CN101697038B - 光谱转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及光伏转换系统中光谱转换装置。针对制约光伏电池效率提高的聚焦电池表面彩色光谱域宽度过窄、可分性和适用性较差，提供一种特别的光谱转换装置，其组成依次是一个圆环棱镜和一个同回转轴的圆环正透镜，或依次是两块或一块对称直长条棱镜和同一对称面的两块或一块对称直长条正透镜，在对应的光伏电池表面获得更宽能带的圆面或圆环面圆环带、圆台或圆坑圆锥环带、平面对称或凸台或槽沟直长条带的彩色光谱域；又提供一种由肩并肩排列的翅片空腔单色光分电池组成的翅片叠层光伏电池，有效效率达50～75％左右。光谱转换装置和对应的光伏电池或显视屏幕或连接窗口制成相应部件，用于太阳能及其它热辐射能光伏发电机或相关仪器设备。

Description

光谱转换装置 

技术领域

本发明涉及一种主要用于太阳能及其它热辐射能光伏转换系统中的光谱转换装置，尤其是由棱镜和正透镜组成的光谱转换装置。 

技术背景

用半导体电池把太阳能直接转变成电能是获取巨大清洁能源的主要手段。其推广应用的主要障碍是电池效率不高(20％左右)和价格太贵。目前，采用聚光-叠层技术和彩色光谱-肩并肩分电池技术来进一步提高太阳能电池效率。 

聚光-叠层技术是利用透镜聚光装置把用不同带隙宽度E_g的材料制成并按E_g大小从上而下叠合起来的太阳能电池放在焦平面上，选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，能大幅度提高电池的转换效率。2002年Olah在美国专利U·S·Pat·NO.6,399,874公开了一种太阳聚光装置，首次利用Fresnel透镜(菲涅尔透镜)的聚光装置，把太阳能电池放在透镜的焦平面上。最近几年，聚光-叠层装置技术取得很大进步，太阳能电池效率达到40％左右，如2008年5月7日展望网编辑发布者panpan称“波音公司子公司Spectrolab有限公司的科学家研制成功具有40％转换效率的三结三层聚光太阳能电池”；又如goagle网2008年11月27日发布“欧盟研发成功具有39.7％转换效率的多结叠层聚光太阳能电池，使用镓、磷、铟和锗等材料，电池效率达40％左右领先水平，但也存在难以克服的难题：①因领先的分电池防碍其后电池而导致进一步提高效率越来越困难；②上千倍聚光比的小小太阳能电池的热负荷太高，导致电池功率和效率的衰减和寿命下降；③使用昂贵而稀缺的热稳定性好的半导体电池材料，对制造工艺的要求十分苛克，难以普及推广。 

彩色光谱-肩并肩分电池技术是通过各种光谱转换装置，把接收到的全部太阳光转换成覆盖在太阳能电池表面上的彩色光谱域，把其分成若干部分并制成肩并肩多结分电池，与聚光-叠层太阳能电池相比更容易提高太阳能电池效率，并具有工作温度低、工作稳定、寿命长和便于制造等优点。为此，人们曾采用各种 光谱转换装置，如在“新概念物理教程·光学/赵凯华·——北京：高等教育出版社，2004.11(2006重印)ISBN7-04-015562-1”一书中介绍一种棱镜光谱仪，它的光谱转换装置由三棱柱镜和直长条正透镜(又称会聚透镜)组成；又如在美国专利说明书“光谱折射分离集结装置系统”(US7，2006，142B1 Apr.17，2007)的发明概要中介绍一种聚焦探测仪，它的光谱转换装置由一块顶面光滑的另一面顶角相等并朝一个方向的直长条组合棱镜和一块直长条无轴向色差的正透镜(菲涅尔Fresnel透镜)组成，在直长条目标装置上获得一个宽能带彩色光谱域；又如在中国专利局公开了发明专利“光谱发电机及其应用”(申请号200810000333.9，公开号101316081A)中提供一种由三棱柱镜和直长条正透镜组成的光谱转换装置。这些技术方案因聚焦在太阳能电池表面上彩色光谱域的宽度过窄并采用平板式分电池结构而难以分割更多肩并肩排列的分电池；制造、调整和维修因无基准而变得困难；或装置系统的结构尺寸过大等而使这一技术失去实际的先进性和适用性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种特殊的光谱转换装置，能获得聚焦在光伏电池表面上更宽能带的彩色光谱域并有供设计、制造、安装、调整和维修的基准，在此基础上又提供一种特殊的由更多的肩并肩排列的单色光分电池组成的光伏电池并能大幅度提高其效率。 

为了解决上述技术问题，本发明所采用技术方案的基本构思是：在物理光学和现有技术的顺着太阳能或其它热辐射能的平行光线或平行的电磁能射线方向依次由一块主截面呈三角形的三棱柱镜或主截面顶角相等并朝一个方向的直长条组合棱镜和一块有或无轴向色差的直长条正透镜组成的光谱转换装置的基础上，在其主截面棱镜顶角朝向的一侧增设一条与平行光线平行的对称轴，使原来的光谱转换装置变成由两块或一块对称的直长条棱镜和同一对称面的两块或一块对称的直长条正透镜组成，使其具有对称相交性，使聚焦在包括光伏电池、显视屏幕和连接窗口的目标装置表面上彩色光谱域对称地合拼在一起而变得更宽，光谱域的颜色分布也发生颠倒排列，并有对称面和主截面上对称轴作为基准；在主截面上具有上述技术特征的还有一种依次由一个圆环棱镜和一个圆环正透镜组成的光谱转换装置。 

本发明第一种技术方案的光谱转换装置，其包括： 

一主截面呈三角形的顶角朝对称轴的一个圆环棱镜或主截面顶角相等并朝对称轴的一个圆环组合棱镜(称之为ZPR圆环棱镜)，顺回转轴方向接收含有各组特定波长的热辐射能平行光线或平行的电磁能射线并折射分离出不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线； 

-同一回转轴的有或无轴向色差的主截面上左边截面的光轴和右边截面的光轴与对称轴对称平行或对称相交的一个圆环正透镜(称之为ZPR圆环正透镜)，把进入的这些不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线折射出并在它们所对应的同一回转轴的目标装置表面聚焦成按波长长短排列的彩色光谱域。 

本发明第二种技术方案的光谱转换装置，其包括： 

-主截面呈三角形的顶角朝对称轴的或主截面顶角相等并朝对称轴的两块或一块对称的直长条棱镜(称之为ZPR对称直长条棱镜)，沿主截面对称轴方向接收含有各组特定波长的热辐射能平行光线或平行的电磁能射线并折射分离出不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线； 

-同一对称面上并与直长条棱镜在直长条方向相互平行的有或无轴向色差的主截面上左边截面的光轴和右边截面的光轴与对称轴对称平行或对称相交的两块或一块对称的直长条正透镜(称之为ZPR对称直长条正透镜)，把进入的这些不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线折射出并在它们所对应的同一对称面的目标装置表面聚焦成按波长长短排列的彩色光谱域。 

上述技术方案的回转轴、对称面和主截面上的对称轴是光谱转换装置及其所对应的目标装置的数学分析、设计、制造、安装、调整和维修的基准，从而大大提高它们的适用性，并使聚焦在目标装置表面上彩色光谱域发生量和质的变化。 

平板光伏电池由一个包含圆心的圆面和肩并肩排列的圆环面分电池组成，或由肩并肩排列的圆环面分电池组成，或由一个包含对称线的平面对称直长条带和肩并肩排列的平面对称直长条带分电池组成，或由肩并肩排列的平面对称直长条带分电池组成，每一分电池都含有覆盖其上的光谱带所要求的能有效吸收其光能并转变成电能的敏感电池材料。 

