CN101853887B - 用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜，用于会聚太阳光并将会聚的光线耦合进太阳能电池芯片内，包括基体，上述基体包括受光面和出光面，其中受光面主要由凸形弧面以及位于凸形弧面上方的平面构成，出光面为平面，凸形弧面上方的平面与出光面相互平行。该二次光学透镜增加了光的会聚能量，扩大了太阳光的允许入射角，改善了因光线聚焦不均匀造成的电池芯片局部过热，进而降低电池芯片的光电转换效率的问题，提高了电池芯片长期工作的稳定性；同时使更多的太阳光会聚到电池芯片的表面，从而提高了整个光电系统的发电效率。

Description

用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜

技术领域

 本发明涉及一种光学透镜，尤其涉及一种用于聚焦太阳能电池中的非成像的二次光学透镜。

背景技术

目前已经研制出了光电转换效率高达30%以上的太阳能电池芯片，但是这种芯片的价格昂贵，为了减少芯片的使用面积，提高芯片的使用效率，需要提高太阳光的聚光倍率。在聚光500倍的情况下，目前光电转换效率可达38%以上。对于一个理想且实用的太阳能发电系统，除了具有高光电转换效率的太阳能电池芯片外，该系统还要有高的聚光效率，这是因为太阳能发电组件的光电转换效率为电池芯片的光电转换效率与聚光效率的乘积，因此对太阳光的会聚就必须采取最有效的光学设计结构并采用低成本的光学元件。

为了降低成本，一般太阳能发电系统的聚光倍率在500倍、1000倍甚至更高。由于太阳是运动的，所以在高倍率聚光时必须安装太阳光跟踪系统以实现精确对准。为保证精确对准，聚焦光学系统要有较宽的允许太阳光入射角，这一点是非常重要的。加入二次光学透镜将有效地扩大允许的太阳光入射角的角度，并产生如下好处：① 降低了组件装配时的对准精度要求，允许有较大的误差，为实现装配自动化创造条件；② 使更多的太阳光能量传递到太阳能电池芯片上，提高了输出电功率；③ 减少了对跟踪系统的精度要求，从而降低了系统成本和能耗；④ 降低由于气流波动造成的太阳光聚光点的抖动，使输出功率更稳定；⑤ 为设计更高聚光倍率的太阳能发电系统创造了条件。

目前采用的二次光学透镜有两种，倒梯形柱状的玻璃透射棱镜和倒金字塔形金属反射镜。玻璃透射棱镜不但聚光效果不好而且成本高，安装不方便，采用者较少。广泛采用的是倒金字塔形金属反射镜做二次光学透镜，但如果以光能量下降10%为准，在聚焦倍率500倍时，采用金属反射镜的系统与没有任何二次光学元件的系统相比入射角允许偏差才增加了0.1度，因此对于提高允许的太阳光入射角的效果并不是很明显，急需开发新的二次光学透镜以提高允许的太阳光入射角；并且如果严格按非成像光学原理设计透镜，得到的二次光学透镜将是一个形状不规则的曲面，加工十分困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过合理设计二次光学透镜的形状，以解决目前二次光学元件改善允许的太阳光入射角效果差的问题，以及由于聚焦光斑集中导致太阳能电池芯片表面受热不均匀，从而引起的太阳能电池芯片的光电转换效率差、可靠性不好的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜，包括基体，上述基体包括受光面和出光面，其中：受光面主要由凸形弧面以及位于凸形弧面上方的平面构成，出光面为平面；上述凸形弧面上方的平面与出光面相互平行。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：将受光面设计成凸形弧面和平面相结合的结构，当经前级透镜会聚的光线照射在二次光学透镜上时，平面部分对光线具有较小的会聚作用，可以得到较为均匀的光斑，经过出光面后光斑可较均匀地照射在太阳能电池芯片的表面，这样可以减少因光线聚焦集中导致太阳能电池芯片受热不均匀进而降低太阳能电池芯片的光电转换效率的问题，并提高了电池芯片长期工作的稳定性；另外，由于受光面的凸形弧面结构对于太阳光有较大的会聚作用，因此将受光面设计成凸形弧面可以有效扩大允许的太阳光的入射角，这样就增加了可会聚的太阳能，使更多的太阳光会聚到太阳能电池芯片的表面，从而提高了整个光电系统的发电效率。同时减少了对跟踪系统的精度要求，进而降低了能耗和系统成本；由于受光面采用凸形弧面与平面相结合的结构，比出光面的面积大的多，因此，受光面可以接受更多的太阳光，并且当太阳移动时，也可以将太阳光会聚到太阳能电池芯片上，因此，此二次光学透镜的有效聚光倍率更高、聚能效果更好。

