CN101361197A - 用于聚集光的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于得到辐射能量的一种装置具有第一和第二光电接收机。设置主要反射曲面向第一焦平面反射入射的多色辐射。在第一焦平面和主要反射曲面之间设置光谱分离器。光谱分离器具有二色性分离表面，该表面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的，以及处理而向第一光电接收机反射第一光谱带和发射在第一光谱带外的经反射的多色辐射。光谱分离器还具有分离器反射曲面，该表面相对于通过二色性分离表面发射的光为凸起的，并且处理而向第二光电接收机反射通过二色性分离表面发射的至少一部分光。

Description

用于聚集光的方法和装置

有关申请的交叉参考

本申请要求2005年12月19日提交的、题为“Method and Apparatus forConcentrating Light”的美国临时申请60/751810号的权益。

技术领域

本发明一般涉及用于收集光的装置，尤其涉及收集光、根据光谱内容分离光以及把经分离的光聚集到两个或多个接收机的装置。

背景技术

在许多应用中，辐射能量的有效收集和聚集是有用的，并且对于把太阳能转换成电能的装置具有特别的价值。聚能器太阳能电池使之有可能得到大量的太阳能，并且聚集该能量使之成为热或用于从光电接收机产生直流电流。

得到太阳能的大规模光聚能器一般包括安排成用于使光聚集到放置在焦点处的接收机的光学系统的、一组相对立的曲面镜。只是作为几个例子，Nakamura的题为“Sunlight Collecting System”的美国专利5,979,438号以及Winston等人的题为“High Flux Solar Energy Transformation”的美国专利5,005,958号的两个文件中描述了大规模太阳能系统，该系统使用相对立的主要和次要镜的组。作为提供更小型化收集装置的更近的开发，已经引入了平面聚能器，诸如Roland Winston和Jeffrey M.Gordon在Optics Letters，30卷，19期，2617-2619页的题为“Planar Concentrators Near the EtendueLimit”的文件中所描述的解决方案。平面聚能器使用通过介电光学材料分开的主要和次要的曲面镜，用于提供高的光通量聚集。

一些类型的太阳能系统是通过使光能转换成热能而操作的。在各种类型的平板收集器和太阳能聚能器中，聚集的太阳光使通过太阳能电池流动的液体加热到产生电功率的高温。更适用于薄的面板和更小型化设备中使用的、另外类型的太阳能转换机构使用光电(PV)材料，使太阳光直接转换成电能。可以从各种类型的硅和其它半导体材料来形成光电材料，并且使用半导体制造技术来制造。许多制造商提供光电部件，例如，诸如Emcore Photovoltaics，Albuquerque，NM。在硅是较不昂贵的同时，较高性能的光电材料是由诸如铝、镓和铟之类的元素与诸如氮和砷之类的元素一起制造的合金。

众所周知，太阳光包含分布较广的光谱内容，范围从紫外(UV)，通过可见，到红外(IR)波长，每个波长具有相关联的能级，一般以术语电子-伏特(eV)来表示。不必惊奇，由于材料之间的不同带隙特性，任何一种特定光电材料的响应都取决于入射波长。能级在材料带隙之下的光子从中滑掉。例如，高带隙半导体不吸收红光光子(名义上在1.9eV左右)。同时，吸收能级大于材料的带隙的光子。例如，在低带隙半导体中，作为热而浪费了来自紫外光光子的能量(名义上在3eV左右)。

从光电材料得到较高效率的一个策略是形成堆叠的光电电池，有时也称为多结光电器件。通过在光电池的顶部相互堆叠多个光电电池来形成这些器件。具有如此的设计，在堆叠中的每个相继的光电电池相对于入射光源具有较低的带隙能量。例如，在一个简单的堆叠光电器件中，由砷化镓(GaAs)组成的上光电电池捕获较高能量的蓝光。锑化镓(GaSb)的第二电池把较低能量的红外光转换成电。在Sano等人的题为“Stacked Photovoltaic Device”的美国专利6,835,888号中给出堆叠光电器件的一个例子。

在堆叠光电器件可以在总效率方面提供某些改进措施的同时，这些多层的器件制造起来成本较高。在可以堆叠在一起的材料类型方面也存在限制，使得如此的方法在大范围应用方面的经济性也是一个疑问。另外的方法是根据波长把光分离成两个或多个光谱部分，并且把每个部分聚集到合适的光电器件上。这个方法使光电器件的制造简化，成本减少，并且可以考虑使用极多种的半导体。这个类型的解决方案需要支持光学器件，用于把光分离成合适的光谱分量和把每个光谱分量聚集到它相应的光电表面上。

