CN101416002A - 光收集器和会聚器 - Google Patents

Abstract

一种用于从多色辐射能源获得辐射能的装置具有光谱分离器，该光谱分离器具有：第一曲面，它朝着入射辐射能凹陷并且经处理以使第一光谱带朝着第一焦点区域反射并透射第二光谱带；以及第二曲面，它朝着入射辐射能凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射。第一和第二曲面光学的定位，使得第一和第二焦点区域彼此间隔开。有第一和第二光接收器，其中第一光接收器被设置成最接近第一焦点区域以便接收第一光谱带，第二光接收器被设置成最接近第二焦点区域以便接收第二光谱带。

Description

光收集器和会聚器

有关申请的交叉参照

参考Cobb等人在2005年12月20日提交的题为“Method and Apparatusfor Concentrating Light”的美国专利申请60/751810。

技术领域

本发明一般涉及用于有效地收集和会聚光线的装置，尤其涉及一种用于收集光线且将光线分成两个或多个光谱带的装置，其中每一个光谱带被引导至单独的接收器。

背景技术

辐射能量的有效收集和会聚在许多应用中都是有用的，并且对于将太阳能转换成电能的设备而言特别有价值。会聚器太阳能电池使得有可能获得相当多的太阳能，并且将这种能量会聚成热能或者从光伏接收器中产生直流电。

用于获得太阳能的大规模聚光器通常包括一组呈Cassegrain排列的对置曲面镜，它们可作为一种用于将光线会聚到焦点处的接收器的光学系统。作为使用Cassegrain模型的若干个示例，Nakamura的题为“Sunlight CollectingSystem”的美国专利5,979,438以及Winston等人的题为“High Flux Solar EnergyTransformation”的美国专利5,005,958都描述了使用多组对置主镜和次镜的大规模太阳能系统。作为提供更小巧的收集装置的最新进展，已引入了平面的会聚器，比如Roland Winston和Jeffrey M.Gordon的题为“Planar ConcentratorsNear the Etendue Limit”的文章对此进行了描述(Optics Letters，卷30，第19号，第2617-2619页)。平面会聚器简单地使用呈Cassegrain排列的主曲面镜和次曲面镜，它们被介电光学材料隔开，以便提供高光通量会聚。

图1示出了用于光线收集的基本的Cassegrain排列。具有光轴O的光伏装置10具有抛物线形的主镜12和次镜14，次镜14位于主镜12的焦点处或其附近。接收器16接下来被置于该光学系统的焦点处，即在主镜12的顶点处。这种体系结构的问题(即Cassegrain模型所固有的问题)在于，次镜14对轴上光线呈现出一定的阻挡，使得一部分光线(约10％)没有到达主镜12，从而减小了光伏装置10的整体光收集能力。若会聚器是圆柱形而非旋转对称的，则这种阻挡可能特别大。在次镜14所呈现的阻挡的路径中，将接收器16放置在主镜12的顶点在某种程度上减小了这种阻挡所导致的损失。然而，在使用圆柱形光学配置时，通过做尺寸方面的调节几乎不会补偿这种阻挡损失，因为这种阻挡的大小随主镜12直径的增大而向上成比例地变大。这意味着放大较大的镜子直径并不会可观地改变由较小的镜子的阻挡所导致的固有损失。

一些太阳能系统通过将光能转换成热能而进行操作。在各类平板收集器和太阳能会聚器中，会聚的太阳光对流过太阳能电池的流体进行加热并使其达到高温以便发电。一种太阳能转换机制的备选类型更适用于薄面板和更小巧的设备，它使用光伏(PV)材料将太阳光直接转换成电能。光伏材料可以由各类硅和其它半导体材料构成，并且用半导体制造技术来制造，可由许多制造商提供，比如Emcore Photovoltaics、Albuquerque、NM等。尽管硅不贵，但是更高性能的光伏材料是由铝、镓和铟等元素以及氮和砷等元素制成的合金。

众所周知，太阳光是高度多色的，包含广泛分布的光谱内容，从紫外线(UV)到可见光，还有红外(IR)波长，每一个波长都具有相关的能级，通常由电子-伏特(eV)表示。并不惊讶的是，因为各种材料之间的带隙特征不同，所以任何一种特定的光伏材料的响应都取决于入射波长。能级低于材料带隙的光子会穿过该材料。例如，高带隙半导体并不吸收红光光子(标称1.9eV左右)。同时，能级高于材料带隙的光子被吸收。例如，在低带隙半导体中，紫色光的光子能量(标称3eV左右)作为热被浪费了。

从光伏材料中获得更高效率的一个策略是形成层叠的光伏电池，有时候也称为多结光伏器件。这些器件是通过将多个光伏电池彼此堆叠在一起而形成的。使用这种设计时，该堆叠结构中每一个连续的光伏电池相对于入射光源都具有较低的带隙能量。在简单的堆叠式光伏器件中，上面的光伏电池由砷化镓(GaAs)构成，可捕获较高的蓝光的能量。锑化镓(GaSb)制成的第二电池将较低能量的红外光转换成电能。Sano等人的题为“Stacked Photovoltaic Device”的美国专利6,835,888给出了堆叠式光伏器件的一个示例。

尽管堆叠式光伏器件可以提供一些提高整体效率的措施，但是这些多层的器件可能制造起来很贵。对于可彼此堆叠在一起的材料的类型，也存在许多限制，从而使得这种方法在面对广泛的应用时很难证明其经济方面的有效性。另一个方法是根据波长将光线分成两个或更多个光谱部分，并且将每一个部分会聚到合适的光伏接收设备，此时两个或更多个光伏接收器并排放置着。使用这种方法时，光伏器件制造过程更简单且成本更低，并且可以考虑使用更多种半导体。这种解决方案需要使用支持光学系统，用于将光线分成合适的光谱成分并且将每一个光谱成分会聚到其相应的光伏表面上。

