CN103325877B - 平面式太阳能集光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能集光器，包括：一个大致上平面式的光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括：一个光学进入表面、具有多个光学改向元件的一个阵列以及具有多个光学出口的一个阵列，这些光学改向元件中的每个接收光并且使光改向以朝向一个光学出口；一个大致上平面式的光导层，该光导层是由透光性材料制成并且包括：用于接收离开该光插入层的光的一个第一表面、与该第一表面相对的一个第二表面，该第一和第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导到至少一个光学输出表面；以及将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由至少一个变形的光学耦合元件形成的。还披露了其制造方法。

Description

平面式太阳能集光器

技术领域

本发明涉及平面式太阳能集光器。

背景技术

出于许多原因，用于利用替代性可再生能源的技术的发展一直在增长。已经受到一些关注的这样一种可再生能源是太阳能。

在本领域中具有光伏电池的相对大的常规太阳能电池板组件已知了一段时间。然而，这类组件习惯上一直不能经济地利用来自太阳的能量，典型地是因为光伏电池目前过于昂贵。

因此，人们一直对于集光光伏电池有兴趣。集光光伏电池背后的理论是使用光学元件来将在一个相对更大的区域接收的阳光集中至光伏电池(或收获太阳能的一些其他装置)所在的一个相对更小的区域中。这些集光光学元件与该更小的光伏电池的组合目前在理论上将会比捕获相同量的阳光所要求的一个等效的更大的光伏电池便宜。然而，集光光学元件的第一代是相当复杂和笨重的，并且存在本领域已知的许多其他缺陷。因此集光光伏太阳能集光器一直未获得广泛的普遍商用认可。

用于降低常规光学器件的复杂性和笨重度的驱动力引起平面式太阳能集光器的发展。平面式太阳能集光器是大体上平面式的相对紧凑的光学结构，这些结构典型地采用多种光学元件(通常作为阵列的一部分)以便使阳光偏转和集中并且在该结构内将它引导至可以将其收获的一个位置。

存在平面式太阳能集光器的许多可能的配置。在美国专利申请公开号US2008/0271776A1(Morgan)；US2006/0269213A1(Hwang等人)；US2008/0048102A1(Kurtz等人)以及US2011/0096426A1(Ghosh等人)中示出了不同平面式太阳能集光器的一些实例；那些申请中的每个的全部内容通过引用结合在此。

习惯上这类集光器可以被分成使光偏转和/或集中的一个层(在本申请中称为一个光插入层——但还由本领域中多种其他名称来称谓)，以及捕集并且引导光至用于收获的一个或多个位置的一个层(本发明中称为一个光导层——但还由本领域中多种其他名称称谓)。取决于一个具体集光器的配置和构造，这些层可以是一个整体制造的结构的多个区域或可以是多个分开的物理结构，这些物理结构已经被分开地制造并且随后被置于一起以形成作为一个单元进行工作的单一结构。

然而，目前常规的平面式太阳能集光器不易制造。在其中存在两个层、这两个层是分开地制作并且随后被置于一起的一些构造中，在这些层的制作中以及在当它们被置于一起以形成一个单元时它们的对准中，极端的精密度是非常重要的。在制作或在对准中的小的缺陷将对该集光器能够收获的、照射在该集光器上的光的百分比具有一个非常显著的负面作用，并且通常必须加以避免。

例如，图1中示出一个现有技术平面式太阳能集光器010的一部分。这个实例是取自美国专利号7,873,257的图24A中示出的那个，该专利通过引用以其全部内容结合在此。集光器010包括一个光插入层012和一个光导层014。光插入层012一直由注射模制的聚甲基丙烯酸(甲)酯(本领域中通常称为“PMMA”)(一种透光性材料)制成。光插入层012具有一个平面式的光学进入表面016、具有多个光学改向元件018的一个阵列、以及具有多个光学出口020的一个阵列。这些光学改向元件018中的每个经由全内反射(TIR)使它通过光学进入表面016接收的光022改向并且集中而朝向这些光学出口020中相关联的一个。(发生TIR是因为在光插入层012与光导层014之间存在一个空气间隙028。)具体地说，这些光学改向元件018中的每个在横截面中是一个抛物线型截面，以使得从这些光学改向元件018反射出来的平行光线022被聚焦朝向一个焦点(未标记)。然而，在这些反射的聚焦光线024到达该焦点之前，它们穿过这些光学出口020。这些光学出口020也使它们接收的光改向(虽然是经由折射)，并且因此它们如该图中所示使反射光024的焦点偏移。(如果没有发生在这些光学出口020处的折射，该光将会采取的路径是在图1中由这些虚线026示出的。由于该折射，该光实际上采取的路径是在图1中由这些实线027示出的。)该折射也是由于光插入层012与光导层014之间存在的空气间隙028而发生。

光导层014也一直是由注射模制的PMMA制成。光导层014具有一个第一表面030和一个第二表面(未图示)。光导层014的第一表面030具有一系列凸出部032，这些凸出部之间具有与光插入层012的光学改向元件018之间的相同的间距。光插入层012的这些光学出口020与光导层014的第一表面030的这些凸出部032之间存在一种一对一的关系。这些凸出部032中的每个具有一个平面部分034，该平面部分是平行于与它相关联的光插入层012的光学出口020。

光插入层012和光导层014被构造并相对于彼此安排为使得穿过它们之间的空气间隙028的光027通过光导层014的这些凸出部032的平面部分034进入该光导层。当光027进入凸出部032时，光027经由折射再次偏转以使得曾经在光导层034的凸出部032内部的光036的焦点再次偏移，这次偏移至图1中所示的焦点038。光插入层012和光导层014被构造并相对于彼此安排为使得在以上所提到的最终折射之后，进入光导层014的主体040的光的焦点038是在凸出部032正下方，以使得已经进入凸出部032的所有光036将穿过焦点038并且在光导层014的主体040内继续前进(被示为光线042)并且将被引导穿过处于光导层014的第一表面030与该第二表面(未图示)之间的一系列多重全内反射(未图示)到达光导层014的光学输出端(未图示)以便收获。

如对于本领域的普通技术人员而言明显的，为了将尽可能多的进入太阳能集光器010的光传导至光导层014的光学输出端以便收获，在制作图1中所示的太阳能集光器010中要求非常高的精密度。光插入层012或光导层014中任一者的轻微的误制作(misfabrication)或它们之间的轻微的未对准(misalignment)将使进入太阳能集光器010的光的路径偏移，而使少得多的光或在一些情况下没有光可供收获。在提交本申请时，可供收获的光的这种减少将使太阳能集光器010变得不经济。

发明内容

因此本发明的一个目的是改善现有技术中存在的这些不便中的至少一些并且提供与该现有技术中的至少一些相比得到改进的太阳能集光器。

在一方面，提供的是一种太阳能集光器，该太阳能集光器包括一个大致上平面式的光插入层。该光插入层是由透光性材料制成并且包括一个光学进入表面用于接收光。该光插入层还包括具有多个光学改向元件的一个阵列。这些光学改向元件中的每个是与该光插入层的光学进入表面处于光学联通。该光插入层还包括具有多个光学出口的一个阵列。这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通。这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口。该太阳能集光器还包括一个大致上平面式的光导层。该光导层是由透光性材料制成的并且包括一个第一表面用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光。该光导层还包括与该第一表面相对的一个第二表面。该光导层的第一表面和第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层到达至少一个光导层光学输出表面。该太阳能集光器还包括将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由该光插入层和该光导层中的至少一个与至少一个变形的光学耦合元件之间的界面所形成。

如以上所讨论，在至少一些常规的两层平面式太阳能集光器中，在这些层的制作和对准中要求非常高的精密度。本发明的一些实施例试图具有如与常规平面式太阳能收集器相比近乎相同的、光通过该太阳能集光器的透射效率(并且其他实施例试图改进该效率)，而无需在它的制作中要求相同的精密度和准确度即可实现这一点。简言之，这是通过设计这些层以使得经由至少一个可变形的光学耦合元件来形成将这些层光学地互连的光学孔隙来实现的，该可变形的光学耦合元件是在该太阳能集光器的制作过程中在两个层被置于彼此接触时发生变形，由此使这两个层直接光学地耦合。通过允许在这些层之间的、对它们之间的光学联通具有很小或没有影响的一些“游隙(play)”，这个或这些可变形的光学耦合元件允许上述精密度和准确度得以降低(如与现有技术中的至少一些相比)。因此，在一些实施例中，在一些常规平面式太阳能集光器中发现的高的光回收百分比可以得到保持。

在本说明书中，除非上下文另外清楚地要求，术语“平面式的”不是旨在表示该词的几何意义(即它不是旨在表示具有零曲率的由两条交线形成的一个二维结构)。而是，如平面式太阳能集光器领域中的普通技术人员将理解的，本说明书中的“平面式的”总体上简单地表示这样一种结构：当从上方观看该结构时，该结构具有的深度与它的长度或宽度相比是相对非实质性的。因此在本说明书的背景下的“平面式的”结构可以包括楔形的、阶梯式的、或略微弯曲的结构和具有相对小的凸出部和/或缺口的结构、以及具有上述任何组合的结构。

光插入层

该光插入层是一个平面式太阳能集光器的具有一种或多种透光性材料的一个层，该层在物理上和光学上被构造成使光经由改向(即，使该光改变它的行进方向)和/或集中(即，使该光的辐照度增加)而被插入至该光导层中。在本说明书的背景下，如果光可以穿过一种材料而没有由于该材料本身的吸收或散射所造成的任何材料损失，则该材料是透光性的。透光性材料的非限制性实例包括玻璃、PMMA、硅酮、环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)、基于环氧树脂的材料、氨基甲酸酯材料、其他共聚物材料、其他聚合物材料及其组合。

该光插入层具有一个光学进入表面用于接收有待通过该光插入层而插入至该光导层中的光。本背景下没有要求该光学进入表面的特殊结构。能够实现这个必要功能的任何结构都将足够。以下详述光插入层的一些具体配置。该光插入层的光学进入表面可以是、但不必需是该太阳能集光器本身的光学进入表面。该光插入层的光学进入表面可以具有与该光插入层的其他部分或剩余部分相同的材料(视情况而定)或它可以是一种不同的材料。

该光插入层包括具有多个光学改向元件的一个阵列。在本背景下，一个光学改向元件是这样一种结构(或一起起作用的多个结构的组合)：该结构使光偏离在遇到该光学改向元件之前该光本将具有的行进路线。典型地，光学改向元件通过折射、反射、或其组合方式起作用。因此，光学改向元件的非限制性实例包括具有不同折射率的介质之间的边界表面(以使得该表面处将发生全内反射)、已经涂覆有一种反射材料(如一种金属)的表面、透镜、菲涅耳透镜、Winston锥、棱镜及其组合。光学改向元件的边界表面或另外的反射面可以是分析曲面或非分析曲面。

这些光学改向元件中的每个是与该光插入层的光学进入表面处于光学联通。(当该太阳能集光器被正确地使用时)当光可以从一个结构直接地或间接地(包括经由其他结构)行进至另一个时，这两个结构在本说明书的背景下是处于“光学联通”的。因此，通过该光插入层的光学进入表面进入该光插入层的光将(立即或最终)入射在这个具有多个光学改向元件的阵列中的元件之一上。

在一些实施例中，该光插入层的光学进入表面包括这些光学改向元件中的至少一些。在这类实施例的一些中，它可以包括全部的这些光学改向元件。在一些实施例中，这些光学改向元件是复合光学元件(不同于单一光学元件)。在这类实施例的一些中，这些复合光学元件中的每个包括该光学进入表面的一部分以及与该光学进入表面的该部分物理地间隔开的一部分。因此，在一些实施例中，该光学进入表面的这些光学改向元件是光学集中元件，在一个非限制性实例中是透镜。

在一些实施例中，这些光学改向元件是光学反射元件。在这类实施例的一些中，这些光学改向元件经由全内反射将所接收的光改向；在其他实施例中，它们经由一个有涂层的反射表面(本领域中有时称为一个镜涂表面)来将所接收的光改向。非限制性实例包括涂覆有一种金属(如铝或银)、或一种电介质的表面。

在一些实施例中，这些光学改向元件在非限制性实例中是光学集中元件、透镜或成形的反射表面。在这类实施例的一些中，这些光学改向元件在非限制性实例中是光学聚焦元件、抛物线型反射表面。

在这类实施例的一些中，这些光学改向元件中的每个包括至少一个在横截面中抛物线型的截面，以使得这些光学改向元件中的每个能够使其接收的光聚焦。在这类实施例的一些中，这些光学改向元件中的每个具有至少位于与该光学改向元件相关联的光学孔隙的附近(即在其之处或在其附近)的一个焦点。(在本说明书的背景下，“光学孔隙”是在两个结构之间的接触界面处的一个物理互连，该物理互连允许光离开这些结构中的一个并且进入另一个，在下面进一步详细描述这一点。)

在一些实施例中，该光插入层的这些光学改向元件中的至少大部分是环形的(当从上方观看时，不同于在截面中)并且具有连续减小的直径。这种配置有利于使该光以这样一种方式被插入至该光导层中：(取决于该光导层的结构)已经被该光插入层改向的光可以在该光导层中被引导至一个公共区域以便收获。

该光插入层还包括具有多个光学出口的一个阵列。一个光学出口是这样一种结构：当该太阳能集光器被正确地使用时，通过该结构，光可以从该光插入层中输出。这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通，以使得由一个改向元件接收的光被该元件(光学地)改向而朝向与该元件相关联的一个光学出口。在这些光学改向元件与该光插入层的这些光学出口之间可以存在一对一的关系，但这不是必然的情况。

光导层

该光导层是具有一种或多种透光性层状材料的一个大致上平面式的层，该层在物理上和光学上被构造成使从该光插入层通过不同光学孔隙进入该层的光被引导至一个公共区域以便收获。该光导层具有一个第一表面用于接收通过该光插入层的光学出口离开该层的光。(因此，该光学孔隙阵列-在下面进一步详细讨论的-在大多数情况下是位于该光插入层的这些光学出口与该光导层的第一表面之间的物理界面处，但这不是必然的情况)。该光导层还包括与该第一表面相对的一个第二表面。该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层(通过光学孔隙)的光经由一系列反射被引导穿过该光导层到达至少一个光导层光学输出表面。这些反射可以是由足以引起它们的任何结构引起的，该结构不会实质性地妨碍光从该光插入层通过这些光学孔隙进入至该光导层中。能够引起这类反射的结构的非限制性实例是作为具有不同折射率的介质之间的边界表面的第一和第二表面(以使得在这些表面处将发生全内反射)和/或已经(至少部分地)涂覆有一种反射材料(如一种金属或一种电介质)的第一和第二表面。如与该光插入层的情况一样，该光导层可以是由多种适合的材料或其组合制成的，如玻璃和聚合物(如PMMA、硅酮、COP以及COC)。

在一些实施例中，该光导层的第一表面大体上是扁平的。在其他实施例中，该光导层的第一表面包括一系列凸出部，在这些凸出部处形成这些光学孔隙的至少一部分。在另外的其他实施例中，该光导层的第一表面包括一系列缺口，在这些缺口处形成这些光学孔隙的至少一部分。

