CN102201477B - 一种基于周期性微结构的太阳能聚光方法 - Google Patents

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一种基于周期性微结构的太阳能聚光方法及装置，涉及太阳能聚光器。装置设有透明介质基底和太阳能电池，在透明介质基底上表面覆盖有透明薄膜，透明薄膜上制备具有周期性微结构，太阳能电池设在透明介质基底与透明薄膜上的光栅槽线方向平行的两个侧面上。将太阳能光线入射到所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置的透明薄膜上，其衍射角超过介质基底全反射角的衍射级将会在介质基底内部传播，最终到达置于介质基底侧壁上的太阳能电池上；未在介质基底内形成全反射的衍射级以及入射光的零级将会透过透明介质基底，提供照明的作用。具有体积小、结构简单、成本低廉、免跟踪、接收角大、聚光均匀等优点，尤其适合在任何有玻璃窗户的建筑和车辆使用。

Description

一种基于周期性微结构的太阳能聚光方法
技术领域
本发明涉及太阳能聚光器，特别涉及一种基于周期性微结构的太阳能聚光方法及装置。 
背景技术
近年来，随着世界能源的日益枯竭和环境污染问题的日益严重，太阳能光伏发电作为最有希望取代传统石化燃料的绿色能源技术而受到世界各国的高度重视。太阳能具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优点，然而到达地表的太阳能密度很低，单位面积的太阳能电池的发电量非常有限。由于目前所使用的太阳能电池材料昂贵，直接用电池片接收太阳光的光伏系统成本高昂，难以推广应用。为了降低成本，人们开始了对聚光光伏技术的研究。聚光光伏系统(见文献【1】林海浩，张雪梅，钟英杰.太阳能光伏聚光器技术进展.太阳能，2008，(008)：34-39)使用聚光器把大面积的太阳光汇聚到面积较小的太阳能电池上面，从而用比较便宜的聚光系统来部分代替昂贵的电池，以提高电池转换效率，实现低成本发电的目的。 
按照光学原理，可以把聚光器分为基于光线折射、衍射和反射原理的聚光器和基于二次发射原理的聚光器。 
基于光线折射、衍射和反射原理的聚光器包括折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器和全息聚光器几种类型。这一类聚光器通常使用菲涅尔透镜、抛物面反射镜或者全息会聚元件将太阳光聚集到电池上面，其优点在于可以实现较高的聚光比。其中全息聚光器的色散功能还可将不同波段的光线汇聚到各自匹配的电池上面，最大程度地将光能转换为电能。这一类聚光器的普遍缺点在于聚光不够均匀、占地面积大以及需要专门的太阳跟踪装置。目前存在的这些聚光形式在实现光能量均匀分布的这一方面都存在着一定的困难，而聚光不够均匀会导致电池的转换效率降低，对电池的性能造成很大的影响。此外，由于这些聚光形式对光线的接收角度有比较严格的限制，因此它们往往都配备有一维的或二维的跟踪装置。而光伏系统一般工作在室外，环境条件比较恶劣，容易引发跟踪系统的故障，经常需要对其进行检修和维护。因此对跟踪系统的安装和维护的支出将在整个光伏系统的总成本中占据相当大的比例。另外，这些聚光系统都需要有专门的场地和空间，在当今土地资源非常珍贵的环境下，需要专门为其开辟一片空间也是一项需要加以考虑的的成本，并且限制了可以使用的场合。 
基于二次发射原理的聚光器包括热光伏聚光器(见文献【2】Andreev，V.，V.Grilikhes，et al.(2004).″Concentrator PV modules and solar cells for TPV systems.″Solar Energy Materials and Solar Cells 84(1-4)：3-17.)和荧光聚光器(见文献【3】Van Sark，W.，K.Barnham，et al.(2008).″Luminescent Solar Concentrators-A review of recent results.″Optics Express 16(26)：21773-21792.)。在热光伏聚光器中，会聚后的太阳光把一个辐射器加热到高温，然后辐射器再发出辐射到太阳电池上，电池不能利用的长波辐射重新回到辐射器，理论上可以达到很高的效率。热光伏聚光器由于需要会聚太阳光，同样需要专门的太阳跟踪装置。而荧光聚光器是一种添加荧光色素的透明板(一般为有机玻璃)，利用色素的荧光效应将吸收的入射太阳光二次发射，并传导到电池上面。荧光聚光器的优点在于不需要跟踪太阳，对不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，且其聚光比取决于平板面积和边缘面积之比，很容易达到10～100，此外由于其表面积较大，容易散热，从而避免了因光学聚焦而使电池过热导致效率下降的问题。但是荧光聚光器受限于色素材料的性质，在阳光的照射下，色素很容易发生降解，导致荧光效率下降，聚光器寿命缩短。此外有机玻璃相比普通玻璃价格较贵，硬度较差，表面容易划伤。 
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有体积小、结构简单、成本低廉、免跟踪、接收角大、聚光均匀等优点，尤其适合在任何有玻璃窗户的建筑和车辆上使用，并且不改变窗户的外观，亦不必专门占用额外的空间的基于周期性微结构的太阳能聚光装置。 
