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獲得輻射能的裝置的製作方法

2023-06-05 22:05:46

專利名稱:獲得輻射能的裝置的製作方法
技術領域:
本發明一般涉及用於有效地收集和會聚光線的裝置,尤其涉及一種收集 光線且將光線分成兩個或多個光譜帶的裝置,其.中每一個光譜帶被引導至單獨 的接收器。
背景技術:
輻射能的有效收集和會聚在許多應用中都是有用的,並且對於將太陽能 轉換成電能的設備而言特別有價值。會聚器太陽能電池使得有可能獲得相當多 的太陽能,並且將這種能量會聚成熱能或者從光伏接收器中產生直流電。
用於獲得太陽能的大規模光會聚器通常包括一組呈卡塞格倫 (Cassegmin)排列的對置曲面鏡,它們可作為一種用於將光會聚到焦點處的接 收器的光學系統。作為使用Cassegrain模型的若干個示例,授予Nakamura的 題為"Sunlight Collecting System"的美國專利5,979,438以及授予Winston等 人的題為"High Flux Solar Energy Transformation"的美國專利5,005,958都描 述了使用多組對置主鏡和次鏡的大規模太陽能系統。作為提供更緊湊的收集裝置的最新進展,已引入了平面會聚器,比如Roland Winston和Jeffrey M. Gordon 的題為"Planar Concentrators Near the Etendue Limit"的文章對此進行了描述
(Op"w丄e"eM,巻30,第19號,第2617 - 2619頁)。平面會聚器類似地使 用呈Cassegrain排列的主曲面鏡和次曲面鏡,它們被介電光學材料隔開,以便 提供高光通量會聚。
圖lA示出了用於光線收集的基本Cassegrain排列。具有光軸O的光伏 裝置IO具有拋物面形的主鏡12和次鏡14,次鏡14位於主鏡12的焦點附近。 接收器16則被置於該光學系統的焦點處,即在主鏡12的頂點處。所認識到的 這種體系結構的問題(即Cassegrain所固有的問題)在於,次鏡14對軸上光線 呈現出一定的遮蔽,使得一部分光線(標稱約10%)沒有到達主鏡12,從而 減小了光伏裝置10的整體光收集能力。若會聚器是圓柱形而非旋轉對稱的, 則這種遮蔽會特別大。在次鏡14所呈現的遮蔽的路徑中,將接收器16放置在 主鏡12的頂點在一定程度上減小了這種遮蔽所導致的損耗。然而,使用了圓 柱形光學配置,進行尺寸的調節幾乎不能補償這種遮蔽損耗,因為這種遮蔽的 大小隨主鏡12直徑的增大而成比例地放大。這意味著放大較大的鏡子直徑並 不會可觀地改變由較小鏡子的遮蔽所導致的固有損耗。
一些類型的太陽能系統通過將光能轉換成熱而進行操作。在各類平板收 集器和太陽能會聚器中,會聚的太陽光將流過太陽能電池的流體加熱至高溫以 便發電。太陽能轉換機制的一種備選類型更適用於薄面板和更緊湊的設備,它 使用光伏(PV)材料將太陽光直接轉換成電能。光伏材料可以由各類矽和其它 半導體材料構成,並且用半導體製造技術來製造,可由許多製造商提供,比如 Emcore Photo voltaics 、 Albuquerque 、 NM等。儘管矽不貴,但是更高性能的光 伏材料是由諸如鋁、鎵和銦等元素以及諸如氮和砷等元素製成的合金。
眾所周知,太陽光是高度多色的,包含廣泛分布的光譜內容,從紫外線
(UV)到可見光,還有紅外(IR)波長,每一個波長都具有相關的能級,通常 由電子-伏特(eV)表示。並不令人驚訝的是,因為各種半導體材料之間的帶 隙特徵不同,所以任何一種特定的光伏材料的響應都取決於入射波長。能級低 於材料帶隙的光子會穿過該材料。例如,高帶隙半導體並不吸收紅光光子(標 稱1.9eV左右)。同時,能級高於材料帶隙的光子被吸收。例如,在低帶隙半
10導體中,紫色光光子的過多能量(標稱3eV左右)作為熱量被浪費了。
從光伏材料中獲得更高效率的一個策略是形成層疊的光伏電池,有時也 稱為多結光伏器件。這些器件是通過將多個光伏電池彼此堆疊在一起而形成 的。使用這種設計時,該堆疊結構中每一個連續的光伏電池相對於入射光源都 具有較低的帶隙能量。在簡單的堆疊式光伏器件中,上面的光伏電池由砷化鎵 (GaAs)構成,可捕獲較高的藍光能量。銻化鎵(GaSb)製成的第二電池將較低能 量的紅外光轉換成電能。授予Sano等人的題為"Stacked Photovoltaic Device" 的美國專利6,835,888給出了堆疊式光伏器件的一個示例。
儘管堆疊式光伏器件可以提供一些提高整體效率的措施,但是這些多層 的器件製造起來會很貴。對於可彼此堆疊在一起的材料的類型,也存在許多限 制,從而使得這種方法很難證實對於廣泛的應用的經濟性。另一方法是根據波 長將光線分成兩個或更多個光譜部分,並且將每一個部分會聚到合適的光伏接 收設備,其中兩個或更多個光伏接收器並排放置。使用這種方法時,光伏器件
製造過程更簡單且成本更低,並且可以考慮使用各種各樣的半導體。這種解決 方案需要使用支持光學系統,用於將光線分成合適的光譜成分並且將每一個光 譜成分會聚到其相應的光伏表面上。