在一些实施例中，该光导层是楔形的。在其他实施例中，该光导层是扁平的。在另外的其他实施例中，该光导层被成形为扁平的或楔形的之外的形状，例如像喇叭状的。

在一些实施例中，该光导层的第一和第二表面中的至少一个是阶梯式的。

在一些实施例中，该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由全内反射被引导穿过该光导层到达该至少一个光导层光学输出表面。变形的光学耦合元件如以上所指出，将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列是由至少一个变形的光学耦合元件形成的。在本背景下，一个“光学耦合元件”是一个固体的、光学透射性结构，该结构是与另一个光学透射性结构处于物理接触(例如，通过直接接触)。在该光学耦合元件与另一个光学透射性结构之间的接触界面处的压力形成这个或这些光学孔隙，从而允许一个结构中的光穿过该界面至另一个结构中，而没有对于该光的路径造成任何材料阻碍。与常规平面式太阳能集光器相比，光传输的效率可以因此被保持或改善。

这些变形的光学耦合元件可以是与该平面式太阳能集光器的其他结构(例如，该光插入层、该光导层)分开的结构，或它们可以是该平面式太阳能集光器的其他结构(例如，该光插入层、该光导层)的部分或其某种组合。因此，在一些实施例中，该至少一个变形的光学耦合元件是安置于该光插入层与该光导层之间并且将该光插入层的这些光学出口中的每个光学地耦合至该光导层的第一表面。在一些其他实施例中，该至少一个变形的光学耦合元件是该光插入层的这些光学出口中的每个的至少一部分。仍然在一些实施例中，该至少一个光学耦合元件是该光导层的第一表面的至少一部分。

因此，在一些实施例中，该至少一个光学耦合元件是化学地和/或机械地粘结(并且由此光学地耦合)至该光插入层或该光导层中的(至少)一个，例如，经由一种包覆模制方法。在本说明书的背景下“包覆模制”是这样一种方法：通过该方法一种第二材料(例如，一种热塑性弹性体)被按以下方式模制(例如，典型地注射模制)到一种第一材料(例如，硬质塑料或玻璃，它可以是例如已经被注射模制或以另外的方式成型的)上，其方式使得第二材料被机械地和/或化学地粘结至该第一材料上。在该光学耦合元件是被包覆模制或以另外方式粘结至该光插入层或该光导层中的一个上时，出于本说明书的大多数目的，该光学耦合元件成为那一层的部分。因此，在该平面式太阳能集光器的制作过程中，一个或多个光学孔隙将形成在该光插入层和该光导层中具有粘结到其上的这个或这些光学耦合元件的一个层与该光插入层和该光导层中的另一个层之间的接触界面处(该光学耦合元件变形的地方)，从而使这些层直接地光学耦合以使得光不必穿过它们之间的一个空气间隙(例如)来离开这些层中的一个并且进入另一个。

在其他实施例中，该至少一个光学耦合元件是安置于该光插入层与该光导层之间，但既不化学地也不机械地粘结至这些层中的任一个上。在这类实施例中，该光学孔隙阵列是具有多个光学孔隙的一个多维阵列，该多维阵列至少包括在该光插入层与该变形的光学耦合元件之间的、光通过其离开该光插入层的多个界面(即，接触区域)的一个第一子阵列，以及在该变形的光学耦合元件与该光导层之间的、光通过其进入该光导层的多个界面的一个第二子阵列。(在本说明书的背景下，为便于参考，光学孔隙的第一子阵列有时可以被称为“光插入层出口光学孔隙”并且光学孔隙的第二子阵列有时可以被称为“光导层进入光学孔隙”。)以这种方式，经由该至少一个变形的光学耦合元件的中介作用，该光插入层可以光学地耦合至该光导层，从而允许光在它们之间传播而不穿过一个空气间隙。(在其他实施例中，例如像光学地在该光插入层与该光导层之间存在多个光学活性结构的那些实施例中，可以存在具有多个光学孔隙的另外的子阵列。)

在本说明书的背景下，表述“至少一个变形的光学耦合元件”意在包括以下两种实施例，即其中存在直接地将该光插入层耦合至该光导层并且形成光学孔隙阵列的一个单一物理光学耦合结构的实施例，以及其中存在使这两个层(无论它们是复合结构或多个离散结构)直接地耦合并且形成光学孔隙阵列(无论是在一对一基础上或以另外方式)的多个物理光学耦合结构的实施例。因此，在一些实施例中，该至少一个变形的光学耦合元件是一个单一光学耦合元件，该元件形成将该光插入层和该光导层光学地互连的光学孔隙的阵列。在一些其他实施例中，该至少一个变形的光学耦合元件是多个光学耦合元件，该多个光学耦合元件中的每一个形成将该光插入层和该光导层光学地互连的光学孔隙阵列的这些光学孔隙中的至少一个。

在本背景下当在以下情况时，一个光学耦合元件是“变形的”(或“可变形的”)：在制造该平面式太阳能集光器的过程中，典型地由于使该光插入层物理地与该光导层相接触，该光学耦合元件的形状发生改变(或在可变形的情况下是可改变的)。这种形状上的变化允许该光学耦合元件更好地符合将与它处于物理接触的该集光器的这些结构。在本背景下是可变形的材料的非限制性实例是具有在肖氏(Shore)00标度上为20-60或在肖氏O标度上为1-14的范围内的硬度的硅酮、以及具有在布氏(Brinell)标度为上1-35或在洛氏(Rockwell)M标度上为75-100的范围内的硬度的注射模制的Evonik^TM8N。

在一些实施例中，该变形的光学耦合元件是弹性的(即如果该太阳能集光器被(至少部分地)拆卸(例如，该光插入层和该光导层被从彼此上去除)，它将恢复其初始形状。)在其他实施例中，该变形的光学耦合元件是非弹性的。在该变形的光学耦合元件是弹性的一些实施例中，它是弹性体型的。在这类实施例的一些中，该变形的光学耦合元件是硅酮。

如以上所指出，在一些实施例中，该光插入层的这些光学改向元件中的每个具有位于与该光学改向元件相关联的光学孔隙之之处或其附近的一个焦点。(例如，在该光插入层或该光导层内该焦点是位于该光学耦合元件内或邻近它)。以这种方式，进入该光插入层的光将被这些光学改向元件改向以便穿过这些孔隙直接地进入至该光导层中(例如，减少由于(例如)当光进入该光插入层时的背散射作用所致的损失)。由于该孔隙是只在当(例如)该光插入层和该光导层被置于一起时该光学耦合元件发生变形的时候产生，这允许它们之间的上述“游隙”，该游隙减少它们在制造和/或对准时必须具有的精密度和准确度。

一些实施例的这些改向元件和这些可变形的元件按以下方式被构造和相对于彼此安排，即：在太阳能集光器组装过程中，在该可变形的元件将发生变形的大多数(如果不是全部)方式中，该改向元件的焦点将是相对于该孔隙而定位的，以便使穿过该孔隙的光最大化。(例如，该焦点可以是在该孔隙处或与它不显著地间隔开。)这与未在设计中结合任何类似灵活性的现有技术设计相反，即现有技术设计被设计成使得当最终装置被组装时这些改向表面的这些焦点必须位于一个特定位置中，否则从该光插入层穿过至该光导层的光将不会被最大化、或将完全不会进入该光导层。因此，就上文提及的现有技术平面式太阳能集光器的制造和组装而言所要求的精密度和准确度是必需的。在这些现有技术设计中，在它们的这些层之间不存在游隙。如果这些层被误制造或误组装，则进入该光插入层的一些(如果不是全部)光将被损失并且将不能被收获。

其他任选特征

在一些实施例中，该太阳能集光器进一步包括至少一个次级光学元件，该次级光学元件与该光导层的至少一个光学输出表面并且与该至少一个太阳能收集器处于光学联通。这可以是以下情况：例如，在一些实施例中，其中，取决于(例如)该光导层的构造和穿过它的光的量，产生了显著量的热量。取决于该光导层的构造的这种或这些种材料，这一量值的热量可以对该光导层造成损害。因此，可以存在由一种更耐热材料(例如，典型地一种玻璃)制成的一个次级光学元件，以便将来自这个或这些光导层输出表面的光引导至可以将其收获的一个区域。次级光学元件在平面式太阳能集光器中还具有其他用途。

在一些实施例中，该太阳能集光器进一步包括至少一个可变形的光学耦合元件，该光学耦合元件使该光导层的该至少一个光学输出表面耦合至该至少一个次级光学元件的一个输入表面。这样一种结构可以(例如)在制造过程中提供增加的容差和/或改进光从该光导层至该至少一个次级光学器件的传输效率。

在一些实施例中，该太阳能集光器进一步包括至少一个太阳能收集器，该太阳能收集器与该光导层的该至少一个光学输出表面处于光学联通，以用于接收已经被引导穿过该光导层的光。(这种联通可以是直接的或可以是经由例如一个三级光学元件。)在这类实施例的一些中，该太阳能收集器是一个光伏电池。

制作平面式太阳能集光器的方法

在一个另外方面，提供的是一种制作太阳能集光器的方法。该方法包括：(1)将至少一个可变形的光学耦合元件定位于以下二者之间：(i)一个大致上平面式的太阳能集光器光插入层。该光插入层具有透光性材料并且包括具有多个光学改向元件的一个阵列和具有多个光学出口的一个阵列。这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通。这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口。(ii)一个大致上平面式的太阳能集光器光导层。该光导层具有透光性材料、用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光的一个第一表面、以及与该第一表面相对的一个第二表面。该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层到至少一个光导层光学输出表面。该可变形的光学耦合元件被定位成使得当变形时，该至少一个可变形的光学耦合元件将该光插入层的这些光学出口中的每个光学地耦合至该光导层的第一表面，从而形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列。(2)并且，使该至少一个可变形的光学耦合元件变形，由此形成将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。

在一个另外方面，提供的是一种制作太阳能集光器的方法。该方法包括：(1)定位(i)一个大致上平面式的太阳能集光器光插入层。该光插入层具有透光性材料、具有多个光学改向元件的一个阵列、以及具有多个光学出口的一个阵列。这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通。这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光经由反射进行改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口。(ii)以及，大致上平面式的太阳能集光器光导层。该光导层具有透光性材料、用于接收通过这些光学出口而离开该光插入层的光的一个第一表面、以及与该第一表面相对的一个第二表面。该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层到达至少一个光导层光学输出表面。该光插入层的这些光学出口的至少一部分能够将该光插入层变形地光学地耦合至该光导层的第一表面，从而形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列。该定位是使得，当该光插入层的这些光学出口发生变形时，形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列。(2)并且，使该光插入层的这些光学出口的至少一部分变形，由此形成将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。

本发明的实施例各自具有上述目的和/或方面中的至少一个，但不一定具有它们的全部。应该理解的是由于试图达到上述目的而已经得到的本发明的一些方面可能不满足这个目的和/或可能满足未在此具体地详述的其他目的。

本发明的实施例的另外和/或替代的特征、方面、以及优点将从以下说明、附图、以及附加权利要求中变得清楚。

附图说明

为了更好地理解本发明连同它的其他方面和进一步的特征，参考与附图结合使用的以下说明，其中：

图1是一个现有技术平面式太阳能集光器的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面。

图2A是一个平面式太阳能集光器的第一实施例的横截面。

图2B是图2A的平面式太阳能集光器的、由图2A中的虚椭圆2B指示的那部分的特写图。

图3A是一个平面式太阳能集光器的第二实施例的横截面。

图3B是图3A的平面式太阳能集光器的、由图3A中的虚椭圆3B指示的那部分的特写图。

图3C是与图3B中所示相似的一个平面式太阳能集光器的一部分的特写图，该平面式太阳能集光器是该第二实施例的一个替代子实施例。

图4A是一个平面式太阳能集光器的第三实施例的横截面。

图4B是图4A的平面式太阳能集光器的、由图4A中的虚椭圆4B指示的那部分的特写图。

图5A是一个平面式太阳能集光器的第四实施例的横截面。

图5B是图5A的平面式太阳能集光器的、由图5A中的虚椭圆5B指示的那部分的特写图。

图6A是一个平面式太阳能集光器的第五实施例的横截面。

图6B是图6A的平面式太阳能集光器的、由图6A中的虚椭圆6B指示的那部分的特写图。

图7A是本发明的一个平面式太阳能集光器的第六实施例的横截面。

图7B是图7A的平面式太阳能集光器的、由图7A中的虚椭圆7B指的那部分的特写图。

图8A是一个平面式太阳能集光器的第七实施例的横截面。

图8B是图8A的平面式太阳能集光器的、由图8A中的虚椭圆8B指示的那部分的特写图。

图9是一个太阳能集光器的第八实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图10是一个太阳能集光器的第九实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图11是一个太阳能集光器的第十实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图12是一个太阳能集光器的第十一实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图13是一个太阳能集光器的第十二实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图14A是一个平面式太阳能集光器的第十三实施例的横截面。

图14B是图14A的平面式太阳能集光器的顶透视图。

图15A是一个平面式太阳能集光器的第十四实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图15B是图15A的平面式太阳能集光器的、由图15A中的虚椭圆15B指示的那部分的特写图。

图15C是图15A的平面式太阳能集光器的、由图15A中的虚椭圆15C指示的那部分的特写图。

图15D是图15A的平面式太阳能集光器的、由图15A中的虚椭圆15D指示的那部分的特写图。

图16是一个平面式太阳能集光器的第十五实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的一部分的示意图。

图17是平面式太阳能集光器的第十六实施例的光导层的一部分的横截面。

图18是一个平面式太阳能集光器的第十七实施例的光导层的一部分的横截面。

图19是平面式太阳能集光器的第十八实施例的光导层的一部分和次级光学器件的一部分的横截面。

图20A是一个平面式太阳能集光器的第十九实施例的横截面。

图20B是图20A所示的平面式太阳能集光器的横截面的一部分的分解视图。

具体实施方式

第一实施例：参考图2A和2B，示出了第一实施例、即一个太阳能集光器110的横截面。该太阳能集光器110大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线149径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器110具有一个光插入层112、一个光导层114、一个次级光学耦合元件142以及一个次级光学元件144。另外，在中央轴线149附近，一个光伏电池146与太阳能集光器110的次级光学元件144处于光学联通。以下将依次地进一步详细描述每一个上述结构。

在这个实施例中，该光插入层112是一个盘状的复合结构，它由一个第一子层150和一个第二子层152构成。该第一子层150是盘状的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。该第二子层152由一系列可变形的透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体172构成。这些环形本体172是由例如一种聚合物材料(例如硅酮)制成，该聚合物材料已经经由一种(注射模制)包覆模制工艺被粘结至第一子层150上并且是在其间的平面式界面168处。确切地讲，在横截面中，饼形本体172各自具有一个平面式的边缘表面170；一个表面160，该表面在横截面中具有抛物线的一个节段的形状；以及一个(相对小的)平面式界面159，该平面式界面在太阳能集光器110的制作过程中当光插入层112被置于与光导层114相接触中并且向其施加足够的压力时已经发生变形。平面式界面159是环形的并且将在下文进一步详细描述。

