CN103199139B - 一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，所述分光谱衍射光学系统是一个衍射光学元件和一个聚焦透镜组成的光学系统或者一个折衍射光学元件。本发明提及的光学系统中，衍射光学元件用来实现光谱分束和焦斑整形的效果，而聚焦透镜提供会聚光的功能。本发明可以实现对太阳光的高效率分光谱和会聚，同时还能对聚焦光斑形状根据需要而进行任意控制，从而提高光电池的太阳能利用率。

Description

一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，更具体而言，涉及一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统。

背景技术

近年来，全球范围内的能源紧缺和生态环境问题让人们把更多的目光转移到洁净、可再生能源的开发和利用上。太阳能是一种储量丰富且可持续利用的洁净能源，因而如何高效利用太阳能成为各国政府和科学家热切关注的问题。目前人们利用太阳能的方式主要有太阳能发电、光热利用、光化学和光生物利用等，其中，利用半导体材料的光生伏特效应而产生电能的太阳能光伏电池是学术界和工业界讨论的热点，被认为是解决能源问题的最有前景的途径之一。

从太阳能光伏电池的发展历程来看，太阳能利用效率的提高主要归功于半导体工艺的改进和聚光光学系统的优化设计。聚光光学系统决定了太阳光的收集效率和光电池所接受的有效光能。根据光伏电池的空间排列方式，聚光系统分为两种：电池横向排列所对应的光谱分束的聚光系统，即利用聚光器件的色散将不同谱段的光聚焦在吸收波段与之相匹配的电池上，以提高吸收效率；电池纵向排列所对应的单纯聚焦的聚光系统。电池纵向排列的聚光系统在设计时必须考虑因电池串联而产生的电流匹配问题（极大地限制了电池的效率），而横向排列的电池却不必考虑这种问题，只要将太能光谱高效地分束就能提高太阳能利用率，所以本发明所针对的就是光谱分束的聚光系统。

目前，已报道的光谱分束聚光光学系统大多基于折、反射原理对太阳光谱中的不同谱段的光进行分束，然后由不同的光伏电池对各个谱段的光分别加以吸收。这样的光学系统往往造价昂贵、分束效果差、体积大而难以集成且受天气变化的影响很大，极大地制约了太阳能的商业推广。针对上述问题，我们在本发明中，提出利用衍射光学元件来实现高效率利用太阳能的方法。由于衍射光学元件独特的色散特性和灵活设计自由度，用它代替折、反射光学元件对太阳光进行分光谱，在太阳能利用率、分束效果、经济效益等方面均有很大的改善和提高。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于衍射光学元件、针对非单色光的聚光光学系统，该光学系统能够将不同波长的光在目标面上会聚到不同位置处，并且会聚的光斑形状可以根据实际需要而加以控制。所述光学系统能够用于太阳能聚焦系统，在很大程度上提高太阳能利用率。

为了达成上述目的，本发明提供了一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，包括：一衍射光学元件和一聚焦透镜；所述衍射光学元件用于光谱分束和能量探测面上光斑形状控制，所述聚焦透镜用于会聚光束和提供相应的色散；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制。

其中，所述分光谱衍射光学元件是纯位相型的衍射光学元件，且该衍射光学元件具有两台阶分布的位相（即二元型位相）、多台阶分布的位相或者连续型分布的位相。

其中，所述分光谱衍射光学元件的照明光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或其他非单色光源。

其中，所述分光谱衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态可以是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形以及其他不规则形状。

其中，所述分光谱衍射光学元件的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯。

其中，所述聚焦透镜是凸透镜，且该凸透镜是双凸型透镜或平凸型透镜。

其中，所述聚焦透镜的后表面与所述能量探测面之间的间距是所述聚焦透镜的焦距的0.5~1.5倍；所述衍射光学元件和所述聚焦透镜前表面之间的距离为0.1~50毫米。

另外本发明提供一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，即一折衍射光学元件，所述折衍射光学元件是由一个平面表面带有衍射光学元件的平凸透镜；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制。

其中，所述折衍射光学元件是直接在平凸透镜上加工的。

其中，所述折衍射光学元件的浮雕结构是两台阶分布的、多台阶分布的或连续分布的。

其中，照明所述折衍射光学元件的光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或非单色光源。

其中，所述折衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形以及其他不规则形状。

其中，所述折衍射光学元件的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯。

其中，所述平凸透镜后表面与所述能量探测面之间的间距是所述平凸透镜的焦距的0.5~1.5倍。

根据上述方案，本发明所提供的分光谱聚光器的效果是显著的。所述分光谱聚光器能够将不同的谱段的光高效地会聚到不同位置，在相应位置横向放置吸收该光谱的电池，避免了电池纵向排列时会出现的串联电流效应，这为有效地提高太阳能利用率提供了一个重要手段。

