高倍太陽能聚能透鏡的研究與產業化

■ 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.華中科技大學光電子工程學院)

一 引言

隨著光伏市場需求的激增和聚光光伏技術的迅猛發展，高效、低廉、可靠、穩定的聚光光伏發電系統正在逐步走向產業化。高倍聚光太陽能光伏發電技術應運而生。該技術在大幅度降低太陽能電站成本和迅速實現大規模生產方面具有很大的優勢。將聚光型太陽電池(接近40%)和先進的光學技術相結合提供清潔、低成本的可持續能源，積極開展跟蹤聚光型太陽電池模塊中高倍太陽能聚能透鏡的研究，為實現高效、低成本的聚光光伏發電提供有發展前途的太陽能聚光器件。

二 高倍太陽能聚能透鏡的研究

1 高次非球面太陽能聚能透鏡的應用

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

2 高倍太陽能聚能透鏡的設計

(1)高倍太陽能聚能光學系統

為適應超高效能太陽電池(InGaP/InGaAs/Ge)的應用，根據太陽電池的尺寸(10mm×10mm，5mm×5mm)和光伏組件的要求，用Zemax和TrancePro光學設計程序設計高倍太陽能聚光系統。采用卡塞格林系統組成光伏組件，口徑可做得較大，鍍銀反射膜，使用段波較寬，從紫外到遠紅外都能達到高反射率、無色差。采用高次非球面，光學結構簡單，象質優良。太陽能聚能透鏡口徑根據使用要求設定，非球面形根據高次非球面曲面方程表達式進行光學設計：

(2)熱壓成型聚能透鏡的主要技術要求

熱壓成型聚能透鏡的主要技術指標依據國家標準、國際電工委員會(IEC)62108標準、美軍方檢測標準制定了“熱成型光學玻璃非球面高倍聚能器件”新產品的企業標準Q/HYG001-2009。

熱壓成型高次非球面光學玻璃太陽能聚能透鏡的技術要求如下：

① 非球面面形精度0.1mm；

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

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

④ 線狀缺陷(暗暈細痕長度＜20mm的最多允許2個)；

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

非球面太陽能聚能透鏡鍍內反射膜和保護膜，反射率＞95%(350～1700nm)，對膜層的詳細要求略。

(3)熱壓成型高倍非球面太陽能聚能透鏡研制

采用熱壓光學玻璃成型的制作工藝，將高次非球面光學玻璃太陽能聚能透鏡一次熱壓成型。根據熱壓成型太陽能聚能透鏡產品的光學技術要求，設計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算機數字控制加工機床，精拋光處理，采用三坐標測量儀對模具和熱壓成型產品的非球面面形的進行測試與評價。

高次非球面光學玻璃太陽能聚能透鏡熱壓成型模具見圖2。

三 高倍非球面太陽能聚能透鏡(副鏡)的研制與產業化

1 熱壓成型高次非球面太陽能聚能透鏡

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

2 非球面光學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玻璃非球面太陽能聚能透鏡用精密高溫軟化爐加熱到1200℃，再用200～500s對非球面太陽能聚能透鏡光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，直至達到成型要求，每臺軟化爐加溫時自動完成對光學元件光學玻璃原料的進料、加熱、出料。

這種成型法的優點是將光學玻璃軟化功能分配到成型機外的裝置中去完成，改變了過去光學玻璃軟化功能只能在成型機裝置內進行的做法。大大提高了熱壓成型機的工作效率。研制的太陽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，能夠自動完成對設備中電、氣、水實時監控，自動控制軟化溫度高達1200℃。

(2)成型工序

研制開發了多臺非球面光學玻璃精密高溫軟化爐、熱壓玻璃成型新設備及高溫退火爐等設備，集光、機、電、算于一體構成熱壓光學玻璃非球面太陽能聚能透鏡專用設備，將已軟化的非球面太陽能聚能透鏡的光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內(將模具預先安裝到熱壓成型機的上加熱底座盤和下加熱底座盤上，上下加熱底座盤同時加溫達到800～1000℃)，溫度范圍在300～800℃，進行壓制成型，壓力在1～5t。根據被加工元件的材料、尺寸、重量和熔點的不同要求，確定該坯料支承臺的最高位置及系統的工作參數(包括成型和脫模)。光學玻璃高次非球面元件精密熱壓成型的自動控制系統，應能精確地控制光學玻璃非球面太陽能聚能透鏡精密熱壓成型和脫模時的準確位置、速度、成型時間、壓力等工藝參數，保證熱壓成型光學零件的尺寸精度和重復精度，解決玻璃與模具的粘連問題，系統控制方便、響應快、穩定性好，確保光學玻璃高次非球面元件的尺寸精度、面形精度和重復精度。

