一体式液体填充光谱滤光聚光器、系统及其光能调控方法

spectral characterisation and long
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term performance analysis of various commercial heat transfer fluids (htf) as direct
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absorption filters for cpv
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t beam
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splitting applications. appl energy, 2014(113), 1496
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1511.中采用长方形的透明空腔容纳光谱吸收流体，该专利中的分光器件同样无聚光作用。
7.现有其他技术还包括数个有关非成像光学器件的液体滤光器的实例，以下内容并非有关技术的完整列表。国际专利号wo 2010/129220 a2公开了一种非成像聚光器，该专利让光线经过两种折射率不同的材料以分离光谱。
8.针对成像光学器件的液体透镜而言，由于成像光学器件的功能需求，现有技术实例实现了变焦的功能，但由于所属技术领域不同，均未考虑将聚光和分频两个功能的结合。目前实现的方式有：1）中国专利公开号：cn208044108u，公开一种基于菲涅尔透镜的可变焦液体透镜，包括菲涅尔透镜的镜片，镜片的一个表面带有多个环形的凹槽，凹槽内沿镜片的镜面方向填充有二层液体，其中一层为极性液体层，另一层为非极性液体层，极性液体层可在电场作用下改变二种液体接触面的曲率，凹槽的开口部设有透光材料制成的盖板，盖板与镜片相贴连，盖板上和/或镜片上设有透明的电极。2）cn207946593u，公开一种微型双液体透镜装置，包括外壳、第一电极、第二电极，所述外壳的底部安装有底盖板，且外壳的顶部安装有顶盖板，底盖板的上部设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极的上部分别涂覆有超疏水涂层，超疏水涂层的上部填充有导电盐溶液，导电盐溶液的外侧填充有绝缘油，外壳的外壁设置有装配螺纹；这些设计均为考虑光谱分频吸收与聚光的结合，同时，在结构上均为通过单层或多层填充液体形态的变化来达到变焦距的目的，而并非通过不同液体折射率变化实现聚光或焦距变化。
9.现有其他技术还包括数个有关成像光学器件的液体透镜或照明系统透镜的实例，以下内容并非有关技术的完整列表。如：cn101661121a，，cn111965742a，cn111830611a，cn211718555u，cn111751911a，cn111766701a，，cn111352230a，cn111212726a，cn111077601a，cn110927837a，cn209946515u，cn105390066a，cn104035149a，cn111352178a等。这些可变焦透镜的技术方案也都包括了液体透镜部件，但是，均通过电润湿、温度等效应改变液体形状实现变焦功能而未考虑通过液体透镜实现光谱分频吸收和聚光的结合，无法为太阳能分频聚光系统提供液体吸收式光谱滤光与聚光功能。
10.因此，基于液体填充或液体透镜单一器件实现光谱分频与聚光功能的结合，目前尚无类似装置实例，无论是从成本还是从配置灵活性的角度来看，聚光分频一体化的光学器件在光伏光热综合利用系统的推广应用方面都具有十分重要的意义。


技术实现要素：

11.本发明提出一种一体式液体填充光谱滤光聚光器，该器件是一种融太阳能液体吸收式光谱滤光与聚光功能为一体的光学器件。改变了以往聚光分频光伏/热系统中需要分别设置滤光器和聚光器的常规构成，有助于降低光伏/热系统的设计的复杂性，降低生产制造安装成本。
12.本发明目的在于，利用单一光学器件同时实现填充液体对太阳辐照的吸收滤光和聚光功能。具体的技术方案如下：一体式液体填充光谱滤光聚光器，包括入射侧盖板，液体填充腔，出射侧盖板，以
及入射侧盖板与出射侧盖板之间的密封圈。其中，入射侧盖板和出射侧盖板均由透明固体材料构成；所述的液体填充腔被设计为一个或多个腔室，腔室内由同一种半透明液体，或者多种折射率不同、但对光伏电池响应光谱区间以外的辐射有较好吸收特性的半透明液体填充，形成液体填充腔。
