DE102009008170A1

DE102009008170A1 - Verfahren und System zur Lichtkollektion und Lichtenergie-Umwandlungsgerät

Info

Publication number: DE102009008170A1
Application number: DE200910008170
Authority: DE
Inventors: Liang-De Wang; Yuan-Xiang Zou; Li-Chi Baoshan Pan; Pin Chang
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2029-02-11
Also published as: EP2169728A3; TW201013225A; US20100078062A1; CN101788708A; DE102009008170B4; US9086227B2; EP2169728A2; CN101788708B; EP2169728B1; AU2009217482A1; TWI404975B; AU2009217482B2

Abstract

Ein Lichtkollektionssystem, das eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung umfasst, wird bereitgestellt. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung empfängt mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls und emittiert den Teil des einfallenden Lichtstrahls nach einem Konzentrieren und dessen Durchführen durch einen ersten Brennbereich weiter, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung weist eine Eingangsblende zum Aufnehmen des Primär-Ausgabelichtstrahls auf. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung beinhaltet eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche weist einen zweiten Brennbereich auf. Der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich sind konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls. Folglich wird mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls konfokal in einen vorwärts emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren der Lichtkollektion, die zur Anwendung auf ein Energieumwandlungs-Mechanismus in einem Solarzellenmodul oder zum Umwandeln von Solarenergie geeignet sind.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Lichtkollektionssystem sammelt eine beträchtliche Anzahl von einfallenden Lichtstrahlen und emittiert die Lichtstrahlen dann in einer dichterer Form durch einen kleineren optischen Bereich. Ein Lichtkollektionssystem kann auf eine Solarzelle oder auf die Wärmekollektion von Solarenergie angewendet werden.
Eine Solarzelle muss das einfallende Licht effektiv absorbieren. Dennoch wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls infolge der natürlichen physikalischen Erscheinungen reflektiert. 1 veranschaulicht optische Brechung und Reflexion. Es wird Bezug genommen auf 1, eine transparente bzw. lichtdurchlässige Schicht 100 mit einer Brechzahl n empfängt einen Lichtstrahl 102a durch die Luft. Basierend auf der Erscheinung der optischen Brechung tritt ein gebrochener Lichtstrahl 102b in die transparente Schicht 100 ein und ein reflektierter Lichtstrahl 102c wird gemäß dem Einfallswinkel θ des einfallenden Lichtstrahls 102a reflektiert. 2 veranschaulicht das Verhältnis zwischen einem Einfallswinkel und einem Reflexionsgrad. Glas- und Luftgrenzfläche ist als Beispiel genannt. Es wird Bezug genommen auf 2, die die Reflexion eines Lichtstrahls außerhalb eines Mediums betriefft, wobei die Reflexion beträchtlich erhöht wird und dementsprechend der reflektierte Lichtstrahl 102c stärker und stärker wird, wenn der Einfallswinkel θ größer als ein bestimmter Winkel (zum Beispiel größer als 60°) ist. Anders gesagt, je weniger gebrochenes Licht 102b in die transparente Schicht 100 eintritt, desto niedriger ist die optische Effizienz.
3 veranschaulicht das Verhältnis zwischen einem Einfallswinkel eines Lichtstrahls und Absorptionsgrad [absorption response] einer Solarzelle. Es wird Bezug genommen auf 3, worin als ein Beispiel die Absorption, die einem Einfallswinkel von 0° entspricht, beschrieben wird. Wenn der Einfallswinkel größer als 50° wird, beginnt die Absorption der Solarzelle sich drastisch zu verringern. Dementsprechend wird in einem nicht zufriedenstellenden Lichtkollektions-Aufbau die fotovoltaische Umwandlungseffizienz der Solarzelle infolge deren nicht zufriedenstellenden Absorptionseffizienz verringert, wenn es zu viele Lichtstrahlen gibt, die in eine Solarzelle unter größeren Winkeln eintreten. Anders gesagt muss der optische Aufbau eines hoch-effizienten Lichtkollektionssystems in einer Solarzelle den meisten einfallenden Lichtstrahlen ermöglichen, die Solarzelle unter Winkeln kleiner als 50° einzutreten. Allerdings führt der Nachteil eines derartigen Aufbaus zu einigen Sorten von Solarzellen-Lichtkollektoren mit einer niedrigen Blendezahl.
Verschiedene Aufbauten von Solarverdichtern mit einer niedrigen Blendezahl sind bereitgestellt worden. 4 veranschaulicht die Struktur eines Solarzellen-Lichtkollektors mit einer niedrigen Blendezahl. Es wird Bezug genommen auf 4, wobei der Lichtkollektor 400 einer Solarzelle einen einfallenden Lichtstrahl 401 empfängt. Nachdem der einfallende Lichtstrahl 401 in einen ersten Lichtkollektor 402 eintritt, reflektiert der Lichtkollektor 400 mit einer niedrigen Blendezahl den einfallenden Lichtstrahl 401 basierend auf einer inneren Totalreflexion(TIR)-Sägezahnstruktur 403 und der Ausgabelichtstrahl 404 wird auf einem zentralen sekundären optischen Element 405 gebrochen und gleichmäßig auf der Solarzelle 406 verteilt. Folglich wird sowohl ein kompakter Aufbau als auch eine hohe Lichtkonzentrierungsrate erreicht.
Allerdings treten im vorhergehenden Lichtkollektor 400 mit einer niedrigen Blendezahl die meisten Lichtstrahlen unter großen Winkeln in die Solarzelle 406 ein und diese Lichtstrahlen treten meistens in einem großen optischen Eingangsbereich ein, zum Beispiel in der äußeren Zahnstruktur der TIR Optik. Außerdem müssen spitze Zähne 407 in der TIR Sägezahnstruktur 403 des Lichtkollektors 400 aufgebaut werden, um eine hohe optische Effizienz zu erreichen. Allerdings können in einem derzeitigen Spritzgießverfahren diese Sägezähne runde Ecken erzeugen. Dementsprechend kann die optische Effizienz des Lichtkollektors 400 verringert werden.
5 veranschaulicht einen anderen Brechungs-Reflexions-TIR(RXI)-Solarlichtkollektor mit einer kurzen Brennweite. Nachdem ein einfallender Lichtstrahl 501 in den festen Lichtkollektor 500 eintritt, wird er zuerst durch einen unteren Spiegel 502 reflektiert, dann intern durch die Oberfläche 505 des Lichtkollektors 500 total reflektiert und anschließend auf die Solarzelle 504 abgestrahlt. Ein näher an dem Zentrum einfallender Lichtstrahl wird zuerst durch den unteren Spiegel 502 reflektiert und dann durch einen oberen Spiegel 503 reflektiert, bevor er in die Solarzelle 504 eintritt.
Zuvor genannter RXI-Kompaktsolarlichtkollektor 500 bietet sowohl eine hohe Lichtkollektionsrate als auch eine sehr kurze Brennweite. Allerdings tritt in diesem Aufbau der einfallende Lichtstrahl größtenteils unter einem sehr großen Winkel in die Solarzelle ein, nachdem er total reflektiert wurde, und demzufolge wird die fotovoltaische Umwandlungseffizienz der Solarzelle verringert.
6 veranschaulicht eine herkömmliche Cassegrain reflektierende optische Fokussierungsvorrichtung. Nachdem ein einfallender Lichtstrahl 601 in eine erste Reflexionsoberfläche 602 eintritt, wird er in einem Lichtkollektionssystem 600 zu einer zweiten Reflexionsoberfläche 603 reflektiert, dann auf einem CPC Farbmischungselement 604 fokussiert und anschließend zu einer Solarzelle 605 gebrochen.
Das zuvor genannte Cassegrain Lichtkollektionssystem 600 bietet sowohl einen kompakten Aufbau als auch eine hohe Lichtkonzentrierungsrate. Zusätzlich kann ein kleinerer Einfallswinkel und eine einheitlichere Abstrahlung durch das sekundäre Brechungselement 604 erzielt werden. Allerdings ist die Bautoleranz zwischen dem primären Element 602 und einem sekundären Element 603 in einer derartigen Lichtkonzentrierungsvorrichtung extrem gering. Nämlich benötigt die Abstrahlung der erforderlichen Solarzelle eine sehr hohe Baupräzision zwischen Spiegeln und dem Farbmischungselement.
7 veranschaulicht ein anderes herkömmliches Fresnel-Lichtkollektionssystem. Ein am häufigsten verwendbares Brechungs-Lichtkollektionssystem 700 hat ein primäres Lichtkollektionssystem, wobei das Lichtkollektionssystem eine Fresnel-Linse 701 sein kann und welches einen einfallenden Lichtstrahl auf einem Fokus 702 verdichtet und dann den Lichtstrahl auf eine Solarzelle 704 durch direkte Abstrahlung oder Reflexion eines sekundären optischen Elementes 703 sammelt.