2005年5月由L.Fraas、J.Avery、H.Huang以及E.Shifman发表在电或氢的产生的太阳能聚集国际会议上的题为“New Cassegrainian PV Moduleusing Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells”的文章中描述了用于以足够的强度同时分离和聚集光的一个提案。在所描述的模块中，主要曲面镜收集光和把该光引向接近主要镜的焦平面的次要的二色性双曲线镜。IR光聚集在接近主要镜的焦平面的第一光电接收机上。次要镜再把近端-可见光引导到位置接近于主要镜的顶点的第二光电接收机。这样，每个光电接收机得到相对其最优化的光能量，增加了太阳能电池系统的总效率。

在Fraas等人文章所示的方法有利地提供光谱分离和使用光学部件组聚集光的同时，所提出的解决方案还存在一些重要的限制。作为一个问题，Fraas等人描述的装置对于天空具有有限的视场，因为由于其旋转对称性而在每个轴上具有高度的聚集。另一个问题涉及提供给单个光电接收机的可见光的较宽的带宽。对于通常用于可见光的许多类型的光电材料，在使用这种方法时仍会浪费可观的光能量。

为了同时得到光谱分离以及每个光谱分量的高光通量聚集，传统方法只提供了有限数量的解决方案。这两个目标有些冲突，在使用少量部件而还必须提供高光通量聚集的小型化光学系统中是难于实施解决光谱分离问题的许多传统方法的。因此，要认识到，存在对于一种光电电池的需求，这种光电电池同时提供光谱分离和光聚集两者，对于薄板设计中的使用可以容易地定标，提供比传统光电解决方案高的效率，并且可以用沿天空中太阳改变位置的行进路径的至少一个轴上的实质的视场进行操作。

发明内容

本发明的一个目的是提高光收集和光谱分离的技术。有了关于这个目标的想法，本发明就提供了用于得到辐射能量的装置，包括：

a)第一和第二光电接收机；

b)设置成向第一焦平面反射入射的多色辐射的主要反射曲面；以及

c)设置在第一焦平面和主要反射曲面之间的光谱分离器，光谱分离器包括：

(i)二色性分离表面，该表面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的，以及处理而向第一光电接收机反射第一光谱带和发射在第一光谱带外的经反射的多色辐射；

(ii)分离器反射曲面，该曲面相对于通过二色性分离表面发射的光为凸起的，并且处理而向第二光电接收机反射通过二色性分离表面发射的至少一部分光。

在另一个实施例中，本发明提供用于得到辐射能量的装置，包括：

a)具有用于接受入射的多色辐射的输入面的实质上透明材料的三维主体；

b)设置成向第一焦平面反射多色辐射的主要反射曲面；以及

c)设置在第一焦平面和主要反射曲面之间的光谱分离器，光谱分离器包括：

(i)二色性分离表面，该表面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的，以及处理而向第一光电接收机反射第一光谱带和发射在第一光谱带外的经反射的多色辐射；

(ii)分离器反射曲面，该曲面相对于通过二色性分离表面发射的光为凸起的，并且处理而向第二光电接收机反射通过二色性分离表面发射的至少一部分光。

从另一个方面，本发明提供用于得到辐射能量的装置，包括：

a)用于调节入射的多色辐射以得到经色散的多色辐射的色散单元；

b)设置成向第一焦平面反射经色散的多色辐射的主要反射曲面；

c)设置在第一焦平面之前和相对于入射的经反射的经色散的多色辐射为凸起的次要反射曲面，

其中处理而使次要反射曲面向第二焦平面反射至少一部分经色散的多色辐射；

d)设置在第二焦平面附近用于接收从次要反射曲面反射的经色散的多色辐射的第一光谱带的第一光电接收机；以及

e)设置在第二焦平面附近用于接收从次要反射曲面反射的经色散的多色辐射的第二光谱带的第二光电接收机。

从再另一个方面，本发明提供用于得到辐射能量的装置，包括：

a)用于调节入射的多色辐射以得到经色散的多色辐射的色散单元；

b)设置成向第一焦平面反射经色散的多色辐射的主要反射曲面；

c)设置在第一焦平面之前和相对于入射的经反射的经色散的多色辐射为凸起的次要反射曲面，

其中处理而使次要反射曲面发射第一光谱带和向第二焦平面反射第一光谱带外的经色散的多色辐射；

d)设置在第一焦平面附近用于接收第一光谱带的第一光电接收机；

e)设置在第二焦平面附近用于接收从次要反射曲面反射的经色散的多色辐射的第二光谱带的第二光电接收机；以及

f)设置在第二焦平面附近用于接收从次要反射曲面反射的经色散的多色辐射的第三光谱带的第三光电接收机。

本发明的一个特征是提供至少两个光谱带的光的光谱分离以及把每个经分离的光谱带聚集到一个接收机中。

本发明的优点在于提供了能够增加用于把辐射能量聚集到光电接收机中的效率的一种机构。

在阅读了示出和描述本发明的一个示意性实施例的下述详细说明以及附图后，本发明的这些和其它目标、特征和优点对熟悉本领域的技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是示意性方框图，示出根据卡塞格伦(cassegrain)模型的传统双镜光电模块。

