用于太阳能采集的系统和方法及相关的制造方法

专利名称：用于太阳能采集的系统和方法及相关的制造方法
技术领域：
本发明涉及太阳能系统和方法，更具体地，涉及用于采集太阳能的系统和方法，其至少在某种程度上以把光转化为电能或其它能之前聚集所接收的光的方式作用，本发明还涉及制造上述系统的方法。
背景技术：
由于全球日益增长的能源需求以及相应的现有能源资源特别是石油资源的价格上涨，所以对太阳能系统的兴趣大大增加了。虽然大多数努力措施正专注于发展更有效的光伏(PV)电池，其根据引导在这些电池上的太阳辐射的规定量可生成越来越大量的电能， 然而高效PV电池仍然昂贵。采用高效PV电池的较经济的替代措施为采用低(或较低)效 PV电池。然而，这样的PV电池需要在较大的表面积上执行以收集足够的太阳辐射，从而生成与使用具有较小表面积的高效PV电池可开发的相同的能量。尽管基于光伏的太阳能系统的效率取决于该系统中采用的PV电池的效率，但通过将PV电池与把太阳辐射引导在PV电池上之前将其聚集的附加装置联合使用，上述系统生成的能量还可提高而不增加PV电池或较大面积PV电池的效率。因为这样的太阳能聚集装置可采用比PV电池本身经济的部件，所以将上述太阳能聚集装置与覆盖相对小的表面积的PV电池的联合使用的太阳能系统可能以较低的成本产生与仅采用相同或更大面积的 PV电池的太阳能系统所实现的相同的高水平能量输出。同样，除覆盖相对较小面积的高效 PV电池之外还采用上述太阳能聚集装置的太阳能系统可实现比仅单独使用这些PV电池的太阳能系统更高水平的能量输出，即使这些电池覆盖大面积。虽然可能提供上述优点，但采用PV电池和太阳能聚集装置的现存的太阳能系统也有某些缺点。特别地，一些固定的太阳能聚集装置往往效率不高。例如，采用PV电池和太阳能聚集装置的一种特定类型的现存的太阳能系统为采用一个或多个荧光太阳能聚集器(FSC)的系统。在这样的装置中，入射在板式波导的表面上的光由嵌入板中材料的原子和分子跃迁吸收。在吸收时，一些能量则作为荧光向所有方向均勻发射，而在较长的波长下的该荧光发射的能量比入射光少。虽然发射的荧光的一小部分被捕集在板内，并且导向至波导边缘用于PV电池的照明，但大部分的荧光被再吸收并且再发射至非导向的方向，因此导致实质性的低效。与一些传统的太阳能聚集器(例如成像透镜或基于镜面的聚集器)相关的附加问题为，为了正常作用，上述太阳能聚集器需要从相对于聚集器的特定方向入射的太阳光。也就是说，虽然上述的太阳能聚集器能够将入射在整个大面积上的光凝聚/放大至较小面积的PV电池，但如此大的放大倍率需要在太阳以日常的弧线在天空中移动时以及在海拔的季节性变化中必须保持精确对准。尽管通过使用跟踪(带有或不带有位置反馈)的“主动的”系统可能实现上述的对准，但上述主动的系统昂贵且实施常较为复杂。不使用主动对准的可替换的“被动的”系统仅可根据角度的范围实现相对较小的聚集因数(例如约lOsim)， 在整个角度范围内聚集器设计为保持相对高的通过效率。与采用太阳能聚集器的至少一些传统的太阳能系统相关的另一缺点为上述系统制造复杂和/或昂贵。因此，如果采用PV电池和太阳能聚集装置的太阳能系统的改进设计能够被开发出则是有利的。更具体地，如果上述的改进设计允许技术人员实现传统的采用PV电池和太阳能聚集装置的太阳能系统的一个或多个益处，而不受(或不受那么多)这些系统的一个或多个上述缺点影响则是有利的。

发明内容
本发明人已认识到除太阳能聚集器之外还采用PV电池的太阳能系统的可用性， 还认识到了采用荧光太阳能聚集器(FSC)的现存系统的有利之处在于其采用板式波导，上述系统可比采用其它形式的太阳能聚集器的许多其它形式的太阳能系统更紧凑。然而此外，发明人还认识到了可实现采用板式波导的新形式的太阳能系统，该太阳能系统具有比采用FSC的现存系统更高的效率，而太阳能聚集器通过将透镜阵列邻近板式波导设置来建造，板式波导在低指数覆层和具有棱镜面的附加层之间形成，透镜阵列沿着与具有棱镜面的板式波导的附加层相对的覆层。通过棱镜面的适合的设计，如果不是所有的入射光都被引导至板式波导，则在板式波导内可实现大部分光的全内反射，该光可依次被引导至定位在板式波导的一个或多个端部/边缘的一个或多个PV电池。此外，本发明人也认识到了能够接收以变化的角度入射的光的太阳能系统的可用性。因此，虽然在本发明的至少一些实施方式中可采用具有不变的光学特性的棱镜面，但本发明人还认识到在本发明的至少一些实施方式中棱镜面可由允许棱镜面特征改变的一种或多种材料和/或过程形成或展现，棱镜面特征改变包括根据入射在棱镜面上的光改变其相对于微透镜的位置。同样，在至少一些实施方式中，太阳能系统的部件能以多种方式略微移动来允许将以多个角度入射的光接收并引导至PV电池。在一些上述的实施方式中，具有棱镜面的波导可相对于一个或多个透镜装置移动。此外，本发明人还认识到了增加将光聚集在少量(或较小)的PV电池上的程度的可能性，以及能够接收多种光成分而不是仅接收单一的光成分或单一范围的光成分的可能性，本发明人还开发了有助于接收上述对象的多种布置。在至少一个实施方式中，本发明涉及用于采集太阳能的系统。该系统包括具有多个透镜的第一透镜阵列和邻近透镜阵列的第一波导部件，其中，波导部件接收光，其中，波导部件包括沿波导部件的至少一个表面布置的棱镜面或镜面阵列(或其它光引导元件)。 系统还包括至少一个光伏电池，其被定位以接收导出波导的光的至少一部分。至少一些进入波导部件的光在由至少一个棱镜面或镜面反射时被限制从波导部件离开，因此，被限制从波导部件离开的至少一些光由波导朝向至少一个光伏电池引导。此外，在至少一个实施方式中，本发明涉及制造太阳能收集系统的方法。该方法包括提供波导层，提供与波导层结合的透镜阵列，以及通过将波导层和至少一个附加层暴露于光从而在波导层上形成棱镜面或镜面。此外，在至少一个实施方式中，本发明涉及采集太阳能的方法。该方法包括在波导部件接收光，以及将至少一部分所接收的光限制在沿波导部件的表面形成的多个棱镜面或镜面，其中，在光由棱镜面或镜面反射之后，基本所有被反射的光在波导部件内经过全内反射。该方法还包括将波导部件内被反射的光朝向波导层的边缘表面传播，以及在所传播的反射光透射过边缘表面时，在光伏电池接收所传播的反射光。此外，在至少一个实施方式中，本发明涉及用于采集太阳能的系统。该系统包括具有上覆层和下覆层的光学波导层，以及具有多个透镜的透镜阵列，透镜阵列设置在上覆层上方并且阳光入射在透镜阵列上。该系统还包括在光学波导层上形成的注入元件阵列，所述注入元件阵列被布置为使得每个注入元件位于相应的一个透镜的焦点或其附近，其中， 每个注入元件被定向使得从透镜聚焦至相应的注入元件的光耦合至光学波导层。该系统还包括沿光学波导的至少一个边缘表面定位的至少一个光伏电池，其中，耦合至光学波导层的光由波导朝向至少一个光伏电池导向并且由至少一个光伏电池吸收。在至少一个进一步的实施方式中，本发明涉及太阳能光伏系统，包括将直射阳光收集至小面积PV电池的太阳能聚集器，其在光收集区与将非直射阳光收集至大面积PV电池或太阳能热板的非聚集太阳能板重叠。


图1是根据本发明的至少一个实施方式的附加示范太阳能装置的示意、立体、分解图，该太阳能装置采用允许聚集和收集射入光的部件；图2是图1的太阳能装置的示意、剖视立体图，特别示出出现在该装置内的示范光程；图3示出可用于生产如图1至图2所示的装置的制造过程的示范步骤的示意图；图4A至图4C是流程图，进一步示出可用于生产例如图1至图2中所示装置的示范制造过程；图5是图1的太阳能装置的附加的示意、剖视图，示出当撞击太阳能装置的入射光相对于与太阳能装置垂直的轴线倾斜时的可能的示范作用；图6是根据本发明的另一实施方式与图1至图2中的太阳能装置不同的附加的示范太阳能装置的示意、剖视图，区别尤其在于该太阳能装置采用对阳光起反应的材料来将以一定角度范围入射至波导层的光有效耦合；图7是流程图，示出图6的太阳能装置的示范的作用步骤，特征在于该太阳能装置对阳光的位置变化的反应；图8至图14是使用多种形式的微跟踪的太阳能装置的附加的示范实施方式的附加的示意、剖视图；图15至图17是太阳能装置的进一步的示范实施方式的附加的示意、剖视图，该太阳能装置允许与太阳能的波导不同的光提取方式；
图18是以平面聚集器阵列形式的太阳能系统的附加的示意立体图；图19至图23是太阳能装置的其他示范实施方式的附加的示意、剖视图，该太阳能装置允许光的多个光谱成分被导向至不同的PV电池；图24A至图MD、图26A至图26C和图28B是太阳能装置的一部分附加的示范实施方式的进一步的示意、剖视立体图，该太阳能装置布置为有助于以多种方式聚光；以及图25、图27和图^A是附加的示意图，示出图24A至MD、图^A至^C和图28B 示出的一些太阳能装置以及至少一种其它类型的太阳能装置采用的聚集方式。
具体实施例方式参照图1，提供了根据本发明的一个实施方式的太阳能系统2的分解图。如图所示，太阳能系统2包括太阳能聚集部分4和多个PV电池6。由于太阳能聚集部分4的结构及其部件相对于太阳能系统2的总物理结构的小尺寸，太阳能聚集部分4也可称作微光学聚集部分。如图所示更具体地，太阳能聚集部分4包括透镜阵列8，其具有基本沿平面布置的多个透镜10。在本实施方式中，通过在玻璃或塑料上层的表面上模压透镜形成的透镜10 可由于其相对于太阳能系统2的总物理结构的尺寸被称作微透镜。阳光(或其它可能的射入光)入射在透镜阵列8的外表面12上，并经由透镜阵列相对于外表面的相对侧上的内表面14从透镜阵列射出。此外，太阳能聚集部分4还包括附加波导部分19 (除了透镜阵列8)。附加波导部分19包括低指数覆层16和板式波导18。当太阳能系统2组装时，低指数覆层16设置在透镜阵列8和板式波导18之间。低指数覆层16可例如为聚四氟乙烯AF或相关的含氟聚合物材料，而板式波导18可由玻璃(例如F2燧石玻璃)或丙烯酸(酯)聚合物制造。板式波导18具有厚度20、与低指数覆层16接触(当部分4组装时)的内表面22、以及与内表面相对且与内表面隔开厚度20的外表面24。多个棱镜面沈沿外表面M形成。相应的棱镜面26与相应的透镜10对准且厚度20被确定使得在相应的一个棱镜面出现每个透镜的相应的焦点。如下文所讨论的那样，实际上，相对于透镜来说棱镜面26的面积非常小(出于说明的目的，在图1中未按比例绘制棱镜面)。棱镜面沈旨在代表多种不同类型的注入面或注入元件，上述注入面或注入元件被配置为折射、反射、衍射、散射和/或以其它方式将入射在其上的光引导，使得光完全或基本保持在板式波导18内或至少部分地被限制从波导射出，任意及所有注入面或注入元件包括在本发明内。特别地，虽然棱镜面26被视为在其作用过程中很大程度上或完全为折射的注入元件，然而其它形式的注入元件也包括在本发明内，例如镜面可被视为在很大程度上或完全为反射的。在一些实施方式中，所采用的注入元件将提供折射、反射、衍射(例如，以衍射光栅的形式)或散射中的任意一种或多种。