CN205453622U - 基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，包括支架、玻璃球和太阳能芯片；所述的玻璃球安装在支架上，太阳能芯片安装在电路转接板上且位于玻璃球的正下方，玻璃球的下端与太阳能芯片具有光学间隔△。由于本实用新型的玻璃球后表面(或平面)到和太阳能芯片平面之间有一定的光学间隔(即工作距)，通过玻璃球材料的选择、玻璃球半径的选取、菲涅尔透镜焦点到玻璃球前表面顶点之间的距离以及玻璃球后表面顶点到芯片平面之间的距离(工作距)的优化，获得了效果更佳的聚焦光斑，照度均匀性及色差都大大提高，从而改进高倍聚光光伏发电光学系统的性能。

Description

基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统

技术领域

本实用新型涉及高倍聚光太阳能光伏发电技术领域，特别是涉及一种基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统。

背景技术

近年来基于科拉照明原理的二次光学元件在高倍聚光光伏发电光学系统中的应用引起国内外非成像光学设计者的高度重视。玻璃球二次光学元件在高倍聚光光伏发电光学系统中的作用为(1)获得照度均匀性；(2)提高接收角；(3)提高几何聚光比。采用玻璃球作为二次光学元件的最大优点是这种光学元件具有良好的制造工艺性，可以实现大批量自动化生产。与其它平面或球面冷加工二次光学元件相比，它具有光学性能好且成本低的优势。但是不足之处是玻璃球在给定光学玻璃材料下，它只有球半径这一个设计自由度。这是高倍聚光光伏发电光学系统设计及性能提升的一个局限性。专利申请[1]提出一种底面为平面的玻璃超半球，它似乎可以增加一个光学设计自由度从而使聚光光学系统的性能得到了一定的优化提升。然而玻璃超半球高度(r<h<2r)的选择范围有限，而且还需要考虑对系统的接收角的影响。在含玻璃全球二次光学元件的接收器组件封装中，二次光学元件与芯片之间的粘结是通过使用光学胶来实现的，而且在方形芯片与玻璃球面之间填满了光学胶，由于玻璃与光学胶的折射率十分接近，光经过玻璃球第二个球面(底面)时几乎不因折射而产生汇聚作用。这实际上造成只有玻璃球第一个球面(顶面)对来自聚光透镜的光产生折射汇聚作用。这样，采用光学胶封装玻璃球时，玻璃球在光学作用上与底面为平面的玻璃超半球是等效的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种聚焦光斑效果更佳、照度均匀性高的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

本实用新型是一种基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，包括支架、玻璃球和太阳能芯片；所述的玻璃球安装在支架上，太阳能芯片安装在电路转接板上且位于玻璃球的正下方，玻璃球的下端与太阳能芯片具有光学间隔△。

所述的玻璃球的下端与太阳能芯片之间的光学间隔△为0.5mm。

所述的玻璃球的下端与太阳能芯片之间的光学间隔△为空气介质。

所述的玻璃球为全球镀膜。

所述的支架顶面开设一圆孔，在圆孔的周边设置两个或两个以上的弹片，两个或两个以上的弹片对称设置；所述的支架上的圆孔直径小于玻璃球的直径。

所述的弹片有四个，四个弹片两两对称设置，位于通过圆孔中心的xy坐标轴上。

所述的支架的两侧向外翻边，在翻边上各有两个小圆孔，用于支架与散热铝板之间的铆接固定。

所述玻璃球为玻璃超半球，所述玻璃超半球与芯片相对的底面为平面，该为平面的底面由玻璃球切去球冠后形成。

采用上述方案后，本实用新型具有以下优点：

由于本实用新型的玻璃球后表面(或平面)到和太阳能芯片平面之间有一定的光学间隔(即工作距)，玻璃球二次光学元件采用精密机械固定，实现光路无胶封装，采用减反射(AR)镀膜的玻璃球二次光学元件。对于给定的透镜通光孔径与几何聚光比，本实用新型通过玻璃球材料的选择、玻璃球半径的选取、菲涅尔透镜焦点到玻璃球前表面顶点之间的距离以及玻璃球后表面顶点到芯片平面之间的距离(工作距)的优化，获得了效果更佳的聚焦光斑，照度均匀性及色差都大大提高，从而改进高倍聚光光伏发电光学系统的性能。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1是本实用新型的轴测图；