8 veranschaulicht die Abstrahlungsverteilung auf einem Querschnitt einer Solarzelle. Wie in 8 gezeigt ist, ist die aufgenommene Lichtabstrahlung sehr ungleichmäßig und es gibt einen starken Lichtkonzentrierungseffekt in dem Zentralbereich. Eine derartige ungleichmäßige Verteilung kann eine ungleichmäßige Temperatur und Abstrahlung der Solarzelle verursachen und dementsprechend können die Wärmeverteilung und die photovoltaische Umwandlungseffizienz der Solarzelle verringert werden.
Es sind immer noch viele verschiedene Bauarten bereitgestellt, die verschiedene Probleme in herkömmlichen Lichtkollektionssystemen betreffen. Aber haben die herkömmlichen Lichtkollektionssysteme ihre Nachteile. Zum Beispiel sind die niedrige photovoltaische Umwandlungseffizienz einer Solarzelle, die durch ungleichmäßige Abstrahlung verursacht wird, die niedrige Absorption und photovoltaische Umwandlungseffizienz einer Solarzelle, die durch große Einfallswinkel verursacht wird, der Einfluss von Verfahrenspräzision und Bautoleranz auf die Abstrahlung und die Annahmewinkel der Optik alles Probleme, die in der herkömmlichen Technik gelöst werden sollen. Dementsprechend soll immer noch ein besserer Aufbau eines Lichtkollektionssystems bereitgestellt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und ein Gerät zur Lichtkollektion gerichtet, wobei die Lichtkollektionsvorrichtung eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung ist. Anstatt eines Farbmischungselementes agiert die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung wie eine Lichtabbildungsvorrichtung, so dass ein einfallender Lichtstrahl unter einem kleineren Einfallswinkel mit einer geeigneteren Abstrahlung in einen Absorber eintritt, um eine höhere optische Effizienz zu erzielen und die Leistung des Absorbers entweder in Licht- oder Thermalenergieabsorption zu verbessern. Das Verfahren und das Gerät zur Lichtkollektion, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt sind, können auf Lichtvereinheitlichung und Wärmekollektion von solarphotovoltaischen und solarthermalen Lichtkollektionslinsen angewendet werden, um die optische Effizienz eines solaroptischen Systems zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtkollektionssystem bereit, das eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung umfasst. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung empfängt mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls und emittiert den Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Konzentrieren und Durchführen durch einen ersten Brennbereich weiter, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl [ferst-stage output light] zu erzielen. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung hat eine Eingangsblende zum Aufnehmen des Primär-Ausgabelichtstrahls. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung beinhaltet eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche weist einen zweiten Brennbereich auf. Der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich sind konfokal und annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls, so dass mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls konfokal in einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Lichtenergie-Umwandlungsgerät bereit, das eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung, reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung und eine Lichtenergie-Umwandlungsvorrichtung umfasst. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung empfängt mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls und emittiert den Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Konzentrieren und Durchführen durch einen ersten Brennbereich weiter, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung weist eine Eingangsblende zum Aufnehmen des Primär-Ausgabelichtstrahls auf. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung beinhaltet eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche weist einen zweiten Brennbereich auf. Der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich sind derart festgelegt, um konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls zu sein, dass mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls konfokal in einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt wird. Die Lichtenergie-Umwandlungsvorrichtung empfängt mindestens einen Teil des Sekundär-Ausgabelichtstrahls und umwandelt die optische Energie des Sekundär-Ausgabelichtstrahls in eine nicht-optische Energie.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtkollektionsverfahren bereit. Mindestens ein Teil eines einfallenden Lichtstrahls wird aufgenommen und der Teil des einfallenden Lichtstrahls wird weiter emittiert, nachdem er verdichtet und durch einen ersten Brennbereich durchgeführt wurde, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen. Eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung ist bereitgestellt und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung weist eine Eingangsblende und eine reflektierende Krümmungsoberfläche auf und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche weist einen zweiten Brennbereich auf. Der zweite Brennbereich und der erste Brennbereich sind derart festgelegt, um konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls zu sein, um den Primär-Ausgabelichtstrahl aufzunehmen und mindestens einen Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls konfokal in einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl umzuwandeln.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein Lichtkollektionssystem bereit, das eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Oberflächenvorrichtung umfasst. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung beinhaltet eine erste reflektierende innere Krümmungsoberfläche und die Lichtkonzentrierungsvorrichtung empfängt mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls und emittiert den Teil des einfallenden Lichtstrahls weiter, nachdem er durch die erste reflektierende Krümmungsoberfläche verdichtet und durch einen ersten Brennbereich durchgeführt wurde, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen. Die erste reflektierende Oberflächenvorrichtung beinhaltet eine Eingangsblende, eine zweite reflektierende innere Oberfläche und eine Ausgangsblende. Die Eingangsblende empfängt mindestens den Primär-Ausgabelichtstrahl und ermöglicht mindestens einem Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls durch die zweite reflektierende innere Oberfläche reflektiert zu werden, um einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen, und emittiert den Sekundär-Ausgabelichtstrahl durch die Ausgangsblende weiter.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weitergehendes Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sind eingebunden in diese Beschreibung und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung die Prinzipien der Erfindung.
1 ist eine Zeichnung, die Erscheinungen der optischen Brechung und Reflexion veranschaulicht.
2 ist eine Zeichnung, die das Verhältnis zwischen einem Einfallswinkel und dem Reflexionsgrad veranschaulicht.
3 ist eine Zeichnung, die das Verhältnis zwischen einem Einfallswinkel eines Lichtstrahls und der Absorption einer Solarzelle veranschaulicht.
4 ist eine Zeichnung, die die Struktur eines Solarzellen-Lichtkollektors mit einer kurzen Brennweite veranschaulicht.
5 ist eine Zeichnung eines Brechungs-Reflexions-TIR(RXI)-Solarlichtkollektors mit einer kurzen Brennweite.
6 ist eine Zeichnung einer herkömmlichen Cassegrain reflektierenden solaroptischen Fokussierungsvorrichtung.
7 ist eine Zeichnung eines anderen herkömmlichen Fresnel-Lichtkollektionssystems.
8 ist eine Zeichnung, die die Abstrahlungsverteilung auf einem Querschnitt einer Solarzelle veranschaulicht.
9 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10–15 sind Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 veranschaulicht die Intensität am Eingang einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung in 16.
18 veranschaulicht die Abstrahlung am Eingang einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032.
19 veranschaulicht die Intensität an der Ausgangsblende einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung.
20 veranschaulicht die Abstrahlungsverteilung an der Ausgangsblende einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung.
21 ist eine Querschnitt-Zeichnung, die eine parabolische und eine konfokale elliptische Krümmungsoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
22–23 sind Zeichnungen, die die Abstrahlung bzw. die Intensität am Eingang einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
24–25 sind Zeichnungen, die die Abstrahlung bzw. die Intensität an der Ausgangsblende einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
26–27 sind perspektivische Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
28 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
29A–29C sind Querschnitt-Zeichnungen eines sekundären optischen Systems in dem Lichtkollektionssystem in 28 gemäß einigen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
30–31 sind Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
32–34 sind schematische Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems mit annähernd konfokalen Konfigurationen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
35 ist eine Zeichnung, die schematisch die Abstrahlungsverteilung basierend auf einem der Lichtkollektionssysteme der vorliegenden Erfindung darstellt.
36 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Es wird jetzt detailliert Bezug genommen auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, deren Beispiele in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht werden. Wo immer es möglich ist, werden gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtkollektionssystem bereit, das eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung umfasst. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung agiert wie eine Lichtabbildungsvorrichtung anstatt einer Farbmischungsvorrichtung, so dass ein einfallender Lichtstrahl dann unter einem kleineren Einfallswinkel mit einer geeigneteren Abstrahlung ohne den Lichtstrahl zu mischen in einen Absorber eintreten kann, um eine höhere optische Effizienz zu erzielen und die Leistung des Absorbers in Licht- oder Thermalenergieabsorption zu verbessern. Bei Anwendung auf einen photovoltaischen Solarlichtkollektor erhöhen die einheitliche Abstrahlungsverteilung und der kleine Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls nicht nur die Lichtkollektionseffizienz und verringern die Wärmebelastung, sondern erhöhen auch die Absorption der Solarzelle und Umwandlungseffizienz des Lichtkollektors. Bei Anwendung auf einen solarthermischen Lichtkollektor erhöhen der kleinere Einfallswinkel und verdichtete Abstrahlung die Lichtkollektionseffizienz des Absorbers ebenfalls und außerdem wird in einem Aufbau, in dem der Absorber auf einer unteren Position angeordnet ist, eine effizientere Wartungsstruktur zur Wartung und Reinigung des optischen Systems und eines Absorbers bereitgestellt, die einem sich ändernden Wetter lange Zeit ausgesetzt sind.
