用于回收光學加工裝置的未利用的光學輻射能的方法、回收裝置和光學加工裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于回收光學加工裝置的未利用的光學輻射能的方法、一種回收裝置以及一種光學加工裝置。
【背景技術】
[0002]在過去的幾年里，光學加工裝置、尤其是激光加工裝置在技術上的重要性得到顯著提高，借助這些光學加工裝置通過加載電磁射線(尤其是激光)可以加工不同類型的材料。迄今為止，在工業(yè)上的激光加工裝置中較少使用具有明顯大于1kW光學輻射功率的激光光源。新類型的加工方法同時需要具有明顯更高功率的激光光源。在這方面要提及的例如是用于熱加工金屬的、用于適配在功能層中的材料特性的或者在制造太陽能電池時作為對傳統(tǒng)爐的補充的激光加工裝置。
[0003]在此，尤其是具有多個單獨發(fā)射體的二極管激光器用作激光光源，這些單獨發(fā)射體在與光學機構的配合作用方面實施為，使得這些單獨發(fā)射體在工作區(qū)域中可以產(chǎn)生線形的強度分布，在該工作區(qū)域中工件被加載激光。
[0004]在所有的激光加工裝置中存在如下問題，S卩，由激光光源提供的光學(電磁)輻射能的僅僅比較小的一部分被實際用于加工工件，從而由現(xiàn)有技術已知的激光加工裝置的能量平衡是相對不利的。正是激光加工裝置的上述工業(yè)應用是典型的實例，在這些實例中，在技術上不可能的(并且有時甚至是不合理的)是使用所提供的光學輻射能的大部分用于加工工件。金屬材料反射入射激光的大部分。與此相對，玻璃和用于制造太陽能電池的材料透射和反射入射激光的大部分。研宄顯示，在由現(xiàn)有技術已知的激光加工方法和激光加工裝置中僅僅在10%至20%之間的入射激光被實際用于激光加工過程。在一些加工方法中，甚至入射激光的超過90%未被用于激光加工過程。
[0005]目前在現(xiàn)有技術中，激光的不可被用于激光加工過程的那個份額利用所謂的光陷阱來收集。所述光陷阱典型地構成為，使得該光陷阱可以有針對性地收集通過要加工的工件透射的或者由要加工的工件反射的激光。這種光陷阱構成為，使得激光能夠通過至少一個光入口到達光陷阱的空腔中?？涨辉O計成，使得激光的大部分不能夠通過散射過程和/或反射過程由光入口重新從光陷阱射出，而是被吸收器機構(尤其被至少一個吸收層)吸收。為了阻止由于給吸收器機構加載激光而引起光陷阱過熱，例如可以設有水冷裝置。
[0006]因為在激光加工時入射到工件上的光學輻射能的大部分未被利用，所以由現(xiàn)有技術已知的激光加工裝置的能量平衡是相對不利的。
[0007]代替激光光源例如也可以使用(高功率)發(fā)光二極管，這些發(fā)光二極管的光學功率通過技術上的進一步開發(fā)而在過去的幾年里迅速增加并且這些發(fā)光二極管因此有可以預見的在光學加工裝置中用作光源的潛能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，提供一種用于回收光學加工裝置的未利用的光學輻射能的方法、一種回收裝置以及一種光學加工裝置，它們允許改善光學加工裝置的能量平衡。
[0009]關于方法，所述目的通過一種具有權利要求1的特征的方法來實現(xiàn)，關于回收裝置，所述目的通過一種具有權利要求4的特征的回收裝置和通過一種具有權利要求8的特征的回收裝置來實現(xiàn)，以及關于光學加工裝置，所述目的通過一種具有權利要求14的特征部分的特征的光學加工裝置來實現(xiàn)。從屬權利要求涉及本發(fā)明有利的進一步擴展方案。
[0010]按照本發(fā)明的用于回收包括至少一個激光光源的光學加工裝置的未利用的光學輻射能的方法包括如下步驟:
[0011 ] 一一運行所述至少一個光源并且產(chǎn)生電磁射線，
[0012]——給至少一個工件加載用于加工工件的電磁射線，
[0013]一一將未用于加工所述至少一個工件的電磁射線的至少一部分收集在至少一個回收裝置的光陷阱機構中，
[0014]一一將由所述至少一個回收裝置的光陷阱機構收集的電磁射線的光學輻射能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能。
[0015]按照本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點，即，未用于加工工件的并且借助所述至少一個回收裝置的光陷阱機構收集的電磁射線的光學輻射能的至少一部分轉(zhuǎn)變成電流并且以此轉(zhuǎn)變成可利用的電能。光學加工裝置的能量平衡由此可以被顯著改善。
[0016]在一種特別優(yōu)選的實施方式中提出，將光學輻射能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能的步驟包括給光伏機構加載由光陷阱機構收集的電磁射線的至少一部分。光伏機構能夠以有利的方式直接在光陷阱機構的空腔的內(nèi)部中將收集的電磁射線的輻射能的至少一部分直接轉(zhuǎn)化成電流并且以此轉(zhuǎn)化成電能。
