一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法
2023-09-12 15:18:10
專利名稱：一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法
技術領域：
本發明涉及非成像光學系統設計領域，更具體的說涉及一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法，其可獲得光強均勻分布的方形會聚光斑。
背景技術：
聚光光伏電熱綜合利用是高效利用太陽能的一種重要的新技術途徑。與光伏發電或光熱發電相比，這種電熱聯供技術的特點在於高效率地綜合利用太陽能，它在一些重要場合(如邊疆及海島哨所、機場、海上船艦、無電村、偏遠地區等)的應用具有不可替代的優勢。國內外聚光光伏發電技術的研究及產業化與電站工程建設已有不少案例，聚光光熱發電技術及電站示範工程的也有不少報導。但是這兩類技術的實際太陽能利用效率都在30%以內。
美國的Solergy Inc提出了用玻璃菲涅爾透鏡作為主聚光鏡的折射型聚光光伏電熱綜合利用系統，聲稱該系統的太陽能綜合利用效率可達75%。但是這種電熱聯供系統每個單元聚光系統所能積聚的熱量有限，利用它可以產生的熱水溫度不高。解決這個問題的途徑是採用大口徑反射聚光鏡以便在光伏發電的同時能夠更集中地產生熱量。以色列的ZenithSolar,澳大利亞的Solar System Technology研發了採用蝶式反射型聚光鏡的光伏電熱綜合利用系統，並在以色列、澳大利亞和義大利等地安裝了光伏電熱聯供熱系統。這幾家公司聲稱該系統的太陽能綜合利用效率可達72%。多數光伏電熱聯供系統採用蝶式玻璃反射聚光鏡，在列陣接收器組件上獲得聚焦光強的均勻分布是光伏電熱聯供系統的關鍵技術之一。早期通常採用由較小方形平面反射鏡列陣來構成蝶式大口徑反射聚光鏡，這種技術可以獲得均勻光斑但是隨著小鏡子的數量增加，裝配與調校困難也越大。另一個途徑是採用一種特殊設計的自由曲面反射聚光鏡，這種技術途徑也會隨著口徑的增大，在生產中曲面面形精度的控制以及量產一致性的保障也越為困難。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，可應用於聚光光伏電熱聯產系統，並具有裝配調校方便以及批量化生產時一致形佳的特點。為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其中，包括反射鏡體，該反射鏡體的面光側具有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋，每一螺紋都具有朝向圓心一側的傾斜反射面，該菲涅爾反射聚光鏡根據通光孔徑、工作距和幾何聚光比調整傾斜反射面的傾角、螺紋的螺紋距和高度以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。進一步，該反射鏡體採用高分子聚合物經模壓或輥壓一次加工成型。進一步，該高分子聚合物選自有機玻璃或光學塑料。
進一步，該菲涅爾反射聚光鏡還包括鍍設在反射鏡體面光側上的金屬反射膜。進一步，該菲涅爾反射聚光鏡還包括表面保護層和底面支撐層，該表面保護層位於反射鏡體的面光側，該底面支撐層位於反射鏡體的背光側，該表面保護層、反射鏡體和底面支撐層通過裝配結構形成一密封體。進一步，該表面保護層與反射鏡體之間的空腔呈真空狀態或充滿有惰性氣體。進一步，該表面保護層的上下表面均形成有減反射膜。本發明的另一目的在於提供一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡的製造方法，其中，包括如下步驟:
①製造菲涅爾反射聚光鏡的母模具；
②使用模壓或輥壓工藝在厚度均勻的高分子聚合物薄板上，用上述母模具加工出帶有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布多個螺紋的反射鏡體；
③用真空鍍膜或磁控濺射的鍍膜工藝在反射鏡體的面光側上鍍置一層金屬反射膜；
④將帶有金屬反射膜的反射鏡體的背光側固定在底面支撐層上，再用一雙面均鍍有減反射膜的表面保護層蓋在反射鏡體的面光側上，再經裝配後形成一個密封體。進一步，該步驟④中的裝配是指先採用厚度大於反射鏡體的墊片將表面保護層與反射鏡體隔開，然後在四周用鋁邊框固定並密封。進一步，該製造方法還包括位於步驟④之後:
⑤對表面保護層與反射鏡體之間的空腔抽真空或者充惰性氣體。
·
採用上述結構後，本發明涉及一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法，其通過在反射鏡體的面光側設置有同心且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋，且每個螺紋都具有朝向圓心一側的傾斜反射面，如此可以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。另外，由於該反射鏡體採用一次加工成型，以及還包括表面保護層和底面支撐層並一起形成一個密封體，如此其可以實現高效率的產業化與量產化，由於是採用母模具一次加工而成，只要母模具設置好，其批量化生產的光學性能以及結構均穩定可靠。本發明還具有易於保潔和維護的功效。
圖1為菲涅爾反射聚光鏡在平行光入射時會聚光路的示意 圖2為本發明中反射鏡體對光線進行反射時的示意 圖3為本發明中反射鏡體的一個螺紋對入射光線的擋光示意 圖4為本發明涉及菲涅爾反射聚光鏡組件的結構示意圖。圖中:
