TW200825347A - Apparatus for obtaining radiant energy - Google Patents

Description

200825347 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 此項發明大致上是關於可以有效收集並集中光線的裝 置，更特別的1這種裝置可以收集並且把光線分離成兩個 或多個光譜頻帶，並將每個光譜頻帶導向個別的接收器。 【先前技彳标】 有效的收集並集中輻射能，在很多應用上都很有用，特 、 別是對於將太陽能轉換成電能的裝置來說，更是有價值。 ° 集中器太陽能電池讓我們可以獲得大量的太陽能，並且將 此能量集中成為熱量，或者用來從一個光伏打接收器產生 直流電。 用來獲得太陽能的大尺寸光線集中器，基本上包含了 一組依Cassegrain方式排列的排列曲面鏡子，這些鏡子作 為一個光學系統，將光線集中到位於焦點的接收器上。應 用Cassegrain模型的幾個例子有：趾amura之發明名稱為 ◎ Collecting System” 的美國第 5979438 號專利； 」 以及 WinSt〇n 等人之，'H_ — SoW Energy Transf0醜ti〇n n的美國第5, 005, 958號專利所申請。兩者所描述的大尺寸 太陽能系統都使用一組排列主要和次要鏡子。至於更近一 點，在提供更緊緻之收集裝置的發展上，其介紹平面集中器 ，例如 Roland Winston 和 Jeffrey Μ· Gordon 之 Optics Letters, Vol· 3〇ηο· 19, ρρ· 2617-2619 中，標題為”Plannar Concentrators Near the Etendue Limit，，論文中所描述 的。平面集中器也應用類似Cassegrain排列的主要和次要 第5 頁 200825347 的光集中，。中間由一種介電光學物質隔開，以便提供高通量 光軸^ 〇頌下用來收集絲的基本Cassegrain排列。一個 -侗〜，伏打I置1G含K目拋物面齡要鏡子12,和 16 鏡子12之焦點的次要鏡子14。然後將接收器 董學系統的焦點，也就是主要鏡子12的頂點處。 Ο

構有一個公認的問題，這個問題來自於Cassegrain ,’ 的_人要鏡子14會遮斷轴上的光線，使得一部分的 光線抽值可以多到大約聽無法到達主要鏡子以以致 了光伏打裝置1G的整體先魏集能力。如果此集中 裔是^柱狀，而不是旋轉對稱的珠這種障礙會特別大。將 接收了 16放在主要鏡子的頂點，位於次要鏡子所造成 的遮斷路奸可簡微幫㈣輕此麟卿起的損耗。 然而，對於®柱狀的光學結構來說，透射尺寸的調整來救回 的遮，損耗幾乎很小，或者可說是沒有，因為此遮斷的大小 會IV著主要鏡子12直徑的增加而成正比例的增大。這意指 變由較小鏡子的遮 斷所引起的固有損耗。 有-些類_太陽能純歧射將絲轉換成絲運 作。在各種不同類型的平板收集器和太陽能集中器中，集 中的太陽光將流經太陽能電池的液體加熱到高溫來產生能 源。另一類的太陽能轉換機制較適用於薄板和較緊緻的裝 置中，則是使用光伏打物質將太陽光直接轉換成電能。光 伏打物質可以由各類石夕和其他半導體物質來形成並且使用 200825347 半導體製造技術來製造，有很多家製造商都有提供例如：

EmcorePhotovoltaics，Alb_erqUe，⑽。雖然矽比較 便宜，但是較高效率的光伏打物.是蝴純、錄和鋼 元素跟例如氮和砷元素所製出的合金。 如大家所知·，太陽光是高度从的，它包含了分佈 ^泛的光納容，細從料朗可見光以及紅外線波長， 每個波長都有-個對應魏量值，通常以電子伏特㈣的 單位來表示。一點都不令人驚言牙的，由於半導體物質之間 不同的帶隙特性，因此任何一種光伏打物質的反應都決定 於入射波長。能量健婦詩_光何輯過。例如 ，紅光光子(標雛大約1· 9 eV)不會被高帶隙的半導體所 吸收。同時，能量值高於物質帶隙的光子就會被吸收。例 如，紫外光光子(標稱值大約3eV)的過剩能量，在低帶隙半 導體中會被浪費成為熱。 、k光伏打物質獲得較高效率的一個策略是形成一個堆 Ί 疊式絲打電池，有喃也稱為乡錢合式光伏打裝置。 ^ 這些裝置是將多個光伏打電池堆疊在彼此上方形成。在這 樣的設計裡，堆疊巾每個接續的光伏打電池，其相對於入射 光源的帶隙能量是越來越低的。例如，在一個簡單的堆疊 式光伏打裝置中，含有砷化鎵的較上層光伏打電池會捕捉 藍光的較高能量。而含有銻化鎵的第二個電池，則將較低 能量的紅外光轉換成電能。堆疊式光伏打裝置的 一個例子 疋由 Sano 專人所申睛，標題為’’Stacked Photovoltaic Device 之美國第6835888號專利。 200825347 雖然堆疊式光伏打裝置可以對整體效率提供某種程度 的改進，但是這些多層的裝置製造起來可能报花錢。而且 可以用來堆疊在彼此上方的物質種類可能也有限制，使得 這種方式在廣泛的應用上很難達到經濟效益。