CN102498571A - 聚光的光谱分离式多路转换器光伏系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能转换装置和方法，所述太阳能转换装置包括两个或更多个转换单元以及反射器组件。所述两个或更多个太阳能转换单元中的每一者均响应于至少来自太阳能辐射的第一波长波段和来自所述太阳能辐射的第二波长波段中的不同的一个波段。所述反射器组件包括至少两个集成反射部。所述至少两个反射部其中之一被放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一反射和引导所述第一波长波段，而所述至少两个反射部中的另一个被放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元中的另一个反射和引导所述第二波长波段。所述两个集成反射结构中的至少一个还包括菲涅耳(Fresnel)微结构。

Description

聚光的光谱分离式多路转换器光伏系统及其方法
本申请案主张于2009年3月31日提出申请的美国临时专利申请案第61/165,129号的权利，该临时专利申请案以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本发明大体而言涉及光伏转换器(photovoltaic converter)，更具体而言涉及聚光式太阳能光伏转换器。
背景技术
光学聚光器(optical concentrator)广泛用于太阳能光伏转换器中，这有两个重要原因。第一，光学聚光器因需要较少的光伏转换材料而能够降低系统成本，光伏转换材料是目前为止光伏系统中最昂贵的部分。通常，聚光式光伏系统的光伏单元的面积不到等效的转换装置中所用光伏单元的面积的1％。第二，众所周知，受到更高通量密度照射的光伏单元可实现更高的太阳能-电能转换效率。
图1中显示典型的现有技术聚光式光伏系统10。聚光式光伏系统10包括聚光菲涅耳透镜2以及位于聚光菲涅耳透镜2的焦点5处的光伏单元4。聚光菲涅耳透镜2与光伏单元4二者共享共用光轴1。在工作中，太阳能辐射22入射于聚光菲涅耳透镜2上，聚光菲涅耳透镜2使太阳能辐射22会聚并在焦点5处聚焦于光伏单元4上。
菲涅耳光学元件可有两种类型：一种类型以透射方式工作，称为菲涅耳透镜；而一种类型以反射方式工作，称为菲涅耳镜(Fresnel mirror)或菲涅耳反射器。菲涅耳透镜和菲涅耳反射器二者均常常用于太阳能聚光器中并均包括具有一系列相当浅的凹槽的菲涅耳微结构，这些凹槽的截面通常呈锯齿状。每一凹槽中执行光学工作的较长表面称为坡面(slope surface)，将各坡面连接在一起的较短的表面则称为牵拉表面或立面(draft or riser surface)。坡面的角度通常在凹槽与凹槽之间略有变化，靠近菲涅耳结构(the Fresnel)的中心处的角度较小、边缘处的角度则较陡。同时，牵拉表面或立面的深度在靠近菲涅耳微结构的中心处较小，在边缘处则较大。
此现有技术聚光光伏系统10有两个主要问题。第一个问题是，由于色差(chromatic aberration)的原因，焦点5不是一个点。相反，根据光学配置的几何结构和通过菲涅耳透镜2的波长的范围而定，焦点的直径可为数厘米。理想的聚光菲涅耳透镜将会传送和聚焦太阳光中包含大量能量的波长内的所有光能。通常，太阳光的波长在约350nm至约1900nm之间。构成聚光菲涅耳透镜2的材料的色散性质使得材料的折射率在此范围内变化很大，这进而会使聚光菲涅耳透镜2的屈光力随波长而变化，而这又会使焦点5的直径随波长而变化。为了对此进行补偿，可在光伏单元4的顶上安装另外的聚光光学器件，或者可使光伏单元4实质上更大，以确保其可捕获最差情况下的焦点5的所有能量。然而，这两种解决方案均会抬高系统的成本和复杂性并降低效率。
此现有技术聚光式光伏系统10的第二个问题是，对于每一聚光菲涅耳透镜2，仅使用一个光伏单元4。利用具有多种层叠光伏结面带隙(stacked photovoltaicjunction bandgap)的串叠型光伏单元(tandem photovoltaic cell)可以显著地提高光伏转换效率。这些串叠型光伏单元通过在半导体铸造厂中以相互叠置的方式生长两个或三个光伏单元而形成。
图2中显示典型的三结面单元6的实例。在此三结面光伏单元6中，最上面的结面7将最短的波长转换成电能，中间的结面8将中间的太阳能波长波段转换成电能，而最下面的结面9将最长的波长转换成电能。此配置确实会显著地提高转换效率，因为据报导，光伏单元效率约为40％。遗憾的是，此三结面光伏单元6需要很多层，图2中仅显示其中的某些层。每增加一层均会大大增加器件的复杂性，降低制造良率(yield)并抬高器件的总成本。此外，串叠型光伏单元所产生的电流的量受限于由产生最小量的光电流的内结面所产生的光电流的量。此控制作用可严重地限制由多结面光伏单元所产生的电能的量。
发明内容
一种太阳能转换装置包括两个或更多个转换单元以及反射器组件。所述两个或更多个太阳能转换单元中的每一个均响应于至少来自太阳能辐射的第一波长波段和来自所述太阳能辐射的第二波长波段中的不同的一个波段。所述反射器组件包括至少两个集成反射部。所述至少两个反射部其中之一放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一反射和引导所述第一波长波段，而所述至少两个反射部中的另一个放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元中的另一个反射和引导所述第二波长波段。所述两个集成反射结构中的至少一个包括菲涅耳微结构。
