专利名称：具有不晕成像系统和耦合非成像光集能器的多结太阳能电池的制作方法
具有不晕成像系统和耦合非成像光集能器的多结太阳能电池 背景技术本发明涉及使用提供极高太阳能通量的光学系统以产生高效电输出的多结太 阳能电池，尤其涉及将非成像光集能器、或通量增强器与主、辅不晕镜子系统组合 的太阳能系统，其中非成像集能器有效地耦合到镜子从而达到成像条件使高强度光 会聚到多结太阳能电池上。产生电能的太阳能电池已经公知但是由于极高的生产Kwh成本而用途受限。 虽然大量研究已经进行了多年，但是每Kwh成本仍然是常规电功率生产的约10 倍。为了与风能或其它替代能源竞争，必需大大改进太阳能电池的电产率。发明内容将不晕光学成像设计与非成像光学系统组合以产生在光学扩展量极限下工作 的极紧凑型光集能器。在多结太阳能电池系统中，不晕光器件与耦合非成像集能器 极高效地产生电输出。在替换实施方式中，可使用多个常规太阳能电池来代替多结 电池。各种不晕和平面光学系统可提供将光传输到非成像集能器从而形成向多结太 阳能电池的高会聚光输出的必要部件。在一实施方式中，辅镜(secondary mirror) 与入口开孔共面，且出口开孔与主镜(primarymirror)的顶点共面。基于一般基础 容易看出，对于具有主镜和辅镜的最紧凑的成像系统，深度与直径的比例为1:4， 图l例示出本关系。在较佳实施方式中，镜间空间填充有折射系数为n的电介质， 使得数值孔径(NA)增大因数n倍。将非成像光集能器置于主镜的出口开孔处，其中非成像集能器是"/e2的集能器，其中将e!选择成与系统成像台的NA匹配(sin9i =NA,/n)，而将62选择成满足辅助条件，诸如维持全内反射(丁IR)或限 制多结太阳能电池上的照射角、或允许出现辐射以容纳集能器与多结太阳能电池之 间的小气隙(或下文所述的本发明照明器形式的光源)。具有元件组合的本系统实现了高效多结太阳能电池的使用，使得可通过耦合 于不晕和平面光学子系统的非成像光集能器将极强的太阳能通量输入到太阳能电 池中。虽然就面积而言多结太阳能电池比常规电池贵约100倍，但是本文所述系统 可提供诸如至少约几千太阳的高会聚阳光，使得多结电池成本变得非常有商业前 景。因此，光学系统提供太阳能电池实现商用效力所需的光强。也应该注意，上述 光学系统也可用作其中光源与光变换器相邻设置的照明器。从以下详细描述和下文所述附图中，本发明的目的和优点变得显而易见。
图1示出具有耦合于多结太阳能电池的关联非成像集能器的不晕光学系统；以及图2是非成像集能器的细节。
具体实施方式
在图1中，示出根据本发明一实施方式构建的光学系统10。辅镜14与主镜 20的入口开孔12共面。主镜20与辅镜14的组合的焦点落在非成像集能器24的 入口开孔25的中心(图2中可见，下文将详细描述)。可视为主镜20、辅镜12和 非成像集能器24的光学系统10的名义"焦点"的最终通量输出在横截主镜20的 顶点18的出口开孔16处产生。顶点18是位于主镜20与光轴26相交的点。主镜 20被截断以容纳集能器24。在较佳实施方式中，顶点18也在出口开孔32的中心。 使在角度2eo上均匀入射的太阳能辐射(含有光学误差的阳光盘巻积)会聚到焦平 面上，并在角度26i上分布。如果用折射系数(n)的电介质22填充居间空间，则 数值孔径(NA)增大n倍。对于典型材料，因数在约1.4至1.5之间，这会由于相 应会聚(对于相同的视场)增加到n2 2.25倍(只要吸收器光学耦合到光变换器 或集能器24)而变得可观。在较佳实施方式中，非成像集能器24置于出口开孔16 处并具有另一入口开孔25。该集能器24更佳地为ei/02非成像集能器，其中将9i 选择成与具有主镜20和辅镜14的光学系统10的成像台部分的数字孔径(NA。 匹配(其中sin9产NAi/n)。将92选择成满足辅助条件，诸如维持全内反射(TIR) 或限制多结电池26上的照射角、或者允许辐射出现以容纳集能器24与多结太阳能 电池26之间的小气隙(或本发明照明器形式的光源30)。终端台的会聚或通量增 强接近基本极限(sine2/sine,)2。