CN1906772A - 分束器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括主体的分束器，该主体具有至少一个基本上平坦的表面。该表面具有布置成接收各个入射角范围内的辐射的表面区域。至少一些被各个表面区域接收的辐射的入射角范围彼此不同，并且每个表面区域有各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响减小。

Description

分束器

发明领域

本发明一般涉及一种用于把辐射分成光谱分量的分束器。本发明具体涉及，但并不是仅仅涉及，可以用于太阳能反射器阵列以将收集的太阳辐射分成光谱分量的分束器。

背景技术

在很多国家，对从可再生资源产生电能的需求正在不断地增加。从太阳辐射产生电能，如利用光电电池把太阳辐射转变成电能，已被认为是效率比较低下，并且由光电电池产生能量的成本也较高。但是最近在把太阳光集中到太阳塔的太阳能反射器阵列领域取得了显著的进步。当太阳光被集中时，产生给定量的电力所需的光电电池的面积可以减小，这使得用太阳光产生电能更具吸引力，也更经济。

光电电池利用其中吸收光子且产生电子-空穴对的p-n结。这种p-n结需要最小的阈能来产生电子-空穴对以及由此产生电能。因此，能量在阈值以下的长波太阳光，如热辐射，不能由光电电池转变成电能。特别是，低能辐射使光电电池变热并导致光电转换效率下降，而该热量的去除还需要冷却装置。对于在带隙能量以上的光子，超过带隙能量的那些能量不能被光电电池利用，并且也作为热量耗散掉。为了把可以用于由光电电池产生电能的辐射与低能辐射分开，可以使用分束器，将分束器定位在太阳塔处并布置成把集中的太阳光分成两个光谱分量。例如，这种分束器可以有以太阳塔为中心的盘状结构，并且光电电池可以位于分束器上方。另外，太阳塔可以包括用于吸收热辐射的吸收器，吸收器可以位于分束器下方，使得不适于光电转换的太阳光谱部分(即长波辐射和部分短波辐射)可以被利用。然后，分束器把集中的辐射分成两个光谱分量。

例如，这种分束器可以包括布置成通过干涉把光束分成两个分量的多层介电滤波器。但是，干涉条件以及因此的分束器操作依赖于太阳光束在分束器表面被接收时的入射角。由于太阳能反射器阵列通常覆盖很大的地面，因此在分束器处接收的太阳辐射不是处在一个特定的入射角内，而是在一个入射角范围内。克服这个问题的一种办法是将分束器选择成有一个复杂的表面形状，使得来自不同反射器的太阳光在分束器的各个表面部分处以基本上相同的入射角被接收。但是，具有这种表面形状的分束器难以制造。

发明内容

本发明在第一方面中提供了一种分束器，包括：

主体，其具有至少一个基本上平坦的表面，该表面具有布置成接收各个入射角范围内的辐射的表面区域，

其特征在于，至少一些被各个表面区域接收的辐射的入射角范围彼此不同，并且每个表面区域至少有一个各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响减小。

通常，选择每个表面区域的各自光学特性，使得入射范围对被每个区域透射和/或反射的辐射的波长范围的影响在很大程度上得到补偿。

在整个说明书中，“表面区域”一词意在包括位于表面的区域以及与执行分束功能的表面相邻的(即，大部分主体之内)区域。另外，“介电”一词用于描述至少有一些电介质特性的任何材料，并且还包括能吸收一部分从其中透射的辐射的材料。

入射到主体表面的辐射可以包括：具有第一波长范围内的一种或多种波长的第一辐射分量和具有第二波长范围内的一种或多种波长的第二辐射分量。通常，至少大部分第一辐射分量被反射，至少大部分第二辐射分量被透射。

因为每个表面区域至少有一个各自的光学特性，使得各自的入射角范围对反射的辐射的波长范围的影响减小，就可以避免复杂的表面形状，复杂的表面形状是为校正入射角范围对反射特性的影响而设计的。

例如，分束器可以通过选择性地反射和/或透射特定的波长范围来把入射辐射分成多个波长范围。

在特定的实施例中，分束器布置成位于太阳塔之上，以接收来自太阳辐射反射器阵列的太阳辐射。

分束器主体通常布置成至少大部分第二辐射分量被该主体透射。例如，分束器可以布置成当位于太阳塔上方时，把辐射导向量子接收器，如光电吸收器、热吸收器、化学吸收器或任何其他具有光谱依赖性的效率的吸收器。

