專利名稱：集光方法、集光系統(tǒng)以及光能轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集光系統(tǒng)與方法，例如可以應用在太陽電池模塊(solarcell module)或是太陽能轉(zhuǎn)換的光能轉(zhuǎn)換機制。
背景技術：
集光系統(tǒng)一般是用來將大量的入射光收集后，以較密集的較小光區(qū)域出射。集光 系統(tǒng)的應用例如可以使用在太陽電池的集光和太陽能的集熱部分。 太陽電池需要有效吸收入射光，然而由于光學的物理現(xiàn)象，入射光仍會有一部分 會被反射。圖1繪示光學的折射與反射現(xiàn)象示意圖。參閱圖l，一個具折射系數(shù)n的透明層 100接收從空氣中入射的入射光102a。依照光學的折射現(xiàn)象，依照入射角9的大小不同， 會有一部分折射光102b進入透明層100，也有一部分反射光102c被反射。圖2繪示入射角 與反射率的關系示意圖。參閱圖2，以玻璃與空氣的界面為例， 一光線在介質(zhì)外的反射情形， 當入射角9大于某一特定角度時，例如大于60度時，則反射率會大幅增加，反射光102c也 因此愈來愈多。換言之，也就是進入透明層100的折射光102b愈少，導致光使用率降低。
圖3繪示一光線的入射角度和太陽能電池的吸收響應關系示意圖。參閱圖3，以零 度入射的響應為參考。當入射角度大于50度時，其太陽能芯片的吸收效率開始大幅度的下 降，顯示不好的太陽能集光設計若有太多大角度的光線入射芯片，會因為太陽能芯片的吸 收效率不好而導致光電轉(zhuǎn)換效率降低。也就是說，太陽能聚光鏡片的光學設計至少要能達 到大多數(shù)的太陽輻射光入射芯片的角度小于50度，才算是一種高效率的光學設計。而這種 缺點最常見的就是在短焦型的聚光型太陽能集光鏡。 針對短焦型的太陽電池集光器，先前技術已提出多種設計。圖4為短焦式太陽電 池集光器結(jié)構(gòu)示意圖。于圖4的設計，太陽電池的集光器400接收入射光401。入射光401 進入第一集光器402后，由于此短焦式集光器400是以全反射的鋸齒狀結(jié)構(gòu)403方式，將入 射的光經(jīng)由全反射(TIR)后，出射光404再往中心處折射至二次光學405均光后，再入射到 太陽能芯片406，達到短焦及高聚光倍率的效果。 然而此類短焦式的集光器400，會有大多數(shù)的光線是以大角度入射404太陽能芯 片406的，而這些光線大部分進入大的光學接收面積，例如全反射(TIR)光學元件的外部鋸 齒結(jié)構(gòu)。而且此集光器400也會在其TIR鋸齒狀結(jié)構(gòu)403的設計上，必須要有尖銳的鋸齒 407，其設計才能達到高光學效率。但是在實際上的射出成型制作上，這些鋸齒狀結(jié)構(gòu)都會 產(chǎn)生圓角，這二者都是導致此類光學集光器400光學效率不高的主要原因。
圖5繪示另一種折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太陽能集光鏡片示意圖。入 射光501進入實心的集光器500后，先經(jīng)由底部鏡面502反射后，在經(jīng)過集光器500的表面 505進行全反射后，將入射的光線射入太陽能電池504上。而較靠近內(nèi)圍的光線，則是入射 后先經(jīng)過底面鏡面502反射后，再經(jīng)過頂面鏡面503 二次反射后入射太陽能電池504。
此種RXI短焦式太陽能集光器500可以達到高集光倍率和超短焦設計。然而，以 太陽能芯片可高效率吸收的入射光的考慮點上，此設計有相當大部分的光是全反射后以極大的角度入射太陽能芯片，此現(xiàn)象也會導致太陽能芯片的光電效率無法提高。
圖6繪示傳統(tǒng)卡塞格林反射式的太陽能光學聚焦元件示意圖。于集光系統(tǒng)600， 入射光601進入第一反射面602后，反射到第二反射面603往下聚焦至CPC色彩混合元件 604上，經(jīng)由內(nèi)部折射至太陽能芯片605上。 這種卡塞格林(Cassegrain)集光系統(tǒng)600能達到密集和高聚光倍率，另外在芯 片的入射角度和輻射照度上經(jīng)由二次折射元件604后，也可以達到一個較小的入射角度和 較均勻的照度。然而，這種聚光元件需要一次元件602和二次元件603之間的組裝的裕度 (tolerance)不高。也就是說，芯片的照度的要求需要鏡組與色彩混合組件間有精確組合。
圖7繪示另一傳統(tǒng)Fresnel (菲涅耳)聚光系統(tǒng)示意圖。目前最常見的折射式集 光系統(tǒng)700有主要集光系統(tǒng)，例如是Fresnel鏡片701 ，其將入射光聚集在焦點702后，用直 射或經(jīng)過二次光學703反射的方式，將光線收集在太陽能芯片704上。
圖8繪示芯片的橫截面積上接收到光照度的分布分析示意圖。參閱圖8，從分析結(jié) 果可以看出，接收的光亮度分布極為不均勻，其中在中心區(qū)域會有很大的聚光效應。此種分 布，會導致芯片上的溫度和照度不均勻。導致芯片散熱不易及光電轉(zhuǎn)換效率不高等缺點
傳統(tǒng)的技術中，集光系統(tǒng)仍有針對不同問題提出的多種不同設計。然而，傳統(tǒng)的集 光系統(tǒng)仍有其不盡理想的地方，其中照度不均勻?qū)е滦酒薀o法提高、入射芯片的角度 影響太陽能芯片的吸收及光電轉(zhuǎn)換效率、加工精度和組裝裕度對照度的影響和太陽入射光 的可接受角等都是需要考慮的問題。集光系統(tǒng)的設計與研發(fā)仍在繼續(xù)進行中。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是有關于一種集光元件的方法和裝置，包括聚光元件和反射曲面元件，該 反射曲面元件的優(yōu)選實施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光學設計 能達到以較小的角度和較適合的照度入射吸收體，藉以達到較高的光學效率，來提升吸收 體吸收光和熱能量的效果。例如可以應用在太陽光電(solar photovoltaic)或太陽熱能 (solar thermal)集光鏡片的均光和集熱，提高太陽能光學系統(tǒng)的光學效率。