本发明的另一目的在于提供一种应用基于周期性微结构的太阳能聚光装置进行基于周期性微结构的太阳能聚光方法。 
所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置设有透明介质基底和太阳能电池，在透明介质基底的上表面覆盖有透明薄膜，所述透明薄膜上制备具有周期性微结构，太阳能电池设在透明介质基底与透明薄膜上的光栅槽线方向平行的两个侧面上。 
所述周期性微结构可为一维光栅结构、正交光栅结构或六角晶格结构等，所述一维光栅结构的周期可为400nm，所述正交光栅结构的周期可为600nm，所述六角晶格结构的周期可为600nm。 
所述基于周期性微结构的太阳能聚光方法的具体步骤如下： 
将太阳能光线入射到所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置的透明薄膜上，其衍射角超过介质基底全反射角的衍射级将会在介质基底内部传播，最终到达置于介质基底侧壁上的 太阳能电池上；未在介质基底内形成全反射的衍射级以及入射光的零级将会透过透明介质基底，提供照明的作用。 
本发明具有以下突出优点： 
(1)本发明类似于荧光聚光器的形式，具有一些荧光聚光器所具有的优点，如：易散热、无需冷却、安装简单、容易维护等。同时，由于以周期性微结构薄膜替代了荧光色素，因此避免了色素不稳定导致聚光器寿命缩短的问题。 
(2)成本低廉，工艺成熟。使用模压法制备微结构薄膜成本极低，装置的透明基底可选用普通的玻璃，制作装置的材料价格低廉，容易获取。 
(3)聚光均匀。对所收集的任意波长的光线，位于侧壁之处的太阳能电池均被均匀照射，从而解决了由于聚光不均匀引起的电池性能下降的问题。 
(4)透明薄膜上的周期性结构一般为微米量级，肉眼不可分辨。太阳能电池置于透明介质基底侧壁，整块聚光器外观与普通玻璃无异。薄膜透光性好，有部分光线透过整个装置，可提供照明的作用。如利用普通玻璃作为透明介质基底，可广泛应用于任何有玻璃窗户的建筑和车辆上，且不改变玻璃窗户的传统外观，不必专门占用额外的空间。 
附图说明
图1为本发明所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置实施例的结构示意图。在图1中，1为透明介质基底，2为具有周期性微结构的透明薄膜，3为入射光线，4为经微结构薄膜衍射的衍射光线，5为太阳能电池，6为入射光线的直透光线。 
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。 
参见图1，所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置实施例设有透明介质基底1和太阳能电池5，在透明介质基底1的上表面覆盖有透明薄膜2，所述透明薄膜2上制备具有周期性微结构，太阳能电池5设在透明介质基底1与透明薄膜2上的光栅槽线方向平行的两个侧面上。 
所述周期性微结构可为一维光栅结构、正交光栅结构或六角晶格结构等，所述一维光栅结构的周期可为400nm，所述正交光栅结构的周期可为600nm，所述六角晶格结构的周期可为600nm。 
使用全息法或者刻划法制备周期性微结构，例如一维或者二维的光栅、六角晶格结构等， 然后使用模压技术将这种周期性微结构压制到透明薄膜上，再将这种具有周期性微结构的透明薄膜覆盖在高透明度的介质基底的表面，太阳能电池片置于介质基底的侧壁。如图1所示，当入射光线3入射到透明薄膜2上时，其衍射角超过介质基底全反射角θc的衍射级将会在介质基底内部传播，最终到达置于介质基底侧壁上的太阳能电池5上。未在介质基底内形成全反射的衍射级以及入射光的零级将会透过透明介质基底，提供照明的作用。本装置利用了面积等于介质基底侧壁面积的太阳能电池收集基底表面面积上的入射光线的衍射光线，大大节约了电池材料的使用量。 
本装置的周期性微结构的周期由所需衍射的光线的波长决定，本装置的聚光比C的上限可由下式定义： 
C≤η*N           (1) 
其中η为衍射角超过介质基底全反射角θc的所有衍射级的总衍射效率，N为基底覆盖了薄膜的表面面积与放置太阳能电池的侧壁面积之比。实际使用过程中由于衍射光在覆盖有微结构薄膜的表面反射时会有部分光线衍射出介质基底，因此实际的聚光比将会低于式(1)的值。微结构的周期固定时，若要增大电池收集到的光线的波长范围，可以选择折射率比较高的材料作为基底。 
本发明所涉及的基于周期性微结构可根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术进行制备。其方法是在基底表面涂覆一层记录材料，例如光刻胶，然后用两束相干平面波以一定的角度对称入射进行干涉，从而形成高频光栅，使用二次或者多次曝光法实现二维光栅或者六角晶格等结构。制备出周期性微结构以后，使用模压技术将这种结构转移到高透明度的薄膜上。 
以下给出具体实施例。 
实施例1 
使用模压技术制备出周期为400nm的具有一维光栅结构的透明薄膜，将透明薄膜覆盖在折射率为1.5，尺寸为50cm×20cm×0.2cm的透明介质基底(玻璃)的表面(50cm×20cm)，太阳能电池片置于透明介质基底(玻璃)上与光栅槽线方向平行的2个侧面(20cm×O.2cm)上。 
实施例2 
与实施例1相同，所不同的是透明薄膜上的周期性微结构是正交光栅结构，周期为600nm，太阳能电池置于玻璃的4个侧壁上。 
实施例3 
与实施例2相同，所不同的是透明薄膜上的周期性微结构为六角晶格结构。 

