[发明专利]表面结构、菲涅尔透镜和用于制造表面结构的工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面结构和具有至少一个这样的表面结构的菲涅尔透镜。此外，本发明涉及一种用于制造该表面结构的工具以及一种用于制造该表面结构或菲涅尔透镜的方法。另外，本发明涉及菲涅尔透镜的用途。

背景技术

具有大的透镜直径和短焦距的标准透镜非常厚且难以制造。为了克服该问题，因此菲涅尔透镜被广泛使用。从而该透镜表面被细分成小的棱镜，所述棱镜相邻地设置在一个平面中。因此，制造了基本上平坦的透镜，如在日常生活中能够发现的高射投影仪或者作为在汽车后窗上的发散透镜。

在聚光光伏中，使用菲涅尔透镜以将太阳辐射聚集在小型太阳能电池上。因此，目的不是产生尽可能清晰的太阳的图像（成像透镜系统），而仅仅是将尽可能多的光聚集到太阳能电池上（非成像透镜系统）。在许多应用和具体系统中，还力图实现焦点内尽可能均匀的辐射强度的轮廓。

由于在高度聚光光伏中光被聚集到的太阳能电池的小尺寸，因此对菲涅尔透镜的精度提出很高的要求。同时，菲涅尔透镜受到环境温度的影响。在许多沙漠地区，冬季显著低于0℃的温度不是不寻常的，然而，在夏季中午温度很容易超过40℃。由于温度引起的透镜所用材料的膨胀，因此一方面这些材料的折射率变化，并且另一方面透镜变形。因此，温度效应导致菲涅尔透镜实现了作为具有变化效应的集中器的功能，该变化效应随着其温度变化，并且，间接地随着环境温度、辐射和诸如风强度和风向的其他气象参数变化。

透镜几何形状基于关于透镜材料的折射率的假设。因为折射率是与温度有关的，因此，菲涅尔透镜在操作期间相对于特定温度（诸如平均温度）被优化。由于与温度关联的折射率变化，该温度偏差导致菲涅尔透镜不能较好地实现其目的。

通常，用在菲涅尔透镜的制造过程中的初始形状被设计成该形状对应于目前操作中所需的透镜结构。因此，随着操作温度和制造温度之间的温度差异，温度引起的变形对功能的负面效应增加。然而，制造温度通常显著地低于（例如室温）或高于（例如热塑性变形）在操作期间所出现的典型温度。

此外，例如由于体积收缩，在菲涅尔透镜的制造过程期间出现额外的变形。因此，所制造的菲涅尔透镜不再是该工具的真实复制品，且不能提供最佳的功能。

在聚光光伏中，目前优选地使用两种材料组合：

由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的菲涅尔透镜设计成固体透镜板、或者由硅酮制成的菲涅尔透镜应用在玻璃板上。由PMMA制成的无内应力的菲涅尔透镜各向同性地膨胀，即其尺寸在操作期间基于温度变化而变化，但是不成比例变化。然而，在现实中这种理想的情况很少发生，从而使得这些透镜由于内应力或者不均匀的温度分布也发生变形。

在DE2920630A1和US3,982,822中描述了由具有不同膨胀系数的两种材料制造的菲涅尔透镜。在这些菲涅尔透镜的情况下，在制造中，仅从持久性的观点考虑了根据现有技术的热膨胀（参见例如US3,982,822）。先前从光学观点分类热膨胀也是没有问题的（参见DE2920630A1和US3,982,822）。

然而，已经报道过，热效应显著影响菲涅尔透镜的光学性能。由于玻璃的低热膨胀系数，大面积的形状变化仅仅起到了次要的作用。然而，硅酮的显著较大的热膨胀系数导致硅酮结构变形，该硅酮结构与玻璃相比显著地更具有弹性。该变形发生在各个菲涅尔棱镜或菲涅尔面的大范围上。例如，最初直线形状的棱镜边缘由此变形。因此，在所有系统中可以预料类似的效应或变形，在该系统中，基材的热膨胀不同于透镜材料的热膨胀。

发明内容

由此开始，本发明的目的在于消除现有技术的缺点并且提供表面结构和菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜可以简化的方式被制造然而却具有非常良好的光学性能。

通过具有权利要求1的特征的表面结构而实现该目的。权利要求9涉及一种菲涅尔透镜。权利要求18涉及一种用于制造表面结构的工具，权利要求20涉及一种用于制造表面结构或菲涅尔透镜的方法，以及权利要求21涉及菲涅尔透镜的用途。在从属权利要求中包含了其它的有利的实施方式。

根据本发明，提供了一种表面结构，其至少一个面由活动边缘和非活动边缘构成，该活动边缘具有长度相等或长度不同的至少两个段。根据本发明，该段至少在一些区域中具有相同的表面轮廓且该段被设置成至少一个段可通过旋转约大于0°且小于10°的角度和移位而被转移到至少在一些区域中的相邻的段中。