专利名称：发光太阳能集中器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光太阳能集中器(Luminescent Solar Concentrator)系统，其包括具有发光材料的转换器元件，用于在光谱上转换入射光，特别是太阳光。而且，其涉及在发光转换器元件的帮助下收集和集中外部光(特别是阳光)的方法。
背景技术：
WO 2009/067479 A2公开了一种具有模块化设计的发光太阳能集中器(以下简称“LSC”XLSC包括具有特定曲线、凸形的波导瓦片，其包括发光材料，例如，荧光染料，用于吸收入射的太阳光以及将其以较长的波长来再发射。布置在瓦片周围处的光电池将它们从波导接收的光转换成电能。波导瓦片具有在50mm和250mm之间，优选地在130mm和160mm之间的边长，同时，它们的厚度优选地大约为3mm
发明内容
·基于该背景，本发明的目的是提供一种装置，用于高效且成本效益好地收集光能，特别地用于将太阳光转换成电能。该目的由根据权利要求I的发光太阳能集中器(LSC)系统和根据权利要求2的方法来实现。从属权利要求中公开了优选的实施例。根据本发明的发光太阳能集中器系统(或者简称LSC系统)被预期用于收集外部光，特别是太阳光。在许多情形中，所收集的光将被转换成电能，虽然也可以是所收集的光的其它应用。LSC系统包括以下主要元件
a)光导元件，其包括用于将入射的外部光转换成较长波长光的发光材料。该光导元件以下将被称为“发光转换器元件”或者简化为“转换器元件”。转换器元件将进一步具有限定转换器元件的厚度D的相对表面。这些表面中的一个将在以下被称为“外表面”，因为其将是外部光可以通过其进入转换器元件的表面。其它的表面将因此被称为“内表面”。在许多应用中，外表面和内表面将基本上彼此平行。如果它们不平行，厚度D将被限定为这两个平面之间的平均距离。而且，转换器元件的材料具有对于入射太阳光的吸收系数ax，以及对于由其发光材料所发射的转换光(“发光的光”)的(再)吸收系数a。。吸收和再吸收系数之间的比R=ax/
a。于是是表征转换器元件的参数，其中，对于转换效率，R的高值(例如，^ 10000)是理想的。b)多个光提取元件，用于提取来自前述发光转换器元件、通过其内表面的光，其中，所述光提取元件位于提取位置处，所述提取位置彼此间具有平均距离W，所述平均距离W小于或者等于发光转换器元件的厚度的大约(R/10. O)倍，S卩，W < O. I · RD。从发光转换器元件所提取的光将通常包括源自对外部光转换的发光的光以及直射的外部光。要指出的是，在本发明的上下文中，“吸收系数”如通常限定为常数，其表征光强度I (Z)在通过所考虑的材料行进距离z后根据公式I(Z)=Ic^exp(IZ)的指数减少。通过在所考虑的光(即，在ax情况下为(标准)太阳光并且在a。情况下为产生的发光的光)的完整光谱上的积分，系数的可能的波长依赖在该公式中被除去。在转换器元件的情况下，再吸收系数a。也可以考虑散射损失。所描述的发光太阳能集中器系统获得了高效率，因为光在多个提取位置处从发光转换器元件被提取，鉴于其吸收/再吸收特征，所述位置相对于转换器元件的厚度彼此间隔不太远。通过该几何形状的设计限制，由于光子的散射和再吸收，可以限制在转换器元件内部的损失。本发明还涉及一种用于收集和集中外部光，特别是太阳光的方法，所述方法包括以下步骤
a)通过发光转换器兀件收集外部光,所述发光转换器兀件具有在外表面和相对的内表面之间的厚度D以及在对于太阳光的吸收系数ax和对于发光的光的再吸收系数a。之间的比例R。
·
