使用光伏二阶聚光的混合槽太阳能发电系统的制作方法
本发明通常涉及太阳能发电，尤其涉及一种结合热能和光伏以产生能量和热能存储的混合系统。
背景技术：
图1是使用抛物槽的太阳能收集装置(现有技术)。brunotte等人的设计【非专利文献1(npl1)】是将线聚焦转换为一系列更高聚集的焦点的最早的尝试之一。在此设计中，抛物槽被用于照射一系列的实心复合抛物聚光(compoundparabolicconcentration，cpc)二级件，每个二级件连接于一个单体光伏(photovoltaic，pv)电池。槽被绕极对准轴跟踪，因此全年中，倾斜角度范围被限制在+/-23.5°。cpc具有正方形或矩形的光孔，并可以具有不对称的接受角。在槽的横向平面上的接受角由槽的最大边缘角度所决定。当不对称槽被使用时，如图所示，cpc可以被倾斜至中位角，而接受角仅为槽的边缘角度的一半。在其他维度中(沿着槽的轴向平面)，cpc需要具有一个+/-23.5°的接受角，以保持季节性运转。
图2记述的设计公开了用于传统槽、离轴槽和卡塞格林槽的跟踪二级件(现有技术)。cooper等人【非专利文献3(npl3)】和thesans.p.a【专利文献1(ptl1)】均使用了跟踪自由度的第二自由度。除了单轴槽跟踪外，二级光学元件可以允许旋转或翻转以补偿入射角的变化(在槽的轴向平面内)。二级件包括中空的、可旋转的cpc和实心电介质反射器。具有中空cpc阵列的设计在主聚焦附近工作。可替换地，可以使用横向平移的柱面或球面镜【ptl1】。
图3是表示m2光谱分离器(现有技术)的反射和透射波长带的部分截面图。原则上，这样的设计允许紫外(uv)和红外(ir)光在集热器1(hr1)被收集为热能，而可见光(vis)和近红外光(nir)被收集为光伏能量。卡塞格林几何结构给获得高聚光提出了新的障碍。由于卡塞格林光学元件具有大的焦距，在m2的下方形成的太阳能图像也同样变大。来自卡塞格林槽的主聚光因此比其应该在主聚焦时低。为了保持在卡塞格林m2之后的太阳能图像较小，m2的尺寸应该非常大。然而，这会导致m2在m1(槽)上投下大的阴影。或者，m2可以被做的非常小，如此则有最小的阴影效应。然而，在槽的底部的太阳能图像的尺寸变得非常大。而替代方法需要升高接收器(光伏电池)以更靠近m2。这允许焦距的一定减小。然而，这可能会因为重心上升而影响槽稳定性。因此，没有附加聚光，则所述设计用于聚集光伏(cpv)和聚集太阳能(csp)目的都是不现实的。
美国专利5,505,789使用具有实心二级漏斗的铺设线聚焦来解决与卡塞格林光学元件【专利文献2(ptl2)】相关的上述问题。美国专利5,505,789揭示了线聚焦透镜和线聚焦pv模组。整个系统是一个线性弧形菲涅尔透镜阵列，其具有沿着每一个透镜的焦线定位的线性pv电池接收器。光伏电池接收器由互连成一串的高效电池组成，并具有被黏贴结合于这些电池的实心二级光学元件。每个二级光学元件的进光光孔在形状上为矩形，光学二级件被彼此对接在一条线上，以形成一个沿着焦线的连续的进光光孔。除了提供更聚集的阳光，实心光学二级件将这些电池与空气、湿气和污染物隔离，以达到辐射伤害较低程度。然而，由于这个系统不使用卡塞格林光学元件或附加手段来将阳光聚集至pv电池，其是低聚光的cpv系统。依据以上提到的所有理由，这个系统可以被修改以使用卡塞格林光学元件，或者被收集于这样一个系统的光线可以被充分聚集给pv收集，是非显而易见的。
其他用于太阳能发电的分光方法包括imenes等人【非专利文献4，(npl4)】，desandre等人【非专利文献5，(npl5)】的混合太阳能的二向色滤光片设计，hamdy等人【非专利文献6，(npl6)】的混合太阳能能效分析，及soule等人【非专利文献7,8，(npl7，8)】的混合太阳能系统设计。
