CN102403391B - 聚光及能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

一个用于光能量聚集的光学系统包括一个聚光器，其包括两个或多个聚光元件；一个分光器，用于接受来自聚光元件的会聚光以产生具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；一个光引导元件，用于引导所述具有第一光谱成分的光穿过一个光导，并引导所述具有第二光谱成分的光到所述光导之外的一个位置上。

Description

聚光及能量转换系统
【技术领域】
在此披露的本发明涉及一个光学系统，特别涉及一个用于聚集光能的聚光光伏系统。
【背景技术】
虽然阳光这种太阳能发电的能源，看似丰富而且无燃料费，但是阳光的这些好处却要被太阳能发电光伏(PV)电池的相当昂贵而抵消。而且，由于这些PV电池相当低的效能，PV电池就需要占用相当大的面积，才能产生足够量的电力。因此，提高PV电池的效能会降低太阳能发电的成本和/或增加太阳能发电装机容量。一个聚光光伏(CPV)系统是通过光学元件将阳光聚集到相当小的太阳能电池上，减少使用昂贵的太阳能电池材料。CPV技术是一种将太阳能转换为电能的很重要的方法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供能有效聚集光能的装置和方法。
一种装置，包括：一个聚光器，用于将入射光转换为会聚光，其中所述聚光器包括至少两个聚光元件；一个分光元件，用于接受来自所述至少两个聚光元件的所述会聚光，并产生具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；一个光引导元件，用于引导所述具有第一光谱成分的光穿过一个光导，并引导所述具有第二光谱成分的光到所述光导之外的一个位置上。
一种方法，包括：通过使用包括至少两个聚光元件的聚光器，将入射光转换为会聚光；将所述会聚光在光谱上分离成具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；引导所述具有第一光谱成分的光穿过一个光导，并引导所述具有第二光谱成分的光到所述光导之外的一个位置上。
本发明的优点在于，其聚光器利用至少两个偏心型聚光元件将入射光会聚到一个分光元件上，然后通过光导元件传输至能量转换单元。由于采用至少两个聚光元件，同只采用一个聚光元件的聚光器相比，其聚光器焦距更短、光学效率更高、制造成本更低、聚光系统厚度更薄。
本发明贡献在于，由于独特的聚光、分光以及光导设计，该系统具有低光学损耗(可获得高光电转换效率)、高聚光比(由于采用多个聚光元件，可以实现高聚光比，从而进一步降低对电池材料的需求)、超薄结构(聚光器焦距更短)、低制造成本(聚光元件小型化)的优异特性，是低成本的聚光太阳能系统的行之有效的解决方案之一。
【附图说明】
将参照以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽性的实施例，其中在整个说明书里相同参照码是指相同部件，除非特别加以说明。
图1是一个实施例的聚光及能量转换系统的透视图。
图2是一个实施例的聚光及能量转换系统的截面图。
图3是一个实施例的聚光及能量转换系统的一部分的透视图。
图4-8是实施例的聚光系统的一部分的截面图。
【具体实施方式】
在以下的详细描述中，阐述了众多具体细节，以便能够全面理解本发明主题。但是，本领域技术人员将会明白，在没有这些具体细节的情况下也可以实施本发明主题。另外，本领域技术人员所熟知的方法、装置或系统将不作详细描述，以免混淆所主张的发明主题。
在整个说明书里，“一个实施例”可以是指关于一个特别实施例而描述的一个特别特征、结构或特性，该特别实施例可以包含在本发明的至少一个实施例内。因此，在说明书里各个地方出现的“在一个实施例里”不一定意在指同一实施例或描述的任何一个特别实施例。此外，可以理解，在一个或多个实施例里，特定特征、结构或特性可以以各种方式进行组合。当然，这样那样的问题可随特定上下文的使用不同而不同。因此，描述的特定上下文或这些术语的使用能够提供关于将对所述情形得出的推论的有益的指导。
