為太陽能集中器均質化光導管的結構和方法

專利名稱：為太陽能集中器均質化光導管的結構和方法
為太陽能集中器均質化光導管的結構和方法
背景技術：
本發明涉及光學設備，更具體而言，涉及用于諸如太陽能集中器(solarconcentrator)的光集中的光學裝置,及操作其的方法。集中器光伏(CPV)系統使用光學設備來將光線聚焦到小的光伏接收器上，它是高效的光伏電池。在最有效的系統中，例如，接收器可以是多結(multiple junction)光伏電池。每個CPV電池的光學系統將日光的色譜分為光譜的多個顏色(或波長)區。該光譜的每個區在將該光譜區的光能最有效地轉化為電能的被選中區域中被吸收。典型地，多結光伏電池中的每個不同的結被優化為給聚焦到該結的波長成分提供高轉化效率。

發明內容
提供了一種可被用于集中器光伏(CPV)系統的光導管。光導管通過漫射和/或折 射來均質化(homogenize)光線，并且可以在比依賴于其中的反射來均質化光線的現有技術的光導管具有更低高寬比(aspect ratio)的結構中實現。漫射和/或折射可以通過構成光導管體的透明介質的凹面或凸面、通過光衍射顆粒并/或通過衍射表面來實現。可選地，可以使用多個透明介質，在其間具有折射和/或衍射界面。降低的光導管高寬比可以提聞CPV系統中的機械調準(alignment)的可罪性，并降低制造和/或在CPV系統內調準光導管的成本。根據本公開的一個方面，提供了一種包含至少一個光導管的結構。光導管包括光透明材料，并且在頂部具有入射表面且在底部具有出射表面，其分別被配置為通過至少一對側壁提供光線的入射和出射，該對側壁之間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度，并且被配置為在光導管內部提供光線的內部反射，其中在光導管上提供了非平面的表面，且該非平面的表面被幾何地構形為衍射或折射撞擊到其上的光，其中，通過光在非平面表面上的衍射或折射，光強度在光導管的底部表面處被均質化。根據本公開的另一個方面，提供了一種從輻射源產生電能的方法。該方法包括提供包括聚焦元件、光導管和光伏電池的結構；以及使用聚焦元件將光線從光源引導至光導管。光導管包括光透明材料，并具有至少一對側壁，該對側壁之間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。在光導管上提供了非平面的表面，且該非平面的表面被幾何地構形為衍射或折射撞擊到其上的光線。通過光在非平面表面上的衍射或折射，光強度在光導管的底部表面處被均質化，并且光伏電池由具有均質化強度的光輻射來產生電能。在一個實施例中，具有在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減寬度的側壁的光導管的入射表面包括至少一個在光導管內擴散入射光的凹面。折射的光線隨后從在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減寬度的側壁反射到光導管的出射表面。光導管可以通過模塑(molding)構造。在另一個實施例中，光導管的入射表面被提供了小的衍射透明球，其產生總體光路徑的漫射或隨機化。在又一個實施例中，光導管的入射表面包括全息表面或提供光折射或漫射的光柵。在再一個實施例中，衍射透明球被隨機嵌入到整個透明主體材料中。


圖IA是根據本發明實施例的示例性集中器光伏(CPV)系統的組件圖。圖IB是根據本發明實施例的示例性CPV系統的裝配圖。圖2是圖IA和IB中的示例性CPV系統的各元件的幾何形狀的示意圖。圖3是第一示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖4是第二示例性光伏組合件的垂直截面圖。 圖5是第三示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖6是第四示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖7是第五示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖8是第六示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖9是第七示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖10是第八示例性光伏組合件的垂直截面圖。圖11是第九示例性光伏組合件的垂直截面圖。
