專利名稱：光采集和聚集系統(tǒng)的制作方法
光采集和聚集系統(tǒng)相關(guān)申請數(shù)據(jù)本申請要求在西班牙專利商標(biāo)局于2008年11月12日提交的西班牙優(yōu)先權(quán)申請?zhí)朠20083237的優(yōu)先權(quán)。背景1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的實施方式通常關(guān)于光采集和聚集系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明的實施方式貫注于太陽輻射采集和聚集系統(tǒng)及其部件；用于光采集、傳輸和聚集的方法；及所述太陽輻射采集和聚集系統(tǒng)及其部件的應(yīng)用；且更具體地，貫注于太陽能聚集光伏(CPV)系統(tǒng)。2.
背景技術(shù)：
從20世紀(jì)到現(xiàn)在，已提出和開發(fā)了無數(shù)太陽能系統(tǒng)和組成這些系統(tǒng)的部件。盡管有這個長期的努力和對其投入的大量的資源，但是目前可用的太陽能系統(tǒng)在成本和效率方面與用于商業(yè)和居住環(huán)境的能量產(chǎn)生的替代形式并沒有競爭力。

圖1是示意性示出一般的傳統(tǒng)太陽光伏系統(tǒng)的截面圖。太陽輻射1入射到集光器 2例如透鏡上。透鏡將所采集的光聚集(聚焦)到能夠?qū)⑺杉哪芰總鬏數(shù)焦夥?PV)電池8的有源次級部件31中。如圖1所示，該系統(tǒng)包括三個單元的線性陣列，每個單元包括透鏡、次級部件和PV電池。太陽能采集系統(tǒng)的一個眾所周知的設(shè)計目標(biāo)是單元尺寸減小而效率增大。S卩，如果太陽能系統(tǒng)相對地薄、緊湊、容易部署、易于維修及成本有效，則太陽能系統(tǒng)可在商業(yè)上受益。如圖1所示，在每個光采集透鏡和PV電池之間有一一對應(yīng)性。圖2以與圖1類似的方式示出了該系統(tǒng)的更緊湊的設(shè)計。圖1中的每個采集透鏡 2被兩個直徑較小的采集透鏡^和22代替，這兩個直徑較小的采集透鏡共同采集與圖1中的單個較大的透鏡2相同的光通量。雖然在圖2中部署的系統(tǒng)比圖1的系統(tǒng)薄，但尺寸減小的代價是有源部件31i、312*PV電池S1A2的數(shù)量變?yōu)閮杀丁ｎ愃频?，如果透鏡部件2被分為4個較小的透鏡，則有源部件和PV電池的數(shù)量將增大4倍，依此類推。隨之產(chǎn)生的部件數(shù)量的增大升高了系統(tǒng)成本和潛在的系統(tǒng)故障率?？紤]到太陽能領(lǐng)域的這些及其他已知的挑戰(zhàn)，發(fā)明人認(rèn)識到更薄、更緊湊、更高效、更可靠、價格更低及以其它方式在當(dāng)前技術(shù)水平上改進的太陽能系統(tǒng)和相關(guān)部件的利益和優(yōu)勢。概述本發(fā)明的一個實施方式貫注于光采集和聚集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主聚光器、單光傳輸結(jié)構(gòu)及光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可有利地包括次級聚光器。該系統(tǒng)可還包括與每個單元-系統(tǒng)相關(guān)的PV電池，所述每個單元-系統(tǒng)包括多個主聚光器及相應(yīng)的多個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)、單光傳輸結(jié)構(gòu)及可選地，次級聚光器。例證地，太陽輻射以垂直入射被聚焦到薄的片型波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的大面積表面上。 光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在所述傳輸結(jié)構(gòu)處或內(nèi)攔截所聚焦的光并通常使其橫向偏轉(zhuǎn)以沿著所述傳輸結(jié)構(gòu)的平面長度傳播?？商峁┐渭壘酃馄饕跃奂谒霾▽?dǎo)內(nèi)的并從所述波導(dǎo)的出射端耦合出的光，其有利地進入PV電池內(nèi)。根據(jù)非限制的、可選的方面，主聚光器可為可采集入射的太陽輻射并將該入射輻射聚集到較小的區(qū)域中的各種已知元件的任何一種。折射元件(例如，透鏡)、反射元件(例如，反射鏡)和衍射元件(例如，全息圖)是可使用的主聚光器的非限制性實例。根據(jù)各種非限制方面，單個主聚光器可采取傳統(tǒng)的聚焦透鏡、菲涅爾透鏡、直圓柱透鏡、曲圓柱透鏡 (例如，全環(huán)或其弧段)、拋物面反射鏡(或其段)的形式及本領(lǐng)域已知的其他形式。因此， 單元-系統(tǒng)可包括但不限于以間隔開的非重疊透鏡陣列(例如，方形、六角形、三角形、其他的陣列形狀)的形式的主聚光器部分、直圓柱透鏡型的聚光片、及圓(或其弧段)_環(huán)形圓柱透鏡型聚光片。與單元-系統(tǒng)相關(guān)的單光傳輸結(jié)構(gòu)是薄片波導(dǎo)的形式；S卩，具有比該結(jié)構(gòu)的一般長度L小得多的厚度T ；因此具有由T/L限定的低縱橫比。該結(jié)構(gòu)將以上(頂)表面和下 (底)表面為界限，所述上(頂)表面和下(底)表面限定所述結(jié)構(gòu)內(nèi)的較高的折射率和結(jié)構(gòu)外的較低的折射率之間的邊界，以便便于光沿著所述結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的長度經(jīng)由本領(lǐng)域內(nèi)已知的全內(nèi)反射(TIR)進行傳播。該結(jié)構(gòu)將具有一端(以下稱為出射端)，光從該端傳播出傳輸結(jié)構(gòu)。根據(jù)各個非限制方面，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可包含適于在有或沒有散射和/或鏡面反射的情況下通過IlR在其內(nèi)傳播光的固體、液體、或氣體材料。