用于聚集太陽能的改進(jìn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于采集太陽能的裝置以及太陽能電力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]任何關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的方法、裝置或文件的參考不作為構(gòu)成它們所形成的任何證據(jù)或許可，并且不形成公知常識的一部分。
[0003]將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的最常見的方法需要將標(biāo)準(zhǔn)光伏模組安裝在屋頂上或地面安裝結(jié)構(gòu)上。平均而言，該方法以大大低于20%的效率將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。
[0004]多結(jié)光伏電池比這些標(biāo)準(zhǔn)光伏電池高效約150%，但是需在太陽光經(jīng)由透鏡、棱鏡或鏡子聚集時(shí)，并且當(dāng)通過使用高精度雙軸跟蹤設(shè)備將陣列非常精確地轉(zhuǎn)向并面對太陽時(shí)，它們才能發(fā)揮最佳效能。
[0005]相對于固定的標(biāo)準(zhǔn)模組，使用這種跟蹤器可額外增加約30-40%的更多電能，因此在將跟蹤器和多結(jié)電池組合使用的情況下以期獲得高于3倍的更多能量將是合理的。但是在實(shí)踐中，由于大多數(shù)聚光器要求很高水平的跟蹤精度，而該跟蹤精度是難以實(shí)現(xiàn)的，因此這些收益很難實(shí)現(xiàn)。要求的接受角通常大大低于+-1.5度，甚至略微超出這個(gè)小范圍的不精確跟蹤會(huì)導(dǎo)致電輸出幾乎停滯。在聚光器部件的制造過程中的質(zhì)量控制也被證明是困難的。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有大量聚光器，其中在垂直或水平反射離開臺階狀的反射面之后，聚集光與平面光導(dǎo)相耦合。一種設(shè)計(jì)包括水平和垂直的臺階狀反射面。這些器件通常以注入元件的深度或?qū)挾冗M(jìn)行臺階的邁步或跨步，借此，光導(dǎo)在深度(臺階均在垂直平面中)上或在寬度(臺階均在水平平面中)上迅速增加。這些布置會(huì)約束陣列的潛在長度，因此也會(huì)約束光捕獲的面積和潛在聚光率。
[0007]在水平的臺階狀光導(dǎo)(如圖1A和IB中所描述的)的情況下，在一個(gè)光導(dǎo)中的主聚光器元件影響相鄰光導(dǎo)的聚光器元件的空間之前，僅有有限數(shù)量的臺階，每個(gè)臺階由一個(gè)注入元件的寬度定義。在垂直的臺階狀光導(dǎo)(如圖1C中所描述的)的情況下，就所要求的光學(xué)材料的體積而言，增加的深度變得很厚，難以處理，并且操作價(jià)格昂貴。
[0008]還有具有斜面的或錐形的耦合元件的裝置。這些裝置中的一些具有設(shè)在靠近較厚的光導(dǎo)底部的錐形元件，表示接受角和/或聚光率不高。其他裝置在相同的光流中使用一系列錐形耦合元件，不可避免地，下游耦合器與來自上游耦合器的光線相干涉并且導(dǎo)致光從光導(dǎo)中解耦。由于光從系統(tǒng)中解耦并退出，故這些設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致顯著的光損耗。
[0009]如果能夠提供解決以上所述現(xiàn)有技術(shù)的問題并且能夠?qū)⑻柟庵苯泳奂诙嘟Y(jié)電池上的裝置，則非常有利。在至少優(yōu)選的實(shí)施例中，這種裝置對跟蹤不精確性的容忍度很高，這將是非常值得期待的。如果該裝置的實(shí)施例具有較好的散熱以及光線在整個(gè)電池表面上具有均勻的散射特性，并且該裝置還適合制造成大模組，則這也將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種太陽能聚光器，其包括透明的光學(xué)材料，所述光學(xué)材料包括:
