高倍太阳能聚能透镜的研究与产业化

■ 姚祖义 张平,2 洪剑麟 夏念 金小伟

(1.杭州永莹光电有限公司；2.华中科技大学光电子工程学院)

一 引言

随着光伏市场需求的激增和聚光光伏技术的迅猛发展，高效、低廉、可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化。高倍聚光太阳能光伏发电技术应运而生。该技术在大幅度降低太阳能电站成本和迅速实现大规模生产方面具有很大的优势。将聚光型太阳电池(接近40%)和先进的光学技术相结合提供清洁、低成本的可持续能源，积极开展跟踪聚光型太阳电池模块中高倍太阳能聚能透镜的研究，为实现高效、低成本的聚光光伏发电提供有发展前途的太阳能聚光器件。

二 高倍太阳能聚能透镜的研究

1 高次非球面太阳能聚能透镜的应用

利用高次非球面透镜(副镜)可组成卡塞格林系统，将聚光器与超高效太阳电池(InGaP/InGaAs/Ge)做成密闭组件，构成高倍太阳能聚光器(见图1)。附加高精度的跟踪量，光学组件表面经镀膜处理，可接收全光谱段的太阳光，太阳能利用率大大提高，太阳光聚光能力将是原来的200～500倍，构成高倍光伏组件CPV，发电能力可提高几十倍甚至几百倍。

2 高倍太阳能聚能透镜的设计

(1)高倍太阳能聚能光学系统

为适应超高效能太阳电池(InGaP/InGaAs/Ge)的应用，根据太阳电池的尺寸(10mm×10mm，5mm×5mm)和光伏组件的要求，用Zemax和TrancePro光学设计程序设计高倍太阳能聚光系统。采用卡塞格林系统组成光伏组件，口径可做得较大，镀银反射膜，使用段波较宽，从紫外到远红外都能达到高反射率、无色差。采用高次非球面，光学结构简单，象质优良。太阳能聚能透镜口径根据使用要求设定，非球面形根据高次非球面曲面方程表达式进行光学设计：

(2)热压成型聚能透镜的主要技术要求

热压成型聚能透镜的主要技术指标依据国家标准、国际电工委员会(IEC)62108标准、美军方检测标准制定了“热成型光学玻璃非球面高倍聚能器件”新产品的企业标准Q/HYG001-2009。

热压成型高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜的技术要求如下：

① 非球面面形精度0.1mm；

② 非球面表面质量80/50，非球面表面划痕和麻点要求(划痕＜0.06mm，麻点＜0.04mm)；

③ 点状缺陷(要求直径＜0.30mm的最多允许5个；直径0.30～0.50mm的最多允许2个；直径＞0.50mm的不允许存在)；

④ 线状缺陷(暗晕细痕长度＜20mm的最多允许2个)；

⑤ 边缘破损(宽度＜0.30mm的最多不超过5个；宽度＞0.3mm的不允许存在)。

非球面太阳能聚能透镜镀内反射膜和保护膜，反射率＞95%(350～1700nm)，对膜层的详细要求略。

(3)热压成型高倍非球面太阳能聚能透镜研制

采用热压光学玻璃成型的制作工艺，将高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜一次热压成型。根据热压成型太阳能聚能透镜产品的光学技术要求，设计和研制高精度的热压成型模具。

高精度非球面面形模具加工采用高分辨率超精密计算机数字控制加工机床，精抛光处理，采用三坐标测量仪对模具和热压成型产品的非球面面形的进行测试与评价。

高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜热压成型模具见图2。

三 高倍非球面太阳能聚能透镜(副镜)的研制与产业化

1 热压成型高次非球面太阳能聚能透镜

公司自行设计、研制成功的热压光学玻璃非球面太阳能聚能透镜成型新设备，是集多台非球面光学玻璃精密高温软化炉、热压成型设备和隧道式退火炉于一体的热压光学玻璃非球面太阳能聚能透镜成型的专用设备。将软化的玻璃放入高精度的模具中，使用特殊材料和设计软件解决高精度的模具设计和制造问题，解决了为获得高精度的高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜热压成型件，玻璃在高温压型时会发生粘连在模具上的问题。

2 非球面光学玻璃精密热压成型工艺的3道工序

(1)加热工序

首先将热压成型光学玻璃非球面太阳能聚能透镜用精密高温软化炉加热到1200℃，再用200～500s对非球面太阳能聚能透镜光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，直至达到成型要求，每台软化炉加温时自动完成对光学元件光学玻璃原料的进料、加热、出料。

这种成型法的优点是将光学玻璃软化功能分配到成型机外的装置中去完成，改变了过去光学玻璃软化功能只能在成型机装置内进行的做法。大大提高了热压成型机的工作效率。研制的太阳能聚能透镜精密高温软化炉见图3，控制温度偏差在±2℃之内，能够自动完成对设备中电、气、水实时监控，自动控制软化温度高达1200℃。

