光采集和聚集系統的制作方法

專利名稱：光采集和聚集系統的制作方法
光采集和聚集系統相關申請數據本申請要求美國系列號12/389466和國際申請PCT//US09/34630的優先權，這兩者都于2009年2月20日提交，其本身要求在西班牙專利商標局于2008年11月12日提交的西班牙優先權申請號P20083237的優先權。政府資助不適用。背景
1.發明領域本發明的實施方式通常關于光采集和聚集系統。更具體地，本發明的實施方式貫注于太陽輻射采集和聚集系統及其部件；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及其部件的應用；且更具體地，貫注于太陽能聚集光伏(CPV)系統。
2.
背景技術：
從20世紀到現在，已提出和開發了無數太陽能系統和組成這些系統的部件。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在成本和效率方面與用于商業和居住環境的能量產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太陽光伏系統的截面圖。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)到能夠將所采集的能量傳輸到光伏(PV)電池8的有源次級部件31中。如圖1所示，該系統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。太陽能采集系統的一個眾所周知的設計目標是單元尺寸減小而效率增大。S卩，如果太陽能系統相對地薄、緊湊、容易部署、易于維修及成本有效，則太陽能系統可在商業上受益。如圖1所示，在每個光采集透鏡和PV電池之間有一一對應性。圖2以與圖1類似的方式示出了該系統的更緊湊的設計。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中部署的系統比圖1的系統薄，但尺寸減小的代價是有源部件31i、312*PV電池S1A2的數量變為兩倍。類似地，如果透鏡部件2被分為4個較小的透鏡，則有源部件和PV電池的數量將增大4倍，依此類推。隨之產生的部件數量的增大升高了系統成本和潛在的系統故障率。考慮到太陽能領域的這些及其他已知的挑戰，發明人認識到更薄、更緊湊、更高效、更可靠、價格更低及以其它方式在當前技術水平上改進的太陽能系統和相關部件的利益和優勢。概述本發明的一個實施方式貫注于光采集和聚集系統。該系統包括主聚光器、單光傳輸結構及光引導結構。該系統可包括次級聚光器。該系統可還包括與每個單元-系統相關的PV電池，所述每個單元-系統包括多個主聚光器及相應的多個光引導結構、單光傳輸結構及可選地，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傳輸結構的大面積表面上。 光引導結構在所述傳輸結構處或內攔截所聚焦的光并通常使其橫向偏轉以沿著所述傳輸結構的平面長度傳播。可提供次級聚光器以聚集從所述波導的出射端耦合出的光，該光進入PV電池或將該光引導到PV電池的結構。根據非限制的、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，光柵、全息圖)是可使用的主聚光器的非限制性實例。 根據各種非限制方面，單個主聚光器可采取傳統的聚焦透鏡、菲涅爾透鏡、直圓柱透鏡、曲圓柱透鏡(例如，全環或其弧段)、拋物面反射鏡(或其段)的形式及本領域已知的其他形式。因此，單元-系統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)_環形圓柱透鏡型聚光片。與單元-系統相關的單光傳輸結構是薄片波導的形式；S卩，具有比該結構的一般長度L小得多的厚度T ；因此具有由T/L限定的低縱橫比。該結構將以上(頂)表面和下 (底)表面為界限，所述上(頂)表面和下(底)表面限定所述結構內的較高的折射率和結構外的較低的折射率之間的邊界，以便便于光沿著所述結構的內部的長度經由本領域內已知的全內反射(TIR)進行傳播。該結構將具有一端(以下稱為出射端)，光從該端傳播出傳輸結構。根據各個非限制方面，該結構的內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在其內傳播光的固體、液體、或氣體材料。前述的光引導結構提供了一種裝置，通過該裝置，從主聚光器聚集的光被輸入到傳輸結構的出射端和/或在光傳輸結構內的期望傳播方向上被引導到所述傳輸結構的出射端。