特别用于太阳能收集的色散光学装置、包含该装置的色散光学系统及其用途的制作方法

本发明总体上涉及特别用于太阳能收集的色散光学装置和系统及其用途。

背景技术：

0、发明背景

1、色散光学装置和系统在本领域是已知的。图1至图4示出了在太阳能收集的上下文中使用的这种已知装置和系统的多种示例。

2、图1示意性地示出了如在以下文献中所公开的色散光学系统1000：marcostefancich等人于2012年4月9日在光学学会(the optical society)(osa)、光学快报(optics express)发表的“single element spectral splitting solar concentratorfor multiple cells cpv system”，第20卷，第8期，第9004-9018页(https://doi.org/10.1364/oe.20.009004)。该色散光学系统1000使用弯曲的光学结构1100来提供入射光l的色散以及聚光(concentration)，该弯曲的光学结构1100包括多个棱镜元件，该多个棱镜元件被配置和设计成分裂不同波段的光并将其聚光到特定点上，例如聚光到位于给定焦距z处的光伏级(photovoltaic stage)1500的不同电池或子电池上。每个棱镜元件充当色散棱镜，将入射光l分裂到相对应的光谱中，每个棱镜元件的几何结构和光学结构1100的曲率被选择成将不同波段的光充分聚焦在选定焦点处。因此，所需的光学结构1100相当复杂，并且需要仔细设计其几何结构以实现所需的光色散和焦距z。

3、图2示意性地描绘了如在以下文献中所公开的色散光学系统(或“dos”)2000：sikuan thio和sung-yong park于2019年12月11日在mdpi期刊(mdpi journals)、能源、太阳能和光伏系统(energies,solar energy and photovoltaic systems)发表的“dispersiveoptical systems for highly-concentrated solar spectrum splitting:concept,design,and performance analyses”，第12卷第24期，第4719页(https://doi.org/10.3390/en12244719)。该色散光学系统2000被设计成将入射阳光l分离到以下两个波段中：可见光范围(vis)，用于通过相关联的光伏板/电池2500进行光伏转换；以及红外范围(ir)，用于借助于相关联的热吸收器2600进行热加热。系统2000包括色散光学系统，该色散光学系统包括多层光学结构，该多层光学结构包括菲涅耳透镜2100、衍射光栅2200和多个并置的复合棱镜元件2300/2400，该多个并置的复合棱镜元件2300/2400包括低色散利特罗(littrow)棱镜2300和高色散三棱镜2400，类似于阿米西棱镜(amici prism)。

4、图3示意性地描绘了如在以下文献中公开的色散光学系统3000：ngoc hai vu、thanh tuan pham和seoyong shin于2020年5月9日在mdpi期刊、能源、太阳能和光伏系统(energies,solar energy and photovoltaic systems)发表的“large scale spectralsplitting concentrator photovoltaic system based on double flat waveguides”，第13卷第9期，第2360页(https://doi.org/10.3390/en13092360)。该色散光学系统3000被设计成使用双平面波导结构3200/3300将入射阳光l分离到中能(中e)波段(λ<850nm)和低能(低e)波段(λ>850nm)中以用于借助于相关联的光伏电池3500a、3500b进行光伏转换。更具体地，借助于菲涅耳透镜阵列3100，入射阳光l聚焦到双平面波导结构3200/3300的选定部分上。在到达上平面波导3200时，中e波段被由具有二向色镜涂层的棱镜元件3210构成的重定向结构反射，并在上平面波导3200内部传播以到达相关联的中e波段光伏电池3500a。穿过二向色镜3210的低e波段被传输到下平面波导3300，在下平面波导3300中其被重定向镜3310反射，并在下平面波导3300内部传播，以相似地到达相关联的低e波段光伏电池3500b。

5、图4示意性地描绘了在国际(pct)公开号wo 2010/045634 a2中公开的色散光学系统4000的又一示例。系统4000包括光谱分裂元件(spectrum-splitting element)4100(例如正弦光栅或其他合适的光栅结构)、聚光元件4200(例如多色透镜)和子电池阵列4500。入射阳光l通过衍射分裂到旋转对称光谱s1、s2中，旋转对称光谱s1、s2展现出相对应的光谱波段λ1、λ2……λn，这些光谱波段被聚光元件4200聚光到多个相对应的同心波长特定区域。子电池阵列4500包括相对应的多个波长敏感光伏子电池45001、45002……4500n，这些光伏子电池被放置在衬底上使得每个子电池45001、45002……4500n由对应于相关光谱波段λ1、λ2……λn的聚光照射。