一种制造太阳能转换装置的方法包括提供两个或更多个太阳能转换单元，其中所述两个或更多个太阳能转换单元中的每一个均响应于至少来自太阳能辐射的第一波长波段和来自所述太阳能辐射的第二波长波段中的不同的一个波段。所述两个反射部中的至少一个放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一反射和引导所述第一波长波段，而所述至少两个反射部中的另一个放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元中的另一个反射和引导所述第二波长波段。所述两个集成反射结构中的至少一个包括菲涅耳微结构。
此技术提供许多优点，包括提供更高效的、性能更佳的并且经济的太阳能转换装置。通过利用包括一或多个以级联配置方式布置的菲涅耳反射器的下部反射器组件，此技术能够避免现有的焦点尺寸大以及使用大且昂贵的多结面光伏单元的问题。这些菲涅耳反射器中的每一个均反射选定的波长波段并可透射其他波长，所述其他波长继而又被下面的菲涅耳反射器反射。另外，每一菲涅耳反射器均包括微结构，该微结构可反射光伏单元所最响应的选定的波长波段并将其聚焦于该光伏单元上。所得到的太阳能转换单元具有高的聚光率(concentration ratio)，在太阳所发射的具有相当大的能含量(energy content)的波长范围内无损失，并且可有效地将所会聚的太阳能引导至适宜的单结面或多结面光伏单元。另外，由于半导体结面不是被制造于串叠型光伏单元中，而是分开设置在单独的光伏单元中，因而当某一结面所产生的光电流小于其他结面时，也不会限制其他结面的输出。
附图说明
图1为现有技术聚光式光伏(concentrating photovoltaic；CPV)转换装置的侧视图；
图2为现有技术多结面光伏单元的剖视图；
图3为具有三个光伏单元的例示性太阳能转换装置的侧视图；
图4为图3所示太阳能转换装置中的聚光透镜的剖视图；
图5为图3所示太阳能转换装置中的反射器组件的侧视图；
图6A至图6C为显示图3所示太阳能转换装置中反射器组件的三个反射层的例示性光谱反射率的曲线图；
图7为光伏单元类型及其带隙和工作波长波段的表；
图8A为GaInAs光伏单元的光谱响应曲线；
图8B为GaInP光伏单元的光谱响应曲线；
图8C为GaAs光伏单元的光谱响应曲线；
图8D为锗光伏单元的光谱响应曲线；
图8E为硅光伏单元的光谱响应曲线；
图8F为GalnP/GaAs双结面光伏单元的光谱响应曲线；
图8G为GaAs/Ge双结面光伏单元的光谱响应曲线；
图9为显示在20nm波长波段中的大气质量1.5日射量(air-mass 1.5insolation)的曲线图，此大气质量1.5日射量是入射在直接指向太阳的典型太阳能收集器上的光谱辐照度；
图10为显示在利用太阳能聚光器的系统中，光伏转换器的最大理论效率随结面数目的变化的曲线图，此太阳能聚光器以50倍倍率来聚集太阳的照射(solarillumination)；
图11A至图11F为用于制造图3所示太阳能转换装置的反射器组件的工艺的剖视图；
图12为另一例示性太阳能转换装置的侧视图；
图13为无聚光透镜的图12所示太阳能转换装置中所使用的反射器组件的侧视图；
图14为根据本发明另一实施例使用聚光透镜并呈横向单元配置方式的多单元太阳能转换装置的侧视图；
图15为根据本发明另一实施例使用聚光透镜并呈横向单元配置的四单元太阳能聚光器组件的平面图；
图16为无聚光透镜的又一例示性太阳能转换装置的侧视图；
图17为图16中所示太阳能转换装置中所用的反射器组件的侧视图；以及
图18为与太阳能转换装置一起使用的太阳能追踪系统的透视图。
具体实施方式
图3中显示例示性太阳能转换装置20。太阳能转换装置20包括聚光透镜30、反射器组件32、后隔板组件(rear bulkhead assembly)34、以及光伏单元36A至36C，但该装置也可包括呈其他配置方式的其他数目和类型的系统、器件、部件、单元以及其他元件。本发明提供许多优点，包括提供效率更高的、性能更佳并且经济的太阳能转换装置。
更具体而言，参照图3至图4，聚光透镜30为平凸透镜，其实质上可透射光伏单元36A至36C所能响应的所有波长的光。在此实例中，此范围为约350nm至约1900nm，这是太阳光的典型波长范围。平侧(plano side)31通常以朝向太阳的方向进行取向，并且可具有次波长(subwavelength)微结构68，用以降低不期望的菲涅耳反射并由此提高透光率，但此微结构是可选的且侧31也可具有其他类型的表面和处理(例如减反射(antireflective；A/R)涂层)或完全不进行处理。平侧31上的次波长微结构具有因所谓的莲叶效应(Lotus Effect)而能实现自清洁特性的额外益处。