另一個方法 是根據波長將光線分離成兩個或多個光譜部分，並且將每 個部分集中到適當的光伏打接收器裝置上，而這兩個或多 個光伏打接收器則以並排的方式排列。利用這種方式光伏 〇 打裝置的製造較為簡單而且也較為便宜，並且可以考慮使 帛辭雜翻貞也更絲泛。雜解決対冑要支援的光 學元件將光線分離成適當的光譜成分並且將制固光譜成分 集中到它所對應的光伏打表面。 L· Fraas，J· Avery，H· Huang 和 E· Shi fman 在 2005 年5月的集中太陽能來產生電或氫的國際會議中，發表一篇 標題為”使用分色之次要和多重接合式太陽能電池的新型 Cassegrain 模組”的論文，其中提出了—個解決方案， 〇 足夠的強制時分雜針親。械論文所描 述，並且在圖1β用圖解方式表示的模組中，主要的曲面鏡子 12收集光線，並且將此光線導向位於主要鏡子之焦點面附 近的分色雙曲線次要鏡子14上。紅外光被集中到位於主要 鏡子焦點附近的第-個光伏打接收器16上。而次要鏡子則 把接近可見光的猶再導向.轉鏡子継㈣的第二 光伏打接㈣18上。卿_式每個細了接收器16和 18都可以獲得它最佳的光能，如此就可以增加此太陽能電 池糸統的整體效益。 200825347 雖然Fraas論文中所顯示的方式很有利地提供光譜分 且使關組絲.輕巾絲,但是__方 案仍然有—拥__。第—綱題是祕孔徑的遮斷 所引起的整體損耗，如同前面所討論的。至於另外一個問 題為F娜等人所描述的裝置視野有限，因為由於它是旋轉 對稱，在每個軸上猶高度的針性。㈣—個缺點是提 1給單-&伏打接收H的可見細胁廣 於可見光触物_核，錄财^相;;的用 光能健會被浪轉，也有可能產生過剩的熱。 分色表面-修a Ffaas 用的雙曲線鏡子係使用干涉效應來提供光線的光譜分離， 此干涉效應是將具有不崎射率和其他雛解重覆加層 製作成細❿麟。在運作上，分&魏會娜入射角和 波長來反射及透縣線。當人射肖改變時，分色表面所透 過或反射的光線波長也會跟著改變。當分色塗膜的入射光 跟法線之間的角度超出大約+/— 2〇度時可能會發生不想要 的光譜效應，以致於由於入射角的變動使得光線的光譜分 離在這種較高的角度時加以放棄。 有很多光線收集器的解決方案利用分色表面來你t光譜 分離。例如，A· G. Imenes和D· R· Mi 1 Is在一篇標題為π在 太陽能集中系統中用來增加轉換效率的光譜光束分離技術 總6平的文章(可以在網站www· sciencedirect. com上找到） 中提供了對太陽能收集系統的調查，其中有一些就使用分 色表面。例如對一個塔形反射器(在Imenes和Mi 1 Is文件中 第9 頁 200825347 的圖24)的描述顯示一個提議的解決方案應用一個曲面的 /刀色光束分離器作為光學收集系統的一部分。部分光線在 這個表面上的高入射角可能使得此解決方案的光效率不令 人滿意。同樣的，在Soule所申請，標題為”混合式太陽能產 生系^統’’之美國第4700013號專利中也使用分色表面來作為 可選擇的加熱鏡子。然而，如同前面引用之Imenes文件中 =提出的’Soule ’ 013號專利中所顯示的方式會顯現出大 〇 量^學祕。射的—鋪耗是跟導向麟擇式加熱鏡 子的高入射光角度有關。 對於由拋物面鏡子所聚焦的絲來說，分色表面的形 有—些固有的問題。對很纽計來說，位於拋 物面反射Hi麵断的—個分色平面會顯赌差的分離 效率，這會限制光線收集系統的尺寸。一個適當的曲面分 色表面例如-個雙曲線表面可以被放在焦點區或附近，但 是卻會遮斷可用光線的一部分如_面所提到的。 Q 圖1C顯不一個傳統解決方式的簡化版本，這是在很多 幸田射能收躲置巾帛來分離光譜的實細制的是一個平 坦的分色光束分離H 2〇。A^絲被透鏡22針並且以45 ^角導向光束分離㈣，光束分離H 20把-部分的光譜頻 帶^射到第一個光伏打接收器16,並且將另一部分的光譜 頻V透射到第二個光伏打接收器18。廿等人在2咖 年IEEE第四屆光伏打能量轉換的世界會議上發表一篇標題 為’ 50〇/◦效率的太陽能電池結齡設計f，的論文，他把這類的 解決方式描述成”橫向光學系統’，。先前所引用之Imenes等 第10 頁 200825347 23和24顯示出以這種解決方式為基礎的 這類橫向縣祕展現了良好的絲雜水準作是效 率卻非常低。導致此絲的制至少有—部分是因為在光 束分離器20之分色表面上相#高的入射光角度造成相當大 的光譜污染。分色塗膜根據入射的角度和波長來反射並透 射光線。當入射角改變，被透射歧射的光線波長也會跟 著改變/此，從絲分離H 2G瓶射之絲的光譜内容 在接收器16和18的表面上會改變，因而降低能量轉換的效 率。 Ο 人論文中的圖19, 另外一些結構。 傳統方式克服了-些障礙例如不良的分色表面反應， 但是也只能提供有限的解決方式可以同時達到良好的光 譜分離，以及對每個光譜成分作有效的光通量集中。