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DE4344392A1 - Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen

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Publication number
DE4344392A1
DE4344392A1 DE4344392A DE4344392A DE4344392A1 DE 4344392 A1 DE4344392 A1 DE 4344392A1 DE 4344392 A DE4344392 A DE 4344392A DE 4344392 A DE4344392 A DE 4344392A DE 4344392 A1 DE4344392 A1 DE 4344392A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fresnel lens
plastic plate
extrusion
lens
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE4344392A
Other languages
English (en)
Inventor
Volker Dr Benz
Udo Dr Ing Fischer
Michael Dr Meier-Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Roehm GmbH Darmstadt
Original Assignee
Roehm GmbH Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roehm GmbH Darmstadt filed Critical Roehm GmbH Darmstadt
Priority to DE4344392A priority Critical patent/DE4344392A1/de
Priority to AT94120043T priority patent/ATE192963T1/de
Priority to DK94120043T priority patent/DK0659531T3/da
Priority to EP94120043A priority patent/EP0659531B1/de
Priority to DE59409357T priority patent/DE59409357D1/de
Priority to ES94120043T priority patent/ES2147214T3/es
Priority to JP6317264A priority patent/JPH07290552A/ja
Priority to KR1019940035852A priority patent/KR100311549B1/ko
Priority to ZA9410272A priority patent/ZA9410272B/xx
Priority to US08/363,839 priority patent/US5656209A/en
Priority to IL112322A priority patent/IL112322A/xx
Publication of DE4344392A1 publication Critical patent/DE4344392A1/de
Priority to US08/811,537 priority patent/US5870233A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00278—Lenticular sheets
    • B29D11/00288—Lenticular sheets made by a rotating cylinder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00269—Fresnel lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
    • F24S23/31—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
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Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere aus PMMA durch Extrusion und ihre Verwendung für Sonnenkollektoren.
Stand der Technik
Auf verschiedenen Anwendungsgebieten der technischen Optik kommt es häufig darauf an, das von einer Lichtquelle ausgehende Licht zu bündeln. Man verwendet dafür im allgemeinen geeignet dimensionierte optische Linsen. Um ein paralleles Lichtbündel zu erzeugen, sollte die Lichtquelle im Brennpunkt der Linse stehen. Je kleiner der Abstand zwischen Lichtquelle und Linse, desto mehr Licht wird gesammelt. Dies führt in der Praxis zu Linsen mit kurzer Brennweite und dementsprechend großer Dicke.
Von A. Fresnel, stammt die Erkenntnis, daß sich Linsenwirkung auch dann ergibt, wenn man anstelle der geschlossenen konvexen Oberfläche der Linse konzentrisch­ ringförmige "Stufen" mit vergleichbarer Oberflächen­ krümmung setzt.
Bei den Fresnel-Linsen handelt es sich demnach um sogenannte Stufenlinsen. Man kann sie aus einer normalen Linse durch Unterteilung der Linse in Segmente und Parallelverschiebung einer Oberfläche jedes Segments entstanden denken (vgl. Bild 2).
Durch die Anwendung dieses Prinzips ist es möglich, eine Linse mit hoher Brechkraft (kleiner Brennweite) und geringer Dicke zu bauen. Fresnel-Linsen können als circulare und als lineare (Zylinder-)Linsen gebaut werden. Bekannte technische Anwendungen für Fresnel-Linsen sind z. B. bei Projektionsschirmen, Overheadprojektoren, Filter für Bühnenscheinwerfer, Rundumsichtlinsen für Rückscheiben von Fahrzeugen wie Lieferwagen oder Wohnmobilen, Linsen für Leuchtfeuer u. a.
Aufgabe und Lösung
Bei allen Anwendungen, bei denen bislang transparente Kunststoffe, sog. Kunststoff-Gläser, für Fresnel-Linsen zum Einsatz kamen - an erster Stelle wäre dabei Acrylglas (im wesentlichen Polymethylmethacrylat = PMMA) zu nennen - handelt es sich um Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Auflösung und dementsprechend großen Fertigungsproblemen. (Vgl. Becker-Braun, Kunststoff- Handbuch, Neuausgabe Bd. 1, Die Kunststoffe S. 775-776, Carl Hanser 1990).
Die vorliegende Erfindung geht u. a. auf die Erkenntnisse zurück, daß sich transparente Kunststoffplatten mit linearer Fresnel-Struktur, insbesondere Acrylglas-Platten hervorragend als lichtsammelnde Elemente in Sonnenkollektoren nutzen lassen. Es bestand somit die Aufgabe, transparente Kunststoffplatten, vorzugsweise aus Acrylglas mit linearer Fresnel-Struktur, hergestellt nach einer möglichst einfachen günstigen Verfahrensweise, zur Verfügung zu stellen.
Unter einer linearen Fresnel-Struktur wird eine Oberflächengestaltung verstanden, bei der die oben beschriebenen Fresnel-Zonen linear und parallel angeordnet sind. (Bild 2).
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen aus extrudierbarem thermoplastischem Kunststoff, wobei man die Fresnel-Linsen im Extrusionsverfahren auf einer Extrusionsanlage zur Herstellung von massiven Platten mit geglätteter Oberfläche, bestehend aus einem Extruder, Breitschlitzdüse Glättwerk und Abzug mittels einer, eine entsprechende Oberflächenstruktur aufweisende, Prägewalze herstellt. (Vgl. Becker-Braun, Kunststoff-Handbuch, Neuausgabe Bd. 1, S. 775-776; Carl Hanser 1990).
