СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИНЗ ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ КОНЦЕНТРАТОРНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
METHOD OF MAKING FRESNEL LENSES FOR CONCENTRATOR PHOTOVOLTAIC MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетике и, в частности, к концентраторам солнечного излучения, используемым в фотоэлектрических модулях. Наиболее успешно заявляемое изобретение может быть применено при изготовлении композитных линзовых панелей для солнечных фотоэлектрических модулей, применяемых в концентраторных солнечных энергоустановках, в частности в солнечных батареях космических аппаратов.
В современном космическом аппаратостроении повышаются требования к системам бортового питания, в частности к солнечной батарее. Она должна давать большую удельную мощность при приемлемых массе и сроке службы. Увеличить электрическую мощность батареи позволяет включение в фотоэлектрические модули солнечной батареи концентраторов излучения, т.к. КПД используемых солнечных элементов при преобразовании концентрированного излучения растет. Применение оптических концентраторов позволяет пропорционально кратности концентрирования сократить площадь солнечных элементов и тем самым уменьшить стоимость солнечной батареи и увеличить срок службы батареи, так как концентраторы защищают солнечные элементы от воздействия космической радиации. Наиболее перспективным видом оптических концентраторов для космических фотоэлектрических модулей являются линейные линзы Френеля малой массы. В настоящее время с развитием технологий полимерных материалов увеличивается применение линз Френеля с полимерным профилем.
Известен способ изготовления линз Френеля и других оптических структур при использовании радиационно отверждаемого компаунда, которым заполняют промежуток между прозрачной панелью и негативной матрицей и затем отверждают с помощью УФ-излучения (см. заявка JP 2004258071, МПК G02B 3/00, опубликована 16.09.2004).
Недостатком линз, изготовленных с использованием радиационно отверждаемого компаунда, является снижение оптической эффективности концентраторов, обусловленное деградацией полимерных материалов под воздействием солнечного излучения, приводящей к появлению дополнительного поглощения солнечного излучения материалом концентратора.
Известен способ изготовления линз Френеля (см. заявка JP 2010066518, МПК G02B 3/00, опубликована 25.03.2010), в соответствии с которым на стеклянной подложке формируют структуру линзы Френеля из материала пластмассы.
Недостатком линз, получаемых этим способом, являются большие потери на поглощение солнечного излучения в линзах из пластмассы.
Известен способ изготовления линз Френеля (см. заявка JP 2007090545, МПК G02B 3/08, опубликована 12.04.2007) путем отливки в матрице линз Френеля и последующего отсоединения прозрачной подложки с листом линз Френеля от матрицы с помощью зажимов, присоединенных к четырем углам подложки. Подложка с листом линз Френеля отделяется при последовательном подъеме зажимов на небольшую высоту и одновременном давлении на центральную часть подложки.
Однако известный способ не применим для подложек из тонкого и хрупкого стекла толщиной 0,05÷1.00 мм.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по совокупности существенных признаков является изобретение «способ изготовления линзовой панели для солнечных фотоэлектрических модулей» (см. патент RU 2359291 С1, МПК G02B 3/08, B29D 11/00 (2006.01), опубликован 20.06.2009), выбранное прототипом.
Известен способ изготовления линз Френеля для концентраторных фотоэлектрических модулей, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 2359291, МПК G02B 3/08, B29D 11/00, опубликован 20.06.2009). Способ-прототип включает изготовление негативных линз Френеля и снятие с них позитивных копий. Негативные линзы Френеля с квадратной апертурой, изготовленные методом алмазного точения, соединяют торцами в сборку, затем изготавливают промежуточную панель. Промежуточную панель изготавливают путем заливки между сборкой с негативными линзами Френеля и расположенным над сборкой силикатным стеклом или гибким листовым материалом двухкомпонентного силикона и последующей полимеризации последнего. Затем промежуточную панель механически отделяют от сборки, производят копирование промежуточной панели на полиуретановую матрицу. Копирование осуществляют путем полимеризации двухкомпонентного полиуретана в объеме между промежуточной панелью и плоским листовым материалом и отделения полученной полиуретановой матрицы путем ее изгиба. После чего полиуретановую матрицу закрепляют на твердом основании и заполняют двухкомпонентным силиконовым компаундом слоем с толщиной, превышающей на 0,1 мм или более высоту углублений профиля линзы Френеля в полиуретановой матрице. При этом поверх силикона помещают силикатное стекло с нанесенным на его поверхность праймером и производят выдавливание избыточного количества силиконовой смеси до толщины не менее 0,1 мм. Силиконовую смесь полимеризуют, а стекло с линзовой панелью отделяют от полиуретановой матрицы путем изгиба последней.
