专利名称：为太阳能集中器均质化光导管的结构和方法
为太阳能集中器均质化光导管的结构和方法
背景技术：
本发明涉及光学设备，更具体而言，涉及用于诸如太阳能集中器(solarconcentrator)的光集中的光学装置,及操作其的方法。集中器光伏(CPV)系统使用光学设备来将光线聚焦到小的光伏接收器上，它是高效的光伏电池。在最有效的系统中，例如，接收器可以是多结(multiple junction)光伏电池。每个CPV电池的光学系统将日光的色谱分为光谱的多个颜色(或波长)区。该光谱的每个区在将该光谱区的光能最有效地转化为电能的被选中区域中被吸收。典型地，多结光伏电池中的每个不同的结被优化为给聚焦到该结的波长成分提供高转化效率。
发明内容
提供了一种可被用于集中器光伏(CPV)系统的光导管。光导管通过漫射和/或折 射来均质化(homogenize)光线，并且可以在比依赖于其中的反射来均质化光线的现有技术的光导管具有更低高宽比(aspect ratio)的结构中实现。漫射和/或折射可以通过构成光导管体的透明介质的凹面或凸面、通过光衍射颗粒并/或通过衍射表面来实现。可选地，可以使用多个透明介质，在其间具有折射和/或衍射界面。降低的光导管高宽比可以提闻CPV系统中的机械调准(alignment)的可罪性，并降低制造和/或在CPV系统内调准光导管的成本。根据本公开的一个方面，提供了一种包含至少一个光导管的结构。光导管包括光透明材料，并且在顶部具有入射表面且在底部具有出射表面，其分别被配置为通过至少一对侧壁提供光线的入射和出射，该对侧壁之间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度，并且被配置为在光导管内部提供光线的内部反射，其中在光导管上提供了非平面的表面，且该非平面的表面被几何地构形为衍射或折射撞击到其上的光，其中，通过光在非平面表面上的衍射或折射，光强度在光导管的底部表面处被均质化。根据本公开的另一个方面，提供了一种从辐射源产生电能的方法。该方法包括提供包括聚焦元件、光导管和光伏电池的结构；以及使用聚焦元件将光线从光源引导至光导管。光导管包括光透明材料，并具有至少一对侧壁，该对侧壁之间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。在光导管上提供了非平面的表面，且该非平面的表面被几何地构形为衍射或折射撞击到其上的光线。通过光在非平面表面上的衍射或折射，光强度在光导管的底部表面处被均质化，并且光伏电池由具有均质化强度的光辐射来产生电能。在一个实施例中，具有在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减宽度的侧壁的光导管的入射表面包括至少一个在光导管内扩散入射光的凹面。折射的光线随后从在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减宽度的侧壁反射到光导管的出射表面。光导管可以通过模塑(molding)构造。在另一个实施例中，光导管的入射表面被提供了小的衍射透明球，其产生总体光路径的漫射或随机化。在又一个实施例中，光导管的入射表面包括全息表面或提供光折射或漫射的光栅。在再一个实施例中，衍射透明球被随机嵌入到整个透明主体材料中。
图IA是根据本发明实施例的示例性集中器光伏(CPV)系统的组件图。图IB是根据本发明实施例的示例性CPV系统的装配图。图2是图IA和IB中的示例性CPV系统的各元件的几何形状的示意图。图3是第一示例性光伏组合件的垂直截面图。图4是第二示例性光伏组合件的垂直截面图。 图5是第三示例性光伏组合件的垂直截面图。图6是第四示例性光伏组合件的垂直截面图。图7是第五示例性光伏组合件的垂直截面图。图8是第六示例性光伏组合件的垂直截面图。图9是第七示例性光伏组合件的垂直截面图。图10是第八示例性光伏组合件的垂直截面图。图11是第九示例性光伏组合件的垂直截面图。