为了进一步解决技术问题，本发明提供一种光谱转换装置所对应的翅片叠层光伏电池，它由肩并肩排列的圆环形的或直长条形的翅片空腔分电池组成，每一翅片空腔由相邻两翅片构成，每一翅片呈圆环形或圆筒形或直长条形的斜面翅片或平翅片，每一翅片空腔口处的圆环带或圆锥环带或直长条带是覆盖在光伏电池表面彩色光谱域所对应的光谱带，每一翅片空腔的壁面都含有与覆盖在腔口的光谱带所要求的能最有效吸收其光能并转变成电能的敏感电池材料。并且，每一翅片空腔的深度比腔口宽度大许多倍，使每一翅片空腔的壁面面积比腔口处的圆环带或圆锥环带或直长条带面积大许多倍，使壁面电池材料有足够的吸光面积；每一翅片空腔的主截面呈楔形或平行窄缝形，当单色光线焦点在腔口处散开时都被装进翅片空腔并在空腔两壁面间来回反射、不断被敏感电池材料吸收并转变成电能、光强度快速衰减，最终单色光线的光能100％被敏感电池材料吸收并绝大部分光能转变成电能，使其成为一种无反射损失的高效率的翅片空腔分电池。所以翅片叠层光伏电池的效率能达到理想的最高值。 

由一个圆环棱镜和一个有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的圆环正透镜组成的光谱转换装置，其所对应的目标装置表面呈一系列微凸近似圆台或圆坑圆锥环带彩色光谱域，颜色分布从圆台或圆坑下底圆的红外光到上底圆的紫外光排列；说明书中具体实施例图14的计算结果表明，在圆环棱镜和圆环正透镜的直径为300mm和三轴距离l＝80mm及其它已知条件下，圆台和圆坑的高度分别为15.5879mm和20.0415mm(这一高度随三轴距离l的增加而升高)，聚光比分别为102.1183和38.7369，这对实现由肩并肩排列的圆环形的翅片空腔分电池组成的圆台或圆坑翅片叠层光伏电池十分有利。 

由两块或一块对称的直长条棱镜和有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜组成的光谱转换装置，其所对应的目标装置表面呈一系列微凸近似凸台或槽沟直长条带彩色光谱域，颜色分布从台底边或槽底边的红外光到台顶边或槽口边的紫外光排列；说明书中具体实施例图15的计算结果表明，在装置的长度和宽度都为300mm、三轴距离l＝80mm及其它已知条件下，凸台和槽沟的高度分别为15.5879mm和20.0415mm(这一高度随三轴距离l的增加而升高)，聚光比分别为9.3292和7.2561，这对实现由肩并肩排列的直长条形的翅片空腔分电池组成的凸台或槽沟翅片叠层光伏电池十 分有利。 

由一个圆环棱镜和一个无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的圆环正透镜组成的光谱转换装置，在其所对应的目标装置表面呈一系列圆面或圆环面圆环带彩色光谱域，颜色分布从外圆的红外光到圆心或圆心部位的紫外光排列或相反排列；说明书中具体实施例图16的计算结果表明，在圆环棱镜和圆环正透镜的直径为300mm、三轴距离l＝80mm及其它已知条件下，圆心为紫外光的圆面和圆心为红外光的圆面圆环带彩色光谱域的直径分别为64.1506mm和107.5444mm(这一直径随三轴距离l增加而加大)，聚光比分别为21.8696和7.7816，这对实现由肩并肩排列的平板分电池组成的光伏电池或圆环形的翅片空腔分电池组成的圆环面翅片叠层光伏电池十分有利。 

由两块或一块对称的直长条棱镜和无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜组成的光谱转换装置，在其所对应的目标装置表面呈一系列平面对称的直长条带彩色光谱域，颜色分布从平面对称两外侧边的红外光到平面对称线或对称线部位的紫外光排列或相反排列；说明书中具体实施例图17的计算结果表明，此装置的总长度和总宽度都为300mm、三轴距离l＝80mm及其它已知条件下，对称线部位为紫外光和红外光的平面对称直长条带彩色光谱域的宽度分别为64.1506mm和107.5444mm(这一宽度随三轴距离l的增加而加宽)。这对实现由肩并肩排列的平板分电池组成的光伏电池或直长条形的翅片空腔分电池组成的平面对称翅片叠层光伏电池十分有利。 

说明书中具体实施例图14至22的计算结果表明，包括光谱转换装置的光路损失(10％左右)的翅片叠层光伏电池的实际有效效率能达到40％以上。 

本发明不受具体结构和具体电池材料的限制，其推广应用也不受限制。其应用方式通常是把光谱转换装置和它们所对应的目标装置(光伏电池，显视屏幕和连接窗口)制成部件并用于相关仪器设备，如光伏电池部件用于太阳能及其它热辐射能光伏发电机。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 

图1为物理光学元件棱镜主截面的示意图； 

图2为现有技术的棱镜主截面的示意图； 

图3为物理学光学无轴向色差的正负组合透镜主截面的示意图； 

图4为现有技术的组合棱镜主截面的示意图； 

图5为物理光学元件一种有轴向色差的单光轴正透镜主截面的示意图； 

图6为一种现有技术无轴向色差的单光轴正透镜主截面的示意图； 

图7为本发明的一种圆环棱镜主截面的示意图； 

图8为本发明的一种两块或一块对称的直长条棱镜主截面的示意图； 

图9为本发明的一种有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的圆环正透镜主截面的示意图； 

图10为本发明的一种无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的圆环正透镜主截面的示意图； 

图11为本发明的一种有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜主截面的示意图； 

图12为本发明的一种无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜主截面的示意图； 

图13为本装置工作原理数学分析图； 

图14为本装置第一种组成具体实施例的主截面示意图； 

图15为本装置第二种组成具体实施例的主截面示意图； 

图16为本装置第三种组成具体实施例的主截面示意图； 

图17为本装置第四种组成具体实施例的主截面示意图； 

图18为翅片叠层光伏电池的翅片空腔分电池和翅片结构的主截面示意图； 

图19为圆台或凸台翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图； 

图20为圆坑或槽沟翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图； 

图21为一种圆环面或平面对称翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图； 

图22为另一种圆环面或平面对称翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图。 

具体实施方式

图1为物理光学元件三棱柱镜(棱镜)100主截面的示意图，其顶角为α104，棱镜100具有分光性质，其中紫外光线的波长最短，折射率最大，射出线102偏向底边103的偏转角最大；而红外光线的波长最长，折射率最小，射出线101的偏转角最小。图2为现有技术的三棱柱镜200主截面的示意图，其顶角为α203， 入射光线201与棱面202垂直，入射角i₁＝0°，与棱镜100相比在相同的棱镜顶角的条件下前者的不同方向的各组单色平行光射出线有最大的射出角i′_i。图3为物理光学无轴向色差的正负组合透镜300主截面的示意图，由不同的玻璃制成的正透镜301和负透镜302胶合在一起，能有效消除轴向色差。图4为现有技术的组合棱镜4000主截面的示意图，其顶角为α4001相等并朝一个方向，具有与如图2所示的棱镜200主截面相同的光学性质，并具有厚度薄、重量轻和光路损失小的优点。图5为物理光学元件一种有轴向色差的单光轴5001正透镜5000主截面的示意图，5002为其主截面的对称线，具有聚光性质：把来自如图4所示的组合棱镜4000主截面不同方向的各组单色平行光线聚焦在目标装置5004主截面上构成一段向上倾斜的微凸颜色焦点孤线5006，颜色分布从红外5005到紫外5003排列。图6为一种现有技术的无轴向色差的单光轴6001正透镜(菲涅尔透镜)6000主截面的示意图，它的光学性质是：把来自如图4所示的组合棱镜4000主截面不同方向的各组单色平行光线聚焦在目标装置6003主截面上构成一段水平的颜色焦点分布线段6005，颜色分布从红外6004到紫外6002排列。 

