CN101958355A - 薄断面太阳能集中器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄断面太阳能集中器。薄断面太阳能聚集器具有多个光会聚透镜(11，31，41)，其在柔性板(29，39，49)上紧密地结合在一起形成阵列。透镜(11，31)可以把光聚焦到光传送机构(13，33)上，该光传送机构(13，33)把光从透镜(11，31)传送到在板边缘处的一个或多个光-电转换器(14)。这些透镜可以可选择地把光聚焦到一个或多个光-电转换器(47)上。导体(43)可以把电从光-电转换器传送到在在板(49)边缘处的电连接块(44)。柔性板(29，39，49)可以是卷的、折叠的或适配到非平面表面上的形式。具有多个会聚透镜(11，31，41)的两个或更多个薄断面太阳能聚集器可以被组合以形成更大的太阳能聚集板。聚集器的电输出(15)可以被连接以提供所期望的一个或多个输出。

Description

薄断面太阳能集中器

本申请要求2009年7月14日提交的且题为“Low Profile Solar Concentrator”的美国临时专利申请号61/270852的权益。2009年7月14日提交的美国临时专利申请号61/270852在此引入以供参考。

技术领域

本发明涉及太阳能，并且具体地涉及太阳能的收集。更具体地，本发明涉及用于收集和转换太阳能的机构。

发明内容

本发明是薄断面(low profile)太阳能聚集器(solar collector)。该聚集器可以具有多个会聚透镜，其在柔性板上紧密地结合在一起形成阵列。透镜可以把光聚焦到诸如光波导之类的光传送机构上，该光传送机构把光从聚集器透镜传送到板边缘处的一个或多个光-电转换器(诸如光伏电池或太阳能电池)。这些透镜可以可选择地把光聚焦到光-电转换器上。导体可以把电从光-电转换器传送到板边缘处的电连接块。柔性板可以是卷的、折叠的或者适配到非平面表面上的形式。具有多个会聚透镜的两个或多个薄断面太阳能集中器(solar concentrator)可以被组合以形成更大的太阳能聚集板。

附图说明

图1是具有会聚透镜阵列的太阳能聚集器板的说明性示例的图示；

图2是图1中的聚集器板的组件的图示；

图3是具有六边形形状的聚集器透镜的阵列的图示；

图4是六边形形状的示例聚集器的图示；

图5是具有方形聚集器透镜的示例阵列的图示，该方形聚集器透镜具有与用于图1中的聚集器板的光聚集与转换配置不同的光聚集和转换配置；

图6是指示图5中所示的阵列的每个透镜及其相关组件的各方面的图示；以及

图7是被放置在一起以形成更大的光聚集板的多个光聚集器模块或板的图示。

具体实施方式

在大规模的太阳能光伏(PV，Photovoltaic)功率转换实现方式中使用的许多当前太阳能集中器结构可以使用在若干英寸到英尺或米的量级的巨型光学设备(bulk optics)上。

虽然也许可能在便携式尺度上使太阳能集中器结构微型化，但是形状可能以典型的庞大容积测定形式，即典型地可能包含类似的厚度和横向尺寸。不容易的或不明显的是：把太阳能集中器结构实现在大面积板中，或者实现成易于携带包或具有柔性形状因素。

本方案可以涉及在光学域中创建太阳光聚集系统。该系统不增加厚度且不显著增大PV(光伏)电池(光-电转换装置)的大小的情况下可以被横向缩放。最终结果是构思“板”形式的太阳能集中器，其可以是柔性的、轻质的且坚固耐用的，并且可以大面积地聚集光，并且把聚集的光“折叠”在聚集器“板”内(例如折叠到边缘)且强度增加，然后使用在聚集器板的边缘(例如侧杆)处的窄条带的太阳能PV电池(减小系统总成本)把光转换成电功率。

本方案可以具有独特的结构特征。其可以具有以轻质塑料(具有到焦点12的小焦距h 52)实现的低f#(例如＜1)但较小大小的会聚透镜(直径D 51在～mm范围内，例如大小为10到30mm)。对于薄断面而言，其可以具有“h＜D”。对于薄断面(图1中透镜11到点12的焦距)，可以存在与高NA(例如数值孔径≥0.5)波导(玻璃或塑料)耦合以从侧边“用管道输送”光的透镜。可以存在交错的2D透镜阵列以及1D波导(WG，waveguide)阵列以形成带有相对大面积但具有总体小断面的光聚集器“板”。光输出可以被集中到该板的侧面并且被耦合到窄条带的高效(其可以是晶体)太阳能电池。

光学聚集器板可以使用柔性、坚固耐用且未电连接(即非传导)的轻质光学材料来实现。能量转换可以在板边缘处的狭窄区域内发生，并且使得对昂贵晶体半导体(例如多结的Si、Ge、GaAs、InGaP或其组合)太阳能电池的使用最小化。

聚集器板49可以具有位于会聚透镜41的焦斑12附近的太阳能电池47并且具有从电池延伸到板边缘的电线(图5和图6)。这些电线可以以期望的配置进行连接以用于电功率输出。

