專利名稱：科勒聚光器的制作方法
科勒聚光器相關(guān)申請的交叉引用本申請要求以米尼亞諾(Minano)及其他人的名義于2008年11月18日遞交且主題為“科勒聚光器(kohler concentrator) ”的美國臨時專利申請No. 61/115/892和2009年 6月8日遞交且主題同上的美國臨時專利申請No. 61Λ68，129，以及以貝尼特斯(Benitez) 及其他人的名義在2009年10月6日遞交且主題為“角向結(jié)合光-科勒子-聚光器”的美國臨時專利申請No. 61/115/892的權(quán)益，而且在這里將其作為整體引用。參照已一般受讓Minano及其他人的國際公開號WO 2007/016363以及已一般受讓貝尼特斯(Benitez)及其他人的國際公開號WO 2007/103994，在這里將其作為整體引用。這個申請所披露和示出的設(shè)備的各種實施方式，可以在下列一或多個美國專利、 專利申請和/或其他國家相對應(yīng)物的范圍之內(nèi)以米尼亞諾(Minano)及其他人的名義于 2003年10月觀日授權(quán)的美國專利6，639，733、以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義于 2005年5月M日授權(quán)的美國專利6，896，381、以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義于 2005年12月沈日授權(quán)的美國專利7，152，985、以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義于 2008年12月2日授權(quán)的美國專利7，460，985 ；以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義且主題為“自由形式雙凸透鏡狀光學(xué)器件及其到聚光鏡和照明燈的應(yīng)用”的WO 2007/016363、 以及貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義主題相同且2008年12月25日公開的美國 2008/0316761 ；以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義且主題為“具有均化器系統(tǒng)和耦合非成像光聚光器的多結(jié)太陽能電池”于2007年9月13日公開的WO 2007/103994 ；以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義且主題為“尤其用于太陽光電的光學(xué)聚光器”于2008年 9月18日公開的US 2008/0223443 ；以貝尼特斯(Benitez)及其他人的名義且主題為“具有均化器系統(tǒng)和耦合非成像光聚光器的多結(jié)太陽能電池”于2009年3月19日公開的US 2009/0071467。術(shù)語匯編集度接受積(Concentration-Acceptance Product，CAP)-與任意太陽能聚光架構(gòu)相關(guān)的參數(shù)。它是集度比例(concentration ratio)的平方根乘以接受角的正弦的積。一些光學(xué)架構(gòu)具有更高的CAP，從而能夠更高的集度和/或接受角。對于特定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)幾何集度被改變時，CAP幾乎是固定的，從而增加一個參數(shù)值會降低另一個。菲涅爾刻面(Fresnel Facet)-通過折射使光偏離的非連續(xù)-傾斜聚光器透鏡的元件。TIR刻面-通過完全內(nèi)部反射使光偏離的非連續(xù)-傾斜聚光器透鏡的元件?；竟鈱W(xué)元件(Primary Optical Elemet，P0E)-從太陽或其它源接收光并將其向第二光學(xué)元件集中的光學(xué)元件。第二光學(xué)元件(Secondary Optical Elemet，S0E)-從基本光學(xué)元件接收光并將其向太陽能電池或其它目標(biāo)集中的光學(xué)元件。 笛卡兒卵形線-用在成像和非成像光學(xué)元件中的曲線(嚴(yán)格上曲線族)，如果不超過一束光穿過由該曲線產(chǎn)生的表面的每點，將一簇給定光轉(zhuǎn)化為其它預(yù)定簇。所謂的泛化笛卡兒卵形線可以用于，將非球形的波陣面轉(zhuǎn)化為其它。參見參考[10]，第185頁；參考 [17]。
背景技術(shù)：