在一个实施例中，聚光系统可以包括一个或多个聚光器和一个光导结构。例如，该系统可以通过光学元件将太阳光聚集到相当小的光伏(PV)电池上，将太阳能转换成电能。聚光器可将入射阳光聚集到分光和/或光引导元件(light splitting and/or light directing elements)上。例如，分光和/或光引导元件可以在光谱上将聚集的入射光分离成具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光。在一个实施例里，这些光谱成分可以是某些波长范围内的光线。例如，第一光谱成分可以包括大约400.0纳米到880.0纳米波长范围，第二光谱成分可以包括大约880.0纳米到2000.0纳米波长范围，本发明并不受此限制。分光和/或光引导元件还通过一个光导结构将该光谱分离光引导到一个位置，该位置在光导结构之外部，这将在以下描述。进行分光或光引导的一个好处是，有能力在一个相当高的水平上聚集光能量。另一个好处是光谱匹配，其中光学元件和/或PV电池可以特别地光学匹配到该光学元件和/或PV电池运行的光谱范围上。还有另一个好处是聚光系统可以很小。通过特别的光学元件和/或这些光学元件的特殊布局，可以得到一个相当紧凑的系统，这将在以下描述。还有一个好处是，聚光系统有两个或多个能量转换元件(如两个或多个PV电池)，这会降低聚光系统的运行温度。因此，这样的聚光系统可以提多个好处，可以得到一个相当高效的、小尺寸且低成本的太阳能发电设备。当然，这样的聚光系统的好处并不局限于以上所述这些，本发明主题也不受此限制。
尽管在实施例中引述的是PV电池，但是也可以使用其他能量转换元件。例如，在一个实施中，能量转换元件将光能转换成不同形式的能量，如电能和热能，能量转换元件可以包括PV电池和/或热转换装置，本发明不受此限制。
在此描述的实施例包括特别结构配置的光学元件和PV电池。例如，一个特别结构是，一个阵列的聚光元件将光线收集并聚集到一个或多个光引导和/或分光元件上，选择性地反射并透射这些聚集光。在一个特别的例子里，两个或多个聚光元件收集并聚集光线到一个光引导和/或分光元件上。这里的选择性是基于，至少部分基于，所收集光线的波长。例如，分光器可以反射具有一定波长范围内的光线，并将这些反射光引导到第一PV电池。该分光器还可以透射具有另一波长范围的光线，并将这些透射光引导到一个或多个第二PV电池。分光器可以将反射光或透射光聚集到一个区域，该区域正是第一和第二PV电池的位置。第一和第二PV电池的运行波长范围可以相互不同。一个具有这样的PV电池的聚光系统可以有很多好处。例如，特别的PV电池只有在特殊的波长范围上才能高效运行。换句话说，不同的PV电池在不同的波长范围上最有效地运行。例如，双结PV电池在310纳米到880纳米的波长范围内运行最有效，而GaSb太阳能电池在880纳米到1270纳米的波长范围内运行最有效，本发明并不受此限制。因为阳光包括相当宽的波长范围，所以使用多种类型的太阳能电池以便将具有不同光谱特征的光转变成电力，是非常有利的。因此，以上所述的一个聚光系统的实施例，可以包括多于一种类型的PV电池，从而增加可得到的阳光光谱到该聚光系统。
在一些实施例中，分光元件和光引导元件可以组合成一个单独的光学元件，称为分光引导元件(SDE)。例如，一个SDE可以包括至少一个离焦点相当近的表面，该焦点是一个或多个聚光元件的焦点，该表面用于接受来自聚光元件的光线。一个聚光器，其可以包括多个聚光元件，聚光器可以在一个相当大的面积内收集光线，并将收集的光线聚集到一个相当小的面积上。一个聚光器可以包括折射透镜或折射透镜的一个组合(如复合透镜)、曲面反射镜、和/或菲涅尔透镜，这些仅是一些例子。该聚光器可以有一个相关焦距，其定义了从该聚光器反射的光(或透过该聚光器的光)被聚焦的那个位置上的一个距离。因此，该聚光器有一个相关数值孔径(N.A.)，其定义了从该聚光器反射的光的一个会聚的光锥角度。这个会聚的角度可以用一个f-值来描述：f-值(有时称作焦比、f-比、f-光圈、相对孔径)可以表示为聚光器的焦距除以有效孔径。f-值是一个无量纲值，是透镜速率或光锥陡度的一个数量计量。聚光器以一个特定的f-值而聚集光线，并且聚焦在一个特定的焦距上。该聚光器的下游光学元件的安排可以至少部分地根据焦距和/或N.A.来进行排列。聚光器的一个阵列可以包括一个或多个聚光器排列成任何可能的方式。在一个特别的例子里，该阵列是聚光器以行列排列，当然本发明并不受此限制。