图1是太阳能聚集器板的说明性示例10的图示。可以存在聚集器透镜11阵列，其可以分别聚集光并且把光聚焦于在光传送机构13的端部17处的点12，所述光传送机构13可以是诸如光纤之类的光波导。透镜可以被紧密地结合在一起以使得透镜的边缘接触其它透镜的边缘。光传送机构可以把光提供到条带14，该条带14可以包含一个太阳能电池或多个太阳能电池以便对光进行收集以供在输出15处转换成电功率。如果存在多个接收光以供转换的太阳能电池而不是一个，则这些电池可以以一种配置进行互连以在输出15处提供一定些幅度的特定输出，诸如电压。一个或多个太阳能电池14可以由块或支撑结构16支撑。块16也可以提供用于对这些电池进行电互连的地方。

图2是图1中的聚集器板10的阵列的组件的图示。光波导13可以是矩形的或圆形的。波导13可以具有某其它形状。光21可以射到聚集器透镜11，该聚集器透镜11可以把光21聚焦成光22并且在焦点12处耦合到波导中至导向端部17。端部17可以把光22反射成沿波导13的光23。光23可以行进到波导13的另一端部18。端部18可以把光23反射成光24到太阳能电池14。端部17可以以相对于波导13的伸长部分的大约45左右程度的角度被切割。在透镜11的光轴19处的光22可以以相对于光轴19的大约90度左右被反射。波导13的端部17的表面可以施加或不施加反射涂层。光23可以近似沿着光轴25行进，该光轴25可以包含波导的中心或光纤的芯层。光23在其射到端部18时可以被端部18的表面以相对于光轴25的大约90度左右朝太阳能电池14反射。端部18可以以相对于波导13的伸长部分的大约45左右程度的角度被切割。波导13的端部18的表面可以施加或不施加反射涂层。

透镜11可以是菲涅耳透镜或者凸透镜，其具有等于距离“h”52的至点12的焦距以及“D”51的光学直径。透镜11可以具有薄断面，因为“h＜D”。可以存在将焦距h 52维持恒定值的结构。结构26可以以维持h的恒定值的方式保持透镜11和光纤的端部17。同时，结构26和波导13在不影响h值以及光22、23和24的路径的情况下可以是挠性的。透镜11和光纤14的端部17之间的容积27可以包含空气或真空。或者容积27可以被填充有光传输媒介。容积28可以被填充或未被填充有挠性材料。容积29可以是挠性材料。挠性材料和结构26允许阵列10在放置在非平坦表面上的情况下弯曲或者被折叠或卷起。

聚集器透镜不需要像透镜11那样为方形的。聚集器透镜可以是圆形的、三角形的或者任何其它形状。图3是具有六边形形状的聚集器透镜31的阵列20的图示。图4是六边形形状的示例聚集器的图示。

光传送机构不需要是带有端部17的波导13，其把光22从聚集器透镜反射经过波导13并且在端部18再把光23反射到太阳能电池14。光传送机构可以把光直接接收到例如波导33(诸如光纤)中而与反射端部无关。光22可以被聚焦到端部37，该端部37具有与波导33的轴35垂直的表面。光23可以近似沿着波导23的芯层或中心光轴沿波导33传播到端部30并经过端部38直接到太阳能电池14。对于本方案的这种配置不要求任何端部反射。即使这种配置与图3的阵列20相关联，其也可以用图1中的阵列10来实现。

透镜31和波导33的端部37可以在结构上用结构36予以支撑。h即透镜31的焦距的值以及在波导33的端部37处的光22的相应焦点可以由结构36维持。结构26和波导33在不影响透镜31和端部37彼此相对的位置的情况下仍然可以是挠性的。阵列20的聚集器透镜31和其它透镜31连同波导33和结构36一起可以用挠性材料39而保持在一起。除了聚集器透镜31的光进入表面之外，在一种方案中阵列的组件可以用材料39进行罐装(potted)。一个或多个太阳能电池14可以由材料39封闭或部分封闭或不封闭。整个阵列20及其组件可以像柔性板，其可以被折叠、卷起或展开以适应非平坦表面。这种方案可以可应用于带有具有其它形状的聚集器透镜的其它配置。

图5是具有方形聚集器透镜31的另一阵列30的图示，该方形聚集器透镜像图1中的阵列10的那些透镜一样。然而，阵列30的光聚集与转换配置是不同的。然而，这种配置可以可应用于具有各种类型的配置透镜形状的阵列。图6是指示每个透镜41及其相关组件的各方面的图示。光21可以进入聚集器透镜41并且由透镜聚焦成光22到太阳能电池47上。电功率可以经由导体43被传送到连接块44到达该快的终端。导体43可以以能够提供期望输出的配置与其它导体43进行互连。聚集器透镜41和太阳能电池47的感测表面之间的焦距h可以用结构46保持在适当位置。除了聚集器透镜41的光进入表面之外，在一种方案中阵列30的结构26以及对应的导体43可以用挠性材料49进行罐装。结构26以及导体43可以由材料49封闭或部分封闭或不封闭。整个阵列30及其组件可以像柔性板，其可以被折叠、卷起或展开以适应非平坦表面。这种方案可以可应用于带有具有其它形状的聚集器透镜的其它配置。连接块44可能或可能不被包括在材料49中。