Eine relativ einfach realisierbare Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß die Walzen des verwendeten Glättwerks zur Erzeugung der Fresnel- Strukturen hintereinander angeordnet sind, die Prägewalze zur Erzeugung der Fresnel-Struktur sitzt in der Mitte. Die zur Herstellung verwendete Vorrichtung besteht demnach vorzugsweise im wesentlichen aus dem Extruder (1), der nachgeschalteten Düse (2), den beiden glatten Walzen (3) und (3′) und der Prägewalze (3′′). Das Extrudat (4) besitzt auf der Oberseite eine lineare Fresnel-Struktur (5). (Die Bezugszeichen beziehen sich auf Bild 1). Die benötigte Prägewalze kann beispielsweise mittels einer CNC- Drehmaschine hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft desweiteren die Verwendung der linearen Fresnel-Linsen als lichtsammelnde Elemente von Sonnenkollektoren. Die vorliegende Erfindung kann hinsichtlich des Aufbaus der Sonnenkollektoren an bestehende Sonnenkollektoren-Systeme (Bild 3a) anschließen. Dabei dienen als Licht-Kollektor-Einheiten lineare Parabolspiegel aus bedampftem Glas (6), in deren Brennlinie ein Rohr (7) fixiert ist, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird.
Erfindungsgemäß enthalten die Sonnenkollektoren (Bild 3b) mindestens ein eine Wärmeträgerflüssigkeit enthaltendes Rohr (7) und als ein das parallel einfallende Sonnenlicht sammelndes optisches Element eine lineare Fresnel-Linse (8), die einander derart zugeordnet sind, daß das Licht die Fresnel-Linse (8), auf das, die Wärmeträgerflüssigkeit enthaltende, Rohr (7) gerichtet auftrifft. Die lineare Fresnel-Linse (8) besteht aus transparentem Kunststoff, insbesondere aus Acrylglas. Zweckmäßigerweise ist das Rohr (1) so gestaltet, daß es möglichst stark absorbiert; Dieser Zweck wird beispielsweise durch eine matt-schwarze Einfärbung des Materials erzeugt.
Das Sonnenkollektorensystem arbeitet in der Weise, daß das parallel einfallende Sonnenlicht auf die plane Oberfläche der linearen Fresnel-Linse auftrifft, welche das Licht sammelt und auf das im physikalisch richtigen (experimentell leicht bestimmbaren) Abstand fixierte, die Wärmeträgerflüssigkeit enthaltende Rohr (7) richtet und damit die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt. Die Weiterleitung bzw. Übertragung der Wärme geschieht in an sich bekannter Weise. Die erfindungsgemäß hergestellten Sonnenkollektoren sind in ihrem schematischen Aufbau in Bild 2 wiedergegeben.
Anstelle eines linearen Parabolspiegels (6) wie im Stand der Technik, in dessen Brennlinie das parallel durch ein Rohr einfallende Licht fokussiert wird, steht erfindungsgemäß als lichtsammelndes Element die lineare Fresnel-Linse (8). In einer speziellen Ausgestaltung kann die lineare Fresnel-Linse (8) auch unter leichter Verspannung im Sonnenkollektorsystem fixiert sein (Bild 4), um den Einfluß der Wärmedehnung aufzufangen und somit ein undefiniertes Beulen auszuschließen. In diesen Fällen muß der Einfluß der Krümmung bei der Festlegung der Fresnel-Struktur berücksichtigt werden.
Vorteilhafte Wirkungen
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Sonnenkollektoren gehen in erster Linie auf die Verwendung der linearen Fresnel- Linsen (3) beispielsweise aus Acrylglas zurück.
Die Vorteile derartiger linearer Fresnel-Linsen sind u. a.:
  • - Die Herstellungsmöglichkeit per Extrusionsverfahren und damit der niedrige Preis
  • - das geringe Gewicht
  • - die einfache, ggf. automatische Reinigung.
Beispiel Ausführungsbeispiel
Auf einer Extrusionsanlage zur Herstellung von massiven Platten mit geglätteter Oberfläche, bestehend aus Extruder (1), Breitschlitzdüse (2), Glättwerk und Abzug (siehe Bild 1) wird eine lineare Fresnel-Linse aus PMMA in einer Breite von 400 mm extrudiert. Die Walzen (3) und (3′) des verwendeten Glättwerks sind hintereinander angeordnet, die Prägewalze (3′′) zur Erzeugung der Fresnel- Struktur sitzt in der Mitte.
Die Dicke der hergestellten Platte beträgt 6 mm. Die Stufenbreite der Fresnel-Linse beträgt 4 mm. Bei einer Brennweite von 1000 mm wird eine Breite der Brennlinie von 15 mm erreicht (bei Durchstrahlung der Platte mit Sonnenlicht).
Das Sonnenlicht wird damit um den Faktor 26,7 konzentriert. Bei einer eingestrahlten Leistung von 1000 W/m² kann auf ein Rohr mit 15 mm Durchmesser eine Leistung von 400 W/m eingestrahlt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel- Linsen aus transparenten, thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fresnel-Linsen im Extrusionsverfahren auf einer Extrusionsanlage zur Herstellung von massiven Platten bestehend aus einem Extruder, Breitschlitzdüse, Glättwerk und Abzug mittels einer, eine entsprechende Oberflächenstruktur aufweisende Prägewalze herstellt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Linsen aus Polymethylmethacrylat hergestellt werden.
DE4344392A 1993-12-24 1993-12-24 Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen Withdrawn DE4344392A1 (de)