在一个实施例中，至少大部分第二辐射分量被透射到第一吸收器，并且至少大部分第一辐射分量被反射到第二吸收器。第一和第二吸收器中的每一个都可以是任何类型的适合的量子接收器或光电吸收器。例如，第一和/或第二吸收器可以是化学或热吸收器。在具体的实施例中，第一吸收器是光电吸收器，第二吸收器是热或化学吸收器。表面区域通常布置成接收来自各个集中器的辐射，并把接收到的辐射导向收集器或光导的各个区域。

光电吸收器可以位于分束器上方，热或化学吸收器可以位于分束器下方。但应该理解，本发明的这种实施例不限于此特定的配置。例如，可以有一个或多个光电吸收器位于分束器下方，可以有一个或多个热和/或化学吸收器位于分束器上方。另外，光电吸收器可以位于分束器上方和下方。在此情况下，位于分束器下方的每个光电吸收器通常吸收的辐射的波长范围不同于位于分束器上方的每个光电吸收器所吸收的辐射的波长范围。

在一个具体的实施例中，分束器包括表面区域，这些表面区域布置成接收来自各个集中器或是来自集中器各个区域的辐射，其中各个集中器或是集中器各个区域可以是太阳辐射反射器阵列的一部分。例如，集中器可以是球形或抛物线形的反射器、菲涅耳透镜、袖珍线性菲涅耳反射器(CLFR)或任何其他类型的透镜。

通常，分束器和把光束导向分束器的集中器布置成各个集中器或集中器区域与各个表面区域相关，使各部分第二辐射分量在分束器的各个表面区域被接收。

该表面可以包括多层介电结构，该结构布置成影响所接收到的辐射的透射和/或反射。在多层结构的每个界面，可以反射一部分辐射，并且辐射可以发生干涉。每个表面区域可以与介电结构的一部分或一段相连，并且通常影响各自的反射干涉条件，该反射是在各自入射角范围内接收到的至少一部分辐射的反射。多层介电结构通常布置成透射至少大部分第二辐射分量且反射至少大部分第一辐射分量。在此实施例中，选择多层介电结构在每个表面区域的层厚度和/或折射率，以减小入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响。

例如，分束器的表面可以有一个中心。第一表面区域可以比第二表面区域更接近该中心。分束器可以布置成：在第一表面区域处接收来自接近太阳塔的光反射器的光，在第二表面区域处接收来自远离太阳塔的光反射器的光。在此情况下，在第二表面区域处接收的辐射的平均入射角大于(相对于表面法线)在第一表面区域处接收的辐射的平均入射角。在此实施例中，多层介电结构的各层在第二表面区域中的厚度大于在第一表面区域中的厚度，从而补偿不同的入射角范围对干涉条件的影响。

在特定实例中，多层介电结构的各层可以有递减(形成锥形)的层厚度，从而很大程度地补偿不同的入射角范围对干涉条件的影响。例如，辐射的入射角可以作为分束器上径向位置的函数而变化，并且介电结构可以有沿径向递减的层厚度。或者或另外地，多层介电结构的各层可以有递减的折射率分布，选择这种分布以补偿不同的入射角范围对干涉条件的影响。

在特定的实施例中，分束器包括具有递减层厚度的多层介电结构，并且该结构布置成反射大于90％、通常基本上为100％的第一波长范围内的辐射。在此情况下，分束器通常布置成透射和/或反射在表面上具有诸如0-60°的较宽入射角范围的辐射。

在另一具体实施例中，分束器包括具有递减层厚度的多层介电结构，并且该结构布置成透射大于90％、通常基本上为100％的第二波长范围内的辐射。例如，分束器可以包括一种抗反射涂层，如光电吸收器用的抗反射涂层。

但是，应该理解，在本实施例的改型中，分束器可以不必有中心，而可以有任何其他合适的几何形状。还应该理解，分束器的层厚度或折射率分布可以根据应用所需的任何合适方式而改变。

第一和第二表面区域可以隔开和/或可以设置在相对于地面不同的高度。另外，第一和第二表面部分可以有相对于彼此的任何顺序。例如，可以调节光集中器以将光束导向任何表面区域，在这种情况下，表面区域可以不依据入射角范围来排序。

在本实施例的改型中，可以形成多层介电结构，使得连续层之间的过渡基本上是连续的，从而形成皱波型滤波器。此吸收器具有的特殊优点在于，它可以产生一种在反射和/或透射波长范围之外具有可忽略的二级波瓣(“边带”)的分束器。然后，根据分束器表面上的位置调节皱波型滤波器的组成，从而补偿不同的入射角范围对分束器的影响。

每个表面区域可以包括各自的多层介电结构，该结构布置成反射和/或透射在各自的入射角范围内接收到的辐射。例如，分束器表面区域可以附着到各个光电电池，这样的优点在于每种介电多层结构可以较小，因此较易于制作。另外，此种改型具有提高的灵活性。例如，可以用不同的材料做不同的表面区域。光电接收器的任何非活性表面区域，如各个电池之间的区域，可以用高反射涂层覆盖，以将未用的光重新导向热接收器，并防止或减少光电电池过热。