获得了如下可能性：将多个聚集器板用作模块构建块(其中块可以具有有限大小并且阵列单元数目可能受限于透镜面积与波导的横截面面积之比)以构造更大的太阳能聚集板。在图7中示出了示例，图7是聚集器透镜与对应太阳能感测与转换机构的模块或板的大板40的图示。每个模块或板可以是图1所示的模块10、图3所示的模块20或图5所示的模块30的模块或板。每个模块或板可以改为本文图中未具体示出的示例。大板40的说明性示例可以包含如图3所示的模块或板20。板40的布局可以具有3×2模块配置；然而，该布局在每个维度上几乎可以具有任何数目的模块。板40的布局也可以包含各种类型的模块，包括图1、3和5中示出的那些模块。这些模块的电输出可以被连接以提供所期望的一个或多个输出。

在本说明书中，一些问题尽管以另一种方式或时态进行阐述但可能具有假设或预言性质。

尽管已经相对于至少一个示例而描述了本系统，但是本领域的技术人员在阅读说明书后将明白许多变型和修改。因此目的是所附权利要求鉴于现有技术尽可能广泛地被解释为包括所有这样的变型和修改。

Claims (10)

1.一种薄断面光集中器阵列，包括：

挠性板(29)；

形成在该板中的多个集中器单元；和

位于该板处的太阳能电池装置(14)，用于接收来自多个集中器单元的光；且其中：

集中器单元包括：

光传送机构(13)；

光聚集透镜(11)，用于把入射到所述透镜的第一表面的光聚焦到所述光传送机构(13)的第一端部(17)上，所述第一端部(17)把光反射经过所述光传送机构；以及

所述光传送机构的第二端部(18)，其邻近用于接收来自所述光传送机构(13)的光的所述太阳能电池装置(14)。

2.如权利要求1所述的阵列，其中：

所述光传送机构(13)的所述第一端部(17)包括反射表面，其用于把入射光从一个方向重定向到另一个方向以便进入所述光传送机构；和

所述光传送机构(13)的第二端部(18)包括反射表面，其用于把光从一个方向重定向到另一个方向、从所述光传送机构到所述太阳能电池(14)。

3.如权利要求1所述的阵列，其中：

所述光聚集透镜(11)具有与所述光聚集器透镜的焦距尺寸(52)近似垂直的最大横向尺寸(51)；

所述焦距尺寸是所述透镜(11)到所述光传送机构(13)的所述第一端部(17)之间的距离；以及

所述最大横向尺寸(51)大于所述焦距尺寸(52)。

4.一种光聚集与转换系统，包括：

柔性结构(49)；以及

多个集中器单元，彼此相邻地位于所述柔性结构(49)中；且

其中集中器单元包括：

折射机构(41)，具有与所述折射机构的光轴近似垂直的最大横向尺寸宽度(51)；以及

其中沿所述折射机构的所述光轴的焦距尺寸(52)小于所述最大横向尺寸(51)；且

还包括：

连接块(44)；以及

其中所述集中器单元还包括：

光-电转换器(47)，位于所述折射机构(41)的焦点处；以及

电导体(43)，把所述光-电转换器(47)连接到所述连接块(44)。

5.如权利要求4所述的系统，其中：

每个光折射机构(11，31)与多个集中器单元的一个或多个其它光折射机构相邻；

所述光折射机构(11，31)是挠性的；以及

所述光传送机构(13，33)是可弯曲的。

6.一种光聚集系统，包括：

一个或多个薄断面太阳能集中器；且

其中每个薄断面太阳能集中器包括：

板形式的保持材料(29，39)；

两个或更多个集中器单元，彼此相邻地位于所述保持材料(29，39)中；以及

光-电转换器(14)；且

其中每个集中器单元包括：

透镜(11，31)；和

光波导(13，33)，具有邻近所述透镜的焦点的第一端部(17，37)以及邻近所述光-电转换器(14)的第二端部(18，38)。

7.如权利要求6所述的系统，其中：

所述保持材料(29，39)是挠性板的形式；以及

所述光波导(13，33)是可弯曲的。

8.如权利要求6所述的系统，其中：

每个集中器单元的透镜(11，31)的边缘与一个或多个邻近集中器单元的透镜相邻；以及

透镜(11，31)以阵列的形式相对于彼此放置。

9.如权利要求6所述的系统，其中：

所述透镜(11，31)具有与所述透镜的光轴(19)近似垂直的

最大横向长度(51)；

沿所述透镜的所述光轴的焦距(52)小于所述最大横向长度(51)；以及

所述集中器单元还包括用于把所述透镜(11，31)和所述波导(13，33)的所述第一端部(17，37)保持在固定距离的机构(26，36)。

10.如权利要求6所述的系统，其中，所述光波导(13，33)是光纤。

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