具体实施例方式如上所述，本公开涉及用于诸如太阳能集中器的光集中的光学装置，以及操作其的方法，现在将参考附图进行更详细地描述。在图中，相同的参考标号或字母表示类似或相同的元件。附图不一定是按比例画出的。如这里所使用，如果对于变量的任意给出的一对较小值和较大值,变量的较大值的函数值不大于变量的较小值的函数值，则该函数随变量“单调递减”。如这里所使用，如果对于变量的任意给出的一对较小值和较大值,变量的较大值的函数值小于变量的较小值的函数值，则该函数随变量“严格递减”。参考图IA和1B，其示意性地示出了根据本公开的示例性集中器光伏(CPV)系统。图IA以组件图示出了示例性CPV系统，其中示例性CPV系统的组件被分别示出。图IB以装配图示出了示例性CPV系统，其中示例性CPV系统被示出为被装配起来。如所装配的示例性CPV系统的各元件的几何形状在图2中被示意性地图示。本公开的示例性CPV系统包括聚焦元件130的阵列,所述聚焦元件可以是聚焦透镜或聚焦镜。在一个实施例中，聚焦元件130可以是菲涅尔透镜132的阵列。示例性CPV系统还包括光伏组合件90的阵列，其大概以聚焦元件130的焦距从聚焦元件130分隔开。光伏组合件90的阵列可以例如被安装到基片110或适于永久安装的任意其他结构或表面上。每个光伏组合件90包括光伏电池12和位于光伏电池12和相应的聚焦元件130之间的光导管10(也被称为“光棱镜”)。光导管10接近于光伏电池12的前面。光导管10可以接触或不接触光伏电池12的前表面。光伏电池12可以是在不同深度包含多个光伏结、从而每个光伏结高效地转化聚焦于其上的太阳辐射的波长范围的能量的多结光伏电池。光伏组合件90的阵列可以位于与聚焦元件平行的平面上。光伏组合件90的阵列可以被布置为一维阵列或二维阵列。此外，光伏组合件90的阵列可以被布置为周期性阵列或非周期性布置。至少一个支持结构120可以可选地存在于聚焦元件130和基片110之间。该至少一个支持结构120可以是箱形框架或一组柱状支持结构或任意其他合适的机械结构，其被配置为将聚焦元件130保持为相对于光伏组合件90的阵列固定的位置。CPV模块140被安装在跟踪器(未示出)上，该跟踪器允许它们整天跟踪太阳的路径。跟踪器是这样的机构，其稳定地改变方向，从而它们的透镜到电池方向保持指向太阳，该方向是大致与透镜132的平面垂直的方向。需要太阳跟踪运动来使阳光的焦点保持为对准在太阳能电池上。模块方向与太阳方向的这种动态调准是CPV的合适操作的关键。聚焦元件130和每个光导管10被共同用于提供有效的光集中。聚焦元件130收集光并将它聚焦到一点上，该点通常等于或大于光伏电池12。点的大小优选地小于光导管10的前表面区域，即，小于光导管10的更接近于聚焦元件130而不是光伏电池12的前表 面的面积。光导管10将撞击到前表面的光线引导到下面的光伏电池12。典型地，光导管10具有不超过光伏电池12的面积的后表面区域。光导管10可以具有梯形垂直横截面，其在顶部(即最接近于聚焦元件130且最远离光伏电池12的上边)具有较长的边，而在底部(即最远离聚焦元件130且最接近光伏电池12的下边)具有较短的边。可替换地，光导管的垂直横截面的侧壁可以具有曲率。每个光导管10可以由一整片带有具有光滑光学质量光洁度(smooth opticalquality finish)的表面的光透明材料来制造。每个光导管10不单独聚焦光线,而是仅仅改变主要由聚焦元件130定义的光的路径，在这个意义上，每个光导管是非成像光学元件。光导管的主要目标是捕获可观数量的否则会损失的太阳光线，并将它们重定向到与电池区域精确匹配的区域，即下面的光伏电池12的活动区域。太阳光线的光重定向经由光导管10的梯形侧壁上的全内反射(TIR)而发生。因为TIR过程非常有效，与这些附加的反射相关的功率损失可以忽略。如果光导管10被忽略，若干个因素引起放弃可观数量的光线并由此丧失光伏功率。在装配期间以及在操作期间，聚焦元件132和光伏组合件90的调准都不是完美的。在操作期间，太阳跟踪也降低了调准的准确性，因为跟踪总是带来与感知太阳位置以及与跟踪器的机械运动相关的误差。天气条件也引起太阳光线的漫射或分散，且光导管允许将它们中的一些收集并重定向到太阳能电池。每个光导管10还执行在光伏电池12的区域上均质化光强度和光谱的功能。如这里所使用，如果穿过元件的光的强度分布比穿过元件之前的光的强度分布要均匀，则光被该元件“均质化”。光的均匀性可以通过给定区域内的光强度的均方根除以相同区域内的光强度的均值来度量。典型地，光伏电池12是具有被优化用于吸收不同波长范围内的光子的不同光伏结的多结电池。多光伏结位于离光伏电池12的最顶部表面的不同深度。为了最有效的功率转化，光伏电池12的每个区域应该被多个光谱区中的等量太阳光线照射。当使用对不同波长具有不同焦距的聚焦元件130时，将太阳光线均匀分布到多个光谱区的需要成为高性能的必要条件，因为多个光谱区被不同地聚焦。本公开的每个光导管10通过光的衍射和/或折射来提供多个光谱区的均质化。