一种提升聚光效率的光波转换介质的设计与制造方法技术

本发明专利技术涉及太阳能聚光器的技术领域，更具体地，涉及一种提升聚光效率的光波转换介质的设计与制造方法，通过反射底部荧光层复合薄膜发射的荧光，减少从光波转换介质结构上方和侧面逃逸出的光线数量，增大光波转换介质结构汇聚到侧面的光线数量，在特定的入射角下可实现

【技术实现步骤摘要】
一种提升聚光效率的光波转换介质的设计与制造方法


[0001]本专利技术涉及太阳能聚光器的
，更具体地，涉及一种提升聚光效率的光波转换介质的设计与制造方法
。

技术介绍

[0002]太阳能聚光器是光伏发电的主要设备之一，通过反射或折射等方式，捕获大面积的太阳光并且改变光路，聚集导向小面积的太阳能电池上
。
高聚光效率的聚光器通常采用反射镜和透镜等光学元件，可以将太阳能聚焦到非常小的区域，从而提高能量密度和转换效率
。
[0003]现有技术公开了一种太阳能荧光聚光器，包括第一透明板
、
第二透明板
、
荧光纳米粒子悬浮液
、
透明板框架和光伏条，所述第一透明板
、
透明板框架和第二透明板自上而下设置，所述第一透明板
、
第二透明板和透明板框架内部设有一封闭腔体，所述荧光纳米粒子悬浮液位于所述封闭腔体内；所述第一透明板和第二透明板在水平面的投影分别为梯形，且所述第一透明板和
/
或第二透明板的第一侧面高度均大于第二侧面高度；所述光伏条的吸光面固定在所述聚光器的第一侧面；其中，所述第一侧面为所述梯形中相互平行的长边的一侧，所述第二侧面为第一侧面相对的另一侧
。
该方案通过将第一透明板和第二透明板两者均设计成梯形，并且将梯形中相互平行长度较长的边的厚度大于长度较短的边的厚度，使最终的聚光器呈现喇叭形状，采用喇叭状的聚光器，可引导荧光从喇叭状聚光器开口较大的一侧射出，只需要将光伏条设置在开口较大的一侧即可，避免了聚光器四周设置光伏条，进而避免
PCE
损耗，提高聚光器的光学效率
。
[0004]由于荧光发射的方向是随机的，当荧光材料被激发后辐射出荧光时，小部分荧光会直接离开光波转换介质，导致聚光效率降低，使得光电转换效率变低，而现有技术中并没有采取减少荧光逃逸出光波转换介质的措施，存在荧光会离开光波转换介质导致聚光效率降低的技术问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中荧光会离开光波转换介质导致聚光效率降低的不足，提供一种提升聚光效率的光波转换介质的设计与制造方法
。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1.
在多物理场数值模拟软件
COMSOL
中建立光波转换介质结构的模型，所述光波转换介质结构包含底部具有
a
形锯齿结构的第一聚合物
、
底部具有
b
形锯齿结构的第二聚合物以及荧光层复合薄膜，所述第一聚合物
、
第二聚合物以及荧光层复合薄膜的形状均为具有4个侧面的正方形，将所述第一聚合物和第二聚合物具有锯齿结构的一侧朝下且相互交错叠放，所述荧光层复合薄膜置于底部形成光波转换介质结构；
[0009]S2.
将所述光波转换介质结构的3个侧面和底面处理为镜面，在所述光波转换介质
结构的上表面和未作镜面处理的1个侧面分别设置第一射线探测器和第二射线探测器，所述第一射线探测器用于检测从光波转换介质结构上方逃逸出的光线数量
N1
，所述第二射线探测器用于检测光波转换介质结构汇聚到侧面的光线数量
N2
；
[0010]S3.
设定所述荧光层复合薄膜受激发后发出的荧光光线由所述光波转换介质结构的底部边界向上以随机方向发射，并设定荧光光线与底部边界的法线方向形成的夹角设为入射角
[0011]S4.
选择几何光学作为物理场接口，采用射线追踪法分析不同入射角对聚光效率的影响，计算出最优聚光效率下的入射角
[0012]本专利技术的一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，通过在
COMSOL
中建立光波转换介质结构的模型，将第一聚合物和第二聚合物具有锯齿结构的一侧均朝下且相互交错叠放，可以反射底部荧光层复合薄膜发射的荧光，减少从光波转换介质结构上方逃逸出的光线数量
N1
，光波转换介质结构的3个侧面和底面处理为镜面也是为了反射底部荧光层复合薄膜发射的荧光，使荧光层复合薄膜发射的所有荧光都集中在未作镜面处理的1个侧面射出，增大光波转换介质结构汇聚到侧面的光线数量
N2
，经过光波转换介质结构的光线数量即为逃逸出光波转换介质结构的光线数量与汇聚到光波转换介质结构侧面的光线数量之和
N1+N2
，光波转换介质结构对该角度入射光的聚光效率：本专利技术通过在多物理场数值模拟软件中选择几何光学作为物理场接口对光波转换介质结构进行光线反射模拟，得到实验数据入射角为
45
°
时，聚光效率的数值为
100
％，且其他不同入射角度的聚光效率均超过