題為"New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells"的文章描述了一種以足夠大的強度同時分離和會聚光 線的解決方案,該文章是L. Fraas、 J. Avery、 H. Huang和E. Shifman在2005 年5月關於用於產生電能或氫的太陽能會聚的國際會議上提出的。在本文所描 述且在圖IB所示出的模塊中,曲面主鏡12收集光線並且將該光線引導至二向 色雙曲面次鏡14,該次鏡位於主鏡的焦平面附近。紅外光被會聚在主鏡焦點附 近的第一光伏接收器16處。次鏡使近可見光變向到主鏡頂點附近的第二光伏 接收器18處。這樣,每一個光伏接收器16和18都獲得了針對其優化過的光 能,從而增大了太陽能電池系統的整體效率。
儘管Fraas的文章所示的方法有利地利用了同一組光學組件來提供光譜 分離和光線會聚,但是對其所呈現的解決方案仍然存在一些嚴重的限制。第一 個問題涉及因孔徑的遮蔽而導致的整體損耗,如上文所提到的那樣。作為另一 個問題,Fmas等人所描述的裝置具有有限的天空視場,因為它在每一個軸上具
11有高度會聚,這是因其旋轉對稱所導致的。但是,另一個缺陷涉及提供給單個 光伏接收器的可見光的帶寬較寬。在使用許多類常用於可見光的光伏材料時, 使用這種方法仍然會浪費一定量的光能,從而有可能導致過熱。
二向色表面(比如Fraas的文章中所提出的解決方案中的雙曲面鏡子所 用的表面)利用幹涉效應來提供光譜分離,這種幹涉效應是由具有不同折射率 和其它特徵的多個重疊層所構成的塗層實現的。在操作過程中,二向色塗層根 據入射角和波長來反射和透射光線。隨著入射角的變化,二向色表面所透射或 反射的光線的波長也在變化。在光線入射角偏離法線超過+/- 20度的情況下使 用二向色塗層時,會出現非期望的光譜效應,使得光線的光譜分離在這種更高 的角度處會因入射角的變化而受到不利影響。
已有許多光收集器解決方案採用二向色表面進行光譜分離。例如,題為 "Spectral Beam Splitting Technology for Increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems: A Review"的文章中,作者A.G. Imenes禾卩D.R, Mills提供了一個關於太陽能收集系統的調查,其中包括使用二向色表面的一些 系統。例如,關於塔形反射器(Imenes和Mills的文章中的圖24)的描述顯示 出一種提出的解決方案,該方案將彎曲的二向色分束器用作光學收集系統的一 部分。 一部分光線在該表面上的高入射角可能導致這種解決方案在光效率方面 不太讓人滿意。相似的是,Soule的題為"Hybrid Solar Energy Generating System" 的美國專利4,700,013描述了將二向色表面用作選擇性加熱鏡。然而,如上面 Imenes的文章所提到的,Soule的'013專利所示的方法呈現出相當大的光學損 耗。這些損耗中的一部分涉及到被引導至所用的選擇性加熱鏡的光線的高入射 角。
用於從拋物面鏡子聚焦的光線的二向色表面的形狀和布置具有一些固 有的問題。位於拋物面反射器的焦點區域附近的平的二向色表面對於很多設計 而言都將呈現出較差的分離性能,從而限制了光收集系統的尺寸。適當彎曲的
二向色表面(比如雙曲面表面)可被定位於焦點區域處或其附近,但是遮蔽了 一部分可用的光線,就像上文所提到的那樣。
圖1C顯示出在輻射能收集裝置中使用平二向色分束器20進行光譜分離 的許多實施方式中所提出的常規方案的簡化版本。入射光被透鏡22會聚,並且被引導至以45度取向的分束器20,分束器20將該光譜帶的一部分反射到第 一光伏接收器16並且將該光譜帶的另一部分透射到第二光伏接收器18。Bamett 等人在2006年IEEE第4屆光伏能量轉換世界大會上發表的題為"50% Efficient Solar Cell Architectures and Designs"的文章中,將這種一般類型的解決方案描 述成"橫向光學系統"。上文所引用的Imenes等人的文章中的圖19、 23和24 顯示出基於這種一般解決方案的一些備選配置。
此類橫向光學系統呈現出良好的透光水平,但具有相對較低的效率。其 部分原因在於,在分束器20的二向色表面上入射光的角度相對較高從而導致 大量的光譜汙染。二向色塗層根據入射角和波長來反射和透射光線。隨著入射 角的變化,所透射或反射的光線的波長也在變化。由此,從分束器20反射的 光的光譜成分在接收器16和18的表面上是不同的,從而降低了能量轉換效率。
面對這些障礙(比如較差的二向色表面響應),常規方法只能提供有限 的幾種解決方案,用於同時實現良好的光譜分離以及每一種光譜成分的有效光 通量會聚。圖IA和IB的Cassegrain模型可以被優化,但總是在主鏡的焦點附 近呈現出一種阻礙,由此固有地處於不利的地位。在二向色表面上入射光角度 相對於法線較低之處,使用二向色分離的解決方案表現得最佳;然而,如圖1C 所示,許多已提出的設計似乎沒有對這些光譜分離特徵給予足夠的考慮,從而 導致分離情況較差或光線錯向以及效率下降。
由此,認識到,需要一種光伏電池,它能夠提供改善的光譜分離和光會 聚,能夠很容易地縮放以適用於薄板設計,能夠很容易地製造,並且提供比常 規光伏解決方案要高的效率。

