CN102230988B

CN102230988B - 一种集光器及光伏发电***

Info

Publication number: CN102230988B
Application number: CN2011101678530A
Authority: CN
Inventors: 高琛; 孙松; 张军; 丁建军; 鲍骏
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: CN102230988A

Abstract

本发明公开了一种集光器及光伏发电***。所述集光器包括：光波导基质，其为折射率大于空气折射率、具有规则形状的光透明介质；各向异性散射体，其为具有规则形状、各向异性的无光学吸收纳米物质；所述各向异性散射体按照光集中方向与光波导传输方向相同的排列方式分布在所述光波导基质内部；其中，所述光集中方向为：光照射到所述各向异性散射体时，散射光的集中分布方向。利用本方案所提供的集光器，可减小光波导泄漏，有效提高集光效率。

Description

一种集光器及光伏发电***

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，特别是涉及一种集光器及光伏发电***。

背景技术

在能源短缺和环境问题加剧的当今，以太阳能为主的可再生能源的研究备受青睐。其中，将太阳能转换成电能的光伏发电技术是太阳能利用的主流技术。

在光伏发电中，为了在不使用太阳能跟踪***的情况下进行聚光太阳能光伏发电，即能利用到太阳光的直射光、也能利用斜射光，一般通过设置有光波导基质的集光器将太阳光传输到粘贴于光波导基质侧面的太阳能电池，实现等效聚光。所谓光波导基质为由光透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构，其传输原理为：在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在光波导及其周围有限区域内传播。所谓集光器为通过在光波导基质中分布荧光材料或散射体而构成的集光器件。

现有的集光器中所利用的荧光材料或散射体为各向同性的材料，例如：各向同性的荧光材料、各向同性的纳米材料等，以实现对太阳光的等效集光。各向同性材料不会因为方向的不同而导致物理、化学等方面的性质发生变化，使得入射光或散射光在不同方向上的散射都是相同的。这导致了光波导基质中传输的散射光很大一部分由于角度小于全反射的临界角而逸出光波导，造成了多重散射的光波导泄漏问题，因而集光效率较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种集光器及光伏发电***，以提高集光器的集光效率，技术方案如下：

一种集光器，包括：

光波导基质，其为折射率大于空气折射率、具有规则形状的光透明介质；

各向异性散射体，其为具有规则形状、各向异性的无光学吸收纳米物质，当入射光照射到所述各向异性散射体时，会发生透射和散射；

所述各向异性散射体按照光集中方向与光波导传输方向相同的排列方式分布在所述光波导基质内部，以使散射光集中到光波导传输方向上；

其中，所述光集中方向为：光照射到所述各向异性散射体时，散射光的集中分布方向。

相应的，本发明实施例还提供一种光伏发电***，包括：本发明实施例所述的集光器。

本发明实施例所提供的技术方案中，在光波导基质内部规则分布各向异性散射体，且排列方式为：各向异性散射体的光集中方向与光波导传输方向相同。当进入到光波导基质的入射光照射到散射体以及散射光照射到散射体时，由于散射体的各向异性特性，大部分散射光散射到光波导传输方向；而且传播到光波导基质表面的大部分散射光角度大于全反射的临界角，因此最终会进入光波导传输方向。可见，利用本方案所提供的集光器，减小了光波导泄漏，有效提高了集光效率。

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的介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的具有方体光波导基质的集光器结构示意图；

图2为本发明实施例具有方体光波导基质的集光器中各向异性散射体的光散射示意图；

图3为本发明实施例具有方体光波导基质的集光器的工作原理示意图；

图4为本发明实施例的具有柱体光波导基质的集光器结构示意图。

具体实施方式

为了减少现有集光器中所存在的光波导泄漏，提高集光器的集光效率，本发明实施例提供的一种集光器及光伏发电***，通过改变集光器中的散射体的特性，达到提高集光效率的目的。首先对本发明实施例所提供的一种集光器进行介绍，该集光器包括：

各向异性散射体，其为具有规则形状、各向异性的无光学吸收纳米物质；

所述各向异性散射体按照光集中方向与光波导传输方向相同的排列方式分布在所述光波导基质内部；

其中，所述光集中方向为：入射光照射到所述各向异性散射体时，散射光的集中分布方向。

本方案中，在光波导基质内部规则分布各向异性散射体，且排列方式为：各向异性散射体的光集中方向与光波导传输方向相同。当进入到光波导基质的入射光照射到散射体以及散射光照射到散射体时，由于散射体的各向异性特性，大部分散射光散射到光波导传输方向；而且传播到光波导基质表面的大部分散射光角度大于全反射的临界角，因此最终会进入光波导传输方向。可见，利用本方案所提供的集光器，减小了光波导泄漏，有效提高了集光效率。

