CN102282429A - 科勒聚光器 - Google Patents

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CN102282429A CN2009801546265A CN200980154626A CN102282429A CN 102282429 A CN102282429 A CN 102282429A CN 2009801546265 A CN2009801546265 A CN 2009801546265A CN 200980154626 A CN200980154626 A CN 200980154626A CN 102282429 A CN102282429 A CN 102282429A
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胡安·卡洛斯·米尼亚诺
巴勃罗·萨莫拉
迈克勒·赫尔南德斯
亚历山德拉·茨韦特科维奇
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Abstract

太阳能伏打聚光器的一个实例，具有带多个板的第一菲涅尔透镜，每个板与透镜状第二透镜的对应板形成科勒积分器。产生的多个积分器都集中太阳光到共同的光伏电池。也描述了使用类似几何结构的发光体。

Description

科勒聚光器
相关申请的交叉引用
本申请要求以米尼亚诺(Minano)及其他人的名义于2008年11月18日递交且主题为“科勒聚光器(kohler concentrator)”的美国临时专利申请No.61/115/892和2009年6月8日递交且主题同上的美国临时专利申请No.61/268,129，以及以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义在2009年10月6日递交且主题为“角向结合光-科勒子-聚光器”的美国临时专利申请No.61/115/892的权益，而且在这里将其作为整体引用。
参照已一般受让Minano及其他人的国际公开号WO 2007/016363以及已一般受让贝尼特斯(Benitez)及其他人的国际公开号WO 2007/103994，在这里将其作为整体引用。
这个申请所披露和示出的设备的各种实施方式，可以在下列一或多个美国专利、专利申请和/或其他国家相对应物的范围之内：以米尼亚诺(Minano)及其他人的名义于2003年10月28日授权的美国专利6,639,733、以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义于2005年5月24日授权的美国专利6,896,381、以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义于2005年12月26日授权的美国专利7,152,985、以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义于2008年12月2日授权的美国专利7,460,985；以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义且主题为“自由形式双凸透镜状光学器件及其到聚光镜和照明灯的应用”的WO 2007/016363、以及贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义主题相同且2008年12月25日公开的美国2008/0316761；以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义且主题为“具有均化器系统和耦合非成像光聚光器的多结太阳能电池”于2007年9月13日公开的WO 2007/103994；以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义且主题为“尤其用于太阳光电的光学聚光器”于2008年9月18日公开的US 2008/0223443；以贝尼特斯(Benitez)及其他人的名义且主题为“具有均化器系统和耦合非成像光聚光器的多结太阳能电池”于2009年3月19日公开的US 2009/0071467。
术语汇编
集度接受积(Concentration-Acceptance Product，CAP)-与任意太阳能聚光架构相关的参数。它是集度比例(concentration ratio)的平方根乘以接受角的正弦的积。一些光学架构具有更高的CAP，从而能够更高的集度和/或接受角。对于特定的结构，当几何集度被改变时，CAP几乎是固定的，从而增加一个参数值会降低另一个。