图2是高倍聚光光伏发电光学系统子午面内的光路示意图；

图3是图2在A处的局部放大图；

图4是本实用新型理想的准直光通过菲涅尔齿形而折射到透镜焦平面的中心图；

图5是本实用新型光斑半径S与波长之间的关系图；

图6是本实用新型采用两种不同玻璃球封装方案的聚光光学系统的光学效率图；

图7是本实用新型聚光光学系统产生的光照度分布计算结果图；

图8是本实用新型顶电池、中电池与底电池的接收角计算图；

图9是本实用新型不同入射角所对应的光斑辐照度分布图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实用新型是一种基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，包括支架1、玻璃球2和太阳能芯片3。

所述的玻璃球2安装在支架1上，太阳能芯片3安装在电路转接板上且位于玻璃球2的正下方，玻璃球2的下端与太阳能芯片具有光学间隔△。在本实施例中，所述的玻璃球2的下端与太阳能芯片3之间的光学间隔△为0.5mm。需要说明的是，所述的玻璃球2可以是圆球，也可以是玻璃超半球，如果是玻璃超半球，其与芯片相对的底面为平面，该为平面的底面由玻璃球切去球冠后形成。如图1所示，所述的支架1地顶面开设一圆孔11，该圆孔11直径略小于玻璃球2的直径。

在圆孔11的周边设置四个弹片12，四个弹片12两两对称设置，位于通过圆孔11中心的xy坐标轴上，两个对称位置弹片12之间的最小距离为玻璃球2直径尺寸的85-95％，最佳为90％。弹片12高度的选择使之在高度方向上高于玻璃球2中心高度，弹片12转角位置含圆弧过渡设计。

所述的金属固定支架1的高度根据聚光光学系统的最佳工作距设计结果来确定。

所述的支架1的两侧向外翻边13，在翻边13上各有两个小圆孔14，用于支架1与散热铝板之间的铆接固定。

为了保证实现玻璃球2的下端与太阳能芯片3之间的光学间隔△，可通过调整支架1的高度或者调整圆孔11的直径，从而调整玻璃球2相对于太阳能芯片3的距离，即，玻璃球2的下端与太阳能芯片3之间的光学间隔△。

本实用新型的工作原理：

如图2所示，为由菲涅尔透镜与玻璃球二次光学元件组成的高倍聚光光伏发电光学系统子午面内的光路示意图。D为方形菲涅尔透镜的边长(正方形通光孔径)，f为菲涅尔透镜的焦距。二次光学元件玻璃球透镜的半径为r，方形太阳能芯片的边长为d。菲涅尔透镜的焦点(某一设计波长对应)与二次光学元件玻璃球的上表面之间的距离为离焦量δ，球透镜下表面与太阳能芯片之间有一定光学间隔，即工作距△。

从光学设计的角度，二次光学元件玻璃球与太阳能芯片之间的光学间隔(即工作距)是一个新的独立的设计自由度。通过利用这个设计自由度可以控制优化芯片上的汇聚光斑尺寸及照度分布从而达到聚光系统光学效率提升的目的。需要指出的是，采用玻璃球精密机械固定后，二次光学元件第二球面为玻璃-空气面(而没有关系胶填充)，这样将产生4％左右的光学界面反射损失。因此，采用玻璃球机密机械固定的同时，低成本的减反射(AR)镀膜玻璃球的采用是十分必要的。随着玻璃球AR镀膜技术的成功应用，玻璃球(或玻璃超半球)作为二次光学元件在高倍聚光光学系统的优化设计成为一个新问题。这时玻璃球(或玻璃超半球)在光路中的作用相当于一个双凸厚透镜(或凸平厚透镜)，前后两个光学球面都与空气接触，对光都有产生折射作用。