b)在提取位置处提取来自前述发光转换器元件、通过其内表面的光，所述提取位置彼此间具有平均距离W < O. I · RD。该方法以通常的形式包括可以利用以上所限定的LSC系统来执行的步骤。因此，请参阅关于本方法详细内容和优点的更多信息的以上描述。以下，不同的优选实施例将被描述，其涉及以上所限定的LSC系统和方法。在第一特定实施例中，在光提取位置之间的距离W的值进一步地限定为范围W ^ 0.05 · RD，优选地，为在大约O. 02 · RD和O. 05 · RD之间的范围。发光转换器元件的厚度D可以优选地在IOmm和O. Imm之间的范围，最优选地在3_和O. Imm之间的范围。这些值是有利的，因为它们允许构成低重量的LSC系统。小的值变得是可能的，而不损失收集效率，因为光在多个提取位置处从薄的发光转换器元件被提取，所述的提取位置彼此间隔距离不远于O. I · RD。光如何在提取位置处从发光转换器元件提取存在若干种方法。根据第一实现方式，至少一个光提取元件包括为镜面反射(即，反射)的发光转换器元件的表面。当光在转换器元件内部传播而撞击镜面反射表面时，它将偏离其正常路径，并且因此呈现允许其离开转换器元件的状态(入射角)。前述的镜面反射表面可以优选地相对于发光转换器元件的内表面倾斜，特别地以锐角倾斜。由镜面反射表面所反射的光将因此在大多数情况下以允许通过所述表面的通道而没有全内反射的某一角度到达内表面。在镜面反射表面的优选实施例中，该表面的反射率是波长选择性的。在转换器元件中所生成的发光的光的反射率可以特别地高于未转换的(外部的)光的反射率。以此方法，首先被转换的光从发光转换器元件中被提取，而未转换的光仍然在部件中，这增加了其后来被转换的机会。根据另一个实现方式，至少一个光提取元件可以包括透明的光学部件，其在提取位置处接触发光转换器元件的内表面。在该实施例中，转换器元件和所述透明的光学部件的反射指数优选地彼此匹配，以使得来自转换器元件内部撞击内表面的光可以容易地进入透明的光学部件，而不需要明显的反射或者折射。一旦在透明的光学部件内部，所提取的光可以在像反射、折射或者衍射等的已知原理的帮助下被导向一些理想终点。正如已经提及的，LSC系统的重要应用将是将外部(太阳)光到电能的转换。为此，LSC系统可以优选地包括至少一个太阳能电池，即，光电部件，其可以将(可见的，UV和/或IR)光转换成电能。为此目的的合适太阳能电池对本领域普通技术人员是已知的(参见，WO2009/067479 A2)。所提及的太阳能电池在本发明的特定实施例中可以位于提取位置处。从发光转换器元件内部照射到内表面上的光可以然后可以直接通过该表面进入太阳能电池，在所述太阳能电池中，其可以被转换成电能。根据另一个实施例，LSC系统包括作为附加元件的光学系统，用于将从发光转换器元件所提取的光导向以上所提及的太阳能电池。为此，光学系统将通常被布置在发光转换器元件和太阳能电池之间的空间中。光学系统允许更加独立于转换器元件的内表面的提取位置来布置太阳能电池。光学系统可以特别地实现一些集中功能，其在提取位置的第一区域中收集光并且在太阳能电池的第二、较小区域处传递该光。这允许进一步减小(昂贵的)太阳能电池区域的尺寸并且因而减小LSC系统的整个成本。将单个(或者很少)太阳能电池用于转换来自从多个提取位置所提取的光变的特别可能。 前述光学系统可以可选地包括至少一个准直器，用于将在提取位置处所提取的光改变方向以使得其基本上与给定理想方向对齐。准直器可以例如是通过折射改变光方向的透明体，或者其可以包括用于重定向的反射表面。光学系统可以进一步包括至少一个透镜，用于将所提取的光聚焦到太阳能电池上。这种透镜可以有利地与一个或者多个前述的准直器相结合，其将所提取的漫射光与主方向对齐，以使得其可以通过透镜偏向理想终点。在许多应用中，发光转换器元件将简单地具有平面的，基本上类似板的形状。然而本发明还包括在其中发光转换器元件具有弯曲的三维形状(例如，钟形或者圆柱形)的实施例。作为实例，弯曲可以是使得在提取位置处所提取的光聚焦到例如太阳能电池可以位于其中的通用区域。
参考以下所述的(多个)实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的并且被阐述。这些实施例将在附图的帮助下经由实例来描述，其中
图I示意性地示出了通过根据本发明的第一 LSC系统的截面，其将倾斜的镜面反射表面作为光提取元件；
图2示出了与图I相似的LSC系统的透视图，其具有一维阵列的设计；
图3示出了与图I相似的LSC系统的透视图，其具有二维阵列的设计，其中，发光转换器元件已经部分地被去除以示出底下的太阳能电池网格；