三結(jié)(Triple-junction)光電太陽能電池很昂貴，因此期望在實際中以盡可能多的聚光來操作。當(dāng)入射輻射的本地集度超越2，000 3，OOOsun時，當(dāng)前可用多結(jié)光電太陽能電池的效率將變糟?，F(xiàn)有技術(shù)的一些聚光器關(guān)于電池上的通量分布具有大量非均勻性， 以致于“熱點(hot spot)”多達(dá)9，000-11，OOOx集度且平均集度為500x，極大地限制了平均集度在經(jīng)濟上可達(dá)到的高度。千變?nèi)f化的積分器(integrator)可以降低這種熱點的幅度，然而很難對它們予以組裝，并且不適用于小電池。在非成像光學(xué)元件中存有兩個主要設(shè)計問題，并且都與此相關(guān)。第一個稱為“捆耦合(bundle-coupling)”，而且其目標(biāo)是最大化從源發(fā)射且傳送到接收機的光功率比例。第二個稱為“規(guī)定輻射度”，其目標(biāo)是使用給定的源發(fā)射，在指定目標(biāo)表面上產(chǎn)生特定光照樣式。在捆耦合中，在兩個光簇Mi和M。(分別稱為輸入簇和輸出簇)耦合中存在設(shè)計問題。這意味著作為輸入簇Mi的光束進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的任意光束，在離開時作為輸出簇M。的光束，反之亦然。因此這兩個光簇Mi和M。的成功耦合部分包含相同的光束，而且這些相同光束為相同簇M。。一般來說，簇M。= MiIM。.實際上，耦合始終是不完美的，因MMc C Mi和然而，在規(guī)定輻射度中，只是指定一個簇必須包含于另一個，Mi包含于Μ。?；诖嗽?，在Mi中但沒有包含于Μ。的任意光束被無視，從而Mi被Μ。有效地替代。在這種方式的解決方案中，施加了另外的約束條件，那就是簇Μ。應(yīng)該在目標(biāo)表面上產(chǎn)生規(guī)定輻射度。由于Μ。沒有完全被規(guī)定，由于對特定設(shè)計不便利的光束可以被有意地排除從而改進(jìn)剩下光束的耦合，這個設(shè)計問題比捆耦合的約束要小。舉例，源的周圍可以是發(fā)光之下，因此它發(fā)散出來的光束要弱于平均。如果該設(shè)計邊緣光束被選中進(jìn)入該周圍中，從而弱的周圍區(qū)域被忽略了，而且只有源區(qū)域的大量強光束被使用，整個性能可以被改進(jìn)。有效光伏聚光器(CPV)設(shè)計良好地例證了既包含捆耦合問題，又包含規(guī)定輻射度問題的設(shè)計問題。Mi包括自太陽進(jìn)入系統(tǒng)第一光學(xué)元件的所有光束。Μ。包括來自最后光學(xué)元件且到實際光伏電池(并不僅是其蓋玻璃的外部)之上的那些光束。包括在Mi中且沒有耦合入禮的光束連同其功率一起丟失。(注意在計算機光束追蹤中，如果每單位源面積具有不變數(shù)目的光束，來自于源的較少光亮部分的光束將具有較少的通量)。入射太陽光的輻照度分布必須與實際光伏電池上的規(guī)定(通常是均勻的)輻射度相一致以預(yù)防熱點。優(yōu)化這些問題，即獲取最大集度接受積以及在太陽能電池活性表面上的均勻輻照度分布，將最大化效率。當(dāng)然這是很艱巨的目標(biāo)，因此只尋找到少數(shù)特定解決方案。通過使用在經(jīng)典光學(xué)元件中為公知方法的光管勻束器(light-pipe homogenize!·)，有潛力獲得太陽能電池上的良好輻照度均勻性。請見參考[1]。當(dāng)使用光管勻束器時，太陽能電池緊附到光管的一端，光在光管壁上一些反彈之后到達(dá)電池。由于光管長度，電池上的光分布變得更加均勻。然而，為了聚光光伏設(shè)備(CPV)使用光管具有一些缺陷。第一缺陷是，在高照明角度的情形下，光管的反射表面需要與金屬化合，從而相對于磨光表面的完全內(nèi)反射的近乎完美反射性降低了光學(xué)效率。第二缺陷是，為了良好勻束性， 需要相對長的光管。然而，增加光管長度既增加其吸收，又降低了裝置的機械穩(wěn)定性。第三缺陷是，對于相對厚(小)的電池，由于從用于將電池保持到光管端的結(jié)合(典型為硅硅橡膠)的邊緣處側(cè)面光溢出，光管并不合適。即使如此，光管在CPV系統(tǒng)中被提出多次，參見參考[2]、[3]、W]、[5]、W]和[7]，其使用的光管長度遠(yuǎn)長于電池尺寸，典型的4-5倍數(shù)。用于獲取電池上良好均勻性的另一策略是科勒照明器。科勒積分可以解決或者至少減輕均勻性問題，而不用折衷接受角，也不會增加組裝難度。參照圖2，Sandia Labs在八十年代后期提出了使用科勒積分的第一光伏聚光器 (請見參考[8])，而且后續(xù)被Alpha Solarco商業(yè)化。菲涅爾透鏡21是其基本光學(xué)元件 (POE)，而且封裝光伏電池20的成像單表面透鏡22 (稱為SIL0，用于單光學(xué)表面)是其第二光學(xué)元件(SOE)。這種方式使用兩個成像光學(xué)透鏡(菲涅爾透鏡和SIL0)，其中SILO布置在菲涅爾透鏡的焦平面，SILO將菲涅爾透鏡(非均勻地被照明)成像到光伏電池。