13.本发明公开的一体式液体填充光谱滤光聚光器的按照聚光方式可分为线性聚光和点聚光两种。所述线性聚光器整体形态可为长方形、切面为拱形的长条结构等，以液体填充腔的最中间位置为轴，液体填充腔的设计结构呈对称样式，线性聚光器可将来自光源的光聚集至线性目标区域上。所述点聚光器整体形态可为扁平圆柱体、切面为拱形的旋转对称结构等，以液体填充腔的最中间圆心位置为中心，其他的液体填充腔沿半径方向依次排布，呈同心圆环状结构，点聚光器可以将来自光源的光聚集至点状的目标区域上。基于上述结构，对固体部分和液体部分联合进行光谱吸收及聚光设计，形成集成光谱吸收功能、聚光功能与液体吸热功能的一体化的光学器件。入射侧盖板和出射侧盖板间可留有多个液体填充腔，线聚光时，填充腔为线性并排排列，点聚光时，填充腔为同心圆环状排列，液体填充腔每个腔室内填充着光学性质不一的半透明液体；入射侧盖板和出射侧盖板间也可为单个液体填充腔，腔室内填充同一种半透明液体。
14.本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器对光谱范围的调控，即滤光过程由填充液体对光谱的选择性吸收来实现。根据填充液体的种类和数量，本发明中液体填充式聚光器对光谱的方向调控，即聚光过程可由下述两种设计原理实现。原理一是通过调节每个液体填充腔内填充液体的折射率来实现聚光功能，当液体填充腔被设计为多个独立的腔室时，每个液体填充腔内填充折射率不同的光谱选择性吸收液体，折射率不同的填充液体使光线发生不同程度的偏折，起到主要的光线方向调控作用；原理二是通过调节聚光器结构以实现聚光功能，当液体填充腔内填充着单一的光谱选择性吸收液体时，聚光器的结构设计，即光线在界面的倾斜程度起主要的光线方向调控作用。可以基于上述两种设计原理的一种或两种的结合以实现本发明装置。
15.此外，本发明还公开了一种光学器件、光伏光热综合利用系统、一种跟踪聚光系统以及光能调控方法。
16.本发明公开的一种光学器件，包括上述一体式液体填充光谱滤光聚光器结构。
17.本发明公开的一种光伏光热综合利用系统，该系统包括权上述光学器件的结构。
18.本发明公开的一种跟踪聚光系统，该系统包括上述光学器件的结构，通过单轴及双轴方式对太阳进行跟踪。
19.本发明公开一种光能调控方法，包括采用上述光学器件实现光能调控方法，该方法对光能调控的实现取决于光谱选择性吸收液体的选择、液体填充腔上表面倾斜角度的选取和光线传播方向液体厚度的设计；所述光谱选择性吸收液体的选取和光线传播方向液体厚度的设计可实现对特定光谱范围液体光能吸收的调控以及到达光伏电池表面光谱的波长范围调控；所述液体填充腔上表面倾斜结构以及液体折射率的选择可实现对到达光伏电池表面光线的方向调控；光线垂直射向入射侧盖板，在倾斜角度为θ的液体填充腔上表面发生折射，再经填充液体和出射侧盖板内的传播，最终投射到光伏电池表面。
20.本发明具备突出实质性特点和显著进步在于：（1）本发明提供的一体式液体填充光谱滤光聚光器是一种可同时实现光谱分频与
聚光功能的多功能光学器件，通过调节光学器件的设计角度、填充液体的种类，达到灵活调节太阳光谱能量吸收部分与透过部分分配、聚光比、能流分布的功能。太阳辐射垂直射到液体填充式聚光分频器件表面，光线传播方向未发生偏折地通过上层透明盖板到达透明盖板与填充液体的分界面。其中不同腔室里填充着半透明液体，光在不同种材料的分界面处遵从折射定律，传播路径发生偏折，可实现会聚太阳辐照的功能。并且填充液体要对光伏电池无法响应的光谱能量有较强的吸收能力，这样可以过滤掉不利于光伏电池工作的波段能量，这部分热能可进行供暖、海水淡化等热利用过程。使与光伏电池相应波段匹配的能量透射到达电池表面，完成电能的转化，实现光谱分频利用的目的。因此基于本发明提供的分频聚光器的结构，可以通过分频聚光器内部填充的光谱吸收液体类型的选择，考虑填充液光线方向的厚度、光谱吸收特性，实现对太阳辐照光谱在器件内吸收范围的调控整定，也就是透射穿过器件的光束光谱范围的调控整定。可以通过填充液体及液体外腔室透明固体材料的形态调整、填充液折射率特性的选择，实现对透射穿过器件光束方向的调控整定，从而实现对透射聚光光斑聚光比或能流分布的调控。
21.（2）本发明中提供的一体式液体填充光谱滤光聚光器，其用途是将太阳光谱中不适合光伏转化的光能吸收转化为热能，通过光谱吸收液体带走进行利用，太阳光谱中适合光伏转化的光能被投射于光伏电池，转化为电能，实现了太阳能全光谱的充分利用，并降低光伏电池表面总辐照，从而降低光伏电池温度，提升光伏电池效率。