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做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。

下面首先以具有方体光波导基质的集光器进行说明，如图1所示，一种集光器包括：

光波导基质1，其为折射率大于空气折射率的方体光透明介质，且长度和宽度均大于厚度；

各向异性散射体2，其为片状的、各向异性的无光学吸收纳米物质；

各向异性散射体2分布在光波导基质1内部，且其具体的排列方式为：各向异性散射体2的厚度方向垂直于光波导传输方向，该光波导传输方向为沿着光波导基质1长度的方向。

其中，当光照射到各向异性散射体2时，散射光集中分布到与其厚度垂直的方向。

需要说明的是，各向异性散射体2为片状的纳米材料，其长度、宽度可以为50nm～1000nm，厚度可以为0.1nm～100nm。例如：各向异性散射体2可以为纳米二氧化钛（TiO₂）。对于光波导基质1而言，其为透明物质即可，例如可以为：玻璃、透明高分子物质等。

参见图2、图3所示，本发明实施例所提供的集光器的工作原理为：根据光的散射理论，当入射光21照射到光波导基质1内的各向异性散射体2上时，会发生透射和散射。透射光23在光波导基质1内继续传播，直到遇到下一个各向异性散射体2。对于散射光22而言，其分布不是各向同性的，而是向各向异性散射体2的某些方向集中，也就是与各向异性散射体2的厚度方向垂直的方向。这样的散射光22传播到光波导基质1的表面时，大于全反射的临界角的成分比各向同性的成分多，因而有更多的散射光22进入到光波导传输方向；散射光22在光波导基质1中传输时会再次遇到各向异性散射体2而发生再散射，形成再散射光。由于各向异性散射体2的规则排列特性，散射光22将倾向于从片状纳米材料的侧面照射各向异性散射体2，其再散射光将进一步向光波导传输方向集中。通过逐次散射，入射光21逐渐耦合进入光波导传输模式，形成方向统一的传输光。根据统计原理，一个散射体的散射光照射到多个散射体上发生再散射的效应等同于不同方向的散射光入射到同一个散射体上的散射。如图3所示，通过上述多重散射，最后散射光22集中到光波导传输方向上。由于片状纳米材料的厚度尺度远小于光的波长，沿光波导传输方向的散射光将不再发生散射。

本发明实施例所提供的集光器中，通过上述各向异性的散射，避免了多重散射引起的光波导泄漏，有效提高了光集中效率。

可以理解的是，在本实例中所述的方体光波导基质中的各向异性散射体的形状并不局限于片状，例如可以为网状、链状或棒状。对于网状的各向异性散射体的排列方式与片状相同，不再赘述。而对于链状或棒状的各向异性散射体而言，其光集中方向为长度方向，所以各向异性散射体在光波导基质的排列方式具体可以为：所述各向异性散射体的长度方向平行于光波导传输方向。其中，对于链状或棒状的各向异性散射体的长度也可以为50nm～1000nm，垂直方向尺度为0.1nm～100nm。

在本发明的另一实施例中，以具有柱体光波导基质的集光器进行说明，如图4所示，一种集光器包括：

光波导基质3，其为折射率大于空气折射率的柱体光透明介质，且长度大于横截面尺度；

各向异性散射体4，其为棒状的各向异性的无光学吸收纳米物质；

各向异性散射体4分布在光波导基质3内部，且其具体的排列方式为：各向异性散射体4的长度方向平行于光波导传输方向，该光波导传输方向为沿着光波导基质1长度的方向。

对于棒状各向异性散射体4而言，由于各向异性特性，其光集中方向为长度方向。

其中，各向异性散射体4的长度可以为50nm～1000nm，横截面尺度可以为0.1nm～100nm。

可以理解的是，在柱体光波导基质内部并不局限于棒状的各向异性散射体，例如还可以为：链状各向异性散射体，其的排列方式与棒状相同。并且，所述柱体光波导基质可以为圆柱体、三棱柱体、六角柱体等。