分束器还可以包括全息结构，该结构布置成通过衍射和干涉来影响接收到的辐射的反射和/或透射，并且其中的每个表面区域都影响干涉条件，以重新导向和/或反射和/或透射在各自的入射角范围内接收到的辐射。全息结构起衍射光栅的作用，并因此能够导引以特定入射角被接收的特定波长的光。分束器可以包括几种全息结构，这些结构叠置或分布在不同的层中，每种结构布置成重新导向和/或反射和/或透射在各自的入射角范围和/或波长范围内接收到的辐射。

在特定的实施例中，分束器包括具有全息结构的同心表面区域，每种全息结构布置成反射在各自的入射角范围内接收到的辐射。全息结构可以利用适当的软件产生，所产生的结构可以利用照相或光刻技术及蚀刻而转移到载体材料上。

在本实施例的改型中，分束器包括一种全息结构，该结构布置成把接收到的辐射分成多于一个的波长范围。这种具体实施例的优点在于，可以将波长范围选择得更适合几个吸收器和/或光电电池的最佳工作波长范围，从而提高辐射能量转换成电能的效率。

另外，全息结构可以布置成使得不同波长范围的辐射投射到远离太阳塔和/或位于太阳塔下方的各个位置，因而太阳塔可以只须承载分束器，因此可以是较轻且不昂贵的结构。

分束器的主体还可以包括多层介电结构，该结构布置成通过干涉来影响接收到的辐射的透射和/或反射，并且其中每个表面区域影响各自的反射干涉条件，该反射是在各自的入射角范围内接收到的至少一部分辐射的反射。

本发明的第二方面提供了一种制造分束器的方法，该分束器具有用于在各个入射角范围内接收辐射的表面区域，至少有一些入射角范围彼此不同，并且每个表面区域布置成反射至少一些辐射，该方法包括以下步骤：

赋予每个表面区域至少一个各自的光学特性，使得入射角范围对反射的辐射的波长范围的影响减小。

本发明的第三方面提供了一种通过上述方法制造的分束器。

本发明的第四方面提供了一种分束器，包括：

具有表面区域的主体，这些表面区域布置成接收各自入射角范围内的辐射并反射至少一些辐射，

其特征在于，至少一些被各个表面区域接收的辐射的入射角范围彼此不同，并且每个表面区域至少有一个各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射的辐射的波长范围的影响减小。

例如，辐射可以包括具有处于第一波长范围内的一种或多种波长的第一辐射分量和具有处于第二波长范围内的一种或多种波长的第二辐射分量。通常，具有第一波长范围以外的波长的辐射分量不被反射而被透射。

例如，分束器可以布置成在从辐射反射器的各个表面区域接收到的辐射中分出第一辐射分量，并把第一辐射分量导向收集器的各个表面区域。主体可以包括至少一个光学引导介质，如光纤，该介质布置成用于导引第一辐射分量并使具有第一波长范围之外的波长的辐射穿过导引介质壁而照射出去。在具体的实施例中，第一辐射分量被导向光电电池，透过导引介质壁的辐射被热吸收器或化学吸收器接收。

通过下面对本发明具体实施例的描述，对本发明将有更全面地理解。下面参考附图进行描述。

附图说明

图1表示一个具体实施例的太阳辐射收集系统的示意图；

图2(a)-(d)表示计算的通量分布的二维图；

图3表示在本发明实施例的环状接收器内的能量计算值的一维图；

图4表示经过三个接收器表面的截面的辐射的角分布图；

图5表示本发明另一具体实施例的分束器的示意性截面图；

图6表示对于本发明实施例的分束器滤波器所计算出的反射率分布，(a)表示根据作为分束器滤波器上位置的函数的入射角适当调节了薄膜厚度分布，(b)表示没有适当调节薄膜厚度分布；

图7表示本发明又一具体实施例的分束器的示意图；和

图8表示本发明再一具体实施例的分束器的示意性截面图。

具体实施方式

首先参见图1，下面描述根据具体实施例的太阳辐射收集系统。系统10包括布置成接收太阳光并把太阳光反射到分束器14的定日镜12区。分束器14位于太阳塔16上。在此实施例中，布置这些定日镜使得每个定日镜反射太阳光，并集中太阳光到分束器14的各个表面区域，以使分束器14的各个区域与各个反射器相关联。