22.（3）本发明提出的填充腔、填充液体结构，便于在光伏光热综合利用系统运行的工作过程中，根据光伏光热系统各个组件运行中的实际需求进行聚光比或光谱吸收范围的动态调控。在运行过程中，通过将液体填充腔内的半透明液体部分或全部随流动进行更替，例如将水基纳米流体随流动更替为油基纳米流体，就可实现动态调控聚光比或光谱吸收范围的效果，操作过程较为简便。
23.（4）本发明提供的一体式液体填充光谱滤光聚光器将分频滤光设备和聚光设备融为一体，改变了以往聚光分频光伏/热系统中需要分别设置滤光器和聚光器的常规构成，有助于降低光伏/热系统的设计的复杂性，降低生产制造安装成本。
24.附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1 为本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器不同组件对光谱能量接收情况；图2 为本发明公开的新型的一体式液体填充光谱滤光聚光器具体结构的剖面图，图2a为基于光线方向调控的原理一的聚光器剖面图，图2b为基于光线方向调控的原理二的聚光器剖面图。
27.图3 为本发明公开的具有光谱滤光作用的液体填充式线性聚光器的立体视图，图3a为基于光线方向调控的原理一的聚光器的立体视图，图3b为光线方向调控的原理二的聚
光器的立体视图。
28.图4 为本发明公开的具有光谱滤光作用的液体填充式点聚光器的立体视图。
29.图5 为本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器的液体填充腔上表面倾斜角度θ的设计原理示意图；图6 为本发明公开的一个线性聚光器实例用于光伏/热复合利用时的结构；图7 为本发明公开的另一个点聚光器实例用于光伏/热复合利用时的结构；图8 为基于本发明的实例1所得到的光源、接受面的光谱分布情况对比；图9 为实施例2（入射侧盖板作为滤光器件）中根据本发明内容所述的一体式液体填充光谱滤光聚光器的剖面示意图；图10 为实施例3（入射侧盖板作为菲涅尔线性聚光器件）中根据本发明内容所述的一体式液体填充光谱滤光聚光器的示意图,图10a为该聚光器的剖面图，图10b为该聚光器的立体图示意；附图标记：10
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光伏电池20
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填充液体1
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液体填充腔1内的填充液体（导热油基纳米流体）2
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液体填充腔2内的填充液体（油胺基纳米流体）3
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液体填充腔3内的填充液体（丙二醇基纳米流体）4
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液体填充腔4内的填充液体（乙二醇基纳米流体）5
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液体填充腔5内的填充液体（水基纳米流体）30
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入射光线1301
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聚光滤光器入射侧盖板1302
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聚光滤光器密封圈1303
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聚光滤光器出射侧盖板1311
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具有光谱选择性吸收功能的聚光滤光器入射侧盖板（实施例2）1313
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具有光谱选择性吸收功能的聚光滤光器出射侧盖板（实施例2）1321