图4示意性示出了通过包括具有准直器的光学系统的LSC系统的截面，所述准直器接收由作为光提取元件的倾斜镜面反射表面所提取的光；
图5示意性示出了通过包括多个微准直器的LSC系统的截面，所述微准直器在提取位置处与均匀的转换器元件光学接触；
图6示意性示出了通过与图5相似的LSC系统的截面，其具有发光转换器元件的弯曲的三维形状；
图7示意性图示了 LSC系统的球形三维设计；图8示意性图示了 LSC系统的圆柱形三维设计。由100的整数倍数区别的相似附图标记或标号在图中指的是相同或者相似的元件。
具体实施例方式发光太阳能集中器(LSC)本质上包括平坦的玻璃或者塑料薄片，其含有或者涂有吸收太阳光并且以较长波长发射光的发光体(染料或者磷光体)。一部分较长波长的光由全内反射(TIR)来截留，并且被导到LSC薄片的边处，在那里，其耦合到小区域、高效的太阳能电池中。为了防止未由TIR所捕获的光的泄漏，由多层介电层或者基于胆甾型液晶的材料组成的波长选择性镜面(也称为光子带阻滤波器、干涉滤波器或者Bragg镜)可以被应用到 LSC 薄片的顶部(参照，DE 2 737 847 Al ；W0 2006/088369 A2 ;Peters 等，SPIE 7002(2008) 70020V)。
LSC的优点在于，其直接捕获以及漫射太阳光，而不需要准确的太阳跟踪。但是当然大部分的光在表面取向与直射的太阳光垂直时被捕获。当由TIR限制时，长波长的辐射由于散射和再次吸收而在LSC的光导中经历损失。这使得当光导的总长度和宽度超过其厚度的大约5-10倍时系统效率下降，这取决于许多几何的和材料的参数。效率可以通过增加光导的厚度来增加，但是这明显增加了重量和材料成本。因此，需要一种不具有这些缺点的增强效率的LSC。前述问题由本发明的实施例来处理，其包括通过使用微光学部件来激活的模块化方法。代替具有非最优的长度对厚度比的薄的单个LSC光导，小型化的光导阵列被使用，每个小型化光导具有最优的长度对厚度比。单个LSC光导的效率于是大大地增强。所提出的解决方法的第一实施例在通过图I的LSC系统100的截面图中被图示。LSC系统100包括(代替均匀的、扁平薄片)多个厚度D的发光转换器模块111，其通常构成“发光转换器元件”110。微光学面和波长选择镜涂层设置在每个发光转换器模块111的倾斜边处，其构成作为从发光转换器元件110提取光的光提取元件的镜面反射表面114。这些光提取元件布置在提取位置EX处，所述提取位置EX彼此间隔平均距离W。而且，高效太阳能电池121的阵列120被设置以使得太阳能电池121被布置在每个提取位置EX处。当直射的外部(太阳)光入1和/或漫射光λ2照射到LSC系统上，其可以通过它们的外表面112进入发光转换器模块111。照射到波长选择性镜面反射表面114上的光可以通过这些表面，并且进入模块111或者直接到达太阳能电池121。一旦在发光转换器元件110内，外部光将(至少部分地)由在其中的发光材料根据为转换器材料的特征的吸收系数\来吸收。对于(极小地)小距离Λ ζ，入射的太阳光强度的下降Λ I与强度I近似成比例，而吸收系数ax为比例常数，S卩，Δ I=-ax · I · ΔΖο对于较大的距离z，这得出指数定律
I(z)=I0 · exp(_ax · ζ)
其中，在ζ=0处具有某些给定的强度I。。所吸收的(太阳)光以较长的波长再发射。由转换器元件的材料再吸收和/或散射该再发射的发光的光可以类似地由再吸收系数a。来表征。为了高转换效率，比例
R=ax/ac
