CN101329442A - 光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件。所要解决的技术问题是提供一种结构简单、性能可靠、对中精度高、加工工艺简单、成本低、寿命长的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，能够提高太阳光的光能密度，大大降低光伏发电的成本。解决该问题的技术方案是：聚光元件，其特征在于：它由高次非球面主镜、高次非球面次镜和导光棱镜热压一体成型，其中高次非球面镜的设计公式为上式，式中，Z为入射光线在非球面透镜上的高度，r为非球面顶点的曲率半径，c为基准球面曲率，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅为非球面系数，k为二次曲线系数。本发明可用于太阳能照明、发电、光伏系统。

Description

光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件

技术领域

本发明涉及一种太阳能聚光元件，特别是一种光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，可应用于太阳能照明、发电、光伏系统，并可扩展到各领域的红外光电接收系统及新型半导体照明光源应用系统。

背景技术

太阳能是无污染、取之不尽、用之不竭的能源。为了降低光伏发电成本，提高太阳能电池的转换效率，如何在单位面积内使太阳能电池发挥最大的发电量，提高光伏发电的功率，就成为发展太阳能工业的一大研究重点。研发超高倍率太阳能聚光组件，提高入射到太阳能电池单位面积上的太阳辐射能流密度，提高太阳能电池的转换效率，用最小的太阳能电池面积获取尽可能多的电能，使太阳能光伏发电具有跟常规能源竞争的能力，则是目前太阳能工业亟待解决的问题。

目前，太阳能聚光组件通常采用卡塞格林系统(抛物面主镜、双曲面次镜和导光棱镜)，但该产品在实践推广应用中，由于卡塞格林系统是折反射系统，由抛物面主镜、双曲面次镜和导光棱镜三个光学器件构成，光学结构很长，加工工艺复杂，需要采用一系列工序，毛坯加工，粗加工，粗磨，精磨、抛光；定中、磨边。致使曲面加工难度大、制造困难、费用高，不适合成批生产；调试麻烦、产品质量不稳定，寿命短。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构简单、性能可靠、对中精度高、加工工艺简单、成本低、寿命长的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，能够提高太阳光的光能密度，大大降低光伏发电的成本。

本发明所采用的技术方案是：光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：它由高次非球面主镜、高次非球面次镜和导光棱镜热压一体成型，其中高次非球面镜的设计公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+\mathrm{\Λ}$

式中，Z为入射光线在非球面透镜上的高度，r为非球面顶点的曲率半径，c为基准球面曲率，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅为非球面系数，k为二次曲线系数。

所述高次非球面主镜和高次非球面次镜表面镀有可反射红外波段和可见光波段太阳光的膜。

所述高次非球面主镜、高次非球面次镜和导光棱镜均为圆形。

所述高次非球面主镜、高次非球面次镜和导光棱镜均为方形。

圆形高次非球面主镜的直径为30-120mm，导光棱镜的直径为1.5-10mm。

方形高次非球面主镜的边长为30-120mm，导光棱镜的边长为1.5-10mm。

所述可反射红外波段和可见光波段太阳光的膜的波长范围为350-1800nm。

本发明的有益效果是：1)本发明用一个太阳能聚光器件就完成了原来必须由三个光学器件(由抛物面主镜、双曲面次镜和导光棱镜组成的卡塞格林系统)来完成的整个功能，因此本聚光元件结构简单、性能可靠、将太阳光的光能密度提高了400-800倍；2)本发明采用玻璃热压一次成型工艺，将多个光学元件(由高次非球面主镜、高次非球面次镜、导光棱镜组成卡塞格林系统)一次热压成型，不仅省时省料，还省去了定中、装配、调校等多道工序，提高了对中精度和产品的性价比；3)对高次非球面主镜和次镜表面进行的全光谱范围镀膜处理，可反射红外波段和可见光波段的太阳光，扩大了太阳光的接收谱段范围，提高了聚光效率。

附图说明

图1是实施例1的主剖视图。

图2是实施例1的侧视图。

图3是实施例1的光路图。

图4是实施例2的主剖视图。

图5是实施例2的侧视图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例由高次非球面主镜1、高次非球面次镜2和导光棱镜3热压一体成型，其中高次非球面镜的设计公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+\mathrm{\Λ}$

式中，Z为入射光线在非球面透镜上的高度，r为非球面顶点的曲率半径，c为基准球面曲率，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅为非球面系数，k为二次曲线系数。

所述高次非球面主镜1和高次非球面次镜2表面经镀膜处理，膜的波长在350-1800nm范围内选择，镀膜(镀银及保护膜)可反射红外波段和可见光波段的太阳光，从而扩大了接收太阳光的谱段范围，提高了聚光效率。

如图2所示，本例中，高次非球面主镜1、高次非球面次镜2和导光棱镜3均为圆形，其中高次非球面主镜1的直径为60mm，导光棱镜3的直径为3mm。高次非球面主镜1的光接收面积与导光棱镜3的光接收面积(一般情况下，为了提高光电池的利用率，导光棱镜3的光接收面积等于光电池的光接收面积)之比为该聚光元件的太阳能聚光比，因此本例中太阳能聚光比为400。

如图3所示，光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件的会聚原理是：太阳光由聚光元件平面入射，进入高次非球面主镜1反射后进入高次非球面次镜2，由其反射后经导光棱镜3会聚在焦面处，实际使用时，通常在焦面处设置太阳能聚光电池，以接收会聚后的太阳光，并将其转换为电能。

实施例2：如图4、图5所示，本实施例与实施例1基本一致，其区别仅仅在于：高次非球面主镜1、高次非球面次镜2和导光棱镜3均为方形，其中高次非球面主镜1的边长为60mm，导光棱镜3的边长为3mm。因太阳能聚光电池形状为方形，将高次非球面主镜1、高次非球面次镜2和导光棱镜3均制为方形，以便和太阳能光电池的方形相吻合，可充分利用太阳能聚光电池的面积。

Claims (8)

1、一种光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：它由高次非球面主镜(1)、高次非球面次镜(2)和导光棱镜(3)热压一体成型，其中高次非球面镜的设计公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+\mathrm{\Λ}$

式中，Z为入射光线在非球面透镜上的高度，r为非球面顶点的曲率半径，c为基准球面曲率，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅为非球面系数，k为二次曲线系数。

2、根据权利要求1所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述高次非球面主镜(1)和高次非球面次镜(2)表面镀有可反射红外波段和可见光波段太阳光的膜。

3、根据权利要求1或2所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述高次非球面主镜(1)、高次非球面次镜(2)和导光棱镜(3)均为圆形。

4、根据权利要求1或2所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述高次非球面主镜(1)、高次非球面次镜(2)和导光棱镜(3)均为方形。

5、根据权利要求3所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述高次非球面主镜(1)的直径为30-120mm，导光棱镜(3)的边长1.5-10mm。

6、根据权利要求4所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述高次非球面主镜(1)的边长为30-120mm，导光棱镜(3)的边长为1.5-10mm。

7、根据权利要求3所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述可反射红外波段和可见光波段太阳光的镀膜波长范围为350-1800nm。

8、根据权利要求4所述的光学玻璃热压成型高次非球面太阳能聚光元件，其特征在于：所述可反射红外波段和可见光波段太阳光的镀膜波长范围为350-1800nm。

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