前述的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)提供了一種裝置，通過該裝置，從主聚光器聚集的光被輸入到傳輸結(jié)構(gòu)的出射端和/或在光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)的期望傳播方向上被引導(dǎo)到所述傳輸結(jié)構(gòu)的出射端。因此，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可適當(dāng)?shù)仄鹱饔脕砝鐝闹骶酃馄鞑东@多半垂直入射到傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面或底表面上的焦斑，并例證性地以90度使它改變方向，以便使它沿著傳輸結(jié)構(gòu)的長度朝向其出射端傳播。在一個非限制方面，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以是被橫向切割為傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面或底表面的光反射面，其經(jīng)由TIR、鏡面反射、漫反射、衍射、多光束干涉及用于改變傳播光束的方向的其他已知的光學(xué)過程來反射輸入光。在每個單傳輸結(jié)構(gòu)中，多個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)將相應(yīng)地與單元-系統(tǒng)的多個主聚光器相關(guān)。因此，根據(jù)相應(yīng)的主聚光器中的每個的配置和幾何尺寸，每個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可為有限的或連續(xù)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)非限制方面，傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面和/或底表面可具有平的、樓梯式、或梯形形狀的頂表面或底表面，其可為平的或彎曲的，該傳輸結(jié)構(gòu)包含光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為其整體的表面部分。根據(jù)可選的方面，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以按棱鏡、光柵、量子點、光子晶體或能夠提供帶有或不帶有主聚焦元件的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所需功能的其他結(jié)構(gòu)的形式布置在傳輸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中?？蛇x的次級聚光器用于采集在低縱橫比傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的光并進一步聚集它以用于通過傳輸結(jié)構(gòu)的出射端耦合出并有利地進入被布置成接收耦合出的光的PV電池。根據(jù)非限制方面，聚光光學(xué)部件可以操作地耦合到(例如，模壓到、粘接到、自由空間對齊到， 等等)傳輸結(jié)構(gòu)的出射端以接著聚集和耦合出該光到PV電池中。光學(xué)部件可由與適于執(zhí)行預(yù)期功能的傳輸結(jié)構(gòu)相同或不同的材料制成。可選地，傳輸結(jié)構(gòu)的出射端本身可被成形 (例如，拋物線式成錐形的；直線式成錐形的；梯形式成錐形的；或以其他方式適當(dāng)成形的) 以在傳輸結(jié)構(gòu)的出射端一體地形成次級聚光器。這樣的形狀將支持在傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的光的IlR和/或鏡面反射和/或漫反射。本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將在隨后的詳細(xì)描述中被闡明，且從該描述中部分地對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的，或者通過如本文所述的實踐本發(fā)明——包括權(quán)利要求及附圖——而被認(rèn)識到。應(yīng)理解，上文的概括描述和下文的詳細(xì)描述僅為本發(fā)明的示例，且旨在提供用于理解本發(fā)明的性質(zhì)和特征的概覽或框架，如它被主張的。附圖被包括以提供對本發(fā)明的進一步理解，且被并入本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的各種實施方式且與描述一起來解釋本發(fā)明的原理和操作。附圖的簡要描述圖1是一般現(xiàn)有技術(shù)太陽能系統(tǒng)的截面示意圖；圖2是與圖1示出的系統(tǒng)類似的更緊湊的一般現(xiàn)有技術(shù)太陽能系統(tǒng)的截面示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的例證性實施方式的光采集和聚集系統(tǒng)的截面示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的例證性實施方式的與圖3示出的系統(tǒng)類似的更緊湊的光采集和聚集系統(tǒng)的截面示意圖；圖5A-5E示出了根據(jù)本發(fā)明的可選的例證性方面的主聚光器配置的各個例證性方面；圖6A、6B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個例證性方面的系統(tǒng)的環(huán)_圓形主聚光器部件的不同視圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的主聚光器部件的示意性截面圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的反射型系統(tǒng)的示意性截面圖；圖9A、9B示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的以反射折射