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具有聚光功能的聚光滤光器入射侧盖板（实施例3）。
具体实施方式
30.本发明提供了一种新型的一体式液体填充光谱滤光聚光器，下面通过具体的实施例并结合附图对本技术做进一步的详细描述。
31.太阳能量光谱辐照跨度从约0.2
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4μm之间。阳光照射至光伏电池表面，基于“光生伏特效应”，光伏电池中的电子吸收光子能量高于ｐ
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ｎ结带隙能的太阳光子能量，从而使光伏电池中的电子由基态跃迁至激发态（导带），这部分的电子可以被太阳电池用来发电。比如单晶硅太阳能电池禁带宽度为1.1ev，通常只有波长范围0.38
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1.1μm内的太阳光才能被硅太阳能电池用于发电，波长大于1.1um的光子在硅电池内部是不能激发产生电子的，这部分辐射照射在电池表面会使电池的温度升高，导致太阳电池的光电转换效率降低。对普通的硅电池来说，电池的温度每升高1℃，输出的电功率减小约为0.35%
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0.45%。更宏观地表征太阳电池光谱特性的物理量是绝对光谱响应度，定义为太阳电池接收特定波长光照时，产
生的光生短路电流密度与入射光辐照度密度之比：不同材料的太阳能电池对光谱的响应区间一般是不一样的，单晶硅太阳能电池能响应的光谱波长范围0.38
‑
1.1μm，硒光电池只能将波长范围0.38~0.75μm的光谱能量转化为电能。
32.目前研究中也发现，某些种类的液体可以实现对光谱特定区域的选择性吸收。本发明列举了适用于硅光伏电池的填充液体，如含银
‑
氧化铟锡纳米颗粒的导热油、油胺、丙二醇、乙二醇、水基纳米流体等。以含银
‑
氧化铟锡纳米颗粒的乙二醇纳米流体为例，其在紫外和红外区域有较强的吸收性，而在可见光部分透射率较高，因此光在通过纳米流体液体层时，大部分红外辐射被纳米流体吸收，可见光部分可以穿透过纳米流体层，从而实现了对光谱的过滤效果。对液体进行光学性能的调整，可使液体选择性地将电池未能响应的波长范围的光子能量进行吸收，避免电池表面温度过高。但是以往的液体分频滤光器件只考虑了太阳能的分频利用，未曾将聚光装置直接引入分频滤光器件中，其结构为聚光器与液体吸收分频滤光器的组合。在这种滤光器和聚光器的分别设置的形态下，器件生产制造成本提高，也为光伏光热系统设计带来更大的复杂性。
33.图1是本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器不同组件对光谱能量接收情况。太阳光谱辐照能量中，适宜于发电和热应用的波段大概在0.28
‑
2.5μm的范围内。根据图1表示，全光谱波段的太阳辐照30直接入射到本发明提出的光学器件的入射侧盖板1301上表面。结合太阳能光伏光热综合利用系统中所采用的光伏电池的光谱响应特性，以硅光伏电池发电为例，光谱区间中最适宜于硅光伏电池10转化的光谱范围0.7
‑
1.1μm的太阳辐照将聚集并投射在面积较小的硅光伏电池的表面，转化为电能。其余的光谱范围小于0.7μm、以及大于1.1μm的，未能被转化为电能的光子能量，将被填充在液体填充腔内对光谱有选择性吸收的液体1、2、3、4、5吸收，生成热量，该热量可以用于各种太阳能热利用过程。该光学器件的结构实现了融太阳能液体吸收式光谱滤光与聚光一体化的功能。改变了以往聚光分频光伏/热系统中需要分别设置滤光器和聚光器的常规构成，有助于降低光伏/热系统的设计的复杂性，降低生产制造安装成本。
34.图2a、图2b和图3分别给出了新型的具有光谱滤光作用的液体线性填充式聚光器具体结构的剖面图和立体图，包括入射侧盖板1301，液体填充腔，出射侧盖板1303和密封圈1302。入射侧盖板1301和出射侧盖板1303由透明材料制得，入射侧盖板1301和出射侧盖板1303间留有锯齿状的液体填充腔，所述液体填充腔设置为具有多个腔体的液体填充腔，液体填充腔两端有密封填充材料形成的密封圈1302，防止液体填充腔内的填充液体1、2、3、4、5漏出。入射侧盖板1301和出射侧盖板1303的半透明固体材料可以是对光谱无明显吸收特性的塑料、有机玻璃、石英玻璃、半导体材料、氧化物材料，也可以是对光谱特定区间有吸收性能的含有纳米颗粒，染色剂等物质的半透明固体材料。由于第二种情况所提的对光谱特定区间有吸收性能的半透明固体材料额外考虑到了固体材料的滤光作用，会使投射到电池表面的光谱与电池的响应光谱范围更加匹配，可降低电池的工作温度，提高光伏电池的使用寿命。