图4是在槽的底部具有pv的卡塞格林混合槽系统的部分截面图【非专利文献9，(npl9)】(现有技术)。一个相似的具有分光镜，但在槽的顶点(vertex)的狭缝中的pv电池上没有聚集的卡塞格林槽系统已被jian等人【非专利文献10，(npl10)】描述。
如果使用卡塞格林光学元件的混合太阳能系统可以被设计为最优地收集热能和pv能二者的话，那将是有益的。
现有技术文献
专利文献
ptl1:“solarreceiverforasolarconcentratorwithalinearfocus”，a.balbodivinadioandm.palazzetti,thesans.p.a.,us2011/0023866,公开于2011年2月3日。
ptl2:“line-focusphotovoltaicmoduleusingsolidopticalsecondariesforimprovedradiationresistance”,l.m.fraasandm.j.oneill,entechinc.,美国专利号5,505,789,于1996年4月9日被授权。
非专利文献
npl1：“two-stageconcentratorpermittingconcentrationfactorsupto300xwithone-axistracking”；brunotte,m.、goetzberger,a.和blieske,u.。(1996年1月1日)。太阳能(solarenergy),56,3,285-300。
npl2：“bicon:highconcentrationpvusingone-axistrackingandsiliconconcentratorcells”；mohr,a.、roth,t.和glunz,s.w.(2006年1月1日)。光伏的发展(progressinphotovoltaics),14,7,663-674。
npl3：“theoryanddesignofline-to-pointfocussolarconcentratorswithtrackingsecondaryoptics”；t.cooper.g.ambrosetti、a.pedretti和a.steinfeld；appl.opt.vol.52,8586-8616(2013)。
npl4：“spectralbeamsplittingtechnologyforincreasedconversionefficiencyinsolarconcentratingsystems:areview”；a.g.imenes和d.r.mills。太阳能材料和太阳能电池(solarenergymaterials&solarcells)，vol.84,pp19-69(2004)。
npl5：“thin-filmmultilayerfilterdesignsforhybridsolarenergyconversionsystems”,l.desandre、d.y.song,h.a.macleod、m.r.jacobson和d.e.osborn,国际光学工程学会的进程(proceedingsofthespie)，vol.562,pp155-159(1986)。
npl6：“spectralselectivityappliedtohybridconcentrationsystems”,m.a.hamdy、f.luttmann、d.e.osborn、m.r.jacobson和h.a.macleod,国际光学工程学会的进程(proceedingsofthespie)，vol.562,pp147-154(1986)。
npl7：“efficienthybridphotovoltaic-photothermalsolarconversionsystemwithcogeneration”,d.e.soule、e.f.rechel、d.w.smith和f.a.willis,spievol.562,pp166-173(1985)。
