartikeln, Metallnanopartikeln und Metalloxid-Nanopartikeln. Geeignete Schnellhärtungs-Harzschichten sind beispielsweise im
US-Patent Nr. 3 996 187 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit einbezogen wird, und enthalten, aber nicht beschränkt hierauf, Dow Corning PV8301. Beispiele für andere Materialien enthalten, aber nicht beschränkt hierauf, optisch klare druckempfindliche Klebstoffe, Einkomponentensilikone und auf Silan basierende Primärschichten.
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In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Linse 200 gezeigt. Wie vorstehend beschrieben ist, enthält die Linse 200 einen Glasträger 202 und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht 204. Der Glasträger 202 hat eine erste Oberfläche 206 und eine zweite Oberfläche 208. Die zumindest teilweise durchlässige Schicht 204 enthält eine oder mehr Schrägfacetten 210, die durch eine oder mehr Steilfacetten 212 miteinander gekoppelt sind. Die Schräg- und Steilfacetten 210, 212 bilden Facettenspitzen 214 und Facettentäler 216. Der Facettenwinkel B und der Steilwinkel A sowie die Teilung FW und die optische Achse O sind gezeigt. Wie vorstehend beschrieben ist, sind die besonderen Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten 210, 212 und der sich ergebende Facettenwinkel, Steilwinkel und die Teilung bestimmt auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung und der Eigenschaften der Linse. Geeignete Eigenschaften des Glasträgers und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht sind vorstehend unter Bezug auf 1 beschrieben.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Trennschicht 218 Abstandshalter aus vorgegossenem Silikon oder im Brechungsindex angepassten Material auf. Geeignete Materialien für die Abstandshalter enthalten, aber nicht beschränkt hierauf, Silikone optischer Güte, die mit der erforderliche Dicke gegossen und geschnitten sind, um als Abstandshalter zu wirken, im Index angepasste Polymerscheiben und druckempfindliche Klebstoffe, die auf die geeignete Dicke geschnitten und als Abstandshalter verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel haben die Abstandshalter eine Dicke von etwa 0,3 mm bis etwa 0,8 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex der Abstandshalter zwischen etwa 1400 und etwa 1410. Wie in 2 gezeigt ist, können die Abstandshalter 218 in einer Schicht 220 angeordnet sein, die zumindest teilweise durchlässig ist und dasselbe oder ein anderes Material wie das der zumindest teilweise durchlässigen Schicht 204 haben kann. Die zumindest teilweise durchlässige Schicht 204 und die Schicht 220 können getrennt oder zusammen gehärtet werden.
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Die Abstandhalter können in der Form zum Herstellen der Linse installiert werden, nachdem die zumindest teilweise durchlässige Schicht 204 aufgebracht ist und bevor der Glasträger 202 aufgebracht wird. Diese Abstandshalter können den Glasträger 202 davor bewahren, das zur Bildung der optischen Struktur in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht 204 verwendete Werkzeug zu kontaktieren. Zusätzlich kann durch Variieren des während des Gießvorgangs verwendeten Drucks eine gesteuerte Dicke mit teilweise komprimierbaren oder starren Abstandshaltern erzielt werden.
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Die Technologie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, wie sie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist. Das Verfahren enthält das Vorsehen eines Glasträgers, das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, und das Vorsehen einer Trennschicht zwischen dem Glasträger und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht. Dieses beispielhafte Verfahren trennt die Nutenstruktur in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht von dem Glasträger durch eine Trennschicht, um durch die vorbeschriebene Nichtanpassung der thermischen Koeffizienten bewirkte Beanspruchungen zu isolieren, obgleich andere Möglichkeiten zum Kompensieren der Nichtanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden können, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Gemäß diesem Verfahren kann die Trennschicht auf dem Glasvorgegossen werden, um die zumindest teilweise durchlässige Schicht von dem Glas zu trennen.
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Geeignete Glasträger, zumindest teilweise durchlässige Schichten und Trennschichten sind vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
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Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, aufweisend das Vorsehen eines Glasträgers, das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht, die zumindest teilweise auf einer Oberfläche des Glasträgers gehärtet ist, und nach dem zumindest teilweisen Härten das Bilden einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten gekoppelt sind, auf einer Oberfläche der zumindest teilweise durchlässigen Schicht.