35.图3为本发明公开的具有光谱滤光作用的液体填充式线性聚光器的立体视图。当
液体填充式聚光器为线性聚光器，所述液体填充式聚光器整体形态可为长条状，入射侧盖板1301和出射侧盖板1303间留有锯齿状的液体填充腔，液体填充腔每个腔室内填充着光学性质不一的半透明填充液体1、2、3、4、5。以最中间位置的液体填充腔为轴，液体填充腔的设计结构呈对称样式。线性聚光器可将来自光源的光聚集至线性目标区域上。
36.图4为本发明公开的具有光谱滤光作用的液体填充式点聚光器的立体视图。当液体填充式聚光器为点聚光器，所述液体填充式聚光器整体形态可为扁平圆柱体，入射侧盖板1301和出射侧盖板1303间留有锯齿状的多个液体填充腔，液体填充腔每个腔室内填充着光学性质不一的半透明填充液体，以最中间圆心位置的液体填充腔为中心，其他的液体填充腔沿半径方向依次排布，呈同心圆环状结构。点聚光器可以将来自光源的光聚集至点状的目标区域上。
37.本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器结构中，所有的液体填充腔内的填充液体的光谱吸收特性应满足以下条件，可以吸收掉不适于光伏电池工作的光谱波段能量，同时尽可能多地将光伏电池的响应光谱区间透射过去。基于技术方案中光线方向调控中的上述原理一和原理二，填充液体对光的折射率或者液体填充腔上表面倾斜程角度θ也应该有所差别，从而实现对光线不同程度的折射，达到会聚光线的目的。
38.太阳辐射垂直入射液体填充式聚光器表面，通过上层透明入射侧盖板1301到达入射侧盖板1301与液体填充腔中填充液体1、2、3、4、5的分界面，其中液体填充腔的不同腔室里的填充着具有明显不同的折射率的半透明填充液体1、2、3、4、5，光在不同种材料的分界面处遵从折射定律，传播路径发生偏折，可实现会聚太阳辐照的功能。并且填充液体1、2、3、4、5要对光伏电池无法响应的光谱能量，如紫外和红外部分有较强的吸收能力，这样可以过滤掉不利于光伏电池工作的波段能量，这部分热能可进行供暖、海水淡化等热利用过程。使与光伏电池相应波段匹配的能量到达电池表面，完成电能的转化，实现光谱分频利用的目的。
39.根据目前的调研，以硅电池为例，单晶硅电池可以响应0.38
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1.1μm范围的光谱能量，适合填充于采用硅电池的聚光分频pv/t系统的光谱选择性吸收液体有水、乙二醇、丙二醇、硫酸钴溶液、硫酸铜溶液、导热油、纳米流体等。根据这些液体的光谱吸收情况，将硅光伏电池无法直接利用的光谱能量加以吸收和利用，将硅电池光谱响应范围内的光谱波段透射到电池表面。
40.本发明提出的，一体式液体填充光谱滤光聚光器聚光功能的实现，主要依靠液体填充腔上表面斜边倾角θ的设计及填充液体1、2、3、4、5对光的折射能力。如图2a所示，基于光线方向调控的原理一，当每个液体填充腔内分别填充着对光的折射率不同的半透明填充液体1、2、3、4、5。根据光路设计原理，从上述满足填充要求的填充液体1、2、3、4、5中进行选择，液体填充腔内液体的折射率从左到右依次减小。不同折射率的填充液体1、2、3、4、5可以实现对入射光线不同程度的折射，同时填充腔内的光谱选择性吸收液体的相互组合可实现对光伏电池响应区间以外光谱能量的吸收。
41.如图2b所示，基于光线方向调控的原理二，当液体填充腔内填充同种液体时，液体对光线的偏折程度相同，此时需要设计合理的液体填充腔上表面倾角或弧边斜边实现器件的聚光，因此每个液体填充腔的上表面倾斜程度不同。在确定了液体填充腔内液体种类的前提下，根据入射侧盖板1301和出射侧盖板1303、填充液体20等材料的折射率，结合光伏电
池10的安装位置，确定液体填充腔上表面斜边倾角θ的大小。
42.图5表示了本发明公开的具有光谱滤光作用的液体填充式点聚光器的液体填充腔上表面斜边倾角θ的设计原理示意图。入射的太阳光线30垂直射向上部透明入射侧盖板1301，入射光线30与液体填充式聚光器中轴线的距离为r，光伏电池10在位于液体填充式聚光器下方距离h处，液体填充腔左边表面的高度为a1，出射侧盖板1303厚度为a2。透明入射侧盖板1301材料的折射率为n1，图5中所示的一个液体填充腔内的填充液体20的折射率为n2，出射侧盖板1303的折射率是n3，空气的折射率为n4。
