專利名稱：一種集光器及光伏發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種集光器及光伏發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在能源短缺和環(huán)境問題加劇的當(dāng)今，以太陽能為主的可再生能源的研究備受青睞。其中，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的光伏發(fā)電技術(shù)是太陽能利用的主流技術(shù)。在光伏發(fā)電中，為了在不使用太陽能跟蹤系統(tǒng)的情況下進(jìn)行聚光太陽能光伏發(fā)電，即能利用到太陽光的直射光、也能利用斜射光，一般通過設(shè)置有光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器將太陽光傳輸?shù)秸迟N于光波導(dǎo)基質(zhì)側(cè)面的太陽能電池，實(shí)現(xiàn)等效聚光。所謂光波導(dǎo)基質(zhì)為由光透明介質(zhì)構(gòu)成的傳輸光頻電磁波的導(dǎo)行結(jié)構(gòu)，其傳輸原理為在不同折射率的介質(zhì)分界面上，電磁波的全反射現(xiàn)象使光波局限在光波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。所謂集光器為通過在光波導(dǎo)基質(zhì)中分布熒光材料或散射體而構(gòu)成的集光器件?，F(xiàn)有的集光器中所利用的熒光材料或散射體為各向同性的材料，例如各向同性的熒光材料、各向同性的納米材料等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的等效集光。各向同性材料不會(huì)因?yàn)榉较虻牟煌鴮?dǎo)致物理、化學(xué)等方面的性質(zhì)發(fā)生變化，使得入射光或散射光在不同方向上的散射都是相同的。這導(dǎo)致了光波導(dǎo)基質(zhì)中傳輸?shù)纳⑸涔夂艽笠徊糠钟捎诮嵌刃∮谌瓷涞呐R界角而逸出光波導(dǎo)，造成了多重散射的光波導(dǎo)泄漏問題，因而集光效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種集光器及光伏發(fā)電系統(tǒng)，以提高集光器的集光效率，技術(shù)方案如下一種集光器，包括光波導(dǎo)基質(zhì)，其為折射率大于空氣折射率、具有規(guī)則形狀的光透明介質(zhì)；各向異性散射體，其為具有規(guī)則形狀、各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)；所述各向異性散射體按照光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同的排列方式分布在所述光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部；其中，所述光集中方向?yàn)楣庹丈涞剿龈飨虍愋陨⑸潴w時(shí)，散射光的集中分布方向。相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括本發(fā)明實(shí)施例所述的集光
O本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案中，在光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部規(guī)則分布各向異性散射體，且排列方式為各向異性散射體的光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同。當(dāng)進(jìn)入到光波導(dǎo)基質(zhì)的入射光照射到散射體以及散射光照射到散射體時(shí)，由于散射體的各向異性特性，大部分散射光散射到光波導(dǎo)傳輸方向；而且傳播到光波導(dǎo)基質(zhì)表面的大部分散射光角度大于全反射的臨界角，因此最終會(huì)進(jìn)入光波導(dǎo)傳輸方向?？梢?，利用本方案所提供的集光器，減小了光波導(dǎo)泄漏，有效提高了集光效率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的具有方體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例具有方體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器中各向異性散射體的光散射示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例具有方體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器的工作原理示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的具有柱體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了減少現(xiàn)有集光器中所存在的光波導(dǎo)泄漏，提高集光器的集光效率，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種集光器及光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過改變集光器中的散射體的特性，達(dá)到提高集光效率的目的。