DE112012003428T5

DE112012003428T5 - Verfahren zum Formen optimierter Linsen und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE112012003428T5
Application number: DE112012003428.7T
Authority: DE
Inventors: Arthur J. Davis; Steve Scott
Original assignee: Orafol Americas Inc
Current assignee: Orafol Americas Inc
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2014-07-03
Also published as: US20140196762A1; JP2014520286A; WO2012174448A3; CN103703675A; WO2012174448A2

Abstract

Diese Technologie bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Herstellung von Linsen mit hohem Leistungsvermögen, insbesondere Linsen enthaltend eine ersten Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche des Glasträgers. Die Verfahren enthalten das Identifizieren geometrischer Fehler in den Schräg- und Steilfacetten, um Korrekturfaktoren zu schaffen, und das Formen korrigierter Schräg- und Steilfacetten auf der Grundlage der Korrekturfaktoren. Diese Technologie bezieht sich auch auf die sich ergebenden Linsen und Linsenanordnungen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/498 288, die am 17 Juni 2011 eingereicht wurde und die hier in ihrer Gesamtheit einbezogen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Technologie bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Herstellung von Linsen, und insbesondere auf die Herstellung von Silikon-auf-Glas-Fresnellinsen mit hohem Leistungsvermögen. Diese Technologie bezieht sich auch auf die erhaltenen Linsen und Linsenanordnungen.
HINTERGRUND
Die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen ist kritisch für die erhöhte Verbreitung, die zu der nachfolgenden Herabsetzung von Treibhausgasemissionen führt. Dieses Problem wurde noch dringender, da Länder alternative saubere Energiequellen suchen. Jedoch muss dies bei wettbewerbsfähigen Kosten mit Bezug auf andere Energiequellen erreicht werden. Eine Lösung, die an Gewicht gewinnt, ist der Zweig von Solarenergie, der als Konzentrator-Photovoltaik (CPV) und konzentrierte Solarenergie (CSP) bekannt ist, bei dem die Kostenverringerung abgeleitet wird durch aus dem Ersetzen von ineffizientem Photovoltaik(PV)-Zellenmaterial durch kostengünstigere optische Systeme. Eine typische Vorrichtung mit konzentrierter Photovoltaik (CPV) enthält eine Linsenanordnung, die so positioniert ist, dass sie Solarenergie auf eine entsprechende Anordnung von Photovoltaikzellen für die Erzeugung von Elektrizität fokussiert. Typischerweise ist die Linse, die zum Konzentrieren des Sonnenlichts auf die Fotozelle verwendet wird, eine Fresnellinse, die ein Substrat oder einen Träger und eine optische Fresnelstruktur aufweist. Die optische Fresnelstruktur enthält eine Vielzahl von Prismenfacetten unter vorgeschriebenen Winkeln.
Die 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, das aus Glas als einem Träger und einer Silikonschicht (oder anderen flexiblen, hochdurchlässigen und UV-stabilen Polymeren) besteht, wobei die Fresnelstruktur auf die Unterseite oder die Seite zu der Fotozelle hin gegossen ist. Somit ist bei diesen SOG-Primäroptiken der Glasträger der Witterungsseite 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 bei Solarpanelen/-modulen, da sie nur eine sehr dünne Silikonschicht benötigen und sehr dauerhaft sind, und widerstandsfähig gegenüber Wasser, extremen Temperaturen und anderen Umweltfaktoren sind.
Das Glas 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 nachfolgend erläutert wird, kann dieser Unterschied zu Herstellungsproblemen führen.