43.光线30垂直入射到入射侧盖板1301，光线传播方向未发生改变。当光线以θ1角度到达入射侧盖板1301与液体填充腔分界面时，根据光的折射定律，光线的传播方向产生偏斜，在液体填充腔内的折射角度为θ2。当光线入射角度θ3到达液体填充腔与出射侧盖板1303的分界面处时，光线再次发生偏折，以θ4折射角度进入透明的出射侧盖板1303。在射出下部出射侧盖板1303时，光线进行会聚，以θ5的出射角度投射到光伏电池10的表面。总体上来看，由于光的折射，光线30在通过液体填充腔和出射侧盖板1303时，在水平方向上偏折的距离分别为x1、x2。
44.根据图5中的几何角度关系和光的折射定律可进行推算得：其中液体填充腔上表面斜边倾角θ满足，根据图5中的几何关系可知，θ1、θ2、θ3大小满足，光线30在通过液体填充腔和出射侧盖板1303时，在水平方向上偏折的距离分别为x1、x2，满足以下关系：因此，若基于光线方向调控的原理一，每个液体填充腔内填充的液体种类不同，为简化器件的结构设计，液体填充腔上表面的倾斜角度θ保持一致，经推导和计算，该液体填充腔上表面斜边倾角θ应满足上述列举的关系式。若基于光线方向调控的原理二，若采用单一种类的液体进行填充，为实现聚光效果，填充腔上表面斜边倾角θ的大小一般不同，且每
个锯齿状的液体填充腔上表面斜边倾角θ应满足上述列举的关系式。
45.通过以上的光路设计，可以使本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器实现低倍聚光的效果，约5
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10倍的几何聚光比。
46.下面通过具体的实施例来进一步说明本发明。
47.实施例1基于光线方向调控的原理一，本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器可根据具体的应用需求实现线性聚光和点聚光两种聚光方式。以5个液体填充腔为例，线性聚光方式的一体式液体填充光谱滤光聚光器剖面形态如图2a所示，线性聚光器的立体图如图3a所示。密封圈1302，用以密封入射侧盖板1301与出射侧盖板1303包裹形成的腔室内的填充液体。入射侧盖板1301和出射侧盖板1303由高透过率聚合物材料（折射率1.3）构成，5个液体填充腔内的液体填充着对光谱特定区间有选择性吸收作用的半透明液体。光线自入射侧盖板1301进入液体填充式滤光聚光器，通过液体填充腔室内的填充液体1、2、3、4、5，从出射侧盖板1303射出。
48.基于光线方向调控的原理一，若5个液体填充腔内的液体种类不同，液体填充腔上表面倾斜角度θ保持一致，则填充液体的折射起主要的光谱方向调控作用。实施例1中，根据备选填充液体的折射率的数值大小，从左往右，液体填充腔内的填充液体分别为掺杂有银
‑
氧化铟锡纳米颗粒的导热油基纳米流体、油胺基纳米流体、丙二醇基纳米流体、乙二醇基纳米流体、水基纳米流体。具体填充液体种类及折射率如下表所示。经过光路设计，计算推导确定出每个液体填充腔上表面倾斜角度θ的数值。考虑到以最中部液体填充腔为轴，左右两侧的腔室设计和填充液体种类保持一致，5个液体填充腔上表面倾斜角度θ的数值均为29.71
°
。
49.基于光线方向调控的原理一，点聚光方式的一体式液体填充光谱滤光聚光器，与线性聚光方式的剖面结构设计方法一致。
50.基于光线方向调控的原理二，本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器可根据具体的应用需求实现线性聚光和点聚光两种聚光方式。单个液体填充腔时，线性聚光方式的一体式液体填充光谱滤光聚光器剖面形态如图2b所示，线性聚光器的立体图如图3b所示,点聚光方式的一体式液体填充光谱滤光聚光器的立体图如图4所示。其中图3b所示的线性聚光器可将来自光源的光聚集至线性目标区域上，而图4所示的点聚光器则将来自光源
的光聚集至点状的目标区域上。
51.基于光线方向调控的原理二，若液体填充腔内为单一种类的填充液体，要达到聚光作用，锯齿状液体填充腔上表面倾斜角度θ需有所不同，则液体填充腔上表面的倾斜结构起主要的光谱方向调控作用。当液体填充腔内的填充液体为氧化铟锡纳米颗粒的油胺基纳米流体（折射率为1.46）时，经过光路设计，计算推导确定出每个液体填充腔上表面倾斜角度θ的数值。考虑到以最中部液体填充腔为轴，左右两侧的腔室设计和填充液体种类保持一致，因此如下表所示，从左往右，5个液体填充腔上表面倾斜角度的数值分别为52.46