發明內容
本發明的目的是改進光收集和光譜分離的技術。以此為目的,本發明提 供了一種從多色輻射能源中獲取能量的裝置,該裝置包括
a) 光會聚器,用於會聚入射輻射能並使其變向,該光會聚器具有光軸;
b) 光譜分離器,該光譜分離器與光會聚器間隔開並且被沿光軸設置且處於 經會聚的、變向的輻射能的路徑中,該光譜分離器包括
(i)第一平面,該第一平面被處理成朝著第一焦點區域反射從光會聚器處
13接收到的第一光譜帶的光並且透射第二光譜帶;
(ii)與第一平面間隔開且相對於第一平面傾斜的第二平面,其中該第 二平面被處理成使第二光譜帶穿過第一平面反射回並朝著與第一焦點區 域間隔開的第二焦點區域反射; 以及
C)第一和第二光接收器,
其中第一光接收器被設置成最接近第一焦點區域以便接收第一光譜帶,第 二光接收器被設置成最接近第二焦點區域以便接收第二光譜帶。
本發明的一個特點是它提供了兩個方面使光線的光譜分離成至少兩個 光譜帶;並且將每一個分離的光譜帶會聚到接收器上。
本發明的優點在於,通過以小入射角向光譜分離器的表面引導光線,就 可以改善將輻射能會聚到光接收器上的效率。
對於本領域技術人員而言,在結合附圖閱讀下面的詳細描述時,本發明 的這些和其它目的、特點以及優點都將變得明顯,附圖中顯示並描繪了本發明 的示例性實施方式。


圖1A是顯示出一種使用Cassegrain模型的光收集器的示意圖。 圖IB是顯示出一種使用Cassegrain模型的光收集器的示意圖,該光收集 器具有彎曲的二向色表面。
圖1C是顯示出一種使用光譜分離用常規裝置中的分束器的光收集器的示 意圖。
圖2A和2B是分別顯示出對於一個實施方式而言較高能量和較低能量光線 的光路的示意圖。
圖3是本發明的一個實施方式的透視圖。
圖4是一種備選實施方式的透視圖,其中光接收器移到光路的一側。 圖5是一種備選實施方式的透視圖,其中光接收器移到光路的另一側。 圖6是顯示出在具有摺疊光路的實施方式中較高能量光線的光路示意圖。圖7是顯示出在具有摺疊光路的實施方式中較低能量光線的光路示意圖。 圖8是顯示出一個使用反射式光會聚器的實施方式並顯示出低能量光的光 路的透視圖。
圖9是顯示出一個使用反射式光會聚器的實施方式並顯示出高能量光的光 路的透視圖。
圖IOA、 IOB和IOC分別是對於高能量光、低能量光和軸外光而言使用軸
外反射式拋物面設計的光處理的示意圖。
圖11是圖10A、 IOB和IOC所示的實施方式的透視圖。
圖12是顯示出本發明的另一個實施方式的各個組件的示意圖,其中具有
組合的軸外反射式非球面光會聚器。
圖13是顯示出使用組合的軸外反射式拋物面的低能量光的處理的示意圖。 圖14是顯示出使用組合的軸外反射式拋物面的高能量光的處理的示意圖。 圖15是顯示出 使用組合式軸外反射式拋物面的低能量和高能量光的組合
式處理的示意圖。
圖16是本發明的光伏器件的圓柱形實施方式的透視圖。
圖17是一個實施方式中的光伏器件的陣列的平面圖。
圖18是顯示出由組合式軸外反射式拋物面所構成的光伏器件的陣列的透視圖。
圖19是顯示了太陽能裝置的示意性透視圖,它能跟蹤適應輻射源的不斷 變化的位置。
具體實施例方式
本發明提供了一種光會聚器,用於提供增強的光譜分離和高度的光通量 會聚,超過了先前各種方法所提供的能力。本發明的光會聚器可以被用作光伏 電池的光學組件,被具體實施成分立的電池或光伏電池陣列的一部分。儘管本 發明的裝置很好地適用於光伏應用,但是其適用範圍是更廣的,使得在需要獲 得經光譜分離的會聚光能的任何應用中都可以使用本發明。
在本文中,術語"光"更廣泛地指代電磁波譜中的輻射能,"多色光"涵蓋了紅外光、可見光和紫外光等波長。在本說明書中,根據波長,引用了電 磁波譜中具有相對較低或較高能量等級的多個部分。如光伏領域的技術人員所 知,較低能量光線和較高能量光線之間的閾值很大程度上取決於所使用的光伏 接收器的特徵。儘管下面的描述可能給出用於某些實施方式中的示例閾值,但 是可以更寬泛地應用本發明的裝置和方法,其中閾值在很寬的範圍中變化。
術語"傾斜角"具有常規含義,即大於或小於直角(卯度)且不平行於 其參考面。
對於下面的每個實施方式而言,術語"光軸"具有常規含義。對於旋轉 對稱光學系統而言,光軸就對應於其旋轉對稱軸。然而,對於非對稱光學系統 而言,光軸更一般地定義為位於光會聚光學組件的孔徑中心處的光線所行進的 路徑。對於圓柱形光學系統而言,可能有相對於平面的對稱軸;這可以對應於 光軸或不對應於光軸。對於圓柱形光學器件而言,光軸處於有光強度的平面中, 正交於該圓柱形器件延伸的方向。為了清晰起見,在下文中,術語"光軸"在 使用時僅與單個折射或反射光學組件有關,而並不與包括多個組件的更大的光 學系統有關。在本文中,更一般的術語"光路"被用於描述本發明的光學系統 中的特定光譜成分所行進的路徑。
本說明書中所引用的圖示出了本發明的裝置的一般性概念以及關鍵的 結構和組件。這些圖沒有按比例繪製,並且為了清晰起見可能放大了各組件的 尺寸和相對排布。另外,折射角都僅僅是示例性的,並且根據所使用的電介質 材料和入射光的角度而變化。本文所描述的光譜帶是作為示例而非限制給出 的。