本發(fā)明提出一種集光系統(tǒng)包括聚光元件以及反射曲面元件。聚光元件接收入射光 的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光。反射曲面元件有 入口孔徑接收第一階輸出光。其中，反射曲面元件包含反射內(nèi)曲面。反射內(nèi)曲面的至少一部 分具有第二焦區(qū)。第一焦區(qū)與第二焦區(qū)是共焦或大致上是在一范圍內(nèi)共焦設置，以使至少 一部分的第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光。本發(fā)明又提供一種 光能轉(zhuǎn)換裝置，包括聚光元件、反射曲面元件以及光能轉(zhuǎn)換元件。聚光元件接收入射光的至 少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光。反射曲面元件有入口 孔徑接收第一階輸出光。其中，反射曲面元件包含反射內(nèi)曲面。反射內(nèi)曲面的至少一部分 具有第二焦區(qū)。第一焦區(qū)與第二焦區(qū)共焦或是在一范圍內(nèi)大致上是共焦設置，以使至少一 部分的第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光。光能轉(zhuǎn)換元件接收第 二階輸出光的至少一部分，將光能轉(zhuǎn)換成非光能形式的能量。本發(fā)明又提供一種集光方法， 包括接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光。 提供反射曲面元件。反射曲面元件有入口孔徑及反輸出光，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光。本 發(fā)明又提供一種集光系統(tǒng)，包括聚光元件和反射曲面元件。該聚光元件包含第一反射內(nèi)曲 面，該聚光元件接收入射光的至少一部分光，經(jīng)由該第一反射曲面聚集且通過第一焦區(qū)后 順向出射，得到第一階輸出光；而該反射曲面元件包含入口孔徑、第二反射內(nèi)曲面和出口孔 徑。入口孔徑接收第一階輸出光，使至少一部分的第一階輸出光，被第二反射內(nèi)曲面反射得 到順向出射的第二階輸出光，經(jīng)過出口孔徑順向出射。 為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例， 并配合所附圖，作詳細說明如下。
圖1繪示光學的折射與反射現(xiàn)象示意圖。 圖2繪示入射角與反射率的關系示意圖。 圖3繪示光線的入射角度和太陽能電池的吸收響應關系示意圖。 圖4繪示短焦式太陽電池集光器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5繪示另一種傳統(tǒng)折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太陽能集光鏡片示意圖。 圖6繪示傳統(tǒng)卡塞格林(Cassegrain)反射式的太陽能光學聚焦元件示意圖。 圖7繪示另一傳統(tǒng)Fresnel聚光系統(tǒng)示意圖。 圖8繪示芯片的橫截面積上接收到光照度的分布分析示意圖。 圖9繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，集光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖10 圖15繪示依據(jù)本發(fā)明多個實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖16繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖17繪示在圖16中的孔徑上的強度分析圖。 圖18繪示反射曲面元件1032上方的輻射照度分析圖。 圖19繪示反射曲面元件下方，在接收元件上的強度分析圖。 圖20繪示在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意圖。 圖21繪示本發(fā)明實施例，拋物面-橢圓面共焦的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖22 圖23繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，分別為在反射曲面元件前的照度和強度分
析示意圖。 圖24 圖25繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，分別在反射曲面元件后的照度和強度分析 圖。 圖26 圖27繪示依據(jù)本發(fā)明一些實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)透視示意圖。 圖28繪示依據(jù)本發(fā)明另一實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖29A-圖29C繪示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，在圖28的集光系統(tǒng)中二次光學結(jié)
構(gòu)的剖面示意圖。 圖30 圖31繪示依據(jù)本發(fā)明另一實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖32 圖34繪示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，集光系統(tǒng)是大致上共焦設置的結(jié)構(gòu)
剖面示意圖。 圖35繪示依據(jù)本發(fā)明一集光系統(tǒng)的照射示意圖。 圖36繪示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，一集光系統(tǒng)的剖面示意圖。
附圖標記說明
100透明層102a:入射光102b:折射光102c:反射光400集光器401入射光402第一集光器403鋸齒狀結(jié)構(gòu)404出射光405二次光學406太陽能芯片407鋸齒500集光器501入射光502底部鏡面503頂面鏡面504太陽能電池505表面506二次光學元件600集光系統(tǒng)601入射光602反射面603反射面604二次折射元件605太陽能芯片606二次光學元件700集光系統(tǒng)701Fresnel鏡片702焦點703二次光學704太陽能芯片■集光系統(tǒng)901入射光902聚光元件903第一焦點904反射曲面元件905第二焦區(qū)906入口孔徑
1000聚光元件
1002反射曲面元件
1004接合結(jié)構(gòu)
1005透明板
1006入射光
1008次級聚光元件
1010接收元件
1012Fresnel鏡片
1014全反射透鏡
1016聚焦元件
1018反射曲面元件
1019孔徑
1020集光元件
1022接收元件
1024集光元件
1026次級聚光元件
1030聚光元件
1032反射曲面元件
1034聚光元件
1036反射曲面元件
1040聚光元件
1042反射曲面元件
1044內(nèi)部
1046次級聚光元件
2000集光系統(tǒng)
2001聚光元件
2002第一反射曲面
2003:入射光
2004第一焦區(qū)
2005反射曲面元件
2006入口孔徑
2007第二反射曲面
2008出口孔徑
2009第一階出射光
2010第二階出射光
2011次級聚光元件
2012工作元件
905':焦點
908 909 910
907 :第一階出射光
第二階出射光 內(nèi)層反射曲面 出口孔徑
