CN102473788B - 发光太阳能聚集器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于太阳光的发光聚集器。该发光聚集器包括波长选择滤光器、能量聚集区域和发光材料。波长选择滤光器适于通过太阳光并且反射发光材料发射的光。此外，提供了一种用于聚集太阳光的方法。该方法包括步骤：（a）使入射的太阳光穿过波长选择滤光器和能量聚集区域到达发光材料上，以及（b）在发光材料中将入射的太阳光转换成具有可由波长选择滤光器反射的波长的光。该方法进一步包括步骤（c）：将转换的光聚集到设置在波长选择滤光器与发光材料之间的预定区域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光聚集器（concentrator）。例如，该发光聚集器可以结合太阳能使用以便聚集入射的太阳光以用于光伏系统中的后续转换。
背景技术
为了降低光伏系统中太阳能生成的成本，希望的是有效地利用系统的最昂贵的部分，即光伏电池（例如通过使用更大的光通量而提供增加的电流生成）。常规上，这通过使用大的光聚焦太阳能聚集器而完成。
例如，在该技术领域中，发光太阳能聚集器结合波导使用。基本上，这些发光聚集器包括掺杂有荧光染料分子的大玻璃板。染料从入射到其上的太阳光中吸收特定波长的光，并且在所有方向上重新发射更长波长的光。该光的一部分在支撑波导的临界角内发射，进行全内反射并且传输到光伏系统的光伏模块。
然而，这些发光聚集器目前表现出低效率，其源自发射的光的高的再吸收、将光耦合到波导中的低效率以及将光保持在波导内的低效率。
当前，存在研究改进发光太阳能聚集器的世界范围的大规模研究活动。这样的当前聚集器通常包括其中施加了发光材料的基质。入射的太阳光一到达发光材料就在发光过程中向下转换并且然后可以在光伏模块中使用。
然而，再一次地，转换的光的再吸收强烈地促成这些发光聚集器中的能量损耗。可以实现的光学增益因子（入射的光强度与光伏模块接收的光强度的比值）受到这些再吸收效应的限制。关于当前的发光聚集器，再吸收效应发生在发光材料中，并且此外基质本身也可能通过基质中的光学吸收而负面地影响光学增益因子。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种发光聚集器，其降低用在光伏系统中的发光聚集器中的再吸收损耗。
本发明通过提供一种转换穿过滤光器的太阳光的发光聚集器而解决上述问题。该光在发光材料中进行转换并且聚集在滤光器与发光材料之间的区域中。
依照本发明，提供了一种如权利要求1所限定的用于太阳光的发光聚集器。
波长选择滤光器可以是多层干涉滤光器或者光子带阻滤光器。例如，波长选择滤光器可以是在特定波长处透明并且在入射光的其他波长处反射的镜，可选地具有偏振选择性。特别地，波长选择滤光器允许入射的太阳光穿过，但是反射从发光材料发射的转换光，因为这两种光的波长不同。例如，来自发光材料的转换/发射的光的波长大于先前通过滤光器的入射太阳光的波长。例如，US2009/0044861A1中进一步解释了波长选择镜。
能量聚集区域可以是空气间隙或者可以包含真空或者可以是或包括（基本上和/或显著地）不影响穿过能量聚集区域的（转换的）光的聚集的任何其他材料。例如，能量聚集区域不包含或包括（例如显著地）吸收入射光的材料。换言之，能量聚集区域基本上为空（即不含负面地影响（例如通过吸收能量聚集区域中存在的至少部分光）光的聚集和/或反射的材料/部件/配置）。在一个特定的实施例中，该区域可以提供与设置在能量聚集区域之下的发光材料相同（或者甚至更大）的厚度。
由于不包含或包括吸收光的材料的能量聚集间隙的存在，要聚集到所述区域中的转换的光的能量损耗减小或者甚至被最小化。因此，发光聚集器可以有利地增强连接到所述区域的太阳能电池/光伏器件的总体输出。