npl8：“heat-mirrorspectralprofileoptimizationfortschybridsolarconversion”,d.e.soule和s.e.wood,spievol.653,p172-180(1986)。
npl9：“bandwidthandangleselectiveholographicfilmsforsolarenergyapplications”,c.g.stojanoff、j.schulat和m.eich,spievol.3789,pp38-49(1999)。
npl10：“opticalmodelingforatwo-stageparabolictroughconcentratingphotovoltaic/thermalsystemusingspectralbeamsplittingtechnology”,s.jian、p.hu、s.mo和z.chehn,太阳能材料和太阳能电池(solarenergymaterials&solarcells)，vol.941686-1696(2010)。
技术实现要素：
发明要解决的技术问题
本发明的一个实施方式涉及：
一种混合槽太阳能发电系统，其使用二阶聚光以驱动结合集热器的聚光型光伏(cpv)转换，所述系统包括：
反射槽，其具有主轴和抛物线形弯曲表面，所述抛物线形弯曲表面用以将在多个横向平面接收到的光线聚集至与所述横向平面正交的轴向平面中的主线性聚焦；
二向色光谱分离器，其具有双曲线的弯曲表面、与所述主线性聚焦平行对准的轴，且位于所述反射槽和所述主线性聚焦之间，所述二向色光谱分离器透射光的t带波长，反射光的r带波长至被设置为在所述轴向平面中平行于所述反射槽的顶点(vertex)的二级线性聚焦；
集热管，其为了由所述二向色光谱分离器透射的光而沿着所述主线性聚焦对准；
多个聚光型光学部件，其沿着所述二级线性聚焦并排设置，每个聚光型光学部件包括：
光学元件，其将被所述二向色光谱分离器反射的光的r带波长沿着与所述轴向平面正交的三级线性聚焦聚集；
多个光学漏斗，用以聚集被所述光学元件聚焦的光的r带波长至多个对应的接收区域；
多个pv装置，每个具有形成于对应的接受区域的光学界面。
本发明的另一个实施方式涉及：
一种太阳能发电方法，其使用二阶聚光来驱动结合集热的聚光型光伏(cpv)转换，所述方法包括：
将于多个横向平面接收到的光线朝向与所述横向平面正交的轴向平面中的主线性聚焦聚集；
透射光的t带波长至所述主线性聚焦；
朝着所述轴向平面中的与所述主线性聚焦平行的二级线性聚焦反射光的r带波长；
将于所述主线性聚焦接收到的光线转换为热能；
将于所述二级线性聚焦接收到的光线，沿着与所述轴向平面正交的多个三级线性聚焦，聚焦；
将每个三级主聚焦中的聚焦光聚集进多个接收区域；
将于所述接受区域接收到的光转换为电能。
附图说明
[图1]图1是使用抛物槽的太阳能收集装置(现有技术)。
[图2]图2表示用于传统槽、离轴槽和卡塞格林槽的跟踪二级件的设计(现有技术)。
[图3]图3表示m2光谱分离器的反射和透射波长带的部分截面图(现有技术)。
[图4]图4是在槽的底部具有pv的卡塞格林混合槽系统的部分截面图【npl9】(现有技术)。
[图5]图5是使用二阶聚光以驱动结合集热器的聚光型光伏(cpv)转换的混合槽太阳能系统的透视图。
[图6a]图6a是二向色光谱分离器的部分截面图。
[图6b]图6b是二向色光谱分离器的部分截面图。
[图7a]图7a是示范性聚光型光学部件的视图。
[图7b]图7b是示范性聚光型光学部件的视图。
[图7c]图7c是示范性聚光型光学部件的视图。
[图8a]图8a表示示范性光学元件形式。
[图8b]图8b表示示范性光学元件形式。
[图8c]图8c表示示范性光学元件形式。
[图8d]图8d表示示范性光学元件形式。
[图9a]图9a表示示范性光学漏斗设计。
