專利名稱：用于光能的集中、聚集和照明的緊湊光學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明針對用于產(chǎn)生電能、熱能和輻射能的太陽能集中器。更具體說，本發(fā)明針對 一種太陽能集中器，該太陽能集中器使用折射與反射的組合和/或改變方向的光學裝置， 以便對來自多個集中器系統(tǒng)的太陽光進行集中和聚集。其他的應用包含使用緊湊的光學裝 置來發(fā)光和照明。
背景技術：
太陽能收集器已經(jīng)為太陽光的收集和集中而研發(fā)了很長時間。增加周圍太陽光的 能量密度，能更有效的轉換到有用的能量形式。已經(jīng)研發(fā)了大批的幾何結構和系統(tǒng)，但這類 系統(tǒng)平庸的性能和高昂的成本不允許廣泛使用。為了獲得合適的性能和可制造性，需要對 太陽能收集器加以改進。
發(fā)明內(nèi)容
集中器系統(tǒng)包含一些光學元件的組合，這些光學元件包括諸如折射和/或反射部 件等的集中元件，折射和/或反射元件把太陽光方向改變?yōu)檫M入光波導，該光波導由許多 臺階狀反射表面構成，以便有效地聚集和集中進接收器單元(熱的和/或光電的)以及其 他常規(guī)能量轉換系統(tǒng)。反射表面的幾何結構連同光波導縱橫比的控制能實現(xiàn)簡便的處理， 太陽光的收集和集中對各種商業(yè)應用最好是到鄰接的區(qū)域上，這些商業(yè)應用包含太陽能電 池裝置、光管應用、熱交換器、燃料生產(chǎn)系統(tǒng)、光譜分離器、以及其他供各種各樣光學應用的 光的二次處理。本發(fā)明的這些和其他目的、優(yōu)點和應用，及其操作的組織和方式，將從下面結合附 圖的詳細描述中變得明白。
圖1畫出一般地按照本發(fā)明實施例構成的太陽能集中器；圖2畫出光波導一個實施例的斷面視圖，該光波導已在圖1示意畫出；圖3畫出光波導的直線型實施例的另一個斷面視圖，該光波導已在圖1示意畫 出；圖4畫出光波導的旋轉型實施例的另一個斷面視圖，該光波導已在圖1示意畫 出；圖5A畫出波導的反射元件的第一邊緣的形狀；圖5B畫出波導的反射元件的第二邊緣形狀；圖5C畫出作為臺階狀波導一部分的用于改變光方向的第一分離元件；圖5D畫 出作為臺階狀波導一部分的用于改變光方向的第二分離元件；圖5E畫出有多個與臺階狀 波導耦合的光管的系統(tǒng)；而圖5F畫出有嵌入式改變方向部件的波導；
圖6畫出與波導耦合的彎曲的集中元件和彎曲的反射器；圖7畫出與波導耦合的彎曲的集中元件和兩個平面的反射器；圖8A畫出與波導耦合的封閉的光學元件；而圖8B畫出圖8A的光學元件與波導接 合處部分的放大視圖；圖9A畫出另一個與波導耦合的封閉的光學元件；而圖9B畫出圖9A的光學元件與 波導接合處部分的放大視圖；圖IOA畫出另一個與波導耦合的封閉的光學元件；而圖IOB畫出圖IOA的光學元 件與波導接合處部分的放大視圖；圖IlA畫出再一個與波導耦合的封閉的光學元件；而圖IlB畫出圖IlA的光學元 件與波導接合處部分的放大視圖；圖12畫出對圖2和6-11的光學系統(tǒng)的光線追跡結果；圖13畫出太陽能集中器或照明器實施例的另一個代表；圖14畫出常規(guī)系統(tǒng)的折射集中器部件；圖15畫出用于另一種常規(guī)系統(tǒng)的反射集中器部件；圖16畫出有主和副反射光學裝置的卡西格林(Cassegrainian)集中器；圖17對類似于圖13的系統(tǒng)，畫出光透射對接收角的關系；圖18畫出波導以反射器部件終止的實施例，該反射器部件使光的方向改變?yōu)槌?向基座表面；圖19畫出圖18的一種變化，這里集中器圍繞對稱軸被鏡面化；圖20畫出圖13實施例的一種形式，它有相對集中器傾斜的波導和改變方向元 件；圖21畫出集中器和/或改變方向元件有變化的尺寸的實施例；圖22畫出使用光源代替接收器的光漫射的實施例；圖23畫出圖4實施例的不同的變化，以實現(xiàn)橫跨兩根軸上的光集中；圖24畫出實現(xiàn)橫跨兩根軸上的光集中的又一個實施例；圖25畫出本發(fā)明太陽能集中器的不同的實施例；圖26畫出本發(fā)明太陽能集中器的又一個實施例；圖27畫出本發(fā)明太陽能集中器的再一個實施例。
