专利名称：利用菲涅耳透镜和非成像次级光学的聚光光伏系统的制作方法
利用菲涅耳透餘非成4狄级光学的^JUL伏系统相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年2月23日提交的美国临时专利申请No. 60/891,447的^^bk并ib^其非临时申请。上述临时专利申请的^内^it过引用出于全部目的包^^在此。
关于在联邦ifW资助的研究和开发下进行的发明的权利的声明不适用于本申请
背景狄
本发明-^涉及光学器件，尤其涉A^合非成像光学部件的光学系统。
产生电能的太阳能电池是非常公知的但是其实用性由于非常高的生产成
本而受到限制。例如，虽然大量的研究已经进行了多年，但是每千瓦时(Kwh)的成本仍然是常规电能生产的约10倍。为了与风能或其它替代能源竟争，必须大大^tii太阳能电池的发电效率。
因此，需要提供J^gJi錄其它问题的光学系统和方法。尤其希望提供提高太阳能收ll^t率的系统和方法。
发明内容
本发明提供将来自诸如太阳的远光源的光会^J'J诸如太阳能电池的目标器件上的系统和方法。
本发明各方面涉及将较高太阳皿量提供到多结太阳能电池或其它目标电池以产生有效电输出的光学器件和系统。
才娥一个方面,提l种光学器件,絲型地包括:初级聚傳兄件(primaryfocusing element )、以^^R"有A^J"孑L (entry aperture)和出射孑L (exit aperture)的非成ll^级^t器(non-imaging secondary concentrator )。典型地，初级聚焦元件被配置为把来自远光源的光聚焦到次级聚光器的A^孔上。在某些方面，初级聚禁兄件具有大于约l的f值，例如在1至4之间或更大。在某些方面，该器件包括邻近次级聚光器出射孔定位的太阳能电池。在某些方面，初级
聚禁兄件包括菲涅耳透镜，在某些方面，该菲涅耳透4^i平的、^bt方形的、曲面的和/或4斤射的。
参考i兌明书的^^P分(包括附图和;M'J要求)将了解本发明的其它特征和优点。本发明的更进一步的特;&E^优点，以;M^发明各实施例的结构和耕在下面结合附图进^^述。在附图中，相同的附图初^^示相同或功肯^目似的元素。
图i例示了才娘一个实施例的光学器件。M实施方式
本发明提供将来自诸如太阳的远光源的光会^，J诸如太阳能电池的目标器件上的系统和方法。
才娥一个实施例， 一种光学器件10包括初级聚焦元件20、以及具有AJt孔35和出射孔40的非威/fl^欠级聚光器30。在一个方面，初级聚焦元件20被配置为对来自远光源的光聚焦到次级聚光器30的4孔35上。A4t孔35接收的ibl皮提供给出射孔40。在一个方面，i射口太阳能电池的目标H^45邻近出射孔40定位以接收^5to目标器件45可在定义出射孔的平面^Ji或之下定位，或者可^i4U^该平面上定位，或者可与出射孔ife^合。
在某些方面，初级聚焦^t件20包^it:4^L件，该透4^t件具有大于约1的f值，例如在1至4之间或更大。有用的初级聚禁元件20的一个例子U本上平的正方形菲涅耳透镜。其它有用的初级聚焦元件包括曲面的菲涅耳透镜，非正方形的、平的菲涅耳透镜，菲涅耳A4t镜，任何聚禁透镜，衍射透镜，诸如平面镜的M元件，全息透^^L件或4^f可其它聚焦光或重定向光的光学元件。 一个方面，例如由玻璃或PMMA或其它合适的透^#料制成的平盖22^L^^初级聚焦元件的非成^;欠级^it器相对侧^Ji或邻近其定位。盖22为初级聚焦元件20或4封可其它光学元件提供额外的环境保护，并JL^许初级聚焦元件20##，例如,层。
在某些方面，器件10还包括用于^f^焦到次级聚光器的入射孔上的光均匀的装置。均匀^ t件或系统的例子包括Kohler (柯勒)均化器、全息器件、万花筒(kaleidoscopes停。2007年3月8日提交的美国专利申请No. 11/683,934例示了有用的均匀化元件，该专利申请通过引用全文结合在此。另外，2005年3月21日提交的美国专利申请No. 11/084,882例示了有用的l^t器元件和其它光学器件特征，该专利申请通过引用全il^合在此。
在某些方面，非成^^级^t器30由透明介电材料构成。在某些方面，非成^^级聚光器30包括复合抛物面聚光器(CPC )、或0i/eo角变换器、或^赋^t器。例如，次级聚光器30可由透明介电材料制成并且可包括球面或非球面形状的A^孑L^平面出射孔。应该理解可以^^^^l^器元件。例如，非成^^级M器在某些方面可以通过全内^K TIR )和/或镜面M来工作。初级聚焦元件20和聚光器30之间的区域^可由空气(n = 1)或与M器相比具有不同的折射率(例如在l-3之间或更高)的固态透明介电材^i且成。也可以使用与 >器相比具有不同的折射率的液体介质，在此情况下，将包括主体结构用以M初级聚焦元件、^t器以;5L该^l体^h质。