°
、39.21
°
、34.17
°
、29.51
°
、25.00
°
。
52.图6和图7分别为本发明公开的线性聚光器、点聚光器用于光伏/热复合利用时的结构实例。基于光线方向调控的原理一,图8所示为光线通过具有光谱滤光作用的液体填充点聚光器的入射侧盖板1301和液体填充腔、出射侧盖板1303时，方向发生折转，在液体填充腔内折射率不同的光谱选择性吸收填充液体20的作用下聚集。最终把入射的光线30以一定聚光比在光伏电池10上形成点状的聚光目标区域。基于光线方向调控的原理二，图9所示为光线通过具有光谱滤光作用的液体填充线性聚光器的入射侧盖板1301和液体填充腔、出射侧盖板1303时，方向发生折转，在液体填充腔内折射率不同的光谱选择性吸收填充液体20的作用下聚集，最终把入射的光线30以一定聚光比在光伏电池10上形成线性的聚光目标区域。
53.图8为实施例1中当选择基于原理一中的光线方向调控原则，线性聚光方式，所得到的光源、接受面的光谱分布情况对比。图示为光线通过具有类似聚光性能的聚光器时的光谱辐射值变化。当把液体填充腔内具有的折射率不同的光谱选择性吸收液体时，具有折射率不同的光谱选择性吸收内部填充流体的器件在紫外（<300nm）和近红外（>1100nm）光谱区域发生显著吸收。当单纯采用高透过率聚合物材料（折射率1.3）聚光器时。其光谱辐照特征与太阳光谱相比，并未发生显著变化。图10的数据结果可验证出，本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器对太阳辐照具有滤光作用，太阳光谱中的紫外（300nm）和近红外（>1100nm）区域不适合硅光伏转化的光能被填充液体吸收转化为热能，通过流动的填充液体带走进行利用，太阳光谱中适合光伏转化的光能300
‑
1100nm区域被投射于光伏电池，转化为电能，实现了太阳能全光谱的充分利用，并降低光伏电池表面总辐照，从而降低光伏电池温度，提升光伏电池效率。
54.如下表所示，实施例1的显著特点在于，实施例1中的聚光器结构对光的方向调控是通过填充液体腔形态特征与液体本身的折射率造成的折射实现的，光的光谱调控是通过液体本身的光谱选择性吸收特性实现的。可以理解的，本实施例中提出的光谱滤光聚光器的结构，基于光线方向调控的原理一和光线方向调控的原理二均可获得，其形态可为线性聚光或点聚光，组成形式多样。
55.实施例2基于光线方向调控的原理一,图9给出了另一个根据本发明内容所述的一体式液体填充光谱滤光聚光器的实例示意图，聚光方式为线性聚光。实施例2的结构与实施例1的主要不同点是，入射侧盖板1311和出射侧盖板1313由含有纳米颗粒的具有光谱选择性吸收效果的半透明材料制得。例如，入射侧盖板1311和出射侧盖板1313由掺杂有银纳米颗粒的高透过率聚合物材料（折射率1.3）构成，可以吸收掉不能被光伏电池有效转化的高能光子（偏紫外光子）。5个液体填充腔内的液体种类不同，从左到右，填充的液体分别为掺杂有氧化铟锡纳米颗粒的导热油基纳米流体、油胺基纳米流体、丙二醇基纳米流体、乙二醇基纳米流体、水基纳米流体，可以吸收不能被光伏电池转化的低能光子（偏近红外光子）。达到固体形态的入射侧盖板1311、出射侧盖板1313和填充液体1、2、3、4、5共同滤光的效果。
56.基于原理一中的光线方向调控原则，选择5个液体填充腔的形态为例，其剖面形态如图9所示，以最中部液体填充腔为轴，左右两侧的腔室设计和填充液体种类保持一致，5个液体填充腔上表面倾斜角度θ的数值为29.71
°
。密封圈1302用以密封入射侧盖板1311与出射侧盖板1313包裹形成的腔室内的填充流体1、2、3、4、5。光线30自入射侧盖板1311进入液体填充式滤光聚光器，通过液体填充腔室内的填充流体1、2、3、4、5，从出射侧盖板1313射出。光线30的传播方向发生折转，在液体填充腔内折射率不同的光谱选择性吸收液体的作用下聚集，最终把入射的光线30以一定聚光比在光伏电池10上形成线性的聚光目标区域。
57.如下表所示，实施例2的显著特点在于，实施例2中的聚光器结构对光的方向调控是通过填充液体腔形态特征与液体本身的折射率造成的折射实现的，光的光谱调控是通过填充液体、入射侧盖板和入射侧盖板固体的光谱选择性吸收特性共同实现的。可以理解的，本实施例中提出的光谱滤光聚光器的结构，基于光线方向调控的原理一和光线方向调控的原理二均可获得，其形态可为线性聚光或点聚光，组成形式多样。实施例2额外考虑到了入射侧盖板1311、出射侧盖板1313固体材料的滤光作用，有利于降低相关材料制备的难度或实现更精准的光谱调控。