第一光耦合部分，所述第一光耦合部分具有錐形外端和內(nèi)端，以使第一光耦合部分從外端向內(nèi)端會(huì)聚；
第一小面，所述第一小面形成在外端處，并且布置用于將光沿第一光耦合部分進(jìn)行反射；
第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件布置用于將光聚焦至第一小面上；
第二光耦合部分，所述第二光耦合部分具有錐形外端和內(nèi)端，以使第二光耦合部分從所述外端向所述內(nèi)端會(huì)聚；
第二小面，所述第二小面形成在第二光耦合部分的外端處，并且布置用于將光沿所述部分進(jìn)行反射，第二小面與第一小面垂直重疊；
第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件布置用于將光聚焦至第二小面上；
公共光導(dǎo)部分，所述公共光導(dǎo)部分與第一光耦合部分和第二光耦合部分的所述內(nèi)端進(jìn)行光學(xué)通信，并且布置用于將所述輻射經(jīng)由所述公共光導(dǎo)部分進(jìn)行傳輸；
其中，公共光導(dǎo)部分的最大垂直厚度小于第一小面和第二小面的高度之和。
[0011]第一光親合部分和第二光親合部分的上表面和公共光導(dǎo)部分存在平面表面。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合部分和第二光耦合部分的下表面和公共光導(dǎo)部分存在平面表面。
[0013]可選地，至少一個(gè)錐形光耦合部分可以具有從接近第一小面的上邊緣向下傾斜至第二小面的下邊緣的頂面。
[0014]優(yōu)選地，小面的反射表面是平面的，盡管它們可以是凹面的。
[0015]可以在第一光耦合部分和第二光耦合部分之間設(shè)置低反射指數(shù)層，其中該層相對于所述耦合部分中的每個(gè)材料有足夠低的反射指數(shù)以支持來自耦合部分的小面的光在所述親合部分內(nèi)的全內(nèi)反射。
[0016]該層可以包括(例如)氣隙。
[0017]優(yōu)選地，第一光耦合部分和第二光耦合部分通過低反射指數(shù)層而垂直隔開。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合部分位于低于第二光耦合部分的位置，并且第一光耦合部分的小面在第二光耦合部分之下橫向地向外延伸。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，提供一種太陽能聚光器組件，該太陽能聚光器組件具有外端和內(nèi)接收端并且包括多個(gè)先前描述的類型的太陽能聚光器，其中相鄰的太陽能聚光器彼此橫向及縱向地偏移，并且其中所述太陽能聚光器中的每個(gè)小面與接收端進(jìn)行光學(xué)通信。
[0020]用于每個(gè)小面中的各個(gè)主聚光器元件的構(gòu)造為平行四邊形。
[0021]可選地，用于每個(gè)小面中的各個(gè)主聚光器元件的構(gòu)造為正方形或矩形。
[0022]太陽能聚光器被分組為多個(gè)矩形陣列，其中每個(gè)所述陣列與相鄰的陣列相偏移。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，提供一種太陽能聚光器組件，其包括第一列和第二列如先前描述的太陽能聚光器，其中第一列太陽能聚光器的公共光導(dǎo)部分的端與第二列太陽能聚光器的公共光導(dǎo)部分的端相對排列。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，提供一種用于聚集太陽光的裝置，其包括: 第一主聚光器元件，第一主聚光器元件將太陽光聚焦至具有大于nl.5的折射指數(shù)的透明光學(xué)材料中并且聚焦至第一反射小面上的點(diǎn)上，
