CN105182549A - 一种光学分光装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学分光装置。通过自由曲面上的分光薄膜层将太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离，紫外光和近红外光通过自由曲面汇聚在自由曲面的焦点位置，被位于焦点位置的集热管吸收后转换为热能，可见光被分光薄膜层反射，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束垂直向下照射在光伏电池组件上，转换为电能；或紫外光和近红外光经分光薄膜层反射、并在自由曲面的聚光下汇聚在自由曲面的焦点位置，被集热管吸收后转换为热能；可见光透射穿过分光薄膜层和自由曲面，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束照射在光伏电池组件上，转换为电能。该光学分光装置不仅起到分光作用，还可以聚集和调控分离后的光段，从而可以充分利用太阳光全谱的能量。

Description

一种光学分光装置
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种光学分光装置。
背景技术
光伏光热综合利用是现在太阳能利用的一个大趋势，目前，光伏光热综合利用装置主要采用太阳光直射光伏电池并在光伏电池背面加装冷却系统，由于占太阳能45％的可见光照射到光伏电池上产生电能和热能，占太阳能50％的近红外光照射到光伏电池上仅产生热能，因此近红外光照射到光伏电池上，大幅度增加了光伏电池的热负荷和温升，使光伏电池发电效率降低，增加了光伏电池冷却量。在保证光伏电池转换率提升的情况下，如何充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率成为了光伏光热综合利用领域迫切的技术需求。
发明内容
本发明实施例提供一种光学分光装置，以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
一方面，提供了一种光学分光装置，包括自由曲面、位于所述自由曲面的聚焦位置的集热管、和位于所述自由曲面的正下方位置的光伏电池组件，在所述自由曲面的光学面设置有分光薄膜层；
当太阳光谱照射到所述自由曲面上时，所述分光薄膜层将所述太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离；
所述紫外光和近红外光透过所述分光薄膜层并通过所述自由曲面汇聚在所述自由曲面的焦点位置，被位于所述焦点位置的集热管吸收，转换为热能；
所述可见光被所述分光薄膜层反射，并被所述自由曲面调控为平行光束，所述平行光束垂直向下照射在所述光伏电池组件上，转换为电能。
优选地，所述分光薄膜层由不同折射率、不同厚度的介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交替沉积组成。
优选地，所述自由曲面由透明固体构成，所述透明固体的材质包括水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃。
优选地，所述自由曲面的光学面具有光学微观结构，所述光学微观结构用于增强光波段的聚集或反射光路的控制。
优选地，所述光学微观结构的外形包括菱形、圆柱形、三角形、槽形。
另一方面，提供了另一种光学分光装置，包括自由曲面、位于所述自由曲面的聚焦位置的集热管、和位于所述自由曲面下方、与所述自由曲面的透射光路对应的位置上设置的光伏电池组件，在所述自由曲面的光学面的表面设置有分光薄膜层；
当太阳光谱照射到所述自由曲面上时，所述分光薄膜层将所述太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离；
所述紫外光和近红外光经所述分光薄膜层反射、并在所述自由曲面的聚光下汇聚在所述自由曲面的焦点位置，被所述集热管吸收后转换为热能；
所述可见光透射穿过所述分光薄膜层和所述自由曲面，并被所述自由曲面调控为平行光束，所述平行光束照射在所述光伏电池组件上，转换为电能。
优选地，所述分光薄膜层由不同折射率、不同厚度的介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交替沉积组成。
优选地，所述自由曲面由透明固体构成，所述透明固体的材质包括水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃。
优选地，所述自由曲面的光学面具有光学微观结构，所述光学微观结构用于增强光波段的聚集或反射光路的控制。
优选地，所述光学微观结构的外形包括菱形、圆柱形、三角形、槽形。
根据本发明实施例提供的一种光学分光装置，通过分光薄膜层将太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离，紫外光和近红外光通过自由曲面汇聚在自由曲面的焦点位置，被位于焦点位置的集热管吸收后转换为热能，可见光被分光薄膜层反射，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束垂直向下照射在光伏电池组件上，转换为电能；或紫外光和近红外光经分光薄膜层反射、并在自由曲面的聚光下汇聚在自由曲面的焦点位置，被集热管吸收后转换为热能；可见光透射穿过分光薄膜层和自由曲面，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束照射在光伏电池组件上，转换为电能；本发明实施例的光学分光装置不仅起到分光作用，还可以聚集和调控分离后的光段，从而可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率；
本发明实施例的光学分光装置采用了自由曲面光学面，该光学面具有光学微结构，可以避免受太阳光入射角度变化的影响；