Andererseits kann in einem anderen Aspekt ein Lichtkollektionsmechanismus eine primäre Lichtkonzentrierungsvorrichtung umfassen, wobei die primäre Lichtkonzentrierungsvorrichtung mindestens einen ersten Fokus (Brennbereich) aufweist. Eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung ist unter dem ersten Fokus (Brennbereich) angeordnet, wobei die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine Eingangsblende, eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche und eine Ausgangsblende aufweist, und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung einen zweiten Fokus (Brennbereich) aufweist. Der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich sind konfokal und annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls. Die primäre Lichtkonzentrierungsvorrichtung sammelt einen einfallenden Lichtstrahl zu dem Brennbereich, wo der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich platziert sind, und emittiert den Lichtstrahl als einen Primär-Ausgabelichtstrahl. Nachdem der Primär-Ausgabelichtstrahl die Eingangsblende passiert hat, wird mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche reflektiert und als ein Sekundär-Ausgabelichtstrahl (d. h. ein Abbildungs-Ausgabelichtstrahl) durch die Ausgangsblende emittiert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt. Anders gesagt können die Inhalte dieser Ausführungsformen eingebunden werden, ohne sich von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
9 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 9, wobei das Lichtkollektionssystem 900 eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 umfasst, die innerhalb eines Intervalls konfokal oder annähernd konfokal zu einander sind. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 umfasst eine reflektierende Krümmungsoberfläche mit einem ersten Fokus 903, wobei der erste Fokus 903 einen Brennbereich darstellt und die Größe des Brennbereiches durch die Verfahrensgenauigkeit der reflektierenden Krümmungsoberfläche oder durch die Aufbauvorgabe bestimmt wird. Außerdem kann die reflektierende Krümmungsoberfläche eine reflektierende Metalloberflächenschicht oder eine reflektierende Struktur aus anderen Materialen sein. Die Krümmungsoberfläche der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 (zum Beispiel ein Paraboloid) weist den ersten Fokus 903 als ihren geometrischen Fokus auf. Allerdings ist die Krümmungsoberfläche der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 nicht auf das Paraboloid begrenzt und jede andere Oberflächenstruktur, die fokussieren kann, kann in der vorliegenden Erfindung angewendet werden, wobei das Paraboliod nur eine bevorzugte Möglichkeit ist. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 empfängt und verdichtet einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls 901. Nachdem der Teil des einfallenden Lichtstrahls 901 den ersten Fokus 903 passiert hat, emittiert die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 den Lichtstrahl durch eine Ausgangsblende 906 der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 (zum Beispiel eine Blende 906) als einen Primär-Ausgabelichtstrahl 907.
Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 (d. h. eine optische reflektierende Abbildungsvorrichtung 904) beinhaltet eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche 909 und mindestens ein Teil der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche weist einen zweiten Fokus 905 auf. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 weist eine Eingangsblende (d. h. die Blende 906) zum Aufnehmen des Primär-Ausgabelichtstrahls 907 auf. Allerdings werden in der vorliegenden Erfindung der erste Fokus 903 und der zweite Fokus 905 so festgelegt, dass sie innerhalb eines Intervalls konfokal oder annähernd konfokal sind. Der erste Fokus 903 und der zweite Fokus 905 müssen nicht absolut konfokal sein; stattdessen können sie annähernd konfokal gemäß der Verfahrensgenauigkeit oder der Aufbauanforderung festgelegt werden, wenn zum Beispiel der Aufbau mit einheitlicher räumlicher Verteilung oder kleiner Winkelverteilung erforderlich ist. Wegen der konfokalen Einstellung des ersten Fokus 903 und des zweiten Fokus 905 passiert der Primär-Ausgabelichtstrahl 907, der den ersten Fokus 903 passiert, gleichzeitig auch den zweiten Fokus 905. Die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 weist eine ähnliche Struktur wie die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 auf, ist aber gegenüber dazu angeordnet und die Struktur der Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 ist vorzugsweise auch ein Paraboloid. Wegen der konfokalen Einstellung des ersten Fokus 903 und des zweiten Fokus 905 passiert der Primär-Ausgabelichtstrahl 907 auch den zweiten Fokus 905 der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 904, wird dann durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche 909 reflektiert und anschließend durch die Ausgangsblende 910 emittiert. Da die reflektierende innere Krümmungsoberfläche ein Paraboloid ist, bewahrt der Sekundär-Ausgabelichtstrahl 908 seine ursprüngliche Einfallsrichtung, was dabei hilft, den Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls zu steuern, wenn anschließend das Lichtkollektionssystem 900 auf eine Solarzelle angewendet wird. Der Sekundär-Ausgabelichtstrahl 908 ist ein Abbildungs-Ausgabelichtstrahl 908, aber nicht von einer Mischlichtart. Außerdem könnte die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 strukturell in eine Gesamtheit bzw. Kompaktbauteil integriert oder als eine Einheit angefertigt werden, wie zum Beispiel durch ein Spritzgussverfahren, so dass keine weitere Ausrichtungsvorrichtung erforderlich wird.
Zusätzlich, wenn die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 eine geringe Tiefe in Richtung der optischen Achse aufweist, wird der äußere Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls 907 nicht aufgenommen und an dessen ursprüngliche Richtung durch die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 nicht reflektiert, sondern aus seitlichen Stellen emittiert, nachdem der einfallender Lichtstrahl reflektiert wird und den zweiten Fokus 905 passiert hat. Allerdings wird nur ein kleiner Teil des einfallenden Lichtstrahls nicht abgebildet und dieser nicht abgebildete Lichtstrahl kann durch Einstellen der Tiefe der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 904 beseitigt werden. Diese vorliegende Erfindung kann sowohl für bildgebende Optik als auch für nicht bildgebende Optik verwendet werden.
10–15 sind Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 10, wobei die zwei Krümmungsoberflächen in der vorliegenden Ausführungsform dieselbe Struktur wie in 9 aufweisen und wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1000 und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1002 durch eine Bindungsstruktur 1004 zusammen gebunden werden können oder wobei sie als eine Einheit hergestellt werden können. Ein Teil eines einfallenden Lichtstrahls 1006 wird unter einem kleinen Einfallswinkel (wie in 9 gezeigt ist) auf einem Empfangselement 1010 (zum Beispiel einer Solarzelle) abgestrahlt. Der andere Teil des einfallenden Lichtstrahls 1006 wird durch eine Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 aufgenommen. Die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 kann eine konvexe Linse sein, die auch einen Fokus zum Fokussieren eines Teils des einfallenden Lichtstrahls 1006 (d. h. der Zentralteil des einfallenden Lichtstrahls) aufweist. Normalerweise wird der Fokus aber über dem Empfangselement 1010 angeordnet, um dem Lichtstrahl, der durch die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 aufgenommen wurde, zu ermöglichen, die Blende zu passieren und das Empfangselement 1010 zu erreichen. Da sich der Fokus der Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 nicht auf dem Empfangselement 1010 befindet, kann ein Hotspot auf dem Empfangselement 1010, der durch ungleichmäßige Abstrahlung verursacht wurde, vermieden werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 eine konvexe Linse und der Fokus der konvexen Linse überlappt andere Fokusse annähernd. Die Fokusposition der Linse kann gemäß den derzeitigen Anforderungen eingestellt werden.
Die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 kann unterschiedlich gehalten werden. Zum Beispiel kann die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 durch ein Gestell gehalten werden. Oder die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 kann direkt hergestellt oder an eine transparente Platte 1005 oder ein Gestell geklebt werden, und dann wird die transparente Platte 1005 über oder auf eine Empfangsoberfläche der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1000 gelegt.
Es wird Bezug genommen auf 11A, wobei in der vorliegenden Ausführungsform die Linsenstruktur in der Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008, die in 10 veranschaulicht ist, durch eine Fresnel-Linse 1012 ersetzt werden kann, wobei die Fresnel-Linse 1012 auch einen Fokussierungseffekt erreichen kann. Es wird Bezug genommen auf 11B, wobei auf ähnliche Weise die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1008 auch eine interne Sägezahn-Totalreflexions(TIR)-Linse 1014 einsetzen kann, um eine hoch kompakte Aufbauoptik zu erzielen.