更具体而言，参照图4，聚光透镜30为包括两个单独镜片的菲涅耳透镜，但该透镜也可具有使用其他数目的镜片的其他构造，例如单片式整体构造。如果聚光透镜30具有单片式整体构造，则其可由玻璃或例如丙烯酸树脂、聚碳酸酯等聚合物材料制成，或由硅酮制成。在此实例中，聚光透镜30具有基板60，基板60上安装有一层菲涅耳微结构68。基板60由玻璃制成，所述玻璃具有极佳的透射率、稳定性、能够耐受数十年的强阳光辐射(尤其是紫外光(UV)辐射)，并且也可耐受例如极端温度和冰雹等环境因素，但基板也可由其他类型的材料制成。仅举例而言，基板60也可由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)或丙烯酸树脂(举例而言)等薄膜材料制成。菲涅耳微结构68由也可高度地透射光伏单元36A至36C所响应的太阳光波长范围的硅酮制成，但该微结构也可由其他类型的材料制成。仅举例而言，菲涅耳微结构68可为在卷对卷工艺(roll-to-roll process)中安装的可由紫外线(UV)固化的树脂。
菲涅耳微结构68具有一系列三角形凹槽，这些三角形凹槽具有坡面66和牵拉表面64。坡面66执行使入射太阳能22发生光学弯曲的工作，其被设计成使得对于光伏单元36A所响应的短波长波段的太阳能辐射而言，聚光透镜30的焦距约为空腔深度(cavity depth)D(如图3中所示)的两倍(由于构成菲涅耳微结构68的材料的色散，聚光透镜30的焦距随波长而变化)。在此实例中，聚光透镜30及反射器组件32包括圆周对称的光学元件，例如菲涅耳表面，其光轴实质上与聚光器的光轴1共线。
参照图5，其显示图3所示反射器组件32的一小部分37的放大图。反射器组件32包括层201至206，但该组件也可具有其他类型和数目的层。在此实例中，最下层201为每一侧均实质上平坦的基板层并由例如玻璃等实质上刚性的材料制成，但其也可以其他方式制成(例如薄且具有挠性)，并且可由例如聚合物薄膜片材等其他材料制成。下一层202具有菲涅耳微结构50和封装胶(adhesive-encapsulant)51，菲涅耳微结构50和封装胶51由反射层48C隔开，但该层也可具有其他类型和数目的部件和层。下一层203的每一侧也实质上平坦并由例如玻璃等实质上刚性的材料制成，但其也可以其他方式制成(例如薄且具有挠性)，并且可由例如聚合物薄膜片材等其他材料制成。下一层204具有菲涅耳微结构53和封装胶54，菲涅耳微结构53和封装胶54由反射性滤波层48B隔开，但该层也可具有其他类型和数目的部件和层。菲涅耳微结构53通常具有与菲涅耳微结构50不同的光学规格(optical prescription)。下一层205的每一侧也实质上平坦并由例如玻璃等实质上刚性的材料制成，但其也可以其他方式制成(例如薄且具有挠性)，并且可由例如聚合物薄膜片材等其他材料制成。层205的材料的每一侧也实质上平坦并由例如玻璃等实质上刚性的材料制成，但其也可不同于层201和203中所使用的材料。最后，层205的最上表面206上沉积有反射性滤波层49，但也可沉积其他类型和数目的层。
现在将参照图6A至6C对层48C、48B及49进行说明。图6A至6C所示的曲线图绘示层48C、48B及49中的每一层在被聚集的波长范围中的反射率。层48C、48B及49中的每一层均反射限定的波长波段，因而所反射的光被聚集并聚焦至光伏单元36A至36C中对该波长波段最敏感的一个光伏单元上。反射性滤波层49具有图6A中所示的反射率，并反射小于600nm的波长而透射所有其他波长。自反射性滤波层49反射的光可聚集于在350nm与600nm之间具有光谱响应(spectralresponsivity)的光伏单元(例如InGaP)上。
在此实例中，波长大于600nm的光可透射过反射性滤波层49并入射于反射性滤波层48B上，反射性滤波层48B具有图6B中所示的光谱反射率，但也可使用其他波长范围。反射性滤波层48B可透射大于约900nm的波长并反射在约600nm与约900nm之间的波长。反射性滤波层48B也透射波长小于约600nm的光，但反射性滤波层48B也可呈反射性或甚至呈部分反射性，因为在这些波长上，基本上没有光到达反射性滤波层48B，这是因为这些波长均被反射性滤波层49反射。另外，可使用其他波长范围。自反射性滤波层48B反射的约600nm至约900nm波段的光将聚集至在约600nm与约900nm之间具有光谱响应的光伏单元(例如GaAs)上，但也可使用其他波长范围。
波长大于约900nm的光可透过反射性滤波层49和反射性滤波层48B并入射于反射层48C上，反射层48C具有图6C中所示的光谱反射率，但可使用其他波长范围。反射层48C可反射大于约900nm的波长并可透射波长小于约900nm的光，但反射层48C也可呈反射性或甚至呈部分反射性，因为在这些波长上，基本上没有光到达反射层48C，这是因为这些波长的光均被反射性滤波层49和反射性滤波层48B反射。另外，可使用其他波长范围。反射层48C反射在约900nm至约1800nm的波段中的光，自反射层48C反射的光可聚集至在约900nm与约1800nm之间具有光谱响应的光伏单元(例如锗)上，但也可使用其他波长范围。图6A至6C中所示反射波长波段仅用于例示目的。波长波段可随太阳能转换装置20中所用光伏单元的光谱特性而变化。举例而言，图7中显示可使用的光伏单元材料以及其各自的带隙和工作波长波段的表。
重新参照图5，层205的上表面206为不具有屈光力(optical power)的实质上平坦的表面，且反射性滤波层49构成可反射上文结合图6A所述的波长波段的平面镜(flat mirror)。如果垂直于层205的上表面206在反射性滤波层49的平面(plain)上的任意位置处绘制线148，则入射的白光束24与垂直线148呈入射角Φ1。此光束24遵守反射定律，并且对于反射性滤波层49所反射的波长，自反射性滤波层49以角度Φ2＝Φ1反射成光束26A。