题为“New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary andMultijunction Solar Cells”的文章描述了一种以足够大的强度同时分离和会聚光线的解决方案，该文章是L.Fraas、J.Avery、H.Huang和E.Shifman在2005年5月关于用于产生电能或氢的太阳能会聚的国际会议上提出的。在所描述的模块中，弯曲的主镜收集光线并且将该光线引导至二向色双曲面次镜，该次镜位于主镜的焦平面附近。红外光被会聚在主镜焦点附近的第一光伏接收器处。次镜使近可见光变向到主镜顶点附近的第二光伏接收器处。这样，每一个光伏接收器都获得了针对其优化过的光能，从而增大了太阳能电池系统的整体效率。

尽管Fraas的文章所示的方法有利地利用了同一组光学组件来提供光谱分离和光线会聚，但是对其所呈现的解决方案仍然存在许多严重的限制。第一个问题涉及因阻挡而导致的整体损耗，如上文所提到的那样。作为另一个问题，Fraas等人所描述的装置具有有限的天空视场，因为它在每一个轴上具有高度会聚，这是因其旋转对称所导致的。但是，另一个缺陷涉及很宽的可见光波带，这些波带都被提供给单个光伏接收器。在使用许多常用于可见光的光伏材料时，使用这种方法仍然会浪费一定量的光能，从而有可能导致过热。

二向色表面(比如Fraas的文章中所提出的解决方案中的双曲面镜子所用的表面)利用干涉效应来提供光谱分离，这种干涉效应是由具有不同折射率和其它特征的多个镀层所构成的涂层实现的。在操作过程中，二向色涂层根据入射角和波长来反射和透射光线。随着入射角的变化，二向色表面所透射或反射的光波长也在变化。在二向色涂层上光线入射角偏离法线超过+/-20度时，可能出现不期望的光谱效应，使得光谱分离在这种更高的角度处会因波长差异而受到不利影响。

已有许多光收集器解决方案采用二向色表面进行光谱分离。例如，题为“Spectral Beam Splitting Technology for Increased Conversion Efficiency inSolar Concentrating Systems：A Review”的文章中，作者A.G.Imenes和D.R.Mills提供了一个关于太阳能收集系统的评述，其中包括使用二向色表面(该文章可以从www.sciencedirect.com中在线获得)。例如，关于塔形反射器(Imenes和Mills的文章中的图24)的描述显示出一种推荐的解决方案，该方案将弯曲的二向色分束器用作光学收集系统的一部分。一部分光线在该表面上的高入射角可能导致这种解决方案在光效率方面不太让人满意。相似的是，Soule的题为“Hybrid Solar Energy Generating System”的美国专利4,700,013描述了将二向色表面用作选择性加热镜。然而，如上面Imenes的文章所提到的，Soule的‘013专利所示的方法呈现出相当大的光学损失。这些损失中的一部分涉及到被引导至所用的选择性加热镜的光线的高入射角。

用于从抛物面镜子聚焦的光线的二向色表面形状和布置具有一些固有的问题。位于抛物面反射器的焦点区域附近的平的二向色表面对于很多设计而言将呈现出较差的分离性质，从而限制了光收集系统的尺寸。适当弯曲的二向色表面(比如双曲面表面)可以位于焦点区域处或其附近，但是阻挡了一部分可用的光线，就像上文所提到的那样。

光会聚的常规方法主要涉及那些使用大尺寸组件的旋转对称的光学系统。然而，对于较小的太阳能面板器件而言，该方法可能无法产生令人满意的解决方案。存在一种对变形聚光器的需求，这种变形聚光器可以形成于透明体上并且按一系列尺寸制造，其中聚光器设计允许它在与其最高光焦度的方向相正交的方向上延伸，不管是线性地延伸还是沿曲线延伸。

面对这些障碍(比如较差的二向色表面响应)，常规方法只能提供有限的几种解决方案，用于同时实现良好的光谱分离以及每一种光谱成分的有效光通量会聚。Cassegrain模型可以被优化，但总是在主镜的焦点附近呈现出一种阻碍，由此固有地处于不利的地位。在二向色表面上入射光角度相对于法线较低之处，使用二向色分离的解决方案执行最佳；然而，许多已提出的设计似乎没有对这些光谱分离特征给予足够的考虑，从而导致较差的分离或错向的光线。

由此，认识到，需要一种能提供改善的光会聚的光伏电池，还需要一种能同时提供光谱分离和光会聚的电池，这种电池能很容易地适用于薄面板设计中，能很容易地制造，与常规光伏解决方案相比能提供增大的效率，还能沿着太阳在天空中改变位置的穿行路径在至少一个轴上以相当大的视场进行操作。

发明内容

本发明的目的是改进光收集和光谱分离的技术。在将该目的记住的同时，本发明提供了一种从多色辐射能源中获得辐射能量的装置，该装置包括：

a)光谱分离器，它包括：

(i)第一曲面，它向入射辐射能量凹陷并且经处理以使第一光谱带朝着第一焦点区域反射并且使第二光谱带透射；

(ii)第二曲面，它向入射辐射能量凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射；

其中第一和第二曲面光学地定位，使得第一和第二焦点区域彼此间隔开；

以及

b)第一和第二光接收器，

其中第一光接收器被设置成最接近第一焦点区域以便接收第一光谱带，第二光接收器被设置成最接近第二焦点区域以便接收第二光谱带。

本发明的一个特点是它提供了两个方面：使光线光谱分离成至少两个光谱带；并且将每一个分离的光谱带会聚到接收器上。

本发明的优点是它提供了一种用于将辐射能量会聚到光接收器上的有效的机制。

本发明的另一个优点是它减小了使用Cassegrain模型的系统所共有的阻挡损失。

本发明的装置的另一个优点是它提供了一种相对于其厚度显得很大的收集孔径。

对于本领域技术人员而言，在结合附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它目的、特点以及优点都将变得明显，附图中显示了本发明的示例性实施方式。