附图说明

图1是二次光学透镜实施例一的结构示意图；

图2是图1所示二次光学透镜结构的俯视图；

图3（a）是二次光学透镜实施例二的结构示意图；

图3（b）是二次光学透镜实施例三的结构示意图；

图4是本发明二次光学透镜的聚光示意图；

图5（a）是经初级光学透镜会聚的太阳光强度分布示意图；

图5（b）是经二次光学透镜后太阳光强度分布示意图；

图6是无二次光学透镜、使用传统二次光学透镜及使用本发明提供的二次光学透镜三种情况下的太阳能电池芯片光电转换效率和允许的入射角偏离度之间的关系变化图；

图7是本发明的二次光学透镜应用于透射式聚焦太阳能电池模组中的结构示意图；

图中：1-二次光学透镜，1-1 –受光面的凸形弧面，1-2 –受光面的平面，1-3 –出光面，1-4 二次光学透镜上的第一圆周面，1-5 二次光学透镜上的第二圆周面，2-太阳能电池芯片，3-光学胶，4-太阳能电池芯片基板，5-菲涅尔透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参见图1和图2，一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜1，包括基体，上述基体包括受光面的凸形弧面1-1部分、受光面的平面1-2部分和出光面1-3。受光面主要由凸形弧面1-1以及位于凸形弧面1-1上方的平面1-2构成，出光面1-3为平面，受光面的平面1-2和出光面1-3之间保持平行，使会聚到太阳能电池芯片上的光斑更加均匀。凸形弧面1-1优选为球面，球面便于加工，生产工艺过程简单，易于工业自动化生产。凸形弧面1-1也可以为其他形状的凸形弧面，例如用截得的凸形抛物线的一段经旋转而成的凸形弧面或者经其他形状的凸形线旋转得到的凸形弧面。

实施例二

参见图3（a），一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜1，与实施例一的不同之处在于基体中还包括一垂直于出光面1-3并和受光面的凸形弧面1-1相交的第一圆周面1-4。第一圆周面1-4的设置使输出光斑形状的设计变得更加灵活，例如，可以在受光面（1-1、1-2）和出光面1-3尺寸都不变的情况下，改变受光面（1-1、1-2）和出光面1-3之间的距离，或者可以在受光面（1-1、1-2）和出光面1-3之间的距离不变的情况下通过改变受光面的凸形弧面1-1的曲率或形状来达到不同的聚光效果和输出光斑形状。

实施例三

参见图3(b)，一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜1，与实施例二的不同之处在于基体中还包括一直径略比第一圆周面1-4大的第二圆周面1-5。这样的结构设计可方便二次光学透镜1的安装。

上述三个实施例中二次光学透镜的折射率越小越好，本发明优选的折射率小于2.0。折射率越小，经二次光学透镜反射到空气中的光线越少，入射到太阳能电池芯片上的光能量越大。一般采用玻璃或石英制成，还可以用其他折射率小于2.0的耐高温、抗紫外线的透明材料制成。

从初级光学透镜的光特性出发进行非成像光学的模拟计算，得到理想的二次光学透镜通常是一个自由形状的光学曲面，这对于加工生产是十分困难的。对于一个好的二次光学透镜，必须要具有以下优点：1）有效地增加允许的太阳光入射角度；2）会聚更多的光能，使会聚的光斑更均匀地照射到太阳能电池芯片的表面，这将改善器件的电输出特性并提高长期工作的可靠性；3）便于加工，从而降低成本； 4）安装方便，便于大量生产。

本发明提供的二次光学透镜是假设从初级光学透镜射入的光是对称的，光强从中心沿径向递减，通常这种假设是成立的。因此本发明采用低折射率的材料做透镜，以凸形弧面1-1（优选球面）与平面1-2相结合的结构作为受光面、出光面1-3为平面，这样受光面面积要远远大于有效的出光面1-3面积（有效的出光面通常为出光面1-3中出射光斑的部分)，从而可以大大增加系统的有效聚光倍率。