附图说明

图1为本发明提出的分光谱聚光器实例的光路示意图（以入射光含有三个波长为例）；

图2为本发明提出的衍射光学元件的位相分布示意图；

图3为本发明中涉及的两种凸透镜；

图4为本发明提出的分光谱聚光器在能量探测面上的不同谱段的光斑形状示意图；

图5为本发明提出的基于折衍射光学元件的分光谱聚光器实例的光路示意图；

图6为图5中所述的折衍射光学元件前表面上的位相分布示意图。

具体实施方式

为使本发明更加明了，兹配合附图实例，详细说明如下：

请参阅图1所示，本发明提出的用于太阳能的分光谱聚光器包括：一个衍射光学元件1和一个聚焦透镜2，3为能量探测面。当非单色光（比如太阳光、辐射白光的发光二极管或其他多波长复合光源）正入射照明衍射光学元件1时，该衍射光学元件1利用其表面的浮雕结构产生的位相对入射光进行调制，由于衍射光学元件1本身具有很好的色散特性，因此，能对非单色光的各个波长进行位相调制。被衍射光学元件1调制后的非单色光，经过聚焦透镜2的会聚，能够在能量探测面3上的不同位置处形成聚焦斑点，并且每个聚焦斑点的光谱范围都是不同的。对于含有三个波长成分的非单色光，如图4所示的实例，在能量探测面3上会形成聚焦光斑4、聚焦光斑5和聚焦光斑6；对于连续光照明的情况，将形成一条聚焦彩带。

该分光谱聚光器的照明光源是太阳光，或辐射白光的发光二极管，或其他多波长复合光源。

该分光谱聚光器的衍射光学元件1的位相是二元型位相、多台阶型位相和连续型位相的一种，并且该衍射光学元件1的材料是冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯的一种。该衍射光学元件的加工可以选用离子束刻蚀、化学腐蚀、压模法等。

该分光谱聚光器的聚焦透镜2可以是双凸型透镜21或平凸型透镜22，如图3所示。

该分光谱聚光器的能量探测面3的位置不是随意选取的，我们在本发明中指出，能量探测面3与聚焦透镜2的后表面之间的间距是聚焦透镜2的焦距的0.5~1.5倍。

图1中分光谱聚光器的衍射光学元件1和聚焦透镜2可被一个折衍射光学元件替代，如图5所示。在图5中，折衍射光学元件具有一个衍射表面1和一个凸面2，即所设计的衍射光学元件的位相被刻蚀在一个平凸透镜的平面表面上，位相分布如图6所示。这种折衍射光学元件的结构节省了整个光学系统的工作距离，并且能实现图1中分光谱聚光器的所有功能。

以上结合附图对本发明的具体实施方式做了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，其特征在于，包括：一衍射光学元件和一聚焦透镜；所述衍射光学元件用于光谱分束和能量探测面上光斑形状控制，所述聚焦透镜用于会聚光束和提供相应的色散；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制；

所述分光谱衍射光学元件是纯位相型的衍射光学元件，且该衍射光学元件具有多台阶分布的位相；

所述分光谱衍射光学元件的照明光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或其他非单色光源；

所述分光谱衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形或其他不规则形状；

所述分光谱衍射光学元件的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯中的一种；

所述聚焦透镜是凸透镜，且该凸透镜是双凸型透镜或平凸型透镜；

所述聚焦透镜的后表面与所述能量探测面之间的间距是所述聚焦透镜的焦距的0.5～1.5倍；所述衍射光学元件和所述聚焦透镜前表面之间的距离为0.1～50毫米；

所述用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统能够将不同的谱段的光会聚到不同位置，在相应位置横向放置吸收该光谱的电池，避免了电池纵向排列时会出现的串联电流效应，这为有效地提高太阳能利用率提供了一个重要手段。

2.一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，即一折衍射光学元件，其特征在于，所述折衍射光学元件是由一个平面表面带有衍射光学元件的平凸透镜，该折衍射光学元件具有一个衍射表面(1)和一个凸面(2)；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制；

所述折衍射光学元件是直接在平凸透镜上加工的；

所述折衍射光学元件的浮雕结构是多台阶分布的；

照明所述折衍射光学元件的光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或非单色光源；

所述折衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形或其他不规则形状；

所述折衍射光学元件的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯中的一种；

所述平凸透镜后表面与所述能量探测面之间的间距是所述平凸透镜的焦距的0.5～1.5倍。