CN104752541A - 一种防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板，所述玻璃基板表面具有规则的沟槽阵列，该沟槽阵列具有削弱红外线强度以及增强散热的效果；所述沟槽阵列等间距分布在光伏玻璃基板的上表面。该发明对太阳光具有陷光作用，同时可以减弱红外光到达光伏玻璃基板底部的光照强度，降低其温度，最终效果是提高其光电转换效率。

Description

一种防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板
技术领域
本发明涉及太阳能和光学领域，尤其涉及一种防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板。
背景技术
目前，太阳能电池存在的最大的问题便是其光电转换效率低，现阶段的研究均是通过增强可见光线的吸收的方法来提高其光电转换效率。但是红外光作为一种波长在0.75～1000微米的具有高热能的光，必须尽量减弱太阳能电池对其的吸收；另外，对于薄膜太阳能电池，当玻璃基板温度过高时，会使得薄膜的光生电子能力减弱，因此也必须降低光伏玻璃基板的温度。
发明内容
本发明的目的是为了解决太阳能电池光电转换效率低的问题，采用表面具有规则沟槽阵列的光伏基板，通过规则的沟槽阵列使得入射的太阳光在光伏基板内产生全内反射，增加对光的有效利用。由于太阳光也是电磁波，其红外光可在沟槽阵列间产生衍射作用，因此减小红外光入射到光伏玻璃基板底部的光照强度；并通过沟槽阵列的导热作用，降低光伏玻璃基板底部的温度，最终提高其光电转换效率。太阳能电池的衍射及散热效果通过红外线的波长和沟槽的尺寸进行控制，是一种有效提高太阳能电池光电转换效率的方法。
本发明可以通过如下技术方案实现：
一种消防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板，所述光伏基板表面平行地排列设置有用于减弱红外光的吸收并增强其散热的微米级沟槽，形成沟槽阵列。
进一步地，相邻沟槽之间的间距为0。
进一步地，所述沟槽的横截面形状为V型，沟槽深度为1～100微米，V型沟槽角度50～120度；
或者，
所述沟槽的横截面形状为U型，沟槽深度为1～100微米， U 型沟槽的半径为1-100微米。
所述光伏玻璃基板可降低红外线吸收率约3～7%，可降低光伏玻璃基板底部温度约5～10%，最终提高光电转换效率约1～4.5%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明采用表面具有规则沟槽阵列结构的光伏玻璃基板，通过削弱光伏玻璃基板对红外光的吸收和降低光伏玻璃基板的温度达到提高光电转换效率的目的；
2.本发明的光伏玻璃基板的削弱红外光吸收效果和降低温度效果可通过红外光波长和沟槽参数进行精确控制。
附图说明
图1是现有光伏玻璃基板的光路示意图。
图2是本发明实施例的V形沟槽光路示意图。
图3是本发明实施例的U形沟槽光路示意图。
图4为光线垂直射入现有光伏玻璃基板、V形沟槽基板和U形沟槽时的光路示意图。
图5为光线倾斜射入现有光伏玻璃基板、V形沟槽基板和U形沟槽时的光路示意图。
图6为本发明光伏玻璃基板的衍射反射率。
图7为射入现有光伏玻璃基板、V形沟槽基板和U形沟槽时的温度分布图。
图8为本发明光伏玻璃基板加工示意图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表示的范围。
如图1所示，当红外线1入射到U型槽2、平面7或V型槽10时，光线会产生折射4、6、9和反射3、5、8。在沟槽尺寸与红外线波长的比在1～15的范围内时，当两条同波长的反射光线的光程差为N/2（N为非零整数）个波长时，便会产生反射光线的相消衍射效果，当两条同波长的折射光线的光程差为N个波长时，便会产生折射光线的相长衍射效果，通过麦克斯韦理论计算模拟，可通过控制U型槽2和V形槽10的形状来控制反射光线和折射光线的衍射作用，降低红外线入射强度以达到减少红外线对太阳能电池的热辐射；另外，该规则的沟槽阵列增大了导热面积，进而增强其散热效果。
如图1所示，U型槽2与V型槽10深度为1～100微米， 光线1入射到U型槽2平面时产生的折射光线4，与光线1入射到U型槽2内部曲面时产生的折射光线6属于相同波长的红外线，当这两条折射光线的光程差∆为N倍的红外线波长时，产生相长干涉，当这两条折射光线的光程差∆为N（N+1）/2倍的红外线波长时，产生相消干涉（N为自然数）。光线1入射到平面7时，平面的尺寸远大于红外线波长，不会发生衍射现象。光线1入射到V型槽10平面时产生的反射光线3，与光线1入射到V型槽10内部平面时产生的反射光线8属于相同波长的红外线，当这两条反射光线的光程差∆为N倍的红外线波长时，产生相长干涉，当这两条反射光线的光程差∆为N（N+1）/2倍的红外线波长时，产生相消干涉（N是自然数）。