在某些方面，该器件有利地具有约±5°或更大的光学接收角，其带有约在80-85%之间的光学效率。在某些方面，本发明的器件在目标(例如太阳能电池)上提^-致的通量分布并且尤其适于与多结(MJ)和Si目标电池一^H吏用。在一个特定实施例中，例如，器件可被构造为具有125mmxl25mm的入射孔，深度约230mm。该实施例中太阳能电池的尺寸可包括5.5mmx55mm的MJ电池或10mmxl0mm的Si电池。这能为MJ电池提供约500或为Si电池提供约150的几何集中，其对于MJ电池具有约i3。的接收角，对于Si电、;ik^有约i5。的接收角，且带有约在80-85%之间的光学效率。
应该意识到，目标45可包括光源或照明元件，在此情况下光学系统用作照明装置。
才娥实施例，提Wt热片50并在其上一个或更多光学系统安装。散热片可包括公知的U型梁结构或#结构，尽管也可根提需要使用其它结构。该散热片还可提^台以在其上安装多个系统。目标电池可直接附接到该散热片，或可提#^^器(heatspreader,例如氮化铝)以^Ht热片和目标并且增强电池向散热片的热扩散。在某些方面，可提供跟踪系统以按需重定位(多个)系统，用以跟踪太阳的运动#^#光以期望的接收角^^系统。虽然以示例并参照特定实施例描述了本发明，但^当iW，本发明不限 于这些^Hf的实施例。相反，其意^t^对^4页域^t^A员显而易见的变形和 类似布置。因此，附加的权利要求所限定的范围应与最广泛的解斜目一致以包 含所有这些变形和类似布置。
权利要求
1.一种光学器件，包括初级聚焦元件；以及具有入射孔和出射孔的非成像次级聚光器；其中初级聚焦元件被配置为把来自远光源的光聚焦到次级聚光器的入射孔上。
2. 如;M，J要求1所述的器件，其中初级聚禁兄件具有大于约1的f值。
3. 如权利要求1所述的器件，其中初级聚禁尤件包括菲涅耳透镜。
4. 如;M'J要求3所述的器件，其中菲涅耳透4U:平的。
5. :ft^'J要求4所述的器件，其中菲涅耳透4^1;kJtit方形的。
6. :Ha，J要求3所述的lW，其中菲涅耳透4tt曲面的。
7. 如;M，J要求3所述的器件，其中菲涅耳透^i折射的。
8. 如;M'J要求1所述的器件，还包括用于<緣焦到该次级聚光器的4 孑Ui的光均匀的装置。
9. 如权利要求1所述的器件，还包括邻近次级絲器的出射孔定位的太 阳能电池。
10. 如权利要求9所述的l^t，其中太阳能电池与次级^Jt器的出射孔光 輪。
11. 如权利要求1所述的器件，还包括在次级聚光器的相对,渡盖初级聚 焦元件的玻璃盖。
12. 如^，要求1所述的器件，其中非成^欠级聚光器由透明介电材料构成o
13. 如权利要求12所述的器件，其中非成^l^级M器通过全内^Jt来 工作。
14. 如^f，]要求12所述的器件，其中非成^;欠级^Jt器通过全内^Jt和 镜面M来工作。
15. 如权利要求1所述的器件，其中初级聚禁^L件包括衍射透镜。
16. 如权利要求l所述的器件，其中初级聚焦兄件包括^SJt镜。
17. 如^U'J要求16所述的器件，其中初级聚焦元件包括菲涅耳^HL
18. 如权利要求1所述的器件，其中次级聚5t器包括复合抛物面聚尤器 (CPC)。
19. :H5U'J要求1所述的辦，其中次级^t器由透明介电材料构^JL包 括球面或非球面形状的A^孔。
20. 械利要求i所述的器件，其中次级絲器包括ei/e。角鼓换器。
全文摘要
本发明公开了将较高太阳光通量提供到多结太阳能电池或其它目标电池以产生有效电输出的光学器件和系统。一种光学器件包括初级聚焦元件、以及具有入射孔和出射孔的非成像次级聚光器。初级聚焦元件被配置为把来自远光源的光聚焦到次级聚光器的入射孔上。在某些方面，初级聚焦元件具有大于约1的f值，例如在1至4之间或更大。该器件包括邻近次级聚光器出射孔定位的太阳能电池。在某些方面，初级聚焦元件包括菲涅耳透镜、衍射透镜、和/或反射镜。在某些方面，用作初级的菲涅耳透镜是平的、大致正方形的、曲面的和/或折射的。
文档编号H02N6/00GK101641860SQ200880009262
公开日2010年2月3日 申请日期2008年2月25日 优先权日2007年2月23日
发明者A·里奇尔, R·温斯顿 申请人:加利福尼亚大学董事会