正如下文中进一步讨论的那样，棱镜面26 (或其它光引导/注入元件)可使用多种技术中的任意技术形成，上述技术例如包括模压、成型、刻线、光刻或影印光刻。在一些实施方式中，波导18的外表面对包括除棱镜面 26之外的附加覆层。此外，聚集器/太阳能系统的总的光收集效率还取决于注入元件的精确的横向和竖直位置(例如，注入元件相对于透镜的位置)，以及在注入元件的物理剖面上精确的横向和竖直位置(注入元件的一个或多个特定的分面表面的形状和定向)。此外，注入元件的角度(例如注入元件表面相对于波导18的外表面M的角度，上述注入元件安装在波导18 上)可具有重要的意义。通常，通过考虑在该角度下预计光会撞击注入元件的方式将上述角度确定。例如，预计光以较小角度(例如相对于与波导18的外表面M垂直的轴线成0 度至15度)撞击棱镜面沈之一，分面表面相对于外表面M的角度可为30度，当预计光以较大的角度撞击棱镜面26之一时，分面表面相对于外表面M的角度可为45度。可以理解，在开发任意规定的太阳能聚集器时，技术人员可采用光学设计软件来生成注入元件剖面，其被适当规定了适用于特定实施方式的材料特性与物理约束和生产约束(及预计的作用约束)的结合。此外，如图所示，板式波导18的内表面22和外表面M均为矩形的，从而板式波导 18具有分别在内表面和外表面之间延伸的第一边缘表面观、第二边缘表面30、第三边缘表面32和第四边缘表面34，其中第一边缘表面和第二边缘表面彼此相对，而第三边缘表面和第四边缘表面彼此相对。可选地，当全反射涂层应用于第三边缘表面32和第四边缘表面34 时，PV电池6沿第一边缘表面28和第二边缘表面30布置。如图所示，更具体地，在本实施方式中，PV电池6中的每个均具有与厚度20相等的宽度，并且沿相对定向的边缘表面28、 30中相应的一个的整个表面延伸。PV电池6位于的第一边缘表面28和第二边缘表面30 也可称为纵向边缘表面，因为它们位于板式波导18的长度的相对两端，并且为光由波导引导朝向的边缘。此外，参照图2，示出了组装(而不是分解形式)的太阳能装置2 (即不带有PV电池6的太阳能装置2、的太阳能聚集部分4的剖视图，特别示出太阳能聚集部分4将光传向第一边缘表面观和第二边缘表面30的示范作用，PV电池6沿第一边缘表面观和第二边缘表面30安装。如图所示，光线(例如阳光)36进入透镜阵列8的透镜10中的一个示范透镜并在进入时由透镜聚焦。聚焦的光行进通过低指数覆层16，随后进入板式波导18，然后，光从板式波导的内表面22行进至板式波导的外表面M。最终，聚焦的光到达沿板式波导的外表面M设置的棱镜面沈中的一个示范棱镜面，聚焦的光的焦点在棱镜面处出现。虽然在图2中特别示出了由透镜10的一个示范透镜聚焦的、并且由棱镜面沈的一个示范棱镜面接收的入射光线36，但可以理解，入射在每个其它透镜10上的其它光线 (未示出)同样由相应的透镜聚焦且行进通过低指数覆层16以及通过板式波导18至其它相应的棱镜面(未示出)。特别地，棱镜面沈为反射面，配置为将聚焦的光以锐角反射(或“注入”)回板式波导18，使得当光再遇到低指数覆层16时，光被再次反射至板式波导。就是说，一旦棱镜面 26在聚焦的光上作用，则就光与低指数覆层16、外表面M、第三边缘表面32和第四边缘表面34(由于应用于其的反射涂层)的相互作用而言，从棱镜面反射的光经过全内反射(TIR) 或至少基本经过板式波导18内的TIR。在某种程度上，IlR仅基本(而不是完全)实现，光的一小部分作为解耦损失31仍从板式波导18漏离。无论如何，一旦光通过低指数覆层16 进入了板式波导18，所有的或基本所有的光继续在波导内重复反射直至到达第一边缘表面观、第二边缘表面30之一。如图2所示，在缺乏PV电池6的情况下，到达边缘表面观、30 的光将从板式波导18漏离；然而，在存在PV电池6的情况下，到达边缘表面观、30的光进入PV电池且转化为电。板式波导18内的光经过的TIR在比临界角陡峭的广泛角度范围下完全独立于波长和偏振。在第一边缘表面洲和第二边缘表面30处的入射角小于临界角，所以光可通过这些表面发射。为了确保捕集在板式波导18内的所有(或基本所有)光耦合至PV电池6， 通常PV电池具有抗反射涂层(或在波导和PV电池的表面之间的指数匹配层)。应注意的是，板式波导18的作用并不完全有效，因为反射光使得IlR发生的棱镜面沈也可作用于将光从波导除去。然而，在这方面，重要的是在棱镜面沈出现的焦斑的直径大体上为透镜10 的直径的(例如，Imm直径的透镜可产生约10微米的焦斑)，从而焦斑的总面积为透镜面积的0. 01%，并且使得波导的表面是99. 99%反射的(因此在大量的光损失之前光可传播透镜直径的成百倍)。在任意规定的实施方式中采用的棱镜面沈或例如镜面的其它注入元件的形状和尺寸可根据实施方式而变化(事实上，沿相同波导的不同棱镜面可有不同的形状/尺寸)。 通常，所采用的特定的注入元件将期望为应用而专门改变。在至少一个实施方式中，棱镜 (或镜)面沈的横截面是对称的、三角形的，并且如图2所示向左和向右耦合相等的光。由于缺少尖锐的过渡上述形状易于建造。在另一实施方式中，棱镜(或镜)面26可具有锯齿形的元件，其将光主要或完全朝向位于相对的边缘表面观、30的PV电池6中的一个或另一个进行反射。在一些其它的实施方式中，沿多于两个的边缘表面采用多于两个的PV电池， 或仅沿一个边缘表面仅采用一个PV电池。此外，虽然在一些实施方式中沿任意规定的一个边缘表面仅有一个PV电池，但在其它实施方式中，沿一个或多个边缘表面存在多于一个的 PV电池。如上所述，采用太阳能聚集器和PV电池的太阳能系统如太阳能系统2容易制造以降低制造成本是理想的。此外，关于目前的太阳能系统2，相应的棱镜面沈相对于相应的透镜10的精确的对准是获取太阳能系统的有效性能的重要原因。虽然能够将棱镜面沈相对于透镜10人工对准，但这会由于棱镜面沈变得更小而变得更加困难，期望(如上所述) 以使得从板式波导18漏离的光量最小化。鉴于上述考虑，参照图3，在本发明的至少一些实施方式中，自动化的制造过程40用于创建太阳能系统2。特别地，如将在下文中进行讨论的那样，在至少一些上述的实施方式中，“自对准”过程用于形成棱镜面26。还将注意的是，通过采用制造过程40，使用辊筒和其它传统的大规模生产技术即辊压加工制造过程，特别有可能以批的方式成片地制造太阳能系统2 (尤其是这些系统的太阳能聚集部分)。如图3所示，过程40开始于步骤41，在步骤41，在包括板式波导部分的组件44上应用由丙烯酸或类似材料构成的上层42，在板式波导部分上已应用了低指数覆层(使得覆层最终设置在上层和板式波导部分之间)。这可通过如图所示的辊筒46执行。接下来，在步骤48，由压辊52执行透镜阵列模压以形成丙烯酸上层42中的透镜49。接下来，在步骤 50，作为成型的膜/光阻材料M的紫外光固化环氧树脂还由成型膜应用辊筒56沿组件44 的外表面(即不面对丙烯酸上层42的表面)应用。在应用时，成型膜/光阻材料M可被认为是组件44的板式波导部分的一部分。此外，在步骤58，刻线的棱镜主辊60用于模压/ 冲压成型膜/光阻材料M内的中间棱镜面构造62。接下来，在步骤64，局部棱镜面66特别形成在中间棱镜面构造62中。局部棱镜面66特别通过将来自光源(或多光源)68的光反射通过透镜49而形成，其中光特别用于暴露成型膜/光阻材料M的孔。就是说，光使期望作为局部棱镜面66的成型膜/光阻材料M的某些部分被固化。光源68可例如为深蓝的420nm的光，因为这是将环氧树脂交联且将透镜的色差影响最小化的最长波长。随后，在步骤70，溶剂浴72移除过多的未固化的面材料(例如，移除成型膜/光阻材料M的未使用的、未固化的材料)，从而仅保留局部棱镜面(约99. 99的成型膜/光阻材料M被移除)。在步骤70之后，附加步骤(未示出)包括喷涂波导的底表面(即包括带有附加的低指数覆层材料的薄层的局部棱镜面66的组件44的外表面)，在波导的某些边缘表面(例如与上述的表面32、34对应的边缘表面)沉积金属镜，然后在整个组件上安装PV电池，特别沿板式波导的剩余(非镜)边缘表面进行安装(例如，与上述的表面观、30对应的边缘表面)。通过使用上述制造过程(或类似过程)可能创建太阳能系统，例如图1至图2中的具有多种规格和光学特征的太阳能系统2。例如，透镜的聚集功率可根据实施方式变化， 并且在一个示范的实施方式中，透镜的聚集功率为500sim。同样，在一个实施方式中，板式波导18的长度(即光打算沿其流过波导的距离，例如，位于边缘观和边缘30的两个PV电池之间的距离)可为任意长度，例如几米长。同样地，板式波导18的宽度(即横穿板式波导的距离，其与光打算沿着流动的距离垂直且与厚度20垂直)可任意大或小，例如为500 毫米或可选地为1米。同样，厚度20可任意大或小。通常，期望厚度20为小，和/或厚度至少某种程度上由透镜10的特征(例如聚集功率/焦距)确定。还例如在一个实施方式中，透镜10为F/2. 9透镜而厚度仅为6mm(远小于薄的抛物面反射镜光学器件)。除了上文关于图3的描述之外，多种其它的作用过程也旨在包括在本发明的范围内。例如，关于图4A，过程40的改进版作为过程80被示出，过程80包括与图3所示的步骤稍有不同的一套作用步骤。更具体地，如图所示，过程80开始于步骤82，向板式波导的一个表面(例如顶部)添加低指数覆层，接下来在步骤84，向板式波导的附加的相对表面 (例如底部)添加光敏聚合物成型剂，再接下来在步骤86，使用刻线的主件在成型剂中构造棱镜面。接下来，在步骤88，将反射涂层设置在棱镜面上，在步骤90透镜阵列附接至低指数覆层(例如附接至板式波导的顶表面，如修改为包括覆层)，以及在步骤92，成型剂通过透镜阵列暴露于光。最终，在步骤94产生模型开发，之后进行生成在步骤96的最终装置的剩余的活动(例如附装PV电池)。此外，例如，图4B示出过程80的附加改进版作为过程100。如图所示，过程100包括步骤102至108，分别对应于过程80的步骤82至96 (不包括与步骤88对应的步骤)。此外，在步骤102之前示出的步骤101仅表明这样的事实，即，在步骤102中应用低指数覆层之前提供板式波导，步骤98被示出在步骤106和步骤107之间执行，其中，反射涂层应用于板式波导(例如，沿边缘表面如图1的边缘表面32、34)。(步骤98可被认为是图4A的步骤88的替代步骤)。此外，例如，图4C示出用于制造太阳能系统如图1至图2的太阳能系统2的另一形式的过程110。如图所示，过程110开始于步骤111，在步骤111，在波导上应用非交联的光敏聚合物涂层。接下来，在步骤111，将模型应用至光敏聚合物涂层，此外还应用了真空吸力。随后，在步骤112，波导、光敏聚合物涂层和模型在施加的重量(压力)下被烘烤，特别是如图所示的施加在模型上使其趋于压缩组件的压力。此外，在步骤113，模型被移除。模型的移除使成型的光敏聚合物涂层暴露。此时波导和成型的光敏聚合物涂层再翻转。接下来，在步骤114，透镜阵列沿波导上与附接光敏聚合物的一侧相对的一侧附接至波导。特别地，如图4C中所示，紫外光被进一步引导以入射在透镜阵列上。