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種集光系統(tǒng)，一般而言例如包括聚光元件和反射曲面元件，該反射 曲面元件的優(yōu)選實施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光學機制能達到 較小的角度和較適合的照度入射吸收體，藉以達到較高的光學效率，來提升吸收體吸收光 和熱能量的效果。若應用在太陽光電(solar photovoltaic)的集光器上，均勻的光照度分 布和入射光以小角度入射芯片，不但可以提升集光倍率，減少熱應力的產(chǎn)生，也能使芯片有 較高的吸收和轉(zhuǎn)換效率；而在太陽熱能(solar thermal)集光器的應用上，也可以較小的 角度和較集中的照度入射接收體上，提升其光學集光效率，且接收體在下方的設計，在光學 系統(tǒng)和接收體長期面對大自然天氣的多變化時的維護、清潔和保養(yǎng)方面，提供了一個更有 效率保養(yǎng)結(jié)構(gòu)。 從另一角度而言，集光機制例如包括主要聚光元件，至少有第一焦點(焦區(qū))，該 第一焦點(區(qū))下方有反射曲面元件，有入口孔徑、反射內(nèi)曲面、出口孔徑且至少有一部分 該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面有第二焦點(區(qū))，而該第一焦區(qū)和該第二焦區(qū)是共焦或 是在一范圍內(nèi)大致上共焦。主要聚光元件收集入射光至該第一焦區(qū)和該第二焦區(qū)的共焦區(qū) 域出射為第一階出射光，該第一階出射光通過該入口孔徑，至少有一部分的該第一階出射 光經(jīng)由該反射內(nèi)曲面映射反射后出光為第二階出射光，也是映照出射光，經(jīng)由出口孔徑出 光。以下舉一些實施例來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于所舉實施例。又、所舉實施例的 實施例之間也可以相互結(jié)合。 圖9繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，集光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面示意圖。參閱圖9，集光系統(tǒng)900 例如是由二個具有聚光能力的聚光元件，以共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦方式所構(gòu)成， 例如聚光元件902與反射曲面元件904共焦方式所構(gòu)成。聚光元件902包含具有第一焦點 903的內(nèi)凹反射曲面。于此，第一焦點903也代表一個焦區(qū)，焦區(qū)的大小例如是取決于曲面 制作的精密度或是設計需求。又、反射曲面例如是金屬表面反射層或是其他材料構(gòu)成反射 效果的材料結(jié)構(gòu)。聚光元件902的曲面，例如是拋物曲面，以第一焦點903為其幾何焦點。 然而聚光元件902的曲面不限于拋物曲面。能達到聚焦的其他曲面結(jié)構(gòu)也都可以使用，而 其中拋物曲面僅是較佳的實施例。聚光元件902接收與聚集入射光901的一部分，其會被 反射通過第一焦點903，從聚光元件902的出口孔徑906出射，例如是孔徑906，提供第一階 出射光907。 反射曲面元件904，也是光學反射映射元件904，例如也包含具有第二焦點905的 反射內(nèi)曲面909。反射曲面元件904也有入口孔徑，例如也是孔徑906，接收第一階出射光 907。然而，本發(fā)明是將第一焦點903與第二焦點905以共焦或是約略共焦的方式設置。于 此，基于制造的準度或是設計上的需要，第一焦點903與第二焦點905是在一范圍內(nèi)大致上 共焦即可，無需絕對共焦。由于共焦的設置，由聚光元件902產(chǎn)生通過第一焦點903的第一 階出射光907，也同時通過第二焦點905。反射曲面元件904的結(jié)構(gòu)與聚光元件902類似但是相對設置，其曲面的結(jié)構(gòu)例如較佳也是拋物面的設計。由于共焦設計，第一階出射光907 也是通過反射曲面元件904的第二焦點905，而從內(nèi)層反射曲面909反射，再由出口孔徑 910出射。由于反射內(nèi)曲面是拋物面的設計，因此第二階出射光908仍維持原入射的方向， 有助于后續(xù)例如應用在太陽電池上，控制成為入射角的效果。第二階出射光908是映照出 射光908，不需要混光。又、聚光元件902與反射曲面元件904在結(jié)構(gòu)上可以是個整合的結(jié) 構(gòu)體，或是如塑料的注塑成型的單體，其無需對準。 又、如果反射曲面元件904在光軸方向上的深度較淺，其會導致第一階出射光907 的邊緣部分的入射光被反射通過焦點905后，沒有被反射曲面元件904接收反射回到原行 進方向，而從側(cè)邊射出。然而，此沒有被映射的部分不大，且例如可以調(diào)整反射曲面元件904 的深度解決。本發(fā)明可以應用在影像光學或是非影像光學。 圖10-15繪示依據(jù)本發(fā)明多個實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。參閱圖10，本 實施例的二個曲面的結(jié)構(gòu)如圖9的結(jié)構(gòu)，有聚光元件1000與反射曲面元件1002，通過接合 結(jié)構(gòu)1004組合而成，例如可以是一體的結(jié)構(gòu)。 一部分的入射光1006，其光路徑如圖9所示， 可以以幾乎垂直的小入射角條件，均勻且聚集入射于接收元件1010，例如是太陽芯片上。另 外一部分的入射光可通過另外次級聚光元件1008來接收。次級聚光元件1008例如是凸透 鏡，也具有焦點，將一部分入射光聚焦，但是焦點一般例如設置在接收元件1010之上方，以 允許由次級聚光元件1008接收的光通過孔徑，而入射到接收元件1010。由于次級聚光元件 1008的焦點不是在接收元件1010上，可以避免在接收元件1010上造成光強度分布不均勻 產(chǎn)生熱點(hot spot)。于本實施例，次級聚光元件1008是凸透鏡，且凸透鏡的焦點與其他 焦點也大致上重疊，然而透鏡的焦點位置可依實際需要調(diào)整。 于此，次級聚光元件1008的設置，可以有多種支撐方式，例如支架支撐，又或是將 次級聚光元件1008直接制作或是粘置在透明板1005或支架上后，再將透明板1005架置或 是覆蓋在聚光元件1000的入光面之上。 參閱圖IIA，在此實施例，根據(jù)光學的設計可以將圖10的次級聚光元件1008的透 鏡結(jié)構(gòu)改為Fresnel鏡片1012。 Fresnel鏡片1012也可以達到聚焦的效果。參閱圖IIB， 類似地，次級聚光元件1008也可以采用尖鋸齒狀全反射透鏡(TIR)1014，以得到高光學密 集度。 前述的一些實施例是根據(jù)圖9的機制所做的設計變化，其聚光元件902例如以反 射的方式達成。而一些較常見的反射式集光元件，例如是RXI或是Cassegrain的設計，如 圖12A與圖12B，也可在這些集光元件的第一焦區(qū)設置反向共焦的反射曲面元件，來達到出 光區(qū)域有較均勻照度的目的。 圖12A繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，為RXI聚光元件和反射曲面元件共焦的結(jié)構(gòu)剖面 示意圖。