專利名稱：薄斷面太陽能集中器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能，并且具體地涉及太陽能的收集。更具體地，本發(fā)明涉及用于收 集和轉(zhuǎn)換太陽能的機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是薄斷面(low profile)太陽能聚集器(solar collector)。該聚集器可 以具有多個會聚透鏡，其在柔性板上緊密地結(jié)合在一起形成陣列。透鏡可以把光聚焦到諸 如光波導(dǎo)之類的光傳送機構(gòu)上，該光傳送機構(gòu)把光從聚集器透鏡傳送到板邊緣處的一個或 多個光-電轉(zhuǎn)換器(諸如光伏電池或太陽能電池)。這些透鏡可以可選擇地把光聚焦到 光-電轉(zhuǎn)換器上。導(dǎo)體可以把電從光-電轉(zhuǎn)換器傳送到板邊緣處的電連接塊。柔性板可以 是卷的、折疊的或者適配到非平面表面上的形式。具有多個會聚透鏡的兩個或多個薄斷面 太陽能集中器(solar concentrator)可以被組合以形成更大的太陽能聚集板。


圖1是具有會聚透鏡陣列的太陽能聚集器板的說明性示例的圖示；圖2是圖1中的聚集器板的組件的圖示；圖3是具有六邊形形狀的聚集器透鏡的陣列的圖示；圖4是六邊形形狀的示例聚集器的圖示；圖5是具有方形聚集器透鏡的示例陣列的圖示，該方形聚集器透鏡具有與用于圖 1中的聚集器板的光聚集與轉(zhuǎn)換配置不同的光聚集和轉(zhuǎn)換配置；圖6是指示圖5中所示的陣列的每個透鏡及其相關(guān)組件的各方面的圖示；以及圖7是被放置在一起以形成更大的光聚集板的多個光聚集器模塊或板的圖示。
具體實施例方式在大規(guī)模的太陽能光伏(PV，Photovoltaic)功率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)方式中使用的許多 當(dāng)前太陽能集中器結(jié)構(gòu)可以使用在若干英寸到英尺或米的量級的巨型光學(xué)設(shè)備(bulk optics)上。雖然也許可能在便攜式尺度上使太陽能集中器結(jié)構(gòu)微型化，但是形狀可能以典型 的龐大容積測定形式，即典型地可能包含類似的厚度和橫向尺寸。不容易的或不明顯的是 把太陽能集中器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在大面積板中，或者實現(xiàn)成易于攜帶包或具有柔性形狀因素。本方案可以涉及在光學(xué)域中創(chuàng)建太陽光聚集系統(tǒng)。該系統(tǒng)不增加厚度且不顯著增 大PV(光伏)電池(光-電轉(zhuǎn)換裝置)的大小的情況下可以被橫向縮放。最終結(jié)果是構(gòu)思
4“板”形式的太陽能集中器，其可以是柔性的、輕質(zhì)的且堅固耐用的，并且可以大面積地聚集 光，并且把聚集的光“折疊”在聚集器“板”內(nèi)(例如折疊到邊緣)且強度增加，然后使用在 聚集器板的邊緣(例如側(cè)桿)處的窄條帶的太陽能PV電池(減小系統(tǒng)總成本)把光轉(zhuǎn)換 成電功率。本方案可以具有獨特的結(jié)構(gòu)特征。其可以具有以輕質(zhì)塑料(具有到焦點12的小 焦距h 52)實現(xiàn)的低f#(例如< 1)但較小大小的會聚透鏡(直徑D 51在 mm范圍內(nèi)，例 如大小為10到30mm)。對于薄斷面而言，其可以具有“h < D”。對于薄斷面(圖1中透鏡 11到點12的焦距)，可以存在與高NA(例如數(shù)值孔徑> 0. 5)波導(dǎo)(玻璃或塑料)耦合以從 側(cè)邊“用管道輸送”光的透鏡?？梢源嬖诮诲e的2D透鏡陣列以及ID波導(dǎo)(WG，waveguide) 陣列以形成帶有相對大面積但具有總體小斷面的光聚集器“板”。光輸出可以被集中到該板 的側(cè)面并且被耦合到窄條帶的高效(其可以是晶體)太陽能電池。光學(xué)聚集器板可以使用柔性、堅固耐用且未電連接(即非傳導(dǎo))的輕質(zhì)光學(xué)材料 來實現(xiàn)。能量轉(zhuǎn)換可以在板邊緣處的狹窄區(qū)域內(nèi)發(fā)生，并且使得對昂貴晶體半導(dǎo)體(例如 多結(jié)的Si、Ge、GaAs、InGaP或其組合)太陽能電池的使用最小化。