图7为本发明的一种圆环棱镜7000主截面的示意图，它是由图4所示的组合棱镜4000主截面(或图2所示的三棱柱镜200主截面)绕对称轴7005回转形成，顶角α7001朝对称轴7005，左边的截面7002和右边的截面7004的结构完全对称，各自都具有与图4所示的组合棱镜4000主截面相同的光学性质；这种圆环棱镜7000还具有如下性质：来自平行于对称轴7005的一束平行光线中任一对称的两条入射光线7003经圆环棱镜射出的不同方向的各特定波长单色光线分别相交于对称轴上的一点，其颜色分布从紫色光线交点7007到红外光线交点7006排列。 

图8为本发明的一种用同一材料制成的两块或一块对称的直长条棱镜8000主截面的示意图，它的顶角为α8001相等并朝对称轴8003，左边的截面8004和右边的截面8002的结构完全对称，各自都有相同的如图4所示的组合棱镜4000主截面的光学性质；两块或一块对称的直长条棱镜8000主截面上的光学性质与图7所示的圆环棱镜7000主截面上的光学性质相同。 

图9为本发明的一种有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行 的圆环正透镜9000主截面的示意图，由图5所示正透镜5000主截面绕对称轴9003回转形成，回转半径为l9009(三轴距离)，对称轴9003左右两边的截面9007和9008完全对称，并与图5所示的正透镜5000主截面光学性质相同；9006、9001分别为左右截面9007和9008的光轴，它还具有独特的光学性质：分别把来自图7所示的圆环棱镜7000左右截面射出的不同方向的各组单色平行光线都对应地聚焦在同一主截面的目标装置9004主截面轮廓两边，构成对称的两段倾斜微凸颜色焦点孤线9005和9002，颜色分布从底部的红外到顶部紫外排列。 

图10为本发明的一种无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的圆环正透镜1000主截面的示意图，它是由图6所示的菲涅尔透镜6000的主截面(或图3所示的正负组合透镜300主截面)绕对称轴1003回转形成，回转半径为l1004(三轴距离)，对称轴1003左右两边截面1005和1002完全对称并与图6所示的菲涅尔透镜6000主截面光学性质相同；1006和1013分别为左右两边截面1005和1002的光轴；1001为圆环菲涅尔透镜1000的光滑顶平面；具有独特的光学性质：分别把来自图7所示的圆环棱镜7000左、右两边截面的不同方向的各组单色平行光线对应聚焦在同一主截面的目标装置1010主截面轮廓两边形成对称的两段颜色焦点水平线1008和1011，颜色分布从线段两端1007和1012的紫外向对称轴上中心点1009的红外排列。 

图11为本发明的一种用同一材料制成的有轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜1100主截面的示意图，对称轴1106左边的截面1105和右边的截面1101的结构完全对称，与图5所示的正透镜5000主截面的光学性质相同；1104和1102分别为左、右截面1105和1101的光轴，1103为三轴距离l，有轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜1100主截面的光学性质与图9所示的圆环正透镜9000主截面的光学性质相同。 

图12为本发明的一种用同一材料制成的无轴向色差的左右两边截面的光轴与对称轴对称平行的两块或一块对称的直长条正透镜(直长条菲涅尔透镜)1200主截面的示意图，对称轴1207左边的截面1206和右边的截面1202完全对称并与图6所示的菲涅尔透镜6000主截面的光学性质相同，1205和1203分别为 左、右截面1206和1202的光轴，1204为三轴距离l，无轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜1200主截面的光学性质与图10所示的1000主截面的光学性质相同。 

图13为本装置工作原理数学分析图，1300为过对称轴1304的主截面的示意图。其中，在同一对称轴的主截面上，对称轴1304与入射平行光线1303平行。1301和1307为本发明棱镜对称轴左右截面，1353和1310为本发明正透镜对称轴左右截面，1335为它们所对应的表面覆盖有彩色光谱域的目标装置(包括光伏电池、显视屏幕和连接窗口)。 

本发明的棱镜包括具有由物理光学和现有技术的各种棱镜主截面构成本装置主截面上两个完全对称的顶角相等并朝对称轴特征的各种棱镜，如图7所示的圆环棱镜7000、图8所示的两块或一块对称的直长条棱镜8000。 

本发明的正透镜1349包括具有由物理光学和现有技术的各种正透镜主截面构成本装置主截面上两个完全对称特征的各种正透镜，如图9所示的有轴向色差的圆环正透镜9000、图10所示的无轴向色差的圆环正透镜1000、图11所示的有轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜1100和图12所示的无轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜1200。 

图13至图17标注一些必需的统一光学和数学分析文字符号，便于表达和理解。本数学模型及结果不受装置的具体结构限制，因它表达了本装置光学系统特有的光学性质，具有通用性。 

本装置特设对称坐标系x₁oy和x₂oy，对称轴1304左边的棱镜截面1301和光轴为O₁O′₁1346的正透镜截面1353设x₁oy坐标系，坐标原点为O1350；对称轴1304右边的设x₂oy坐标系；oy轴与对称轴1304重合，oy轴指向与入射的平行光线1303一致，假定Ox₁轴和Ox₂轴与正透镜两截面1353和1310的焦点主平面1311重合；两光轴1346和1314与焦点主平面1311的交点分别为O₁1352和O₂1312；1351为三轴距离l。 

根据物理几何光学三大基本定律、物理光学的和现有技术的光学元件棱镜和正透镜的光学性质、本发明的各种棱镜和各种正透镜所具有的特殊光学性质，不同方向的各组单色平行光线聚焦在对应的目标装置主截面轮廓对称两边的颜色 焦点分布线中任一焦点的数学表达式为： 

$f=\frac{1}{n_2-1}\frac{r_1{r}_2}{r_1+r_2}=\frac{1}{n_2-1}\mathrm{\θ}\left(r\right)---\left(1\right)$

y＝ft_g(ω)                                            (2) 

ω＝δ-γ                                             (3) 

δ＝i₁+i′₁-α                                        (4) 

$i_1^{\′}=\arcsin \left\{n_1\sin \right[\mathrm{\α}-\arcsin \left(\frac{\sin i_1}{n_1}\right)\left]\right\}---\left(5\right)$

x＝f·sinγ+y·cosγ-l                                (6) 

y＝f·cosγ+y·sinγ                                  (7) 

(1)至(7)式中， 

f为每一焦点的焦距1347；y为每一焦点的高1348；n₁为每一特定波长的单色光线在棱镜中的折射率；n₂为每一特定波长的单色光线在正透镜的折射率；r₁和r₂分别为正透镜主截面上的1353、1310的入射面和射出面的曲率半径；θ(r)为各种正透镜主截面的外形轮廓函数值；ω为棱镜主截面上对称截面1301和1307射出的不同方向的每组单色平行光线与光轴的夹角，如ω_紫外1308、ω_红外1309；为棱镜主截面上的对称截面1301和1307射出的各组单色平行光线相对于入射光线1303的偏转角1305；i₁为入射光线1303的入射角；i′₁为棱镜主截面上对称截面1301和1307被分离的不同方向的各组单色平行光线的射出角1306；α为棱镜主截面上的顶角；γ为在主截面上光轴1346和1314分别对称地绕O₁1352和O₂1312旋转一定的角度；x为每一焦点到Oy轴的距离x₁或x₂；y为每一焦点到Ox₁轴或Ox₂轴的距离；l为三轴距离。 