光插入层112还具有一个圆形的光学进入表面116。该光学进入表面116是第一子层150的最上部表面，并且通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器110并进入光插入层110。光学进入表面116具有两个部分，即第一部分154和第二部分156。该第一部分154是环形的并且包括具有多个环形透镜148的一个阵列(在以下进一步详细描述)，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。该第二部分156是圆形的，并且在横截面中大体上是几何学上的平面式的。

光插入层112包括具有多个环形复合光学改向元件118的一个阵列。在横截面中，这些光学改向元件118各自是由以下形成：(i)光学进入表面116的第一部分154的具有多个透镜148的阵列中的一个透镜148；和(ii)位于透镜148下方、与这个透镜148相关联的一个抛物线节段表面160。

在这个实施例中，透镜148是凸透镜(在横截面中)，这些凸透镜将照射在光学进入表面116上的入射光112改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面160。在已经被这些透镜集中之后，光158然后行进通过第一子层150到达界面168并且穿过界面168。在这个实施例中，形成第一子层150和第二子层152的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过界面168时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。(在其他实施例中，折射率不匹配，并且将这种折射考虑在内来设计这些饼形本体172，使得光将由透镜148聚焦到抛物线节段表面160上。)在已经穿过界面168之后，光174然后行进通过第二子层152(即，通过这些大体上饼形的本体172之一)到达这些本体172之一的抛物线节段表面160。光174然后被反射(经由本体172中的硅酮与光插入层112和光导层114之间空气间隙128中的空气的折射率差异所引起的全内反射)离开抛物线节段表面160而朝向界面159。这是由于抛物线节段表面160(在横截面中)的焦点是在界面159之处或其附近(其中该焦点是确切地取决于许多因素，包括：抛物线节段表面160的形状和位置、饼形本体172的形状、光导层114的第一表面130的形状、将光插入层112和光导层114置于一起的力、以及饼形本体172的可变形性)。

在这个实施例中，由于这些饼形本体172是光插入层112的一部分，因此这些本体172中的每一个的各自界面159形成该光插入层112的一个光学出口120，使得光插入层112包括具有多个光学出口的一个阵列。在这个实施例中，这些光学出口120，与光导层114的第一表面130(以下进一步详细描述)相结合，形成具有多个环形光学孔隙176的一个阵列，通过该阵列，光124离开光插入层112并且进入光导层114。相对于饼形本体172的大小，饼形本体172的平面式界面159的面积是较小的，从而减少(先前已经进入光导层114并且行进通过其中的)将通过光学孔隙176之一逃离光导层114并且因此不可收获的光的量。

在这个实施例中，光导层114是环形的，并且是由一种透光性材料(例如玻璃或注射模制的PMMA)制成。光导层114具有一个主体140，该主体以一个环形第一表面130、与该第一表面130相对的一个环形第二表面162、以及一个具有截锥形状的光学输出表面164为界。第一表面130和第二表面162在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙176(形成在光学出口120与第一表面130之间的接触界面处)从该光插入层进入光导层114的光166通过一系列多重全内反射被引导通过光导层114的主体140，到达光学输出表面164。

应理解的是，上述光学活性元件即光插入层112和光导层114中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得该光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器110优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层112与光导层114的对准中不要求与在光插入层012与光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙176是只在光插入层112和光导层114被置于一起并且饼形环形本体172经由与平面式的第一表面130相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面160被成形和定位为使得它们的焦点将处于如此产生的光学孔隙176之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于光导层114的第一表面130是平面式的，因此可以容忍光插入层112相对于光导层114的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个饼形本体172可以单独变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层112的制造容差是大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层114的光学输出表面164处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件144。在这个实施例中，该次级光学元件144是由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件144经由全内反射将离开光导层114(通过其光学输出表面164)的光引导至一个光伏电池146(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层114的光学输出表面164耦合至次级光学元件144的是一个可变形的环形次级光学耦合元件142。在这个实施例中，该可变形的次级光学耦合元件142是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成并且被包覆模制到光导层114的输出表面164或次级光学元件144的光学进入表面143中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件142可以被布置在光导层114的输出表面164与次级光学元件144的光学进入表面143之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层114的输出表面164和次级光学元件144的光学进入表面143中的任一个或两者上)。

第二实施例：参考图3A和3B，示出了第二实施例、即一个太阳能集光器210的横截面。该太阳能集光器210大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线249径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器210具有一个光插入层212；一个光导层214，该光导层包括一个变形的光学耦合元件219；一个次级光学耦合元件242；以及一个次级光学元件244。另外，在中央轴线249附近，一个光伏电池246与太阳能集光器210的次级光学元件244处于光学联通。

在这个实施例中，该光插入层212是一个盘状的结构，它具有一个大体上平面式的第一部分250和一个第二部分252，该第二部分是从第一部分250延伸的一系列的透光性的略微呈饼形的(在横截面中)环形本体272。光插入层212是由一种透光性材料(例如玻璃或注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，饼形本体272各自具有一个平面式边缘表面270、一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面260、以及一个远端265。饼形本体272的远端265形成一个环形(相对小)的平面式界面259。

光插入层212还具有一个圆形的光学进入表面216。该光学进入表面216是第一部分250的最上部表面，并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器210并进入光插入层110的表面。光学进入表面216具有两个部分，即第一部分254和第二部分256.该第一部分254是环形的并且包括具有多个环形透镜248(在以下进一步详细描述)的一个阵列，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。该第二部分256是圆形的，并且在横截面中大体上是几何学上的平面式的。

光插入层212包括具有多个环形复合光学改向元件218的一个阵列。在横截面中，这些光学改向元件218各自是由以下形成：(i)光学进入表面216的第一部分254的具有多个透镜248的阵列的一个透镜248；和(ii)位于透镜248下方、与这个透镜248相关联的一个抛物线节段表面260。

在这个实施例中，透镜248是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面216上的入射光222改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面260。在已经被透镜集中之后，光258然后行进通过光插入层212，到达这些本体272之一的抛物线节段表面260。光258然后被反射(经由形成饼形本体272的材料与空气间隙228(在光插入层212与光导层214之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面260朝向饼形本体272的远端265。远端265形成该光插入层212的一个光学出口220。(该光学出口220还可以包括在远端265附近的抛物线节段表面260和/或平面式边缘表面270的多个部分。)光224被这样导向，是因为抛物线节段表面260(在横截面中)的焦点大体上是定位于远端265之处或其附近。

在这个实施例中，光导层214是环形的，并且是由一种刚性的透光性材料(例如像玻璃或注射模制的PMMA)和一种可变形的透光性材料(硅酮)制成。该光导层的主体240具有一个环形顶表面231，一个可变形的光学耦合元件219被粘结在该表面上。该可变形的光学耦合元件219是可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被粘结在主体240上(例如经由包覆模制或一种光学粘结剂)。(适合的光学粘结剂的非限制性实例包括透明或澄清的NuSil^TMLightSpan^TM；Dow Corning^TMPV系列涂料、封装剂以及灌封剂，以及Silastic^TM和Sylgard^TM硅酮弹性体和凝胶；ACC^TMQ-Sil、Q-Gel以及SE系列封装剂和凝胶；Wacker^TMElastosil^TM硅酮树脂；以及Quantum Silicones^TMQSil、QGel以及Tuf-Gel系列硅酮弹性体和凝胶)。光导层214的光学耦合元件219和主体240的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过顶表面231时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。光导层214以一个环形第一表面230(为光学耦合元件219的顶表面299)、与第一表面230相对的一个环形第二表面262、以及一个具有截锥形状的光学输出表面264为界。第一表面230和第二表面262在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙276(以下进行描述)从光插入层212进入光导层214的光266通过一系列多重全内反射被引导通过光导层214的主体240和光学耦合元件219，到达光学输出表面264。

在太阳能集光器210的制作过程中，将光插入层212与光导层214对准并且按压在其上，使得光插入层212的饼形本体272的远端265进入与硅酮层219的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端265被按压在硅酮层219上达到以下程度：本体272的光学出口220与光学耦合元件219完全处于直接接触。因此具有多个光学孔隙276的一个阵列被形成在光学出口220与变形的光学耦合元件219之间的接触界面259处(一个孔隙276与一个远端265相关联)，通过其光学出口220离开光插入层212的光263将穿过这些接触界面并且进入其光导层214(通过第一表面230)。

图3C示出与图3B的视图相似的一个替代实施例的视图，该替代实施例是用于一种平面式太阳能集光器的说明目的的一个实例，在该平面式太阳能集光器中光插入层212和光导层214是未对准的。(这种未对准已出于说明目的在该图中被放大。)在这个图中，示出的是在饼形本体272的远端265不与光学耦合元件219形成物理接触的情况下，未形成光学孔隙，并且光224b经由全内反射(由于光插入层212的材料与空气间隙228之间的折射率差异)以如下方式被反射：反射的光266b将不进入光导层214并且将不可收获。另一方面，在远端265(和平面式表面270的一部分)与光学耦合元件219处于接触的情况下，一个光学孔隙276被形成在光学出口220与光导层214的第一表面230(光学耦合元件219的顶表面299)之间的接触界面259处，并且光224a被反射以便插入到光导层214之中，从而可供收获(被示为光266a)。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层212、光导层214(包括变形的光学耦合元件219)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器210优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层212与光导层214的对准中不要求与在光插入层012与光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙276是只在光插入层212与光导层214被置于一起并且硅酮层219经由与饼形本体272的远端265相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面260被成形和定位为使得它们的焦点将处于如此产生的光学孔隙276之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于硅酮层219大体上是平面式的，因此可以容忍光插入层212相对于光导层214的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个饼形本体272可以单独地使硅酮层219在它们的接触区域中变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层212的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层214的光学输出表面264处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件244。在这个实施例中，该次级光学元件244是由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件244经由全内反射将离开光导层214(通过其光学输出表面264)的光引导至一个光伏电池246(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层214的光学输出表面264耦合至次级光学元件244的是一个可变形的环形次级光学耦合元件242。该可变形的次级光学耦合元件242是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物被例如包覆模制到光导层214的输出表面264或次级光学元件244的光学进入表面243中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件242可以被布置在光导层214的输出表面264与次级光学元件244的光学进入表面243之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层214的输出表面264和次级光学元件244的光学进入表面243中的任一个或两者上)。

第三实施例：参考图4A和4B，示出了第三实施例、即太阳能集光器310的横截面。该太阳能集光器310大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线349径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器310具有一个光插入层312；一个光导层314，该光导层包括一个变形的光学耦合元件319；一个次级光学耦合元件342；以及一个次级光学元件344。另外，在中央轴线349附近，一个光伏电池346与太阳能集光器310的次级光学元件344处于光学联通。

在这个实施例中，该光插入层312是一个盘状的结构，它具有一个大体上平面式的第一部分350和一个第二部分352，该第二部分是从第一部分350延伸出的一系列的透光性的略微呈锥形的(在横截面中)环形本体372。光插入层312是由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，锥形本体372各自具有一个第一表面360，该第一表面在横截面中具有抛物线的一个节段的形状；一个第二表面361(与该第一表面360相对)，该第二表面在横截面中也具有抛物线的形状；以及一个远端365。这些锥形本体372的远端365在横截面中是一个环形(相对小)的平面式表面。

光插入层312还具有一个圆形的光学进入表面316。该光学进入表面316是第一部分350的最上部表面，并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器310并进入光插入层312的表面。光学进入表面316具有两个部分，即第一部分354和第二部分356。该第一部分354是环形的并且包括具有多个环形透镜348(在以下进一步详细描述)的一个阵列，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。该第二部分356是圆形的，并且在横截面中大体上是几何学上的平面式的。

光插入层312包括具有多个环形复合光学改向元件318的一个阵列。在横截面中，这些光学改向元件318各自是由以下形成：(i)光学进入表面316的第一部分354的具有多个透镜348的阵列中的一个透镜348；和(ii)一个第一抛物线型表面360和它的相对第二抛物线型表面361，这两个抛物线型表面均与透镜348相对应并且定位于其下方。

在这个实施例中，透镜348是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面316上的入射光322改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面360、361之一。已经被透镜348集中之后，光358然后行进通过光插入层312，到达抛物线型表面360或361中的一个，这取决于光322相对于透镜348的初始位置。在图4B所示的具体实例中，该光358然后被反射(经由光插入层312与光导层314之间的空气间隙328所引起的全内反射)而离开抛物线型表面360，朝向锥形本体372的远端365。远端365形成该光插入层212的一个光学出口320。(该光学出口320还可以包括在远端365附近的第一抛物线节段表面360的多个部分和/或第二抛物线节段表面361的多个部分。)光324被这样导向，是因为第一抛物线节段表面360(在横截面中)的焦点大体上是位于远端365之处或其附近，并且第二抛物线节段表面361(在横截面中)的焦点大体上是位于远端365之处或其附近。

在这个实施例中，光导层314是环形的，并且由一种刚性的透光性材料(例如玻璃或注射模制的PMMA)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如像硅酮)制成。光导层314的主体340是由该刚性的透光性材料制成，并且具有一个环形顶表面331，一个可变形的光学耦合元件319被粘结在该表面上。该可变形的光学耦合元件319是具有该可变形的透光性材料(例如像硅酮)的一个薄片，它已经被例如包覆模制在主体340上。形成光导层314的光学耦合元件319和主体340的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过顶表面331时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。光导层314以一个环形第一表面330(为光学耦合元件319的第一表面399)、与该第一表面330相对的一个环形第二表面362、一个环圆周的圆柱形边缘378、以及一个具有截锥形状的光学输出表面364为界。第一表面330和第二表面362在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙376(以下进行描述)在朝向中央轴线349的方向上从光插入层312进入光导层314的光366(即已经被反射离开第一抛物线节段表面360的光324)通过一系列多重全内反射被引导通过光导层314的主体340和光学耦合元件319，到达光学输出表面364。通过光学孔隙376在远离中央轴线349的方向上从光插入层312进入光导层314的光367(即，已经被反射离开第二抛物线型表面361的光)通过一系列多重全内反射被引导通过光导层314的主体340和光学耦合元件319，到达环圆周的圆柱形边缘378。光367然后被反射性的涂覆的环圆周式圆柱形边缘378在相反的方向上反射回到主体340中，并且因此光367通过一系列的全内反射被引导至光学输出表面364。

在太阳能集光器310的制作过程中，将光插入层312与光导层314对准并且按压在其上，使得光插入层312的锥形本体372的远端365进入与硅酮层319的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端365被按压在硅酮层319上达到以下程度：本体372的光学出口320与光学耦合元件319完全处于直接接触。因此，具有多个光学孔隙376的一个阵列被形成在光学出口320与变形的光学耦合元件319之间的接触界面359处(一个孔隙376与一个远端365相关联)，通过其光学出口320离开光插入层312的光366将穿过这些接触界面并且进入光导层312(通过其第一表面330)。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层312、光导层314(包括变形的光学耦合元件319)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器310优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层312与光导层314的对准中不要求与在现有技术光插入层012与现有技术光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙376是只在光插入层312和光导层314被置于一起并且光学耦合元件319的硅酮层经由与锥形本体372的远端365相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面360、361被各自成形和定位为使得它们的焦点将处于如此产生的光学孔隙376之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于硅酮层319大体上是平面式的，因此可以容忍光插入层312相对于光导层314的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个锥形本体372可以单独地使硅酮层319在它们的接触区域中变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层312的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层314的光学输出表面364处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件344。在这个实施例中，该次级光学元件344是由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件344经由全内反射将离开光导层314(通过其光学输出表面364)的光引导至一个光伏电池346(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层314的光学输出表面364耦合至次级光学元件344的是一个可变形的环形次级光学耦合元件342。该可变形的次级光学耦合元件342是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物已经被例如包覆模制到光导层314的输出表面364或次级光学元件344的光学进入表面343中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件342可以被组装在光导层314的输出表面364与次级光学元件344的光学进入表面343之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层314的输出表面364和次级光学元件344的光学进入表面343中的任一个或两者上)。