具體實施例方式按照本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的太陽能集中器系統(tǒng)以圖1中的10示意性表示。該 太陽能集中器系統(tǒng)10包括光學集中元件12，它可以是任何常規(guī)光學集中器，諸如物鏡、菲 涅爾透鏡、和/或反射表面元件，諸如拋物面或復合形狀的反射器。該光學集中元件12對 輸入光14起作用，以把光14集中到小的焦點區(qū)域16。在該優(yōu)選實施例中，小的焦點區(qū)域 16被安排在反射的或改變方向的元件18或其他常規(guī)光學改變方向的元件之內(nèi)，該種常規(guī) 光學改變方向的元件導致全內(nèi)反射。改變方向元件18使被集中的光20的方向改變?yōu)檫M入波導22。波導22構造成使沿波導22傳播的光20，按照斯涅爾(Snell)定律發(fā)生內(nèi)反射， 其中，當光20入射到波導22表面24的角度大于臨界角0e時，出現(xiàn)全內(nèi)反射
<formula>formula see original document page 5</formula>這里0C =全內(nèi)反射臨界角，n波導=波導材料折射率n =包層折射率或在環(huán)境/波導界面上的折射率。接收器26被安排在波導22的一端并接收光20，以便處理成有用的能量或其他光
學應用。圖13畫出具有這個機構細節(jié)的系統(tǒng)10的優(yōu)選形式。畫出了 N多個集中元件12 和改變方向的元件18。每一集中元件12以半角Q1接收來自區(qū)域A的輸入光14，并以半 角θ2把光14集中到更小的區(qū)域B，使集中比=A/B。每一改變方向的元件18從關聯(lián)的集 中元件12之一接收被集中的光，把光旋轉一些角度φ，再把光插進波導22的一段中，保持由 區(qū)域B和半角θ 2定義的集中度。波導22是多個段，這些段有高度B的遞增臺階，彼此分 開長度Α。波導22的每一段從關聯(lián)的改變方向元件18之一接收光，使波導22作為一個整 體對來自多個集中元件14和改變方向元件18的光進行聚集，并使光14沿其長度傳播，以 供接收器23收集。波導22不改變傳送給它的集中度，因此，波導22的縱橫比=波導的高度/波導的長度= ΝΧΒ/ΝΧΑ= Β/Α= 1/(每一元件中的集中比)對太陽能集中器(以及其他裝置，諸如照明器)，緊湊性有巨大的實際利益。除別 的利益外，還有較少材料的使用；消除了必然難以密封的光學裝置與接收器23之間大的 空氣隙；裝置體積不那么龐大，以便于更廉價的貨運和安裝；與昂貴且冒險的習慣制造方 法相反，可以利用傳統(tǒng)的平坦模件的制造方法。波導22的緊湊性極限由接收器23限定。因此，波導22只能如同它向之傳送光的 接收器23—樣緊湊。對大多數(shù)集中器，集中器12的緊湊性顯著大于接收器23的寬度。然 而，因為該裝置是由多個段構成波導22的，每個段的高度由傳送給該段的已被集中的光的 區(qū)域限定，所以，被聚集的波導22具有的高度等于接收器23寬度。換句話說，波導22已處 在緊湊性的極限上。因此，有鑒于本發(fā)明的結構，集中器系統(tǒng)10所實現(xiàn)的光的集中是縱橫比Α/Β的函 數(shù)，從而導致極其緊湊的集中器系統(tǒng)10。該裝置能夠從相對寬的區(qū)域聚集光，并把光集中到 相對小的有鄰接的區(qū)域的接收器，同時保持極其緊湊。這樣通過縮減需要的材料體積而簡 化生產(chǎn)，允許多個單元從單一模具制成并降低組裝的復雜性。