Die Fresnellinse wird durch thermisches Härten des Silikons bei einer erhöhten Temperatur hergestellt. Bei der Härtungstemperatur hat das Glas größere Abmessungen als bei der Umgebungstemperatur. Wenn die Fresnellinse zurück zur Umgebungstemperatur gebracht wird, weicht die Fresnelstruktur in dem Silikon von der Gestalt der Form ab aufgrund unterschiedlicher Schrumpfungsraten des Glases und des Silikons. Das Glas hat schließlich eine geringe Zugbeanspruchung durch die Festigkeit der Materialzusammensetzung, und das Silikon hat einen höheren Wert von Kompressionsbeanspruchung, wodurch sich Abweichungen von den optischen Entwurfswerten ergeben, die zu einer leichten Krümmung der Schrägen führen. Diese Änderung der Abmessungen bewirkt Beanspruchung in den Facetten der Fresnelstruktur in dem Silikon, wodurch bewirkt wird, 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, was zu Verlusten des optischen Wirkungsgrads führt.
Daher besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Herstellen einer Linse, das die Abweichungen von dem optischen Entwurf, die als ein Ergebnis der typischen Herstellungs- und Härtungsvorgänge auftreten, kompensiert. Es besteht auch das Bedürfnis, eine Linse vorzusehen, die nicht unter der Verschlechterung des Leistungsvermögens nach dem Stand der Technik leidet. Diese Technologie ist darauf gerichtet, diese und andere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Technologie bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Linse. Dieses Verfahren enthält das Vorsehen eines ersten Glasträgers, das Vorsehen einer ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht auf einer Oberfläche des ersten Glasträgers, das Bilden einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht, das Identifizieren geometrischer Fehler in der einen oder mehr Schrägfacetten und der einen oder mehr Steilfacetten der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht, um Korrekturfaktoren zu schaffen, und das Bilden einer oder mehr korrigierter Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche einer zweiten zumindest teilweise durchlässigen Schicht auf einer Oberfläche eines zweiten Glasträgers auf der Grundlage der Korrekturfaktoren.
Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf eine durch das vorbeschriebene Verfahren hergestellte Linse. Die Linse weist einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht auf einer Oberfläche des Glasträgers auf, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche hiervon hat. Die eine oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, sind korrigierte Schräg- und Steilfacetten, die auf der Grundlage von Korrekturfaktoren gebildet sind, die durch geometrische Fehler, die in Facetten einer Linsenstruktur identifiziert sind, bestimmt sind.
Diese Technologie bezieht sich weiterhin auf ein System, enthaltend eine Anordnung von hier beschriebenen Linsen 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.
Bei einem typischen optischen Silikon-auf-Glas-Produkt sind die Schräg- und Steilfacetten-Schnittstellen optischen Struktur als Täler in dem 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 Werkzeugs, das zur Bildung der Linse verwendet wird, aufgrund von Beanspruchungsverformung. Zusätzlich führen geometrische Fehler, die sich aus Ungenauigkeiten des zur Herstellung der Linse verwendeten Werkzeugs ergeben, und Werkzeugreproduktionsfehler zu Abweichungen von dem optischen Entwurf und zu einer Verschlechterung des Leistungsvermögens. Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen vermeiden diese geometrischen Fehler in den Facetten der Linse.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist funktionelles Blockschaltbild, das ein Verfahren zum Herstellen einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technologie;
3 zeigt die Verformung der Schräge einer Prismenfacette einer Fresnellinse gemäß einem Keilprofil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Diagramm, das den Brechungsindex bei verschiedenen Temperaturen für ein beispielhaftes Silikonmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Technologie bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen einer Linse und Vorrichtungen hierfür.
In 1 wird ein Verfahren 10 zum Herstellen einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Technologie illustriert. Die Linse kann eine Fresnellinse sein, die eine Vielzahl von Prismenfacetten aufweist, einschließlich einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, wie beispielsweise in 2 gezeigt ist. Durch diese Technologie werden optimierte Linsen mit hohem Leistungsvermögen hergestellt, die durch Werkzeugungenauigkeiten, Werkzeugreproduktionsfehler und die fehlende Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasträger und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht, die Änderungen der Abmessungen aufgrund unterschiedlichen Raten der thermischen Ausdehnung des Glases und der zumindest teilweise durchlässigen Schicht bewirkt, kompensieren.
