高倍太陽(yáng)能聚能透鏡的研究與產(chǎn)業(yè)化

■ 姚祖義 張平,2 洪劍麟 夏念 金小偉

(1.杭州永瑩光電有限公司；2.華中科技大學(xué)光電子工程學(xué)院)

一 引言

隨著光伏市場(chǎng)需求的激增和聚光光伏技術(shù)的迅猛發(fā)展，高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。高倍聚光太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)在大幅度降低太陽(yáng)能電站成本和迅速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。將聚光型太陽(yáng)電池(接近40%)和先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)相結(jié)合提供清潔、低成本的可持續(xù)能源，積極開展跟蹤聚光型太陽(yáng)電池模塊中高倍太陽(yáng)能聚能透鏡的研究，為實(shí)現(xiàn)高效、低成本的聚光光伏發(fā)電提供有發(fā)展前途的太陽(yáng)能聚光器件。

二 高倍太陽(yáng)能聚能透鏡的研究

1 高次非球面太陽(yáng)能聚能透鏡的應(yīng)用

利用高次非球面透鏡(副鏡)可組成卡塞格林系統(tǒng)，將聚光器與超高效太陽(yáng)電池(InGaP/InGaAs/Ge)做成密閉組件，構(gòu)成高倍太陽(yáng)能聚光器(見圖1)。附加高精度的跟蹤量，光學(xué)組件表面經(jīng)鍍膜處理，可接收全光譜段的太陽(yáng)光，太陽(yáng)能利用率大大提高，太陽(yáng)光聚光能力將是原來的200～500倍，構(gòu)成高倍光伏組件CPV，發(fā)電能力可提高幾十倍甚至幾百倍。

2 高倍太陽(yáng)能聚能透鏡的設(shè)計(jì)

(1)高倍太陽(yáng)能聚能光學(xué)系統(tǒng)

為適應(yīng)超高效能太陽(yáng)電池(InGaP/InGaAs/Ge)的應(yīng)用，根據(jù)太陽(yáng)電池的尺寸(10mm×10mm，5mm×5mm)和光伏組件的要求，用Zemax和TrancePro光學(xué)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)高倍太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)。采用卡塞格林系統(tǒng)組成光伏組件，口徑可做得較大，鍍銀反射膜，使用段波較寬，從紫外到遠(yuǎn)紅外都能達(dá)到高反射率、無色差。采用高次非球面，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，象質(zhì)優(yōu)良。太陽(yáng)能聚能透鏡口徑根據(jù)使用要求設(shè)定，非球面形根據(jù)高次非球面曲面方程表達(dá)式進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)：

(2)熱壓成型聚能透鏡的主要技術(shù)要求

熱壓成型聚能透鏡的主要技術(shù)指標(biāo)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)62108標(biāo)準(zhǔn)、美軍方檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定了“熱成型光學(xué)玻璃非球面高倍聚能器件”新產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HYG001-2009。

熱壓成型高次非球面光學(xué)玻璃太陽(yáng)能聚能透鏡的技術(shù)要求如下：

① 非球面面形精度0.1mm；

② 非球面表面質(zhì)量80/50，非球面表面劃痕和麻點(diǎn)要求(劃痕＜0.06mm，麻點(diǎn)＜0.04mm)；

③ 點(diǎn)狀缺陷(要求直徑＜0.30mm的最多允許5個(gè)；直徑0.30～0.50mm的最多允許2個(gè)；直徑＞0.50mm的不允許存在)；

④ 線狀缺陷(暗暈細(xì)痕長(zhǎng)度＜20mm的最多允許2個(gè))；

⑤ 邊緣破損(寬度＜0.30mm的最多不超過5個(gè)；寬度＞0.3mm的不允許存在)。

非球面太陽(yáng)能聚能透鏡鍍內(nèi)反射膜和保護(hù)膜，反射率＞95%(350～1700nm)，對(duì)膜層的詳細(xì)要求略。

(3)熱壓成型高倍非球面太陽(yáng)能聚能透鏡研制

采用熱壓光學(xué)玻璃成型的制作工藝，將高次非球面光學(xué)玻璃太陽(yáng)能聚能透鏡一次熱壓成型。根據(jù)熱壓成型太陽(yáng)能聚能透鏡產(chǎn)品的光學(xué)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)和研制高精度的熱壓成型模具。