系統(tǒng)的形式的主聚光器單元的示意性截面圖；圖10為了說明目的示出了一般的光傳輸結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖11示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的包含兩個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳輸結(jié)構(gòu)的截面圖；圖12示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的可選的光傳輸結(jié)構(gòu)和一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面圖；圖13示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的可選的光傳輸結(jié)構(gòu)和一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面圖；圖14示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的可選的光傳輸結(jié)構(gòu)和一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的帶有離散的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳輸結(jié)構(gòu)的示意性俯視平面圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的帶有連續(xù)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳輸結(jié)構(gòu)的示意性俯視平面圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的例證性方面的帶有連續(xù)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳輸結(jié)構(gòu)的示意性俯視平面圖；以及圖18A、18B分別示出了根據(jù)本發(fā)明的非限制的例證性實施方式的以拋物面聚光器和直梯形聚光器的形式的可選的成形次級聚光器的透視圖。本發(fā)明的實施方式的詳細(xì)描述圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的例證性實施方式的光采集和聚集單元-系統(tǒng)100-1的截面部分，其提供了系統(tǒng)部件、系統(tǒng)配置和系統(tǒng)操作的總體概覽。如所示，太陽輻射(光)301入射到主聚光器30 上。通過如主聚光器的性質(zhì)所確定的折射、反射或衍射， 光301被聚集到相應(yīng)的區(qū)域30 ，其被示為焦平面上的焦斑。相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)30 攔截光的焦斑，并提供用于將光注入單元-系統(tǒng)的單傳輸結(jié)構(gòu)350中并引導(dǎo)它在箭頭313的方向上在傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的裝置。如箭頭313在傳播方向上增大的粗體所示，由于從多個主聚光器和相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)注入的光，朝著圖3的右側(cè)傳播的光強度累積地增大。傳輸結(jié)構(gòu)350具有在309處表示的出射端，傳播的光將在出射端離開傳輸結(jié)構(gòu)。一個可選的次級聚光器310被示為直接耦合到傳輸結(jié)構(gòu)的出射端，并用于通過次級聚光器的出射端進一步聚集從傳輸結(jié)構(gòu)耦合出的光，所示次級聚光器具有有利地依尺寸制定成匹配光伏(PV)電池的入口孔徑的減小的表面積。PV電池380被示為布置在次級聚光器的出射端處以直接接收進一步聚集的耦合出的光。圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個例證性實施方式的光采集和聚集單元-系統(tǒng) 100-2的截面部分，其與圖1的100-1的系統(tǒng)類似，除了主聚光器40 的數(shù)量和大小分別增大和減小且光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)40 的數(shù)量增大以匹配每個相應(yīng)的主聚光器以外，導(dǎo)致比圖3示出的更緊湊(至少更薄)的系統(tǒng)。注意，再次，每個單元-系統(tǒng)僅具有一個相應(yīng)的光傳輸結(jié)構(gòu)和一個PV電池。下面是根據(jù)本發(fā)明的非限制方面的適合于用在具體化的發(fā)明中的各種部件和部件系統(tǒng)的描述。主聚光器主聚光器具有兩個主要功能采集入射太陽輻射；及在與相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)重合的期望聚集位置處將入射輻射聚集成期望光斑尺寸。因此，除了其它特征以外，主聚光器的特征還在于聚焦功率參數(shù)。在下文中，對于每個主聚光器，將聚集的光斑稱為焦斑，并將聚集位置稱為焦平面，雖然該術(shù)語并不旨在將聚光限制到主聚光器的光學(xué)焦點本身。根據(jù)一個實施方式，主聚光器是折射部件；S卩，在本領(lǐng)域中已知的各種類型的透鏡。基于系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，可以提供用具有期望物理和光學(xué)特性的適合的材料制成的折射部件，所述物理和光學(xué)特性包括但不限于折射率、尺寸、形狀、曲率、二次曲線常數(shù)、方位、幾何結(jié)構(gòu)等。將進一步認(rèn)識到，根據(jù)本發(fā)明的非限制方面的光采集和聚集單元-系統(tǒng)將包括多個主聚光器，所述多個主聚光器例如以非重疊的陣列被離散地布置為一組互連的單獨透鏡，例如以組的非重疊陣列被布置為透鏡的環(huán)形或其他有順序的互連，及其他配置。