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CN104620140A - 具有可变拔模角的聚光菲涅尔透镜 - Google Patents

具有可变拔模角的聚光菲涅尔透镜 Download PDF

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CN104620140A CN201380046771.8A CN201380046771A CN104620140A CN 104620140 A CN104620140 A CN 104620140A CN 201380046771 A CN201380046771 A CN 201380046771A CN 104620140 A CN104620140 A CN 104620140A
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Abstract

本发明涉及一种菲涅耳透镜和相应的模具，所述透镜包括多个拔模面，其中，拔模面的拔模角具有对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值，特别是其中，对于较靠近所述透镜的或相应所述模具的边缘的拔模面(5002)，与对于较靠近所述透镜的或相应所述模具的中心的拔模面(5001)相比，拔模角较大。

Description

具有可变拔模角的聚光菲涅尔透镜
技术领域
本发明涉及透镜领域。特别地，本发明涉及用于聚光光伏发电机的透镜领域。更具体地，本发明涉及一种菲涅耳透镜和相应的模具，所述透镜包括多个拔模面，其中每个拔模面(draft facet)都具有拔模角(draft angle)。
背景技术
近年来，由于能源价格的不断增涨，特别是化石燃料的价格的不断增涨，人们对可再生能源已显示越来越多的兴趣。可再生能源的一种特别受赞赏的形式在于：通过光伏发电机将太阳光转换成电。光伏发电机胜过其它可再生能源比如风能、潮汐能和生物质能的优点包括以下事实：它不需要运动件从而降低了成本并减少维护，并且它可以安装在尺寸范围从几平方厘米到占地数平方公里的光伏园区的几乎任何地方。
光伏发电机的一种特别有利的形式包括聚光光伏发电机。甚至更具体地，聚光光伏发电机是优选的，因为它们相比于非聚光光伏发电机，降低了材料成本。特别地，太阳光经由至少一个透镜汇聚到一个单元(cell)。以此方式，单元的尺寸可以减小，从而降低实现该单元的必要的与半导体材料和工艺相关联的成本。
通常，在聚光光伏发电机中，使用菲涅耳透镜。菲涅耳透镜胜过标准透镜的优点在于如下事实：它们能利用更薄的表面达到太阳光汇聚的相同值，从而降低了对透镜的空间要求和材料成本。在大多数情况下，菲涅尔透镜是正方形的、或长方形的、并且布置为具有彼此相邻的若干镜头的透镜板(lens plate)。例如，图4示意性地示出用于实现透镜板4000的两个透镜4100和4200的顶视图。特别地，在透镜4200中，多条圆形线图示出菲涅耳透镜的分面(facet)。在透镜4100中，仅表示出其中一些分面，以便于说明。更具体地，透镜4100中的最小图示分面对应于半径R41。对应于半径R42的较大分面连同对应于更大半径R43的分面一起示出。如可见的，仅具有半径小于或等于透镜4100的宽度4001的一半的那些分面达成完整的圆周。这是例如对于具有半径R41和R42的分面的情况。对于一些分面比如具有半径R43的分面，仅圆周的一些部分嵌合(fit)在透镜4100内。嵌合在透镜4100中的最后一个圆周，理想上为嵌合在透镜4100中的具有最大值的半径R44对应的圆周。
图1示意性地示出单个菲涅尔透镜1000的沿透镜的直径截取的截视图。
特别地，菲涅尔透镜1000实现在具有多个透镜部段1100-1600的比如玻璃的或塑料的基底1001上。更具体地，透镜部段1100-1600的每一个都包括：斜坡面(slope facet)和拔模面。例如，关于透镜部段1500，标出了斜坡面1540和拔模面1550。斜坡面和拔模面由它们的角度和长度来限定。更具体地，透镜部段1100-1600的每一个的斜坡面1540具有：参照透镜部段1300的相应斜坡面1540所标出的斜坡角(slopeangle)1341。类似地，透镜部段1100-1600的每一个的拔模面1550具有：参照透镜部段1100的相应拔模面1550所标出的拔模角1151。
斜坡面1540是提供光学功能的分面。在另一方面，使用拔模面1550以达到菲涅耳透镜1000的平坦形状、却不提供光学功能。因此，一般而言，菲涅耳透镜的目标是具有尽可能小的拔模角1151，以减少菲涅耳透镜的不实现任何光学功能的表面，以最大化透镜的效率。