[图9b]图9b表示示范性光学漏斗设计。
[图9c]图9c表示示范性光学漏斗设计。
[图9d]图9d表示示范性光学漏斗设计。
[图9e]图9e表示示范性光学漏斗设计。
[图9f]图9f表示示范性光学漏斗设计。
[图10]图10是表示具有变化光孔长度的光学漏斗阵列的透视图。
[图11a]图11a是从不同视角描述图5的系统。
[图11b]图11b是从不同视角描述图5的系统。
[图11c]图11c是从不同视角描述图5的系统。
[图11d]图11d是从不同视角描述图5的系统。
[图12a]图12a表示图11a到图11d的系统在不同的太阳角度下工作。
[图12b]图12b表示图11a到图11d的系统在不同的太阳角度下工作。
[图12c]图12c表示图11a到图11d的系统在不同的太阳角度下工作。
[图12d]图12d表示图11a到图11d的系统在不同的太阳角度下工作。
[图13]图13是举例示出使用二阶聚光来驱动结合集热的cpv转换的太阳能发电方法的流程图。
具体实施方式
如在上面的背景技术部分中所述的，使用二向色光谱分离器的混合太阳能发电机和伴随这些设计的问题已被广泛探讨。在此记述的系统通过将聚光型光伏(concentratedphotovoltaic，cpv)电池所需的聚焦阳光进一步聚集到更高的水平，改善了如上传统的使用来自卡塞格林槽的低聚光的线聚焦的方法。沿着一个线聚焦，已被集中于一个维度的阳光很难被进一步聚集于所述相同方向。然而，在与所述线聚焦正交的方向上，显著的附加聚光是可能的。这导向一个两步架构，其中，最终聚集是两个正交运作的结果。
卡塞格林太阳能聚光器被用于将太阳光谱分离成两个带。t带波长光，比如紫外(ultraviolet，uv)和红外(infrared，ir)光，被允许穿过二向色二级镜(m2)并被标准集热器吸收。r带波长光(比如，可见(visible，vis)和近红外(nearir，nir)光)被m2反射，在m2下方形成中聚光(medium-concentration)的太阳能图像。vis-nir带的焦距长于uv/nir带的焦距。没有在此记述的系统，则vis-nir聚焦不适用于cpv应用。唯一可能的、经济的、可行的选择就是使用单结(即p-n结)pv电池来覆盖整个vis-nir聚焦区域。通过在中聚光线聚焦附近，采用可旋转的折射光学元件阵列，可以在与初始聚光正交的方向上获得附加聚光。
因此，混合cpv系统通过分离太阳光谱为两个波长带，将太阳能转换为电能和热能二者。可见和近红外光谱通过cpv装置被用以直流电发电，利用此波长带的最大cpv效率。紫外和红外光谱被用以热能收集，其中热量通过传热流体(heattransferfluid，htf)被传递给中央能量模块。因此，混合系统与单独的cpv或单独的聚光太阳能发电(concentratedsolarpower，csp)系统相比能够传输更高的能量(结合了电能和热能)。即，混合系统不只是产生可变电，还产生用以低成本和大容量热存储的可调度的热能。除了发电，额外的存储容量平衡混合系统以使其成为一个平衡性好的发电系统。在需求高时，调度性(dispatchablity)通过传输能量解决输电网需求。因此，并网混合系统可以在最高价卖电使电力公司收入最大化和减少化石燃料消耗。
因此，一种使用二阶聚光来驱动结合集热的cpv转换的太阳能发电方法被提供。所述方法将被接收于多个横向平面的光线聚集向与横向平面正交的轴向平面中的主线性聚焦。光的t带波长被透射到主线性聚焦。光的r带波长被反射向轴向平面中的与主线性聚焦平行的二级线性聚焦。在主线性聚焦接收的光线被转换成热能。在二级线性聚焦接收的光线被多个沿着二级轴对准的光学元件聚焦进多个与轴向平面正交的三级线性聚焦。被位于每个三级主聚焦中的光学元件聚焦的光线被聚集进多个接收区域并被转换成电能。