应当尽可能大，例如，对于好的材料，R=IOOOO。用于转换器元件的材料的一个实例是来自巴斯夫(BASF)公司的Lumogen F红305,其具有大约aflOppnTV1和ae=0. lppnTV1的系数，以及因此的大约R=IOO的比例。可以在转换器元件中使用的合适的发光材料的另外的实例可以在文献(例如，WO 2009/067479 A2)中被找到。应当指出的是，以上系数ax、a。相对于整个转换器元件材料而不仅仅相对于其发光材料来限定。如果转换器元件不完全由发光材料来组成，而是包括例如像透明聚合物(例如，聚碳酸酯或者丙烯酸酯聚合物，参照，WO 2009/067479 A2)的某些基体材料，这形成不同。所转换的光以及直射光基本上由TIR朝向发光转换器模块111的边(即，向提取位置EX)传播。此处，光由镜面反射表面114来偏离并且通过其“内表面” 113离开发光转换器元件110，进入到在其中其被转换成电能的太阳能电池121。在相邻的提取位置EX之间的距离W被选择以使得它们小于(或者等于)发光转换 器元件Iio厚度D的大约(O. IR)倍，S卩，WS0. I · RD。这保证了 可以获得高效，同时，转换器元件110不变得太重或者昂贵。假定例如99%的入射太阳光将被吸收，并且考虑到在所转换的光朝向边处的太阳能电池传送过程中发生的损失，这可能需要该传送必须具有例如> 90%的产出。其然后可以推导出几何比例W/D应当被选择为W/D < O. 043 · R0如果> 95%的传送产出被要求，而不是> 90%，那么应当保持W/D < O. 022 .R0因为目前所使用的材料具有大约100的比例R (由于比较大的再吸收损失)，后者要求相当于W/D < 2。虽然发光转换器模块111被画出具有平行的外表面112和内表面113，但是它们也可以具有不同的形状，例如，像楔形物或者锥形物。具有类似于图I的截面图的完整的LSC系统可以例如是类似于图2的LSC系统200的一维带状阵列，或者其可以是类似于图3中所图示的LSC系统300的二维网格阵列。以此方式，太阳能电池阵列201或者310可以分别地在薄的扁平衬底上制作。图4到7图示了 LSC系统的可替代实施例，其中，太阳能电池的阵列由单个高效太阳能电池来代替。 在图4中的截面图中所不出的LSC系统400中，发光转换器兀件410类冋于图I中的转换器元件，即，将提取位置EX处的镜面反射表面414作为光提取元件。现在，然而，在发光转换器元件410的内表面413和(单个的)光电池420之间存在附加的光学系统430。光学系统430包括位于提取位置EX处的微集中器或者微准直器431。在准直器431后面，光具有很强的方向性。通过使用附加的薄的菲涅尔或者衍射透镜432，所有的光可以聚焦到单个太阳能电池420上。可选地，这设置有像如所示出的半球433的收集光学器件，或者复合抛物面型集中器(CPC，未示出)。与跟踪太阳的典型单个CPC系统相比较的优点在于，所提出的系统更好地捕获漫射的太阳光。图5示出了 LSC系统500的另一个实施例。此处，发光转换器元件510是均匀的、扁平的薄片511。提取位置EX由光学系统530的微准直器531构成，其通过与光导511紧密光接触来提取光。此外，薄的扁平透镜532将所有的辐射聚焦到单个太阳能电池520上。图6示出了 LSC系统600，其中，薄的透镜(以上设计的432和532)通过设置具有弯曲的三维形状的发光转换器元件610和相关联准直器631而除去。该3D形状可以是圆顶，正如图7中所进一步图示的，或者如图8中所图示的圆柱体。该实施例的优点在于，太阳能跟踪是不必要的，并且增强了直射太阳光的效率。总的来说，本发明的优选实施例已经进行了详细描述，其涉及包括以下特征/元件的发光太阳能集中器系统
-一个或者多个掺杂有和/或涂有发光体的光导；
-微光学提取和/或集中器特征；
-可选地，一个或者多个太阳能电池；
-可选地，太阳能电池的ID条带；
-可选地，太阳能电池的2D网格；
-可选地，微集中器的阵列，例如，CPC ;
-可选地，薄透镜，例如，菲涅尔或者衍射光学器件；
-可选地，3D形状的光导，例如，圆柱形的或者球形的。最后，要指出的是，在本申请中，术语“包括”不排除其它的部件或者步骤，“一”不排除多个，并且单个处理器或者其它单元可以执行若干个装置的功能。本发明在于，每个新颖性特有特征和特有特征的每个组合。而且，权利要求中的附图标记不解释为限制它们的范围。
权利要求