附图说明

图1是显示出用于光收集的常规Cassegrain装置的侧视图。

图2是根据本发明的聚光器中的双抛物面反射器的侧视图。

图3是显示出来自抛物面反射器的第一表面的光反射的侧视图。

图4是显示出来自抛物面反射器的第二表面的光反射的侧视图。

图5是显示出双抛物面反射器的第一和第二表面的光轴和偏心的侧视图。

图6是显示出用双抛物面反射器的第一和第二表面进行光谱带分离的侧视图。

图7是具有色散前表面的备选实施方式的横截面侧视图。

图8是显示出圆柱形装置中的聚光器的双抛物面反射器的透视图。

图9A、9B和9C是以各种角度被引导至聚光器的光伏接收器的光线的平面图。

图10是一种在正交方向上另外具有光焦度的备选实施方式的透视图。

图11A和11B分别是一种在正交方向上另外具有光焦度的备选实施方式的侧视图和顶视图。

图12A和12B分别是圆柱形装置中成对的双抛物面反射器的透射前视图和后视图。

图13是圆柱形装置中成对的双抛物面反射器的阵列的一部分的后方透视图。

图14是在一个实施方式中的聚光器的阵列的透视图。

图15是显示出在一个实施方式中可能会损失的错向光线的侧视图。

图16是显示出在一个实施方式中可能会损失其中一部分的错向光线的侧视图。

图17A、17B和17C是显示出针对不同角度的入射光在圆柱形实施方式中的本发明的聚光器的光处理行为的后方透视图。

图18是显示了太阳能装置的示意性透视图，它能跟踪适应辐射源的不断变化的位置。

图19是一种在具有单个接收器的正交方向上另外具有光焦度的备选实施方式的透视图。

具体实施方式

本发明提供了一种聚光器，用于提供增强的光谱分离和高度的光通量会聚，超过了先前各种方法所提供的能力。本发明的聚光器可以被用作光伏电池的光学组件，被具体实施成分立的电池或光伏电池阵列的一部分。

本说明书中所引用的图示出了本发明的装置的一般性概念以及关键的结构和组件。这些图没有按比例绘制，并且为了清晰可能夸大了各组件的尺寸和相对排布。本文所描述的光谱带是作为示例给出的，而非用于限制。

众所周知，用特定光学系统所获得的光会聚取决于其整体的几何结构。例如，完美的旋转对称抛物面反射器在理想情况下将光线引导至“焦点”。圆柱形抛物面反射器(只沿着一个轴具有光焦度)在理想情况下将光线引导至“焦线”。然而，如光学制造领域的技术人员所熟知的那样，在实践中只可能实现这种理想化的几何形状的合理的近似，无论是完美的焦点还是完美的焦线都是不可实现的，或者说都不是有效的光会聚所必需的。由此，本发明的说明书和权利要求书不使用理想化的“焦点”或“焦线”等术语，而是使用更一般的术语“焦点区域”。在下面的描述中，光学结构的焦点区域被视为该结构的最高光会聚的空间区域或其附近。

图2的侧横截面图显示出聚光器30，用于获取来自太阳80或其它多色光源的辐射能。双抛物面反射器20的作用有光收集、会聚和光谱分离，它具有内部或第一凹形弯曲反射面32以及外部或第二凹形弯曲反射面34。第一和第二弯曲反射面32和34在沿着至少一个轴的横截面中是大致抛物面的，并且被安排成使得从每一个弯曲反射面处反射的光线在不同的空间区域被会聚。

在图2-17C所示的实施方式中，聚光器30可以形成于一般透明的光学材料(比如玻璃或者像塑料这样的其它类型的光学聚合物)的主体26之上或之内。多色光线R(比如太阳光或其它高度多色辐射)入射到前表面28上。前表面28可以是经处理的表面，比如经涂敷的表面，或者可以具有一定曲率或在其上形成或粘附菲涅耳透镜结构或其它透镜并以之作为折射特征。

聚光器30可以被视为一种用于将两个不同的光学系统组合起来的装置。图3和4的侧视图横截面显示出了双抛物面反射器20的每一个光学系统的分光行为。首先参照图3，内部或第一弯曲反射面32具有一个二向色涂层，该涂层将入射光的一个光谱带反射到第一光接收器22(比如光伏(PV)接收器)，该第一光接收器22位于第一弯曲反射面32的焦点区域f1处或其附近。在一个实施方式中，第一弯曲反射面32将较短的波长(包括可见光和紫外光)反射到第一光接收器22。较长的波长(包括红外光和近红外光)经透射穿过第一弯曲反射面32。

如图4所示，外部或第二弯曲反射面34使入射光朝着第二光接收器24反射，第二光接收器24位于第二弯曲反射面34的焦点区域f2处或其附近。在本实施方式中，第二弯曲反射面34用作一个镜子，从而反射经透射穿过第一弯曲反射面32的光线(即大部分的红外光和近红外光)。

为了更好地解释双抛物面反射器20如何用作光谱分离器，有用的是先描述如何在典型实施方式的单个组件中安排第一和第二弯曲反射面32和34。图5的侧视图显示出偏心实施方式中的双抛物面反射器20的一些重要几何与尺寸特征。如光学领域的普通技术人员所熟悉的那样，在平面中是抛物线形的反射面具有一个在该平面内的光轴，并且将入射的轴向光线引导至位于该光轴上的焦点处。在双抛物面反射器20中，在所示横截面图的平面中，光轴O1是第一弯曲反射面32的光轴。在这种偏心实施方式中，与第二弯曲反射面34相对应的光轴O2一般平行于光轴O1，但并不与其共线。即，轴O1和O2在本实施方式中并不共线。这意味着某一非零距离d将轴O1和O2分开。第一和第二弯曲反射面32和34是光学偏心的，它们各自的焦点由图5的横截面视图中的焦点区域f1和f2表示，彼此分开了距离d。