紫外光依次经过透镜阵列和波导，然后到达成型的光敏聚合物涂层。由于透镜阵列的透镜的聚焦，特别地，紫外光仅到达(聚焦于)成型的光敏聚合物涂层的特定部分，而涂层的上述特定部分依次变成交联的光敏聚合物。接下来，在步骤115，反射涂层沉积在成型的光敏聚合物涂层的暴露的外表面上(即，不与波导接触的表面)，包括非交联和交联的部分。最终，在步骤116， 整个组件被加热至高于玻璃转换温度(Tg)的温度，光敏聚合物涂层的非交联部分被移除 (以完成棱镜面的构造)，从而实现完成的适用于在太阳能系统如系统2中执行的太阳能聚集部分。包括太阳能系统2的太阳能聚集部分4的上述太阳能系统内的太阳能聚集器可称为被动的(passive)太阳能聚集器。在上述的太阳能聚集器中，透镜和棱镜面10的折射/ 反射特性被固定，使得作为太阳运动(或其它)的函数的入射阳光(或其它光线)的入射角的变化改变聚集度和装置的效率。在这方面参照图5，例如，提供了图1的太阳能系统2的剖视图，示出入射光157相对于垂直轴线159(其垂直于板式波导18的表面22、24)倾斜。 如图所示，如果入射光157以这种方式倾斜，在光经过透镜阵列8的规定的一个透镜10后不再被引导至相应的棱镜面26而错过了棱镜面。假设外表面M大体上为透明的，光可从板式波导18完全通过，使得不再被引导至PV电池6而简单地为解耦光。如图5所示，为了减少或最小化由于光未完全与太阳能系统2对准而损失的入射光的量，在至少一些实施方式中，太阳能被修改而采取其它形式或能以不同于上述的特定方式作用。在至少一些实施方式中，例如，尽管入射光的入射角变化，但为了允许上述太阳能系统具有提高的性能，至少一些实施方式中的系统安装在主动对准系统上(或以其它方式实现与主动对准系统的配合)。此外，如上所述，在至少一些附加实施方式中，棱镜面沈配置为对撞击太阳能系统的光的入射角的变化更加宽容。事实上，在至少一些上述的实施方式中，在系统2的建造过程中，面朝上的透镜10本身可被用来鉴别且形成耦合的棱镜面沈的位置，例如在图3的步骤68中所示的那样。就是说，虽然在一些实施方式中，以图3所述的方式形成的棱镜面 26为局部分离的面，旨在接收沿特定路径的入射光，但在其它实施方式中在暴露的过程中使用的光的角度和强度特性能够改变，以形成弯曲或其它结构的棱镜面，而不仅是局部分离的面。当适当地进行构造时，即使光的入射路径随着太阳在一天中的整个路线所采取的路径改变，上述弯曲或其它结构仍可引导光进入波导18。因此，通过定制的分面暴露/形成过程来形成上述的弯曲和其它结构，随后通过可以说“模仿”太阳路径的上述弯曲或其它结构的使用，即使在仅使用随意的或非主动的太阳跟踪时，系统2的日收集效率仍可被提高。此外，在本发明的其它实施方式中，在缺乏(或除了)任何有效的对准系统的情况下，可想到太阳能聚集器的某些物理特征，特别是棱镜面/注入元件或耦合介质，将主动地对射入光(或其它光)的入射角的变化作出反应，并且太阳能聚集器的性能将被提高。上述实施方式的太阳能聚集器可被称为反应的聚集器，通过在透镜的焦点处或附近使用对亮光起反应的材料来设置可临时形成(或显示)棱镜面/射入结构的大面积区域作用。这产生了光学特性的局部改变，而这仅覆盖了总导向结构内的总面积的一小部分。当太阳的照射角改变时，这些棱镜面/注入元件/缺陷的位置被动地作出反应且随其进行移动。因此， 上述反应的聚集器不需要主动对准或跟踪来采集且将反射的阳光转化为电能。
带有反应的太阳能聚集器的太阳能系统的多种实施方式是可能的。如上所述，在一些实施方式中，太阳的热量和/或照明用来形成棱镜面的位置。这可为热膨胀或其它机械运动的形式以将棱镜带至与导向层紧密接触。在其它实施方式中，棱镜面仅沿板式波导的外表面定位，就在上述表面的外部(即波导的外部)。对太阳的位置/强度作出反应的中间介质使聚焦点的折射率的局部物理改变，允许从棱镜反射的光被耦合至高指数导向板式波导。由低指数覆层环绕的局部高折射率是理想的(或必要的)，为了允许棱镜遇到射入光一次且不会可逆地将已导向的光除去。根据实施方式，一些潜在的现象是可用的以生成必要的局部指数改变。在至少一些实施方式中，提供了与外覆层在光学性质上类似的低指数液体中具有高指数纳米粒的胶状悬浮液。微粒的尺寸可小于光的波长，因此看作平均的而不是单个散射微粒。高指数微粒的积聚使感知的折射率升高，在反射棱镜面和导向板之间生成耦合窗口，同时仍保持低指数覆层环绕。用于开始该感知指数增加的一种方法为对高照明通量使用固有的光阱力。 其它实施方式可包括强烈的照明存在下生成电场的光电导或弱光电的聚合物。由此产生的场可对高指数微粒施加力，使微粒朝向最大通量的区域迁移，最大通量一般出现在阵列中每个透镜的焦点。该系统仍是反应的，其中，聚合物可在导向板后随处设置且不需要分别构图的电极。其它光感应的物理改变可辅助光的耦合，如光致变色、光热或相变材料。参照图6，示出太阳能系统122的一个示范实施方式的侧视图，除PV电池126之外，太阳能系统122还采用反应的聚集器部分124。如图所示，反应的聚集器部分IM特别地由一些堆积在一起的层形成。在顶部为透镜130的阵列128，用于形成入射阳光的焦点。 低指数覆层136位于透镜130下方，其次是高指数导向层(例如，板式波导层或核)138。最后，镜(反射)微观结构140位于高指数导向层138下方，空隙142由悬浮胶体(胶体悬浮液)144填充。胶体144包含有高指数微粒均勻散布在内的低指数流体或凝胶，从而实现与在导向层138上方发现的覆层136类似的平均指数。PV电池1 设置在高指数导向层138 的边缘表面，如同图1至图2的太阳能系统2 (同样，尽管没有示出，但反射涂层也设置在其它边缘表面上)。转向参照图7，太阳能系统122可理解为大体上根据过程150作用。在步骤152提供太阳能系统122时，在步骤154，阳光入射在太阳能聚集部分IM上。经过照明，透镜130 将光聚焦，使得光经过太阳能聚集部分1 的所有层(例如层136和层138)，从而作为焦斑入射在镜微观结构140上。接下来，在步骤156，在高照明通量下重要的光阱力施加在悬浮在胶体144的微粒上。照明锥体外的微粒进行布朗运动使其不断迁移。随着时间的推移， 更多的微粒可通过照明被捕集，形成高指数微粒的局部分组。由于每个微粒明显小于光的波长，阳光仅识别通过微粒积聚而增加的平均折射率。因此，用于将光耦合至导向层的高指数通道被创建，而棱镜面创建于胶体144内。正如关于图1至图2的太阳能系统2所讨论的，耦合窗口仍应保持较小以减少已从识别微观结构下被导向且散射于核心外(这将最终限制光可导向的距离并且可作为主要的设计考虑)的光线的可能性。在完成步骤156时，镜或光栅的成角度的棱镜面以实现TIR的必要的角度反射光， 使得由棱镜面反射的光直接耦合至层138(而不是折射至多个层或多个层之外)，并最终被朝向PV电池126引导，然后在PV电池126生成电能，如步骤158指出的那样。此外，因为胶状的积聚物是光感的且局部出现，因而系统能够对太阳的位置作出反应。就是说，如由步骤160指出的那样，随着时间的推移，在透镜130上的阳光的入射角改变。当这种情况发生时，胶体144进一步响应，以导致在步骤156的改进的棱镜面。因此，阳光的连续运动导致步骤156、158和160(在连续的基础上)重复进行。在至少一些实施方式中，胶体144可包括二氧化钛(TiO2)微粒的悬浮液。这些为具有非常高折射率的亚波长微粒，并且可利用阳光容易地捕集且控制。微粒将可能用二氧化硅等涂层以避免由于范德瓦耳斯力结块。在至少一个上述的实施方式中，胶体144包括纳米级的、高介电指数的二氧化钛微粒，以及同样密集的但低折射率的含氟聚合物材料，微粒包含在上述材料内。在作用过程中，通过吸引一些高介电指数微粒(也就是说，由于曝光，一些微粒从整个胶体内的一个位置移动至另一位置)，光敏材料重复感知并响应光的部分的电场的改变以实现光学捕集。在其它实施方式中，其它材料可用作胶体。同样，胶体溶液仅为用于创建高指数窗口以耦合至波导/核的许多潜在方法中的一种。其它静态的和机械的可能性以及主动的电寻址也存在。包括介电电泳的现象还可用于控制微粒的位置。可进一步理解，图6的采用反应的太阳能聚集器124的太阳能系统122可通过使用与图3至图4B所描述的过程类似(但不等同)的过程制造。尽管上文已进行了讨论，在本发明的附加实施方式中还能够采用多种技术，太阳能系统通过这些技术采用微跟踪元件而不是使用全主动跟踪，其中太阳能系统的一个或多个部件相对于其它部件略微移动，以实现阳能系统关于将光接收且耦合至PV电池6的能力改进的性能，即使在光以倾斜的方式入射和/或其入射角随着时间变化时。上述的微小的移动可包括例如横向移动(即波导从侧面到侧卖弄但不朝向或远离透镜阵列的移动)，以及竖直移动(即波导朝向或远离透镜阵列的移动)。转向参照图8，特别地，在一个上述的实施方式中，太阳能系统162不仅包括上述太阳能系统2的一个或多个PV电池6、带有板式波导18的太阳能聚集部分4和带有透镜10 (以及棱镜面沈)的透镜阵列8，还包括附加第一透镜阵列166、附加第二透镜阵列167、和附加第三透镜阵列168。如图所示，透镜阵列166至168中的每个均包括多个单独的透镜169。更具体地， 第一透镜阵列166、第二透镜阵列167和第三透镜阵列168中的透镜分别沿第一、第二和第三平面布置，而第一、第二和第三平面与布置透镜阵列8所沿的平面平行，而第三、第二和第一平面依次向外远离透镜阵列8定位。在本实施方式中，透镜阵列166至168中每个的每个透镜169都是等同的。然而，在其它实施方式中，不同透镜阵列166至168中的透镜可彼此不同，而事实上，在至少一些实施方式中，透镜阵列166、167和/或168中规定的一个透镜阵列的不同透镜也可彼此不同。在本实施方式中，不同的透镜阵列166至168中的透镜169可被看作微透镜阵列，因为透镜的直径通常都很小(并且与透镜阵列8的透镜10直径相等)。透镜阵列166至168的透镜169旨在可相对彼此和/或透镜阵列8的透镜10移动，使得以多个角度入射在太阳能系统162 (和特别地入射在透镜阵列166的透镜)上的入射光最终仍可以这样的方式被引导，即，使得光垂直地入射在透镜阵列8的透镜10上，也就是说，平行或基本平行于垂直轴线159。在本实施方式中，特别地，透镜阵列167可沿由箭头 170表示的移动轴线移动，上述轴线与板式波导18的内表面22和外表面M平行，因此，上述轴线与垂直轴线159垂直。通过将第二透镜阵列167相对于其它透镜阵列166、168(和透镜阵列8)进行适当地调整，因此，相对于垂直轴线159倾斜的入射光171可以与垂直轴线159平行或基本平行的方式被重引导，以与透镜阵列8垂直。因此，即使入射光171是倾斜的，光仍由太阳能聚集部分4有效接收且耦合，如同光被垂直接收一样，因此，太阳能聚集部分能够实现将光有效耦合至PV电池6。图8所示的实施方式采用了三重微透镜阵列，其中，第二透镜阵列167特别作为物镜，其在透镜阵列的输出(即，继续向透镜阵列8行进的光)增加填充因数。