DE3029519A1

DE3029519A1 - Solar collector fresnel lens - has acrylic base plate with sawtooth-section parallel serrations in rear face of specified profile

Info

Publication number: DE3029519A1
Application number: DE19803029519
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Sakai
Original assignee: KOKUJO KANAGATA IND CO Ltd
Current assignee: KOKUJO KANAGATA IND CO Ltd
Priority date: 1979-08-04
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1981-02-19
Also published as: AU6070880A; JPS5626701U

Abstract

The Fresnel lens, such as may be used in a solar collector, consists of transparent synthetic resin and is formed as a base plate (1) having a large number of saw tooth-section parallel serrations (2) on its rear surface. The thickness (t) of the plate is between 2 and 6 mm whilst the pitch (p) of the serrations is between 1 and 6 mm. The depth (h) of the serrations is less than the thickness (t) and the serrations are so arranged that they concentrate the light falling on to the front surface (3) into one linear focus. The front surface (3) may be flat or cylindrically curved. The parallel serrations may be linear, or concentrically circular in which case the front surface may be spherical.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Fresnel-Linse aus lichtdurchlässigem synthetischen Harz, insbesondere für Sonnenkollektor anwendungen.The invention relates to a Fresnel lens made of translucent synthetic Resin, especially for solar collector applications.

Eine Fresnel-Linse besteht gewöhnlich aus einem Grundplattenteil, der eine flache, zylindrische oder kugelförmige Gestalt aufweist und auf seiner rückseitigen Oberfläche mit vielen Zacken oder Zinken versehen ist, die sich voneinander in ihrem Neigungswinkel in bezug auf die vorderseitige Oberfläche des Grundplattenteils unterscheiden. Diese Zacken oder Zinken sind parallel zueinander oder konzentrisch nahe aneinander angeordnet, derart, daß das durch die vorderseitige Oberfläche eintretende Licht auf einer Linie oder einem Punkt fokussiert wird. Die Fresnel-Linse kann ferner aus einer im Brennpunkt angeordneten Lichtquelle parallele Lichtstrahlen aussenden. Bekanntlich wird in Leuchttürmen Licht aus einer Lichtquelle durch Anwendung einer Fresnel-Linse aus Glas aufgrund dieses Prinzips als paralleler Lichtstrahl ausgestrahlt.A Fresnel lens usually consists of a base plate part, which has a flat, cylindrical or spherical shape and on its rear surface is provided with many prongs or prongs that are spaced apart from each other in their angle of inclination with respect to the front surface of the base plate part differentiate. These prongs or prongs are parallel to each other or concentric placed close to each other such that the one entering through the front surface Light is focused on a line or a point. The Fresnel lens can also emit parallel light beams from a light source arranged in the focal point. As is known, light from a light source is generated in lighthouses by using a Fresnel lens made of glass emitted as a parallel light beam due to this principle.

