CN102460230B - 太阳光聚光用菲涅耳透镜片及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片，本发明的太阳光聚光用光学片的设计方法以及由此得到的太阳光聚光用光学片的特征在于，在利用金属卤化物灯式耐候性试验(装置规格：JTM G 01：2000，日本试验机工业会)进行的加速劣化试验中，经过T1小时的照射时间试验后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率下降满足下述(1)式，即(1)式：τuv(0)+τuv(T1)＞τ0(0)+τ0(T1)，并且决定基材中含有的紫外线吸收剂量以使在上述波长区域各波长的透射率从初始值下降10％以内。T1是与实际使用场对应的必须要的促进试验时间。本发明的光学片在大量紫外线照射的环境、长时间使用的情况下，具有透射率不降低，能够高效率聚光的性能。
Description
技术领域
本发明涉及在使太阳光聚光到太阳能电池单元以谋求提高发电效率的太阳光发电设施中具有使来自太阳的直射光聚光的功能的太阳光聚光用的菲涅耳透镜片及其设计方法。
背景技术
聚光型太阳光发电装置是借助于聚光透镜使太阳光聚光到太阳能电池上使得发电的装置。太阳能电池只要具有能够接收由透镜聚光的光的面积即可，因此可以做成比透镜尺寸小很多的尺寸，减少在发电装置中尤其昂贵的太阳能电池的使用量，从而降低成本。另一方面，为了使用透镜，必须在直射光多(日照时间长)的地区使用。根据这一点，聚光型太阳光发电装置在日照时间长、有能够大面积化的广大土地的地区作为用于供电的用途日益普及。作为聚光型发电装置的装置例子，能够列举专利文献1等。
为了高效率地利用光，通常以光学用途被使用的透镜采用透明性高的丙烯酸树脂或聚碳酸酯树脂等。为了防止因紫外线等的影响导致透镜被染色以及树脂劣化等情况发生，通常在这些树脂中添加规定量的紫外线吸收剂。这些光学构件通常在室内被用作电视的屏幕或背照灯用的构件，直接照射的紫外线量低，添加的紫外线吸收剂浓度也低。又，如专利文献2所示，通过大量添加紫外线吸收剂，可提高树脂的耐光性，但会发生紫外线吸收剂造成着色现象，产生透射率下降等光学方面的问题以及着色变黄等外观方面的问题，还会产生成型性降低的问题，因此，通常一般尽量以低浓度进行添加。
但是，由于太阳光聚光透镜是在紫外线非常大量照射的环境而且需要20年以上这样的长期使用，由于这些理由，既需要如上述那样大量添加紫外线吸收剂，另一方面也要考虑到着色、劣化所产生的透射率下降的影响和对成型性带来的影响等，但现状是不清楚紫外线吸收剂的恰当量。
专利文献1：日本特开2006-343435号公报
专利文献2：日本特开平05-156113号公报实施例等
发明内容
寻求开发一种相比已有的光学用途，在紫外线超大量照射环境且为长期使用的条件下，具有透射率不下降且能够高效率聚光性能的透镜片。
上述问题可以通过以下所述的太阳光聚光用光学片的设计方法解决，该方法是在基材中包含紫外线吸收剂的太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，
在利用金属卤化物灯式耐候性试验(装置规格：JTM G 01：2000，日本试验机工业会)进行的加速劣化试验中，
经过T1小时的照射时间试验后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率的下降满足下述式(1)，即
τuv(0)+τuv(T1)＞τ0(0)+τ0(T) ……(1)，
并且决定基材中含有的紫外线吸收剂的量，使在所述波长区域中各波长的透射率从初始值下降10％以下，
其中，
T1＝150×2.5×U1/U0
×{0.44×1n(W1/W0)+0.88}
×{(0.5×cos(α1-23.4))+cos α1}/{(0.5×cos(α0-23.4))+cosα0} …(2)
U1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均日照时间
W1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均水蒸气量
α1：使用太阳光聚光用光学片的场所的纬度
U0：实际实施室外曝露试验的场所(日本宫古岛)的日照时间
W0：实际实施室外曝露试验的场所(日本宫古岛)的平均水蒸气量
α0：实际实施室外曝露试验的场所(日本宫古岛)的纬度