Priority Applications (12)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4344392A DE4344392A1 (de) 1993-12-24 1993-12-24 Verfahren zur Herstellung linearer Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen
ES94120043T ES2147214T3 (es) 1993-12-24 1994-12-17 Procedimiento para la extrusion de paneles de material plastico y lentes de fresnel producidas con el mismo.
DK94120043T DK0659531T3 (da) 1993-12-24 1994-12-17 Fremgangsmåde til ekstrusion af formstofplader og deraf fremstillede Fresnellinser
EP94120043A EP0659531B1 (de) 1993-12-24 1994-12-17 Verfahren zur Extrusion von Kunststofftafeln und daraus hergestellte Fresnel-Linsen
DE59409357T DE59409357D1 (de) 1993-12-24 1994-12-17 Verfahren zur Extrusion von Kunststofftafeln und daraus hergestellte Fresnel-Linsen
AT94120043T ATE192963T1 (de) 1993-12-24 1994-12-17 Verfahren zur extrusion von kunststofftafeln und daraus hergestellte fresnel-linsen
JP6317264A JPH07290552A (ja) 1993-12-24 1994-12-20 プラスチックパネルを押し出す方法、プラスチックパネルからなるフレネルレンズおよびこのフレネルレンズを有するソーラーコレクタ
KR1019940035852A KR100311549B1 (ko) 1993-12-24 1994-12-22 프레넬(fresnel)렌즈의제조방법
ZA9410272A ZA9410272B (en) 1993-12-24 1994-12-22 Extrusion process for plastics
US08/363,839 US5656209A (en) 1993-12-24 1994-12-27 Process for manufacture of Fresnel lenses
IL112322A IL112322A (en) 1993-12-24 1995-01-12 Process for the manufacture of fresnel lenses and solar collectors containing them
US08/811,537 US5870233A (en) 1993-12-24 1997-03-04 Process for manufacture of fresnel lenses

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ZA (1) ZA9410272B (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE20113934U1 (de) 2001-08-23 2001-11-15 Heeg, Manfred, 82319 Starnberg Lichtelement
DE102004043556A1 (de) * 2004-09-09 2006-03-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Solarkollektor mit transluzenter Abdeckung
DE102019003663A1 (de) * 2019-05-21 2020-11-26 Wolfram Held Optische Einrichtung zur Änderung der Richtung und/oder Verteilung von Licht wenigstens eines Leuchtmittels

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ZA9410272B (en) 1995-08-29

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