圖Μ 和1B的Cassegrain模型可以被最佳化，但是在主要鏡子的 焦點附近總是會出現遮斷，目此在本質上就是不利的。利 用分色分刺解決対，當分色絲上狀射舰法線之 間的夾角比較低時會有最好的表現;然而如同圖lc中的例 子很多已提出的設計似乎並沒有充分考慮到這些光譜分離 的特性導致不良的分離或是誤導光線，因而降低了效率。 因此，大家都公認我們需要一個光伏打電池，可以提供 改進的光譜分離和光線集中，可以很容易縮小尺寸以便用 在薄板設計中可以很容易製造，並且可以提供超越傳統光 伏打解決方式的增進效率。 【發明内容】 第11 頁 200825347 目刚發明的目標是要提升光線集中和光譜分離的技術 。以此目標為重心，目前發明提供了一種裝置，可以從一個 多色的輻射能源獲得能量，此裝置包含.· a) -個光線針n，絲針以及再導引人雜射能，此 光線集中器有一個光軸； b) —個光譜分離器，沿著光軸放置在離光線集中器一段 距離的地方，並且位於被集中後再導引之輻射能的路捏上， 此光譜分離器包含： ’ (I) 第一平坦表面，經過處理用來將從光線集中器接收 來之光線的帛-光譜頻帶，反_帛—焦觀，並且透射第 二光譜頻帶； (II) 第二平坦表面，跟第一平坦表面相隔一段距離，並 且跟第一平坦表面互相傾斜，其中第二平坦表面經過處理 將第一光譜頻帶反射回去通過第一平坦表面以及朝向與第 一焦點區域分隔的第二焦點區域;以及 c) 第一和第二光線接收器，其中第一光線接收器放在最 靠近第一焦點區域的地方用來接收第一個光譜頻帶，而第 二光線接收器被放在最靠近第二個焦點區域的地方用來接 收第二光譜頻帶。 目前發明的特性是提供光譜分離，將光線分離成至少 兩個光譜頻帶，同時還將每個光譜頻帶集中到一個接收器 上。 目前發明的優點是它以小的入射角將光線導向光譜分 離器的表面，如此可以增進輻射能集中到光伏打接收器上 第12 頁 200825347 的效率。 在閱讀了底下的詳細說明，以及顯示並描述此項發明 之實施例的圖片之後，熟悉此技術的人將可以清楚明瞭目 前發明的這些、以及其他目標、特性和優點。 【實施方式】 目前發明提供一個光線集中器，其可以改進光譜分离隹 同日守還能提供南度的光通量集中而超越先前方式所能提供 ^ 的能力。目前發明的光線集中器可以作為光伏打電池的光 學元件，此光伏打電池可以是個別的電池、或是光伏打電 池陣列的一部分。雖然目前發明的裝置最適用於光伏打裝 置，但疋它還可以用於更廣的範圍，它可以用在任何需要將 光谱分離之光能集中的應用中。 本文件中使用的’光線’’ 一詞，廣義的指電磁光譜内的 幸田射此，而多色光’’的跨越波長包含紅外光、可見光、和 紫外光。在整個說明書中，我們都參考相對較低或較高能 (J 1¾部分的電磁光譜。如同熟悉光伏打技術的人所瞭解的， 較低能光線和較高能光線之間的臨界點大部分決定於所使 用之光伏打接收器的特性。雖然在接下來的描述中，我們 ^舉例提供-些實施例所使用的臨界值，但是目前發明的 叙置和方法，也可以應用在臨界值有廣泛變動的地方。 斜角-㈣使用它的傳統意義，也就是大於或小於直 角（90度)，並且跟它的參考物不平行。 ' 立對接下來所描述的實施例，”光軸，，一詞使用它的傳統 意義，對於旋轉對稱的光學器物，光軸就相t於旋轉對稱的 胃13頁 200825347 驗麟稱絲1物，細卿靡蚊義成穿過 i主狀光學器物，可能有一個相對於平面的對稱轴，這可能= 不符合此絲。對於—_她絲裝置,它的光 ^疋在具有光功率的平面上，跟此圓柱狀裝置延伸的方向 〇直。為了清楚起見，底下描述所使用的光軸是針對單—

縣學桃柯是鱗蜂彡航件的較大 先子^ —般"光學路徑”係指描述在目前發明的 統中光線的雜狀光觀麵縣的路徑。 士此描述中所參考_圖是用來說明一般的概念，以 及目岫㈣之衣置駐要結辦以件。這翻獨並沒有按 妝尺寸比例來晝，而且為了清楚起見，可能會放大尺寸和元 件的相對位置。此外，如果有表示的話，折射角也只是作為 例子，在實際上它會根據所使用的介電物質和入射光角度 而改變。這裡所描述的光譜頻帶也只是列舉性，而非限ς 如眾所周知的，由-個特定光學系統所獲得的光線集 中度決定於它的整體幾何結構。例如，—個完美的旋轉^ 稱拋物面反射裔，可以很理想的將準直光線導向_個焦點 。光功率只沿著-個軸的圓柱狀拋物面反射器、可以很理 想的將準直光料向-健線。然而，如同熟悉光學製造 的人都知道的，在f際上只能合_逼近這樣的理想幾何 形狀，而完美的焦點或完美的焦線都不可能達到，而且對 有效的光線集巾她這些也麟必要的。·，我們不用 第14頁 200825347 理想的|，焦點”或”焦線，，名詞，目_日月的描述和聲明都使 用更一般的名詞，，焦點區域”。在接下來的描述中，一個光 學結構的無區域是獅舰構光雜巾絲的空間或鄰 近區域。 圖2A和2B的側視橫斷面以及圖3的透視圖顯示出根據 目前發明的光伏打裝置30,用來從太陽或其他多色光源獲 得幸田射把。