图2是根据本发明的示意性方框图，示出用于得到辐射能量的装置的基本配置。

图3是一个实施例的示意性方框图，示出使用使光色散的棱镜的装置。

图4是使用光谱色散的棱镜阵列来聚集辐射能量的装置的部分透视图。

图5是使用所形成的折射主体和定向为提供光谱色散而聚集辐射能量的装置的横截面图。

图6是光聚能器阵列的透视图。

图7A和7B分别是从光聚能器结构的输入面和侧面附近看的透视图。

图8是使用二色性光谱分离器来聚集辐射能量的装置的横截面图。

图9是在另外的实施例中使用二色性光谱分离器来聚集辐射能量的装置的横截面图。

图10A和10B是横截面图，示出用于把光引导到两个光电接收机中的一个光电接收机的光谱分离器的性能。

图11A和11B是横截面图，示出图8和9的实施例中使用的光谱分离器的性能和组成。

图12A和12B分别是在环面实施例中本发明的光聚能器的顶视图和侧视图。

图13A、13B和13C是透视图，示出在圆柱形实施例中本发明的光聚能器对于不同角度的入射光的光处理性能。

图14是横截面图，示出光聚能器定向不正确时的光处理。

图15是侧面横截面图，示出在光聚能器阵列中行进的杂散光。

图16是示意性透视图，示出太阳能装置进行跟踪以适应于辐射源位置的改变。

具体实施方式

本发明提供一种光聚能器，该光聚能器提供超过各种早期方法能力的、增强的光谱分离和高度的光通量聚集。可以使用本发明的光聚能器作为光电电池的光学部件，具体表现为分立的电池或作为光电电池阵列的一部分。

本说明中参考的附图示出本发明的装置的一般概念以及关键结构和部件。这些附图不是按比例画出来的，为了清楚起见，可以夸大部件的尺寸和相对布置。通过例子给出这里描述的光谱带而并非限制。

对用于光通量聚集和光谱分离的本发明的方法与传统上遵循的方法进行比较是有益的。图1是简化的侧视方框图，示出双镜光电模块10的基本操作，诸如前面背景部分中Fraas等人的文章所描述的那样。事实上，这个配置存在两个光学系统，每个都具有焦平面。高度地多色的和包含可见波长以及红外和紫外波长的太阳光或其它辐射作为入射光I入射在诸如抛物线镜之类的主要反射曲面12上，并且向位于由主要反射曲面12和次要反射曲面14构成的第一光学系统的焦平面附近的次要反射曲面14反射，通过次要反射曲面14发射。次要反射曲面14定位在一个位置上，该位置在相对于来自主要反射曲面12的反射光的路径的焦平面之前。次要反射曲面14可以是双曲线镜，例如，为了操作而使用反射可见波长的和发射IR光的二色性涂层进行调节或处理。IR光通过次要反射曲面14发射到位置与由主要反射曲面12和次要反射曲面14构成的光学系统的焦平面尽可能接近的IR PV接收机16。另一方面，通过第二光学系统引导可见光V，反射回来而朝向可见的PV接收机18，该可见的PV接收机18在位于主要反射曲面12的顶点附近的第二焦平面处。该第二焦平面是由主要反射曲面12和次要反射曲面14构成的光学系统的焦平面，具有来自次要反射曲面14的反射。具有次要反射曲面14有效地把光引导到两个光学系统的每一个的这样的配置，使可见和IR光两者都分离和聚集到它们各自的PV接收机16和18中。

为了比较，图2的简化的侧视方框图示出一般用于本发明中的光聚能器30的方法。再次，这里把IR光引导到在由主要反射曲面12和次要反射曲面14构成的光学系统的焦平面附近的IR PV接收机16。在图2中把第一焦平面标注为P。再次，主要反射曲面12一般是具有正的光焦度(power)的抛物线镜。在次要反射曲面14处，或在位于焦平面P之前的、以及一般是双曲线的和具有负的光焦度的相关表面处，再次反射可见光V。熟悉光学技术的人员都精通这个基本的“卡塞格伦(cassegranian)”配置，该配置分别使用具有正的和负的光焦度的相对的主要和次要曲面镜。示出了光轴O的位置。

术语“焦平面之前”是相对于从主要反射曲面12反射的光的路径的。即，参考图2和根据这个模型配置的本发明的实施例，熟悉光学设计技术的技术人员会理解，次要反射曲面14位于第一焦平面P和主要反射曲面12之间，但是位于第一焦平面P的附近。在本发明的一个最优化的实施例中，为了较佳地收集光，使PV接收机16放置得尽可能接近第一焦平面P；因此，对于PV接收机16的位置使用描述性短语“接近焦平面”。因此，熟悉光学设计技术的技术人员会理解，对于短语“接近焦平面”或“在焦平面处”必定允许一些范围。