参见图4、图5（a）和图5（b），可以看出，使用本发明提供的二次光学透镜可以将二次光学透镜边缘散射的光线会聚到出光面上，并且使会聚的光线较均匀。

参见图6，其中曲线A代表无二次光学透镜条件下相对光电转换效率和允许的入射角偏离度之间的变化关系图，曲线B代表使用传统二次光学透镜条件下相对光电转换效率和允许的入射角偏离度之间的变化关系图，曲线C代表使用本发明提供的二次光学透镜条件下相对光电转换效率和允许的入射角偏离度之间的变化关系图。其中从图中可以看出：使用传统二次光学透镜与无二次光学透镜相比，对光的会聚效果相差无几。以光能量下降10%为准，在聚焦倍率500倍时，无二次光学元件时允许的太阳光入射角偏离度为0.1度，采用金属反射镜的系统与没有任何二次光学透镜的系统相比入射角允许偏差增加了0.1度，这种聚光效果不明显。相反，利用本发明提供的二次光学透镜后会在光电转换效率相同时可以大大增加允许的太阳光入射角的偏离度，可增加到1度。由于增大了对光线的会聚范围，因此提高了对光能的利用率。

使用特殊的耐高温、抗紫外的光学胶将二次光学透镜的出光面和太阳能电池芯片的受光面进行对准粘合，这种光学胶的折射率与二次光学透镜的折射率相匹配，从而使从二次光学透镜射出的光能量直接耦合进太阳能电池芯片的感光区。为了使光能量最大限度地被利用，所以二次光学透镜的有效的出光面和太阳能电池芯片的受光面要在大小、形状上相匹配，避免光能的浪费。

图7是本发明的二次光学透镜1应用于太阳能电池上的组装结构示意图，将太阳能电池芯片2贴装在太阳能电池芯片基板4上，用光学胶3将二次光学透镜1固定在太阳能电池芯片2的上面。从图中可以看出太阳光入射到菲涅尔透镜5上，经它的会聚作用进入二次光学透镜1，这种菲涅尔透镜5可用高透明度、抗紫外光辐照的PMMA塑料压制而成，也可在超白玻璃基板上涂覆硅凝胶压制而成。经第一次会聚的太阳光在二次光学透镜1中进一步会聚并指向化、均匀化。[0020]光学胶3是折射率与二次光学透镜1匹配很好的耐高温的光学胶，它将二次光学透镜1输出的光能量耦合进太阳能电池芯片2，这种光学胶3有效地减少了能量传递过程中的界面损耗。太阳能电池芯片基板4上除了安装太阳能电池芯片2外，还将安装旁路二极管和电极的引出线或引出端子。本发明提供的二次光学透镜1可应用于一次聚焦透射式的系统，也可用于一次聚焦反射式的聚能系统中。

本发明提供的二次光学透镜特别适用于初次光学透镜会聚特性比较差的情况，例如：在超白玻璃基板上涂覆硅凝胶压制而成的菲涅尔透镜作为初次光学透镜时，虽然这种初次光学透镜具有很好的环境稳定性，但是它的会聚特性比较差，使用本发明提供的二次光学透镜后，输出的光功率可大为提高。

本发明采用了凸形弧面与平面组合的受光面，避免了由一般非成像光学精确设计得到的自由形状的复杂表面结构，这样便于低成本大量生产。

Claims (3)

1.一种用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜，包括基体，上述基体包括受光面和出光面，其特征在于：受光面主要由凸形弧面以及位于凸形弧面上方的平面构成，出光面为平面；凸形弧面上方的平面与出光面相互平行；上述凸形弧面为球面；上述基体中还包括一垂直于出光面并和受光面的凸形弧面底端相交的第一圆周面；在第一圆周面和出光面之间设有第二圆周面，第二圆周面的直径大于第一圆周面的直径。

2.根据权利要求1所述的用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜，其特征在于上述二次光学透镜的折射率小于2.0。

3.根据权利要求1或2所述的用于聚焦太阳能电池中的二次光学透镜，其特征在于上述二次光学透镜由玻璃或石英制成。

Images