光線集中器32將多色光導向光譜分離器光 瑨分離器40又將此入射光的一段光譜部分再導向第一接收 器34,如同圖2A中的代表射線R所示，並且把此光線的另一 段光譜部分導向第二接收器36,如圖2B所示。第一和第二 接收器34和36大致上放置在適當的焦點區域，用來接收相 對應光譜頻帶的光線。也就是說，第一光線接收器被放在 隶接近弟一焦點區域的地方用來接收第一光譜頻帶，而第 二光線接收器則放在最接近第二焦點區域的地方用來接收 第二光譜頻帶。 q 光譜分離器40是楔形的，含有兩個平坦的反射表面：分 色表面44和反射表面46。分色表面44塗有一層塗膜可以將 較短波長的光線反射到第一接收器34並且透射較長的波長 。反射表面46是寬頻的反射器，它可以將較長的波長反射 回來穿過分色表面44而到達第二接收器36。反射表面46可 以是咼反射的鏡子表面，或者也可以塗上一層分色塗膜。 分色表面44和反射表面46並非平行而是彼此傾斜地形 成一種楔形。在圖2A和2B的實施例中，表面44和46是形成 在大致透明之光學物質，例如玻璃或其他固態介電質的兩 第15 頁 200825347 個對面;然而，在別的實施例中 隔開。光線集中器32的光轴〇,跟八口 46也可以被空氣 其中-個之間的角度不可以丄刀二面44和反射表面46 體光學系統來說，光譜分_ 4〇 置30的整 長光線之個別光學路徑。如圖2Α和2β ==短波 Ο

=:=:器32部分孔徑的接收器36和34上。 孔徑外 齡》射光的角度來看，圖2A和2β的光學結構優於其他 =打裝置設計。被導向分_ 44之鄉色光的角 度偏祕線相當小提供良好的分色性細進了效率。 當絲大致上聚焦在接收器34和36上時，可以達到光 線轉換的最高針度。當絲針II 32是娜元件例如透 叙日寸，會有小I的色差。由於折射集中器32所引起的色差 作用，較級長的鱗路錄度會比她縣的更長，因此 它的焦距會比較短波長的焦距還要遠。在一個實施例中， ϋ種輕微的絲雜錢的差H隸著接㈣34和36 不在相_平面上，而是彼此有些微的偏移。誠，在其他 實施例中，我們希望將接收器34和36大致上安裝在相同的 平面内，例如將這些裝置安裝在一個平板或是塑膠或玻璃 板上。在這種情況下，我們可以在光譜分離器4〇内的分色 表面44和反射表面46之間選擇適當的介電物質以折衷這種 第16 頁 200825347 光學路徑長度的差異。如同在光學技術中眾所周知的，這 種介電物質所能提供的光學路徑折衷量跟它的厚度成正比 ，而跟它的折射率成反比。（另外值得注意的是，從反射表 面46所反射光、線在入射和射出的方向都會穿過此介電物質 ，因此對已知的介電物質厚度，其光學路徑的折衷效應會加 倍）。 如同丽面所提的，跟Cassegrain解決方式一樣，由於接 收杰34和36位在入射光學路徑上，因此圖3的實施例會顯現 出遮斷-部分光線集中器、32孔徑的問題。然而，這種遮斷 要比Cassegrain解決方式在比例上要小，因為此遮斷位於 焦點區域。圖4和圖5的實施例，將光譜分離器4〇跟光線集 中為32之光軸〇之間的角度定位作更動以改正此遮斷問題 Ο Ο 。如圖4的透視圖所示，光譜分離器4〇如前面實施例所描述 情況含有楔形表面44和46,其可以接收從光線集中器32所 折射的^線。光譜分離器如沿著光軸〇(照慣例稱為z轴)放 置，但是表面44和46中至少要有一個跟z軸不垂直而跟正交 的X和y軸令至少一個傾斜。在圖4中，對著y轴的旋轉被標 不為α，對著X軸的旋轉被標示為万。這個傾斜的結果使得 個別接收H 34和36 _、點區域偏離絲針器％的光抽〇 並且離開孔徑偏移到光線集中器32的一邊。 之 圖4和圖5的配置對於降低分色表面或光譜分離器4k 表面44和46上的入射角為有利的。因為這個實施例將接收 裔34和36移到入射光學路徑的外面因此也在光線集中器 32外面，使用這種方式可以獲得效率的增加。 第17 頁 200825347 將分離光線的光學路徑摺疊以便獲得較長之焦距的配 置方式可能有好處。參考圖6和圖7，顯示了光伏打裝置3〇 的一個實施例，在光學路徑上含有一個摺疊鏡子狀，或者其 他適合的反絲φ。所枕綺分觸4()的厚度增加了。 這裡的反射表面46,可以在熔化矽石上使用銀或金來形成 。如圖6的光線路徑所示，較高能的光線從分色表面44被反 射，並且經由鏡子48導向接收器34。如圖7所示，較低能的 0 光線穿過分色表面44,在絲分離器、4〇 射表面46被反射回來。此較低能光線再次穿過分色表面44 ，並且經由鏡子48被導向接收器36。 如我們在圖2A和2B所提到的，折射絲中器通常會顯 現-些色差。圖8和9顯示-個離軸的非球面實施例，使用 一個反射光線集中器32來消除這個問題。如代表射線R所 示’入射夕色光攸反射光線集中器32表面反射回來，該隼中 器在一個實施例中是一個拋物線鏡子，其中入射光是離轴 〇 的如圖8和9所示。此光線被導向光譜分離器40,它將這個 光線分離成兩個光譜頻帶，並且將每個光譜頻帶導向對應 的接收器34或36。 ^ 圖2A到圖9所顯示的實施例是在空氣中。