分束器14布置成把接收到的辐射分成具有第一光谱范围内的波长的第一辐射分量和具有第一波长范围以外的波长的第二辐射分量。第二辐射分量被分束器14透射，而部分第一辐射分量被分束器14反射。第二辐射分量被导向光电吸收器18，在此实施例中该光电吸收器位于分束器14上方，第一辐射分量被导向热吸收器20，在此实施例中该热吸收器位于分束器14下方。

为了在光电吸收器18中产生电子-空穴对并因此产生电能，被吸收的光子必须具有最小的阈能。在长短通滤波器(edge filter)的设计中，分束器14的布置使得透射到光电吸收器18的光子具有远大于阈值的能量，并且能量低于阈值的大部分光子被导向热吸收器20。或者，可以采用带通设计，这也允许不能被光电接收器完全利用并可能破坏光电接收器的高能光子被导向热吸收器。这两种配置具有的优点在于：光电吸收器18的发热可以降为最小，并且，借助于热吸收器20可以用热辐射等低能辐射来产生电能。

分束器14也可以设计成起带阻滤波器的作用，或是设计成同时反射和/或透射多个光谱带的光谱选择性滤光器。

下面更详细地描述分束器14之类的分束器的设计。图2表示诸如图1所示且在上面说明过的单塔中心接收器系统的焦点区域的通量分布。通量分布是2000年1月1日下午1:06在澳大利亚的悉尼计算的。对于此计算，假设系统10包括闭合的、环形、抛物面截面的定日镜环形区，公共瞄准点在10m高的塔的顶部。利用表1中列出的参数计算通量分布。

为了计算通量分布，利用了Buie D.和Imenes A.G.在2003年的“Asolar and vector class for the optical simulation of solar concentratingsystem”(In Proc.ISES Solar World Congress，June 14-19，Gothenburg，Sweden，P6 76)中描述的射线跟踪程序。

借助于天空中太阳的位置、其光谱和空间能量分布以及其在非理想镜面反射之后的空间能量分布的展宽，来定义地表的太阳光束。重要的参数是环日比(circumsolar ratio，CSR)，其定义为由包含在天空中环日区域内的辐射通量除以来自直射光束和光环的辐射通量所得的值。如果用CSR表示太阳光的空间能量分布，那么对于地理位置的变化，其平均值将是一个恒量。在此选择了标准的太阳形状分布，CSR的典型值为5％。同等重要的是反射模块的光学特性。此处，假设定日镜的反射镜具有表面误差为3.5mrad的标准偏差，并有一个理想的跟踪方案。

图2表示了计算出的通量分布21、22、23和24作为离开接收器中心的位移的函数，其中接收器放置在定日镜区的焦平面下方、距离为(a)1.0m，(b)0.6m，(c)0.4m和(d)0.2m处，接收器表面为2×2m2。

表1.

日盘极限值	4.65mrad
		环日极限值	43.6mrad
CSR	5％
		镜面误差的标准偏差	3.5mrad
经度，纬度	(151.2，-33.9)°
		时区	+11小时
日，月，年	1，1，2000
		小时，分钟，秒	13，6，0
太阳方位角，顶点	(350.6，10.9)°
		塔高	10m
反射镜直径	1m
		定日镜的数量	716

由放置在焦点下方0.2m(25)、0.4m(26)、0.6m(27)和1.0m(28)水平面上的环形接收器拦截的能量计算值示于图3中。放置在焦点下方0.4m处、直径为1.5m的环形接收器将收集大约97％的被反射镜区拦截并反射的能量。在此情况下对应的峰值集光度为500suns。

接下来，应该考虑在图1所示系统10的焦点区域中分束器14上入射的辐射的角能量分布。由于太阳的形状和镜面误差，光线会存在一定的重叠，因此需要确定由焦点区域中的平板接收器拦截的能量的平均角分布和标准偏差。图4中的曲线29、30和31表示辐射的角分布，对应于通过放置在焦点下方0.2m、0.4m和1.0m处的接收器的中心的截面。平均加权角μ及其标准偏差σ定义如下：

$\mathrm{\μ}=\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ω}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i}$   方程(1)         $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{\μ})}^2{\mathrm{\ω}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i}}$   方程(2)

在方程(1)和方程(2)中，ω_i表示以角θ_i入射的光线i的能量。对于接收器上的给定位置，通过让光线i的角度与能量之积对所有n条光线进行求和，然后除以所有n条光线的总能量，来得到平均加权角。标准偏差是该平均值的方差的平方根。