眾所周知,用特定光學系統所獲得的光會聚取決於其整體的幾何結構。 例如,完美的旋轉對稱拋物面反射器在理想情況下將經準直的光線引導至"焦 點"。圓柱形拋物面反射器(只沿著一個軸具有光強度)在理想情況下將經準 直的光線引導至"焦線"。然而,如光學製造領域的技術人員所熟知的那樣, 在實踐中只可能實現這種理想化的幾何形狀的合理近似,無論是完美的焦點還 是完美的焦線都是不可實現的,或者說都不是有效的光會聚所必需的。由此, 本發明的說明書和權利要求書不使用理想化的"焦點"或"焦線"等術語,而 是使用更一般的術語"焦點區域"。在下面的描述中,光學結構的焦點區域被
16視為是該結構的最高光會聚的空間區域或在其附近。
圖2A和2B的側面橫截面視圖以及圖3的透視圖顯示出根據本發明的 用於從太陽或其它多色光源獲得輻射能的光伏裝置30。光會聚器32朝著光譜 分離器40引導多色光,光譜分離器40使該入射光的一個光譜部分變向到第一 接收器34 (如圖2A中的光線R所示),並且使另一個光譜部分變向到第二接 收器36 (如圖2B所示)。第一和第二接收器34和36被基本上設置在相應光 譜帶的光的大致焦點區域處。即,第一光接收器被設置成最接近第一焦點區域 以便接收第一光譜帶,第二光接收器被設置成最接近第二焦點區域以便接收第 二光譜帶。
光譜分離器40是楔形的,具有兩個平的反射面二向色表面44和反射 面46。用塗層來處理二向色表面44,以使其朝著第一接收器34反射較短波長 處的光線並且透射較長的波長。反射面46即寬帶反射器往回反射較長的波長, 使之穿過二向色表面44併到達第二接收器36。反射面46可以是高度反射的鏡 面,或者可設置有二向色塗層。
二向色表面44和反射面46並不平行,但相對於彼此傾斜從而形成楔形。 在圖2A和2B的實施方式中,表面44和46 —般形成於基本上透明的光學材料 (比如玻璃或其它固體電介質材料)的相反兩側之上;然而,在備選實施方式 中表面44和46可以由空氣來分開。光會聚器32的光軸0與二向色表面44和 反射面46中的至少一個成一定的角度,而非正交。對於光伏器件30的整個光 學系統而言,光譜分離器40有效地為較長波長光線和較短波長光線提供了分 開的光路。如圖2A和2B所示,較長和較短波長光路可以被引導至光會聚器 32的光軸0的任一側,即接收器36和34,這些接收器遮住光會聚器32的孔 徑的一部分。或者,如下面的實施方式所示,較長和較短波長光線可以被引導 至置於光會聚器32的孔徑之外的接收器36和34。
關於入射光角度,圖2A和2B的光學配置優於其它光伏器件設計。被 引至二向色表面44的入射多色光相對於法線成相對微小的角度,從而提供了 良好的二向色性能,結果,提供了改善的效率。
當光線被基本上聚焦到接收器34和36上時,就實現了光線轉換的最高 會聚。當光會聚器32是折射組件(比如透鏡)時,有一些小量的色差。作為
17折射式會聚器32的色差的效果,較長的波長具有比較短的波長更長的光程長 度,由此其焦距比較短波長的焦距要更大。在一個實施方式中,這種微小的光
程長度差只是簡單地意味著接收器34和36並不處於同一平面內,而是彼此之 間偏移一點。然而,在另一個實施方式中,期望將接收器34和36基本上安裝 在同一平面內,比如當把這些器件安裝到平板或塑料板或玻璃板上時。在這種 情況下,通過適當地選擇在光譜分離器40的二向色表面44和反射面46之間 所使用的電介質材料,就可以補償這種光程長度差。如光學領域所公知的那樣, 這種電介質材料所能提供的光程補償的量正比於其厚度,並且反比於其折射 率。(注意到,從反射面46反射的光線在入射和出射方向上都穿透該電介質 材料,由此使給定厚度的電介質材料的光程補償效果翻倍。)
關於Cassegrain解決方案,如上文所注意的那樣,圖3的實施方式呈現 出光會聚器的孔徑的一部分被遮蔽的問題,因為接收器34和36處於入射光的 路徑中。然而,這種遮蔽適當地小於Cassegrain解決方案所對應的情況,因為 該遮蔽處於焦點區域。圖4和5的實施方式通過使光譜分離器40相對於光會 聚器32的光軸O的角度取向發生移動,來校正這種遮蔽問題。如圖4的透視 圖所示,光譜分離器40 (它具有結合前述實施方式所描述的楔形面44和46) 接收被光會聚器32折射的光線。光譜分離器40沿著光軸O (通常被稱為z軸) 定位,但是它具有至少一個不與z軸正交的表面44或46,並且相對於正交的x 和y軸中的至少一個傾斜。在圖4所使用的命名中,繞y軸的旋轉被標記為a; 繞x軸的旋轉被標記為J3。作為這種傾斜的結果,各個接收器34和36的焦點 區域從光會聚器32的光軸O移開,並且離開該孔徑,移到光會聚器32的一側。
圖4和5的安排的優點還在於,光譜分離器40的二向色表面或表面44 和46上的入射角減小了。因為該實施方式使接收器34和36移到入射光的路 徑之外並由此移到光會聚器32的孔徑之外,所以用該方法可以獲得效率提升。
用於使分離的光線的光程發生摺疊以獲得更長焦距的那些配置可以具 有許多優點。參照圖6和7,示出了光伏裝置30的實施方式,該裝置具有位於 光程中的摺疊鏡48或其它合適的反射面。光譜分離器40被顯示出具有增大的 厚度。此處,可以用熔融石英上的銀、或金來構成反射面46。如圖6的光程所 示,較高能量光線從二向色表面44處被反射,並且通過鏡子48被引導至接收器34。如圖7所示,較低能量光線穿透二向色表面44,在光譜分離器40中發 生折射,並且從反射面46被反射。這種較低能量光線再次穿透二向色表面44, 並且通過鏡子48被引導至接收器36。
