本實用新型涉及透明材料的交叉型集中器光學(xué)器件。

背景技術(shù)：

拋物面狀反射鏡通常用來將直接太陽輻射聚集在焦線上。在大多數(shù)情況下，該太陽能集中器被用來加熱流體以便產(chǎn)生過程熱或產(chǎn)生用于聚集太陽能（CSP）發(fā)電廠的蒸汽。以工業(yè)規(guī)模來生產(chǎn)這樣的反射鏡。

有可能將這樣的線聚焦反射鏡用作聚光光伏（CPV）系統(tǒng)的第一聚集階段。專利申請 PCT/EP2014/052359涉及同時生成CPV電力和熱能（CPVT）的太陽能技術(shù)。此專利申請?zhí)岬搅恕肮馐倏v元件”，其將已通過反射鏡預(yù)先聚集的光第二次聚集到太陽能電池上。該二次聚集是本實用新型的主題，即，用于矩形太陽能電池組件的交叉型聚光光學(xué)器件。

二次聚集將在兩個聚集平面中都起作用（解釋見下文），以便達到至少幾百倍的聚集水平，從而以便從經(jīng)濟上最好地利用CPV電池，通常所謂的多結(jié)裝置。將多于100的聚集稱為高（HCPV）。此外，目標(biāo)是光學(xué)元件的高光學(xué)效率和大接收角。此外，離開光學(xué)器件的光的角度不應(yīng)變得太低，以便最小化在太陽能電池上的反射。光學(xué)元件必須就生產(chǎn)方面具有成本效益，生產(chǎn)能夠通過模制過程來實現(xiàn)。

使用拋物面狀反射鏡實現(xiàn)這樣的高聚集的挑戰(zhàn)在于這些線性反射鏡并未以充分高的精度被制作。存在形狀誤差，特別是在線性方向上。照射在接收器上的光可具有幾度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的二次光學(xué)元件（諸如，凸形透鏡或菲涅爾透鏡）難以實現(xiàn)上文所提到的聚集、效率、接收角、出射角和成本效益的目標(biāo)。本實用新型實現(xiàn)這些目標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種透明材料的交叉型集中器光學(xué)器件，其具有：凸柱形形狀的進入孔口，所述凸柱形形狀的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于主拋物面狀反射鏡的頂點，其中，所述進入孔口的位置對應(yīng)于焦線的位置；主體，所述主體由兩對側(cè)壁限定，呈倒置平頭矩形錐的形狀，所述主體的底表面具有與其通過透明材料無縫連接到的太陽能電池組件類似的大小，且所述交叉型集中器光學(xué)器件的特征在于：兩個單獨的接收半角，一個垂直于另一個，兩者均沿著光軸；以及一個自由定義的出射半角。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實用新型的交叉型聚光光學(xué)器件。

圖2a示出了接收半角θ連同出射半角θ'。

圖2b示出接收半角ψ連同對應(yīng)的出射半角ψ'。

圖3示出根據(jù)本實用新型的固定結(jié)構(gòu)。

圖4示出太陽能電池組件。

圖5示出機械梁的橫截面。

圖6示出了通過放置到機械梁的凹部中的夾具對太陽能電池組件的夾持。

圖7示出在螺紋接頭上的螺母。

具體實施方式

本實用新型涉及交叉型聚光光學(xué)器件（圖1，下文中稱為集中器、光學(xué)元件、元件、或光學(xué)器件），其用透明材料（諸如，玻璃（例如，B270）、或適合于承受穿過其的光的強度的任何透明材料）制成?？紤]到以下各項，能夠通過數(shù)學(xué)算法來構(gòu)建和優(yōu)化光學(xué)元件（1）：光學(xué)元件的材料的物理性能，諸如其折射率；與光學(xué)元件相鄰的材料的物理性能，諸如其折射率；以及光學(xué)元件的幾何形狀，諸如進入孔口（2）的尺寸、出射孔口（3）的尺寸、及光學(xué)元件的高度。光學(xué)元件被集成到在本實用新型中所描述的帶有太陽能電池組件和機械固定件的交叉型聚光組件中。

光學(xué)元件的進入孔口的幾何形狀進一步通過其在x方向的長度、其在y方向的寬度、其曲率來描述，該幾何形狀能夠是具有確定的半徑和中心的球面、非球面或自由形態(tài)。

聚光光學(xué)元件聚集光。在由軸線z與軸線x形成的平面中以及在由軸線z與軸線y形成的平面中，相對于光軸Z測量光在進入孔口上的最大入射角度（稱為接收半角）。類似地，在所述出射孔口之后定義光的出射角。根據(jù)斯涅耳定律，能夠設(shè)定出射角，使得即使鄰近材料不是空氣，光仍以所期望的某個角度離開光學(xué)元件。