与用于光聚集的传统卡塞格伦实施例不同，本发明的光聚能器30还提供入射光的光谱分离的附加措施。在光聚能器30中，反射光本身在光谱上分离成引导到可见PV接收机18’的较长波长可见光V’的光谱带以及引导到可见PV接收机18”的较短波长可见光V”的另一个光谱带。当IR光引向第一焦平面时，分离的可见光分量V’和V”聚集到第二焦平面处它们各自的PV接收机18’和18”。在太阳能实施例中，与图2所示的坐标轴配置中沿y方向延伸的尺寸d对应的每个接收机18’和18”的高度，在该轴中，在通过双镜光学系统提供的放大下，适合于包含太阳圆盘的图像。本发明的光聚能器30着手的问题是以最小损耗进一步分裂接收到的光以及在不同光谱带到达它们各自的PV接收机18’和18”时的不同光谱带之间提供合适的分离。在这个实施例的优化中，每个光谱带在各自的接收机18’和18”中的该轴上形成(y方向的高度为d的)太阳圆盘图像。光聚能器30可以是按旋转对称方式弯曲主要和次要反射曲面12和14的分立的设备，或可以是在沿x方向延伸的z-y平面中的一个轴具有光焦度但是在x-z平面中没有光焦度的圆柱形结构。对于本发明的实施例，接近第一焦平面P的PV接收机16是任选的，但是提供增加光电容量的优点。

使用棱镜色散的实施例

在如图3所示的一个实施例中，光聚能器30提供入射光的色散，使入射光的光谱扩展以形成多个光谱带，然后把每个光谱带聚集到一个合适的接收机中。在图3的实施例中，使用棱镜20作为光聚能器30中的色散单元，以在光谱上使一部分接收到的光色散，从而提供经色散的多色辐射。如熟悉光学技术的技术人员所众知，折射量随波长变化，以致通过棱镜的折射角是波长的函数。与较长的波长相比，在棱镜折射中，较短的波长被赋予较大的角度改向。因此，例如，蓝光具有相对较大的折射角；另一方面，较长的红和IR波长具有相对较小的折射角。光学材料的折射色散是两个波长之间的折射的差。在大多数光学材料中，较短波长带中的折射色散要比较长波长带中的折射色散更大。

图3示出放置在入射辐射的路径中的棱镜20，该棱镜调节入射辐射而提供所需要的色散以允许可见PV接收机18’和18”之间可工作的分离距离。入射光I在棱镜20处色散，并且从主要反射曲面12反射。由于色散而引起极小角度变化的IR光带再次进入IR PV接收机16，该接收机任意地位于：通过次要反射曲面14的发射部分，由主要反射曲面12形成的光学系统的焦平面的附近，如参考图2所述。较长可见波长V’的光谱带向PV接收机18’反射；较短可见波长V”向PV接收机18”反射。三维主体22提供入射光折射的介质。主体22一般由对于光至少部分透明的某个类型的光学介质制成，诸如光学塑料，或诸如玻璃、玻璃陶瓷、石英熔化硅石(quartz fused silica)或蓝宝石之类的电介质材料。在再另一个实施例中，图3实施例中的色散部件、反射部件和接收机部件可以在空气中。

如参考图2所述的，为了得到提高的性能，向长和短波长PV接收机18’和18”提供合适地分离的光谱带是有用的。参考图2和3，高度d与f tanθ成正比，其中f是包括主要和次要反射曲面12和14两者以及折射主体22的光学系统的有效焦距，而θ是两个给定波长的入射的经折射的光之间的色散角。

定义透镜单元的f-数为其焦距f除以透镜的直径。为了在每个光谱带中的页平面中形成太阳圆盘的图像，使有一定厚度的透镜具有极长的焦距对于光聚能器30是有利的。在光路径中使用主要反射曲面12作为正放大率单元以及次要反射曲面14作为负放大率单元，通过适配电传照相透镜原理而在该设计中得到长焦距。熟悉照相技术的技术人员会精通：电传照相透镜利用如此的电传照相透镜单元组，并且给出窄视角、比正常焦距长的焦距、放大图像的能力以及相当浅的场深度的特征。

所产生的光聚能器30的光学系统的相当大的f数允许使用比相同厚度的普通光学系统可能具有的电池的直径大的PV接收机电池。这可以可观地减少一个面积中所需要的PV接收机电池的数量(即，每平方米较少的电池)，这导致大大地节约了成本。

光聚能器30设计的一个关键的优点涉及使用次要反射曲面14的二色性表面。在图3的实施例中，不需要IR波长的色散。另外可能需要一个厚的棱镜，设计薄板型器件的决定性缺点。这里，由于通过次要反射曲面14向PV接收机16发射IR波长，不需要IR光的色散。而是，只需要适合于可见波长的色散的相当薄的棱镜。例如，在一个薄板实施例中，额定的部件尺寸如下：