(3)緩冷工序

利用隧道式退火爐，在溫度700～400℃，進行約4h降溫、退火。退火爐包含6個區段，每段工作區長1.4m，可控工作區1為載荷區和運輸傳送帶，可控工作區2為均勻退火，可控工作區3～7為不同溫度的退火，可控工作區8為強風冷卻，可控工作區9完成退火。根據特殊光學元件光學玻璃坯料的種類和要求，選擇不同的退火溫度和時間。

公司已形成年產熱壓成型高倍率光學非球面太陽能聚能透鏡150萬件的生產規模，可顯著降低光伏發電成本。

四 熱壓成型高倍非球面太陽能聚能透鏡

1 產品標準的制定

公司依據國家標準、國際電工委員會(IEC)62108標準、美軍方檢測標準制定了“熱成型光學玻璃非球面高倍聚能器件”新產品的企業標準Q/HYG001-2009，在杭州高新區(濱江)企業產品標準備案號為Q330108F121112-2009。公司已大批量生產高次非球面光學玻璃透鏡產品提供給蘇州東山精密制造股份有限公司(DSBJ)，DSBJ組裝后供給美國能源設備公司SOLFOCUS。為SOLFOCUS開發研制提供轉型的新一代光學玻璃成型非球面太陽能聚能透鏡(圓形和方形熱壓)產品，可組成500倍聚光型太陽能光伏組件。

2 研制成高倍非球面太陽能聚能透鏡

研制成功的熱壓成型圓形、方形光學非球面太陽能聚能透鏡(副鏡)見圖4、圖5。

3 測試結果

采用三坐標測量儀、依據“熱成型光學玻璃非球面高倍聚能器件”產品的企業標準Q/HYG001-2009，對模具和熱壓成型產品的非球面面形進行測試與評價。圖6為熱壓成型方形高倍太陽能聚能透鏡非球面面形式檢測結果，紅色曲線表示非球面透鏡在三坐標中Z-X方向的非球面輪廓度，藍色曲線表示非球面透鏡在三坐標Z-Y方向的非球面輪廓度。坐標系原點設在非球面透鏡的最高點，即非球面透鏡的中心，縱軸數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，方形光學非球面太陽能聚能透鏡非球面的測試非球面輪廓曲線最大誤差在0.030mm范圍內，符合要求。

五 結論

采用熱壓成型工藝、熱成型光學玻璃非球面高倍聚能器件專用設備、三坐標測量儀完成了光學非球面太陽能聚能透鏡(副鏡)產品研制，積極開展高倍太陽能聚能透鏡產業化的研究，為實現高效、低成本的聚光光伏發電提供有發展前途的太陽能聚光器件，解決了新的聚光系統成本過高的問題。

研制和開發了集光、機、電一體化熱壓光學玻璃非球面太陽能聚能透鏡專用設備，由多臺非球面光學玻璃精密高溫軟化爐、壓玻璃成型設備及溫退火爐設備組成。優點是將光學玻璃軟化功能分配到成型機外的裝置中去完成，改變了過去光學玻璃軟化功能只能在成型機裝置內進行的做法。該系統能精確控制光學玻璃非球面太陽能聚能透鏡精密熱壓成型和脫模時的準確位置、速度、成型時間、壓力等工藝參數，保證了熱壓成型光學零件的尺寸精度和重復精度，解決了高倍非球面太陽能聚能透鏡(副鏡)產業化的關鍵問題。

聚能透鏡和高效太陽電池(InGaP/InGaAs/Ge)組成光伏組件，使太陽能利用率大大提高，顯著降低了光伏發電的成本，使太陽能發電在價格上比傳統發電更具競爭力。

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