（光学工程专业论文）用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究.pdf

学位论文使用授权声明 i i i ii i ii l r l il ll ll i rlli y 17 3 2 2 5 2 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 既：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期：兰 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究中文摘要 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 中文摘要 随着煤、石油、天然气等不可再生资源在这几十年来被不断地消耗，太阳能最终 将取代其他能源成为主要能源。要有效的利用太阳能就应该因地制宜地选择合适的太 阳能发电设备。由于传统的硅基太阳能电池发电效率低、成本高，因此高转换效率的 聚光太阳能系统将成为研究太阳能发电的主要方向。 在聚光太阳能系统中，菲涅耳透镜聚光器是最重要的组件之一，其品质要求是提 高太阳能电池片单位面积上的入射光强度，与系统完全匹配。随着聚光太阳能系统向 高转换效率、高聚光倍率和低成本方向发展，对菲涅耳透镜聚光器的成本及技术要求 越来越高，因此研究菲涅耳透镜的制作方法具有重要意义。 本文应用几何光学知识对菲涅耳透镜的结构进行了详细的光学设计，推导出相关 参数的计算公式。以菲涅耳透镜的紫外纳米压印制作工艺为主线，以紫外纳米压印的 关键技术( 模板的制作，卷对卷紫外纳米压印和脱模) 为节点，对其中的每一步工艺进 行详细的理论和实验研究。本文利用金刚石切削技术制作菲涅耳透镜铜模具，并采用 精密微电铸将铜模具上的菲涅耳透镜特征结构转移到镍模板上，方便卷对卷压印。最 后采用自行研制的卷对卷紫外纳米压印系统对菲涅耳透镜镍模板进行压印、曝光固化 及脱模，制得p c 基片菲涅耳透镜聚光器。 将p c 基片菲涅耳透镜聚光器在太阳光下进行了测试，测试结果表面：其焦距为 1 4 5 m m ，焦点处的光斑直径为4 m m ，聚光倍率为2 2 5 ，光学效率可以达到7 5 以上， 符合太阳能聚光器的设计要求。本文制作的菲涅耳透镜聚光器具有超薄、成本低、聚 光倍率高以及易于批量化生产等显著特点。 最后，对本研究课题进行了总结，并指出了进一步的工作方向。 关键词：聚光太阳能系统，聚光器，菲涅耳透镜，紫外纳米压印 作者：邹建兵 指导老师：陈林森 a b s t r a c t 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 r e s e a r c ho nf a b r i c a t i o no ff r e s n e ll e n su s i n gi nt h e c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h en o n - r e n e w a b l er e s o u r c e sa b o u tc o a l ，o i la n dn a t u r a lg a s ，e t ci nt h ed e c a d e st o b ec o n s t a n t l yc o n s u m e d ，s o l a re n e r g yw i l le v e n t u a l l yr e p l a c eo t h e rr e s o u r c e st ob em a i n s t r e a m i ts h o u l db es e l e c t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ea p p r o p r i a t es o l a re n e r g ye q u i p m e n ti n o r d e rt ou s es o l a re n e r g ye f f e c t i v e l y a st h ep o w e re f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a ls i l i c o n - b a s e d s o l a rc e l li sl o wa n da l s oi tc o s t sh i g h ，c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m sw i t hh i g h c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw i l lb e c o m et h em a i nd i r e c t i o n i nc o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m s ，f r e s n e ll e