具體實施例方式如上所述，本公開涉及用于諸如太陽能集中器的光集中的光學裝置，以及操作其的方法，現在將參考附圖進行更詳細地描述。在圖中，相同的參考標號或字母表示類似或相同的元件。附圖不一定是按比例畫出的。如這里所使用，如果對于變量的任意給出的一對較小值和較大值,變量的較大值的函數值不大于變量的較小值的函數值，則該函數隨變量“單調遞減”。如這里所使用，如果對于變量的任意給出的一對較小值和較大值,變量的較大值的函數值小于變量的較小值的函數值，則該函數隨變量“嚴格遞減”。參考圖IA和1B，其示意性地示出了根據本公開的示例性集中器光伏(CPV)系統。圖IA以組件圖示出了示例性CPV系統，其中示例性CPV系統的組件被分別示出。圖IB以裝配圖示出了示例性CPV系統，其中示例性CPV系統被示出為被裝配起來。如所裝配的示例性CPV系統的各元件的幾何形狀在圖2中被示意性地圖示。本公開的示例性CPV系統包括聚焦元件130的陣列,所述聚焦元件可以是聚焦透鏡或聚焦鏡。在一個實施例中，聚焦元件130可以是菲涅爾透鏡132的陣列。示例性CPV系統還包括光伏組合件90的陣列，其大概以聚焦元件130的焦距從聚焦元件130分隔開。光伏組合件90的陣列可以例如被安裝到基片110或適于永久安裝的任意其他結構或表面上。每個光伏組合件90包括光伏電池12和位于光伏電池12和相應的聚焦元件130之間的光導管10(也被稱為“光棱鏡”)。光導管10接近于光伏電池12的前面。光導管10可以接觸或不接觸光伏電池12的前表面。光伏電池12可以是在不同深度包含多個光伏結、從而每個光伏結高效地轉化聚焦于其上的太陽輻射的波長范圍的能量的多結光伏電池。光伏組合件90的陣列可以位于與聚焦元件平行的平面上。光伏組合件90的陣列可以被布置為一維陣列或二維陣列。此外，光伏組合件90的陣列可以被布置為周期性陣列或非周期性布置。至少一個支持結構120可以可選地存在于聚焦元件130和基片110之間。該至少一個支持結構120可以是箱形框架或一組柱狀支持結構或任意其他合適的機械結構，其被配置為將聚焦元件130保持為相對于光伏組合件90的陣列固定的位置。CPV模塊140被安裝在跟蹤器(未示出)上，該跟蹤器允許它們整天跟蹤太陽的路徑。跟蹤器是這樣的機構，其穩定地改變方向，從而它們的透鏡到電池方向保持指向太陽，該方向是大致與透鏡132的平面垂直的方向。需要太陽跟蹤運動來使陽光的焦點保持為對準在太陽能電池上。模塊方向與太陽方向的這種動態調準是CPV的合適操作的關鍵。聚焦元件130和每個光導管10被共同用于提供有效的光集中。聚焦元件130收集光并將它聚焦到一點上，該點通常等于或大于光伏電池12。點的大小優選地小于光導管10的前表面區域，即，小于光導管10的更接近于聚焦元件130而不是光伏電池12的前表 面的面積。光導管10將撞擊到前表面的光線引導到下面的光伏電池12。典型地，光導管10具有不超過光伏電池12的面積的后表面區域。光導管10可以具有梯形垂直橫截面，其在頂部(即最接近于聚焦元件130且最遠離光伏電池12的上邊)具有較長的邊，而在底部(即最遠離聚焦元件130且最接近光伏電池12的下邊)具有較短的邊。可替換地，光導管的垂直橫截面的側壁可以具有曲率。每個光導管10可以由一整片帶有具有光滑光學質量光潔度(smooth opticalquality finish)的表面的光透明材料來制造。每個光導管10不單獨聚焦光線,而是僅僅改變主要由聚焦元件130定義的光的路徑，在這個意義上，每個光導管是非成像光學元件。光導管的主要目標是捕獲可觀數量的否則會損失的太陽光線，并將它們重定向到與電池區域精確匹配的區域，即下面的光伏電池12的活動區域。太陽光線的光重定向經由光導管10的梯形側壁上的全內反射(TIR)而發生。因為TIR過程非常有效，與這些附加的反射相關的功率損失可以忽略。如果光導管10被忽略，若干個因素引起放棄可觀數量的光線并由此喪失光伏功率。在裝配期間以及在操作期間，聚焦元件132和光伏組合件90的調準都不是完美的。在操作期間，太陽跟蹤也降低了調準的準確性，因為跟蹤總是帶來與感知太陽位置以及與跟蹤器的機械運動相關的誤差。天氣條件也引起太陽光線的漫射或分散，且光導管允許將它們中的一些收集并重定向到太陽能電池。每個光導管10還執行在光伏電池12的區域上均質化光強度和光譜的功能。如這里所使用，如果穿過元件的光的強度分布比穿過元件之前的光的強度分布要均勻，則光被該元件“均質化”。