Im Schritt 12 wird ein Original zum Formen einer optischen Struktur in einer Linse unter Verwendung eines Maschinenwerkzeugs gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Original mit einem Maschinenwerkzeug bearbeitet für die Ausbildung von Schräg- und Steilfacetten in einer Linse. Das Original kann gebildet werden unter Verwendung eines Einzelpunkt-Diamantenschneidwerkzeugs, obgleich ein unter Verwendung anderer Schneidwerkzeuge gebildetes Original verwendet werden kann. Das Original kann Schräg- und Steilfacetten enthalten, die vorgeschrieben sind, um die gewünschte Konzentrationsfunktion durchzuführen. Geeignete Materialien für das Original enthalten, jedoch nicht beschränkt hierauf, Messing, Aluminium, Nickel mit hohem Phosphorgehalt und Polymere.
Im Schritt 12 werden die theoretischen Abmessungen und die Form der Schrägfacetten und Steilfacetten der Linse berechnet auf der Grundlage der gewünschten Eigenschaften der Linse. Das Maschinenwerkzeug wird dann unter Verwendung dieser Berechnungen programmiert und das Original wird bearbeitet. Software zum Erreichen des optischen Entwurfs der Schräg- und Steilfacetten kann maßgeschneidert sein. Nach der Bearbeitung kann das Original reproduziert werden, so dass es verwendet werden kann, um die gewünschte optische Struktur zu bilden. Techniken zum Reproduzieren des Originals enthalten das Elektroformen, das beispielsweise im US-Patent Nr. 4 501 646 beschrieben ist, das hier in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Bei einem Aspekt dieser Technologie kann das Original unter Verwendung eines Hochgenauigkeits-Maschinenwerkzeugs gebildet werden, wie einem Einzelpunkt-Diamantwerkzeug, was ein Original mit weniger als zwei Mikron Spitzen- und Talabrundung oder Abnutzung aufgrund der Schneidkräfte ergibt. Dies ermöglicht die Bildung von scharfen Spitzen und Tälern, was zu einer Linse mit höherem Leistungsvermögen führt. Das Maschinenwerkzeug kann eine hohe strukturelle Steifheit, hohe Positionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit der Dreh- und Translationsachsen sowie eine reichliche Vibrationsisolierung haben.
Beispiele für Maschinenwerkzeuge mit der erforderlichen Steifheit enthalten die von Ametek hergestellte Einzelpunktdiamant-Drehbank Nanoform 250. Die hydrostatischen Gleitstücke und luftgelagerte Arbeitshaltespindel sind ausgebildet, optische Strukturen in Metall wie Fresnellinsen-Originale herzustellen. Diese Maschinenwerkzeuge verwendet optische Codierer hoher Auflösung (0,016 Mikrometer-Rückführungsauflösung), um eine Rückkopplung vorzusehen, die Bewegungen der Achsen im Submikronbereich ermöglichen. Diese Maschinen sind mit hydrostatischen Gleitstücken hergestellt, die eine Geradlinigkeit der Bewegung im 10-Mikrometerbereich über ihre volle Bewegungslänge und Steifheit haben. Die Drehgenauigkeit ist in dem 2-Bogensekundenbereich, der auch erforderlich ist für die Bearbeitung von Fresnellinsen-Originalen. Die Drehachsen haben eine Steifheit von 225 und 600 Newton/Mikron für die radiale bzw. axiale Steifheit. Die Vibrationsisolierung wird erreicht durch eine Kombination von Massedämpfung durch Verwendung einer Granitbasis und aktiven Isolatoren, die das Maschinenwerkzeug tragen.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Original gebildet, um Schrägfacetten zu erzeugen, die eine glatte Oberfläche oder eine Oberfläche mit niedrigem quadratischem Mittel (RMS) hat, um eine Streuung von Licht von den reflektierenden Oberflächen zu vermeiden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Oberflächenglätte für die Schrägfacetten von weniger als 5 Ångstrom RMS vorgesehen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine Oberflächenglätte für die Schrägfacetten von weniger als drei Ångström RMS vorgesehen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Schneidtechnik zum Bearbeiten des Originals das Setzen einer Diamantwerkzeugfläche parallel zu dem Substrat des Originals und dann das Drehen dieser Oberfläche um den vorgeschriebenen Winkel auf jeder aufeinanderfolgenden Fläche. Wie vorstehend beschrieben ist, kann der optische Entwurf für die Schräg- und Steilfacetten in den Maschinencode programmiert sein. Die optische Vorschrift für die Oberfläche einer Fresnellinse mit geradliniger Schräge ist eine Definition des Winkels jeder Facette an einem gegebenen Ort auf der Oberfläche der Linse. Die Fähigkeit zum Bearbeiten dieser Vorschrift in das Original erfordert, dass der Entwurf in den Maschinencode übersetzt wird, so dass jede Nut korrekt positioniert ist und das Diamantwerkzeug in den ordnungsgemäßen Winkel gedreht wird.