应该注意到，第一和第二弯曲反射面32和34的偏心是一种可能的实施方式，并且可能有利于制造或有其它原因。然而，本发明的更一般化的要求是，以每一种方式相互地设置第一和第二弯曲反射面32和34，使得焦点区域f1和f2之间有非零距离。参照图5，光轴O1和O2可以是平行和非共线的，如图所示。或者，光轴O1和O2可以是非平行的，其中第一和第二弯曲反射面32和34以某一种方式彼此相互倾斜。作为另一个备选方案，光轴O1和O2甚至可以是共线的，同时焦点区域f1和f2被设置在共用的轴上的不同位置处。然而，这种共线的安排可能不利于光线收集，因为不可避免地会遮挡一些被引导至更远的光接收器的光线。

双抛物面反射器20的一个重要特征涉及它们自身的反射处理。在一个实施方式中，第一弯曲反射面32具有二向色涂层，使得它选择性地反射一个光谱带并且透射另一个光谱带。在结合图2-5所描述的实施方式中，第一弯曲反射面32的二向色涂层被制造成透射一部分的可见光红光、近红外光和较长的波长(标称比大约650nm长)。这种二向色涂层反射较短的波长。由此，较短的波长光谱带被引导至光接收器22，光接收器22位于焦点区域f1附近。在本实施方式中，外部或第二弯曲反射面34上的反射涂层是一个镜子，并且可能是金属涂层(比如铝或合适的合金)，或者也可能是二向色涂层或其它合适的处理。二向色涂层特别有利于高效率。如光学领域普通技术人员所清晰知道的那样，备选的安排是可能的，比如二向色涂层经处理可使可见光和较短的波长透射穿过第一弯曲反射面32并且反射红外光，比如用经处理的反射涂层从第二弯曲反射面34处反射可见光波长。

光线最好以相对接近法线的角度入射到第一弯曲反射面32，这有益于观察。当使用二向色涂层时，这种安排提供了最佳的二向色性能。这样，本发明的装置优于其它类型的光分离器，那些光分离器使用二向色表面但以更高的角度将入射光引导至这些表面。

因为第一和第二弯曲反射面32和34可能是偏心的、倾斜的、或以其它非对称方式排列的，所以在平行于光轴O1和O2的方向上截取的这些表面之间的距离可能从双抛物面反射器20的顶部到底部不断变化。参照图5的实施方式，厚度t1小于厚度t2。当以阵列排列方式堆叠双抛物面反射器20时，这种厚度差异必须要考虑，接下来更详细地描述这一点。

图6的横截面侧视图概括了对于单个入射光线R而言双抛物面反射器20如何用作光谱分离器。光线R是多色光，比如太阳光，具有一定的波长范围。较短的波长(比如可见光)从内部或第一弯曲反射面32朝着焦点区域f1处的第一光接收器22反射；较长的波长(比如近红外光和红外光)从第二弯曲反射面34朝着焦点区域f2处的第二光接收器24反射。

在图2-6的实施方式中，重要的是，观察到主体26具有一定的折射率n。在使用主体26的实施方式中，该同一折射率n匹配于或非常接近地匹配于位于第一和第二弯曲反射面32和34之间的材料的折射率。这种安排有利于减小一些不期望有的影响，比如曲面32处的折射以及使用折射率不同的材料所可能导致的其它问题。出于相似的原因，光学粘合剂或其它将光接收器22和24接合到主体26的材料也呈现出相同或非常接近的折射率n。然而，应该观察到，其它安排也是可能的，包括这样一些配置：夹在第一和第二弯曲反射面32和34之间的材料的折射率不同于主体26的其它材料的折射率。或者，可以用空气来分离第一和第二弯曲反射面32和34。空气可以处于接收器22、24以及第一曲面32之间。

聚光器30可以具体采用具有抛物面形状的第一和第二弯曲反射面32和34，即每一个表面绕其轴旋转对称。这种类型的实施方式可以使用主体26，或者可以处于空气中，或者可以使用主体26的透明材料和空气分离的某种结合。或者，聚光器30可以具体采用具有变形形状的第一和第二弯曲反射面32和34，即在YZ平面中具有一个曲率并且在XZ平面中具有不同的曲率。

对于旋转对称实施方式、圆柱形实施方式、或变形实施方式而言，空气可以被用在内部或第一弯曲反射面32以及光接收器22、24之间，同时透明材料被用在第一和第二弯曲反射面32和34之间。或者，透明主体26的材料可以被用在内部或第一弯曲反射面32以及光接收器22、24之间，同时空气处于第一和第二弯曲反射面32和34之间。

使用色散前表面的备选实施方式

参照图2-6所描述的双抛物面反射器也可以与其它光谱分离机制结合使用。在图7的备选实施方式中，聚光器30将入射的多色辐射分成三个光谱带，从而将每一个光谱带引导至合适的接收器22、23或24。此处，在前表面28处入射辐射的路径中，前表面28具有棱镜36或其它合适类型的色散元件。如光学领域的普通技术人员所公知的那样，棱镜的折射角与波长有关。在大多数光学材料中，与较长的波长相比，较短的波长在棱镜折射过程中经历更高角度的变向。由此，例如，蓝光具有相对高的折射角；另一方面，较长的红光波长和红外光波长具有相对较低的折射角。光学材料的折射色散是两个波长之间折射差异的度量。

在图7中，棱镜36位于光线R所示的入射辐射的路径中，并且通过提供一定的色散而调节入射辐射，从而形成色散的入射多色辐射能量。波长更短的可见光部分(例如，包括480nm左右的蓝光)以更高的角度折射，接下来被第一弯曲反射面32引导至第三光接收器23。波长更长的可见光部分(例如，包括620nm左右的橙色光)以更小的角度在棱镜36中折射，接下来被第一弯曲反射面32引导至第一光接收器22。这样，第一弯曲反射面32反射与图6实施方式中相同的波长，但有效地提供该反射光的两个光谱带，从而将一个光谱带引导至第一光接收器22并将另一个光谱带引导至第三光接收器23。红外光经历了很小的因色散而导致的角度变化，再次被第二弯曲反射面34反射并且到达第二光接收器24。通过使用这种色散装置，光接收器22和23被定位成最接近第一弯曲反射面32的焦点区域，而光接收器24被定位成最接近第二弯曲反射面34的焦点区域。

