[發明專利]一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學系統

有效

• 申請號: 201310038949.6
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103199139A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 黃坤;康學亮;丁立;張曉波;李永平
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及太陽能應用技術領域，更具體而言，涉及一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學系統。

背景技術

近年來，全球范圍內的能源緊缺和生態環境問題讓人們把更多的目光轉移到潔凈、可再生能源的開發和利用上。太陽能是一種儲量豐富且可持續利用的潔凈能源，因而如何高效利用太陽能成為各國政府和科學家熱切關注的問題。目前人們利用太陽能的方式主要有太陽能發電、光熱利用、光化學和光生物利用等，其中，利用半導體材料的光生伏特效應而產生電能的太陽能光伏電池是學術界和工業界討論的熱點，被認為是解決能源問題的最有前景的途徑之一。

從太陽能光伏電池的發展歷程來看，太陽能利用效率的提高主要歸功于半導體工藝的改進和聚光光學系統的優化設計。聚光光學系統決定了太陽光的收集效率和光電池所接受的有效光能。根據光伏電池的空間排列方式，聚光系統分為兩種：電池橫向排列所對應的光譜分束的聚光系統，即利用聚光器件的色散將不同譜段的光聚焦在吸收波段與之相匹配的電池上，以提高吸收效率；電池縱向排列所對應的單純聚焦的聚光系統。電池縱向排列的聚光系統在設計時必須考慮因電池串聯而產生的電流匹配問題（極大地限制了電池的效率），而橫向排列的電池卻不必考慮這種問題，只要將太能光譜高效地分束就能提高太陽能利用率，所以本發明所針對的就是光譜分束的聚光系統。

目前，已報道的光譜分束聚光光學系統大多基于折、反射原理對太陽光譜中的不同譜段的光進行分束，然后由不同的光伏電池對各個譜段的光分別加以吸收。這樣的光學系統往往造價昂貴、分束效果差、體積大而難以集成且受天氣變化的影響很大，極大地制約了太陽能的商業推廣。針對上述問題，我們在本發明中，提出利用衍射光學元件來實現高效率利用太陽能的方法。由于衍射光學元件獨特的色散特性和靈活設計自由度，用它代替折、反射光學元件對太陽光進行分光譜，在太陽能利用率、分束效果、經濟效益等方面均有很大的改善和提高。

發明內容

本發明主要目的是提供一種基于衍射光學元件、針對非單色光的聚光光學系統，該光學系統能夠將不同波長的光在目標面上會聚到不同位置處，并且會聚的光斑形狀可以根據實際需要而加以控制。所述光學系統能夠用于太陽能聚焦系統，在很大程度上提高太陽能利用率。

為了達成上述目的，本發明提供了一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學系統，包括：一衍射光學元件和一聚焦透鏡；所述衍射光學元件用于光譜分束和能量探測面上光斑形狀控制，所述聚焦透鏡用于會聚光束和提供相應的色散；太陽光照射該分光譜衍射光學系統時，不同譜段的光將被會聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態能夠根據實際需要而加以任意控制。

其中，所述分光譜衍射光學元件是純位相型的衍射光學元件，且該衍射光學元件具有兩臺階分布的位相（即二元型位相）、多臺階分布的位相或者連續型分布的位相。

其中，所述分光譜衍射光學元件的照明光源是太陽光、輻射白光的發光二極管或其他非單色光源。

其中，所述分光譜衍射光學元件能夠將不同譜段的光會聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個譜段的光斑形態可以是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規則形狀。

其中，所述分光譜衍射光學元件的材料選自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚對苯二甲酸乙二酯。

其中，所述聚焦透鏡是凸透鏡，且該凸透鏡是雙凸型透鏡或平凸型透鏡。

其中，所述聚焦透鏡的后表面與所述能量探測面之間的間距是所述聚焦透鏡的焦距的0.5~1.5倍；所述衍射光學元件和所述聚焦透鏡前表面之間的距離為0.1~50毫米。

另外本發明提供一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學系統，即一折衍射光學元件，所述折衍射光學元件是由一個平面表面帶有衍射光學元件的平凸透鏡；太陽光照射該分光譜衍射光學系統時，不同譜段的光將被會聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態能夠根據實際需要而加以任意控制。

其中，所述折衍射光學元件是直接在平凸透鏡上加工的。

其中，所述折衍射光學元件的浮雕結構是兩臺階分布的、多臺階分布的或連續分布的。

其中，照明所述折衍射光學元件的光源是太陽光、輻射白光的發光二極管或非單色光源。

其中，所述折衍射光學元件能夠將不同譜段的光會聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個譜段的光斑形態是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規則形狀。