Способ-прототип позволяет изготавливать линзовые панели при массовом их производстве. Однако изготовление линз Френеля с двукратным копированием исходной сборки негативных линз Френеля и отделение стекла с линзовой панелью простым механическим изгибом ухудшает оптическую эффективность линзовой панели и не позволяет получать достаточно тонкие линзы Френеля малой массы, что особенно важно при использовании их в концентраторных фотоэлектрических модулях солнечной батареи космических аппаратов,
Задачей изобретения является создание такого способа изготовления линз Френеля для концентраторных фотоэлектрических модулей, который обеспечивает улучшение их оптического качества и одновременно позволяет снизить их массу.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления линз Френеля для концентраторных фотоэлектрических модулей включает изготовление негативной матрицы по меньшей мере одной линейной линзы Френеля алмазным точением металлической или пластмассовой ленты, закрепленной вокруг боковой поверхности барабана. Полученную негативную матрицу отделяют от барабана и прикрепляют к плоской подложке поверхностью, противолежащей поверхности с выточенным негативным профилем. Перед выточенным негативным профилем устанавливают плоскую стеклянную пластину, имеющую на поверхности, обращенной к негативной матрице, прозрачное адгезионное покрытие, а на противолежащей поверхности имеющую антиотражающее покрытие. Заполняют жидким силиконовым эластомером зазор между негативной матрицей и плоской стеклянной пластиной. Выдавливают избыточное количество жидкого силиконового эластомера до соприкосновения негативной матрицы с плоской стеклянной пластиной. Вулканизируют жидкий силиконовый эластомер и отделяют предварительно присоединенную к вакуумному столику плоскую стеклянную пластину с готовой линейной линзой Френеля от негативной матрицы путем ее изгибания.
Новым в способе является изготовление негативной матрицы по меньшей мере одной линейной линзы Френеля алмазным точением металлической или пластмассовой ленты, закрепленной вокруг боковой поверхности барабана, нанесение на поверхность стеклянной пластины, противоположной поверхности с выточенным негативным профилем, нанесение антиотражающего покрытия, выдавливание избыточного количества жидкого силиконового эластомера до соприкосновения негативной матрицы с плоской стеклянной пластиной, предварительное присоединение к вакуумному столику плоской стеклянной пластины с готовой линейной линзой Френеля перед ее отделением от негативной матрицы и направление струи сжатого воздуха на стык изгибаемой негативной матрицы и стеклянной пластины с готовой линейной линзой Френеля.
Введение в способ изготовления линз Френеля этих операций позволяет улучшить их оптическое качество за счет большей точности изготовления элементов линейных линз Френеля и изготавливать концентраторы меньшей массы.
Алмазное точение можно вести при температуре металлической или пластмассовой ленты, выбранной из интервала рабочих температур линейной линзы Френеля в концентраторном фотоэлектрическом модуле. А вулканизацию жидкого силиконового эластомера можно вести при температуре негативной матрицы линейной линзы Френеля, выбранной из интервала рабочих температур линейной линзы Френеля в концентраторном фотоэлектрическом модуле. Таким образом, устраняется размытие фокусной линии, происходящее из-за температурного изменения формы линейной линзы Френеля, и, соответственно, повышается КПД в случае нормального падения излучения и в случае разориентации.
Перед нанесением прозрачного адгезионного покрытия края стеклянной пластины, выступающие за область негативной матрицы линейной линзы Френеля, и сторону стеклянной пластины с антиотражающим покрытием можно покрывать съемной защитной пленкой, которую формируют нанесением слоя жидкого силиконового эластомера и последующей его вулканизации. Пленку удаляют при монтаже линейных линз Френеля в фотоэлектрические модули.
К краям стеклянной пластины, выступающим за область негативной матрицы линейной линзы Френеля, со стороны поверхности с антиотражающим покрытием можно прикреплять посредством вулканизированного силиконового эластомера рамку для фиксирования положения стеклянной пластины относительно негативной матрицы линейной линзы Френеля.
Плоскую стеклянную пластину предпочтительно использовать толщиной 0,05÷1,00 мм.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 в аксонометрии схематично изображена закрепленная вокруг боковой поверхности барабана лента с проточенным профилем линейной линзы Френеля;
на фиг.2 в поперечном сечении схематично изображено заполнение жидким силиконовым эластомером зазора между негативной матрицей и плоской стеклянной пластиной;
на фиг.3 в поперечном сечении схематично изображен способ фиксации положения стеклянной пластины относительно негативной матрицы;
на фиг.4 в поперечном сечении схематично изображен способ отсоединения концентратора от матрицы с негативным профилем.
