CN106229371B - 荧光波导聚光模块、太阳能发电装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种荧光波导聚光模块、太阳能发电装置及其应用，本发明提供的一种荧光波导聚光模块，其包括两个相对设置的玻璃波导层、荧光聚光波导层及反射层，其中，荧光聚光波导层及反射层依次设置在所述两个的玻璃波导层之间；聚光波导层包括两个荧光层及设置在两个荧光层之间的光疏介质层，光疏介质层的厚度为1‑20mm，荧光波导聚光模块包括三个介质层。本发明还提供了太阳能发电装置及其应用，是通过上述荧光波导聚光模块与光电转化元件连接从而得到对太阳光利用率高的所述太阳能发电装置。所述太阳能发电装置可作为建筑玻璃。本发明的荧光波导聚光模块、太阳能发电装置具有结构简单，制备工艺简单及生产成本低，且对太阳光利用率高的优点。

Description

荧光波导聚光模块、太阳能发电装置及其应用
【技术领域】
本发明涉及太阳能发电领域，特别涉及一种荧光波导聚光模块、太阳能发电装置及其应用。
【背景技术】
基于光谱转换的荧光波导聚光模块是一种新型的太阳能聚光器件，通过含有荧光粉的光波导汇聚太阳光，从而减少太阳能电池板使用量，提高太阳能电池板发电效率。影响荧光波导聚光模块的核心在于荧光聚光波导。影响荧光聚光波导的核心在于波导设计与荧光层光学特性。
一般的荧光波导聚光模块需要将荧光材料混入波导中，其对荧光材料有特殊要求，且所需荧光材料的用量较大，不利于推广使用。还有些采用荧光波导聚光模块的太阳能发电装置将荧光材料镀在太阳能电池表面的荧光波导聚光模块上，但是现有的太阳能发电装置的光学利用率较低，且需要的太阳能电池板面积较大。另外，还有一些采用荧光波导聚光模块的太阳能发电装置中，将荧光层涂在波导表面，但是采用这种直接涂覆的方式，荧光层与波导表面之间的附着力较差，且约有一半荧光反射进入到空气，对太阳光的利用率较低。因此，基于上述的缺陷，亟待提供一种可提高太阳光利用率的技术方案。
【发明内容】
为克服现有的荧光波导聚光模块对太阳光利用率较低的技术难题，本发明提供了一种对太阳光利用率较高的荧光波导聚光模块、太阳能发电装置及其应用。
本发明为解决上述技术问题提供的一个方案是提供一种荧光波导聚光模块，其包括两个相对设置的玻璃波导层、荧光聚光波导层及反射层，其中，所述荧光聚光波导层及反射层依次设置在所述两个的玻璃波导层之间；所述聚光波导层包括两个荧光层及设置在两个荧光层之间的光密度小于所述荧光层的光疏介质层，所述光疏介质层的厚度为1-20mm；所述荧光波导聚光模块进一步包括三个介质层，其中，第一介质层设置在所述玻璃波导层与所述荧光聚光波导层之间，第二介质层设置在所述荧光聚光波导层与所述反射层之间，第三介质层设置在所述反射层与另一玻璃波导层之间。
优选地，所述荧光层为Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光材料层，所述荧光层的厚度为1-20μm。
优选地，所述光疏介质层包括真空层或惰性气体层；所述光疏介质层的厚度为1-20mm。
优选地，所述反射层包括Ag层、Au层、Cu层、Al层中的任一种；所述反射层的厚度为10-100nm。
优选地，所述玻璃波导层的厚度为1-10mm，所述玻璃波导层朝向太阳光的一面上设置有压纹。
优选地，所述介质层的成分为ITO、FTO、ZnO及AZO中的一种或几种的组合；所述介质层的厚度为80-120μm。
优选地，所述介质层采用对可见光的透过率较高的材料用以选择300nm～600nm波长的可见光透过。
本发明为解决上述技术问题提供的又一方案是提供一种太阳能发电装置，其包括光电转化元件及如上所述荧光波导聚光模块；所述光电转化元件设置在所述荧光波导聚光模块的侧面，所述荧光波导聚光模块将太阳光转化为近、中红外光并传输至所述光电转化元件，所述光电转化元件将接收近、中红外光并将其转化为电能。
本发明为解决上述技术问题提供的又一方案是提供一种建筑玻璃，所述建筑玻璃包括上所述太阳能发电装置。