从图4中可以看出，对于放置在焦点下方0.4m处的分束器，平均加权角遵从一条从大约10°到大约54°范围内的曲线，对于较小的入射角，标准偏差约为8°，对于较大的入射角，标准偏差约为3°。对于令人满意的分束器性能而言，这些偏差处于可以接受的限度内。相对于远离焦平面的接收器位置而言，更接近焦平面的接收器位置处的标准偏差更大。越接近焦平面时标准偏差较大，是由来自于定日镜区不同方向的射线的重叠较大所致。在此情况下，平均加权角的分布很大程度地受到来自于定日镜区外侧区域的大量能量的影响。

当接收器在焦平面下方进一步下移时，来自定日镜区不同部分的射线的重叠减少，标准偏差也减小。在吸收器上的任何指定点，大部分能量此时来自于相当窄的角锥内。在此情况下，平均加权角的分布表现为在吸收器平面上有较大的变化：吸收器的中心区从塔附近的定日镜接收大部分能量，因此平均加权角将达到一个小的值。吸收器的外侧区域从位置远离的定日镜接收能量，并且平均加权角相应地增大。

图5表示根据另一具体实施例的分束器20。在此情况下，分束器20布置成：将从太阳反射器阵列(未示出)接收到的辐射32进行分束，将第二辐射分量34透射到光电吸收器(未示出)，并将其余的辐射36导向热吸收器(未示出)。分束器20包括透明的盘状光学透射基底38，在该基底上沉积着多层厚度递减的介电结构40。另一种可选结构包括盘状光学透射基底38，在该基底的前侧上沉积多层厚度递减的介电结构40，在该基底的后侧上额外沉积多层厚度递减的介电结构以提高光学性能(未示出)。

介电结构40的形状设置考虑到了薄膜的光准入的变化，该变化在入射角增大时出现并影响光程，正如传播的光线所示，且因此影响薄膜的干涉特性(为了清楚起见，图5放大了介电结构的内外区域之间的厚度差)。对于指定的薄膜厚度d，光程发生变化使得角度增大时入射波能够有效地到达(see)更薄的层。为了补偿光程的这种变化，根据方程(3)，相对于法向入射时的膜厚度d而言，在非法向入射角θ时，薄膜的厚度应该增大。

$d_c=d{(1-{\left(\frac{n_1}{n_2}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{-0.5}$     方程(3)

在方程(3)中，n₁是入射介质或入射层的折射率，n₂是要被调节的薄膜层的折射率。用于沉积和制造多层滤波器的合适介电材料包括但不限于：高折射率材料，如折射率大约在1.8-2.4范围内的Si₃N₄、Y₂O₃、Ta₂O₅、ZnS或TiO₂，和低折射率材料，如折射率大约在1.4-1.7范围内的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂或Al₂O₃。

对于由单晶硅电池组成的光电接收器，可以给出上述多层结构的典型带通窗的一个例子，其中的光子阈值为1.1eV，对应于波长为1.1微米的入射光子。带通滤波器的透射区的上边缘接近1.1微米，从而所有波长长于1.1微米的辐射都将被反射到热接收器。通常，根据复合接收器的电转换效率的优化来确定下边缘，例如通过比较热接收器的(光谱)效率与光电接收器的光谱效率，并且在典型的结构中可以选择下边缘为0.5-0.7微米，例如0.6微米。所有波长短于0.6微米的光子将被反射到热接收器。在此实例中，带通滤波器将波长在0.6微米与1.1微米之间的至少大部分辐射透射到光电接收器。光电接收器和热接收器的不同选择会导致不同的最佳带通区域。

多层结构40包括大量的层，相对于参考波长λ，每层的光学厚度接近一个或多个四分之一波长，但由于为了满足复杂的长短通滤波器或带通设计而进行的优化计算的原因，通常可以包含的层厚度在几纳米到几百纳米的范围内。在多层结构的每个界面处，部分辐射被反射，并且如果在各个界面处被反射的辐射彼此相消干涉，则多层结构的透射最大化。选择层厚度，使得实现长短通滤波器或带通透射滤波器分布。因此，对于相应于长短通滤波器或带通滤波器的预定波长范围，分束器将辐射透射到光电电池，而在其他的波长范围内，透射到光电电池的阳光减少。

每层中光的有效光程依赖于入射角。在此实施例中，太阳辐射收集系统10布置成：接近分束器中心的表面区域从接近于太阳塔16的定日镜接收辐射，而远离中心的表面区域从远离太阳塔16的定日镜接收辐射。为了确保任何入射角的辐射具有由分束器20实现的同样的光谱分束特性，层40的厚度从分束器20的内表面区域到外表面区域增加。

多层介电结构40可以利用2004年2月20日提交的共同未决的澳大利亚临时专利申请“等离子处理装置(Apparatus for Plasma Treatment)”中公开的方法和装置进行沉积。此临时专利申请公开了一种具有中空阴极的装置，其对基底以预定的方式扫描，从而以预定的方式涂敷基底。