菲涅尔刻面(Fresnel Facet)-通过折射使光偏离的非连续-倾斜聚光器透镜的元件。
TIR刻面-通过完全内部反射使光偏离的非连续-倾斜聚光器透镜的元件。
基本光学元件(Primary Optical Elemet，POE)-从太阳或其它源接收光并将其向第二光学元件集中的光学元件。
第二光学元件(Secondary Optical Elemet，SOE)-从基本光学元件接收光并将其向太阳能电池或其它目标集中的光学元件。
笛卡儿卵形线-用在成像和非成像光学元件中的曲线(严格上曲线族)，如果不超过一束光穿过由该曲线产生的表面的每点，将一簇给定光转化为其它预定簇。所谓的泛化笛卡儿卵形线可以用于，将非球形的波阵面转化为其它。参见参考[10]，第185页；参考[17]。
背景技术
三结(Triple-junction)光电太阳能电池很昂贵，因此期望在实际中以尽可能多的聚光来操作。当入射辐射的本地集度超越2,000～3,000sun时，当前可用多结光电太阳能电池的效率将变糟。现有技术的一些聚光器关于电池上的通量分布具有大量非均匀性，以致于“热点(hot spot)”多达9,000-11,000x集度且平均集度为500x，极大地限制了平均集度在经济上可达到的高度。千变万化的积分器(integrator)可以降低这种热点的幅度，然而很难对它们予以组装，并且不适用于小电池。
在非成像光学元件中存有两个主要设计问题，并且都与此相关。第一个称为“捆耦合(bundle-coupling)”，而且其目标是最大化从源发射且传送到接收机的光功率比例。第二个称为“规定辐射度”，其目标是使用给定的源发射，在指定目标表面上产生特定光照样式。
在捆耦合中，在两个光簇Mi和Mo(分别称为输入簇和输出簇)耦合中存在设计问题。这意味着作为输入簇Mi的光束进入光学系统的任意光束，在离开时作为输出簇Mo的光束，反之亦然。因此这两个光簇Mi和Mo的成功耦合部分包含相同的光束，而且这些相同光束为相同簇Mc。一般来说，簇Mc＝MiIMo.实际上，耦合始终是不完美的，因此
Figure BPA00001405959200031
和
Figure BPA00001405959200032
然而，在规定辐射度中，只是指定一个簇必须包含于另一个，Mi包含于Mo。基于此原因，在Mi中但没有包含于Mo的任意光束被无视，从而Mi被Mc有效地替代。在这种方式的解决方案中，施加了另外的约束条件，那就是簇Mc应该在目标表面上产生规定辐射度。由于Mc没有完全被规定，由于对特定设计不便利的光束可以被有意地排除从而改进剩下光束的耦合，这个设计问题比捆耦合的约束要小。举例，源的周围可以是发光之下，因此它发散出来的光束要弱于平均。如果该设计边缘光束被选中进入该周围中，从而弱的周围区域被忽略了，而且只有源区域的大量强光束被使用，整个性能可以被改进。
有效光伏聚光器(CPV)设计良好地例证了既包含捆耦合问题，又包含规定辐射度问题的设计问题。Mi包括自太阳进入系统第一光学元件的所有光束。Mo包括来自最后光学元件且到实际光伏电池(并不仅是其盖玻璃的外部)之上的那些光束。包括在Mi中且没有耦合入Mi的光束连同其功率一起丢失。(注意在计算机光束追踪中，如果每单位源面积具有不变数目的光束，来自于源的较少光亮部分的光束将具有较少的通量)。入射太阳光的辐照度分布必须与实际光伏电池上的规定(通常是均匀的)辐射度相一致以预防热点。优化这些问题，即获取最大集度接受积以及在太阳能电池活性表面上的均匀辐照度分布，将最大化效率。当然这是很艰巨的目标，因此只寻找到少数特定解决方案。
通过使用在经典光学元件中为公知方法的光管匀束器(light-pipehomogenizer)，有潜力获得太阳能电池上的良好辐照度均匀性。请见参考[1]。当使用光管匀束器时，太阳能电池紧附到光管的一端，光在光管壁上一些反弹之后到达电池。由于光管长度，电池上的光分布变得更加均匀。然而，为了聚光光伏设备(CPV)使用光管具有一些缺陷。第一缺陷是，在高照明角度的情形下，光管的反射表面需要与金属化合，从而相对于磨光表面的完全内反射的近乎完美反射性降低了光学效率。第二缺陷是，为了良好匀束性，需要相对长的光管。然而，增加光管长度既增加其吸收，又降低了装置的机械稳定性。第三缺陷是，对于相对厚(小)的电池，由于从用于将电池保持到光管端的结合(典型为硅硅橡胶)的边缘处侧面光溢出，光管并不合适。即使如此，光管在CPV系统中被提出多次，参见参考[2]、[3]、[4]、[5]、[6]和[7]，其使用的光管长度远长于电池尺寸，典型的4-5倍数。