n sc o n c e n t r a t o ri so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t sa n di t sq u a l i t yr e q u i r e m e n t si st oi m p r o v ei n c i d e n tl i g h ti n t e n s i t yo fp e r u n i ta r e ai n s o l a rc e l l s ，w h i l ei ts h o u l de x a c t l ym a t c hw i t ht h es y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to f c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m si sh i g he f f i c i e n c y , h i g hc o n d e n s i n gr a t e a n dl o w e rc o s t s ，t h ec o s ta n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa r eh i g ho ff r e s n e ll e n sc o n c e n t r a t o r a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho nd e s i g na n df a b r i c a t i o nm e t h o d so ff r e s n e ll e n si s v e r y i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea n do p t i c a ld e s i g np r i n c i p l eo ff r e s n e ll e n si sa n a l y z e di n d e t a i l t h ef r e s n e ll e n sw i t ht h ek n o w l e d g eo fg e o m e t r i c a lo p t i c si s d e s i g n e da n dt h e f o r m u l ai sd e r i v e d t h i sp a p e ri sf o c u s e do nu v - n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y i ti sd i s c u s s e d a b o u tu v - n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h yk e y t e c h n i q u e ( m o l dp r o d u c t i o n ，r o l l - t o - r o l lu l t r a v i o l e t n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h ya n ds t r i p p i n g ) ，o nw h i c he a c hs t e pp r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l w i t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f r e s n e ll e n sc o n c e n t r a t o rm o l di sf a b r i c a t e db y p r e c i s i o nt u r n i n gt e c h n o l o g y t h ee i g e n s t r u c t u r eo ff r e s n e ll e n si st r a n s f e r r e dt ot h en i m o l db yp r e c i s i o nm i c r o e l e c t r o f o r m i n gi no r d e rt of a c i l i t a t et h er o l l - t o - r o l li m p r i n t t h e n im o l do ff r e s n e ll e n si si m p r i n t e db yt h er o l l - t o - r o l lu l t r a v i o l e tn a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y a n da f t e re m p l o y i n gu vl i g h tt oc u r et h er e s i n ，t h ef r e s n e