第四实施例：参考图5A和5B，示出了第四实施例、即太阳能集光器410的横截面。该太阳能集光器410大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线449径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器410具有一个光插入层412、一个光导层414、一个次级光学耦合元件442以及一个次级光学元件444。另外，在中央轴线449附近，一个光伏电池446与太阳能集光器410的次级光学元件444处于光学联通。以下将依次地进一步详细描述上述每一个结构。

在这个实施例中，该光插入层412是一个盘状的复合结构，它是由一个第一子层450和一个第二子层452构成。该第一子层450是盘状的并且由一种刚性的透光性材料(例如注射模制的PMMA)制成。该第二子层452是由一系列可变形的透光性的略微呈锥形(在横截面中)的环形本体472构成。在这个实施例中，这些锥形本体472已经由一种聚合物材料(例如硅酮)注射模制而成，并且已经经由一个包覆模制工艺被粘结至第一子层450上并且是在其间的平面式界面468处。确切地讲，在横截面中，锥形本体472各自具有一个第一表面460，该第一表面在横截面中具有抛物线的一个节段的形状；一个第二表面461(与该第一表面460相对)，该第二表面在横截面中具有抛物线的形状；以及一个(相对小的)平面式界面459，该平面式界面459在太阳能集光器410的制作过程中当光插入层412被置于与光导层414的接触中并且向其施加足够的压力时已经发生变形。平面式界面459是环形的并且将在下文进一步详细描述。

光插入层412还具有一个圆形的光学进入表面416。该光学进入表面416是第一子层450的最上部表面，并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器410并进入光插入层412的表面。光学进入表面416具有两个部分，即第一部分454和第二部分456。该第一部分454是环形的并且包括具有多个环形透镜448(在以下进一步详细描述)的一个阵列，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。该第二部分456是圆形的，并且在横截面中大体上是几何学上的平面式的。

光插入层412还包括具有多个复合光学改向元件418的一个阵列。每一个光学改向元件418是由具有多个透镜448的阵列中的一个透镜448以及对应于该透镜448并定位于其下方的抛物线型表面460和461形成。

透镜448是凸透镜，它们将入射光422/423(经由折射)改向和集中而朝向这个透镜的相对应的抛物线型表面460或461(视情况而定)。已经被透镜448集中之后，光458/457然后行进通过光插入层412。

在这个实施例中，透镜448是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面416上的入射光422/423改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面460或461(视情况而定)。在已经被透镜集中之后，光458/457然后行进通过第一子层450到达界面468并且穿过界面468。形成第一子层450和第二子层452的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过界面468时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。(在其他实施例中，如果折射率不匹配，可以将这种折射考虑在内来设计锥形本体472，使得光将由透镜聚焦到抛物线节段表面460或461上。)在已经穿过界面468之后，光474/475然后行进通过第二子层452(即通过大体上锥形的本体472之一)，到达抛物线型表面460或461中的一个，这取决于哪一个抛物线型表面460或461位于这个透镜448下方以及入射光422/423相对于光学进入表面416的位置。在图5B所示的具体实例中，光475然后被反射(经由本体472中的硅酮与光插入层412和光导层414之间的空气间隙428中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面461朝向界面459。这是由于抛物线节段表面461(在横截面中)的焦点是在界面459之处或其附近(其中该焦点是确切地取决于许多因素，包括：抛物线节段表面461的形状和位置、锥形本体472的形状、光导层414的第一表面430的形状、将光插入层412和光导层414置于一起的力、以及锥形本体472的可变形性)。

在这个实施例中，由于锥形本体472是光插入层412的一部分，因此这些本体472中的每一个的各自界面459形成该光插入层412的一个光学出口420，使得光插入层412包括具有多个光学出口420的一个阵列。在这个实施例中，光学出口420，与光导层414的第一表面430(以下进一步详细描述)相结合，形成具有多个环形光学孔隙476的一个阵列，通过该阵列，光424/425离开光插入层412并且进入光导层414。相对于锥形本体472的大小，锥形本体472的平面式界面459的面积是较小的，从而减少(先前已经进入光导层414并且行进通过其中的)将通过多个光学孔隙476之一逃离光导层414并且因此不可收获的光的量。

在这个实施例中，光导层414是环形的，并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。光导层414具有一个主体440，该主体以一个环形第一表面430、与该第一表面430相对的一个环形第二表面462、一个环圆周的圆柱形边缘478、以及一个具有截锥形状的光学输出表面464为界。第一表面430和第二表面462在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙476(形成在光插入层412的光学出口420与光导层414的第一表面430之间的接触界面459处)在朝向中央轴线449的方向上从光插入层412进入光导层414的光466(即已经反射离开第一抛物线节段表面460的光424)通过一系列多重全内反射被引导通过光导层414的主体440，到达光学输出表面464。通过光学孔隙476在远离中央轴线449的方向上从光插入层412进入光导层414的光467(即，已经被反射离开第二抛物线型表面461的光425)通过一系列多重全内反射被引导通过光导层414的主体440，到达环圆周的圆柱形边缘478。光467然后被反射性的涂覆的环圆周式圆柱形边缘478在相反的方向上反射回到主体440中，并且因此光467通过一系列的全内反射被引导至光学输出表面464。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层412和光导层414中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器410优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层412与光导层414的对准中不要求与在现有技术光插入层012与现有技术光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学出口420和光学孔隙476是只在光插入层412和光导层414被置于一起并且锥形本体472经由与平面式的第一表面430相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面460、461被成形和定位为使得它们的焦点处于如此产生的光学孔隙476之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于光导层414的第一表面430是平面式的，因此可以容忍光插入层412相对于光导层414的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个锥形本体472可以单独变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层412的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层414的光学输出表面464处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件444。在这个实施例中，该次级光学元件444是由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件444经由全内反射将离开光导层444(通过其光学输出表面464)的光引导至一个光伏电池446(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层414的光学输出表面464耦合至次级光学元件444的是一个可变形的环形次级光学耦合元件442。该可变形的次级光学耦合元件442是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物已经被包覆模制到光导层414的输出表面464或次级光学元件444的光学进入表面443中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件442可以被组装在光导层414的输出表面464与次级光学元件444的光学进入表面443之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层414的输出表面464和次级光学元件444的光学进入表面443中的任一个或两者上)。

第五实施例：参考图6A和6B，示出了第五实施例、即太阳能集光器510的横截面。该太阳能集光器510大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线549径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器510具有一个光插入层512；一个光导层514，该光导层包括一个变形的光学耦合元件519；一个次级光学耦合元件542；以及一个次级光学元件544。另外，在中央轴线549附近，一个光伏电池546与太阳能集光器510的次级光学元件544处于光学联通。

在这个实施例中，该光插入层512是一个盘状的结构，它具有一个大体上平面式的第一部分550和一个第二部分552，该第二部分是从第一部分550延伸出的一系列的透光性的略微呈饼形的(在横截面中)环形本体572。光插入层512由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，本体572各自具有一个平面式边缘表面570、一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面560、以及一个远端565。这些饼形本体的远端565是一个环形(相对小)的平面式表面。

光插入层512还具有一个圆形的大体上平面式的光学进入表面516。该光学进入表面516是第一部分550的最上部表面，并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器510并进入光插入层512。

光插入层512包括具有多个环形光学改向元件518的一个阵列。在横截面中，每一个光学改向元件518由光插入层512的第二部分552的这些饼形本体572之一的抛物线节段表面560形成。

在这个实施例中，照射在光学进入表面516上的入射光522穿过其中并且行进(被示为光558)通过光插入层512，到达这些本体572之一的抛物线节段表面560。光558然后被反射(经由本体572的材料与空气间隙528(在光插入层512与光导层514之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面560朝向饼形本体572的远端565。远端565形成该光插入层512的一个光学出口520。(该光学出口520还可以包括在远端565附近的抛物线节段表面560和/或平面式边缘表面570的多个部分。)光524被这样导向，是因为抛物线节段表面560(在横截面中)的焦点大体上是位于远端565之处或其附近。

在这个实施例中，光导层514是环形的，并且由一种刚性的透光性材料(例如玻璃)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如硅酮)制成。光导层514的主体540是由该刚性的透光性材料制成，并且具有一个环形顶表面531，一个可变形的光学耦合元件519被粘结在该表面上。该可变形的光学耦合元件519是具有该可变形的透光性材料的一个薄片，它已经被例如包覆模制在主体540上。形成光导层514的光学耦合元件519和主体540的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过界面531时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。光导层514以一个环形第一表面530(为光学耦合元件519的顶表面599)、与第一表面530相对的一个环形第二表面562、以及一个具有截锥形状的光学输出表面564为界。第一表面530和第二表面562在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过第一表面530中的光学孔隙576(以下进行描述)从光插入层512进入光导层514的光566通过一系列多重全内反射被引导通过光导层514的主体540和光学耦合元件519，到达光学输出表面564。在太阳能集光器510的制作过程中，将光插入层512与光导层514对准并且按压在其上，使得光插入层512的饼形本体572的远端565进入与光学耦合元件519中的硅酮的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端565被按压在光学耦合元件519中的硅酮上达到以下程度：本体572的光学出口520与光学耦合元件519完全处于直接接触。因此，具有多个光学孔隙576的一个阵列被形成在光学出口520与变形的光学耦合元件519之间的接触界面559处(一个孔隙576与一个远端565相关联)，通过其光学出口520离开光插入层512的光566将穿过这些接触界面并且进入光导层514(通过其第一表面530)。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层512、光导层514(包括变形的光学耦合元件519)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器510优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层512与光导层514的对准中不要求与在现有技术光插入层012与现有技术光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙576是只在光插入层512和光导层514被置于一起并且光学耦合元件519的硅酮经由与饼形本体572的远端565相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面560被成形和定位为使得它们的焦点将处于如此产生的光学孔隙576之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于光学耦合元件519大体上是平面式的，因此可以容忍光插入层512相对于光导层514的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个饼形本体572可以单独地使硅酮层519在它们的接触区域中变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层512的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层514的光学输出表面564处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件544。在这个实施例中，该次级光学元件544由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件544经由全内反射将离开光导层514(通过其光学输出表面564)的光引导至一个光伏电池546(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层514的光学输出表面564耦合至次级光学元件544的是一个可变形的环形次级光学耦合元件542。该可变形的次级光学耦合元件542是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物已经经由一种非光学干涉的粘结剂被粘结至光导层514和次级光学元件544中的每一个上。该可变形的次级光学耦合元件542是由一种透光性聚合物材料(例如硅酮)制成，该聚合物已经被包覆模制到光导层514的输出表面564或次级光学元件544的光学进入表面543中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件542可以被组装在光导层514的输出表面564与次级光学元件544的光学进入表面543之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层514的输出表面564和次级光学元件544的光学进入表面543中的任一个或两者上)。

第六实施例：参考图7A和7B，示出了第六实施例、即太阳能集光器610的横截面。该太阳能集光器610大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线649径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器610具有一个光插入层612、一个光导层614、一个次级光学耦合元件642以及一个次级光学元件644。另外，在中央轴线649附近，一个光伏电池646与太阳能集光器610的次级光学元件644处于光学联通。以下将依次地进一步详细描述每一个上述结构。

在这个实施例中，该光插入层612是一个盘状的复合结构，它由一个第一子层650和一个第二子层652构成。该第一子层650是盘状的并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。该第二子层652是由一系列可变形的透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体672(例如，它们已经由聚合物材料如硅酮注射模制而成)构成，这些环形本体已经经由例如一种包覆模制工艺被粘结至第一子层650上并且是在其间的平面式界面668处。确切地讲，在横截面中，饼形本体672各自具有一个平面式边缘表面670；在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的一个表面660；以及一个(相对小的)平面式界面659，该平面式界面在太阳能集光器610的制作过程中当光插入层612被置于与光导层614的接触中并且向其施加足够的压力时已经发生变形。平面式界面659是环形的并且将在下文进一步详细描述。

光插入层612还具有一个圆形的大体上平面式的光学进入表面616。该光学进入表面616是第一部分650的最上部表面，并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器610并进入光插入层612。

光插入层612包括具有多个环形光学改向元件618的一个阵列。在横截面中，每一个光学改向元件618由光插入层612的第二部分652的这些饼形本体672之一的抛物线节段表面660形成。

在这个实施例中，照射在光学进入表面616上的入射光622穿过其中并且行进(被示为光658)通过第一子层650到达界面668并且穿过界面668。形成第一子层650和第二子层652的材料的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过界面668时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。(在其他实施例中，如果折射率不匹配，那么可以将这种折射考虑在内来设计饼形本体672，使得光将沿着以下详细描述的路径)。在已经穿过界面668之后，光674然后行进通过第二子层652(即，通过这些大体上饼形的本体672之一)到达这些本体672之一的抛物线节段表面660。光674然后被反射(经由本体672中的硅酮与光插入层612和光导层614之间的空气间隙628中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面660朝向界面659。这是由于抛物线节段表面660(在横截面中)的焦点是在界面659之处或其附近(其中该焦点是确切地取决于许多因素，包括：抛物线节段表面660的形状和位置、饼形本体672的形状、光导层614的第一表面630的形状、将光插入层612和光导层614置于一起的力、以及饼形本体672的可变形性)。

在这个实施例中，由于饼形本体672是光插入层612的一部分，因此这些本体672中的每一个的各自界面659形成该光插入层612的一个光学出口620，使得光插入层612包括具有多个光学出口620的一个阵列。在这个实施例中，光学出口620，与光导层614的第一表面630(以下进一步详细描述)相结合，形成具有多个环形光学孔隙676的一个阵列，通过该阵列，光624离开光插入层612并且进入光导层614。相对于饼形本体672的大小，饼形本体672的平面式界面659的面积是小的，从而减少(先前已经进入光导层614并且行进通过其中的)将通过这些光学孔隙676之一逃离光导层614并且因此不可收获的光的量。

在这个实施例中，光导层614是环形的，并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。光导层614具有一个主体640，该主体以一个环形第一表面630、与该第一表面630相对的一个环形第二表面662、以及一个具有截锥形状的光学输出表面664为界。第一表面630和第二表面662在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙676(形成在光学出口620与第一表面630之间的接触界面处)从该光插入层进入光导层614的光666通过一系列多重全内反射被引导通过光导层614的主体640，到达光学输出表面664。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层612和光导层614中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器610优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层612与光导层614的对准中不要求与在现有技术光插入层012与现有技术光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙676是只在光插入层612和光导层614被置于一起并且饼形本体672经由与平面式的第一表面630相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面660被成形和定位为使得它们的焦点处于如此产生的光学孔隙676之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于光导层614的第一表面630是平面式的，因此可以容忍光插入层612相对于光导层614的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个饼形本体672可以单独变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层612的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层614的光学输出表面664处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件644。在这个实施例中，该次级光学元件644由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件644经由全内反射将离开光导层614(通过其光学输出表面664)的光引导至一个光伏电池646(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层614的光学输出表面664耦合至次级光学元件644的是一个可变形的环形次级光学耦合元件642。该可变形的次级光学耦合元件642是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物已经被例如包覆模制到光导层614的输出表面664或次级光学元件644的光学进入表面643中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件642可以被布置在光导层614的输出表面664与次级光学元件644的光学进入表面643之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层614的输出表面664和次级光学元件644的光学进入表面643中的任一个或两者上)。