棱镜36可以粘附于主体26或以其它方式光学地耦合在入射光的路径中。任选地，棱镜36可以形成于前表面28中，使得前表面28是倾斜的或者以其它方式提供一种棱镜作用。棱镜36可以是色散元件的阵列，沿着图7的坐标系的x方向延伸，其中x垂直于纸面。也可以使用其它类型的色散元件以提供入射光所需的色散。

圆柱形实施方式

参照图8，示出了圆柱形实施方式中的聚光器30的部分透视图。此处，聚光器30具有沿z-y平面中的轴的光焦度，沿x方向延伸，但在x-z平面中可能不具有光焦度。聚光器30的横截面光轴O1和O2一般平行于所示实施方式中的z轴坐标。焦点区域f1和f2是线性的，从而沿着圆柱结构纵向地延伸。

从图8的透视图中，可以观察到聚光器30的一个显著的优点。特别是当与结合图1所描述的常规Cassegrain装置所提供的遮挡相比的时候，光接收器22和24所呈现的遮挡相对很小。在太阳能实施方式中，焦点区域f1和f2处所聚焦的像的高度是太阳的圆盘的像的相对直径，从地球看来，该像具有仅仅约0.0092弧度的平均角直径，角度范围约为0.5度。由此，焦点区域f1和f2处所聚焦的像的总高度是太阳的圆盘的聚焦高度的两倍，仍然是相对很小的尺寸。此外，通过调节或通过增大第一和第二弯曲反射面32和34的抛物面范围，可以增大聚光器30的有效孔径。由此，通过使用本发明的装置和方法，可以获得相对于总厚度的大孔径。

在焦点区域f1和f2处形成小尺寸的像的优点是，光接收器22和24的尺寸相对较小。图9A、9B和9C显示出当使用聚光器30的圆柱形实施方式时用于接收光带38的一个光接收器22的放大平面图。可以调整光接收器22的尺寸，使得它比聚光器30所产生的光带38的厚度要宽一些。这将允许有一些瞄准误差容限，如图9B和9C所示，其中与来自太阳或其它光源的辐射没有完全对准仍然允许获得一定的光能量。当然，如果光接收器22尺寸增大了，则会有一些阻挡。然而，这种缺点可能被宽松的对准容限抵消。

沿不止一个正交轴具有光焦度的实施方式可能也有优点。参照图10，显示出变形聚光器30的实施方式的透视图，该聚光器沿着两个正交轴具有光焦度并且使用双抛物面反射器20进行光谱分离。图11A显示出本实施方式的横截面图，光谱带分离到光接收器22和24；图11B给出了顶视图，该图显示出与圆柱形结构的长度(沿x轴)有关的光会聚。通过使用图10给出的坐标轴标记，本实施方式具有相对于y轴(即在其抛物面横截面的y-z平面中)的光焦度。另外，本实施方式具有沿着x轴方向(即在x-z平面中)的光焦度。通过形成前表面28使其相对于入射光线R凸起，便可以获得沿x轴方向的会聚光焦度。或者，通过在结构28上使用菲涅耳透镜结构(如图10中的A区域所示)，便可以获得在x-z平面中的光焦度。另一个在x轴方向上使用光焦度的方法是对x-z平面中的抛物面加一定的曲率，从而使它们变形。图10和11B所画出的代表性光线轨迹显示出沿x轴添加光焦度所获得的优点。作为一个突出的优点，光接收器22和24的整体尺寸可以从图8的圆柱形实施方式所示的尺寸显著地减小很多，由此，相应地减小了对入射光的阻挡。可以按多种方式对接收器22和24做出电连接，其中包括仅沿着前表面28的一部分延伸的电极。也可以内部地或通过曲面做出电连接，同时阻挡最小，如下文所描述的那样。图10所示的在x-z平面中具有一定的光焦度的实施方式的另一个显著的优点是，在跟踪太阳的相对位置时有一些容限权衡，下文进行描述。

阵列实施方式

圆柱形聚光器30的设计特别适合于阵列实施方式。出于与可制造性关联很大的原因，图12A和12B所示的成对聚光器30的图形化排列特别有优势。如上文结合图5的偏心实施方式所描述的那样，在双抛物面反射器20的相反的顶边和底边处，厚度t1和t2可能不同。因此，成对地制造聚光器30是有利的，使得相邻的聚光器30之间的相交处具有与其相应的双抛物面反射器20相匹配的厚度。如图12A和12B所示，这意味着一个聚光器30被翻过来使得它与另一个垂直地镜像对称。在所示的实施方式中，排列着成对的相邻的聚光器30，使得厚度t2是相邻的。这意味着第一和第二光接收器22和24也具有特定的模式。在所示的排列方式中，第一光接收器22接收可见光，第二光接收器24接收红外光。由此，该排列方式具有V-I-I-V模式，用于图12A和12B的成对的聚光器30。图13的透视图显示出聚光器30的阵列40的一部分，共有3对即P1、P2和P3，被引导至光接收器22和24的光线的类型被表示为V-I-I-V-V-I-I-V-V-I-I-V。当然，尽管图12A、12B和13所示的排列有利于本实施方式中的阵列40的制造，但是可以使用备选的模式。

由此，阵列40可以由两个或更多个长度变化的圆柱形聚光器30构成，如单个应用中所需的那样。也可以用一行或多行旋转对称的聚光器30来形成一个阵列。图14显示出一种具有多行旋转对称型聚光器30的阵列40的实施方式。可以观察到，一个或多个连接电极44延伸到每一个聚光器30。为了使电极44所导致的额外的阻挡量最小化，图14的实施方式具有从与太阳或其它辐射能量源相反的一侧延伸到每一个聚光器30的电极44。如上所述，聚光器30的这部分具有由光接收器22和24所呈现出的阻挡。