因此，光引導結構可適當地起作用來例如從主聚光器捕獲多半垂直入射到傳輸結構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構的長度朝向其出射端傳播。在一個非限制方面，光引導結構可以是被橫向切割為傳輸結構的頂表面或底表面的光反射面，其經由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過程來反射輸入光。在每個單傳輸結構中，多個光引導結構將相應地與單元-系統的多個主聚光器相關。因此，根據相應的主聚光器中的每個的配置和幾何尺寸，每個光引導結構可為有限的或連續的結構。根據非限制方面，傳輸結構的頂表面和/或底表面可具有平的、樓梯式、或階梯式(梯形形狀的)頂表面或底表面，其可為平的或彎曲的，該傳輸結構包含光引導結構作為其整體的表面部分。根據可選的方面，光引導結構可以按棱鏡、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結構的所需功能的其他結構的形式布置在傳輸結構的內部中。根據一個實施方式，等深光采集和聚集系統包括具有第一部分和至少第二部分的聚光層；特征為折射率IV1的第一光傳輸層，其包括布置在其頂表面和底表面中的一個的至少一部分中并與所述聚光層的第一部分光學配準的多個光引導元件，并具有相應的側端主光出射面；特征為折射率IV1 (其中IV1 < IV1)的第一透光介質層，其緊鄰聚光層和第一光傳輸層布置；特征為折射率IV2的至少第二光傳輸層，其包括布置在其頂表面和底表面的至少一個中并與聚光層的至少第二部分相應地光學配準的多個光引導元件，并具有相應的側端主光出射面；以及特征為折射率n2_2(其中n2-2<rv2)的相應的至少第二透光介質層，其緊鄰第一光傳輸層和第二光傳輸層布置。在一個實施方式中，復合光采集和聚集系統包括第一集光器和具有外側部分的至少第二集光器，所述第一集光器包括第一聚光層；特征為折射率IV1的第一光傳輸層，所述第一光傳輸層具有相應的側端主光出射面，且還包括布置在其底表面中并與所述底表面成一個角度從其向內延伸且與所述第一聚光層光學配準的多個光引導元件；及特征為折射率Iv1的第一透光介質層，其中Iv1 < Iv1，第一透光介質層緊鄰所述第一聚光層和所述第一光傳輸層布置；所述第二聚光器包括第二聚光層，特征為折射率rv2的第二光傳輸層， 所述第二光傳輸層還包括布置在其底表面上的一部分中并與所述底表面成一個角度從其向內延伸且與所述第二聚光層光學配準的多個光引導元件；及特征為折射率n2_2的第二透光介質層，其中n2_2 < rv2，所述第二透光介質層布置在所述第二聚光層和所述第二光傳輸層之間，且由所述第二光傳輸層的平面平行區域組成的內側部分具有相應的側端主光出射面，其中所述內側部分鄰近所述第一光傳輸層的下方布置；及特征為折射率η’ 2_2的透光介質層，其中n’2-2 ^ rv2且< rv2，其緊鄰所述第二光傳輸層的所述平面平行區域的頂表面布置。在復合光采集和聚集系統實施方式的一個方面中，該系統還包括具有外側部分的至少第三集光器，所述第三集光器包括第三聚光層；第三光傳輸層，其特征在于折射率rv3，并且還包括布置在其底表面的一部分中并與所述底表面成一個角度從其向內延伸且與所述第三聚光層光學配準的多個光引導元件；及第三透光介質層，其特征在于折射率 n2-3，其中n2-3 < rv3，第三透光介質層布置在所述第三聚光層和所述第三光傳輸層之間，且由所述第三光傳輸層的平面平行區域組成的內側部分具有相應的側端主光出射面，其中所述內側部分鄰近所述第二光傳輸層的下方布置；及透光介質層，其特征在于折射率n’2-3，其中η’ 2_3 ^ η2_3且< rv3，透光介質層緊鄰所述第三光傳輸層的所述平面平行區域的頂表面布置。可選的次級聚光器用于采集在低縱橫比傳輸結構內傳播的光并進一步聚集它以用于通過傳輸結構的出射端耦合出并進入被布置成接收耦合出的光的接收器，例如PV電池。根據非限制方面，聚光光學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)傳輸結構的出射端以接著聚集和耦合出該光到PV電池中。光學部件可由與適于執行預期功能的傳輸結構相同或不同的材料制成。可選地，傳輸結構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；或以其他方式適當成形的)以在傳輸結構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構內傳播的光的IlR和/或鏡面反射和/或漫反射。根據各個方面，上面公開的任何系統實施方式可為旋轉對稱的360°環形圓盤狀系統的方位角(餅形)部分的形式，其中系統的出射面在旋轉對稱的環形盤的部分的環形頂點區域處或內側處。如果使系統的餅形部分的外側邊緣變直，使得每一部分現在大致類似于在平面圖中的三角形(具有切去頂端的頂點)，多個系統部分可邊靠邊地交錯以產生直行形狀的系統。可選地，邊靠邊布置的兩個或多個部分將形成彎曲的系統形式，一直到和包括全360°圓盤形式。