τuv(0)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τuv(T1)：本发明的太阳光聚光用光学片经耐候性试验T1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(0)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(T1)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验T1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率。
又，本发明中，平均透射率的下降相对于初始值最好是在7％以下，在400nm～1000nm的各波长区域中透射率的下降相对于初始值最好是在10％以下。
又，本发明的上述太阳光聚光用光学片最好是其基材为丙烯酸树脂，紫外线吸收剂是苯并三唑类，若紫外线吸收剂添加至少1400ppm以上则更佳。
还有，上述问题可以通过太阳光聚光用光学片的设计方法解决，该方法是在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，
在利用金属卤化物灯式耐候性试验(装置规格：JTM G 01：2000，日本试验机工业会)进行的加速劣化试验中，
经过T1小时的照射时间试验后的400nm～1850nm波长区域中的平均透射率的下降满足式(1)，即
τuv(0)+τuv(T1)＞τ0(0)+τ0(T1) ……(1)，
并且决定基材中含有的紫外线吸收剂的量，使在所述波长区域中各波长的透射率从初始值下降10％以下，
其中，
T1＝150×2.5×D1/D0 ……(3)
D1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均直射日照射量
D0：实际实施室外曝露试验的场所(日本宫古岛)的平均直射日照射量
τuv(0)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τuv(T1)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验T1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(0)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(T1)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验T1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
利用本发明能够制造出由长期曝露于室外的紫外线劣化引起的透射率下降小、使聚光效率维持在初始值并且成型性优异的菲涅耳透镜片。
附图说明
图1是聚光型太阳光发电系统的概略图。
图2是表示室外曝露以及促进试验所造成的菲涅耳透镜片的透射率变化的图。
图3是表示达到600小时为止的促进试验造成的菲涅耳透镜片的透射率变化的图。
图4是表示促进试验600小时后的菲涅耳透镜片的每个波长的透射率变化的图。
图5是表示太阳光的光谱的图。
具体实施方式
图1是表示使用菲涅耳透镜的太阳光发电装置的一个例子。形成为到达透镜的光被透镜部折射聚光于位于规定位置的太阳能电池的结构。而且往往在太阳能电池的近前使用玻璃制或金属性的2次聚光透镜，以提高聚光效率。
所述菲涅耳透镜片作为图1所示的菲涅耳透镜集合体使用的情形很多，各菲涅耳透镜在透明树脂的基材上形成同心圆棱镜。为了形成同心圆棱镜，可以适用压力成型、射出成型、使用紫外线固化性树脂的2P(Photo Polymerization：光聚合)成型等方法。
作为基材的透明树脂，可以采用丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂等各种透明树脂，但从耐候性这点考虑，最好是以丙烯酸树脂，尤其是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂为主的树脂。
本发明的太阳光聚光用菲涅耳透镜片的基材含有紫外线吸收剂，以防止太阳光中含有的紫外线导致的劣化。作为含有的紫外线吸收剂，可以采用各种类型，但最好是吸收波长端不足400nm，在350nm～380nm的范围内则更佳，从这点考虑，最好是采用苯并三唑类的紫外线吸收剂。
如图2所示，在宫古岛，实际实施了含有苯并三唑类紫外线吸收剂的菲涅耳透镜片用材料即PMMA树脂的室外曝露试验，观察其透射率变化。其结果表明，经过10年室外曝露，透射率没有下降。