用于获取电池上良好均匀性的另一策略是科勒照明器。科勒积分可以解决或者至少减轻均匀性问题，而不用折衷接受角，也不会增加组装难度。
参照图2，Sandia Labs在八十年代后期提出了使用科勒积分的第一光伏聚光器(请见参考[8])，而且后续被Alpha Solarco商业化。菲涅尔透镜21是其基本光学元件(POE)，而且封装光伏电池20的成像单表面透镜22(称为SILO，用于单光学表面)是其第二光学元件(SOE)。这种方式使用两个成像光学透镜(菲涅尔透镜和SILO)，其中SILO布置在菲涅尔透镜的焦平面，SILO将菲涅尔透镜(非均匀地被照明)成像到光伏电池。因此，如果电池是方形的，该第一元件可以被方形调整，而不损失光学效率。针对执行模块中多个基本光学元件的无损棋盘形布置，这非常有吸引力。在另一方面，基本光学元件在第二表面上对阳光成像。这意味着对于通常入射光束24，太阳像25将形成在SILO的中心，并且随着由追踪扰动和误差而产生的太阳光束在聚光器接受角范围之内的移动，朝着第二表面的位置25移动。因此聚光器的接受被第二光学元件的尺寸和形状所确定。
尽管电池具有简单性和高度的照明均匀性，Sandia系统的特定应用仍然局限于低集度中，这事因为它具有低的集度接受积，大约为0.3°(在300x时加或减1°)。这是由于成像第二元件不能够在电池上获取高照明角度，因此即使在集度率为300x时也为低接受角，阻止了最大集度。
在另外一个之前提出的方式中使用4个光学表面，以获取高接受角和电池上相对均匀辐射分布的光伏聚光器(见参考[9])。举例，这个聚光器的基本光学元件(POE)应该是一种元件，举例，将太阳成像到第二光学元件(SOE)的孔径(aperture)中的双非球面成像透镜。适于第二光学元件的是在参考[10]、[11]和[12]中所描述，由SMS设计的RX聚光器。这是一个工作在聚光器热力学极限附近的成像元件。
增加系统光学效率(它是关键优值函数)的良好策略是，通过设计聚光器光面表面具有至少一个双重功能，举例，在一些特定近似均匀性的宽角度照明该电池，在系统的少数表面上整合多功能。相比较理想的4表面情形，这承受了设计自由度的降低。因此，在寻求光学效率、接受角和电池辐射均匀性的合适综合过程中，在选择的几何图形和均匀化方法中有折衷。在折射聚光器和串联多结电池中，色散能导致在电池上不同的光谱带具有不同的空间分布，导致会降低效率的光电流密度不匹配，使得完全的均匀化更加可贵。
有两种方式来实现辐射均匀化。第一种是科勒积分器，如前所述，其中该积分过程涉及光束簇两个维度，径向的和子午线的。这个方式公知为2D科勒积分器。另外的策略是，仅仅在光束簇的一个维度上进行积分，因此称为1D科勒积分器。典型地，这些科勒积分器提供的均匀性要小于2D所提供的，但是它们易于设计和制造，因此适合于均匀性不是非常关键的系统。最近开发了一种设计方法(见参考[13]和[14])，用于计算完全自由形式的1D和2D科勒积分器，其中使用了具有均匀化光以及耦合该设计的边缘光束簇这双重功能的光学表面。
发明内容
本发明的实施方式提供了在太阳能电池上结合高几何聚光、高接受角、高辐射统一性的不同光伏聚光器。在一些实施方式中，第一和第二光学元件都是双凸透镜状以形成多个节(segment)。基本光学元件的节和第二光学元件的节相结合，以形成科勒积分器。多节导致多个科勒积分器，共同地将入射太阳光聚焦到共同目标上，比如光伏电池上。典型地，对于不同的单独科勒积分器，任意热点在不同地方，而且该多个科勒积分器进一步在目标电池上平均多个热点。
在一些实施方式中，光学表面典型被透镜光栅(即，多个独立小透镜(lenslet)的单个表面上的排列)修改，以产生科勒积分。虽然被修改的光表面的光学表现与原始完全不同，它们宏观上非常类似于未修改表面。这意味这可以用相同的工艺制造它们(典型的注塑模塑(plastic injection molding)或玻璃模塑(glass moulding)而且它们的生产花费是相同的。
本发明的一个实施方式提供光学设备包括：具有多个节的基本光学元件，在一个实例中数目为4；具有多个节的第二光学元件，在一个实例中是透镜光学表面的4个透镜光栅；其中基本光学元件中的每一个节与第二光学元件的相应节，形成相应多个科勒积分器中的一个。多个科勒积分器在位置和方位上被布置，以将光从共同源导向到共同目标。该共同源处，该设备是集光器，或共同目标处，该设备是发光体，可以在该设备外面。举例，在太阳光伏聚光器中，该源是太阳。无论是共同源或共同目标，另一个可以是设备的一部分或连接到它。举例，在太阳光伏聚光器中，目标可以是光伏电池。然而，设备的进一步实施方式可以用于集中或校准在外部共同源和外部共同目标之间的光。
附图说明
根据结合下列附图以及以下更加特定描述，本发明的以上和其它方面、特征和优点将变得明显，其中：