本发明实施例的光学分光装置结构简单，易于系统集成，安装方便，材料易于获得，能够方便并广泛应用于光伏光热综合系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于薄膜波干涉光学滤光片原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光学分光装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种光学分光装置的结构示意图；
图4a和图4b分别为自由曲面光学面的光学微观结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
提升全光谱太阳能系统整体转换效率的核心在于通过分光器件主动将各波段光子根据需求可控的分离开来，实现光伏和光热的独立控制，其基本思想是通过对太阳能光谱的分频和调控，将太阳光中的可见光部分照射到光伏电池上，直接转化为电能，而将其他大量光子聚集并照射到光热介质上，转换为热能储存起来在需要的时候通过热电发电以增强整个系统发电的稳定性。
本发明实施例提供一种光学分光装置，通过分光薄膜层将太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离，紫外光和近红外光通过自由曲面汇聚在自由曲面的焦点位置，被位于焦点位置的集热管吸收后转换为热能，可见光被分光薄膜层反射，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束垂直向下照射在光伏电池组件上，转换为电能；或紫外光和近红外光经分光薄膜层反射、并在自由曲面的聚光下汇聚在自由曲面的焦点位置，被集热管吸收后转换为热能；可见光透射穿过分光薄膜层和自由曲面，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束照射在光伏电池组件上，转换为电能；本发明实施例的光学分光装置不仅起到分光作用，还可以聚集和调控分离后的光段，从而可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
图1为基于薄膜波干涉光学滤光片原理示意图，本发明实施例主要基于薄膜波干涉光学滤光片原理，利用光波干涉原理只使特定光谱范围的光通过。本发明实施例中的光学分光薄膜由不同折射率的光学材料真空腔室中交替沉积组成，利用了每一层薄膜上、下表面发射光干涉相长或者相消的原理，使得反射光得到增强或者减弱，从而达到多某一波长或者某一波段光的增透或增反。每一种光学材料及厚度构成的光学薄膜对应的响应波长范围有限，因此为了实现宽光谱的分光控制，需要通过多层光学薄膜相组合的方式来实现。此外，薄膜的分光性能还与入射光的角度相关，因此该光学分光薄膜的膜层设计还得与自由曲面光学面进行耦合，尽量提高薄膜的分光效果。
自由曲面光学是非成像光学中实现光能量准确调控的有效光学手段，通过灵活、多自由度的光学曲面设计，可以克服传统光学曲面(例如抛物面、椭球面)在非成像光学中的不足，提高成像光学系统对光能量分布控制的准确性和光能量利用率。在本发明实施例中，通过分析太阳光能量在分离、会聚、反射等过程的基础上，建立了聚光自由曲面光学面与光学分光薄膜之间的光能量映射关系，然后将光能量进行离散化分析与控制，将光能量与目标面进行网格划分，并建立计算自由曲面上的控制点，得到自由曲面点云阵列，最后构成完成的自由曲面光学面。在自由曲面的光学面上设计有微观光学结构(如图4a和图4b所示)，用于增强光的透射、反射、聚集等，其光学微结构根据实际功能的要求可以但不限于菱形、圆柱形、三角形、槽形等图形的微观阵列。
图2为本发明实施例提供的一种光学分光装置的结构示意图，本发明实施例可应用在光伏光热系统中，在自由曲面3的聚焦位置设置有集热管4，而自由曲面3的正下方位置设置了光伏电池组件5，其中分光薄膜层2沉积在自由曲面3的光学面，太阳光谱中紫外1.1和近红外光1.3、可见光1.2通过分光薄膜层2后实现分离，形成紫外和近红外波段、可见光波段。在本实施例中，分光薄膜层2对紫外和红外光透过，紫外与近红外光子透过分光薄膜层2并通过自由曲面3后汇聚在自由曲面3的焦点位置，被焦点位置的集热管4吸收；而可见光波段被分光薄膜层2反射，并在自由曲面3的调控作用下形成平行光束垂直向下，照射在光伏电池组件5上，转化为电能。
分光薄膜层为可见光滤光片，允许紫外和红外光通过，可见光反射，由不同折射率、不同厚度的介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交替沉积组成，其薄膜材料需要具有一定的色散关系。
分光薄膜层的厚度可以在纳米到微米的范围内。
介电薄膜材料可以但不限于TiO2、SiO2、ZnO、Al2O3、HfO2、Si3N4等氧化物陶瓷，或含上述氧化物的复合氧化物陶瓷，如钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡等。
金属薄层材料可以但不限于金、银、铝、铜、铬和铂等。
自由曲面的光学面具有聚焦和控制反射方向的功能。
自由曲面是透明固体，其材质可以但不限于水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃等。
自由曲面的光学面的表面具有光学微结构，其功能主要是增强光波段的聚集或反射光路的控制。
光学微结构的外形可以但不限于菱形、圆柱形、三角形、槽形，如图4a所示的光学微结构的外形为三角形，如图4b所示的光学微结构的外形为槽形。
光学微结构可通过但不限于纳米压印和激光刻蚀灰度掩膜制备工艺制造。
根据本发明实施例提供的一种光学分光装置，通过自由曲面的分光薄膜层将太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离，紫外光和近红外光通过自由曲面汇聚在自由曲面的焦点位置，被位于焦点位置的集热管吸收后转换为热能，可见光被分光薄膜层反射，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束垂直向下照射在光伏电池组件上，转换为电能；本发明实施例的光学分光装置不仅起到分光作用，还可以聚集和调控分离后的光段，从而可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率；
本发明实施例的光学分光装置采用了自由曲面光学面，该光学面具有光学微结构，可以避免受太阳光入射角度变化的影响；