如參照圖2A和2B所注意到的那樣,折射式光會聚器一般呈現出一些 色散量。圖8和9顯示出軸外非球面實施方式,它使用反射式光會聚器32來 消除該問題。入射的多色光(如光線R所示)在反射式光會聚器32的表面(在 一個實施方式中該表面是拋物面鏡子)上被反射,入射的光線如圖8和9所示 是軸外的。該光線被引導至光譜分離器40,光譜分離器40將光線分成兩個光 譜帶並且將每一個光譜帶引導至其相應的接收器34或36。
圖2A-9的實施方式被顯示為處於空氣之中。然而,使用光會聚器和楔 形表面進行光譜分離等相同的概念也可應用於那些引導光線穿過固體電介質 而到達反射式組件的實施方式。圖IOA、 IOB、 IOC、 11、 12、 13、 14和15的 實施方式顯示出使用固體電介質(比如玻璃或光學塑料)構成的光伏裝置30 的實施方式。這些實施方式可以是圓柱形的,沿著與其最高光強度的方向正交 的軸延伸(正交於所示的頁面)。用於較低和較高能量光線的第一和第二焦點 區域是線性的。光伏裝置30也可以是環形的,其光強度沿著兩個正交的軸。
圖IOA和10B示出了另一個實施方式,它使用軸外非球面光學設計從 而提供一種具有寬視場(FOV)的光伏裝置30。儘管外觀不同,但是圖IOA和 10B的非球面設計按照與圖8和9的實施方式相似的方式工作,且光譜分離以 及變向都根據入射多色光的角度和光譜成分而各不相同。本實施方式特別適用 於圓柱形裝置,光伏裝置30的光學組件由固體電介質(比如玻璃或光學塑料) 構成或形成於固體電介質上。圖IOA顯示出一個光譜帶的較高能量光線的光程; 圖10B顯示出較長波長的較低能量光線的光程。輸入面58處的入射光被引導 至光會聚器32,在本實施方式中就是軸外反射式非球面表面。旋轉對稱的軸 As (在該頁面的橫截面中)處於圖IOA和IOB所示取向中的拋物面之下。光會 聚器32會聚入射的多色光,從而將它引導至光譜分離器40。光譜分離器40將 高能量光線與低能量光線分離開。例如,在一個實施方式中,光譜分離器40 將近紅外波長(標稱在約750 nm上下)處的光譜帶分離開。二向色表面44將 高能量光反射到接收器34,並且透射低能量光,如圖IOA最佳地顯示。反射面
1946往回反射經透射的低能量光,使其穿過二向色表面44併到達接收器36,如 圖IOB最佳地顯示。
固體的實施方式(即,用電介質材料構成的實施方式)與處於空氣中的 情況相比,其優點在於視場(FOV)。圖IOC示意性地顯示出如何因內全反射 (TIR)而獲得擴展的FOV。在圖10C中,這種非球面實施方式中的光伏裝置 30接收軸外光線。光會聚器32朝著光譜分離器40引導入射的多色光。有利的 是,輸入面58充當光伏裝置30之內的光反射面,從而使其角度足以在電介質 光學介質中發生內全反射(TIR)的光線發生變向,進而使光路有效地摺疊。 圖11的透視圖顯示出這種TIR效果,這是從輸入面58的側面觀察到的。
對於圖10A-ll所示的實施方式,頁面的橫截面中的對稱軸As並不與光 會聚器32的表面相交。對於這種安排,對稱軸A,並不構成感興趣的光軸;相 反,如上文所述,光軸0僅僅是相對於光會聚器32的輸入孔徑而定義的。
圖10A-11的各種安排所面臨的一個困難涉及所捕獲光線的一小部分可 能被浪費了。因為二向色反射不是完美的,所以可能有一些較低波長光線發生 光洩漏,這些光線可能無意中透射穿過二向色表面44。 一些光線可以被有效地 捕獲在二向色表面44和反射面46之間。
圖12-15所示的實施方式將圖10A-11的安排鋪開,通過這樣做,就解 決了被捕獲光線的問題以減小這種效應。首先,參照圖12,示出了通過將圖 10A-11的實施方式中所使用的兩種相似的結構組合起來從而形成的光伏裝置 30的基本結構。對於這種實施方式,光伏裝置30具有兩個反射式光會聚器表 面62a和62b, 二向色表面60插放在它們之間並保持一傾角。每一個反射式光 會聚器表面62a和62b都具有其自身的旋轉對稱軸A^或Asb以及其自身的光軸 Oa或Ob。各個旋轉對稱軸Aw和Asb並不與其在本實施方式中相應的物理表面 相交,並且並不共線。在圖12的橫截面中,每一個光會聚器表面62a或62b
的光軸03和Ob都是由穿過會聚器表面中心的光線的路徑所定義的,並且通常
平行於旋轉對稱軸。二向色表面60位於上述兩個會聚表面之間,並且定位成 使得該表面相對於至少一個旋轉對稱軸是非平行的。
圖13示出了低能量光線在這種非球面實施方式的光伏裝置30內的路 徑。因為它透射高能光譜帶之外的光線,所以二向色表面60對於低能量光線
20路徑而言是有效地"透明的"。值得注意的是,入射到光會聚器表面62a的光 線透射穿過二向色表面60,並且沿著因輸入面58處的TIR而發生摺疊的光路, 將該光線引導至該裝置反面的光接收器36。注意到,為了能夠發生內全反射, 輸入面58可能需要或者可能不需要相對於光軸03和Ob保持一傾角。
圖14顯示出高能量光線在光伏裝置30中的路徑。對於這種光線,二向 色表面60充當反射器,從而使光路相應地發生摺疊。輸入面58上的TIR相似 地提供了另一種反射式光路摺疊,從而將光線引導至位於該裝置一側的接收器 34,相應的輸入多色光也處於這一側。圖15顯示出對於這種實施方式的低能 量光線和高能量光線的組合光路。