In jüngster Zeit wurden vielfältige Einrichtungen zur Ausnutzung der Sonnenenergie durch Sammeln der Sonnenstrahlung geschaffen. Die für diesen Zweck verwendeten Fresnel-Linsen fokussieren entweder die Sonnenstrahlen auf einer geraden Linie, wobei Linsen mit einer flachen oder zylindrischen Oberfläche verwendet werden, oder auf einem Punkt, wobei dann die Linse eine kugelförmige Oberfläche aufweist. In beiden Fällen müssen solche Linsen der Massenherstellung zugänglich sein, weil sie kostengünstig sein müssen, was durch Anwendung einer Spritzgußmaschine oder Strangpresse großer Abmessungen erreicht werden kann, wobei ein lichtdurchlässiges synthetisches Harzmaterial verarbeitet wird, z.B. ein Acrylharz, Polycarbonat-, Styrol-, Acrylonitrilharz usw. Die für diese Zwecke zu verwendenden Linsen haben eine relativ geringe Dicke in der Größenordnung von 2 bis 6 mm, um eine Verschlechterung des dickenabhängigen Lichtdurchlässigkeitsverhältnisses zu vermeiden. Bei der Herstellung derartiger relativ dünner Linsen mit großen Abmessungen durch Spritzgießen oder Strangpressen ist bisher der Ausschuß sehr hoch, weil Deformierungen und Schrumpfstellen in dem Material auftreten.In recent times, various facilities have been made to take advantage of the Solar energy created by collecting solar radiation. The for this purpose Fresnel lenses used either focus the sun's rays on a straight line Line, using lenses with a flat or cylindrical surface, or on a point, in which case the lens has a spherical surface. In both cases, such lenses must be amenable to mass production because they must be inexpensive, which can be achieved by using an injection molding machine or Extrusion press of large dimensions can be achieved using a translucent synthetic resin material is processed, e.g. an acrylic resin, polycarbonate, Styrene, acrylonitrile resin, etc. The lenses to be used for these purposes have one relatively small thickness on the order of 2 to 6 mm to avoid deterioration to avoid the thickness-dependent light transmission ratio. In the preparation of such relatively thin lenses with large dimensions by injection molding or Extrusion is so far the committee is very high, because deformations and shrinkage occur in the material.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Fresnel-Linse aus lichtdurchlässigem synthetischen Harz, deren Formen und Abmessungen ohne das Auftreten von Fehlern wie Deformierungen, Schrumpfstellen und dgl. zu verwirklichen sind, selbst bei Herstellung nach hochproduktiven Verfahren wie Spritzgießen oder Strangpressen.The object of the invention is to create a Fresnel lens made of translucent synthetic resin, their shapes and dimensions without the appearance of defects how to achieve deformations, shrinkage points and the like, even during manufacture using highly productive processes such as injection molding or extrusion.

Die erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen weisen eine Dicke t des Basisplattenteils in der Größe von 2 bis 6 mm, vorzugsweise 2,5 bis 4 mm auf, der Teilungsabstand p zwischen den gezackten Einkerbungen bzw. Zinken beträgt 1 bis 6 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm, wobei die besonders bevorzugte Ausführungsform einen Bereich von 3 bis 4 mm aufweist, und die Höhe h der Einkerbungen bzw. Zinken ist kleiner als die Dicke t, wenn Form und Abmessungen vorgegeben sind. Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß durch die Bemessung der Dicke des Grundplattenteils, des Teilungsabstandes und der Höhe der Einkerbungen oder Zinken innerhalb eines begrenzten Bereichs große Fresnel-Linsen aus lichtdurchlässigem synthetischen Harzmaterial für Sonnenkollektoranwendungen durch Spritzgießen oder Strangpressen hergestellt werden können, wodurch die üblichen Mängel wie Deformierungen oder Verwerfungen, Schrumpfstellen und dgl.The Fresnel lenses according to the invention have a thickness t of the base plate part in the size of 2 to 6 mm, preferably 2.5 to 4 mm, the pitch p between the serrated notches or prongs is 1 to 6 mm, preferably 2 to 5 mm, with the particularly preferred embodiment having a range from 3 to 4 mm, and the height h of the notches or prongs is smaller than the thickness t, if the shape and dimensions are specified. The invention is based on the Realization that by dimensioning the thickness of the base plate part, the spacing and the height of the notches or prongs is large within a limited range Fresnel lenses made of translucent synthetic resin material for solar collector applications can be manufactured by injection molding or extrusion, creating the usual Defects such as deformations or warps, shrinkage points and the like.

vermieden werden.be avoided.

Durch Wahl und Bestimmung von Größe und Form der Linsen kann die Erzeugung von aufgrund Deformierungen oder Schrumpfstellen fehlerhaften Produkten selbst bei Anwendung des Spritzgießens oder Strangpressens vermieden werden.By choosing and determining the size and shape of the lenses, the generation of due to deformations or Shrinkage points of defective products can be avoided even when using injection molding or extrusion molding.