圖12B繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，為Cassegrain聚光元件和反射曲面元件共焦的結(jié) 構(gòu)剖面示意圖。參閱圖12A，本發(fā)明的集光系統(tǒng)1500的聚光元件例如與圖5的聚光機制相 似，通過實心的集光器于聚光后仍維持順向進入本發(fā)明的二次光學元件506。本發(fā)明的二次 光學元件506例如是在實體元件中挖空，通過曲面的調(diào)整達到反射聚光的效果。如圖12A 所示的一種方式，可以例如鍍上反射層，達到聚光的反射曲面。 參閱圖12B，其聚光元件與圖6的集光機制相似，然而二次光學元件606例如是在 實體元件中挖空，通過曲面的調(diào)整達到反射聚光的效果。如圖12B所示的一種方式，可以例如鍍上反射層，達到聚光的反射曲面。換句話說，本發(fā)明利用反射曲面的方式設計二次光學元件，以使光較均勻且以較小的入射角進入太陽能芯片。 然而聚光元件902也可以通過折射的方式達成。參閱圖13，另一種設計是將聚光元件902例如以折射式聚焦元件1016取代，其還例如可為單片的全反射式折射鏡(TIRlens)，其在大面積下接收入射光，但是將其焦點設置成與反射曲面元件1018的焦點共焦，如此入射光通過孔徑1019，被聚集轉(zhuǎn)換到反射曲面元件1018而出射到接收元件1010。
前述的一些實施例，聚光元件與反射曲面元件例如是空心的結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)凹的反射曲面機制來達成聚焦的功能。然而，要達到所要反射曲面也有其他方式達成。從所要的光學特性來看，整個集光系統(tǒng)也例如可以由實體的透光材料體，例如玻璃來達成。通過透光材料體的折射系數(shù)與空氣的差異，在介面上產(chǎn)生內(nèi)全反射，再配合介面的曲率產(chǎn)生反射曲面。
參閱圖14，集光元件1020例如可以是實體的透光材料，其包含上部聚光元件1020a與下部的反射曲面元件1020b所構(gòu)成。聚光元件1020a與空氣的介面，配合其折射系數(shù)的大小，構(gòu)成內(nèi)全反射曲面1021a。反射曲面元件1020b與空氣的介面，配合其折射系數(shù)的大小，構(gòu)成另一個內(nèi)全反射曲面1021b。經(jīng)反射通過焦區(qū)的對應部分入射光，可以再被內(nèi)全反射曲面1021b反射，以小角度入射到接收元件1022。 參閱圖15，配合實體的結(jié)構(gòu)以及考慮到中心部分的入射光，可以依需要在入射面上設計出次級聚光元件1026。例如是凸透鏡效果的聚光元件。集光元件1024的其他結(jié)構(gòu)與圖14相似，通過內(nèi)全反射達成反射曲面的效果。另外，次級聚光元件1026有可以不是凸透鏡的結(jié)構(gòu)，而例如以鋸齒狀形狀或是Fresnel lens等聚光結(jié)構(gòu)來達成。
圖16繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。參閱圖16，本實施例是采用空心設計的聚光元件1030與反射曲面元件1032所組合的集光元件，另外在中央部位再配置例如是Fresnel鏡片的次級聚光元件1012。聚光元件1030與反射曲面元件1032之間有共用的孔徑，使入射光通過后到達接收元件1022。由次級聚光元件1012產(chǎn)生的光不經(jīng)過反射曲面元件1032的作用，直接入射到接收元件1022，然而其入射角仍維持在小角度。 以圖16的結(jié)構(gòu)為例，分析通過二次光學前和后的輻射強度(radiantintensity，W/sr)和輻射照度(Irradiance， W/m2)的差別。二次光學元件例如是反射曲面元件。由輻射強度分析可以知道入射光的角度分布；而輻射照度分析則可知道在接收元件上的空間分布。例如，分析條件例如是將聚光倍率設定為800倍，太陽入射能量設定為1，000W/tf，模擬用的完美吸收體設定于該反射曲面元件的上方。此分析的情形是在反射曲面元件的入口處。 圖17為在圖16中的入口孔徑上的強度分析圖。也就是說入射光尚未經(jīng)過反射曲面元件1032的作用所到的角度分布。于此，反射曲面元件1032是提供光學反射映射的作用。在中間±18°的范圍為中央Fresnel鏡片1012所造成的入射角度，而在±40°到90°的角度范圍為聚光元件1030的反射內(nèi)曲面所產(chǎn)生。由此分析圖可發(fā)現(xiàn)大角度入射角的強度較低。如果直接將芯片直接設置在孔徑上，會導致芯片吸收的能量較低和不易吸收等現(xiàn)象，其是因為很多反射光發(fā)生在空氣與晶片表面之間，其會在大入射角度飽和。
圖18則是反射曲面元件1032上方的輻射照度分析圖。太陽能入射能量為1， 000W/m、而此時的照度分析可看出其局部聚光倍率已高達1. 7W0、/m、相當于是1. 7*106倍的太陽光。此高聚光倍率的照度分布，若應用在太陽光電聚光器上，不但會照成太陽能芯片強烈 的熱應力集中，導致芯片的損壞，而此不平均的照度，也會照成芯片光電轉(zhuǎn)換效率的降低等 缺點。 圖19為反射曲面元件下方，在接收元件上的強度分析圖。由放大的強度分析圖可 以看出，雖然還是有為中央Fresnel鏡片所造成的O。到18°入射角度，但是幾乎大部分的 出射光都以相當大的光強度，以O度的角度入射芯片。又、假如考慮太陽光的正向角度，仍 可以得到低于±10°的角度分布。 圖20是在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意圖。由圖20可以看 出，其中間局部的最高聚光照度為1.2*10,/1112，在對應800聚光比下，約相當于1，200倍的 太陽照度，而周圍被光學映射(mapped)的區(qū)域則是呈現(xiàn)一個相當均勻的照度分布。又、中 間的照度可以被設計成如反射映像光照度的均勻程度。 由圖19和圖20的輻射強度和照度分析后，可得知經(jīng)過本發(fā)明的集光系統(tǒng)，在太 陽能芯片接收端不但可得到較小較垂直的角度入射芯片，使得太陽能芯片的吸收率大為提 升；其平均的照度分析也可使芯片的使用率高而提升其芯片的光電轉(zhuǎn)換效率；而其平均的 照度也不會有熱點(hot spot)效應，此優(yōu)點不但在封裝及散熱的工程上不會有較高的技術 門檻需要去克服，且也對于設計更進一步高倍率( 2，000X)的太陽能聚光模塊其可行性 提高。 圖21繪示本發(fā)明實施例，拋物面-橢圓面共焦的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參閱圖21，反 射曲面的設計多種設計。由于二次函數(shù)曲線自然就有其焦點的存在，因此是優(yōu)選可以直接 利用的一種曲面。本實施例中的聚光元件1034仍例如維持是拋物面，而反射曲面元件1036 例如是橢圓曲面。橢圓的數(shù)學特性為具有雙焦點的曲面，經(jīng)過第一焦點的光線經(jīng)過橢圓的 內(nèi)層反射后，會改變光的入射角度進入第二焦點。 圖22 圖23繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，分別為在反射曲面元件1036入口的照度和 強度分析示意圖。