图1是一个实施例的聚光系统100的透视图。系统100包括光学元件(如透镜、反射镜、波导等)的一个布置排列，以将照射在一个相当大区域上(如聚光器140的面积)的光线聚集到一个更小区域上(如SDE130的区域)。特别地，系统100可以包括一个或多个聚光器140(其包括多个聚光元件145)以将入射光150转换成一个会聚的光锥160。在一个实施例中，聚光元件145可以包括偏心型(eccentric type)光学元件(如具有离轴的表面曲度或其他非对称的厚度分布)。聚光元件145包括折射透镜或折射透镜的一个组合(如复合透镜)、曲面反射镜、和/或菲涅尔透镜，这些仅是一些例子。在一个实施中，这些透镜或反射镜可以是各种材料，如玻璃、塑料或金属，其可以包括一个或多个反射涂层，如以下解释。光线150可以是平行的太阳光，入射到聚光器140的表面上，被透射(或反射)成一会聚光锥160。例如，光线150由聚光器140透射，被聚集成一个光锥160，其有一特别的f-值。光线160被聚集到一个SDE 130，其光学连接在一个光导110上(如位于光导之外)。该SDE将在以下做进一步描述。例如，SDE 130和光导110光学连接，使得将穿过SDE 130内部的光线引导入光导110内部，或者相反。这个光学连接可以包含或可以不包含SDE 130与光导110之间的物理接触。SDE 130可以将光线160在光谱上分离成两个或多个光谱成分。SDE 130可以将第一光谱成分的光线170引导入光导110，光导110将引导光170传输到第一能量转换元件125。SDE 130可以将第二光谱成分的光线175引导到光导110之外的一个位置上，那里有第二能量转换元件120。因此，在一个实施中，SDE 130包括一个单独的光学元件，其包括一个分光元件和一个光引导元件。来自两个或多个聚光元件145的光束可以共用一个SDE和一个光导。第一和/或第二能量转换元件120和125可以包括一个或多个装置，其能将聚集光转换成另一种形式的能量，如电能(如利用光伏电池)或热能(如利用热转换器)，这些仅仅是一些例子。
在一个实施中，SDE 130可以包括一个或多个折射透镜，其光学连接在光导110的末端表面上。该末端表面可以与光导110的光轴成一角度。SDE 130的折射透镜可以光学地涂有多层薄膜，以便将光线160在光谱上分离，光线160是由光导110的一部分接收到的。换句话说，光线160先穿过光导110的一部分，然后才入射到SDE 130的内表面上。因此，如上解释的，SDE 130可以内部反射第一光谱成分的光线170到光导110内，而透射第二光谱成分的光线175到光导110之外的一个位置上。在一个实施中，具有足够制作公差的SDE 130可以正常运行，而不管会聚光160的角度是如何偏离。
如上所述的，SDE 130的折射透镜可以光学地涂有多层薄膜以便能在光谱上分离光线。详细地，光学涂层可以包括一层或多层介电薄膜(如氟化镁、氧化锌、二氧化钛等一些例子)，其厚度大约是光线波长，而该光学涂层运行在此波长上。例如，一个介电薄膜的厚度大概是100纳米到几个微米之间，本发明不受此限制。介电薄膜可以通过物理气相沉积法而沉积在光学表面上。
光导110可以是任何类型的光导，如杆状光导。一旦光线耦合入光导110，光线会因为全内反射而在光导210内行进，到达能量转换元件125。当然，聚光系统的这些细节仅仅是示例，本发明主题不受此限制。
图3是一个实施例的聚光及能量转换系统的一部分的透视图，其类似于图1和图2的显示。系统300包括一个或多个聚光器(图中未显示)，其包括多个聚光元件，类似于图1中的元件145。这些聚光元件可以产生一个会聚光锥360。光线360会聚在SDE 330上，SDE 330光学地连接在光导310上，SDE 330可以包括一个单独的光学透镜，其光学地涂有一层或多层薄膜，以便能在光谱上将光线360分离成两个或多个光谱成分370和375。SDE 330可以内部反射第一光谱成分光线370进入光导310，光导310再将光线370传输到第一能量转换元件325上。SDE 330透射第二光谱成分光线375到光导310之外的一个位置上，该处有第二能量转换元件320。SDE 330可以包括石英、蓝宝石、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或其他光学材料，本发明不受此限制。