在一种情形中，具有主轴和抛物线形弯曲表面的反射槽将在多个横向平面内接收的光线聚集向主线性聚焦。二向色光谱分离器透射光的t带波长并反射光的r带波长，二向色光谱分离器具有双曲线的弯曲表面及与主线性聚焦平行正对的轴、且位于二级线性聚焦和主线性聚焦之间。多个光学元件沿着对应的多个三级线性聚焦将被接收于二级线性聚焦的光的r带波长聚焦。多个光学漏斗将每个三级主聚焦中的被聚焦的光线聚集进对应的多个区域。
关于上述方法和混合槽太阳能发电系统的进一步的详细内容如下所述。
图5是使用二阶聚光来驱动结合集热器的聚光型光伏(cpv)转换的混合槽太阳能系统的透视图。所述系统400包括反射槽402，其具有主轴404和用以将在多个横向平面内接收的光线(例如光线408a1到408c2)聚集进与所述横向平面正交的轴向平面(未图示)中的主线性聚焦410的抛物线形弯曲表面(paraboliccurvedsurface)406。例如，光线408a1和408a2位于一个横向平面，而光线408c1和408c2位于另一个横向平面。在一种情形中，反射槽402可以绕主轴404旋转。
二向色光谱分离器416具有双曲线的弯曲表面(hyperbolicallycurvedsurface)418和与主线性聚焦410平行正对的轴420，且位于反射槽402和主线性聚焦410之间。
图6a和图6b为二向色光谱分离器416的部分截面图。被反射槽402在横向平面414接受的光线被反射至二向色光谱分离器，如光线500所示。二向色光谱分离器416透射光的t带波长422，并反射光的r带波长502到二级线性聚焦426，二级线性聚焦426被形成为在轴向平面504中与反射槽402的顶点(vertex)506平行。在此实施例中，二级线性聚焦426和顶点506被整合，且轴向平面504是面向图6b的读者的平面(即图6b被构成于其上的页)。集热管430(hr1)沿主线性聚焦410对准，用于由二向色光谱分离器416所透射的光线。为简单起见，集热管430被显示为沿着主线性聚焦410对准。
在一种情形中，光的t带波长422是或者包括波长大于近红外(nir)光和少于红外光二者，r带波长502被包含于nir波长光或包括nir波长光。
返回到图5，多个聚光型光学部件432沿着二级线性聚焦426连续设置。理想地，二级线性聚焦应为轴向平面上的一条精细聚焦的线。然而，由于卡塞格林光路的较长焦距，二级线性聚焦426相比于主线性聚焦410是低聚光。二级线性聚焦作为垂直于轴向平面的狭窄平面而被呈现于此。如下所述，聚光型光学部件被用以促进二级线性聚焦的聚光。
图7a到图7c是示范性聚光型光学部件432的图。每个聚光型光学部件432，在此也被作为聚光透镜(concentratinglens，cl)提及，包括光学元件600以聚焦光的r带波长，所述光的r带波长是被二向色光谱分离器沿着与所述轴向平面正交的一个三级线性聚焦所反射。多个光学漏斗604将被光学元件600聚焦的光的r带波长聚集至对应的多个接收区域606。多个pv装置608，每个具有被形成于一个对应的接收区域606的一个光学界面。在一种情形中，pv装置608为多结电池，每一结具有将光的r带波长转换为电流的一个能带隙。例如，如果二向色光谱分离器反射波长在500到810纳米(nanometer，nm)之间的r带中的光，则pv装置608可以为具有1.88电子伏(ev)和1.43ev的能带隙的双结叠层电池，或是具有2.05ev、1.77ev和1.43ev的能带隙的三结叠层电池。或者，如果二向色光谱分离器反射波长在650到850nm之间的r带中的光，则pv装置608可以为具有1.43ev的能带隙的单结电池。在其他情形中，如果二向色光谱分离器反射波长在700到1000nm之间的r带中的光，则pv装置608可以为具有1.1ev的能带隙的单结电池。
每个光学元件600具有伸长并与所述轴向平面正交的光学输入光孔610。同样地，聚光型光学部件432中的每个光学漏斗604具有一个位于透镜600的下方、伸长并与所述轴向平面正交的光学输入光孔612。