第七实施例：参考图8A和8B，示出了第七实施例、即太阳能集光器710的横截面。该太阳能集光器710大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线749径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器710具有一个光插入层712、一个光导层714、一个次级光学耦合元件742以及一个次级光学元件744。另外，在中央轴线749附近，一个光伏电池746与太阳能集光器710的次级光学元件744处于光学联通。以下将依次地进一步详细描述每一个上述结构。

在这个实施例中，该光插入层712是一个盘状的、复合结构，它由一个第一子层750、一个第二子层752、以及一个第三子层751构成。该第一子层750是盘状的并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。该第二子层752是由一系列可变形的透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体772(例如注射模制的聚合物材料，如硅酮)构成，这些环形本体已经经由例如一种包覆模制工艺被粘结至第一子层750上并且是在其间的平面式界面768处。确切地讲，在横截面中，饼形本体772各自具有一个平面式边缘表面；在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的一个表面760；以及一个(相对小的)平面式界面759，该平面式界面在太阳能集光器710的制作过程中当光插入层712被置于与光导层714的接触中并且向其施加足够的压力时已经发生变形。环形平面式界面759是环形的并且将在下文进一步详细描述。光插入层712的第三子层751是由一系列的环形平凸透镜748(由例如一种光学透射性聚合物制成，该聚合物例如但不限于硅酮、PMMA、环烯烃聚合物类或环烯烃共聚物类)构成，这些透镜已经经由例如一种包覆模制工艺在平凸透镜748的平面式界面769处粘结至第一子层750的上表面717上。

光插入层712还具有一个圆形的光学进入表面716。该光学进入表面716是(第一部分754的-以下描述)第三子层751的透镜748的凸表面，或(第二部分756的-以下描述)第一子层750的最上部表面。该光学进入表面是这样的表面：通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器710并进入光插入层712。光学进入表面716具有两个部分，即第一部分754和第二部分756。该第一部分754是环形的并且具有这一系列的环形平凸透镜748，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。该第二部分756没有透镜，并且是圆形的并且在横截面中大体上是几何学上的平面式的。

光插入层712包括具有多个环形复合光学改向元件718的一个阵列。在横截面中，这些光学改向元件718各自是由以下形成：(i)光学进入表面716的第一部分754的具有多个透镜748的阵列中的一个透镜748；和(ii)位于透镜748下方、与这个透镜748相关联的一个抛物线节段表面760。

在这个实施例中，透镜748是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面716上的入射光722改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面760。在已经被透镜748集中之后，光778然后行进通过第三子层751到达界面769并且穿过界面769。在穿过界面769之后，光758然后行进通过第一子层750到达界面768并且穿过界面768。在这个实施例中，形成第三子层751和第一子层750的材料的折射率是充分匹配的，使得光将穿过界面769，而不实质上改变其路径。同样地，在这个实施例中，第一子层750和第二子层752的折射率充分匹配，使得光将穿过界面768，而不实质上改变其路径。(在其他实施例中，第三子层751、第一子层750和/或第二子层752的任一个的材料的折射率不充分匹配，且因此透镜748和饼形元件772的形状和安排将解释在界面769和/或768(视情况而定)处发生的任何折射。)在已经穿过界面768之后，光774然后行进通过第二子层752(即，通过这些大体上饼形的本体772之一)到达这些本体772之一的抛物线节段表面760。光774然后被反射(经由本体772中的硅酮与光插入层712和光导层714之间的空气间隙728中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面760朝向界面759。这是由于抛物线节段表面760(在横截面中)的焦点是在界面759之处或其附近(其中该焦点是确切地取决于许多因素，包括：抛物线节段表面760的形状和位置、饼形本体772的形状、光导层714的第一表面730的形状、将光插入层712和光导层714被置于一起的力、以及饼形本体772的可变形性)。

在这个实施例中，由于饼形本体772是光插入层712的一部分，因此这些本体772中的每一个的各自界面759形成该光插入层712的一个光学出口720，使得光插入层712包括具有多个光学出口的一个阵列。在这个实施例中，光学出口720，与光导层714的第一表面730(以下进一步详细描述)相结合，形成具有多个环形光学孔隙776的一个阵列，通过该阵列，光724离开光插入层712并且进入光导层714。相对于饼形本体772的大小，饼形本体772的平面式界面759的面积是较小的，从而减少(先前已经进入光导层714并且行进通过其中的)将通过这些光学孔隙776之一逃离光导层714并且因此不可收获的光的量。

在这个实施例中，光导层714是环形的，并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。光导层714具有一个主体740，该主体以一个环形第一表面730、与该第一表面730相对的一个环形第二表面762、以及一个具有截锥形状的光学输出表面764为界。第一表面730和第二表面762在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙776(形成在光学出口720与第一表面730之间的接触界面759处)从该光插入层进入光导层714的光766通过一系列多重全内反射被引导通过光导层714的主体740，到达光学输出表面764。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层712和光导层714中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

本实施例的太阳能集光器710优于现有技术太阳能集光器010的一个优点是：在光插入层712与光导层714的对准中不要求与在现有技术光插入层012与现有技术光导层014的对准中相同的精密度，这是由于光学孔隙776是只在光插入层712和光导层714被置于一起并且饼形本体772经由与平面式的第一表面730相接触而变形时被产生，并且抛物线节段表面760被成形和定位为使得它们的焦点处于如此产生的光学孔隙776之处或其附近，不管这些光学孔隙实际上在哪里产生。由于光导层714的第一表面730是平面式的，因此可以容忍光插入层712相对于光导层714的横向定位中的较小偏差，而较小偏差在现有技术光插入层012相对于现有技术光导层014的横向定位中是不可容忍的。另外，由于每一个饼形本体772可以单独变形(补偿了它们之间的制造差异)，光插入层712的制造容差大于现有技术光插入层012(它要求非常高的制造精密度)的制造容差。

与光导层714的光学输出表面764处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件744。在这个实施例中，该次级光学元件744由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件744经由全内反射将离开光导层714(通过其光学输出表面764)的光引导至一个光伏电池746(例如一个多结光伏电池)以便收获。将光导层714的光学输出表面764耦合至次级光学元件744的是一个可变形的环形次级光学耦合元件742。该可变形的次级光学耦合元件742是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成，该聚合物已经被例如包覆模制到光导层714的输出表面764或次级光学元件744的光学进入表面743中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件742可以被布置在光导层714的输出表面764与次级光学元件744的光学进入表面743之间，并且通过压力保持在合适的位置(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或者另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层714的输出表面764和次级光学元件744的光学进入表面743中的任一个或两者上)。

第八实施例：参考图9，示出的是太阳能集光器第八实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的示意图。此第八实施例是大体上类似于图6A和6B中示出的第五实施例，并且以下未结合这个实施例进行描述的任何元件可以在以上第五实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层812是一个盘状的结构，它具有一个大体上平面式的第一部分(未示出)和一个第二部分852，该第二部分是从该第一部分延伸出的一系列的透光性的略微呈饼形的(在横截面中)环形本体872(图中只示出一个本体872的一部分)。光插入层812是由例如一种透光性聚合物材料如注射模制的PMMA制成。确切地讲，在横截面中，本体872各自具有一个平面式边缘表面870、和在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的一个表面860、一个小的圆柱形环形部分880、以及一个远端865。该圆柱形环形部分880从平面式边缘表面870和抛物线节段表面860延伸出、其横截面是一个小方形、并且具有远端865。

在这个实施例中，照射在这些本体872之一的抛物线节段表面860上的光874被反射(经由本体872的材料与空气间隙828(在光插入层812与光导层814之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面860，朝向饼形本体872的圆柱形环形部分880的远端865(被示为光824)。远端865形成该光插入层812的一个光学出口820(该光学出口820还可以包括在远端865附近的圆柱形环形部分880的多个部分)。光824被这样导向，是因为抛物线节段表面860(在横截面中)的焦点大体上是位于远端865之处或其附近。圆柱形环形部分880被构建为使得光学出口850的面积是较小的(比较接近于焦点的大小)，从而减少(先前已经进入光导层814并且行进通过其中的)将通过这些光学孔隙876之一逃离光导层814并且因此不可收获的光的量。

相对于饼形本体872的大小，饼形本体872的平面式界面859的面积是较小的，从而减少(先前已经进入光导层814并且行进通过其中的)的光将通过这些光学孔隙876之一逃离光导层814并且因此不可收获的量。

在这个实施例中，光导层814是环形的，并且由一种刚性的透光性材料(例如玻璃)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如硅酮)制成。光导层814的主体840是由该刚性的透光性材料制成，并且具有一个环形顶表面831，一个可变形的光学耦合元件819被粘结在该表面上。该可变形的光学耦合元件819是具有该可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被例如包覆模制在主体840的顶表面831上。光导层814的光学耦合元件819和主体840的折射率是充分匹配的，这样使得当光穿过界面831时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。光导层814具有一个主体840，该主体以一个环形第一表面830(为光学耦合元件819的顶表面899)、与第一表面830相对的一个环形第二表面862、以及一个具有截锥形状的光学输出表面(未示出)为界。第一表面830和第二表面862在横截面中均是平面式的，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，使得通过光学孔隙876(以下进行描述)从光插入层812进入光导层814的光866通过一系列多重全内反射被引导通过光导层814的主体840和光学耦合元件819，到达该光学输出表面。

在太阳能集光器810的制作过程中，将光插入层812与光导层814对准并且按压在其上，使得光插入层812的饼形本体842的远端865处的圆柱形环形部分880进入与光学耦合元件819中的硅酮的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端865被按压在光学耦合元件819中的硅酮上达到以下程度：本体872的光学出口820与光学耦合元件819完全处于直接接触。因此，具有多个光学孔隙876的一个阵列被形成在远端865与光导层的第一表面830之间的接触界面859处(一个孔隙876与一个远端865相关联)，通过其光学出口820离开光插入层812的光将传输通过这些接触界面并且将进入光导层814(通过其第一表面830)。

应理解的是上述光学活性元件即光插入层812、光导层814(包括变形的光学耦合元件819)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，使得光在以上所述的路径中行进。

第九实施例：参看图10，示出的是太阳能集光器第九实施例的光插入层912的一部分和光导层914的一部分的横截面的示意图。此第九实施例大体上类似于图6A和6B中示出的第五实施例和图9示出中的第八实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层912是一个盘状的结构，它具有大体上平面式的第一部分(未示出)和一个第二部分952，该第二部分是从第一部分延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体972(图中只示出一个本体972的一部分)。光插入层912由一种刚性的透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如硅酮)制成。该大体上平面式的第一部分(未示出)和饼形本体972的饼形部分973是由一种刚性的透光性聚合物(例如PMMA)制成。饼形本体972的饼形部分973具有一个表面971，一个光学耦合元件919被粘结至该表面上。光学耦合元件919是可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被例如包覆模制在表面971上。形成光学耦合元件919和饼形本体972的饼形部分973的材料的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面971时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。确切地讲，在横截面中，本体972各自具有一个平面式边缘表面970(为光学耦合元件919的外表面)和一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面960。平面式边缘表面970和抛物线节段表面960在饼形本体972的一个远端965处汇合。

在这个实施例中，照射在这些本体972之一的抛物线节段表面960上的光974被反射(经由本体972的材料与空气间隙928(在光插入层912与光导层914之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面960朝向这个本体972的平面式边缘表面970的一部分970b。这一部分970b形成该光插入层912的一个光学出口920。光924被这样导向，是因为抛物线节段表面960(在横截面中)的焦点大体上位于这一部分970b(光学出口920)之处或其附近。

在这个实施例中，光导层914是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。光导层914具有一个主体940，该主体以一个环形第一表面930、与第一表面940相对的一个环形第二表面(未示出)以及一个具有截锥形状的光学输出表面(未示出)为界。第一表面930和第二表面962在横截面中均是大体上平面式的(除如以下描述以外)并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个楔形，这样使得通过光学孔隙976(以下描述)从光插入层912进入光导层914的光966经由一系列多重全内反射被引导通过光导层914的一个主体940到达该光学输出表面。

光导层914的第一表面930具有从其向上(朝向光插入层912)凸出的一系列环形凸出部932。这些环形凸出部932各自具有一个圆柱形的外向面934(它在横截面中表现为竖直的)。

在太阳能集光器910的制作过程中，将光插入层912与光导层914对准并且按压在其上，这样使得光插入层912的本体972的平面式边缘表面971上的光学耦合元件919中的硅酮进入与光导层914的凸出部932的圆柱形外向面934的接触中并且由此而变形(在形成光学出口920的平面式边缘表面970的部分970b的区域中)。因此，具有多个光学孔隙976的一个阵列被形成在平面式边缘表面970的部分970b与凸出部932的外向面934之间的接触界面959处(一个孔隙976与一个凸出部932相关联)，通过其光学出口920离开光插入层912的光将穿过该接触界面并且进入光导层914(通过其第一表面930的凸出部932的圆柱形面934)。(还应指出，在这个实施例中，一些光可在与光插入层914与光导层912之间的一个光学孔隙976邻近、但是并非该光学孔隙一部分的区域中在这两层之间穿过，这种情况是由于这些层的结构，然而光穿过该孔隙的效率要高得多。)

应了解上述光学活性元件即光插入层912、光导层914以及变形的光学耦合元件919中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得该光在上文描述的路径中行进。

第十实施例：参看图11，示出的是太阳能集光器第十实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的示意图。此第十实施例大体上类似于图6A和6B中示出的第五实施例和图10中示出的第九实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层1012是一个盘状的结构，它具有大体上平面式的第一部分(未示出)和一个第二部分1052，该第二部分是从第一部分延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体1072(图中只示出一个本体1072的一部分)。光插入层1012由一种刚性的透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如硅酮)制成。该大体上平面式的第一部分(未示出)和饼形本体1072的一个饼形部分1073由一种刚性的透光性材料(例如PMMA)制成。饼形本体1072的饼形部分1073具有一个表面1071，一个可变形的光学耦合元件1019被粘结至该表面上。可变形的光学耦合元件1019是可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被例如包覆模制在饼形部分1073的表面1071上。形成光学耦合元件1019和饼形本体1072的饼形部分1073的材料的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1071时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。确切地讲，在横截面中，本体1072各自具有一个平面式边缘表面1070(为光学耦合元件1019的外表面)和一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面1060。平面式边缘表面1070和抛物线节段表面1060在饼形本体1072的一个远端1065处汇合。在这个实施例中，照射在这些本体1072之一的抛物线节段表面1060上的光1074被反射(经由本体1072的材料与空气间隙1028(在光插入层1012与光导层1014之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1060朝向这个本体1072的平面式边缘表面1070的一部分1070b。这一部分1070b形成该光插入层1012的一个光学出口1020。光1024被这样导向，是因为抛物线节段表面1060(在横截面中)的焦点大体上位于这一部分(光学出口1020)之处或其附近。

