TWI460473B - 太陽光集光用夫涅耳透鏡片及其設計方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種太陽光集光用途夫涅耳透鏡片及其設計方法，其在使太陽光集光於太陽電池單元，以謀求發電效率提升之太陽光發電設施中，有使來自太陽之直射光集光的功能。
集光型太陽光發電裝置係一種以集光透鏡使太陽光集光於太陽電池而令其發電的裝置。由於太陽電池只要具備有能對以透鏡集光之光進行受光的面積即可，因此相較於透鏡尺寸可設置成非常小之尺寸，以減少在發電裝置中亦非常昂貴之太陽電池的使用量而可降低成本。另一方面，由於使用透鏡，因此必需在直射光較多(日照時間較長)之地域使用。基於此點，在日照時間較長且可大面積化之具有廣大土地的地域，作為電力供給用途集光型太陽光發電裝置已逐漸普及。就集光型發電裝置之裝置例而言，可列舉專利文獻1等。
一般而言，為了高效率利用光，在光學用途所使用之透鏡係使用透明性較高之丙烯酸樹脂或聚碳酸酯樹脂等。於此等樹脂為了防止紫外線等之影響所產生之透鏡之著色及樹脂劣化等，一般係以既定量摻入紫外線吸收劑。此等光學構件一般係在屋內作為電視之螢幕或背光用構件使用，直接照射之紫外線量較低，所添加之紫外線吸收劑濃度亦較低。又，如專利文獻2所示，藉由大量地摻入紫外線吸收劑雖可提升樹脂之耐光性，不過由於會造成紫外線吸收劑之著色導致透射率降低等在光學上及著色之黃變等在外觀上產生問題、或產生成形性降低等問題，因此一般盡可能以低濃度添加。
然而，基於太陽光集光透鏡必需在非常大量紫外線照射之環境且20年以上之長期使用等原因，如上述般必需大量添加紫外線吸收劑，另一方面若考量著色、劣化所導致之透射率降低的影響或對成形性所造成之影響等，目前還不知適切之量。
專利文獻1：日本特開2006-343435公報
專利文獻2：日本特開平05-156113號公報實施例等。
已要求一種透鏡片之開發，其與習知之光學用途相較，有在更大量之紫外線照射環境且長期使用下，無透射率降低情形，且可以良好效率集光的性能。
上述課題可藉由以下太陽光集光用光學透鏡片之設計方法解決，該太陽光集光用光學片係於基材中含有紫外線吸收劑，其特徵在於：以下述方式決定基材中所含紫外線吸收劑的量，亦即在金屬鹵素燈式耐候性測試(裝置規格：JTM G 01：2000，日本測試機工業會)之加速劣化測試中，以T1
時間之照射時間測試後，400nm～1850nm之波長區域之平均透射率的降低係滿足下述(1)式
τuv(0)+τuv(T1
)＞τ0
(0)+τ0
(T1
) (1)
且在該波長區域各波長從初始值起之透射率降低分別為10%以下，其中，
T1
=150×2.5×U1
/U0
×{0.44×1n(W1
/W0
)+0.88}×{(0.5×cos(α1
-23.4))+cosα1
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-23.4))+cosα0
} (2)
U1
：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均日照時間
W1
：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均水蒸氣量
α1
：使用太陽光集光用光學片之地點的緯度
U0
：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的日照時間
W0
：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的平均水蒸氣量
α0
：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的緯度
τuv(0)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τuv(T1
)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1
時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τ0
(0)：除了不含紫外線吸收劑以外係與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τ0
(T1
)：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1
時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率。
又，本發明係以平均透射率之降低相對於初始值為7%以下較佳，以在400nm～1000nm之各波長區域透射率之降低相對於初始值為10%以下較佳。
又，本發明之上述太陽光集光用光學透鏡片，係以其基材為丙烯酸樹脂，紫外線吸收劑為苯并三唑(benzotriazole)系較佳，以紫外線吸收劑至少添加1400ppm以上更佳。
再者，上述課題可藉由以下太陽光集光用光學透鏡片之設計方法解決，該樹脂製太陽光集光用光學片係於基材中含有紫外線吸收劑，其特徵在於：以下述方式決定基材中所含紫外線吸收劑的量，亦即在金屬鹵素燈式耐候性測試(裝置規格：JTM G 01：2000，日本測試機工業會)之加速劣化測試中，以T1
時間之照射時間測試後，400nm～1850nm之波長區域之平均透射率的降低係滿足
τuv(0)+τuv(T1
)>τ0
(0)+τ0
(T1
) (1)
且在該波長區域各波長從初始值起之透射率降低分別在10%以下，其中，
T1
=150×2.5×D1
/D0
(3)
D1
：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均直接日射量
D0
：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的平均直接日射量