圖12畫出在圖2和6-11中所示的設計上完成的光線追跡的結果。每個設計表現(xiàn) 出按由比值Α/Β所示的線性尺度的利用其集中光能力的特定性能。該數(shù)據(jù)是用于具有半角 士 1度的輸入光錐、半角士20度的輸出光錐、起始折射率n = 1和最終折射率n= 1. 5的 光。按線性尺度，對這些輸入?yún)?shù)，理論上可允許的光集中的最大值是30x，而例如圖9，實 現(xiàn)25x的集中因子。因為按線性尺度的集中因子與縱橫比A/B成正比，圖9所示設計能夠給出250毫米長㈧而只有10毫米厚⑶的集中器；或者是500毫米長㈧而只有20毫 米厚(B)的集中器。這代表極其緊湊的集中器系統(tǒng)10，它能夠有效地從相對寬的面積上對 被集中的光進行聚集，并把光傳送到單個接收器。集中元件12與改變方向元件18的尺度和數(shù)量能夠隨任何集中器12的入口孔徑 而改變。例如，能夠以一半尺寸(A/2和B/2)的兩倍同樣數(shù)量的元件(2XN)實現(xiàn)圖13所 示系統(tǒng)10。隨著集中元件12和改變方向元件18變得更小又更多，整個集中器12的縱橫比 接近由1/(集中比)給出的波導22的縱橫比。換句話說，對10的集中比，集中器12的縱 橫比能夠是0.1。
集中器12典型的縱橫比在1的數(shù)量級。圖14畫出折射集中器12，它可以是，例如 物鏡或菲涅爾透鏡。物鏡的焦距限定高度25。集中比由A/B給出，而縱橫比由高度/A給 出，該高度/A大于集中比。圖15對集中器12的反射形式，畫出類似的情形。對單個集中元件，已經(jīng)嘗試達到緊湊性的極限。圖16畫出由主和副反射光學裝置 構成的卡西格林集中器。由高度/A給出的縱橫比是0.25。Winston在2005年的“Planar Concentrators Near the EtendueLimit”中說明了“ 1/4縱橫比的基本緊湊性極限”。在本 發(fā)明的上下文中，該緊湊性極限適用于這些集中元件12中單獨的一個。從許多個集中元件 12來聚集光的波導22的使用，能允許系統(tǒng)10的緊湊性降至1/4以下并接近1/ (集中比)。本發(fā)明在光能從輸入到傳送給接收器23的透射效率方面也有優(yōu)點。在圖13中， θ 2受集中元件12控制。θ 2也成為光射到波導22表面所形成的角，而90- θ 2是相對于波 導表面法線所形成的角。如在上面所討論的，可以設置θ 2，使在波導22內(nèi)實現(xiàn)全內(nèi)反射， 把表面吸收損耗降至零。此外，可以把集中元件12和改變方向元件18設計成使用全內(nèi)反射來處理光14， 如在下面專門的實施例所示。還有，能夠把集中元件12和改變方向元件18以及波導22設 計成在固態(tài)介電質(zhì)內(nèi)為光14提供鄰接的路徑。換句話說，從輸入?yún)^(qū)到接收器23的光線不 必遇到或者反射涂層或者折射率的變化。反射涂層能夠引起 8%的吸收損耗。從折射率 1.5的光學材料(塑料或玻璃)到空氣的折射率變化，能夠?qū)е?4%的菲涅爾反射損耗。 因此，就這些損耗機制而言，透射效率能夠接近100%。這一點與常規(guī)的集中器光學裝置相反。反射的光學裝置每次反射將有8%的損耗。 因而對單個光學裝置，透射效率將為 92%，而當使用二次反射光學裝置時則為 85%。 折射光學裝置要求折射率至少有一次變化。對單個光學裝置，透射效率因而將為 96%，而 當使用二次折射光學裝置時則為 92%。圖17畫出通過圖13所示本發(fā)明實施例的透射是輸入半角θ工的函數(shù)。計算是根 據(jù)光線追跡軟件。該實施例被設計成在士3度的輸入角內(nèi)起作用。效率已經(jīng)考慮到菲涅爾 反射損耗和硬反射損耗。如圖所示，裝置的效率在Q1 = O度上接近100%，在Q1 = 士3度 內(nèi)維持在100%附近，然后陡然降落。