然而，使用光 學集中器以及楔形表面來作光譜分離的相同觀念也可以廡 用一些實施例中，該實施例經由固態介電質將光線導向反 射鏡子。圖10A，10B，10C，11，12,13,14和15顯示光伏打裝 置30的實施例，其使用固態介電質例如玻璃或光學塑膠來 形成。這些實施例可以是圓柱狀，沿著跟最高光功率方向 第18 頁 200825347 垂直的軸延伸(跟頁面垂直）。如此較低和較高能絲的第 -和第二焦點區域會是線性的。或者，光伏打裝置可以 是環形的，其中的光功率沿著兩個垂直軸傳播。 圖10A和10B顯示另一實施例，其使用離軸非球面光學 設計以提供光伏打裝置30具有寬廣的視野。雖然外表不同 ，但疋圖10A和10B之非球面設計的運作方式跟圖8和9的實 施例類似，其光譜的分離和再導向都根據入射多色光的角 度和光譜内容而改變。此實施例特別適用於圓柱狀配置， 其中光伏打裝置30的光學元件由固態介電質例如玻璃或光 學娜來形成，並且形成在固態介電質上。圖應顯示一個 較高能頻帶光線的光學路徑，圖1〇B顯示較長波長之較低能 光線的光學路徑。輸入面58的入射光被導向光線集中器32 ，在這個實施例中是一個離軸的反射非球形表面。在圖1〇A 和10B所不的定向中，旋轉對稱軸As(在頁面的橫剖面上)低 於拋物線。光線集中器32集中入射多色光，將它再導向光 譜分離器40。光譜分離器4〇將高能光線跟低能光線分離。 例如，在一個實施例中，光譜分離器40分離出接近紅外線波 長的光譜頻帶，標稱值高於和低於大約750奈米。分色表面 44將高能光線反射到接收器34,並且透射較低能光線，如圖 10A所示。反射表面46將透射的較低能光線反射回來，穿過 分色表面44,朝向接收器36,如圖10B所示。

使用固態(也就是使用介電物質形成的)，而不是在空 氣中的實施例具有一個優點，就是它的視野。圖1〇c簡要地 顯示如何藉由完全内部反射來達到擴充的視野。在圖10C 第19 頁 200825347 中，非球面的光伏打裝置30接收離軸光線。光線集中器％ 將入射多色光導向光譜分離器40。有利的是，輸入面58作 為光伏打裝置30内光線的反射表面，猎由再導引具有足夠 的角度在光學介電質内作完全内部反射的光線有效地摺疊 光學路徑。圖11的透視圖從輸入面58的角度來顯示完全内 部反射效應。 在圖10A到11所示的實施例中，在頁面橫剖面上的對稱 軸As並沒有跟光線集中器32的表面交叉。對稱軸As並不構 成此配置感興趣的光軸，相反地光軸〇僅僅是針對光線集中 器32的輸入孔徑來定義，如前面所提到的。 圖10A到11配置的一項困難在於小部分的陷獲光線可 此會被浪費掉。因為分色反射是不完美的，可能有一些較 低波長的光線會不慎透射分色表面44而线漏。這些光線其 中有一些可能會實際地陷獲在分色表面44和反射表面46之 間。 圖12,13和14顯示的實施例將圖i〇A到11的配置展開， 以便找出陷獲光線的問題以降低它的效應。首先參考圖12 ，其顯不光伏打裝置30的基本結構，由兩個跟圖1〇A到n實 施例類似的結構組合而成。對這個實施例來說，光伏打裝 置30有兩個反射光線集中器表面62a和62b，其中分色表面 60以-侧斜角度插入它們之間。每個反射光線集中器表 面62a和62b有匕自己的旋轉對稱軸Asa或八此，以及它自己 的光軸Oa或Ob。在這個實施例中，這兩個旋轉對稱軸Asa和 Asb跟它們對應的實體表面沒有交叉而且也不共線。在圖 第20 頁 200825347 =-1’ _光、_ _ 62a或62b的光轴〇a和 針器表面中心之射線的路徑細通常跟 _對稱軸平行。分色表面60位在兩個集中表面之間，而 且放置成讓箱表面縣少—偏雄對雜不平行。 Ο ϋ 圖13顯示低能光線在轉面光伏打裝置3〇内祕徑。 因為分色表面60會透射在高能光線譜頻帶之外的絲，因 此它對低能光線學路徑實際上是透明的。特別是，入射在 光線集中器表面62a上的光線穿過了分色表面6〇,並且沿著 由於輸入表面58的完全内部反射而_的光學路徑而被導 向在衣置反面的光線接收器36上。注意，為了能夠產生完 全内部反射，輸入面58可以也可以不f要如圖所示的，其跟 光軸0a和〇b成一個傾斜角。 圖14顯示高能光線在光伏打裝置3〇中的路徑。對於此 光線，分色表面60是作為反射器也會照著摺疊此光線路徑 。輸入表面58的完全内部反射，同樣的會在此光線路徑中 提供另一個反射摺疊將此光線導向裝置中跟對應之入射多 色光同面的接收器34。圖15顯示在這個實施例中，低能和 高能光線的結合光線路徑。 圖12到15所顯示的實施例，降低了在圖i〇A和10B中所 提到的陷獲光線問題。再參考圖15,有一些從分色表面6〇 洩漏而沒有被反射的較高能光線被導向在光伏打裝置30相 對兩面的光線接收器34, 36。圖12到15所顯示的光伏打裝 置30實施例可以是圓柱狀設計，其形成在一個適當的介電 物質上正如其他實施例所提到的一樣。 第21 頁 200825347 再參考圖12到15,集中器表面62a和62b可以被塗上一 層反射塗膜，通常是加上一層反射金屬塗膜或是分色塗膜 來形成。