与现有技术相比，本发明的荧光波导聚光模块中，设置一反射层与所述荧光波导聚光模块相匹配，且将所述荧光波导聚光模块限定为双层荧光层间隔设置的结构，其中，所述荧光波导聚光模块包括两个荧光层及设置在两个荧光层之间的光疏介质层。在两个所述荧光层之间设置一光疏介质层，还可避免所述荧光层暴露于空气中，从而可增加所述荧光层的使用寿命。通过上述层结构的设置，可增强太阳光在入射所述荧光波导聚光模块后，在所述荧光波导聚光模块内设置的多层结构之间实现全反射，从而提高了所述荧光波导聚光模块与太阳光的接触面积，且无需设置现有的太阳光追光装置就可提高对太阳光的利用。
本发明进一步提供一种太阳能发电装置，其包括光电转化元件及如上述所述的荧光波导聚光模块，与普通的太阳能发电装置相比，采用本发明所提供的太阳能发电装置可使用较少的太阳能电池片，降低成本且所述荧光波导聚光模块能具有较优的透光效果。
本发明所提供的一种建筑玻璃，所述建筑玻璃包括太阳能发电装置，与现有的普通双层玻璃相比，采用本发明所述太阳能发电装置作为建筑玻璃，除了可以对为吸收的可见光具有较强的透过性能之后，还可以具有较优的绝热与隔音效果，还可进一步隔绝紫外线，此外，所述太阳能发电装置在加装一套逆变器之后可以直接并网使用，可以使建筑玻璃同时实现发电、隔音、透光的功能，具有较优的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明的荧光波导聚光模块的层结构示意图。
图2是图1中所示荧光波导聚光模块的层结构示意图。第一透明介质层的A处放大示意图。
图3是图1中第一透明介质层的A处放大示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种荧光波导聚光模块10，所述荧光波导聚光模块10包括两个相对设置的玻璃波导层110、荧光聚光波导层12及反射层13，其中，所述荧光聚光波导层12及所述反射层13设置在所述两个的玻璃波导层110之间。所述荧光聚光波导层12与所述反射层13之间的叠加顺序不受限制。
所述玻璃波导层110可进一步包括第一玻璃波导层11及第二玻璃波导层14。在本发明一些实施例中，假设所述第一玻璃波导层11为太阳光100的入射层，则所述荧光波导聚光模块10的层结构可依次设置为：所述第一玻璃波导层11、所述荧光聚光波导层12、所述反射层13及所述第二玻璃波导层14。
所述第一玻璃波导层11及所述第二玻璃波导层14可选用钢化玻璃、聚酯等透明材质。在一些优选的实施例中，所述第一玻璃波导层11或所述第二玻璃波导层14的厚度为1-10mm，其厚度进一步可为2-8mm、2-6mm、3.5-7.6mm或2-5.1mm。
所述荧光聚光波导层12包括两个荧光层120，所述荧光层120进一步可分为第一荧光层121及第二荧光层122，在所述第一荧光层121与所述第二荧光层122之间设置一光疏介质层123。
所述第一荧光层121与所述第二荧光层122均为Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光材料层，其具体可为氧化锌、硒化镉、硫化镉、硫化锌等材料中的任一种或几种的组合。所述第一荧光层121与第二荧光层122材料可以相同，也可以不同。所述第一荧光层121与所述第二荧光层122的厚度范围为1-15μm，所述第一荧光层121与所述第二荧光层122的厚度范围进一步可为1-20μm，其厚度进一步可为1-5.5μm、2-15μm、3-12μm、5-17μm或7-20μm，所述第一荧光层121与第二荧光层122厚度可以相同也可以不同。
在本发明中，所述光疏介质层123用于为经过所述荧光层的太阳光提供全反射,所述光疏介质层123优选为光密度小于所述荧光层120的材料层。具体地，所述光疏介质层123包括真空层或惰性气体层。更进一步地，所述光疏介质层123的厚度为1-20mm，更进一步地，所述光疏介质层123的厚度可为1-8mm、4-11mm、6-13mm、5-10mm或7-20mm。
更进一步地，在本发明中，当所述光疏介质层123为真空层或惰性气体层时，所述光疏介质层123除了可为太阳光的全反射提供必要层结构之外，还可为所述荧光波导聚光模块10提供绝热和隔音功能。