根据阵列40所用的布局几何结构，聚光器30的旋转对称排列也会有因占空因数减小而导致的缺点。聚光器30按“蜂窝”或其它布局排列方式组装，可以帮助缓解占空因数的损失。对反射曲面的旋转对称形状的多种修改也可以帮助缓解这种占空因数的缺点，但是修改后的形状可能无法提供来自反射抛物面的光会聚的全部优点。

聚光器30提供了一种用于获取辐射能量的高效系统。然而，像大多数被用作太阳能光收集器的设备那样，有一些与光线角度有关的限制。参照图15的侧视图，更高角度的入射光可以从焦点区域f2处的光接收器24被反射开。此处，角度θ的光线相对于光轴O2的角度很高，并且产生了一定量的彗形象差。为了最有效地利用太阳光，例如，应该引导光轴使其朝着太阳。接下来要描述的跟踪装置可以被用于通过恰当地对准聚光器30来提高效率。

图16的侧视图显示出其它可能导致能量损失的原因。前表面28处的一定量的菲涅耳反射以及主体26之内的吸收可以解释损失的效率。另外，即使二向色表面是高效的，少量的光泄漏也会发生。由此，例如，少量的可见光透射穿过第一弯曲反射面32的二向色涂层。许多这种错向的光线可能仍然“陷在”第一和第二弯曲反射面32和34之间。这种光的一部分可能被透射穿过第一弯曲反射面32；然而，该光线很可能被引导至错误的光接收器24或者从光接收器22或24处被引导开。

变形聚光器实施方式

对于某些应用而言，比如使用堆叠式光伏设备的应用，光谱分离可能不是必需的。图19的透视图显示出一个实施方式中的变形聚光器50，其中主体26具有单个光接收器22和弯曲反射面52，该弯曲反射面52相对于入射光是凹的。在本实施方式中，反射面52在y-z平面中具有光焦度，并且前表面28在正交的x-z平面中具有光焦度。x-z平面中的光焦度可以由菲涅耳透镜结构来提供，如区域A所示，或者由前表面28的曲率来提供。光线R由此被引导至光接收器22，光接收器22被设置在弯曲的反射面52的焦点区域附近。这种安排提供了改进的变形光会聚，而没有添加结合图10所描述的光谱分离。它允许安排线性延伸的聚光器50，但是不要求图8、12A和12B的实施方式所示的光接收器组件的线性排列。由此，多个接收器22可以沿着每一行聚光器50周期性地间隔着，而非连续地延伸着。

相对于辐射源的取向

如结合图15所描述的那样，为了有效地获得和会聚来自太阳80或其它辐射源的光线，重要的是，聚光器30相对于光源恰当地取向。使用分立的系统时，比如主体26的形式是旋转对称设备(具有接近平行的光轴O1和O2)的情况下，通过简单地使这些光轴朝着太阳80或其它辐射源对齐，可使光线收集效率达到最佳。然而，使用圆柱形实施方式时，沿着东-西轴，设备取向可以更宽松。该组件的北-南-东-西(缩写成N、S、E、W)取向直接影响到其获取和会聚辐射能的能力。为了参照，相对于上述内容所用的xyz坐标映射，显示出了N、S、E、W取向。

图17A、17B和17C的透视图显示出了相对于辐射源的E-W和N-S方向，圆柱形的实施方式中的聚光器30的光收集行为。在图17A中，聚光器30的圆柱形轴C大致平行地与E-W轴对齐。当最佳地朝着太阳80或其它辐射源取向时，聚光器30获得了沿着光接收器22和24的全长的最佳光量。

图17B显示出当光收集器30不再最佳地相对于E-W轴取向时发生了什么。只有光接收器22和24的一部分长度接收聚焦的光线。一部分42可能丢失了。然而，相当多的光量仍然入射到光接收器22和24上。由此，聚光器30在E-W方向上相当宽的视场上以某一水平的效率来工作。

图17C的透视图显示出如果聚光器30没有相对于N-S轴恰当地取向时聚光器30的行为。当绕着其圆柱形轴C不精确地倾斜时，光收集器30可以允许在垂直方向上有一些“走散”的光线，比图9C所示的更极端。如上文结合图15所描述的那样，极端的角可能是不受欢迎的，使得合适的光谱带没有被引导至其相应的光接收器22、24。

可能注意到，图10、11A和11B所示的实施方式(其中聚光器30在x方向上具有光焦度)可以固有地对N-S太阳跟踪误差更宽松，因为相对于图10所示的y方向而言光接收器22和24可以被制造得更大。然而，其代价是E-W跟踪容限的一些测量，因为现在正交方向上的光线被会聚到接收器22和24上。沿着E-W方向的较差的取向可能导致与参照图9C所描述的方向相垂直的方向上的“走散”。

太阳能跟踪系统和方法是公知的，并且可以很容易地适合以分立或阵列的形式来使用光收集器30。图18显示出根据本发明的太阳能系统70。安排并设计一种或多种辐射能会聚装置60以跟踪太阳80。当太阳的E-W位置在一天之中相对于地球66不断变化时，控制逻辑处理器62控制着跟踪致动器64以使辐射能会聚装置60恰当地取向，并且做出恰当的N-S取向所必需的微小调节。控制逻辑处理器62可以是基于计算机或专用微处理器的控制装置。控制逻辑处理器62通过测量在一个位置处获得的相对电流量，或者通过获得某种其它合适的信号，就可以检测位置。响应于这种用于表示位置的信号，控制逻辑处理器62接下来提供控制信号以便命令跟踪致动器64相应地做出位置调节。