图4是一个实施例400的聚光系统的一部分的侧视图。一个光引导器430光学地连接在光导410上，光引导器430可以包括一个或多个透镜，其有一内表面可以反射会聚光线460。例如，光线460穿过一部分光导410后才入射到光引导器的内表面上。然后，被光引导器430内表面反射的光线470沿着光导410的光轴行进。光线470可以包括多个光谱成分，其被分光器412在光谱上分离。在一个实施中，分光器412可以是光导410末端表面上的光学涂层。该光学涂层可以包括一层或多层薄膜，如以上所述。在另一个实施中，分光器412可以是一个光学元件(如一个光学涂层窗)，其光学地连接在光导410的末端表面上。分光器412可以在光谱上将光线470分离成两个或多个光谱成分473和475。分光器可以内部反射第一光谱成分光线475穿过光导410的一个表面到光导410之外的一个位置上。然后光线475入射到第一能量转换元件420上。分光器412可以透射第二光谱成分光线473穿过光导410的另一个表面到光导410之外的另一个位置上。然后光线473入射到第二能量转换元件425上。
图5是一个实施例的聚光及能量转换系统500的一部分的截面图。系统500包括一个或多个聚光器(图中未显示)，其包括多个聚光元件，类似于图1中的元件145。这些聚光元件可以产生一个会聚光锥560。一个光引导器530光学地连接在光导410上，光引导器530可以包括一个或多个透镜，会聚光线560将穿过这些透镜。例如，光引导器530和光导510光学地连接，使得在光引导器内行进的光线能够透射进入光导510的内部。该光学连接可以包含或可以不包含光引导器530与光导510之间的物理接触。在一个实施中，进入光引导器530的光线560可以被准直而产生近似平行光线。在另一个实施中，进入光引导器530的光线560可以被准直而使得进入光导510的光线有一个减小的会聚角度或增加的f-值，与光线560相比较而言。
穿过光引导器530而得到的准直光穿过一部分光导510后，然后入射到光导510的一个末端的内表面上，其可以是一个分光器512。这些准直光包括多个光谱成分光，其由分光器512在光谱上分离开来。在一个实施中，分光器512可以是光导510末端表面上的光学涂层。该光学涂层可以包括一层或多层薄膜，如以上所述。在另一个实施中，分光器512可以是一个光学元件(如一个光学涂层窗)，其光学地连接在光导510的末端表面上。分光器512可以在光谱上将光引导器530准直的光线分离成两个或多个光谱成分570和575。分光器512可以内部反射第一光谱成分光线570，沿着光导510的光轴行进，光导510将光线570传输到第一能量转换元件525上。分光器512可以透射第二光谱成分光线575到光导510之外的一个位置上，第二能量转换元件520位于该处。光线560可以由两个或多个聚光元件产生(如图1中的聚光元件145)。第一和/或第二能量转换元件520和525可以包括一个或多个装置，其能将聚集光转换成另一种形式的能量，如电能(如利用光伏电池)或热能(如利用热转换器)，这些仅仅是一些例子。
图6是一个实施例的聚光及能量转换系统600的一部分的截面图。系统600包括一个或多个聚光器(图中未显示)，其包括多个聚光元件，类似于图1中的元件145。这些聚光元件可以产生一个会聚光锥660。一个光引导器630光学地连接在光导610上，光引导器630可以包括一个或多个透镜，会聚光线660将穿过这些透镜。例如，在一个实施中，进入光引导器630的光线660可以被准直而产生近似平行光线。在另一个实施中，进入光引导器630的光线660可以被准直而使得进入光导610的光线有一个减小的会聚角度或增加的f-值，与光线660相比较而言。
