用于聚集太阳能的改进装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于采集太阳能的装置以及太阳能电力系统。
【背景技术】
[0002]任何关于现有技术的方法、装置或文件的参考不作为构成它们所形成的任何证据或许可，并且不形成公知常识的一部分。
[0003]将太阳能转化为电能的最常见的方法需要将标准光伏模组安装在屋顶上或地面安装结构上。平均而言，该方法以大大低于20%的效率将太阳光转化为电能。
[0004]多结光伏电池比这些标准光伏电池高效约150%，但是需在太阳光经由透镜、棱镜或镜子聚集时，并且当通过使用高精度双轴跟踪设备将阵列非常精确地转向并面对太阳时，它们才能发挥最佳效能。
[0005]相对于固定的标准模组，使用这种跟踪器可额外增加约30-40%的更多电能，因此在将跟踪器和多结电池组合使用的情况下以期获得高于3倍的更多能量将是合理的。但是在实践中，由于大多数聚光器要求很高水平的跟踪精度，而该跟踪精度是难以实现的，因此这些收益很难实现。要求的接受角通常大大低于+-1.5度，甚至略微超出这个小范围的不精确跟踪会导致电输出几乎停滞。在聚光器部件的制造过程中的质量控制也被证明是困难的。
[0006]现有技术中已经有大量聚光器，其中在垂直或水平反射离开台阶状的反射面之后，聚集光与平面光导相耦合。一种设计包括水平和垂直的台阶状反射面。这些器件通常以注入元件的深度或宽度进行台阶的迈步或跨步，借此，光导在深度(台阶均在垂直平面中)上或在宽度(台阶均在水平平面中)上迅速增加。这些布置会约束阵列的潜在长度，因此也会约束光捕获的面积和潜在聚光率。
[0007]在水平的台阶状光导(如图1A和IB中所描述的)的情况下，在一个光导中的主聚光器元件影响相邻光导的聚光器元件的空间之前，仅有有限数量的台阶，每个台阶由一个注入元件的宽度定义。在垂直的台阶状光导(如图1C中所描述的)的情况下，就所要求的光学材料的体积而言，增加的深度变得很厚，难以处理，并且操作价格昂贵。
[0008]还有具有斜面的或锥形的耦合元件的装置。这些装置中的一些具有设在靠近较厚的光导底部的锥形元件，表示接受角和/或聚光率不高。其他装置在相同的光流中使用一系列锥形耦合元件，不可避免地，下游耦合器与来自上游耦合器的光线相干涉并且导致光从光导中解耦。由于光从系统中解耦并退出，故这些设计会导致显著的光损耗。
[0009]如果能够提供解决以上所述现有技术的问题并且能够将太阳光直接聚集在多结电池上的装置，则非常有利。在至少优选的实施例中，这种装置对跟踪不精确性的容忍度很高，这将是非常值得期待的。如果该装置的实施例具有较好的散热以及光线在整个电池表面上具有均匀的散射特性，并且该装置还适合制造成大模组，则这也将是有利的。
【发明内容】
[0010]根据本发明的第一方面，提供一种太阳能聚光器，其包括透明的光学材料，所述光学材料包括:
第一光耦合部分，所述第一光耦合部分具有锥形外端和内端，以使第一光耦合部分从外端向内端会聚；
第一小面，所述第一小面形成在外端处，并且布置用于将光沿第一光耦合部分进行反射；
第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件布置用于将光聚焦至第一小面上；
第二光耦合部分，所述第二光耦合部分具有锥形外端和内端，以使第二光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；
第二小面，所述第二小面形成在第二光耦合部分的外端处，并且布置用于将光沿所述部分进行反射，第二小面与第一小面垂直重叠；
第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件布置用于将光聚焦至第二小面上；
公共光导部分，所述公共光导部分与第一光耦合部分和第二光耦合部分的所述内端进行光学通信，并且布置用于将所述辐射经由所述公共光导部分进行传输；
其中，公共光导部分的最大垂直厚度小于第一小面和第二小面的高度之和。
[0011]第一光親合部分和第二光親合部分的上表面和公共光导部分存在平面表面。
[0012]在本发明的一个实施例中，第一光耦合部分和第二光耦合部分的下表面和公共光导部分存在平面表面。
[0013]可选地，至少一个锥形光耦合部分可以具有从接近第一小面的上边缘向下倾斜至第二小面的下边缘的顶面。
[0014]优选地，小面的反射表面是平面的，尽管它们可以是凹面的。