Einige Ausführungsformen, die zuvor beschrieben wurden, sind Variationen des in 9 veranschaulichten Mechanismus, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 als reflektierende Vorrichtung implementiert wird. In einer herkömmlichen reflektierenden Lichtkonzentrierungsvorrichtung (zum Beispiel eine RXI-Lichtkonzentrierungsvorrichtung oder eine Cassegrain-Lichtkonzentrierungsvorrichtung) kann eine rückwärtige konfokale reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung unter dem ersten Brennbereich der Lichtkonzentrierungsvorrichtung (wie in 12A und 12B gezeigt ist) angeordnet werden, um eine einheitliche Abstrahlung zu erreichen.
12A ist eine Querschnitt-Zeichnung, die eine RXI-Lichtkonzentrierungsvorrichtung und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung veranschaulicht, die konfokal zu einander gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind. 12B ist eine Querschnitt-Zeichnung einer Cassegrain-Lichtkonzentrierungsvorrichtung und einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung, die konfokal zu einander gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind. Es wird Bezug genommen auf 12A, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung des Lichtkonzentrierungssystems 1500 in der vorliegenden Ausführungsform einen ähnlichen Lichtkonzentrierungsmechanismus aufweist, wie es in 5 gezeigt ist, und ein einfallender Lichtstrahl durch einen massiven Lichtkollektor verdichtet wird und weiter in ein sekundäres optisches Element 506 eintritt. Das sekundäre optische Element 506 erreicht seine Lichtreflexion und seinen Konzentrierungseffekt durch Aushöhlen des massiven Lichtkollektors und Einstellen der Krümmungsoberfläche. Es wird Bezug genommen auf 12A, wobei eine reflektierende Schicht aufgetragen wird, um eine Lichtkonzentrierungsreflexions-Krümmungsoberfläche zu erreichen.
Es wird Bezug genommen auf 12B, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung einen ähnlichen Lichtkonzentrierungsmechanismus aufweist, wie es in 6 gezeigt ist. Allerdings erreicht das sekundäre optische Element 606 eine Lichtreflexion und einen Konzentrierungseffekt durch Aushöhlen einer massiven Vorrichtung und durch Einstellen deren Krümmungsoberfläche. Es wird Bezug genommen auf 12B, wobei eine reflektierende Schicht aufgetragen wird, um eine Lichtkonzentrierungsreflexions-Krümmungsoberfläche zu erreichen. Anders gesagt wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein sekundäres optisches Element als reflektierende Krümmungsoberfläche derart implementiert, dass ein einheitlicher einfallender Lichtstrahl unter einem kleinen Einfallswinkel in eine Solarzelle eintreten kann.
Allerdings kann die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 auch in Brechungsvorrichtungen implementiert werden. Es wird Bezug genommen auf 13, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 902 durch eine Brechungs-Fokussierungsvorrichtung 1016 ersetzt wird, wobei die Brechungs-Fokussierungsvorrichtung 1016 eine einzelne TIR-Linse sein kann, und die einen einfallenden Lichtstrahl aus einem breiten Bereich aufnehmen kann. Die Brechungs-Fokussierungsvorrichtung 1016 wird festgelegt, um mit der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1018 konfokal zu sein, so dass nachdem der einfallende Lichtstrahl die Blende 1019 passiert hat, er verdichtet und durch die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1018 umgewandelt und dann auf das Empfangselement 1010 emittiert wird.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen können die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine hohle Struktur aufweisen, welche die Lichtkonzentrierungsfunktion durch eine konkave reflektierende Krümmungsoberfläche erreicht. Allerdings kann die reflektierende Krümmungsoberfläche auch unterschiedlich erreicht werden. Gemäß den erwünschten optischen Eigenschaften kann das gesamte Lichtkollektionssystem auch mit einem massiven hoch transparenten Material wie zum Beispiel Glas oder PMMA implementiert werden. Interne Totalreflexion wird durch die Brechungsindexdifferenz zwischen dem transparenten Material und der Luft vollendet und die reflektierende Krümmungsoberfläche wird dann zusammen mit der Krümmung der Krümmungsoberfläche erzeugt.
Es wird Bezug genommen auf 14, wobei die Lichtkollektionsvorrichtung 1020 aus einem massiven transparenten Material hergestellt werden kann und eine obere Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1020a und eine untere reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1020b beinhaltet. Die Grenzfläche zwischen der Luftkonzentrierungsvorrichtung 1020a und der Luft und deren Brechungsindizes erzeugen eine TIR-Krümmungsoberfläche 1021a. Die Grenzfläche zwischen der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1020b und der Luft und deren Brechungsindizes erzeugen eine TIR-Krümmungsoberfläche 1021b. Ein Teil des einfallenden Lichtstrahls, der reflektiert wird und einen Brennbereich passiert, wird durch die TIR-Krümmungsoberfläche 1021b noch einmal reflektiert und tritt dann unter einem kleinen Einfallswinkel in das Empfangselement 1022 ein.
Es wird Bezug genommen auf 15, wobei eine Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1026 auf eine Einfallsoberfläche unter Berücksichtigung der massiven Struktur und des einfallenden Lichtstrahls in dem Zentralbereich aufgebaut wird. Die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1026 kann eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung mit Konvexlinseneffekt sein. Die anderen Elemente der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1024 weisen dieselben Strukturen auf, wie diese, die in 14 gezeigt sind, wobei der Effekt einer reflektierenden Krümmungsoberfläche durch TIR erreicht wird. Außerdem ist die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1026 nicht auf die Konvexlinsenstruktur begrenzt; stattdessen kann sie auch mit einer ausgekerbten Sägezahn-Struktur oder einer Fresnel-Linsenstruktur implementiert werden.
16 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 16, wobei in der vorliegenden Ausführungsform weiter eine Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1012 (zum Beispiel eine Fesnel-Linse) in der Mitte der Lichtkollektionsvorrichtung angeordnet wird, die aus einer Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1030 und einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032 eines hohlen Aufbaus besteht. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1030 und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032 weisen eine gemeinsame Blende auf, so dass ein einfallender Lichtstrahl ein Empfangselement 1022 durch die Blende erreichen kann. Der Lichtstrahl, der durch die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1012 ausgegeben wurde, wird nicht durch die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032 reflektiert; stattdessen tritt er direkt in das Empfangselement 1022 ein, aber sein Einfallswinkel bleibt klein.
Die Differenz zwischen Strahlungsintensität (W/sr) und Abstrahlung (W/m²) wird hier durch Übernehmen der in 16 als ein Beispiel veranschaulichten Struktur analysiert, bevor und nachdem der einfallende Lichtstrahl ein sekundäres optisches Element (d. h. die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung) passiert. Die Winkelverteilung des einfallenden Lichtstrahls kann basierend auf der Strahlungsintensitätsanalyse erzielt werden; und die Raumverteilung auf dem Empfänger kann basierend auf der Abstrahlungsanalyse erzielt werden. Zum Beispiel wird die Lichtkonzentrierungsrate auf 800 festgelegt, die Solarabstrahlung wird auf 1.000 W/m² festgesetzt, und der perfekte Absorber zur Simulation wird über der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung für den Fall der Analyse am Eingang der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung angeordnet.
17 veranschaulicht die Strahlungsintensitätsverteilung an der in 16 veranschaulichten Eingangsblende, und zwar die Winkelverteilung bevor der einfallende Lichtstrahl durch die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032 reflektiert wird. Hier stellt die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032 eine optische Reflexionsabbildungsfunktion bereit. Der Winkel zwischen ±18° wird durch eine zentrale Fresnel-Linse erzeugt und der Winkel zwischen ±40° wird durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1030 erzeugt. Aus 17 ist es klar, dass je größer der Einfallswinkel wird, desto kleiner die Strahlungsintensität wird. Wenn der Chip direkt auf der Blende angeordnet ist, wird kleinere Energie durch den Chip auf Grund der großen Lichtreflexion absorbiert, die zwischen der Luft und der Chipoberfläche in der Situation großer Einfallswinkel eintritt.
18 veranschaulicht die Abstrahlung über der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1032. Die Solareinfallsenergie beträgt 1.000 W/m² und es wird durch Analysieren der Abstrahlung klar, dass die lokale Lichtkonzentrierungsrate 1,7·10⁹ W/m² erreicht, die ungefähr 1,7·10⁶ Mal größer als die Solarenergie ist. Hochverdichteter Thermalstress kann auf der Solarzelle bedingt werden und die uneinheitliche Abstrahlung kann deren photoelektrische Umwandlungseffizienz verringern, wenn eine derartige Abstrahlungsverteilung von hoher Lichtkonzentrierungsrate auf einen solarphotovoltaischen Lichtkollektor angewendet wird.
19 veranschaulicht die Intensität auf einem Empfangselement unter einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung. Wie in 19 gezeigt ist, treten die meisten Lichtstrahlen mit hoher Intensität unter 0° in die Solarzelle ein, obwohl es immer noch einen einfallenden Lichtstahl mit Einfallswinkel zwischen ±18° auf Grund von Fresnel-Linse gibt. Und die Winkelverteilung unter ±10° wird immer noch erzielt, wenn der entgegengesetzte Sonnenwinkel berücksichtigt wird.