Die Erzeugnisse haben eine hohe Steifigkeit und geringe Lichtverluste.The products have high rigidity and low light losses.

Durch die Erfindung wird die Erzeugung von großen Fresnel-Linsen mit einer Projektionsfläche von mehr als 1 m2 und hohem Lichtsammelvermögen sowie mit hoher Präzision durch äußerst produktive Verfahren wie Spritzgießen ermöglicht, was im Stand der Technik bisher nicht möglich war.The invention enables the production of large Fresnel lenses with a projection area of more than 1 m2 and a high light gathering capacity as well as with high precision made possible by extremely productive processes such as injection molding, which was previously not possible in the prior art.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Fresnel-Linse mit einer geraden Brennlinie; Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Linse; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Fresnel-Linse mit punktförmiger Fokussierung von unten; Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte Linse; Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht aus Fig. 2 bzw. 4.Further advantages and features of the invention emerge from the following Description of exemplary embodiments based on the drawing. In the drawing show: 1 is a perspective view of a Fresnel lens with a straight focal line; FIG. 2 is an enlarged partial view in section through the lens shown in FIG. 1; 3 shows a plan view of a Fresnel lens with point-like focusing from below; FIG. 4 is an enlarged partial view in section through that shown in FIG. 3 Lens; 5 shows an enlarged partial view from FIGS. 2 and 4, respectively.

In den Fig. 1 und 2, die eine Fresnel-Linse mit gerader Brennlinie zeigen, ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Grundplattenteil bezeichnet, der eine vordere Oberfläche 3 zylindrischer Form aufweist; mit dem Bezugs zeichen 2 sind gezackte Zinken oder Einkerbungen bezeichnet, die auf der rückseitigen Oberfläche des Grundplattenteils gebildet sind und durch zwei Ebenen begrenzt sind, z.B. eine Ebene ab und eine weitere Ebene ac, die verschiedene Neigungswinkel mit der vorderen Oberfläche 3 bilden und eng aneinander angrenzend und parallel zueinander angeordnet sind. Die erstere der beiden Ebenen ab, ac ist beinahe senkrecht zu der vorderen Oberfläche 3, während letztere gegenüber dieser verdreht bzw. geneigt ist.In Figs. 1 and 2, a Fresnel lens with a straight focal line show, the reference numeral 1 denotes a base plate part, which is a front Surface 3 has a cylindrical shape; with the reference character 2 are jagged Prongs or notches denoted on the rear surface of the base plate part are formed and by two levels are limited, e.g. one level ab and another plane ac which has different angles of inclination with the front surface 3 form and are arranged closely adjacent and parallel to one another. The former of the two planes ab, ac is almost perpendicular to the anterior surface 3, while the latter is twisted or inclined with respect to this.

Dieser Neigungswinkel wird für die von der Mitte der Linse weiter entfernten Zinken nach und nach größer, und zwar symmetrisch um die Linsenmitte herum. Paralleles Licht, das durch die vordere Oberfläche 3 hindurch eintritt und durchgelassen wird, wird auf einer geraden Brennlinie zusammengeführt. Die Dicke des Grundplattenteils 1 ist mit t bezeichnet, während der Teilungsabstand zwischen den Zinken mit p und die Höhe der Zinken mit h bezeichnet sind.This angle of inclination is continued for from the center of the lens removed prongs gradually larger, symmetrically around the center of the lens hereabouts. Parallel light entering through the front surface 3 and is let through is brought together on a straight focal line. The fat of the base plate part 1 is denoted by t, while the pitch between the tines are marked with p and the height of the tines with h.

