用于光学聚光器的混合式主光学部件制造技术

本发明专利技术提供一种混合式光学部件，该混合式光学部件收集入射光并使其聚集。该混合部件（１）既包括折射元件（４）又包括反射元件（６）。在优选实施例中，折射部件和反射部件将光线聚焦到公共的焦平面（２）上，该焦平面通常位于反射器（６）的底部，在反射器（６）中，这些光线被诸如光生伏打（太阳能）电池之类的装置吸收。另外，为了改善总体性能，该光学部件将成像光学元件和非成像光学元件组合为单独一个装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及应用于光学聚光系统的光学配置，该光学聚光系统为 例如将入射光接收并聚集到(一个或多个)目标的线式或点式太阳能 收集器。该目标可以是诸如光生伏打(太阳能)电池之类的设备。
技术介绍
诸如太阳能收集器之类的光学聚光系统将光向该光学系统的焦 点聚集。通常，有两种聚光器。线式聚光器使入射光在一个维度上聚 集，因此焦点为一条线。点式聚光器使入射光在两个维度上聚集，因 此焦点为一个点。聚光器可以包括一个或多个光学部件，以使入射光聚集。某些系 统具有单独一个聚光光学部件，称为主光学装置，其将由该光学装置 收集并聚焦的光线直接聚集到期望的目标(这可以是诸如光生伏打电 池之类的装置)上。更复杂的聚光器可以既包^t主光学装置又包括辅 助光学装置，以便提供进一步地收集和聚光的能力或者提高在目标处 的光束均匀性。用于光学聚光器的主光学装置通常包括折射部件或反射部件。最 普遍釆用的折射部件是如在O'Neill的美国专利No. 4,069,812中的菲涅耳透镜，而常用的反射部件是抛物面反射器。对于折射部件，由于 对于给定的孔径菲涅耳透镜更薄，因此菲涅耳透镜通常优于标准透 镜。因此，在不需要标准透镜所需的那么多透镜材料的情况下，菲涅耳透镜允许大的收集孔径(collecting aperture )。用于这些聚光器的 系统孔径由菲涅耳透镜的孔径限定。图2图示具有光轴24的典型的 菲涅耳透镜聚光器，示出将光线20折向期望的焦点的菲涅耳透镜18。然而，常规上使用的大的、高质量的菲涅耳透镜对于中等规模的 应用例如商业屋顶系统来说价格过于昂贵。另外，与标准透镜或反射 溶液相比，在菲涅耳透镜上呈现的表面不连续性会导致其有损耗(即， 由于某些期望聚焦的光反而被吸收和/或从焦点导出)。常规上使用的 菲涅耳聚光器的另一个缺点是其不适合于需要自供电的某些铰接聚 光器(articulating concentrator )。当聚光器的光轴与太阳没有排列 成直线从而依赖于来自天空的漫射辐射时，这样的设备要求发电的装 置。不幸的是，常规的菲涅耳聚光器为照射位于透镜焦点处的太阳能 电池的漫射辐射提供可忽略的路径，因此在没有与太阳排列成直线 时，该菲涅耳聚光器通常不能产生足够的电能以铰接其自身。已知反射主体包括根据Winston的美国专利No. 4，003，638的复 合抛物面聚光器(CPC )以及各种抛物面或近似抛物面的槽或盘。CPC 在焦平面处提供较好的光束均匀性。槽和盘是CPC的两种主要类型。 槽和盘可以具有底焦点(bottom focus)，其中光学目标例如太阳能 电池面向上。即使当反射器没有直接瞄准漫射光的光源时，具有底焦 点的槽和盘也可以收集漫射光并使其聚集。这使得它们适合收集用于 自供电的漫射光。槽和盘也可以具有反焦点(inverted focus ),其中 光学目标例如太阳能电池面向下，经常悬挂在反射器之上。但是，由于高聚光率往往要求CPC具有大的高/寬比，所以包括 CPC的多个铰接聚光器的封装密度可以是受限制的。例如，本申请的 图3示意性地示出在一维中具有10倍的几何聚光率的典型的底焦点 型CPC 28。入射光线30被聚集到点式聚光器宽度为1的焦平面26 上。CPC28的点式聚光器高度为17.8，导致高/宽比为1.78。这一相对较高的高/宽比因子使得常规的CPC就其自身而言较难 适合多个铰接式聚光系统，例如，在2005年6月16日以Hines等人 的名义提交的以PLANAR CONCENTRATING PHOTOVOLTAIC SOLAR PANEL WITH INDIVIDUALLY ARTICULATING CONCENTRATOR ELEMENTS(具有单独铰接式聚光元件的平面聚 光式光生伏打太阳能电池板)为题的受让人的共同未决的美国临时专 利申请No. 60/691,319和在2006年1月17日以Hines等人的名义提 交的以 CONCENTRATING SOLAR PANEL AND RELATED SYSTEMS AND METHODS(聚光式太阳能电池板及相关的系统和方 法)为题的受让人的美国临时专利申请No. 60/759,778中描述的那些， 为了所有的目的，这些申请各自全部以引用方式并入本文。理想地， 这样的铰接式聚光系统对光学部件采用低的总高度，因此聚光器可以 自由地铰接。作为另一个缺点，抛物面槽和盘具有实际上不可用来聚光的孔径 区域。对于具有底焦点或反焦点的槽和盘，也是这样。这些光学元件 的孔径的部分是不可用的，这是由于在目标焦平面处底部和反向聚焦 配置都会受到的入射角的极限的影响。例如，根据Snell定律，以大 于某一角度照射目标的光线从表面反射出去，并且不被吸收。图4示意性地示出关于底焦点型反射器34的此问题。入射光线 36、 38、 40由反射器34聚集到焦平面32上。聚集光线相对于焦平面 32的入射角越靠近光轴(未示出)越大，该光轴穿过反射器34的中 间延伸。光线36和38以小于焦平面32的接收角的角度直射到焦平 面32上并被吸收。光线40以大于焦平面32的接收角的角度直射到 焦平面32上并被作为光线42返回反射出反射器34。如果光线42为 入射光线并且光线40为不合格光线，那么会看到相同的结果。