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Geeignete zumindest teilweise durchlässige Schichten enthalten, aber nicht hierauf beschränkt, Silikone (z. B. Silikone optischer Güte, die mit der geforderten Dicke gegossen sind), optisch klare, druckempfindliche Klebstoffschichten, und UV-härtbare Acrylate, die mit der ordnungsgemäßen Dicke gegossen sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die zumindest teilweise durchlässige Schicht in einen Zustand gehärtet, in welchem zumindest die Oberfläche ausreichend gehärtet ist, dass sie nicht fließt, so dass die Facettenstruktur auf dem teilweise gehärteten Material gebildet werden kann. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird die zumindest teilweise durchlässige Schicht im Wesentlichen vor dem Bilden der einen oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, gehärtet. Die besondere Härtungszeit und die Bedingungen werden bestimmt auf der Grundlage des für die zumindest teilweise durchlässige Schicht verwendeten Materials und der beabsichtigten Eigenschaften der Linse. Beispielsweise kann die zumindest teilweise durchlässige Schicht durch chemische Zusätze, Ultraviolettstrahlung, Elektronenstrahl oder Wärme gehärtet werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
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Techniken zum Bilden einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten gekoppelt sind, auf einer Oberfläche der zumindest teilweise durchlässigen Schicht sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise im
US-Patent Nr. 4 170 616 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Geeignete Techniken enthalten die Beschichtung eines Werkzeugs mit einer Schicht aus einem zumindest teilweise durchlässigen Material und dann das Drücken eines Nickelwerkzeugs mit der gewünschten Form in die zumindest teilweise durchlässige Materialschicht, und das Beenden des Härtens.
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In 3 ist eine Linse 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Technologie illustriert. Die Linse 300 enthält einen Glasträger 302 und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht 304. Dier Glasträger 302 hat eine erste Oberfläche 306 und eine zweite Oberfläche 308. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 306 des Glasträgers 302 der Witterung ausgesetzt, wenn er für CPV verwendet wird.
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Geeignete Eigenschaften des Glasträgers sind vorstehend beschrieben.
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Gemäß 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel die zumindest teilweise durchlässige Schicht 304 angrenzend an und in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 308. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Silikonschicht, obgleich andere geeignete, zumindest teilweise durchlässige Schichten verwendet werden können, wie hier beschrieben ist.
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Wie in 3 gezeigt ist, enthält die zumindest teilweise durchlässige Schicht 304 eine oder mehr Schrägfacetten 310, die durch eine oder mehr Steilfacetten 312 miteinander gekoppelt sind. die Schräg- und Steilfacetten 310, 312 bilden Facettenspitzen 314 und Facettentäler 316. Der Facettenwinkel B und der Steilwinkel A, sowie die Teilung FW und die optische Achse O sind auch gezeigt. Wie vorstehend beschrieben ist, sind die besonderen Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten 310, 312 sowie der sich ergebende Facettenwinkel, der Steilwinkel und die Teilung auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung und der Eigenschaften der Linse bestimmt.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht 304 eine modifizierte Schicht, die eine Härtungstemperatur hat, die in einem oder unterhalb eines Betriebstemperaturbereichs der Linse ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die modifizierte Schicht ein kundenspezifisches Silikon, das bei einer niedrigeren Temperatur schneller aushärtet. Derartige kundenspezifische Silikone können auf der Grundlage der gewünschten Härtungstemperatur und -geschwindigkeit geschaffen werden und sind beispielsweise erhältlich als Loctite 5033 Nuva-Sil-Silikon.
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Diese Technologie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse. Dieses Verfahren enthält das Vorsehen eines Glasträgers und das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine modifizierte Schicht aufweist, die eine Härtungstemperatur hat, die in einem oder unterhalb eines Betriebstemperaturbereichs der Linse ist. Wie vorstehend beschrieben ist, werden bei diesem Verfahren zum Herstellen einer Linse kundenspezifische, zumindest teilweise durchlässige Schichten, die bei niedrigeren Temperaturen schneller aushärten, verwendet, und die Produktionsaushärtungstemperaturen sind identisch oder nahezu identisch mit der Operationstemperatur der Linse. Dieses beispielhafte Verfahren kompensiert die fehlende Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasträger und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht durch Eliminieren der Notwendigkeit, die zumindest teilweise durchlässige Schicht bei Temperaturen zu härten, die Änderungen der Abmessungen aufgrund unterschiedlicher Schrumpfungsraten des Glases und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht bewirken.
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Ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf eine Linse, aufweisend einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die Abmessungen der zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, so gewählt sind, dass sie einem Betriebstemperaturbereich der Linse entsprechen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Gestalt und die Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten und des sich ergebenden Facettenwinkels, des Steilwinkels und der Teilung der zumindest teilweise durchlässigen Schicht modifiziert auf der Grundlage der beabsichtigten Betriebstemperatur der Linse. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Gestalt und die Abmessungen so modifiziert, dass die optische Struktur in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht von der Gestalt der Form abweichen kann, wenn sie nach dem Härten in eine gewünschte Gestalt und auf Abmessungen zur Verwendung innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs der Linse schrumpft. Dieses optimiert das Leistungsvermögen der sich ergebenden Linse in unterschiedlichen Klimazonen. Somit kann mit dieser Technologie eine Beanspruchungsverformung der Prismenfacetten der Linse, z. B. Fresnellinse, auch in dem Entwurfsprozess durch direkte Modellierung berücksichtigt werden.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex der zumindest teilweise durchlässigen Schicht verwendet, um eine optische Struktur in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht für die optimale Durchführung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu entwerfen. Beispielsweise kann, wenn bekannt ist, dass die Linse vorherrschend bei Temperaturen oberhalb 35°C verwendet wird, die Gestalt der einen oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, kompensiert werden, um sicherzustellen, dass die optische Struktur optimal auf diese Temperatur fokussiert ist, indem sie für die Verwendung des Brechungsindex der zumindest teilweise durchlässigen Schicht bei dieser Temperatur gestaltet wird.