Die obige Beschreibung einer Linse mit zylinderförmiger Vorderseite gilt auch für eine Linse mit flacher Vorderseite.The above description of a lens with a cylindrical face also applies to a lens with a flat front.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Fresnel-Linse mit punktförmiger Fokussierung gezeigt; darin bezeichnet das Bezugszeichen 4 den Grundplattenteil, und mit 5 sind die im Schnitt zackenförmigen Einkerbungen oder Zinken bezeichnet. Die vordere Oberfläche 6 des Grundplattenteils 4 ist kugelförmig, und die Zinken 5 sind aus zwei konischen Oberflächen gebildet, die jeweils verschiedene Neigungswinkel in bezug auf die vordere Oberfläche 6 aufweisen, wobei sie konzentrisch eng aneinander angrenzend angeordnet sind. Von diesen zwei konischen Oberflächen ist z.B. die Oberfläche de beinahe senkrecht zu der vorderen Oberfläche 6, während die andere Oberfläche df einen Neigungswinkel mit der vorderen Oberfläche 6 bildet, der von der Mitte der Linse ausgehend mit der Entfernung der Zinken von dieser Mitte progressiv zunimmt. Paralleles Licht, das durch die vordere Oberfläche 6 des Grundplattenteils 4 eintritt, wird an einem Brennpunkt zusammengeführt, nachdem es die Grundplatte 4 und die geneigte Oberfläche df durchdrungen hat. Auch hier ist die Dicke des Grundplattenteils 4 mit t, der Teilungsabstand zwischen den Zinken mit p und die Höhe der Zinken mit h bezeichnet.3 and 4 is a Fresnel lens with point focusing shown; therein the reference numeral 4 denotes the base plate part, and 5 denotes denotes the serrated notches or prongs in section. The front surface 6 of the base plate part 4 is spherical, and the prongs 5 are made of two conical ones Surfaces formed, each having different angles of inclination with respect to the front Have surface 6, wherein they are arranged concentrically closely adjacent to one another are. Of these two conical surfaces, for example, the surface de is almost perpendicular to the front surface 6 while the other surface df has an inclination angle forms with the front surface 6, starting with the center of the lens the distance of the tines from this center increases progressively. Parallel light, that enters through the front surface 6 of the base plate part 4 is at a Focal point merged after it is the base plate 4 and the inclined surface df has penetrated. Here, too, the thickness of the base plate part 4 with t is the pitch between the tines with p and the height of the tines with h.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß bei einer Fresnel-Linse mit gerader Brennlinie ebenso wie bei einer Fresnel-Linse mit punktförmiger Fokussierung bei Herstellung durch Spritzgießen oder Strangpressen folgende Abmessungen für die Dicke, den Teilungsäbstand und die Höhe die besten Ergebnisse liefern: 1. Dicke t der Grundplatte Die Lichtdurchlässigkeit wird zwar besser, wenn die Dicke t geringer wird, eine zu dünne Grundplatte hat jedoch eine geringere Festigkeit, so daß die Beibehaltung einer vorbestimmten geraden Linie oder Kurve durch das Auftreten von Deformierungen oder Schrumpfeffekten verhindert wird. Die kleinste zu verarbeitende Dicke t ist gleich 2 mm. Wenn die Dicke t größer als 6 mm ist, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß eine Schrumpfstelle 7 auf der vorderen Oberfläche der Linse auftritt. Es wird angenommen, daß das synthetische Harz nach dem Einfüllen in eine Metallform an der Oberfläche und im Inneren ungleichmäßig abkühlt. Eine solche Schrumpfstelle oder Markierung beeinflußt die Brechungdes Lichtes und behindert die Fokussierung. Folglich wird dadurch die Qualität der hergestellten Linse verschlechtert. Die Bedingung, daß t größer als 6 mm ist, ist auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ungünstig, weil zu viel Material verbraucht wird. Der bevorzugte Dickenbereich des Grundplattenteils erstreckt sich daher von 2 bis 6 mm, und besonders günstige Abmessungen liegen im Bereich von 2,5 und 4 mm.According to the invention it was found that with a Fresnel lens with straight Focal line as well as a Fresnel lens with point focusing Manufacture by injection molding or extrusion the following dimensions for the thickness, the pitch and the height give the best results: 1. Thickness t of the base plate The light transmittance becomes better as the thickness t becomes smaller, a too thin base plate, however, has a lower strength, so that the retention a predetermined straight line or curve by the occurrence of deformations or shrinkage effects are prevented. The smallest thickness to be processed is t equal to 2 mm. If the thickness t is larger than 6 mm, there is a high possibility that that a shrinkage point 7 occurs on the front surface of the lens. It will assumed that the synthetic resin after filling in a metal mold at the Surface and inside cools unevenly. Such a shrinkage point or Marking affects the refraction of light and hinders focusing. Consequently this will degrade the quality of the lens produced. The condition, that t is greater than 6 mm is also unfavorable from an economic point of view, because too much material is used. The preferred range of thicknesses of the base plate part therefore extends from 2 to 6 mm, and particularly favorable dimensions are in Range of 2.5 and 4 mm.