本实施例所提供的集光器的工作原理与上述具有方体光波导基质的集光器相同，在此不再赘述。

需要说明的是，为了实现光在各向异性散射体上的有效散射，各向异性散射体的折射率与光波导基质的折射率具有一定的差别。

本发明实施例所提供的集光器的制作过程可以如下：

(1)称取1g商用P25型二氧化钛（TiO₂）粉末，放入烧杯中，加入20mL浓度15mol/L的氢氧化钾（KOH）溶液，超声45分钟使其混合均匀。然后转移到30mL含聚四氟乙烯（PTFE）内胆的水热反应釜中，密封反应釜，置于190℃下反应48小时。然后将水热反应后的粉体取出，用0.1mol/L的盐酸（HCl）和去离子水充分洗涤。最后将粉体置于90℃烘箱中干燥18小时，得到TiO₂纳米棒，直径10nm～20nm，长度从100nm～1000nm不等。

(2)称取上述TiO₂纳米棒0.06g，加入到100mL的甲苯（C₇H₈）溶液中，在搅拌的过程中逐步加入0.1g十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和30g乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。待上述悬浮液混合均匀后，置于80℃真空干燥箱中烘干。

(3)将上述烘干的块材，均匀置于平板硫化机(上海开特仪器有限公司)的模具中，在120℃下反复压延，使TiO₂纳米棒在乙烯-醋酸乙烯共聚物中分散均匀，并规则排列起来，得到156mm长、156mm宽、1mm厚的各向异性纳米散射胶片。

(4)采用玻璃夹胶工艺，使用两块156mm长、156mm宽、3mm厚超白玻璃和上述各向异性纳米散射胶片，在160℃真空夹胶炉中制成光波导基质，也即方体光波导型各向异性散射集光器，其透光率约70%。

(5)在上述集光器四侧粘贴效率17%的商品单晶硅太阳能电池，测得电光转换效率约4%。

或者

(1)量取15mL钛酸正丁酯（Ti(OBu)₄）和4.5mL氢氟酸（HF）于烧杯中，在超声的作用下混合均匀，然后转移到50mL含聚四氟乙烯内胆（PTFE）的水热反应釜中，密封反应釜，置于200℃的烘箱中反应48小时。然后将反应后的粉体离心，并用乙醇（C₂H₆O）和去离子水反复清洗，最后将粉体置于80℃烘箱中干燥18小时，得到TiO₂纳米片，厚度为4nm～20nm，长度从50nm～1100nm不等。

(2)称取上述TiO₂纳米片0.36g，加入到120mL的甲苯（C₇H₈）溶液中，在搅拌的过程中逐步加入0.12g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和30g聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。待上述悬浮液混合均匀后，置于100℃真空干燥箱中烘干。

(3)将上述烘干的块材，均匀置于140℃平板硫化机(上海开特仪器有限公司)的模具中，在不同的压力下反复压延，使TiO₂纳米片在聚甲基丙烯酸甲酯中分散均匀，并规则排列起来，得到78mm长、78mm宽、1mm厚的各向异性纳米散射胶片。

(4)采用玻璃夹胶工艺，使用两块78mm长、78mm宽、3mm厚超白玻璃和上述各向异性纳米散射胶片，在160℃真空夹胶炉中制成光波导，也即方体光波导型各向异性散射集光器，其透光率约50%。

(5)在上述集光器四侧粘贴效率17%的商品单晶硅太阳能电池，测得电光转换效率约6%。

相应的，本发明实施例还提供一种光伏发电***，其包括本发明实施例所提供的集光器。本领域人员可以理解的是，该光伏发电***还包括：太阳能电池等基本设备。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种集光器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的集光器，其特征在于，所述光波导基质为方体，且长度和宽度均大于厚度。

3.根据权利要求2所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体为片状或网状。

4.根据权利要求3所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体的排列方式具体为：

所述各向异性散射体的厚度方向垂直于光波导传输方向。

5.根据权利要求2所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体为棒状或链状。

6.根据权利要求5所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体的排列方式具体为：

所述各向异性散射体的长度方向平行于光波导传输方向。

7.根据权利要求1所述的集光器，其特征在于，所述光波导基质为柱体，且长度大于横截面尺度。

8.根据权利要求7所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体为棒状或链状。

9.根据权利要求8所述的集光器，其特征在于，所述各向异性散射体的排列方式具体为：

所述各向异性散射体的长度方向平行于光波导传输方向。

10.一种光伏发电***，其特征在于，包括：如权利要求1～权利要求9任意一项所述的集光器。