聚能器电池高度(图3中的尺寸h)：20mm

聚能器电池深度(图3中的尺寸e)：10mm

必定存在通过次要反射曲面14的定位引起的入射多色辐射的一些障碍物。简单地说，次要反射曲面14阻挡来自主要反射曲面12的一些光。光聚能器30的优化设计会相应地考虑这个障碍物的量和PV接收机18’和18”的高度d的尺寸以及反射曲面12和14形成的光学系统的放大因子。例如，增加焦距将有效地减小障碍物高度。在一个理想的实施例中，高度d等于对应障碍物高度的一半。

在一个实施例中，使用圆柱形设计，以致可以在一个阵列中一起安排多个光聚能器30，如接下来所描述。可以把使用图3的色散实施例的光聚能器30另外设计成供大规模用途的单个模块。

可把棱镜20附加到主体22上或否则光耦合在入射光路径中。如图4的透视图所示，可以形成圆柱形棱镜20的阵列24。例如，阵列24可以形成在玻璃、塑料或薄膜的板上，并且定位在对应的圆柱形光聚能器30的阵列的前面。在图4所示的坐标系统中，棱镜20在x方向上延伸。另一方面，如图5的实施例所示，光聚能器30的主体22可以具有有效地嵌入入射光表面的棱镜，而不是像图3那样提供棱镜作为分立部件。即，光聚能器30的主体22的输入面26是倾斜的，以便有效地形成棱镜20。对于这个实施例，输入面26的法线N不平行于与主要反射曲面12的光轴对应的光轴O。因此，按相对于光轴O为非正交的角度设置平面输入面26。具有这种“嵌入”棱镜配置，形成光聚能器30的主体22的电介质材料本身的作用如同色散单元，因此提供需要的入射光的折射色散。在一个相似的实施例中，输入面26的表面可以更复杂，其特征为具有许多模拟图4所示的配置的较小的棱镜。另外可以使用其它类型的色散单元来提供需要的入射光色散。

在一个另外的实施例中，不使用在第一焦平面P处的PV接收机16。作为替代，次要反射曲面14将向由主要反射曲面12和次要反射曲面14形成的光学系统的第二焦点处的两个PV接收机18’和18”反射经色散的多色入射光。这个另外的实施例将不提供通过增加PV接收机16而提供的附加的多色容量，如图3的实施例所示。然而，这个另外的实施例将提供把所有的光电部件都安置在光聚能器30后侧的优点，这对于制造和部件封装是有利的。

制造

可以形成光聚能器30作为分立单元或作为阵列的一部分的圆柱形部件。在一个实施例中，如图6的后透视图所示，辐射能量聚集装置60具有在阵列中相互并排组装的多个光聚能器30，每个光聚能器30本身作为延伸的圆柱形单元。在一个实施例中，按继续沿光聚能器30的长度方向延伸的线性方式来形成光电接收机16、18’和18”。在诸如图6所示的阵列式实施例中，有利的是每个光聚能器30都与其相邻的光聚能器光耦合，如下所述。

图7A和7B的透视图分别从前(输入)和后视图示出一个实施例中的一段光聚能器30的主体22的制造细节。在模制或否则形成在输入面26上的通道32上涂布次要反射曲面14的二色性涂布配方。模制或否则在后侧38上形成另一个通道36。像主要反射曲面12那样涂布通道36外的部分后侧38。侧面34也涂布反射性物质以防止由内部总反射(TIR)引起的沿主体22行进的光的光损耗。

使用二色性分离的实施例

在图3的棱镜实施例中，用反射可见光和发射IR的二色性涂层来调节或处理次要反射曲面14。本发明的其它实施例通过操纵二色性涂层的光谱特性以及在光路径中插入附加的反射或二色性表面而提供进一步的光谱分离。参考图8，图中示出使用用于光谱分离的成对的曲面配置的光聚能器30。不像图3到图5那样，这个实施例不需要折射色散。作为替代，在所处于的位置与图2中次要反射曲面14的位置相似的主要反射曲面12形成的光学系统的第一焦平面之前，设置具有2个至少部分反射的表面的光谱分离器50。在图8的实施例中，通过光谱分离器50把输入多色辐射分裂成两个光谱带。在图9中另外的实施例中，还把光谱分离器50设计成向PV接收机16发射第三光谱带，诸如IR辐射，以及把可见光分裂成分离带，把可见光的两个光谱带引导到相应的PV接收机18’和18”。

图8和图9的两个实施例都具有取决于特定应用中的需求的优点。图8的实施例提供保持光电部件于一侧的优点，这是一种较不复杂的配置，并且允许更小型化的封装。另一方面，图9的实施例提供得到第三光谱带因此可以提供增加的效率的优点。

图10A和10B示出对于可见光的每个光谱带，可应用于图8的两个-接收机实施例或图9的三个-接收机实施例的、光谱分离器50的性能。在图10A中，向PV接收机18”引导一个光谱带，形成太阳圆盘或其它辐射源的图像(在放大率轴上)。相似地，图10B示出向PV接收机18’引导其它光谱带，再次形成太阳圆盘或其它辐射源的图像。