然而，在其它实施方式中也可采用其它透镜布置。例如，在另一实施方式中，仅采用了两个透镜阵列(尽管上述实施方式可受略有限的操纵范围和增加的表面反射的数量影响，有限的操纵范围一定程度上为杂散光出现的结果)。在其它实施方式中，存在多于两个的透镜阵列。同样，根据实施方式，不仅第二透镜阵列167，而且(或而是)透镜阵列166、168(和/或透镜阵列 8)中的一个或另一个也可移动。通过随时间的推移适当移动上述一个或多个透镜阵列，入射光方向上的改变可与太阳在一天中的整个路线的运动(或也可出于其它原因而出现)相关联，可在很大程度上被补偿，因此，太阳能系统162的作用可在一天中连续无阻碍或很大程度上无阻碍。接下来，转向参照图9，太阳能系统172的附加实施方式还采用了与图8所示的不同的微跟踪能力。在图9的实施方式中，太阳能系统172可理解为包括图1的太阳能系统2 的太阳能聚集部分4的透镜阵列8以及附加波导部分19 (例如，带有棱镜面沈的波导18， 以及可能带有的覆层16)。然而，与太阳能聚集部分4相比，在该实施方式中，透镜阵列8可相对于太阳能聚集部分的附加波导部分19移动，使得附加波导部分可相对于透镜阵列8沿由箭头177指示的方向来回移动，由箭头177表示的方向与波导18的外表面和内表面22 和M平行。在至少一些上述实施方式中，在透镜阵列8和附加波导部分19之间可存在空隙178以有助于上述移动(上述空隙可由空气或其它覆层填充)。通过适当地移动附加波导部分19 (该移动可包括沿透镜阵列8的底面滑动)，附加波导部分可相对于透镜10定位， 使得以相对于垂直轴线159倾斜的方式入射在透镜上的入射光174仍聚焦在棱镜面沈中适当的棱镜面上(在该实例中，聚焦在适当的一个棱镜面上)。因此，即使认为入射光174 为倾斜的，最终光在波导18内经过TIR并被引导至PV电池6。如所讨论的关于图8的那样，可以理解，附加波导部分19相对于透镜阵列8的适当定位将根据入射光174相对于垂直轴线159的特定的入射角而变化，因此，当入射角改变时(例如，再次由于太阳在一天中的路线的移动或某种其它原因)，附加波导部分相对于透镜阵列8的相对定位将需要适当修改，使得入射光继续朝向一个或多个棱镜面沈引导。上述适当的定位可由控制器例如微处理器(未示出)控制，控制器接收来自一个或多个光敏感器(也未示出)的信号，光敏感器探测入射光174(或至少光的主要成分或实质性成分) 的入射角，并基于上述接收的信号接着调整附加波导部分19关于透镜阵列8的相对位置。 一般而言，附加波导部分19相对于透镜阵列8的位移量将与入射光的倾斜度对应；增加的倾斜通常需要增加的位移量。尽管实现理想的效果所需的位移量将根据实施方式变化，但往往位移量是非常小的(例如，约为1毫米或更少)。转向参照图10，在太阳能装置182的另一实施方式中，不仅存在透镜阵列8以及附加波导部分19(并可能存在将上述两者分隔的空隙178)，还存在附加的漫射光收集器 184(例如大面积的PV电池板或太阳能集热板)，其沿着外表面M定位在附加波导部分外部。规定上述布置，高准直的入射光186被朝向棱镜面沈引导(特别假设附加波导部分19相对于透镜阵列8适当对准)，而入射在透镜阵列8上的其它漫射光188未被朝向棱镜面引导，而是被允许完全通过板式波导18并因而在漫射光收集器184处被接收。因此，高准直的入射光提供至PV电池6，而漫射光接收于漫射光收集器184。尽管上文讨论了关于图 8至图10的太阳能系统162、172、182的有效性，取决于如图9所示的场曲率178，上述太阳能系统的有效性仍可略受限。接下来，参照图11至图12，示出了在两种不同的作用状态下的进一步示范的太阳能系统192。如图所示，太阳能系统192包括与上述的附加波导部分19类似的波导部分 194，波导部分194具体包括板式波导195和棱镜面193，通过其光被引导至位于板式波导的相对端部的PV电池196。此外，太阳能系统192还包括具有多个透镜199的透镜阵列198。 此外，如在太阳能系统172中一样，波导部分194(和关于其安装的PV电池)可相对于透镜阵列198侧向移动。然而，与太阳能系统172相比，太阳能系统192接收首先在波导部分 194的外表面191撞击系统的入射光，其中棱镜面193沿波导部分194设置，而不是位于透镜阵列198的透镜199。更具体地，如图所示，入射光200经过外表面191，行进通过板式波导195且通过板式波导(而且在板式波导可提供覆层)的内表面201，然后通过波导部分 194和透镜阵列198之间的气隙203(或其它可能的覆层)，然后通过透镜阵列至透镜199。 到达透镜199时，光由透镜以大体上相反的方向朝向棱镜面193中适当的棱镜面(在这种情况下为一个棱镜面)反射回来，在该点，光经过TIR并且被引导至PV电池196。可以理解，要实现以上述的方式作用，板式波导195的外表面191为基本上透明的，而透镜199为镜(或带有应用于其的镜涂层的透镜)。本实施方式中的透镜199由于其小尺寸可更适合称为微镜。在图11示出入射在波导部分194上的光200与波导部分垂直(即，垂直于外表面 191和内表面201)，太阳能系统192还允许倾斜的入射光也被采集且朝向PV电池196引导。 特别地，参照图12，倾斜的入射光189还可通过相对于透镜阵列198将波导部分194侧向移动沿由箭头187表示的方向(沿该方向来回)的适当的量来成功地被引导至PV电池196。 还应注意的是，太阳能系统192的使用是特别有利的，由于外表面191的平面性(以及通常由于坚固性)，太阳能系统实现了改进的包装耐久性并且容易清洗。转向参照图13和图14，示出根据本发明的另一示范实施方式的进一步的太阳能系统202，其中，系统部件的轻微移动允许倾斜的入射光在装置的PV电池被采集。由于鉴于下文中的讨论可以理解的原因，太阳能系统202可特别被称为微型折反射聚光系统。特别参照图13，其中太阳能系统202包括波导部分204，波导部分204包括具有第一表面206 和第二表面208的板式波导205，第一表面206和第二表面208彼此相对地设置在波导的对侧，板式波导205还具有沿表面206定位的棱镜面210。PV电池(PV电池之一被示出)212 定位在波导205的一个(如图所示)或多个边缘表面。此外，系统202还包括小透镜阵列 214，其沿波导205的第一表面206定位(且与其相隔)；以及微镜阵列216，其沿波导的第二表面208定位(且与其相隔)。在本实施方式中，气隙(或其它覆层)218设置在小透镜阵列214和第一表面206之间，以及微镜阵列216和第二表面208之间。如同上述的太阳能系统192和172，波导部分204和相关部件(例如PV电池212) 可相对于装置的透镜部件侧向移动，也就是说，相对于透镜阵列214和微镜阵列216沿由箭头220表示的方向来回侧向移动。当在图13所示的位置中时，与垂直于板式波导205 (即，与表面206、208垂直)的轴线230平行的入射光222最初在透镜阵列214的外表面撞击太阳能系统202，然后，光经过小透镜阵列(使光部分聚焦)、通过小透镜阵列和波导部分204 之间的气隙218、通过包括板式波导205的波导部分、通过波导部分和微镜阵列216之间的附加气隙218，直至微镜阵列的外表面224。如同太阳能系统192，此时，光由微镜阵列216朝向板式波导205向内反射，并且最终经过板式波导到达棱镜面210中的适当的棱镜面(在该实例中为一个棱镜面)，由此，光经过TIR且行进至PV电池212。此外，如图14所示，随着波导部分204(和PV电池212)相对于透镜阵列214和微镜阵列216的适当的侧向移动，相对于轴线230倾斜的入射光2 很大程度上也最终引导至PV电池212。如所示出的那样，尽管大部分倾斜的入射光2 最终会到达PV电池212，但小量的光为晕光231，并且漏离系统202。如参照图8至图12讨论的实施方式，对于以多种角度倾斜的入射光，太阳能系统202可实现入射光至PV电池212的成功耦合，可以理解，当倾斜角度增加时移动的程度也需要增加。可以理解，在任意规定的实施方式中，可控制一个或多个致动器以使波导部分相对于透镜阵列结构(包括多结构例如透镜阵列214和微镜阵列216)移动，这些透镜阵列结构为固定的，反之亦然，或以不同方向移动所有不同的部件。在太阳能系统的上述实施方式中，PV电池沿板式波导的边缘定位以接收由板式波导引导至这些边缘且向外形成这些边缘的光。然而，如在上述太阳能系统中实现的波导内已知角度下的光的限制不要求以上述方式定向的PV电池接收该光。相反，根据实施方式， 允许PV电池或光提取以实现附加的聚集的方式进行重定位的附加布置是可能的。更具体地，现在参照图15至图18，太阳能系统例如那些上述的系统能以有助于板式波导内的光传播至PV电池的附加的方式进行修改，PV电池旨在接收以多种方式定位的光，和/或以实现更大的聚集的方式有助于光提取。例如，参照图15，示出图2的太阳能系统2的太阳能聚集部分4的改进版，被称为太阳能聚集部分234。如图所示，特别地，太阳能聚集部分234不仅具有带有多个透镜236 的透镜阵列232，以及包括外表面M0、内表面242和多个棱镜面246的板(均勻厚度)波导238，还附加具有定位在边缘250的折叠棱镜M8。折叠棱镜对8旨在将来自波导238的光旋转来从侧面向下传送(例如90度的旋转)，这允许PV电池(未示出)放置在波导下以与波导238的外表面240平行，而不沿波导的边缘250放置。此外，参照图16，通过使用多个太阳能系统可实现由PV电池(和/或容易制造的整个太阳能系统)接收的光的进一步聚焦，其中每个太阳能系统均采用图15的太阳能聚集部分234。例如，通过将两个太阳能聚集部分234端对端地定位，来自两个太阳能聚集部分 234的光可引导至单独的PV电池251，其中上述太阳能聚集部分包括各自的折叠棱镜M8。 因此，仅需要单独的PV电池251采集来自两个部分234的光。可以理解的是，在附加实施方式中，多于两个(例如4个)的太阳能聚集部分能以类似的方式有效分享同一 PV电池。参照图17，示出另一示范的太阳能系统的部分。在该实施方式中，太阳能系统包括两个太阳能聚集部分254。如太阳能聚集部分234，太阳能聚集部分254中的每个又包括带有相应的多个透镜256的相应的透镜阵列252，以及包括相应的内表面262和相应的外表面 260的相应的板(均勻厚度)波导258，沿外表面260形成相应的多个棱镜面(未示出)。 每个太阳能聚集部分234可具有例如为2毫米的厚度(即，如透镜阵列252的外表面和外表面260之间测量的厚度)。此外，定位在太阳能聚集部分2M之间的曲面镜式反射器268