使用衍射和/或折射用于光同质化为本发明的实施例的光导管提供了显著的优势。特别地，本公开的每个光导管10的高度可以远小于现有技术中的光导管的高度，现有技术中的光导管的高度典型地是底下的光伏电池的最大横向尺寸的10倍或更多倍。例如，本公开的每个光导管的高度可以是底下的光伏电池12的最大横向尺寸的大约2-8倍，典型地大约2. 5-6 倍。CPV系统中的组件之间的调准被温度影响，该温度通过在白天时间暴露到日光和高环境温度、而在晚上时间缺少日光暴露和较低的环境温度而周期变化。此外，随时间的推移，机械震动和振动降低CPV系统的光调准。于是，在现有技术的光导管中，高的高宽比，即，光导管的高度和底下的光伏电池的横向尺寸之间的比率，加速降低了光伏电池相对于聚焦元件的调准。本公开的每个光导管10减少的高度降低了对聚焦元件130和光伏电池12之间的调准的热效应和振动效应。于是，通过将光导管10更好地固定到光伏电池12和/或基片110并降低CPV系统的失调准(misalignment)和焦移(focal shift),每个光导管10的高 度的缩短改善了本公开的CPV系统的可靠性。此外，由于高度降低，本公开的每个光导管10与现有技术相比可以更轻，且不那么庞大。于是，本公开的每个光导管10比现有技术中的更长的光导管的制造成本以及装配成本更低。参考图3-11，本公开的实施例的光导管10中的衍射和/或折射可以根据实施例以不同的配置来提供。根据本公开的各个实施例的每个示例性光伏组合件包括光导管10和直接位于光导管10下面的光伏电池12。光伏电池12可以接触或可以不接触光导管10的底部表面22。在某些情况下，光导管10的底部表面22可以是通过光透明且指数(index)匹配的粘合剂来接触光伏电池的顶部表面的平面。光导管10包括光透明材料部分，在这里被成为第一光透明材料部分20。如果材料能够至少透过相当部分的位于250nm和2000nm之间的太阳福射波长范围，则该材料是“光透明”的。第一光透明材料部分20可以是但不限于，玻璃、蓝宝石(氧化铝)或透明塑料。光导管10包括至少一对侧壁21，该对侧壁在其之间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。至少一对侧壁21中的每对是位于垂直截面图中的相对侧面上的第一光学透明材料部分20的相对侧壁。在下面的任一实施例中，该至少一对侧壁21可以在其之间具有随入射表面到出射表面的距离的严格递减的宽度。在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减宽度的每对侧壁21中，该对侧壁邻近光导管的底部表面并具有垂直截面轮廓，其中侧壁21之间的横向距离随着离底部表面的垂直距离而线性或非线性地增长。光导管10可以包括在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减宽度的多对侧壁21。侧壁21的表面可以是平面的、凸面的和/或凹面的。在一些实施例中，侧壁21的表面可以是抛物面的。在一个实施例中，光导管10的侧壁21可以具有或可以不具有围绕穿过光导管10的中心的垂直轴的轴对称性。在该实施例中，光导管10的下面部分的水平截面区域是圆，其总面积决定于水平截面图的位置。在另一实施例中，光导管10的侧壁可以具有绕着穿过光导管10的中心的垂直轴的多重旋转对称性(multifold rotational symmetry)。在该实施例中，光导管10的较低部分的水平截面区域可以是正多边形，如正三角形、矩形、正五边形、正六边形等。在又一个实施例中，光导管10的水平截面区域可以是任意封闭形状，且光导管的截面面积可以随着离光导管10的底部表面22的距离而严格增长。通常，光导管10被配置为包括第一光透明材料部分20的一对倒梯形侧壁21，其可以是对称或不对称的。光导管10的高宽比被定义为光导管的高度和在光导管10的顶部的横向尺寸之间的比率。如果光导管10在顶部具有至少两个不相等的横向尺寸，如在光导管具有矩形水平截面区域的情形中那样，则使用沿着具有至少平均间距的方向的横向尺寸来确定光导管10的高宽比。因为光在光导管的顶部表面附近被衍射或折射，本公开的光导管10的高宽比可以比现有技术的光导管的高宽比小很多，并且可以是从2到20，且典型地从2. 5到5，尽管也可使用更小或更大的高宽比。光导管10被提供有至少一个非平面表面，其被几何地构形为即配置为衍射或折射撞击到其上的光线。