聚光型太阳光发电装置用光学元件、其制造方法及聚光型太阳光发电装置制造方法
【专利摘要】本发明提供具有良好的耐候性，且耐热冲击性及耐裂性也良好的聚光型太阳光发电装置用光学元件、其制造方法及具备该光学元件的聚光型太阳光发电装置。一种聚光型太阳光发电装置用光学元件，其特征在于，由在表面具有压缩应力的玻璃材料构成。
【专利说明】聚光型太阳光发电装置用光学元件、其制造方法及聚光型太阳光发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于聚光型太阳光发电装置的光学元件、其制造方法及聚光型太阳光发电装置。
【背景技术】
[0002]目前，在聚光型太阳光发电装置中，在聚光透镜和太阳能电池单体之间设有玻璃制光学元件。玻璃制光学元件具有例如角锥台(平头角锥体)形状，发挥使由聚光透镜聚集的光在内表面全反射而传递到太阳能电池单体的作用。
[0003]聚光型太阳光发电装置主要在户外使用。因此，光学元件要求良好的耐候性。例如，专利文献I公开了在光学元件的侧面设置氟树脂制薄膜。在专利文献I中，提出了通过设置氟树脂制薄膜，来防止光学元件的表面由于水滴附着等使玻璃成分析出(溶出)而产生白浊并从此处漏出一部分光。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:(日本)特开2006 - 278581号公报
【发明内容】
[0007]发明所要解决的问题
[0008]用于聚光型太阳光发电装置的光学元件除了耐候性以外，还要求耐热冲击性及耐裂性。但是，现有光学元件的这些特性不够高是当前现状。
[0009]鉴于上述情况，本发明的目的在于，提供一种具有良好的耐候性，而且耐热冲击性及耐裂性也良好的聚光型太阳光发电装置用光学元件、其制造方法及具备该光学元件的聚光型太阳光发电装置。
[0010]用于解决问题的技术方案
[0011]本发明涉及聚光型太阳光发电装置用光学元件，其特征在于，由在表面具有压缩应力的玻璃材料构成。
[0012]构成光学兀件的玻璃材料的表面具有压缩应力，从而能够使光学兀件的机械强度及化学耐久性良好。其结果是，能够得到耐候性、耐热冲击性及耐裂性良好的光学元件。
[0013]第二，本发明的光学元件优选压缩应力为I?lOOOMPa。
[0014]第三，本发明的光学元件优选表面粗糙度以算术平均粗糙度(轮廓算术平均偏差)(Ra)计为200nm以下。
[0015]根据该结构，能够提高光学元件表面的光反射率，能够提高对太阳能电池聚光的效率。其结果是，能够提高太阳光发电装置的发电效率。
[0016]第四，本发明的光学元件优选玻璃材料在30?300°C下的平均线性热膨胀系数为120X10 —7/°C 以下。[0017]根据该结构，容易得到耐热冲击性良好的光学元件。
[0018]第五,本发明的光学兀件优选玻璃材料的维氏硬度Hv (100)为500以上。
[0019]玻璃材料的维氏硬度是表示机械强度，特别是表示伤痕、裂纹或碎片等的产生难度的指标的特性。若维氏硬度满足上述范围，则可以说光学元件的机械强度良好。
[0020]第六，本发明的光学元件优选在实施退火处理的情况下，退火前的密度C1和退火后的密度C2满足(CVC2) XlOO ( 99.9的关系。
[0021]本发明的光学元件在表面具有压缩应力。这表示在表面具有变形。因此，本发明的光学元件特别是在表面附近具有稀疏的构造，所以与表面没有压缩应力(即，没有变形)的光学元件相比，存在密度小的趋势。因此，退火前光学元件的密度C1和退火后没有变形的(除去变形后的)光学元件的密度C2的比C1ZiC2能够作为光学元件表面形成的压缩应力的程度的指标。具体而言，存在光学元件表面形成的压缩应力越大，C1ZC2的值越小的趋势。
[0022]第七，本发明的光学元件优选玻璃材料由硅酸盐类玻璃构成。
[0023]根据该结构，能够容易得到具有所述的期望特性的光学元件。
[0024]第八，本发明涉及光学元件的制造方法，用于制造上述任一光学元件，其特征在于，对规定形状的玻璃材料的表面实施风冷强化处理或化学强化处理来赋予压缩应力。