Gemäß 1 wird im Schritt 14 das reproduzierte Original verwendet, um eine Linse mit einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die Linse einen Glasträger und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht auf einer Oberfläche des Glasträgers. Das reproduzierte Original wird verwendet, um die eine oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht zu bilden.
Der Glasträger sieht ein Substrat oder einen Träger für die teilweise durchlässige Schicht vor, obgleich andere Materialien auf den Glasträger aufgebracht werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Glasträger eine Dicke von etwa 2,0 mm bis etwa 6,0 mm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex des Glasträgers zwischen etwa 1,515 und etwa 1,519. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Glasträger ein eisenarmes Floatglas mit einem Eisengehalt von weniger als etwa 0,4%. Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Glasträger teilweise wärmeverfestigt durch TVG DIN EN 1863, A2.
Im Schritt 14 wird ein auf den Glasträger zu gießendes Material ausgewählt, um die zumindest teilweise durchlässige Schicht der Linse vorzusehen. Der hier verwendete Begriff ”zumindest teilweise durchlässig” bedeutet ein Material, das zumindest teilweise den Durchgang von Licht durch dieses zulässt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht hochdurchlässig, wobei sie den Durchgang von im Wesentlichen des gesamten Lichts von einer bestimmten Lichtquelle zulässt. Die Lichtquelle kann jede geeignete Lichtquelle enthalten, aber nicht hierauf beschränkt, Sonnenlicht, Lampenlicht und künstliches Licht sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das für die zumindest teilweise durchlässige Schicht ausgewählte Material Silikon, obgleich andere Materialien, wie flexible, hochdurchlässige und UV-stabile Polymere, verwendet werden können. Geeignete zumindest teilweise durchlässige Schichten enthalten, aber nicht beschränkt hierauf, Dow Corning Sylgard 184 oder Äquivalente und optisch klare Einkomponentensilikone.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat das für die zumindest teilweise durchlässige Schicht ausgewählte Material eine Härtungstemperatur, die im Wesentlichen dieselbe ist wie der Betriebstemperaturbereich der Linse. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Härtungstemperatur in dem oder unterhalb des ausgewählten Betriebstemperaturbereichs der Linse. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das ausgewählte Material ein kundenspezifisches Silikon, das bei einer niedrigeren Temperatur schneller aushärtet. Derartige kundenspezifische Silikone können auf der Grundlage der gewünschten Härtungstemperatur und -geschwindigkeit gebildet werden und sind beispielsweise als Loctite 5033 Nuva-Sil Silicone erhältlich.