對于旋轉對稱的360°環形圓盤狀系統形式，在系統的內環側端面處的輸出光在二次聚集之前或過程中可從光傳輸方向(+ζ方向)旋轉實質上90° (到_y方向)，取決于次級聚光器的形狀和光學表面特性。在如本文中體現的光采集和聚集系統的各個方面中，主聚光器部件的非光學面和光傳輸結構的非小平面式的表面可以共同傾斜，使得系統的因而形成的總縱向外觀例如是平的而不是楔形的，且在任何情況下在體積上減小。本發明的另外的特征和優點將在隨后的詳細描述中被闡明，且從該描述中部分地對本領域技術人員來說是明顯的，或者通過如本文所述的實踐本發明——包括權利要求及附圖——而被認識到。應理解，上文的概括描述和下文的詳細描述僅為本發明的示例，且旨在提供用于理解本發明的性質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明的進一步理解，且被并入本說明書中并構成本說明書的一部分。附圖示出了本發明的各種實施方式且與描述一起來解釋本發明的原理和操作。附圖的簡要描述圖1是一般現有技術太陽能系統的截面示意圖；圖2是與圖1示出的系統類似的更緊湊的一般現有技術太陽能系統的截面示意圖；圖3是根據本發明的例證性實施方式的光采集和聚集系統的截面示意圖；圖4是根據本發明的例證性實施方式的與圖3示出的系統類似的更緊湊的光采集和聚集系統的截面示意圖；圖5A-5E示出了根據本發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示出了根據本發明的一個例證性方面的系統的環_圓形主聚光器部件的不同視圖；圖7示出了根據本發明的示例性方面的主聚光器部件的示意性截面圖；圖8示出了根據本發明的示例性方面的反射型系統的示意性截面圖；圖9A、9B示出了根據本發明的示例性方面的以反射折射系統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構的示意性透視圖；圖11示意性示出了根據本發明的例證性方面的包含兩個光引導結構的光傳輸結構的截面圖；圖12示意性示出了根據本發明的例證性方面的可選的光傳輸結構和一體的光引導結構的截面圖；圖13示意性示出了根據本發明的例證性方面的可選的光傳輸結構和一體的光引導結構的截面圖；圖14示意性示出了根據本發明的例證性方面的可選的光傳輸結構和一體的光引導結構的截面圖；圖15是根據本發明的例證性方面的帶有離散的光引導結構的光傳輸結構的示意性俯視平面圖16是根據本發明的例證性方面的帶有連續的光引導結構的光傳輸結構的示意性俯視平面圖；圖17是根據本發明的例證性方面的帶有連續的光引導結構的光傳輸結構的示意性俯視平面圖；圖18A、18B分別示出了根據本發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；圖19 (A、B、C)示出了根據本發明的示例性方面的餅形簡單光采集和聚集系統的各種視圖；圖19D是示出有助于解釋表1的局部示意性截面圖；圖20 (A、B、C)分別示出了根據本發明的一個實施方式的等深光采集和聚集系統的透視cad-cam圖、在圖20A示出的等深光采集和聚集系統的分解圖、及在圖20A示出的等深光采集和聚集系統的示意性截面圖；圖21示出了根據圖20C的實施方式的可選方面的局部等深光采集和聚集系統的示意性截面圖；圖22(A、B、C)分別示出了根據本發明的一個實施方式的復合光采集和聚集系統、 第一集光器/傳輸部分、第二集光器/傳輸部分、及第三集光器/傳輸部分的透視cad-cam 圖；圖23 (A、B、C)分別示出了在圖22 (B、C和D)中示出的第一、第二和第三集光器/ 傳輸部分的概略截面圖；圖M是根據本發明的一個示例性方面的以線性行形式組裝的一系列切去頂端的扇形光采集和聚集系統的概略俯視平面圖；圖25是根據本發明的一個例證性方面的次級聚光器的透視cad-cam圖；圖^(A、B)分別為根據本發明的一個方面的示出了在光傳輸部件的出射面處的扁平轉鏡(turning mirror)的旋轉對稱的光采集和聚集系統的概略截面圖和耦合到圖 26(A)的系統的次級聚光器的透視線框圖；圖27是根據本發明的一個方面的示出了帶有曲面鏡的次級聚光器的旋轉對稱的光采集和聚集系統的概略截面圖；圖觀是根據本發明的一個示例性方面的被幾何地修改為具有平的而非楔形厚度剖面的光采集和聚集系統的示意性截面圖；圖28b是根據本發明的一個示例性方面的在聚光器和傳輸層之間具有不規則的邊界剖面的示例性系統；圖29(a、b)分別以截面示出了根據本發明的一個方面的光采集和聚集系統的圖 