因此， 如果電池是方形的，該第一元件可以被方形調(diào)整，而不損失光學(xué)效率。針對執(zhí)行模塊中多個基本光學(xué)元件的無損棋盤形布置，這非常有吸引力。在另一方面，基本光學(xué)元件在第二表面上對陽光成像。這意味著對于通常入射光束對，太陽像25將形成在SILO的中心，并且隨著由追蹤擾動和誤差而產(chǎn)生的太陽光束在聚光器接受角范圍之內(nèi)的移動，朝著第二表面的位置25移動。因此聚光器的接受被第二光學(xué)元件的尺寸和形狀所確定。盡管電池具有簡單性和高度的照明均勻性，Sandia系統(tǒng)的特定應(yīng)用仍然局限于低集度中，這事因為它具有低的集度接受積，大約為0.3° (在300x時加或減Γ )。這是由于成像第二元件不能夠在電池上獲取高照明角度，因此即使在集度率為300χ時也為低接受角，阻止了最大集度。在另外一個之前提出的方式中使用4個光學(xué)表面，以獲取高接受角和電池上相對均勻輻射分布的光伏聚光器(見參考[9])。舉例，這個聚光器的基本光學(xué)元件(POE)應(yīng)該是一種元件，舉例，將太陽成像到第二光學(xué)元件(SOE)的孔徑(aperture)中的雙非球面成像透鏡。適于第二光學(xué)元件的是在參考[10]、[11]和[12]中所描述，由SMS設(shè)計的RX聚光器。這是一個工作在聚光器熱力學(xué)極限附近的成像元件。增加系統(tǒng)光學(xué)效率(它是關(guān)鍵優(yōu)值函數(shù))的良好策略是，通過設(shè)計聚光器光面表面具有至少一個雙重功能，舉例，在一些特定近似均勻性的寬角度照明該電池，在系統(tǒng)的少數(shù)表面上整合多功能。相比較理想的4表面情形，這承受了設(shè)計自由度的降低。因此，在尋求光學(xué)效率、接受角和電池輻射均勻性的合適綜合過程中，在選擇的幾何圖形和均勻化方法中有折衷。在折射聚光器和串聯(lián)多結(jié)電池中，色散能導(dǎo)致在電池上不同的光譜帶具有不同的空間分布，導(dǎo)致會降低效率的光電流密度不匹配，使得完全的均勻化更加可貴。有兩種方式來實現(xiàn)輻射均勻化。第一種是科勒積分器，如前所述，其中該積分過程涉及光束簇兩個維度，徑向的和子午線的。這個方式公知為2D科勒積分器。另外的策略是，僅僅在光束簇的一個維度上進(jìn)行積分，因此稱為ID科勒積分器。典型地，這些科勒積分器提供的均勻性要小于2D所提供的，但是它們易于設(shè)計和制造，因此適合于均勻性不是非常關(guān)鍵的系統(tǒng)。最近開發(fā)了一種設(shè)計方法(見參考[13]和[14])，用于計算完全自由形式的ID和2D科勒積分器，其中使用了具有均勻化光以及耦合該設(shè)計的邊緣光束簇這雙重功能的光學(xué)表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式提供了在太陽能電池上結(jié)合高幾何聚光、高接受角、高輻射統(tǒng)一性的不同光伏聚光器。在一些實施方式中，第一和第二光學(xué)元件都是雙凸透鏡狀以形成多個節(jié)(segment)。基本光學(xué)元件的節(jié)和第二光學(xué)元件的節(jié)相結(jié)合，以形成科勒積分器。多節(jié)導(dǎo)致多個科勒積分器，共同地將入射太陽光聚焦到共同目標(biāo)上，比如光伏電池上。典型地，對于不同的單獨科勒積分器，任意熱點在不同地方，而且該多個科勒積分器進(jìn)一步在目標(biāo)電池上平均多個熱點。在一些實施方式中，光學(xué)表面典型被透鏡光柵(即，多個獨立小透鏡(Ienslet)的單個表面上的排列)修改，以產(chǎn)生科勒積分。雖然被修改的光表面的光學(xué)表現(xiàn)與原始完全不同，它們宏觀上非常類似于未修改表面。這意味這可以用相同的工藝制造它們(典型的注塑模塑(plastic injection molding)或玻璃模塑(glass moulding)而且它們的生產(chǎn)花費是相同的。本發(fā)明的一個實施方式提供光學(xué)設(shè)備包括具有多個節(jié)的基本光學(xué)元件，在一個實例中數(shù)目為4 ；具有多個節(jié)的第二光學(xué)元件，在一個實例中是透鏡光學(xué)表面的4個透鏡光柵；其中基本光學(xué)元件中的每一個節(jié)與第二光學(xué)元件的相應(yīng)節(jié)，形成相應(yīng)多個科勒積分器中的一個。多個科勒積分器在位置和方位上被布置，以將光從共同源導(dǎo)向到共同目標(biāo)。該共同源處，該設(shè)備是集光器，或共同目標(biāo)處，該設(shè)備是發(fā)光體，可以在該設(shè)備外面。舉例，在太陽光伏聚光器中，該源是太陽。無論是共同源或共同目標(biāo)，另一個可以是設(shè)備的一部分或連接到它。舉例，在太陽光伏聚光器中，目標(biāo)可以是光伏電池。然而，設(shè)備的進(jìn)一步實施方式可以用于集中或校準(zhǔn)在外部共同源和外部共同目標(biāo)之間的光。