与非 吸收光线44和42相关的区域44和46限定了不可用来聚光的反射器 34的孔径部分。实际上，系统的有效孔径减小了。除了在反射器周边附近出现孔径补偿(aperture penalty )以夕卜， 反焦点型反射器也受到相似的影响。如在图5中示意性示出的，入射光线52、 56、 60通过反射器50聚集到焦平面48上。对比使用底焦 点型反射器的情况，相对于反射器50的焦平面48的入射角随着照射 反射器50的光线远离光轴(未示出)而增加，该光轴穿过反射器的 中间延伸。光线52和60以小于焦平面48的接收角的角度直射到焦 平面48上并被吸收。光线56以大于焦平面48的接收角的角度直射 到焦平面48上并被作为光线58返回反射出反射器50。如果光线58 为入射光线并且光线56为不合格光线，那么会看到相同的结果。与 非吸收光线54和62相关的区域54和62限定了不可用来聚光的反射 器的孔径部分。实际上，这限制了反射器孔径的宽度。另外，作为典 型的反焦点配置，反射器50受到自遮蔽(self-shadowing)的影响， 从而使在区域64内最接近光轴的光线被在焦平面48处的目标自身所 遮挡，从而进一步降低了系统的光收集效率。另外，铰接式聚光系统理想地应当包括为铰接部件供电的装置， 优选地使用该设备自身产生的电力。对于希望使用自供电的铰接来将 聚光部件瞄准入射光源例如太阳的光生伏打设备，常规的光学设计会 面临挑战。自供电设计能够捕获漫射光并使其聚集，从而在聚光部件 没有正确瞄准时提供电力，这一点是很重要的。为了提供用于漫射辐 射的光路以照射位于焦平面处的太阳能电池，这样的设备可以使用底 焦点型反射器。但是，如常规上所实现的，这种设计方案以底焦点型 反射器的上述限制为代价而出现。另一方面，在目标例如太阳能电池 没有面向漫射辐射源时，作为替代，使用反焦点型反射器的设备通常 只为到达目标的漫射辐射提供非常有限的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合式聚光光学部件，包括：　ｉ．孔径；　ｉｉ．反射光学元件，该反射光学元件收集光并使其聚焦到所述孔径的第一部分的第一目标上；以及　ｉｉｉ．折射光学元件，该折射光学元件收集光并使其聚焦到所述孔径的第二部分的第二目标上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-1-17 60/759,9091.一种混合式聚光光学部件，包括:i. 孔径；ii. 反射光学元件，该反射光学元件收集光并使其聚焦到所述孔径的第一部分的第一目标上；以及iii. 折射光学元件，该折射光学元件收集光并使其聚焦到所述孔径的第二部分的第二目标上。2. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述第 一目标和所述第二目标相同。3. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述第 一目标和所述第二目标包括公共的焦平面的一部分。4. 根据权利要求3所述的混合式聚光光学部件，其中，所述公 共的焦平面邻近光学系统的底焦点。5. 根据权利要求3所述的混合式聚光光学部件，其中，所述公 共的焦平面包括通向一个或多个次级光学装置的孔径。6. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述第 一目标和所述第二目标中的至少一个是一个或多个次级光学装置的孔径。7. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述部 件将光聚集到一条线上。8. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述部 件将光聚集到一个点上。9. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述部 件是自供电的系统的组成部分。10. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所述部 件是包括多个铰接模块的系统的组成部分，所述光学部件为所述模块 中的至少一个聚集光。11. 根据权利要求1所述的混合式聚光光学部件，其中，所迷反 射元件是底部聚焦的反射盘。12. 根据权利要求l所述的混合式聚光光学部件，其中，所述反 射元件是底部聚焦的反射槽。13. 根据权利要求l所述的混合式聚光光学部件，其中，所述折 射元件包括菲涅耳透镜。14. 根据权利要求13所述的混合式聚光光学部件，其中，所述 菲涅耳透镜将光聚集到一条线上。15. 根据权利要求13所述的混合式聚光光学部件，其中，所述 菲涅耳透镜将光聚集到 一个点上。16. 根据权利要求l所述的混合式聚光光学部件，其中，所述折 射元件和所述反射元件具有公共的光轴。17. 根据权利要求16所述的混合式聚光光学部件，其中，所述 折射元件居中于所述公共的光轴上。18. 根据权利要求2所述的混合式聚光光学部件，其中，所述部 件包括孔径区域，该孔径区域与经过所述孔径区域且未被所述目标吸 收的反射光相关联，并且，所述折射光学元件以这样的方式设置，从 而有效地使经过所述孔径区域的折射光被所述目标吸收。19. 根据权利要求l所述的混合式聚光光学部件，其中，在所述 反射光学部件的光接收端的上方安装顶盖，所述顶盖包含所述折射光 学元件。20. 根据权利要求l所述的混合式聚光光学部件，其中，所述折 射元件设置在所述孔径的不能被所述反射元件用来聚光的一部分中。21...

【专利技术属性】
技术研发人员：BE海尼斯，小RL约汉逊，
申请(专利权)人：索利安特能源公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]