(2)成型工序

研制开发了多台非球面光学玻璃精密高温软化炉、热压玻璃成型新设备及高温退火炉等设备，集光、机、电、算于一体构成热压光学玻璃非球面太阳能聚能透镜专用设备，将已软化的非球面太阳能聚能透镜的光学玻璃原料，放至保温的金属模具内(将模具预先安装到热压成型机的上加热底座盘和下加热底座盘上，上下加热底座盘同时加温达到800～1000℃)，温度范围在300～800℃，进行压制成型，压力在1～5t。根据被加工元件的材料、尺寸、重量和熔点的不同要求，确定该坯料支承台的最高位置及系统的工作参数(包括成型和脱模)。光学玻璃高次非球面元件精密热压成型的自动控制系统，应能精确地控制光学玻璃非球面太阳能聚能透镜精密热压成型和脱模时的准确位置、速度、成型时间、压力等工艺参数，保证热压成型光学零件的尺寸精度和重复精度，解决玻璃与模具的粘连问题，系统控制方便、响应快、稳定性好，确保光学玻璃高次非球面元件的尺寸精度、面形精度和重复精度。

(3)缓冷工序

利用隧道式退火炉，在温度700～400℃，进行约4h降温、退火。退火炉包含6个区段，每段工作区长1.4m，可控工作区1为载荷区和运输传送带，可控工作区2为均匀退火，可控工作区3～7为不同温度的退火，可控工作区8为强风冷却，可控工作区9完成退火。根据特殊光学元件光学玻璃坯料的种类和要求，选择不同的退火温度和时间。

公司已形成年产热压成型高倍率光学非球面太阳能聚能透镜150万件的生产规模，可显著降低光伏发电成本。

四 热压成型高倍非球面太阳能聚能透镜

1 产品标准的制定

公司依据国家标准、国际电工委员会(IEC)62108标准、美军方检测标准制定了“热成型光学玻璃非球面高倍聚能器件”新产品的企业标准Q/HYG001-2009，在杭州高新区(滨江)企业产品标准备案号为Q330108F121112-2009。公司已大批量生产高次非球面光学玻璃透镜产品提供给苏州东山精密制造股份有限公司(DSBJ)，DSBJ组装后供给美国能源设备公司SOLFOCUS。为SOLFOCUS开发研制提供转型的新一代光学玻璃成型非球面太阳能聚能透镜(圆形和方形热压)产品，可组成500倍聚光型太阳能光伏组件。

2 研制成高倍非球面太阳能聚能透镜

研制成功的热压成型圆形、方形光学非球面太阳能聚能透镜(副镜)见图4、图5。

3 测试结果

采用三坐标测量仪、依据“热成型光学玻璃非球面高倍聚能器件”产品的企业标准Q/HYG001-2009，对模具和热压成型产品的非球面面形进行测试与评价。图6为热压成型方形高倍太阳能聚能透镜非球面面形式检测结果，红色曲线表示非球面透镜在三坐标中Z-X方向的非球面轮廓度，蓝色曲线表示非球面透镜在三坐标Z-Y方向的非球面轮廓度。坐标系原点设在非球面透镜的最高点，即非球面透镜的中心，纵轴数值表示非球面透镜的面形误差大小，横轴表示非球面透镜在三坐标中x轴或y轴的位置，最大值为非球面透镜的口径。由图6可知，方形光学非球面太阳能聚能透镜非球面的测试非球面轮廓曲线最大误差在0.030mm范围内，符合要求。

五 结论

采用热压成型工艺、热成型光学玻璃非球面高倍聚能器件专用设备、三坐标测量仪完成了光学非球面太阳能聚能透镜(副镜)产品研制，积极开展高倍太阳能聚能透镜产业化的研究，为实现高效、低成本的聚光光伏发电提供有发展前途的太阳能聚光器件，解决了新的聚光系统成本过高的问题。

研制和开发了集光、机、电一体化热压光学玻璃非球面太阳能聚能透镜专用设备，由多台非球面光学玻璃精密高温软化炉、压玻璃成型设备及温退火炉设备组成。优点是将光学玻璃软化功能分配到成型机外的装置中去完成，改变了过去光学玻璃软化功能只能在成型机装置内进行的做法。该系统能精确控制光学玻璃非球面太阳能聚能透镜精密热压成型和脱模时的准确位置、速度、成型时间、压力等工艺参数，保证了热压成型光学零件的尺寸精度和重复精度，解决了高倍非球面太阳能聚能透镜(副镜)产业化的关键问题。

聚能透镜和高效太阳电池(InGaP/InGaAs/Ge)组成光伏组件，使太阳能利用率大大提高，显著降低了光伏发电的成本，使太阳能发电在价格上比传统发电更具竞争力。

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