光的均勻性可以通過給定區域內的光強度的均方根除以相同區域內的光強度的均值來度量。典型地，光伏電池12是具有被優化用于吸收不同波長范圍內的光子的不同光伏結的多結電池。多光伏結位于離光伏電池12的最頂部表面的不同深度。為了最有效的功率轉化，光伏電池12的每個區域應該被多個光譜區中的等量太陽光線照射。當使用對不同波長具有不同焦距的聚焦元件130時，將太陽光線均勻分布到多個光譜區的需要成為高性能的必要條件，因為多個光譜區被不同地聚焦。本公開的每個光導管10通過光的衍射和/或折射來提供多個光譜區的均質化。使用衍射和/或折射用于光同質化為本發明的實施例的光導管提供了顯著的優勢。特別地，本公開的每個光導管10的高度可以遠小于現有技術中的光導管的高度，現有技術中的光導管的高度典型地是底下的光伏電池的最大橫向尺寸的10倍或更多倍。例如，本公開的每個光導管的高度可以是底下的光伏電池12的最大橫向尺寸的大約2-8倍，典型地大約2. 5-6 倍。CPV系統中的組件之間的調準被溫度影響，該溫度通過在白天時間暴露到日光和高環境溫度、而在晚上時間缺少日光暴露和較低的環境溫度而周期變化。此外，隨時間的推移，機械震動和振動降低CPV系統的光調準。于是，在現有技術的光導管中，高的高寬比，即，光導管的高度和底下的光伏電池的橫向尺寸之間的比率，加速降低了光伏電池相對于聚焦元件的調準。本公開的每個光導管10減少的高度降低了對聚焦元件130和光伏電池12之間的調準的熱效應和振動效應。于是，通過將光導管10更好地固定到光伏電池12和/或基片110并降低CPV系統的失調準(misalignment)和焦移(focal shift),每個光導管10的高 度的縮短改善了本公開的CPV系統的可靠性。此外，由于高度降低，本公開的每個光導管10與現有技術相比可以更輕，且不那么龐大。于是，本公開的每個光導管10比現有技術中的更長的光導管的制造成本以及裝配成本更低。參考圖3-11，本公開的實施例的光導管10中的衍射和/或折射可以根據實施例以不同的配置來提供。根據本公開的各個實施例的每個示例性光伏組合件包括光導管10和直接位于光導管10下面的光伏電池12。光伏電池12可以接觸或可以不接觸光導管10的底部表面22。在某些情況下，光導管10的底部表面22可以是通過光透明且指數(index)匹配的粘合劑來接觸光伏電池的頂部表面的平面。光導管10包括光透明材料部分，在這里被成為第一光透明材料部分20。如果材料能夠至少透過相當部分的位于250nm和2000nm之間的太陽福射波長范圍，則該材料是“光透明”的。第一光透明材料部分20可以是但不限于，玻璃、藍寶石(氧化鋁)或透明塑料。光導管10包括至少一對側壁21，該對側壁在其之間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。至少一對側壁21中的每對是位于垂直截面圖中的相對側面上的第一光學透明材料部分20的相對側壁。在下面的任一實施例中，該至少一對側壁21可以在其之間具有隨入射表面到出射表面的距離的嚴格遞減的寬度。在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減寬度的每對側壁21中，該對側壁鄰近光導管的底部表面并具有垂直截面輪廓，其中側壁21之間的橫向距離隨著離底部表面的垂直距離而線性或非線性地增長。光導管10可以包括在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減寬度的多對側壁21。側壁21的表面可以是平面的、凸面的和/或凹面的。在一些實施例中，側壁21的表面可以是拋物面的。在一個實施例中，光導管10的側壁21可以具有或可以不具有圍繞穿過光導管10的中心的垂直軸的軸對稱性。在該實施例中，光導管10的下面部分的水平截面區域是圓，其總面積決定于水平截面圖的位置。在另一實施例中，光導管10的側壁可以具有繞著穿過光導管10的中心的垂直軸的多重旋轉對稱性(multifold rotational symmetry)。在該實施例中，光導管10的較低部分的水平截面區域可以是正多邊形，如正三角形、矩形、正五邊形、正六邊形等。在又一個實施例中，光導管10的水平截面區域可以是任意封閉形狀，且光導管的截面面積可以隨著離光導管10的底部表面22的距離而嚴格增長。通常，光導管10被配置為包括第一光透明材料部分20的一對倒梯形側壁21，其可以是對稱或不對稱的。