圖12-15中所示的實施方式減小了與圖IOA和IOB的實施方式相關的光 線被捕獲的問題。再次參照圖15, 一些較高能量光線發生洩漏並穿透二向色表 面60並且沒有被反射,這些光線被引導至光伏裝置30反面的光接收器34、 36。 圖12-15所示的光伏接收器30的實施方式可以是圓柱形設計,形成於合適的電 介質材料上,如其它實施方式那樣。
仍然參照圖12-15,可以用反射式塗層來塗敷光會聚器表面62a和62b, 通常這是通過施加反射式金屬塗層或二向色塗層而形成的。在備選實施方式 中,光會聚器表面62a和62b可以利用內全反射(TIR)來反射入射的多色光 並使其變向。這將要求用高折射率n的電介質材料來形成光伏裝置30並且將 光會聚器表面62a和62b安排成具有適合於TIR的形狀和傾角。在另一個備選 實施方式中,光伏裝置30可以提供相鄰的光會聚器表面62a和62b,而沒有二 向色表面60的光譜分離。此處,用於光會聚器表面62a的光接收器被定位成最 接近於光會聚器表面62b,並且用於光會聚器表面62b的光接收器被定位成最 接近於光會聚器表面62a。在這種安排中,位於光伏裝置30的頂部邊緣和底部 邊緣處的光接收器可以是多結光伏電池或其它光伏電池類型。這種備選實施方 式也將提供增強的視場,這是通過使用輸入面58處的TIR而提供的。
本發明的方法和裝置也可以用於提供圓柱形和陣列形的光伏器件。本發 明的光伏器件的實施方式可以被製造成分立的器件,或者被製造成適用於陣 列。圖16的透視圖顯示出圓柱形的光伏裝置70,它基於圖2A-2B所示的模型。 此處,光伏裝置70在x方向上延伸,使用了所示的坐標映射。通過將兩個或
21更多個這樣延伸的光伏裝置70恰當地層疊起來,就可形成一個陣列。圖17顯 示出一種備選的陣列72的安排,它使用了排列成多行多列的光伏裝置30的矩 陣。圖18顯示出陣列72,它包括由組合式軸外反射式拋物面構成的光伏器件, 比如圖12-15所示的那些。如光學設計領域的普通技術人員所能理解的那樣, 所使用的任何電介質材料的折射率n都必須要考慮在內,以使這些陣列器件的 響應和效率達到最佳。
相對於輻射源的取向
太陽能跟蹤系統和方法是公知的,並且可以很容易地調整以分立或陣列 的形式來使用光會聚器30。圖19顯示出根據本發明的太陽能系統80。安排並 設計一種或多種輻射能會聚裝置(比如陣列72)以跟蹤太陽。當太陽的E-W 位置在一天之中相對於地球76不斷變化時,控制邏輯處理器82控制跟蹤致動 器84以使光伏裝置70恰當地取向,並且做出恰當的N-S取向所必需的微小調 節。控制邏輯處理器82可以是基於計算機或專用微處理器的控制裝置。通過 測量在一個位置處獲得的電流的相對的量,或者通過獲得某種其它合適的信 號,控制邏輯處理器82可感測位置。響應於這種表示位置的信號,控制邏輯 處理器82接下來提供控制信號以命令跟蹤致動器84相應地做出位置調節。
本發明的裝置能夠使用具有橫向安排的光伏接收器,並不要求多結或層 疊的安排。在這種橫向的安排中,分離的光譜帶被引導至合適的光伏電池,每 一個光伏電池都經優化以便從該光譜帶中的波長獲得光能。本發明的裝置可以 被用於提供分立的模塊化的光會聚元件或光會聚器陣列。該裝置是可縮放的並 且可適用於薄板應用或更大尺寸的輻射能裝置。 一個或多個光接收器34和36 可以是光伏器件,由任何適於所提供光譜帶的光伏材料製成,其中包括矽、砷 化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)和其它材料。 一個或多個光接收器34或36可以是 多結光伏接收器。通過使用將熱轉換成電的材料, 一個或多個光接收器34和 36可以是熱伏型或熱光伏型,其中包括熱電材料,比如汞鎘碲化物熱二極體。 一個或多個光接收器34、 36可以是電荷耦合器件(CCD)或其它光傳感器。
在上文中,本發明的裝置可以被簡單地描述成光伏裝置。然而,按其最 廣範的應用,本發明的裝置可用作一種輻射能收集器,該收集器能夠將這種能 量分離成多個光譜帶並且使每個光譜帶朝著某一類型的光接收器變向。在備選實施方式中, 一個或多個光接收器34、 36是另一個光學子系統的輸入像平面, 比如用於能量產生或光譜分析的子系統。光接收器34、 36可以是到光波導(比 如光纖)的輸入。
可以觀察到,提供給光接收器的兩個或更多個光譜帶並不是清晰地光譜 分離的,而是有一些重疊,其中每一個光譜帶包含一些相同的波長。 一定量的 光譜沾汙是不可避免的,因為二向色響應是不完美的並且光線可能沒有以法線 角度入射,從而使二向色塗層的性能下降。二向色塗層可以被優化,以使光譜 沾汙減小到期望的較低的水平。如上所述,可向光譜分離器40的反射面46提 供二向色塗層,而非提供某種其它類型的反射塗層,由此提供了比許多類型的 常規鏡面塗層要高的效率。對於上述任何實施方式,光譜帶可以被定義和優化 以便最佳地適應某一應用的要求。
由此,所提供的是一種裝置,它收集來自太陽或其它多色輻射源的光線, 將光線分成兩個或多個光譜帶,並且將每一個光譜帶提供給光接收器。
權利要求