在一种情形中，每个光学元件600在一个光孔(例如水平的)平面上具有一个光学输入光孔第一轴向平面宽度614，其中，所述光孔平面与所述轴向平面正交。每个光学元件600沿着与所述轴向平面上的伸长的光学漏斗输入光孔612重合的三级线性聚焦602将光线聚焦到一个小于第一宽度614的第二轴向平面宽度616。在其他情形中，每个聚光型光学部件432可以绕被形成为与所述轴向平面正交的轴(例如，在三级平面中，如图7a)旋转。
暂且回到图5，由附图标记434(hr2)所表示的集热器或热冷却块，可以被选择性地贴附于pv装置。
图8a到图8d表示示范性光学元件的形态形状。图8a表示线性菲涅尔透镜600，图8b表示非柱面透镜(acylindricallens)600，图8c表示柱面透镜(cylindricallens)600。菲涅尔透镜可以廉价地热压于塑料中，例如涤纶(甲基丙烯酸甲酯，methylmethacrylate)(聚甲基丙烯酸甲酯，pmma)。然而，菲涅尔透镜因散射光而有损失并难以涂敷。非柱面透镜有较少的散射，但需要更多的材料。玻璃非柱面透镜可以抗反射(anti-reflective，ar)涂敷以减少损失。图8d表示作为复合抛物聚光器(compoundparabolicconcentrator，cpc)被启用的光学元件600。更明确地，聚光型光学部件432包括具有在横向平面上伸长的输入光孔的第一cpc600，和在第一cpc的下方并被启用为第二cpc或平楔604的、多个具有在所述轴向平面上伸长的输入光孔的光学漏斗。
图9a到图9f表示示范性光学漏斗设计。图9a和图9b举例示出具有内反射面900的中空的光学漏斗604。如这些图所示，侧面或者外表面902可以是平的，如图9b所示；或者弯曲的，如图9c所示。例如，光学漏斗604可以具有弯曲的外表面902，其塑形为复合抛物聚光器(compoundparabolicconcentrator，cpc)。或者，如图9d和9e所示，cpc可以为实心。如图9f，在一种情形中，这些光学漏斗可以为外表面侧面为弯曲或平的绝缘材料，其传输在所述光输入光孔接收到的光的r带波长，先是通过折射、随后通过全内反射(totalinternalreflection，tir)，到对应的接收表面。
在一种情形中，具有非球面轮廓的柱面透镜(也被称为非柱面透镜)被与一排矩形玻璃或塑料的cpc漏斗配对。cpc是非成像元件，其在一个明确定义的接受角度内优化地聚集光线。接受角度越小，潜在聚光越多。因为非柱面透镜在非常快速的焦比下工作，漏斗不能在轴向平面上提供非常多的附加聚光。然而，由于卡塞格林槽本来就在非常慢的焦比下工作，因此显著的附加聚光在横向平面上是可能的，尤其是如果漏斗是被结合于电池的实心绝缘材时。在横向平面(x维度)上，漏斗在相邻的电池之间提供了缝隙。电池之间的这些不活跃区域可用于线路、旁路二极管等。
cpc漏斗可以具有非对称接受角。在x方向，接受角被设定以接受来自光谱分离器的所有光线，这些光线与槽的顶点形成相对小的角度。在y方向，接受角被设定以接受来自聚光型光学部件的边缘的所有光线。如果聚光型光学部件在快速的焦比下工作，这个角度就大且只获得不太多的附加聚光。
如图5所示，太阳能辐射在两个连续正交的阶段被聚集。第一，主镜片m1(反射槽402)和二向色镜片m2(光谱分离器416)沿二级线性聚焦426形成一个中聚光的线聚焦。第二，聚光透镜(concentratinglens，cl)光学元件(即，聚光型光学部件432)阵列将线聚焦分成离散仓并在与主线聚焦正交的方向上执行附加聚光。cl432的焦距比卡塞格林槽402的焦距要小得多。因为这二阶(twostage)具有非常不同的焦距，cl阵列提供了一系列具有非常高的纵横比的焦点。系统400允许将这些伸长的焦点分到独立电池上。首先，线性折射透镜，例如柱面透镜或线性菲涅尔透镜，聚集与所有线聚焦正交的光线。之后，一系列的实心或中空的漏斗将光线分成较小的区域，每个区域对应一个单体电池。这些规律间隔的电池优选被并联以允许公差以用于辐照度变化。