参考图11A，示出了从图8、9、10A和10B所示的附图放大的光谱分离器50的关键表面的侧视图，再次，不需要按比例来示出。通过矢量I来表示入射光。处理而使第一曲面52成为反射入射多色光的第一光谱带以及发射该光谱带外的所有其余的光的二色性表面。然后，通过第一曲面52发射的光入射在第二曲面54上，第二曲面54与第一曲面52是隔开的，并且具有与第一曲面52不同的曲率特征。在所示的实施例中，相似地，处理而使第二曲面52成为反射第二光谱带和发射该光谱带外的所有其余的光的二色性表面。因此，通过两个曲面52和54发射的光是分别通过第一和第二曲面52和54反射的第一和第二光谱带外的光。

例如，在一个实施例中，涂布第一曲面52使之反射蓝色和紫外区域中的光，通常是波长比约475nm短的光，在图11A中用矢量L1来表示。通过第一曲面52发射其它的可见光和红外光。涂布第二曲面54使之反射可见红色和更短波长，短于约650nm，在图11A中用矢量L2来表示。一般可以把通过图11A中矢量L3表示的长于650nm门限值的红外光引导到合适的接收机。图11A中给出的值只是作为例子而并非限制。

图11B示出一个实施例中的光谱分离器50的光学配置的细节。第一曲面52在图11A和11B的横截面图的平面中具有光学对称轴O1。第二曲面54在图11A和11B的横截面图的平面中具有光学对称轴O2。注意，轴O1和O2不在同一直线上，并且是不平行的。因此，第一和第二曲面52和54在光学上是偏轴的，以致从每个表面反射的光进入各自的PV接收机18’和18”，分别如图10A或10B所示。例如，曲面52和54可以是不同心的弧。同样要注意，曲面52和54的曲率和二次曲线常数可以彼此不同。

在一个实施例中，通过在玻璃或其它透明光学材料的主体58上形成曲面52和54来制造光谱分离器50。必须注意，对于曲面54的形状描述可能会有一些混淆。相对于图11B中的主体58的横截面形状，曲面52是凸起的，而认为曲面54凹入的。然而，关于其光谱分离功能和特别如图11A所示，曲面52和54两者相对于从主要反射曲面12接收到的入射多色光I都是凸起的。因此，认为表面52是凹入的还是凸起的取决于光谱分离器50是制造在主体58上的，还是从分立薄膜形成的，或是从嵌入较大结构(诸如主体22(图7A、7B))中的经处理的表面形成的。在光聚能器30是圆柱形的时，光谱分离器50也是圆柱形的，在使用图2中示出的坐标轴分配的z-y平面中只有沿轴才有放大率。

对于图8的两个-接收机实施例，第二曲面54不需要是二色性表面，如参考图11A所描述的。作为替代，由于只需要把光分裂成图8实施例的两个光谱带，第二曲面54可以是不同于二色性表面的反射器。既然是这样，第一曲面52，二色性分离表面，按参考图11A描述的相同方式操作，反射一个光谱带和发射所有其它的辐射。然后，处理而使反射性第二曲面54简单地反射它已经接收到作为第二光谱带的所有入射波长，引导到PV接收机18’和18”。应该注意，即使在只使用第二曲面54作为反射器时，二色性涂布由于其相当高的效率也是有利的。

在某些应用中的光聚能器30的圆柱形配置可能是较佳的同时，诸如螺旋形之类的另外的形状也可能是有利的。在螺旋形实施例中，存在多个平面中的光焦度。图12A和12B分别示出螺旋形形状实施例中的光聚能器30的顶视图和横截面侧视图。使用光谱分离器50的图3的每个色散实施例或图8和9的实施例都适用于螺旋形形状。如图12A的顶视图中所示，对于螺旋形实施例，PV接收机16、18’和18”各自的长度会有一些限制

如早先所注意到，使用光谱分离器50的实施例不需要使用诸如棱镜20之类的色散单元。然而，对色散单元和光谱分离器50的使用进行组合以便得到提高的光谱分离是有利的。

相对于辐射源的定向

为了有效地得到和聚集来自太阳或其它辐射源的光，使光聚能器30相对于源正确地定向是很重要的。对于诸如主体22是具有单个光轴的旋转对称设备的形式的分立系统，通过简单地使其光轴与太阳或其它源对准而使光收集效率最优化。然而，对于圆柱形实施例，更能宽容沿东-西轴的设备定向。这个部件的北-南-东-西(简称为N、S、E、W)定向直接影响其得到和聚集辐射能量的能力。

图13A、13B和13C的透视图示出圆柱形实施例中光聚能器30相对于辐射源的E-W和N-S方向的光收集性能。在图13A中，通常对准光收集器30的圆柱形轴C使之与E-W轴平行。当向太阳或其它源最优化定向时，光收集器30得到沿其后面的PV接收机18’和18”的总长度Q的最优化的光量。图13B示出当光收集器30不再最优化地定向时发生什么情况。虽然，只有后面的PV接收机18’和18”的部分长度Q’接收到光，但是实质上的光量还是入射在后面的PV接收机18’和18”上。因此，在某种程度上来说，设备在E-W方向的十分宽的视场上起作用。