高精度非球面面形模具加工采用高分辨率超精密計(jì)算機(jī)數(shù)字控制加工機(jī)床，精拋光處理，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)模具和熱壓成型產(chǎn)品的非球面面形的進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。

高次非球面光學(xué)玻璃太陽(yáng)能聚能透鏡熱壓成型模具見圖2。

三 高倍非球面太陽(yáng)能聚能透鏡(副鏡)的研制與產(chǎn)業(yè)化

1 熱壓成型高次非球面太陽(yáng)能聚能透鏡

公司自行設(shè)計(jì)、研制成功的熱壓光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡成型新設(shè)備，是集多臺(tái)非球面光學(xué)玻璃精密高溫軟化爐、熱壓成型設(shè)備和隧道式退火爐于一體的熱壓光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡成型的專用設(shè)備。將軟化的玻璃放入高精度的模具中，使用特殊材料和設(shè)計(jì)軟件解決高精度的模具設(shè)計(jì)和制造問題，解決了為獲得高精度的高次非球面光學(xué)玻璃太陽(yáng)能聚能透鏡熱壓成型件，玻璃在高溫壓型時(shí)會(huì)發(fā)生粘連在模具上的問題。

2 非球面光學(xué)玻璃精密熱壓成型工藝的3道工序

(1)加熱工序

首先將熱壓成型光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡用精密高溫軟化爐加熱到1200℃，再用200～500s對(duì)非球面太陽(yáng)能聚能透鏡光學(xué)玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，直至達(dá)到成型要求，每臺(tái)軟化爐加溫時(shí)自動(dòng)完成對(duì)光學(xué)元件光學(xué)玻璃原料的進(jìn)料、加熱、出料。

這種成型法的優(yōu)點(diǎn)是將光學(xué)玻璃軟化功能分配到成型機(jī)外的裝置中去完成，改變了過去光學(xué)玻璃軟化功能只能在成型機(jī)裝置內(nèi)進(jìn)行的做法。大大提高了熱壓成型機(jī)的工作效率。研制的太陽(yáng)能聚能透鏡精密高溫軟化爐見圖3，控制溫度偏差在±2℃之內(nèi)，能夠自動(dòng)完成對(duì)設(shè)備中電、氣、水實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)控制軟化溫度高達(dá)1200℃。

(2)成型工序

研制開發(fā)了多臺(tái)非球面光學(xué)玻璃精密高溫軟化爐、熱壓玻璃成型新設(shè)備及高溫退火爐等設(shè)備，集光、機(jī)、電、算于一體構(gòu)成熱壓光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡專用設(shè)備，將已軟化的非球面太陽(yáng)能聚能透鏡的光學(xué)玻璃原料，放至保溫的金屬模具內(nèi)(將模具預(yù)先安裝到熱壓成型機(jī)的上加熱底座盤和下加熱底座盤上，上下加熱底座盤同時(shí)加溫達(dá)到800～1000℃)，溫度范圍在300～800℃，進(jìn)行壓制成型，壓力在1～5t。根據(jù)被加工元件的材料、尺寸、重量和熔點(diǎn)的不同要求，確定該坯料支承臺(tái)的最高位置及系統(tǒng)的工作參數(shù)(包括成型和脫模)。光學(xué)玻璃高次非球面元件精密熱壓成型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)能精確地控制光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡精密熱壓成型和脫模時(shí)的準(zhǔn)確位置、速度、成型時(shí)間、壓力等工藝參數(shù)，保證熱壓成型光學(xué)零件的尺寸精度和重復(fù)精度，解決玻璃與模具的粘連問題，系統(tǒng)控制方便、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，確保光學(xué)玻璃高次非球面元件的尺寸精度、面形精度和重復(fù)精度。

(3)緩冷工序

利用隧道式退火爐，在溫度700～400℃，進(jìn)行約4h降溫、退火。退火爐包含6個(gè)區(qū)段，每段工作區(qū)長(zhǎng)1.4m，可控工作區(qū)1為載荷區(qū)和運(yùn)輸傳送帶，可控工作區(qū)2為均勻退火，可控工作區(qū)3～7為不同溫度的退火，可控工作區(qū)8為強(qiáng)風(fēng)冷卻，可控工作區(qū)9完成退火。根據(jù)特殊光學(xué)元件光學(xué)玻璃坯料的種類和要求，選擇不同的退火溫度和時(shí)間。