作为在至少一个非平面表面上的光线衍射或折射的结果，光强度在光导管10的底部表面22上被均质化。参考图3，根据本发明的第一示例性光伏组合件包括具有单个连续凹形非平面表 面23的光导管10，该表面是光透明材料部分20的最顶部表面，并从一对侧壁21中的一个的顶部延伸到出射表面到这对侧壁21中的另一个。这对侧壁在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是光学透明材料部分20的最顶部表面，且出射表面是光导管10的最底部表面，这是光透明材料部分20的最底部表面。在第一实施例中，单个连续凹形非平面表面23在其中心部分比其外围部分更接近于光导管10的底部表面22。进入到单个连续凹形非平面表面23的光线通过向侧壁21向外折射而被散焦，该侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。参考图4，根据本公开的第二实施例的第二示例性光伏组合件包括具有多个凹形非平面表面24即多个凹面的光导管10，所述多个凹面共同构成光透明材料部分20的最顶部表面。光透明材料部分20的该最顶部表面从一对侧壁21中的一个的顶部延伸到这对侧壁21中的另一个。这对侧壁21在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是光透明材料部分20的最顶部表面,且出射表面是光导管10的最底部表面,这是光透明材料部分20的最底部表面。在第二实施例中，非平面表面由互相邻近的多个凹面24构成。多个凹面24中的每个凹面的中心部分比同一凹面的外围部分更接近光导管10的底部表面22。进入到多个凹面24的光线通过从每个凹面到侧壁21向外折射而被散焦，该侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。参考图5，根据本公开的第三实施例的第三示例性光伏组合件包括具有多个凹凸非平面表面25即互相邻近的多个凹面和多个凸面的光导管10，这样多个凸面中的每个的外围与多个凹面中的一个的至少一个外围邻近。多个凹面和多个凸面共同构成光透明材料部分20的最顶部表面，并从一对侧壁21中的一个的顶部延伸到这对侧壁21的另一个。这对侧壁21在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是光透明材料部分20的最顶部表面，且出射表面是光导管10的最底部表面，这是光透明材料部分20的最底部表面。每个凸面可以邻近至少一个凹面，且每个凹面可以邻近至少一个凸面。凹面通常比围绕并横向邻近凹面的凸面更邻近光导管10的底部表面22。进入到凹面的光线通过从凹面到侧壁21向外折射而被散焦，该侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。进入到凸面的光线变得散焦而不管凸面的聚焦性质，因为凸面的焦距典型地小于光导管10的高度的一半，且典型地比光导管10的高度至少小一个数量级。根据第二实施例，多个凹凸非平面表面25趋于避免存在于多个凹面24中的临近凹面之间的尖点处的光散射。参考图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。如图6所示，其他光透明材料可以接触光透明材料部分20的最顶部表面的一部分，或者如图7-11所示，可以接触光透明材料部分的整个最顶部表面。根据这些实施例，其他光透明材料可以与光透明材料部分20中的光透明材料相同或不同。参考图6，根据本公开的第四实施例的第四示例性光伏组合件包括光导管10，其中其他光透明材料作为分离元件被置于光透明材料部分20的最顶部表面上。在第四实施例中，其他光透明材料接触少于光透明材料部分20的整个最顶部表面。例如，其他光透明材料可以被置于光透明材料部分20的顶部，作为多个具有凸面的光透明颗粒26。多个光透明颗粒26的暴露表面共同构成至少一个非平面表面，光线在其上被折射。多个光透明颗粒26可以是球形的、椭球形的、超椭球形的(superellipsoidal),或可以具有包含连续凸面部分并可以可选地包括某些凹面的任意一般形状。多个光透明颗粒26中的颗粒的横向尺寸可以从IOOnm到1000微米，尽管更小或更大的横向尺寸可以被用于多个光透明颗粒26。 光透明材料部分20的材料和多个光透明颗粒26的材料可以相同或不同。光透明材料部分20的最顶部表面可以是如图6所示的平面表面，或可以是如图3-5所示的非平面表面。