19被导向以使凹面朝向内表面262的平面。根据实施方式，曲面镜式反射器268可为多种不同的曲面形式中的任意种，并且例如可为非球面镜反射器或曲面镜式反射器。在本实施方式中，曲面镜式反射器268从波导258远离波导258向外延伸，远于透镜阵列252，虽然这并不需要是所有实施方式中的情况。在光从波导的端部行进离开时，曲面镜式反射器268接收从波导258提供至它的光，并接着将光大体上沿确定的外表面260的平面朝向太阳能聚集部分2M之间的中心位置266聚焦。此外，如同图16的系统，封装的PV电池270可定位在如图所示的该中心位置以接收聚焦的、集中的光。因此，图16和图17的折叠棱镜248和曲面镜式反射器268分别用来将来自波导238、258的光旋转，以从侧面向下传送，尽管曲面镜式反射器提供了将PV 电池270接收的光进一步聚集的更多的益处。上述聚集不仅允许可能使用更小的PV电池 (这是理想的，由于较大的PV电池的成本)，还允许PV电池更有效地作用(通常，PV电池在接收更大强度的光时实现更高的作用效率)。鉴于图15至图17的实施方式，还应显而易见的是，根据实施方式，两个(或多个) 相对的太阳能聚集部分可连接以将双向(或多向)的光耦合至共用的PV电池。同样，对称的耦合器允许微光学聚集器的线性阵列。此外，参照图18，例如，示出部分切掉的平面聚集器阵列272，其包括6个图17中示出的类型(特别地为示出的波导258)的太阳能聚集部分 254和4个曲面镜式反射器沈8，每个反射器均定位在两个对应的太阳能聚集部分之间(上述聚集部分位于两个反射器之间)。曲面镜式反射器268将从太阳能聚集部分接收的光引导至定位在4个不同的曲面镜式反射器268下的PV电池(未示出)。尽管示出了特定的结构，但可以理解，任意数量的太阳能聚集部分和这种类型的曲面镜式反射器都可通过这种方式组装至更大的结构中。上述结构不仅容易且便于制造，在某些情况下还容易存放(例如，平面阵列可能被卷起)。如上所述，光在规定的PV电池上的增加的聚集可提高PV电池的性能。特别地，例如上述的那些使用曲面(例如非球面或抛物线的)镜(而不是平面折叠棱镜)的输出耦合器设计能够重变换引导的光线角度且将光聚焦至规定的PV电池上。此外，可注意的是，除通过将光耦合至波导获取的增加的通量之外，具有光学功率的反射表面能够进行聚集的另一阶段。结合两种方法的聚集允许系统有效达到多结PV电池所需的高水平的通量。许多潜在的设计已被探索并且根据波导模式来变化，而大多数实施方式利用至少一个曲面镜来在光离开波导时收集发散光。影响PV电池性能的另一个因素为PV电池接收向其提供的特定光谱的适合程度。 接下来转向图19至图23，在本发明的至少一些实施方式中，太阳能系统区分不同的光谱且将不同的光成分引导至不同的PV电池，这些PV电池特别适合于接收相应的光成分。在至少一些上述的实施方式中，介质镜并入太阳能聚集器设计以将宽光谱照明分裂为使用专有的PV电池收集的多波段。参照图19，在一个上述实施方式中采用了太阳能聚集部分274。如图所示，太阳能聚集部分274与图2的太阳能聚集部分4类似，在这种情况下太阳能聚集部分274采用了具有邻近板式波导280设置的多个透镜278的透镜阵列276。如图2的板式波导18的情况一样，板式波导280可分别包括内表面282和外表面观4，内表面282邻近透镜阵列276(还可以理解，低指数覆层例如图1的层16作为该内表面观幻，棱镜面观6(示出其中两个棱镜
20面)沿外表面284形成。PV电池(未示出)可沿板式波导观0的外边缘288和289设置。 然而，与太阳能聚集部分4相比，太阳能聚集部分274附加包括第一分色镜290和第二分色镜四1，第一分色镜290和第二分色镜291分别沿第一边缘288和第二边缘289定位(因此定位在上述边缘以及任意旨在接收通过上述边缘传出的光的PV电池之间)。如图19中所示，分色镜四0、四1特别配置为通过特定波长的光且反射其它波长的光。在本实例中，波长为X1的第一入射光四2(以虚线示出)撞击在透镜278上，进入板式波导观0，由相应的棱镜面286反射，在板式波导观0内经过TIR，并且可以朝向第一边缘 288或第二边缘观9的方向中的任意方向行进。然而，假设分色镜反射波长为X1的光，则到达第二边缘观9的任意的该光因此由分色镜反射而以相反的方向朝向第一边缘288行进。假设第一分色镜290允许波长为λ工的光通过该分色镜，则该波长的所有光行进离开第一边缘288并且通过分色镜四0。在这个意义上，PV电池(未示出)定位在该分色镜四0的相对一侧上，该PV电池仅接收波长为λ工的光。假设选择了上述PV电池以特别适合于接收该波长的光，则PV电池作用的效率可最大化。相比之下，入射在透镜278上的(以实线示出)波长为λ 2的第二光293还可行进通过透镜并进入板式波导，由于与棱镜面观6的相互作用在板式波导中经过TIR。然而， 在这种情况下，第一分色镜290反射第二光(λ2)的波长的光，而第二分色镜291透过上述光。因此，所有波长为λ2的第二光仅从波导通过，通过边缘289且通过分色镜四1，并且在进行上述经过时，可由理想地适合接收该频率的光的PV电池接收。图19的太阳能聚集部分274的上述特征还可与图20所示的附加的光选择作用结合，在上述特征中，根据光的波长，光被有选择地反射或通过波导的边缘(出口光阑)。更具体地，如图20所示，太阳能聚集部分四4的附加实施方式不仅包括带有透镜四8的透镜阵列四6，还包括第一波导300和第二波导301。第一波导300具有第一表面302和第二表面304，其中，第一表面302与透镜阵列296接触而第二表面304与第二波导301接触。第二波导301包括第一表面305和第二表面306，第一表面305为太阳能聚集部分四4的最外表面，而第二表面306与第二表面304接触。第一波导300的第一表面302可由低指数覆层如图1的覆层16形成。然而，与图1至图2的实施方式相比，棱镜面308(示出其中两个棱镜面)并未沿波导300的第二表面304形成，而是沿与透镜阵列296接触的第一表面 302形成。在第二表面304形成分色镜(也可能形成附加覆层)而不是放置棱镜面，在下文中出于说明的目的，第二表面304被认为是上述的分色镜(尽管第二波导301的第二表面 306或表面304、306还可被认为是这样的镜或包括这样的镜)。关于第二波导301，其还具有沿第一(外)表面305形成的棱镜面310(示出其中两个棱镜面)。此外，如图所示，在第一波导300、第二波导301的每个纵向边缘还以与图19所描述的相同的方式设置其他分色镜。因此，第一分色镜311定位在第一波导300的右边缘(如图1所示)，而第二分色镜 312定位在相同波导的左边缘。同样地，第三分色镜313定位在第二波导301的右边缘，而第四分色镜314定位在该波导的左边缘。鉴于上述布置，太阳能聚集部分294能够区分4种不同类型的光，并将相应类型的光分别引导至4种不同的PV电池。更具体地，入射在透镜298上的波长为λ工的第一光315 在通过透镜阵列296并进入第一波导300时由分色镜304反射，并因此被反射回与第一波导相关的棱镜面308中适合的棱镜面(在该实例中为一个棱镜面)。同样地，波长为λ2 (以虚线示出)的第二光316在进入且通过透镜阵列296并进入第一波导300时类似地由分色镜304反射，并在棱镜面308被接收。在到达棱镜面308时，第一光315和第二光316均在第一波导300内经过TIR并被反射。然而，由于第一分色镜311和第二分色镜312的附加作用(以与图19所讨论的基本相同的方式)，波长为λ工的第一光由第二分色镜312反射， 使得第一光不能从波导300的左边缘通过，而所有的第一光通过第一分色镜311，由此通过波导的右边缘离开波导。相反，波长为λ 2的第二光316被阻止在与第一分色镜311相关的第一波导的右边缘离开第一波导300，在该处上述光被反射，但却能够在第二分色镜312位于的第一波导的左边缘离开第一波导，该光通过第二分色镜。与由分色镜304反射的第一光315和第二光316相比，进入透镜阵列四6并通过第一波导300的波长为λ 3的第三光317和波长为λ 4的第四光318能够通过该分色镜并进入第二波导301。在进入第二波导301时，聚焦的光317、318到达棱镜面310，在棱镜面 310该光经过TIR。由于分色镜304的存在(可能由于在第二表面306的任意其它层例如低指数覆层的任何进一步的影响等等)，第三光和第四光不能再进入第一波导300。然而， 由于第三分色镜313和第四分色镜314的作用，第三光317在波导301的左边缘被反射且仅从波导的右边缘经由第三分色镜313通过，而第四光318在波导301的右边缘被反射且仅从波导的左边缘经由第四分色镜314通过。因此，鉴于图20所示的实施方式，入射光可成功分离为4种不同的光成分λ” λ2、入3和λ 4，其分别在4个不同的位置离开太阳能聚集部分。假设相应的PV电池邻近相应的分色镜311至314(或定位在接收通过上述相应的分色镜传出的光的其他位置)设置，且适合接收从上述相应的分色镜传出的特定的光成分，可实现PV电池以及因此的整个太阳能系统四4的增强的作用。接下来参照图21，示出另一示范的太阳能聚集部分324，其中，入射光332分成适合由不同的PV电池接收的不同的光成分。如图所示，如同图20的太阳能聚集部分294的图21的太阳能聚集部分3M包括；可例如为红外波导的第一波导320 ；以及可例如为可见波导的第二波导321(此外，每个波导可包括沿其外表面的适当的覆层以形成波导；同样， 在某些情况下可存在施加于太阳能聚集部分324的多个表面的平面的第一表面防反射涂层)。然而，在该实施方式中，太阳能聚集部分3M采用定位在第一波导320和第二波导321 之间的透镜阵列322，而不是采用在入射光传播到波导之前接收入射光的透镜阵列。更具体地，如图所示，透镜阵列322包括第一透镜子阵列3 和第二透镜子阵列327，第一透镜子阵列3 包括凹面向上朝向第一波导320的多个透镜328，第二透镜子阵列327具有凹面向下朝向第二波导321的多个透镜329。如图所示，因此，第二透镜子阵列327离第二波导321 比离第一波导320更近，而第一透镜子阵列3 离第一波导320比离第二波导321更近，其中，在第一透镜子阵列和第二透镜子阵列之间存在间隙330。此外，如图所示，更具体地，第一透镜阵列3 涂有分色涂层，使得该子阵列的透镜3 关于红外光作为反射透镜(或镜)，而允许非红外(特别是可见)光通过。相比之下，第二透镜子阵列327的透镜3 则未涂有任何分色涂层而仅作为对于任意光(特别是可见光)的折射透镜，任意光在通过第一透镜子阵列326的反射透镜后到达折射透镜。鉴于该布置，入射光332通过第一波导320的外表面334撞击在太阳能聚光系统3 上，该光行进通过第一波导320并进入透镜阵列322。入射光332的红外光成分由第一透镜子阵列3 的透镜3 反射，由于上述透镜的聚焦，到达沿第一波导的外表面334形成的棱镜面 336。在上述棱镜面336被反射时，红外光经过TIR并行进至波导的边缘，然后光可行进至 PV电池(未示出)。通过比较，进入且允许通过第一波导320的其它光特别是可见光通过第一透镜子阵列326的透镜328，并进入第二透镜子阵列327的透镜329。然后，该光被聚焦以沿第二波导321的外表面340到达棱镜面338。在到达棱镜面338时，可见光经过TIR并因此在波导321内行进至边缘，在边缘处光可离开波导并由PV电池(未示出)接收。