圖24 圖25繪示依據(jù)本發(fā)明實施例，分別在反射曲面元件1036出口孔 徑或是接收體上的照度和強度分析圖。 參閱圖23和圖25，二個空間分布并無太大的改變。參閱圖22和圖24，角度分布 由原先的大角度分布，其是中央的O。 到±18°及外圍的±40° 90°改變?yōu)檩^小的角 度分布O。 ±40° 。而由光強度和照度的分析可得到一個結(jié)論。此拋橢共焦的機制，在 中間還搭配集光鏡的發(fā)明，可以在不改變照度的情況下，達到以較小的角度入射接收體。其 中，較小的入射角會有較高的光學效率。又在本發(fā)明中，在接收體的入射角可以設計成收斂 在20度內(nèi)。針對曲面的設計，除了采用拋物面與橢圓面的設計與組合外，其也可以是多種 曲面的組合，又當應用在大的太陽能集光系統(tǒng)時，曲面也可以例如利用多部分小平面組合 成的所要的曲面。例如，其是以不同半徑的多個小平面環(huán)所構(gòu)成，以適當?shù)男苯莵矸瓷涔猓?且以一個接一個連接組合或是同心迭置的方式組合，如此由每一個環(huán)的平面所反射的光會 被聚集在一焦區(qū)。 又、前述所舉的一些實施例是剖面結(jié)構(gòu)。依照一般的設計，其例如是中心對稱的結(jié) 構(gòu)。換句話說，例如在與入射光垂直方向的橫截面結(jié)構(gòu)，其邊緣例如是圓形。然而，當接收 元件的面積形狀是矩形時，其結(jié)構(gòu)也做適當?shù)淖兓?圖26 圖27依據(jù)本發(fā)明一些實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)透視示意圖。參閱圖26，例如以圖14的剖面結(jié)構(gòu)為例，其聚光元件1040與反射曲面元件1042在另一個方向的橫截面 是四方形，其還例如是正四方形或是矩形，其中矩形依實際需要會較有效率。如果聚光元件 1040與反射曲面元件1042是實體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部1044是相同材料或是折射系數(shù)接近的二個 材料所組成。然而，若是以圖9的設計為基礎，則內(nèi)部1044例如是空心的設計。
參閱圖27，依照相同原則，次級聚光元件1046可以再配置在中心部位，以調(diào)整中 心區(qū)域入射光的入射角度。次級聚光元件1046例如是凸透鏡的結(jié)構(gòu)或是鋸齒狀結(jié)構(gòu)或是 線形Fresnel聚光的結(jié)構(gòu)。而如圖26所述，其內(nèi)部1044可以是實心或是空心的設計。
在前述的實施例中，雖然在底部的二次光學(secondary optical)元件是以能產(chǎn) 生焦區(qū)的曲面來構(gòu)成，其在橫截面上曲線是曲率不為零的曲線。然而，反射表面元件可以 有兩種可能的結(jié)構(gòu)，其一是截面曲線的曲率也可以為零，即是直線的設計；其二是反射表面 元件是由多個平面所組成，例如是四個階梯狀的平面或是四個四方平面所構(gòu)成的完整反射 面。圖28繪示依據(jù)本發(fā)明另一實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。參閱28，本實施例的集 光系統(tǒng)2000，包括聚光元件2001，該聚光元件擁有第一反射曲面2002，該聚光元件2001接 收入射光2003的至少一部分光，經(jīng)過第一反射曲面2002反射后聚集且通過第一焦區(qū)2004 后順向出射，得到第一階輸出光2009。反射面元件2005，擁有入口孔徑2006，第二反射面 2007，出口孔徑2008。該反射面元件2005，其例如是錐狀的形狀，錐狀的形狀在橫剖面上的 曲線是曲率為零的傾斜直線，基本上無需構(gòu)成有焦區(qū)的聚光能力。該入口孔徑2006接收該 第一階輸出光2009，使至少一部分的該第一階輸出光，通過該第二反射面2007反射得到順 向出射的第二階輸出光2010。 圖29A-圖29C繪示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，在圖28的集光系統(tǒng)中二次光學結(jié) 構(gòu)的剖面示意圖。參閱圖29A，如果橫截面的形狀是矩形，則矩形的一對側(cè)邊線是平行的。
因此，對于入射角為e g的光線，其入射于工作元件2006的入射角為ec， eg= ec。此
設計可用在較小接收角度，如此則入口孔徑會增加。 參閱圖29B，又此對側(cè)邊線是漸大的錐形側(cè)邊線，其對于入射角為9g的光線，其
入射于工作元件2012的入射角為ec， eg> ec。此設計可讓入射該工作元件的角度較 小，達到較高的光學效率。 參閱圖29C，又此對側(cè)邊線是漸縮的錐形側(cè)邊線，其對于入射角為9g的光線，其
入射于工作元件2012的入射角為ec， eg< ec，其中有一些大角度入射的光線，會被再
度反射回去，不會進到工作元件2012，如圖中的光路所示。而此設計會達到較大的入口孔徑
和較寬域的可接受角的目的，但是相對的，會犧牲一些光學效率。 雖然圖29A 圖29C的設計之間有一些差異，但是依照實際的設計需要都可以采 用。 圖30 圖31繪示依據(jù)本發(fā)明另一實施例，集光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。先參閱圖 30，又配合先前描述的聚光元件2011，也可以將另一部分入射光接收、聚集以及出射到工作 元件2012，達到光能的轉(zhuǎn)換應用，光路徑及結(jié)構(gòu)示意圖如圖中所示。在本實施例中，二次光 學的反射曲面元件2005無需有焦區(qū)的產(chǎn)生。 參閱圖31，依照相同的設計原則，例如采用實心體的具體實施例，其通過光學的內(nèi) 全反射達到反射曲面的效果。與圖15類似，可以更設計凸出外型3001的結(jié)構(gòu)，將屬于中間 區(qū)域的光聚集后一并輸出。依照二次光學的反射面元件2005機制，其也以有一些變化，且
14產(chǎn)生的效果也有一些差異，但是仍維持基本的設計原則。 本發(fā)明的光學設計若用在太陽熱能(solar-thermal)的集光系統(tǒng)上，則不但可以 增加此集光系統(tǒng)的可接受角(acc印tance angle)、可達到高照度的集光倍率、和達到小角 度入射達到高吸收的光學效能。且接收體設置在聚光結(jié)構(gòu)下方的設計，不但在能量轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)的設計上較容易實施；而上方的覆蓋層結(jié)構(gòu)也可降低集光系統(tǒng)的維護清潔等費用，解決 全部的集光鏡面暴露在外時，不穩(wěn)定的天氣照成鏡面的刮傷、磨損、積水，和塵土、鳥糞等等 異物造成鏡面的臟污。 在上述實施例中，此二個聚焦區(qū)是共焦的組合。然而，此二個聚焦區(qū)也可以是大致 上共焦的設置，其允許相互之間在入口孔徑的半徑范圍內(nèi)有移位的情形。圖32 圖34繪 示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，集光系統(tǒng)是大致上共焦設置的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