20 veranschaulicht die Abstrahlungsverteilung auf einem Empfangselement unter einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung. Wie in 20 gezeigt ist, ist die höchste lokale Abstrahlung 1,2·10⁶ W/m², die ungefähr 1.200 Mal größer als die Sonnenstrahlung ist, die der nominalen Konzentrierungsrate von 800 entspricht, und der umgebende optisch abgebildete Bereich stellt eine einheitliche Abstrahlungsverteilung dar. Darüber hinaus kann die zentrale Abstrahlung auch ausgelegt werden, dass sie genauso einheitlich wie die reflektierende Abbildungs-Licht-Abstrahlung ist.
Gemäß der Analyse von Winkel- und Raumverteilungen, wie in 19 und 20 gezeigt ist, können in einem Lichtkollektionssystem, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt ist, einfallende Lichtstrahlen von kleineren Einfallswinkeln auf einer Solarzelle derart erzielen werden, dass die Absorption der Solarzelle in hohem Maße erhöht werden kann. Außerdem wird die photovoltaische Umwandlungseffizienz der Solarzelle dank der einheitlichen Abstrahlung verbessert. Darüber hinaus wird ein Hotspot auf der Solarzelle auf Grund der einheitlichen Abstrahlung vermieden. Die zuvor genannten Vorteile sind leicht durch Verpacken und Wärmeableitungsverfahren zu erreichen und erhöhen die Möglichkeit einer weiteren Effizienzverbesserung (~2.000X) eines Solarlicht-Kollektormoduls.
21 ist eine Querschnitt-Zeichnung, die eine parabolische und eine elliptische reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung veranschaulicht, welche konfokal zu einander gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind. Es wird Bezug genommen auf 21, wobei unter verschiedenen Bauarten von reflektierender Krümmungsoberfläche die Quadratfunktionskurve einem bevorzugten Aufbau entspricht, weil sie einen Fokus bereitstellt. In der vorliegenden Erfindung ist die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1034 immer noch ein Paraboloid, obwohl die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1036 eine elliptische Krümmungsoberfläche ist. Die mathematische Eigenschaften einer Ellipse bestehen darin, dass sie eine Krümmungsoberfläche mit zwei Fokussen ist und ein Lichtstrahl, der den ersten Fokus passiert, durch eine reflektierende innere Schicht der Ellipse reflektiert wird und in den zweiten Fokus unter einem anderen Einfallswinkel eintritt.
22–23 sind Zeichnungen, die jeweils die Intensität und Abstrahlung am Eingang der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1036 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. 24–25 sind Zeichnungen, die jeweils die Intensität und Abstrahlung an der Ausgangsblende (oder dem Empfänger) der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung 1036 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Es wird Bezug genommen auf 23 und 25, wobei die beiden Raumverteilungsumrisse keinen offensichtlichen Unterschied aufweisen. Es wird Bezug genommen auf 22 und 24, wobei die Winkelverteilung aus der ursprünglichen Großwinkelverteilung (±0°~18° im Zentrum und ±40°~90° an der Außenfläche) in die Kleinwinkelverteilung (±40°) geändert wird. Basierend auf der Analyse der Intensität und Abstrahlung kann man zum Schluss kommen, dass der Aufstellungsaufbau einer Lichtkollektionslinse zwischen einer parabolischen und einer elliptischen Krümmungsoberfläche einen Effekt erreichen kann, dass die einfallenden Lichtstrahlen in einen Absorber unter kleineren Einfallswinkeln ohne Ändern der Abstrahlung eintreten können, worin die kleinere Einfallswinkel einer höheren optischen Effizienz entsprechen. Darüber hinaus könnte in der vorliegenden Erfindung der Einfallswinkel auf dem Empfänger ausgeführt werden, um innerhalb von 20 Grad zu konvergieren.
Neben der Kombination aus einer parabolischen und elliptischen Krümmungsoberfläche können auch die Krümmungsoberflächen andere Bauarten annehmen. Die Krümmungsoberflächen können auch aus vielen kleinen Flächen zusammengesetzt werden, wenn die Oberflächen auf ein großes Solarlichtkollektionssystem angewendet werden. Zum Beispiel werden einige kleine runde Flächen mit verschiedenen Radien und abfallenden Winkeln zum Lichtreflektieren durch die Art des Zusammensetzens eins nach dem anderen oder durch konzentrisches Stapeln derart zusammengesetzt, dass der reflektierte Lichtstrahl aus jeder runden Fläche auf einen Brennbereich fokussiert werden kann.
Darüber hinaus wird die Querschnittstruktur eines Lichtkollektionssystems in der vorliegenden Erfindung in den Ausführungsformen beschrieben, die zuvor beschrieben sind. Allgemein hat ein Lichtkollektionssystem in der vorliegenden Erfindung eine achsensymmetrische Struktur. Anders gesagt hat der Querschnitt senkrecht zu dem einfallenden Lichtstrahl einen kreisförmigen Umriss. Allerdings wird die Querschnittstruktur des Lichtkollektionssystems entsprechend geändert, wenn der Umriss des Empfangselements rechteckig ist.
26–27 sind Zeichnungen von jeweils einem Lichtkollektionssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 26, wobei die Querschnittstruktur in 14 als Beispiel betrachtet wird, die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1040 und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1042 weisen einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt in einer anderen Richtung auf, wobei der rechteckige Querschnitt effizienter als der quadratische Querschnitt ist. Wenn die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1040 und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung 1042 eine massive Struktur aufweisen, werden deren innere Teile 1044 aus demselben Material oder zwei Materialen mit ähnlichen Brechungsindizes gemacht. Allerdings weisen die inneren Teile 1044 eine hohle Struktur auf, wenn der in 19 veranschaulichte Bauart angenommen wird.
Es wird Bezug genommen auf 27, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1046 auf ähnliche Weise in dem Zentrum angeordnet werden kann, um die Einfallswinkel in dem Zentralbereich einzustellen. Die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung 1046 kann eine konvexe Struktur, eine Sägezahn-Struktur oder eine lineare Fresnel-Lichtkonzentrierungsstruktur aufweisen. Wie in 26 gezeigt ist, kann deren innerer Teil 1044 massiv oder hohl sein.
Obwohl das sekundäre optische Element in der zuvor beschriebenen Ausführungsform am Boden aus Krümmungsoberflächen zusammen gesetzt ist, die einen Brennbereich erzeugen können, ist deren Querschnittskurve eine Kurve mit einer Krümmung ungleich null. Allerdings weist die reflektierende Krümmungsoberflächenstruktur zwei mögliche Strukturformen auf: erstens kann eine Krümmung der Querschnittskurve auch Null sein; die Querschnittskurve kann nämlich auch eine gerade Linie sein. Zweitens wird die reflektierende Oberflächenvorrichtung aus einigen glatten Oberflächen zusammengesetzt, zum Beispiel aus vier leiterförmigen Flächen oder vier rechteckigen Flächen, um eine vollständige reflektierende Oberfläche zu bilden. 28 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 28, wobei in der vorliegenden Ausführungsform das Lichtkollektionssystem 2000 eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung 2001 beinhaltet, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 2001 eine erste reflektierende Krümmungsoberfläche 2002 aufweist. Die Lichtkonzentrierungsvorrichtung 2001 empfängt mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls 2003. Der Teil des einfallenden Lichtstrahls 2003 wird durch die erste reflektierende Krümmungsoberfläche 2020 reflektiert und dann weiter ausgegeben, nachdem es verdichtet wurde und einen ersten Brennbereich 2004 passiert hat, so dass ein Primär-Ausgabelichtstrahl 2009 erzielt wird. Eine reflektierende Oberflächenvorrichtung 2005 weist eine Eingangsblende 2006, eine zweite reflektierende Oberfläche 2007 und eine Ausgangsblende 2008 auf. Die reflektierende Oberflächenvorrichtung 2005 kann eine konische Form aufweisen und die Querschnittskurve der konischen Form ist eine Falllinie, die eine Null Krümmung derart aufweist, dass es nicht nötig ist, eine Lichtkonzentrierungs-Krümmungsoberfläche mit einem Brennbereich zu bilden. Die Eingangsblende 2006 empfängt den Primär-Ausgabelichtstrahl 2009 derart, dass mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls durch die zweite reflektierende Oberfläche 2007 reflektiert wird, um einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl 2010 zu erzielen.