在圖2所示集中器系統(tǒng)10的另一個優(yōu)選形式中，入射光14使用前面說明的元件 12被集中或聚焦在第一臺階中。集中的光20被有反射器/波導段28的集中器系統(tǒng)10的 關聯(lián)段進一步處理。每一反射器/波導段28包括反射段32，該反射段32接收被集中的光 20，并在有光30的關聯(lián)波導段28內(nèi)改變光30的方向，光30沿整個波導22的長度經(jīng)歷全 內(nèi)反射(TIR)。多個反射器/波導段28組成波導22并形成波導結構的臺階狀形式。
圖18畫出系統(tǒng)10另一個實施例，這里波導22終止在反射器27中，該反射器27 使光14的方向改變?yōu)槌虿▽?2的基座表面，這里可以放置接收器23。有利于制造的是， 使集中器光學裝置平躺在實施為接收器23的常規(guī)接收器元件的平面上。利用這個結構，集中器12可以圍繞對稱軸被鏡面化，如圖19所示，這樣使來自兩 端的兩個接收器23形成一個鄰接的區(qū)域，這里一個單獨的接收器23可以被放置。在這種 情形下，因為孔徑面積加倍但集中器12的厚度不變，緊湊性極限由1/(2X集中比)給出。改變方向元件18使光路徑旋轉角度屮》在圖13中，Cp被畫成90度。圖20畫出 cp < 90度。這樣做的一個優(yōu)點是，可允許集中元件12被定位在同一平面，而改變方向元件 18也同樣在它們自己的平面上，這樣對可制造性有幫助。集中元件12和改變方向元件18、以及關聯(lián)的波導22都可以改變尺寸，且圖21畫 出這樣的一個例子。這里A1、A2和A3是不同的長度，B1、B2和B3也一樣。但是，在每一段 中，集中比保持相同的值A1/B1 = A2/B2，如此等等。因而波導22的縱橫比仍由下式給出= (B1+B2+B3)/(A1+A2+A3)=1/(集中比)在圖22所示另一個實施例中，借助使通過系統(tǒng)10的光沿反方向運行，系統(tǒng)10還 可以用作光漫射器。在圖22中，光從光源33輸入，該光源33原先是接收器23，輸入的光 被引導通過波導22，被改變方向元件18把方向改變?yōu)槁湓诩性?2上，該集中元件12 把輸出光傳送到系統(tǒng)10之上。應用包括照明、背后照明、和其他光漫射裝置。應當始終理 解，用于光的集中而示出的光學裝置，以光源取代“接收器23”，也能用于照明。各種反射器/波導段28的斷面，為集中器系統(tǒng)10的各種配置，提供基礎的結構模 塊。一個示例性的商業(yè)實施例在圖3中畫出，它有縱橫比NXB/NXA，A/B，面積集中因子或 正比于A/B的能量密度A0,這里NXA是波導22的長度，而NXB是最大厚度(見圖2和 3)。在一個最可取的實施例中，厚度NXB由多個遞增的臺階高度B構成，這些臺階為來自 每一個反射器/波導段32的TIR光提供透明的光通道。圖4按旋轉(或軸)對稱幾何結構的形式畫出集中器系統(tǒng)10的另一個例子，該對 稱幾何結構有集中器系統(tǒng)10'和與波導22的反射器/波導段28關聯(lián)的集中元件12。集 中器系統(tǒng)10'(或系統(tǒng)10)的旋轉對稱形式，它可以是整個圓的任何部分，能使入射光14 實現(xiàn)三維徑向會聚，導致A0集中比與(A/B)2成正比，從而實際上增強收集和集中器效率。 在圖4的最可取實施例中，與圖3的實施例單根軸的跟蹤相反，用的是兩根軸的太陽跟蹤。圖4畫出實現(xiàn)橫跨兩根軸上集中的一種方式，而圖23畫出另一種方式。這里，線 對稱主集中器12，把沿一根軸被集中的光傳送到在集中器12 —側的它的接收器23。那里， 第二個線對稱集中器37被沿垂直軸放置。該副集中器37沿第二根軸使光集中，把光送到 最后的接收器23。圖24畫出實現(xiàn)橫跨兩根軸的集中的第三種方式。這里，示出的集中器12是鏡面 對稱的，如圖19所示。