2. Teilungsabstand p zwischen den Zinken oder Einkerbungen Wenn der Teilungsabstand p im Bereich von 1 bis 6 mm liegt, sind Verarbeitung und Herstellung mittels einer Metallform leicht durchzuführen. Wenn der Teilungsabstand p größer als 6 mm wird, nimmt die Größe der Zinken gleichzeitig mit der Höhe h derselben zu, und gleichzeitig vergrößern sich Schrumpfstellen, die nach dem Ausformen auftreten. Die Schrumpfstellen können eine Form annehmen, die in Fig. 5 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 7 und 8 bezeichnet ist. Je größer das Verhältnis der Höhe h der Zinken zu der Dicke t des Grundplattenteils wird, desto größer werden die Schrumpfstellen. Bei zunehmender Größe der Höhe h der Zinken wird darüber hinaus das Ausformen schwierig.2. Pitch p between the tines or notches If the Pitch p is in the range from 1 to 6 mm, are processing and manufacture by means of a metal mold is easy to perform. When the pitch p becomes larger than 6 mm, the size of the prongs increases simultaneously with the height h of the same to, and at the same time increase shrinkage points that occur after molding. The shrinkage points can assume a shape that is shown in FIG. 5 and with the reference numerals 7 and 8 is denoted. The greater the ratio of the height h the Prongs to the thickness t of the base plate part, the larger the shrinkage points. In addition, as the height h of the prongs increases, molding becomes difficult.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, geht ein Lichtfluß Q zwischen einem Lichtstrahl A, der den Grund des Zinkens erreicht, und einem Lichtstrahl B, der den Scheitel des Zinkens erreicht, verloren, da er nicht fokussiert wird. Wenn derartige Lichtverluste zunehmen, wird das Lichtdurchlaßverhältnis der Linse verschlechtert. Eine größere Höhe h der Zinken führt zu einer Vergrdaerung des verlorenen Lichtflusses Q und einer Verschlechterung des Transmissionsverhältnisses der Linse. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung liegt der Teilungsabstand p der Zinken im Bereich von 1 bis 6 mm, und besonders günstig ist ein Bereich von 2 bis 5 mm. Der günstigste Bereich für den Teilungsabstand p ist von 3 bis 4 mm.As shown in Fig. 5, a light flux Q passes between one Light beam A, which reaches the bottom of the tine, and a light beam B, which reaches the apex of the tine is lost because it is not focused. If such As light loss increases, the light transmission ratio of the lens is deteriorated. A greater height h of the prongs leads to an increase in the lost light flux Q and a deterioration in the transmission ratio of the lens. With preferred Embodiments of the invention, the pitch p of the prongs is in the range from 1 to 6 mm, and a range from 2 to 5 mm is particularly favorable. The cheapest The range for the pitch p is from 3 to 4 mm.