在另一個實施例中，光線集中器表面62a和62b可 以使用完全内部反射來反射，並且再導引入射多色光。這 就需要使用一個具有高折射率η的介電物質來形成光伏打 裝置30,並且安排光線集中器表面62a和62b，讓它們有適 當的形狀和傾斜角度以便作完全内部反射。在另一個實 施例中，光伏打裝置30可以提供相鄰的光線集中器表面 62a和6¾而不用從分色表面6〇作光譜分離。在這紙光 線集中裔表面62a的光線接收器放在最接近光線集中器表 ，62b的地方，而光線集中器表面咖的光線接收器則放在 最接近光線集中器表面62a的地方。在這個配置中，光伏 打裝置30頂端和底端的光線接收器可以是多重接合式光 伏打電池或是其他光伏打電池類型。這種實施例也可以 ^增__，這是使用輸人面58的完全内部反射來提 4共〇 目前發明的方法和裝置可以用來提供圓柱狀形式和陣 列形式的光伏打裝置。 。目前發明的光伏打裝置實施例可

圖17顯示使用排成多行和多歹㈣光伏 >另一個陣列72配置。圖18顯示的陣 打裝置矩陣，所形成的另一 第22 200825347 列72包含了由組合式離軸反射拋物面，如圖12到15所顯示 那些所形成的光伏打裝置。如同熟悉光學設計技術的人可 卩察覺到的，所使用之任何介·的折射率n都必須認真考 慮以便讓這些陣列裝置的反應和效率可以最佳化。 輻射源的定位： 太陽追來的系統和方法幂所周知，而且可以很容易改 j使用個別或陣列形式的光線集中器3G。圖19顯示根據目 0 岫發明的太陽能系統80。一個或多個輻射能集中裝置，例 如陣列72被排列並設計來追縱太陽。追縱致動器84由_個 控制邏輯處理H 82來控制，f太陽的東—雖置在整個白天 1對於地球76改變時，它可以適當的定位光伏打裝置7〇，同 日守也作出必要的微調以提供適當的北—南定位。控制邏輯 處理為82可以是-台電腦，或是一台以微處理器為主的專 屬控制裝置。控綱贼理H 82可域_量紐置所獲 得之電流的相對量，或是一些其他適合的信絲感應位置 〇 。回應指示位置的信號，控制邏輯處理器82會提供一個控 制k號來指引追蹤致動器84以作位置的調整。 目前發明的裝置讓光伏打接收器不一定要用多重接合 或堆疊方式，而可以用橫向排列方式來使用。在橫向配置 中，個別的光譜鱗被導向適當的光伏打電池上，每個電池 都經過最佳化以便從那個光譜頻帶的波長獲得光能。目前 發明的裝置可㈣雜供—個侧的模、喊光線集中元件 ，或是-個光線集巾轉列。此裝置是可縮放的，可以適用 於溥板細或較大尺寸的練能裝置。—個或多個光線接 第23 頁 200825347 收器34和36可以是光伏打裝置，由任何適用於所提供之光 譜頻帶的光伏打物質來製造，包括矽、砷化鎵、銻化錄和 其他物貝。個或多個光線接收器34或36可以是一個多重 接合的光伏打接收器。一個或多個光線接收器34和36也可 以是熱伏打或熱光伏打，使用一些將熱轉換成電的物質，包 括熱笔物貝，例如水銀:録蹄化物熱二極管。一個或多個光 線接收器34和36可以是-個電荷耦合裝置或是其他光線感 應器。 目前發明的裝置在前面的描述中大部分被描述成光伏 打I置。然而，目鈾發明裝置的最廣泛應用是作為輕射能 收集态將其能量分離成光譜頻帶，並且將每個光譜頻帶再 導向某類型的光線接收器。在另一個實施例中，一個或多 個光線接收器34, 36是另-光學子系統的輸入影像平面，例 如作為能源產生或光譜分析的子系統。光線接收器34, 36 也可以是光導例如光纖的輸入。 我們可以觀察到，提供給光線接收器34和36的兩個或 多個光譜頻帶在光譜上的區別並非很明確，而是有一些重 璺，每個光譜頻帶都包含一些相同的波長。少量的光譜污 染是不可避躺，目為分色反應是不完美的，並且光線也可 能以非正交的角度入射，因而降低分色塗膜的效能。分色 塗膜可以經過最佳化以便將光譜污染降低到所^要的較低 水準。如前面提到的，光譜分離器4〇的反射表面妨也可以 使用分色塗膜，而不是其他類型的反射塗膜，如此可以提供 超越很赠纖子、塗朗改進鮮。麟上爾示的任何 第24 頁 200825347 實施例都可以根據應用的需求以定義光譜頻帶並將它最佳 化0 因此，我們提供的裝置可以從太陽或其他多色輻射源收 集光線，將光線分離成兩個或多個光譜頻帶，並且將每個光 譜頻帶提供至光線接收器。 【附圖簡單說明】 Ο

第一圖Α是一個簡圖，顯示使用Cassegrain模型的光線 收集器。 " 弟一圖B疋一個簡圖，顯示使用cassegrain模型，並含 有一個曲面分色表面的光收集器。 第一 1C是一個簡圖，顯示一個光線收集器，利用傳統配 置的光束分離器來作光譜分離。 第一圖A和B是簡圖，分別顯示在一個實施例中，較高和 較低能光線學路徑。 第三圖是目前發明之一個實施例的透視圖。 第四圖是另-個實施例的透視圖，其中光線接收器被 移到光學路徑的一邊。 第五圖疋另-個貫施例的透視圖，其中光線接收器被 移到光學路徑的另一邊。 第六圖是—個_，顯示在—個含有_絲路徑的 實施例中較高能光線學路徑。 一第=圖疋-個?日慨顯示在_個含有摺疊光學路徑的 貫施例中較低能光線學路徑。 弟八圖疋一個使用反射式光線集中器之實施例的透視 第25 頁 200825347 圖，並且顯示出低能光線學路徑。 *九圖疋-個使用反射式光線集中器之實施例的透視 圖，並且顯示出高能光線學路徑。 第十圖A, Β和C分別地顯示使用一個離轴的反射抛物線 設計之高能光線、較低能光線、和離軸光線的處理光線 圖。 Ο