ll e n sc o l l e c t o ro nt h ep c s u b s t r a t ei sf a b r i c a t e d t h ef r e s n e ll e n sc o l l e c t o ro np cs u b s t r a t ei st e s t e di nt h es u n s h i n e r e s u l t ss h o wt h a t t h ef o c a ll e n g t h ，t h es p o td i a m e t e ri nf o c a lp o i n ta n dt h ec o l l e c t o rr a t ei s1 4 5 r a m , 4 m ma n d 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 a b s t r a c t 2 2 5r e s p e c t i v e l y i t so p t i c a le f f i c i e n c yc a nr e a c hm o r et h a n7 5 i ti sc o n s i s t e n tw i t h d e s i g nr e q u i r e m e n t so fs o l a rc o l l e c t o r t h ef r e s n e ll e n sc o l l e c t o rh a sm u c h n o t a b l ef e a t u r e w i t hu l t r a - t h i n , l o wc o s t ，h i g hc o n d e n s i n gr a t ea n de a s y - - t o - b a t c hp r o d u c t i o n a l s oi tc a n i m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no fl i g h ti n t e n s i t yh e t e r o g e n e i t y f i n a l l y , as u m m a r yo ft h i sr e s e a r c hi sm a d ea n dt h ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rw o r kh a s b e e np o i n t e do u t k e y w o r d s ：c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l m i cs y s t e m s ，c o l l e c t o r , f r e s n e ll e n s ，u v - n i l w r i t t e nb y ：z o uj i a n b i n g s u p e r v i s e db y ：c h e nl i n s e n 中文摘要 目录 i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2c p v 介绍2 1 2 1c p v 的结构2 1 2 2c p v 的基本原理4 1 3 菲涅耳透镜聚光器背景介绍5 1 3 1 菲涅耳透镜聚光器发展概况5 1 3 2 菲涅耳透镜的制作方法6 1 4 课题意义8 1 5 论文构架8 第二章菲涅耳透镜的光学原理 9 2 1 弓i 言9 2 2 菲涅耳透镜的成像特性1 0 2 3 菲涅耳透镜的原理及类型1 l 2 4 菲涅耳透镜的设计1 3 2 4 1 菲涅耳透镜构成设计13 2 4 2 计算公式的推导1 5 第三章菲涅耳透镜的紫外纳米压印制作1 8 3 1 引言1 8 3 2 菲涅耳透镜模板的制作。1 9 3 2 1 金刚石切削技术实现菲涅耳透镜铜模具的制作1 9 3 2 2 菲涅耳透镜镍模板的制作2 3 3 3 卷对卷紫外纳米压印2 7 3 3 1 辊压涂布系统。2 8 3 3 2 紫外固化胶预固化系统3 0 3 3 3 卷对卷压印系统和紫外固化胶强固化系统。3 3 3 3 4 脱模3 3 第四章菲涅耳透镜的实验结果和分析 3 5 4 1 菲涅耳透镜的c l s m 测试原理3 5 4 2 菲涅耳透镜的c l s m 测试结果3 6 4 - 3 菲涅耳透镜在太阳光下的测试：3 8 4 3 1 菲涅耳透镜的聚光倍率。3 8 4 3 2 菲涅耳透镜的焦距4 2 4 3 3 菲涅耳透镜的光学效率4 2 第五章全文总结与展望 5 1 全文总结。4 5 5 2 展望4 5 参考文献 攻读学位期间发表的论文。 致谢 5 0 5 1 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 世纪工业革命伊始，煤、石油和天然气等不可再生资源为全世界创造财富 提供了条件。但是几十年来这些资源被不断的消耗，石油和天然气的储量更是在不久 的将来会耗尽，即使是铀，其储量也是有限的，因此核能也不可能长久的维持。