[0025]根据该结构，能够容易制作本发明的光学元件。
[0026]第九，本发明涉及聚光型太阳光发电装置，其特征在于，具备太阳能电池和对太阳能电池聚光的聚光光学系统，聚光光学系统具备上述任一光学元件。
[0027]发明效果
[0028]根据本发明，能够提供具有良好的耐候性，而且耐热冲击性及耐裂性也良好的聚光型太阳光发电装置用光学元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明的一实施方式的聚光型太阳光发电装置的概念示意图。
[0030]图2是本发明的一实施方式的光学元件的立体示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面，说明实施本发明的优选方式。需要说明的是，下述实施方式只是例示。本发明不限于任何下述实施方式。
[0032]另外，在实施方式等参照的各附图中，实质具有相同功能的部件参照相同符号。另夕卜，实施方式等参照的附图是示意性表示，附图中描绘的物体的尺寸比率等可能与现实中物体的尺寸比率等不同。在附图彼此之间，物体的尺寸比率等也可能不同。具体的物体的尺寸比率等应该参考以下说明进行判断。
[0033](聚光型太阳光发电装置)
[0034]图1是本实施方式中具备光学元件的聚光型太阳光发电装置的概念示意图。
[0035]聚光型太阳光发电装置I具备太阳能电池5和使太阳光聚集于太阳能电池5的聚光光学系统2。聚光光学系统2具有聚光部件3和光学元件4。聚光部件3使太阳光等光聚集。聚光部件3能够通过例如凸透镜或具有正的光学屈光度(power)的菲涅耳透镜等。
[0036]光学元件4配置于聚光部件3与太阳能电池5之间。由聚光部件3聚集的光从光学元件4的端面41 (参照图2)入射至光学元件4内。光学元件4将由聚光部件3聚集的光均匀化，引导到太阳能电池5的受光面50。具体而言，入射至光学元件4的光一边在光学元件4的侧面43a?43d反射而被均匀化，一边在光学元件4内传播。而且，光学元件4内传播的光从光学元件4的端面42作为均匀化后的面状光向受光面50出射。
[0037]在光学元件4的端面42以受光面50与端面42相对的方式配置有太阳能电池5。从光学元件4的端面42出射的光入射到太阳能电池5。而且，在太阳能电池5中，光能转换成电能。
[0038]另外，太阳能电池5的种类没有特别限定。太阳能电池5能够由例如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、非晶硅太阳能电池、染料敏化型太阳能电池、有机半导体太阳能电池等构成。
[0039](光学元件)
[0040]图2是本实施方式的光学元件的立体示意图。其次，参照图2说明光学元件4的具体结构。
[0041]光学元件4具有从聚光部件3侧向太阳能电池5侧变细的形状。光学元件4的表面40具有构成入光出光面的两个端面41、42和构成光反射面的侧面43a?43d。端面41、42彼此相对。侧面43a?43d将端面41、42连接。
[0042]光学兀件4由玻璃材料构成。构成光学兀件4的玻璃材料优选含有碱性成分。由此，如下所述，玻璃材料表面容易形成压缩应力。作为碱性成分，可以举出:锂、钠、钾、铯等。
[0043]玻璃材料优选硅酸盐类玻璃。具体而言，优选玻璃材料含有:例如，SiO2:40?85质量％ ；A1203:0?30质量％ ；B203:0?30质量％ ；CaO:0?20质量％ ；MgO:0?20质量％ ；ZnO:0 ?20 质量 ％ ；BaO:0 ?20 质量 ％ ；Na20:0 ?20 质量 ％ ；K20:0 ?20 质量 ％ ；Li20:0 ?20质量％ ；Ti02:0?10质量％ ；Zr02:0?20质量％ ；Sb2O3:0?I质量％及SrO:0?20质量％。
[0044]另外，在本发明中，硅酸盐类玻璃包括硼硅酸盐类玻璃。