这两个反射层48B和48C位于反射器组件32内部。反射性滤波层48B安装于菲涅耳微结构53上，从而形成仅反射上文结合图6B所述的波长波段的菲涅耳镜。反射性滤波层48B将使波长可透过反射性滤波层49的入射光束24聚焦于光伏单元36B上，光伏单元36B在光轴1上的位置取决于聚光透镜30的焦距以及层204中反射微结构53的焦距。
反射层48C安装于菲涅耳微结构50上，从而形成仅反射上文结合图6C所述的波长波段的菲涅耳镜。反射层48C将使波长可透过反射性滤波层49和反射性滤波层48B的入射光束24聚焦于光伏单元36C上，光伏单元36C在光轴1上的位置取决于聚光透镜30的焦距以及层202中反射微结构50的焦距。因此，如本文中所示和所述，具有菲涅耳微结构50和53的反射器组件32使得太阳能转换装置20与使用其他类型的反射光学器件的其他太阳能转换装置相比具有显著的性能和经济优势。
重新参照图3，太阳能转换装置20包括光伏单元36A至36C，但该装置可包括其他数目和类型的太阳能转换单元。在此实例中，光伏单元36A响应于例如在350nm至650nm范围中的短波长太阳光，光伏单元36B响应于例如在650nm至900nm范围中的中间波长波段，而光伏单元36C最响应于在900nm至1800nm范围中的长波长太阳能。光伏单元36A至36C全部实质上位于光轴1上，其中光伏单元36A位于聚光透镜30处或靠近聚光透镜30的位置，但光伏单元也可具有其他取向，例如离轴。
光伏单元36A至36C可由多种光伏单元材料和合金制成。仅举例而言，图8A至8E中的曲线图显示几个单结面光伏单元的响应率，而图8F和图8G显示两个双结面光伏单元的响应率。另外，图7所示的表提供关于可构成单结面光伏单元的材料、其带隙能量以及可用的波长范围的额外例示性列表。概言之，光伏单元36A至36C被选择成涵盖图9所示自约350nm至约1800nm的可用太阳能波长范围，但如下文所更详细地阐述，也可使用其他数目的光伏单元。
太阳能装置转换系统20可经济且高效地将太阳能分成三个分立的波长组并将每一组的所聚集太阳能引导至对于所引导的波长而言最佳的特定光伏单元36A至36C上。如图10中所示，随着太阳能转换装置20将太阳能划分成的分立波段的数目的增加，转换效率升高。仅举例而言，当太阳能转换装置将太阳能划分成四个波段以由四个相应地选定的光伏单元进行捕获时，可以实现约60％的效率，而当太阳能转换装置将太阳能划分成十个波段时，则可以在50倍的聚光率下实现接近70％的转换效率。
重新参照图3，太阳能转换装置20也包括后隔板表面34。反射器组件32位于后隔板组件34上。机械安装组件沿光轴1将这些光伏单元36A、36B及36C的位置保持在聚光透镜30与反射器组件32之间，但也可使用其他方式以其他配置形式来固定光伏单元、聚光透镜以及反射器组件的位置。
现在将参照图3至5对太阳能转换装置20的工作进行说明。太阳能转换装置20暴露至所聚集的太阳能辐射22。此太阳能辐射22为多色的，并且为便于论述，包括太阳能辐射22的三个个别光束，这三个光束具有波长组λA、λB及λC，这代表光伏单元36A、36B及36C所分别响应并分别被反射层49、48B及48C反射的典型波长范围。波长组λA、λB及λC通常不重叠，但合起来却实质上覆盖图9所示的太阳能辐射光谱。在此实例中，波长组λA包括在约300nm与约600nm之间的波长，λB包括在约600nm与约900nm之间的波长，而λC包括在约900nm与约1800nm之间的波长。
聚光透镜30可使任何的入射太阳能辐射22会聚。这些会聚的光束，例如会聚的白光束24(其含有组λA、λB及λC的所有波长)入射于反射器组件32的反射性滤波层49上。由于反射性滤波层49的反射特性，波长组λA的光束26A根据反射定律(Law of Reflection)反射，并且所有其他的波长组(λB和λC)根据斯涅耳定律(Snells Law)透射入反射器组件32中。聚光透镜30的规格(prescription)使得可将波长组λA的光束26A聚焦于光伏单元36A上。如果光伏单元36A的位置是其与聚光透镜30共平面，则聚光透镜30的焦距必须约为聚光透镜30与反射性滤波层49之间距离的两倍，即2×D。光伏单元36A被选择成高度地响应于入射光束26A的波长组λA并以极高的效率将这些光束的入射太阳能转换成电能。
在穿过反射性滤波层49并折射入反射器组件32后，波长组λB穿过层205而传播入层204中，其在层204中入射于反射性滤波层48B上。反射性滤波层48B安装于菲涅耳微结构53上并因此一同形成菲涅耳镜。另外，根据图6B所示的反射性滤波层48B的光谱反射率曲线(spectral reflectance profile)，反射性滤波层48B可反射波长组λB。因此，如图5中的近视图(close-up view)所示，波长组λB的光束26B从层204内的菲涅耳微结构53的坡面上反射。此外，层204内的菲涅耳镜对波长组λB具有屈光力，使得反射器组件32的上表面206处的输出角θ2不等于输入角θ1。这意味着具有波长组λB的出射光束26B的焦点位置将不在光伏单元36A的位置处，而是聚焦于光伏单元36B上，从而几乎不会或根本不会干扰光伏单元36A的工作。光伏单元36B被选择成高度地响应于入射光束26B的波长组λB并以极高的效率将这些光束的入射太阳能转换成电能。