如果光透明材料部分20的最顶部表面是平面的，则光折射仅发生在多个光透明颗粒26的外表面。如果光透明材料部分20的最顶部表面包括非平面表面，则光折射既发生在多个光透明颗粒26的外表面也发生在光透明材料部分20的最顶部表面。多个光透明颗粒26可以通过熔合(fusing)或通过粘合材料固定到光透明材料部分20的顶部表面。多个光透明颗粒26可以作为单层光透明颗粒或多层光透明颗粒存在于光透明材料层上。参考图7，根据本公开的第五实施例的第五示例性光伏组合件包括光导管10，其中，其他光透明材料可以被放置为与光透明材料部分20的整个最顶部表面接触的连续光透明材料层40。连续光透明材料层40在其前侧和/或后侧包含至少一个衍射表面27。衍射表面27是“全息衍射表面”或随机凹陷的表面。如这里所使用的，“全息衍射表面”是指其中干扰可以在来自单个光源(例如太阳)的多条相干光束之间发生的任意表面。这样的全息衍射表面可以通过在连续光透明材料层40上形成周期性图案来提供，所述周期性图案可以包括一维或二维图案中的周期性凹陷或周期性突起。一维图案或二维图案的周期可以从IOOn到lOOOOnm，尽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从IOOnm到5000nm，尽管也可以使用更小或更大的深度或高度。随机凹陷的表面可以通过随机蚀刻光透明材料层40的一个或两个表面来形成。光透明材料层40的表面的随机蚀刻可以例如通过化学蚀刻来实现，其蚀刻速率(etchrate)取决于杂质(例如硅玻璃中的硼或磷或氟)的局部浓度，或通过机械装置例如喷砂法来实现。光透明材料层40的表面可以在化学蚀刻或喷砂之后被抛光(polish)，以提供显微镜下光滑(但包括凹陷)的表面，以最小化从该表面的反射。光透明材料层40的表面可以具有深度在IOOnm到10微米之间的随机凹陷，尽管也可以使用更小或更大的凹陷深度。随机凹陷的横向尺寸可以从IOOnm到100微米，尽管也可以使用更小或更大的横向尺寸。
光透明材料层40的全息衍射表面或随机凹陷表面构成非平面表面，光线在其上被衍射。光透明材料部分20的材料和光透明材料层40的材料可以相同或不同。光透明材料层40可以被置于如图7所不的光透明材料部分20的平面最顶部表面上，或被置于如图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的最顶部表面是平面的，光线在光透明材料层40的表面被衍射，但光折射不会在随机化光线方向中直接涉及。如果光透明材料部分20的最顶部表面包括非平面表面，光线在光透明材料层40的表面被衍射，并且在光透明材料部分20的最顶部表面上被折射。参考图8，根据本公开的第六实施例的第六示例性光伏组合件可以通过修改光导管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，从第一示例性光伏组合件得出。其他光透明材料可以被构形为填充直接位于第一实施例的光导管10的光透明材料部分20的最顶部非平面表面上的容积的部分。包含其他光透明材料的部分在这里被称为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的凹面保持为凹面。这样，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间的界面28可以从一对侧壁21的一个连续延伸到这对侧壁21的另一个。这对侧壁21在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是其他光透明材料部分50的最顶部表面，且出射表面是光导管10的最底部表面，这是光透明材料部分20的最底部表面。在该情形下，界面28是非平面表面，在该处光向侧壁21向外折射，所述侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。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的曲面可以从用于光透明材料部分20的凹面改为用于光透明材料部分20的凸面，其倾向于向侧壁21向外折射光线，所述侧壁在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。