聚集器板49可以具有位于會聚透鏡41的焦斑12附近的太陽能電池47并且具有 從電池延伸到板邊緣的電線(圖5和圖6)。這些電線可以以期望的配置進行連接以用于電 功率輸出。圖1是太陽能聚集器板的說明性示例10的圖示?？梢源嬖诰奂魍哥R11陣列， 其可以分別聚集光并且把光聚焦于在光傳送機構(gòu)13的端部17處的點12，所述光傳送機構(gòu) 13可以是諸如光纖之類的光波導(dǎo)。透鏡可以被緊密地結(jié)合在一起以使得透鏡的邊緣接觸 其它透鏡的邊緣。光傳送機構(gòu)可以把光提供到條帶14，該條帶14可以包含一個太陽能電 池或多個太陽能電池以便對光進行收集以供在輸出15處轉(zhuǎn)換成電功率。如果存在多個接 收光以供轉(zhuǎn)換的太陽能電池而不是一個，則這些電池可以以一種配置進行互連以在輸出15 處提供一定些幅度的特定輸出，諸如電壓。一個或多個太陽能電池14可以由塊或支撐結(jié)構(gòu) 16支撐。塊16也可以提供用于對這些電池進行電互連的地方。圖2是圖1中的聚集器板10的陣列的組件的圖示。光波導(dǎo)13可以是矩形的或圓 形的。波導(dǎo)13可以具有某其它形狀。光21可以射到聚集器透鏡11，該聚集器透鏡11可以 把光21聚焦成光22并且在焦點12處耦合到波導(dǎo)中至導(dǎo)向端部17。端部17可以把光22 反射成沿波導(dǎo)13的光23。光23可以行進到波導(dǎo)13的另一端部18。端部18可以把光23 反射成光24到太陽能電池14。端部17可以以相對于波導(dǎo)13的伸長部分的大約45左右 程度的角度被切割。在透鏡11的光軸19處的光22可以以相對于光軸19的大約90度左 右被反射。波導(dǎo)13的端部17的表面可以施加或不施加反射涂層。光23可以近似沿著光 軸25行進，該光軸25可以包含波導(dǎo)的中心或光纖的芯層。光23在其射到端部18時可以 被端部18的表面以相對于光軸25的大約90度左右朝太陽能電池14反射。端部18可以 以相對于波導(dǎo)13的伸長部分的大約45左右程度的角度被切割。波導(dǎo)13的端部18的表面 可以施加或不施加反射涂層。透鏡11可以是菲涅耳透鏡或者凸透鏡，其具有等于距離“h”52的至點12的焦距 以及“D”51的光學(xué)直徑。透鏡11可以具有薄斷面，因為“h<D”?？梢源嬖趯⒔咕鄅 52 維持恒定值的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)26可以以維持h的恒定值的方式保持透鏡11和光纖的端部17。同時，結(jié)構(gòu)26和波導(dǎo)13在不影響h值以及光22、23和24的路徑的情況下可以是撓性的。 透鏡11和光纖14的端部17之間的容積27可以包含空氣或真空?；蛘呷莘e27可以被填 充有光傳輸媒介。容積28可以被填充或未被填充有撓性材料。容積29可以是撓性材料。 撓性材料和結(jié)構(gòu)26允許陣列10在放置在非平坦表面上的情況下彎曲或者被折疊或卷起。聚集器透鏡不需要像透鏡11那樣為方形的。聚集器透鏡可以是圓形的、三角形的 或者任何其它形狀。圖3是具有六邊形形狀的聚集器透鏡31的陣列20的圖示。圖4是六 邊形形狀的示例聚集器的圖示。光傳送機構(gòu)不需要是帶有端部17的波導(dǎo)13，其把光22從聚集器透鏡反射經(jīng)過波 導(dǎo)13并且在端部18再把光23反射到太陽能電池14。光傳送機構(gòu)可以把光直接接收到例 如波導(dǎo)33(諸如光纖)中而與反射端部無關(guān)。光22可以被聚焦到端部37，該端部37具有 與波導(dǎo)33的軸35垂直的表面。光23可以近似沿著波導(dǎo)23的芯層或中心光軸沿波導(dǎo)33 傳播到端部30并經(jīng)過端部38直接到太陽能電池14。對于本方案的這種配置不要求任何端 部反射。即使這種配置與圖3的陣列20相關(guān)聯(lián)，其也可以用圖1中的陣列10來實現(xiàn)。透鏡31和波導(dǎo)33的端部37可以在結(jié)構(gòu)上用結(jié)構(gòu)36予以支撐。h即透鏡31的焦 距的值以及在波導(dǎo)33的端部37處的光22的相應(yīng)焦點可以由結(jié)構(gòu)36維持。結(jié)構(gòu)26和波 導(dǎo)33在不影響透鏡31和端部37彼此相對的位置的情況下仍然可以是撓性的。