線對稱主集中器12再一次把沿一根軸被集中的光14傳送到集中器 12基座上的光的接收器23。那里，第二個線對稱主集中器37被沿垂直軸放置。該副集中 器37沿第二根軸使光14集中，把該光送到最后的接收器23。除了圖3和4的直線和旋轉的實施例外，集中器系統(tǒng)10'可以相對于入射光14的 方向，被安排在波導22之上和/或在波導22之下。在這樣的實施例中，一些光14將通過波導22并被集中器系統(tǒng)10'改變方向，返回波導22。系統(tǒng)的這些形式能使光循環(huán)，從而如 本文說明的，改進端部效率和用于集中的反射系統(tǒng)的利用，這表明，相對于常規(guī)折射系統(tǒng)增 加了光集中效率。在其他的實施例中，為了產(chǎn)生TIR，反射元件18可以在角度上相對于波導22進行 調(diào)整。反射元件18可以是波導22的集成部分，有各種角度輪廓(見圖5A和5B)。元件18 也能夠是分離元件38和39 (見圖5C和5D)。此外，反射元件18和關聯(lián)的波導22，也可以 如分別在圖5E和5F中所示，采取復雜的光收集器管42和改變光方向部件43的形式。上面說明的集中器系統(tǒng)10和10'的形式，與節(jié)點區(qū)域相反，是向鄰接的區(qū)域提供 被集中的光20，從而允許把被集中的太陽能傳送到各種下游接收器26，諸如太陽能電池、 供進一步處理的光管、熱交換器、副集中器、以及光譜分離器。在圖6-11B所示又一系列實施例中，能夠組合地使用各種光學部件，以進一步和 實際上增強集中效率及收集效率二者。在最可取的實施例中的圖6畫出彎曲的集中元件 50，它把光52引導到彎曲的反射器54上，該彎曲的反射器54把光52送進波導22。在另一 個最可取的實施例中的圖7畫出另一種彎曲集中元件56，它引導光52離開有兩個平面表 面59和60的反射器58，該兩個平面表面59和60通過TIR使光52的方向改變?yōu)檫M入波 導22。圖8A畫出部分封閉的光學元件64，它在界面66上改變光52的方向，把光52從彎 曲的反射器68反射出去，使光52聚焦到光學元件64的底反射表面72之間的界面70上。 在圖8B的放大視圖中看得最清楚，波導22有與反射表面72匹配的實際上互補的角度。圖9A中另一個最可取的實施例是與圖8A類似的系統(tǒng)，但光學元件65是封閉的并 耦合到一個延伸波導74 (光管的一種形式)，該延伸波導74收集光52，并把光52發(fā)送進波 導22(在圖9B中看得最清楚)。在圖10A中，光學元件76是封閉的，輸入光52從反射表面77被TIR反射，反射表 面77有圖10B中最清楚示出的特定角度的斷面，該特定角度的斷面能借助TIR收集光并借 助離開表面80、81和82的反射而與波導22耦合。在圖11A中，光學元件82與另一個反射器84合作，把光52從兩個不同光源82和 84引進波導22，從而進一步保證入射到光學元件82的表面86上的全部光的收集。在該實 施例中，光學元件82和84起集中元件和反射元件兩種作用。在圖25中，彎曲的集中元件12把光14引導到(改變方向部件18上)，該改變方 向部件18把光14送進波導22。集中元件12和改變方向部件18被畫成相同的實體部分上 的兩個不同零件，而波導22被畫成與第一部分耦合的第二實體部分。在圖26中，彎曲的集 中元件12把光14引導到兩個依次起作用的反射器(改變方向部件18)上，該兩個反射器 把光14送進波導22。集中元件12、改變方向元件18和波導22，全部畫成耦合在一起的分 離的實體部分。圖27類似于圖26，是把光14引進波導22。但是，改變方向部件18和波導 22組合成一個結構。前面為了演示和描述的目的，已經(jīng)給出本發(fā)明各實施例的說明。不打算窮舉或限 制本發(fā)明于已公開的精確形式，而借助上面的教導，或者，根據(jù)本發(fā)明實踐中的要求，修改 和變化是可能的。實施例的選擇和描述是為了解釋本發(fā)明的原理和它的實際應用，以便本 領域的熟練人員能按各個實施例，并以各種修改來利用本發(fā)明，只要設想的具體用途合適。