根據(jù)一個例證性方面，主聚光器502是矩形柱狀透鏡，如為了說明分別在圖5A和 5B中被示為兩個端對端和邊并邊連接的透鏡。例如，每個透鏡可具有ImmX 3mm的通光孔徑和非球面表面輪廓。根據(jù)該例證性方面的主聚光器單元將具有例如與圓形或弧形焦斑相對立的直線排列的焦斑。圖5C、5D和5E分別示出了使用方形透鏡、三角形透鏡和六角形透鏡的交替的主聚光器透鏡形狀和陣列形狀。將認(rèn)識到，如下所述，主聚光器單元不需要限于這些透鏡或陣列形狀。在另一個例證性方面，如圖6A、6B所示，每個主聚光器60 是一個圓形柱狀透鏡或其弧形部分。如所示，多個透鏡602η以環(huán)形(徑向)方式相互連接。每個透鏡602具有直徑d，其可以或可以不是常數(shù)。如圖6A進一步示出的，每個透鏡602具有在180度的全弧上延伸的截面剖面。同樣，如所示，所有的透鏡60 具有相同的f/#。然而，剖面和/或 f/#可在透鏡中間變化，如下文結(jié)合圖7所示的。根據(jù)圖6的例證性實施方式，所采集的輸入光將最終在向內(nèi)徑向方向(粗體箭頭L)上傳播到位于每個單元-系統(tǒng)的徑向原點處的 PV電池680。因此，單元形狀可以是被示為圖6B中的餅形切片的形式的從幾度可能一直到全360度的幾何弧形，取決于與每個單元-系統(tǒng)相關(guān)的PV電池的入口孔徑。圖7以截面剖面示出了光采集和聚集系統(tǒng)的非限制、例證性方面，所示系統(tǒng)包括多個主聚光器702η和具有一體地合并的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)710的折射率為η2的光傳輸結(jié)構(gòu)。每個透鏡702η具有彎曲的鋸齒截面剖面，所述剖面具有從0度(即，R水平)到90度(R豎直)或更小的可變的徑向范圍R。雖然在該實例中f/#保持相等，透鏡的通光孔徑D從最大的環(huán)(圖的右端)到最小的環(huán)(圖的左端)單調(diào)增大。光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)710在光傳輸結(jié)構(gòu)720 的底表面715中形成，形成如所示的階梯形表面。光傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面是平的，且表示高/ 低折射率邊界(Ii1Sn2)以在傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)支持TIR。在一種原型設(shè)計中，透鏡的通光孔徑范圍從0. 5mm到約7mm。光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸被優(yōu)化為在0. 05mmX0. 05mm到ImmX Imm之間。 光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的角度被優(yōu)化為在41°到45°之間。從主聚光器入射到光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的光的錐角被優(yōu)化為在20°到23°之間。光在光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)在方向L上傳播。根據(jù)另一實施方式，主聚光器是一反射部件，即，本領(lǐng)域眾所周知的各種類型的反射鏡。在圖8中示出了例證性反射型系統(tǒng)的截面圖，其中參考數(shù)字802表示反射主聚光器。 入射的陽光1被主聚光器采集并聚焦到傳輸結(jié)構(gòu)820中的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)810上。聚集的光在朝向PV電池所位于的單元的中心的箭頭L的方向上被全內(nèi)反射或以其他方式反射。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，根據(jù)主聚光器的預(yù)期功能，反射主聚光器單元的幾何結(jié)構(gòu)可類似于上述折射型主聚光器單元的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個可選的方面，主聚光器單元可包括如圖9A、9B大體上所示的反射折射系統(tǒng)。太陽輻射1入射到折射部件932上，且此后在聚焦到傳輸結(jié)構(gòu)920中的相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)上之前在半聚集狀態(tài)中傳播到反射部件934。光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光傳輸結(jié)構(gòu)根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光傳輸結(jié)構(gòu)形成一體的部件。如上所討論的，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功能是從主聚光器接收焦斑(其在一個方向上傳播)并將光引導(dǎo)到傳輸結(jié)構(gòu)中，因此光可在傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)在大體上橫穿入射光方向的方向上傳播。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的一般片型光傳輸結(jié)構(gòu)1050在圖10的示意性透視圖中示出。該結(jié)構(gòu)具有寬(W)、長(L)和厚⑴的一般尺寸，如在附隨的x-y-z坐標(biāo)系統(tǒng)中所標(biāo)出的。光傳輸結(jié)構(gòu)具有由T/L定義的低縱橫比。在示例性設(shè)計中，T為大約3到5mm，而L在約300mm-500mm之間。寬度(W)可根據(jù)總系統(tǒng)幾何形狀(例如，矩形、圓形、餅形等)變化。 