光導管10的高寬比被定義為光導管的高度和在光導管10的頂部的橫向尺寸之間的比率。如果光導管10在頂部具有至少兩個不相等的橫向尺寸，如在光導管具有矩形水平截面區域的情形中那樣，則使用沿著具有至少平均間距的方向的橫向尺寸來確定光導管10的高寬比。因為光在光導管的頂部表面附近被衍射或折射，本公開的光導管10的高寬比可以比現有技術的光導管的高寬比小很多，并且可以是從2到20，且典型地從2. 5到5，盡管也可使用更小或更大的高寬比。光導管10被提供有至少一個非平面表面，其被幾何地構形為即配置為衍射或折射撞擊到其上的光線。作為在至少一個非平面表面上的光線衍射或折射的結果，光強度在光導管10的底部表面22上被均質化。參考圖3，根據本發明的第一示例性光伏組合件包括具有單個連續凹形非平面表 面23的光導管10，該表面是光透明材料部分20的最頂部表面，并從一對側壁21中的一個的頂部延伸到出射表面到這對側壁21中的另一個。這對側壁在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是光學透明材料部分20的最頂部表面，且出射表面是光導管10的最底部表面，這是光透明材料部分20的最底部表面。在第一實施例中，單個連續凹形非平面表面23在其中心部分比其外圍部分更接近于光導管10的底部表面22。進入到單個連續凹形非平面表面23的光線通過向側壁21向外折射而被散焦，該側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。參考圖4，根據本公開的第二實施例的第二示例性光伏組合件包括具有多個凹形非平面表面24即多個凹面的光導管10，所述多個凹面共同構成光透明材料部分20的最頂部表面。光透明材料部分20的該最頂部表面從一對側壁21中的一個的頂部延伸到這對側壁21中的另一個。這對側壁21在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是光透明材料部分20的最頂部表面,且出射表面是光導管10的最底部表面,這是光透明材料部分20的最底部表面。在第二實施例中，非平面表面由互相鄰近的多個凹面24構成。多個凹面24中的每個凹面的中心部分比同一凹面的外圍部分更接近光導管10的底部表面22。進入到多個凹面24的光線通過從每個凹面到側壁21向外折射而被散焦，該側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。參考圖5，根據本公開的第三實施例的第三示例性光伏組合件包括具有多個凹凸非平面表面25即互相鄰近的多個凹面和多個凸面的光導管10，這樣多個凸面中的每個的外圍與多個凹面中的一個的至少一個外圍鄰近。多個凹面和多個凸面共同構成光透明材料部分20的最頂部表面，并從一對側壁21中的一個的頂部延伸到這對側壁21的另一個。這對側壁21在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是光透明材料部分20的最頂部表面，且出射表面是光導管10的最底部表面，這是光透明材料部分20的最底部表面。每個凸面可以鄰近至少一個凹面，且每個凹面可以鄰近至少一個凸面。凹面通常比圍繞并橫向鄰近凹面的凸面更鄰近光導管10的底部表面22。進入到凹面的光線通過從凹面到側壁21向外折射而被散焦，該側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。進入到凸面的光線變得散焦而不管凸面的聚焦性質，因為凸面的焦距典型地小于光導管10的高度的一半，且典型地比光導管10的高度至少小一個數量級。根據第二實施例，多個凹凸非平面表面25趨于避免存在于多個凹面24中的臨近凹面之間的尖點處的光散射。參考圖6-11，可以在光透明材料部分20的光透明材料之外使用其他光透明材料。如圖6所示，其他光透明材料可以接觸光透明材料部分20的最頂部表面的一部分，或者如圖7-11所示，可以接觸光透明材料部分的整個最頂部表面。根據這些實施例，其他光透明材料可以與光透明材料部分20中的光透明材料相同或不同。參考圖6，根據本公開的第四實施例的第四示例性光伏組合件包括光導管10，其中其他光透明材料作為分離元件被置于光透明材料部分20的最頂部表面上。在第四實施例中，其他光透明材料接觸少于光透明材料部分20的整個最頂部表面。例如，其他光透明材料可以被置于光透明材料部分20的頂部，作為多個具有凸面的光透明顆粒26。多個光透明顆粒26的暴露表面共同構成至少一個非平面表面，光線在其上被折射。