所述反射层13对可见光的反射率高。在本发明一些优选的实施例中，所述反射层13包括Ag层、Au层、Cu层、Al层中的任一种；所述反射层13的厚度为10-100nm，所述反射层13的反射率为大于92％以上。
在本发明一些优选的实施例中，所述荧光波导聚光模块10进一步包括多个介质层15。具体地，所述介质层15的数量可为三个，其分别为第一介质层151、第二介质层152及第三介质层153。其中，所述第一介质层151设于所述玻璃波导层11与所述荧光聚光波导层12之间，所述第二介质层152设于所述荧光聚光波导层12与所述反射层13之间；所述第三介质层153设于所述反射层13与另一所述玻璃波导层14之间。
进一步地，在本发明中所述介质层15采用对可见光的透过率较高的材料用以使选择300nm～600nm波长的可见光透过。更优地，所述第一介质层151、所述第二介质层152及所述第三介质层153选用的材料可以相同或不同，具体的，可以为ITO(Indium Tin Oxides，铟锡氧化物)、FTO(SnO2:F，掺杂氟的二氧化锡)、ZnO(Zinc Oxide，氧化锌)及AZO(Al：ZincOxide，铝掺杂的氧化锌)中的一种或几种的组合。
在本发明中，所述第一介质层151、所述第二介质层152及所述第三介质层153的厚度分别可为40-200nm，所述第一介质层151、所述第二介质层152及所述第三介质层153的厚度进一步分别可为80-120nm、50-100nm、40-80nm、90-150nm或100-200nm。
在本发明一些实施例中，太阳光经过所述荧光波导聚光模块10进行转换的过程具体如下：
太阳光依次经过第一玻璃波导层11、第一介质层151后射入所述第一荧光层121中。所述第一荧光层121中的荧光材料在吸收太阳光后，发出波长较长的近、中红外光，在进入光疏介质层13时，由于形成所述光疏介质层13的材料为光疏介质，并且所述光疏介质层13为光密度小于所述第一荧光层121的材料层，因此，转化而来的近、中红外光一部分在第一荧光层121和光疏介质层13的界面发生全反射后进入传输模式并向所述第一荧光层121的四周传输；未在第一荧光层121的荧光材料中发生全反射的太阳光进入所述光疏介质层13中，或者被第一介质层151多次反射后向四周传输。
在此过程中，部分未被吸收的太阳光经过第一荧光层121、所述光疏介质层13之后进入第二荧光层122中，同样地，所述第二荧光层122中的荧光材料可在吸收太阳光后，发出波长较长的近、中红外光，转化而来的近、中红外光进入传输模式并向所述第二荧光层122的四周传输；
更进一步地，未被第二荧光层122吸收的太阳光经过穿过所述第二荧光层122后，被所述第二介质层152多次反射向四周传输，或者未被第二荧光层122吸收的太阳光穿过第二荧光层122、第二介质层152后被所述反射层13多次反射再利用，或者未被第二荧光层122吸收的太阳光穿过第二荧光层122、第二介质层152、反射层13后被所述第三介质层多次反射再利用，最终以提高太阳光的利用率。
可见，在本发明中，由于所述荧光聚光波导层12的层结构的设置，可有效提高太阳光的利用率。
此外，与现有技术相比，由于所述第一荧光层121与所述第二荧光层122被封装于所述荧光波导聚光模块10之内，可使荧光材料层不暴露于外界空气中，因此，可以增加所述第一荧光层121与所述第二荧光层122的使用寿命。
结合图2，本发明的一些实施例中，为了进一步提高荧光波导聚光模块10对太阳光的利用，可在第一玻璃波导层111与太阳光的直接接触面设置压纹1016。在本发明一些较优的实施例中，所述压纹1016可具有一定的倾斜角度，使光线在该倾斜角度上发生反射后再次入射至第一玻璃波导111表面二次利用，从而提高太阳光的入射效率及其吸收利用率。在本发明第一实施例所提供的荧光波导聚光模块10可采用现有的低辐射玻璃生产方法进行制备，具体可为在线高温热解沉积法或离线真空溅射法进行制备。
在本发明中，所述荧光波导聚光模块10中，所述第一荧光层121与所述第二荧光层122均以镀层的方式镀制。与现有的LSC(Lens Shading Correction)器件相比，其荧光材料用量较少，且无需将荧光材料混入玻璃中，在保证所述荧光波导聚光模块10功能的同时，还可简化制备工艺，降低生产成本。