总会聚可接近光学扩展量极限(n/sineo)2，其中 sin9『nsine"在替换实施方式中，多结电池26可以是常规的小太阳能电池。在另 一实施方式中，非成像集能器24可以是公知制作的非成像集能器。 在光学系统10中，入口开孔14和出口开孔16都基本上是平的，于是成为直接分析的情况。实际上，较佳光学系统10具有落在公知的e2/et非成像集能器类别下的设计。TIR条件是e2 + e!《丌陽2ec (i)其中e。是临界角，即arcsin(l/n)。在许多重要的实际情况下，TIR条件与将照射角限制于合理预定值是相容的。 由于总的光学系统10接近理想，所以在62接近兀时总的NA是NA2 = nsin(e2)"n。 在替换实施方式中，集能器24的反射表面31不需要发生TIR。在本替换实施方式 中，eve2集能器的外部，反射表面31可以是镀银表面，从而不限制92但是会造成 约一次额外反射的光学损耗( 4%)。总的光学系统10是接近理想的，因为成像和非成像形式的集能器24两者的 光线轨迹说明偏斜光线的抑制不超过几个百分比。对于满足恒定光程长度的费马 (Fermat)原理的所选集能器24，共面设计可实现最小的纵横比(f-数)1/4。通过 从两个极端情况(1)主镜20的边缘和(2)沿光轴26，追踪近轴光线，并规定 到达焦点的恒定光程长度，可直接示出(a)主顶点18到入口开孔12的距离不能 小于进入直径的1/4，且(b)紧凑限制要求共面性。因为这种高通量器件最终由电 介质厚度(提及)约束，所以可描述较佳共面单元的各种实施方式。即使有共面性约束，e〖的设计选择仍具有相当的自由度。在计入脆性、电池 附加和热抑制的最实际设计呈现为在主镜20的顶点18处设置PV吸收器。对于如 此受限制的设计，在ej曾加与辅镜14的遮挡之间存在权衡。例如，对于遮挡《3%， 6j《24。。取n-1.5，则e。-42。。则由不等式(1)， e, + 02《96。。图1中的说明性 情况具有0尸24°、 62=72°且3%的遮挡，且(n sin(62))2 = 2.0十分接近光学扩展量极 限。也许最简单的终端集能器24是平截头体(横截的V-圆锥)。然而，如果要避 免光泄漏和过度光线抑制，则实现最大会聚增强所需的平截头体深度基本上大于相 应的ei/02设计(对于此处考虑的参数范围)。制造简单和成本会对电池26与集能器24的光耦合产生影响。这样，光被提 取到空气中并投射到电池26上。图1的整体极紧凑设计依然可用，包括将电池26 设置在主镜20的顶点18处。终端集能器24则必需具有02 < ee以避免TIR导致的 光抑制。适应其相对较大的深度(即保留相同的电池位置)需要重新设计成像电介 质集能器24使其焦点更靠近辅镜14。可实现会聚的相应光学扩展量极限从因数n2 倍减小到因数(l/sin0(^倍。
在某些波长范围上透光的所有电介质具有色散，即透光窗口外的吸收的结果。 甚至对于色散仅为几个百分点的玻璃或丙烯酸，这将可通过精心设计菲涅耳(Fresnd)透镜实现的太阳能通量大大地限制于-500太阳。对于平面电介质形式 的集能器24，唯一折射界面是与入射光束28正交的入口开孔12。在界面(入口开 孔14)处的角度色散为朋=-tan,"/" (2)这可完全忽略，因为入射光束28的角度扩展《1弧度。电介质光学系统10为了消 除色差的实际目的。实际上，方程(2)表示设计中的某些灵活性。电介质/空气界 面(入口开孔12)无需与光束严格正交。适度倾斜是允许的，只要由方程(2)确 定的色差效应保持在一定范围内。诸如集能器24的非成像器件可在最小开孔与光波长相当的衍射极限下工作良 好。这远超出了光电集能器所要求，但在作为本文实施方式中可能应用的亚毫米波 长下的探测器中是有用的。随着可用较宽范围的尺寸，多结电池26上的功率密度 约为每平方毫米l瓦(电)，只要在对分隔结的隧道二极管层的设计中多加注意。 这意味着太阳能通量-3330太阳，且几何会聚Cg- 4600 (采用对来自通常40%效 率电池的电力的30%系统效率，其中计入了损耗，这些损耗来自反射镜吸收、菲 涅耳(Fresnel)反射、电介质中的衰减、遮挡、电池发热、几个百分点的光线抑制、 以及为了在焦平面上容纳全部通量图而对功率密度进行的适度稀释)。