在穿过反射性滤波层49并折射入反射器组件32后，波长组λC穿过层205、204、203而传播入层202中，其在层202中变成入射于反射层48C上。反射性滤波层48B不反射波长组λC，并且这些光束在穿过反射性滤波层48B时方向实质上不发生偏离。另外，反射层48C安装于菲涅耳微结构50上并因此一同形成菲涅耳镜。另外，根据图6C所示的反射层48C的光谱反射率曲线，反射层48C可反射波长组λC。因此，如图5中的近视图所示，波长组λC的光束26C从层202内的菲涅耳微结构50的坡面反射。此外，层202内的菲涅耳镜对构成波长组λC的光束26C具有屈光力，使得反射器组件32的上表面206处的输出角θ2不等于输入角θ1。此外，光束26C以比其他两个光束组λA和λB更迅速的会聚率(即，更快f/#)离开反射器组件32。这意味着具有波长组λC的出射光束26C的焦点位置将不在光伏单元36A或光伏单元36B的位置处，而是聚焦于光伏单元36C上，从而几乎不会或根本不会干扰光伏单元36A或光伏单元36B的工作。光伏单元36C被选择成高度地响应于光束26C的波长组λC并以极高的效率将这些光束的太阳能转换成电能。
因此，如本文中所示和所述，与现有技术单结面太阳能聚光器和三结面串叠光伏单元相比，太阳能转换装置20提供相当大的性能和经济优点。另外，尽管太阳能转换装置20被显示为具有三个光伏单元36A至36C，但该太阳能转换装置也可具有额外的光伏单元和更高的转换效率，如图10中所示。
现在将参照图4对用于构造聚光菲涅耳透镜30的例示性方法进行说明。提供其上侧和下侧均实质上平坦的材料的片材、板材或薄膜，以用作聚光菲涅耳透镜30的基板60。此基板由玻璃制成并且为约0.1mm至约10mm厚，但也可使用例如聚合物等其他类型的材料和其他厚度。由于聚光菲涅耳透镜30需要自支撑并能够耐受各种环境应力，因而基板60一般由厚度在约2mm与约5mm之间的玻璃制成。基板60的输入侧62用A/R涂层处理，以降低输入表面62处的不期望的菲涅耳反射，但也可使用其他降低反射的方式，例如形成于基板60的输入侧62上的次波长微结构。
菲涅耳微结构68安装于聚光菲涅耳透镜30的下侧上。微结构68包含例如紫外线固化树脂等聚合物材料，但也可使用其他类型的材料，例如硅酮，硅酮在整个350nm至18900nm日射(solar insolation)范围内具有透射性并且相对地不受来自太阳紫外光的紫外光损害的影响。所形成的菲涅耳微结构的坡面66的规格使得对于较短的波长波段(即，λA)而言聚光菲涅耳结构30的焦距为2D。在较长的波长下通常将得到更大的焦距，这是因为在较长的波长下，构成微结构68的材料的折射率由于材料色散的原因而较低。
现在将参照图11A至11F对用于构造和组装反射器组件32的例示性方法进行说明。在此实例中，在基板层201上形成菲涅耳微结构50，从而产生图11A中所示物体。微结构50为紫外线固化树脂，但该微结构也可由例如硅酮材料等其他类型的材料制成。另外，基板层201为玻璃，但该层也可由例如聚合物等其他类型的材料制成。微结构50通过非连续浇注(cell-cast)或其他类型的浇注工艺安装于层201上，但也可使用其他方法。举例而言，层201与微结构50可使用例如注射成型、压缩成型、或注射-压缩等成型工艺而形成为一体式物体。
接下来，将镜面反射式反射涂层48C涂覆至微结构50的坡面，从而形成图11B所示的下部反射菲涅耳结构61C。可以将反射涂层48C涂覆于微结构48C的牵拉表面，但这几乎没有任何效果，因为在该系统中实质上不使用牵拉表面，最好是不对牵拉表面进行涂覆。反射层48C是金属的，例如金、银、或铝(仅举例而言)，或者是可反射所期望的波长波段(在此实例中对于太阳能转换装置20而言是波长波段λC)的薄膜干涉堆叠(interference stack)。
除下部反射菲涅耳结构61C外，也通过与上文针对下部反射菲涅耳结构61C所述的工艺相似或完全相同的工艺来制备反射性滤波菲涅耳结构61B。在获得了下部反射性菲涅耳结构61C和中部反射性滤波菲涅耳结构61B二者后，必须将它们粘结在一起。如图11C中所示，将一层液体形式的并且在硬化时可起粘结剂作用的封装胶51施加于经涂覆的微结构50和反射层48C的顶部。然后使反射性滤波菲涅耳结构61B的后表面接触封装胶51，并轻轻地挤压以挤出任何多余的封装胶51。
使封装胶51固化、干燥或者硬化而形成图11D中所绘示的组件。封装胶51为粘合剂并且也是用于形成菲涅耳微结构50的同一材料，因而反射层48C两侧上的材料的性质相同，但也可使用其他类型的粘合剂和材料。这将确保透射过反射层48C的光束在穿过封装胶层51与微结构50之间的界面时不会发生弯曲或者折射，因为可以确保对于所有透射的波长而言这两种材料的折射率是相同的。
接下来，制备包括基板层205和反射性滤波层49的反射器组件部61A。基板上层205的上侧和下侧均是平面的并且基板上层205由聚合物制成，但也可使用其他类型的材料，例如玻璃。反射性滤波层49是可反射所期望的波长波段(即，λA)的薄膜干涉堆叠。在获得反射菲涅耳组件部61C和61B以及反射器组件部61A后，必须将它们粘结在一起。如图11E中所示，将一层液体形式的并且在硬化时可起粘结剂作用的透明材料54施加于经涂覆的微结构53和反射性滤波层48B的顶部。然后使上部反射器组件部61A的后表面接触透明封装胶54，并轻轻地挤压以挤出任何多余的封装胶54，但也可使用其他方式用其他粘合剂来将各部分结合在一起。