制造

聚光器30可以作为分立的单元而形成，或者作为阵列的一部分的圆柱形组件而形成，就像图13中的阵列40中所示的那样。在阵列实施方式中，最佳地通过利用参照图12A和12B所描述的成对的聚光器30的排列方式，彼此互相并排组装多个聚光器30。利用挤压，可以执行聚光器30的至少一部分的连续制造。在一个阵列实施方式中，挤压工艺形成了有棱纹的板，同时双抛物面反射器20的多个平行段沿着该板对齐。然后，将合适的光学涂层应用于该板的每一侧面上的曲面上。然后，利用环氧树脂或其它合适的粘合剂将上述制备好的板粘贴到一个基板上，在结合过程中消除气泡。在一个实施方式中，不同组件以及所用的粘合剂的折射率是密切匹配的。

为了允许光学耦合以及最小的内全反射影响，通过使用像光学粘合剂这样的光学材料(其折射率接近于主体26的折射率)，将光接收器22和24光学地浸没到主体26中或者光学地耦合到主体26。圆柱形结构的相反的末端处的反射侧面(图2中未示出，但是在本横截面视图中平行于该页面的平面)帮助防止在与该页面正交的方向上从聚光器30中泄漏出光线。

其相对较窄的深度允许聚光器30针对薄板设计中的使用而恰当地调节。在一个薄板阵列实施方式中，例如，每一个聚光器30的标称组件尺寸如下：

聚光器单元高度：20mm

聚光器单元深度：10mm

相邻的聚光器30可以光学地耦合，从而允许一部分杂散光或错向光在阵列40内进行全内反射。光线在进入一个聚光器30中的光接收器22和24或者作为浪费的光从阵列40出射之前，可能数次经历内全反射以及一个或多个经涂敷的弯曲反射面的反射。

本发明的聚光器30优于其它类型的辐射能会聚设备，从而提供了光会聚和光谱分离。与Cassegrain类型实施方式(可能阻挡轴向光线的10％或更多)相比，本发明的聚光器30仅呈现出非常少量的被阻挡的轴向入射光，通常小于2％。

在使用双抛物面反射器20进行光谱分离的情况下，聚光器30能够使用具有横向而非堆叠排列的光伏接收器，其中分离的光谱带被引导至合适的光伏电池，每一个光伏电池都经优化过以便获得该光谱带中的波长的光能。本发明的装置可以被用于提供分立的模块化的光会聚元件或聚光器阵列。该装置是可调节的并且可以适用于薄板应用或更大尺寸的辐射能装置。一个或多个光接收器22和24可以是光伏型的，由任何适于所提供的光谱带的光伏材料制成，其中包括硅、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)和其它材料。通过使用将热转换成电的材料，一个或多个光接收器22和24可以是热伏型或热光伏型，其中包括热电材料，比如汞镉碲化物热二极管。一个或多个光接收器22、24可以是电荷耦合器件(CCD)或其它光传感器。

在备选实施方式中，一个或多个光接收器22、24用作另一个光学子系统的输入像平面，比如用于能量产生或光谱分析的子系统。一个或多个光接收器22、24可以是到光波导(比如光纤)的输入。

可以观察到，提供给光接收器的两个或更多个光谱带在光谱上并非截然不同分立的，而是有一些重叠，其中每一个光谱带包含一些相同的波长。一定量的光谱沾污是不可避免的，因为二向色响应是不完美的并且光线可能没有以法线角度入射，从而使二向色涂层的性能下降。二向色涂层可以被优化，以使光谱沾污减小到期望的较低程度。如上所述，作为第二曲面34的一种处理，可以提供二向色涂层，而非提供某种其它类型的反射涂层，由此提供了比许多类型的常规镜面涂层要高的效率。对于上述任何实施方式，光谱带可以被定义和优化以便最佳地适应某一应用的要求。

上文结合某些较佳实施方式详细描述了本发明，但是应该理解，本领域的技术人员在不背离本发明的范围的情况下，在本发明的范围中可以实现各种修改和变化，正如权利要求书所表明的那样。例如，尽管对于某些应用而言聚光器30的圆柱形排列方式是较佳的，但是像环型这样的备选形状也有许多优点。在环型实施方式中，在多个平面中都有光焦度。使用多个组件可能也有优点，比如添加在图10的y方向上具有光焦度的菲涅耳透镜。这可能帮助减小彗形象差。由此，本发明的聚光器可以具有两个分开的菲涅耳透镜或菲涅耳结构或其它合适的聚光组件，它们彼此正交地设置着，一个用于减小彗形象差，另一个用于会聚与所提供的抛物面会聚相正交的光线。

光学设计领域的技术人员会认识到，对于“焦点区域附近”或“焦点区域处”这样的短语，必须允许一些回旋余地。根据本发明的内容所使用的原理，实际的光学机械容限允许在精确定位方面有一些可变性。如上所述，精确的抛物线或抛物面是用于沿着一条线或在一个点处聚焦的理想反射面；然而，在实践中，仅能实现抛物线或抛物面的近似，但是这在应用本发明的技术时提供了可接受的结果。

由此，所提供的装置能收集来自太阳或其它多色辐射源的光线，任选地将光线分成两个或多个光谱带，并且将每一个光谱带提供给光接收器。

Claims (42)

1.一种用于从多色辐射能源获取辐射能量的装置，所述装置包括：

a)光谱分离器，它包括：

(i)第一曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第一光谱带朝着第一焦点区域反射并且使第二光谱带透射；

(ii)第二曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射；

其中第一和第二曲面被光学地定位，使得第一和第二焦点区域彼此间隔开；以及

b)第一和第二光接收器，

其中第一光接收器被设置成最接近第一焦点区域以便接收第一光谱带，第二光接收器被设置成最接近第二焦点区域以便接收第二光谱带。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一曲面经处理以反射可见光波长。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一曲面经处理以反射红外光波长。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二曲面在光学上偏心。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一曲面在沿着至少一个轴的横截面中大致是抛物面。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一曲面具有二向色涂层。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二曲面具有二向色涂层。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光接收器中的至少一个是光伏接收器。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光接收器中的至少一个是热伏接收器。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光接收器中的至少一个是电荷耦合器件。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光接收器中的至少一个包括光纤。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光接收器中的至少一个是用于另一个光学系统的输入面。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，大致透明的光学材料处于第一曲面和第一焦点区域之间。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱分离器是圆柱形的。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二曲面中的至少一个是旋转对称的。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一曲面具有第一横截面的轴，所述第二曲面具有第二横截面的轴，所述第二横截面的轴与所述第一横截面的轴不共线。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱分离器还包括一个大致透明的主体，所述主体具有用于接收入射光的前表面。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述前表面包括至少一个折射特征。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述前表面包括透镜。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述前表面包括色散元件，用于调节入射的多色辐射能量以将色散的多色辐射引导至第一曲面。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述色散元件是棱镜。