多個光透明顆粒26可以是球形的、橢球形的、超橢球形的(superellipsoidal),或可以具有包含連續凸面部分并可以可選地包括某些凹面的任意一般形狀。多個光透明顆粒26中的顆粒的橫向尺寸可以從IOOnm到1000微米，盡管更小或更大的橫向尺寸可以被用于多個光透明顆粒26。 光透明材料部分20的材料和多個光透明顆粒26的材料可以相同或不同。光透明材料部分20的最頂部表面可以是如圖6所示的平面表面，或可以是如圖3-5所示的非平面表面。如果光透明材料部分20的最頂部表面是平面的，則光折射僅發生在多個光透明顆粒26的外表面。如果光透明材料部分20的最頂部表面包括非平面表面，則光折射既發生在多個光透明顆粒26的外表面也發生在光透明材料部分20的最頂部表面。多個光透明顆粒26可以通過熔合(fusing)或通過粘合材料固定到光透明材料部分20的頂部表面。多個光透明顆粒26可以作為單層光透明顆粒或多層光透明顆粒存在于光透明材料層上。參考圖7，根據本公開的第五實施例的第五示例性光伏組合件包括光導管10，其中，其他光透明材料可以被放置為與光透明材料部分20的整個最頂部表面接觸的連續光透明材料層40。連續光透明材料層40在其前側和/或后側包含至少一個衍射表面27。衍射表面27是“全息衍射表面”或隨機凹陷的表面。如這里所使用的，“全息衍射表面”是指其中干擾可以在來自單個光源(例如太陽)的多條相干光束之間發生的任意表面。這樣的全息衍射表面可以通過在連續光透明材料層40上形成周期性圖案來提供，所述周期性圖案可以包括一維或二維圖案中的周期性凹陷或周期性突起。一維圖案或二維圖案的周期可以從IOOn到lOOOOnm，盡管也可以使用更小或更大的周期。周期性凹陷或周期性突起的深度或高度可以從IOOnm到5000nm，盡管也可以使用更小或更大的深度或高度。隨機凹陷的表面可以通過隨機蝕刻光透明材料層40的一個或兩個表面來形成。光透明材料層40的表面的隨機蝕刻可以例如通過化學蝕刻來實現，其蝕刻速率(etchrate)取決于雜質(例如硅玻璃中的硼或磷或氟)的局部濃度，或通過機械裝置例如噴砂法來實現。光透明材料層40的表面可以在化學蝕刻或噴砂之后被拋光(polish)，以提供顯微鏡下光滑(但包括凹陷)的表面，以最小化從該表面的反射。光透明材料層40的表面可以具有深度在IOOnm到10微米之間的隨機凹陷，盡管也可以使用更小或更大的凹陷深度。隨機凹陷的橫向尺寸可以從IOOnm到100微米，盡管也可以使用更小或更大的橫向尺寸。
光透明材料層40的全息衍射表面或隨機凹陷表面構成非平面表面，光線在其上被衍射。光透明材料部分20的材料和光透明材料層40的材料可以相同或不同。光透明材料層40可以被置于如圖7所不的光透明材料部分20的平面最頂部表面上，或被置于如圖3-5所示的光透明材料部分20的非平面表面上。如果光透明材料部分20的最頂部表面是平面的，光線在光透明材料層40的表面被衍射，但光折射不會在隨機化光線方向中直接涉及。如果光透明材料部分20的最頂部表面包括非平面表面，光線在光透明材料層40的表面被衍射，并且在光透明材料部分20的最頂部表面上被折射。參考圖8，根據本公開的第六實施例的第六示例性光伏組合件可以通過修改光導管10以包括不同于光透明材料部分20的材料其他光透明材料，從第一示例性光伏組合件得出。其他光透明材料可以被構形為填充直接位于第一實施例的光導管10的光透明材料部分20的最頂部非平面表面上的容積的部分。包含其他光透明材料的部分在這里被稱為其他光透明材料部分50。通常，如果其他光透明材料部分50的折射率小于光透明材料部分20的折射率，光透明材料部分20的凹面保持為凹面。這樣，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間的界面28可以從一對側壁21的一個連續延伸到這對側壁21的另一個。這對側壁21在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是其他光透明材料部分50的最頂部表面，且出射表面是光導管10的最底部表面，這是光透明材料部分20的最底部表面。在該情形下，界面28是非平面表面，在該處光向側壁21向外折射，所述側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。