首先對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種集光器進(jìn)行介紹，該集光器包括光波導(dǎo)基質(zhì)，其為折射率大于空氣折射率、具有規(guī)則形狀的光透明介質(zhì)；各向異性散射體，其為具有規(guī)則形狀、各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)；所述各向異性散射體按照光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同的排列方式分布在所述光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部；其中，所述光集中方向?yàn)槿肷涔庹丈涞剿龈飨虍愋陨⑸潴w時(shí)，散射光的集中分布方向。本方案中，在光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部規(guī)則分布各向異性散射體，且排列方式為各向異性散射體的光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同。當(dāng)進(jìn)入到光波導(dǎo)基質(zhì)的入射光照射到散射體以及散射光照射到散射體時(shí)，由于散射體的各向異性特性，大部分散射光散射到光波導(dǎo)傳輸方向；而且傳播到光波導(dǎo)基質(zhì)表面的大部分散射光角度大于全反射的臨界角，因此最終會(huì)進(jìn)入光波導(dǎo)傳輸方向?？梢?，利用本方案所提供的集光器，減小了光波導(dǎo)泄漏，有效提高了集光效率。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面首先以具有方體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器進(jìn)行說明，如圖1所示，一種集光器包括光波導(dǎo)基質(zhì)1，其為折射率大于空氣折射率的方體光透明介質(zhì)，且長(zhǎng)度和寬度均大于厚度；各向異性散射體2，其為片狀的、各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)；各向異性散射體2分布在光波導(dǎo)基質(zhì)1內(nèi)部，且其具體的排列方式為各向異性散射體2的厚度方向垂直于光波導(dǎo)傳輸方向，該光波導(dǎo)傳輸方向?yàn)檠刂獠▽?dǎo)基質(zhì)1長(zhǎng)度的方向。
其中，當(dāng)光照射到各向異性散射體2時(shí)，散射光集中分布到與其厚度垂直的方向。需要說明的是，各向異性散射體2為片狀的納米材料，其長(zhǎng)度、寬度可以為50nm 1000歷，厚度可以為0. Inm lOOnm。例如各向異性散射體2可以為納米二氧化鈦(TiO2)。 對(duì)于光波導(dǎo)基質(zhì)1而言，其為透明物質(zhì)即可，例如可以為玻璃、透明高分子物質(zhì)等。參見圖2、圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的集光器的工作原理為根據(jù)光的散射理論，當(dāng)入射光21照射到光波導(dǎo)基質(zhì)1內(nèi)的各向異性散射體2上時(shí)，會(huì)發(fā)生透射和散射。透射光23在光波導(dǎo)基質(zhì)1內(nèi)繼續(xù)傳播，直到遇到下一個(gè)各向異性散射體2。對(duì)于散射光22而言，其分布不是各向同性的，而是向各向異性散射體2的某些方向集中，也就是與各向異性散射體2的厚度方向垂直的方向。這樣的散射光22傳播到光波導(dǎo)基質(zhì)1的表面時(shí)，大于全反射的臨界角的成分比各向同性的成分多，因而有更多的散射光22進(jìn)入到光波導(dǎo)傳輸方向；散射光22在光波導(dǎo)基質(zhì)1中傳輸時(shí)會(huì)再次遇到各向異性散射體2而發(fā)生再散射，形成再散射光。由于各向異性散射體2的規(guī)則排列特性，散射光22將傾向于從片狀納米材料的側(cè)面照射各向異性散射體2，其再散射光將進(jìn)一步向光波導(dǎo)傳輸方向集中。通過逐次散射， 入射光21逐漸耦合進(jìn)入光波導(dǎo)傳輸模式，形成方向統(tǒng)一的傳輸光。根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，一個(gè)散射體的散射光照射到多個(gè)散射體上發(fā)生再散射的效應(yīng)等同于不同方向的散射光入射到同一個(gè)散射體上的散射。如圖3所示，通過上述多重散射，最后散射光22集中到光波導(dǎo)傳輸方向上。由于片狀納米材料的厚度尺度遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，沿光波導(dǎo)傳輸方向的散射光將不再發(fā)生散射。