光傳輸結(jié)構(gòu)具有間隔開厚度(T)的頂表面部分1021和底表面部分1022，光在出射端IOM 離開光傳輸結(jié)構(gòu)，如實線箭頭指示的。光傳輸結(jié)構(gòu)——本質(zhì)上為光波導(dǎo)——有利地具有在結(jié)構(gòu)內(nèi)的較高的折射率Ii1和在頂表面部分和底表面部分或緊鄰其處的較低的或相等的折射率n2，使得光經(jīng)由全內(nèi)反射(TIR)主要在結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播，如虛線箭頭所示。適當(dāng)?shù)捻敱砻婧?/或底表面的部分也可具有反射涂層以有助于未被全內(nèi)反射的殘留光的傳播。圖11示意性地示出合并兩個例證性光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1102、1104的例證性光傳輸結(jié)構(gòu)的截面。光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104是光傳輸結(jié)構(gòu)的一個表面，其由從底表面部分1022的區(qū)域延伸的局部橫切的橫向切口形成。對于光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104，來自與光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104相關(guān)的主聚光器(未示出)的聚焦輻射1130在其焦點處被光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104攔截。根據(jù)光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104 的角度方向，由于在表面后的凹口區(qū)域具有小于或等于光傳輸結(jié)構(gòu)(例如，PMMA)的折射率 H1的折射率112 (例如，空氣)，聚焦輻射主要從表面1104全內(nèi)反射?？蛇x地或另外，類似的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1102是光傳輸結(jié)構(gòu)的一個表面，其由從頂表面部分1021的區(qū)域延伸的局部橫切的橫向切口形成。對于光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1102，來自與光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1102相關(guān)的主聚光器(未示出)的聚焦輻射1132在其焦點處被光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1102攔截。陰影區(qū)域1103表示表面1102 上的反射涂層，其將入射的聚焦光1132反射到結(jié)構(gòu)內(nèi)以用于朝向結(jié)構(gòu)的出射端的隨后IlR 傳播。光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確的角方向?qū)⑷Q于反射過程的性質(zhì)、透鏡的f/#、及傳輸結(jié)構(gòu)的折射率n2。例如，光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1104后的凹口區(qū)域可填充有較低折射率的介質(zhì)材料以便于在光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)的TIR。圖12-14示出了光傳輸結(jié)構(gòu)及一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可選方面。在每種情況中，光傳輸結(jié)構(gòu)具有折射率n2 > 1，且被具有折射率叫=1的空氣包圍。在圖12中，光傳輸結(jié)構(gòu)1250被示為具有平的頂表面1201和階梯形底表面1202 ； 即，底表面包括多個類似于在圖11中描述和標(biāo)記為1104的結(jié)構(gòu)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1210n。向上通到每個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的底表面部分1209n是直的斜面。來自與光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)^^^相關(guān)的相應(yīng)的主聚光器(未示出)的聚焦光1230i主要從表面UlO1全內(nèi)反射到斜面部分120 上， 光從該斜面進一步主要被全內(nèi)反射并且當(dāng)其在方向L上朝著其將被輸出的出射端12M傳播時仍將進一步主要被全內(nèi)反射。圖13示意性地示出了與光傳輸結(jié)構(gòu)1250類似的光傳輸結(jié)構(gòu)1350的階梯式表面的截面，除了在每個相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1310η之前的底表面部分1309η平行于頂表面部分 1301及光傳輸結(jié)構(gòu)的寬度在每個臺階處增加每個相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高度以外，如所示。圖14示出了光傳輸結(jié)構(gòu)和光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一個可選的設(shè)計。在這種情況下，頂表面部分1401階梯式地平行于連續(xù)平坦的底表面部分1402。將認(rèn)識到，在圖11-14的截面中示出的傳輸結(jié)構(gòu)例如可被擠壓，因此具有直的寬度尺寸或例如可彎曲以遵循主聚光器的形狀(例如，環(huán)形/柱形)。圖15是光傳輸結(jié)構(gòu)1550的示意性俯視平面圖，其具有從頂表面部分1501延伸的離散的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1510tqp和從底表面部1502延伸的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1510bqt。