建立 资源节约型社会、大力发展可再生能源和新能源已摆上了我国经济发展的战略重要地 位。我国可再生能源分布广泛，主要包括水能、太阳能、风能和海洋能等。 太阳是地球上所有生灵的源泉，据估计，在过去漫长的1 1 亿年当中，太阳只消 耗了它本身能量的2 ，今后数十亿年太阳也不会发生明显的变化，所以太阳能可以 作为永久性的能源，取之不尽、用之不竭。太阳给地面照射1 5 分钟的能量，就足够 全世界使用一年。人们对太阳能的利用主要是太阳能发电，利用太阳能电池可以将太 阳能转换为电能。但是太阳能在转换过程中效率较低，大约只有1 0 - 2 0 可转换为 电能，其余的能量以散热的形式损失掉了，这就限制了太阳能的广泛应用。因此必须 改善现有技术，提高太阳能的利用效率。 要有效的利用太阳能就应该因地制宜地选择合适的太阳能设备，在适当条件下配 备太阳能电池、聚光器、太阳光追踪器和散热器等装置，充分利用太阳能资源。聚光 太阳能系统【l _ 2 】就是在这种情况下诞生的。聚光太阳能系统( c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i c s y s t e m s ，c p v ) 是指在典型的太阳能电池组件和太阳能集热器等设备的基础上安装聚 光器，将太阳光聚焦到太阳能电池组件上以提高太阳辐射强度，增加太阳能电池组件 的输出功率。新安装的聚光器的成本一般要低于达到相同负荷要求所增加的电池板成 本，这样有利于提高系统的综合成本效益。 传统太阳能发电有一个缺陷，即达到太阳能电池的太阳光辐射能量密度较低，其 峰值不过为1 k w m 2 。采用太阳能聚光器，一方面可以将太阳光会聚到面积很小的聚 光太阳能电池上，提高太阳光辐射的能量密度；另一方面使用聚光器可以有效地减小 太阳能电池的尺寸，太阳能电池只需焦斑面积大小即可。用相对便宜的聚光器部分代 第一章绪论用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 替昂贵的太阳能电池，可以降低太阳能发电系统的成本。 1 2c p v 介绍 c p v 发电是新一代的光伏发电技术，主要技术特点是采用聚光光学系统，把太 阳光聚集到一个面积很小、光电转化效率很高的太阳能电池上。c p v 是严格意义上 的清洁能源技术，1 兆瓦的芯片生产所消耗的电能只相当于一个普通家庭一个月的用 电量。其所使用的原材料9 5 以上可以回收利用，能源回报率不到一年，对环境的 破坏和影响极小。 2 0 0 8 年以前，c p v 应用多为k w 级，以企业和国家能源单位测试为主，2 0 0 8 年 9 月首个3 m vc p v 在西班牙建成发电，紧接着西班牙又将建超过1 0 m v 的c p v 发电 站，希腊宣布将建第一个c p v 发电站，功率为1 6 m v ，之后又提高到1 0 m v 。我国 也有很多企业和研究机构投入对c p v 的研究并已实用。c p v 发电的m v 级时代已经 到来。 1 2 1c p v 的结构 c p v 主要由太阳能电池、聚光器、太阳光跟踪器和散热器等组件组成。图1 - 1 是典型的c p v 发电的结构图。传统太阳能系统发电效率较低，成本较高，与其相比， c p v 凭借高转换效率，低成本优势在光伏发电系统中备受瞩目。下面对c p v 的主要 组件做一个简单的介绍。 图l 一1c p v 发电的结构图 2 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第一章绪论 太阳能电池是将太阳光能转换为电能的器件，从太阳能电池发展至今已经历了三 代。第一代是硅晶电池，分为单晶硅和多晶硅电池，转换效率为1 2 - 2 0 ，是目前 的主流；第二代是薄膜太阳能电池，主要材料为非晶硅和i i - v i 族化合物半导体，尽 管转换效率仅为7 一1 2 ，但是系统成本优势明显( 2 美元瓦) ；第三代即是以砷化镓 ( g a a s ) 为代表的- v 族化合物半导体。g a a s 是目前理论上转换效率最高的太阳能 电池材料，转换效率为2 5 7 ，之后发展的三接面c i n g a p g a a s g e ) 太阳能电池转换效 率可以达到3 1 - 4 0 7 。c p v 用太阳能电池比普通太阳能电池接收到的电流密度要 大几十到几百倍，这就需要聚光太阳能电池的电阻要尽量小，以减少功率损耗。目前 国际上聚光太阳能电池主要使用g a a s 和三接面太阳能电池。 太阳能聚光是指利用光学系统( 折射镜或反射镜) 使较大面积的太阳光聚焦在较 小面积上，提高单位面积上的入射光强度。按聚光方式的不同可以分为两种类型，菲 涅耳透镜折射聚光器【3 _ 5 】和抛物面反射聚光器 6 - 7 1 ，分别如图l - 2 ( a ) 、c o ) 所示。随着金 刚石切削技术的高速发展，菲涅耳透镜的加工变得越来越容易，而且菲涅耳透镜聚光 较为均匀，不会产生阴影，已成为c p v 聚光器的首选器件。相反抛物面反射镜聚光 器加工工艺复杂，加工误差较高，制造费用高，而且在使用过程中还存在着反射层容 易脱落、聚光不均匀以及随时间推移性能明显下降的问题。 