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Unterschiedliche Härtungstemperaturen oder unterschiedliche, zumindest teilweise durchlässige Materialien können für verschiedene Orte verwendet werden in Abhängigkeit von der Durchschnittsaußentemperatur an diesem Ort. Ein Diagramm des Brechungsindex bei verschiedenen Temperaturen für ein beispielhaftes Silikonmaterial für das zumindest teilweise durchlässige Material ist in 4 illustriert.
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Ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, aufweisend das Vorsehen eines Glasträgers und das Vorsehen einer zumindest teilweisen durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die Abmessungen der zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, gewählt sind entsprechend einem Betriebstemperaturbereich der Linse.
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Ein beispielhaftes Verfahren wurde entwickelt, das die Schräge der Prismenfacette gemäß einem Keilprofil verformt und in 5 illustriert ist. Insbesondere ist die Korrektur als ein Keilprofil definiert und von dem theoretischen Schrägprofil subtrahiert. Das Ergebnis wird dann verwendet, um die schräge Oberfläche zu bilden. Wie vorstehend beschrieben ist, kann durch Verformen der Schräge der Prismenfacette die optische Struktur in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht von der Gestalt der Form abweichen, wenn sie nach dem Härten in eine gewünschte Gestalt und in Abmessungen für die Verwendung innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs für die Linse schrumpft.
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Ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf eine Linse, aufweisend einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht durch ultraviolettes Licht härtbar ist. Geeignete Ultraviolett-Lichtquellen enthalten Metallhalogenlampen, LEDs, Eximerlaser und andere Typen von UV-Lampen.
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Noch ein anderer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse, welches Verfahren das Vorsehen eines Glasträgers und das Vorsehen einer zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers, die durch ultraviolettes Licht härtbar ist, aufweist.
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Geeignete Eigenschaften des Glasträgers sind vorstehen beschrieben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel hat die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Dicke von etwa 0,2 mm bis etwa 0,9 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex der zumindest teilweise durchlässigen Schicht zwischen etwa 1400 und etwa 1410.
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Geeignete Materialien für die zumindest teilweise durchlässige Schicht, die durch ultraviolettes Licht härtbar ist, enthalten, aber nicht hierauf beschränkt, ein UV-härtbares Silikon oder ein UV-härtbares Acrylat wie optische klares Silikon Novargard UV. UV-härtbare Silikone können Ein- oder Zweikomponentensysteme sein, die UV-Strahlung verwenden, um den Härtungsvorgang zu initiieren. Wie vorstehend beschrieben ist, werden die besonderen Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten und der sich ergebende Facettenwinkel, der Steilwinkel und die Teilung bestimmt auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung und der Eigenschaften der Linse.
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Gemäß diesen Ausführungsbeispielen wird eine zumindest teilweise durchlässige Schicht, die durch UV gehärtet ist, verwendet, um die Temperaturprobleme von katalysatorgehärteten Silikonen zu überwinden.
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Ein weiterer Aspekt dieser Technologie bezieht sich auf ein System enthaltend eine Anordnung von Linsen nach einem der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele und eine Anordnung von Photovoltaikzellen, die mit Bezug auf die Anordnung von Linsen ausgestaltet sind, um durch die Anordnung von Linsen hindurchgehende Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln.
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Nachdem das Grundkonzept der Erfindung beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die vorstehende detaillierte Offenbarung nur beispielsweise dargestellt werden soll und nicht beschränkend ist. Verschiedene Änderungen, Verbesserungen und Modifikationen ergeben sich und sind für den Fachmann beabsichtigt, obgleich dies hier nicht ausdrücklich festgestellt wird. Diese Änderungen, Verbesserungen und Modifikationen sind als hierdurch vorgeschlagen anzusehen und liegen innerhalb des Geistes und des Bereichs der Erfindung. Zusätzlich soll die wiedergegebene Reihenfolge von Verarbeitungselementen oder Sequenzen, oder die Verwendung von Zahlen, Buchstaben oder anderen Bezeichnungen hierfür die beanspruchten Prozesse nicht auf irgendeine Reihenfolge beschränken, mit der Ausnahme, dass dies in den Ansprüchen bestimmt ist. Demgemäß wird die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und die Äquivalente darin beschränkt.