圖16和17分別示出了可選的光傳輸結(jié)構(gòu)1650、1750，其具有單獨地連續(xù)的頂部光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和底部光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1610TQP、1610BQT和1710TOP、1710BQT，其均取決于它們每個相應(yīng)的主聚光器(未示出)的幾何結(jié)構(gòu)。在它們相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的聚焦光斑的寬度將部分地取決于系統(tǒng)的厚度。 該厚度可影響光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸。因此，例如，如果光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傾斜的反射面在約 130μπι-140μπι之間，其基部尺寸約130 μ m，高度尺寸約140 μ m，則聚焦光的寬度可有利地為約100 μ m(即，100 μ m直徑；100 μ mX柱形主聚光器的長度，等等)。這些尺寸為主聚光器焦點方向和每個相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的位置之間的對準(zhǔn)誤差提供一定的空間。將在下面描述更詳細(xì)的數(shù)值實例。由于嚴(yán)格和具有挑戰(zhàn)性的對準(zhǔn)要求，主聚光器表面和光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可有利地被制造為一體的單元以減輕或最小化其間的未對準(zhǔn)。
光傳輸結(jié)構(gòu)的可選的所設(shè)想的實施方式可包括整個嵌入光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種光傳輸結(jié)構(gòu)的實例可包括棱鏡、光柵、量子點、光子晶體及能夠提供帶有或不帶有主聚焦元件的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所需功能的其他結(jié)構(gòu)。次級聚光器如上所述，在光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的光在如所示的光傳輸結(jié)構(gòu)的出射端處例如在圖 10的IOM處耦合出。雖然在示例性方面，光傳輸結(jié)構(gòu)的厚度T可為大約3mm-5mm，但光傳輸結(jié)構(gòu)(見圖10)的寬度W不需要被限制，除了所述結(jié)構(gòu)用來在出射端處累積地聚集所有輸入到光傳輸結(jié)構(gòu)的光以用于最終輸入到PV電池以外，如在圖3和4示意性地示出的。位于鄰近(有利地，緊鄰)傳輸結(jié)構(gòu)的出射端處的PV電池的被限制的入口孔徑可受益于傳播光的進一步聚集，在該情況下在傳輸結(jié)構(gòu)的出射端和PV電池之間的次級聚光器將是有利的。圖18A、18B示意性地示出了分別以拋物面聚光器和直梯形聚光器的形式的兩個示例性的、不同地成形的次級聚光器1800-1、1800-2。如所示，例如，在圖18A中，主聚光器部分1802具有多個主聚光器，其將入射光1聚焦到具有相應(yīng)的多個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)(未示出) 的單光傳輸結(jié)構(gòu)1804。光通過IlR在傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)在方向L上傳播。分離的復(fù)合拋物面次級聚光器1800-1被示為直接耦合(例如，粘接)到傳輸結(jié)構(gòu)的出射端，于是次級聚光器的表面1801成為傳輸結(jié)構(gòu)的最終出射端。不是分離的部件，例如(不排除其他適合的形狀)，次級聚光器1800-1 (1800- 可為擠壓的或模壓的光傳輸結(jié)構(gòu)的以復(fù)合拋物面(1800-1)或直梯形(1800- 形狀的整體端。根據(jù)次級聚光器的設(shè)計，傳播光可繼續(xù)被全內(nèi)反射直到耦合出，或可以用其他方式反射直到耦合出。相應(yīng)地，次級聚光器可具有與傳輸結(jié)構(gòu)相同或不同的材料，可為實心的、空心的、填充氣體的、或以其他方式被適當(dāng)?shù)貥?gòu)造以執(zhí)行其預(yù)期的功能。因此描述了光采集和聚集系統(tǒng)的各種實施方式，包括構(gòu)成該系統(tǒng)的部件的各種實施方式和方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，基于系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和其他設(shè)計參數(shù)，將需要設(shè)計折衷來優(yōu)化各種系統(tǒng)參數(shù)的一些或全部，包括但不限于采集效率、聚集率、系統(tǒng)尺寸、部件尺寸、光引導(dǎo)技術(shù)及其他。