换句话说，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间的界面可以在中间被提升且在外围被降低，从而由其他光透明材料部分50构成的透镜将进入光透明材料部分20的光线散焦。参考图9，根据本公开的第七实施例的第七示例性光伏组合件可以通过修改光导管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，从第二示例性光伏组合件得出。其他光透明材料可以被构形为填充直接位于第二实施例的光导管10的光透明材料部分30的最顶部非平面表面上的容积的部分。包含其他光透明材料的部分在这里被称为其他光透明材料部分50。可选地，第二实施例的光透明材料部分20的多个凹面可以被无修改地使用。或者，界面29的曲面可以被可选地从用于光透明材料部分20的凹面改为用于光透明材料部分20的凸面。这样，其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间的界面29可以作为光透明材料部分20的一组相邻凹面从一对侧壁21中的一个连续延伸到这对侧壁21中的另一个。这对侧壁21在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是其他光透明材料部分50的最顶部表面，且出射表面是光导管10的最底部表面，这是光透明材料部分20的最底部表面。在该情形下，界面29是非平面表面，在该处光线向侧壁、21向外折射，所述侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。经过界面29的光线可以不管非平面界面29的曲面方向而向外折射，因为可以使在其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间在界面29上形成的小透镜的焦距小于界面29和底部表面22之间的最短距离的一半，并且其典型地小于界面29和底部表面22之间的最短距离的二分之一，由此通过折射来将经过界面29的光线散焦。参考图10，根据本公开的第八实施例的第八示例性光伏组合件可以通过修改光导管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，从第三示例性光伏组合件得出。其他光透明材料被构形为填充直接位于第三施例的光导管10的光透明材料部分30的最顶部非平面表面上的容积的部分。包含其他光透明材料的部分在这里被成为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的多个凸面和多个凹面，其中，多个凸面中的每个的外围邻近至少一个凹面的至少一个外围。通常，可使用第三实施例的光透明材料部分20的多个凹凸表面。其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间的界面30可以作为光透明材料部分20的一组邻近的凹面和凸面从一对侧壁21中的一个延伸到这对侧壁的另一个。这对侧壁21在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。入射表面是其他光透明材料部分50的最顶部 表面，且出射表面是光导管10的最底部表面，这是光透明材料部分20的最底部表面。在该情形下，界面30是非平面表面，在该处光线向侧壁21向外折射，该侧壁21在其间具有随光透明材料部分20的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。经过界面30的光线可以不管非平面界面30的曲面方向而向外折射，因为在其他光透明材料部分50和光透明材料部分20之间在界面30上形成的小透镜的焦距小于界面30和底部表面22之间的最短距离的一半，并且典型地比界面30和底部表面22之间的最短距离小至少一个数量级，由此通过折射来将经过界面的光线散焦。参考图11，根据本公开的第九实施例的第九示例性光伏组合件包括多个光透明颗粒26，其被嵌入到具有与多个光透明颗粒26的材料不同的折射率的光透明材料中。多个光透明颗粒26可以被嵌入到如图3-10所示的光导管10中的光透明材料部分20中，或可以被嵌入到如图8-10所示的光导管10中的其他光透明材料部分50中，或可以如图11所示，被嵌入到其他光透明材料50中，该其他光透明材料50接触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的平面顶部表面。