Bei einem 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 oder längere Wellenlängen haben einen größeren Durchmesser bei dieser nominellen Brennweite (haben minimale Punktdurchmesser, die sich über und unter dieser nominellen Weite befinden). Sekundäre optische Elemente (SOE) können verwendet werden, um die Konzentration der kürzeren und längeren Wellenlängen von Licht zu verbessern. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Fresnellinse eine Mehrbrennpunktausbildung. Mehrere Nutenbänder 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 zum Fokussieren einer assoziierten Wellenlänge herausgearbeitet ist. Dieses Entwurfsverfahren kann Licht nominell zu dem Photovoltaikzellenort oder zu dem SOE-Annahmebereich in einer CPF leiten.
Techniken zum Bilden einer Linse enthaltend eine oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise im US-Patent Nr. 4 170 616 beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit einbezogen wird.
Im Schritt 16 werden das Leistungsvermögen und die Oberflächenform der Facetten von einer oder mehr Linsen, die mit dem reproduzierten Original hergestellt sind, charakterisiert, um Korrekturfaktoren zu identifizieren. Derartige Korrekturfaktoren können auf jeglichen Fehlern in den Abmessungen der Schräg- und Steilfacetten der erzeugten Linse(n) basieren und sind Einstellungen für die Geometrie des optischen Entwurfs auf der Grundlage der gefundenen Fehler.
Die Korrekturfaktoren können auf der Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Maschinenwerkzeugs beruhen. Beispielsweise können die Korrekturfaktoren erzeugt werden auf der Grundlage von Messungen der Geradlinigkeit der Bewegung der Maschinenachsen oder der Drehgenauigkeit und der Positionierungswiederholbarkeit der Achsen. Diese Korrekturfaktoren können verwendet werden, um diese Fehler von der wahren Position oder Drehung der Achse zu kompensieren, um zu bewirken, dass das Teil der Entwurfsvorschrift besser angepasst ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Korrekturfaktoren durch Werkzeugreproduzierbarkeit induzierte Abmessungsänderungen enthalten. Das Original wird durch Elektroformen reproduziert, und dieser Vorgang kann Abmessungsänderungen einführen, die bewirken, dass die Position und der Winkel der Facetten sich gegenüber dem Nominellen ändern. Das Quantifizieren der Änderungen und Verwenden dieser Daten zum Kompensieren des Programms für die Linsenbearbeitung bewirken, dass das endgültige Produkt stärker der optischen Vorschrift gleicht.
Die Korrekturfaktoren können auch durch Polymerverarbeitung induzierte Abmessungsänderungen enthalten. Das Originalwerkzeug wird durch Elektroformen reproduziert, und dann wird die endgültige Optik hergestellt durch Kompressionsformen, Injektionsformen oder Gießen eines Polymers. Alle diese Polymerprozesse haben eine spezifische Materialschrumpfung nach der Bildung der Struktur, die quantifiziert werden kann. Die Kompensation dieser Schrumpfung in die Programmierung der Linsenstruktur bewirkt, dass das endgültige Teil der gewünschten optischen Vorschrift stärker angeglichen wird, und erhöht das Leistungsvermögen des Teils.
Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein beispielhaftes Verfahren entwickelt, das die Verformung der Schräge der Prismenfacette gemäß einem Keilprofil charakterisiert und in 3 illustriert ist. Insbesondere ist die Korrektur definiert als ein Keilprofil und von dem theoretischen schrägen Profil subtrahiert. Das Ergebnis wird dann als die korrigierte Form der schrägen Oberfläche verwendet.
Nachdem die Fehler und Korrekturfaktoren im Schritt 16 bestimmt wurden, wird das Maschinenwerkzeug im Schritt 18 neu programmiert, um die während der Charakterisierung gefundenen Fehler zu kompensieren. Die Software zum Erzielen des optischen Entwurfs kann maßgeschneidert sein, um Korrekturfaktoren für die Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Maschinenwerkzeugs einzubeziehen und für weitere Verarbeitung zu kompensieren.