1. 一種用於獲取來自多色輻射能源的能量的裝置,所述裝置包括a)光會聚器,用於會聚入射輻射能並使其變向,該光會聚器具有光軸;b)光譜分離器,該光譜分離器與光會聚器間隔開並且被沿著光軸設置且處於經會聚的變向的輻射能的路徑中,該光譜分離器包括(i)第一平面,該第一平面被處理成朝著第一焦點區域反射從光會聚器處接收到的第一光譜帶的光並且透射第二光譜帶;(ii)與第一平面間隔開且相對於第一平面傾斜的第二平面,其中該第二平面被處理成朝著與第一焦點區域間隔開的第二焦點區域往回反射第二光譜帶使其穿過第一平面;以及c)第一和第二光接收器,其中第一光接收器被設置成最接近第一焦點區域以便接收第一光譜帶,且第二光接收器被設置成最接近第二焦點區域以便接收第二光譜帶。
2. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 所述第一平面反射可見光波長。
3. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於,所述第一平面反射紅外光波長。
4. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 所述第一平面具有二向色塗層。
5. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 所述第二平面具有二向色塗層。
6. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 第一光接收器和第二光接收器中的至少一個是光伏接收器。
7. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 第一光接收器和第二光接收器中的至少一個是熱伏接收器。
8. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 第一光接收器和第二光接收器中的至少一個包括光纖。
9. 如權利要求l所述的裝置,其特徵在於, 第一光接收器和第二光接收器中的至少一個是另一個光學系統的輸入面。
10. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 第一光接收器和第二光接收器中的至少一個是多結光伏電池。
11. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 固體電介質材料位於第一和第二平面之間。
12. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 所述光會聚器是反射式的。
13. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 所述光會聚器是折射式的。
14. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 所述光會聚器的光軸介於第一和第二焦點區域之間。
15. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 固體電介質材料介於光會聚器和光譜分離器之間。
16. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於,第一和第二接收器中的至少一個遮蔽光會聚器的孔徑的一部分。
17. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 第一和第二接收器都沒有遮蔽光會聚器的孔徑的一部分。
18. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於,所述光譜分離器還包括介於第一和第二平面之間的固體電介質材料,其中第 一和第二光接收器基本上位於同一平面中。
19. 如權利要求12所述的裝置,其特徵在於, 所述光會聚器在橫截面中大致是拋物線形。
20. 如權利要求1所述的裝置,其特徵在於, 第一和第二平面中的至少一個是相對於光會聚器的光軸傾斜的。
21. 如權利要求11所述的裝置,其特徵在於, 所述固體電介質材料選自玻璃和塑料所構成的組。
22. —種用於獲取來自多色輻射能源的輻射能量的裝置,所述裝置包括a) 第一反射式光會聚器,用於會聚入射的多色光並使其變向, 其中第一反射式光會聚器具有第一對稱軸和第一光軸;b) 第二反射式光會聚器,用於會聚入射的多色光並使其變向, 其中第二反射式光會聚器具有第二對稱軸和第二光軸,其中第二光軸與第一光軸是非共線的,並且其中第二對稱軸與第一對稱軸是 非對稱的;c) 二向色表面,該二向色表面被設置在第一和第二反射式光會聚器之間並且 處於來自第一和第二反射式光會聚器的經變向的多色光的路徑之中,光譜分離器反 射從光會聚器處接收到的第一光譜帶的光並且透射其它的光,其中所述二向色表面被設置成使得它與第一和第二對稱軸中的至少一個不平行;d) 第一光接收器,被設置成接收從第一反射式光會聚器處引導的且在二向色 表面處發生反射的第一光譜帶的光;e) 第二光接收器,被設置成接收從第二反射式光會聚器處引導的且在二向色 表面處發生反射的第一光譜帶的光;f) 第三光接收器,被設置成接收從第二反射式光會聚器處引導的且透射穿過 二向色表面的第一光譜帶之外的光;以及g) 第四光接收器,被設置成接收從第一反射式光會聚器處引導的且透射穿過 二向色表面的第一光譜帶之外的光。