图3中α为入射角，β为最大入射角的光线经过球透镜后所对应的折射角，γ为从球透镜到芯片上的出射光线的夹角，a1为光斑半径。根据斯涅尔定律，可得到β与α之间的关系：

其中n₁，n₂分别为空气的折射率和玻璃球的折射率。α可由D、f求得

从球透镜折射到芯片上的光线满足折射定律。

a₂＝asinγ(4)

a₃＝(Δ+r-rcosγ)×tan(α-γ)(5)

a2为玻璃球透镜出射光点P与光轴的距离,a3为P点光线经折射到接收面上偏离P点的距离。因此为了使汇聚光能量被芯片所接收，芯片尺寸的确定需要满足以下条件：

$\frac{d}{2}\&GreaterEqual;a_2-a_3---\left(6\right)$

从式(4)—(6)可得到工作距△的计算公式：

如图4所示，为理想的准直光通过菲涅尔透镜齿形而折射到透镜焦平面的中心(绿色实线)，红色实线为光线偏移了一定角度，虚线为在偏移入射光基础上增加了太阳发散角。光斑半径S由下式确定：

$S=\frac{D}{2}-f\&times;tan\&lsqb;arcsin(n\&times;sin(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&theta;})-\mathrm{\&alpha;})\&rsqb;---\left(8\right)$

其中θ包括设计的接收角θ_BW以及太阳光发散角θ_sun，即

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_{BW}+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{sun}}{2}---\left(9\right)$

太阳发散角为±0.265°,θ_sun＝0.265°，n为菲涅尔透镜硅胶的折射率，α由(2)式可求得。

对于含玻璃球二次光学元件的聚光光学系统，玻璃球的作用主要是增加接收角与改善照度均匀性。考虑到菲涅尔透镜制造公差等原因导致聚焦光斑变大的问题，玻璃球半径的确定还取决于透镜的聚焦光斑。当光线偏离入射(在接收角内)时，玻璃球的孔径必须能容纳由于光线偏离入射时的光斑偏移。

菲涅尔透镜孔径为50×50mm，焦距95mm；二次光学元件材料为H-K51；芯片为2×2mm三结太阳能电池。已知D＝50mm,F＝95mm，空气折射率n₁＝1，玻璃球折射率n₂＝1.52。考虑顶中电池吸收波段400-890nm，根据式(8)可计算得到当入射光线离移0.8°时光斑半径S与波长之间的关系，如图5所示。从图中可知，光斑半径S为1.3mm左右。考虑到实际的菲涅尔透镜的加工误差，实际光斑要比理论光斑来得大。因此，为了使系统在户外有更高的容差度，选择玻璃球半径r＝2.5mm。根据(7)式，球与芯片之间的最佳距离△为0.5mm。

光学效率与照度分布

如前所述，采用玻璃球精密机械固定后，二次光学元件玻璃球第二球面也为玻璃-空气面，将产生4％左右的反射损失。为了减少反射损失，需要采用镀减反射膜的玻璃球。图6为采用两种不同玻璃球封装方案的聚光光学系统的光学效率计算结果。本专利方案为玻璃球全球镀膜，玻璃球与芯片之间为空气介质。而普通硅胶封装方案为玻璃球上表面镀减反射膜，下表面采用光学硅胶粘接。由图6可知，在380-1700nm波段范围内，本专利方案与普通硅胶封装方案的平均光学效率分别为82.2％与81.4％，本专利方案的光学效率要普通硅胶封装方案的高1％左右。图7为聚光光学系统的光照度分布计算结果。从图中可知，在2x2mm芯片范围内，光斑分布较为均匀。