光學(xué)元件的構(gòu)建始于二維設(shè)計：基于出射孔口的長度或?qū)挾燃跋鄳?yīng)的出射角，在所描述的兩個平面中的同一個中的給定入射角的條件下，算法求得進入孔口的相應(yīng)長度或?qū)挾燃靶螤?，以及光學(xué)元件的高度。這個形狀完全是二維的。為了產(chǎn)生立體光學(xué)元件，將所述形狀圍繞光軸Z旋轉(zhuǎn)，或者沿軸線x或y中的任一者延伸，垂直于在其中測量用于所述構(gòu)建的入射角的平面。

在圖2a中，簡要繪出了接收半角θ連同出射半角θ'。光學(xué)元件的高度（4）被給定為從光學(xué)元件的出射孔口到頸部（5）。圖2b示出接收半角ψ連同對應(yīng)的出射半角ψ'。

本實用新型解決了基于兩個入射角而不僅僅是兩個入射角中的一個來有意義地構(gòu)建聚光光學(xué)元件的問題。這兩個角的大小可極為不同。光學(xué)器件既不旋轉(zhuǎn)也不延伸，而是由下述兩個結(jié)果構(gòu)成：通過使在一個平面中由遵循以上構(gòu)建程序所得到的形狀與在另一個平面中由構(gòu)建程序所得到的形狀‘交叉’）。所得的交叉型光學(xué)元件必然保持其中一個平面（通常是兩個中具有更小接收半角的那個平面）中的進入孔口的高度和形狀。交叉型光學(xué)元件接收并聚集在這兩對接收半角內(nèi)入射的所有光。

用玻璃且以有成本效益的方式來制造聚光光學(xué)元件需要玻璃模制的過程。元件的兩個部分（無底切）由陰模形成，所述陰模被按壓在一起，使得加熱的玻璃塊在其中，所述玻璃塊將變成光學(xué)元件。為了確保模具的填充，模具可從不實際接觸，而是必須始終保持一定距離（凸緣（6）），過多玻璃通過該距離離開。該玻璃圍繞光學(xué)元件一圈形成凸緣。這個凸緣有時對光學(xué)效率或幾何聚集比率（即，進入孔口面積與出射孔口面積的比率，所述進入孔口面積與所述出射孔口面積兩者均投射到由軸線x和y形成的平面中）有負面影響。

通過在平行于x方向的兩側(cè)上將凸緣放置在光學(xué)元件的頸部之下并且在平行于y方向的兩側(cè)上使凸緣遵循進入孔口的形狀，本實用新型解決了由于在制造中必然產(chǎn)生的凸緣所導(dǎo)致的效率或聚集降低的問題。

能夠削去、鋸除、磨掉或以其他方式移除由過多玻璃形成的凸緣。實際上將移除平行于x方向的凸緣，以便允許將光學(xué)元件放置成直接緊挨彼此而無間隙。

凸緣可還用于將光學(xué)元件固定在保持器中。為便于精確、耐用和有成本效益地固定交叉型集中器光學(xué)器件，凸緣（6）的形狀可被優(yōu)化為遵循如圖1中所示的進入孔口的形狀，使得其能夠容易被夾持到保持器。這樣的保持器能夠是（例如）擠制鋁材構(gòu)型件或壓鑄件，其沿光學(xué)器件的寬度支撐光學(xué)器件。替代地，可在玻璃凸緣中切出凹部，以便固定元件以防在y方向上運動，而不接觸光學(xué)活性表面。

可通過提供用于保持光學(xué)元件的固定結(jié)構(gòu)（7）來進一步使凸緣（6）變得復(fù)雜，如圖3中所示。

圖4示出在直接銅焊連接技術(shù)中的太陽能電池組件（8），此處具有五個多結(jié)裝置（9），形成與交叉型聚光光學(xué)器件（1）的出射孔口（3）的大小和形狀匹配的矩形。示出了旁路二極管（10）。通過將壓力施加到區(qū)域（11）上，能夠?qū)⒔M件保持在適當(dāng)位置。

圖5示出機械梁（12）的橫截面，此處為擠制構(gòu)型件，兼用于太陽能電池組件（8）/集中器（1）組合的保持器和熱傳遞介質(zhì)的管道（13）。太陽能電池組件（8）被放置到機械梁（12）的表面（14）上，用于按壓和保持太陽能電池組件的夾具可放置到凹部（15）中。

圖6中示出了通過放置到機械梁（12）（例如，擠制構(gòu)型件）的凹部（15）中的夾具（16）對太陽能電池組件（8）的夾持。一旦在光學(xué)元件中設(shè)置固定結(jié)構(gòu)（7）（圖3），這樣的夾具就還可以用來將交叉型集中器光學(xué)器件保持在緊挨著擠制構(gòu)型件（類似于用于機械梁（12）的擠制構(gòu)型件）的適當(dāng)位置。

圖7示出在焊接的且螺紋接頭（17）上的螺母，其保持住框架（18），進而將太陽能電池組件（8）固定到機械梁的擠制構(gòu)型件的表面（14）上。