螺霉 ( a ) 图1 - 2 聚光器 当太阳光斜入射时，会降低聚光光学系统的光学效率和聚光倍率等，从而降低 c p v 的转换效率，因此必须给c p v 配备太阳光跟踪器。c p v 通过跟踪器追踪太阳光 以不断调整角度来保证垂直照射，而且聚光倍率越高，要求的误差越小，目前5 0 0 倍聚光器要求太阳光垂直照射的误差小于o 3 度。此外，由于c p v 是用在户外的， 3 第一章绪论用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 因此太阳光跟踪器必须有大风自我保护功能和防暴雪功能。图l - 3 为典型的双轴太阳 光追踪器。 图l _ 3 双轴太阳光跟踪器 c p v 由于会聚太阳光导致太阳能电池表面的温度较高，从而使得太阳能电池的 转换效率下降，同时还会降低系统的使用寿命。因此，一套合理的散热系统对提高转 换效率，延长使用寿命起到十分重要的作用。散热系统分为主动式冷却和被动式冷却 二种。主动式冷却是指用流动的水或其它介质将c p v 工作时产生的热量带走，以达 到冷却太阳电池的目的；被动式冷却是指太阳能电池产生的热量通过散热器直接散发 到大气中。其中被动式冷却有较高的可靠性，在聚光倍率小于1 0 0 0 倍的情况下，都 可以考虑使用被动冷却方式。 1 2 2c p v 的基本原理 c p v 通过菲涅耳透镜等聚光元件把一定面积上的光会聚在一个狭小的区域( 焦 斑) ，太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量。如 图1 4 所示。以1 0 0 0 倍聚光条件而论，只需一平方厘米的转换效率为3 6 的三接面 i n g a p g a a s g e 太阳能电池，就等同于7 片5 寸硅基太阳能电池系统发出的电力。由 于会聚太阳光，导致光斑上的温度较高( 温度与聚光倍率正相关) ，会使太阳能电池的 转换效率下降，所以耐热的g a a s 等三五族化合物电池成为高倍率c p v 的必然选择。 而菲涅耳透镜作为c p v 的重要组件之一，可以进一步降低成本和提高聚光倍率。然 4 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第一章绪论 而聚光倍率越高，会导致太阳能电池表面温度越高，同时要求的垂直照射精度越高， 基于这两方面技术上的限制，目前菲涅耳透镜能达到的聚光倍率仅限于1 0 0 0 。随着 行业对技术应用的提升，对低成本、高聚光倍率和高光学效率的菲涅耳透镜聚光器的 制作研究备受关注。 太阳光l uu “lu l 图1 - 4 c p v 的基本原理 1 3 菲涅耳透镜聚光器背景介绍 在太阳能聚光领域，菲涅耳透镜聚光器是c p v 中重要的光学组件之一，其正确 配置应使得焦点刚好落在太阳能电池芯片上。当菲涅耳透镜面垂直面向太阳时，太阳 光将会被聚焦在电池片上，汇聚了更多的能量，因此只需较小的电池片面积，大大节 约了成本。应用菲涅耳透镜能够将太阳光聚焦到入光面1 1 0 至1 1 0 0 0 甚至更小的接 收面上，比传统太阳能系统发电效率提高3 0 以上。 菲涅耳透镜的性能优劣直接影响着c p v 的聚光倍率的高低。从光学效果上来讲， 要求有尽量高的光线透过率、能量汇聚率及较高的聚光倍数：从耐候性能上来说，因 为在户外使用，要求能抵挡外界环境的侵蚀，以及具有较强的抗冻耐热能力，保证在 户外长时间正常工作。 1 3 1 菲涅耳透镜聚光器发展概况 1 8 世纪法国科学家拉瓦锡，用自己制作的多个透镜组成了一个太阳能炉，对各种 熔点不同的金属做熔化试验。但是，玻璃透镜在吸收光线的同时有辐射现象，会损耗 第一章绪论用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 一些阳光，而且玻璃透镜重量大，制造工艺复杂，造价高，很难做大。为了克服普通 玻璃透镜的这些缺点，后来人们研制出了球冠面薄片透镜。球冠面薄片透镜去掉了常 规平面凸透镜约8 0 的材料，不仅减轻了重量，而且降低了制作成本。1 8 2 2 年，数学 家菲涅耳将平凸透镜拉平，制成了由一系列小棱镜构成的平板薄片透镜，这就是著名 的“菲涅耳透镜【2 】。 在太阳能光伏领域，国外已经成功实现通过利用菲涅耳透镜来提高太阳能光伏发 电效率。美国的s u n p o w e r 公司和i a m o n i x 公司走在了前列，他们经过近1 5 年的不断努 力，成功研发了2 0 k w 的点聚焦菲涅耳透镜阵列，该系统已安装于p v u s a 和亚利桑那 州的s t a r 公共服务机构，并取得了很好的效果。美国e n t e c h 公司自从联邦光伏计划 启动以来，一直致力于线聚焦菲涅耳透镜光伏系统的研究，并已开发出相应的线聚焦 菲涅耳透镜。r y u 等人提出了一种推算太阳辐射通量和聚光效率的数学处理方法，并 且设计出一种通过光通量分布的叠加使辐射强度均匀的模块化多面体菲涅耳透镜，并 且通过计算得出该菲涅耳透镜装置能够使太阳能电池上太阳光分布的均匀性提高 2 0 ，并且可以使得太阳光的透过率提高至u 7 0 以上。