Im Schritt 20 wird ein zweites Original mit dem neu programmierten Maschinenwerkzeug auf der Grundlage des kompensierten optischen Entwurfs bearbeitet. Das Original kann dann wieder reproduziert werden, wie vorstehend beschrieben ist, und im Schritt 22 wird eine Linse mit hohem Leistungsvermögen erzeugt, die die verschiedenen geometrischen Fehler, die während der Verarbeitung typischerweise erzeugt werden, kompensiert.
Wie in 4 illustriert ist, ist der Brechungsindex von Silikon temperaturabhängig. Die Temperaturabhängigkeit kann auch verwendet werden, um ein Original für eine Linse zu gestalten, für ein optimales Leistungsvermögen bei unterschiedlichen Normalbetriebstemperaturen. Wenn beispielsweise der Betriebstemperaturbereich für eine CPV-Vorrichtung bekannt ist, dann kann die Prismenvorschrift für ein optimales Leistungsvermögen unter Verwendung der Brechungsindexwerte für das Silikon in diesem Bereich zusammengesetzt werden. Verschiedene Härtungstemperaturen oder verschiedene Silikonmaterialien können für verschiedene geografische Orte in Abhängigkeit von der Durchschnittsbetriebstemperatur an diesem Ort verwendet werden.
In 2 ist eine gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Technologie hergestellte Linse 100 illustriert. Die Linse 100 enthält einen Glasträger 102 und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht 104. Dier 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 er für CPV verwendet wird.
Geeignete Abmessungen und Eigenschaften für den Glasträger 102 sind vorstehend beschrieben.
Gemäß 2 ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 angrenzend an die zweiten Oberfläche 108. Der hier verwendete Begriff ”angrenzend” bedeutet, dass der Glasträger und die zumindest teilweise durchlässige Schicht in Kontakt oder nicht in Kontakt sein können, aber zwischen diesen besteht nichts von derselben Art. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 angrenzend an und in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 108.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Silikonschicht. Geeignete zumindest teilweise durchlässige Schichten sind vorstehend beschrieben. 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 er an der Natrium-D-Linie mit einer Wellenlänge von 589 Nanometer und 21°C gemessen wird.
Die zumindest teilweise durchlässige Schicht 104 enthält eine oder mehr Schrägfacetten 110, die durch eine oder mehr Steilfacetten (oder Relieffacetten) 112 miteinander gekoppelt sind. Diese Schräg- und Steilfacetten 110, 112 bilden Facettenspitzen 114 und Facettentäler 116. In 2 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, der Steilwinkel und die Teilung werden bestimmt auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung und der Eigenschaften der Linsenanordnung. 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. Eine typische Teilung oder der Facettenabstand kann konstant oder variabel sein und im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,9 mm liegen.
Bei dem in 2 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 anderen Ausführungsbeispiel sind die Schräg- und Steilfacetten korrigierte Schräg- und Steilfacetten, die mit Korrekturfaktoren gebildet sind, die durch geometrische Fehler bestimmt sind, die durch Charakterisierung der Facetten einer Linsenstruktur unter Verwendung der vorbeschriebenen Verfahren identifiziert wurden.
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 gestaltet sind, um durch die Anordnung von Linsen hindurchgehende Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das System eine CPV-Vorrichtung. Um die Gestaltung der Linse unter Berücksichtigung des vollständigen Sonnenspektrums und der an der Photovoltaikzelle benötigten Gleichförmigkeit weiter zu optimieren, können die sekundären optischen Elemente (SOE) und Reflektoren auch in die CPV-Vorrichtung einbezogen werden.