29A–29C sind Querschnitt-Zeichnungen einer sekundären optischen Struktur in dem Lichtkollektionssystem in 28 gemäß einigen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 29A, wobei zwei gegenüberliegende Seiten des Rechtecks parallel zu einander sind, wenn der Querschnitt des Lichtkollektionssystems eine rechteckige Form aufweist. Daher tritt ein einfallender Lichtstrahl mit einem Einfallswinkel θg unter einem Winkel θc in die Arbeitsvorrichtung 2006 ein, wobei θg = θc ist. Dieser Aufbau kann angewendet werden, wenn die Optik einen kleineren Annahmewinkel aufweist, so dass die Eingangsblende vergrößert werden muss.
Es wird Bezug genommen auf 29B, wobei der einfallende Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel θg unter einem Winkel θc in die Arbeitsvorrichtung eintritt, wobei θg > θc ist, wenn die gegenüberliegenden Seiten auseinander laufen. Dieser Aufbau ermöglicht einem einfallenden Lichtstrahl, in die Arbeitsvorrichtung mit einem kleineren Einfallswinkel einzutreten, so dass eine höhere optische Effizienz erzielt werden kann.
Es wird Bezug genommen auf 29C, wobei der einfallende Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel θg unter einem Winkel θc in die Arbeitsvorrichtung 2012 eintritt, wobei θg < θc ist, wenn die gegenüberliegenden Seiten zusammen laufen, und einige einfallenden Lichtstrahlen mit großen Einfallswinkeln derart reflektiert werden, dass sie in die Arbeitsvorrichtung 2012, wie in 29C gezeigt ist, nicht eintreten. Diese Bauart bietet eine größere Eingangsblende und ein breiteres Annahmewinkelintervall, opfert aber ein wenig von der optischen Effizienz.
Die in 29A–29C veranschaulichten Aufbauten weisen einige Unterschiede auf, können aber alle auf die aktuelle Bauart angewendet werden.
30–31 sind Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird Bezug genommen auf 30, wobei die zuvor beschriebene Lichtkonzentrierungsvorrichtung 2011 weiter einen anderen Teil des einfallenden Lichtstrahls (d. h. den Zentralteil) empfängt und dann den verdichteten Lichtstrahl auf die Arbeitsvorrichtung 2012 emittiert, um den Lichtenergie-Konzentrierungseffekt zu erreichen, wobei der optische Weg und die Struktur des Lichtkollektionssystems, wie in 30 gezeigt ist, sind. In der vorliegenden Ausführungsform muss die reflektierende Oberflächenvorrichtung 2005 des sekundären optischen Elementes keinen Brennbereich erzeugen.
Es wird Bezug genommen auf 31, wobei die reflektierenden Krümmungsoberflächen auf ähnliche Weise durch optische TIR erreicht werden können, wenn eine massive Struktur angewendet wird. Ähnlich der in 15 veranschaulichten Struktur wird ein konvexes Profil 3001 zum Konzentrieren des Lichtstrahls im Zentralbereich weiter entworfen. Die Struktur in der vorliegenden Ausführungsform kann gemäß der reflektierenden Oberflächenvorrichtung 2005 des sekundären optischen Mechanismus geändert werden und dementsprechend kann der erzielte Effekt auch anders sein ohne sich von dem Schutzbereich und dem Sinn der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
Der Annahmewinkel des Lichtkollektionssystems kann erhöht werden und eine hohe Lichtkollektionsrate und hohe optische Absorptionsleistung können erreicht werden, wenn der optische Aufbau in der vorliegenden Erfindung auf ein solar-thermisches Lichtkollektionssystem angewendet wird. In einem Aufbau, in dem ein Absorber unter einer Lichtkonzentrierungsvorrichtung angeordnet wird, kann das Energieumwandlungssystem leicht implementiert werden und die Deckschichtstruktur verringert den Aufwand, das Lichtkollektionssystem zu warten und zu reinigen, so dass das gesamte Lichtkollektionssystem, das allen Wetterlagen ausgesetzt ist, vor Beschädigung geschützt werden kann.
In den zuvor genannten Beispielen befinden sich die zwei Brennbereiche in konfokaler Konfiguration. Allerdings ist es immer noch zulässig, wenn die zwei Brennbereiche annähernd konfokal mit einer Verschiebung um einen Bereich innerhalb des Radius der Eingangsblende sind. 32–34 sind schematische Querschnitt-Zeichnungen eines Lichtkollektionssystems mit annähernd konfokalen Konfiguratinen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In 32 steht der erste Brennbereich 903 für das primäre optische Element und der zweite Brennbereich 905' steht für das sekundäre optische Element, der zum Beispiel ein Paraboloid ist. Wenn die Position des sekundären optischen Elementes von der konfokalen Position nach unten verschoben wird, wird zugleich der zweite Brennbereich 905' auch nach unten verschoben, wie durch den Pfeil gezeigt. Der Lichtweg wird simuliert. Folglich wird der durch das sekundäre optische Element reflektierte Lichtstrahl divergenter. In 33 wird das sekundäre optische Element nach oben verschoben, wie durch den Pfeil gezeigt. In dieser Situation wird der durch das sekundäre optische Element reflektierte Lichtstrahl konvergenter. Im Allgemeinen kann die nicht-konfokale Konfiguration gemäß der aktuellen Bauart festgelegt werden. Der Brennbereich 905' kann von dem Brennbereich 903 um ein Intervall innerhalb eines Radius der Eingangsblende verschoben werden. Anders gesagt können die zwei Brennbereiche konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sein, so lange die Abstrahlungseinheitlichkeit erzielt wird, zum Beispiel vorzugsweise innerhalb eines Radius der Eingangsblende.
In 34 als Folge einer Simulation, kann der reflektierte Lichtstrahl ausreichend konvergent sein, um das Empfangselement 1010 vollständig zu bedecken, wenn der Brennbereich 905' zu einer bestimmten Position verschoben wird. Hier kann der Zentralteil des einfallenden Lichtstrahls entweder benutzt oder nicht benutzt werden, was von dem aktuellen Bedürfnis abhängt. Allerdings kann für die Situation in 34 der Zentralteil des einfallenden Lichtstrahls ignoriert werden, solange eine ziemlich einheitliche Abstrahlung auf dem Empfangselement 1010 erzielt werden kann. Der Einfallswinkel zum Empfangselement 1010 ist auch ziemlich klein.
35 ist eine Zeichnung, die die Abstrahlungsverteilung basierend auf einem der Lichtkollektionssysteme der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. In 35 wird für die Situation in 34 die simulierte Abstrahlungsverteilung auf dem Empfangselement gezeigt. Die Abstrahlung ist ziemlich einheitlich.
Für die Anwendung in CPV-System ist die Abstrahlungseinheitlichkeit sehr auf die Chipeffizienz bezogen. Ein Solarchip kann einen idealen Lichtkonzentrierungsfaktor in einem Aufbau aufweisen, wie zum Beispiel 1000X. Allerdings, kann der lokale Bereich des Empfangselementes bis zu 20.000X auf dem lokalen Bereich von 5% werden, wenn die Abstrahlung nicht einheitlich ist. Der derzeitige Lichtfüllfaktor auf dem Solarchip ist nur ein kleiner Prozentanteil wie zum Beispiel 58%, was zum Beispiel zu einer kleinen Betriebseffizienz führt. Allerdings kann in derselben Anforderung von 1000X für den Solarchip die vorliegende Erfindung ungefähr auf restlichen 1000X für den Lichtbereich bleiben und dann kann der Füllfaktor zum Beispiel bis zu 85% sein. Folglich kann die Betriebseffizienz von einem Solarchip 24% sein.
Auf der anderen Seite schlägt die vorliegende Erfindung einen Aufbauparameter als eine lokale Lichtkollektionsrate vor, durch eine Rate von: r = (maximale Konzentrierung)/(geometrische Konzentrierung) (1).
Die geometrische Konzentrierung wird als eine Rate von (optischer Fläche/Chipfläche) definiert. Die maximale Konzentrierung ist die größte Intensität in der Abstrahlungsverteilung, die sich grundsätzlich auf den lokalen Hochintensitäts-Bereich bezieht. Wenn man die geometrische Rate 500X Fresnel-Linse als Beispiel nimmt und die maximale Konzentrierung ca. 2.500X ist, so wird die r-Rate 5. Die vorliegende Erfindung kann auf 5 oder weniger reduziert werden. Die vorliegende Erfindung hat festgestellt, dass die lokale Lichtkonzentrierungsrate für einige herkömmliche Aufbauten im Durchschnitt 8 beträgt, was bedeutet, dass die lokale Konzentrierung zu stark ist, was eine niedrige Effizienz für die herkömmlichen Solarchips bedingt.