3. Höhe h der Zinken Solange die Höhe h der Zinken kleiner ist als die Dicke t der Grundplatte, wurde gefunden, daß keine Schrumpfstellen auftreten. Wenn die Höhe h der Zinken über 6 mm ansteigt, so nehmen die Lichtverluste übermäßig zu, wie bereits erwähnt wurde, wodurch das Transmissionsverhältnis verschlechtert wird. Die günstigste Bedingung für die Höhe h der Zinken kleiner als oder gleich der Dicke t ist.3. Height h of the tines As long as the height h of the tines is less than the thickness t of the base plate, it was found that no shrinkage points occur. If the height h of the prongs increases over 6 mm, the light losses become excessive to, as already mentioned, whereby the transmission ratio deteriorates will. The most favorable condition for the height h of the prongs is less than or equal to the thickness is t.

Eine erfindungsgemäße Fresnel-Linse wird vorzugsweise durch Spritzgießen nach den folgenden Daten hergestellt: Werkstoff: Acrylharz Projektionsfläche der fertigen Linse: 1,5 m2 Temperatur des Harzes: 2400C Temperatur der Metall form feststehende Form: 650C bewegbare Form: 55 oC Spannkraft der Form: 5 x 107N (5000 t) Spritzdruck Haupt(einspritz)druck: 12500 N/cm2 (1250 kp/cm2) Sekundär(halte- bzw.A Fresnel lens according to the invention is preferably made by injection molding manufactured according to the following data: Material: acrylic resin projection surface of the Finished lens: 1.5 m2 Resin temperature: 2400C Fixed metal mold temperature Mold: 650C movable mold: 55 oC clamping force of the mold: 5 x 107N (5000 t) injection pressure Main (injection) pressure: 12500 N / cm2 (1250 kp / cm2) Secondary (hold or

aushärtungs)druck: 8000 N/cm2 <800 kP/cm2) Zykluszeit Einspritzzeit: 20 s Aushärtzeit: 120 s Zeitabstand: 110 s. curing) pressure: 8000 N / cm2 <800 kP / cm2) cycle time injection time: 20 s curing time: 120 s interval: 110 s.

Claims

Fresnel lens made of translucent synthetic resin PATENTA! PROBLEMS 1. Fresnel lens made of translucent synthetic resin in which a large number of serrated prongs parallel to each other on the rear surface a base plate part is formed, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the thickness t of the base plate part (1, 4) is in the range of 2 to 6 mm that the Pitch spacing p in the range from 1 mm to 6 mm and the height h of the tines (2, 5) is smaller than the thickness t of the base plate part (h <t) and that the prongs (2, 5) are designed so that they are through the front surface (3, 6) of the Base plate part (1, 4) bring incoming light rays together on a focal line.

2. Fresnel lens according to claim 1, characterized in that the The front surface of the base part is a flat surface.

3. Fresnel lens according to claim 1, characterized in that the The front surface of the base plate part (1) is a cylindrical surface.

4. Fresnel lens made of translucent synthetic resin in which A large number of serrated section tines concentric with one another on the rear surface of a base plate part is formed, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the thickness t of the base plate part (4) is in the range of 2 up to 6 mm so that the pitch p of the prongs (5) is in the range from 1 to 6 mm and the height h of the prongs is less than the thickness t of the base plate part (h <t) and that the prongs (5) are designed such that they through the front Surface (6) of the base plate part (4) penetrating light rays to a focal point brings together.

5. Fresnel lens according to claim 4, characterized in that the front surface (6) of the base plate part (4) has a spherical surface is.

6. Fresnel lens according to claim 4, characterized in that the the front surface of the base plate part is a flat surface.

7. Fresnel lens according to claim 1 or 4, characterized in that the thickness t of the base plate part is in the range from 2.5 to 4 mm.

8. Fresnel lens according to claim 1 or 4, characterized in that the pitch p of the prongs is in the range from 2 to 5 mm.

9. Fresnel lens according to claim 1 or 4, characterized in that the pitch p of the tines is between 3 and 4 mm.

10. Fresnel lens according to one of the preceding claims, characterized in that that the translucent synthetic resin is an acrylic resin and the base plate part and the prongs are integrally formed by an injection molding process.

11. Fresnel lens according to one of the preceding claims, characterized in that that their projection surface for use with solar panels is not less than 1 m2 is.