80
％；本专利技术的光波转换介质结构的设计方法可以实现
100
％的聚光效率，由光波转换介质逃逸的荧光光线数量为0，最大程度提升了光电转换效率，有效解决了现有技术中荧光会离开光波转换介质导致聚光效率降低的技术问题
。
[0013]进一步地，步骤
S1
中
a
形锯齿和
b
形锯齿的锯齿角度均为
30
°
～
90
°
。
[0014]进一步地，步骤
S1
中
a
形锯齿和
b
形锯齿交叉间距为
0.5
个齿至1个齿
。
[0015]进一步地，步骤
S1
中所述第一聚合物和第二聚合物相互交错叠放的总数量为单数
。
[0016]进一步地，所述光波转换介质结构的折射率为
1.5
，空气的折射率为
1.0
，所述入射角的角度范围为0°
～
90
°
。
当光波转换介质结构的折射率等于
1.5、
空气的折射率为
1.0
时，在空气中全反射的临界角度等于
41.8
°
，在均匀发射荧光光线的理想传输条件下，荧光层复合薄膜中的
74.5
％光能够在侧面汇聚，达到聚光器的理想聚光效率的上限；本专利技术优化后光波转换介质结构的荧光光线入射角可从0°
变化至
90
°
，超越传统全反射临界角度
41.8
°
的限制，大大提高聚光效率
。
[0017]本专利技术还提供一种提升聚光效率的光波转换介质的制造方法，包括以下步骤：
[0018]一
、
制作光波转换介质结构所需的模具
[0019]模具包括玻璃板
、
第一硅胶垫和第二硅胶垫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
在多物理场数值模拟软件
COMSOL
中建立光波转换介质结构的模型，所述光波转换介质结构包含底部具有
a
形锯齿结构的第一聚合物
(1)、
底部具有
b
形锯齿结构的第二聚合物
(2)
以及荧光层复合薄膜
(3)
，所述第一聚合物
(1)、
第二聚合物
(2)
以及荧光层复合薄膜
(3)
的形状均为具有4个侧面的正方形，将所述第一聚合物
(1)
和第二聚合物
(2)
具有锯齿结构的一侧朝下且相互交错叠放，所述荧光层复合薄膜
(3)
置于底部形成光波转换介质结构；
S2.
将所述光波转换介质结构的3个侧面和底面处理为镜面，在所述光波转换介质结构的上表面和未作镜面处理的1个侧面分别设置第一射线探测器和第二射线探测器，所述第一射线探测器用于检测从光波转换介质结构上方逃逸出的光线数量
N1
，所述第二射线探测器用于检测光波转换介质结构汇聚到侧面的光线数量
N2
；
S3.
设定所述荧光层复合薄膜
(3)
受激发后发出的荧光光线由所述光波转换介质结构的底部边界向上以随机方向发射，并设定荧光光线与底部边界的法线方向形成的夹角设为入射角
S4.
选择几何光学作为物理场接口，采用射线追踪法分析不同入射角对聚光效率的影响，计算出最优聚光效率下的入射角
2.
根据权利要求1所述的一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，其特征在于：步骤
S1
中
a
形锯齿和
b
形锯齿的锯齿角度均为
30
°
～
90
°
。3.
根据权利要求1所述的一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，其特征在于：步骤
S1
中
a
形锯齿和
b
形锯齿交叉间距为
0.5
个齿至1个齿
。4.
根据权利要求1所述的一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，其特征在于：步骤
S1
中所述第一聚合物
(1)
和第二聚合物
(2)
相互交错叠放的总数量为单数
。5.
根据权利要求1所述的一种提升聚光效率的光波转换介质的设计方法，其特征在于：所述光波转换介质结构的折射率为
1.5
，空气的折射率为
1.0
，所述入射角的角度范围为0°
～
90
°
。6.
一种提升聚光效率的光波转换介质的制造方法，用于制造如权利要求1‑5任一所述的光波转换介质结构，其特征在于，包括以下步骤：一
、
制作光波转换介质结构所需的模具模具包括玻璃板
(4)、
第一硅胶垫
(5)
和第二硅胶垫
(6)
，所述第二硅胶垫
(6)
的厚度为第一硅胶垫
(5)
的厚度的一半；将所述第一硅胶垫
(5)
裁剪成“回”字形，将所述第二硅胶垫
(6)
裁剪成可嵌入“回”字形所述第一硅胶垫
(5)
内的方形，并在所述第二硅胶垫
(6)
顶面处理为
a
形或
b
形锯齿形状，锯齿的高度为所述第二硅胶垫
(6)
的厚度的一半，再将所述玻璃板
(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶龙石，孙彬，邓尧，汤均颂，钟桂生，温明富，王双喜，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：