在这个实施例中，光导层1014是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。光导层1014具有一个主体1040，该主体以一个环形第一表面1030、与第一表面1030相对的一个环形第二表面(未示出)以及一个具有截锥形状的光学输出表面(未示出)为界。第一表面1030在横截面中为阶梯式的并且第二表面在横截面中是平面式的(除如以下描述以外)并且这些表面被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个阶梯式的结构，这样使得通过光学孔隙1076(以下描述)从光插入层1012进入光导层1014的光1066经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1014的一个主体1040到达该光学输出表面。

光导层1014的第一表面1030在其阶梯部分1035之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间(inter-step)部分1033。

在太阳能集光器1010的制作过程中，将光插入层1012与光导层1014对准并且按压在其上，这样使得光插入层1012的本体1072的平面式边缘表面1071上的光学耦合元件1019中的硅酮进入与光导层1014的第一表面1030的环形的阶梯间部分1033的接触中并且由此而变形(在形成光学出口1020的平面式边缘表面1070的部分1070b的区域中)。因此，具有多个光学孔隙1076的一个阵列被形成在平面式边缘表面1070的部分1070b与光导层1014的环形的阶梯间部分1033之间的接触界面1059处(一个孔隙1076与一个阶梯间部分1033相关联)，经由其光学出口1020离开光插入层1012的光将穿过这些接触界面并且进入光导层1014(经由其第一表面1030的阶梯间部分1033)。(还应指出，在这个实施例中，一些光可在与光插入层1014和光导层1012之间的一个光学孔隙1076邻近、但是并非该光学孔隙的一部分的区域中在这两层之间穿过，这种情况是由于这些层的结构，然而光穿过该孔隙的效率要高得多。)

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1012、光导层1014以及变形的光学耦合元件1019中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十一实施例：参看图12，示出的是太阳能集光器第十一实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的示意图。此第十一实施例大体上类似于以上描述的实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层1112是一个盘状的结构，它具有大体上平面式的第一部分(未示出)和一个第二部分1152，该第二部分是从第一部分延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体1172(图中只示出两个本体1172的一部分)。光插入层1112是由一种透光性聚合物材料如注射模制的PMMA制成。确切地讲，在横截面中，本体1172各自具有一个平面式边缘表面1170和一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面1160。平面式边缘表面1170和抛物线节段表面1160大体上汇合于(彼此不直接触碰)饼形本体1172的一个远端1165处。在远端1165处，每个饼形本体1172连接一个光管1182。(光管1182在横截面中是管形的；它在3D形状中是环形的)。光管1182具有一个竖直(在横截面中)端壁1184。呈例如硅酮薄片形式的一个变形的光学耦合元件1119被固定至端壁1184上(经由包覆模制工艺)。形成光学耦合元件1119和饼形本体1172的光管1182的材料的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1184时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。

在这个实施例中，照射在这些本体1172之一的抛物线节段表面1160上的光1174(经由本体1172的材料与空气间隙1128(在光插入层1112与光导层1114之间)中的空气的折射率差异而引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1160朝向光管1182的入口1186(被示为光1124)。光1124被这样导向，是因为抛物线节段表面1160(在横截面中)的焦点1188大体上位于光管1182的入口1186之处或其附近。饼形本体1172和光管1182被成形、定尺寸和安排，这样使得穿过焦点1188的光1124将进入光管1182并且在其中通过一系列多重内反射被引导至光管1182的端壁1184。因此，光管1182的端壁1184形成该光插入层1112的光学出口1120。

在这个实施例中，光导层1114是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。光导层1114具有一个主体1140，该主体以一个环形第一表面1130、与第一表面1130相对的一个环形第二表面(未示出)以及一个具有截锥形状的光学输出表面(未示出)为界。第一表面1130在横截面中为阶梯式的并且第二表面在横截面中是平面式的(除如以下描述以外)，并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个阶梯式的结构，这样使得通过光学孔隙1176(以下描述)从光插入层1112进入光导层1114的光1166经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1114的一个主体1140到达该光学输出表面。

光导层114的第一表面1130在其阶梯部分1135之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间部分1133。

在太阳能集光器1110的制作过程中，将光插入层1112与光导层1114对准并且按压在其上，这样使得光插入层1012的光管1182的端壁1184上的硅酮层1119进入与光导层1114的第一表面1130的环形的阶梯间部分1133的接触中并且由此而变形。因此，具有多个光学孔隙1176的一个阵列被形成在硅酮层1119与阶梯间部分1133之间的接触界面1159处(一个孔隙1176与一个阶梯间部分1133相关联)，经由其光学出口1120离开光插入层1112的光将传输通过这些接触界面并且进入光导层1114。

应了解上述光学活性元件即光插入层1112、光导层1114以及变形的光学耦合元件1119中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十二实施例：参看图13，示出的是太阳能集光器第十二实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的示意图。此第十二实施例大体上类似于以上描述的实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层1212是由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成的一个盘状结构。光插入层1212具有一个圆形的光学进入表面1216。光学进入表面1216是光插入层1212的最上部表面并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器1210并且进入光插入层1212。光学进入表面1216包括具有多个环形透镜1248的一个阵列(在下文进一步详细描述)，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。一系列环形凸出部1232与透镜1248相对从光插入层1212凸出。环形凸出部1232在横截面中是三角形的形状，具有面向集光器的中央轴线的一个圆柱形边缘1234(在横截面中是竖直的)和一个相对的倾斜的平面式边缘1237。呈硅酮薄片形式的一个变形的光学耦合元件1219被固定至圆柱形边缘1234上(经由例如包覆模制工艺)。形成光学耦合元件1219和环形凸出部1232的材料的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1234时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。

光插入层1212包括具有多个环形复合光学改向元件1218的一个阵列。在横截面中，每个光学改向元件1218由以下形成：(i)光学进入表面1216的具有多个透镜1248的阵列中的一个透镜1248和(ii)位于透镜1248下方、与这个透镜1248相关联的一个平面式反射表面1260(由一个凸出部1232的倾斜的平面式边缘1237形成)。

在这个实施例中，透镜1248是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面1216上的入射光1222改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的平面式反射表面1260。在已经被1248集中之后，光1274然后行进通过光插入层1212到达与这个透镜1248相关联的平面式反射表面1260。光1274然后被反射(经由光插入层1212的材料与空气间隙1228(在光插入层1212与光导层1214之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开平面式反射表面1260朝向与这个平面式反射表面1260相对的圆柱形边缘1234。该圆柱形壁形成该光插入层1212的一个光学出口1220。光1224被这样导向，是因为透镜1248和平面式反射表面1260的形状和安排。

在这个实施例中，光导层1214是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。光导层1214具有一个主体1240，该主体以一个环形第一表面1230、与第一表面1230相对的一个环形第二表面(1262)以及一个光学输出表面(未示出)为界。第一表面1230在横截面中为阶梯式的并且第二表面在横截面中是平面式的，并且它们被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个阶梯式的结构，这样使得通过光学孔隙1276(以下描述)从光插入层1212进入光导层1214的光1266经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1214的一个主体1240到达该光学输出表面。

光导层1214的第一表面1230在其阶梯部分1235之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间部分1233。

在太阳能集光器1210的制作过程中，将光插入层1212与光导层1214对准并且按压在其上，这样使得光插入层1212的圆柱形边缘1234上的光学耦合元件1219中的硅酮进入与光导层1214的第一表面1230的环形的阶梯间部分1233的接触中并且由此而变形。因此，具有多个光学孔隙1276的一个阵列被形成在硅酮片材1219与阶梯间部分1233之间的接触界面处(一个孔隙1276与一个阶梯间部分1233相关联)，经由其光学出口1220离开光插入层1212的光将穿过该接触界面并且进入光导层1214(经由其第一表面1230的阶梯间部分1233)。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1212、光导层1214以及变形的光学耦合元件1219中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十三实施例：参看图14A和14B，示出的是本发明第十三实施例、即太阳能集光器1310的横截面。太阳能集光器1310大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线1349径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器1310具有一个光插入层1312、一个光导层1314以及一个次级光学元件1344。另外，在中央轴线1349附近，一个光伏电池1346与太阳能集光器1310的光导层1314处于光学联通。以下将依次地进一步详细描述每一个上述结构。

在这个实施例中，光插入层1312是一个盘状的复合结构，它由一个第一子层1350和一个第二子层1352构成。第一子层1350是盘状的并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。第二子层1352是由一系列可变形的透光性的略微呈锥形的(在横截面中)环形本体1372(例如注射模塑的聚合物材料，如硅酮)制成，这些环形本体已经例如经由包覆模制工艺而粘结至第一子层1350上并且是在其间的平面式界面1368处。确切地讲，在横截面中，锥形本体1372各自具有一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的第一表面1360和一个在横截面中具有抛物线形状的第二表面1361(与第一表面1360相对)，以及一个(相对小的)平面式界面1359，该平面式界面在太阳能集光器1310的制作过程中当将光插入层1312置于与光导层1314的接触中并且向其施加足够的压力时已经发生变形。平面式界面1359在下文进一步详细描述。

光插入层1312还具有一个圆形的光学进入表面1316。光学进入表面1316为第一子层1350的最上部表面并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器1310并且进入光插入层1312。

光插入层1312包括具有多个环形光学改向元件1318的一个阵列。在横截面中，光学改向元件1318各自是由光插入层1312的第二部分1352的锥形本体1372的抛物线节段表面1360或1361中的一个形成。

在这个实施例中，照射在光学进入表面1316上的入射光1322/1323穿过光学进入表面1316，然后行进通过第一子层1350到达界面1368并且穿过界面1368。第一子层1350和第二子层1352的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1368时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。(在其他实施例中，折射率不匹配，并且将这种折射考虑在内来设计锥形本体1372，这样使得光将沿着以下详细描述的路径。)在已经穿过界面1368之后，光1322/1323然后行进通过第二子层1352(即通过大体上锥形的本体1372中的一个)到达抛物线表面1360或1361中的一个，这取决于入射光1322/1323相对于光学进入表面1316的位置。光1322/1323然后被反射(经由本体1372中的硅酮与空气间隙1328(在光插入层1312与光导层1314之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1360/1361之一朝向界面1359。这是因为抛物线节段表面1360/1361中的每个(在横截面中)的焦点是在界面1359之处或其附近(其中该焦点确切地取决于许多因素，包括：抛物线节段表面1360/1361的形状和位置、锥形本体1372的形状、光导层1314的第一表面1330的形状、将光插入层1312和光导层1314置于一起的力、以及锥形本体1372的可变形性)。

在这个实施例中，因为锥形本体1372是光插入层1312的一部分，所以每个主体1372的每个界面1359形成该光插入层1312的一个光学出口1320，这样使得光插入层1312包括具有多个光学出口1320的一个阵列。在这个实施例中，这些光学出口1320，与光导层1314的第一表面1330(在下文进一步详细描述)相结合，形成具有多个环形光学孔隙1376的一个阵列，通过该阵列，光1324/1325离开光插入层1312并且进入光导层1314。锥形本体1372的平面式界面1359相对于饼形本体1372的尺寸是较小的，并且通过光学孔隙1376逃离光导层1314的光的量因此得以最小化。

在这个实施例中，光导层1314是圆柱形的并且由一种透光性材料(例如玻璃)制成。光导层1314具有一个主体1340，该主体以一个圆形第一表面1330、与第一表面1330相对的一个圆形第二表面1362、一个环圆周的圆柱形边缘1378、以及固定至圆柱形边缘1378上的呈环形棱镜1390形式的一个环形反射元件为界。第一表面1330和第二表面1362在横截面中均是平面式的并且被构造并相对于彼此安排为在横截面中形成一个长方形，这样使得通过光学孔隙1376(在光学出口1320与第一表面1330之间的接触界面处形成)在朝向中央轴线1349的方向上从光插入层1312进入光导层1314的光1367(即已经被反射离开第一抛物线节段表面1360的光1324)经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1314的主体1340而朝向中央轴线1349。通过光学孔隙1376在远离中央轴线1349的方向上从光插入层1312进入光导层1314的光1367(即已经被反射离开第二抛物线表面1361的光1325)经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1314的主体1340到达环圆周的圆柱形边缘1378。光1367然后经由全内反射在相反方向上被环形反射棱镜1390反射回到主体1390中并且因此光1367经由一系列多重全内反射被引导朝向中央轴线1349。

如以上提及，一个光伏电池1346与围绕中央轴线1349的光导层1312的第二表面1362处于光学联通。(在这个实施例中，光伏电池1346已经经由非干涉光学耦合剂而结合至光导层1312的第二表面1362上。)一个次级光学元件1344与光伏电池1346相对地横过光导层1314的主体1340并且附接至光导层1314的第一表面1330上。在这个实施例中，次级光学元件1344大体上呈圆顶形状。(在其他实施例中，次级光学元件可成形为多种形状中的任何一种，包括但不限于抛物线、椭圆以及非分析的形状)次级光学元件1344具有的焦点在光伏电池1346之处或其附近。在这个实施例中，次级光学元件1344经由全内反射来反射光。(在其他实施例中，次级光学元件可用例如铝、银或电介质等反射材料来涂覆。)因此，在光导层1314的主体1340内朝向中央轴线1349行进的光将会直接照射在光伏电池1346上(即将不被反射离开次级光学元件1344)并且被收获或被反射离开次级光学元件1344朝向光伏电池1346并且被收获。在主体1340内行进的少量光可经过中央轴线1349区域而不接触光伏电池1346或次级光学元件1344。在这种情况下，该光将行进至圆柱形边缘1378处的环形反射棱镜1390并且朝向中央轴线1349被反射回到主体1340中，从而获得另一个被光伏电池1346收获的机会。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1312、光导层1314以及次级光学元件1344中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十四实施例：参看图15A-D，示出的是第十四实施例、即太阳能集光器1410的光插入层1412的一部分和光导层1414的一部分的横截面的示意图。此第十四实施例大体上类似于图3A和3B中示出的第二实施例、图9示出中的第八实施例以及图11中示出的第十实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层1412是一个盘状的结构，它具有大体上平面式的第一部分1450和一个第二部分1452，该第二部分是从第一部分1450延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体1472。光插入层1412是由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，本体1472各自具有一个平面式边缘表面1470、一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面1460、从抛物线表面1460延伸的一个平面式延伸表面1491、一个小的圆柱形环形部分1480以及一个远端1465。小的圆柱形环形部分1480从平面式边缘表面1470和平面式延伸表面1491延伸。圆柱形环形部分1480在横截面中为小正方形，它含有远端1465。饼形本体1472的远端1465是一个环形(相对小)的平面式界面。

光插入层1412还具有一个圆形的光学进入表面1416。光学进入表面1416是第一部分1450的最上部表面并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器1410并且进入光插入层1412。该光学进入表面包括具有多个环形透镜1448的一个阵列(在下文进一步详细描述)。