6、仍然需要一个改进的解决方案。

技术实现思路

0、发明概述

1、本发明的总体目的是提供一种色散光学装置和系统，该色散光学装置和系统可以适当地用于执行入射光的色散(即光谱分裂)。

2、更具体地说，本发明的目的是提供这样一种可以适当地用于执行入射阳光的光谱分裂以及使产生的色散光聚光以有效地收集太阳能的解决方案。

3、本发明的另一个目的是提供这样一种实施起来相当简单且成本有效的解决方案。

4、本发明的另一个目的是提供一种允许在太阳能收集系统中实施的解决方案，该太阳能收集系统是紧凑的，并且依赖于使用价格合理的光学系统来使光色散并聚光到相关的光伏级上。

5、本发明的又一个目的是提供这样一种可扩展并且可以适应大量不同的应用、配置和/或尺寸的解决方案。

6、本发明的一个目的也是提供这样一种允许有效地使用单结光伏技术且转换速率为至少30％的解决方案。

7、本发明的又一个目的是提供这样一种最小化光学损失的解决方案。

8、归功于权利要求中限定的解决方案，这些目的得以实现。

9、因此，根据本发明的一个方面，提供了一种色散光学装置，该色散光学装置的特征在权利要求1中进行了叙述，即该色散光学装置包括光学色散元件，该光学色散元件具有一对成角度的表面，即上表面和下表面，该光学色散元件沿着入射光的路径定位，以使得进入上表面和离开下表面的入射光折射和色散。根据本发明的这一方面，色散光学装置还包括反射镜元件，该反射镜元件被定位在下表面下方并相对于下表面成角度，以使得从下表面出射的色散光朝向光学色散元件往回反射并通过光学色散元件，从而使得进入下表面和离开上表面的色散光进一步折射和色散。

10、归功于本发明，当光在穿过光学色散元件的上表面和下表面时经历四次折射和色散以及全反射到反射镜元件的表面上从而实现更高的光的聚光能力以及改善的光谱分裂时，可以增加和改善光的色散，这带来了进一步的好处，特别是在系统集成和构建更紧凑的光学系统的能力方面的好处，特别是对于太阳能收集方面的好处。当被用于太阳能收集的环境中和用于太阳能收集的目的时，本发明特别地产生增加的光色散、高太阳能聚光、更高的整体系统紧凑性和改进的效率。

11、可选地，反射镜元件相对于下表面的角度可以是可调节的。然而，反射镜元件的可调节性不是绝对必需的，并且反射镜元件相对于光学色散元件的下表面的适当角度可以在生产色散光学装置时一劳永逸地设置。

12、特别地，反射镜元件相对于下表面的角度可以包括在20度和60度之间。

13、由上表面和下表面形成的角度可以包括在20度和60度之间。

14、根据本发明的一个实施例，光学色散元件是或包括具有基本上平坦的上面和下面的棱镜光学元件。在这种上下文中，棱镜光学元件可以有利地是基本上三棱镜，特别是基本上等腰三棱镜。

15、在前述上下文中，光学色散元件还可以包括会聚透镜元件，该会聚透镜元件具有形成光学色散元件的所述上表面的凸上表面，该会聚透镜元件固定到棱镜光学元件的上平坦面，以使得离开光学色散元件的上表面的色散光会聚。

16、更一般地，光学色散元件的上表面可以是凸表面，该凸表面使得离开光学色散元件的上表面的色散光会聚。

17、根据本发明的实施例，光学色散元件的侧表面优选地基本上与入射光的路径对齐。在该后一种上下文中，在光学色散元件的侧表面和上表面之间形成的上拐角可以变平，并设置有反射镜表面，从而以一定角度反射部分入射光。

18、根据本发明的另一个方面，提供了一种色散光学系统，该色散光学系统的特征在权利要求12中进行了叙述，即一种色散光学系统包括根据本发明的多个色散光学装置。

19、根据本发明的一个特别有利的实施例，该色散光学装置被定位以形成一个挨着另一个的并置的色散光学装置的至少一个无间隙阵列。并置的色散光学装置的每个无间隙阵列尤其可以包括由并置的色散光学装置的光学色散元件组成的整体式光学结构。