如图2所示，通过Monta Carlo光学光路分析模拟U型槽2、V型槽10及平面7的光路图，当5条光线垂直入射时，U型槽2和V型槽10产生分散的反射光线和折射光线，其中红色为折射光线，蓝色为反射光线。反射光线8之间产生相长干涉，折射光线6之间产生相消干涉。
如图3所示，通过解Maxwell微分方程模拟近、中红外波长在范围为0.75～5微米的条件下，不同尺寸的V型槽10的反射衍射效率，反射衍射率越高，表明光伏玻璃基板对红外光的吸收率越低，越有利于光电转换效率的提高。由图可以看出，当V型槽深度为10微米，V形槽宽度为10微米时，在红外线光长为0.75～1微米范围内时产生较好的反射光线的衍射效果；当V型槽深度为20微米，V形槽宽度为20微米时，在红外光波长为0.75～2微米范围内时产生较好的反射光线的衍射效果；当V型槽深度为40微米，V形槽宽度为40微米时，该微结构在整个近、中红外波段（0.75～5微米）范围内产生较强的反射光线的衍射效果，并且此时V型槽的反射衍射效果最佳。
如图4所示，通过有限元分析软件ANSYS模拟U形槽2、平面7及V型槽10的稳态热力学分布。U型槽半径3毫米，U型槽深度40微米，V型槽深度40微米、宽度40微米；模拟分析时设定的工件初始温度为22摄氏度，热源温度100摄氏度，只分析1阶温度传播，初始时间0.1秒，终止时间50秒。结果表明，平面7温度最终稳定在26.8摄氏度，U型槽2温度最终稳定在26.1摄氏度，V型槽10温度最终稳定在25.6摄氏度，可以说明，U型槽2和V型槽10具有散热的效果。
如图5所示，采用三种数控磨床在光伏玻璃基板11表面加工V型沟槽阵列10，首先对普通的矩形端面砂轮12与磨石13沿V形修整路径14进行成型修整，使得矩形端面砂轮修整成V型尖端15；然后，修型的V型尖端砂轮15沿着X方向匀速直线进给，得到一条与砂轮V型尖端轮廓相同的V型沟槽；最后，调整砂轮V型尖端位置，使其沿着Z方向平移，并重复以上步骤，得到规则的沟槽阵列。
下面列举本发明几种实施例的加工过程：
实施例 1
本实施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)加工薄膜太阳能电池光伏玻璃基板，即超白玻璃。将长*宽*高为50毫米*50毫米*3毫米的光伏玻璃基板固定在空气吸盘上，V型尖端砂轮沿X方向进行等距沟槽研磨，粗研磨深度0.036毫米，粗研磨砂轮转速2500转/分钟，粗研磨进给速度600毫米/分钟，粗研磨进给深度0.004毫米；精研磨深度0.004毫米，精研磨砂轮转速4000转/分钟，精研磨进给速度100毫米/分钟，精研磨进给深度0.001毫米，零研磨次数为2，沟槽间距0.04毫米。所述V型尖端砂轮为600目金属基金刚石砂轮，金刚石颗粒直径为21～26微米，V型尖端夹角53度；所述光伏玻璃基板经空气吸盘固定后，平面度0.002毫米以内。
通过以上方法在光伏玻璃基板表面加工得到等间距分布的规则沟槽阵列，V型沟槽深度0.04毫米，V型沟槽宽度0.04毫米，V型沟槽间距0.04毫米，V型沟槽角度53度。对表面具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行红外光吸收率和室外温度分布的测试，并与普通光伏玻璃基板进行对比。首先，利用光测试仪对波长范围为0.7～1.2微米的红外光进行反射率的测量，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的反射率均高于普通光伏玻璃基板，反射率约提高7%；其次，利用热电偶对放置于晴天（光照强度约1000瓦/平方米）环境下的具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行温度的采集，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板底部温度低于普通光伏玻璃基板，温度约降低10%；最后，利用太阳光模拟器对具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行光电转换效率的测量，模拟光照强度为500瓦/平方米，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的光电转换效率高于普通光伏玻璃基板，约提高4.5%。
实施例 2