根據(jù)結(jié)合下列附圖以及以下更加特定描述，本發(fā)明的以上和其它方面、特征和優(yōu)點將變得明顯，其中圖1示出了用于計算發(fā)光科勒折射透鏡光柵對(lenticulation pair)期望形狀的設(shè)計光束。圖2示出了由Sandia Labs開發(fā)出的菲涅爾-SIL0聚光器的某些原則。圖3示出了陽光的兩鏡卡塞格倫型反射聚光器。圖4示出了使用方位角積分的四倍透鏡狀(quard-lenticularUR科勒聚光器。圖5A示出了圖4中)(R聚光器的光線圖表。圖5B是圖5A的放大詳細(xì)圖。圖6是圖4中示出的聚光器的光效率圖表。圖7是圖4所示聚光器執(zhí)行的同軸(on-axis)集光的通量圖。圖8是類似于圖7的通量圖，0.7°的循跡誤差。圖9是四倍透鏡狀RR科勒聚光器的第一和第二透鏡的透視圖。圖10A是圖9中聚光器的四個子系統(tǒng)中一個的透視圖。圖10B是圖10A的放大詳細(xì)圖。圖IlA四倍透鏡狀RR科勒聚光器的光束通道的側(cè)視圖。圖IlB是第二透鏡中該相同物的近視圖。
圖12A是四倍透鏡狀科勒聚光器的透視圖，其中該第一元件包括菲涅爾和IlR刻圖13是該相同物的透視圖，示出穿過聚光器中組件的光束通道。圖14該相同物第二光學(xué)元件的界面圖，示出菲涅爾和IlR刻面。
具體實施例方式通過參照下列對本發(fā)明實施方式的詳細(xì)描述以及闡述了運用本發(fā)明各種原則的示范性實施方式的附圖，可以獲得對本發(fā)明各種特征和優(yōu)點的更好理解。這里描述了三種類型的基本光學(xué)元件第一個包括具有多重菲涅爾刻面的雙折射光學(xué)元件；第二個為包括多重菲涅爾和IlR刻面的混合光學(xué)元件；第三個包括反射器陣列 (array)。所有這三種，大體上顯出η重對稱性，其中單個元件(菲涅爾或IlR刻面，透鏡) 具有旋轉(zhuǎn)對稱。在本發(fā)明教導(dǎo)的實施方式中，第二投射元件具有如第一元件的相同η重對稱性。這里描述了一些科勒集成太陽能聚光器。它們是最先將科勒積分器非平面陣列與聚光光學(xué)元件相結(jié)合的。雖然這里揭示的本發(fā)明實施方式具有4倍的對稱性，而本發(fā)明實施方式并不局限于這個對稱性。只要此處教導(dǎo)的原則被充分理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以應(yīng)用到其它的對稱性中(η重，其中η可以是任意大于2的數(shù))。圖1示出了透鏡光柵10，包括兩個折射離軸表面、基本光學(xué)元件(POE) 11、第二光學(xué)元件(SOE) 12以及發(fā)光電池13。最后的光科勒聚光器將是數(shù)個這種透鏡光柵對的組合， 具有用點虛線示出的共同旋轉(zhuǎn)軸14。實線15限定空間邊緣光束，虛線16限定角度邊緣光束。它們分別示出平行和收斂光束的特性。在一個實施方式中，每個光學(xué)元件透鏡光柵11， 12可以是一或多個光學(xué)表面，每個表面可以是連續(xù)的或者細(xì)分的。舉例，POEll可以是菲涅爾透鏡，一側(cè)是平的，而另外側(cè)由拱形棱鏡形成。發(fā)光科勒聚光器是具有旋轉(zhuǎn)對稱的ID科勒積分器。這使得設(shè)計過程比ID自由形式科勒積分器更加容易。另外，旋轉(zhuǎn)對稱使得針對透鏡狀形式的制作過程與其它任意非球面旋轉(zhuǎn)對稱一樣簡單。然而，該設(shè)計過程首先設(shè)計2D光學(xué)系統(tǒng)，接著采用旋轉(zhuǎn)對稱。雖然由發(fā)光科勒聚光器產(chǎn)生的輻射分布具有熱點，但是比成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的要溫和的多。如果α是系統(tǒng)接受角，α 3是太陽的角半徑，而且k是取決于電池活性面積形狀的常數(shù)(對于圓形電池，k= 1，對于方形電池，k = 4/π)，可以容易發(fā)現(xiàn)由發(fā)光科勒聚光器方式產(chǎn)生的熱點與平均光濃度的k*( α/a s)倍成比例，而由消球差設(shè)備產(chǎn)生的熱點與平均光濃度的k*(a/as)2倍成比例。舉例，如果α = 1°，α s = 1/4° (從地球看太陽的角半徑)，而且k = 1，由發(fā)光科勒聚光器方式產(chǎn)生的熱點大約是平均光濃度4倍，而由消球差設(shè)備產(chǎn)生的熱點是平均光濃度16倍。對于方形電池(k = 4/π)，相對應(yīng)的熱點為平均光濃度 5倍和20倍。