应注意的是， 假设存在分色反射器上的垂直入射，图21的实施方式能够实现唯一的透镜光学能，并聚集所提供的每条光带。上述的两个或多个元件的多种结合也可包括在本发明的附加实施方式中。例如， 如图22中所示，在一个实施方式中，太阳能聚集部分344基本等同于图20的太阳能聚集部分四4，太阳能聚集部分344包括透镜阵列346、第一波导350和第二波导351，连同定位在两个波导之间的分色镜348。此外，鉴于该设计，当入射光349撞击太阳能聚集部分344时， 特定的光成分(例如红外光)被反射回第一波导350且在该波导内经过TIR，而其它波长的成分被允许通过分色镜进入第二波导351并在该波导内经过TIR。尽管未示出，但可以理解分色镜还可沿波导350、351的边缘定位，以进一步确定相应的波导内的特定光成分是否在任意特定的纵向边缘离开波导，虽然这不是所有实施方式中的必需情况。然而，与图20的太阳能聚集部分294不同，示出的太阳能聚集部分344的波导 350,351中的每个分别包括相应的纵向边缘352、353，相应的折叠棱镜354、355分别定位在相应的纵向边缘352、353上，如上述关于图15所讨论的(在替换的实施方式中，反射器可用于代替折叠棱镜)。由于折叠棱镜354，从第一波导350传出的可为红外光的光被引导至适用于接收上述光的第一 PV电池356，该PV电池被定位以与分色镜348平行(即与波导 350、351平行)地延伸，而从第二波导351传出的光被引导至适用于接收上述光(例如可见光)的第二 PV电池357。因此，在图22的实施方式中，太阳能聚集部分344实现图20和图 15的太阳能聚集部分中每个的一些相同的益处，都在于聚集光和将特定的光成分引导至适合的PV电池以及布置PV电池从而以理想的方式(和不同的PV电池彼此远离地定位的方式)定位。该实施方式还可允许薄/小体积的太阳能系统以及带有改进的偏振性能的系统的开发。此外，参照图23，附加的太阳能聚集部分364包括图1至图2的太阳能聚集部分 4，以及允许将不同的光成分分离并且由上述相应的光部件引导至不同的PV电池的附加部件。如图所示，更具体地，在图23的实施方式中，反射输出耦合器362如图所示定位在波导 18的边缘观，并依次将接收的光360引导至位于太阳能聚集部分4外部的分色反射器366。 由于外部的分色反射器366，特定的光成分(例如红外光)还以朝向适用于接收上述光的第一 PV电池368的第一方向被反射，而其它光成分通过分色反射器且由适用于接收上述光成分的第二 PV电池370接收。因此，该实施方式提供了简单的聚集设计，其中聚集度可由因子ζ减少。在某种程度上，多模波导的常见的输出角度是理想的，这可能需要附加反射。基于上述观点，应注意的是，本发明的至少一些实施方式通过在整个透镜阵列孔上收集光并且将能量约束在厚度为常数的波导内来实现主要的聚光。因此，几何聚集为波导长度除以波导板厚度(或在存在对称耦合处为厚度的两倍)。上述聚集值的分析假设在
23正交方向上没有聚焦，也就是说，在垂直于波导厚度(例如，沿上述的垂直轴线159测量的) 并且垂直于波导长度的方向上没有聚焦，沿波导长度捕集的光一般朝向一个或多个PV电池行进。然而，在正交方向的聚焦还可以多种实施方式实现并且可导致附加聚光。参照图24A至图MD，例如，在至少一些实施方式中，PV电池不需要占用上述PV电池沿其定位的波导边缘的整个宽度。也就是说，出口光阑(PV电池沿其定位的波导边缘的一部分)不需要与波导边缘同延。例如，参照图24A，图1的具有第一边缘观和第二边缘 30的板式波导18不需要与如同图1的PV电池6的在波导的全部长度延伸的PV电池一起使用。而如图24A所示，可使用PV电池372，PV电池372仅在波导18的宽度的大约三分之一延伸。假设镜374沿边缘观、30的没有被PV电池372覆盖的剩余部分定位，在波导18 内未入射在PV电池上的光则继续在波导18内以箭头376表示的方向进行来回反射，直至光进入PV电池372之一。(类似的布置可用于实现不同光成分的彼此分离)。通过以这种方式减少PV电池(和出口光阑)相对于纵向波导边缘的尺寸，几何聚集率增加了。通过比较，图24B还包括波导378，其具有第一边缘379和第二边缘380 ；以及沿相应的每个边缘的PV电池382和镜384，其中PV电池占用上述相应的每个边缘的宽度的约三分之一，而沿上述边缘的镜占用上述相应的边缘的宽度的剩余部分。然而，与图24A的实施方式相比，波导378的边缘379、380彼此不是平行的而是呈锥形，使得整个波导在与波导垂直观察时具有梯形形状，(即，如沿上述轴线159所观察到的)。通过适当选择上述锥形边缘的角度，可实现光的反射(又如由箭头386所表示的那样)，其导致光到达PV电池382 要比图24A所示的情况更迅速。尽管在图24B中示出了梯形布置，可以理解，其它形状例如包括平行四边形布置或波导的边缘是弯曲的布置也是可能的。在每种情况下，选择边缘构造来改变从沿波导边缘的镜反射的光的反射角，从而增加朝向PV电池的反射的可能性以及由PV电池采集光的可能性。图24C还示出另一波导388。在该实施方式中，PV电池392仅沿波导的第一边缘 390定位，而波导的相对的边缘391为镜，使得没有光在该边缘射出波导。因此，在上述实施方式中，光不仅由沿定位PV电池392(在图24A至图MB的情况下不占用边缘的整个宽度)的第一边缘存在390的镜面394反射，还在镜面边缘391被反射，如箭头396指示的那样。至于图MD，仍示出附加的波导398，其还具有沿第一边缘397的PV电池392和镜面部分394，但与图MC中所示的具有镜面边缘391不同的是，波导398具有为菲涅尔反射器或后向反射器(在本实施方式中，菲涅尔反射器为平面的菲涅尔反射器)的边缘399。此外， 在图24C和图24D的实施方式中，产生了在PV电池392上的增加的聚集。此外，从图24C中显而易见的是，单独的PV电池可通过映出板式波导的整个出口光阑与对称耦合一起使用， 而由图24D显见的是，在波导的一个边缘使用其它类型的镜/棱镜也可在一些实施方式中提供，例如，当有效地实现在平面上的弯曲镜的效果时。参照图25至^B，控制或影响行进在波导例如上述的波导内的光的方向不仅可通过使用镜和透镜，还可通过适当选择/构造棱镜面来实现。特别地，每个规定的棱镜面可配置为旨在以特定的方向引导/反射光。参照图25，示意图示出一个示范波导400，多个棱镜面402定位在其中。如图所示，棱镜面402中的每个均被配置为主要在由来源于该棱镜面的相应的箭头指示的方向上引导/反射光。此外，如从图25中可以看出的那样，鉴于上述棱镜面402的方向的定向的适当选择，来自所有棱镜面的光一般可朝向位于波导400的规定边缘406的PV电池404引导。此外，鉴于棱镜面的能力不仅为了实现倾斜光线的TIR，还为了定向/引导光朝向波导的规定区域(例如朝向规定的边缘或波导的出口光阑)，图26A至图26C示出棱镜面的适当选择可如何用于实现朝向沿波导边缘定位的任意设置的PV电池的光的方向。更具体地，图26A至图^C中的每个分别示出相应的示范波导410、420和430，其中，第一 PV电池415、第二 PV电池425和第三PV电池435分别位于沿相应的波导的相应边缘的第一位置、第二位置和第三位置。尽管棱镜面没有特别在图26A至图^C中示出，但应注意的是， 示出了正切曲线417、427和437。只要棱镜面以垂直于相应的正切曲线417、427和437的方向引导光，在相应的图^A、26B和图^C中(以及在波导的纵向平面内)，光分别被大体上朝向相应的PV电池415、425和435沿一般由相应的箭头419、似9和439指示的方向引导。具体地参照图^C，还应理解的是，两个PV电池435沿波导的相对边缘定位，并且应注意的是，在关于波导的相对两半示出的正切曲线437中存在对称性。在图^C中示出的这种方式的棱镜面的布局可有助于多个波导的制造，因为棱镜面图案是重复的/循环的(因此多个波导能以任意类型的方式被制造)。尽管上述说明很大程度上假设采用了板式波导以及PV电池需要沿板式波导的边缘定位，如图27至图^B中所示，但一些实施方式中不需要是这样的情况。事实上，本发明旨在包括具有多种不同类型和形状的波导的多种实施方式。例如，在一些实施方式中，不仅可采用六面板式波导(或具有六个边缘的板式波导)还可采用具有多于六面/边缘的板式波导。同样，在一些实施方式中，波导无需具有均为平的面/边缘，而可包括一个或多个弯曲的面。此外，鉴于适当的棱镜面构造，可将光方向控制在这样的程度，也就是说，即使PV 电池仅占用沿一个或多个非边缘表面(例如图1的波导18的表面22、24)的较小的区域， 光仍可有效地耦合至PV电池。特别地如图27中所示，甚至有可能提供具有外圆柱边缘442的圆形波导440，外圆柱边缘442是回射/反射的，通过沿波导适当地配置棱镜面446有效地将光引导至远离边缘的PV电池444，从而将来源于棱镜面的光以箭头所示的方向引导，也就是说，以朝向PV电池的位置的方向引导。由于棱镜面446的定向，光完全朝向位于波导中心的PV电池引导。 此外，由于回射边缘442，光还如箭头448指示的那样远离外圆柱的圆周向内反射。当光在波导440的多个表面之间来回反射时，光最终行进至PV电池444的位置。由于光在波导 440内经过的反射的数量，根据PV电池444是否位于任意特定的两个非边缘表面之一(即与图1的表面22J4相对应的表面)，PV电池44的特定位置不是决定性的。特别地，无需将PV电池延伸至波导内来使PV电池令人满意地接收光。鉴于将规定的板式波导内的光通过棱镜面(以及互补的回射面)引导的能力，不仅可实现具有位于圆盘中心的单独的PV电池的径向的聚集器，在一些实施方式中圆盘还可由六边形的剖面代替以实现在聚集器元件之间的更高的填充因数。如图28A至图28B所示，多个六边形的板式波导部分450特别地可被组装以形成整体的波导组件452，其中，每个波导部分450在其中心具有单独的相关的PV电池454，波导部分内的所有光由于棱镜面的定向被朝向该PV电池妨4引导。图28A中示出了示范六边形波导部分450的剖面内的棱镜面的示范定向(特别地，在一个上述的波导部分的剖面中)，棱镜面456的特别配置的定向由来源于上述棱镜面的箭头指示。还可注意的是，在图27至图^B的旋转对称的实施方