f十一圖是第十圖Α，β和C所顯示之實施例的透視圖。 第十一圖疋目前發明另—個實施例中的树簡圖i 中含有組合式離軸反射非球形光線收集器。 ，/' 弟十三晒示使用組合式離轴反射抛物線設 低能光線的簡圖。 一第十四圖顯示使用組合式離軸反射拋物線設計來處理 高能光線的簡圖。 第十五圖顯示使用組合式離輛反 處理低能和高能光線的簡圖。 第十六圖顯示目前發明之光伏打裝置的一侧柱狀實 施例透視圖。 、 第十七_示-轉施财触城置軸設計圖。 第十八圖顯示由組合式離轴反射 打裝置陣列的透視圖。 ,第十九圖顯示-個太陽能裝置的透視簡圖，它能夠追 如來適應輻射源位置的改變。 。。光，打裝置10;主要鏡子12;次要鏡子⑷第一接收 范16;第二接收器】8;分離器、2〇;透鏡四;光伏打裝置 第26 ,200825347 30;光線集中器32;第一接收器34;第二接收器36;光譜 分離器40;分色表面44;反射表面46;鏡子48;輸入面 58;分色表面60;反射光線集中器表面62a，62b;光伏打 裝置70;陣列72;地球76;太陽能系統80;控制邏輯處 理器82;追蹤致動器84。

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Claims (1)

1. 200825347 十、申請專利範圍： 1. -種由多色的輕射能源獲得能量之裝置，該裝置包含： a) 光線集中器，用來集中以及再導引入射輕射能,此光線 集中器具有光軸； b) 光譜分離m光軸放置在離先_巾器一段距離 的地方，並且位於被集中後再導引之輻射能的路徑上，此光 譜分離器包含： ⑴第平坦表面，其經過處理將光線集中器接收來之 絲的第-光譜頻帶反射到第一焦點區，並且透射第二光 譜頻帶； (11)第二平坦表面，跟第一平坦表面相隔一段距離，並 且跟第一平坦表面互相傾斜，其中第二平坦表面經過處理 將第二光譜頻帶反射回去通過第一平坦表面以及朝向與第 一焦點區域分隔的第二焦點區域;以及 C)第一和第二光線接收器，其中第一光線接收器放在最 ◎ Λ近第一焦點區域的地方用來接收第一光譜頻帶，而第二 光線接收器被放在最靠近第二焦點區域的地方用來接收第 二光譜頻帶。 2·依據申請專利範圍第1項之裝置，其中第一平坦表面反射 可見光波長。 3·依據申請專利範圍第丨項之裝置，其中第一平坦表面反射 紅外線波長。 4·依據申請專利範圍第丨項之裝置，其中第一平坦表面具有 分色塗膜。 第28 頁 200825347 5. 依據申請專利範圍第i項之裝置，其中第二平坦表面具 分色塗膜。 6. f據巾請專利範圍第丨項之裝置，其中第一及第二光線接 收器中至少一個為光伏打接收器。 7. ，據申請專利範圍帛】項之震置，其中第一及第二光線接 收器中至少一個為熱伏打接收器。 Ο Ο 8. 依據申料利細第丨狀裝置，射第—及第二光線接 收器中至少一個由光纖所構成。 9. 依據申請料細》1項之贱財第-及》二光線接 收态中至少一個為另一光學系統之輸入平面。 10. 依據申請專利範圍項之裝置，其中第一及第二光線 接收器中至少一個由多重接合式光伏打電池所構成了、、、 11. 依據申請專利範圍第i項之裳置，其中固態介電質材料 位於弟一及第二平坦表面之間。 12. 依據申請專利細第！項之褒置，其中光線集中器為反 射性的。 13. 依據申請專利細第i項之裝置，其中光線集中器為折 射性的。 14. 依據申請專利範圍第1項之震置，其中光線集中器之光 軸位於第一及第二焦點區域之間。 W 15·依據申請專利範圍第1項之裝署立 ▲ 衣罝，其中固恶介電質材料 位於光線接收器及頻譜分離器之間。 、 16.依據申請專利細《 i項之裝置，其中第—及第二光線 接收器中至少一個遮斷部份光線集中器之孔和。— 第29 頁 200825347 R依據申請專利範圍第〗項之裝置，其中第—或第 接收器並不會遮斷部份光線集中哭之孔和。 π 18.依據申請專利範園第i項_^__ =包ΐ難介鄕—及第二平坦麵，以及其令 第-及第一光線接收器位於相同的平面中。 :依::請專利範圍第丨2項之裝置其中光線集中器斷面 Ο Ο 20.依據申請專利範圍第1項之褒置，其中第-及第二平括 表面中至少—軸對於鱗針it之光軸為傾斜的。 2L依據申請專利範圍第u項之裝置，其中固態介 由玻璃及塑膠種類選取出。 -種由乡色的姉能源獲得姉能量之錢，該裝置包 含： a) 弟-反射光線針器，縣針以及再導引入射多色 其巾第-反射親針器具有第—對稱軸以 光軸； b) 第二反射光線集中器，用來集中以及再導引入射多色 =，其中第二反射光線針器具有第二對稱轴以及第二 光軸，以及其中 »光軸兵第光軸為非共線以及其中第二對稱轴與第 一對稱轴為非共線的； 1)分色，位於第—及第二反射光線集中ϋ之間以及在 二反射光線集中器再導引多色光線路徑中，光 曰Θ ^&對蛾線集巾||接收之帛_光譜鱗光線為反射 第30 頁 200825347 性以及對其他光線為透射性;其中分色表面放置成並不平 行至少一個第一及第二對稱軸； d) 第一光線接收器，位於接收由第一反射光線集中器導 引以及由分色表面反射之第一光譜頻帶光線； e) 第二光線接收器，位於接收由第二反射光線集中器導 引以及由分色表面反射之第一光譜頻帶光線； f) 第二光線接收器，位於接收由第二反射光線集中器導 引以及由分色表面透射之第一光譜頻帶外侧光線，·以及 g) 弟四光線接收态，位於接收由第一反射光線集中器導 引以及由分色表面透射之第一光譜頻帶外側光線。 23·依據申請專利範圍第22項之裝置，其中第一對稱轴平行 於第二對稱軸。 24·依據申請專利範圍第22項之裝置，其中第一反射光線集 中态形成於具有弟一輸入表面之固態介電質上。 25·依據申請專利麵帛24項之裝置，其中第一光譜頻帶光 線由第一輸入表面反射，其由於全反射所致。 26·依據申請專利範圍第24項之裝置，其中第二光譜頻帶光 線由第一輸入表面反射，其由於全反射所致。 27·依據申請專利細第24項之裝置，其中第二反射光線集 中器形成於具有第二輸入表面之固態介電質上。 28·依據申請專利範圍第24項之裝置，其中第一輸入表面相 對於第一對稱軸成一個傾斜角度。 29·依據申請專利範圍第27項之裝置，其中第一輸入表面與 第二輸入表面為非平行的。 第31 頁 200825347 30·依據申請專利範圍第22項之裝置，其中第一及第二反射 光線集中至少一個之斷面為拋物形。 31·依據申請專利範圍第22項之裝置，其中第一反射光線集 中為包含反射性塗膜，其由分色塗膜以及金屬性塗膜選取 出。 32·依據申請專利範圍第24項之裝置，其中第一反射光線集 中為形成來使用全反射再導引入射多色光線。 33· —種由多色的輻射能源獲得能量之多個收集器陣列，每 一收集器包含： a) 光線集中器，用來集中以及再導引入射輻射能； b) 光譜分離器，沿著光軸放置在離光線集中器一段距離 的地方，並且位於被集中後再導引之輻射能的路徑上，此光 譜分離器包含： (i) 第一平坦表面，經過處理用來將光線集中器接收來 之光線的第一光譜頻帶反射到第一焦點區，並且透射第二 光譜頻帶； (ii) 第一平坦表面，跟第一平坦表面相隔一段距離，並 且跟第一平坦表面互相傾斜，其中第二平坦表面經過處理 將第一光譜頻帶反射回去通過第一平坦表面以及朝向與第 一焦點區域分隔的第二焦點區域;以及 c) 第一和第二光線接收器， 其中第一光線接收器放在最靠近第一焦點區域的地方用 來接收第一光譜頻帶，而第二光線接收器被放在最靠近第 二焦點區域的地方用來接收第二光譜頻帶。 第32 頁 200825347 34· -種由多色的轄射能源獲得輻射能量之多個收集器陣 歹1J，其中每一收集器包含： a) 第一反射光線集中器，用來集中以及再導引入射多色 輻射能，其中第-反射光線集中器具有第一對稱軸以及第 一光軸； b) 第—反射光線集中器，用來集中以及再導引入射多色 輻射能，其”二反射親針轉有帛謂雜以及第 ^ —光轴，以及其中 第二光軸與第—光轴為非共線以及其中第二對稱軸與第 一對稱軸為非共線的； C)分色表面位於第一及第二反射光線集中器之間以及在 ，第一及第二反射光線集中器再導引多色光線路徑中，光 。曰为離謂絲線針H接收之帛—光譜鱗光線為反射 透紐;射分色表献置成並不平 行至少一個對稱軸； (J Ο第光線接收恭，位於接收由第-反射光線集中器導 引以及由刀色表面反射之第_光譜頻帶線； e)第二光線接收器，位於接收由第二反射光線集中器導 引以f由分色表面反射H譜頻帶光線； 0弟二光線接*1欠器，位於接收由第二反射光線集中器導 引以f由分色表面騎之第_光譜_義先線;以及 g)第四先_收H，位於献由第—反射光線集中器導 引以及由分色表面透射之第—光譜頻帶外側光線。 35. -種由多色的輻射能源獲得輕射能量之裝置，該裝置包 第33 頁 ,200825347 含： 、/)第一反射光線针器，用來針以及再判入射多色 =，其t第-反射糖針器具絲—爾雜以及第一 、>)第一反射光線集令益，用來集中以及再導引入射多色 光線，其中第一反射光線集中器具有第二對稱轴以及第二 光軸， 〇 f中第—及第二光線集中器彼此相鄰以及其中第二光軸 與弟-光軸為非共線以及其中第二對稱軸與第一對稱轴為 非共線的； 〇第-光線接收器位於最接近第二反射光線集中器以及 放置成接收由第-反射光線集中器再導引之光線； d)第二光線接收器位於最接近第一反射光線集中器以及 放置成接收由第二反射光線集中器再導引之光線。 〇 第34 頁