图1示出了用于计算发光科勒折射透镜光栅对(lenticulation pair)期望形状的设计光束。
图2示出了由Sandia Labs开发出的菲涅尔-SILO聚光器的某些原则。
图3示出了阳光的两镜卡塞格伦型反射聚光器。
图4示出了使用方位角积分的四倍透镜状(quard-lenticular)XR科勒聚光器。
图5A示出了图4中XR聚光器的光线图表。
图5B是图5A的放大详细图。
图6是图4中示出的聚光器的光效率图表。
图7是图4所示聚光器执行的同轴(on-axis)集光的通量图。
图8是类似于图7的通量图，0.7°的循迹误差。
图9是四倍透镜状RR科勒聚光器的第一和第二透镜的透视图。
图10A是图9中聚光器的四个子系统中一个的透视图。
图10B是图10A的放大详细图。
图11A四倍透镜状RR科勒聚光器的光束通道的侧视图。
图11B是第二透镜中该相同物的近视图。
图12A是四倍透镜状科勒聚光器的透视图，其中该第一元件包括菲涅尔和TIR刻面。
图13是该相同物的透视图，示出穿过聚光器中组件的光束通道。
图14该相同物第二光学元件的界面图，示出菲涅尔和TIR刻面。
具体实施方式
通过参照下列对本发明实施方式的详细描述以及阐述了运用本发明各种原则的示范性实施方式的附图，可以获得对本发明各种特征和优点的更好理解。
这里描述了三种类型的基本光学元件：第一个包括具有多重菲涅尔刻面的双折射光学元件；第二个为包括多重菲涅尔和TIR刻面的混合光学元件；第三个包括反射器阵列(array)。所有这三种，大体上显出n重对称性，其中单个元件(菲涅尔或TIR刻面，透镜)具有旋转对称。在本发明教导的实施方式中，第二投射元件具有如第一元件的相同n重对称性。
这里描述了一些科勒集成太阳能聚光器。它们是最先将科勒积分器非平面阵列与聚光光学元件相结合的。虽然这里揭示的本发明实施方式具有4倍的对称性，而本发明实施方式并不局限于这个对称性。只要此处教导的原则被充分理解，本领域技术人员可以应用到其它的对称性中(n重，其中n可以是任意大于2的数)。
图1示出了透镜光栅10，包括两个折射离轴表面、基本光学元件(POE)11、第二光学元件(SOE)12以及发光电池13。最后的光科勒聚光器将是数个这种透镜光栅对的组合，具有用点虚线示出的共同旋转轴14。实线15限定空间边缘光束，虚线16限定角度边缘光束。它们分别示出平行和收敛光束的特性。在一个实施方式中，每个光学元件透镜光栅11，12可以是一或多个光学表面，每个表面可以是连续的或者细分的。举例，POE11可以是菲涅尔透镜，一侧是平的，而另外侧由拱形棱镜形成。
发光科勒聚光器是具有旋转对称的1D科勒积分器。这使得设计过程比1D自由形式科勒积分器更加容易。另外，旋转对称使得针对透镜状形式的制作过程与其它任意非球面旋转对称一样简单。然而，该设计过程首先设计2D光学系统，接着采用旋转对称。
虽然由发光科勒聚光器产生的辐射分布具有热点，但是比成像系统所产生的要温和的多。如果α是系统接受角，αs是太阳的角半径，而且k是取决于电池活性面积形状的常数(对于圆形电池，k＝1，对于方形电池，k＝4/π)，可以容易发现由发光科勒聚光器方式产生的热点与平均光浓度的k*(α/αs)倍成比例，而由消球差设备产生的热点与平均光浓度的k*(α/αs)2倍成比例。举例，如果α＝1°，αs＝1/4°(从地球看太阳的角半径)，而且k＝1，由发光科勒聚光器方式产生的热点大约是平均光浓度4倍，而由消球差设备产生的热点是平均光浓度16倍。对于方形电池(k＝4/π)，相对应的热点为平均光浓度5倍和20倍。
发光科勒概念已经被应用到使用TIR-R聚光器(参见参考[15])的CPV系统中，以及两镜卡塞格伦型反射聚光器(参见参照[16])。图3示出了一种现有技术中两镜卡塞格伦型反射聚光器，包括：双凸透镜状的第一透镜31，第二透镜32，以及安装在热壑(heat sink)上的封装太阳能电池33。凹反射器-透镜光栅节31L将入射光束35反射为聚焦在第二透镜32上的收敛光36，它反过来传播跨越电池33，电池33为多结类型的1cm2电池。聚光器设计于在Cg＝650x处工作，以及±0.9°的接受角，光效率为78％，在1200suns的电池上具有最大辐照峰值。
在这种发光科勒设计中，平均集光和峰值集光可能会高，因此需要在发光科勒设计中引入进一步的自由度，以使得辐照峰值低于2000suns。为了在第二方向执行积分，本申请包括带有4个子系统的聚光器(具有4对称性)，自此以下称为节，对称地组成整体实现方位角积分，而保持四个子系统中的每个转动地对称并由此保持容易制造，这是因为每个实际上都是完整旋转对称发光科勒系统的一部分，类似于图2和图3中那些。