反射鏡體I螺紋11
傾斜反射面12金屬反射膜 13
表面保護層2減反射膜21
底面支撐層3。
具體實施方式
為了進一步解釋本發明的技術方案，下面通過具體實施例來對本發明進行詳細闡述。如圖1所示，其為典型的非成像菲涅爾反射聚光鏡，其產生的會聚光斑位於反射鏡體的光軸上，平行於光軸入射的太陽光經過菲涅爾反射聚光鏡後會聚到反射鏡的非成像接收面上，該接收面離開菲涅爾反射鏡平面一定的工作距處。與自由曲面玻璃反射聚光鏡相比，這種反射聚光鏡具有光學性能高，結構穩定，易於保潔，成本較低的特點。如圖2至圖4所示，本發明涉及的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，包括反射鏡體1，該反射鏡體I的面光側具有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋11，每一螺紋11都具有朝向圓心一側的傾斜反射面12，該菲涅爾反射聚光鏡根據通光孔徑、工作距和幾何聚光比調整傾斜反射面12的傾角、螺紋11的螺紋距和高度以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。具體地，該大口徑是指直徑為500mm以上。對於該反射鏡體1，其是採用高分子聚合物經模壓或輥壓一次加工成型，該高分子聚合物需具有良好的模壓特性、光學緻密性以及穩定性，該高分子聚合物具體可以選自有機玻璃或光學塑料。為了提高反射量，以增加整個聚光鏡對太陽光的利用率，該菲涅爾反射聚光鏡還包括鍍設在反射鏡體I面光側上的金屬反射膜13。如圖2所示，強度均勻的平行光入射到邊長為D的方形菲涅爾反射聚光鏡上，在距離反射鏡體I 一定工作距WD的接收面上會聚形成一個邊長為d的方形光斑，該聚焦光斑的大小d由具體的非成像應用系統的幾何聚光比要求來決定。當然對於該會聚光斑，其也可以是圓形或者一維線性，具體可以根據實際情況而做出調整。為獲得光強均勻的會聚光斑，任意一個鋸齒面，即螺紋11的傾斜反射面12上的入射光線位置Y到達接收器面上的相應位置I由以下公式來確定:
y=Y (d/D)......(I)` 所述反射鏡體I的任意一個螺紋11傾斜反射面12的傾斜角度α由以下公式來計算: tan(2α) = (Y-y)/ffD......(2)
根據反射鏡體I的實際設計要求及模具加工技術與工藝條件來選擇反射鏡體I的螺紋間距P或高度，即鋸齒高h。一旦確定了通光孔徑D，幾何聚光比Cg=(D/d)2，工作距WD，以及菲涅爾螺紋間距P，即可由以上兩個公式計算出每個螺紋的位置Yi及鋸齒的傾角參數α」而鋸齒高度h=PXTan( α )。所述菲涅爾反射聚光鏡的光學效率除了由金屬反射膜13的反射率決定外，還取決於反射鏡的通光孔徑D、工作距WD的選擇以及反射鏡體I中的每個螺紋11傾斜反射面12的傾角。如圖3所示,入射到一個螺紋11傾斜反射面12上的光線有一部分L=hsin(2a )在反射時被下一個鋸齒高部擋住，當會聚光斑減小為零時，反射鏡體I的非成像接收平面與成像聚焦平面重合，這裡的工作距WD等於反射聚光鏡的焦距f。其中，β=2α，A=2hsin(a ), L=hsin(P), a為傾斜角，h為齒高，Δ為損失區域。根據上述方法可以設計計算出所述非成像菲涅爾反射聚光鏡的初始結構。為了獲得滿足會聚光斑的均勻性及光學效率的要求，還需要對反射鏡的參數(如螺距P及角度a )進行最後的優化設計。
如圖4所示，該菲涅爾反射聚光鏡還包括表面保護層2和底面支撐層3，該表面保護層2位於反射鏡體I的面光側，該底面支撐層3位於反射鏡體I的背光側，該表面保護層
2、反射鏡體I和底面支撐層3通過裝配結構形成一密封體。優選地，該表面保護層2的上下表面均形成有減反射膜21，而該表面保護層2與反射鏡體I之間的空腔呈真空狀態或充滿有惰性氣體。如此使得本發明對太陽光的利用效率更高，並且還具有易於保潔和維護的功效。本發明還提供一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡的製造方法，包括如下步驟:
①製造菲涅爾反射聚光鏡的母模具；其具體是根據非成像菲涅爾反射聚光鏡的光學設計採用精密模具加工技術來製造該母模具；
②使用模壓或輥壓工藝在厚度均勻的高分子聚合物薄板上，用上述母模具加工出帶有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布多個螺紋11的反射鏡體I ;該高分子聚合物薄板具有一定厚度，具體為2mm;
③用真空鍍膜或磁控濺射的鍍膜工藝在反射鏡體I的面光側上鍍置一層金屬反射膜13，具體該金屬反射膜13還包括一增強附著力的過渡層以及對金屬反射膜13進行保護的保護層；
④將帶有金屬反射膜13的反射鏡體I的背光側固定在底面支撐層3上，具體是採用膠水粘接的方式進行固定，該底面支撐層3具體採用的為鋼化玻璃，其尺寸與反射鏡體I相同；再用一雙面均鍍有減反射膜21的表面保護層2蓋在反射鏡體I的面光側上，再經裝配後形成一個密封體，即形成了兩塊鋼化玻璃把反射鏡體I夾在中間的Glass-Polymer-Glass (GPG)密封的中間夾層反射聚光鏡組件。具體地在本實施例中，該表面保護層2為超白鋼化玻璃。