在本实施例的改型中，可以把多层介电结构40布置成在相邻层之间有连续的过渡并形成皱波型滤波器。这种皱波型滤波器的优点在于：可以减小在最大透射或反射的理想波长范围之外的二级透射或反射波瓣，并且还可以减少与应力、破裂及由结构连续性质所致的粘滞有关的制造和耐用性问题。

下面进一步描述在制造分束器(如图5中的分束器20)时的设计标准。本实施例中，多层结构(如多层结构40)的优化是基于所谓的“优质函数”的计算，该优质函数是设计的实际光谱特性与理想光谱特性之间对应关系的数字测量。优质函数越小，目标与实际设计特性之间的对应关系越接近。此处采用的实例中，目标函数由高浓度单晶硅PV接收器和并行工作的热机的最佳电输出来定义。理想的(“目标”)光谱通带分布采取简单的方形(square)分布形状。目标函数的公差由入射空气团1.5(即，太阳入射角48°)直射太阳光谱与设计点处的接收器的光谱效率的乘积来定义，这产生一个对优质函数的加权程序。

当定义滤波器的目标函数时，应该仔细考虑滤波器在其上有效的光谱带宽，因为较窄的带宽将改善通过数字优化程序产生的最终层结构。累积的积分法向直射辐射的规一化光谱分布表现为：在该日的主要时段、即空气团1～3(太阳入射角范围0～70°)期间所经历的入射角范围内的变化极小。只有稍大于1％的阳光在2500nm以上的IR区域入射，因此，此波长可以设为光谱目标函数的方便的上限。类似地，只有大约1％的阳光在350nm以下入射，这可以选作目标函数的下限。但是，因为暴露于UV光会导致对PV电池的损坏，所以分束器可以设计成将有害的光反射离开电池。在此情况下，目标函数的下限可以向下移到～300nm，作为此时的处理方法。

在此实施例中，“探针(needle)”数字优化技术被用于计算出产生带通滤波器功能的涂层40的薄膜折射率分布。关于探针技术的进一步信息，可以参考Tikhonravov A.V.、Trubetskov M.K.和DeBell G.W.在1997年的文章“Design of coatings for wide angular range applications”(In OpticalThin Films V：New Developments，Proc.SPIE 3133，30July-1 August，SanDiego，California，pp.16-24)。

根据图4中的曲线30，采用TFCalc薄膜软件来优化用于锥形入射太阳辐射的滤波器，假设平均入射角为μ，标准偏差为σ，并且以54°的最大平均加权角入射。关于TFCalc软件，请参考TFCalc thin film designsoftware，Software Spectra，Inc.，Portland。

探针优化起始于基底前表面上厚度为10μm的单层高折射率材料TiO₂(在1000nm时，nH＝2.3)，且基底的后表面上有1μm厚的TiO₂层。低折射率材料为SiO₂(在1000nm时，nL＝1.43)，基底为3mm厚的玻璃(在1000nm时，n_S＝1.51)，空气作为包围介质。假设这些材料是色散性的无吸收材料。

对于平均加权角在最大预测值处进行优化。如图6所示，当根据方程(3)调节膜厚度时，最终的优化设计在平均加权角的较小值处具有改善的性能。对于在14～54°范围内、增幅为10°的平均加权角时入射的光束锥，最终设计的反射率分布如图6(a)所示。根据方程(3)，当入射角变化时，调节所有各个层的厚度。可以看到，随着入射角从54°度的设计角减小，滤波器的整体性能得以改善。在此实施例中，最终的设计有162层(正面149层，背面13层)，滤波器中心处的总厚度为～13μm，边缘处的总厚度为～15μm。图6(b)表示出没有根据方程(3)调节层厚度的对应结果。

图7表示一种分束器50，该分束器包括第一表面区域52和第二表面区域54。每个表面区域具有针对图5所示分束器20讨论过的那种多层介电结构，但考虑到不同的入射角范围，此实施例中不包括厚度沿径向逐渐变薄(形成锥形)的层。在此实施例中，第一表面区域52中的层厚度选择适合于0°～40°的入射角范围(相对于表面法线)，第二表面区域54具有适合于40°～60°的入射角范围的稍厚的层。应该理解，本发明不是仅限于两个表面区域，也不限于此实例给出的入射角范围。

图8表示另一实施例的系统60，该系统中分束器包括全息结构62，如体积全息图，其配置成将第一波长范围的辐射导向在本实施例中与光电吸收器64的表面重合的第一区。在此实施例中，波长在第二波长范围之外的大部分辐射被导向热吸收器66。