雖然本文描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可對本發(fā)明做出許多等效形式、修改、替代和變化，而不偏離如所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光采集和聚集系統(tǒng)，包括主聚光器，其具有聚焦功率，被布置成攔截太陽光輸入并將所述輸入聚集在光聚集位置上；光傳輸結(jié)構(gòu)，其具有頂表面部分和被內(nèi)部區(qū)域分開的相對的底表面、及出射端，所述光傳輸結(jié)構(gòu)的特征為在朝向所述出射端的預(yù)期光傳播方向上的長度尺寸，其中所述內(nèi)部區(qū)域具有大于緊鄰所述頂表面和所述底表面處的折射率的折射率；光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其在與所述光聚集位置重合的位置中一體地布置在所述光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)或上，所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)光學(xué)地耦合到所述主聚光器，其中所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠沿著朝向所述出射端的所述預(yù)期光傳播方向引導(dǎo)來自所述主聚光器的聚集的太陽光輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括多個主聚光器和相應(yīng)的多個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個主聚光器為平面間隔開的陣列的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個主聚光器為緊鄰的同心環(huán)的至少一部分的形式，此外其中所述預(yù)期光傳播方向是徑向向內(nèi)的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個主聚光器為橫向緊鄰的直圓柱的形式， 此外其中所述預(yù)期光傳播方向橫穿所述圓柱的縱向軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主聚光器是反射元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主聚光器是折射元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主聚光器是衍射元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光傳輸結(jié)構(gòu)為低縱橫比片的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括從所述傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面部分和底表面部分中的至少一個向內(nèi)延伸的成角度的反光表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括在所述傳輸結(jié)構(gòu)的所述頂表面部分和所述底表面部分的至少一個中的橫向切口。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述成角度的反光表面是平的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述成角度的反光表面是彎曲的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述成角度的反光表面在所述傳輸結(jié)構(gòu)中具有與相應(yīng)的主聚光器的橫向?qū)挾纫恢碌臋M向?qū)挾取?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面和底表面中的至少一個是平的且所述傳輸結(jié)構(gòu)的所述頂表面和所述底表面中的至少一個是階梯式的，其中所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述成角度的反光表面連接所述傳輸結(jié)構(gòu)的階梯區(qū)域和緊鄰的階梯區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述階梯區(qū)域是平的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述階梯區(qū)域是傾斜的。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述成角度的反光表面以支持來自緊鄰所述成角度的反光表面的所述頂表面或底表面的全內(nèi)反射的角度來布置。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)是空氣棱鏡。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被布置成接收從所述光傳輸結(jié)構(gòu)的所述出射端耦合出的光的光伏電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括次級聚光器，所述次級聚光器耦合到所述出射端以進一步聚集和耦合出來自所述光傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)的所傳播的光，其中所述次級聚光器具有面積小于所述光傳輸結(jié)構(gòu)的出射端的面積的出射端。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述次級聚光器是直接耦合到所述傳輸結(jié)構(gòu)的所述出射端的光學(xué)元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述次級聚光器為所述光傳輸結(jié)構(gòu)的一體地成形的出射端區(qū)域的形式。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述次級聚光器為所述傳輸結(jié)構(gòu)的復(fù)合拋物面成形的出 射端區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述次級聚光器是所述傳輸結(jié)構(gòu)的復(fù)合梯形成形的出射端區(qū)域。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中單元-系統(tǒng)包括多個所述主聚光器、相應(yīng)的多個所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)、及僅一個單光傳輸結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括光伏(PV)電池，所述光伏(PV)電池被布置在接收從所述光傳輸結(jié)構(gòu)之一的所述出射端和次級聚光器的出射端耦合出的光的位置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述次級聚光器被布置在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的出射端和所述PV電池之間。