Негативную матрицу 1 (матрицу с негативным профилем линейной линзы Френеля (см. фиг.1)) изготавливают алмазным точением ленты из пластмассы, металла или сплава, закрепленной вокруг боковой поверхности барабана 2. Затем негативную матрицу 1 отделяют от барабана 2 и распрямляют, прикрепив к плоскому гибкому основанию 3 стороной, обратной стороне с профилем 4. Негативная матрица 1 может быть изготовлена алмазным точением ленты, нагреваемой до температуры, находящейся в интервале температур, которые может иметь фотоэлектрический модуль в условиях эксплуатации (в диапазоне 40÷80°С). На одну из сторон плоской стеклянной пластины 5, предпочтительно толщиной 0.05÷1.00 мм (см. фиг.2, фиг.3, фиг.4), наносят покрытие 6, обеспечивающее к ней адгезию силиконового эластомера 7, образующего профиль линейной линзы Френеля, после его вулканизации. На обратную сторону стеклянной пластины 5 наносят антиотражающее покрытие 8. Перед нанесением адгезивного состава края стеклянной пластины 5, выступающие за область негативной матрицы 1, могут быть покрыты защитной пленкой 9, которую удаляют при монтаже линз в фотоэлектрические модули. Со стороны с антиотражающим покрытием стеклянная пластина также может быть покрыта защитной пленкой 10, которую удаляют после завершения монтажа линейных линз Френеля в фотоэлектрические модули. Эта защитная пленка может быть образована вулканизированием тонкого слоя жидкого силиконового эластомера. К краям стеклянной пластины 5 со стороны с антиотражающим покрытием 8 может быть прикреплена посредством вулканизирования тонкого слоя жидкого силиконового эластомера, образующего защитную пленку 10, бумажная рамка 11. Линейную линзу 12 Френеля формируют путем заполнения жидким силиконовым эластомером 7 зазора между негативной матрицей 1 и плоской стеклянной пластиной 5 и последующего выдавливания избыточного количества жидкого силиконового эластомера 7 так, чтобы расстояние между негативной матрицей 1 и стеклянной пластиной 5 было минимальным. Выдавливание происходит при установке на стеклянную пластину 5 груза, вес которого зависит от вязкости жидкого силиконового эластомером 7. Линейные линзы 12 Френеля также могут быть изготовлены с помощью негативной матрицы 1, имеющей температуру, поддерживаемую в интервале температур фотоэлектрического модуля в условиях эксплуатации (в диапазоне 40÷80°С). С помощью бумажной рамки 11 и металлических зажимов 13 положение стеклянной пластины 5 может быть зафиксировано (см. фиг.3) относительно негативной матрицы 1. Затем, после завершения вулканизирования силиконового эластомера 7, от стеклянной пластины 5 отсоединяют бумажную рамку 11 и удаляют излишки 14 выдавленного силикона 7. Стеклянную пластину 5 с линейной линзой 12 Френеля отделяют путем изгиба негативной матрицы 1, предварительно присоединив стеклянную пластину 5 к вакуумному столику 15 (см. фиг.4). При этом на линию стыка изгибаемой матрицы 1 и стеклянной пластины с готовой линейной линзой 12 Френеля направляют струю сжатого воздуха.
2
Предложенным способом удалось изготовить концентратор площадью 0,0126 м с двумя линейными линзами Френеля, отличающийся следующими характеристиками. В отличие от линз, полученных способом-прототипом, в которых наименьшая толщина френелевского профиля должна быть не меньше 0,1 мм, в линейных линзах Френеля, полученных предложенным способом, наибольшая толщина слоя силикона между стеклянной пластиной и впадинами френелевского профиля получается менее 0,1 мм. Значение оптической эффективности изготовленного концентратора оказывается более высоким, т.к. микропризмы расположены ближе к стеклянной пластине и углы наклона их преломляющих граней относительно поверхности стеклянной пластины меньше отклоняются от углов, заданных профилем негативной матрицы. Концентратор с толщиной профиля линзы Френеля в месте впадин меньше 0,1 мм сложнее отделить от матрицы, поэтому стеклянную пластину присоединяют к вакуумному столику для того, чтобы предотвратить ее раскалывание. В изготовленном предложенным способом концентраторе стеклянная пластина имеет толщину 0,125 мм, соответственно масса концентратора меньше массы линз, полученных способом-прототипом, той же площади больше чем в 15 раз.