然而，拔模角1151的减小只可能到一定程度。这特别是由于复制成型的(replicated)菲涅尔透镜的制造方法。由于加工成型的(machined)菲涅尔透镜过于昂贵，所以采用较廉价的复制成型菲涅尔透镜的方法。通常，用于实现菲涅尔透镜的第一主结构首先制在金刚石上，从而变成金属基底。该第一主结构然后通过使用电铸(electroforming)而以镍复制。由第一镍复制品，进而制得镍模具以构建完整的生产用具，该生产用具然后用于复制成型的透镜或透镜板的大批量生产中。在此制造方法中的关键工艺步骤是镍模具对的分离。在该步骤中，拔模角1151起着关键作用，因为该角度越小则分离两个镍模具所需的力就越大。这通常意味着该角度不能被减小到零，而必须在菲涅耳透镜的光学效率与透镜本身经由上述工艺的可制造性之间找到最优的最小角度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种菲涅耳透镜和相应的模具，其实现高效率的同时仍提供高水平的可制造性。
本发明可以涉及一种用于菲涅耳透镜的模具，其中，所述模具的拔模面的拔模角具有对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值。本发明还可以涉及一种包括多个拔模面的菲涅尔透镜，其中，拔模面的拔模角具有对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值。本发明还可以涉及一种菲涅耳透镜或用于菲涅尔透镜的模具的制造方法，包括利用对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值而实现所述透镜的或相应所述模具的拔模面的步骤。
这提供的有益优点是：不同角度可用于不同分面，从而使模具/模具分离以及透镜/模具分离更容易。
在一些实施方案中，所述至少两个不同值可以包括对于第一模具或透镜部段的拔模面的拔模角的第一值、以及对于第二模具或透镜部段的拔模面的拔模角的另一个值，其中较靠近所述模具的或所述透镜的中心的模具或透镜部段可以具有对于拔模角的较小值。
这提供的有益优点是：通过较大的拔模角，从而使模具/模具分离以及透镜/模具分离在第二模具或透镜部段上更容易。
在一些实施方案中，所述模具或透镜的第一区域的拔模面的拔模角可以小于所述模具或透镜的第二区域的拔模面的拔模角。
这提供的有益优点是：通过较大的拔模角，从而使模具/模具分离以及透镜/模具分离在第二模具或透镜区域上更容易。
在一些实施方案中，拔模角可以随拔模面的半径的增加而增大。
这提供的有益优点是：随半径增加，分阶段地使模具/模具分离和透镜/模具分离更容易，从而更有利于逐渐更难以分离的拔模面的分离，以便达到在透镜的整个表面上的恒定分离力。
附图说明
现在将使用有利实施方案并参照附图，在下文以示例方式更详细地描述本发明。所描述的实施方案仅是可能的配置，其中单独的特征然而可以如上述地彼此独立地实现、或者可以省略、或者可以在不同实施方案之间进行组合。附图中示出的等同元件设置有相同的附图标记。关于不同附图中示出的等同元件的描述的一些部分可能略去。在附图中：
图1示意性地示出一种恒定节距(pitch)式菲涅耳透镜1000；
图2示意性地示出一种恒定高度式菲涅尔透镜2000；
图3示意性地示出在具有不同于圆形形状的几何形状的菲涅耳透镜的拔模面面积与半径之间的关系；
图4示意性地示出一种包括两个方形菲涅耳透镜的透镜板4000；以及
图5示意性地示出一种根据本发明的实施方案的正方形菲涅尔透镜。
具体实施方式
图1所示菲涅尔透镜1000是一种恒定节距式菲涅耳透镜。特别地，关于透镜部段1600而标出的水平尺度1610，对于透镜部段1100-1600的每一个都是相同的。由于聚焦光线所需的透镜的几何形状，所以当从透镜1000的中心C朝向透镜1000的外周移动时斜坡角1341增大。在恒定节距式菲涅尔透镜中，例如图1所示的透镜1000，透镜部段1100-1600的每一个的高度于是将在远离中心C时增大。特别地，相关于毗邻透镜1000的中心C的透镜部段1100而示出的高度1130，小于参照较远离透镜1000的中心C的透镜部段1300而示出的高度1320。
这种高度的增加导致下述事实：利用上述制造工艺所实现的镍模具较难以在远离中心C的那些透镜区域中分离。特别是，如图1中可见，透镜部段1300的相应拔模面1550比透镜部段1100的相应拔模面1550具有更大的尺寸。较大拔模面的增加的高度致使：在透镜部段1300和1600的区域中，比在较靠近透镜的中心C的透镜部段1100和1200的区域中，更难以在模具之间分离。特别是，对于小拔模角，拔模面1550具有准竖直表面。虽然这样的准垂直表面的分离对于透镜部段1100的拔模面1550可能不会有问题，但它对于透镜部段1300的拔模面1550变得逐渐更困难。
降低远离中心C的透镜部段的拔模面的尺寸的一种可能方法，由图2的菲涅耳透镜2000示出。
更具体地，图2示意性地示出一种恒定高度式菲涅尔透镜2000。对比图1中的透镜1000，菲涅尔透镜2000包括多个透镜部段2100-2800，其每一个都具有相同高度2130。由于菲涅耳透镜的光学功能，如上所述，对于远离透镜的中心C的透镜部段，斜坡角增大，比如示出的透镜部段2300的斜坡角2341大于透镜部段2500的斜坡角2541。这导致：透镜部段2100-2800的水平尺寸当它们远离中心C移动时变得越来越小，如示出的透镜部段2200的水平尺寸2210大于透镜部段2700的水平尺寸2710。