發(fā)光科勒概念已經(jīng)被應(yīng)用到使用TIR-R聚光器(參見參考[15])的CPV系統(tǒng)中， 以及兩鏡卡塞格倫型反射聚光器(參見參照[16])。圖3示出了一種現(xiàn)有技術(shù)中兩鏡卡塞格倫型反射聚光器，包括雙凸透鏡狀的第一透鏡31，第二透鏡32，以及安裝在熱壑(heat sink)上的封裝太陽能電池33。凹反射器-透鏡光柵節(jié)31L將入射光束35反射為聚焦在第二透鏡32上的收斂光36，它反過來傳播跨越電池33，電池33為多結(jié)類型的Icm2電池。聚光器設(shè)計于在Cg = 650x處工作，以及士0. 9°的接受角，光效率為78%，在1200suns的電池上具有最大輻照峰值。在這種發(fā)光科勒設(shè)計中，平均集光和峰值集光可能會高，因此需要在發(fā)光科勒設(shè)計中引入進(jìn)一步的自由度，以使得輻照峰值低于2000sUns。為了在第二方向執(zhí)行積分，本申請包括帶有4個子系統(tǒng)的聚光器(具有4對稱性)，自此以下稱為節(jié)，對稱地組成整體實現(xiàn)方位角積分，而保持四個子系統(tǒng)中的每個轉(zhuǎn)動地對稱并由此保持容易制造，這是因為每個實際上都是完整旋轉(zhuǎn)對稱發(fā)光科勒系統(tǒng)的一部分，類似于圖2和圖3中那些。當(dāng)使用兩方向自由形式科勒聚光器而不是旋轉(zhuǎn)對稱時，可以產(chǎn)生更好的均束化。 可能的自由形式科勒系統(tǒng)是狀，包括第一反射器以及第二反射器。圖4示出)(R科勒聚光器 40的實施方式，包括4次分段第一透鏡41、4次分段第二透鏡42和光伏電池43。基于透鏡 41和電池43的相對尺寸，幾何集光Cg = 8(Mx是明顯的。該設(shè)計用于方形整體電池(電池邊=1)。設(shè)備尺寸因此定比到實際電池大小。用于從電池除熱的該熱方案緊隨該電池尺寸。由于透鏡42的寬度是透鏡41寬度的十分之一，透鏡41被透鏡42遮擋的只有1%。圖5A示出了類似于圖4的系統(tǒng)以及光束。用不加重線來示出聚光器50的第一透鏡51和第二透鏡，從而強調(diào)被透鏡51反射進(jìn)入聚合光束55的平行光束M。圖5B示出聚合光束陽的特寫圖，聚焦于第二透鏡52(用不加重線示出)表面上的點56，接著傳播出去以統(tǒng)一地覆蓋光電池53。第一透鏡51和第二透鏡52，每個包括成對工作的4個節(jié)。每個透鏡節(jié)將入射太陽光束聚焦到相應(yīng)的第二透鏡節(jié)，而反過來，第二透鏡節(jié)將其第一透鏡節(jié)成像到光伏電池。其上的輻射為第一透鏡節(jié)的4個像的總和，每個都是聚焦在第二光學(xué)元件(SOE)邊緣的拋物面透鏡，而且其軸方向垂直于該電池。因此，通常入射到第一透鏡51 的所有光束去往電池53。4個相同節(jié)的實際設(shè)計，開始于針對特定電池集光一些級別的需求，從而設(shè)置透鏡的尺寸。第二透鏡的尺寸，由期望接受角士 α以及選擇的透鏡焦距，以及電池的最大接受角所設(shè)置。即使與第二透鏡光學(xué)接觸，電池的高折射率通常意味著超過最大離軸接受角的光束將大部分由于反射而被浪費。取決于電池的微觀個別情況以及其與透鏡的交互，特定電池的值可以從60°到80°之間改變。為了設(shè)計單個第二透鏡節(jié)的形狀，邊緣光束在與到達(dá)太陽光束的相反方向上被發(fā)射，進(jìn)入電池接受角的所有離軸方向。接著，該透鏡為笛卡爾卵形線，將這些光束聚焦到第一透鏡的周圍。第二透鏡52是單反射表面，而且其體占據(jù)在該表面和電池53之間的整個空間，意味著它被浸入到透鏡52中。假定透鏡反射率95%，具有91%傳播的遮蓋，而且考慮第二透鏡的菲涅耳反射損失，圖4和5所示的聚光器的一個實例的結(jié)果光學(xué)效率為81 %，而且?guī)缀渭鉃?(Μχ，它達(dá)到90%的效率接受角度士 1.4°。該系統(tǒng)的集度接受積近似為0.7，針對圖2所有現(xiàn)有技術(shù)是可觀的改進(jìn)。參照圖9，科勒積分聚光器的進(jìn)一步實施方式是，RR形式的自由形式聚光器90，以及第一和第二元件是折射的。RR科勒整合聚光器的第一折射元件是四對稱性的菲涅耳透鏡 91，如圖所示具有4個透鏡節(jié)或者子透鏡(sub-len)。由于制模實用性所要求的圓形面端以及非垂直出模斜度，帶有平表面的薄菲涅耳透鏡非常近似于單折射表面，只有很小的損失。 菲涅耳透鏡91不是旋轉(zhuǎn)對稱，但是包括4個子透鏡，每一個子透鏡可以被視為對稱菲涅耳透鏡的偏心(off-centre)方形部分。在透鏡的中心這非常顯而易見，在該處透鏡90的物理肋是可見地被三葉草葉形狀化，而不是圓形的。第二透鏡也包括4個子透鏡，每個都與第一透鏡91的對應(yīng)子透鏡相對準(zhǔn)。所有的4個子透鏡對在接受角范圍之內(nèi)將太陽光束發(fā)送到電池93。