使透明封装胶54固化、干燥或者硬化而形成图11F中所绘示的反射器组件32。透明封装胶54为粘合剂并且也是用于形成菲涅耳微结构53的同一材料，因而反射性滤波层48B两侧上的材料的性质相同，但也可使用其他类型的粘合剂和材料。重要的是，反射性滤波层48B两侧上的材料的光学性质相同，因为如果它们不相同，例如如果它们具有不同的折射率或色散，则折射率的差异将导致(即，波长波段λC的)光束在穿过反射性滤波层48B时发生折射。亦即，微结构53于是将具有屈光力并起透镜作用，并且光束在穿过反射和滤波层48B处的界面时方向将不会不发生改变。这将损害太阳能转换装置20的聚光性能。
在其他实例中，假如不是具有两个光学有源器件(optically active device)(聚光透镜30和反射器组件32)而是仅有一个，则太阳能转换装置组装工艺可以精简化。这可通过省却聚光透镜30并在反射器组件内安装额外的反射菲涅耳镜来实现。
参照图12至13，显示具有精简化配置的另一例示性太阳能转换装置70。除此处所述和所示外，图12至13中所示的太阳能转换装置70在结构和工作方面均与图3至5中所示的太阳能转换装置20相同。在太阳能转换装置70中，用平板71代替聚光透镜30，平板71对于光伏单元36A、36B及36C所响应的所有波长而言均实质上透明。太阳能辐射22在穿过平板71时方向实质上不发生改变，并一直通过聚光器70到达反射器组件72。
更具体而言参照图13，其显示反射器组件72的一小部分77的放大图。除此处所示和所述外，反射器组件72在结构和工作方面均与反射器组件32相同。在反射器组件72中，反射性滤波层49已从反射器组件72中除去，并视情况被代替为在反射器组件72的上表面79处进行A/R处理。另外，反射器组件72不是如反射器组件32所显示的那样具有两个内部菲涅耳镜，而是具有三个菲涅耳镜78A、78B和78C。这三个菲涅耳镜78A、78B和78C各自均具有不同的屈光力并涂覆有不同的反射滤波器，以反射特定的波长波段，如前面在太阳能转换装置20的相应实施例中所述。
在工作中，菲涅耳镜78A将其波长波段(例如，λA)反射并聚焦于光伏单元36A上并实质上不发生偏离地透射所有其他的波长波段(例如λB和λC)。菲涅耳镜78B将其波长波段(例如，λB)反射并聚焦于光伏单元36B上并实质上不发生偏离地透射所有其他的波长波段(例如，λC)。菲涅耳镜78C则将所有其余的波长(例如，λC)反射并聚焦于光伏单元36C上。对于太阳能转换装置70的此种配置，由于缺少聚光透镜30，因而必须增大反射器组件72的尺寸以填满整个后隔板表面34。
目前为止所阐述的实施例所共有的一个问题是必须要将光伏单元36A至36C放置于光轴1上。这会引起阴影损耗(shadow-loss)问题，其中一部分本应入射于上部光伏单元(例如光伏单元36A)的光被下部光伏单元(例如光伏单元36B)阻挡。换言之，光伏单元36A被下部光伏单元36B部分地遮蔽。因此，为克服阴影损耗，需将光伏单元安装在会聚光束光锥之外的离轴位置上。
图14显示一个此种离轴太阳能转换装置80的侧视图，图15显示此装置80的平面图。除此处所述和所示外，太阳能转换装置80均与太阳能转换装置20相同。此太阳能转换装置80包括聚光透镜82、具有开孔96的内隔板94、安装于后隔板34上的四个反射器组件86、87、88和89、以及四个不同类型的光伏单元90A、90B、90C及90D。
反射器组件86至89各自包括如前面所述进行安装的四个反射性滤波菲涅耳结构，所述四个反射性滤波菲涅耳结构将入射的会聚太阳能84划分并反射成四组光92A、92B、92C和92D(每一组光仅含有限定的波长波段)并将这四组光92A至92D分别聚焦于四个不同的光伏单元90A至90D上，这四个不同的光伏单元90A至90D分别最响应于被引导至其上的入射光的波长。
这四个不同类型的光伏单元90A、90B、90C及90D安装于内隔板94上。另外，这四个光伏单元90A、90B、90C及90D的位置远离光轴1并位于会聚的光束84之间，因此不存在会降低系统效率的阴影效应。这四个不同类型的光伏单元90A、90B、90C及90D被选择成响应于光的四个不同的波长波段，这四个不同的波长波段分布在自约350nm至约1800nm的太阳能光谱范围内，但也可使用响应于其他波长波段的其他数目的光伏单元。如图10中所示，增加太阳能转换装置80中的波段以及光伏单元的数目将会提高性能和效率。因此，太阳能转换装置80可使用其他数目的光伏单元和反射器组件进行构造，例如使光伏单元和反射器组件各自均为六个，以提高性能和效率，但制造复杂性会更高。
对于此太阳能转换装置80，光伏单元90A、90B、90C和90D位于几个聚光镜的边角的交会处，因此一个光伏单元可自四个不同的聚光器收集其波长波段的光。结果，太阳能转换装置80中的光伏单元的数目减少75％。这在图15所示的平面图中特别明显，在图15中，仅举例而言，光伏单元90C(左中)自四个不同的聚光器(具有反射器组件87、89、88和86)接收其所响应的四组光92C。
在工作中，太阳能转换装置80接收入射于聚光透镜82上的太阳能辐射22，聚光透镜82将太阳能辐射会聚至的会聚光锥(converging cone of light)84中。会聚光锥穿过内隔板94中的开孔96并临界地照射反射器组件86、87、88和89。反射器组件86、87、88和89各自包括不同的菲涅耳微结构，所述菲涅耳微结构用于向光伏单元90A、90B、90C及90D中响应于所反射的太阳能波长波段的相应一个光伏单元反射光。