光插入层1412包括具有多个环形复合光学改向元件1418的一个阵列。在横截面中，光学改向元件1418各自是由以下形成：(i)光学进入表面1416的具有多个透镜1448的阵列中的一个透镜1448和(ii)位于透镜1448下方、与这个透镜1448相关联的一个抛物线节段表面1460。

在这个实施例中，透镜1448是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面1416上的入射光1422改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面1460。在已经被透镜集中之后，光1458然后行进通过光插入层1412到达这些本体1472之一的抛物线节段表面1460。光1458然后被反射(经由本体1472的材料与空气间隙1428(在光插入层1412与光导层1414之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1460朝向饼形本体1472的圆柱形环形部分1480的远端1465(被示为光1424)。远端1465形成该光插入层1412的一个光学出口1420。(光学出口1420还可以包括在远端1465附近的圆柱形环形部分1480的多个部分。)光1424被这样导向，是因为抛物线节段表面1460(在横截面中)的焦点大体上位于远端1465的附近(如图15B示出)。圆柱形环形部分1480被构建为使得光学出口1420在面积上是较小的(在大小上比较接近于焦点的大小)，从而减少(以前已经进入光导层1414并且在其中行进的)将通过光学孔隙1476之一逃离光导层1414并且由此不可收获的光的量。

在这个实施例中，光导层1414是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。光导层1414以一个第一环形表面1430、与第一环形表面1430相对的一个环形第二表面1462、以及一个光学输出表面(未示出)为界。第一环形表面1430在横截面中为阶梯式的，并且在其阶梯部分1435之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间部分1433。呈硅酮薄片形式的一个可变形的光学耦合元件1419被放置于阶梯部分1435上。光导层1414的第二表面1462在横截面中是平面式的并且被构造并相对于第一表面1430安排以便在横截面中形成一个阶梯式结构，这样使得通过光学孔隙1476(以下描述)从光插入层1412进入光导层1414的光1466被引导朝向一个光学输出表面。

在太阳能集光器1410的制作过程中，将光插入层1412与光导层1414(具有硅酮片材，这些片材在光导层的阶梯部分1435上方形成一个可变形的光学耦合元件1419)对准并且按压在其上，这样使得这些硅酮片材通过来自光插入层1412与光导层1414的压力而保持于适当位置中。(因此，在这个实施例中，光学耦合元件1419是与光插入层1412和光导层1414分开并且与之不同的元件并且不形成这两个层的一部分。)光插入层1412的饼形本体1442的远端1465处的圆柱形环形部分1480进入与硅酮层(为光学耦合元件1419)的第一表面1437的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端1465被按压在光学耦合元件1419的硅酮上达到这样的程度：本体1472的光学出口1420与光学耦合元件1419完全处于直接接触。因此，具有多个光学孔隙1476A(为光插入层光学出口孔隙)的一个第一子阵列被形成在饼形本体1472的远端1465与硅酮片材1419的第一表面1437之间的接触界面1459A处。还在光学耦合元件1419的硅酮片材的第二表面1439与光导层1430的第一表面之间的接触界面1459B处形成具有多个光学孔隙1476B(为光导层光学进入孔隙)的一个第二子阵列。因此，两个光学孔隙1476A和1476B与一个远端1465相关联，经由其光学出口1420离开光插入层1412的光将穿过这些光学孔隙并且进入光导层1414(通过其第一表面1430)。在光导层1414内，光1466经由光导层1414的第二表面1462、光导层1414的第一表面1430以及光学耦合元件1419的第一表面1437上的一系列多重全内反射被引导通过光导层1414的一个主体1440到达该光学输出表面。如图15D中示出，当光学耦合元件1419与光导层1414之间的接触并非足够强到使光不在该表面处被反射时，光1466可在光导层1414的表面1430上发生全内反射(在这种情况下，在光导层1414与光学耦合元件1419之间可存在一个细小的空气间隙(未示出)，从而导致该光发生全内反射)。同样地，当在光学耦合元件1419与光导层1414之间存在强接触时(当在其间没有空气间隙时)，光1466将穿过表面1430并且行进至光学耦合元件1419的第一表面1437，在那里该光经由全内反射而被反射。

来自光插入层1412的光通过光学孔隙1476A和1476B传送至光导层1414中。进入光导层1414的光1466的射线角是通过透镜1448和抛物线节段表面1460的联合作用来界定。提供一个极限射线角α(为光导层1414中的最陡(最小)射线角)，它具有等于临界角的入射角(假设一个PMMA光导层α≈45°)。光导层1414中的处于该极限射线角α下的光1466将不接触(clear)阶梯间部分1433的边缘和第二光学孔隙1476B，该光通过与光学孔隙1476B直接相邻的(视情况而定)光导层1414的第一表面1430或光学耦合元件1419的第一表面1437来反射。以比该极限射线角α更陡的角度在光导层1414内行进的任何射线可通过光学孔隙1476或通过第一和第二表面1430和1462中的任一个而从光导层逃离(如果角度太陡，将不发生TIR并且光会被折射)。另外，一些射线1466恰好在阶梯间部分1433的边缘之前被反射，并且其他射线1466将被反射穿过光学孔隙1476B(如图15C中示出)。

与光导层1414的光学输出表面(未示出)处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件(未示出)。该次级光学元件将离开光导层1414(经由其光学输出表面)的光引导(经由全内反射)至一个光伏电池、例如多结光伏电池，以便收获。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1412、光导层1414以及变形的光学耦合元件1419中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十五实施例：参看图16，示出的是太阳能集光器第十五实施例的光插入层的一部分和光导层的一部分的横截面的示意图。此第十五实施例大体上类似于图3A和3B中示出的第二实施例和图15A-D中示出的第十四实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

在这个实施例中，光插入层1512是一个盘状的结构，它具有大体上平面式的第一部分1550和一个第二部分1552，该第二部分是从第一部分1550延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体1572。光插入层1512是由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，本体1572各自具有一个平面式边缘表面1570、一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面1560、连接至抛物线表面1560的一个平面式延伸表面1591、以及一个远端1565。饼形本体1572的远端1565是一个环形(相对小)的平面式界面。

光插入层1512还具有一个圆形的光学进入表面1516。光学进入表面1516是第一部分1550的最上部表面并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器1510并且进入光插入层1512。该光学进入表面包括具有多个环形透镜1548的一个阵列(在下文进一步详细描述)。

光插入层1512包括具有多个环形复合光学改向元件1518的一个阵列。在横截面中，光学改向元件1518各自是由以下形成：(i)光学进入表面1516的具有多个透镜1548的阵列中的一个透镜1548和(ii)位于透镜1548下方、与这个透镜1548相关联的一个抛物线节段表面1560。

在这个实施例中，透镜1548是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面1516上的入射光1522改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面1560。在已经被透镜集中之后，光1558然后行进通过光插入层1512到达这些本体1572之一的抛物线节段表面1560。光1558然后被反射(经由本体1572的材料与空气间隙1528(在光插入层1512与光导层1514之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1560朝向饼形本体1572的远端1565(被示为光1524)。远端1565形成该光插入层1512的一个光学出口1520。(光学出口1520还可包括在远端1565附近的平面式延伸表面1591和/或平面式边缘表面1570的多个部分)。光1524被这样导向，是因为抛物线节段表面1560(在横截面中)的焦点大体上位于远端1565之处或其附近。

在这个实施例中，光导层1514是环形的并且由一种刚性的透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)和一种可变形的透光性聚合物材料(例如硅酮)制成。光导层1514的主体1540具有一个顶部阶梯式环形表面，其中在其阶梯部分1535之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间部分1533。一个可变形的光学耦合元件1519被粘结至阶梯间部分1533的表面1531上。光学耦合元件1519是可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被包覆模制在阶梯间部分1533的表面1531上。光导层1514是以一个第一环形表面1530(包括阶梯部分1535的表面和光学耦合元件1519的表面)、与第一环形表面1530相对的一个环形第二表面1562、以及一个光学输出表面(未示出)为界。主体1540和光学耦合元件1519的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1531时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。光导层1514的第二表面1562在横截面中是平面式的并且被构造并相对于光导层的第一表面1530(包括光导层1514的PMMA部分1541的阶梯部分1535的第一表面1531，和光学耦合元件1519的第一表面1537)来安排以便在横截面中形成一个阶梯式结构，这样使得光1566通过光学孔隙1576(以下描述)从光插入层1512进入光导层1514。

在太阳能集光器1510的制作过程中，将光插入层1512与光导层1514对准并且按压在其上，这样使得光插入层1512的饼形本体1572的远端1565进入与阶梯间部分1533上的硅酮层1519的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端1565被按压在硅酮层1519上达到这样的程度：本体1572的光学出口1520与光学耦合元件1519完全处于直接接触。因此具有多个光学孔隙1576的一个阵列被形成在光学出口1520与变形的光学耦合元件1519之间的接触界面1559处(一个孔隙1576与一个远端1565相关联)，经由其光学出口1520离开光插入层1512的光1566穿过这些接触界面并且进入光导层1514(经由其第一表面1530)。

光1566被插入光导层1514中并且经由光导层1514的第二表面1562、光导层1514的阶梯部分1535的第一表面1530以及光学耦合元件1519的第一表面1537上的一系列多重全内反射被引导通过光导层1514的主体1540到达该光学输出表面。

在这个实施例中，光导层1514的阶梯间部分1533被定位成等于全内反射的临界角α的角度，这个临界角也是在光导层内行进的光1566的极限射线角(为最陡(最小)射线角)。

进入光导层1514的光1566的射线角是通过透镜1548和抛物线节段表面1560的联合作用来界定。提供一个极限射线角α(为光导层1514中的最陡(最小)射线角)，它具有等于临界角的入射角(假设一个PMMA光导层α≈45°)。饼形本体1572的远端1565相对于饼形本体1572的大小是较小的。光插入层1512的远端1565和光导层1514的阶梯间部分1533被定位在等于极限射线角α的角度，这样使得该光导中所允许的最陡射线可不接触阶梯间部分1533。以比极限射线角α更陡的角度在光导层1514内行进的任何射线可通过光学孔隙1576或通过第一和第二表面1430和1462中的任一个而从光导层逃离(如果角太陡，将不发生TIR并且光会被折射)。因此，通过光学孔隙1576离开光插入层1512的光的量将被最大化，并且通过光学孔隙1576从光导层1514逃离的光的量将被最小化。

与光导层1514的光学输出表面(未示出)处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件(未示出)。该次级光学元件将离开光导层1514(经由其光学输出表面)的光引导(经由全内反射)至一个光伏电池、例如多结光伏电池，以便收获。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1512、光导层1514(包括变形的光学耦合元件1519)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十六实施例：参看图17，示出的是第十六实施例的光导层1614的横截面。此第十六实施例可大体上类似于上述实施例中的任何一个，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

光导层1614是环形的并且由一种透光性材料如聚合物(例如注射模制的PMMA)或玻璃制成。光导层1614具有一个主体1640，该主体是以一个第一环形表面1630、与第一表面1630相对的一个第二环形表面1662、以及一个光学输出表面1664为界。(在其他类似的实施例中，光学出口1664可具有截锥的形状。)第一表面1630在横截面中是平面式的，并且第二表面1662具有一个第一平面部分1692、和一个第二弯曲部分1693。第一表面1630和第二表面1662在横截面中均是略微呈平面式的并且被构造并相对于彼此安排为使得通过这些光学孔隙(在一个变形的光学耦合元件(未示出)的一个接触表面处形成，类似于任何上述实施例)从光插入(未示出)层进入光导层1614的光1666经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1614的主体1640到达光学输出表面1664。

与光导层1614的光学输出表面1664处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件(未示出)。该次级光学元件将离开光导层1614(通过其光学输出表面)的光引导(经由全内反射)至一个光伏电池、例如多结光伏电池，以便收获。

光导层的第二部分1662的弯曲部分1693使离开光导层1614的光1666略微准直，这样使得略微准直的光1677进入该次级光学元件(未示出)。因此，至少在一些实施例中，该次级光学元件可更有效地将光1677改向并且集中至该光伏电池上以便收获。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层、光导层1614以及变形的光学耦合元件中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十七实施例：参看图18，示出的是太阳能集光器第十七实施例的光导层1714的横截面。此第十七实施例大体上类似于图17中示出的第十六实施例，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上该实施例的描述中找到。

光导层1714是环形的并且由一种透光性材料如聚合物(例如注射模制的PMMA)或玻璃制成。光导层1714具有一个主体1740，该主体是以一个第一环形表面1730、与第一表面1730相对的一个第二环形表面1762、以及一个光学输出表面1764为界。第一表面1730具有一个第一平面部分1794、和一个第二弯曲部分1795。第二表面1762具有一个第一平面部分1792、和一个第二弯曲部分1793。第一表面1730和第二表面1762在横截面中是均略微呈平面式的并且被构造并相对于彼此安排为使得通过这些光学孔隙(在一个变形的光学耦合元件(未示出)的一个接触表面处形成，类似于任何上述实施例)从光插入层(未示出)进入光导层1714的光1766经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1714的主体1740到达光学输出表面1764。

与光导层1714的光学输出表面1764处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件(未示出)。该次级光学元件将离开光导层1714(经由其光学输出表面)的光引导(经由全内反射)至一个光伏电池、例如多结光伏电池，以便收获。

光导层的第二部分1762的弯曲部分1793使离开光导层1714的光1766略微准直，这样使得略微准直的光1777进入该次级光学元件(未示出)。因此，至少在一些实施例中，该次级光学元件可更有效地将光1777改向并且集中至该光伏电池上以便收获。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层、光导层1714以及变形的光学耦合元件中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十八实施例：参看图19，示出的是太阳能集光器第十八实施例的光导层1814和次级光学元件1844的横截面。此第十八实施例大体上类似于上述实施例中的任何一个，并且下文未结合此实施例描述的任何元件可在以上那些实施例的描述中找到。

光导层1814是环形的并且由一种透光性材料如聚合物(例如注射模制的PMMA)或玻璃制成。光导层1814具有一个主体1840，该主体是以一个第一环形表面1830、与第一表面1830相对的一个第二环形表面1862、以及一个具有截锥形状的光学输出表面1864为界。第一表面1830具有一个第一平面部分1894、和一个第二弯曲部分1895。第二表面1862具有一个第一平面部分1892、和一个第二弯曲部分1893。第一表面1830和第二表面1862在横截面中均是略微呈平面式的并且被构造并相对于彼此安排为使得通过这些光学孔隙(在一个变形的光学耦合元件(未示出)的一个接触表面处形成，类似于任何上述实施例)从光插入层(未示出)进入光导层1814的光1866经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1814的主体1840到达光学输出表面1864。

与光导层1814的光学输出表面1864处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件1844。在这个实施例中，次级光学元件1844由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件1844经由全内反射将离开光导层1814(经由其光学输出表面1864)的准直光1877(以下描述)引导至一个光伏电池1846(例如多结光伏电池)以便收获。一个可变形的环形次级光学耦合元件1842将光导层1814的光学输出表面1864耦合至次级光学元件1844。可变形的次级光学耦合元件1842是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成并且已经例如被包覆模制在光导层1814的输出表面1864或次级光学器件1844的光学进入表面1843中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学元件1844可被设置在光导层1814的输出表面1864与次级光学元件1844的光学进入表面1843之间并且通过压力来保持在适当位置中(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂来粘结至光导层1814的输出表面1864和次级光学元件1844的光学进入表面1843中的任一个或两者上。)