22.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一横截面的轴与第二横截面的轴之间的分离距离大致等于第一和第二光接收器之间的中心-到-中心的分离距离。

23.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一光接收器沿着第一横截面的轴放置着，第二光接收器沿着第二横截面的轴放置着。

24.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一光接收器以光学方式浸没在大致透明的光学材料中。

25.如权利要求1所述的装置，还包括：

c)色散元件，用于使入射的多色辐射能量色散以形成第三光谱带，其中第三光谱带也是从第一曲面被反射的；以及

d)第三光接收器，它位于第一焦点区域附近以便接收第三光谱带。

26.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一曲面在第一平面中具有光焦度，并且所述至少一个折射特征在与第一平面相正交的第二平面中具有光焦度。

27.一种用于从多色辐射能源获取辐射能量的装置，所述装置包括：

a)光谱分离器，所述光谱分离器包括透明的主体，所述主体具有用于接收入射辐射能量的前表面，所述光谱分离器还包括：

(i)内部曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第一光谱带朝着第一焦点区域反射并且使第二光谱带透射；

(ii)外部曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射；

其中所述内部和外部曲面以光学方式设置，使得所述第一和第二焦点区域彼此分开一个非零的距离；以及

b)第一和第二光接收器，它们与所述内部和外部曲面间隔开，其中第一光接收器被设置成最接近第一焦点区域以便接收第一光谱带，第二光接收器被设置成最接近第二焦点区域以便接收第二光谱带。

28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述前表面被特征化以便在与所述内部和外部曲面提供光焦度的同一平面中提供光焦度。

29.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述前表面被特征化以便在与所述内部和外部曲面提供光焦度的平面相正交的平面中提供光焦度。

30.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述前表面还包括色散元件，所述色散元件用于使入射的多色辐射能量色散以形成第三光谱带，其中第三光谱带也是从内部曲面被反射的，并且还包括第三光接收器，所述第三光接收器与所述内部和外部曲面间隔开以便接收第三光谱带。

31.一种用于从多色辐射能源获取辐射能量的装置，所述装置包括：

a)色散表面，用于向入射的多色辐射能量提供色散，从而形成色散的入射多色辐射能量；

b)光谱分离器，它包括：

(i)第一曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使色散的入射多色辐射能量中的第一光谱带朝着第一焦点区域反射并且使第二光谱带透射；

(ii)第二曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射；

其中第一和第二曲面以光学方式定位，使得第一和第二焦点区域彼此间隔开；

c)第一光接收器，被设置在第一焦点区域附近以便接收第一光谱带的第一光谱部分；

d)第三光接收器，被设置在第一焦点区域附近以便接收第一光谱带的第二光谱部分；

以及

e)第二光接收器，它位于第二焦点区域附近以便接收第二光谱带。

32.一种用于获取辐射能量且包括至少两个辐射会聚器的装置，其中每一个辐射会聚器包括：

a)光谱分离器，所述光谱分离器包括透明的主体，所述主体具有用于接收入射的辐射能量的前表面，所述光谱分离器还包括：

(i)内部曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第一光谱带朝着第一焦点区域反射并且使第二光谱带透射；

(ii)外部曲面，它朝着入射辐射能量凹陷并且经处理以使第二光谱带朝着第二焦点区域反射；

其中所述内部和外部曲面以光学方式定位，使得第一和第二焦点区域彼此间隔开；以及

b)第一和第二光接收器，它们与所述内部和外部曲面间隔开，其中第一光接收器被设置成最接近第一焦点区域以便接收第一光谱带，第二光接收器被设置成最接近第二焦点区域以便接收第二光谱带。

33.如权利要求32所述的装置，其特征在于，每一个辐射会聚器在与其最高光焦度的方向相正交的方向上延伸。

34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，对于任何两个相邻的辐射会聚器而言：

要么相邻的辐射会聚器中的每一个辐射会聚器的第一光接收器最紧密地靠在一起；

要么相邻的辐射会聚器中的每一个辐射会聚器的第二光接收器最紧密地靠在一起。

35.一种用于辐射能量的变形会聚器，包括：

a)由大致透明的材料构成的光学主体，所述光学主体具有：

i)用于接收入射光的前表面；

ii)与所述前表面相对且朝着入射辐射能量凹陷的弯曲反射面，所述弯曲反射面在第一平面中具有较高的光焦度并且在与第一平面相正交的第二平面中具有较低的光焦度，

所述弯曲反射面经处理以使光线朝着前表面附近的焦点区域反射；

以及

b)至少一个光接收器，被设置在所述弯曲反射面的焦点区域附近。

36.如权利要求35所述的变形会聚器，其特征在于，所述前表面是平的。

37.如权利要求35所述的变形会聚器，其特征在于，所述前表面在与第一平面相正交的平面中具有光焦度。

38.如权利要求37所述的变形会聚器，其特征在于，所述前表面具有多个菲涅耳透镜特征。

39.如权利要求37所述的变形会聚器，其特征在于，所述前表面具有一曲率。

40.如权利要求35所述的变形会聚器，其特征在于，所述至少一个光接收器是堆叠的光伏电池。

41.如权利要求35所述的变形会聚器，其特征在于，所述至少一个光接收器以光学方式浸没在光学主体中。

42.如权利要求35所述的变形会聚器，其特征在于，所述光学主体是环型的。

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