穿过光引导器630而得到的准直光穿过一部分光导610后，然后入射到光导610的一个末端的内表面上，其可以是一个反射表面615。例如，表面615可以是光学涂层使得内反射光线。该光学涂层可以是一层或多层金属或介电薄膜，如上所述。在一个实施中，也可以不需要该光学涂层，因为当入射角等于或大于布儒斯特偏振角度(图中未显示)时便发生全内反射。被光导610内表面反射的光线670沿着光导610的光轴行进。光线670可以包括多个光谱成分，其被分光器612在光谱上分离。在一个实施中，分光器612可以是光导610末端表面上的光学涂层。在另一个实施中，分光器612可以是一个光学元件(如一个光学涂层窗)，其光学地连接在光导610的末端表面上。在另一个实施中，分光器612可以是光导610末端的一个曲面表面，其可以被涂层。该光学涂层可以包括一层或多层薄膜，如以上所述。分光器612可以在光谱上将光线670分离成两个或多个光谱成分673和675。分光器612可以内部反射第一光谱成分光线675穿过光导610的一个表面到光导610之外的一个位置上。然后光线675入射到第一能量转换元件620上。分光器612可以透射第二光谱成分光线673穿过光导610的另一个表面到光导610之外的另一个位置上。然后光线673入射到第二能量转换元件625上。
图7是一个实施例700的聚光系统的一部分的侧视图。一个光引导器730光学地连接在光导710上，光引导器730可以包括一个或多个透镜，其有一内表面可以反射会聚光线760。例如，光线760穿过一部分光导710后才入射到光引导器730的内表面上。然后，被光引导器730内表面反射的光线770沿着光导710的光轴行进。光线770可以包括多个光谱成分，其入射到能量转换元件725上。
图8是一个实施例的聚光系统800的截面图。系统800包括一个或多个聚光器(图中未显示)，其包括多个聚光元件，类似于图1中的元件145。这些聚光元件可以产生一个会聚光锥860。光线860被聚集到SDE830上，SDE 830是光导810的一个末端的曲表面。SDE 830可以将光线860在光谱上分离成两个或多个光谱成分。换句话说，光线860穿过一部分光导810后才入射到SDE 830上。因此，如上解释的，SDE 830可以内部反射第一光谱成分光线870进入光导810，而透射第二光谱成分光线875到光导810之外的一个位置上。因此，SDE 830可以引导第一光谱成分光线870到第一能量转换元件825上，SDE 830可以引导第二光谱成分光线875到第二能量转换元件820上。第一和/或第二能量转换元件820和825可以包括一个或多个装置，其能将聚集光转换成另一种形式的能量，如电能(如利用光伏电池)或热能(如利用热转换器)，这些仅仅是一些例子。
在一个实施中，SDE 830可以是光导810末端表面的光学涂层。该光学涂层可以包括一层或多层薄膜，如以上所述。该光学涂层起到在光谱上分离光线860的作用。在另一个实施中，SDE 830可以是光导810的末端的一个曲表面。该曲表面起到准直会聚光860的作用，以产生近似平行的光线在光导810内部。在另一个实施中，入射到SDE 830上的光线860可以被准直以在光导810内部产生具有减小的会聚角度或增加的f-值的光线870，与光线860相比较而言。
在此使用的“和”、“和/或”和“或”可以包含各种涵义，同样至少部分取决于这些术语使用的上下文。通常，使用时，如果“或”和“和/或”关联到一个列表，如A、B或C，其可以是包含涵义，是指A、B和C，也可以是排他涵义，是A、B或C。另外，在此使用的“一个或多个”可以用来描述单数的任何特征、结构或特性，或可以用来描述特征、结构或特性的一些组合。尽管如此，应该注意到，这仅是一个描述例子，本发明并不受限于此例子。
尽管已经描述和叙述了示范实施例的本发明，但本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明主题的前提下可以对其作出各种修改和替换。另外，在不脱离在此所述的中心概念的情况下，可以作出许多修改以将一个特别情景适用到本发明的教义。因此，本发明主题不会受限于在此披露的特定实施例，相反，本发明主题还可能包括属于所附权利要求及其等同物的范围内的所有实施例。

Claims (23)

1.一种用于聚集光能的装置，包括：
一个聚光器，用于将入射光转换为会聚光，其中所述聚光器包括至少两个聚光元件；
一个分光元件，用于接受来自所述至少两个聚光元件的所述会聚光，并产生具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；
一个光引导元件，用于引导所述具有第一光谱成分的光穿过一个光导，并引导所述具有第二光谱成分的光到所述光导之外的一个位置上；
进入光引导元件的光线被准直而产生近似平行光线或有一个减小的会聚角度。