[0045]玻璃材料在30?300°C的温度范围内的平均线性热膨胀系数优选120X 10 — 7/°C以下，特别优选100X10 —7/°c以下。这是因为:若玻璃材料的平均线性热膨胀系数过大，则容易因热冲击(温度急增)而使玻璃材料产生裂纹。
[0046]玻璃材料的波长400nm的内部透射率优选80%/10mm以上、85%/10mm以上，特别优选 87.5%/10mm。
[0047]表面40的表面粗糙度以JISB0601规定的算术表面粗糙度(Ra)计，一般为200nm以下、IOOnm以下、50nm以下、20nm以下,特别优选IOnm以下。由此,表面40的光正反射的
比例变高，能够抑制光向光学元件4外部泄漏，提高光反射率。因此，能够提高向太阳能电池5聚光的效率。其结果是，能够进一步提高太阳光发电装置I的发电效率。作为用于得到上述表面粗糙度的方法，可以举出机械抛光及火焰抛光。特别是通过采用火焰抛光，能够容易实现更小的表面粗糙度，并且能够提高光学元件4的耐候性。
[0048]另外，优选光学元件4的棱线部及角部的R倒角部分的表面粗糙度也与表面同样。
[0049]在端面41、42也可以形成有防反射膜。由此，在由聚光部件3聚集的太阳光入射至光学元件4时，或透射光学元件4的太阳光入射至太阳能电池5时，能够减少光的反射损失。作为防反射膜，可以举出:例如，电介质多层膜及硅膜等。或者，通过对端面41、42实施蚀刻处理来形成富硅层，也能够赋予防反射功能。形成硅膜或通过蚀刻形成富硅层的方法与形成电介质多层膜的方法相比，成本低，因此，能够实现成本的降低。另外，硅膜除了作为防反射膜的功能以外，还具有抑制玻璃材料中含有的碱性成分析出，提高耐候性的作用。另夕卜，通过在硅膜中分散例如钛微粒等，能够抑制紫外线的透射。由此，例如，在端面42和太阳能电池5的受光面50之间使用硅等树脂粘接材料时，能够抑制紫外线引起的该树脂粘接材料的老化。
[0050]另外,在侧面43a?43d也可以设有Ag、Al、N1、Cr等反射膜。由此,能够进一步提高侧面43a?43d的光反射率。还可以对侧面或上表面、底面实施提高耐侯性的拨水性或亲水性处理。
[0051]对构成光学兀件4的玻璃材料的表面赋予压缩应力。
[0052]玻璃材料的表面40的压缩应力优选I?lOOOMPa，更优选5?900MPa，进一步优选10?800MPa，特别优选10?700MPa。另外，玻璃材料的表面40的压缩应力优选50MPa以上，更优选IOOMPa以上。若玻璃材料的表面40的压缩应力过小，则存在耐热冲击性及耐裂性变差的趋势。另一方面，若玻璃材料的表面40的压缩应力过大，则容易因应力集中而产生裂纹。
[0053]玻璃材料的耐热冲击性优选50°C以上，特别优选60°C以上。若耐热冲击性过低，则户外使用时容易产生裂纹，可能导致发电效率降低。另外，耐热冲击性是指通过下述实施例记载的方法测量得到的值。
[0054]玻璃材料的表面40的维氏硬度Hv (100)优选500以上，特别优选550以上。若维氏硬度过小，则抗裂性降低，容易产生裂纹，可能导致发电效率降低。
[0055]玻璃材料的表面40的抗裂性优选150g以上，特别优选200g以上。若抗裂性过小，则容易产生裂纹，可能导致发电效率降低。另外，抗裂性是指通过下述实施例所记载的方法测量得到的值。
[0056]玻璃材料在实施退火处理的情况下，退火前的密度C1和退火后的密度C2优选满足((Vc2) XlOO ( 99.9 (%)的关系，更优选满足(CVC2) XlOO ( 99.8 (%)的关系，特别优选满足(C1ZiC2)X 100 <99.7 (%)的关系。如上所述，存在光学元件表面形成的压缩应力越大，C1ZiC2的值越小的趋势。
[0057]另外，根据本发明人等的见解可知:当玻璃材料在表面具有压缩应力时，能够提高光取出效率，还能够提高太阳能电池的发电效率。这是因为:表面形成有压缩应力的玻璃材料具有表层部分比较稀疏，折射率低，且从玻璃材料表面向内部逐渐变密，折射率逐渐变高的结构，因此，在玻璃材料的表层部分，光容易发生反射，陷光效果高。
[0058]下面，说明光学元件4的制造方法的一例。