弯曲部分1895(光导层1814的第一表面1830的)和1893(光导层1814的第二部分1862的)使离开光导层1814的光1866略微准直，这样使得略微准直的光1877进入该次级光学元件(未示出)。因此，至少在一些实施例中，该次级光学元件可更有效地将光1877改向并且集中至该光伏电池上以便收获。

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层、光导层1814以及变形的光学耦合元件中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

第十九实施例：参看图20A-20B，示出的是第十九实施例、即太阳能集光器1910的横截面。太阳能集光器1910大体上处于一个圆盘形式(即是盘状的)，大体上是关于中央轴线1949径向地对称的。在这个实施例中，太阳能集光器1910具有一个光插入层1912、一个光导层1914、一个变形的光学耦合元件1919、一个次级光学耦合元件1942、以及一个次级光学元件1944。另外，在中央轴线1949附近，一个光伏电池1946与太阳能集光器1910的次级光学元件1944处于光学联通。

在这个实施例中，光插入层1912是一个盘状的结构，它具有一个大体上平面式的第一部分1950和一个第二部分1952，该第二部分是从第一部分1950延伸的一系列透光性的略微呈饼形(在横截面中)的环形本体1972。光插入层1912是由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA)制成。确切地讲，在横截面中，本体1972各自具有一个平面式边缘表面1970、一个在横截面中具有抛物线的一个节段的形状的表面1960、从抛物线表面1960延伸的一个平面式延伸表面1991、一个小的圆柱形环形部分1980、以及一个远端1965。小的圆柱形环形部分1980从平面式边缘表面1970和平面式延伸表面1991延伸。圆柱形环形部分1980在横截面中为小正方形，它含有远端1965。饼形本体1972的远端1965是一个环形(相对小)的平面式界面。

光插入层1912还具有一个圆形的光学进入表面1916。光学进入表面1916是第一部分1950的最上部表面并且是通过这个表面，光第一次接触太阳能集光器1910并且进入光插入层1912。光学进入表面1916具有两个部分，即第一部分1954和第二部分1956。第一部分1954是环形的并且包括具有多个环形透镜1948的一个阵列(在下文进一步详细描述)，并且因此本身在横截面中是非几何学上的平面式的。第二部分1956是圆形的并且含有多个透镜和光学元件。

光插入层1912包括具有多个环形复合光学改向元件1918的一个阵列。在横截面中，光学改向元件1918各自是由以下形成：(i)光学进入表面1916的具有多个透镜1948的阵列中的一个透镜1948和(ii)位于透镜1948下方、与这个透镜1948相关联的一个抛物线节段表面1960。

在这个实施例中，透镜1948是凸透镜(在横截面中)，它们将照射在光学进入表面1916上的入射光1922改向并且集中(经由折射)而朝向这个透镜的相对应的抛物线节段表面1960。在已经被透镜集中之后，光1958然后行进通过光插入层1912到达这些本体1972之一的抛物线节段表面1960。光1958然后被反射(经由本体1972的材料与空气间隙1928(在光插入层1912与光导层1914之间)中的空气的折射率差异所引起的全内反射)而离开抛物线节段表面1960朝向饼形本体1972的圆柱形环形部分1980的远端1965(被示为光1924)。远端1965形成该光插入层1912的一个光学出口1920。(光学出口1920还可包括在远端1965附近的圆柱形环形部分1980的多个部分。)光1924被这样导向，是因为抛物线节段表面1960(在横截面中)的焦点大体上位于远端1965附近。圆柱形环形部分1980被构建为使得光学出口是较小的(更接近于焦点的尺寸)，这样使得从光导层1914(以下描述)逃离的光的量得以最小化。

在这个实施例中，直接位于次级光学元件1944(以下描述)上方的“死区”得以消除并且可通过一个整体式元件1997使光直接耦合至光伏电池1946或次级光学元件1944。在这个实施例中，次级光学元件1944和光插入层1912被制作为单一零件。整体式元件1997可具有菲涅耳透镜的形状或可含有经由全内反射或通过反射涂层来使光改向的光学元件。在其他实施例中，整体式元件1997和光插入层1912还可制作为两个分离的零件并且光学地结合。

在这个实施例中，光导层1914是环形的并且由一种透光性聚合物材料(例如注射模制的PMMA、硅酮)制成。光导层1914的主体1940是由一种刚性的透光性材料(例如PMMA)制成并且具有一个顶部阶梯式环形表面，其中在其阶梯部分1935之间具有一系列环形的(在横截面中是平面式的)阶梯间部分1933。一个可变形的光学耦合元件1919被粘结至阶梯部分1935的表面1931上。光学耦合元件1919是可变形的透光性材料(例如硅酮)的一个薄片，它已经被例如包覆模制在阶梯部分1935的表面1931上。光导层1914是以一个第一环形表面1930(包括阶梯间部分1933的表面和光学耦合元件1919的表面)、与第一环形表面1930相对的一个环形第二表面1962、以及一个光学输出表面1964为界。主体1940和光学耦合元件1919的折射率是充分匹配的，这样使得在光穿过界面1931时可能发生的任何折射(如果有的话)是无关紧要的。

光导层1914的第一表面1930(含有阶梯间部分1933的表面和光学耦合元件1919的表面1937)具有一个第一平面部分1994和一个第二弯曲部分1995。该光导层的第二表面1962具有一个第一平面部分1992和一个第二弯曲部分1993。第一表面1930和第二表面1962在横截面中均是略微呈平面式的并且被构造并相对于彼此安排为使得通过这些光学孔隙1976(以下描述)从光插入层1912进入光导层1914的光1966经由一系列多重全内反射被引导通过光导层1914的主体1940到达光学输出表面1964。

在太阳能集光器1910的制作过程中，将光插入层1912与光导层1914(在其阶梯部分1935上方具有硅酮片材1919)对准并且按压在其上，这样使得光插入层1912的饼形本体1942的远端1965处的圆柱形环形部分1980进入与硅酮层1919的第一表面1937的接触中并且使其变形，从而在其内形成缺口。远端1965被按压在硅酮层1919上达到这样的程度：本体1972的光学出口1920与光学耦合元件1419完全处于直接接触。因此具有多个光学孔隙1976的一个阵列被形成在光插入层1912的光学出口1920与光导层1914的变形的光学耦合元件1919之间的接触界面处(一个孔隙与一个远端1965相关联)，经由其光学出口1920离开光插入层1912的光将穿过该接触表面并且进入光导层1914(通过其第一表面1930)。在光导层1914内，光1966经由光导层1914的第二表面1962和第一表面1930(包括阶梯间部分1933的表面和光学耦合元件1919的表面)上的一系列多重全内反射被引导通过光导层1914的一个主体1940到达该光学输出表面。

弯曲部分1995(光导层1914的第一表面1930的)和1993(光导层1914的第二部分1962的)使通过光学出口1943离开光导层1914的光1966略微准直，这样使得略微准直的光1977进入次级光学元件1944。因此，至少在一些实施例中，该次级光学元件可更有效地将光1977改向并且集中至光伏电池1946上以便收获。

来自光插入层1912的光通过光学孔隙1476被插入至光导层1914中。进入光导层1914的光1966的射线角是通过透镜1948和抛物线节段表面1960的联合作用来界定。提供一个极限射线角α(为光导层1914中的最陡(最小)射线角)，它具有等于临界角的入射角(假设一个PMMA光导层α≈45°)。光导层1914中的处于极限射线角α下的光1966将不接触阶梯间部分1933的边缘和光学孔隙1976，该光通过与光学孔隙1476直接相邻的光导层1914的第一表面1430来反射。以比极限射线角α更陡的角度在光导层1914内行进的任何射线可通过光学孔隙1976或通过第一和第二表面1930和1962中的任一个而从该光导层逃离(如果角太陡，将不发生TIR并且光会被折射)。另外，一些射线1966恰好在阶梯间部分1933的边缘之前被反射，并且其他射线1966被反射穿过光学孔隙1976。

与光导层1914的光学输出表面1964处于光学联通的是一个略微呈“漏斗形”的次级光学元件1944。在这个实施例中，次级光学元件1944是由一种耐热性的透光性材料(例如玻璃)制成。次级光学元件1944经由全内反射将离开光导层1914(通过其光学输出表面1984)的准直光1977引导至一个光伏电池1946(多结光伏电池)以便收获。一个可变形的环形次级光学耦合元件1942将光导层1914的光学输出表面1964耦合至次级光学元件1944。可变形的次级光学耦合元件1942是由一种可变形的软聚合物(例如硅酮)制成并且已经例如被包覆模制在光导层1914的输出表面1964或次级光学器件1944的光学进入表面1943中的一个上。(在其他实施例中，可变形的次级光学耦合元件1942可被设置在光导层1914的输出表面1964与次级光学元件1944的光学进入表面1943之间并且通过压力来保持在适当位置中(如以过盈配合的方式)，或被包覆模制或另外地经由一种具有低折射率的非光学干涉性粘结剂而粘结至光导层1914的输出表面1964和次级光学元件1944的光学进入表面1943中的任一个或两者上。)

应了解的是，上述光学活性元件即光插入层1912、光导层1914(包括变形的光学耦合元件1919)中的每一个被相对于彼此成形、定尺寸、定向、和定位，这样使得光在上文描述的路径中行进。

应了解的是，所有前述实施例1-20意图为非限制性实例。虽然关于其制作已经描述了例如PMMA、玻璃以及硅酮的材料，但是可替代地使用任何透光性材料(包括聚合物类，例如环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC))。另外，所描述的形状(例如抛物线)是非限制性的。

虽然，对于上述实施例描述了径向对称的平面式太阳能集光器，但是有可能制造出线性对称的平面式太阳能集光器，它具有在对称面上平行的多个光学改向元件并且具有沿着对称面放置的一个光伏电池。

对本发明的上述实施例的修改和改进对于本领域技术人员将是明显的。上述描述意图为示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围意图仅由附加权利要求书的范围来限制。

Claims (30)

1.一种太阳能集光器，包括：

一个大致上平面式的光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括：

至少一个光学进入表面以用于接收光，

具有多个光学改向元件的一个阵列，这些光学改向元件中的每个是与该光学进入表面处于光学联通的，

具有多个光学出口的一个阵列，这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通的，并且

这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口；

一个大致上平面式的光导层，该光导层是由透光性材料制成并且包括：

一个第一表面，以用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光，

与该第一表面相对的一个第二表面，

该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层而到达至少一个光导层光学输出表面；以及

将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由该光插入层和该光导层中的至少一个与至少一个变形的光学耦合元件之间的界面形成的。

2.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是一个单一光学耦合元件，该元件形成了将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。

3.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是多个光学耦合元件，该多个光学耦合元件中的每一个形成了将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列中的一个光学孔隙。

4.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是安置于该光插入层与该光导层之间并且将该光插入层的这些光学出口中的每个光学地耦合至该光导层的第一表面。

5.如权利要求4所述的太阳能集光器，其中该光学孔隙阵列是具有多个光学孔隙的一个多维阵列，该多维阵列至少包括在该光插入层与该变形的光学耦合元件之间的、光通过其而离开该光插入层的多个界面的一个第一子阵列，以及在该变形的光学耦合元件与该光导层之间的、光通过其而进入该光导层的多个界面的一个第二子阵列。

6.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是该光插入层的这些光学出口中的每个的至少一部分。

7.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该变形的光学耦合元件是弹性体型的。

8.如权利要求7所述的太阳能集光器，其中该变形的光学耦合元件是硅酮。

9.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光学进入表面包括这些光学改向元件中的至少一些。

10.如权利要求9所述的太阳能集光器，其中该光学进入表面的这些光学改向元件是光学集中元件。

11.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是复合光学元件，其中这些复合光学元件中的每个包括该光学进入表面的一部分以及与该光学进入表面的该部分物理地间隔开的一部分。

12.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学反射元件。

13.如权利要求12所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件经由全内反射来将所接收的光改向。

14.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学集中元件。

15.如权利要求14所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学聚焦元件。

16.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件中的每个包括至少一个在横截面中抛物线型的截面。

17.如权利要求16所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件中的每个具有至少位于与该光学改向元件相关联的光学孔隙附近的一个焦点。

18.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光插入层的这些光学改向元件中的至少一大部分是环形的并且具有一个连续减小的直径。

19.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中在这些光学改向元件与该光插入层的这些光学出口之间存在一对一的关系。

20.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光导层的第一表面包括一系列凸出部，这些凸出部形成了这些光学孔隙的至少一部分。

21.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由全内反射被引导穿过该光导层而到达该光导层的至少一个光学输出表面。

22.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光导层是楔形的。

23.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光导层的第一和该第二表面中的至少一个是阶梯式的。

24.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光插入层和该光导层中的至少一个是由一种聚合物材料制成。

25.如权利要求1所述的太阳能集光器，进一步包括至少一个太阳能收集器，该太阳能收集器是与该光导层的至少一个光学输出表面处于光学联通的以用于接收已经被引导穿过该光导层的光。

26.如权利要求25所述的太阳能集光器，其中该至少一个太阳能收集器是一个光伏电池。

27.如权利要求25所述的太阳能集光器，进一步包括至少一个次级光学元件，该次级光学元件是与该光导层的至少一个光学输出表面并且与该太阳能收集器处于光学联通的。

28.如权利要求27所述的太阳能集光器，进一步包括至少一个可变形的次级光学耦合元件，该可变形的次级光学耦合元件使该光导层的至少一个光学输出表面耦合至该至少一个次级光学元件的一个输入表面。

29.一种制作太阳能集光器的方法，该方法包括：

将至少一个可变形的光学耦合元件定位于以下二者之间：

一个大致上平面式的太阳能集光器光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括具有多个光学改向元件的一个阵列以及具有多个光学出口的一个阵列，这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通的，这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口，以及

一个大致上平面式的太阳能集光器光导层，该光导层是由透光性材料制成并且具有用于接收通过这些光学出口而离开该光插入层的光的一个第一表面、与该第一表面相对的一个第二表面，该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层而到达至少一个光导层光学输出表面，

以使得，当变形时，该至少一个可变形的光学耦合元件将该光插入层的这些光学出口中的每个光学地耦合至该光导层的第一表面，从而形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列；

使该至少一个可变形的光学耦合元件变形，由此形成将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。

30.一种制作太阳能集光器的方法，该方法包括：

定位以下各项

一个大致上平面式的太阳能集光器光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括具有多个光学改向元件的一个阵列以及具有多个光学出口的一个阵列，这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通的，这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光经由反射而改向以朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口，以及

一个大致上平面式的太阳能集光器光导层，该光导层是由透光性材料制成并且具有用于接收通过这些光学出口而离开该光插入层的光的一个第一表面、与该第一表面相对的一个第二表面，该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层而到达至少一个光导层光学输出表面，

该光插入层的这些光学出口中的至少一部分能够将该光插入层变形地光学耦合至该光导层的第一表面，从而形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，以使得，当变形时，形成将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列；

使该光插入层的这些光学出口的至少一部分变形，由此形成将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。