此外，s o l a rr e s e a r c h 公司一直 致力于反射式聚光器的研究，自1 9 9 6 年至今，他们已经在s o u t ha u s t r a l i a 等地方建立 了这种聚光器的光伏发电站。 随着我国政府对新能源政策实施力度的加强，人们环保意思的加强和太阳能聚光 技术的不断成熟，太阳能聚光器将在可靠性、成本和性能三者之间达到平衡。2 0 0 4 年胡连印、胡胜勇等人对菲涅耳透镜的制作工艺进行了改进，成功研制了以塑料为基 片的透射式太阳能聚光器。他们将平面形的聚光镜面改为曲面形的聚光镜面，保证了 菲涅耳透镜的结构刚度，使透镜不易发生变形，不易引起光线散焦，提高了透镜的 会聚比；将透镜底面由柱面形改为锥面形，提高了透镜的聚光效率；镜面加工采用区 块分割法，增强了透镜的结构刚度和机械强度；选用高透过率的塑料作为透镜镜面的 基片，易于加工，减轻了透镜重量，降低了制作成本。 1 3 2 菲涅耳透镜的制作方法 长期以来，菲涅耳透镜主要靠玻璃切割和抛光等方法加工而成，效率较低，成本 昂贵。一般菲涅耳衍射光学元件常采用光刻技术 8 - 1 0 1 制作台阶型轮廓结构来代替连续 6 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第一章绪论 面型，加工的周期较长。此外，可以制作连续浮雕衍射器件的方法主要有电子束直写 【1 1 1 、反应离子刻蚀【1 2 1 、薄膜沉积法等。近些年来，随着注塑成型技术【1 4 1 和数控加 工技术1 5 1 的发展，可以保证菲涅耳透镜有较高的加工精度和光学性能。尤其是近年发 展起来的单点金刚石切削技术已成为加工各类菲涅耳透镜最合适的方法。 注塑成型是指受热融化的热塑性树脂或热固性树脂材料，在高压注模腔，经过冷 却固化后，得到成形品的塑料加工方法。注塑成型方法适用于形状复杂部件的批量生 产，是加工塑料最重要的方法之一。但是，利用注塑成型技术加工出的塑料部件的厚 度较大，成本相对较高，对于加工菲涅耳透镜会使得其螺纹结构比较粗糙，加工的精 度不高，图1 - 5 为由注塑成型技术制作的p m m a 菲涅耳透镜。此外，注塑成型还存在 以下缺陷： 1 ) 加工出的塑料部件会产生龟裂现象。其主要是由填充过剩、脱模推出和金属 镶嵌等残余应力造成。 2 ) 由于填充不足而造成的塑料部件的结构缺失。 3 ) 产生熔接痕。其主要是由于来自不同方向的熔融树脂前端部分被冷却，在结 合处为难完全融合而产生的。 4 ) 烧伤。根据机械、模具或成型条件等不同原因引起的烧伤。 5 ) 注塑部件容易产生翘曲、变形。 图1 - 5p m m a 菲涅耳透镜 单点金刚石切削技术是一种制作菲涅耳透镜比较成熟的方法，它主要是基于计算 7 第一章绪论用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 机软件的控制，在精密数控机床上直接利用单晶金刚石刀具切削加工出符合光学质量 要求的球面或非球面光学零件。这种金刚石切削技术的生产效率高、加工精度高、重 复性好，但是金刚石刀具的成本较高。本文采用这种技术制作菲涅耳透镜聚光器的模 具，并利用现今比较流行的紫外纳米压印技术转移模具上的菲涅耳透镜特征结构，从 而制得薄膜菲涅耳透镜。 1 4 课题意义 本课题的研究目的是希望通过紫外纳米压印技术制作薄膜菲涅耳透镜聚光器，通 过前面的背景介绍，可以看出本课题的主要研究意义有两点。 一是开发研究紫外纳米压印技术。此工艺不仅能制作衍射光学元件，同时也能用 来研制新型微纳器件、m e m s 等器件。因此建立起这样一套紫外纳米压印工艺体系和 流程将开辟许多新的研究方向和领域，具有重要意义。 二是制作菲涅耳透镜聚光器。菲涅耳透镜在c p v 中有着十分重要的意义，其性能 优劣直接影响着c p v 聚光倍率的高低。 通过该项研究，有利于降低c p v 的成本，节约材料，实现批量化生产，同时为菲 涅耳透镜聚光器的制作提供一种全新的方法。 1 5 论文构架 本文分为5 部分。第一章为绪论，介绍聚光太阳能系统、菲涅耳透镜聚光器的制 作方法以及国内外研究进展。第二章对菲涅耳透镜的结构和光学设计原理进行了详细 的分析，应用几何光学的知识对菲涅耳透镜进行设计，推导出菲涅耳透镜相关参数的 计算公式。第三章创新性的使用卷对卷紫外纳米压印技术制作菲涅耳透镜，对每一步 工艺进行了详细的理论和实验研究。第四章对利用卷对卷紫外纳米压印技术制作的聚 光菲涅耳透镜进行测试。利用激光共聚焦显微镜测试菲涅耳透镜的三维结构及表面形 状精度，并在太阳光下测试了菲涅耳透镜的光学性能。第5 章总结研究工作，指出进 一步的工作方向。 8 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第二章菲涅耳透镜的光学原理 2 1 引言 第二章菲涅耳透镜的光学原理 菲涅耳透镜又称螺纹透镜，是由菲涅耳在1 9 1 9 1 9 2 0 年首先提出把这样一个透镜 用于灯塔上，1 9 2 2 年完成，效果很成功。菲涅耳认为连续光学表面的成像特性，主 要取决于表面的曲率，轴向厚度是次要的因素。在大多数情况下，厚度的增加是由于 表面曲率或孔径的要求所造成的，他建议把透镜两个面之间的厚度减小，如图2 1 ( a ) 所示，光学元件仍可把光线聚焦到原来厚透镜的焦点上。