58.实施例3图10a、图10b给出了第三种根据本发明内容所述的一体式液体填充光谱滤光聚光器的实例剖面示意图和立体图，该结构在填充液体聚光滤光的基础上，加入了入射侧盖板固体材料进行聚光的功能。与实施例1中的结构不同的是，入射侧盖板1321被设计为聚光透镜的形态（如菲涅尔透镜结构、球面透镜、非球面透镜、线性菲涅尔透镜、线性球面透镜、和线性非球面透镜），以实现固体形态的入射侧盖板1321和填充液体1、2、3、4、5共同聚光的效果。
59.实施例3选取将入射侧盖板1321被设计为菲涅尔透镜结构，聚光方式为线性聚光，并且入射侧盖板1321和出射侧盖板1303同样由高透过率聚合物材料（折射率1.3）构成。密封圈1302，用以密封入射侧盖板1321与出射侧盖板1303包裹形成的腔室内的填充液体。设计的5个液体填充腔为例，选择基于原理一中的光线方向调控原则，5个液体填充腔内的液体种类不同，从左到右，填充腔内的液体分别为掺杂有银
‑
氧化铟锡纳米颗粒的导热油基纳米流体、油胺基纳米流体、丙二醇基纳米流体、乙二醇基纳米流体、水基纳米流体。其剖面形态如图10a所示，以最中部液体填充腔为轴，左右两侧的腔室设计和填充液体种类保持一致，5个液体填充腔上表面倾斜角度θ的数值均为29.71
°
。
60.图10b所示为入射侧盖板被设计为菲涅尔透镜结构的一体式液体填充光谱滤光聚光器的立体图。光线30自入射侧盖板1321进入液体填充式滤光聚光器，透过菲涅尔透镜样式的入射侧盖板1321时，光线30发生了一定程度上的会聚效果。通过液体填充腔室内的填充液体1、2、3、4、5，最终从出射侧盖板1303射出，入射的光线30以一定聚光比在光伏电池10上形成线性的聚光目标区域。
61.实施例3是在本发明提出的一体式液体填充光谱滤光聚光器的基础上，添加了菲涅尔透镜样式的入射侧盖板1321。在实施例3的形态构造下，固体层和填充液体层协同聚集太阳光线，投射在光伏电池10表面转化为电能；液体层通过与固体层之间的换热将热量收集于液体层，液体吸收的热量用于其他的热利用方面。由于被设计成菲涅尔透镜的入射侧盖板1321也具备了聚光功能，使得实施例3提出的固体和填充液体共同聚光、填充液体分光的结构具有了对太阳辐照更强的聚光效果。
62.如下表所示，实施例3的显著特点在于，实施例3中的聚光器结构对光的方向调控是通过填充液体腔形态特征、液体本身的折射率造成的折射、以及固体部分的聚光设计共同实现的，光的光谱调控是通过填充液体的光谱选择性吸收特性实现的。可以理解的，本实施例中提出的光谱滤光聚光器的结构，基于光线方向调控的原理一和光线方向调控的原理二均可获得，其形态可为线性聚光或点聚光，组成形式多样。实施例3额外考虑到了入射侧盖板1321固体材料进行形态设计后可起到的聚光作用，该作用也可由入射侧盖板1303实现，通过双重聚光设计有利于提高器件的聚光比。
63.实施例4实施例4给出了第四种根据本发明内容所述的一体式液体填充光谱滤光聚光器，实施例4具有与实施例3相同的形态，如图10a和10b所示，与实施例3相比，其不同点在于，入射侧盖板1321和出射侧盖板1303由含有纳米颗粒的具有光谱选择性吸收效果的半透明材料制得。例如，入射侧盖板1321和出射侧盖板1303由掺杂有银纳米颗粒的高透过率聚合物材料（折射率1.3）构成，可以吸收掉不能被光伏电池有效转化的高能光子（偏紫外光子）。与5个液体填充腔内的填充液体1、2、3、4、5共同实现光谱滤光的效果。
64.如下表所示，实施例4的显著特点在于，实施例4中的聚光器结构对光的方向调控是通过填充液体腔形态特征、液体本身的折射率造成的折射、以及固体部分的聚光设计共同实现的，光的光谱调控是通过填充液体、入射侧盖板和入射侧盖板固体的光谱选择性吸收特性共同实现的。可以理解的，本实施例中提出的光谱滤光聚光器的结构，基于光线方向调控的原理一和光线方向调控的原理二均可获得，其形态可为线性聚光或点聚光，组成形式多样。实施例4额外考虑到了固体材料的光谱滤光和聚光作用，有利于降低相关材料制备的难度或实现更精准的光谱调控，并提高器件的聚光比。
65.可以理解的，本发明提出的光谱滤光聚光器的结构，由入射侧盖板、出射侧盖板、密封和液体填充腔的配合形式多种多样。基于同一原理，这种新型的一体式液体填充光谱滤光聚光器还可存在有其他的基本构造形态。以上列举的是几种基本的形式，当然，四者之间的配合形式并不局限于以上列举的几种。
66.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。