29.一種用于傳輸光的方法，包括 采集初始光輸入；將所述初始光輸入光學(xué)地聚集到光聚集位置；將包括一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的僅一個單光傳輸結(jié)構(gòu)布置在使所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的位置與所述光聚集位置重合的位置處；經(jīng)由所述光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)將光的傳播方向從在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的外部的輸入方向改變到在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的輸出方向；及通過所述光傳輸結(jié)構(gòu)將光傳播到其出射端并進入PV電池。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括僅在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面區(qū)域處改變光的傳播方向。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括僅在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的底表面區(qū)域處改變光的傳播方向。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括在所述光傳輸結(jié)構(gòu)的頂表面區(qū)域和底表面區(qū)域處改變光的傳播方向。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括將光的傳播方向改變近似90度。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括僅通過全內(nèi)反射來改變光的傳播方向。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括僅通過全內(nèi)反射使光傳播通過所述光傳輸結(jié)構(gòu)。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括通過全內(nèi)反射和漫反射使光傳播通過所述光傳輸結(jié)構(gòu)。
37.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括在從所述光傳輸結(jié)構(gòu)輸出光并將光輸入到所述 PV電池之前，進一步聚集傳播通過所述光傳輸結(jié)構(gòu)的光。
38.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括將所述初始光輸入光學(xué)地聚集成圓斑。
39.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括將所述初始光輸入光學(xué)地聚集成矩形斑。
40.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，包括將所述初始光輸入光學(xué)地聚集成非圓非矩形斑。
41.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，還包括 采集多個初始光輸入；將所述多個初始光輸入中的每個光學(xué)地聚集到相應(yīng)的多個光聚集位置； 其中所述僅一個單光傳輸結(jié)構(gòu)包括在與所述多個光聚集位置重合的位置上的相應(yīng)的多個一體的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種光采集和聚集系統(tǒng)包括主聚光器、光傳輸結(jié)構(gòu)及與主聚光器光學(xué)相關(guān)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可包括可選的次級聚光器。每個單元-系統(tǒng)包括多個主聚光器和相應(yīng)的多個光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)、及僅一個單光傳輸結(jié)構(gòu)。光伏(PV)電池可有利地與每個單元-系統(tǒng)相關(guān)。太陽輻射由主聚光器聚焦到合并在低縱橫比片型波導(dǎo)光傳輸結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)上。每個相應(yīng)的光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)攔截所聚焦的光并使其橫向偏轉(zhuǎn)以主要經(jīng)由全內(nèi)反射(TIR)沿著光傳輸結(jié)構(gòu)的長度方向朝向光傳輸結(jié)構(gòu)的出射端傳播，在出射端光可被輸入到PV電池。可選的次級聚光器可進一步將從傳輸結(jié)構(gòu)出耦合的光聚集到PV電池中。
文檔編號F24J2/06GK102272537SQ200980154257
公開日2011年12月7日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者O·佩雷爾斯利格羅, 丹尼爾·瓦茲奎茲莫利尼, 歐塞比奧·貝爾納伯馬丁尼茲, 胡安·卡洛斯·馬丁尼茲安東 申請人:阿文戈亞太陽能新技術(shù)公司