图13C的透视图示出没有相对于N-S轴正确地定向时的光聚能器30的性能。当围绕其圆柱形轴C不正确地倾斜时，光收集器30可以允许光在垂直方向上有一些“离开”，如图14的横截面侧视图所示，以致没有把正确的光谱带引导到它们对应的PV接收机18’和18”。既然是这样，为了使太阳能装置中的效率最大化，需要提供某个类型的角度刺激，以使光收集器30沿N-S轴定向。然而，必定会观察到，诸如相邻光收集器30沿共享边缘光耦合之类的相邻光收集器30光耦合的阵列实施例，可以使用倾斜角度处一些部分的光。图15的横截面侧视图示出光聚能器30的阵列40在大倾斜角处的入射光I的性能。这里，相邻光聚能器30是光耦合的，允许阵列40中的总的内部反射(TIR)。例如，光线R1和R2进行TIR和在遇到光聚能器30中之一的接收机之前或作为作废的光从阵列40退出之前，从经涂布的主要反射曲面反射多次。反射侧面34(与页平面平行)有助于防止光在与页面正交的方向上泄漏。

太阳跟踪系统和方法是众所周知的，并且可以容易适用于使用分立或阵列形式的光收集器30。图16示出根据本发明的太阳能系统70。安排和设计一个或多个辐射能量聚集装置60使之跟踪太阳。控制逻辑处理器62整天控制跟踪致动器64，当太阳的E-W位置相对于地球66改变时，使辐射能量聚集装置60正确地定向，以及进行正确的N-S定向的次要调节。例如，控制逻辑处理器62可以是计算机或基于专用微处理器的控制装置。控制逻辑处理器62可以通过测量在一个位置处得到的电流量或通过得到一些其它的合适信号来检测位置。然后控制逻辑处理器62响应于该表示位置的信号而提供控制信号，以命令跟踪致动器64进行相应的位置调节。

本发明的光聚能器30比提供光聚集和光谱分离两者的其它类型辐射能量聚能器设备优越。光聚能器30能够使用具有横向配置而非堆叠配置的光电接收机，其中把分离的光谱带引导到合适的光电电池，优化这些光电电池的每一个使之得到光谱带中的波长的光能量。可以使用本发明的装置来提供分立的、预制的光聚集单元或光聚能器的阵列。该装置是可定标的，并且适用于薄板应用或大规模辐射能量装置。可以从提供光谱带的任何合适的光电材料制造光电接收机16、18’和18”，这些材料包括硅、砷化镓(GzAs)、锑化镓(GaSb)以及其它材料。

可以观察到，提供给PV接收机18’和18”的两个光谱带在光谱上不是明显地区分的，而是有一些重叠，其中每个光谱带包含一些相同的波长。在图3到5的色散实施例以及图8到10B的二色性分离器实施例中可以发现一些光谱污染量。可以使二色性涂层最优化以使光谱污染减少到所要求的较低水平。可以向主要反射曲面12提供二色性涂层，在许多类型的传统镜子涂层方面提供了提高了的效率。

已经特别参考某些本发明的较佳实施例详细地描述了本发明，但是要理解，熟悉本领域普通技术的人员可以进行如所附的权利要求书中记录的、上述本发明范围内的变型和修改而不偏离本发明的范围。再次强调相对于诸如焦平面“附近”和“之前”之类的位置术语可以有一些范围是有用的。在根据本发明的学说中使用的原理的精确定位中，光学机械容差允许一些可变性。以传统的意义来使用术语“抛物线的”和“双曲线的”，因为这些术语是可理解的以及是在光学技术中实际应用的，允许从完整的一致性到对应的几何形状的一些度量范围。对于这里上述的任何实施例，可以定义光谱带，并且使其最优化而最佳地适合于应用的要求。

因此，所提供的是一种装置，该装置收集来自太阳或其它多色的辐射源或以光谱分布的辐射源的光，根据光谱内容分离光，以及把经分离的光聚集到一个或多个接收机中。

部件列表

10：光电模块

12、14：曲面

16、18、18’、18”：接收机

20：棱镜

22：主体

24：阵列

26：输入面

30：光聚能器

32、36：通道

34：侧面

38：后侧

40：阵列

50：光谱分离器

52、54：曲面

56：段

58：主体

60：辐射能量聚集装置

62：控制逻辑处理器

64：跟踪致动器

66：地球

70：太阳能系统

C：圆柱轴

d：高度

e：聚能器电池深度

h：聚能器电池高度

I：入射光

L1、L2、L3：光矢量

N：法线

O1、O2、O3：光轴

P：第一焦平面

Q、Q’：长度

R1、R2：光线

N、S、E、W：北、南、东、西

x、y、z：坐标轴

Claims (19)