发光材料适于在吸收光或者具有足够量子能量的其他辐射时发射光并且涵盖荧光和磷光二者。例如，发光材料包含多个发光染料分子。在一个特定的实施例中，发光材料不嵌入到（聚合物）基质中，而是如下面所讨论的，发光材料直接沉积或溅射到衬底上，例如沉积或溅射到反射结构上。
发光材料固定到其中的任何基质的省略可以有利地避免在光聚集到滤光器与发光材料之间的能量聚集区域中的同时基质对于入射光和/或转换光的任何进一步的再吸收。因此，进一步减少了任何能量损耗。
在一个特定的实施例中，发光材料可以包括线发射器，即其发射峰的谱宽度为窄（优选地低于30nm）的磷光或荧光材料。这样的线发射器的使用可以是有利的，因为非常宽的角度范围的反射都可能处于能量聚集区域内。
在一个特定的实施例中，发光材料可以是发光层。
发光材料的“层”可以提供均匀的厚度和平面状表面。例如，发光层的厚度可以小于100μm，优选地小于20μm。
在一个特定的实施例中，发光层可以是设置在反射结构上的层。
反射结构是适于反射入射的太阳光的结构。特别地，反射结构反射入射光的至少75%，优选地至少90%，更优选地至少95%，或者甚至至少99%。反射结构可以是由例如铝或银制成的金属镜，或者可以包括例如BaSO4或TiO2的漫反射器，和/或非反射结构可以由这样的金属或漫射材料的涂层覆盖以便提供反射性。然而，可以使用任何其他的材料，只要它向该结构提供反射性并且只要它的光学特性在利用UV（紫外）、VIS（可见）或IR（红外）光的长时间激发下不（显著地）改变。
在一个特定的实施例中，如上面所讨论的发光层可以沉积到反射结构上。例如，发光层可以是薄发光膜。
发光层的沉积可以在沉积室中执行，例如在脉冲激光沉积（PLD）室中执行，或者该沉积可以借助于溅射技术来执行。脉冲激光沉积是一种薄膜沉积技术，例如物理气相沉积PVD技术，其中将高功率脉冲激光束聚焦到真空室内并且朝要沉积到衬底上的具有相同成分的目标定向（在当前情况下，衬底可以是如上面所讨论的反射结构）。
发光材料的沉积可以是有利的，因为沉积技术允许消融准确确定的成分和要沉积到衬底（例如反射结构）上的成分的精确密度。因此，高且明确确定的质量的发光材料增强了入射的太阳光的吸收和转换。
在一个特定的实施例中，发光层可以通过涂敷磷光或荧光材料散布于其中的悬浮液或者磷光或荧光材料溶解或散布于其中的溶液而形成。这样的悬浮液或溶液可以像涂料那样例如通过刮涂或喷涂而施加。该悬浮液或溶液可以包含聚合物粘合剂。它也可以包含可以蒸发的溶剂。
在一个特定的实施例中，发光层可以包括磷化合物。
磷材料可能令人特别感兴趣，因为它们可以由入射光束激励，使得磷材料中的先前存储的能量（例如由于光吸收）通过发光而发射。此外，再吸收效应可能是小的。
在一个特定的实施例中，发光聚集器可以包括波长选择滤光器与发光材料之间的机械支撑结构。
例如，该机械支撑结构可以包括适于机械加固滤光器和/或发光材料的柱形物和/或间隔球或者任何其他几何结构或材料。在一个特定的实施例中，机械支撑结构由与上面讨论的反射结构相同的材料制成，和/或可以设置在反射结构与波长选择滤光器之间。例如，机械支撑结构可以为从滤光器通过发光材料延伸到反射结构的柱形物。
在一个特定的实施例中，机械支撑结构可以包括反射材料，例如像BaSO4那样的白色反射材料。例如，可以利用反射材料涂敷机械支撑结构，比如柱形物和/或间隔球。
在机械支撑结构上具有反射涂层可以进一步增强转换的光在能量聚集区域中的聚集，并且因而可以进一步增加连接到能量聚集区域的光伏器件的总体输出。
在一个特定的实施例中，机械支撑结构设置在能量聚集区域中并且不（显著地/基本上）吸收任何光。
在一个特定的实施例中，发光聚集器可以进一步包括连接到能量聚集区域的光伏器件。