本实施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)加工薄膜太阳能电池光伏玻璃基板，即超白玻璃。将长*宽*高为50毫米*50毫米*3毫米的光伏玻璃基板固定在空气吸盘上，V型尖端砂轮沿X方向进行等距沟槽研磨，粗研磨深度0.08毫米，粗研磨砂轮转速2500转/分钟，粗研磨进给速度600毫米/分钟，粗研磨进给深度0.002毫米；精研磨深度0.002毫米，精研磨砂轮转速4000转/分钟，精研磨进给速度100毫米/分钟，精研磨进给深度0.001毫米，零研磨次数为1，沟槽间距0.011毫米。所述V型尖端砂轮为3000目树脂基金刚石砂轮，金刚石颗粒直径为21～26微米，V型尖端夹角53度；所述光伏玻璃基板经空气吸盘固定后，平面度0.001毫米以内。
通过以上方法在光伏玻璃基板表面加工得到等间距分布的规则沟槽阵列，V型沟槽深度0.01毫米，V型沟槽宽度0.01毫米，V型沟槽间距0.01毫米，V型沟槽角度53度。对表面具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行红外光吸收率和室外温度分布的测试，并与普通光伏玻璃基板进行对比。首先，利用光测试仪对波长范围为0.7～1.2微米的红外光进行反射率的测量，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的反射率均高于普通光伏玻璃基板，反射率约提高3%；其次，利用热电偶对放置于晴天（光照强度约1000瓦/平方米）环境下的具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行温度的采集，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板底部温度低于普通光伏玻璃基板，温度约降低5%；最后，利用太阳光模拟器对具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行光电转换效率的测量，模拟光照强度为500瓦/平方米，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的光电转换效率高于普通光伏玻璃基板，约提高1%。
实施例 3
本实施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)加工薄膜太阳能电池光伏玻璃基板，即超白玻璃。将长*宽*高为50毫米*50毫米*3毫米的光伏玻璃基板固定在空气吸盘上，U型尖端砂轮沿X方向进行等距沟槽研磨，粗研磨深度0.036毫米，粗研磨砂轮转速2500转/分钟，粗研磨进给速度600毫米/分钟，粗研磨进给深度0.004毫米；精研磨深度0.004毫米，精研磨砂轮转速4000转/分钟，精研磨进给速度100毫米/分钟，精研磨进给深度0.001毫米，零研磨次数为2，沟槽间距0.04毫米。所述U型尖端砂轮为600目金属基金刚石砂轮，金刚石颗粒直径为21～26微米，U型尖端半径3毫米；所述光伏玻璃基板经空气吸盘固定后，平面度0.002毫米以内。
通过以上方法在光伏玻璃基板表面加工得到等间距分布的规则沟槽阵列，U型沟槽深度0.04毫米，U型沟槽宽度0.5毫米，U型沟槽间距0.5毫米，U型沟槽半径3毫米。对表面具有U型沟槽阵列的光伏玻璃基板进行红外光吸收率和室外温度分布的测试，并与普通光伏玻璃基板进行对比。首先，利用光测试仪对波长范围为0.7～1.2微米的红外光进行反射率的测量，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的反射率均高于普通光伏玻璃基板，反射率约提高2%；其次，利用热电偶对放置于晴天（光照强度约1000瓦/平方米）环境下的具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行温度的采集，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板底部温度低于普通光伏玻璃基板，温度约降低5.5%；最后，利用太阳光模拟器对具有沟槽阵列的光伏玻璃基板进行光电转换效率的测量，模拟光照强度为500瓦/平方米，测量结果表明：具有沟槽阵列的光伏玻璃基板的光电转换效率高于普通光伏玻璃基板，约提高1.2%。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板，其特征在于：所述光伏基板表面平行地排列设置有用于减弱红外光的吸收并增强其散热的微米级沟槽，形成沟槽阵列。
2.根据权利要求1所述的防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板，其特征在于：相邻沟槽之间的间距为0。
3.根据权利要求2所述的防红外光和散热的微透镜结构玻璃基板，其特征在于：所述沟槽的横截面形状为V型，沟槽深度为1～100微米，V型沟槽角度50～120度；
或者，
所述沟槽的横截面形状为U型，沟槽深度为1～100微米， U 型沟槽的半径为1-100微米。
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