陣列20的 聚集器透鏡31和其它透鏡31連同波導(dǎo)33和結(jié)構(gòu)36 —起可以用撓性材料39而保持在一 起。除了聚集器透鏡31的光進入表面之外，在一種方案中陣列的組件可以用材料39進行 罐裝(potted)。一個或多個太陽能電池14可以由材料39封閉或部分封閉或不封閉。整個 陣列20及其組件可以像柔性板，其可以被折疊、卷起或展開以適應(yīng)非平坦表面。這種方案 可以可應(yīng)用于帶有具有其它形狀的聚集器透鏡的其它配置。圖5是具有方形聚集器透鏡31的另一陣列30的圖示，該方形聚集器透鏡像圖1中 的陣列10的那些透鏡一樣。然而，陣列30的光聚集與轉(zhuǎn)換配置是不同的。然而，這種配置 可以可應(yīng)用于具有各種類型的配置透鏡形狀的陣列。圖6是指示每個透鏡41及其相關(guān)組 件的各方面的圖示。光21可以進入聚集器透鏡41并且由透鏡聚焦成光22到太陽能電池 47上。電功率可以經(jīng)由導(dǎo)體43被傳送到連接塊44到達該快的終端。導(dǎo)體43可以以能夠 提供期望輸出的配置與其它導(dǎo)體43進行互連。聚集器透鏡41和太陽能電池47的感測表 面之間的焦距h可以用結(jié)構(gòu)46保持在適當(dāng)位置。除了聚集器透鏡41的光進入表面之外， 在一種方案中陣列30的結(jié)構(gòu)26以及對應(yīng)的導(dǎo)體43可以用撓性材料49進行罐裝。結(jié)構(gòu)26 以及導(dǎo)體43可以由材料49封閉或部分封閉或不封閉。整個陣列30及其組件可以像柔性 板，其可以被折疊、卷起或展開以適應(yīng)非平坦表面。這種方案可以可應(yīng)用于帶有具有其它形 狀的聚集器透鏡的其它配置。連接塊44可能或可能不被包括在材料49中。獲得了如下可能性將多個聚集器板用作模塊構(gòu)建塊(其中塊可以具有有限大小 并且陣列單元數(shù)目可能受限于透鏡面積與波導(dǎo)的橫截面面積之比)以構(gòu)造更大的太陽能 聚集板。在圖7中示出了示例，圖7是聚集器透鏡與對應(yīng)太陽能感測與轉(zhuǎn)換機構(gòu)的模塊或 板的大板40的圖示。每個模塊或板可以是圖1所示的模塊10、圖3所示的模塊20或圖5 所示的模塊30的模塊或板。每個模塊或板可以改為本文圖中未具體示出的示例。大板40 的說明性示例可以包含如圖3所示的模塊或板20。板40的布局可以具有3X2模塊配置； 然而，該布局在每個維度上幾乎可以具有任何數(shù)目的模塊。板40的布局也可以包含各種類
6型的模塊，包括圖1、3和5中示出的那些模塊。這些模塊的電輸出可以被連接以提供所期 望的一個或多個輸出。在本說明書中，一些問題盡管以另一種方式或時態(tài)進行闡述但可能具有假設(shè)或預(yù)
言性質(zhì)。盡管已經(jīng)相對于至少一個示例而描述了本系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀說 明書后將明白許多變型和修改。因此目的是所附權(quán)利要求鑒于現(xiàn)有技術(shù)盡可能廣泛地被解 釋為包括所有這樣的變型和修改。
權(quán)利要求
一種薄斷面光集中器陣列，包括撓性板(29)；形成在該板中的多個集中器單元；和位于該板處的太陽能電池裝置(14)，用于接收來自多個集中器單元的光；且其中集中器單元包括光傳送機構(gòu)(13)；光聚集透鏡(11)，用于把入射到所述透鏡的第一表面的光聚焦到所述光傳送機構(gòu)(13)的第一端部(17)上，所述第一端部(17)把光反射經(jīng)過所述光傳送機構(gòu)；以及所述光傳送機構(gòu)的第二端部(18)，其鄰近用于接收來自所述光傳送機構(gòu)(13)的光的所述太陽能電池裝置(14)。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列，其中所述光傳送機構(gòu)(13)的所述第一端部(17)包括反射表面，其用于把入射光從一個方 向重定向到另一個方向以便進入所述光傳送機構(gòu)；和所述光傳送機構(gòu)(13)的第二端部(18)包括反射表面，其用于把光從一個方向重定向 到另一個方向、從所述光傳送機構(gòu)到所述太陽能電池(14)。