参照图16，显示另一实施例的太阳能转换装置170。除此处所示和所述外，太阳能转换装置170与太阳能转换装置80相同。太阳能转换装置170也使用以与太阳能转换装置80中所教示者相同的横向配置方式布置的四个光伏单元，然而太阳能转换装置170不使用上部聚光菲涅耳透镜。而是，太阳能辐射22直接入射于反射器组件172和173上，反射器组件172和173将入射的太阳能辐射按波长分成四个不同的组174A和174B(组174C和174D未在图中示出)，并将这些组174A和174B入射于其各自的光伏单元176A和176B上。光伏单元176A和176B分别与焦距于其上的光组174A和174B的波长波段相匹配(即，这些光伏单元对于光组174A和174B的入射光中所含的波长具有高的响应率)，这样光便被光伏单元176A和176B以高的效率转换成电能。这四个光伏单元可以与太阳能转换装置80中所述的相同方式位于太阳能聚光器170的四个边角中的每一边角处，但也可使用其他配置，例如沿一个或多个侧面放置。如果几个聚光器170以阵列形式布置，则将光伏单元设置在聚光器的边角处会使光伏单元能够在各聚光器之间共用，从而能够降低如前面参照图14至15所示和所述的光伏单元的总数目。
自太阳能转换装置省却上部聚光菲涅耳透镜可提供几个优点，包括：1)免去聚光透镜的成本；2)消除输入和输出表面处的菲涅耳反射损耗，从而提高效率，以及3)反射器组件173的微结构反射镜的模具是圆周对称的并易于用工具加工和制造，由此与图14和图15中所示的太阳能转换装置80相比可降低与反射器组件相关的成本。
图17中显示反射器组件173的一小部分177的放大图。如在这一小部分177的放大图中所见，该反射器组件由分别于层187、185、183及181中包含微结构191、190、194及195的四个菲涅耳镜构成。层188、186、184、182及180为基板层，由玻璃制成，但也可使用可支持微结构层并增加微结构层的刚度的其他类型的材料，例如聚合物。如在其他实施例中一样，微结构191、190、194及195的坡面涂覆有反射器，例如干涉堆叠，使得各坡可反射其对应的光伏单元所最响应的并且其各自的坡面所引导的光的波长波段。
封装胶层192及193用于以与前面的实例中所述相同的方式固定各个层。层183及181中的微结构194及195在此视图中是从一边至另一边，并用虚线表示。封装胶虽然也存在于层181和183中，但此视图并未明确地显示。
虽然所描述的是在太阳能转换装置170中使用四个菲涅耳镜和四种类型的光伏单元，但也可使用更低的数目，例如一个、二个或三个，或可使用更高的数目，例如六个。另外，光伏单元可为单结面单元或多结面型光伏单元。
太阳能转换装置170的工作情况与太阳能转换装置80的工作情况相同，只是对于太阳能转换装置170而言，没有聚光透镜来接受太阳能辐射并将太阳能辐射会聚至会聚光锥中。而是，太阳能辐射直接到达层187、185、183和181中的微结构191、190、194和195并相应地依波段反射至对所反射的波长波段具有适宜的响应率的横向排列的光伏单元。
参照图18，每一太阳能转换装置也可安装于定日镜(heliostat)119上，以使每一太阳能转换装置均指向太阳，但也可使用其他方式来管理太阳能转换装置的定位。此具体实例显示安装在定日镜119上的太阳能转换装置80，同时也显示内隔板94、反射器组件87、聚光菲涅耳结构82、以及各种光伏单元90A、90C和90D的一般位置。定日镜119包括基座122，基座122包括用于旋转支柱120的马达(图中未示出)，支柱120连接在基座122与太阳能转换装置80之间。定日镜119也包括第二马达(图中未示出)，第二马达附装至支柱120和阵列124，并能够实现太阳能转换装置80的偏摆指向(tip-tilt pointing)。定日镜的旋转和偏摆角控制符合聚光器80的阵列124的所有角定位要求。
因此，如本文中所示和所述，此种技术提供许多优点，包括提供更高效的、性能更佳的并且经济的太阳能转换装置。通过利用包含以级联配置方式排列的一个或多个菲涅耳反射器的下部反射器组件，此种技术能够避免焦点尺寸大以及使用大并且昂贵的多结面光伏单元的现有技术问题。这些菲涅耳反射器中的每一个均反射选定的波长波段并可透射其他波长，所述其他波长继而被下部菲涅耳反射器反射。另外，每一菲涅耳反射器均包括微结构，该微结构可反射光伏单元所最响应的选定波长波段并将其聚焦于该光伏单元上。所得到的太阳能转换装置具有高的聚光率，在太阳所发射的具有相当大的能含量的波长范围中无损耗，并且可有效地将所会聚的太阳能引导至合适的单结面或多结面光伏单元。
至此已说明了本发明的基本概念，所属领域的技术人员将易知，以上详细揭示内容仅旨在进行举例说明而非进行限定。所属领域的技术人员将会联想到及设计出各种替代、改良以及修改形式，尽管此在本文中并未明确述及。这些替代、改良及修改形式亦旨在在此提出，并归属于本发明的精神及范围内。另外，所述各要素、步骤或序列的次序、或者所使用的数字、字母或其他标识因此也并非旨在将所要求保护的过程限定为任何次序，除非在权利要求书中加以明确规定。相应地，本发明仅由上文权利要求书及其等效范围加以限定。

Claims (18)

1.一种太阳能转换装置，包括：