28a的結構的可選幾何結構的分解圖和組裝圖；圖30示出了根據本發明的一個方面的在圖29(b)示出的組裝的系統的示意性透視圖；圖31是根據本發明的一個方面的具有可選的(例如，流體)介質材料的光傳輸結構部件的示意性截面圖；圖32是根據本發明的示例性實施方式的光采集和聚集系統的示意性截面圖；圖33是根據本發明的一個方面的菲涅爾透鏡主聚光器的透視cad-cam圖；圖34是根據本發明的一個方面的光采集和聚集系統的一部分的概略性截面圖， 其示出了圖33中所示的在反轉方向上的菲涅爾透鏡主聚光器。
本發明的實施方式的詳細描述圖3示意性地示出了根據本發明的例證性實施方式的光采集和聚集單元-系統 100-1的截面部分，其提供了系統部件、系統配置和系統操作的總體概覽。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所確定的折射、反射或衍射， 光301被聚集到相應的區域30 ，其被示為焦平面上的焦斑。相應的光引導結構30 攔截光的焦斑，并提供用于將光注入單元-系統的單傳輸結構350中并引導它在箭頭313的方向上在傳輸結構內傳播的裝置。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的光引導結構注入的光，朝著圖3的右側傳播的光強度累積地增大。傳輸結構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構。一個可選的次級聚光器310被示為直接耦合到傳輸結構的出射端，并用于通過次級聚光器的出射端進一步聚集從傳輸結構耦合出的光，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示意性地示出根據本發明的一個例證性實施方式的光采集和聚集單元-系統 100-2的截面部分，其與圖1的100-1的系統類似，除了主聚光器40 的數量和大小分別增大和減小且光引導結構40 的數量增大以匹配每個相應的主聚光器以外，導致比圖3示出的更緊湊(至少更薄)的系統。注意，再次，每個單元-系統僅具有一個相應的光傳輸結構和一個PV電池。下面是根據本發明的非限制方面的適合于用在具體化的發明中的各種部件和部件系統的描述。主聚光器主聚光器具有兩個主要功能采集入射太陽輻射；及在與相應的光引導結構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。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，雖然該術語并不旨在將聚光限制到主聚光器的光學焦點本身。根據一個實施方式，主聚光器是折射部件；S卩，在本領域中已知的各種類型的透鏡。基于系統設計參數，可以提供用具有期望物理和光學特性的適合的材料制成的折射部件，所述物理和光學特性包括但不限于折射率、尺寸、形狀、曲率、二次曲線常數、方位、幾何結構等。將進一步認識到，根據本發明的非限制方面的光采集和聚集單元-系統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形或其他有順序的互連，及其他配置。根據一個例證性方面，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。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，如下文結合圖7所示的。根據圖6的例證性實施方式，所采集的輸入光將最終在向內徑向方向(粗體箭頭L)上傳播到位于每個單元-系統的徑向原點處的 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-系統相關的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的非限制、例證性方面，所示系統包括多個主聚光器702η和具有一體地合并的光引導結構710的折射率為η2的光傳輸結構。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(S卩，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(圖的右端)到最小的環(圖的左端)單調增大。光引導結構710在光傳輸結構720 的底表面715中形成，形成如所示的階梯形表面。光傳輸結構的頂表面是平的，且表示高/ 低折射率邊界(Ii1Sn2)以在傳輸結構內支持TIR。