当使用两方向自由形式科勒聚光器而不是旋转对称时，可以产生更好的均束化。可能的自由形式科勒系统是XR，包括第一反射器以及第二反射器。图4示出XR科勒聚光器40的实施方式，包括4次分段第一透镜41、4次分段第二透镜42和光伏电池43。基于透镜41和电池43的相对尺寸，几何集光Cg＝804x是明显的。该设计用于方形整体电池(电池边＝1)。设备尺寸因此定比到实际电池大小。用于从电池除热的该热方案紧随该电池尺寸。由于透镜42的宽度是透镜41宽度的十分之一，透镜41被透镜42遮挡的只有1％。
图5A示出了类似于图4的系统以及光束。用不加重线来示出聚光器50的第一透镜51和第二透镜，从而强调被透镜51反射进入聚合光束55的平行光束54。图5B示出聚合光束55的特写图，聚焦于第二透镜52(用不加重线示出)表面上的点56，接着传播出去以统一地覆盖光电池53。第一透镜51和第二透镜52，每个包括成对工作的4个节。每个透镜节将入射太阳光束聚焦到相应的第二透镜节，而反过来，第二透镜节将其第一透镜节成像到光伏电池。其上的辐射为第一透镜节的4个像的总和，每个都是聚焦在第二光学元件(SOE)边缘的抛物面透镜，而且其轴方向垂直于该电池。因此，通常入射到第一透镜51的所有光束去往电池53。
4个相同节的实际设计，开始于针对特定电池集光一些级别的需求，从而设置透镜的尺寸。第二透镜的尺寸，由期望接受角±α以及选择的透镜焦距，以及电池的最大接受角所设置。即使与第二透镜光学接触，电池的高折射率通常意味着超过最大离轴接受角的光束将大部分由于反射而被浪费。取决于电池的微观个别情况以及其与透镜的交互，特定电池的值可以从60°到80°之间改变。为了设计单个第二透镜节的形状，边缘光束在与到达太阳光束的相反方向上被发射，进入电池接受角的所有离轴方向。接着，该透镜为笛卡尔卵形线，将这些光束聚焦到第一透镜的周围。第二透镜52是单反射表面，而且其体占据在该表面和电池53之间的整个空间，意味着它被浸入到透镜52中。
假定透镜反射率95％，具有91％传播的遮盖，而且考虑第二透镜的菲涅耳反射损失，图4和5所示的聚光器的一个实例的结果光学效率为81％，而且几何集光为804x，它达到90％的效率接受角度±1.4°。该系统的集度接受积近似为0.7，针对图2所有现有技术是可观的改进。
参照图9，科勒积分聚光器的进一步实施方式是，RR形式的自由形式聚光器90，以及第一和第二元件是折射的。RR科勒整合聚光器的第一折射元件是四对称性的菲涅耳透镜91，如图所示具有4个透镜节或者子透镜(sub-len)。由于制模实用性所要求的圆形面端以及非垂直出模斜度，带有平表面的薄菲涅耳透镜非常近似于单折射表面，只有很小的损失。菲涅耳透镜91不是旋转对称，但是包括4个子透镜，每一个子透镜可以被视为对称菲涅耳透镜的偏心(off-centre)方形部分。在透镜的中心这非常显而易见，在该处透镜90的物理肋是可见地被三叶草叶形状化，而不是圆形的。第二透镜也包括4个子透镜，每个都与第一透镜91的对应子透镜相对准。所有的4个子透镜对在接受角范围之内将太阳光束发送到电池93。对4个菲涅耳透镜的每一个的转动中心，通过圆心94，95，96和97在图9中被描述。转动轴垂直于菲涅耳透镜的平面。
图9中的RR科勒获得了510x的几何集光，接受角为±1.47°，相对于现有技术这种集光水平是非常好的结果。利用f数从0.85到1.5，这个高接受角度可以实现，对于太阳能聚光器应用这个范围是非常有兴趣的。
图6到图8示出了图9中设备的更详细光学表现。图6示出图表60，横坐标61标绘离轴角，纵坐标62标绘图9中菲涅耳科勒的相对传输。点曲线63是平行于电池对角线的部分，实线64是平行于电池两侧的部分。垂直点线65对应于1.47°，水平点线66对应于90％的门限。光学性能的光谱相关性(光效率、接受角和辐射分布)非常小(对于在商业可用串联电池的最大结点的频谱内追踪的多色光束，接受角降到1.43°。)
电池上的辐射具有非常好的统一性。图7是3D图表70的透视图，底部71以毫米显示1cm2电池上的两空间维度，纵轴72以sun为单位示出强度。辐射的高统一性很清楚。在方向垂直入射(DNI)为850W/m2处，辐照峰值为450sun。这良好地低于当前高效率串联(tandem)太阳能电池目前1500sun的上限。
图8示出了图表80，平面底部81以毫米显示1cm2电池上的两空间维度，而纵轴82以sun为单位读出集光。图80示出当聚光器具有1°的循迹误差(tracking error)时的辐射分布。辐射峰值为635sun，对于电池性能来说还是可接受的。