20、根据实施例变型，色散光学系统包括以平面对称配置定位的并置的色散光学装置的第一无间隙阵列和第二无间隙阵列。根据另一实施例变型，色散光学系统包括以旋转对称配置定位的并置的色散光学装置的单个无间隙阵列，这些色散光学装置尤其被配置成使得并置的色散光学装置形成同心环结构。

21、多个色散光学装置可以形成基本上平坦的光学布置。在这种上下文中，色散光学装置尤其可以根据菲涅耳结构单独地定向。可替代地，多个色散光学装置可以形成弯曲光学布置。

22、根据另一实施例，色散光学系统还可以包括覆盖多个色散光学装置的整体式会聚透镜结构。

23、根据本发明的另一个方面，色散光学装置可以被支撑成可从展开的操作定位缩回到缩回的非操作定位。色散光学装置尤其可以通过平移和/或旋转缩回。

24、还要求保护本发明的色散光学装置作为用于太阳能收集的光学聚光装置的用途，以及本发明的色散光学系统作为用于太阳能收集的光学聚光系统的用途。

25、根据本发明的另一个方面，提供了一种太阳能收集系统，该太阳能收集系统的特征在权利要求26中进行了叙述，即一种太阳能收集系统包括根据本发明的作为光学聚光系统的色散光学系统，以及被定位成接收由色散光学系统聚光到其上的光的太阳能收集装置。

26、根据一个特别优选的实施例，太阳能收集装置包括波长敏感光伏级，该波长敏感光伏级与色散光学系统一起被配置成将选定波段的光聚光到波长敏感光伏级的不同位置上。

27、在该后一种上下文中，太阳能收集装置优选地还包括聚焦级，以将选定波段的光聚焦到波长敏感光伏级的不同位置上。特别地，聚焦级可以包括多个聚焦透镜，每个聚焦透镜对应于波长敏感光伏级的不同位置中的给定位置之一。可替代地，聚焦级可以包括与波长敏感光伏级的不同位置匹配的聚焦透镜的阵列或者覆盖波长敏感光伏级的不同位置的整体式透镜结构。

28、优选地，太阳能收集装置还包括上光伏级，以执行直接入射光的光伏转换。

29、根据本发明的太阳能收集系统，光伏转换优选地借助于单结太阳能电池或子电池，特别是单晶或多晶太阳能电池或子电池来执行，以确保最佳转换效率。单结太阳能电池或子电池优选地由硅(si)、锗(ge)、砷化镓(gaas)、磷化铟镓(ingap)、磷化铝铟(alinp)或另一iii-v半导体材料制成。可替代地，单结太阳能电池或子电池可以是基于碲化镉(cdte)、铜铟镓硒(cigs)或卤化铅钙钛矿的薄膜太阳能电池或子电池。

30、太阳能收集装置还可以有利地包括集成冷却级。在这种上下文中，太阳能收集装置尤其可以液体冷却，优选通过蒸发冷却。

31、根据本发明的一个实施例，太阳能收集装置可以被支撑成可从展开的操作定位缩回到缩回的非操作定位。

32、在一个实施例中，太阳能收集系统还可以包括插入在太阳能收集装置和色散光学系统之间的快门机构，该快门机构被配置为打开或关闭以相应地允许或防止色散光学系统将光聚光到太阳能收集装置上。

33、根据另一实施例，太阳能收集系统还包括透明保护罩，该透明保护罩被配置成在操作期间至少覆盖色散光学系统。

34、根据另一实施例，色散光学装置被支撑成可从展开的操作定位缩回到缩回的非操作定位，并且太阳能收集系统还包括保护罩，该保护罩被配置成至少覆盖处于缩回的非操作定位的色散光学系统。

35、根据又一实施例，色散光学系统可以被配置成围绕太阳能收集装置的定位旋转，以调节适应天空中太阳的相对运动。在该后一种情况下，太阳能收集系统优选地还包括控制系统，该控制系统被配置成根据太阳在天空中的相对运动，自动调节色散光学系统相对于太阳能收集装置的旋转定位。这种控制系统尤其可以被配置成根据太阳能收集装置的测量输出来调节色散光学系统的旋转定位。该测量输出尤其可以基于差分测量。

36、本发明的其他有利实施例形成从属权利要求的主题，并在下面进行讨论。