在实际设计中，通常取：γ＝0°，更便于制造、安装和调试；棱镜和正透镜用同一材料制成(正负组合透镜除外)，它们的折射率为n；棱镜主截面 上对称截面1301和1307的平行光线1303入射角i₁＝0°，有最大射出角i′₁1306；棱镜顶角α1302＜40°，有不变的最小反射损失。则有 

ω＝δ＝i′₁-α             (8) 

i′₁＝arcsin(n.sinα)       (9) 

x＝y-l                      (10) 

y＝f                        (11) 

当x＝x₁＝x₂＝0时，则有 

y＝l                        (12) 

f＝y＝l/t_g(ω)              (13) 

$\mathrm{\θ}\left(r\right)=f/\frac{1}{n-1}---\left(14\right)$

本装置只需计算对称轴1304左边或右边截面光学系统。 

按照(1)式至(14)式和选定的已知条件，首先算出在对称轴1304上具有特定波长单色光线的集结点(对称轴轴向色差点)的位置(0，y)和正透镜截面的外形轮廓函数值θ(r)并计算正透镜主截面的外形结构，然后计算目标装置1335主截面轮廓对称两边颜色焦点分布线，则构成覆盖在目标装置表面上各种外形的彩色光谱域。 

图13中，对称轴1304上各点，O′₃1315、O′₄1316、O′₅1317、O′₆1318、O′₇1319、O′₈1320、O′₉1321、O′₁₀1322、O′₁₁1323和O′₁₂1324分别是下列各组特定波长入(单位nm)的全部单色光线的集结点：紫外(λ＝365.0)、h(蓝，λ＝404.7)、g(青，λ＝435.8)、F(青绿，λ＝486.1)、E(绿，λ＝546.1)、D(黄，λ＝589.0)、C(橙红，λ＝656.3)、A′(红，λ＝766.5)、(红外)₁(λ＝863.0)和(红外)₂(λ＝950.8)；各点与焦点主平面1311的距离分别为：y₃1345、y₄1344、y₅1343、y₆1342、y₇1341、y₈1340、y₉1339、y₁₀1338、y₁₁1337和y₁₂1336；O₁和O₂分别与对称轴1304上各点的连线：K₃1334、K₄1333、K₅1332、K₆1331、K₇1330、K₈1329、K₉1328、K₁₀1327、K₁₁1326和K₁₂1325分别是上述对应在目标装置1335主截面轮廓对称两边颜色焦点分布线上的各组特定波长单色平行光线的焦点变化线。 

图14为本装置第一种组成具体实施例的主截面示意图，此装置1400依 次由同一回转轴的一个圆环棱镜和一个有轴向色差的圆环正透镜组成，1446或1445为它们所对应的同一回转轴的目标装置，采用图13所示的x₁oy和x₂oy对称坐标系，并具有图13主截面所示特征。 

具体实施的已知条件： 

(1)圆环棱镜的顶面为光滑平面，左右对称截面1402和1406的入射光线1405的入射角i₁＝0°；各顶角α1407＝30°并朝对称轴；材料为重火石牌玻璃(ZF₁)，各种特定波长的单色光线在其中传播的折射率n在手册中查得；主截面的直径1401为300mm，厚度1408为10mm； 

(2)有轴向色差的圆环正透镜的左右对称两个截面1448和1411的光轴O₁O′₁1447和O₂O′₂1412的旋转角度γ＝0°，三轴距离l1450＝80mm；其材料与圆环棱镜相同；假定其焦点主平面1449与Ox₁轴和Ox₂轴重合；假定两截面1448、1411的厚度1410为20mm； 

(3)圆环棱镜的顶平面1403到Ox₁轴和Ox₂轴的距离1409为25mm； 

(4)此装置的光学元件采用镀双层减反射膜，其光路效率η₁₄＝(0.99)⁽⁶⁺³⁾＝91.35％。 

按照(1)至(14)式，对称轴1404上特征点O₃1444、O₄1443、O₅1442、O₆1441、O₇1440、O₈1439、O₉1438、O₁₀1437、O₁₁1436和O₁₂1435，圆环正透镜截面1448或1411外形轮廓函数值θ(r)和不同方向的各组单色平行光线与光轴1447、1412的交角ω的计算结果列入表1。 

按照(1)式至(14)式、表1的数据和已知条件，目标装置1446主截面轮廓对称两边的颜色焦点A₃1413、A₄1414、A₅1415、A₆1416、A₇1417、A₈1418、A₉1419、A₁₀1420、A₁₁1421和A₁₂1422的坐标位置(x，y)的计算结果和目标装置1445主截面轮廓对称两边的颜色焦点B₃1423、B₄1424、B₅1425、B₆1426、B₇1427、B₈1428、B₉1429、B₁₀1430、B₁₁1431和B₁₂1432的坐标位置(x，y)计算结果列入表1。 

从计算结果可知： 

(1)对称轴1404上各特征点(对称轴轴向色差点)O₃1444、O₄1443、O₅1442、O₆1441、O₇1440、O₈1439、O₉1438、O₁₀1437、O₁₁1436和O₁₂1435分别是此装置相应目标装置表面上的一个等波长点，分布按波长的长短从短到长、从上到下、从稀到密不均匀排列； 

(2)目标装置1446的表面呈微凸近似圆台圆锥环带彩色光谱域，颜色 

表1 

分布从下底圆的(红外)₂A₁₂1422到上底圆的紫外A₃1413排列；圆台底部的圆锥环带较密集；圆台高1434为15.5879mm；上底圆半径为4.8802mm；下底圆半径为8.8216mm；侧面积为692.1970mm²；聚光比为102.1183，此装置和目标装置的总高度为180.5879mm，总高度与直径比为0.6020； 

(3)由于对称轴左边和右边截面光学系统所对应的目标装置主截面轮廓对称两边颜色焦点线分别交叉地落在对称轴右边和左边，所以目标装1445的表面呈微凸近似圆坑圆锥环带彩色光谱域，颜色分布从坑底的(红外)₂B₁₂1432到坑口的紫外B₃1423排列，坑底部的圆锥环带较密集；圆坑高1433为20.0415mm；坑底半径为11.5150mm；坑口半径为16.5826mm；侧面积为1824.7733mm²；此装置的总高度为225.0415mm，总高度与直径比为0.7501，聚光比为38.7369； 

(4)目标装置外形变化，随θ(r)的增大从上到下依次是一系列的圆台、圆锥、倒圆锥坑、圆坑，目标装置1446上方的圆台圆锥环带彩色光谱域的高度变矮；而目标装置1445下方的圆坑圆锥环带彩色光谱域的高度变高，且坑底和坑口的半径也相应增大；它们的高度随三轴距离l1450的增加而升高。 

图15为本装置第二种组成具体实施例的主截面示意图。此装置1500的总宽度1501为300mm，总长度为300mm，依次由同一对称面并在直长条方向相互平行的两块或一块对称的直长条棱镜和有轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜组成，1546或1545为相应的同一对称面的目标装置。采用图13所示的x₁oy和x₂oy对称坐标系，并具有图13主截面所示特征。 

具体实施的已知条件如下： 

(1)两块或一块对称的直长条棱镜的左右对称截面1502和1506分别与图14所示的圆环棱镜的左右对称截面1402和1406的结构及材料完全相同，并且其入射光线1505的入射角i₁＝0°；各顶角α1507＝30°并朝对称轴；材料为重火石牌玻璃(ZF₁)；主截面的总宽度1501与图14所示的圆环棱镜主截面直径1401相等，相应的厚度1508为10mm； 

