平面式太阳能集光器制造技术

本发明专利技术公开一种太阳能集光器，包括：一个大致上平面式的光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括：一个光学进入表面、具有多个光学改向元件的一个阵列以及具有多个光学出口的一个阵列，这些光学改向元件中的每个接收光并且使光改向以朝向一个光学出口；一个大致上平面式的光导层，该光导层是由透光性材料制成并且包括：用于接收离开该光插入层的光的一个第一表面、与该第一表面相对的一个第二表面，该第一和第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导到至少一个光学输出表面；以及将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由至少一个变形的光学耦合元件形成的。还披露了其制造方法。

【技术实现步骤摘要】
平面式太阳能集光器
本专利技术涉及平面式太阳能集光器。
技术介绍
出于许多原因，用于利用替代性可再生能源的技术的发展一直在增长。已经受到一些关注的这样一种可再生能源是太阳能。在本领域中具有光伏电池的相对大的常规太阳能电池板组件已知了一段时间。然而，这类组件习惯上一直不能经济地利用来自太阳的能量，典型地是因为光伏电池目前过于昂贵。因此，人们一直对于集光光伏电池有兴趣。集光光伏电池背后的理论是使用光学元件来将在一个相对更大的区域接收的阳光集中至光伏电池(或收获太阳能的一些其他装置)所在的一个相对更小的区域中。这些集光光学元件与该更小的光伏电池的组合目前在理论上将会比捕获相同量的阳光所要求的一个等效的更大的光伏电池便宜。然而，集光光学元件的第一代是相当复杂和笨重的，并且存在本领域已知的许多其他缺陷。因此集光光伏太阳能集光器一直未获得广泛的普遍商用认可。用于降低常规光学器件的复杂性和笨重度的驱动力引起平面式太阳能集光器的发展。平面式太阳能集光器是大体上平面式的相对紧凑的光学结构，这些结构典型地采用多种光学元件(通常作为阵列的一部分)以便使阳光偏转和集中并且在该结构内将它引导至可以将其收获的一个位置。存在平面式太阳能集光器的许多可能的配置。在美国专利申请公开号US2008/0271776A1(Morgan)；US2006/0269213A1(Hwang等人)；US2008/0048102A1(Kurtz等人)以及US2011/0096426A1(Ghosh等人)中示出了不同平面式太阳能集光器的一些实例；那些申请中的每个的全部内容通过引用结合在此。习惯上这类集光器可以被分成使光偏转和/或集中的一个层(在本申请中称为一个光插入层——但还由本领域中多种其他名称来称谓)，以及捕集并且引导光至用于收获的一个或多个位置的一个层(本专利技术中称为一个光导层——但还由本领域中多种其他名称称谓)。取决于一个具体集光器的配置和构造，这些层可以是一个整体制造的结构的多个区域或可以是多个分开的物理结构，这些物理结构已经被分开地制造并且随后被置于一起以形成作为一个单元进行工作的单一结构。然而，目前常规的平面式太阳能集光器不易制造。在其中存在两个层、这两个层是分开地制作并且随后被置于一起的一些构造中，在这些层的制作中以及在当它们被置于一起以形成一个单元时它们的对准中，极端的精密度是非常重要的。在制作或在对准中的小的缺陷将对该集光器能够收获的、照射在该集光器上的光的百分比具有一个非常显著的负面作用，并且通常必须加以避免。例如，图1中示出一个现有技术平面式太阳能集光器010的一部分。这个实例是取自美国专利号7,873,257的图24A中示出的那个，该专利通过引用以其全部内容结合在此。集光器010包括一个光插入层012和一个光导层014。光插入层012一直由注射模制的聚甲基丙烯酸(甲)酯(本领域中通常称为“PMMA”)(一种透光性材料)制成。光插入层012具有一个平面式的光学进入表面016、具有多个光学改向元件018的一个阵列、以及具有多个光学出口020的一个阵列。这些光学改向元件018中的每个经由全内反射(TIR)使它通过光学进入表面016接收的光022改向并且集中而朝向这些光学出口020中相关联的一个。(发生TIR是因为在光插入层012与光导层014之间存在一个空气间隙028。)具体地说，这些光学改向元件018中的每个在横截面中是一个抛物线型截面，以使得从这些光学改向元件018反射出来的平行光线022被聚焦朝向一个焦点(未标记)。然而，在这些反射的聚焦光线024到达该焦点之前，它们穿过这些光学出口020。这些光学出口020也使它们接收的光改向(虽然是经由折射)，并且因此它们如该图中所示使反射光024的焦点偏移。(如果没有发生在这些光学出口020处的折射，该光将会采取的路径是在图1中由这些虚线026示出的。由于该折射，该光实际上采取的路径是在图1中由这些实线027示出的。)该折射也是由于光插入层012与光导层014之间存在的空气间隙028而发生。光导层014也一直是由注射模制的PMMA制成。光导层014具有一个第一表面030和一个第二表面(未图示)。光导层014的第一表面030具有一系列凸出部032，这些凸出部之间具有与光插入层012的光学改向元件018之间的相同的间距。光插入层012的这些光学出口020与光导层014的第一表面030的这些凸出部032之间存在一种一对一的关系。这些凸出部032中的每个具有一个平面部分034，该平面部分是平行于与它相关联的光插入层012的光学出口020。光插入层012和光导层014被构造并相对于彼此安排为使得穿过它们之间的空气间隙028的光027通过光导层014的这些凸出部032的平面部分034进入该光导层。当光027进入凸出部032时，光027经由折射再次偏转以使得曾经在光导层034的凸出部032内部的光036的焦点再次偏移，这次偏移至图1中所示的焦点038。光插入层012和光导层014被构造并相对于彼此安排为使得在以上所提到的最终折射之后，进入光导层014的主体040的光的焦点038是在凸出部032正下方，以使得已经进入凸出部032的所有光036将穿过焦点038并且在光导层014的主体040内继续前进(被示为光线042)并且将被引导穿过处于光导层014的第一表面030与该第二表面(未图示)之间的一系列多重全内反射(未图示)到达光导层014的光学输出端(未图示)以便收获。如对于本领域的普通技术人员而言明显的，为了将尽可能多的进入太阳能集光器010的光传导至光导层014的光学输出端以便收获，在制作图1中所示的太阳能集光器010中要求非常高的精密度。光插入层012或光导层014中任一者的轻微的误制作(misfabrication)或它们之间的轻微的未对准(misalignment)将使进入太阳能集光器010的光的路径偏移，而使少得多的光或在一些情况下没有光可供收获。在提交本申请时，可供收获的光的这种减少将使太阳能集光器010变得不经济。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目的是改善现有技术中存在的这些不便中的至少一些并且提供与该现有技术中的至少一些相比得到改进的太阳能集光器。在一方面，提供的是一种太阳能集光器，该太阳能集光器包括一个大致上平面式的光插入层。该光插入层是由透光性材料制成并且包括一个光学进入表面用于接收光。该光插入层还包括具有多个光学改向元件的一个阵列。这些光学改向元件中的每个是与该光插入层的光学进入表面处于光学联通。该光插入层还包括具有多个光学出口的一个阵列。这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通。这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口。该太阳能集光器还包括一个大致上平面式的光导层。该光导层是由透光性材料制成的并且包括一个第一表面用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光。该光导层还包括与该第一表面相对的一个第二表面。该光导层的第一表面和第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层到达至少一个光导层光学输出表面。该太阳能集光器还包括将该光插入层和该光导层光学地互连的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能集光器，包括：一个大致上平面式的光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括：至少一个光学进入表面以用于接收光，具有多个光学改向元件的一个阵列，这些光学改向元件中的每个是与该光学进入表面处于光学联通的，具有多个光学出口的一个阵列，这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通的，并且这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口；一个大致上平面式的光导层，该光导层是由透光性材料制成并且包括：一个第一表面，以用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光，与该第一表面相对的一个第二表面，该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层而到达至少一个光导层光学输出表面；以及将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由该光插入层和该光导层中的至少一个与至少一个变形的光学耦合元件之间的界面形成的。