1.一种发光太阳能集中器系统(100-700)，包括 a)发光转换器元件(110-710)，其具有在外表面(112)和内表面(113)之间的厚度D以及在对于太阳光的吸收系数(ax)和对于发光的光的再吸收系数(a。)之间的比例R ； b)多个光提取兀件(114-414，531,631),用于提取来自发光转换器兀件、通过其内表面(113)的光，其中，所述元件位于彼此间具有距离W < O. I · R · D的提取位置(EX)处。
2.一种用于收集和集中外部光，特别是太阳光的方法，包括以下步骤 a)通过发光转换器元件(110-710)收集外部光(λi，λ2)，所述发光转换器元件(110-710)具有在外表面(112)和内表面(113)之间的厚度D以及在对于太阳光的吸收系数(ax)和对于发光的光的再吸收系数(a。)之间的比例R ； b)在彼此间具有距离W< O. I -R-D的提取位置(EX)处提取来自发光的转换器元件、通过其内表面的光。
3.根据权利要求I的发光太阳能集中器系统(100-700)或者根据权利要求2的方法， 其特征在于，光提取位置(EX)之间的距离W范围在大约O. 02 *R *D和大约O. 05 *R *D之间。
4.根据权利要求I的发光太阳能集中器系统(100-700)， 其特征在于，发光转换器元件(110-710)的厚度D范围在大约3000 μ m和100 μ m之间。
5.根据权利要求I的发光太阳能集中器系统(100-400)或者根据权利要求2的方法， 其特征在于，至少一个光提取元件包括发光转换器元件(110-410)的镜面反射表面(114-414)。
6.根据权利要求5的发光太阳能集中器系统(100-400)， 其特征在于，镜面反射表面(114-414)相对于内表面(113)是倾斜的。
7.根据权利要求5的发光太阳能集中器系统(100-400)， 其特征在于，镜面反射表面(114-414)具有波长选择性反射率。
8.根据权利要求I的发光太阳能集中器系统(500-600)， 其特征在于，至少一个光提取元件包括透明的光学部件(531，631)，其接触发光转换器元件(510，610)的内表面。
9.根据权利要求I的发光太阳能集中器系统(100-700)或者根据权利要求2的方法， 其特征在于，存在至少一个接收所提取的光的太阳能电池(120-720)。
10.根据权利要求9的发光太阳能集中器系统(100-300)或者方法， 其特征在于，太阳能电池(120-320)位于提取位置(EX)处。
11.根据权利要求9的发光太阳能集中器系统(400-700)或者方法， 其特征在于，其包括光学系统(430-630)，用于将所提取的光导向太阳能电池(420-720)ο
12.根据权利要求11的发光太阳能集中器系统(400-700)或者方法， 其特征在于，光学系统(430-630)包括至少一个准直器(431-631)，用于将在提取位置(EX)处所提取的光再改变方向，以使得其基本上与给定方向对齐。
13.根据权利要求11的发光太阳能集中器系统(400，500)或者方法， 其特征在于，光学系统(430，530)包括至少一个透镜(432，532)，用于将所提取的光聚焦到太阳能电池(420，520)上。
14.特征在于，发光转换器元件(610，710)具有弯曲的三维形状。
全文摘要
本发明涉及一种发光太阳能集中器系统(400)和用于收集且集中外部光(特别是太阳光)(λ1，λ2)的方法。外部光由发光转换器元件(410)来收集，其具有厚度D以及在对于太阳光的吸收系数ax和对于发光的光的再吸收系数ac之间的比例R=ax/ac。由于由所述转换器元件(410)所包括的发光材料，至少一部分外部光被转换成发光的光。而且，在转换器元件(410)内部传播的光从其彼此间具有距离W≤0.1·R·D的光提取位置(EX)处被提取。光提取元件可以例如包括倾斜的镜面反射表面(414)和/或与转换器元件接触的光学部件。
文档编号H01L31/055GK102893416SQ201180025696
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月25日
发明者H.J.科内里森, S.T.德滋瓦特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司