全息结构的功能类似于衍射光栅，并因此可以引导以特定的入射角接收到的特定波长范围的辐射。例如，可以利用公知的激光干涉或蚀刻技术在光敏材料中形成全息结构。

通常，以彼此略微不同的波长记录的大量全息图相互叠加，使得全息图的整体响应接近于带通滤波器的响应。在此实施例中，考虑到辐射被接收时的入射角来记录全息结构，该入射角从分束器的内表面到外表面区域增大(相对于表面法线)。

太阳全息图的制作可以通过把激光源分成两个相干光束来完成。利用由透镜和反射镜组成的光学系统，将其中一束光准直成平行光线入射到记录片上。另一束光作为球形波以给定的入射角发散到记录片上，这必须由最终全息滤波器的理想特性来确定。两光束在记录片上有近似相同的强度。对角度和全息图厚度的选择使太阳光谱的指定部分被有效地衍射。通过在彼此的顶部叠置几个全息图，可以延伸太阳光谱的衍射部分。对于照明波的固定方向，每个全息图把入射波谱的不同部分衍射到相同的方向，由此建立透射带或反射带。全息图的排列顺序对于避免不同全息图之间的耦合很重要，该耦合将会降低衍射效率。

制造全息光学滤波器的一种方法是把一层或多层光敏重铬酸盐明胶放置到玻璃或塑料膜基底上。全息膜可以植入在玻璃片之间以提供刚性、强度和防潮。例如，可以用波长为488nm的氩激光器在通常为几微米厚的重铬酸盐明胶层中记录衍射图案，这将导致可见光区域的光的过滤。对于每次记录改变两个相干激光束的入射角，使得记录的衍射图案覆盖波长范围。同样，对于给定波长的光，入射角将会决定光子将被反射或透射的光路，如同由记录的几何形状所设置的一样。

虽然以上结合特定实施例描述了本发明，但本领域所属技术人员应该理解，可以以多种其他的形式实施本发明。例如，分束器可以不设置成用于太阳辐射收集系统中，而是可以适于其他的应用。

本领域所属技术人员还应理解，分束器既可以采取长短通滤波器、带通滤波器的形式，也可以采取带阻滤波器的形式，并且还可以把光束分成两个以上的光谱分量。

根据辐射收集系统的几何形状，分束器可以不是环状，而可以采取其他合适的形状(包括非对称和不规则形状)，如矩形或椭圆形，而且表面区域可以有任何合适的顺序。

另外，本领域所属技术人员应该理解，分束器的主体可以不必是平的，而可以包括彼此之间有任何空间关系的基本上平坦的部分。例如，基本上平坦的表面部分可以隔开，并且也可以在垂直于一个表面部分的方向上偏置。

本领域所属技术人员还应理解，入射光束可以分成适合于除前述光电接收器和热接收器以外的其他接收器的光谱分量，例如，可以将低带隙光电接收器用于入射太阳光谱的低能部分，各种热接收器或化学接收器可以用于入射太阳光谱的高能部分。例如，化学接收器可以布置成当吸收各个波长范围的辐射时会引发各自的化学反应。

另外应该理解，考虑到分束器上不同的入射角范围，可以按连续或间歇的方式使层状滤波器的厚度和/或材料组成逐渐减小。另外还应该理解，层状介电结构既可以独立采用，也可以与全息结构结合采用，以便理想地分裂入射太阳光谱。

分束器可以布置成接收来自任何类型集中器的辐射，该类集中器包括反射器(例如球形或抛物线形反射器)、菲涅耳透镜或任何其他类型的透镜。

Claims (33)

1.一种分束器，包括：

主体，其具有至少一个基本上平坦的表面，该表面具有布置成接收各个入射角范围内的辐射的表面区域，

其特征在于，至少一些被各个表面区域接收的辐射的入射角范围彼此不同，并且每个表面区域有至少一个各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响减小。

2.如权利要求1所述的分束器，其特征在于选择每个表面区域的各自光学特性，使得入射范围对每个表面区域透射/或反射的辐射的波长范围的影响在很大程度上得到补偿。

3.如权利要求1或2所述的分束器，其特征在于该辐射包括具有第一波长范围内的一种或多种波长的第一辐射分量和具有第二波长范围内的一种或多种波长的第二辐射分量，并且至少大部分第一辐射分量被反射，至少大部分第二辐射分量被透射。