(2)有轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜的左右对称截面1548 和1511分别与图14所示的圆环正透镜的左右对称截面1448和1411的结构及材料完全相同，并且光轴O₁O′₁1547和O₁O′₂1512的旋转角度γ＝0°，三轴距离l1550＝80mm；假定其焦点主平面1549与Ox₁轴和Ox₂轴重合，并假定两截面1548和1511的厚度1510为20mm并与图14所示的厚度1410相等； 

(3)两块或一块对称的直长条棱镜的顶平面1503到Ox₁轴Ox₂轴的距离1509为25mm并与图14所示的距离1409相等； 

(4)此装置的光学元件采用镀双层减反射膜，其光路效率η₁₅＝(0.99)⁽⁶⁺³⁾＝91.35％。 

图15与图14所示的装置的主截面左右两边的截面的外形结构、相对位置尺寸、已知条件完全相同，所以图15主截面的计算结果与图14主截面的计算结果相同，其中对称轴1504上特征点：O₁₃1544、O₁₄1543、O₁₅1542、O₁₆1541、O₁₇1540、O₁₈1539、O₁₉1538、O₂₀1537、O₂₁1536和O₂₂1535的位置及相应的正透镜截面1548或1511的外形轮廓函数值θ(r)相对应地分别与图14所示并列入表1的O₃1444、O₄1443、O₅1442、O₆1441、O₇1440、O₈1439、O₉1438、O₁₀1437、O₁₁1436和O₁₂1435的位置及相应的圆环正透镜截面1448或1411的外形轮廓函数值θ(r)完全相同；目标装置1546主截面轮廓对称两边的颜色焦点：E₃1513、E₄1514、E₅1515、E₆1516、E₇1517、E₈1518、E₉1519、E₁₀1520、E₁₁1521和E₁₂1522的位置(x，y)分别与图14所示并列入表1的A₃1413、A₄1414、A₅1415、A₆1416、A₇1417、A₈1418、A₉1419、A₁₀1420、A₁₁1421和A₁₂1422的位置(x，y)完全相同；目标装置1545主截面轮廓对称两边的颜色焦点：F₃1523、F₄1524、F₅1525、F₆1526、F₇1527、F₈1528、F₉1529、F₁₀1530、F₁₁1531和F₁₂1532的位置(x，y)分别与图14所示的并且列入表1的B₃1423、B₄1424、B₅1425、B₆1426、B₇1427、B₈1428、B₉1429、B₁₀1430、B₁₁1431和B₁₂1432的位置(x，y)完全相同。 

从计算的结果可知： 

(1)对称轴1504上各特征点(对称轴轴向色差点)O₁₃1544、O₁₄1543、O₁₅1542、O₁₆1541、O₁₇1540、O₁₈1539、O₁₉1538、O₂₀1537、O₂₁1536和O₂₂1535分别是此装置相应目标装置表面上的一条等波长线，分布按波长的长短从短到 长、从上到下、从稀到密不均匀排列； 

(2)目标装置1546的表面呈微凸近似凸台直长条带彩色光谱域，颜色分布从下底边的(红外)₂E₁₂1522到上底边的紫外E₃1513排列，且下底部的直长条带较密集；凸台高1534为15.5874mm；上底宽为9.7606mm，下底宽为17.6432mm；两侧面积为9647.1mm²；聚光比为9.3292；此装置和目标装置的总高度为180.5879mm，总高度与总宽度比为0.6020； 

(3)由于对称轴左边和右边截面光学系统所对应的目标装置主截面轮廓对称两边颜色焦点线分别交叉地落在对称轴右边和左边，所以目标装置1545的表面呈微凸近似槽沟直长条带彩色光谱域，颜色分布从槽底边的(红外)₂F₁₂1532到槽口边的紫外F₃1523排列，且槽底部的直长条带较密集；槽沟高1533为20.0415mm，两侧面积为12403.38mm²，聚光比为7.2561；此装置的总高度为225.0415mm，总高度与宽度比为0.7501。 

(4)目标装置外形变化，随θ(r)的增大从上到下依次是一系列的凸台、锥台、倒锥槽沟、槽沟，目标装置1546上方的凸台直长条带彩色光谱域的高度变矮；而目标装置1545下方的槽沟直长条带彩色谱域的高度变高，并且上、下底的宽度也加大；它们的高度随三轴距离l1550的增加而升高。 

图16为本装置第三种组成具体实施例的主截面示意图，此装置1600依次由一个同一回转轴的一个圆环棱镜和一个无轴向色差的圆环正透镜(圆环菲涅尔透镜)组成，1652或1646或1645或1651为对应的目标装置。采用图13所示的x₁oy和x₂oy对称坐标系，并具有图13主截面所示特征。 

具体实施的已知条件如下： 

(1)圆环棱镜的两个对称截面1602和1606的入射光线1605的入射角度i₁＝0°；各顶角α1607＝36°并朝对称轴；材料为重火石牌玻璃(ZF₁)，各种特定波长的单色光线在其中传播的折射率n在手册中查得；主截面的直径1601为300mm，厚度1608为10mm； 

(2)无轴向色差的圆环正透镜的左右对称两个截面的光轴O₁O′₁1647和O₂O′₂1612的旋转角度γ＝0°，三轴距离l1650为80mm，其材料与圆环棱镜相同；假定焦点主平面1649与Ox₁轴和Ox₂重合；假定两对称截面1648和1611的厚度1610为10mm； 

(3)圆环棱镜顶平面1603到Ox₁轴或Ox₂轴的距离1609为15mm； 

(4)此装置光学元件采用镀双层减反射膜，其光路效率η₁₆＝(0.99)⁽⁶⁺²⁾＝92.27％。 

按照(1)式至(14)式，对称轴1604上特征点O₂₃1644、O₂₄1643、O₂₅1642、O₂₆1641、O₂₇1640、O₂₈1639、O₂₉1638、O₃₀1637、O₃₁1636和O₃₂1635的位置(0，y)、相应的圆环正透镜截面1648或1611外形轮廓函数值θ(r)和不同方向的各组单色平行光线与光轴O₁O′₁1647和O₂O′₂1612的交角ω的计算结果列入表2。 

按照(1)式至(14)式、表4的数据及已知条件，目标装置1646主截面轮廓对称两边的颜色焦点T₃1622、T₄1621、T₅1620、T₆1619、T₇1618、T₈1617、T₉1616、T₁₀1615、T₁₁1614和T₁₂1613的坐标位置(x，y)的计算结果和目标装置1645主截面轮廓对称两边的颜色焦点U₃1632、U₄1631、U₅1630、U₆1629、U₇1628、U₈1627、U₉1626、U₁₀1625、U₁₁1624和U₁₂1623的坐标位置(x，y)的计算结果列入表2。 

从上计算结果可知： 

(1)对称轴1604上各特征点(对称轴轴向色差点)O₂₃1644、O₂₄1643、O₂₅1642、O₂₆1641、O₂₇1640、O₂₈1639、O₂₉1638、O₃₀1637、O₃₁1636和O₃₂1635是此装置相应目标装置表面上的一个等波长点，其分布与图14所示的相似； 

(2)目标装置1646表面呈圆面圆环带彩色光谱域，，颜色分布从外圆的(红外)₂T₁₂1613到圆心的紫外T₃1622排列，并且外圆部分的圆环带较密集；全部的波长为365.0nm紫外光线集结到圆心点，即为紫外光线的一个等波长点，具有极高光强度；圆面直径1634为64.1506mm，圆面积为3232.1562mm²；此装置的聚光比为21.8696，总高度为77.5784mm，总高度与外径比为0.2586； 