25式中，耦合光提取器的设计(例如，根据棱镜面的定向)在围绕中心轴线转动时保持不变。通过棱镜面的适当配置，至少在某种程度上可实现波导内光流动的方向性，光可进一步引导/耦合至PV电池，而较少的光沿板式波导通过，因此实现更大的效率。在本发明的至少一些实施方式中，可以想象，使用棱镜面以实现方向性和更大的聚集可与任意一种或多种其它上述技术(例如，包括透镜、镜、反射器、光成分分离等的那些技术)结合使用， 从而实现板式波导内的光朝向PV电池的理想方向以及该光的理想聚集。也就是说，包括使用棱镜面控制光的上述方法不依赖于上述的其它光聚集/提取设计，而可与上述的其它光聚集/提取设计结合。基于上述说明，显而易见的是本发明旨在包括具有多种不同特征的多个实施方式，本发明还包括上述的特定实施方式上的多种变化。在本发明的至少一些附加实施方式中，太阳能系统可采用上文示出的与上述系统之一相关的一个或多个特征，以及上文示出的与其它上述系统相关的其它特征。同样，一个或多个特征可以许多不同的方式进行修改。 例如，在一些替换的实施方式中，可能将棱镜面(或其它注入元件)沿波导的与透镜阵列邻近的表面而不是沿波导的相对面布置。正如所指出的那样，多种不同类型的注入元件可根据应用和实施方式实现。从上述说明中显而易见的是，在至少一些实施方式中，本发明包括新类型的太阳能聚集器，其允许将阳光高效且经济地转化为电能。在至少一些上述的太阳能聚集器中，聚集器收集来自具有棱镜面/注入元件的面向上的大表面的阳光，通过在内部区域(板式波导)内的全内反射(TIR)将光线传送，其中，光线朝向结构的边缘引导。一个或多个PV电池设置在允许光泄露以进行收集和能量转化的位置。如上所述，这可位于板区域的一个或多个端部，板以该端部为末端而在该端部光可被有效地提取。然而，在可替换的实施方式中， 通过提供允许将光从板式波导导出并导入PV电池的结构/装置，PV电池可沿板式波导的长度循环设置。在一些上述的实施方式中，这包括创建紧邻PV电池的板式波导的急剧弯曲的区域。在板式波导/核中的一个或多个简单的折弯将破坏TIR条件，并因此可容易允许沿聚集器的一些点的光的提取。通常，太阳能PV系统设置在外部环境中进行工作，并且由于长时间暴露于天气而一般受退化影响。在集中的PV系统中，光学聚集器暴露于天气，而PV电池通常受到更好的保护。认识到PV电池常为系统中最大的单成本要素，希望设计一种系统使光学聚集器受到破坏时，作用的PV电池和相关的电子器件可被“回收利用”。就这点而言，在本发明的至少一些实施方式中，聚集器可制造为连续的片，其被切割为理想的长度，然后连接至线性的PV 电池。板式波导的性质允许以多种方式将引导的光从导向模式有效除去并引导入PV电池， 例如(1)通过以一定角度切割端部表面，(2)通过在波导和PV电池之间去除覆层或提供指数匹配的层，或(3)通过将急剧的物理弯曲或折弯引入波导，从而使光以小于全内反射的临界角入射。这些元件可预形成于波导片，但还可并入用于PV电池的安装，从而在关于 (在上面活动)它们连接的波导的任意区域容易执行。因此，设计带有夹紧在波导的聚集器片上的支撑物的线性光伏电池是可能的，创建了将导光除去并引导至光伏电池而不需要精确对准的元件。假设上述设计，可能具有模块化的集中光伏系统，其中一个或多个光伏电池(和相关的电连接)可连接至场中的光学聚集器或从场中的聚集器移开，这都是用于初始安装，随后用于维护(例如，如果由于环境的损害光学聚集器需要被替换)。此外，认识到基于波导的聚集器的全部收集效率取决于至 PV电池的距离，安装带有单独的PV电池的大面积的聚集器，然后通过后续添加更多的PV电池改进系统的总功率输出性能是可能的。通常，板式波导为多光模结构，可在光传播通过板时将光导向而不损失。通常，板式波导由低指数覆层在顶部和/或在底部环绕的高指数核构成。将垂直入射在板面上的光转换为在板内传播的光需要使光偏斜的某种结构，该结构不会将已捕集在板内的光射出 (或允许光过度泄露)。实现合适的导向的一种方法为提供带有与核相当的指数的局部耦合区域。如上所述，在至少一些实施方式中，这可包括使用较低指数液体内的高指数、亚波长尺寸的微粒的胶体悬浮液。明亮的入射光引起光学采集，增加高指数微粒的密度并增加总折射率，其中，射入光积聚微粒以产生平均折射率的增加。折射率的局部增加允许从悬浮的微粒散射、或从附近的光学结构(否则不与板内的导光相互影响)反射的光，被捕集在板区域内且被导向至PV电池。上述太阳能系统/太阳能聚集器的至少一些实施方式适用于制造的卷到卷加工方法。卷加工通过将小透镜模压在低指数塑料上来生产小透镜，低指数塑料覆盖较高指数板区域。背面可使用类似的过程制造，对于有效对准的版本，或使用夹层材料例如将充液层与有图案的后表面分离的冲孔网。在各种情况下，聚集器的多层可放置在一个连续的基板上来以非常低的成本创建长的、柔韧的产品。可替换地，聚集器可使用更传统也更昂贵的制造过程形成在刚性板上。因此，在至少一些实施方式中，本发明包括使用聚焦透镜和局部注入元件的总板式波导聚集器几何构造，其中，局部注入元件是固定的，或者可选地，注入元件是反应的 (对入射光作出反应而形成)，许多特定的材料和结构可用于形成注入元件。与许多传统的主动或被动的聚集器光学部件相比，板式波导样式是非常紧凑的。因为材料成本是总系统成本的重要部分，这带来潜在的成本节约。同样，如所指出的那样，在采用反应的太阳能聚集器的实施方式中，聚集器的反应属性无需常与太阳能聚集相关的主动跟踪。事实上，上述实施方式的特别之处在于不需要吸收。反应材料可进行无损反应，例如通过指数的改变。即使反应材料需要一些吸收，导入板内的光也不会(平均来说)再遇到反应材料，因此仅会经历有的单一损点。至少一些上述实施方式的几何构造的吸引之处在于可实现非常高的输入输出面积比。尽管一些实施方式将包括透镜阵列，并因此仅与反射光共同作用，但存在通过避免光子的吸收和缓解显著减少损失的可能性。总几何构造保留高收集面积的优点，并且包括反应的、指数改变的材料来避免主动跟踪。最高的换能效率光伏电池需要入射阳光的聚集，从而以最大效率(通常为 100-1000X的聚集)作用。然而，聚集器光学部件从根本上不能有效将漫射阳光收集在小面积光伏电池上。因此，高聚集光伏系统的效率在阴天里下降至接近零，而非聚集光伏系统(例如非晶硅太阳能板)基本保持其性能。鉴于这些考虑并进一步考虑许多太阳能装置 (例如为住宅或商用屋顶)包括太阳能聚集器可在其上执行的受限的面积的实际情况，本发明的至少一些实施方式旨在通过将直射阳光收集至聚集的高效光伏电池，以及(可能同时)将漫射的阳光引导到较低效的光伏电池，来便于实现与聚集的PV系统以及非聚集的光伏系统相关的益处。
在这方面，本发明的至少一些实施方式包括将直射阳光提取且聚集于照明区的边缘以由一个或多个PV电池接收，而允许漫射光通过波导以由一个或多个其他PV电池收集。 再参照图1，垂直进入透镜阵列8的光聚焦在复制的棱镜面沈上并耦合至板式波导18内。 在一些实施方式中(例如图10的实施方式)，以任意其他角度进入透镜阵列8的光由透镜聚焦在波导后表面的透明区域，错过棱镜面沈，透射过波导M的后表面而基本没有减弱。 因此，高效面积的混合光伏系统可通过将传统的太阳能板直接设置在微光学板式聚集器下方来制造。在晴朗的天气下，大多的能量会由高效的光伏电池通过聚集器生成。通过比较， 在阴天，越过板式聚集器的较小的能量总量主要由光伏板生成。与用非晶硅或晶体硅制造传统的PV电池材料的成本相比，每个上述实施方式中的太阳能系统/太阳能聚集器均可以非常低的成本制造。由于依从卷到卷加工，该聚集器设计很可能以几米长的柔韧片的形式存在。该聚集器可配备在屋顶上或作为向家庭或临时装置提供当地发电的帐篷。较小的单元可应用到笔记本电脑或其它小型电子器件的发电中。因为每个局部区域自动与入射光对准，所以至少一些上述实施方式可用柔韧的材料制造。这支持低成本利用和非传统的使用例如，作为帐篷材料或非平坦的地带上的地被物。 尽管上述说明描述了太阳能系统的多个部件相对彼此的物理定向(例如，其中一个部件在另一个部件“上方”或“下方”)，这些用语仅被提供以便于这些实施方式的说明，而不是将本发明限制于满足这些特定特征的实施方式。明确指出的是，本发明不限制于实施方式和本文中包括的附图，但包括上述实施方式的修改的形式，其包括部分实施方式及不同实施方式的元件的结合，均落入以下权利要求书的范围内。
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权利要求
1.一种用于采集太阳能的系统，包括第一透镜阵列，具有多个透镜；第一波导部件，邻近所述透镜阵列，其中，所述波导部件接收光，并且，所述波导部件包括沿所述波导部件的至少一个表面布置的棱镜面或镜面阵列；以及至少一个光伏电池，被定位以接收从所述波导导出的至少一部分光；其中，至少一些进入所述波导部件的光在由至少一个棱镜面或镜面反射时被限制从所述波导部件离开，由此，被限制从所述波导部件离开的所述至少一些光由所述波导朝向至少一个光伏电池引导。
2.如权利要求1所述的系统，其中，由于所述棱镜面或镜面的作用，所述至少一些光通过全内反射基本被捕集在所述波导内。
3.如权利要求1所述的系统，其中，每个棱镜面或镜面均与所述透镜阵列的相应的透镜对准。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述透镜阵列包括外表面和与所述外表面相对的内表面，由所述波导接收的光在由所述波导接收之前最初入射在所述外表面上，所述内表面在所述波导部件旁延伸。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述透镜阵列的透镜适用于将光朝向所述波导部件的所述棱镜面或镜面聚焦。
6.如权利要求4所述的系统，其中，所述波导部件包括第一表面、第二表面以及位于所述第一表面和所述第二表面之间的中间光导结构，其中，覆层形成所述第一表面并且所述覆层与所述透镜阵列的所述内表面接触。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述棱镜面或镜面沿所述第二表面形成。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述棱镜面或镜面至少部分通过将光朝向沿所述第二表面布置的光敏材料引导而形成，并且，所述第二表面另外用作附加覆层。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述棱镜面或镜面至少部分通过能够对光的改变重复作出反应的光敏材料而形成，从而当由所述波导部件接收的光随着时间在方向上变化时，所述棱镜面或镜面的特征随着时间改变。
10.如权利要求9所述的系统，其中，通过吸引高介电指数微粒从而实现光学捕集，所述光敏材料作用以对部分光的电场的改变进行重复感测以及响应。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述光敏材料包括所述高介电指数微粒，其中， 所述高介电指数微粒为纳米级微粒的二氧化钛，并且，所述光敏材料还包括稠密但低折射率的含氟聚合物材料，在所述含氟聚合物材料中包含所述高介电指数微粒。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述太阳能系统的至少两部分能够相对彼此移动，使得即使入射光随着时间变化入射的角度，首先到达所述系统的入射光也最终由所述棱镜面或镜面接收。
13.如权利要求12所述的系统，还包括多个附加透镜阵列，其中，所述附加透镜阵列中的至少一个能够相对于所述透镜阵列至中的少另一个移动。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述波导部件可相对于所述透镜阵列横向移动。