图10是表示具有变化的光孔长度的光学漏斗阵列的透视图。由槽所执行的在聚光维度上的光的分布是由槽的规格、光学误差、跟踪误差所设定。这些误差的卷积导致一个线扩展函数，其是概略高斯函数。当与太阳的平顶角度扩展卷积时，所述分布被进一步扩宽并在中心处具有最高的辐照度。这会将更多的光线导到中心电池。为了提高电池对电池辐照度匹配，光学漏斗元件可以为不规则尺寸，使外侧的漏斗在横向平面上具有更大的输入光孔。这将更多的光线导向通常比中心电池缺光的边缘电池。如图所示，为了适应不规则的入口面(长和短的光孔长度)，漏斗的高度也可以变化。本实施例中的全部七个漏斗的出口光孔尺寸相同。
在一个示范性系统中，当在正交方向上工作的第二阶光学元件(二向色光谱分离器)具有～50毫米(millimeter，mm)的焦距时，卡塞格林槽具有7770mm的焦距。这产生具有～1:150的纵横比的轴旁太阳能图像。由于第二阶上的像差，实际的纵横比并不剧烈。由于第一阶具有非常长的焦比，在主聚光维度上的附加聚光是可能的。这通过可具有平的或曲的侧壁的绝缘漏斗阵列而实现。那些漏斗可以为复合抛物聚光器(cpc)。漏斗的大端部边对边相接并铺设二阶聚光器的伸长的焦点。小端部被结合于独立pv电池。分段是非常有益的，因为它提供电池间的不活跃的区域给线路、旁路二极管等等。
图11a到图11d从不同角度表示图5的系统。反射槽可以绕其主轴旋转(即，平行于槽的y-轴)。cl光学元件1100和槽一起移动并还绕与cl的x轴平行的一个局部轴(localaxis)旋转。所述旋转补偿槽的轴向平面上的残差入射角。cl光学元件铺设槽二级线聚焦，此处显示为在槽的基底顶点。由于入射角改变，这些cl分别旋转，使他们的局部y轴保持几乎垂直于入射光。这导致相邻cl元件间的不可避免的自荫蔽，荫蔽的大小值用(1-cosθ)测量,其中，θ为入射角。此处只举例示出r带的太阳光线，它们全部从二向色二级件(光谱分离器)416反射。由光谱分离器传输的热带中的太阳光线被集热器吸收。为清楚起见，只显示光学元件(例如透镜)，而没有光学漏斗。
x方向(横越主线性聚焦)的cl光孔是由槽所产生的像差太阳能图像(aberratedsolarimage)的宽度所决定。为了完全收集，cl必须和冬至(wintersolstice)中午(一年中具有最大的入射角的时间)的像差太阳能图像一样宽。y方向上的cl光孔由机械和电气考量所驱动。如果在每个cl光孔下的电池组被并联，则cl的y维度被选择以在相应的电池组中保持适当的电流。
图12a到图12d表示图11a到11d的系统在不同的太阳角度下工作。cl元件1100的输出是高度伸长的太阳能图像。cl元件和它们对应的接收器作为一个单元一起移动，作为一个组件绕与局部x轴平行的轴旋转。cl元件可以被用于直接照射pv电池608的稀疏的列。然而，如图12d所示，由于电池608可能被边对边排列，在x方向上的电池之间的任一间隙都会造成损失。在此处所示的实施方式中，cl1100阵列位于槽的顶点附近。或者，cl阵列可以位于顶点的上方或下方。
被绕水平的、南北定向的轴跟踪的槽全年中多次接收同轴太阳辐射，包括春秋分(equinox)日出或日落。在夏至中午(summersolstice)(图12a和图12b),阳光几乎与槽垂直并形成
如上所述，在一种情形中，接收表面被铺设一排漏斗状的光学元件，每个光学元件具有与相邻的漏斗边对边相接的进光光孔。较小的出口光孔位于独立pv电池之上。这样，每个cl单元由位于漏斗阵列上方的上聚光透镜组成。这些元件作为一个群组一起移动，如此，上方的透镜、下方的漏斗和pv电池彼此之间保持固定的空间关系。如上所述，顶部光学元件和底部漏斗可以采用多个实施方式。