權利要求
一種太陽能集中器，包括集中器元件，用于收集輸入光；改變方向部件，它有多個接收輸入光并改變光方向的遞增的臺階；和波導，它有沿長度耦合到該多個遞增臺階的幾何結構，該波導使輸入光傳播，以便由接收器收集，且其中的接收器寬度是波導高度的函數(shù)。
2.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該集中器元件選自下面的組菲涅爾透鏡、物 鏡和復合形狀集中器。
3.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該波導的縱橫比H/A是集中比A/B的函數(shù)。
4.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該集中器元件建立輸出角θ2，該輸出角θ2 在波導的臨界角之內(nèi)，從而保證波導內(nèi)的全內(nèi)反射。
5.按照權利要求2的太陽能集中器，其中該復合形狀集中器選自下面的組拋物面反 射器、雙曲面反射器、復合拋物面、復合雙曲面及特制的形狀。
6.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該集中器元件被安排在波導之上和波導之下 中至少之一上。
7.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該改變方向部件是該波導的集成部分。
8.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該改變方向部件包括安排在波導外表面上分 開的層。
9.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該改變方向部件包括有預先選定傾斜角度的 成斜角的表面。
10.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該改變方向部件包括至少一個反射表面和光管。
11.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該集中器元件還包括反射部件。
12.按照權利要求1的太陽能集中器，其中該多個遞增的臺階，沿波導的長度有相同的 厚度，以此提供沿波導的透明的傳播光路徑。
13.按照權利要求1的太陽能集中器，其中至少一個集中器元件與波導的對應的一個 遞增臺階關聯(lián)。
14.按照權利要求1的太陽能集中器，其中集中器元件、改變方向元件和波導包括旋轉 對稱系統(tǒng)。
15.按照權利要求14的太陽能集中器，其中能量密度與Α/Β的平方成正比，這里A是波 導的長度，B是波導的厚度。
16.按照權利要求1的太陽能集中器，其中的集中器元件、改變方向部件和波導相對于 它們鄰近的太陽能集中器部件變化尺寸。
17.按照權利要求1的太陽能集中器，還包括取代接收器的光源，并在那里，輸入光沿 反方向傳播，因此，該太陽能集中器起輸出光的光漫射器的作用。
全文摘要
一種太陽能集中器，有用于收集輸入光的集中器元件；有多個遞增臺階的改變方向部件，用于接收光且用于改變光的方向；以及包括多個遞增部分的波導，這些遞增部分能實現(xiàn)光的收集并把光集中到接收器上。其他的系統(tǒng)是用光源代替接收器，這樣的系統(tǒng)的光學裝置，能夠提供照明。
文檔編號H01L31/052GK101809377SQ200880105784
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權日2007年9月10日
發(fā)明者D·S·斯科爾茲, S·戈施 申請人:榕樹能量公司