光伏器件可以是光伏模块或阵列（光伏电池的封装互连组件）或者甚至单个光伏/太阳能电池。太阳能电池使用来自太阳的光能（光子）通过“光伏效应”产生电。例如，太阳能电池可以由晶体硅或非晶硅的薄膜或者晶片制成。
由于发光聚集器连接到光伏器件，因而入射的太阳光被转换成发光，该发光由如上面讨论的发光聚集器聚集并且然后定向到光伏器件以便转换成电。在这样做时，提供了发光聚集器和光伏器件的有利的光伏系统，从而由于如上面所讨论的入射光的聚集而增加了系统的总体输出。
在一个特定的实施例中，在发光聚集器与光伏器件之间未使用用于使发光聚集器光学连接到光伏器件的特殊装置（例如折射率匹配的胶合剂）。
依照本发明，提供了一种用于聚集太阳光的方法。该方法包括如权利要求11中所限定的步骤。
在一个特定的实施例中，所述波长选择滤光器、能量聚集区域和发光材料具有如上文中结合本发明的发光聚集器描述的相同特征。这意味着关于发光聚集器提及的特征及其解释也可以适用于本发明的方法并且反之亦然。
在一个特定的实施例中，所述预定区域可以是能量聚集区域。
例如，入射的太阳光穿过波长选择滤光器和能量聚集区域到达发光材料上，经过转换，并且然后（向后）发射到能量聚集区域中以便聚集和定向到例如光伏器件。
在一个特定的实施例中并且如上面所讨论的，所述预定区域可以是空气间隙或者可以包括真空。
在一个特定的实施例中，聚集转换的光的步骤可以包括步骤：（c1）在波长选择滤光器与和预定区域相对地设置在发光材料上的反射结构之间反射转换的光。
在一个特定的实施例中，所述方法可以进一步包括步骤（d）：将聚集的转换光定向到光伏器件/定向到光伏器件上。
附图说明
图1示意性地示出了依照本发明的发光太阳能聚集器的实施例的一般配置；以及
图2示意性地示出了依照本发明的具有稳定化结构的发光太阳能聚集器的实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了发光聚集器10的实施例的配置。发光聚集器10包括波长选择滤光器12、发光材料14和其间的能量聚集区域18，例如空气间隙。在该实施例中，滤光器12设置在聚集器10的顶部，使得入射的太阳光20可以最佳地到达滤光器12。入射的太阳光的一部分22穿过滤光器12和区域18到达发光材料14上和/或发光材料14中。该部分22被发光材料14吸收并且转换成转换的光24。例如，可以提供吸收的光22与发射/转换的光24之间的大的斯托克斯频移（StokesShift），使得转换的光24提供比太阳光22更长的波长。然后，转换的光24聚集到滤光器12与发光材料14之间的区域18中。特别地，可以在发光材料14之下的聚集器10下面部分或底部提供反射结构16以便提供光24在区域18中的聚集，并且聚集器10上面部分/顶部的滤光器12也可以适于反射具有比之前通过滤光器12的入射光20更长的波长的转换的光24。因此，区域18可以用作借助于多次反射将转换的光24定向到光伏器件30的光导。
图2示意性地示出了发光聚集器10的另一个实施例。特别地，发光聚集器10可以提供与参照图1所讨论的发光聚集器10相同的特征，但是可以附加地在滤光器12与发光材料14之间的区域18中包括作为支撑结构的间隔球和/或柱形物17。类似于上面的图1中的实施例，发光聚集器10包括波长选择滤光器12、发光材料14以及发光材料14与滤光器12之间的能量聚集区域18。穿过滤光器12和区域18的太阳光21被发光材料14吸收并且转换成具有比过滤的太阳光22更长的波长的光24。然后，将转换的光24聚集到区域18中。聚集器10底部的反射结构16设置在发光材料14之下，并且与聚集器10顶部的滤光器12一起提供光24在区域18中的聚集：滤光器12为波长选择滤光器并且适于反射转换的光24，而入射光20的一部分22可以穿过滤光器12，这取决于入射光20和转换的光24的不同波长。