對4個菲涅耳透鏡的每一個的轉(zhuǎn)動中心，通過圓心94，95，96和97在圖9中被描述。轉(zhuǎn)動軸垂直于菲涅耳透鏡的平面。圖9中的RR科勒獲得了 510x的幾何集光，接受角為士 1.47°，相對于現(xiàn)有技術(shù)這種集光水平是非常好的結(jié)果。利用f數(shù)從0. 85到1. 5，這個高接受角度可以實現(xiàn)，對于太陽能聚光器應(yīng)用這個范圍是非常有興趣的。圖6到圖8示出了圖9中設(shè)備的更詳細(xì)光學(xué)表現(xiàn)。圖6示出圖表60，橫坐標(biāo)61標(biāo)繪離軸角，縱坐標(biāo)62標(biāo)繪圖9中菲涅耳科勒的相對傳輸。點曲線63是平行于電池對角線的部分，實線64是平行于電池兩側(cè)的部分。垂直點線65對應(yīng)于1. 47°，水平點線66對應(yīng)于90%的門限。光學(xué)性能的光譜相關(guān)性(光效率、接受角和輻射分布)非常小(對于在商業(yè)可用串聯(lián)電池的最大結(jié)點的頻譜內(nèi)追蹤的多色光束，接受角降到1.43°。)電池上的輻射具有非常好的統(tǒng)一性。圖7是3D圖表70的透視圖，底部71以毫米顯示Icm2電池上的兩空間維度，縱軸72以sun為單位示出強度。輻射的高統(tǒng)一性很清楚。 在方向垂直入射(DNI)為850W/m2處，輻照峰值為450sun。這良好地低于當(dāng)前高效率串聯(lián) (tandem)太陽能電池目前1500sun的上限。圖8示出了圖表80，平面底部81以毫米顯示Icm2電池上的兩空間維度，而縱軸82 以sun為單位讀出集光。圖80示出當(dāng)聚光器具有1°的循跡誤差(tracking error)時的輻射分布。輻射峰值為635sim，對于電池性能來說還是可接受的。在圖IOA和IOB中示出了菲涅耳-R科勒設(shè)計的細(xì)節(jié)，而在圖11A，尤其是圖IlB中給出了更詳細(xì)細(xì)節(jié)(圖IOB和IlB分別是圖IOA和IlA中第二透鏡臨近的放大詳細(xì))。菲涅耳透鏡110的4個透鏡狀板101中的每一個，將入射太陽光成像到第二透鏡的4個小透鏡或節(jié)104中的相對應(yīng)一個之上。第二透鏡111的每個小透鏡104，將菲涅耳透鏡的相關(guān)方形節(jié)101成像到方形光伏電池108之上。入射到菲涅耳透鏡的每個板上的太陽光因此相當(dāng)?shù)?、均勻地散步在光伏電?08的整個延伸。分布中的任意不均勻都不大，而且由于4個節(jié)和小透鏡是離軸的，至少部分被消除，而且相對于另外被旋轉(zhuǎn)，從而任意熱點在電池的4個不同部件上被分擔(dān)。圖9到IlB示出了特定實施方式，它包括菲涅耳型透鏡作為基本光學(xué)元件，透鏡作為第二光學(xué)元件，以及光伏接收器。該光伏接收器優(yōu)選具有方形、平的活動區(qū)域，而且不失一般性可以認(rèn)為位于坐標(biāo)系中被如此定位，從而該接收器平面為ζ = 0，而且兩側(cè)平行于 x-y軸?；竟鈱W(xué)元件由4個單元(小透鏡或節(jié))組成，每個單元覆蓋χ-y坐標(biāo)的一個象限。 優(yōu)選地，這四個單元是關(guān)于χ = 0和y = 0平面的4個對稱鏡像，并由此限定區(qū)域1 > 0，y >0區(qū)域內(nèi)的單元完全界定基本光學(xué)元件。優(yōu)選地，接著第二光學(xué)元件具有相同對稱性的4 個小透鏡，第一和第二光學(xué)小透鏡之間具有一對一的對應(yīng)關(guān)系，因此它們是科勒積分對，正如在專利申請WO 2007/016363中所描述。在圖9到11中示出的特定實施方式中，區(qū)域χ > 0，y > 0內(nèi)的基本光學(xué)元件的小透鏡以及區(qū)域X > 0，y > 0內(nèi)第二光學(xué)元件的小透鏡是科勒對，而且其它三個象限也類似， 不過顯然其它的對應(yīng)關(guān)系也是可能的?；竟鈱W(xué)元件110可以是平菲涅耳型透鏡，位于與 ζ = 0平面相平行的平面之內(nèi)。在每個科勒對之中，形成P0E110—部分的第一菲涅耳節(jié)或小透鏡101區(qū)域χ > 0，y > 0等，將在該對的對應(yīng)第二光學(xué)元件小透鏡或單元104之上形成太陽的像，而第二單元將在太陽能電池上形成相關(guān)基本光學(xué)元件對的像。4個菲涅耳子透鏡中的每一個，可以具有旋轉(zhuǎn)對稱光學(xué)表面。4個旋轉(zhuǎn)對稱菲涅耳透鏡的光場分布被如此布置，從而旋轉(zhuǎn)對稱的4個軸平行，但是相互之間不一致，也不與整個光學(xué)系統(tǒng)的中心一致，導(dǎo)致在圖9中已經(jīng)示出和涉及的“三葉草葉”式樣。菲涅耳透鏡的焦平面接著接近于第二光學(xué)元件的ζ孔徑。