如果其他光透明材料部分50的折射率大于光透明材料部分20的折射率，界面28的曲面可以從用于光透明材料部分20的凹面改為用于光透明材料部分20的凸面，其傾向于向側壁21向外折射光線，所述側壁在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。換句話說，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間的界面可以在中間被提升且在外圍被降低，從而由其他光透明材料部分50構成的透鏡將進入光透明材料部分20的光線散焦。參考圖9，根據本公開的第七實施例的第七示例性光伏組合件可以通過修改光導管10以包括不同于光透明材料部分20的材料其他光透明材料，從第二示例性光伏組合件得出。其他光透明材料可以被構形為填充直接位于第二實施例的光導管10的光透明材料部分30的最頂部非平面表面上的容積的部分。包含其他光透明材料的部分在這里被稱為其他光透明材料部分50。可選地，第二實施例的光透明材料部分20的多個凹面可以被無修改地使用。或者，界面29的曲面可以被可選地從用于光透明材料部分20的凹面改為用于光透明材料部分20的凸面。這樣，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間的界面29可以作為光透明材料部分20的一組相鄰凹面從一對側壁21中的一個連續延伸到這對側壁21中的另一個。這對側壁21在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是其他光透明材料部分50的最頂部表面，且出射表面是光導管10的最底部表面，這是光透明材料部分20的最底部表面。在該情形下，界面29是非平面表面，在該處光線向側壁、21向外折射，所述側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。經過界面29的光線可以不管非平面界面29的曲面方向而向外折射，因為可以使在其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間在界面29上形成的小透鏡的焦距小于界面29和底部表面22之間的最短距離的一半，并且其典型地小于界面29和底部表面22之間的最短距離的二分之一，由此通過折射來將經過界面29的光線散焦。參考圖10，根據本公開的第八實施例的第八示例性光伏組合件可以通過修改光導管10以包括不同于光透明材料部分20的材料的其他光透明材料，從第三示例性光伏組合件得出。其他光透明材料被構形為填充直接位于第三施例的光導管10的光透明材料部分30的最頂部非平面表面上的容積的部分。包含其他光透明材料的部分在這里被成為其他光透明材料部分50。界面30包括非平面表面，其包括光透明材料部分20的多個凸面和多個凹面，其中，多個凸面中的每個的外圍鄰近至少一個凹面的至少一個外圍。通常，可使用第三實施例的光透明材料部分20的多個凹凸表面。其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間的界面30可以作為光透明材料部分20的一組鄰近的凹面和凸面從一對側壁21中的一個延伸到這對側壁的另一個。這對側壁21在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。入射表面是其他光透明材料部分50的最頂部 表面，且出射表面是光導管10的最底部表面，這是光透明材料部分20的最底部表面。在該情形下，界面30是非平面表面，在該處光線向側壁21向外折射，該側壁21在其間具有隨光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。經過界面30的光線可以不管非平面界面30的曲面方向而向外折射，因為在其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之間在界面30上形成的小透鏡的焦距小于界面30和底部表面22之間的最短距離的一半，并且典型地比界面30和底部表面22之間的最短距離小至少一個數量級，由此通過折射來將經過界面的光線散焦。參考圖11，根據本公開的第九實施例的第九示例性光伏組合件包括多個光透明顆粒26，其被嵌入到具有與多個光透明顆粒26的材料不同的折射率的光透明材料中。多個光透明顆粒26可以被嵌入到如圖3-10所示的光導管10中的光透明材料部分20中，或可以被嵌入到如圖8-10所示的光導管10中的其他光透明材料部分50中，或可以如圖11所示，被嵌入到其他光透明材料50中，該其他光透明材料50接觸具有和其他光透明材料部分50不同的折射率的光透明材料部分20的平面頂部表面。