在一種原型設計中，透鏡的通光孔徑范圍從0. 5mm到約7mm。光引導結構的尺寸被優化為在0. 05mmX0. 05mm到ImmX Imm之間。 光引導結構的角度被優化為在41°到45°之間。從主聚光器入射到光引導結構上的光的錐角被優化為在20°到23°之間。光在光引導結構內在方向L上傳播。根據另一實施方式，主聚光器是一反射部件，S卩，本領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的截面圖，其中參考數字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構820中的光引導結構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的方向上被全內反射或以其他方式反射。本領域技術人員將認識到，根據主聚光器的預期功能，反射主聚光器單元的幾何結構可類似于上述折射型主聚光器單元的幾何結構。根據一個可選的方面，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。太陽輻射1入射到折射部件932上，且此后在聚焦到傳輸結構920中的相應的光引導結構上之前在半聚集狀態中傳播到反射部件934。光引導結構和光傳輸結構根據本發明的一個實施方式，光引導結構和光傳輸結構形成一體的部件。如上所討論的，光引導結構的功能是從主聚光器接收焦斑(其在一個方向上傳播)并將光引導到傳輸結構中，因此光可在傳輸結構內在大體上橫穿入射光方向的方向上傳播。根據本發明的實施方式的一般片型光傳輸結構1050在圖10的示意性透視圖中示出。該結構具有寬(W)、長(L)和厚⑴的一般尺寸，如在附隨的x-y-z坐標系統中所標出的。光傳輸結構具有由T/L定義的低縱橫比。在示例性設計中，T為大約3到5mm，而L在約300mm-500mm之間。寬度(W)可根據總系統幾何形狀(例如，矩形、圓形、餅形等)變化。 光傳輸結構具有間隔開厚度(T)的頂表面部分1021和底表面部分1022，光在出射端IOM 離開光傳輸結構的，如實線箭頭指示的。光傳輸結構一一本質上為光波導——有利地具有在結構內的較高的折射率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，使得光經由全內反射(TIR)主要在結構內傳播，如虛線箭頭所示。適當的頂表面和/或底表面的部分也可具有反射涂層以有助于未被全內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結構1102、1104的例證性光傳輸結構的截面。光引導結構1104是光傳輸結構的一個表面，其由從底表面部分1022的區域延伸的局部橫切的橫向切口形成。對于光引導結構1104，來自與光引導結構1104相關的主聚光器(未示出)的聚焦輻射1130在其焦點處被光引導結構1104攔截。根據光引導結構1104 的角度方向，由于在表面后的凹口區域具有小于或等于光傳輸結構(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全內反射。可選地或另外，類似的光引導結構1102是光傳輸結構的一個表面，其由從頂表面部分1021的區域延伸的局部橫切的橫向切口形成。對于光引導結構1102，來自與光引導結構1102相關的主聚光器(未示出)的聚焦輻射1132在其焦點處被光引導結構1102攔截。陰影區域1103表示表面1102 上的反射涂層，其將入射的聚焦光1132反射到結構內以用于朝向結構的出射端的隨后IlR 傳播。光引導結構的準確的角方向將取決于反射過程的性質、透鏡的f/#、及傳輸結構的折射率n2。例如，光引導結構1104后的凹口區域可填充有較低折射率的介質材料以便于在光傳輸結構內的TIR。圖12-14示出了光傳輸結構及一體的光引導結構的可選方面。在每種情況中，光傳輸結構具有折射率n2 > 1，且被具有折射率叫=1的空氣包圍。在圖12中，光傳輸結構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中描述和標記為1104的結構的光引導結構1210n。向上通到每個光引導結構的底表面部分1209n是直的斜面。來自與光引導結構^^^相關的相應的主聚光器(未示出)的聚焦光1230i主要從表面UlO1全內反射到斜面部分120 上， 光從該斜面進一步主要被全內反射并且當其在方向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反射。