接着，使用以装置规格为JTM G 01：2000的规定的试验机，在规定环境下实施超促进耐侯性试验。装置采用岩崎电气株式会社制造的超促进耐候性试验机(SUV-F1)。该试验的结果也在图2中表示出。从其结果可知，150小时的促进试验相当于在宫古岛的室外曝露10年以上。
另一方面，在表1中示出设置太阳光聚光模块的代表性地区的环境。将例如西班牙的托莱多地区设想为实际设置太阳光模块的场所时，与宫古岛的环境相比，其1年间的日照时间约为宫古岛环境的1.7倍，并且不同湿度导致太阳光吸收不同，不同纬度导致日照角度不同，因此在宫古岛的10年曝露，若例如在托莱多则相当于约6.5年的曝露。因此，如果考虑在托莱多25年以上的长期使用，则必须考虑在宫古岛约40年的使用，即超促进试验时间需要大约600小时。同样，设想的设置场所如果是铫子，则需要实施大约410小时的超促进试验，美国凤凰城则大约是860小时，同样，拉斯维加斯则大约是950小时，同样，迈阿密则大约为570小时。
表1
上述式(2)是将上述想法广义化的。换算为与在实际设置场所长期使用约25年相当的在宫古岛的使用期，还表示根据宫古岛的试验结果与超促进耐候性试验机的结果之间的相关关系求出的必要试验时间。即式(2)是“促进试验时间T1＝与宫古岛的25年相当的促进试验时间(150×2.5)×使用场所的日照时间修正值×使用场所的水蒸气量修正值×使用场所的纬度修正值”的经验公式。但是，虽然对日照产生影响的是大气中的绝对水蒸气量，但通常是公布平均相对湿度。因此，通过使宫古岛和使用场所的平均最高气温中的饱和水蒸气量乘以平均相对湿度，求出宫古岛和使用场所的水蒸气量。作为日照时间和湿度以及最高气温的值，最好是采用由使用场所所属的国家或地区公布的数据。
另一方面，根据设置场所的不同，有时是公布该场所1年的直射日照射量。在这种情况下，可以用式(3)代替所述式(2)求出促进试验时间T1。
图3表示将托莱多设想为设置场所的600小时的促进试验后的400nm～1850nm波长范围内的平均透射率变化。在这里，测量透射率时使用U-3410(日立制造)的分光光度计。而且将丙烯酸树脂(PMMA)用作基材，并且紫外线吸收剂使用苯并三唑类的JF-77(城北化学株式会社制造)。
如果增加基材中的紫外线吸收剂浓度，则初始透射率会下降。这是因为在紫外线吸收剂的影响下，波长比400nm左右短的光被阻断，而且在添加量增加的同时，将发生紫外线吸收剂本身造成的着色的现象。因此，应该尽量抑制紫外线吸收剂的添加量。另一方面，如果不添加紫外线吸收剂，则试验时间增加的同时，400nm～1850nm波长范围内的平均透射率会下降，600小时后，透射率相对于初始值下降约14％。这样的话，在曝露于紫外线气氛下长期使用中，菲涅耳透镜聚光体自身的透射率下降将使发电量下降。将该下降作为下限值的情况下，有必要使初始值的下降量至少在7％以内。而且在促进曝露试验中，不能发生这以上的下降。
下面，在图4中示出600小时促进试验之后的400nm～1000nm波长范围中的透射率相对于初始值的变化率。紫外线导致的树脂劣化尤其是在该波长范围内发生，由于着色的原因，透射率下降。又，太阳光的光强如图5所示，在该波长范围中的强度大，因此在该范围中的透射率损失在很大程度上与发电量有关。因此，必须尽可能抑制在该范围内发生的损失，且必须将损失控制在10％以下。从图4来看，添加量为0.02％时，在大约400nm波长也发生30％以上的透射率下降。另一方面，可以确认在0.14％的添加量下，初始值在试验后也没有变化，因此，最好是将紫外线吸收剂量添加到至少0.1％以上的浓度，将紫外线吸收剂量添加到0.14％以上的浓度则更佳。
也就是说，太阳光模块使用的太阳光聚光用菲涅耳透镜片要求采用在初始状态下的透射率尽可能高，且经过长期使用透射率下降少的原料。式(1)表示具有上述特征的原料的条件，左边是本发明的光学片的促进试验前后的透射率之和，右边是与左边所示光学片相同的基材，即不含紫外线吸收剂的基材的、促进试验前后的透射率之和。促进试验如上所述在式(2)或式(3)给出的T1小时的期间实施。
τuv(0)+τuv(T1)＞τ0(0)+τ0(T1) ……(1)，
如果所述基材的种类已经决定，则右边由设置场所的条件决定。左边中，紫外线吸收剂的含量越大则τuv(0)越小，但是τuv(T1)则有紫外线吸收剂的含量越多则越大(透射率下降少)的倾向，因此是能够给出合适的紫外线吸收剂添加量的公式。
另一方面，如上所述，紫外线吸收剂量在添加量增加的同时导致着色和波长阻断引起初始透射率下降之外，在添加剂增加的同时，成型时挥发成分增加，引发不良情况。因此如果可能，最好是将添加量抑制于0.3％以下，如果抑制于0.2％以下则更好。