或者，多個光透明顆粒26可以在通過移除光透明材料部分20的最頂部表面上的所有材料而從圖7的結構或圖11的結構得出的結構中，嵌入到光透明材料部分20的較上部分中。還或者，如圖7所示的包括至少一個衍射表面27的連續光透明材料層40可以被插入到如圖11所示的光透明材料部分20和其他光透明材料部分50之間。在圖11中，光透明顆粒26的材料被稱為第三光透明材料，其可以和光透明材料部分20的材料相同或不同，并且具有和其他光透明材料部分50不同的折射率。多個光透明顆粒26的暴露表面起折射光的小透鏡的作用。多個光透明顆粒26可以是球形的、橢球形的或超橢球形的，或者可以具有包含連續凸面部分的任何一般形狀，或可以可選地包含某些凹面。多個光透明顆粒26中的顆粒的橫向尺寸可以從IOOnm到1000微米，盡管更小或更大的橫向尺寸可以被用于多個光透明顆粒26。光透明材料部分20的材料和多個光透明顆粒26的材料可以相同或不同。例如，可以通過在模塑過程期間的及時注入，即在光透明材料是液體的時候，將多個光透明顆粒26嵌入到其他光透明材料部分50中或光透明材料部分20的較上部分中。在一個實施例中，多個光透明顆粒26的熔化溫度大于將多個光透明顆粒嵌入到其他光透明材料部分50中或光透明材料部分20的較上部分中時所在的媒介的熔化溫度。多個光透明材料顆粒26可以作為單層光透明顆粒或多層光透明顆粒存在。或者，多個光透明顆粒26可以是流體泡，其包括液體材料或氣體材料，所述氣體材料包括但不限于空氣或惰性氣體。在該情形下，氣體可以在其他光透明材料部分50例如通過模塑形成期間被注入到其他光透明材料部分50中。
在圖3-11示出的各個實施例中，至少一個提供折射或衍射的非平面表面更接近于光導管10的最頂部表面而不是光導管的底部表面，以提供足夠的垂直距離，由此達到光導管22的底部表面22的光線可以被均質化。在圖3-11的示例性光伏組合件中的每個中，光伏電池12位于光導管10的底部表面22的下面。光的均質化可以在光導管22的底部表面區域與位于和光導管10的最頂點接觸并與側壁21的最頂部外圍垂直相當的水平平面處的假象水平區域之間進行比較，所述側壁21在其間具有隨光導管的入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度。如上所討論，光的均質化的程度可以通過被比較的區域上的光強度的均方根差除以該區域的平均光強度來度量。本公開的各個實施例的每個光導管10均質化光導管10內的光線，并在光導管10的底部表面22提供比光線所撞擊的最頂部假想平面處更均勻的強度分布。如上所討論的，光伏電池12可以是具有位于離光伏電池12的頂部表面不同深度的多個光伏結的多結光伏電池。本公開的不同示例性光伏組合件可以與聚焦元件130(見圖I和2) —起使用，該聚焦元件被配置為將光線引導向光導管10的最頂部表面，并被配置為相對于光導管10保持固定的位置。多個光導管10和多個光伏電池12可以被用于陣列配置。例如，相同結構的多個光伏組合件90 (每個包括光導管10和光伏電池12)可以被用于陣列配置例如圖I中示出的配置。通常，通過提供包括至少一個聚焦元件130、至少一個本公開的光導管10、和至少一個光伏電池的結構，并通過使用聚焦元件將光線從光源(例如太陽)引導向光導管10，可以比現有技術中的已知的方法更有效且/或更低成本且/或較少維護地從輻射源產生電能。光伏電池12基于具有均質化強度的光線的照射來產生電能，該均質化光線由本公開的光導管10提供。盡管本公開參考其優選的實施例被特別地示出和描述，本領域技術人員可以理解，可以在形式和細節方面進行前述和其他修改，而不偏離本公開的精神和范圍。因此，本發明旨在不是要限于描述和示出的精確形式和細節，而是落在所附權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種包括至少一個光導管的結構，所述光導管包括光透明材料，并在頂部具有入射表面和在底部具有出射表面，其被分別配置為通過至少一對側壁提供光線的入射和出射，這對側壁在其間具有隨所述入射表面到所述出射表面的距離單調遞減的寬度，并被配置為提供所述光線在所述光導管內的內部反射，其中，非平面表面在所述光導管上被提供，且所述非平面表面被幾何構形為衍射或折射撞擊到其上的光，其中通過在所述非平面表面上的光衍射或折射，光強度在所述光導管的底部表面上被均質化。