事实上，假如把分割的各个 部分排列在与轴垂直的共同平面上，元件仍然可以保持其聚焦特性，如图2 1 ( b ) 所示。 但是，这样的同心圆环组成的透镜，当光束通过它时，由于同心圆环的非工作部分使 波面变成不连续，故只能做几何成像元件。普通透镜成像波面是连续的，而菲涅耳透 镜的波面被各环带所割裂。从结构上来说，菲涅耳透镜有以下特点：聚光效果更好。 菲涅耳透镜从外观上来说是普通凸透镜的一种简化，它有效的提高了透镜的整体质 量，减小了温差对透镜的影响，同时在聚光性上有更好的保证。菲涅耳透镜体积小， 重量轻，易于大批量生产，成本低。 a )b ) 图2 - 1 菲涅耳透镜的构成 由于菲涅耳透镜出众的特点，因此在很多领域有着重要的应用。在投影显示领域， 9 第二章菲涅耳透镜的光学原理用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 主要用于投影电视、投影仪和准直器等；在航空航海领域，主要用于灯塔菲涅耳透镜， 菲涅耳放大镜等；在照明领域，主要用于汽车头灯、交通标志和光学着落系统等；尤 其用于聚光太阳能发电领域，可以降低整个系统的成本，提高聚光倍率。 菲涅耳透镜从光学设计上可以划分为两类：正菲涅耳透镜和负菲涅耳透镜。 1 ) 正菲涅耳透镜 光线从一侧进入，经过菲涅耳透镜在另一侧出来并聚焦在一点或以平行光出射。 入射光线和焦点分别在菲涅耳透镜的两侧，并且是有限共轭的。这类菲涅耳透镜通常 设计为准直镜( 如投影用菲涅耳透镜、放大镜等) 以及聚光器( 如聚光太阳能系统用菲涅 耳透镜) 。 2 ) 负菲涅耳透镜 和正菲涅耳透镜刚好相反，入射光线和焦点在同一侧，通常在其表面进行镀膜， 作为第一反射面使用。 2 2 菲涅耳透镜的成像特性 当前广泛使用的菲涅耳透镜普遍使用轴上点消球差的方法设计，但是其轴外点的 成像特性较差，存在着严重的像差，尤其当口径很大时，这种现象更明显。菲涅耳透 镜的成像特性主要表现在g 在平行光垂直入射的情况下，在其焦面上能得到一个无像 差的会聚点，如图2 - 2 ( a ) 所示。作为准直透镜，表现在物方焦平面上轴外一点发出的 光线经过透镜后不是绝对的平行光，而是有一定空间发散角的光。作为聚光透镜则表 现为斜入射的平行光经过透镜后得到的不是一个理想无像差会聚点，而是一个有一定 大小的弥散斑。斜入射的角度越大，弥散斑就越大，如图2 - 2 ( b ) 所示。弥散斑的位置 离开了焦面，从而产生场曲，而且还有明显的彗差，随视场的增大，彗差现象将更加 严重。 1 0 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 第二章菲涅耳透镜的光学原理 图2 - 2 菲涅耳透镜的成像特性 因此，在将菲涅耳透镜用作太阳能聚光器时，应避免太阳光的斜入射，否则会造 成太阳能电池上的光斑呈现弥散状，从而降低菲涅耳透镜聚光器的聚光效率。在实际 应用时，往往配合太阳光追踪器一起使用，这样可以保证太阳光的垂直入射。 2 3 菲涅耳透镜的原理及类型 菲涅耳透镜一般是由一系列同心棱形槽构成，每个环带都相当于一个独立的折射 面，这些棱形环带都能使垂直入射的平行光线会聚到一个共同的焦点。菲涅耳透镜的 一个重要应用就是用作太阳能聚光器，按同心圆配置可用作圆形聚焦太阳能聚光器， 按一组直线配置可用作线聚焦太阳能聚光器【1 6 1 。 最普通的菲涅耳透镜是具有正光焦度的平面型透镜，如图2 - 3 ( a ) 所示，其中一面 为棱形槽面，另一面为平面。这种透镜结构简单、加工方便。另一种形式是弯月型， 即它的基面为曲面，如图2 - 3 0 ) 所示。这种菲涅耳透镜结构的优点是消像差，有利于 提高成像质量，但加工工艺复杂。 第二章菲涅耳透镜的光学原理用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 ( a ) d ( b ) 图2 - 3 菲涅耳透镜 一 菲涅耳透镜的棱形槽一般为每毫米2 到8 个。随着近代加工工艺水平的提高和新 颖材料的应用，其精密度可达每毫米2 0 个棱形槽左右。这样使菲涅耳透镜完全有可 能同以衍射极限为分辨率的一般透镜相比拟。 菲涅耳透镜的设计主要是确定每个环带的齿形，图2 4 中口称为工作侧面角，它 根据消像差的要求确定。为干扰侧面角，当 9 0 。时，齿形的干 扰侧面角一般不能减少干扰作用，而且这种齿形只能切削加工，不能模压，故不能大 量生产。当= 9 0 时，齿的深度超出环带螺距时，齿尖容易变形，光线通过变形后 的工作侧面，容易形成干扰光线，对像质不利。因此，在这种情况下，宁可做成 9 0 的齿形。 图2 _ 4 菲涅耳透镜的齿形 1 2 粕 k “ 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第二章菲涅耳透镜的光学原理 2 4 菲涅耳透镜的设计 2 4 1 菲涅耳透镜构成设计 由于本文设计的菲涅耳透镜是用作点聚焦太阳能聚光器的，因此对菲涅耳透镜的 像质要求不高，只要求校正球差即可。所以菲涅耳透镜可取最简单的平面型球面透镜 形式。 