使用l毫米直径的电池26，图1的集能器24的直径为68毫米、最大深度为 17mm，且单位面积质量等于8.5毫米厚的平板。显然，可设计具有较低会聚和功 率产生密度同样降低的大大加厚形式的集能器24 (对于相同的电池大小)。相应的视场角度为90 = Sin(e。) = w sin(e2)/々Cg (3) 对于以上实例，上式- 21毫弧度，足够在宽松光学公差下容纳太阳固有尺寸(4.7 毫弧度)的巻积。更严密的光学公差可在电池26上产生更小的斑点。幸运的是通 过试验发现即使在几千太阳的通量水平下电池性能也对这种通量不均一性相对不 敏感。空气填充集能器24的光线轨迹模拟示出在二级畸变开始显著减小通量会聚 之前6o可达到20毫弧度。此处相应的阈值应为ne。 - 30毫弧度。电池26自身可 以是一或几平方毫米。由于平面集能器体积随电池尺寸的立方而增加，这是工程最 优化。在任何情形中，可无源地散去几瓦的热抑制负载，使得温度增加不超过30K 左右。
至今，光学系统10被视为具有圆开孔和多个圆电池26的轴对称。考虑到达 到高通量水平是相对容易的，则最大化收集效率最重要，包括封装在模块内的集能器。同样，考虑到经济型制作和切割技术提供正方形电池26，则可考虑从正方形 入口开孔会聚到正方形目标上。在收集或电池效率方面无损耗地产生相同的功率密 度就规定将几何会聚增加因子(4/兀)2 - 1.62倍(或在固定几何会聚下稀释功率密 度)。高A^i共面设计是有可能的，但只在焦点凹进主镜内时。不能满足不等式O) 一以及因此而不能满足TIR，所以需要在终端集能器24的外部镀银(并在A^r^1 时不需要终端增强器)。可移除中心区域的电介质22同时保持会聚中因子1!2倍的 放大。电池附加和热抑制方面的问题比图1的设计更大。在此示出的共面全电介质光学系统IO体现不昂贵的高性能形式，它应该能够 (a)在高达几千太阳的通量水平上从先进的商用的1平方毫米太阳能电池26产生 约1W， (b)即使在极高会聚下也只造成可忽略的色差，(c)电池26的无源冷却， (d)容纳宽松的光学公差，(e)使用现有玻璃和聚合物成型技术量产，以及(f) 实现1/4纵横比的基本紧凑限制。除了上文所述实施方式之外，反过来，光学系统IO可以是在极接近光学扩展 量极限下工作的紧凑型准直器。靠近非成像集能器24的"出口"开孔32定位的光 源30 (在图2中以虚线示出)可以是发光二极管。通常，光学系统10可以是光变 换器，收集会聚到非成像集能器24的下游的光或者在光源30散布在非成像集能器 (此时为"照明器"，以所需方式输出光)24的"出口"开孔32附近的情形中产 生所选光输出图案。这种准直器在创建所需图案的照明系统中具有许多用途。以下非限制实例仅为说明该系统的设计。实例1光学空间填充有电介质22，即平面非成像集能器24类似于玻璃板。多结技术 自身应用于小的太阳能电池尺寸。由于高电流传输更短距离从而减弱内部电阻效 应，因此该尺寸关系能更好地工作。因而，电池26较佳地在一至几平方毫米尺寸 内。NA,的设计选择具有相当的自由度以及与辅镜12遮挡之间的权衡，但是通常 在0.3至0.4的范围内。玻璃(和塑料)的典型值取n-1.5,得到e。-42。。则从不 等式(1)， (e! + 02)《96。，取NA,0.4n， 6^23.5。，则62可以达到72°，多结太 阳能电池26上完美的合理最大照射角。同时，NA2-0.95n，在光学扩展量极限的 5%内。实例2在另一实施方式中，非成像光学集能器(或照明器)是圆柱形，e〗z02。所施 加的角度约束取决于所需条件。如果TIR是所需的且太阳能电池被光学耦合到多 结太阳能电池26 (或照明器的光源30)，则01不应超过(90°-9。)-48°。如果TIR 是所需的且在集能器与多结太阳能电池26 (或照明器的光源30)之间存在小气隙， 则0i不应超过ee-42°。如果圆柱体镀银且集能器光学耦合到多结太阳能电池26 (或照明器的光源 30)，则不存在约束。如果圆柱体镀银且集能器与多结太阳能电池26 (或照明器的光源30)之间存在小气隙，则e!不应超过e。-42。。实例3在另一实施方式中，允许出现辐射以容纳集能器与多结太阳能电池26 (或照 明器的光源30)之间的小气隙，则0!不应超过0e-42。。如上所述地令62 = 39°， 且e,二23.5。。则NA「nsin(39。"0.94，在光学扩展量极限的6%内。