23. 如權利要求22所述的裝置,其特徵在於, 所述第一對稱軸平行於所述第二對稱軸。
24. 如權利要求22所述的裝置,其特徵在於, 所述第一反射式光會聚器形成於具有第一輸入面的固體電介質材料上。
25. 如權利要求24所述的裝置,其特徵在於, 第一光譜帶的光因內全反射從第一輸入面處反射。
26. 如權利要求24所述的裝置,其特徵在於, 第二光譜帶的光因內全反射從第一輸入面處反射。
27. 如權利要求24所述的裝置,其特徵在於, 第二反射式光會聚器形成於具有第二輸入面的固體電介質材料。
28. 如權利要求24所述的裝置,其特徵在於, 所述第一輸入面相對於第一對稱軸有一個傾斜角。
29. 如權利要求27所述的裝置,其特徵在於, 所述第一輸入面和第二輸入面是非平行的。
30. 如權利要求22所述的裝置,其特徵在於, 第一和第二反射式光會聚器中的至少一個在橫截面中大致呈拋物線形。
31. 如權利要求22所述的裝置,其特徵在於, 第一反射式光會聚器包括選自二向色塗層和金屬塗層所構成的組中的反射式塗層。
32. 如權利要求22所述的裝置,其特徵在於, 第一反射式光會聚器被形成為利用內全反射使入射的多色光變向。
33. —種包括多個收集器的陣列,用於從多色輻射能量源中獲得輻射能,其 中每一個收集器包括a) 光會聚器,用於會聚入射的輻射能並使其變向;b) 光譜分離器,該光譜分離器與光會聚器間隔開並且處於經會聚的變向的輻 射能的路徑中,該光譜分離器包括(i) 第一平面,該第一平面被處理成朝著第一焦點區域反射從光會聚器處接收到的第一光譜帶的光並且透射第二光譜帶;(ii) 與第一平面間隔開且相對於第一平面傾斜的第二平面,其中該第二平面被處理成朝著與第一焦點區域間隔開的第二焦點區域往回反射第二光譜帶使其穿過 第一平面; 以及c) 第一和第二光接收器,其中第一光接收器被設置成最接近第一焦點區域以便接收第一光譜帶,第二 光接收器被設置成最接近第二焦點區域以便接收第二光譜帶。
34. —種包括多個收集器的陣列,用於從多色輻射能量源中獲得輻射能,其 中每一個收集器包括a) 第一反射式光會聚器,用於會聚入射的多色輻射能量並使其變向, 其中第一反射式光會聚器具有第一對稱軸和第一光軸;b) 第二反射式光會聚器,用於會聚入射的多色輻射能量並使其變向, 其中第二反射式光會聚器具有第二對稱軸和第二光軸,其中第二光軸與第一光軸是非共線的,並且其中第二對稱軸與第一對稱軸是 非共線的;c) 二向色表面,該二向色表面被設置在第一和第二反射式光會聚器之間並且 處於來自第一和第二反射式光會聚器的經變向的多色光的路徑之中,光譜分離器反 射從光會聚器處接收到的第一光譜帶的光並且透射其它的光,其中所述二向色表面被設置成使得它與所述對稱軸中的至少一個不平行;d) 第一光接收器,被設置成接收從第一反射式光會聚器處引導的且在二向色 表面處發生反射的第一光譜帶的光;e) 第二光接收器,被設置成接收從第二反射式光會聚器處引導的且在二向色 表面處發生反射的第一光譜帶的光;f) 第三光接收器,被設置成接收從第二反射式光會聚器處引導的且透射穿過 二向色表面的第一光譜帶之外的光;以及g) 第四光接收器,被設置成接收從第一反射式光會聚器處引導的且透射穿過 二向色表面的第一光譜帶之外的光。
35. —種用於獲取來自多色輻射能源的輻射能量的裝置,所述裝置包括a) 第一反射式光會聚器,用於會聚入射的多色光並使其變向, 其中第一反射式光會聚器具有第一對稱軸和第一光軸;b) 第二反射式光會聚器,用於會聚入射的多色光並使其變向, 其中第二反射式光會聚器具有第二對稱軸和第二光軸, 其中第一和第二光會聚器彼此相鄰,其中第二光軸與第一光軸是非共線的,並且其中第二對稱軸與第一對稱軸是非共線的;c) 第一光接收器,該第一光接收器定位成最接近於第二光接收器並且設置成 接收從第一反射式光會聚器處變向的光線;d) 第二光接收器,該第二光接收器定位成最接近於第一光接收器並且設置成 接收從第二反射式光會聚器處變向的光線。
全文摘要
一種用於從多色輻射能量源中獲取能量的裝置,具有光會聚器,用於會聚入射的輻射能量並使其變向,還具有光軸;以及光譜分離器,該光譜分離器沿著該光軸設置,與光會聚器間隔開,並且還處於經會聚的變向的輻射能量的路徑中。該光譜分離器具有第一平面,該第一平面被處理成朝著第一焦點區域反射第一光譜帶的光並且透射第二光譜帶;第二平面,該第二平面與第一平面間隔開且相對於第一平面傾斜。該第二平面被處理成朝著與第一焦點區域間隔開的第二焦點區域往回反射第二光譜帶使其穿過第一平面。第一和第二光接收器被設置成最接近各個焦點區域以便接收第一和第二光譜帶。
文檔編號H01J3/14GK101512763SQ200780033342
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月24日 優先權日2006年8月3日
發明者J·H·布魯寧, J·M·克比 申請人:康寧股份有限公司

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