[0059](光学元件的制造方法)
[0060]首先，准备规定形状的玻璃材料。玻璃材料可通过如下方法制作:例如，对熔融玻璃进行直接压制成型，或对预成型玻璃进行二次压制成型的方法、或对预成型玻璃进行研磨的方法。
[0061]然后，通过对玻璃材料的表面40赋予压缩应力来得到光学元件4。
[0062]对玻璃材料的表面40赋予压缩应力的方法没有特别限定。可以举出:例如，在将熔融玻璃成形后进行急速冷却的方法(风冷强化处理)，或通过离子交换进行的化学强化处理等。
[0063]作为风冷强化处理的具体例子，可以举出:对玻璃材料在玻璃化转变温度附近的温度下进行退火后，从玻璃退火点附近到室温以10°c /min以上的速度进行冷却处理(例如，在室温中进行自然冷却)的方法。另外，也可以在玻璃软化点附近的温度下通过火焰抛光对玻璃材料进行镜面加工处理后，从玻璃软化点附近到室温以10°C /分以上的速度进行冷却处理。
[0064]作为化学强化处理的具体例子，可以举出:将玻璃材料在低于玻璃化转变温度的温度下浸溃于碱性溶液中，使玻璃材料表面的碱性离子和碱性溶液中的碱性离子进行置换的方法。
[0065]如以上说明所述，通过对玻璃材料的表面40赋予压缩应力来制作光学元件4。由此，能够得到耐热冲击性及耐裂性良好的光学元件4。其理由认为是:由于对光学元件4的表面40赋予的压缩应力，从而在玻璃表面难以产生伤痕，其结果是，能够抑制耐热冲击性及耐裂性降低。另外，通过事先赋予压缩应力，能够缓和从外部受到冲击时产生的玻璃材料的表面与内部的应力差，这也是理由之一。特别是构成光学元件4的玻璃材料含有碱性成分的情况下，平均线性热膨胀系数比较容易变大，容易形成压缩应力，因此，对于来自外部的冲击的抗裂效果更显著。另外，在玻璃材料的耐侯性良好的情况下，引起裂纹的基点(起点)难以产生，因此，存在耐热冲击性及耐裂性也提高的趋势。
[0066]另外，对光学元件4的表面40赋予压缩应力的工序优选在通过机械抛光或火焰抛光调节到规定的表面粗糙度后进行。这是因为:若在对表面40赋予压缩应力后，产生由抛光引起的伤痕，则应力集中于伤痕位置，容易产生裂纹。
[0067]另外，在本实施方式中，说明了光学元件4为角锥台形状的情况，本发明不限于该结构。在本发明中，光学元件只要具有能够向太阳能电池聚光的形状即可，没有特别限定。另外，端面也可以不是平面状，可以是凸状或凹状。
[0068]实施例
[0069]下面，根据具体实施例，进一步详细说明本发明。本发明不限于任何下述实施例。能够在不改变本发明主旨的范围内适当进行变更后实施。
[0070](实施例1)
[0071 ] 调整玻璃原料，使玻璃组分以质量％计为:Si0270% ；Ca07% ；Ba02% ；Zn03% ；Na2012% ；K205% ；Ti020.5% ；Sb2030.5%。将这些原料放入白金坩埚，使熔融玻璃的深度为50mm，在1450?1650°C下熔融5小时，得到熔融玻璃。将熔融玻璃浇注到耐热模具中，进行压制成型后，一边以1°C /分的速度进行退火，一边冷却至室温，再对整个面进行机械抛光，从而得到玻璃材料。得到的玻璃材料具有一个端面为一边IOmm左右的正方形，另一个端面为一边5mm左右的正方形，高度为20mm左右的角锥台形状。该玻璃材料在30?300°C下的平均线性热膨胀系数为97X 10 —7/°C，算术表面粗糙度(Ra)为2nm。另外，玻璃退火点(Ta)为 540 0C ο
[0072]对得到的玻璃材料实施表面强化处理，由此得到光学元件。具体而言，将玻璃材料在电炉中400 C下保持4小时后，从电炉中取出，在室温中自然冷却，对表面赋予压缩应力，从而得到光学元件。
[0073]对于得到的光学元件，测量并评价维氏硬度、抗裂性、耐热冲击性及耐候性。结果如表1所示。
[0074]另外，各特性的测量及评价如下进行。
[0075][平均线性热膨胀系数]
[0076]使用热膨胀测量装置(dilato meter)在30~380°C的温度范围中进行测量。
[0077][算术表面粗糙度(Ra)]