在图10A和10B中示出了菲涅耳-R科勒设计的细节，而在图11A，尤其是图11B中给出了更详细细节(图10B和11B分别是图10A和11A中第二透镜临近的放大详细)。菲涅耳透镜110的4个透镜状板101中的每一个，将入射太阳光成像到第二透镜的4个小透镜或节104中的相对应一个之上。第二透镜111的每个小透镜104，将菲涅耳透镜的相关方形节101成像到方形光伏电池108之上。入射到菲涅耳透镜的每个板上的太阳光因此相当地、均匀地散步在光伏电池108的整个延伸。分布中的任意不均匀都不大，而且由于4个节和小透镜是离轴的，至少部分被消除，而且相对于另外被旋转，从而任意热点在电池的4个不同部件上被分担。
图9到11B示出了特定实施方式，它包括菲涅耳型透镜作为基本光学元件，透镜作为第二光学元件，以及光伏接收器。该光伏接收器优选具有方形、平的活动区域，而且不失一般性可以认为位于坐标系中被如此定位，从而该接收器平面为z＝0，而且两侧平行于x-y轴。基本光学元件由4个单元(小透镜或节)组成，每个单元覆盖x-y坐标的一个象限。优选地，这四个单元是关于x＝0和y＝0平面的4个对称镜像，并由此限定区域x＞0，y＞0区域内的单元完全界定基本光学元件。优选地，接着第二光学元件具有相同对称性的4个小透镜，第一和第二光学小透镜之间具有一对一的对应关系，因此它们是科勒积分对，正如在专利申请WO 2007/016363中所描述。
在图9到11中示出的特定实施方式中，区域x＞0，y＞0内的基本光学元件的小透镜以及区域x＞0，y＞0内第二光学元件的小透镜是科勒对，而且其它三个象限也类似，不过显然其它的对应关系也是可能的。基本光学元件110可以是平菲涅耳型透镜，位于与z＝0平面相平行的平面之内。在每个科勒对之中，形成POE110一部分的第一菲涅耳节或小透镜101区域x＞0，y＞0等，将在该对的对应第二光学元件小透镜或单元104之上形成太阳的像，而第二单元将在太阳能电池上形成相关基本光学元件对的像。4个菲涅耳子透镜中的每一个，可以具有旋转对称光学表面。4个旋转对称菲涅耳透镜的光场分布被如此布置，从而旋转对称的4个轴平行，但是相互之间不一致，也不与整个光学系统的中心一致，导致在图9中已经示出和涉及的“三叶草叶”式样。菲涅耳透镜的焦平面接着接近于第二光学元件的z孔径。
第一光学单元的尺寸由光伏接收器的像给定，而第二光学单元的尺寸有接受多面角(也就是，由太阳占据角半径α(角半径αs)加上由设计者所增加的公差的天空多面角)的像所界定。
这种光学排列产生光伏接收机的相当统一的发光，因为每个第二透镜在成像其相对应的第一元件，相对应的第一元件统一地被太阳照亮。这种统一发光对于太阳能电池是非常期望的。
图11A和11B示出来自太阳中心的平行光束113(当它完美地被追踪)如何将被第一透镜110的4个单元聚焦到第二透镜111的4个单元上的4个图像之上。在图11B中，第二透镜在边缘处的斜面为如此：不能够利用单侧模型的玻璃铸模来制造。然而，在设计阶段可以设置用于铸模的草图角度需求。
图10示出4个方子透镜101中的一个，每一个方子透镜具有环绕垂直轴101A的圆形对称性。轴101A穿过子透镜101A的光学中心，而且平行于整个聚光器100的Z轴102。透镜101具有焦点103，在该焦点处轴101A与第二光学器件104相交。可替换地，该焦点可以位于玻璃之内的更深处，更接近于线101A与在SOE104表面上连接子午面流道108的边缘点的直线的相交点。在图10A中示出的XZ和YZ垂直面内关于轴102的重复90°旋转或相对应的反射，产生了其它三个节。为了便于描述，线113作为Z轴，平面111和112的示出板的底边缘作为X和Y轴。只有X＞0，X＞0的光学单元详细被描述，相同描述应用到其它三个象限单元，对应于坐标标示的变化。
第二光学元件104也具有4个小透镜而且其整体形状在图11B中示出。在图10B中示出的小透镜具有关于所提到轴105的圆形对称性，该轴在X＝Y平面100中，而且连接菲涅耳透镜101的边缘点101P到接收机108的相对远边缘点105A。接着，通过制造包容在X＝Y平面100中的曲线109获得该第二元件，由于笛卡尔卵形曲线将点101P对焦到点105A之上，点105A可以在接收器的边缘或它可以在一些其它点(在接收机内或外)。为了清楚目的，只示出X＝Y平面后的半个小透镜，从而子午线产生曲线109作为所示半个小透镜的表面而呈现。笛卡尔坐标沿着XZ和YZ垂直面具有X和Y轴，而且Z轴为垂直线，从而光伏电池或其它接收机108位于XY平面内且在以该原点为中心。在表1中，接收机108具有尺寸8.8x8.8。为菲涅耳透镜101对称轴的线101A平行于Z轴，在X＝Y＝10.6066处(单元的尺寸是随意的)。线105A的末端为形成第二光学表面的旋转曲线109的轴，具有坐标：
表1