2.如权利要求1所述的装置，还包括第一能量转换元件以接受所述具有第一光谱成分的光，还包括第二能量转换元件以接受所述具有第二光谱成分的光。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述至少两个聚光元件包括至少一个偏心型聚光元件。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述分光元件包括至少一个曲面。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述光引导元件包括一个折射透镜。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述光引导元件包括一个反射表面以引导所述具有第一光谱成分的光并引导所述具有第二光谱成分的光。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述分光元件和所述光引导元件组成一个单独的光学元件。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述单独的光学元件包括至少一个曲凹或凸表面，以产生所述具有第一光谱成分的光和所述具有第二光谱成分的光，并引导所述具有第一光谱成分的光进入所述光导。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述分光元件和所述光导组成一个单独的光学元件。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述分光元件、所述光引导元件和所述光导组成一个单独的光学元件。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述分光元件包括所述光导的末端表面上的光学涂层。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述光引导元件位于所述光导之外。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述光导包括一杆状光导。
14.一种用于聚集光能的装置，包括：
一个聚光器，用于将入射光转换为会聚光，其中所述聚光器包括至少两个聚光元件；
一个光引导元件，用于引导来自所述至少两个聚光元件的所述会聚光穿过一个光导；
一个分光元件，用于接受所述引导光，以产生具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；
进入光引导元件的光线被准直而产生近似平行光线或有一个减小的会聚角度。
15.如权利要求14所述的装置，还包括第一能量转换元件以接受所述具有第一光谱成分的光，还包括第二能量转换元件以接受所述具有第二光谱成分的光。
16.如权利要求14所述的装置，其中所述分光元件和所述光导组成一个单独的光学元件。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述分光元件包括所述光导末端表面上的光学涂层。
18.如权利要求14所述的装置，其中所述光引导元件位于所述光导之外。
19.如权利要求14所述的装置，其中所述至少两个聚光元件包括至少一个偏心型聚光元件。
20.一种用于聚集光能的方法，包括：
通过使用包括至少两个聚光元件的聚光器，将入射光转换为会聚光；
将所述会聚光在光谱上分离成具有第一光谱成分的光和具有第二光谱成分的光；
引导所述具有第一光谱成分的光穿过一个光导，并引导所述具有第二光谱成分的光到所述光导之外的一个位置上，进入光引导元件的光线被准直而产生近似平行光线或有一个减小的会聚角度。
21.如权利要求20所述的方法，还包括引导所述具有第一光谱成分的光到第一能量转换元件，还包括引导所述具有第二光谱成分的光到第二能量转换元件。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述光导包括一杆状光导。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述至少两个聚光元件包括至少一个偏心型聚光元件。
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