圖13示意性地示出了與光傳輸結構1250類似的光傳輸結構1350的階梯式表面的截面，除了在每個相應的光引導結構1310η之前的底表面部分1309η平行于頂表面部分 1301及光傳輸結構的寬度在每個臺階處增加每個相應的光引導結構的高度以外，如所示。圖14示出了光傳輸結構和光引導結構的另一個可選的設計。在這種情況下，頂表面部分1401階梯式地平行于連續平坦的底表面部分1402。將認識到，在圖11-14的截面中示出的傳輸結構例如可被擠壓，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，環形/柱形)。圖15是光傳輸結構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結構1510tqp和從底表面部1502延伸的光引導結構1510bqt。圖16和17分別示出了可選的光傳輸結構1650、1750，其具有單獨地連續的頂部光引導結構和底部光引導結構1610TQP、1610BQT和1710TOP、1710BQT，其均取決于它們每個相應的主聚光器(未示出)的幾何結構。在它們相應的光引導結構上的聚焦光斑的寬度將部分地取決于系統的厚度。 該厚度可影響光引導結構的尺寸。因此，例如，如果光引導結構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的光引導結構的位置之間的對準誤差提供一定的空間。將在下面描述更詳細的數值實例。
由于嚴格和具有挑戰性的對準要求，主聚光器表面和光引導結構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。光傳輸結構的可選的所設想的實施方式可包括整個嵌入光傳輸結構內的光引導結構。這種光傳輸結構的實例可包括棱鏡、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結構的所需功能的其他結構。次級聚光器如上所述，在光傳輸結構內傳播的光在如所示的光傳輸結構的出射端處例如在圖 10的IOM處耦合出。雖然在示例性方面，光傳輸結構的厚度T可為大約3mm-5mm，但光傳輸結構(見圖10)的寬度W不需要被限制，除了所述結構用來在出射端處累積地聚集所有輸入到光傳輸結構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)傳輸結構的出射端處的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構的出射端和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聚焦到具有相應的多個光引導結構(未示出) 的單光傳輸結構1804。光通過IlR在傳輸結構內在方向L上傳播。分離的復合拋物面次級聚光器1800-1被示為直接耦合(例如，粘接)到傳輸結構的出射端，于是次級聚光器的表面1801成為傳輸結構的最終出射端。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構的以復合拋物面(1800-1)或直梯形(1800- 形狀的整體端。根據次級聚光器的設計，傳播光可繼續被全內反射直到耦合出，或可以用其他方式反射直到耦合出。相應地，次級聚光器可具有與傳輸結構相同或不同的材料，可為實心的、空心的、填充氣體的、或以其他方式被適當地構造以執行其預期的功能。圖19A、19B、19C分別示出了截去頂端的餅形簡單光采集和聚集系統1900_1、其分解圖和其側截面圖，該系統類似于在圖6B和7中示出的系統。如所示，系統1900-1被示為具有示例性的次級聚光器2700(見圖25)，所示次級聚光器2700耦合到光傳輸層1923的光出射面。系統1900-1在本文稱為“簡單”(與“復合”相對)系統，因為它包括單個主聚光層1921、單個光傳輸層1923和夾在其間的低折射率透光介質層1981。如在圖19C中更詳細地示出的，光傳輸層的底表面包括多個光注入元件1910。入射的太陽輻射1912由主聚光層1921的小透鏡聚集到相應的注入小平面1910上。光從其在(+ζ)方向上被全內反射，于是次級聚光器可進一步將光聚焦到PV電池(未示出)中。如在圖19C中更清晰地示出的， 主聚光層被按比例調整以適應傳輸層的階梯式幾何結構，導致例如與圖13和14示出的類似的具有楔形剖面的系統。下面的表1參考圖19D并根據非限制性、示例性實例列出了簡單的楔形光采集和聚集系統的一些設計參數(所有的尺寸單位為毫米(mm))。R是透鏡的曲率半徑，cc是二次曲線常數，以及寬度T和步幅是在圖19D中示出的尺寸。主聚光器由43個類似的環組成， 所述環在頂部具有折射面及在底部具有反射臺階。所述折射面是具有二次曲線常數cc的凸面。聚光器材料是PMMA。如表1所列的，#1是最外側的聚光器環，#43是最內側的聚光器環。