或者，多个光透明颗粒26可以在通过移除光透明材料部分20的最顶部表面上的所有材料而从图7的结构或图11的结构得出的结构中，嵌入到光透明材料部分20的较上部分中。还或者，如图7所示的包括至少一个衍射表面27的连续光透明材料层40可以被插入到如图11所示的光透明材料部分20和其他光透明材料部分50之间。在图11中，光透明颗粒26的材料被称为第三光透明材料，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。多个光透明颗粒26的暴露表面起折射光的小透镜的作用。多个光透明颗粒26可以是球形的、椭球形的或超椭球形的，或者可以具有包含连续凸面部分的任何一般形状，或可以可选地包含某些凹面。多个光透明颗粒26中的颗粒的横向尺寸可以从IOOnm到1000微米，尽管更小或更大的横向尺寸可以被用于多个光透明颗粒26。光透明材料部分20的材料和多个光透明颗粒26的材料可以相同或不同。例如，可以通过在模塑过程期间的及时注入，即在光透明材料是液体的时候，将多个光透明颗粒26嵌入到其他光透明材料部分50中或光透明材料部分20的较上部分中。在一个实施例中，多个光透明颗粒26的熔化温度大于将多个光透明颗粒嵌入到其他光透明材料部分50中或光透明材料部分20的较上部分中时所在的媒介的熔化温度。多个光透明材料颗粒26可以作为单层光透明颗粒或多层光透明颗粒存在。或者，多个光透明颗粒26可以是流体泡，其包括液体材料或气体材料，所述气体材料包括但不限于空气或惰性气体。在该情形下，气体可以在其他光透明材料部分50例如通过模塑形成期间被注入到其他光透明材料部分50中。
在图3-11示出的各个实施例中，至少一个提供折射或衍射的非平面表面更接近于光导管10的最顶部表面而不是光导管的底部表面，以提供足够的垂直距离，由此达到光导管22的底部表面22的光线可以被均质化。在图3-11的示例性光伏组合件中的每个中，光伏电池12位于光导管10的底部表面22的下面。光的均质化可以在光导管22的底部表面区域与位于和光导管10的最顶点接触并与侧壁21的最顶部外围垂直相当的水平平面处的假象水平区域之间进行比较，所述侧壁21在其间具有随光导管的入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度。如上所讨论，光的均质化的程度可以通过被比较的区域上的光强度的均方根差除以该区域的平均光强度来度量。本公开的各个实施例的每个光导管10均质化光导管10内的光线，并在光导管10的底部表面22提供比光线所撞击的最顶部假想平面处更均匀的强度分布。如上所讨论的，光伏电池12可以是具有位于离光伏电池12的顶部表面不同深度的多个光伏结的多结光伏电池。本公开的不同示例性光伏组合件可以与聚焦元件130(见图I和2) —起使用，该聚焦元件被配置为将光线引导向光导管10的最顶部表面，并被配置为相对于光导管10保持固定的位置。多个光导管10和多个光伏电池12可以被用于阵列配置。例如，相同结构的多个光伏组合件90 (每个包括光导管10和光伏电池12)可以被用于阵列配置例如图I中示出的配置。通常，通过提供包括至少一个聚焦元件130、至少一个本公开的光导管10、和至少一个光伏电池的结构，并通过使用聚焦元件将光线从光源(例如太阳)引导向光导管10，可以比现有技术中的已知的方法更有效且/或更低成本且/或较少维护地从辐射源产生电能。光伏电池12基于具有均质化强度的光线的照射来产生电能，该均质化光线由本公开的光导管10提供。尽管本公开参考其优选的实施例被特别地示出和描述，本领域技术人员可以理解，可以在形式和细节方面进行前述和其他修改，而不偏离本公开的精神和范围。因此，本发明旨在不是要限于描述和示出的精确形式和细节，而是落在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种包括至少一个光导管的结构，所述光导管包括光透明材料，并在顶部具有入射表面和在底部具有出射表面，其被分别配置为通过至少一对侧壁提供光线的入射和出射，这对侧壁在其间具有随所述入射表面到所述出射表面的距离单调递减的宽度，并被配置为提供所述光线在所述光导管内的内部反射，其中，非平面表面在所述光导管上被提供，且所述非平面表面被几何构形为衍射或折射撞击到其上的光，其中通过在所述非平面表面上的光衍射或折射，光强度在所述光导管的底部表面上被均质化。
2.如权利要求I所述的结构，其中，所述底部表面是平面表面。
3.如权利要求I所述的结构，其中，所述非平面表面是所述光透明材料的最顶部表面。