3.如權(quán)利要求1所述的陣列，其中所述光聚集透鏡(11)具有與所述光聚集器透鏡的焦距尺寸(52)近似垂直的最大橫向 尺寸(51)；所述焦距尺寸是所述透鏡(11)到所述光傳送機構(gòu)(13)的所述第一端部(17)之間的 距離；以及所述最大橫向尺寸(51)大于所述焦距尺寸(52)。
4.一種光聚集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括 柔性結(jié)構(gòu)(49)；以及多個集中器單元，彼此相鄰地位于所述柔性結(jié)構(gòu)(49)中；且 其中集中器單元包括折射機構(gòu)(41)，具有與所述折射機構(gòu)的光軸近似垂直的最大橫向尺寸寬度(51)；以及 其中沿所述折射機構(gòu)的所述光軸的焦距尺寸(52)小于所述最大橫向尺寸(51)；且 還包括連接塊(44)；以及 其中所述集中器單元還包括光_電轉(zhuǎn)換器(47)，位于所述折射機構(gòu)(41)的焦點處；以及 電導(dǎo)體(43)，把所述光-電轉(zhuǎn)換器(47)連接到所述連接塊(44)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中每個光折射機構(gòu)(11，31)與多個集中器單元的一個或多個其它光折射機構(gòu)相鄰； 所述光折射機構(gòu)(11，31)是撓性的；以及 所述光傳送機構(gòu)(13，33)是可彎曲的。
6.一種光聚集系統(tǒng)，包括一個或多個薄斷面太陽能集中器；且 其中每個薄斷面太陽能集中器包括板形式的保持材料(29，39)；兩個或更多個集中器單元，彼此相鄰地位于所述保持材料(29，39)中；以及 光-電轉(zhuǎn)換器(14)；且 其中每個集中器單元包括 透鏡(11，31)；和光波導(dǎo)(13，33)，具有鄰近所述透鏡的焦點的第一端部(17，37)以及鄰近所述光-電轉(zhuǎn) 換器(14)的第二端部(18，38)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中 所述保持材料(29，39)是撓性板的形式；以及 所述光波導(dǎo)(13，33)是可彎曲的。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中每個集中器單元的透鏡(11，31)的邊緣與一個或多個鄰近集中器單元的透鏡相鄰；以及透鏡(11，31)以陣列的形式相對于彼此放置。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述透鏡(11，31)具有與所述透鏡的光軸(19)近似垂直的 最大橫向長度(51)；沿所述透鏡的所述光軸的焦距(52)小于所述最大橫向長度(51)；以及 所述集中器單元還包括用于把所述透鏡(11，31)和所述波導(dǎo)(13，33)的所述第一端部 (17,37)保持在固定距離的機構(gòu)(26，36)。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述光波導(dǎo)(13，33)是光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄斷面太陽能集中器。薄斷面太陽能聚集器具有多個光會聚透鏡(11，31，41)，其在柔性板(29，39，49)上緊密地結(jié)合在一起形成陣列。透鏡(11，31)可以把光聚焦到光傳送機構(gòu)(13，33)上，該光傳送機構(gòu)(13，33)把光從透鏡(11，31)傳送到在板邊緣處的一個或多個光-電轉(zhuǎn)換器(14)。這些透鏡可以可選擇地把光聚焦到一個或多個光-電轉(zhuǎn)換器(47)上。導(dǎo)體(43)可以把電從光-電轉(zhuǎn)換器傳送到在在板(49)邊緣處的電連接塊(44)。柔性板(29，39，49)可以是卷的、折疊的或適配到非平面表面上的形式。具有多個會聚透鏡(11，31，41)的兩個或更多個薄斷面太陽能聚集器可以被組合以形成更大的太陽能聚集板。聚集器的電輸出(15)可以被連接以提供所期望的一個或多個輸出。
文檔編號H01L31/0232GK101958355SQ20101022974
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者Y·劉 申請人:霍尼韋爾國際公司