【技术特征摘要】
2012.03.21 US 13/425,8111.一种太阳能集光器，包括：一个大致上平面式的光插入层，该光插入层是由透光性材料制成并且包括：至少一个光学进入表面以用于接收光，具有多个光学改向元件的一个阵列，这些光学改向元件中的每个是与该光学进入表面处于光学联通的，具有多个光学出口的一个阵列，这些光学出口中的每个是与这些光学改向元件中的相关联的一个处于光学联通的，并且这些光学改向元件中的每个是用于接收光并且使接收的光改向而朝向与这些光学改向元件中的那一个相关联的光学出口；一个大致上平面式的光导层，该光导层是由透光性材料制成并且包括：一个第一表面，以用于接收通过这些光学出口离开该光插入层的光，与该第一表面相对的一个第二表面，该第一表面和该第二表面被构造并相对于彼此安排为使得进入该光导层的光经由一系列反射被引导穿过该光导层而到达至少一个光导层光学输出表面；以及将该光插入层和该光导层光学地互连的一个光学孔隙阵列，该阵列是由该光插入层和该光导层中的至少一个与至少一个变形的光学耦合元件之间的界面形成的。2.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是一个单一光学耦合元件，该元件形成了将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列。3.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是多个光学耦合元件，该多个光学耦合元件中的每一个形成了将该光插入层和该光导层光学地互连的该光学孔隙阵列中的一个光学孔隙。4.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是安置于该光插入层与该光导层之间并且将该光插入层的这些光学出口中的每个光学地耦合至该光导层的第一表面。5.如权利要求4所述的太阳能集光器，其中该光学孔隙阵列是具有多个光学孔隙的一个多维阵列，该多维阵列至少包括在该光插入层与该变形的光学耦合元件之间的、光通过其而离开该光插入层的多个界面的一个第一子阵列，以及在该变形的光学耦合元件与该光导层之间的、光通过其而进入该光导层的多个界面的一个第二子阵列。6.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该至少一个变形的光学耦合元件是该光插入层的这些光学出口中的每个的至少一部分。7.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该变形的光学耦合元件是弹性体型的。8.如权利要求7所述的太阳能集光器，其中该变形的光学耦合元件是硅酮。9.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光学进入表面包括这些光学改向元件中的至少一些。10.如权利要求9所述的太阳能集光器，其中该光学进入表面的这些光学改向元件是光学集中元件。11.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是复合光学元件，其中这些复合光学元件中的每个包括该光学进入表面的一部分以及与该光学进入表面的该部分物理地间隔开的一部分。12.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学反射元件。13.如权利要求12所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件经由全内反射来将所接收的光改向。14.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学集中元件。15.如权利要求14所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件是光学聚焦元件。16.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件中的每个包括至少一个在横截面中抛物线型的截面。17.如权利要求16所述的太阳能集光器，其中这些光学改向元件中的每个具有至少位于与该光学改向元件相关联的光学孔隙附近的一个焦点。18.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中该光插入层的这些光学改向元件中的至少一大部分是环形的并且具有一个连续减小的直径。19.如权利要求1所述的太阳能集光器，其中在这些光学改向元件与该光插入层的这些光学出口之间存在一对...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·保罗·摩根，帕斯卡·杜富尔，
申请(专利权)人：摩根阳光公司，
类型：发明
国别省市：