在本发明另外的一些实施例中，所述介质层15和所述荧光层12的镀制方法可以采用磁控溅射、多弧离子镀等方法将各膜层依次镀制在所述玻璃波导层110上，更进一步地可采用通过抽真空或者抽真空后通入惰性气体在所述第一荧光层121与第二荧光层122之间设置一5-10mm的光疏介质层13。
在本实施例中，为了获得更优的太阳光利用效果，可进一步提供具体实施例，具体如下：
第一具体实施例：
所述荧光波导聚光模块10沿太阳光入射方向依次如下的层结构：
第一玻璃波导层11-第一介质层151-第一荧光层121-光疏介质层123-第二荧光层122-第二介质层152-所述反射层13-第三介质层153-所述第二玻璃波导层14。
其中，所述第一玻璃波导层11与所述第二玻璃波导层14的材质为钢化玻璃，其厚度为4mm；
所述第一介质层151、所述第二介质层152及所述第三介质层153的材质分别为ITO，三者的厚度均为100nm；
所述第一荧光层121的材质为ZnO薄膜材料，其厚度为3μm；所述第二荧光层122的材质为CdS薄膜材料，其厚度为5μm。
所述反射层13的材质为Ag层，其厚度为51nm。
通过相关测试，上述第一具体实施例中，太阳光的利用率可达到90％。
第二具体实施例：
所述第二具体实施例与第一具体实施例的区别在于：所述第一荧光层121的厚度为10μm；所述第二荧光层122的厚度为1μm。
通过与上述第一具体实施例相同的测试方法，获得所述荧光波导聚光模块10对太阳光的利用率可达到95％。
第三具体实施例：
所述第三具体实施例与第一具体实施例的区别在于：所述第一荧光层121的厚度为1.3μm；所述第二荧光层122的厚度为9.7μm。
通过与上述第一具体实施例相同的测试方法，获得所述荧光波导聚光模块10对太阳光的利用率可达到90％。
在本实施例中，所述荧光波导聚光模块10中各层所选用的材质及其厚度均会对所述荧光波导聚光模块10对太阳光的利用率即可见光的透过率造成影响，本发明中上述具体实施例仅为实例，并不作为本发明的限定。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种太阳能发电装置1，用以将太阳光转化为电能，所述太阳能发电装置1包括荧光波导聚光模块10和光伏模块20，所述光伏模块20设置在所述荧光波导聚光模块10的侧面，通过所述荧光波导聚光模块10将太阳光吸收并转化为近、中红外光，由所述荧光波导聚光模块10提供的近、中红外光进入光伏模块20后被转化为电能。较优地，所述光伏模块20设置在所荧光波导聚光模块10的四个侧面，以便于更好地接收来自所述荧光波导聚光模块10传输的近、中红外光。
所述荧光波导聚光模块10的具体结构如本发明第一实施例中所述，在此不再赘述。
需要特别说明的是，在本实施例中，所述光伏模块20包括光电转化元件201和引出线202，所述光电转化元件201设置在荧光波导聚光模块10的侧面，并且所述光电转化元件201之间电性连接，所述光电转化元件201将太阳光转化为电能后通过引出线202引出。在本发明中，所述光电转化元件201为晶硅电池片或者其他光电转化材料。
在本发明中，所述光电转化元件201将传输过来的近、中红外光线转化为电能经引出线202引出后接入逆变器进行并网。
在一些更优的实施例中，所述光电转化元件201可设置在单个所述荧光波导聚光模块10的四个侧面，从而可将由所述荧光波导聚光模块10传输过来的近、中红外光转化为所需的电能，从而进一步提高太阳光的吸收及利用率。
本发明的第三实施例提供一种建筑玻璃，包括如上所述太阳能发电装置1。其可像现有的普通双层玻璃一样安装于建筑物之上，在所述太阳能发电装置1的基础之上加装一套逆变器便可并网使用。
具体地，采用所述太阳能发电装置1可替换现有建筑物玻璃窗，当太阳光射入所述太阳能发电装置1中的所述荧光波导聚光模块10后，波长为300-600nm的太阳光可激发所述第一荧光层121及所述第二荧光层122发出近、中红外光。而激发后的近、中红外光可在所述荧光波导聚光模块10之内发生全反射，并使激发后的近、中红外光线从所述荧光波导聚光模块10的四周射出，被设置在所述荧光波导聚光模块10侧面的光伏模块20吸收并转化成电能，更进一步地，所述太阳能发电装置1通过接口与一外设的逆变器相连及并网，从而实现依靠多组所述太阳能发电装置1实现发电。