權利要求
1.一種光采集和聚集系統，包括 聚光層，其具有第一部分和至少第二部分；第一光傳輸層，其以折射率IV1為特征，包括布置在其頂表面和底表面中的一個的至少一部分中的、與所述聚光層的所述第一部分光學配準的多個光引導元件，并具有相應的側端主光出射面；第一透光介質層，其以折射率Iv1為特征，其中Iv1 < Iv1,所述第一透光介質層緊鄰所述聚光層和所述第一光傳輸層布置；至少第二光傳輸層，其以折射率IV2為特征，包括布置在其頂表面和底表面的至少一個中的、與所述聚光層的所述至少第二部分相應地光學配準的多個光引導元件，并具有相應的側端主光出射面；及相應的至少第二透光介質層，其以折射率n2_2為特征，其中n2_2 < rv2，所述相應的至少第二透光介質層緊鄰所述第一光傳輸層和所述第二光傳輸層布置。
2.根據權利要求1所述的光采集和聚集系統，還包括光耦合到所述第一側端出射面和第二側端出射面的次級聚光器。
3.根據權利要求1所述的光采集和聚集系統，其中所述第一光傳輸層和所述第二光傳輸層中的至少一個的所述光引導元件布置在相應的光傳輸層的頂表面中，所述光采集和聚集系統還包括緊鄰所述相應的光傳輸層的底表面布置的反光層。
4.根據權利要求1所述的光采集和聚集系統，其中所述聚光層包括菲涅爾透鏡。
5.一種光采集和聚集系統，包括 第一集光器，其包括第一聚光層；第一光傳輸層，其以折射率IV1為特征，具有相應的側端主光出射面，且還包括布置在其底表面中并從所述底表面與其成一個角度向內延伸的、與所述第一聚光層光學配準的多個光引導元件；及第一透光介質層，其以折射率Iv1為特征，其中Iv1 < Iv1,所述第一透光介質層緊鄰所述第一聚光層和所述第一光傳輸層布置；及至少第二集光器，其具有外側部分并包括第二聚光層；第二光傳輸層，其以折射率IV2為特征，且還包括布置在其底表面的一部分中并從所述底表面與其成一個角度向內延伸的與所述第二聚光層光學配準的多個光引導元件；及第二透光介質層，其以折射率n2_2為特征，其中n2_2 < rv2，所述第二透光介質層布置在所述第二聚光層和所述第二光傳輸層之間，及內側部分，其由所述第二光傳輸層的平面平行區域組成，具有相應的側端主光出射面， 其中所述內側部分鄰近所述第一光傳輸層的下方布置；以及以折射率η’ 2_2為特征的透光介質層，其中η’ 2_2 ^ η2_2且< rv2，所述透光介質層緊鄰所述第二光傳輸層的所述平面平行區域的頂表面布置。
6.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，還包括 至少第三集光器，其具有外側部分并包括第三聚光層；第三光傳輸層，其以折射率IV3為特征，且還包括布置在其底表面的一部分中并從所述底表面與其成一個角度向內延伸的與所述第三聚光層光學配準的多個光引導元件；及第三透光介質層，其以折射率n2_3為特征，其中n2_3 < rv3，所述第三透光介質層布置在所述第三聚光層和所述第三光傳輸層之間，及內側部分，其由所述第三光傳輸層的平面平行區域組成，具有相應的側端主光出射面， 其中所述內側部分緊鄰所述第二光傳輸層的下方布置；以及以折射率η’ 2_3為特征的透光介質層，其中η’ 2_3 ^ η2_3且< 叫_3，所述透光介質層緊鄰所述第三光傳輸層的所述平面平行區域的頂表面布置。
7.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，其中所述第一光傳輸層和所述第二光傳輸層的所述底表面具有階梯式形狀。
8.根據權利要求7所述的光采集和聚集系統，其中所述階梯式表面的每個非光引導部分平行于所述光傳輸層的相對的表面。
9.根據權利要求6所述的光采集和聚集系統，其中所述第三光傳輸層的所述底表面具有階梯式形狀。
10.根據權利要求9所述的光采集和聚集系統，其中所述階梯式表面的每個非光引導部分平行于所述光傳輸層的相對的表面。
11.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，其中所述系統是旋轉對稱圓盤的形狀， 此外其中所述側端光出射面形成所述旋轉對稱系統的環形原點。
12.根據權利要求11所述的光采集和聚集系統，其中所述系統是圓盤的方位角部分的形狀。
13.根據權利要求6所述的光采集和聚集系統，其中所述系統是旋轉對稱圓盤的形狀， 此外其中所述側端光出射面形成所述旋轉對稱系統的環形原點。
14.根據權利要求13所述的光采集和聚集系統，其中所述系統是圓盤的方位角部分的形狀。