Wie vorstehend diskutiert ist, können verschiedene Techniken angewendet werden, um die solaren Wellenlängen auf eine Photovoltaikzelle mit einer Fresnellinse zu fokussieren. Diese beispielhafte Technologie ermöglicht, dass solche verschiedenen Techniken optimiert werden, um einen maximalen Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle zu ergeben. Wenn eine punktfokussierende Fresnellinse verwendet wird, hat Licht mit der Entwurfswellenlänge einen minimalen Strahlendurchmesser auf der Photovoltaikzelle. Der Ort der Photovoltaikzelle kann höher oder niedriger eingestellt werden, um den Punkt zu defokussieren und eine gleichförmigere Bestrahlung zu erzielen, und somit den Zellenwirkungsgrad zu erhöhen. Natürlich werden die niedrigeren und höheren Wellenlängen nicht auf denselben Durchmesser fokussiert und müssen als ein Kompromiss ausgeglichen werden auf der Grundlage der Eigenschaften der Photovoltaikzelle, oder sie können alternativ wiedergewonnen werden unter Verwendung einer zusätzlichen Sammeloptik oder SOE. Typische Ausführungsbeispiele für SOE enthalten Glas-TIR-Reflektoren oder auf Metall basierende Reflektoren, die direkt über der Photovoltaikzelle angeordnet sind.
CPV-Vorrichtungen können ein SOE verwenden oder nicht. Einige Vorteile eines SOE enthalten eine erhöhte Toleranz gegenüber Spurfolgefehlern, verbesserte Bestrahlungsgleichförmigkeit auf der Photovoltaikzelle, verbesserten Wirkungsgrad über einen breiten Spektralbereich, ein erhöhtes Konzentrationsverhältnis und einen verbesserten Spielraum für Anordnungstoleranzen. Andererseits erhöht die Hinzufügung eines SOE die Kosten der Vorrichtung, vergrößert die Komplexität der Anordnung und erhöht die Anzahl von Fehlermöglichkeiten.
Nachdem das Grundkonzept der Erfindung beschrieben wurde, ist für den Fachmann offensichtlich, dass die vorstehende detaillierte Offenbarung nur beispielhaft dargestellt werden soll und nicht beschränkend ist. Verschiedene Änderungen, Verbesserungen und Modifikationen sind möglich und für den Fachmann augenscheinlich, obgleich dies hier nicht ausdrücklich festgestellt wird. Diese Änderungen, Verbesserungen und Modifikationen sollen hierdurch einbezogen werden und sind innerhalb des Geistes und des Bereichs der Erfindung. Zusätzlich ist nicht beabsichtigt, dass die zitierte Reihenfolge von Verarbeitungselementen oder Sequenzen, oder die Verwendung von Zahlen, Buchstaben oder anderen Bezeichnungen hierfür die beanspruchten Prozesse auf irgendeine Reihenfolge beschränken, sofern dies nicht in den Ansprüchen spezifiziert ist. Demgemäß ist die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und Äquivalente von diesen beschränkt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Linse, welches Verfahren aufweist: Vorsehen eines ersten Glasträgers; Vorsehen einer ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht auf einer Oberfläche des ersten Glasträgers; Bilden von einer oder mehr Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht; Identifizieren geometrischer Fehler in der einen oder den mehreren Schrägfacetten und der einen oder den mehreren Steilfacetten der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht, um Korrekturfaktoren zu schaffen; und Bilden einer oder mehrerer korrigierter Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche einer zweiten zumindest teilweise durchlässigen Schicht auf einer Oberfläche eines zweiten Glasträgers unter Verwendung der Korrekturfaktoren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite zumindest teilweise durchlässige Schicht Silikon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Härtungstemperatur hat, die im Wesentlichen dieselbe wie ein ausgewählter Betriebstemperaturbereich der Linse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bilden einer oder mehrerer Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, aufweist: Erhalten eines ersten Originals, das mit einem Maschinenwerkzeug bearbeitet ist, um die eine oder die mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht zu bilden; und Bilden, mit dem ersten Original, der einen oder der mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, in der zumindest teilweise durchlässigen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste Original weniger als zwei Mikron Spitzen- und Talabrundung hat.