与现有技术相比，本发明的荧光波导聚光模块中，设置一反射层与所述荧光波导聚光模块相匹配，且将所述荧光波导聚光模块限定为双层荧光层间隔设置的结构，其中，所述荧光波导聚光模块包括两个荧光层及设置在两个荧光层之间的光疏介质层。在两个所述荧光层之间设置一光疏介质层，还可避免所述荧光层暴露于空气中，从而可增加所述荧光层的使用寿命。通过上述层结构的设置，可增强太阳光在入射所述荧光波导聚光模块后，在所述荧光波导聚光模块内设置的多层结构之间实现全反射，从而提高了所述荧光波导聚光模块与太阳光的接触面积，且无需设置现有的太阳光追光装置就可提高对太阳光的利用。
本发明进一步提供一种太阳能发电装置，其包括光电转化元件及如上述所述的荧光波导聚光模块，与普通的太阳能发电装置相比，采用本发明所提供的太阳能发电装置可使用较少的太阳能电池片，降低成本且所述荧光波导聚光模块能具有较优的透光效果。
本发明所提供的一种建筑玻璃，所述所述建筑玻璃包括太阳能发电装置，与现有的普通双层玻璃相比，采用本发明所述太阳能发电装置作为建筑玻璃，除了可以对为吸收的可见光具有较强的透过性能之后，还可以具有较优的绝热与隔音效果，还可进一步隔绝紫外线，此外，所述太阳能发电装置在加装一套逆变器之后可以直接并网使用，可以使建筑玻璃同时实现发电、隔音、透光的功能，具有较优的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种荧光波导聚光模块，其特征在于：其包括两个相对设置的玻璃波导层、荧光聚光波导层及反射层，其中，所述荧光聚光波导层及反射层依次设置在所述两个的玻璃波导层之间；所述聚光波导层包括两个荧光层及设置在两个荧光层之间的光密度小于所述荧光层的光疏介质层，所述光疏介质层的厚度为1-20mm；
所述荧光波导聚光模块进一步包括三个介质层，其中，第一介质层设置在所述玻璃波导层与所述荧光聚光波导层之间，第二介质层设置在所述荧光聚光波导层与所述反射层之间，第三介质层设置在所述反射层与另一玻璃波导层之间。
2.如权利要求1中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述荧光层为Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光材料层，所述荧光层的厚度为1-20μm。
3.如权利要求1中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述光疏介质层包括真空层或惰性气体层。
4.如权利要求1中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述反射层包括Ag层、Au层、Cu层、Al层中的任一种；所述反射层的厚度为10-100nm。
5.如权利要求1中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述玻璃波导层的厚度为1-10mm，所述玻璃波导层朝向太阳光的一面上设置有压纹。
6.如权利要求1～5任一项中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述介质层的成分为ITO、FTO、ZnO及AZO中的一种或几种的组合；所述介质层的厚度为80-120μm。
7.如权利要求6中所述荧光波导聚光模块，其特征在于：所述介质层采用对可见光的透过率较高的材料用以选择300nm～600nm波长的可见光透过。
8.一种太阳能发电装置，其特征在于：其包括光电转化元件及如权利要求1所述荧光波导聚光模块；所述光电转化元件设置在所述荧光波导聚光模块的侧面，所述荧光波导聚光模块将太阳光转化为近、中红外光并传输至所述光电转化元件，所述光电转化元件将接收近、中红外光并将其转化为电能。
9.一种建筑玻璃，其特征在于：所述建筑玻璃包括如权利要求8所述太阳能发电装置。
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