(3)目标装置1645表面呈圆面圆环带彩色光谱域，由于对称轴左边和右边截面光学系统所对应的目标装置主截面轮廓对称两边颜色焦点线分别交叉落在对称轴右边和左边，所以颜色分布从外圆的紫外U₁₂1623到圆心的(红外)₂U₃1632排列，并且圆心部分的圆环带较密集；全部的波长为950.8nm的(红外)₂光线集结到圆心点，即为(红外)₂光线的一个等波长点，具有很高的光强度；圆面直径1633为107.5444mm，圆面积为9083.7777mm²，聚光比为7.7816，此装置和目标装置的总高度为119.7616mm，总高度与外径比为0.3992； 

(4)目标装置外形变化，随θ(r)的增加从上到下依次是一系列的(红外)₂在外圆的圆环面；圆心分别为紫外、h(蓝)、g(青)、F(青绿)、E(绿)、D(黄)、C(橙红)、A′(红)、(红外)₁、(红外)₂的圆面；内径为(红外)₂的圆环面的圆环带光谱域。目标装置1646上方的1652呈圆环面圆环带彩色光谱域，内外直径增大，但圆 

表2 

环面圆环带彩色光谱域的宽度减小。目标装置1645下方的1651呈圆环面圆环带彩色光谱域，内外直径增大，但其宽度增加快。圆面直径1634和圆面直径1633随三轴距离l1650的增加而增加。 

(5)若目标装置1646和1645用作太阳能平板光伏电池并每一分电池的径向宽度为5mm左右，则分别由6个和10个肩并肩排列的分电池组成，每一分电池都含有最有效吸收覆盖其上的光谱带的光能并转化为电能的敏感电池材料。集中在太阳能电池1645圆心部分的(红外)2、(红外)1、A′(红)、C(橙红)和D(黄)色圆环带的光强度大大提高而变为高能带区域，有利电池效率的提高。这种由许多肩并肩排列的平板分电池组成的太阳能电池有很高的实际相对效率 

η′₁₆＝60％左右，则由本装置和太阳能电池组成的光伏 转换装置的有效效率η_e16＝η₁₆·η′₁₆＝92.27％·60％＝55.36％。这种光伏转换装置能有效吸收太阳光中绝大部分射线并转变成电能，这对于太空太阳能电池具有特殊意义，不但效率高，而且工作温度低，工作稳定和寿命长。 

图17为本装置第四种组成具体实施例的主截面示意图，此装置1700的总宽度1701为300mm并与图16所示的直径1601相等，总长度为300mm。此装置依次由同一对称面并在直长条方向相互平行的两块或一块对称的直长条棱镜和无轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜(菲涅尔透镜)组成，1746或1745或1752或1751为对应的目标装置，采用图13所示的x₁oy和x₂oy对称坐标系，并具有图13主截面所示特征。 

具体实施的已知条件如下： 

(1)两块或一块对称的直长条棱镜的左右截面1702和1706分别与图16所示的圆环棱镜的左右截面1602和1606的结构和材料完全相同，并且其入射光线1705的入射角i₁＝0°，各顶角α1707＝36°并朝对称轴，材料为重火石牌玻璃(ZF₁)，厚度1780为10mm； 

(2)无轴向色差的两块或一块对称的直长条正透镜的左右截面1748和1711分别与图16所示圆环正透镜的左右截面1648和1611的结构及材料完全相同，并且光轴O₁O′₁1747和O₂O′₂1712的旋转角度γ＝0°，三轴距离l1750＝80mm；假定其焦点主平面1749与Ox₁轴和Ox₂轴重合；并假定两截面1748和1711的厚度1710为10mm并与图16所示的厚度1610相等； 

(3)两块或一块对称的直长条棱镜的顶平面1703到Ox₁轴和Ox₂轴的距离 1709为15mm并与图16所示的距离1609相等； 

(4)此装置的光学元件采用镀双层减反射膜，其光路效率η₁₇＝(0.99)⁶⁺²＝92.27％。 

图17与图16所示的装置的主截面左右两边对称的截面的外形结构、相对位置尺寸和已知条件完全相同，所以图17装置主截面的计算结果与图16所示的主截面的计算结果完全相同。其中，对称轴1704上的各个特征点的坐标位置(0，y)及相应的正透镜截面1748和1711的外形轮廓函数值θ(r)分别与图16所示并列入表2的O₂₃1644、O₂₄1643、O₂₅1642、O₂₆1641、O₂₇1640、O₂₈1639、O₂₉1638、O₃₀1637、O₃₁1636和O₃₂1635的坐标位置(0，y)及相应的圆环正透镜截面1648和1611的外形轮廓函数值θ(r)完全相同；目标装置1746主截面轮廓对称两边的颜色焦点V₃1722、V₄1721、V₅1720、V₆1719、V₇1718、V₈1717、V₉1716、V₁₀1715、V₁₁1714和V₁₂1713的坐标位置(x，y)分别与图16所示并列入表2的T₃1622、T₄1621、T₅1620、T₆1619、T₇1618、T₈1617、T₉1616、T₁₀1615、T₁₁1614和T₁₂1613的坐标位置(x，y)完全相同；目标装置1745主截面轮廓对称两边的颜色焦点W₃1732、W₄1731、W₅1730、W₆1729、W₇1728、W₈1727、W₉1726、W₁₀1725、W₁₁1724和W₁₂1723的坐标位置(x，y)分别与图16所示并列入表2的U₃1632、U₄1631、U₅1630、U₆1629、U₇1628、U₈1627、U₉1626、U₁₀1625、U₁₁1624和U₁₂1623的坐标位置(x，y)完全相同。 

从计算结果可知： 

(1)对称轴1704上各特征点(0，y)是此装置相应的目标装置表面上的一条等波长线，分布与图15的相似； 

(2)目标装置1746表面呈平面对称直长条带彩色光谱域，颜色分布从平面对称的两外侧的(红外)₂V₁₂1713向平面对称线的紫外V₃1722排列，并且两外侧部分的直长条带较密集；全部的波长为365.0nm的紫外光线集结到平面对称线上，成为紫外线的一条等波长线；平面对称直长条带彩色光谱域的宽度1734为64.1506mm，面积为19245.18mm²，此装置的聚光比为4.6765，总高度为77.5784mm，总高度与总宽度比为0.2586。 

(3)目标装置1745表面呈平面对称直长条带彩色光谱域，由于对称轴左边和右边截面光学系统所对应的目标装置主截面轮廓颜色焦点线分别交叉落在对称轴的右边和左边，所以颜色分布从平面对称的两外侧的紫外W₃1732到平面 对称线的(红外)₂W₁₂1723排列，并且平面对称线部分的直长条带较密集，全部的波长为950.8nm的红外光线集结到平面对称线上，成为(红外)₂的一条等波长线；平面对称直长条带彩色光谱域宽度1733为107.5444mm，面积为32263.32mm²；聚光比为2.7895，总高度为119.7616mm，总高度与总宽度比为0.39922。 

(4)目标装置1746上方的1752及1745下方的1751所具有特征分别与图16所示的相应目标装置特征相似。 

(5)若目标装置1746和1745用作太阳能光伏电池并每一分电池的宽度为5mm左右，则分别由对称的11个和19个肩并肩平板直长条带分电池组成，其中包括平面对称线区域的直长条带分电池，每一分电池都含有最有效吸收覆盖其上的直长条带单色光或多色光的光能并转化为电能的敏感电池材料。太阳能电池1745平面对称线区域的直长条带分电池由对称两边较密集的的(红外)₂、(红外)₁、A′(红)、C(橙红)和D(黄)色直长条带组成。这种由许多肩并肩排列的平板分电池组成的太阳能电池有很高的实际相对效率(包括光谱转换装置的光路损失)能达到50％左右。这种太阳能电池同样具有有效吸收太阳光中绝大部分射线并转变成电能、效率高、工作温度低、工作稳定和寿命长优点。 