τuv(0)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τuv(T1
)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1
時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τ0
(0)：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率
τ0
(T1
)：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率。
根據本發明，可製作一種夫涅耳透鏡片，其伴隨長期屋外曝露之紫外線劣化所造成的透射率降低較少，從初始值起維持集光效率且成型性優異。
第1圖係表示使用夫涅耳透鏡之太陽光發電裝置之一例。呈到達透鏡後之光係藉由透鏡部折射而集光在位於既定位置之太陽電池的構造。又，在太陽電池之前方，大多使用玻璃製或金屬性之2次集光透鏡，以提升使集光效率。
前述夫涅耳透鏡片大多作為如第1圖所示之夫涅耳透鏡集合體使用，各夫涅耳透鏡係於透明樹脂之基材形成有同心圓稜鏡。在同心圓稜鏡之形成係可應用壓製成形、射出成形、使用紫外線硬化性樹脂之2P(P
hotoP
olymerization：光聚合)成形等。
就構成基材之透明樹脂而言，可使用丙烯酸樹脂、聚碳酸酯樹脂等之各種透明樹脂，不過基於耐候性之點以丙烯酸樹脂，尤其聚甲基丙烯酸酯(polymethylmethacrylate)(PMMA)樹脂為主較佳。
本發明之太陽光集光用夫涅耳透鏡片之基材，為了防止因太陽光所含之紫外線所造成之劣化係含有紫外線吸收劑。就所含有之紫外線吸收劑而言，雖可採用各種者，不過以吸收波長端低於400nm，尤其在350nm～380nm之範圍內者較佳，基於此點以屬苯并三唑(benzotriazole)系較佳。
如第2圖所示，在宮古島實際上實施屬含苯并三唑(benzotriazole)系紫外線吸收劑之夫涅耳透鏡片用材料之PMMA樹脂的屋外曝露測試，而觀察其透射率變化。結果，已知10年間之屋外曝露當中並無透射率之降低。
其次，使用以JTM G 01：2000之裝置規格所定之測試機，在既定環境下實施了超加速耐候性測試。裝置係使用岩崎電氣股份公司製之超加速耐候性測試機(SUV-F1)。針對此結果亦表示於第2圖。從此結果可知150小時之加速測試係相當於10年以上在宮古島之屋外曝露。
另一方面，將設置太陽光集光模組之代表性地域的環境表示於表1。例如，在設想以西班牙之托雷多(Toledo)作為實際上設置太陽光模組之地點的情況下，相較於宮古島之環境，由於一年日照時間為約1.7倍以及因濕度導致太陽光之吸收、因緯度所造成之日射角度的不同，因此在宮古島10年之曝露若在例如托雷多(Toledo)則相當於約6.5年之曝露。因此，若考量在托雷多(Toledo)25年以上之長期使用，則必需考量在宮古島約40年之使用，亦即超加速測試時間必需約600小時。同樣地，設想之設置地點為在銚子時超加速測試時間需約410小時、在美國之鳳凰城時需約860小時、在美國拉斯維加斯時需約950小時、在美國邁阿密時則需約570小時。
前述式(2)係將上述想法一般化。換算成相當於在實際設置地點約25年長期使用之在宮古島的使用期間，並進一步表示從在宮古島之結果與以超加速耐候性測試機之結果的關聯所求出之必需的測試時間。亦即，式(2)係由「加速測試時間T1
=相當於在宮古島25年之加速測試時間(150×2.5)×在使用地點之日照時間修正×在使用地點之水蒸氣量修正×在使用地點之緯度修正」構成的經驗法則。然而，對日射所造成之影響係大氣中之絕對水蒸氣量，不過一般係公佈平均相對濕度。因此，藉由將平均相對濕度乘以在宮古島及使用地點之最高氣溫的飽和水蒸氣量，而求出在宮古島及使用地點之水蒸氣量。就日照時間、濕度、以及最高氣溫之值而言，最好使用從使用地點所屬之國家或區域所發表之值。
另一方面，依設置地點而異，有時係業已公佈該地點之一年間之直射日射量的地域。在該情況下，可使用式(3)求出加速測試時間T1
，以取代上述式(2)。
將設想以托雷多(Toledo)作為設置地點在600小時之加速測試後400nm～1850nm之波長範圍的平均透射率變化表示於第3圖。此處，在透射率測量係使用U-3410(日立製)之分光光度計。又，使用丙烯酸樹脂(PMMA)作為基材，於紫外線吸收劑則使用苯并三唑(benzotriazole)系之JF-77(城北化學公司製)。
基材中之紫外線吸收劑濃度若增加，初始透射率則降低。其原因在於，於紫外線吸收劑之影響下，從400nm左右起波長較短之光被截斷，且在於隨著添加量增加，亦產生紫外線吸收劑本身所造成之著色。因此，應盡可能抑制紫外線吸收劑之添加量。另一方面，若不添加紫外線吸收劑，則隨著測試時間之增加，400nm～1850nm之波長範圍的平均透射率會降低，在600小時後相對於初始值產生約14%之透射率的降低。以此，在紫外線曝露環境氣氛下長期使用，會因夫涅耳透鏡集光體本身之透射率降低而使發電量降低。在以該降低為下限值的情況下，初始值之降低必需至少在7%以內。又，於加速曝露測試中，不可產生在此以上之降低。
其次，將600小時加速測試後400nm～1000nm之波長範圍之透射率對初始值的變化率表示於第4圖。紫外線所造成之樹脂的劣化尤其會在此波長範圍產生而因著色導致透射率降低。又，如第5圖所示，由於太陽光之光強度係在此波長範圍之強度較大，因此發電量大幅取決於在此範圍之透射率損失。因此，必需盡可能抑制在此範圍之損失，必需抑制至10%以下。觀看第4圖，即使以0.02%之添加量在400nm之波長亦產生30%以上之透射率的損失。另一方面，由於已可確認以0.14%之添加量在測試後亦不會從初始值改變，因此最好至少將紫外線吸收劑添加至0.1%以上之濃度，更好添加至0.14%以上之濃度。