參閱圖32，第一焦區(qū)903是對應主光學元件，焦區(qū)905'是對應二次光學元件，其例 如是拋物面。假設二次光學組件的位置是從焦區(qū)位置向下移動，同時焦區(qū)905'如箭頭所示 向下移動。光路徑被仿真。其結(jié)果，由二次光學元件反射的光會較為發(fā)散。參閱圖33，二次 光學元件如箭頭所示是向上移動。于此情形，由二次光學元件反射的光會較為收斂。 一般 而言，離焦的組態(tài)可依照實際設計需來設定。焦區(qū)905'相對于焦區(qū)903可以在入口孔徑半 徑范圍內(nèi)被移位。換句話說，依照照度均勻的考慮，二個焦區(qū)可以是共焦或是大致上共焦在 一范圍內(nèi)，其較佳例如是在入口孔徑的半徑范圍內(nèi)。 參閱圖34，其是模擬結(jié)果。當焦區(qū)905'被往上移動到某一距離，反射光可能由足 夠的收斂以全部覆蓋的接收元件1010。于此，入射光的中間部分可以被使用，也可以不被使 用，其依據(jù)實際需要而定。然而于圖34的情形，當希望得到在接收元件1010的表面有較佳 的均勻照度，則入射光的中間部可以被忽略。對接收元件1010的入射角仍能維持小角度。
圖35繪示依據(jù)本發(fā)明一集光系統(tǒng)的照射示意圖。參閱圖35，其是在圖34的情形 下在接收元件的照度分布的模擬分布。照度相當均勻。 在集中型太陽能光電(CPV)系統(tǒng)的應用上，照度均勻是與芯片效率相關。太陽芯 片可以設計成有一理想集光倍率，例如是IOOOX。然而，假如照度不均勻，其接收元件的局部 區(qū)域，有5%可能會達到20，000X。其芯片的實際光填入率(light fill factor)為0. 58， 而芯片的效率為17%。然而對于太陽芯片是1000X相同要求下，本發(fā)明可以在整個光區(qū)域 都大致上維持1000X的倍率，因此光填入率例如可以達到85% 。其結(jié)果，芯片的操作效率可 以達到24%。 從另一個角度來看，本發(fā)明提出一設計參數(shù)，可稱為局部集光比r，其定義為 (l)r =局部最高聚倍率/幾何聚光倍率 (peak concentration)/(geometrical concentration)。 幾何聚光倍率定義為"光學面積/芯片面積"。局部最高聚倍率是照度分布中的最 大強度，其一般是對應到局部高強度的區(qū)域。以幾何聚光倍率為500X的菲涅耳透鏡為例， 其局部最高聚倍率約為2， 500X，如此局部集光值r為5。本發(fā)明的局部集光比值r可以減 少到5或更少。本發(fā)明以提出的局部集光比r檢視一些傳統(tǒng)設計方式，其平均值約在8。這 表示說傳統(tǒng)太陽芯片的局部集光太強，導致低的轉(zhuǎn)換效率。 更進一步在集熱器的應用上，如在太陽熱光電(thermophotovoltaics， TPV)或是 太陽發(fā)電(concentrating solar power, CSP)系統(tǒng)中的太陽熱能，其照度的均勻性不需要太大考慮。取代的是要考慮進入到接收元件的入射光總能量，其中小區(qū)域的熱點可以被接 受。就考慮小角度分布的需求，本發(fā)明的二個焦區(qū)可以是共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦， 其較佳方式例如是在入口孔徑的直徑范圍或是更大。 圖36繪示依據(jù)本發(fā)明另一些實施例，一集光系統(tǒng)的剖面示意圖。參閱圖36，二次 光學組件1036產(chǎn)生聚集光束，以小入射角度入射到接收元件1022。如此，二次光學元件 1036例如可以是橢圓的截面，具有二個焦區(qū)。此二個焦區(qū)其一是與聚光元件1034的焦區(qū)耦 合，且此二個焦區(qū)的另其一焦區(qū)例如設置在接收元件1022上。其結(jié)果，被收集的光可以被 聚焦在接收元件1022上。接收元件1022將光能轉(zhuǎn)換成為熱能。本發(fā)明利用反射式的二次 光學元件設計，在最佳化的設計上，其光線可以較小的角度入射芯片吸收面，有效地降低入 射芯片吸收面角度過大而反射散失的光線，進而有效提升芯片吸收效率。
就幾何結(jié)構(gòu)來看，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低且明顯地改善傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)制造誤差所造 成的光學效率降低問題。本發(fā)明的集光系統(tǒng)有利于產(chǎn)業(yè)的制造。 至于在實際應用上，經(jīng)聚光后的光能可以通過多種方式轉(zhuǎn)換應用。光能轉(zhuǎn)換裝置 的光能轉(zhuǎn)換元件例如是將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導體元件。半導體元件元件可以是光電 (PV)胞，包括例如是硅、11I-V族化合物、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)和鎘化碲(CdTe)
等材料。 又從熱能儲存/轉(zhuǎn)換裝置的角度而言，熱能儲存/轉(zhuǎn)換元件，至少接收聚集的輸出 光，將光的熱能儲存或轉(zhuǎn)換成非光能形式的能量。熱能儲存/轉(zhuǎn)換元件也例如是將光的熱 能直接儲存的熱接收器。熱接收器例如包括直接受熱型接收器或是以液態(tài)鈉為媒介的熱接 收器。又、熱接收器例如負責吸收光的熱能并轉(zhuǎn)換至引擎內(nèi)的工作氣體。引擎包括例如是 史特靈引擎(Stirling engine)或是布雷頓引擎。 又、熱能儲存/轉(zhuǎn)換元件例如是將光的熱能用來熱解液體的產(chǎn)氫元件。液體包括 例如是水或是甲醇。 又熱能儲存/轉(zhuǎn)換元件例如是用熱_電化學方法的產(chǎn)氫元件。 雖然結(jié)合以上優(yōu)選實施例披露了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何本領
域一般技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作一些的更動與潤飾，因此本發(fā)明的
保護范圍應以附上的權(quán)利要求所界定的為準。
1權(quán)利要求
一種集光系統(tǒng)，包括聚光元件，接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光；反射曲面元件，有入口孔徑接收至少該第一階輸出光，其中該反射曲面元件包含具有第二焦區(qū)的反射內(nèi)曲面，該第一焦區(qū)與該第二焦區(qū)是共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光；以及出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一目標區(qū)域，使至少該第二階輸出光被接收。
2. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件包括鋸齒狀結(jié)構(gòu)聚光元件、卡塞格 林聚光元件，或是折射_反射_全反射聚光元件。
3. 如權(quán)利要求l所述的反射曲面元件，其中該反射內(nèi)曲面包括拋物面、雙曲面或是橢 圓曲面。
4. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件與該反射曲面元件是實體光學結(jié) 構(gòu)，該聚光元件包含具有該焦區(qū)的第一內(nèi)全反射曲面，該反射曲面元件具有該二焦區(qū)的第 二內(nèi)全反射曲當作該反射內(nèi)曲面。
5. 如權(quán)利要求4所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件還包括聚光曲面，接收與聚集該入 射光的一中間部分，如此得到一中間聚焦光，且該中間聚焦光通過該反射曲面組件的該入 口孔徑后，與該第二階輸出光合并由該出口孔徑輸出。
6. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件包含具有該第一焦區(qū)的集光反射曲面。
7. 如權(quán)利要求6所述的集光系統(tǒng)，該聚光元件還包括位于中心的次級聚光元件，接收 該入射光的一中間部分光，如此得到一中間聚焦光，且該中間聚焦光通過該反射曲面組件 的該入口后與該第二階輸出光合并由該出口孔徑輸出。
8. 如權(quán)利要求7所述的集光系統(tǒng)，其中該次級聚光元件包括凸透鏡、菲涅耳透鏡或是 鋸齒狀結(jié)構(gòu)聚光元件。
9. 如權(quán)利要求7所述的集光系統(tǒng)，還包括支撐結(jié)構(gòu)，以支撐該次級聚光元件。
10. 如權(quán)利要求6所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件是金屬表面反射曲面。
11. 如權(quán)利要求10所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面例如包括是拋物面、雙曲面或是 橢圓曲面。
12. 如權(quán)利要求l所述的集光系統(tǒng)，其中構(gòu)成該第一焦區(qū)與/或該第二焦區(qū)的曲面結(jié)構(gòu) 是多種曲面的組合。
13. 如權(quán)利要求l所述的集光系統(tǒng)，其中構(gòu)成該第一焦區(qū)與/或該第二焦區(qū)的曲面結(jié)構(gòu) 是由多部分平面所組合成的曲面。
14. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該第一聚光元件與該反射曲面元件是固定接 合的結(jié)構(gòu)單體或是一體成型的結(jié)構(gòu)。
15. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件與該反射曲面元件是金屬表面反 射元件。
16. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面所構(gòu)成的該 第二焦區(qū)是點狀區(qū)域。
17. 如權(quán)利要求16所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面是中心線圓 形對稱。
18. 如權(quán)利要求1所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件的該出射曲面所構(gòu)成的該第 二焦區(qū)是線狀區(qū)域。
19. 如權(quán)利要求18所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件的該出射曲面，在接收該入 射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
20. —種光能轉(zhuǎn)換裝置，包括聚光元件，接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一 階輸出光；反射曲面元件，有入口孔徑接收至少該第一階輸出光，其中該反射曲面元件包含具有 第二焦區(qū)的反射內(nèi)曲面，該第一焦區(qū)與該第二焦區(qū)是共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦，使 至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光；以及出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一目標區(qū)域，使至少該第二階 輸出光被接收；以及光能轉(zhuǎn)換元件，至少接收該第二階輸出光，將光能轉(zhuǎn)換成非光能形式的能量。
21. 如權(quán)利要求20所述的光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面所構(gòu)成 的該第二焦區(qū)是點狀區(qū)域。
22. 如權(quán)利要求21所述的光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面是中心 線圓形對稱。
23. 如權(quán)利要求20所述的光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面所構(gòu)成 的該第二焦區(qū)是線狀區(qū)域。
24. 如權(quán)利要求23所述的光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面，在接 收該入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
25. 如權(quán)利要求20所述的光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該光能轉(zhuǎn)換元件包括至少光電胞或是熱 能存儲/轉(zhuǎn)換元件。
26. —種集光方法，包括接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光；提供反射曲面元件，該反射曲面元件有入口孔徑以及具有第二焦區(qū)的反射內(nèi)曲面；以及設置該反射內(nèi)曲面的該第二焦區(qū)與該第一焦區(qū)為共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦，以 接收該第一階輸出光，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第 二階輸出光。
27. 如權(quán)利要求26所述的集光方法，其中接收該入射光的步驟是使用鋸齒狀結(jié)構(gòu)聚光 元件、卡塞格林聚光元件，或是折射_反射_全反射聚光元件接收該入射光。