[0015]可以在第一光耦合部分和第二光耦合部分之间设置低反射指数层，其中该层相对于所述耦合部分中的每个材料有足够低的反射指数以支持来自耦合部分的小面的光在所述親合部分内的全内反射。
[0016]该层可以包括(例如)气隙。
[0017]优选地，第一光耦合部分和第二光耦合部分通过低反射指数层而垂直隔开。
[0018]在本发明的一个实施例中，第一光耦合部分位于低于第二光耦合部分的位置，并且第一光耦合部分的小面在第二光耦合部分之下横向地向外延伸。
[0019]根据本发明的进一步方面，提供一种太阳能聚光器组件，该太阳能聚光器组件具有外端和内接收端并且包括多个先前描述的类型的太阳能聚光器，其中相邻的太阳能聚光器彼此横向及纵向地偏移，并且其中所述太阳能聚光器中的每个小面与接收端进行光学通信。
[0020]用于每个小面中的各个主聚光器元件的构造为平行四边形。
[0021]可选地，用于每个小面中的各个主聚光器元件的构造为正方形或矩形。
[0022]太阳能聚光器被分组为多个矩形阵列，其中每个所述阵列与相邻的阵列相偏移。
[0023]根据本发明的进一步方面，提供一种太阳能聚光器组件，其包括第一列和第二列如先前描述的太阳能聚光器，其中第一列太阳能聚光器的公共光导部分的端与第二列太阳能聚光器的公共光导部分的端相对排列。
[0024]根据本发明的进一步方面，提供一种用于聚集太阳光的装置，其包括: 第一主聚光器元件，第一主聚光器元件将太阳光聚焦至具有大于nl.5的折射指数的透明光学材料中并且聚焦至第一反射小面上的点上，
第二主聚光器元件，第二主聚光器元件邻近并且毗连第一主聚光器元件，将太阳光经由所述光学材料的至少一个表面聚焦至第二反射小面上的点上，两个反射小面均位于不同高度处，
来自两个反射小面的光线，特别是太阳光线，经由相应的耦合元件在相同的总方向上传输，所述耦合元件中的一个或两个在垂直方向上呈锥形，
(借助于精确的几何形状)，来自第一耦合元件的所有光线被操纵以经过第二耦合元件而不产生将导致随后的解耦的相互作用或干涉，
两个反射小面与它们相应的耦合元件一起构成双元件耦合器，
双元件耦合器内的所有面(双元件耦合器的所有面)具有对于期望的聚光率、阵列侧面和角度接受度优化的特定形状、斜率和长度，
沿双元件耦合器的全长度的所有光线被大约平行的侧壁水平地限禁(在通道中)，侧壁被隔开大约为反射小面的宽度的距离，
所有光线接着注入平面光导中，并且通过全内反射传输至那个光导的接收边缘，
平面光导的垂直厚度显著小于两个反射小面的高度之和，并且最好等于或小于第一反射小面的高度。
[0025]优选地，主聚光器元件为:凸透镜或平凸透镜或菲涅尔透镜或抛物面反射器或其他点聚焦聚光器。
[0026]接收所聚集的光的光学材料的上表面基本上为平面，并且两个耦合元件在垂直方向上呈锥形，它们的下表面从大约相应的反射小面的底边缘处向上倾斜，第二反射小面从第一親合元件倾斜面的最高边缘向下延伸。
[0027]优选地，接收所聚集的光的光学材料的下表面基本上为平面，两个耦合元件在垂直方向上呈锥形，它们的上表面从大约相应的每个反射小面的上边缘处向下倾斜，第二反射小面从第一耦合元件的向下倾斜的面的最低边缘向上(和向远端)延伸。
[0028]在一个实施例中，顶表面和底表面均不是平面，并且其中两个耦合元件的顶面中的至少一个以及底面中的至少一个不是水平的。
[0029]另外的双元件耦合器可以加入到水平平面中并在远端远离接收边缘，并且每个附加双元件耦合器与前一个纵向偏移，它们相关联的通道形成阶梯状图案(俯视)，来自每个双元件耦合器中的光线被侧壁水平地限禁在所述通道内，直至它们进入光导的平面区域，它们在平面区域与来自其他双元件耦合器的光线混合，每个通道通过气隙或低反射指数材料的膜与光导相邻的平面区域隔开，以防止来自双元件耦合器的光线与平面光导混合，直至所有光线已经过第二耦合元件的锥形部分，其中所述平面光导的面积总体上向接收边缘水平地扩展，光捕获的面积随着通道的数量成比例地增大，但是当横向相邻的主聚光器元件开始影响彼此的空间时，会限制通道的数量。
[0030]这些光导的复制品被横向加入，相邻的平面光导通过气腔或低反射指数材料相互横向地隔开，随着横向的光导加入物的数量而成比例地增加阵列面积。
[0031]第二对主聚光器元件可以邻近并且毗连第一对主聚光器元件而放置(朝向接收边缘)并且相应的第二双元件耦合器放置在权利要求3所述的光导之下，所述光导先变成平面的，使得这成为第二 /下光导层，