图18为翅片叠层光伏电池的翅片空腔分电池和翅片结构的主截面示意图。图18_a、18_b、18_c和18_d的翅片分别为薄的单斜面翅片、双斜面翅片、组合双斜面翅片和平翅片；它们的翅片空腔1804、1824、1834和1845分别由相邻两块单斜面翅片1803与1809、两块双斜面翅片1822与1823、两块组合双斜面翅片1832与1833、两块平翅片1844与1849构成；它们的翅片伸出长度分别为1810、1827、1837和1850；它们的翅片空腔口处的彩色光谱域分别是1806、1825、1835和1846；它们的翅片空腔口的光谱带宽度分别为1808、1826、1836和1848。由这些薄翅片能构筑更多的翅片空腔，使每一翅片空腔口的光谱带变成相对某一特定波长的单色光带并在翅片空腔散开。图18a中，小锐角楔形的翅片空腔1804由带斜面尖端1805的翅片1803斜面和斜面翅片1809的垂直面构成并具有向左或向右的张角；翅片空腔1804的两壁面都含有翅片空腔口对应的光谱带所要求的能最有效吸收其光能并转变成电能的最敏感半导体电池材料或其它电池材料；翅片伸出的长度1810与翅片空腔口的宽度1808的比值越大，则楔形角度越小，入射光线在翅片空腔的相对反射次数越多，半导体电池材料的相 对受光面积越大，使光谱带光线焦点在腔口处散开并射入翅片空腔分电池的每一条光线1807只能在两壁面间无损失地向前来回反射，但绝不会到达楔形顶点1802而前进一定深度后反回，因为每一次反射都使下一次反射的入射角减少一个小的楔形角度；光谱带全部光线在空腔两壁面向前推进和返回过程中光能不断被壁面最敏感半导体电池材料吸收并转化成电能，使光线的光强度急速地减弱，最终消失在翅片空腔分电池中并几乎100％被转化成电能；翅片空腔分电池的电极导线从结合面1801或侧面引出。图18_b和图18_c具有与图18_a相同特征，其主要区别在于：图18_b的相邻两块双斜面翅片1822和1823的双面是对称的；图18_c的相邻两块翅片1832和1833是两块单斜面翅片粘结组合成，使翅片空腔1834的两壁面容易获得相同半导体电池材料。图18_d的作用与图18_a相同，其主要区别在于：平薄翅片1844和1849相互平行，光谱带宽度由隔板1842的厚度确定；为了加强平薄翅片的刚度允许在适当的位置有小凸起或两翅片向一个方向偏转一小角度；翅片空腔1845呈平行窄缝，使射入的任一条光线1847在两壁面间回来反射，进入底部被表面电池材料吸收或被镜面1843全部反射回；同样在来回反射过程中光谱带的光能不断被壁面最敏感半导体电池材料吸收并转变成电能，其光能最终消失在翅片空腔分电池中并转变成电能；分电池的电极导线从结合面1841或侧面引出。 

从上可知：由许多肩并肩排列的圆环形或直长条形翅片空腔分电池组成的平面对称、凸台、槽沟、圆台、圆坑的和圆环面的翅片叠层光伏电池，其分电池的数目比同类型平板分电池数目大大增加了，并可按单色光或某特定波长电磁能射线制作分电池，所以翅片叠层光伏电池的有效效率能达到最大值约50％左右，并且其工作温度接近当地环境温度、工作稳定和寿命长；用于太空的翅片叠层光伏电池能接收太阳光中各种电磁能射线并被分隔开来，被对应的翅片空腔分电池吸收并转变成电能，这对太空电站、太空飞船、卫星及其它航天器具有重大意义。 

图19是本装置具体实施例图14所示目标装置1446圆台翅片叠层光伏电池或图15所示目标装置1546凸台翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图，其特征是： 

(1)圆台或凸台高度为15.5879mm，光伏电池的可分性较好，图19_a和图19_b分别为平置单斜面的翅片叠层和斜置单斜面的翅片叠层光伏电池的主截面示意图。 

(2)按照图14所示目标装置圆台1446或图15所示的凸台1546主截面轮廓对称两边的颜色焦点分布线1901，用许多斜面朝下的相邻翅片1903、1907的斜面端点1906把其切割并构成许多张角朝上的肩并肩排列的翅片空腔，下端部分的翅片较密集，与这部分的单色光带较密集相应适应。直接通过连接光谱转换装置的对称轴1404或1504轴杆定位，并用轴杆螺栓1902和螺帽1914把这些翅片固紧在一起。 

(3)每相邻两翅片1903和1907形成的翅片空腔1904两壁都含有对应特定波长单色光所要求的最敏感半导体电池材料，或含有对应特定波长段光谱带所要求的较敏感的半导体电池材料，则由许多肩并肩排列的翅片空腔分电池组成翅片叠层光伏电池，各分电池的两极导线从小孔1908或侧面引出。 

(4)圆台和凸台翅片叠层光伏电池的受光面积分别比圆台和凸台侧面积大若干倍。 

(5)每一特定波长单色光线焦点都落在相应的翅片空腔口中1905，上端波长为365.00nm的紫外线焦点A₃1413或E₃1513和下端波长为950.8nm的红外光线焦点A₁₂1422或E₁₂1522分别落在对应的翅片空腔口中，使每一特定波长单色光线焦点1905散开的光线全部收入翅片空腔1904而被周壁最敏感的半导体电池材料吸收并转变成电能。这种翅片叠层光伏电池具有相当高的实际相对效率约60％左右、工作温度低和工作稳定的优点。 

(6)假定这种翅片叠层光伏电池的实际相对效率为60％左右，又根据具体实施例图14和图15的光路效率为91.35％，则圆台或凸台翅片叠层光伏电池的实际有效效率为54.81％左右；是欧盟、美国和日本现有技术的聚光叠层太阳能电池效率40％的1.8倍左右； 

(7)图19_b的每一翅片1909向上斜置一定角度，其作用是使每一特定波长单色光线焦点更容易对准相应的翅片空腔口，获得更佳效果。通过对称轴1404或1504轴杆定位并用轴杆螺栓1913、托板1910、螺帽1911和压板1912紧固在一起。 

图20是本装置具体实施例图14所示的在对称轴1404上的目标装置1445圆坑翅片叠层光伏电池和图15所示的在对称轴1504上的目标装置1545槽沟翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图，它们的特征和工作原理与图19所示的基本相同，主要区别是： 

(1)圆坑或槽沟翅片叠层光伏电池的高度为20.0145mm，比图19所示的可分性好；根据图14或图15所示目标装置1445或1545主截面轮廓对称两边颜色焦点变化线切割并构成翅片叠层光伏电池； 

(2)图20_a和图20_c分别是圆环形的平置和斜置单斜面翅片构成的圆坑翅片叠层光伏电池的主截面示意图，图20_b和图20_d分别是直长条形的平置和斜置单斜面翅片构成的槽沟翅片叠层光伏电池的主截面示意图； 

(3)每相邻两翅片2005和2006形成的翅片空腔分电池的电极导线从侧面2007引出； 

(4)图20_a、20_b、20_c和20_d各自的全部翅片分别支撑在托板2017、2008、2014和2013上，分别用压板与螺钉：2001与2002、2004与2003、2015与2016、2012与2010压紧组成构件。通过处于对称轴1404和1504上的定位孔2009安装在与对称轴1404或1504同轴线的支架上； 