其中，上述裝配是指先採用厚度大於反射鏡體I的墊片將表面保護層2與反射鏡體I隔開，然後在四周用鋁邊框固定並密封；該墊片的厚度為2.1_，如此可以起到避免表面保護層2壓壞反射鏡體I的鋸齒結構。另外，該製造方法還包括位於步驟④之後:步驟⑤，對表面保護層2與反射鏡體I之間的空腔抽真空或者充惰性氣體，從而提高整個菲涅爾反射聚光鏡的使用壽命和可靠性。綜上所述，本發明涉及一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法，其通過在反射鏡體I的面光側設置有同心且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋11，且每個螺紋11都具有朝向圓心一側的傾斜反射面12，如此可以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。另外，由於該反射鏡體I採用一次加工成型，以及還包括表面保護層2和底面支撐層3並一起形成一個密封體，如此其可以實現高效率的產業化與量產化，由於是採用母模具一次加工而成，只要母模具設置好，其批量化生產的光學性能以及結構均穩定可靠。。上述實施例和圖式並非限定本發明的產品形態和式樣，任何所屬技術領域的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明的專利範疇。
權利要求
1.一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，包括反射鏡體，該反射鏡體的面光側具有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋，每一螺紋都具有朝向圓心一側的傾斜反射面，該菲涅爾反射聚光鏡根據通光孔徑、工作距和幾何聚光比調整傾斜反射面的傾角、螺紋的螺紋距和高度以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。
2.如權利要求1所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該反射鏡體採 用高分子聚合物經模壓或輥壓一次加工成型。
3.如權利要求2所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該高分子聚合物選自有機玻璃或光學塑料。
4.如權利要求1所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該菲涅爾反射聚光鏡還包括鍍設在反射鏡體面光側上的金屬反射膜。
5.如權利要求1所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該菲涅爾反射聚光鏡還包括表面保護層和底面支撐層，該表面保護層位於反射鏡體的面光側，該底面支撐層位於反射鏡體的背光側，該表面保護層、反射鏡體和底面支撐層通過裝配結構形成一密封體。
6.如權利要求5所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該表面保護層與反射鏡體之間的空腔呈真空狀態或充滿有惰性氣體。
7.如權利要求5所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡，其特徵在於，該表面保護層的上下表面均形成有減反射膜。
8.一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟: ①製造菲涅爾反射聚光鏡的母模具； ②使用模壓或輥壓工藝在厚度均勻的高分子聚合物薄板上，用上述母模具加工出帶有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布多個螺紋的反射鏡體； ③用真空鍍膜或磁控濺射的鍍膜工藝在反射鏡體的面光側上鍍置一層金屬反射膜； ④將帶有金屬反射膜的反射鏡體的背光側固定在底面支撐層上，再用一雙面均鍍有減反射膜的表面保護層蓋在反射鏡體的面光側上，再經裝配後形成一個密封體。
9.如權利要求8所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡的製造方法，其特徵在於，該步驟④中的裝配是指先採用厚度大於反射鏡體的墊片將表面保護層與反射鏡體隔開，然後在四周用鋁邊框固定並密封。
10.如權利要求8所述的一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡的製造方法，其特徵在於，該製造方法還包括位於步驟④之後: ⑤對表面保護層與反射鏡體之間的空腔抽真空或者充惰性氣體。
全文摘要
本發明公開一種大口徑非成像菲涅爾反射聚光鏡及其製造方法，該菲涅爾反射聚光鏡包括反射鏡體，該反射鏡體的面光側具有同心設置且斷面呈鋸齒狀排布的多個螺紋，每一螺紋都具有朝向圓心一側的傾斜反射面，該菲涅爾反射聚光鏡根據通光孔徑、工作距和幾何聚光比調整傾斜反射面的傾角、螺紋的螺紋距和高度以形成光強均勻分布且匹配於接收面的會聚光斑。由於該反射鏡體可以採用一次加工成型，以及還可包括表面保護層和底面支撐層並一起形成一個密封體，如此其可以實現高效率的產業化與量產化，由於是採用母模具一次加工而成，只要母模具設置好，其批量化生產的光學性能以及結構均穩定可靠；另外，本發明還具有易於保潔和維護的功效。
文檔編號G02B19/00GK103235402SQ201310137398
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者廖廷俤, 黃啟祿, 李鵬 申請人:日芯光伏科技有限公司