15.如权利要求1所述的系统，其中，在光先到达所述透镜阵列之后，所述波导部件接收来自所述透镜阵列的光。
16.如权利要求15所述的系统，其中，光从外部位置到达所述透镜阵列。
17.如权利要求15所述的系统，其中，光首先通过所述波导部件之后到达所述透镜阵列。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述透镜阵列包括用于将到达所述透镜阵列的光朝向所述波导部件反射回来的镜表面。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述镜表面为分色表面，通过所述分色表面，到达所述透镜阵列的至少一部分附加光能够行进至漫射光接收器或另一波导部件。
20.如权利要求1所述的系统，还包括第二透镜阵列，其中，所述波导部件定位在所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列之间。
21.如权利要求1所述的系统，其中，由所述波导部件接收的光在首先通过所述第一透镜阵列并且由所述第二透镜阵列朝向所述波导部件反射回来之后被接收。
22.如权利要求20所述的系统，其中，所述波导部件可相对于所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列横向移动。
23.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光伏电池的第一光伏电池沿所述波导部件的纵向边缘定位。
24.如权利要求1所述的系统，还包括沿所述波导部件的至少一个纵向边缘定位的折叠棱镜、曲面镜、反射器中的一个或多个。
25.如权利要求M所述的系统，其中，朝向所述至少一个光伏电池引导的至少一些光仅在由所述折叠棱镜、所述曲面镜、所述反射器中的一个或多个引导后行进至所述至少一个光伏电池。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述至少一个光伏电池的第一光伏电池还接收来自另一相邻的波导部件的附加光。
27.平面阵列太阳能系统，包括如权利要求25所述的系统，并且还包括多个附加的系统，所述附加的系统中的每个均包括相应的波导部件和相应的透镜阵列。
28.如权利要求1所述的系统，其中，被限制离开所述波导部件的所述至少一些光的第一部分由所述波导部件引导至所述波导部件的第一边缘表面并通过所述第一边缘表面，并且由此耦合至所述至少一个光伏电池的第一光伏电池。
29.如权利要求观所述的系统，其中，所述第一边缘表面包括第一分色镜，所述第一分色镜允许与第一光谱部分对应的所述至少一些光的第一部分透射以便通过所述波导部件， 用于由所述第一光伏电池接收。
30.如权利要求四所述的系统，其中，所述波导部件包括具有第二分色镜的第二边缘表面，所述第二分色镜允许与第二光谱部分对应的所述至少一些光的第二部分透射以便通过所述波导部件，用于由所述至少一个光伏电池的第二光伏电池接收。
31.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一波导部件包括彼此基本相对的第一纵向表面和第二纵向表面，其中，所述第一纵向表面在所述透镜阵列旁延伸，其中，所述波导部件还包括第一侧边缘表面和第二侧边缘表面，所述第一侧边缘表面和所述第二侧边缘表面均在所述第一纵向表面和所述第二纵向表面之间延伸并且还延伸远离所述透镜阵列，以及其中，所述波导部件还包括第一端边缘表面和第二端边缘表面，所述第一端边缘表面和所述第二端边缘表面均在所述纵向表面之间延伸并且还在所述侧边缘表面之间延伸。
32.如权利要求31所述的系统，其中，第一分色镜形成在所述第一端边缘表面上，而第二分色镜形成在所述第二端边缘表面上，其中，所述第一分色镜允许所述至少一些光的第一部分通过所述波导部件以便由所述至少一个光伏电池的第一光伏电池接收，但阻止所述至少一些光的第二部分通过所述波导部件，并且，所述第二分色镜允许所述第二部分通过所述波导部件以便由所述至少一个光伏电池的第二光伏电池接收，但阻止所述第一部分通过所述波导部件。
33.如权利要求31所述的系统，还包括在所述第一波导部件的所述第一纵向表面或所述第二纵向表面旁延伸的第二波导部件，其中，分色镜形成在所述第一波导部件和所述第二波导部件之间。
34.如权利要求33所述的系统，其中，所述分色镜形成在所述透镜阵列的透镜上，所述透镜阵列定位在所述第一波导部件和所述第二波导部件之间。
35.如权利要求34所述的系统，其中，所述透镜阵列的透镜适用于将第一光成分引导至所述第一波导部件的棱镜面或镜面，还适用于允许第二光成分通过至所述第二波导部件的附加棱镜面或镜面。
36.如权利要求33所述的系统，还包括折叠棱镜、反射器和曲面镜中的至少一个，其将所述波导部件的至少一种光成分重引导经过一个边缘表面。
37.如权利要求31所述的系统，还包括折叠棱镜、反射器和曲面镜中的至少一个，其将通过所述边缘表面之一射出所述波导部件的至少一种光成分重引导；以及至少一个外部分色镜，将至少一种光成分分化为第一光成分和第二光成分。
38.如权利要求31所述的系统，其中，所述至少一个光伏电池的第一光伏电池沿所述第一端边缘表面定位，其中，所述第一光伏电池仅覆盖所述第一端边缘表面的第一部分，并且，所述第一端边缘表面的除了所述第一部分的剩余部分被配置为使反射光入射在其上。
39.如权利要求38所述的系统，其中，所述端边缘表面彼此平行或相对于彼此倾斜。
40.如权利要求38所述的系统，其中，镜、菲涅尔反射器、回射器和附加的光伏电池中的至少一个沿所述第二端边缘表面设置或设置作为所述第二端边缘表面。
41.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述棱镜面或镜面均被配置为在所述波导部件内以相应的方向引导至少一部分光。
42.如权利要求41所述的系统，其中，所述棱镜面或镜面分别被配置为朝向所述至少一个光伏电池引导至少一些光。
43.如权利要求42所述的系统，其中，所述棱镜面或镜面分别被配置为朝向所述至少一个光伏电池以径向方式引导至少一些光，并且，所述至少一个光伏电池定位在不是所述波导的边缘表面的位置。
44.如权利要求43所述的系统，其中，所述波导部件为圆柱形或六边形的。
45.一种制造如权利要求1所述的系统的方法，其中，所述波导部件包括第一表面和第二表面，并且，所述方法包括在所述波导部件的所述第二表面上提供至少一种光敏材料；以及通过将所述至少一种光敏材料暴露于至少一些光而形成所述棱镜面或镜面。
46. 一种制造太阳能收集系统的方法，包括 提供波导层；提供与所述波导层结合的透镜阵列；以及通过将所述波导层和至少一个附加层暴露于光从而在所述波导层上形成棱镜面或镜
47.如权利要求46所述的方法，还包括(a)在所述波导层的第一表面上应用上层和覆层；(b)执行模压以在所述上层中形成所述透镜阵列的透镜；(c)在所述波导层的第二表面上应用紫外光固化成型膜，所述第二表面与所述第一表面相对；(d)执行冲压以在所述成型膜中提供棱镜面构造；(e)将所述成型膜暴露于紫外光，由此形成所述棱镜面或镜面；以及(f)执行溶剂浴操作以移除未固化的面材料。
48.如权利要求7所述的方法，还包括(g)将至少一个光伏电池附接至所述波导层的至少一个边缘表面。
49.如权利要求46所述的方法，还包括(a)在所述波导层上设置光敏聚合物涂层；(b)向具有所述光敏聚合物涂层的所述波导层应用模型；(c)联合烘烤所述模型、所述波导层和所述光敏聚合物涂层；(d)在执行设置所述透镜阵列前移除所述模型，其中，所述透镜阵列设置为与所述波导层的与所述光敏聚合物涂层相对的表面相邻；(e)将所述光敏聚合物涂层暴露于紫外光；(f)将反射涂层沉淀在所述光敏聚合物涂层上；以及(g)进一步加热所述光敏聚合物涂层，其中，所述棱镜面或镜面由至少一部分所述光敏聚合物涂层形成。
50.一种采集太阳能的方法，包括在波导部件接收光；将所接收的至少一部分光在沿所述波导部件的表面形成的多个棱镜面或镜面处反射， 其中，在光由所述棱镜面或镜面反射之后，基本所有被反射的光都在所述波导部件内经过全内反射；在所述波导部件内将被反射的光朝向所述波导层的边缘表面传播；以及在所传播的反射光透射过所述边缘表面时，在光伏电池处接收所述所传播的反射光。
51.如权利要求50所述的方法，其中，所述光伏电池基本在所述波导层的所述第一表面和所述第二表面之间延伸。
52.如权利要求50所述的方法，其中，光首先提供至多个微透镜，然后传递至所述波导部件的覆层，通过所述覆层，光由所述波导部件接收，所接收的光然后行进通过所述波导部件的波导层。
53.如权利要求50所述的方法，其中，当光中出现变化时，所述棱镜面或镜面或者至所述棱镜面的至少一个光程的至少一个特征随时间被修改。.53. 一种用于采集太阳能的系统，包括具有上覆层和下覆层的光学波导层，；具有多个透镜的透镜阵列，所述透镜阵列设置在上覆层上方并且阳光入射在所述透镜阵列上；在所述光学波导层上形成的注入元件阵列，所述注入元件阵列被布置为使得每个注入元件位于所述透镜的相应的一个透镜的焦点处或其附近，其中，每个注入元件被定向使得从所述透镜聚焦到相应的注入元件上的光耦合至所述光学波导层；以及沿所述光学波导的至少一个边缘表面定位的至少一个光伏电池，其中，耦合至所述光学波导层的光由所述波导朝向所述至少一个光伏电池导向并且由所述至少一个光伏电池吸收。
54.一种组合式聚集的太阳能光伏系统，包括如权利要求53所述的系统，其中，所述光伏系统允许附带所述至少一个光伏电池并且使其从基于波导的大面积的光学聚集器脱离， 其中，附属物用于将导向的光引入所述光伏电池的孔中。
55.一种太阳能光伏系统包括将直射阳光收集至小面积PV电池的太阳能聚集器，其在光收集区与将非直射阳光收集至大面积PV或太阳能热板的非聚集太阳能板重叠。
全文摘要
公开了采集太阳能的系统和方法以及相关的制造方法。在至少一个实施方式中，系统包括具有多个透镜的第一透镜阵列，和邻近透镜阵列第一波导部件，其中，波导部件接收光，其中，波导部件包括沿波导部件的至少一个表面布置的棱镜面或镜面阵列。该系统还包括至少一个光伏电池，其被定位以接收导出波导的至少一部分光。至少一些进入波导部件的光在由至少一个棱镜面或镜面反射时被限制从波导部件离开，由此，被限制从波导部件离开的至少一些光由波导朝向至少一个光伏电池引导。
文档编号H01L31/042GK102216695SQ200980146342
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月18日 优先权日2008年9月19日
发明者埃里克·特莱布雷, 朱斯廷·马修·哈拉斯, 约瑟夫·E·福特, 詹森·哈里斯·卡普 申请人:加利福尼亚大学董事会