权利要求
1.一种太阳能系统，包括不晕光学成像系统；非成像太阳能集能器，收集来自所述不晕光学成像系统的光；以及太阳能电池，从所述非成像太阳能集能器接收光，所述太阳能电池产生电输出。
2. 如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，所述太阳能电池包括多结 太阳能电池。
3. 如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，所述不晕光学成像系统包 括主镜和辅镜。
4. 如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于所述不晕光学成像系统包括 具有共面入口开孔的辅镜和包括与顶点共面的出口开孔的主镜中至少一个。
5. 如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，主镜与辅镜之间的空间包 括电介质。
6. 如权利要求5所述的太阳能系统，其特征在于，所述电介质从由空气和折 射系数n约为1.4至1.5的材料组成的组中选择。
7. 如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，所述非成像太阳能集能器 包括6i/e2非成像集能器。
8. 如权利要求7所述的太阳能系统，其特征在于，所述e!/e2非成像集能器通 过将e,选择成与所述不晕光学成像系统的数值孔径匹配来选择。
9. 如权利要求l所述的太阳能系统，其特征在于，主镜和辅镜两者的出口开孔基本上都是平的。
10. 如权利要求l所述的太阳能系统，其特征在于，所述非成像集能器提供全内反射。
11. 如权利要求l所述的太阳能系统，其特征在于，所述非成像集能器包括镀 银的反射表面。
12. 如权利要求l所述的太阳能系统，其特征在于，所述非成像太阳能集能器被定位成基本上与主镜的确切开孔齐平。
13. 如权利要求12所述的太阳能系统，其特征在于，所述非成像太阳能集能 器包括特制的反射表面。
14. 一种用于太阳能系统的光学系统，包括 用于收集光的不晕光学成像系统；以及非成像太阳能集能器，耦合到所述不晕光学成像系统以从其接收光，从而提 供极高强度的光输出以供太阳能系统使用。
15. 如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述不晕光学成像系统包括具有与其共面的出口开孔的主镜和辅镜。
16. 如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，还包括置于主镜与辅镜之 间的电介质，所述电介质的折射系数在约1.0-1.5之间。
17. 如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述非成像太阳能集能器从e,/e2集能器和特制集能器的组中选择。
18. —种用于选择性对光成像的光学系统，包括 光源；从所述光源收集光的非成像光学照明器系统；以及 输出从所述非成像光学照明器接收的光的不晕光学成像系统。
19. 如权利要求18所述的光学系统，其特征在于，所述非成像光学照明器从由e^e2照明器和特制反射表面的照明器组成的组中选择。
20. 如权利要求18所述的光学系统，其特征在于，所述非成像光学照明器从 由TIR照明器和镀银反射表面照明器组成的组中选择。
全文摘要
一种用于太阳能设备以产生电能的光学系统。该光学系统包括不晕光学成像系统、耦合到不晕系统的非成像太阳能集能器以及从非成像太阳能集能器接收高会聚光的多结太阳能电池。
文档编号H01L31/00GK101164172SQ200680013420
公开日2008年4月16日 申请日期2006年3月20日 优先权日2005年3月21日
发明者J·M·高登, R·温斯顿 申请人:加利福尼亚大学董事会