第二主聚光器元件，第二主聚光器元件鄰近并且毗連第一主聚光器元件，將太陽光經(jīng)由所述光學(xué)材料的至少一個(gè)表面聚焦至第二反射小面上的點(diǎn)上，兩個(gè)反射小面均位于不同高度處，
來自兩個(gè)反射小面的光線，特別是太陽光線，經(jīng)由相應(yīng)的耦合元件在相同的總方向上傳輸，所述耦合元件中的一個(gè)或兩個(gè)在垂直方向上呈錐形，
(借助于精確的幾何形狀)，來自第一耦合元件的所有光線被操縱以經(jīng)過第二耦合元件而不產(chǎn)生將導(dǎo)致隨后的解耦的相互作用或干涉，
兩個(gè)反射小面與它們相應(yīng)的耦合元件一起構(gòu)成雙元件耦合器，
雙元件耦合器內(nèi)的所有面(雙元件耦合器的所有面)具有對于期望的聚光率、陣列側(cè)面和角度接受度優(yōu)化的特定形狀、斜率和長度，
沿雙元件耦合器的全長度的所有光線被大約平行的側(cè)壁水平地限禁(在通道中)，側(cè)壁被隔開大約為反射小面的寬度的距離，
所有光線接著注入平面光導(dǎo)中，并且通過全內(nèi)反射傳輸至那個(gè)光導(dǎo)的接收邊緣，
平面光導(dǎo)的垂直厚度顯著小于兩個(gè)反射小面的高度之和，并且最好等于或小于第一反射小面的高度。
[0025]優(yōu)選地，主聚光器元件為:凸透鏡或平凸透鏡或菲涅爾透鏡或拋物面反射器或其他點(diǎn)聚焦聚光器。
[0026]接收所聚集的光的光學(xué)材料的上表面基本上為平面，并且兩個(gè)耦合元件在垂直方向上呈錐形，它們的下表面從大約相應(yīng)的反射小面的底邊緣處向上傾斜，第二反射小面從第一親合元件傾斜面的最高邊緣向下延伸。
[0027]優(yōu)選地，接收所聚集的光的光學(xué)材料的下表面基本上為平面，兩個(gè)耦合元件在垂直方向上呈錐形，它們的上表面從大約相應(yīng)的每個(gè)反射小面的上邊緣處向下傾斜，第二反射小面從第一耦合元件的向下傾斜的面的最低邊緣向上(和向遠(yuǎn)端)延伸。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，頂表面和底表面均不是平面，并且其中兩個(gè)耦合元件的頂面中的至少一個(gè)以及底面中的至少一個(gè)不是水平的。
[0029]另外的雙元件耦合器可以加入到水平平面中并在遠(yuǎn)端遠(yuǎn)離接收邊緣，并且每個(gè)附加雙元件耦合器與前一個(gè)縱向偏移，它們相關(guān)聯(lián)的通道形成階梯狀圖案(俯視)，來自每個(gè)雙元件耦合器中的光線被側(cè)壁水平地限禁在所述通道內(nèi)，直至它們進(jìn)入光導(dǎo)的平面區(qū)域，它們在平面區(qū)域與來自其他雙元件耦合器的光線混合，每個(gè)通道通過氣隙或低反射指數(shù)材料的膜與光導(dǎo)相鄰的平面區(qū)域隔開，以防止來自雙元件耦合器的光線與平面光導(dǎo)混合，直至所有光線已經(jīng)過第二耦合元件的錐形部分，其中所述平面光導(dǎo)的面積總體上向接收邊緣水平地?cái)U(kuò)展，光捕獲的面積隨著通道的數(shù)量成比例地增大，但是當(dāng)橫向相鄰的主聚光器元件開始影響彼此的空間時(shí)，會(huì)限制通道的數(shù)量。
[0030]這些光導(dǎo)的復(fù)制品被橫向加入，相鄰的平面光導(dǎo)通過氣腔或低反射指數(shù)材料相互橫向地隔開，隨著橫向的光導(dǎo)加入物的數(shù)量而成比例地增加陣列面積。
[0031]第二對主聚光器元件可以鄰近并且毗連第一對主聚光器元件而放置(朝向接收邊緣)并且相應(yīng)的第二雙元件耦合器放置在權(quán)利要求3所述的光導(dǎo)之下，所述光導(dǎo)先變成平面的，使得這成為第二 /下光導(dǎo)層，