本发明实施例的光学分光装置结构简单，易于系统集成，安装方便，材料易于获得，能够方便并广泛应用于光伏光热综合系统中。
图3为本发明实施例提供的另一种光学分光装置的结构示意图，在本发明实施例的自由曲面3中的焦点位置有集热管4，而与透射光路对应的位置设置了光伏电池组件5。本发明实施例中分光薄膜层2沉积在自由曲面3的光学面的表面，太阳光谱中紫外和近红外光子、可见光通过分光薄膜层2后实现分离。在本实施例中，分光薄膜层2对紫外和红外光波段实行光发射，紫外与近红外光子经过分光薄膜层2后反射并在自由曲面3的聚光下汇聚在自由曲面3的焦点位置，被集热管4吸收转化为热能；而可见光则直接透射穿过分光薄膜层2，被自由曲面3调控形成平行光束，照射在光伏电池组件5上，通过光电作用转化为电能。
分光薄膜层为紫外和红外滤光片，允许可见光通过，紫外光和红外光反射，其构成由不同折射率、不同膜层厚度的介电薄膜材料或金属-介电薄膜材料相互交替沉积组成，其薄膜层的厚度可以在纳米到微米的范围内。
介电薄膜材料可以但不限于TiO2、SiO2、ZnO、Al2O3、HfO2、Si3N4等氧化物陶瓷，或含上述氧化物的复合氧化物陶瓷，如钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡等。
金属薄层材料可以但不限于金、银、铝、铜、铬和铂等。
自由曲面具有聚焦和控制反射光路的功能。
自由曲面是透明固体，其材质可以但不限于水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃等。
自由曲面光学面的表面具有光学微结构，其作用主要是增强光波段的聚集和发射方向的控制。
光学微结构可以但不限于菱形、圆柱形、三角形、槽形，如图4a所示的光学微结构的外形为三角形，如图4b所示的光学微结构的外形为槽形。
光学微结构可通过但不限于纳米压印和激光刻蚀灰度掩膜制备工艺。
根据本发明实施例提供的一种光学分光装置，通过自由曲面的分光薄膜层将太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离，紫外光和近红外光经分光薄膜层反射、并在自由曲面的聚光下汇聚在自由曲面的焦点位置，被集热管吸收后转换为热能；可见光透射穿过分光薄膜层和自由曲面，并被自由曲面调控为平行光束，平行光束照射在光伏电池组件上，转换为电能；本发明实施例的光学分光装置不仅起到分光作用，还可以聚集和调控分离后的光段，从而可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率；
本发明实施例的光学分光装置采用了自由曲面光学面，该光学面具有光学微结构，可以避免受太阳光入射角度变化的影响；
本发明实施例的光学分光装置结构简单，易于系统集成，安装方便，材料易于获得，能够方便并广泛应用于光伏光热综合系统中。
以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学分光装置，其特征在于，包括自由曲面、位于所述自由曲面的聚焦位置的集热管、和位于所述自由曲面的正下方位置的光伏电池组件，在所述自由曲面的光学面设置有分光薄膜层；
当太阳光谱照射到所述自由曲面上时，所述分光薄膜层将所述太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离；
所述紫外光和近红外光透过所述分光薄膜层并通过所述自由曲面汇聚在所述自由曲面的焦点位置，被位于所述焦点位置的集热管吸收，转换为热能；
所述可见光被所述分光薄膜层反射，并被所述自由曲面调控为平行光束，所述平行光束垂直向下照射在所述光伏电池组件上，转换为电能。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光薄膜层由不同折射率、不同厚度的介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交替沉积组成。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述自由曲面由透明固体构成，所述透明固体的材质包括水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述自由曲面的光学面具有光学微观结构，所述光学微观结构用于增强光波段的聚集或反射光路的控制。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光学微观结构的外形包括菱形、圆柱形、三角形、槽形。
6.一种光学分光装置，其特征在于，包括自由曲面、位于所述自由曲面的聚焦位置的集热管、和位于所述自由曲面下方、与所述自由曲面的透射光路对应的位置上设置的光伏电池组件，在所述自由曲面的光学面的表面设置有分光薄膜层；
当太阳光谱照射到所述自由曲面上时，所述分光薄膜层将所述太阳光谱中的紫外光、近红外光与可见光进行分离；
所述紫外光和近红外光经所述分光薄膜层反射、并在所述自由曲面的聚光下汇聚在所述自由曲面的焦点位置，被所述集热管吸收后转换为热能；
所述可见光透射穿过所述分光薄膜层和所述自由曲面，并被所述自由曲面调控为平行光束，所述平行光束照射在所述光伏电池组件上，转换为电能。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分光薄膜层由不同折射率、不同厚度的介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交替沉积组成。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述自由曲面由透明固体构成，所述透明固体的材质包括水晶、石英、水晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述自由曲面的光学面具有光学微观结构，所述光学微观结构用于增强光波段的聚集或反射光路的控制。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光学微观结构的外形包括菱形、圆柱形、三角形、槽形。
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