  点   X   Y   Z
  105A   -5.9   -5.9   0
  101P   113   113   384
可替换地，低的末端105A可以布置在接收机108的外部。透镜101象限接着成像到大于接收机芯片108的区域上。这保证接收机芯片108整个区域内的完全辐射，代价是一些浪费的辐射，或可以容纳特定太阳能聚集器，其中菲涅耳101的外部边缘被安装结构所遮挡。
可以沿着在表2(布置在说明书的结尾)中列出的点，描绘X＝Y平面110内的曲线109分布图。由于X＝Y，对于每一点的X坐标和Y坐标，给定一个单一值。通过关于轴105转动曲线109，产生第二透镜104的表面。
菲涅耳透镜101的分布图在X＝Y平面内以截面表示，可以沿着在表3(布置在说明书的结尾)中列出的点被描绘，从角落101C(在该处透镜与Z轴102相交)运行到角落101P(在该处该透镜与第二光学元件曲线190的轴105相交)。由于透镜101关于中心轴101A旋转对称，这个分布图在轴101A和Z轴102之间的部分，是下一部分的镜像。然而，为了便于参照，在表中列出了整个分布。如果由于生产目的期望将该分布转化为以一个小透镜的光轴101A为中心的柱面极坐标，该分布的复制部分可以被抛弃。
图12示出4小透镜聚光器的另外实施方式，包括第二光学元件123和作为基本光学元件的完全内反射(TIR)透镜。该TIR透镜包括在其中心部分的传统菲涅尔刻面122，以及在外部的TIR刻面。在TIR刻面中，光束承担一个完全内反射和一个折射，如图14中截面图所示。对于施加到CPV系统的具有折射第二光学元件的TIR透镜的现有提议，可以在美国专利7,160,522及其参照，以及参考[15]中找到。与图12-14的实施方式相比较，对于这些之前提议设备的均化不使用科勒积分(integration)。图13示出光束124对于同轴太阳沿着该设备被追踪，而且根据设计，在4对称性第二光学元件132的入口处形成4个聚焦区。
因此，使用科勒积分概念，太阳能电池上的辐射可以保持在低水平，以保证合适的电池性能。本发明的实施方式设计到光伏聚光器和固态发光领域。本实施方式是对前述Minano等专利申请WO2007/016363中所描述设备的特别实现。
本领域技术人员中的设计者可以作出各种变化。举例，第二光学元件的小透镜数目可以增加，举例，增加到9。那么基本光学元件中小透镜的数目也相应增加到9。而且，电池可以不是方形，而是矩形的，那么菲涅耳透镜的4个单元将优选对应为矩形，从而每个菲涅耳透镜单元还可以容易地成像到光伏电池。可替换地，或者附加地，菲涅耳小透镜可以降低为2，或其它不为平方的数目，从而菲涅耳透镜的整体形状相对于与光伏电池为不同矩形。每个第一和第二透镜节中小透镜的期望数目可以取决于设备的实际尺寸，正如影响透镜特征制作的结果尺寸和精准度。
虽然已经描述了图示了各种特定实施方式，本领域技术人员理解在本发明的范围内，如何将不同实施方式的特征相结合到单一的光伏收集器、发光或其它设备中以形成其它设备。
本领域技术人员还理解本发明范围的各种替换和修改是如何进行的。举例，通过施加到太阳能聚光器描述了实施方式，而且考虑从地球看太阳的明显尺寸的接收半径和接收半角α(半径αs近似1/4°)，加上在聚光器瞄准太阳过程中循迹误差的合理公差执行了设计。本领域技术人员理解如何将相同的几何应用到准直仪以及聚光器，以及怎样生产具有不同接受角的设备(准直仪中的光束孔径角)如图4A到5或图9-11B中任意所示的设备具有光源，诸如LED或LED阵列，在43或108将作为照明设备，产生垂直于基本光学元件的严密准直输出光束。假定该光源照亮第二透镜活跃表面区域的整个内部，该准直输出光束将至少近似地，对应于光伏聚光器的接受角α。
当光伏电池被LED或LED阵列所代替时，本实施方式提供的光学设备能在发射方向上以相当统一的密度校准光，这是因为该源上的所有点被承担到各方向。这可用于混合源阵列不同LED的颜色，或无需装入芯片即可使得发射密度更加统一。
对当前认定最佳模式或实施本发明的前述描述并不是用于限制，而仅仅是为了描述本发明的通用原则。应该参照权利要求确定本发明的完整范围。
表2
Figure BPA00001405959200151
Figure BPA00001405959200161
Figure BPA00001405959200171
表3
Figure BPA00001405959200201
Figure BPA00001405959200211