4.如前述任一权利要求所述的分束器，其特征在于分束器布置成位于太阳塔之上，从太阳辐射反射器阵列接收太阳辐射。

5.如权利要求4所述的分束器，其特征在于分束器布置成当位于太阳塔之上时，至少大部分第一辐射分量被反射到第一吸收器，至少大部分第二辐射分量被透射到第二吸收器。

6.如权利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一个为热吸收器。

7.如权利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一个为化学吸收器。

8.如权利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一个为光电吸收器。

9.如前述任一权利要求所述的分束器，其特征在于主体布置成至少大部分第二辐射分量被该主体透射。

10.如前述任一权利要求所述的分束器，其特征在于分束器和把光束导向分束器的集中器布置成：各个集中器或集中器区域与各个表面区域相关，使第二辐射分量部分在分束器的各个表面区域被接收。

11.如权利要求10所述的分束器，包括表面区域，这些表面区域布置成接收来自各个集中器的辐射，并把接收到的辐射导向收集器或光导的各个区域。

12.如权利要求11所述的分束器，其特征在于每个集中器是太阳能反射器阵列中的一个反射器。

13.如权利要求10～11中任一项所述的分束器，其特征在于收集器是光电吸收器。

14.如前述任一权利要求所述的分束器，其特征在于主体包括多层介电结构，该结构布置成通过干涉来影响接收到的辐射的透射和/或反射，并且每个表面区域影响各自的反射干涉条件，该反射是在各自的入射角范围内接收到的至少一部分辐射的反射。

15.如权利要求14所述的分束器，其特征在于多层介电结构布置成透射至少大部分第二辐射分量且反射至少大部分第一辐射分量。

16.如权利要求14或15所述的分束器，其特征在于选择多层介电结构在每个表面区域的层厚度，以减小入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响。

17.如前述任一权利要求所述的分束器，其特征在于分束器布置成位于太阳辐射反射器阵列的太阳塔之上，该分束器的表面有一个中心，第一表面区域比第二表面区域更接近该中心，并且第一表面区域布置成接收来自更接近于太阳塔的反射器的光，第二表面区域布置成接收来自更远离太阳塔的反射器的光。

18.如依据于权利要求14～16中任一项的权利要求17所述的分束器，其特征在于多层介电结构的各层在第二表面区域处的厚度大于在第一表面区域处的厚度。

19.如权利要求18所述的分束器，其特征在于多层介电结构的各层具有递减厚度，该递减厚度作为分束器表面上的位置的函数。

20.如权利要求16所述的分束器，其特征在于多层介电结构的各层的厚度可以作为接收表面上的位置的函数而改变。

21.如权利要求16所述的分束器，其特征在于多层介电结构具有递减的层厚度，并且布置成反射大于90％的第一波长范围内的辐射。

22.如权利要求16所述的分束器，其特征在于多层介电结构具有递减的层厚度，并且布置成透射大于90％的第二波长范围内的辐射。

23.如权利要求14～18中任一项所述的分束器，其特征在于形成多层介电结构，使得连续层之间的过渡基本上是连续的，从而形成皱波型滤波器。

24.如权利要求14～22中任一项所述的分束器，其特征在于每个表面区域包括各自的多层介电结构，该结构布置成反射在各自的入射角范围内接收到的辐射。

25.如权利要求24所述的分束器，其特征在于表面区域附着到各个光电电池。

26.如权利要求1～13中任一项所述的分束器，其特征在于主体包括全息结构，该结构影响各自的衍射和干涉条件，用于反射和/或透射在各自的入射角范围内接收到的辐射。

27.如权利要求26所述的分束器，包括各具有全息结构的同心表面区域，该全息结构布置成反射和/或透射至少大部分在各自的入射角范围内接收到的辐射。

28.如权利要求26或27所述的分束器，其特征在于每种全息结构布置成将在各自的入射角范围内接收到的辐射中多于一个的波长范围反射和/或透射。

29.如权利要求28所述的分束器，其特征在于全息结构布置成使得不同波长范围的辐射被导向不同的位置。

30.如权利要求26～28中任一项所述的分束器，其特征在于主体还包括多层介电结构，该结构布置成通过干涉来影响接收到的辐射的透射和/或反射，并且每个表面区域影响各自的反射干涉条件，该反射是在各自的入射角范围内接收到的至少一部分辐射的反射。

31.一种制造分束器的方法，该分束器具有用于在各自的入射角范围内接收辐射的表面区域，至少有一些入射角范围彼此不同，并且每个表面区域布置成反射至少一些辐射，该方法包括如下步骤：

赋予每个表面区域至少一个各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响减小。

32.一种通过权利要求31所述方法制造的分束器。

33.一种分束器，包括：

具有表面区域的主体，该表面区域布置成接收各自的入射角范围内的辐射，

其特征在于，至少一些被各个表面区域接收的辐射的入射角范围彼此不同，并且每个表面区域有至少一个各自的光学特性，使得各个入射角范围对反射和/或透射的辐射的波长范围的影响减小。

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