这种菲涅耳透镜的设计可以简化，即不需要确定等效曲面再过渡到菲涅耳面，而 是按等光程原理直接确定菲涅耳面的工作侧面角( 注意，这里不是连续完整的等光程 面，而是一系列等光程的环形面堆放在一个公共的基片上面构成的) 。 菲涅耳透镜构成设计的具体步骤如下： 1 ) 设菲涅耳透镜未切割前的曲率半径为r ，从球体中切割出一个半径为k 的球 冠，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 菲涅耳透镜前期切割 2 ) 将球冠平均分割成螺距为a h ，最外环半径为k 的一系列环带，环带数 = 2 幽h m ，如图2 乇所示。 第二章菲涅耳透镜的光学原理用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 一一 一一 一， 卜 、 天忻爪 0 。 * - - a h h m 图2 - 6 球冠的分割 3 ) 将每个环带分割成由矩形和近似三角形组成的区域，如图2 - 7 所示； 高 ： 一二j ：j、 罱b 埝 | 飘 热 _ _ ， 瓣 彤 ：磊 i易 ，夕 碰 ，y f ， ， 。二， 彳 ：毫 ， 州捌幺缸溉 搋# 锄。 h 图2 - 7 菲涅耳透镜环带的形成 4 ) 将矩形区域去掉即可构成菲涅耳透镜，如图2 - 8 所示。 图2 - 8 菲涅耳透镜的形成 本文设计的菲涅耳透镜的曲率半径r = 1 0 0 m m ，最外环半径kz 3 0 m m ，螺距 a h = 5 0 g n ，因此整个环带数为1 2 0 0 。最内环带的锯齿深度为o 3 o n ，最外环带的锯 齿深度为1 3 g n ，其环带数与锯齿深度的关系曲线如图2 - 9 所示。 1 4 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第二章菲涅耳透镜的光学原理 l 1 2 1 0 言8 了 倒 隧6 2 0 。 z 。 _ ， 。 7 01 2 02 4 03 6 04 8 06 0 0 2 2 0 8 4 09 6 01 0 8 01 ：2 0 0 环带序数 图2 - 9 环带的锯齿深度曲线图 2 4 2 计算公式的推导 - 场i ” 二 寒 “ 珏1 谬 ? ? h l 全 f 舢籼 o 1 _ 一 j l d 如 一 - l l _ 图2 1 0 菲涅耳透镜的计算光路 菲涅耳透镜的计算光路如图2 - 1 0 所示，其中4 点为发光物点，距离透镜第一个 面的距离为z 。，经菲涅耳透镜成像在点，像距为z ：，4 为基面中的出射光线的反 向延长线与光轴的交点。光线的物方汇聚角为u 。，通过透镜后的像方汇聚角为u ：。 1 5 第二章菲涅耳透镜的光学原理用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 入射光线在菲涅耳透镜基面上的入射角为，折射角为j 。，入射高度为h 。，在锯齿 面上的入射高度为h ：。透镜基面的厚度为d ，工作侧面角口可按下面的公式计算： t = 等 i l = 一u l s i n ，i ：三s i n ，l u 2 = u i = 一i i ( 2 1 ) h 2 = 一d t a n u l 切n u 。：堕 口：t a n a r c t a n 【- 害錾旦】 口= l 1 = = = = = = = 三i _ = = = = _ = 一i 、，1 2 一s i n 2u l c o s u 2 式中，n 为菲涅耳透镜材料的折射率。这里考虑n h ，如果用来表示第n 环的高度，于是有： h 5 k a h ( 2 2 ) 式中k 为环带的环数，| 7 l 为相连环带之间的距离即螺距，一般取0 0 4 - 0 5 m m 。 菲涅耳透镜的相对孔径越大，作为聚焦太阳能聚光器的包角也越大，光能就越能 充分利用，但是过分增大孔径或缩短焦距，会导致透镜边缘出射光线发生全反射现象。 所以材料的发射临界角的大小限制了菲涅耳透镜所能获得的最大偏角k ，如图2 - 1 1 所示。 ：a r c c 。s 一1 ( 2 3 ) 1 6 用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究第二章菲涅耳透镜的光学原理 氓 山 l 巴 一 r 山 一d - l l jl 图2 - 1 1 最大偏角计算不恿图 本文所使用的菲涅耳透镜的材料为紫外固化胶，其折射率为1 4 8 ，根据公式( 2 3 ) 可求得菲涅耳透镜对空气的最大光线偏角为4 7 5 。 根据最大偏角可推导出菲涅耳透镜的最大半径为： i l 一= t a n u 2 ( 2 4 ) 已知最大半径j l 一，又可推导出菲涅耳透镜允许的最小焦距为： f t m i a - - 垒一 怕2 。 ( 2 5 ) 本文是根据轴上发光物点来设计菲涅耳透镜结构的，若入射光线垂直菲涅耳面， 则修改公式( 2 1 ) 的相应参数，则可推导出工作侧面角口和焦距f 等参数。此外，如果 把菲涅耳面的基面做成曲面，则可增大最大偏角的值，同时还可以矫正像差。 1 7 第三章菲涅耳透镜的紫外纳米压印制作用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究 3