然而，当远离中心C移动时水平尺寸的减小具有下述效果：当朝向透镜的外部移动时，拔模面所占据的透镜表面的百分比增加。特别是，由于拔模角2151不随透镜2000的表面而变化，所以当远离中心C移动时斜坡角2341，2541增大，拔模面所占的透镜2000的水平表面对斜坡面所占的透镜2000的水平表面之间的比率增大，如图2中可见。所以，对于透镜1000，也对于透镜2000，在百分比上，由于相比透镜的中心处而有更多拔模面较靠近透镜边缘，所以模具的分离在透镜侧边比在中心处更困难，这对于小拔模角尤其是如此。
图3示意性地示出：拔模面的水平尺寸(Y轴上)与菲涅尔透镜1000或2000的透镜半径(X轴上)之间的关系。X轴上的线3002表示与透镜的最后一个完整圆周相对应的半径的值，该透镜具有不同于圆形形状的几何形状，特别是正方形或六边形形状，但不限于此。正方形形状的菲涅尔透镜示于图4，其中线3002对应于半径R42。如可见到的，在对应于菲涅耳透镜的圆形形状部分的区域3003中(在该区域中半径具有低于线3002的值)，在拔模面所占据的面积与对应分面的半径之间存在大致递增的相关性，如点3001标出。在另一方面，在其中半径的值高于线3002的区域3004中(线3002例如对应于图4的半径R43)，在半径的值与拔模面所占据的透镜面积之间存在大致递减的关系。这可以通过注意下述事实而解释：虽然半径R43大于半径R41，这将导致较大的面积，但是对应于半径R43的拔模面的面积可以小于对应于半径R41的拔模面的面积，因为如图4所示，半径R43的拔模面并不在整个圆周而只在它的一部分上延伸。在极限处，半径R44相对应的圆周，虽然是透镜4100所包含的最大圆周，却具有拔模面积的最低量，如点3005所示，因为仅透镜4100的角部处的四个理想点包括在具有半径R44的圆周中。
本发明利用这种关系从而提供一种具有高效率和高水平可制造性的菲涅耳透镜。特别是，在本发明中，拔模角1151，2151沿透镜的整个表面不是恒定的，而是对于透镜部段1100-1600或2100-2800的每一个都具有至少两个值。更具体地说，在本发明的实施方案中，当远离菲涅耳透镜的中心C并朝向透镜的周边移动时，拔模角从第一值增加到至少第二值。
图5示意性地示出根据本发明的一个实施方案的菲涅尔透镜5000的顶视图。为便于表示，分面没有示出。如图5中可见到的，菲涅耳透镜5000具有横向尺寸5004。关于图4的菲涅耳透镜，分面将具有仅达到特定半径的完整圆周，该特定半径对应于半径R51。而具有高于此值的半径(比如半径R52和R53)的分面，将仅包括透镜5000的正方形形状内的圆周的一部分。在本实施方案中，在透镜5000的具有小于半径R51的半径的区域即区域5001中所包括的分面，具有对于拔模角的第一值，例如2°。这提供透镜的高效率，因为拔模面所占据的面积由于拔模角的相当小的值而减小。当进一步朝向边缘移动时，在区域5002中(在该区域中分面具有包括在半径R51与半径R52之间的半径),拔模角增加例如到3°的值，从而提供单元的更简易的可制造性，因为角度在透镜外部增大，而在该处镍板的分离通常更为困难。更进一步地，对于具有大于半径R52而达到半径R53的值的半径的分面，对应于区域5003，拔模角进一步增加例如到5°的值，从而进一步简化在镍模具的分离期间在最关键区域中透镜的可制造性。拔模角的增加另一方面对透镜的效率有抑制的影响(contained impact)，缘由是高于半径R52的分面的拔模面积相当低，如图3所示。
虽然以上实施方案已经是用对于拔模角的三个值进行了描述，但本发明不限于此。特别是，可采用任何数量的拔模角的值，从低至两个值到对于每个分面的连续变化值。特别是，本发明可以通过在透镜的周边设置甚至只是单个分面而实施，而该透镜的周边的该单个分面相比较靠近透镜的中心的分面具有更大的拔模角。作为进一步的示例性实施方案，区域5002和5003可具有相同的拔模角，其大于区域5001的拔模角。或者，区域5002和5001可具有相同的拔模角，其小于区域5003的拔模角。又或者，对于从对应半径R51的分面起始的、或甚至从菲涅耳透镜的中心的分面起始的每个分面，拔模角可以逐步增大。
对于本领域技术人员清楚的是，尽管以上已作出的描述是关于透镜的，然而同样的理念也可应用至成型透镜的模具。因此，可以将以上所述应用到用于菲涅尔透镜的模具，这因此也是本发明的实施方案。
虽然已经参考了与金刚石加工和随后的镍模具电铸有关的特定制造方法，但本发明不限于此，并且可以独立于模具的材料、以及独立于模具是否是电铸的、浇铸成型的等情况而实施。只要需要将透镜与另一透镜分离或与模具分离，或者只要需要将模具与另一模具分离，本发明就可以实施，以使分离步骤更简易，同时仍提供高效的透镜。
另外，本发明可以在固定节距式透镜(例如透镜1000)和固定高度式透镜(例如透镜2000)两者上以及它们的任意组合上实施。例如，透镜可以是直到特定半径都是固定节距式的，并且从该半径往前为固定高度式的。