4.如权利要求I所述的结构，其中，所述非平面表包括至少一个凹面，该凹面在其中心部分比在其外围部分更接近所述底部表面。
5.如权利要求4所述的结构，其中，所述非平面表面是单个凹面，其从所述一对侧壁中的一个延伸到所述一对侧壁中的另一个。
6.如权利要求4所述的结构，其中，所述非平面表面包括多个凹面。
7.如权利要求6所述的结构，其中，所述非平面表面由多个互相邻近的凹面构成。
8.如权利要求6所述的结构，其中，所述非平面表面还包括多个凸面，其中，所述多个凸面中的每个的外围邻近所述多个凹面中的一个的至少一个外围。
9.如权利要求I所述的结构，其中，所述非平面表面包括与在所述光透明材料的顶部布置的其他光透明材料的界面。
10.如权利要求9所述的结构，其中，所述其他光透明材料被构形为具有凸面的多个光透明颗粒，并被布置在所述光透明材料的顶部表面上。
11.如权利要求I所述的结构，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颗粒的表面。
12.如权利要求10所述的结构，其中，所述其他光透明材料具有全息衍射表面。
13.如权利要求10所述的结构，其中，所述其他光透明材料具有深度在IOOnm到10微米的随机凹陷。
14.如权利要求I所述的结构，还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.如权利要求14所述的结构，其中，所述其他光透明材料和所述光透明材料之间的界面从所述一对侧壁中的一个连续延伸到所述一对侧壁中的另一个。
16.如权利要求15所述的结构，其中，所述非平面表面是所述界面。
17.如权利要求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个凹面，其中，所述至少一个凹面中的每个在其中心部分比在其外围部分更接近所述底部表面。
18.如权利要求17所述的结构，其中，所述非平面表面还包括多个凸面，其中，所述多个凸面中的每个的外围邻近所述至少一个凹面的至少一个外围。
19.如权利要求14所述的结构，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为多个光透明颗粒。
20.如权利要求I所述的结构，其中，所述非平面表面更接近所述光导管的最顶部表面而不是所述底部表面。
21.如权利要求I所述的结构，还包括位于所述底部表面下面的光伏电池。
22.如权利要求16所述的结构，其中，所述光伏电池是具有多个光伏结的多结光伏电池，所述多个光伏结位于离所述光伏电池的顶部表面的不同深度。
23.如权利要求I所述的结构，还包括聚焦元件，其被配置为将光线引导向所述最顶部表面，并被配置为相对于所述光导管保持固定的位置。
24.如权利要求I所述的结构，还包括额外的光导管和多个光伏电池，其中，所述额外的 光导管中的每个具有与所述光导管相同的形状，且所述光导管和所述额外的光导管以阵列布置，且所述光导管和所述额外的光导管中的每个位于所述多个光伏电池中的一个上。
25.一种从辐射源产生电能的方法，所述方法包括 提供一种包括聚焦元件、光导管和光伏电池的结构，所述光导管包括光透明材料并具有至少一对侧壁，所述侧壁在其间具有随入射表面到出射表面的距离单调递减的宽度，其中，在所述光导管上提供了非平面表面，且所述非平面表面被几何构形为衍射或折射撞击到其上的光线；并且 通过使用所述聚焦元件将光线从光源引导向所述光导管，其中，所述非平面表面处的光强度通过在所述非平面表面处的衍射或折射在所述光导管的底部表面处被均质化，且所述光伏电池通过具有所述均质化强度的光的照射而产生电能。
全文摘要
提供了一种可以被用于集中器光伏(CPV)系统的光导管。该光导管通过漫射和/或折射来均质化光，并可以在具有低高宽比的结构中实现。漫射和/或折射可以由构成光导管体的透明介质的凹面或凸面、由光衍射颗粒并/或由衍射表面来实现。可选地，可以使用多个具有其间的折射和/或衍射界面的透明介质。光导管的降低的高宽比可以改进CPV系统中的机械调准的可靠性，并降低制造并/或在CPV系统中调准光导管的成本。
文档编号G02B6/00GK102749673SQ201210106908
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月20日
发明者R·A·海特, T·G·范凯塞尔, Y·C·马丁 申请人:国际商业机器公司