公司已形成年產(chǎn)熱壓成型高倍率光學(xué)非球面太陽(yáng)能聚能透鏡150萬件的生產(chǎn)規(guī)模，可顯著降低光伏發(fā)電成本。

四 熱壓成型高倍非球面太陽(yáng)能聚能透鏡

1 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定

公司依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)62108標(biāo)準(zhǔn)、美軍方檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定了“熱成型光學(xué)玻璃非球面高倍聚能器件”新產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HYG001-2009，在杭州高新區(qū)(濱江)企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)備案號(hào)為Q330108F121112-2009。公司已大批量生產(chǎn)高次非球面光學(xué)玻璃透鏡產(chǎn)品提供給蘇州東山精密制造股份有限公司(DSBJ)，DSBJ組裝后供給美國(guó)能源設(shè)備公司SOLFOCUS。為SOLFOCUS開發(fā)研制提供轉(zhuǎn)型的新一代光學(xué)玻璃成型非球面太陽(yáng)能聚能透鏡(圓形和方形熱壓)產(chǎn)品，可組成500倍聚光型太陽(yáng)能光伏組件。

2 研制成高倍非球面太陽(yáng)能聚能透鏡

研制成功的熱壓成型圓形、方形光學(xué)非球面太陽(yáng)能聚能透鏡(副鏡)見圖4、圖5。

3 測(cè)試結(jié)果

采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、依據(jù)“熱成型光學(xué)玻璃非球面高倍聚能器件”產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HYG001-2009，對(duì)模具和熱壓成型產(chǎn)品的非球面面形進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。圖6為熱壓成型方形高倍太陽(yáng)能聚能透鏡非球面面形式檢測(cè)結(jié)果，紅色曲線表示非球面透鏡在三坐標(biāo)中Z-X方向的非球面輪廓度，藍(lán)色曲線表示非球面透鏡在三坐標(biāo)Z-Y方向的非球面輪廓度。坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在非球面透鏡的最高點(diǎn)，即非球面透鏡的中心，縱軸數(shù)值表示非球面透鏡的面形誤差大小，橫軸表示非球面透鏡在三坐標(biāo)中x軸或y軸的位置，最大值為非球面透鏡的口徑。由圖6可知，方形光學(xué)非球面太陽(yáng)能聚能透鏡非球面的測(cè)試非球面輪廓曲線最大誤差在0.030mm范圍內(nèi)，符合要求。

五 結(jié)論

采用熱壓成型工藝、熱成型光學(xué)玻璃非球面高倍聚能器件專用設(shè)備、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x完成了光學(xué)非球面太陽(yáng)能聚能透鏡(副鏡)產(chǎn)品研制，積極開展高倍太陽(yáng)能聚能透鏡產(chǎn)業(yè)化的研究，為實(shí)現(xiàn)高效、低成本的聚光光伏發(fā)電提供有發(fā)展前途的太陽(yáng)能聚光器件，解決了新的聚光系統(tǒng)成本過高的問題。

研制和開發(fā)了集光、機(jī)、電一體化熱壓光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡專用設(shè)備，由多臺(tái)非球面光學(xué)玻璃精密高溫軟化爐、壓玻璃成型設(shè)備及溫退火爐設(shè)備組成。優(yōu)點(diǎn)是將光學(xué)玻璃軟化功能分配到成型機(jī)外的裝置中去完成，改變了過去光學(xué)玻璃軟化功能只能在成型機(jī)裝置內(nèi)進(jìn)行的做法。該系統(tǒng)能精確控制光學(xué)玻璃非球面太陽(yáng)能聚能透鏡精密熱壓成型和脫模時(shí)的準(zhǔn)確位置、速度、成型時(shí)間、壓力等工藝參數(shù)，保證了熱壓成型光學(xué)零件的尺寸精度和重復(fù)精度，解決了高倍非球面太陽(yáng)能聚能透鏡(副鏡)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題。

聚能透鏡和高效太陽(yáng)電池(InGaP/InGaAs/Ge)組成光伏組件，使太陽(yáng)能利用率大大提高，顯著降低了光伏發(fā)電的成本，使太陽(yáng)能發(fā)電在價(jià)格上比傳統(tǒng)發(fā)電更具競(jìng)爭(zhēng)力。

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