本發(fā)明實(shí)施例所提供的集光器中，通過上述各向異性的散射，避免了多重散射引起的光波導(dǎo)泄漏，有效提高了光集中效率?？梢岳斫獾氖?，在本實(shí)例中所述的方體光波導(dǎo)基質(zhì)中的各向異性散射體的形狀并不局限于片狀，例如可以為網(wǎng)狀、鏈狀或棒狀。對(duì)于網(wǎng)狀的各向異性散射體的排列方式與片狀相同，不再贅述。而對(duì)于鏈狀或棒狀的各向異性散射體而言，其光集中方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，所以各向異性散射體在光波導(dǎo)基質(zhì)的排列方式具體可以為所述各向異性散射體的長(zhǎng)度方向平行于光波導(dǎo)傳輸方向。其中，對(duì)于鏈狀或棒狀的各向異性散射體的長(zhǎng)度也可以為 50nm lOOOnm，垂直方向尺度為0. Inm lOOnm。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，以具有柱體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器進(jìn)行說明，如圖4所示，一種集光器包括光波導(dǎo)基質(zhì)3，其為折射率大于空氣折射率的柱體光透明介質(zhì)，且長(zhǎng)度大于橫截面尺度；各向異性散射體4，其為棒狀的各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)；各向異性散射體4分布在光波導(dǎo)基質(zhì)3內(nèi)部，且其具體的排列方式為各向異性散射體4的長(zhǎng)度方向平行于光波導(dǎo)傳輸方向，該光波導(dǎo)傳輸方向?yàn)檠刂獠▽?dǎo)基質(zhì)1長(zhǎng)度的方向。對(duì)于棒狀各向異性散射體4而言，由于各向異性特性，其光集中方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向。其中，各向異性散射體4的長(zhǎng)度可以為50nm lOOOnm，橫截面尺度可以為 0. Inm IOOnm0可以理解的是，在柱體光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部并不局限于棒狀的各向異性散射體，例如還可以為鏈狀各向異性散射體，其的排列方式與棒狀相同。并且，所述柱體光波導(dǎo)基質(zhì)可以為圓柱體、三棱柱體、六角柱體等。本實(shí)施例所提供的集光器的工作原理與上述具有方體光波導(dǎo)基質(zhì)的集光器相同， 在此不再贅述。需要說明的是，為了實(shí)現(xiàn)光在各向異性散射體上的有效散射，各向異性散射體的折射率與光波導(dǎo)基質(zhì)的折射率具有一定的差別。本發(fā)明實(shí)施例所提供的集光器的制作過程可以如下(1)稱取Ig商用M5型二氧化鈦(TiO2)粉末，放入燒杯中，加入20mL濃度15mol/L 的氫氧化鉀(KOH)溶液，超聲45分鐘使其混合均勻。然后轉(zhuǎn)移到30mL含聚四氟乙烯(PTFE) 內(nèi)膽的水熱反應(yīng)釜中，密封反應(yīng)釜，置于190°C下反應(yīng)48小時(shí)。然后將水熱反應(yīng)后的粉體取出，用0. lmol/L的鹽酸(HCl)和去離子水充分洗滌。最后將粉體置于90°C烘箱中干燥18 小時(shí)，得到TiR納米棒，直徑IOnm 20nm，長(zhǎng)度從IOOnm IOOOnm不等。(2)稱取上述TW2納米棒0. 06g，加入到IOOmL的甲苯(C7H8)溶液中，在攪拌的過程中逐步加入0. Ig十二烷基苯磺酸鈉(SDBQ和30g乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。待上述懸浮液混合均勻后，置于80°C真空干燥箱中烘干。(3)將上述烘干的塊材，均勻置于平板硫化機(jī)(上海開特儀器有限公司)的模具中，在120°C下反復(fù)壓延，使TiO2納米棒在乙烯-醋酸乙烯共聚物中分散均勻，并規(guī)則排列起來，得到156mm長(zhǎng)、156mm寬、Imm厚的各向異性納米散射膠片。(4)采用玻璃夾膠工藝，使用兩塊156mm長(zhǎng)、156mm寬、3mm厚超白玻璃和上述各向異性納米散射膠片，在160°C真空夾膠爐中制成光波導(dǎo)基質(zhì)，也即方體光波導(dǎo)型各向異性散射集光器，其透光率約70%。(5)在上述集光器四側(cè)粘貼效率17%的商品單晶硅太陽能電池，測(cè)得電光轉(zhuǎn)換效率約4%。或者(1)量取15mL鈦酸正丁酯(Ti (OBu)4)和4. 5mL氫氟酸(HF)于燒杯中，在超聲的作用下混合均勻，然后轉(zhuǎn)移到50mL含聚四氟乙烯內(nèi)膽(PTFE)的水熱反應(yīng)釜中，密封反應(yīng)釜，置于200°C的烘箱中反應(yīng)48小時(shí)。然后將反應(yīng)后的粉體離心，并用乙醇(C2H6O)和去離子水反復(fù)清洗，最后將粉體置于80°C烘箱中干燥18小時(shí)，得到TW2納米片，厚度為4nm 20nm,長(zhǎng)度從50nm 1 IOOnm不等。