亦即，在太陽光模組所使用之太陽光集光用夫涅耳透鏡片要求初始狀態之透射率盡可能較高，且因長期使用所造成之透射率降低較少的材料。式(1)係表示針對具有上述特徵之材料的條件，左邊係本發明之光學片在加速測試前後之透射率的和，右邊係與左邊所示之光學片屬相同基材且不含紫外線吸收劑者在加速測試前後之透射率的和。加速測試係如上述般以式(2)或式(3)所賦予之時間T1
進行。
τuv(0)+τuv(T1
)>τ0
(0)+τ0
(T1
) (1)
右邊係前述基材之種類若決定則依設置地點之條件決定。左邊之中，τuv(0)雖係紫外線吸收劑之含量愈多而愈小，不過τuv(T1
)則紫外線吸收劑之含量愈多卻有變大(透射率之降低較少)的趨勢，因此係賦予適切之紫外線吸收劑之添加量的數式。
另一方面，如先前所述，已知紫外線吸收劑量除了隨著添加量之增加因著色或波長之截斷導致初始透射率降低以外，亦隨著添加劑之增加因成形時之揮發成分增加而會產生不良。因此，可能的話，以抑制在0.3%以下之添加量較佳，以0.2%以下更佳。
第1圖係集光型太陽光發電系統的概略圖。
第2圖係表示屋外曝露及加速測試之夫涅耳透鏡片的透射率變化。
第3圖係表示至600小時為止之加速測試所產生之夫涅耳透鏡片的透射率變化。
第4圖係表示加速測試600小時後夫涅耳透鏡片之各波長的透射率變化。
第5圖係表示太陽光之光譜。
Claims (5)
- 一種太陽光集光用光學片之設計方法，該樹脂製太陽光集光用光學片係於基材中含有紫外線吸收劑，其特徵在於：以下述方式決定基材中所含紫外線吸收劑的量，亦即在金屬鹵素燈式耐候性測試(裝置規格：JTM G 01：2000，日本測試機工業會)之加速劣化測試中，以T1 時間之照射時間測試後，400nm～1850nm之波長區域之平均透射率的降低係滿足τuv(0)+τuv(T1 )>τ0 (0)+τ0 (T1 ) (1)且在該波長區域各波長從初始值起之透射率降低分別為10%以下，其中，T1 =150×2.5×U1 /U0 ×{0.44×1n(W1 /W0 )+0.88}×{(0.5×cos(α1 -23.4))+cosα1 }/{(0.5×cos(α0 -23.4))+cosα0 } (2)U1 ：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均日照時間W1 ：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均水蒸氣量α1 ：使用太陽光集光用光學片之地點的緯度U0 ：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的日照時間W0 ：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的平均水蒸氣量α0 ：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的緯度τuv(0)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τuv(T1 )：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1 時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τ0 (0)：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τ0 (T1 )：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1 時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率。
- 一種太陽光集光用光學片之設計方法，該樹脂製太陽光集光用光學片係於基材中含有紫外線吸收劑，其特徵在於：以下述方式決定基材中所含紫外線吸收劑的量，亦即在金屬鹵素燈式耐候性測試(裝置規格：JTM G 01：2000，日本測試機工業會)之加速劣化測試中，以T1 時間之照射時間測試後，400nm～1850nm之波長區域之平均透射率的降低係滿足τuv(0)+τuv(T1 )>τ0 (0)+τ0 (T1 ) (1)且在該波長區域各波長從初始值起之透射率降低分別為10%以下，其中，T1 =150×2.5×D1 /D0 (3)D1 ：在使用太陽光集光用光學片之環境的平均直接日射量D0 ：實際上在實施屋外曝露測試之地點(宮古島)的平均直接日射量τuv(0)：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τuv(T1 )：本發明之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1 時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τ0 (0)：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試前在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率τ0 (T1 )：除了不含紫外線吸收劑以外與本發明相同之太陽光集光用光學片在耐候性測試T1 時間後在400nm～1850nm之波長區域的平均透射率。
- 如申請專利範圍第1項或第2項之太陽光集光用光學片之設計方法，其中平均透射率之降低相對於初始值係7%以下。
- 如申請專利範圍第1項或第2項之太陽光集光用光學片之設計方法，其中基材係丙烯酸樹脂，紫外線吸收劑係苯并三唑(benzotriazole)系。
- 一種太陽光集光用光學片，係以紫外線吸收劑至少添加0.14%以上為特徵之申請專利範圍第1項或第2項的方法所設計。
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