28. 如權(quán)利要求26所述的集光方法，還包括接收該入射光的一中間部分光，使聚集該入射光的該中間部分光成為第三輸出光，且通過該反射曲面元件的該入口孔徑，且與該第 二輸出光與該第三輸出光合并輸出。
29. 如權(quán)利要求26所述的集光方法，其中所提供的該反射曲面元件的該第二焦區(qū)是點狀區(qū)域。
30. 如權(quán)利要求29所述的集光方法，其中所提供的該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面是 中心線圓形對稱。
31. 如權(quán)利要求26所述的集光方法，其中該反射曲面元件的該第二焦區(qū)是線狀區(qū)域。
32. 如權(quán)利要求31所述的集光方法，其中該反射曲面元件的該反射內(nèi)曲面，在接收該 入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
33. —種集光系統(tǒng)，包括聚光元件，有第一反射內(nèi)曲面，該聚光元件接收入射光的至少一部分光，經(jīng)由該第一反 射內(nèi)曲面聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光；反射面元件，有入口孔徑接收該第一階輸出光，其中該反射面元件包含第二反射內(nèi)曲 面，使至少一部分的該第一階輸出光，通過該第二反射反射曲面得到順向出射的第二階輸 出光；以及出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一 目標區(qū)域，使至少該第二階 輸出光被接收。
34. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該反射面元件的該第二反射內(nèi)曲面的側(cè)截面 曲線是曲率不為零的曲線，具有第二焦區(qū)。
35. 如權(quán)利要求34所述的集光系統(tǒng)，其中該反射面元件的該第二反射內(nèi)曲面的該第二 焦區(qū)和該第一反射內(nèi)曲面的該第一焦區(qū)的設置為共焦或是在一范圍內(nèi)約略共焦。
36. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該反射曲面元件的該第二反射內(nèi)曲面的側(cè)截 面上的一對側(cè)邊線是曲率為零的一對直線。
37. 如權(quán)利要求36所述的集光系統(tǒng)，其中該對直線是平行、錐形漸縮傾斜或是錐形漸 大傾斜。
38. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件與該反射面元件是實體光學結(jié) 構(gòu)，該聚光元件包含具有該焦區(qū)的第一內(nèi)全反射曲面，該反射面元件有內(nèi)反射或是第二內(nèi) 全反射曲面當作反射內(nèi)曲面。
39. 如權(quán)利要求38所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件還包括聚光曲面，接收與聚集該 入射光的一中間部分，以得到一中間聚集光，該中間聚集光經(jīng)通過該反射面元件的該入口 孔徑后，與該第二階輸出光合并由該出口孔徑輸出。
40. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，該聚光元件還包括位于中心的次級聚光元件，接 收與聚集該入射光的一中間部分光，以得到一中間聚集光，該中間聚集光通過該反射曲面 元件的該入口孔徑，與該第二輸出光合并由該出口孔徑輸出。
41. 如權(quán)利要求40所述的集光系統(tǒng)，其中該次級聚光元件包括透鏡、菲涅耳透鏡或是 鋸齒狀結(jié)構(gòu)聚光元件。
42. 如權(quán)利要求40所述的集光系統(tǒng)，還包括支撐結(jié)構(gòu)，以支撐該次級聚光元件。
43. 如權(quán)利要求40所述的集光系統(tǒng)，其中該反射面元件是金屬表面反射曲面。
44. 如權(quán)利要求34所述的集光系統(tǒng)，其中該第二反射內(nèi)曲面是拋物面，雙曲面或是橢 圓面。
45. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中構(gòu)成該第一焦區(qū)的該反射內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)是多種 曲面的組合。
46. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中構(gòu)成該第一焦區(qū)的該反射內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)是由多 部分平面所組合成的曲面。
47. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件與該反射曲面元件是固定接合的 結(jié)構(gòu)單體，或是一體成型結(jié)構(gòu)。
48. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該聚光元件與該反射面元件是金屬表面反射 元件。
49. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該反射面元件的出射反射曲面，在接收該入 射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
50. 如權(quán)利要求33所述的集光系統(tǒng)，其中該反射面元件的該第二反射內(nèi)曲面是橢圓 面，具有第二焦區(qū)與第三焦區(qū)，其中該第二焦區(qū)與該第一反射內(nèi)曲面的第一焦區(qū)是設置為 共焦或是在一范圍內(nèi)約略共焦，且該第三焦區(qū)是安排在該目標區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開一種集光方法、集光系統(tǒng)以及光能轉(zhuǎn)換裝置，其中該集光系統(tǒng)包括聚光元件以及反射曲面元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區(qū)后順向出射，得到第一階輸出光。反射曲面元件有孔徑接收第一階輸出光。其中，反射曲面元件包含反射內(nèi)曲面，其至少一部分具有第二焦區(qū)。第一焦區(qū)與第二焦區(qū)是共焦或是在一范圍內(nèi)大致上共焦設置，以使至少一部分的第一階輸出光，通過共焦轉(zhuǎn)換得到順向出射的第二階輸出光。
文檔編號G02B5/10GK101788708SQ20091012989
公開日2010年7月28日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者張平, 潘力齊, 王良德, 鄒淵翔 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院