两个或更多个太阳能转换单元，所述两个或更多个太阳能转换单元中的每一者均响应于至少来自太阳能辐射的第一波长波段和来自所述太阳能辐射的第二波长波段中的不同的一个波段；以及
反射器组件，包括至少两个集成反射部，所述至少两个反射部其中之一放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一反射和引导所述第一波长波段，而所述至少两个反射部中的另一个放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元中的另一个反射和引导所述第二波长波段，并且所述两个集成反射结构中的至少一个包括菲涅耳(Fresnel)微结构。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元在实体上相互分开。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元实质上沿光轴对齐，所述光轴贯穿所述反射器组件延伸。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元偏离光轴，所述光轴贯穿所述反射器组件延伸。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元各自实质上沿横切所述光轴的平面放置。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元还包括至少四个所述太阳能转换单元，所述至少四个太阳能转换单元分别响应于至少来自太阳能辐射的所述第一波长波段、来自所述太阳能辐射的所述第二波长波段、来自所述太阳能辐射的第三波长波段、以及来自所述太阳能辐射的第四波长波段中的不同的一个波段。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元中的至少一个包括单结面光伏单元。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个安装组件，所述至少一个安装组件相对于所述反射器组件支撑所述两个或更多个太阳能转换单元。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少两个反射部中至少部分地反射所述第一波长波段的一个反射部实质上可透射至少所述第二波长波段。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射部中具有所述菲涅耳微结构的所述至少一个反射部还在所述菲涅耳微结构的表面上包括内反射器，所述内反射器至少部分地反射所述第一波长波段和所述第二波长波段中的一个，所述菲涅耳微结构在光学上被构造成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一引导所述第一波长波段和所述第二波长波段中至少部分地被所述内反射器反射的所述一个波长波段。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述内反射器可至少部分地透射至少所述第一波长波段和所述第二波长波段中的另一个波段。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射系统还包括：
第一间隔层，所述第一间隔层的一个表面邻近所述反射部中的至少一个；
入口反射器，位于所述第一间隔层的相对的表面上并可至少部分地透射至少所述第一波长波段和所述第二波长波段；以及
第二间隔层，位于所述至少两个反射部之间。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波长波段与所述第二波长波段实质上是不重叠的。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个聚光透镜装置，所述至少一个聚光透镜装置放置成将所述太阳能辐射会聚于所述反射器组件上。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述至少一个聚光透镜组件还包括菲涅耳微结构，所述菲涅耳微结构在光学上被构造成将至少一部分所述太阳能辐射会聚于所述反射器组件上。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括至少所述两个或更多个太阳能转换单元中的第三太阳能转换单元，所述两个或更多个太阳能转换单元中的所述第三太阳能转换单元响应于来自太阳能辐射的第三波长波段，其中所述至少一个聚光透镜组件中的所述菲涅耳微结构还在光学上被构造成将所述第三波长波段的至少一部分会聚于所述两个或更多个太阳能转换单元中的所述第三太阳能转换单元上。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一波长波段、所述第二波长波段以及所述第三波长波段相互之间实质上是不重叠的。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个或更多个太阳能转换单元中位置靠近用以接收所述太阳能辐射的第一入射位置的一个太阳能转换单元所响应的波长波段要短于所述两个或更多个太阳能转换单元中位置远离所述第一入射位置的另一个太阳能转换单元。
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