Claims (5)

1.基于周期性微结构的太阳能聚光方法，其特征在于采用一种基于周期性微结构的太阳能聚光装置，所述一种基于周期性微结构的太阳能聚光装置设有透明介质基底和太阳能电池，在透明介质基底的上表面覆盖有透明薄膜，所述透明薄膜上制备具有周期性微结构，太阳能电池设在透明介质基底与透明薄膜上的光栅槽线方向平行的两个侧面上；
所述方法的具体步骤如下：
将太阳能光线入射到所述基于周期性微结构的太阳能聚光装置的透明薄膜上，其衍射角超过介质基底全反射角的衍射级将会在介质基底内部传播，最终到达置于介质基底侧壁上的太阳能电池上；未在介质基底内形成全反射的衍射级以及入射光的零级将会透过透明介质基底，提供照明的作用。
2.如权利要求1所述的基于周期性微结构的太阳能聚光方法，其特征在于所述周期性微结构为一维光栅结构、正交光栅结构或六角晶格结构。
3.如权利要求2所述的基于周期性微结构的太阳能聚光方法，其特征在于所述一维光栅结构的周期为400nm。
4.如权利要求2所述的基于周期性微结构的太阳能聚光方法，其特征在于所述正交光栅结构的周期为600nm。
5.如权利要求2所述的基于周期性微结构的太阳能聚光方法，其特征在于所述六角晶格结构的周期为600nm。
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