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Erhalten des ersten Originals das Bearbeiten des ersten Originals mit einem Maschinenwerkzeug mit struktureller Steifheit, Positionsgenauigkeit, Wiederholbarkeit von Dreh- und Translationsachsen und Vibrationsisolierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bilden von einer oder mehreren korrigierten Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, weiterhin aufweist: Erhalten eines zweiten Originals mit einem Maschinenwerkzeug, um die eine oder die mehreren korrigierten Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, in der zweiten zumindest teilweise durchlässigen Schicht zu bilden; und Bilden der einen oder der mehreren korrigierten Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, in der zweiten zumindest teilweise durchlässigen Schicht mit dem zweiten Original.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das zweite Original weniger als zwei Mikron der Spitzen- und Talabrundung hat.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Erhalten des zweiten Originals das Bearbeiten des zweiten Originals mit einem Maschinenwerkzeug mit struktureller Steifheit, Positionsgenauigkeit, Wiederholbarkeit von Dreh- und Translationsachsen sowie Vibrationsisolierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Korrekturfaktoren auf Ungenauigkeiten in einem Maschinenwerkzeug, das zur Herstellung eines ersten Originals zur Formung der einen oder der mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, verwendet wird, basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Korrekturfaktoren auf durch Reproduktion induzierten Abmessungsänderungen basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Korrekturfaktoren auf durch Materialverarbeitung induzierten Abmessungsänderungen der ersten zumindest teilweise durchlässigen Schicht basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die eine oder die mehreren korrigierten Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, eine optische Fresnelstruktur bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend das Vorsehen einer Glättung der Oberfläche der einen oder der mehreren korrigierten Schrägfacetten auf unterhalb fünf Ångström RMS.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend das Vorsehen einer Glättung der Oberfläche der einen oder der mehreren korrigierten Schrägfacetten auf unter drei Ångström RMS.
Linse, welche aufweist: einen Glasträger; und eine zumindest teilweise durchlässige Schicht auf einer Oberfläche des Glasträgers, wobei die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine oder mehrere Schrägfacetten, die durch eine oder mehr Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, auf einer Oberfläche hiervon hat, wobei die eine oder die mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, korrigierte Schräg- und Steilfacetten sind, die mit Korrekturfaktoren gebildet sind, die durch geometrische Fehler bestimmt sind, die in Facetten einer Linsenstruktur identifiziert wurden.
Linse nach Anspruch 16, bei der die zumindest teilweise durchlässige Schicht Silikon ist.
Linse nach Anspruch 16, bei der die zumindest teilweise durchlässige Schicht eine Härtungstemperatur hat, die im Wesentlichen dieselbe ist wie ein ausgewählter Betriebstemperaturbereich der Linse.
Linse nach Anspruch 16, bei der die zumindest teilweise durchlässige Schicht mit einer oder mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, eine optische Fresnelstruktur bildet.
Linse nach Anspruch 16, bei der die Korrekturfaktoren auf Ungenauigkeiten in einem Maschinenwerkzeug, das zur Herstellung eines Originals zum Formen der einen oder der mehreren Schrägfacetten, die durch eine oder mehrere Steilfacetten miteinander gekoppelt sind, verwendet wird, basieren.
Linse nach Anspruch 16, bei der die Korrekturfaktoren auf durch Reproduktion induzierten Abmessungsänderungen basieren.
Linse nach Anspruch 16, bei der die Korrekturfaktoren auf durch Materialverarbeitung induzierten Abmessungsänderungen der zumindest teilweise durchlässigen Schicht basieren.
Linse nach Anspruch 16, bei der eine Oberflächenglättung der einen oder der mehreren korrigierten Schrägfacetten unterhalb fünf Ångstrom RMS ist.
Linse nach Anspruch 16, bei der eine Oberflächenglättung der einen oder der mehreren korrigierten Schrägfacetten unterhalb drei Ångstrom RMS ist.
System, welches aufweist: eine Anordnung von Linsen nach Anspruch 16; und eine Anordnung von Photovoltaikzellen, die mit Bezug auf die Anordnung von Linsen gestaltet sind, um durch die Anordnung von Linsen hindurchgehende Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln.