CN102272538B - 光采集和聚集系统 - Google Patents

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Abstract

一种光采集和聚集系统，包括：主聚光器、光传输结构及与主聚光器光学相关的光引导结构。该系统可包括可选的次级聚光器。每个单元-系统包括多个主聚光器和相应的多个光引导结构、及仅仅单光传输结构。光伏(PV)电池可有利地与每个单元-系统相关。太阳辐射由主聚光器聚焦到合并在低纵横比片型波导光传输结构中的相应的光引导结构上。每个相应的光引导结构拦截聚焦光并使其横向偏转以主要经由全内反射(TIR)沿着光传输结构的长度朝向光传输结构的出射端传播，在出射端光可被输入到PV电池。可选的次级聚光器可进一步将从传输结构耦合出的光聚集到PV电池中。

Description

光采集和聚集系统
相关申请数据
本申请要求美国系列号12/389466和国际申请PCT//US09/34630的优先权，这两者都于2009年2月20日提交，其本身要求在西班牙专利商标局于2008年11月12日提交的西班牙优先权申请号P20083237的优先权。
政府资助
不适用。
背景
1.发明领域
本发明的实施方式通常关于光采集和聚集系统。更具体地，本发明的实施方式贯注于太阳辐射采集和聚集系统及其部件；用于光采集、传输和聚集的方法；及所述太阳辐射采集和聚集系统及其部件的应用；且更具体地，贯注于太阳能聚集光伏(CPV)系统。
2.背景技术
从20世纪到现在，已提出和开发了无数太阳能系统和组成这些系统的部件。尽管有这个长期的努力和对其投入的大量的资源，但是目前可用的太阳能系统在成本和效率方面与用于商业和居住环境的能量产生的替代形式并没有竞争力。
图1是示意性示出一般的传统太阳光伏系统的截面图。太阳辐射1入射到集光器2例如透镜上。透镜将所采集的光聚集(聚焦)到能够将所采集的能量传输到光伏(PV)电池8的有源次级部件31中。如图1所示，该系统包括三个单元的线性阵列，每个单元包括透镜、次级部件和PV电池。
太阳能采集系统的一个众所周知的设计目标是单元尺寸减小而效率增大。即，如果太阳能系统相对地薄、紧凑、容易部署、易于维修及成本有效，则太阳能系统可在商业上受益。如图1所示，在每个光采集透镜和PV电池之间有一一对应性。
图2以与图1类似的方式示出了该系统的更紧凑的设计。图1中的每个采集透镜2被两个直径较小的采集透镜21和22代替，这两个直径较小的采集透镜共同采集与图1中的单个较大的透镜2相同的光通量。虽然在图2中部署的系统比图1的系统薄，但尺寸减小的代价是有源部件311、312和PV电池81、82的数量变为两倍。类似地，如果透镜部件2被分为4个较小的透镜，则有源部件和PV电池的数量将增大4倍，依此类推。随之产生的部件数量的增大升高了系统成本和潜在的系统故障率。
考虑到太阳能领域的这些及其他已知的挑战，发明人认识到更薄、更紧凑、更高效、更可靠、价格更低及以其它方式在当前技术水平上改进的太阳能系统和相关部件的利益和优势。
概述
本发明的一个实施方式贯注于光采集和聚集系统。该系统包括主聚光器、单光传输结构及光引导结构。该系统可包括次级聚光器。该系统可还包括与每个单元-系统相关的PV电池，所述每个单元-系统包括多个主聚光器及相应的多个光引导结构、单光传输结构及可选地，次级聚光器。
例证地，太阳辐射以垂直入射被聚焦到薄的片型波导传输结构的大面积表面上。光引导结构在所述传输结构处或内拦截所聚焦的光并通常使其横向偏转以沿着所述传输结构的平面长度传播。可提供次级聚光器以聚集从所述波导的出射端耦合出的光，该光进入PV电池或将该光引导到PV电池的结构。
根据非限制的、可选的方面，主聚光器可为可采集入射的太阳辐射并将该入射辐射聚集到较小的区域中的各种已知元件的任何一种。折射元件(例如，透镜)、反射元件(例如，反射镜)和衍射元件(例如，光栅、全息图)是可使用的主聚光器的非限制性实例。根据各种非限制方面，单个主聚光器可采取传统的聚焦透镜、菲涅尔透镜、直圆柱透镜、曲圆柱透镜(例如，全环或其弧段)、抛物面反射镜(或其段)的形式及本领域已知的其他形式。因此，单元-系统可包括但不限于以间隔开的非重叠透镜阵列(例如，方形、六角形、三角形、其他的阵列形状)的形式的主聚光器部分、直圆柱透镜型的聚光片、及圆(或其弧段)-环形圆柱透镜型聚光片。
与单元-系统相关的单光传输结构是薄片波导的形式；即，具有比该结构的一般长度L小得多的厚度T；因此具有由T/L限定的低纵横比。该结构将以上(顶)表面和下(底)表面为界限，所述上(顶)表面和下(底)表面限定所述结构内的较高的折射率和结构外的较低的折射率之间的边界，以便便于光沿着所述结构的内部的长度经由本领域内已知的全内反射(TIR)进行传播。该结构将具有一端(以下称为出射端)，光从该端传播出传输结构。根据各个非限制方面，该结构的内部可包含适于在有或没有散射和/或镜面反射的情况下通过TIR在其内传播光的固体、液体、或气体材料。
前述的光引导结构提供了一种装置，通过该装置，从主聚光器聚集的光被输入到传输结构的出射端和/或在光传输结构内的期望传播方向上被引导到所述传输结构的出射端。因此，光引导结构可适当地起作用来例如从主聚光器捕获多半垂直入射到传输结构的顶表面或底表面上的焦斑，并例证性地以90度使它改变方向，以便使它沿着传输结构的长度朝向其出射端传播。在一个非限制方面，光引导结构可以是被横向切割为传输结构的顶表面或底表面的光反射面，其经由TIR、镜面反射、漫反射、衍射、多光束干涉及用于改变传播光束的方向的其他已知的光学过程来反射输入光。在每个单传输结构中，多个光引导结构将相应地与单元-系统的多个主聚光器相关。因此，根据相应的主聚光器中的每个的配置和几何尺寸，每个光引导结构可为有限的或连续的结构。根据非限制方面，传输结构的顶表面和/或底表面可具有平的、楼梯式、或阶梯式(梯形形状的)顶表面或底表面，其可为平的或弯曲的，该传输结构包含光引导结构作为其整体的表面部分。根据可选的方面，光引导结构可以按棱镜、光栅、量子点、光子晶体或能够提供带有或不带有主聚焦元件的光引导结构的所需功能的其他结构的形式布置在传输结构的内部中。
根据一个实施方式，等深光采集和聚集系统包括：具有第一部分和至少第二部分的聚光层；特征为折射率n1-1的第一光传输层，其包括布置在其顶表面和底表面中的一个的至少一部分中并与所述聚光层的第一部分光学配准的多个光引导元件，并具有相应的侧端主光出射面；特征为折射率n2-1(其中n2-1＜n1-1)的第一透光介质层，其紧邻聚光层和第一光传输层布置；特征为折射率n1-2的至少第二光传输层，其包括布置在其顶表面和底表面的至少一个中并与聚光层的至少第二部分相应地光学配准的多个光引导元件，并具有相应的侧端主光出射面；以及特征为折射率n2-2(其中n2-2＜n1-2)的相应的至少第二透光介质层，其紧邻第一光传输层和第二光传输层布置。
在一个实施方式中，复合光采集和聚集系统包括第一集光器和具有外侧部分的至少第二集光器，所述第一集光器包括：第一聚光层；特征为折射率n1-1的第一光传输层，所述第一光传输层具有相应的侧端主光出射面，且还包括布置在其底表面中并与所述底表面成一个角度从其向内延伸且与所述第一聚光层光学配准的多个光引导元件；及特征为折射率n2-1的第一透光介质层，其中n2-1＜n1-1，第一透光介质层紧邻所述第一聚光层和所述第一光传输层布置；所述第二聚光器包括：第二聚光层，特征为折射率n1-2的第二光传输层，所述第二光传输层还包括布置在其底表面上的一部分中并与所述底表面成一个角度从其向内延伸且与所述第二聚光层光学配准的多个光引导元件；及特征为折射率n2-2的第二透光介质层，其中n2-2＜n1-2，所述第二透光介质层布置在所述第二聚光层和所述第二光传输层之间，且由所述第二光传输层的平面平行区域组成的内侧部分具有相应的侧端主光出射面，其中所述内侧部分邻近所述第一光传输层的下方布置；及特征为折射率n’2-2的透光介质层，其中n’2-2≥n1-2且＜n1-2，其紧邻所述第二光传输层的所述平面平行区域的顶表面布置。
在复合光采集和聚集系统实施方式的一个方面中，该系统还包括具有外侧部分的至少第三集光器，所述第三集光器包括：第三聚光层；第三光传输层，其特征在于折射率n1-3，并且还包括布置在其底表面的一部分中并与所述底表面成一个角度从其向内延伸且与所述第三聚光层光学配准的多个光引导元件；及第三透光介质层，其特征在于折射率n2-3，其中n2-3＜n1-3，第三透光介质层布置在所述第三聚光层和所述第三光传输层之间，且由所述第三光传输层的平面平行区域组成的内侧部分具有相应的侧端主光出射面，其中所述内侧部分邻近所述第二光传输层的下方布置；及透光介质层，其特征在于折射率n’2-3，其中n’2-3≥n2-3且＜n1-3，透光介质层紧邻所述第三光传输层的所述平面平行区域的顶表面布置。
可选的次级聚光器用于采集在低纵横比传输结构内传播的光并进一步聚集它以用于通过传输结构的出射端耦合出并进入被布置成接收耦合出的光的接收器，例如PV电池。根据非限制方面，聚光光学部件可以操作地耦合到(例如，模压到、粘接到、自由空间对齐到，等等)传输结构的出射端以接着聚集和耦合出该光到PV电池中。光学部件可由与适于执行预期功能的传输结构相同或不同的材料制成。可选地，传输结构的出射端本身可被成形(例如，抛物线式成锥形的；直线式成锥形的；梯形式成锥形的；或以其他方式适当成形的)以在传输结构的出射端一体地形成次级聚光器。这样的形状将支持在传输结构内传播的光的TIR和/或镜面反射和/或漫反射。
根据各个方面，上面公开的任何系统实施方式可为旋转对称的360°环形圆盘状系统的方位角(饼形)部分的形式，其中系统的出射面在旋转对称的环形盘的部分的环形顶点区域处或内侧处。如果使系统的饼形部分的外侧边缘变直，使得每一部分现在大致类似于在平面图中的三角形(具有切去顶端的顶点)，多个系统部分可边靠边地交错以产生直行形状的系统。可选地，边靠边布置的两个或多个部分将形成弯曲的系统形式，一直到和包括全360°圆盘形式。
对于旋转对称的360°环形圆盘状系统形式，在系统的内环侧端面处的输出光在二次聚集之前或过程中可从光传输方向(+z方向)旋转实质上90°(到-y方向)，取决于次级聚光器的形状和光学表面特性。
在如本文中体现的光采集和聚集系统的各个方面中，主聚光器部件的非光学面和光传输结构的非小平面式的表面可以共同倾斜，使得系统的因而形成的总纵向外观例如是平的而不是楔形的，且在任何情况下在体积上减小。
本发明的另外的特征和优点将在随后的详细描述中被阐明，且从该描述中部分地对本领域技术人员来说是明显的，或者通过如本文所述的实践本发明——包括权利要求及附图——而被认识到。
应理解，上文的概括描述和下文的详细描述仅为本发明的示例，且旨在提供用于理解本发明的性质和特征的概览或框架，如它被主张的。附图被包括以提供对本发明的进一步理解，且被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种实施方式且与描述一起来解释本发明的原理和操作。
附图的简要描述
图1是一般现有技术太阳能系统的截面示意图；
图2是与图1示出的系统类似的更紧凑的一般现有技术太阳能系统的截面示意图；
图3是根据本发明的例证性实施方式的光采集和聚集系统的截面示意图；
图4是根据本发明的例证性实施方式的与图3示出的系统类似的更紧凑的光采集和聚集系统的截面示意图；
图5A-5E示出了根据本发明的可选的例证性方面的主聚光器配置的各个例证性方面；
图6A、6B示出了根据本发明的一个例证性方面的系统的环-圆形主聚光器部件的不同视图；
图7示出了根据本发明的示例性方面的主聚光器部件的示意性截面图；
图8示出了根据本发明的示例性方面的反射型系统的示意性截面图；
图9A、9B示出了根据本发明的示例性方面的以反射折射系统的形式的主聚光器单元的示意性截面图；
图10为了说明目的示出了一般的光传输结构的示意性透视图；
图11示意性示出了根据本发明的例证性方面的包含两个光引导结构的光传输结构的截面图；
图12示意性示出了根据本发明的例证性方面的可选的光传输结构和一体的光引导结构的截面图；
图13示意性示出了根据本发明的例证性方面的可选的光传输结构和一体的光引导结构的截面图；
图14示意性示出了根据本发明的例证性方面的可选的光传输结构和一体的光引导结构的截面图；
图15是根据本发明的例证性方面的带有离散的光引导结构的光传输结构的示意性俯视平面图；
图16是根据本发明的例证性方面的带有连续的光引导结构的光传输结构的示意性俯视平面图；
图17是根据本发明的例证性方面的带有连续的光引导结构的光传输结构的示意性俯视平面图；
图18A、18B分别示出了根据本发明的非限制的例证性实施方式的以抛物面聚光器和直梯形聚光器的形式的可选的成形次级聚光器的透视图；
图19(A、B、C)示出了根据本发明的示例性方面的饼形简单光采集和聚集系统的各种视图；图19D是示出有助于解释表1的局部示意性截面图；
图20(A、B、C)分别示出了根据本发明的一个实施方式的等深光采集和聚集系统的透视cad-cam图、在图20A示出的等深光采集和聚集系统的分解图、及在图20A示出的等深光采集和聚集系统的示意性截面图；
图21示出了根据图20C的实施方式的可选方面的局部等深光采集和聚集系统的示意性截面图；
图22(A、B、C)分别示出了根据本发明的一个实施方式的复合光采集和聚集系统、第一集光器/传输部分、第二集光器/传输部分、及第三集光器/传输部分的透视cad-cam图；
图23(A、B、C)分别示出了在图22(B、C和D)中示出的第一、第二和第三集光器/传输部分的概略截面图；
图24是根据本发明的一个示例性方面的以线性行形式组装的一系列切去顶端的扇形光采集和聚集系统的概略俯视平面图；
图25是根据本发明的一个例证性方面的次级聚光器的透视cad-cam图；
图26(A、B)分别为根据本发明的一个方面的示出了在光传输部件的出射面处的扁平转镜(turning mirror)的旋转对称的光采集和聚集系统的概略截面图和耦合到图26(A)的系统的次级聚光器的透视线框图；
图27是根据本发明的一个方面的示出了带有曲面镜的次级聚光器的旋转对称的光采集和聚集系统的概略截面图；
图28是根据本发明的一个示例性方面的被几何地修改为具有平的而非楔形厚度剖面的光采集和聚集系统的示意性截面图；图28b是根据本发明的一个示例性方面的在聚光器和传输层之间具有不规则的边界剖面的示例性系统；
图29(a、b)分别以截面示出了根据本发明的一个方面的光采集和聚集系统的图28a的结构的可选几何结构的分解图和组装图；
图30示出了根据本发明的一个方面的在图29(b)示出的组装的系统的示意性透视图；
图31是根据本发明的一个方面的具有可选的(例如，流体)介质材料的光传输结构部件的示意性截面图；
图32是根据本发明的示例性实施方式的光采集和聚集系统的示意性截面图；
图33是根据本发明的一个方面的菲涅尔透镜主聚光器的透视cad-cam图；
图34是根据本发明的一个方面的光采集和聚集系统的一部分的概略性截面图，其示出了图33中所示的在反转方向上的菲涅尔透镜主聚光器。
本发明的实施方式的详细描述
图3示意性地示出了根据本发明的例证性实施方式的光采集和聚集单元-系统100-1的截面部分，其提供了系统部件、系统配置和系统操作的总体概览。如所示，太阳辐射(光)301入射到主聚光器302n上。通过如主聚光器的性质所确定的折射、反射或衍射，光301被聚集到相应的区域305n，其被示为焦平面上的焦斑。相应的光引导结构306n拦截光的焦斑，并提供用于将光注入单元-系统的单传输结构350中并引导它在箭头313的方向上在传输结构内传播的装置。如箭头313在传播方向上增大的粗体所示，由于从多个主聚光器和相应的光引导结构注入的光，朝着图3的右侧传播的光强度累积地增大。传输结构350具有在309处表示的出射端，传播的光将在出射端离开传输结构。一个可选的次级聚光器310被示为直接耦合到传输结构的出射端，并用于通过次级聚光器的出射端进一步聚集从传输结构耦合出的光，所示次级聚光器具有有利地依尺寸制定成匹配光伏(PV)电池的入口孔径的减小的表面积。PV电池380被示为布置在次级聚光器的出射端处以直接接收进一步聚集的耦合出的光。
图4示意性地示出根据本发明的一个例证性实施方式的光采集和聚集单元-系统100-2的截面部分，其与图1的100-1的系统类似，除了主聚光器402n的数量和大小分别增大和减小且光引导结构406n的数量增大以匹配每个相应的主聚光器以外，导致比图3示出的更紧凑(至少更薄)的系统。注意，再次，每个单元-系统仅具有一个相应的光传输结构和一个PV电池。
下面是根据本发明的非限制方面的适合于用在具体化的发明中的各种部件和部件系统的描述。
主聚光器
主聚光器具有两个主要功能：采集入射太阳辐射；及在与相应的光引导结构重合的期望聚集位置处将入射辐射聚集成期望光斑尺寸。因此，除了其它特征以外，主聚光器的特征还在于聚焦功率参数。在下文中，对于每个主聚光器，将聚集的光斑称为焦斑，并将聚集位置称为焦平面，虽然该术语并不旨在将聚光限制到主聚光器的光学焦点本身。
根据一个实施方式，主聚光器是折射部件；即，在本领域中已知的各种类型的透镜。基于系统设计参数，可以提供用具有期望物理和光学特性的适合的材料制成的折射部件，所述物理和光学特性包括但不限于折射率、尺寸、形状、曲率、二次曲线常数、方位、几何结构等。
将进一步认识到，根据本发明的非限制方面的光采集和聚集单元-系统将包括多个主聚光器，所述多个主聚光器例如以非重叠的阵列被离散地布置为一组互连的单独透镜，例如以组的非重叠阵列被布置为透镜的环形或其他有顺序的互连，及其他配置。
根据一个例证性方面，主聚光器502是矩形柱状透镜，如为了说明分别在图5A和5B中被示为两个端对端和边并边连接的透镜。例如，每个透镜可具有1mm×3mm的通光孔径和非球面表面轮廓。根据该例证性方面的主聚光器单元将具有例如与圆形或弧形焦斑相对立的直线排列的焦斑。图5C、5D和5E分别示出了使用方形透镜、三角形透镜和六角形透镜的交替的主聚光器透镜形状和阵列形状。将认识到，如下所述，主聚光器单元不需要限于这些透镜或阵列形状。
在另一个例证性方面，如图6A、6B所示，每个主聚光器602n是一个圆形柱状透镜或其弧形部分。如所示，多个透镜602n以环形(径向)方式相互连接。每个透镜602具有直径d，其可以或可以不是常数。如图6A进一步示出的，每个透镜602具有在180度的全弧上延伸的截面剖面。同样，如所示，所有的透镜602n具有相同的f/#。然而，剖面和/或f/#可在透镜中间变化，如下文结合图7所示的。根据图6的例证性实施方式，所采集的输入光将最终在向内径向方向(粗体箭头L)上传播到位于每个单元-系统的径向原点处的PV电池680。因此，单元形状可以是被示为图6B中的饼形切片的形式的从几度可能一直到全360度的几何弧形，取决于与每个单元-系统相关的PV电池的入口孔径。
图7以截面剖面示出了光采集和聚集系统的非限制、例证性方面，所示系统包括多个主聚光器702n和具有一体地合并的光引导结构710的折射率为n2的光传输结构。每个透镜702n具有弯曲的锯齿截面剖面，所述剖面具有从0度(即，R水平)到90度(R竖直)或更小的可变的径向范围R。虽然在该实例中F/#保持相等，透镜的通光孔径D从最大的环(图的右端)到最小的环(图的左端)单调增大。光引导结构710在光传输结构720的底表面715中形成，形成如所示的阶梯形表面。光传输结构的顶表面是平的，且表示高/低折射率边界(n1≤n2)以在传输结构内支持TIR。在一种原型设计中，透镜的通光孔径范围从0.5mm到约7mm。光引导结构的尺寸被优化为在0.05mm×0.05mm到1mm×1mm之间。光引导结构的角度被优化为在41°到45°之间。从主聚光器入射到光引导结构上的光的锥角被优化为在20°到23°之间。光在光引导结构内在方向L上传播。
根据另一实施方式，主聚光器是一反射部件，即，本领域众所周知的各种类型的反射镜。在图8中示出了例证性反射型系统的截面图，其中参考数字802表示反射主聚光器。入射的阳光1被主聚光器采集并聚焦到传输结构820中的光引导结构810上。聚集的光在朝向PV电池所位于的单元的中心的箭头L的方向上被全内反射或以其他方式反射。本领域技术人员将认识到，根据主聚光器的预期功能，反射主聚光器单元的几何结构可类似于上述折射型主聚光器单元的几何结构。
根据一个可选的方面，主聚光器单元可包括如图9A、9B大体上所示的反射折射系统。太阳辐射1入射到折射部件932上，且此后在聚焦到传输结构920中的相应的光引导结构上之前在半聚集状态中传播到反射部件934。
光引导结构和光传输结构
根据本发明的一个实施方式，光引导结构和光传输结构形成一体的部件。如上所讨论的，光引导结构的功能是从主聚光器接收焦斑(其在一个方向上传播)并将光引导到传输结构中，因此光可在传输结构内在大体上横穿入射光方向的方向上传播。
根据本发明的实施方式的一般片型光传输结构1050在图10的示意性透视图中示出。该结构具有宽(W)、长(L)和厚(T)的一般尺寸，如在附随的x-y-z坐标系统中所标出的。光传输结构具有由T/L定义的低纵横比。在示例性设计中，T为大约3到5mm，而L在约300mm-500mm之间。宽度(W)可根据总系统几何形状(例如，矩形、圆形、饼形等)变化。光传输结构具有间隔开厚度(T)的顶表面部分1021和底表面部分1022，光在出射端1024离开光传输结构的，如实线箭头指示的。光传输结构——本质上为光波导——有利地具有在结构内的较高的折射率n1和在顶表面部分和底表面部分或紧邻其处的较低的或相等的折射率n2，使得光经由全内反射(TIR)主要在结构内传播，如虚线箭头所示。适当的顶表面和/或底表面的部分也可具有反射涂层以有助于未被全内反射的残留光的传播。
图11示意性地示出合并两个例证性光引导结构1102、1104的例证性光传输结构的截面。光引导结构1104是光传输结构的一个表面，其由从底表面部分1022的区域延伸的局部横切的横向切口形成。对于光引导结构1104，来自与光引导结构1104相关的主聚光器(未示出)的聚焦辐射1130在其焦点处被光引导结构1104拦截。根据光引导结构1104的角度方向，由于在表面后的凹口区域具有小于或等于光传输结构(例如，PMMA)的折射率n1的折射率n2(例如，空气)，聚焦辐射主要从表面1104全内反射。可选地或另外，类似的光引导结构1102是光传输结构的一个表面，其由从顶表面部分1021的区域延伸的局部横切的横向切口形成。对于光引导结构1102，来自与光引导结构1102相关的主聚光器(未示出)的聚焦辐射1132在其焦点处被光引导结构1102拦截。阴影区域1103表示表面1102上的反射涂层，其将入射的聚焦光1132反射到结构内以用于朝向结构的出射端的随后TIR传播。光引导结构的准确的角方向将取决于反射过程的性质、透镜的f/#、及传输结构的折射率n2。例如，光引导结构1104后的凹口区域可填充有较低折射率的介质材料以便于在光传输结构内的TIR。
图12-14示出了光传输结构及一体的光引导结构的可选方面。在每种情况中，光传输结构具有折射率n2＞1，且被具有折射率n1＝1的空气包围。
在图12中，光传输结构1250被示为具有平的顶表面1201和阶梯形底表面1202；即，底表面包括多个类似于在图11中描述和标记为1104的结构的光引导结构1210n。向上通到每个光引导结构的底表面部分1209n是直的斜面。来自与光引导结构12101相关的相应的主聚光器(未示出)的聚焦光12301主要从表面12101全内反射到斜面部分12092上，光从该斜面进一步主要被全内反射并且当其在方向L上朝着其将被输出的出射端1224传播时仍将进一步主要被全内反射。
图13示意性地示出了与光传输结构1250类似的光传输结构1350的阶梯式表面的截面，除了在每个相应的光引导结构1310n之前的底表面部分1309n平行于顶表面部分1301及光传输结构的宽度在每个台阶处增加每个相应的光引导结构的高度以外，如所示。
图14示出了光传输结构和光引导结构的另一个可选的设计。在这种情况下，顶表面部分1401阶梯式地平行于连续平坦的底表面部分1402。将认识到，在图11-14的截面中示出的传输结构例如可被挤压，因此具有直的宽度尺寸或例如可弯曲以遵循主聚光器的形状(例如，环形/柱形)。
图15是光传输结构1550的示意性俯视平面图，其具有从顶表面部分1501延伸的离散的光引导结构1510TOP和从底表面部1502延伸的光引导结构1510BOT。
图16和17分别示出了可选的光传输结构1650、1750，其具有单独地连续的顶部光引导结构和底部光引导结构1610TOP、1610BOT和1710TOP、1710BOT，其均取决于它们每个相应的主聚光器(未示出)的几何结构。
在它们相应的光引导结构上的聚焦光斑的宽度将部分地取决于系统的厚度。该厚度可影响光引导结构的尺寸。因此，例如，如果光引导结构的倾斜的反射面在约130μm-140μm之间，其基部尺寸约130μm，高度尺寸约140μm，则聚焦光的宽度可有利地为约100μm(即，100μm直径；100μm×柱形主聚光器的长度，等等)。这些尺寸为主聚光器焦点方向和每个相应的光引导结构的位置之间的对准误差提供一定的空间。将在下面描述更详细的数值实例。
由于严格和具有挑战性的对准要求，主聚光器表面和光引导结构可有利地被制造为一体的单元以减轻或最小化其间的未对准。
光传输结构的可选的所设想的实施方式可包括整个嵌入光传输结构内的光引导结构。这种光传输结构的实例可包括棱镜、光栅、量子点、光子晶体及能够提供带有或不带有主聚焦元件的光引导结构的所需功能的其他结构。
次级聚光器
如上所述，在光传输结构内传播的光在如所示的光传输结构的出射端处例如在图10的1024处耦合出。虽然在示例性方面，光传输结构的厚度T可为大约3mm-5mm，但光传输结构(见图10)的宽度W不需要被限制，除了所述结构用来在出射端处累积地聚集所有输入到光传输结构的光以用于最终输入到PV电池以外，如在图3和4示意性地示出的。位于邻近(有利地，紧邻)传输结构的出射端处的PV电池的被限制的入口孔径可受益于传播光的进一步聚集，在该情况下在传输结构的出射端和PV电池之间的次级聚光器将是有利的。
图18A、18B示意性地示出了分别以抛物面聚光器和直梯形聚光器的形式的两个示例性的、不同地成形的次级聚光器1800-1、1800-2。如所示，例如，在图18A中，主聚光器部分1802具有多个主聚光器，其将入射光1聚焦到具有相应的多个光引导结构(未示出)的单光传输结构1804。光通过TIR在传输结构内在方向L上传播。分离的复合抛物面次级聚光器1800-1被示为直接耦合(例如，粘接)到传输结构的出射端，于是次级聚光器的表面1801成为传输结构的最终出射端。不是分离的部件，例如(不排除其他适合的形状)，次级聚光器1800-1(1800-2)可为挤压的或模压的光传输结构的以复合抛物面(1800-1)或直梯形(1800-2)形状的整体端。根据次级聚光器的设计，传播光可继续被全内反射直到耦合出，或可以用其他方式反射直到耦合出。相应地，次级聚光器可具有与传输结构相同或不同的材料，可为实心的、空心的、填充气体的、或以其他方式被适当地构造以执行其预期的功能。
图19A、19B、19C分别示出了截去顶端的饼形简单光采集和聚集系统1900-1、其分解图和其侧截面图，该系统类似于在图6B和7中示出的系统。如所示，系统1900-1被示为具有示例性的次级聚光器2700(见图25)，所示次级聚光器2700耦合到光传输层1923的光出射面。系统1900-1在本文称为“简单”(与“复合”相对)系统，因为它包括单个主聚光层1921、单个光传输层1923和夹在其间的低折射率透光介质层1981。如在图19C中更详细地示出的，光传输层的底表面包括多个光注入元件1910。入射的太阳辐射1912由主聚光层1921的小透镜聚集到相应的注入小平面1910上。光从其在(+z)方向上被全内反射，于是次级聚光器可进一步将光聚焦到PV电池(未示出)中。如在图19C中更清晰地示出的，主聚光层被按比例调整以适应传输层的阶梯式几何结构，导致例如与图13和14示出的类似的具有楔形剖面的系统。
下面的表1参考图19D并根据非限制性、示例性实例列出了简单的楔形光采集和聚集系统的一些设计参数(所有的尺寸单位为毫米(mm))。R是透镜的曲率半径，cc是二次曲线常数，以及宽度T和步幅是在图19D中示出的尺寸。主聚光器由43个类似的环组成，所述环在顶部具有折射面及在底部具有反射台阶。所述折射面是具有二次曲线常数cc的凸面。聚光器材料是PMMA。如表1所列的，#1是最外侧的聚光器环，#43是最内侧的聚光器环。
表1
  #   宽度   R   cc   T   步幅   #   宽度   R   cc   T   步幅
  1   1   1.0179   -0.448   3.0235   0.12   22   2.564   2.6102   -0.448   7.7531   0.3077
  2   1.046   1.0646   -0.448   3.1622   0.1255   23   2.682   2.7299   -0.448   8.1086   0.3218
  3   1.094   1.1134   -0.448   3.3072   0.1313   24   2.805   2.8551   -0.448   8.4805   0.3366
  4   1.144   1.1645   -0.448   3.4589   0.1373   25   2.933   2.986   -0.448   8.8694   0.352
  5   1.196   1.2179   -0.448   3.6175   0.1436   26   3.068   3.123   -0.448   9.2762   0.3682
  6   1.251   1.2737   -0.448   3.7834   0.1502   27   3.209   3.2662   -0.448   9.7016   0.385
  7   1.309   1.3321   -0.448   3.9569   0.157   28   3.356   3.416   -0.448   10.1466   0.4027
  8   1.369   1.3932   -0.448   4.1384   0.1642   29   3.51   3.5726   -0.448   10.6119   0.4212
  9   1.432   1.4571   -0.448   4.3282   0.1718   30   3.671   3.7365   -0.448   11.0986   0.4405
  10   1.497   1.524   -0.448   4.5267   0.1797   31   3.839   3.9078   -0.448   11.6076   0.4607
  11   1.566   1.5939   -0.448   4.7343   0.1879   32   4.015   4.0871   -0.448   12.14   0.4818
  12   1.638   1.667   -0.448   4.9514   0.1965   33   4.199   4.2745   -0.448   12.6967   0.5039
  13   1.713   1.7434   -0.448   5.1785   0.2055   34   4.392   4.4706   -0.448   13.279   0.527
  14   1.791   1.8234   -0.448   5.416   0.215   35   4.593   4.6756   -0.448   13.888   0.5512
  15   1.873   1.907   -0.448   5.6644   0.2248   36   4.804   4.89   -0.448   14.525   0.5765
  16   1.959   1.9944   -0.448   5.9242   0.2351   37   5.024   5.1143   -0.448   15.1911   0.6029
  17   2.049   2.0859   -0.448   6.1958   0.2459   38   5.255   5.3488   -0.448   15.8878   0.6306
  18   2.143   2.1816   -0.448   6.48   0.2572   39   5.496   5.5941   -0.448   16.6164   0.6595
  19   2.242   2.2816   -0.448   6.7772   0.269   40   5.748   5.8507   -0.448   17.3785   0.6897
  20   2.344   2.3863   -0.448   7.088   0.2813   41   6.011   6.119   -0.448   18.1755   0.7214
  21   2.452   2.4957   -0.448   7.4131   0.2942   42   6.287   6.3997   -0.448   19.0091   0.7545
  43   6.575   6.6932   -0.448   19.8809   0.7891
图20(A-C)示出了根据本发明的一个实施方式的本文称为“等深”光采集和聚集系统3000-1的部件。该系统包括：具有第一部分3021-1和至少第二部分3021-2的聚光层3021；第一光传输层3023，其特征在于折射率n1-1，包括布置在其顶表面和底表面的一个的至少一部分中的与聚光层的第一部分3021-1光学配准的多个光引导元件3010-1，并具有相应的侧端主光出射面3024-1。该系统还包括：特征为折射率n2-1的第一透光介质层3081，其中n2-1＜n1-1，其紧邻聚光层3021和第一光传输层3023布置；特征为折射率n1-2的至少一个第二光传输层3043，其包括布置在其顶表面和底表面的至少一个中并与聚光层3021的至少第二部分3021-2光学配准的多个光引导元件3010-2，并具有相应的侧端主光出射面3024-2。该系统还包括特征为折射率n2-2的相应的至少第二透光介质层3083，其中n2-2＜n1-2，其紧邻第一光传输层3023和第二光传输层3043布置。
如图20(A-C)所示，次级聚光器3027光耦合到第一侧端出射面和第二侧端出射面3024-1、3024-2。在一个示例性方面，次级聚光器3027具有喇叭口形顶表面和底表面2703及平的侧面2705，如图25所示。光学粘合剂或凝胶可用于建立光传输层和次级聚光器之间的光学接触以最小化菲涅尔损失。
下面的表2列出了根据一个非限制性、例证性实例的“等深”光采集和聚集系统的主聚光器和光传输层的一些设计参数，其中*表示沿着聚光器半径离环的中心的线性位移(所有的尺寸单位为mm)。
表2
Figure BDA0000074918030000171
**通过旋转透镜截面形成环；
**沿着聚光器半径离环的中心的线性位移。
图21示出了等深光采集和聚集系统3000-2的可选的示例性设计。根据这个方面，光注入元件3010-2布置在光传输层的顶表面3091上，且光传输层的底表面3092具有给定的反射属性以将来自主聚光器的光反射回到光注入元件(与图20C所示的相反)上，如例如虚线箭头所示的。由于折射主聚光器，该设计可能经受较大的反射损失及遮蔽损失。通过使用如图33中的实例所示的菲涅尔透镜主聚光器3302-1或可选地通过提供如图34中的实例所示的反转的菲涅尔透镜(即，结构表面朝着短共轭轴的方向)作为主聚光器可减轻这些遮蔽损失，这将在下文进一步讨论。
图22(A-C)和23(A、B)示出了根据本发明的一个实施方式的“复合”楔形光采集和聚集系统。该系统包括第一聚光器段2002，其包括：第一聚光层2021；特征为折射率n1-1的第一光传输层2023，其具有相应的侧端主光出射面2024，且还包括布置在其底表面中且从其与底表面成一个角度向内延伸的与第一聚光层光学配准的多个光引导元件2010-1；及特征为折射率n2-1的第一透光介质层2081，其中n2-1＜n1-1，其布置在第一聚光层和第一光传输层之间。该系统还包括具有外侧部分2072的至少一个第二聚光器段2004，其包括：第二聚光层2041；特征为折射率n1-2的第二光传输层2043，其还包括布置在其底表面的一部分中且从其与底表面成一个角度向内延伸的与第二聚光层光学配准的多个光引导元件2010-2；及特征为折射率n2-2的第二透光介质层2083，其中n2-2＜n1-2，其布置在第二聚光层和第二光传输层之间。所述至少一个第二聚光器段2004也具有由第二光传输层的平行平面区域组成并具有相应的侧端主光出射面2025的内侧部分2073，其中内侧部分布置成靠近第一光传输层的下面。系统还包括特征为折射率n2-2’的透光介质层2084，其中n2-2’≥n2-2且＜n1-2，其紧邻第二光传输层的平行平面区域的顶表面布置。
根据一个方面，并参考图22D和23C，复合光采集和聚集系统还可包括具有外侧部分2082的至少一个第三聚光器段2006，其包括：第三聚光层2061；特征为折射率n1-3的第三光传输层2053，其还包括布置在其底表面的一部分中且从其与底表面成一个角度向内延伸的与第三聚光层光学配准的多个光引导元件2010-3；及特征为折射率n2-3的第三透光介质层2085，其中n2-3＜n1-3，其布置在第三聚光层和第三光传输层之间。所述至少一个第三聚光器段2006也具有由第三光传输层的平行平面区域组成并具有相应的侧端主光出射面2026的内侧部分2093，其中内侧部分布置成靠近第二光传输层的下面。系统还包括特征为折射率n2-3’的透光介质层2094，其中n2-3’≥n2-3且＜n1-3，其紧邻第三光传输层的平行平面区域的顶表面布置。
如图23进一步所示的，第一和第二(及第三)光传输层的底表面在每个所述底表面的相邻的光引导元件之间具有阶梯形状。在图23(A-C)所示的实例中，所有三个段具有相同的聚焦/转弯部分，所述聚焦/转弯部分由沿着半径的成比例地排列的23个环组成(类似于图19C示出的楔形集光器/聚光器系统的简单版本的结构)。
如上文参考图6A所提到的，系统可为360°旋转对称的环形圆盘的形状(形式)，其中侧端光出射面形成了旋转对称的系统的环形原点。光采集和聚集系统可以可选地采取一个(见图6B、19A、20A、22A)或多个(组合地)方位角(饼形)部分的形状，如由图24的实例所示的。方位角可一直扩展到90°，且最佳切片尺寸将基于特定的设计和性能考虑来确定。图24示出了多饼形段系统2400-1，其包括一系列以线性行形式组装的切去顶端的45°饼形光采集和聚集系统段2400。每个段包括将Z方向传播的输出光聚焦到相应的PV电池(未示出)中的次级聚光器2700。将段称为切去顶端的，因为每个段的后边缘被变为直的而不是如在圆盘形系统中的为曲线的。
如果光采集和聚集系统具有旋转对称的圆盘状形式，例如如图6A和26B所示，如果输出光在次级聚焦之前或之后指向(-)y方向，则位于沿着(-)y方向的适当的距离处的单个PV电池2699将能够捕获所有的输出光。因此，如图26A所示，平的转镜2618位于靠近光传输层的出射面处且被定向为与其成45°以沿着(-)y轴偏转来自z轴的输出光。如图26B所示，次级聚光器2700被定位成拦截所偏转的输出光并将光聚集到接收器(PV电池)2699中。
可选地，如图27所示，次级聚光器2700耦合到光传输层的出射面。曲面镜2718紧邻次级聚光器的出射面布置以在(-)y方向上将所聚集的输出光推到PV电池(未示出)。
图28a示出了示例性的集光器/聚光器系统2500-1，其具有消除了系统的整个楔形剖面(例如，如在图13、14、19、22中看到的)的形状因子。聚光层2500的单调倾斜的底表面2544对系统的恒定厚度(T)形状作出贡献，该系统提供增大的光聚集或光通量。因此，可以或可以不使用次级聚光器(2527)。主聚光器2500的平坦底表面2544和光传输结构2510的平坦顶表面2545以为系统提供与如上面公开的楔形系统相比总体平坦的外观和恒定的厚度的方式都相对于水平线(虚线)倾斜。低折射率层2583被示为夹在聚光层和传输层之间。传输层2510的顶表面2545和聚光器2500的底表面2544应该沿着每一给定的界面位置彼此平行；即，这些表面不一定像图28a示出的那样平坦。更确切地，界面本质上可以为任意形状。例如，只要在任意点周围的局部区域包括平行的对接表面，该剖面就可以如图28b的设备2500-2所示的一样弯曲。总起来说，这些表面充当窗户，使得光线在透过其时不会遭受角度偏差。在表面2544和2545之间，由于表面2544和2545彼此平行，界面膜或间隙2583具有恒定的厚度。可选的次级聚光器2527被示为耦合到图28a的光传输层的出射端。
参考图28a和29，表面部分608、2608不一定平行于表面2545、2645。然而，当表面部分608、2608平行于传输层2510、2610的顶表面时，在z方向上的光通量将增大，而所传播的光束的数值孔径或吞吐量保持不变。当表面部分608、2608不平行于所提及的顶表面时，光通量将再次增大，但数值孔径也将增大。在一段时间之后，由于TIR条件开始出故障，将引起损失。这种情况可用于增大在到达PV电池之前的聚集率，因此潜在地避免了对次级聚光器的需要。
图29a、29b分别示出了根据本发明的一个方面的光采集和聚集系统的在图28a中示出的可选的恒定厚度(T)系统几何结构的分解截面图和组装截面图。如图29a所示，(从右到左)波导(传输层)2610在厚度上一直单调地增大到点(2690)，在该点处波导保持恒定的厚度(在左手端的稍微倾斜是从在该图中示为附接的可选的次级聚光器起)。较薄的波导提供了增大的聚集光，然而，以降低效率为代价(反之亦然)。因此，在聚光度和效率之间的期望平衡将指示总设计形状。如以前一样，波导的顶表面2645必须局部平行于透镜阵列-集光器部分2600的底表面2644。低折射率层2683(空气或材料层)布置在透镜阵列2600和波导2610之间以有助于TIR，如本领域技术人员将易于理解的。
图30示出了图29b的组装的“饼形”系统3000-1的示意性透视图，其中聚集的光在z方向上离开系统。光传输结构(波导)部件2610的截面形状起作用来为在波导内在z方向上传播的光维持(不增大)数值孔径。如在图30示出的系统的饼形有助于在波导的出射端聚集光。将认识到，系统的最佳方位角范围(即，在x-方向上的饼形形状)将在具体情况具体分析的基础上通过在系统出射面处的光聚集和光损失之间的期望平衡确定。将进一步认识到，主聚光器2600和波导结构2610之间的界面不需要被限制到特定的平面形状，只要这两个接触面局部平行，使得当光线通过界面时不会偏转出系统。
关于图28-30示出的本发明的方面，如本文明确公开的，应清楚地理解，如可被描述和主张为其一部分的，光传输层(波导)的底表面相对于水平基准虚线2899是不倾斜的，提供了系统的恒定的总厚度；然而，包括光引导元件的波导的底表面具有与光引导元件互连的倾斜的部分或区域。波导底表面具有倾斜的互连表面区域的事实绝不与如这里和权利要求中使用的应用于波导底表面的总方向的术语“不倾斜”的含义相矛盾。
根据本发明的一个可选的方面，光传输部件(波导)不需要为实心的单块材料；更确切地，如图31所示的光传输部件3100-1可包括含有流体介质3104例如但不限于液体的适当成形的罩3102。对于特定介质的实际考虑包括以下方面：a)在PV电池可操作的光谱带中必须有足够的透射率，b)对环境条件(例如，太阳照射、温度变化等；如果介质对UV降级敏感，可将UV保护镜添加到介质或例如，薄膜形式的过滤器可沉积在光学罩中)必须有足够的抵抗力，以及c)介质应具有化学惰性，使得与流体介质接触的材料不吸收它或与它反应。PV电池可通过窗户与流体介质物理上(但不是光学地)分离。示例性的液体流体介质可包括但不限于：油、水的混合物(极性和非极性)、和其他可溶解的液体如丙三醇、乙二醇，其对于可见光波长是透明的。带-OH基的有机和无机化合物在约1微米(在厘米路径长度范围内)的波长以上具有显著的吸收性。这些液体似乎对于硅单元、GaAs和GaInP是足够的，但对于锗单元还不够。与实心PMMA相比，例如，这些液体在光谱透射方面提供了类似的特性，且可能提供更好的阻抗特性。其他示例性介质包括诸如NujolTM油的非极性液体，其可能在IR光谱中透射性更好。
在制造过程中，透明罩3102可被注入有流体介质3104并被密封。波导特性可由罩几何结构和流体介质共享。可能没有必要用液体介质完全填充罩。例如，可在罩内留下小气泡以适应流体的热膨胀。可将液体除去气体且残留的气泡不应溶解在液体中。可选地，可如下使用该除去气体的特征：例如，当加热水(在沸腾前)时，包含在其内的空气会在容器壁处凝结成气泡。气泡生长可被引入特定的区域中并保持在那里以用于仅在气泡界面处使用TIR进行光学注入。在另一个方面，罩内的介质可包括固体和液体部分。
图32示出了根据本发明的例证性实施方式的光采集和聚集系统3200-1。该系统包括如图28所示的多个光采集和聚集子系统2500-1，所有的子系统都在其相应的出射面处光耦合到多边形接收器3204。
如本文前面所公开的，主聚光器可是菲涅尔透镜，例如图33的3302-1所示的。在这种情况下，菲涅尔透镜的平(非结构)表面被定向成朝向短共轭轴。进入的太阳辐射由透镜聚集到光传输结构3308中的注入小平面3310上。在该方向上，盖玻璃(未示出)可有利地位于所构造的透镜面的顶部上方。
可选地，菲涅尔透镜的结构表面可被定向成朝向短共轭轴，如图34中的3302-02所示的。在该方向上，透镜上的垂直面损失减小，同时仍然采用了菲涅尔透镜的低剖面。此外，不需要使用光学盖玻璃。对于最佳设计可调整几个菲涅尔透镜参数。这些参数包括f/#、环宽度、环中心厚度、注入小平面(3410)的反射面的尺寸及透镜偏移(左/右)。
在描述本发明的上下文(尤其在以下权利要求的上下文)中使用术语“a”和“an”及“the”和类似的提法应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或明显与上下文相矛盾。术语“包括(comprising)”、“具有(having)”“包括(including)”和“包含(containing)”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另外指明。术语“连接(connected)”应被解释为部分或全部包含在内、附接到、或连接在一起，即使有东西介入。
本文的值的范围的陈述仅旨在用作单独地表示落入该范围内的每个分离的值的简略方法，除非本文另外指明，且每个分离的值被并入说明书中，好像它在本文被单独地陈述一样。
除非另外指明或与上下文明显相矛盾，本文描述的所有方法可以按任何适合的顺序执行。本文提供的任何和所有的实例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明的实施方式，且不对本发明的范围强加限制，除非另外声明。
说明书中没有语言应被解释为指示任何未声明的元件对本发明的实践是必不可少的。
对本领域技术人员应明显，可对本发明做出各种修改和变化，而不偏离本发明的精神和范围。没有将本发明限制到所公开的一种或多种具体形式的意图，而相反，本发明将涵盖落入如所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有的修改、可选的构造和等效形式。因此，意图是本发明涵盖本发明的修改和变化，假定它们落入所附权利要求及其等效形式的范围内。

Claims (32)

1.一种光采集和聚集系统，包括：
聚光层，其具有第一部分和至少第二部分；
第一光传输层，其以折射率n1-1为特征，包括布置在其顶表面和底表面中的一个的至少一部分中的、与所述聚光层的所述第一部分光学配准的多个光引导元件，并具有相应的第一侧端主光出射面；
第一透光介质层，其以折射率n2-1为特征，其中n2-1＜n1-1，所述第一透光介质层紧邻所述聚光层和所述第一光传输层布置；
至少第二光传输层，其以折射率n1-2为特征，包括布置在其顶表面和底表面的至少一个中的、与所述聚光层的所述至少第二部分相应地光学配准的多个光引导元件，并具有相应的第二侧端主光出射面；及
相应的至少第二透光介质层，其以折射率n2-2为特征，其中n2-2＜n1-2，所述相应的至少第二透光介质层紧邻所述第一光传输层和所述第二光传输层布置。
2.根据权利要求1所述的光采集和聚集系统，还包括光耦合到所述第一侧端主光出射面和所述第二侧端主光出射面的次级聚光器。
3.根据权利要求1所述的光采集和聚集系统，其中所述第一光传输层和所述第二光传输层中的至少一个的所述光引导元件布置在相应的光传输层的顶表面中，所述光采集和聚集系统还包括紧邻所述相应的光传输层的底表面布置的反光层。
4.根据权利要求1所述的光采集和聚集系统，其中所述聚光层包括菲涅尔透镜。
5.一种光采集和聚集系统，包括：
第一集光器，其包括第一聚光层、第一光传输层以及第一透光介质层：
所述第一光传输层以折射率n1-1为特征，具有相应的第一侧端主光出射面，且还包括布置在其底表面中并从所述底表面与其成一个角度向内延伸的、与所述第一聚光层光学配准的多个光引导元件；及
所述第一透光介质层以折射率n2-1为特征，其中n2-1＜n1-1，所述第一透光介质层布置在所述第一聚光层和所述第一光传输层之间；及
至少第二集光器，其具有外侧部分，所述第二集光器的外侧部分包括第二聚光层、第二光传输层以及第二透光介质层：
所述第二光传输层以折射率n1-2为特征，且还包括布置在其底表面的一部分中并从所述底表面与其成一个角度向内延伸的与所述第二聚光层光学配准的多个光引导元件；及
所述第二透光介质层以折射率n2-2为特征，其中n2-2＜n1-2，所述第二透光介质层布置在所述第二聚光层和所述第二光传输层之间，及
所述第二集光器还具有内侧部分，其由所述第二光传输层的平面平行区域组成，具有相应的第二侧端主光出射面，其中所述内侧部分邻近所述第一光传输层的下方布置；以及
以折射率n’2-2为特征的透光介质层，其中n’2-2≥n2-2且＜n1-2，所述透光介质层紧邻所述第二光传输层的所述平面平行区域的顶表面布置。
6.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，还包括：
至少第三集光器，其具有外侧部分，所述第三集光器的外侧部分包括第三聚光层、第三光传输层以及第三透光介质层：
所述第三光传输层以折射率n1-3为特征，且还包括布置在其底表面的一部分中并从所述底表面与其成一个角度向内延伸的与所述第三聚光层光学配准的多个光引导元件；及
所述第三透光介质层以折射率n2-3为特征，其中n2-3＜n1-3，所述第三透光介质层布置在所述第三聚光层和所述第三光传输层之间，及
所述第三集光器还具有内侧部分，其由所述第三光传输层的平面平行区域组成，具有相应的第三侧端主光出射面，其中所述内侧部分紧邻所述第二光传输层的下方布置；以及
以折射率n’2-3为特征的透光介质层，其中n’2-3≥n2-3且＜n1-3，所述透光介质层紧邻所述第三光传输层的所述平面平行区域的顶表面布置。
7.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，其中所述第一光传输层和所述第二光传输层的所述底表面具有阶梯式形状。
8.根据权利要求7所述的光采集和聚集系统，其中所述第一光传输层的底表面和所述第二光传输层的底表面的每个非光引导部分分别平行于所述第一光传输层和所述第二光传输层的与底表面相对的表面。
9.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，其中所述第三光传输层的所述底表面具有阶梯式形状。
10.根据权利要求9所述的光采集和聚集系统，其中所述第三光传输层的底表面的每个非光引导部分平行于所述第三光传输层的与底表面相对的表面。
11.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，其中所述系统是旋转对称圆盘的形状，此外其中所述第一侧端主光出射面和第二侧端主光出射面形成所述系统的环形原点。
12.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，其中所述系统是旋转对称圆盘的方位角部分的形状。
13.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，其中所述系统是旋转对称圆盘的形状，此外其中所述第三侧端主光出射面形成所述系统的环形原点。
14.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，其中所述系统是旋转对称圆盘的方位角部分的形状。
15.根据权利要求11所述的光采集和聚集系统，其中所述第一聚光层和所述第二聚光层包括相邻的环形聚光元件。
16.根据权利要求15所述的光采集和聚集系统，其中所述第一光传输层的底表面和所述第二光传输层的底表面具有阶梯式部分，所述第一聚光层和所述第二聚光层的所述环形聚光元件相对于相应的所述第一光传输层和所述第二光传输层的底表面的阶梯式部分按比例调节。
17.根据权利要求13所述的光采集和聚集系统，其中所述第三聚光层包括相邻的环形聚光元件。
18.根据权利要求17所述的光采集和聚集系统，其中所述第三光传输层的底表面具有阶梯式部分，所述第三聚光层的所述环形聚光元件相对于所述第三光传输层的底表面的阶梯式部分按比例调节。
19.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，其中特征为折射率n’2-2的所述透光介质层是空气。
20.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，其中特征为折射率n’2-3的所述透光介质层是空气。
21.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，其中所述第一聚光层和所述第二聚光层是菲涅尔透镜。
22.根据权利要求21所述的光采集和聚集系统，其中所述菲涅尔透镜被布置在反转的菲涅尔透镜方向上。
23.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，其中所述第三聚光层是菲涅尔透镜。
24.根据权利要求23所述的光采集和聚集系统，其中所述菲涅尔透镜被布置在反转的菲涅尔透镜方向上。
25.根据权利要求5所述的光采集和聚集系统，还包括光耦合到所述第一侧端主光出射面和所述第二侧端主光出射面的次级聚光器。
26.根据权利要求6所述的光采集和聚集系统，还包括光耦合到所述第三侧端主光出射面的次级聚光器。
27.根据权利要求25所述的光采集和聚集系统，还包括耦合到所述次级聚光器的光出射面的转镜。
28.根据权利要求27所述的光采集和聚集系统，其中所述转镜具有弯曲的反射面。
29.一种光采集和聚集系统，包括：
聚光层，其包括在其顶表面中的多个小透镜，具有成形的底表面；
光传输层，其具有折射率，还具有互补成形的顶表面、包括多个光引导元件的底表面以及侧端主光出射面；在沿着所述互补成形的顶表面与所述成形的底表面之间的界面的每一位置处，所述互补成形的顶表面平行于所述成形的底表面；每个光引导元件与所述聚光层的所述多个小透镜中的相应的一个光学配准；以及透光介质层，其具有比所述光传输层的折射率低的折射率，布置成紧邻所述聚光层的底表面和所述光传输层的顶表面；
其中所述系统具有在入射光传播方向上的恒定的厚度T。
30.根据权利要求29所述的光采集和聚集系统，其中所述光传输层的顶表面和所述聚光层的底表面中的每个均具有平坦的单调倾斜的剖面。
31.一种光采集和聚集系统，包括：
聚光层，其包括在其平的顶表面中的多个小透镜，具有包括非倾斜的底表面的恒定厚度部分和包括倾斜的平坦的底表面的单调增大的厚度的部分；
光传输层，其具有折射率，还具有与所述聚光层的所述恒定厚度部分互补并包括非倾斜的平的顶表面部分和非倾斜的底表面部分的恒定厚度部分，所述非倾斜的底表面部分包括多个光引导元件，每个光引导元件与所述聚光层的所述小透镜中的相应的一个光学配准，且所述光传输层还具有包括倾斜的平坦的顶表面区域部分和非倾斜的底表面部分的单调减少的厚度部分，所述单调减少的厚度部分的非倾斜的底表面部分包括多个光引导元件，每个光引导元件与所述聚光层的所述小透镜中的相应的一个光学配准；及
透光介质层，其具有比所述光传输层的折射率低的折射率，布置成紧邻所述聚光层的底表面和所述光传输层的顶表面，
其中所述系统具有在入射光传播方向上的恒定的厚度T。
32.根据权利要求31所述的光采集和聚集系统，其中所述光传输层的顶表面和所述聚光层的底表面在沿着这两个表面之间的界面的所有位置处相互平行。
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