光学接收角计算

当入射光偏离正入射时，光学效率也随之降低，二者关系如图8所示。当光学效率降低到0°的光学效率(100％)的90％时，此时的入射光角度定义为光学接收角。该设计的顶、中、底电池的光学接收角度分别为0.61°，0.80°和0.86°。入射角度偏离，光学效率降低的同时，接收面上的光强分布也随之变化，不同入射角所对应的光斑辐照度分布如图9所示。

光路无胶聚光光学系统的特点

采用了基于玻璃球二次光学元件的光路无胶设计光学系统后，它有以下几个特点：

(1)增强可靠性。完全消除了由于高倍聚光接收器组件光路中使用硅胶粘接二次光学元件带来的可靠性隐患。这是采用之前玻璃球(或玻璃超半球)硅胶粘接的封装方案所不具备的特点。高倍聚光光学系统二次光学元件实现光路无胶是本专利的优势。

(2)增加光学设计自由度。由于玻璃球二次光学元件与太阳能芯片之间有一定的光学间隔，这个光学间隔(即工作距)是高倍聚光光学系统的一个新的独立的设计自由度。利用这个工作设计自由度可以获得光斑尺寸，照度均匀性及光学效率的提升。初步实验结果表明，采用玻璃球二次光学元件光路无胶的高倍聚光光学系统，不仅改善了接收器组件的可靠性(去除了光路中光学粘接胶的使用)，而且由于芯片上的照度均匀性的优化改善了发电系统的填充因子，从而也提高了系统的发电效率。

(3)改进聚光能力。由于玻璃球二次光学元件的第二面是玻璃-空气界面(不是玻璃-硅胶界面)，玻璃球的第二球面与第一球面一样，对光具有汇聚的作用。从而提高二次光学元件的光斑汇聚功能并增大玻璃球的半径(通光孔径)。由于制造公差及温度的原因，通常菲涅尔透镜产生的汇聚光斑不理想，有时需要二次光学元件对聚光有一定的贡献。

(4)玻璃球减反射镀膜的经济技术可行性。玻璃球减反射镀膜有两个技术方案：①玻璃球先固定在金属支架上，然后对含金属支架的玻璃球进行传统的真空镀膜。需要对玻璃球的上下两个球面分别进行两次镀膜。这个技术方案目前已经得到验证，每个光学面的减反射镀膜可以提高2.5％的透过率。但是成本较高，需要降低成本。②采用玻璃球磁控溅射“滚动”镀膜的方案。这种镀膜技术目前还在开发中。镀膜量产的成本较低，有望满足期待，是今后的发展方向。

需要特别说明的是本实用新型适用于圆形玻璃球二次光学元件，同样的，也适用于玻璃超半球，玻璃超半球与芯片相对的底面为平面，该为平面的底面由玻璃球切去球冠后形成。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，其外形可有多种，故不能以此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：包括支架、玻璃球和太阳能芯片；所述的玻璃球安装在支架上，太阳能芯片安装在电路转接板上且位于玻璃球的正下方，玻璃球的下端与太阳能芯片具有光学间隔△。

2.根据权利要求1所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的玻璃球的下端与太阳能芯片之间的光学间隔△为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的玻璃球的下端与太阳能芯片之间的光学间隔△为空气介质。

4.根据权利要求1所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的玻璃球为全球镀膜。

5.根据权利要求1所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的支架顶面开设一圆孔，在圆孔的周边设置两个或两个以上的弹片，两个或两个以上的弹片对称设置；所述的支架上的圆孔直径小于玻璃球的直径。

6.根据权利要求5所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的弹片有四个，四个弹片两两对称设置，位于通过圆孔中心的xy坐标轴上。

7.根据权利要求4所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述的支架的两侧向外翻边，在翻边上各有两个小圆孔，用于支架与散热铝板之间的铆接固定。

8.根据权利要求1所述的基于玻璃球二次光学元件的高倍聚光光伏发电光学系统，其特征在于：所述玻璃球为玻璃超半球，所述玻璃超半球与芯片相对的底面为平面，该为平面的底面由玻璃球切去球冠后形成。