第一光學(xué)單元的尺寸由光伏接收器的像給定，而第二光學(xué)單元的尺寸有接受多面角(也就是，由太陽占據(jù)角半徑α (角半徑α J加上由設(shè)計者所增加的公差的天空多面角) 的像所界定。這種光學(xué)排列產(chǎn)生光伏接收機的相當(dāng)統(tǒng)一的發(fā)光，因為每個第二透鏡在成像其相對應(yīng)的第一元件，相對應(yīng)的第一元件統(tǒng)一地被太陽照亮。這種統(tǒng)一發(fā)光對于太陽能電池是非常期望的。圖IlA和IlB示出來自太陽中心的平行光束113(當(dāng)它完美地被追蹤)如何將被第一透鏡Iio的4個單元聚焦到第二透鏡111的4個單元上的4個圖像之上。在圖IlB中， 第二透鏡在邊緣處的斜面為如此不能夠利用單側(cè)模型的玻璃鑄模來制造。然而，在設(shè)計階段可以設(shè)置用于鑄模的草圖角度需求。圖10示出4個方子透鏡101中的一個，每一個方子透鏡具有環(huán)繞垂直軸IOlA的圓形對稱性。軸IOlA穿過子透鏡IOlA的光學(xué)中心，而且平行于整個聚光器100的Z軸102。 透鏡101具有焦點103，在該焦點處軸IOlA與第二光學(xué)器件104相交?？商鎿Q地，該焦點可以位于玻璃之內(nèi)的更深處，更接近于線IOlA與在S0E104表面上連接子午面流道108的邊緣點的直線的相交點。在圖IOA中示出的監(jiān)和H垂直面內(nèi)關(guān)于軸102的重復(fù)90°旋轉(zhuǎn)或相對應(yīng)的反射，產(chǎn)生了其它三個節(jié)。為了便于描述，線113作為Z軸，平面111和112的示出板的底邊緣作為X和Y軸。只有X > 0，X > 0的光學(xué)單元詳細(xì)被描述，相同描述應(yīng)用到其它三個象限單元，對應(yīng)于坐標(biāo)標(biāo)示的變化。第二光學(xué)元件104也具有4個小透鏡而且其整體形狀在圖IlB中示出。在圖IOB 中示出的小透鏡具有關(guān)于所提到軸105的圓形對稱性，該軸在X = Y平面100中，而且連接菲涅耳透鏡101的邊緣點IOlP到接收機108的相對遠(yuǎn)邊緣點105A。接著，通過制造包容在X = Y平面100中的曲線109獲得該第二元件，由于笛卡爾卵形曲線將點IOlP對焦到點 105A之上，點105A可以在接收器的邊緣或它可以在一些其它點(在接收機內(nèi)或外)。為了清楚目的，只示出X = Y平面后的半個小透鏡，從而子午線產(chǎn)生曲線109作為所示半個小透鏡的表面而呈現(xiàn)。笛卡爾坐標(biāo)沿著TL和TL垂直面具有X和Y軸，而且Z軸為垂直線，從而光伏電池或其它接收機108位于XY平面內(nèi)且在以該原點為中心。在表1中，接收機108具有尺寸8. 8x8. 8。為菲涅耳透鏡101對稱軸的線IOlA平行于Z軸，在X = Y = 10. 6066處 (單元的尺寸是隨意的)。線105A的末端為形成第二光學(xué)表面的旋轉(zhuǎn)曲線109的軸，具有坐標(biāo)表 權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包含具有多個節(jié)的第一光學(xué)元件；和具有多個節(jié)的第二光學(xué)元件；其中該第一光學(xué)元件多個節(jié)中的每一個與該第二光學(xué)元件的相應(yīng)節(jié)，形成相應(yīng)多個科勒積分器中的一個；其中所述多個科勒積分器被布置，以將光從共同源導(dǎo)向到共同目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一光學(xué)元件的各節(jié)被布置，以在該共同源和共同目標(biāo)中的一個處產(chǎn)生它們的第二光學(xué)元件相應(yīng)節(jié)的實質(zhì)上重合圖像，而且其中該第二光學(xué)元件的各節(jié)被布置，以在該共同源和共同目標(biāo)中的另一個處產(chǎn)生它們的第一光學(xué)元件相應(yīng)節(jié)的實質(zhì)上重合圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中第一和第二光學(xué)元件中的一個是可操作的， 