1.一种用于得到辐射能量的装置，包括：

a)第一和第二光电接收机；

b)主要反射曲面，被设置成朝着第一焦平面反射入射的多色辐射；以及

c)光谱分离器，被设置在第一焦平面和主要反射曲面之间，所述光谱分离器包括：

(i)二色性分离表面，所述表面相对于入射的经反射的多色

辐射为凸起的并且被处理成朝着第一光电接收机反射第一光谱带且透射在第一光谱带外的经反射的多色辐射；

(ii)分离器反射曲面，所述曲面相对于从二色性分离表面透射而过的光为凸起的并且被处理成朝着第二光电接收机反射从二色性分离表面透射而过的至少一部分光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二色性分离表面相对于分离器反射曲面是光学偏轴的。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分离器反射曲面被进一步处理成透射第二光谱带中的光。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括第三光电接收机，它被设置在第一焦平面附近以便于接收第二光谱带中的光。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二光谱带包括红外波长。

6.如权利要求1述的装置，其特征在于，所述主要反射曲面具有二色性涂层。

7.一种包括至少两个辐射聚能器且用于得到辐射能量的装置，其中每个辐射聚能器沿其各自的圆柱轴延伸，所述装置包括：

a)基本上透明的材料的三维主体，它具有用于接受入射的多色辐射的输入面；

b)主要反射曲面，被设置成朝着第一焦平面反射多色辐射；以及

c)光谱分离器，被设置在第一焦平面和主要反射曲面之间，所述光谱分离器包括：

(i)二色性分离表面，所述表面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的并且被处理成朝着第一光电接收机反射第一光谱带且透射在第一光谱带外的经反射的多色辐射；

(ii)分离器反射曲面，所述曲面相对于从二色性分离表面透射而过的光为凸起的并且被处理成朝着第二光电接收机反射从二色性分离表面透射而过的至少一部分光。

8.一种用于得到辐射能量的装置，包括：

a)基本上透明的材料的三维主体，它具有用于接受入射的多色辐射的输入面；

b)主要反射曲面，被设置成朝着第一焦平面反射多色辐射；

c)第一光电接收机，被设置在第一焦平面附近；以及

d)光谱分离器，被设置在第一光电接收机和主要反射曲面之间，所述光谱分离器包括：

(i)第二反射曲面，所述曲面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的并且被处理成朝着第二光电接收机反射第一光谱带且透射在第一光谱带外的经反射的多色辐射；

(ii)第三反射曲面，所述曲面相对于入射的经反射的多色辐射为凸起的并且被处理成朝着第三光电接收机反射第二光谱带且透射在第二光谱带外的经反射的多色辐射；

其中第一光电接收机接收从第二和第三反射曲面透射而过的多色辐射。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二反射曲面相对于第三反射曲面是光学偏轴的。

10.一种用于得到辐射能量的装置，包括：

a)色散单元，用于调节入射的多色辐射以得到经色散的多色辐射；

b)主要反射曲面，被设置成朝着第一焦平面反射经色散的多色辐射；

c)次要反射曲面，被设置在第一焦平面之前且相对于入射的经反射且经色散的多色辐射为凸起的，

其中次要反射曲面被处理成朝着第二焦平面反射至少一部分经色散的多色辐射；

d)第一光电接收机，被设置在第二焦平面附近以便于接收从次要反射曲面反射的第一光谱带的经色散的多色辐射；以及

e)第二光电接收机，被设置在第二焦平面附近以便于接收从次要反射曲面反射的第二光谱带的经色散的多色辐射。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述次要反射曲面被处理成透射第三光谱带以及反射第三光谱带以外的其它光，并且其中有一个被设置在第一焦平面附近以便于接收第三光谱带的第三光电接收机。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括被设置在主要和次要反射曲面之间的电介质材料的主体。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，主要反射曲面具有第一轴上的光焦度，第一轴上的光焦度与正交于第一轴的第二轴上的光焦度不同。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述色散单元是棱镜。

15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述色散单元是棱镜阵列。

16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述主要反射曲面是大致抛物线型的。

17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述次要反射曲面是大致双曲线型的。

18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述主要反射曲面具有二色性涂层。

19.一种用于得到辐射能量的装置，包括：

a)色散单元，用于调节入射的多色辐射以得到经色散的多色辐射；

b)主要反射曲面，被设置成朝着第一焦平面反射经色散的多色辐射；

c)次要反射曲面，被设置在第一焦平面之前且相对于入射的经反射的经色散的多色辐射为凸起的，

其中次要反射曲面被处理成透射第一光谱带且朝着第二焦平面反射第一光谱带之外的经色散的多色辐射；

d)第一光电接收机，被设置在第一焦平面附近以便于接收第一光谱带；

e)第二光电接收机，被设置在第二焦平面附近以便于接收从次要反射曲面反射的第二光谱带的经色散的多色辐射；以及

f)第三光电接收机，被设置在第二焦平面附近以便于接收从次要反射曲面反射的第三光谱带的经色散的多色辐射。

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