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[16]P.Benitez，A.Cvetkovic，R.Winston，G.Diaz，L.Reed，J.Cisneros.A.Tovar，A.ritschel，J.Wright，“用于串联太阳能电池的高集光透镜—基于科勒集成系统”第四次光伏能量转变世界会议，夏威夷，(2006)
[17]J.Chaves，“对非成像光学元件的介绍”，CRC Press，2008，第17章。

Claims (19)

1.一种光学设备，包含：
具有多个节的第一光学元件；和
具有多个节的第二光学元件；
其中该第一光学元件多个节中的每一个与该第二光学元件的相应节，形成相应多个科勒积分器中的一个；
其中所述多个科勒积分器被布置，以将光从共同源导向到共同目标。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一光学元件的各节被布置，以在该共同源和共同目标中的一个处产生它们的第二光学元件相应节的实质上重合图像，而且其中该第二光学元件的各节被布置，以在该共同源和共同目标中的另一个处产生它们的第一光学元件相应节的实质上重合图像。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中第一和第二光学元件中的一个是可操作的，以聚集或校准从该共同源到达这个元件或被这个元件导向到该共同目标的光。
4.根据权利要求3所述的光学设备，其中第一和第二光学元件是可操作的，以聚集或校准从该共同源到达这些元件中一个且被这些元件中另一个导向到该共同目标的光。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其中第一和第二光学元件中较小者为电介质元件上的折射表面，该电介质元件从该折射表面延伸到该源或目标。
6.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一和第二光学元件中每一个，包含环绕共同轴被对称布置的四个面。
7.根据权利要求1所述的光学设备，进一步包含中心轴，其中该共同目标进一步包含用于将光转换为另外能量形式的设备，而且其中所述多个科勒积分器中的每一个被布置，以将被校准的入射光导向至在该共同目标上平行于所述中心轴。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其中该用于转换能量的设备是光伏电池。
9.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一光学元件是菲涅耳透镜节的阵列，每个菲涅耳透镜节是具有不同中心的菲涅尔透镜。
10.根据权利要求9所述的光学设备，其中每个菲涅尔透镜节在该节内关于中心圆形对称，而且各节关于该第一光学元件的中心对称布置。
11.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一光学元件是TIR透镜节的阵列，每个TIR透镜节是具有不同中心的TIR透镜。
12.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一光学元件是镜，其每个节是具有不同中心的凹抛物面。
13.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第二光学元件是电介质元件，该电介质元件具有形成在一个表面的多个节且在另一表面具有共同源或共同目标。
14.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一光学元件和第二光学元件中的每一个，都包含围绕该光学设备的中心轴成90°分开布置的4个节。
15.根据权利要求14所述的光学设备，其中与该第一光学元件的多个节中的每一个形成科勒积分器的所述第二光学元件的相应节，为位于该中心轴相同侧的节。
16.根据权利要求15所述的光学设备，其中该第二光学元件的每个节，是该中心轴相对侧上、关于从第一光学元件的相关节上点到源点或目标点的相应对角线光线的回转折射面。
17.一种包括多个基本光学元件和多个第二光学元件的光学设备，其中每个基本光学元件被布置以将共同源和共同目标中的一个成像到相应的第二光学元件上，而且每个第二光学元件被布置以将共同源和共同目标中的另一个成像到该相应的基本光学元件上。
18.根据权利要求17所述的光学设备，其中所述多个第二光学元件由第二透镜的透镜状板形成，而且其中共同源和共同目标中的所述另一个包含在该第二透镜的平背面上的固态薄片。
19.根据权利要求17所述的光学设备，其中所述多个基本光学元件由菲涅尔透镜的透镜状板形成。
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