最后，将转换的光24定向到光伏器件30以便将光24转换成电。应当理解的是，本发明的一个基本特征是省略了如现有技术文献中所描述的作为发光聚集器10一部分的用于将光引导到光伏器件30的波导。该特征表现出更高光效率的优点，因为现有技术波导吸收光。相反地，光通过所描述的且在图中示出的波长选择滤光器12和发光材料14引导和反射。此外，波导在现有技术中除了引导光之外也用作机械支撑结构。因此，作为本发明的一个实例，在发光聚集器10内提供机械支撑结构17有利于所描述的发光聚集器10的稳定。
尽管在所述附图和前面的说明中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明因此并不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开以及所附权利要求书的研究，能够理解和实现所公开实施例的若干变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列出的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列出特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被认为限制了范围。
Claims (14)
1.用于太阳光（20）的发光聚集器（10），以下列顺序包括：
（a）波长选择滤光器（12）；
（b）能量聚集区域（18）；以及
（c）发光材料（14），
其中波长选择滤光器（12）适于通过太阳光（20）并且反射发光材料（14）发射的光，特征在于，能量聚集区域（18）基本上为空，不含负面地影响光的聚集和/或反射的材料；并且反射结构（16）布置在发光材料（14）之下的聚集器（10）下面部分或底部。
2.权利要求1的发光聚集器，其中能量聚集区域（18）为空气间隙。
3.权利要求1的发光聚集器，其中能量聚集区域（18）为真空区域。
4.权利要求1的发光聚集器，其中发光材料（14）构成发光层。
5.权利要求4的发光聚集器，其中发光层包括磷化合物。
6.权利要求1的发光聚集器，其中波长选择滤光器（12）为光子带阻滤光器。
7.权利要求1的发光聚集器，其中波长选择滤光器（12）为多层干涉滤光器。
8.权利要求1的发光聚集器，其中发光聚集器（10）包括波长选择滤光器（12）与发光材料（14）之间的机械支撑结构（17）。
9.权利要求8的发光聚集器，其中机械支撑结构包括柱形物和/或间隔球。
10.权利要求8的发光聚集器，其中机械支撑结构包括反射材料。
11.权利要求1的发光聚集器，进一步包括连接到能量聚集区域（18）的光伏器件（30）。
12.用于聚集太阳光的方法，包括步骤：
（a）使入射的太阳光（20）穿过波长选择滤光器（12）和能量聚集区域（18）到达发光材料（14）上；
（b）在发光材料（14）中将入射的太阳光（22）转换成具有可由波长选择滤光器（12）反射的波长的光；以及
（c）将转换的光（24）聚集到设置在波长选择滤光器（12）与发光材料（14）之间的能量聚集区域（18）中，特征在于，所述方法进一步包括步骤（c1）在波长选择滤光器（12）与和能量聚集区域（18）相对地设置在发光材料（14）上的反射结构（16）之间反射转换的光（24），其中能量聚集区域（18）基本上为空，不含负面地影响光的聚集和/或反射的材料。
13.权利要求12的方法，其中能量聚集区域（18）为空气间隙或者真空。
14.权利要求12的方法，进一步包括步骤：
（d）将聚集的转换光（24）定向到光伏器件（30）。
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