[发明专利]一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，更具体而言，涉及一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统。

背景技术

近年来，全球范围内的能源紧缺和生态环境问题让人们把更多的目光转移到洁净、可再生能源的开发和利用上。太阳能是一种储量丰富且可持续利用的洁净能源，因而如何高效利用太阳能成为各国政府和科学家热切关注的问题。目前人们利用太阳能的方式主要有太阳能发电、光热利用、光化学和光生物利用等，其中，利用半导体材料的光生伏特效应而产生电能的太阳能光伏电池是学术界和工业界讨论的热点，被认为是解决能源问题的最有前景的途径之一。

从太阳能光伏电池的发展历程来看，太阳能利用效率的提高主要归功于半导体工艺的改进和聚光光学系统的优化设计。聚光光学系统决定了太阳光的收集效率和光电池所接受的有效光能。根据光伏电池的空间排列方式，聚光系统分为两种：电池横向排列所对应的光谱分束的聚光系统，即利用聚光器件的色散将不同谱段的光聚焦在吸收波段与之相匹配的电池上，以提高吸收效率；电池纵向排列所对应的单纯聚焦的聚光系统。电池纵向排列的聚光系统在设计时必须考虑因电池串联而产生的电流匹配问题（极大地限制了电池的效率），而横向排列的电池却不必考虑这种问题，只要将太能光谱高效地分束就能提高太阳能利用率，所以本发明所针对的就是光谱分束的聚光系统。

目前，已报道的光谱分束聚光光学系统大多基于折、反射原理对太阳光谱中的不同谱段的光进行分束，然后由不同的光伏电池对各个谱段的光分别加以吸收。这样的光学系统往往造价昂贵、分束效果差、体积大而难以集成且受天气变化的影响很大，极大地制约了太阳能的商业推广。针对上述问题，我们在本发明中，提出利用衍射光学元件来实现高效率利用太阳能的方法。由于衍射光学元件独特的色散特性和灵活设计自由度，用它代替折、反射光学元件对太阳光进行分光谱，在太阳能利用率、分束效果、经济效益等方面均有很大的改善和提高。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于衍射光学元件、针对非单色光的聚光光学系统，该光学系统能够将不同波长的光在目标面上会聚到不同位置处，并且会聚的光斑形状可以根据实际需要而加以控制。所述光学系统能够用于太阳能聚焦系统，在很大程度上提高太阳能利用率。

为了达成上述目的，本发明提供了一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，包括：一衍射光学元件和一聚焦透镜；所述衍射光学元件用于光谱分束和能量探测面上光斑形状控制，所述聚焦透镜用于会聚光束和提供相应的色散；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制。

其中，所述分光谱衍射光学元件是纯位相型的衍射光学元件，且该衍射光学元件具有两台阶分布的位相（即二元型位相）、多台阶分布的位相或者连续型分布的位相。

其中，所述分光谱衍射光学元件的照明光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或其他非单色光源。

其中，所述分光谱衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态可以是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形以及其他不规则形状。

其中，所述分光谱衍射光学元件的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯。

其中，所述聚焦透镜是凸透镜，且该凸透镜是双凸型透镜或平凸型透镜。

其中，所述聚焦透镜的后表面与所述能量探测面之间的间距是所述聚焦透镜的焦距的0.5~1.5倍；所述衍射光学元件和所述聚焦透镜前表面之间的距离为0.1~50毫米。

另外本发明提供一种用于太阳能聚光的分光谱衍射光学系统，即一折衍射光学元件，所述折衍射光学元件是由一个平面表面带有衍射光学元件的平凸透镜；太阳光照射该分光谱衍射光学系统时，不同谱段的光将被会聚到能量探测面的不同位置，而且光斑形态能够根据实际需要而加以任意控制。

其中，所述折衍射光学元件是直接在平凸透镜上加工的。

其中，所述折衍射光学元件的浮雕结构是两台阶分布的、多台阶分布的或连续分布的。

其中，照明所述折衍射光学元件的光源是太阳光、辐射白光的发光二极管或非单色光源。

其中，所述折衍射光学元件能够将不同谱段的光会聚到所述能量探测面上的不同位置，且在能量探测面上每个谱段的光斑形态是线形、矩形、正方形、圆形、正多边形、星形以及其他不规则形状。