[0078]使用小坂研究所制ET4000AK进行测量。
[0079][表面压缩应力]
[0080]使用表面应力计(株式会社LUCEO制造FMS-6000)进行测量。
[0081][维氏硬度]
[0082]在温度保持在25 °C，湿度保持在50%的室内，使用硬度试验装置(松泽精机制MXT50)进行测量。具体而言，用四角锥压头以100gf的载荷按压玻璃表面15秒钟，通过此时玻璃表面形成的正方形压痕的对角线长度进行评价。
[0083][抗裂性]
[0084]在温度保持在25 °C，湿度保持在30%的室内，使用硬度试验装置(松泽精机制MXT50)进行测量。具体而言，用四角锥压头以50gf、100gf、500gf、1000gf的各载荷按压玻璃表面15秒钟，玻璃表面形成正方形压痕。此时，测量压痕的各顶点中的产生了裂纹的顶点的数量(O~4)。对于各载荷，分别进行20次按压试验，通过(产生裂纹的顶点的数量的总数)/80，计算裂纹产生率，并进行图表。在得到的图表中，求解裂纹产生率为50%的载荷。
[0085][耐热冲击性]
[0086]将在电炉内加热至多种温度的光学元件浸溃于水中，根据裂纹产生时电炉温度与水温的温差进行评价。可以说该温差越大，耐热冲击性越好。
[0087][耐候性]
[0088]将光学元件在85 °C，相对湿度85%的恒温恒湿槽中放置2000小时后，用显微镜观察有无表面白浊。表面没有白浊或析出物的情况下评价为“〇”，有白浊或表面析出物的情况下评价为“ X ”。
[0089](实施例2)
[0090]通过与实施例1同样的方法得到玻璃材料。对得到的玻璃材料实施表面强化处理，从而得到光学元件。具体而言，将玻璃材料在电炉中600°C下保持10分钟后，从电炉中取出，在室温中进行自然冷却，对表面赋予压缩应力，从而得到光学元件。对于得到的光学元件的各特性，与实施例1同样地进行测量。结果如表1所示。
[0091](比较例I)
[0092]除了未实施表面强化处理以外，与实施例1同样地得到光学元件。对于得到的光学元件，与实施例1同样地进行各特性的测量。结果如表1所示。
[0093][表 I]
[0094]
【权利要求】
1.一种聚光型太阳光发电装置用光学元件，其特征在于: 由在表面具有压缩应力的玻璃材料构成。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于: 压缩应力为I?lOOOMPa。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于: 表面粗糙度以算术平均粗糙度(Ra)计为200nm以下。
4.如权利要求1?3中任一项所述的光学兀件,其特征在于: 玻璃材料在30?300°C下的平均线性热膨胀系数为120X10 —7/°C以下。
5.如权利要求1?4中任一项所述的光学兀件,其特征在于: 玻璃材料的维氏硬度Hv (100)为500以上。
6.如权利要求1?5中任一项所述的光学兀件,其特征在于: 在实施退火处理的情况下，退火前的密度C1和退火后的密度C2满足(C1 /C2) XlOO ( 99.9 的关系。
7.如权利要求1?6中任一项所述的光学兀件,其特征在于: 玻璃材料包含硅酸盐类玻璃。
8.一种光学元件的制造方法，其用于制造权利要求1至7中任一项所述的光学元件，该光学元件的制造方法的特征在于: 对规定形状的玻璃材料的表面实施风冷强化处理或化学强化处理来赋予压缩应力。
9.一种聚光型太阳光发电装置，其特征在于: 具备太阳能电池和对太阳能电池聚光的聚光光学系统， 聚光光学系统具备权利要求1?7中任一项所述的光学元件。
【文档编号】G02B5/08GK103765610SQ201280043334
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年10月22日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】俣野高宏, 佐藤史雄 申请人:日本电气硝子株式会社