(5)圆坑和槽沟底部的翅片较密集，与此处的光谱带较密集相适应；波长为365.0nm的紫外光线焦点F₃1523或B₃1423和波长为950.8nm的红外光线焦点F₁₂1532或B₁₂1432分别对准上端和下端相应的翅片空腔口。 

(6)聚光比从圆台的102.1183减少到圆坑的38.7369，从凸台的9.3292减少到槽沟的7.2561，并且圆坑或槽沟的翅片空腔周壁相对面积增大，有利于圆坑或槽沟翅片叠层光伏电池的有效效率进一步提高。 

图21为本装置具体实施例图16所示目标装置1652圆筒形的圆环面翅片叠层光伏电池或图17所示目标装置1752直长条形的平面对称翅片叠层光伏电池主截面示意图。其工作原理及基本特征与前述的翅片叠层光伏电池相同，其主要区别是： 

(1)根据图16所示目标装置1652和图17所示目标装置1752主截面轮廓对称两边颜色焦点变化直线段分割并构成翅片叠层光伏电池； 

(2)图21_a的每一单斜面翅片2106是竖直放置，斜面2107朝对称轴1604或1704，张角2105、2111向外；两外侧的翅片分布密度较大；波长为365.0nm的紫外光线聚焦点从内侧的翅片空腔口2108、2110进入，波长为950.8nm的(红外)₂光线聚焦点从外侧翅片空腔口2104、2112进入；全部圆筒形翅片和直长条形翅片分别放置在绝缘托架2118和2115上，分别用绝缘圆环锥2103、压板2102及螺钉2101压紧和用绝缘直条长条楔块2113、压板2114及螺钉2101压紧， 分别构成圆筒形的圆环面翅片叠层光伏电池和直长条形的平面对称翅片叠层光伏电池组件；每翅片空腔分电池的两极导线从对应的小孔2116或侧面引出；光伏电池分别安装在光谱转换装置对称轴1604和1704的轴杆2109设计定位位置上并用螺母2117固紧。 

(3)图21_b所示的翅片是向外斜置一定角度，其作用是使每一特定波长的聚焦点更容易对准相应的翅片空腔口2121、2122；全部翅片分别放置在圆形绝缘托架2124和直长条绝缘托架2123上，分别用绝缘圆锥形压块2119和绝缘直长条楔块2120、螺母2117压紧在光谱转换装置对称轴1604和1704的轴杆2109下端； 

(4)圆环面圆筒形或平面对称直长条形翅片叠层光伏电池2100的实际有效效率能达到40％以上。 

图22为本装置具体实施例图16所示的目标装置1651圆筒形的圆环面翅片叠层光伏电池或图17所示的目标装置1751直长条形的平面对称翅片叠层光伏电池结构的主截面示意图。与图21所示的相比，主要区别是： 

(1)外径和宽度增大，光伏电池的可分性较好，聚光比减小； 

(2)图16所示目标装置1651或图17所示的目标装置1751主截面轮廓对称轴左边和右边颜色焦点分布直线分别由同一对称轴1604或1704右边和左边截面光学系统产生，所以翅片斜面2201朝外并张角2202向内，每一轮廓颜色焦点都落在翅片空腔口中，其分布从外侧的紫外2204到对称轴1604或1704处的(红外)₂2203排列； 

(3)对称轴1604或1704左右内侧的翅片密度比图21所示的对称轴1604或1704外侧的小； 

(4)图22_a的每一翅片是竖直放置，图22_b对称轴1604或1704左边的翅片向右倾斜一定角度，右边的翅片向左倾斜与左边相同角度； 

(5)与图21的相比，圆筒形的圆环面翅片叠层光伏电池和直长条形的平面对称翅片叠层光伏电池的实际有效效率有所提高； 

(6)图22_a和图22_b的翅片叠层光伏电池分别通过托板2205的对称轴定位中心孔2206和托板2207的对称轴定位中心孔2208安装在与对称轴同-轴线的支架上。 

Claims (8)

1.光谱转换装置，其包括：

-主截面呈三角形的三棱镜或主截面顶角相等的组合棱镜，接收含有各组特定波长的热辐射能平行光线或平行的电磁能射线并折射分离出不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线；

-有或无轴向色差的正透镜，把进入的这些不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线折射出并在它们对应的目标装置表面聚焦成按波长长短排列的彩色光谱域；

其特征在于：所述的棱镜是一个圆环棱镜，所述的正透镜是一个圆环正透镜，它们和对应的目标装置有同一回转轴，过回转轴的主截面上对称轴与回转轴重合并与平行光线或平行的电磁能射线平行，主截面上棱镜的顶角朝对称轴并正透镜左边截面的光轴和右边截面的光轴与对称轴对称平行或对称相交。

2.按照权利要求1所述的光谱转换装置，其特征在于：所述的圆环棱镜是一种ZPR圆环棱镜，所述的圆环正透镜是一种ZPR圆环正透镜。

3.光谱转换装置，其包括：

-主截面呈三角形的三棱镜或主截面顶角相等的组合棱镜，接收含有各组特定波长的热辐射能平行光线或平行的电磁能射线并折射分离出不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线；

-有或无轴向色差的正透镜，把进入的这些不同方向的各组特定波长相互平行的单色光线或电磁能射线折射出并在它们对应的目标装置表面聚焦成按波长长短排列的彩色光谱域；

其特征在于：所述的棱镜是两块或一块对称的直长条棱镜，所述的正透镜是两块或一块对称的直长条正透镜，它们在直长条方向相互平行，它们和对应的目标装置有同一对称面，与直长条方向垂直的主截面和对称面的交线是主截面的对称轴并与平行的光线或平行的电磁能射线平行，主截面上棱镜的顶角朝对称轴并正透镜左边截面的光轴和右边截面的光轴与对称轴对称平行或对称相交。

4.按照权利要求3所述的光谱转换装置，其特征在于：所述的对称的直长条棱镜是一种ZPR对称直长条棱镜，所述的对称的直长条正透镜是一种ZPR对称直长条正透镜。

5.按照权利要求1或3所述的光谱转换装置，其特征在于：所述对应的目标装置包括连接窗口、显视屏幕和光伏电池。

6.按照权利要求5所述的光谱转换装置，其特征在于：所述的光伏电池还包括一种翅片叠层光伏电池或一种平板光伏电池。

7.按照权利要求6所述的光谱转换装置，其特征在于：所述的平板光伏电池由一个包含圆心的圆面和肩并肩排列的圆环面分电池组成，或由肩并肩排列的圆环面分电池组成，或由一个包含对称线的平面对称直长条带和肩并肩排列的平面对称直长条带分电池组成，或由肩并肩排列的平面对称直长条带分电池组成，每一分电池都含有覆盖其上的光谱带所要求的能有效吸收其光能并转变成电能的敏感电池材料。

8.按照权利要求6所述的光谱转换装置，其特征在于：所述的翅片叠层光伏电池由肩并肩排列的圆环形的或直长条形的翅片空腔分电池组成，每一翅片空腔由相邻两翅片构成，每一翅片呈圆环形或圆筒形或直长条形的斜面翅片或平翅片，主截面上每一翅片空腔呈楔形或平行窄缝形，每一翅片空腔口处的圆环带或圆锥环带或直长条带是覆盖在光伏电池表面彩色光谱域对应的光谱带，每一翅片空腔的壁面都含有与覆盖其腔口处的光谱带所要求的能有效吸收其光能并转变成电能的敏感电池材料。

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