2.如權利要求I所述的結構，其中，所述底部表面是平面表面。
3.如權利要求I所述的結構，其中，所述非平面表面是所述光透明材料的最頂部表面。
4.如權利要求I所述的結構，其中，所述非平面表包括至少一個凹面，該凹面在其中心部分比在其外圍部分更接近所述底部表面。
5.如權利要求4所述的結構，其中，所述非平面表面是單個凹面，其從所述一對側壁中的一個延伸到所述一對側壁中的另一個。
6.如權利要求4所述的結構，其中，所述非平面表面包括多個凹面。
7.如權利要求6所述的結構，其中，所述非平面表面由多個互相鄰近的凹面構成。
8.如權利要求6所述的結構，其中，所述非平面表面還包括多個凸面，其中，所述多個凸面中的每個的外圍鄰近所述多個凹面中的一個的至少一個外圍。
9.如權利要求I所述的結構，其中，所述非平面表面包括與在所述光透明材料的頂部布置的其他光透明材料的界面。
10.如權利要求9所述的結構，其中，所述其他光透明材料被構形為具有凸面的多個光透明顆粒，并被布置在所述光透明材料的頂部表面上。
11.如權利要求I所述的結構，其中，所述非平面表面包括具有凸面并被嵌入到光透明材料中的光透明顆粒的表面。
12.如權利要求10所述的結構，其中，所述其他光透明材料具有全息衍射表面。
13.如權利要求10所述的結構，其中，所述其他光透明材料具有深度在IOOnm到10微米的隨機凹陷。
14.如權利要求I所述的結構，還包括位于所述光透明材料上的其他光透明材料，其中，所述光透明材料和所述其他光透明材料具有不同的折射率。
15.如權利要求14所述的結構，其中，所述其他光透明材料和所述光透明材料之間的界面從所述一對側壁中的一個連續延伸到所述一對側壁中的另一個。
16.如權利要求15所述的結構，其中，所述非平面表面是所述界面。
17.如權利要求16所述的界面，其中，所述非平面表面包括所述光透明材料的至少一個凹面，其中，所述至少一個凹面中的每個在其中心部分比在其外圍部分更接近所述底部表面。
18.如權利要求17所述的結構，其中，所述非平面表面還包括多個凸面，其中，所述多個凸面中的每個的外圍鄰近所述至少一個凹面的至少一個外圍。
19.如權利要求14所述的結構，其中，第三光透明材料的部分被嵌入到所述其他光透明材料中作為多個光透明顆粒。
20.如權利要求I所述的結構，其中，所述非平面表面更接近所述光導管的最頂部表面而不是所述底部表面。
21.如權利要求I所述的結構，還包括位于所述底部表面下面的光伏電池。
22.如權利要求16所述的結構，其中，所述光伏電池是具有多個光伏結的多結光伏電池，所述多個光伏結位于離所述光伏電池的頂部表面的不同深度。
23.如權利要求I所述的結構，還包括聚焦元件，其被配置為將光線引導向所述最頂部表面，并被配置為相對于所述光導管保持固定的位置。
24.如權利要求I所述的結構，還包括額外的光導管和多個光伏電池，其中，所述額外的 光導管中的每個具有與所述光導管相同的形狀，且所述光導管和所述額外的光導管以陣列布置，且所述光導管和所述額外的光導管中的每個位于所述多個光伏電池中的一個上。
25.一種從輻射源產生電能的方法，所述方法包括 提供一種包括聚焦元件、光導管和光伏電池的結構，所述光導管包括光透明材料并具有至少一對側壁，所述側壁在其間具有隨入射表面到出射表面的距離單調遞減的寬度，其中，在所述光導管上提供了非平面表面，且所述非平面表面被幾何構形為衍射或折射撞擊到其上的光線；并且 通過使用所述聚焦元件將光線從光源引導向所述光導管，其中，所述非平面表面處的光強度通過在所述非平面表面處的衍射或折射在所述光導管的底部表面處被均質化，且所述光伏電池通過具有所述均質化強度的光的照射而產生電能。
全文摘要
提供了一種可以被用于集中器光伏(CPV)系統的光導管。該光導管通過漫射和/或折射來均質化光，并可以在具有低高寬比的結構中實現。漫射和/或折射可以由構成光導管體的透明介質的凹面或凸面、由光衍射顆粒并/或由衍射表面來實現。可選地，可以使用多個具有其間的折射和/或衍射界面的透明介質。光導管的降低的高寬比可以改進CPV系統中的機械調準的可靠性，并降低制造并/或在CPV系統中調準光導管的成本。
文檔編號G02B6/00GK102749673SQ201210106908
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月12日 優先權日2011年4月20日
發明者R·A·海特, T·G·范凱塞爾, Y·C·馬丁 申請人:國際商業機器公司