一个挑战就是x方向上的太阳能图像的宽度是由卡塞格林槽决定。倾斜扩张导致太阳能图像的宽度在全年中都在改变。在这个情形中，源自槽的光学误差和太阳的角度宽度产生只填充一些中心漏斗/电池组的太阳能图像。随着倾斜角度增长，在冬至中午的极端，太阳能图像增长并填充更多的电池。在全年的收集效率和几何聚光之间必须有一个权衡。一个有利的选择是在冬至中午的条件附近停止运行。在x维度上，cl的宽度可能变短，在其下方有更少的电池。这会导致在极端的照射情形期间一些光损失，但提高一年中大部分时候平均的几何聚光。
本申请描述了一种混合csp-cpv槽太阳能发电转换器。混合系统通过增加二向色镜片、cpv阵列、二级跟踪、及热管理体系来更改传统的csp系统。cl顶部光学元件和底部漏斗可以采用多种结构。线性菲涅尔和非柱面透镜都是顶部cl光学元件的合适选择。
光学漏斗可以具有等尺寸(长度)的进光光孔。由于辐照度分布在x方向上改变，作为槽的线扩展函数的结果，电池接收不等的光照。若电池被并联布线，则失配的影响被减小。另一种均衡相邻电池之间通量的方法是增加边缘漏斗的进光光孔。这可能需要使用不等高的漏斗。
总而言之，一个混合槽系统已被介绍包括反射槽(m1)、集热器(hr1)、二向色光谱分离器(m2)、具有pv阵列的聚光透镜阵列、在主和二级二者中的跟踪机构、槽支撑架和用以冷却cpv电池或为了给场加热而在夜间收集废热的热管理体系(hr2)。cl阵列(聚光型光学部件的阵列)通过正交光管理将光聚集到具有非常高的几何聚光率的pv电池上。cl阵列由顶部光学元件和底部漏斗构成，二者可以采用多个实施方式。例如，顶部光学元件可以为非柱面透镜或线性菲涅尔透镜。底部漏斗可以为中空或实心并具有弯曲侧面(cpc)或平侧面。
图13是举例示出使用二阶聚光以驱动结合集热的cpv转换的太阳能发电方法的流程图。尽管为了清楚，所述方法被描述为一系列的被编号的步骤，所述编号并不一定表示这些步骤的顺序。应该可以理解有些步骤可以跳过、同时执行或在没有需要保持一个严格的序列顺序的要求下执行。不过，总体而言，所述方法遵循所述步骤的编号顺序并与图5所示的系统和所述系统的子组件相关。所述方法开始于步骤1300。
步骤1302，将多个横向平面上接收的光线向位于与横向平面正交的轴向平面中的主线性聚焦聚集。步骤1304，将光的t带波长透射到主线性聚焦。步骤1306，朝位于轴向平面中的且平行于主线性聚焦的二级线性聚焦反射光的r带波长。步骤1308，将主线性聚焦接收到的光转换为热能。步骤1310，沿着与轴向平面正交的多个三级线性聚焦，聚焦二级线性聚焦接收到的光。步骤1312，将每一个三级主聚焦中的聚焦光聚集进多个接收区域。步骤1314，将接收区域接收到的光转换为电能。
在一种情形中，在步骤1302中聚集接收的光线，包括使用反射槽，其具有主轴和聚集光线的抛物线形弯曲表面。在另一种情形中，透射光线到主线性聚焦(步骤1306)和朝二级线性聚焦反射光(步骤1308)，包括使用二向色光谱分离器，二向色光谱分离器具有双曲线的弯曲表面(hyperbolicallycurvedsurface)、与主线性聚焦平行对准的轴，且位于二级线性聚焦和主线性聚焦之间。二向色光谱分离器透射光的t带波长并反射光的r带波长。
在一种情形中，步骤1310中聚焦在二级线性聚焦接收到的光，包括使用多个对应的光学元件聚焦光的r带波长。在其他情形中，步骤1312中聚集每个三级主聚焦中的聚焦光，包括使用多个光学漏斗聚集被聚焦光。
一种混合槽太阳能发电系统和方法已被提供，其使用二阶聚光以驱动结合集热的cpv转换。特殊子组件和组件布置的示意已被呈现以阐述本发明。然而，本发明并不仅仅局限于这些示例。对于本领域的技术人员来说，本发明还可以具有其他的变更或实施方式。
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