Claims (6)
1.一种在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，
在利用金属卤化物灯式耐候性试验进行的加速劣化试验中，其中，所述金属卤化物灯式耐候性试验的装置规格：JTM G01：2000、日本试验机工业会，
经过Ｔ1小时的照射时间试验后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率的下降满足式（1）：
τuv(0)＋τuv(Ｔ1)＞τ0(0)＋τ0(Ｔ1)……（1），
并且决定基材中含有的紫外线吸收剂的量，以使在所述波长区域中各波长的透射率从初始值下降10％以下，
其中，
Ｔ1＝150×2.5×Ｕ1／Ｕ0
×{0.44×ｌｎ（Ｗ1／Ｗ0）＋0.88}
×{（0.5×cos(α1－23.4)）＋cosα1}／{（0.5×cos(α0－23.4)）＋cosα0}…………（2）
Ｕ1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均日照时间
Ｗ1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均水蒸汽量
α1：使用太阳光聚光用光学片的场所的纬度
Ｕ0：实际实施室外曝露试验的场所的日照时间
Ｗ0：实际实施室外曝露试验的场所的平均水蒸汽量
α0：实际实施室外曝露试验的场所的纬度
τuv(0)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τuv(Ｔ1)：本发明的太阳光聚光用光学片经耐候性试验Ｔ1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(0)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(Ｔ1)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验Ｔ1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率。
2.一种在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，
在利用金属卤化物灯式耐候性试验进行的加速劣化试验中，其中，所述金属卤化物灯式耐候性试验的装置规格：JTM G01：2000、日本试验机工业会，
经过Ｔ1小时的照射时间试验后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率的下降满足式（1），即
τuv(0)＋τuv(Ｔ1)＞τ0(0)＋τ0(Ｔ1)……（1），
并且决定基材中含有的紫外线吸收剂的量，以使在所述波长区域中各波长的透射率从初始值下降10％以下，
其中，
Ｔ1＝150×2.5×Ｄ1／Ｄ0……（3）
Ｄ1：使用太阳光聚光用光学片的环境下的平均直射日照射量
Ｄ0：实际实施室外曝露试验的场所的平均直射日照射量
τuv(0)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τuv(Ｔ1)：本发明的太阳光聚光用光学片的耐候性试验Ｔ1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(0)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验前的400nm～1850nm波长区域的平均透射率
τ0(Ｔ1)：除不含紫外线吸收剂外与本发明相同的太阳光聚光用光学片的耐候性试验Ｔ1小时后的400nm～1850nm波长区域的平均透射率。
3.权利要求1所述的在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，平均透射率的下降相对于初始值在7％以下。
4.权利要求2所述的在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，平均透射率的下降相对于初始值在7％以下。
5.权利要求1或2所述的在基材中包含紫外线吸收剂的树脂制太阳光聚光用光学片的设计方法，其特征在于，基材为丙烯酸树脂，紫外线吸收剂为苯并三唑类。
6.一种太阳光聚光用光学片，其特征在于，采用以添加0.14％以上的紫外线吸收剂为特征的权利要求1或2所述的方法而设计。
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