Claims (10)

1.一种用于菲涅耳透镜(1000，2000)的模具，其中，所述模具的拔模面(1550)的拔模角(1151，2151)具有对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值。
2.根据权利要求1所述的模具，其中，所述至少两个不同值包括对于第一模具部段(1100，1200)的拔模面的拔模角的第一值、以及对于第二模具部段(1300，1600)的拔模面的拔模角的另一个值，其中较靠近所述模具的中心(C)的模具部段具有对于拔模角的较小值。
3.根据权利要求1或2所述的模具，其中，所述模具的第一区域(5001)的拔模面的拔模角小于所述模具的第二区域(5002)的拔模面的拔模角。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的模具，其中，所述拔模角随拔模面的半径的增加而增大。
5.一种包括多个拔模面(1550)的菲涅尔透镜，其中，拔模面的拔模角(1151，2151)具有对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值。
6.根据权利要求5所述的透镜，其中，所述菲涅尔透镜是一种固定高度式透镜或固定节距式透镜。
7.根据权利要求5或6所述的透镜，其中，所述至少两个不同值包括对于第一透镜部段(1100，1200)的拔模面的拔模角的第一值、以及对于第二透镜部段(1300，1600)的拔模面的拔模角的另一个值，其中较靠近所述透镜的中心(C)的透镜部段具有对于拔模角的较小值。
8.根据权利要求5至7的任一项所述的透镜，其中，所述透镜的第一区域(5001)的拔模面的拔模角小于所述透镜的第二区域(5002)的拔模面的拔模角。
9.根据权利要求5至8的任一项所述的透镜，其中，所述拔模角随拔模面的半径的增加而增大。
10.一种菲涅耳透镜或用于菲涅尔透镜的模具的制造方法，包括利用对于两个不同拔模面的至少两个不同角度值而实现所述透镜的或相应所述模具的拔模面的步骤。
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