[0017]在一種備選的實施方式中存在如下可能性，S卩，為了將光學輻射能的一部分轉(zhuǎn)化成電能，
[0018]——給在光陷阱機構的內(nèi)部的至少一個吸收器機構加載由光陷阱機構收集的電磁射線的至少一部分并且由此將所述至少一個吸收器機構加熱，
[0019]——由吸收器機構加熱載熱流體，
[0020]一一將載熱流體輸送給熱機、尤其是汽輪機或者斯特林發(fā)動機，該熱機耦聯(lián)到發(fā)電機機構上，從而載熱流體的熱能的至少一部分借助熱機轉(zhuǎn)化成機械能，利用該機械能運行發(fā)電機機構，其中，機械能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能。
[0021]在這種備選的實施方式中，也可以將由光陷阱收集的、未用于加工工件的電磁射線的至少一部分的光學輻射能用于產(chǎn)生電流并且以此用于提供電能，以便由此改善光學加工裝置的能量平衡。與本發(fā)明的再上面闡述的第一方案相比，在此，光學輻射能的轉(zhuǎn)化在一個多級的過程中進行，在該過程中，首先將輻射能的至少一部分由吸收器機構轉(zhuǎn)變成熱能，該熱能可以加熱載熱流體。載熱流體被輸送給熱機，在該熱機中將熱能的一部分轉(zhuǎn)變成機械能，該機械能可以驅(qū)動發(fā)電機機構。發(fā)電機機構又能夠產(chǎn)生電流并且以此將機械能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能。
[0022]一種按照本發(fā)明的用于回收光學加工裝置的未利用的電磁輻射能的回收裝置的第一方案包括:
[0023]--光陷講機構，該光陷講機構具有一個空腔和至少一個光入口，電磁射線通過所述光入口能夠進入空腔中，以及
[0024]一一光伏機構，所述光伏機構在光陷阱機構的空腔之內(nèi)設置成，使得所述光伏機構能夠至少被進入空腔中的電磁射線的一部分加載并且能夠?qū)㈦姶派渚€的輻射能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能。
[0025]光伏機構能夠以有利的方式直接在光陷阱機構的空腔的內(nèi)部將收集的電磁射線的輻射能的至少一部分直接轉(zhuǎn)化成電流并且以此轉(zhuǎn)化成電能。由此可以改善具有至少一個按照本發(fā)明的回收裝置的光學加工裝置的能量平衡。
[0026]優(yōu)選地，光伏機構可以包括如下帶隙，該帶隙選擇和設定成，使得該帶隙適配于電磁射線的波長。光伏機構可以通過這種措施專門為了在此闡述的使用目的而優(yōu)化。光伏機構的帶隙例如可以設定成，使得效率在所使用的激光光源的已知的、窄光譜的波長時特別高。簡單的光伏機構在太陽光中的兩個最大的損失機理(在光子能量大時的熱化和不吸收具有太小能量的光子)可以因此被有效避免。例如為了在電磁射線的波長在900nm至IlOOnm之間時獲得高效率，光伏機構應當具有在大致1.12715eV(該值在能量方面相當于IlOOnm的波長)范圍內(nèi)的帶隙。這例如可以通過如下的光伏機構來實現(xiàn)，該光伏機構包括基于1-1I1-VI半導體Cu (In、Ga) Se2 (簡稱:CIGS)的薄的黃銅礦層。經(jīng)由適配鎵的份額可以在1.05eV(CuInSe2;因此完全由銦取代鎵)至1.68eV(CuGaSe 2)之間設定帶隙?；贕aInAs的光伏機構能夠吸收從大致740nm到大致1050nm的范圍內(nèi)的電磁射線，如所述光伏機構例如被用作在光伏的串聯(lián)電池中的子電池。
[0027]在一種特別優(yōu)選的實施方式中提出，光伏機構構成為光伏集中器機構。如用在光伏集中器電池中的光伏集中器機構特征尤其在于，所述光伏集中器機構設計用于高的光功率密度。這樣的集中器機構具有如下優(yōu)點，即，所述集中器機構能夠處理高的光強并且達到高的效率，并且因此能夠極其高效地將電磁射線的輻射能轉(zhuǎn)變成電能。為了避免過熱，在一種有利的實施方式中光伏集中器機構可以是流體冷卻(例如水冷)的。
[0028]按照權利要求8，一種備選的按照本發(fā)明的用于回收光學加工裝置的未利用的電磁輻射能的回收裝置包括:
[0029]--光陷講機構，該光陷講機構具有一個空腔和至少一個光入口，電磁射線通過所述光入口能夠進入空腔中，
[0030]一一至少一個吸收器機構，所述吸收器機構設置在光陷阱機構的空腔之內(nèi)并且構成為，使得所述吸收器機構能夠?qū)⑦M入空腔中的電磁射線的至少一部分吸收并且轉(zhuǎn)化成熱能，并且能夠加熱載熱流體，
[0031]——熱機，載熱流體能夠被輸送給該熱機并且該熱機被構造成，使得該熱機能夠?qū)⑤d熱流體的熱能的至少一部分轉(zhuǎn)化成機械能，
[0032]——發(fā)電機機構，該發(fā)電機機構與熱機耦聯(lián)并且該發(fā)電機機構構成為，使得該發(fā)電機機構能夠?qū)C械能的至少一部分轉(zhuǎn)化成電能。
[0033]在回收裝置的這種實施方式中，與本發(fā)明的再上面闡述的第一方案相比，光學輻射能的轉(zhuǎn)化在一個多級的過程中進行