Weiter in anderen Anwendungen für thermale Konzentrierung, wie zum Beispiel thermophotosolarelektrische Elemente (TPV) oder Solarthermoelement in CSP-System, muss die einheitliche Abstrahlung nicht unbedingt erzielen werden. Stattdessen wird die Gesamtenergie des einfallenden Lichtstrahls auf das Empfangselement erzielt, in welchem ein kleiner Fokuspunkt auch sehr gewünscht sein kann. 36 ist eine Querschnitt-Zeichnung eines Lichtkollektionssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In 36 ist das sekundäre optische Element 1036 vorgesehen, um den verdichteten Lichtstrahl zu erzeugen, um mit einem kleinen Einfallswinkel in das Empfangselement 1022 einzutreten. Auf diese Weise kann das sekundäre optische Element 1036 zum Beispiel elliptisch im Querschnitt sein, welches zwei Brennbereiche aufweist. Einer der beiden Brennbereiche wird mit dem Brennbereich der Lichtkonzentrierungsvorrichtung 1034 konjugiert und der andere der beiden Brennbereiche wird auf das Empfangselement 1022 festgelegt. So lange eine Anforderung einer kleinen Winkelverteilung (im Bezug auf eine höhere optische Effizienz) erzielt wird, können in der vorliegenden Erfindung die zwei Brennbereiche konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sein, zum Beispiel vorzugweise innerhalb eines Diameters der Eingangsblende oder größer.
Folglich kann der verdichtete Lichtstrahl auf dem Empfangselement 1022 fokussiert werden, welches die Thermalenergie dem System weiterleitet.
In der vorliegenden Erfindung wird ein reflektierendes sekundäres optisches Element derart eingesetzt, dass ein einfallender Lichtstrahl unter einem sehr kleinen Einfallswinkel in einen Absorber eintreten kann und dementsprechend die Lichtabsorptionseffizienz des Absorbers verbessert werden kann.
Das Lichtkollektionssystem, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt ist, weist eine sehr einfache Struktur und geringe Herstellungskosten auf. Außerdem wird das Problem der verringerten optischen Effizienz, die durch Prozessfehler in der herkömmlichen Technik bedingt ist, effektiv gelöst. Entsprechend kann das Lichtkollektionssystem in der vorliegenden Erfindung leicht in großen Mengen produziert werden.
Die verdichtete Lichtenergie kann umgewandelt und in verschiedener Weise angewendet werden. Eine Lichtenergie-Umwandlungsvorrichtung in einem Lichtenergie-Umwandlungsgerät kann eine Halbleitervorrichtung sein, die direkt eine Lichtenergie in eine elektrische Energie umwandelt, wobei die Halbleitervorrichtung eine PV-Zelle sein kann, wie zum Beispiel Silizium, eine III-V-Gruppenverbindung, ein CIS-, ein CIGS- oder ein CdTe-Material.
Zusätzlich empfängt ein Thermalenergie-Speicher/Umwandlungsgerät mindestens den verdichteten Lichtstrahl und speichert die Thermalenergie oder wandelt die Thermalenergie in eine nicht-optische Energie um. Die Thermalenergie-Speicher/Umwandlungsvorrichtung kann auch direkt die Thermalenergie des Lichtstrahls in einem Thermalempfänger speichern, wobei der Thermalempfänger ein direkt erhitzbarer Empfänger mit flüssigem Natrium als ein Medium sein kann. Außerdem absorbiert der Thermalempfänger die Thermalenergie des gesammelten Lichtstrahls und überträgt die Thermalenergie auf ein Arbeitsgas in einem Motor, wobei der Motor ein Stirling-Motor oder ein Brayton-Motor sein kann.
Darüber hinaus kann die Thermalenergie-Speicher/Umwandlungsvorrichtung die Thermalenergie zum thermischen Zersetzen eines flüssigen Wasserstoff erzeugenden Elements verwenden, wobei die Flüssigkeit Wasser oder Methanol sein kann.
Des Weiteren kann die Thermalenergie-Speicher/Umwandlungsvorrichtung ein Wasserstoff erzeugendes Element sein, das auf einem thermoelektrischen optischen Mechanismus basiert.
Für diejenigen, die über das Fachwissen in dieser Technologie verfügen, wird es offensichtlich sein, dass die Modifikationen und Änderungen der Struktur der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne sich von dem Schutzgebiet oder dem Sinn der Erfindung zu entfernen. Im Angesicht des Vorhergehenden wird es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung abdeckt, angenommen, dass sie innerhalb des Schutzgebiets der folgenden Ansprüche und deren Äquivalente fällt.

Claims

Lichtkollektionssystem, umfassend: eine Lichtkollektionsvorrichtung zum Aufnehmen mindestens eines Teils eines einfallenden Lichtstrahls und weiteren Emittieren des Teils des einfallenden Lichtstrahls nach einem Konzentrieren und Durchführen des Teils des einfallenden Lichtstrahls durch einen ersten Brennbereich, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen; und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung mit einer Eingangsblende zum Aufnehmen mindestens des Primär-Ausgabelichtstrahls, wobei die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung umfasst: eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche mit einem zweiten Brennbereich, wobei der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sind, so dass mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls, der konfokal in einen Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt ist, weiter emittiert wird; und eine Ausgangsblende, die zum Übertragen mindestens des Sekundär-Ausgabelichtstrahls in Richtung eines Zielbereichs eingerichtet ist, wo mindestens der Sekundär-Ausgabelichtstrahl aufgenommen wird.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung eine Sägezahn-Lichtkonzentrierungsvorrichtung, eine Cassegrain-Lichtkonzentrierungsvorrichtung oder eine Brechungs(R)-Reflexions(X)-TIR(I)(RXI)-Lichtkonzentrierungsvorrichtung beinhaltet.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die reflektierende innere Oberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder eine elliptische Krümmungsoberfläche beinhaltet.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine feste optische Struktur bilden, die Lichtkonzentrierungsvorrichtung eine erste interne Totalreflexions-Krümmungsoberfläche mit dem ersten Brennbereich umfasst und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine zweite interne Totalreflexions-Krümmungsoberfläche mit dem zweiten Brennbereich als die reflektierende innere Krümmungsoberfläche aufweist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 4, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung weiter eine Konzentrierungs-Krümmungsoberfläche zum Aufnehmen und Konzentrieren eines Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls umfasst, um einen zentralen verdichteten Lichtstrahl zu erzielen, und wobei der zentrale verdichtete Lichtstrahl durch die Eingangsblende der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung zusammen mit dem Sekundär-Ausgabelichtstrahl übertragen wird, um aus der Ausgangsblende ausgegeben zu werden.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung eine Licht-sammelnde reflektierende Krümmungsoberfläche mit dem ersten Brennbereich umfasst.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 6, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung weiter eine Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung umfasst, die in einer Mitte zum Aufnehmen und Konzentrieren eines Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls platziert ist, um einen zentralen verdichteten Lichtstrahl zu erzielen, und wobei der zentrale verdichtete Lichtstrahl durch die Eingangsblende der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung zusammen mit dem Sekundär-Ausgabelichtstrahl übertragen wird, um aus der Ausgangsblende ausgegeben zu werden.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 7, wobei die untere Lichtkonzentrierungsvorrichtung eine konvexe Linse, eine Fresnel-Linse oder eine Sägezahn-Lichtkonzentrierungsvorrichtung umfasst.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 7 weiter umfassend eine Haltestruktur zum Halten der Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 6, wobei die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine reflektierende Metalloberflächen-Krümmungsoberfläche ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 10, wobei die reflektierende Metalloberflächen-Krümmungsoberfläche ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder eine elliptische Krümmungsoberfläche beinhaltet.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei eine Krümmungsoberflächenstruktur zum Bilden des ersten Brennbereiches und/oder des zweiten Brennbereiches eine Zusammensetzung einer Vielzahl von Krümmungsoberflächen ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei eine Krümmungsoberflächenstruktur zum Bilden des ersten Brennbereiches und/oder des zweiten Brennbereiches eine Krümmungsoberfläche ist, die durch eine Vielzahl von Flächen gebildet ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die erste Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung in eine strukturelle Gesamtheit eingebunden sind oder als eine Einheit hergestellt sind.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung reflektierende Metalloberflächenvorrichtungen sind.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brennbereich, der durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gebildet ist, ein punktähnlicher Bereich ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 16, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung achsensymmetrisch ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brennbereich, der durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gebildet ist, ein linearer Bereich ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 18, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung einen rechteckigen Querschnitt in einer Querrichtung zum Aufnehmen des einfallenden Lichtstrahls aufweist.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät, umfassend: eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung zum Aufnehmen mindestens eines Teils eines einfallenden Lichtstrahls und weiteren Emittieren des Teils des einfallenden Lichtstrahls nach einem Konzentrieren und Durchführen des Teils des einfallenden Lichtstrahls durch einen ersten Brennbereich, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen; und eine reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung mit einer Eingangsblende zum Aufnehmen mindestens des Primär-Ausgabelichtstrahls, wobei die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung umfasst: eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche mit einem zweiten Brennbereich, wobei der erste Brennbereich und der zweite Brennbereich konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sind, so dass mindestens ein Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls, der konfokal in einen Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt ist, weiter emittiert wird; und eine Ausgangsblende, die zum Übertragen mindestens des Sekundär-Ausgabelichtstrahls in Richtung eines Zielbereichs eingerichtet ist, wo mindestens der Sekundär-Ausgabelichtstrahl aufgenommen wird; und eine Lichtenergie-Umwandlungsvorrichtung zum Aufnehmen mindestens des Sekundär-Ausgabelichtstrahls und Umwandeln einer optischen Energie des Sekundär-Ausgabelichtstrahls in eine nicht-optische Energie.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät gemäß Anspruch 20, wobei der zweite Brennbereich, der durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gebildet ist, ein punktähnlicher Bereich ist.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät gemäß Anspruch 21, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung achsensymmetrisch ist.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät gemäß Anspruch 20, wobei der zweite Brennbereich, der durch die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung gebildet ist, ein linearer Bereich ist.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät gemäß Anspruch 23, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung einen rechteckigen Querschnitt in einer Querrichtung zum Aufnehmen des einfallenden Lichtstrahls aufweist.