15.根據權利要求11所述的光采集和聚集系統，其中所述第一聚光層和所述第二聚光層還包括相鄰的環形聚光元件。
16.根據權利要求15所述的光采集和聚集系統，其中所述第一聚光層和所述第二聚光層的所述環形聚光元件相對于相應的底表面的階梯式部分按比例調節。
17.根據權利要求16所述的光采集和聚集系統，其中所述第三聚光層還包括相鄰的環形聚光元件。
18.根據權利要求17所述的光采集和聚集系統，其中所述第三聚光層的所述環形聚光元件相對于所述第三光傳輸層的階梯式部分按比例調節。
19.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，其中特征為折射率η’2_2的所述透光介質層是空氣。
20.根據權利要求6所述的光采集和聚集系統，其中特征為折射率η’2_3的所述透光介質層是空氣。
21.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，其中所述第一聚光層和所述第二聚光層是菲涅爾透鏡。
22.根據權利要求21所述的光采集和聚集系統，其中所述菲涅爾透鏡被布置在反轉的菲涅爾透鏡方向上。
23.根據權利要求6所述的光采集和聚集系統，其中所述第三聚光層是菲涅爾透鏡。
24.根據權利要求23所述的光采集和聚集系統，其中所述菲涅爾透鏡被布置在反轉的菲涅爾透鏡方向上。
25.根據權利要求5所述的光采集和聚集系統，還包括光耦合到所述側端出射面的次級聚光器。
26.根據權利要求6所述的光采集和聚集系統，還包括光耦合到所述側端出射面的次級聚光器。
27.根據權利要求25所述的光采集和聚集系統，還包括耦合到所述次級聚光器的光出射面的轉鏡。
28.根據權利要求27所述的光采集和聚集系統，其中所述轉鏡具有彎曲的反射面。
29.一種光采集和聚集系統，包括聚光層，其包括在其頂表面中的多個小透鏡，具有成形的底表面； 光傳輸層，其具有折射率，還具有互補成形的頂表面，在沿著所述互補成形的頂表面與所述成形的底表面之間的界面的每一位置處，所述互補成形的頂表面平行于所述成形的底表面；包括多個光引導元件的底表面，每個光引導元件與所述聚光層的所述多個小透鏡中的相應的一個光學配準；及側端主光出射面；以及透光介質層，其具有比所述光傳輸層的折射率低的折射率，布置成緊鄰所述聚光層的底表面和所述光傳輸層的頂表面；其中所述系統具有在光傳播方向上的恒定的厚度T。
30.根據權利要求四所述的光采集和聚集系統，其中所述頂表面和所述底表面中的每個均具有平的單調傾斜的剖面。
31.一種光采集和聚集系統，包括聚光層，其包括在其平的頂表面中的多個小透鏡，具有包括非傾斜的底表面的恒定厚度部分和包括傾斜的平的底表面的單調增大的厚度的部分；光傳輸層，其具有折射率，還具有與所述聚光層的所述恒定厚度部分互補并包括非傾斜的平的頂表面部分和非傾斜的底表面部分的恒定厚度部分，所述非傾斜的底表面部分包括多個光引導元件，每個光引導元件與所述聚光層的所述小透鏡中的相應的一個光學配準，且所述光傳輸層還具有包括傾斜的平的頂表面區域部分和非傾斜的底表面部分的單調減少的厚度部分，所述非傾斜的底表面部分包括多個光引導元件，每個光引導元件與所述聚光層的所述小透鏡中的相應的一個光學配準；及透光介質層，其具有比所述光傳輸層的折射率低的折射率，布置成緊鄰所述聚光層的底表面和所述光傳輸層的頂表面，其中所述系統具有在光傳播方向上的恒定的厚度T。
32.根據權利要求31所述的光采集和聚集系統，其中所述光傳輸層的頂表面和所述聚光層的底表面在沿著這兩個表面之間的界面的所有位置處相互平行。
全文摘要
一種光采集和聚集系統包括主聚光器、光傳輸結構及與主聚光器光學相關的光引導結構。該系統可包括可選的次級聚光器。每個單元-系統包括多個主聚光器和相應的多個光引導結構、及僅僅單光傳輸結構。光伏(PV)電池可有利地與每個單元-系統相關。太陽輻射由主聚光器聚焦到合并在低縱橫比片型波導光傳輸結構中的相應的光引導結構上。每個相應的光引導結構攔截聚焦光并使其橫向偏轉以主要經由全內反射(TIR)沿著光傳輸結構的長度朝向光傳輸結構的出射端傳播，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構耦合出的光聚集到PV電池中。
文檔編號F24J2/08GK102272538SQ200980154260
公開日2011年12月7日 申請日期2009年8月4日 優先權日2008年11月12日
發明者O·佩雷爾斯利格羅, 丹尼爾·瓦茲奎茲莫利尼, 塞巴斯蒂安·希門尼斯卡帕羅, 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公司