(2)稱取上述TW2納米片0. 36g，加入到120mL的甲苯(C7H8)溶液中，在攪拌的過程中逐步加入0. 12g十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和30g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。待上述懸浮液混合均勻后，置于100°C真空干燥箱中烘干。(3)將上述烘干的塊材，均勻置于140°C平板硫化機(jī)(上海開特儀器有限公司)的模具中，在不同的壓力下反復(fù)壓延，使TW2納米片在聚甲基丙烯酸甲酯中分散均勻，并規(guī)則排列起來，得到78mm長(zhǎng)、78mm寬、Imm厚的各向異性納米散射膠片。(4)采用玻璃夾膠工藝，使用兩塊78mm長(zhǎng)、78mm寬、3mm厚超白玻璃和上述各向異性納米散射膠片，在160°C真空夾膠爐中制成光波導(dǎo)，也即方體光波導(dǎo)型各向異性散射集光器，其透光率約50%。(5)在上述集光器四側(cè)粘貼效率17%的商品單晶硅太陽能電池，測(cè)得電光轉(zhuǎn)換效
率約6%。
相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，其包括本發(fā)明實(shí)施例所提供的集光器。本領(lǐng)域人員可以理解的是，該光伏發(fā)電系統(tǒng)還包括太陽能電池等基本設(shè)備。以上所述僅是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種集光器，其特征在于，包括光波導(dǎo)基質(zhì)，其為折射率大于空氣折射率、具有規(guī)則形狀的光透明介質(zhì)； 各向異性散射體，其為具有規(guī)則形狀、各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)； 所述各向異性散射體按照光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同的排列方式分布在所述光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部；其中，所述光集中方向?yàn)楣庹丈涞剿龈飨虍愋陨⑸潴w時(shí)，散射光的集中分布方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集光器，其特征在于，所述光波導(dǎo)基質(zhì)為方體，且長(zhǎng)度和寬度均大于厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體為片狀或網(wǎng)狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體的排列方式具體為所述各向異性散射體的厚度方向垂直于光波導(dǎo)傳輸方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體為棒狀或鏈狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體的排列方式具體為所述各向異性散射體的長(zhǎng)度方向平行于光波導(dǎo)傳輸方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集光器，其特征在于，所述光波導(dǎo)基質(zhì)為柱體，且長(zhǎng)度大于橫截面尺度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體為棒狀或鏈狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集光器，其特征在于，所述各向異性散射體的排列方式具體為所述各向異性散射體的長(zhǎng)度方向平行于光波導(dǎo)傳輸方向。
10.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)1 權(quán)9任意一項(xiàng)所述的集光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集光器及光伏發(fā)電系統(tǒng)。所述集光器包括光波導(dǎo)基質(zhì)，其為折射率大于空氣折射率、具有規(guī)則形狀的光透明介質(zhì)；各向異性散射體，其為具有規(guī)則形狀、各向異性的無光學(xué)吸收納米物質(zhì)；所述各向異性散射體按照光集中方向與光波導(dǎo)傳輸方向相同的排列方式分布在所述光波導(dǎo)基質(zhì)內(nèi)部；其中，所述光集中方向?yàn)楣庹丈涞剿龈飨虍愋陨⑸潴w時(shí)，散射光的集中分布方向。利用本方案所提供的集光器，可減小光波導(dǎo)泄漏，有效提高集光效率。
文檔編號(hào)G02B6/00GK102230988SQ20111016785
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者丁建軍, 孫松, 張軍, 高琛, 鮑駿 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)