Lichtenergie-Umwandlungsgerät gemäß Anspruch 20, wobei die Lichtenergie-Umwandlungsvorrichtung mindestens eine photovoltaische Zelle oder eine Thermalenergie-Speicher/Umwandlungsvorrichtung umfasst.
Lichtkollektionsverfahren, umfassend: Aufnehmen mindestens eines Teils eines einfallenden Lichtstrahls und weiteren Emittieren des Teils des einfallenden Lichtstrahls nach einem Konzentrieren und Durchführen des Teils des einfallenden Lichtstrahls durch einen ersten Brennbereich, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen; Bereitstellen einer reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung, wobei die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung eine Eingangsblende und eine reflektierende innere Krümmungsoberfläche mit einem zweiten Brennbereich aufweist; und Festlegen des zweiten Brennbereichs der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche und des ersten Brennbereichs, um konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls zu sein, zum Aufnehmen des Primär-Ausgabelichtstrahls, und um mindestens einem Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls zu ermöglichen, konfokal in einen weiter emittierten Sekundär-Ausgabelichtstrahl umgewandelt zu werden.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 26, wobei der Teil des einfallenden Lichtstrahls unter Verwendung einer Sägezahn-Lichtkonzentrierungsvorrichtung, einer Cassegrain-Lichtkonzentrierungsvorrichtung oder einer RXI-Lichtkonzentrierungsvorrichtung aufgenommen wird.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 26, weiter umfassend Aufnehmen mindestens eines Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls, Konzentrieren des Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls als einen Tertiär-Ausgabelichtstrahl und Durchführen des Tertiär-Ausgabelichtstrahls durch die Eingangsblende der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung und Ausgeben sowohl des Sekundär-Ausgabelichtstrahls als auch des Tertiär-Ausgabelichtstrahls.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 26, wobei der zweite Brennbereich der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung ein punktähnlicher Bereich ist.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 29, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung achsensymmetrisch ist.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 26, wobei der zweite Brennbereich, der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung ein linearer Bereich ist.
Lichtkollektionsverfahren gemäß Anspruch 31, wobei die reflektierende innere Krümmungsoberfläche der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung einen rechteckigen Querschnitt in einer Querrichtung zum Aufnehmen des einfallenden Lichtstrahls aufweist.
Lichtkollektionssystem, umfassend: eine Lichtkonzentrierungsvorrichtung mit einer ersten reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung mindestens einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls empfängt und den Teil des einfallenden Lichtstrahls weiter emittiert, nach dem Konzentrieren des Teils des einfallenden Lichtstrahls durch die erste reflektierende innere Krümmungsoberfläche und dem Durchführen des Teils des einfallenden Lichtstrahls durch einen ersten Brennbereich, um einen Primär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen; und eine reflektierende Oberflächenvorrichtung mit: einer Eingangsblende zum Aufnehmen mindestens des Primär-Ausgabelichtstrahls, wobei die reflektierende Oberflächenvorrichtung eine zweite reflektierende innere Oberfläche umfasst, die mindestens einen Teil des Primär-Ausgabelichtstrahls reflektiert, um einen Sekundär-Ausgabelichtstrahl zu erzielen, der weiter emittiert wird; und eine Ausgangsblende, die zum Übertragen mindestens des Sekundär- Ausgabelichtstrahls in Richtung eines Zielbereichs eingerichtet ist, wo mindestens der Sekundär-Ausgabelichtstrahl aufgenommen wird.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei eine Querschnitt-Seitenkurve der zweiten reflektierenden inneren Oberfläche der reflektierenden Oberflächenvorrichtung eine Kurve mit einer Krümmung ungleich null ist und einen zweiten Brennbereich aufweist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 34, wobei der zweite Brennbereich der zweiten reflektierenden inneren Oberfläche und der erste Brennbereich der ersten reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sind.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei ein Paar von Seitenlinien auf einem Querschnitt der zweiten reflektierenden inneren Oberfläche der reflektierenden Oberflächenvorrichtung ein Paar gerader Linien mit Krümmung ungleich null ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 36, wobei das Paar gerader Linien parallel ist, zusammen läuft oder auseinander läuft.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Krümmungsoberflächenvorrichtung aus einer festen optischen Struktur sind, die Lichtkonzentrierungsvorrichtung eine erste interne Totalreflexions-Krümmungsoberfläche mit dem ersten Brennbereich umfasst und die reflektierende Oberflächenvorrichtung eine innere reflektierende oder eine zweite interne Totalreflexions-Oberfläche mit dem zweiten Brennbereich als die reflektierende innere Oberfläche aufweist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 38, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung weiter eine Konzentrierungs-Krümmungsoberfläche zum Aufnehmen und Konzentrieren eines Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls umfasst, um einen zentralen verdichteten Lichtstrahl zu erzielen, und wobei der zentrale verdichtete Lichtstrahl durch die Eingangsblende der reflektierenden Krümmungsoberflächenvorrichtung zusammen mit dem Sekundär-Ausgabelichtstrahl übertragen wird, um aus der Ausgangsblende ausgegeben zu werden.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung weiter eine Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung umfasst, die in einer Mitte zum Aufnehmen und Konzentrieren eines Zentralteils des einfallenden Lichtstrahls platziert ist, um einen zentralen verdichteten Lichtstrahl zu erzielen, und der zentrale verdichtete Lichtstrahl durch die Eingangsblende der reflektierenden Oberflächenvorrichtung zusammen mit dem Sekundär-Ausgabelichtstrahl übertragen wird, um aus der Ausgangsblende ausgegeben zu werden.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 40, wobei die Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung eine konvexe Linse, eine Fresnel-Linse oder eine Sägezahn-Lichtkonzentrierungsvorrichtung umfasst.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 40 weiter umfassend eine Haltestruktur zum Halten der Unterlichtkonzentrierungsvorrichtung.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 40, wobei die reflektierende Oberflächenvorrichtung eine reflektierende Metalloberflächen-Oberfläche ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 34, wobei die zweite reflektierende innere Oberfläche ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder eine elliptische Krümmungsoberfläche ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die erste reflektierende innere Krümmungsoberflächenstruktur zum Bilden des ersten Brennbereiches eine Zusammensetzung einer Vielzahl von Krümmungsoberflächen ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die erste reflektierende innere Krümmungsoberflächenstruktur zum Bilden des ersten Brennbereiches eine Krümmungsoberfläche ist, die durch eine Vielzahl von Flächen gebildet ist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Oberflächenvorrichtung in eine strukturelle Gesamtheit eingebunden sind oder als eine Einheit hergestellt sind.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die Lichtkonzentrierungsvorrichtung und die reflektierende Oberflächenvorrichtung reflektierende Metalloberflächenvorrichtungen sind.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die zweite reflektierende innere Oberfläche der reflektierenden Oberflächenvorrichtung einen rechteckigen Querschnitt in einer Querrichtung zum Aufnehmen des einfallenden Lichtstrahls aufweist.
Lichtkollektionssystem gemäß Anspruch 33, wobei die zweite reflektierende innere Oberfläche der reflektierenden Oberflächenvorrichtung eine elliptische Oberfläche mit einem zweiten Brennbereich und einem dritten Brennbereich ist, wobei der zweite Brennbereich und der erste Brennbereich der reflektierenden inneren Krümmungsoberfläche konfokal oder annähernd konfokal innerhalb eines Intervalls sind und der dritte Brennbereich mit dem Zielbereich konjugiert wird.