以聚集或校準(zhǔn)從該共同源到達(dá)這個元件或被這個元件導(dǎo)向到該共同目標(biāo)的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)設(shè)備，其中第一和第二光學(xué)元件是可操作的，以聚集或校準(zhǔn)從該共同源到達(dá)這些元件中一個且被這些元件中另一個導(dǎo)向到該共同目標(biāo)的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中第一和第二光學(xué)元件中較小者為電介質(zhì)元件上的折射表面，該電介質(zhì)元件從該折射表面延伸到該源或目標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一和第二光學(xué)元件中每一個，包含環(huán)繞共同軸被對稱布置的四個面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，進(jìn)一步包含中心軸，其中該共同目標(biāo)進(jìn)一步包含用于將光轉(zhuǎn)換為另外能量形式的設(shè)備，而且其中所述多個科勒積分器中的每一個被布置， 以將被校準(zhǔn)的入射光導(dǎo)向至在該共同目標(biāo)上平行于所述中心軸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)設(shè)備，其中該用于轉(zhuǎn)換能量的設(shè)備是光伏電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一光學(xué)元件是菲涅耳透鏡節(jié)的陣列，每個菲涅耳透鏡節(jié)是具有不同中心的菲涅爾透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)設(shè)備，其中每個菲涅爾透鏡節(jié)在該節(jié)內(nèi)關(guān)于中心圓形對稱，而且各節(jié)關(guān)于該第一光學(xué)元件的中心對稱布置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一光學(xué)元件是IlR透鏡節(jié)的陣列，每個 IlR透鏡節(jié)是具有不同中心的IlR透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一光學(xué)元件是鏡，其每個節(jié)是具有不同中心的凹拋物面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第二光學(xué)元件是電介質(zhì)元件，該電介質(zhì)元件具有形成在一個表面的多個節(jié)且在另一表面具有共同源或共同目標(biāo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件中的每一個，都包含圍繞該光學(xué)設(shè)備的中心軸成90°分開布置的4個節(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)設(shè)備，其中與該第一光學(xué)元件的多個節(jié)中的每一個形成科勒積分器的所述第二光學(xué)元件的相應(yīng)節(jié)，為位于該中心軸相同側(cè)的節(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)設(shè)備，其中該第二光學(xué)元件的每個節(jié)，是該中心軸相對側(cè)上、關(guān)于從第一光學(xué)元件的相關(guān)節(jié)上點到源點或目標(biāo)點的相應(yīng)對角線光線的回轉(zhuǎn)折射
17.—種包括多個基本光學(xué)元件和多個第二光學(xué)元件的光學(xué)設(shè)備，其中每個基本光學(xué)元件被布置以將共同源和共同目標(biāo)中的一個成像到相應(yīng)的第二光學(xué)元件上，而且每個第二光學(xué)元件被布置以將共同源和共同目標(biāo)中的另一個成像到該相應(yīng)的基本光學(xué)元件上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)設(shè)備，其中所述多個第二光學(xué)元件由第二透鏡的透鏡狀板形成，而且其中共同源和共同目標(biāo)中的所述另一個包含在該第二透鏡的平背面上的固態(tài)薄片。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)設(shè)備，其中所述多個基本光學(xué)元件由菲涅爾透鏡的透鏡狀板形成。
全文摘要
太陽能伏打聚光器的一個實例，具有帶多個板的第一菲涅爾透鏡，每個板與透鏡狀第二透鏡的對應(yīng)板形成科勒積分器。產(chǎn)生的多個積分器都集中太陽光到共同的光伏電池。也描述了使用類似幾何結(jié)構(gòu)的發(fā)光體。
文檔編號F24J2/08GK102282429SQ200980154626
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者亞歷山德拉·茨韋特科維奇, 巴勃羅·薩莫拉, 巴勃羅·貝尼特斯, 胡安·卡洛斯·米尼亞諾, 邁克勒·赫爾南德斯 申請人:光處方革新有限公司