專利名稱：利用菲涅耳透鏡和非成像次級(jí)光學(xué)的聚光光伏系統(tǒng)的制作方法
利用菲涅耳透餘非成4狄級(jí)光學(xué)的^JUL伏系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求于2007年2月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/891,447的^^bk并ib^其非臨時(shí)申請(qǐng)。上述臨時(shí)專利申請(qǐng)的^內(nèi)^it過(guò)引用出于全部目的包^^在此。
關(guān)于在聯(lián)邦ifW資助的研究和開(kāi)發(fā)下進(jìn)行的發(fā)明的權(quán)利的聲明不適用于本申請(qǐng)
背景狄
本發(fā)明-^涉及光學(xué)器件，尤其涉A^合非成像光學(xué)部件的光學(xué)系統(tǒng)。
產(chǎn)生電能的太陽(yáng)能電池是非常公知的但是其實(shí)用性由于非常高的生產(chǎn)成
本而受到限制。例如，雖然大量的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，但是每千瓦時(shí)(Kwh)的成本仍然是常規(guī)電能生產(chǎn)的約10倍。為了與風(fēng)能或其它替代能源竟?fàn)?，必須大大^tii太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率。
因此，需要提供J^gJi錄其它問(wèn)題的光學(xué)系統(tǒng)和方法。尤其希望提供提高太陽(yáng)能收l(shuí)l^t率的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供將來(lái)自諸如太陽(yáng)的遠(yuǎn)光源的光會(huì)^J'J諸如太陽(yáng)能電池的目標(biāo)器件上的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明各方面涉及將較高太陽(yáng)皿量提供到多結(jié)太陽(yáng)能電池或其它目標(biāo)電池以產(chǎn)生有效電輸出的光學(xué)器件和系統(tǒng)。
才娥一個(gè)方面,提l種光學(xué)器件,絲型地包括:初級(jí)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^級(jí)^t器(non-imaging secondary concentrator )。典型地，初級(jí)聚焦元件被配置為把來(lái)自遠(yuǎn)光源的光聚焦到次級(jí)聚光器的A^孔上。在某些方面，初級(jí)聚禁兄件具有大于約l的f值，例如在1至4之間或更大。在某些方面，該器件包括鄰近次級(jí)聚光器出射孔定位的太陽(yáng)能電池。在某些方面，初級(jí)
聚禁兄件包括菲涅耳透鏡，在某些方面，該菲涅耳透4^i平的、^bt方形的、曲面的和/或4斤射的。
參考i兌明書(shū)的^^P分(包括附圖和;M'J要求)將了解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的更進(jìn)一步的特;&E^優(yōu)點(diǎn)，以;M^發(fā)明各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和耕在下面結(jié)合附圖進(jìn)^^述。在附圖中，相同的附圖初^^示相同或功肯^目似的元素。


圖i例示了才娘一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)器件。M實(shí)施方式
本發(fā)明提供將來(lái)自諸如太陽(yáng)的遠(yuǎn)光源的光會(huì)^，J諸如太陽(yáng)能電池的目標(biāo)器件上的系統(tǒng)和方法。
才娥一個(gè)實(shí)施例， 一種光學(xué)器件10包括初級(jí)聚焦元件20、以及具有AJt孔35和出射孔40的非威/fl^欠級(jí)聚光器30。在一個(gè)方面，初級(jí)聚焦元件20被配置為對(duì)來(lái)自遠(yuǎn)光源的光聚焦到次級(jí)聚光器30的4孔35上。A4t孔35接收的ibl皮提供給出射孔40。在一個(gè)方面，i射口太陽(yáng)能電池的目標(biāo)H^45鄰近出射孔40定位以接收^5to目標(biāo)器件45可在定義出射孔的平面^Ji或之下定位，或者可^i4U^該平面上定位，或者可與出射孔ife^合。
在某些方面，初級(jí)聚焦^t件20包^it:4^L件，該透4^t件具有大于約1的f值，例如在1至4之間或更大。有用的初級(jí)聚禁元件20的一個(gè)例子U本上平的正方形菲涅耳透鏡。其它有用的初級(jí)聚焦元件包括曲面的菲涅耳透鏡，非正方形的、平的菲涅耳透鏡，菲涅耳A4t鏡，任何聚禁透鏡，衍射透鏡，諸如平面鏡的M元件，全息透^^L件或4^f可其它聚焦光或重定向光的光學(xué)元件。 一個(gè)方面，例如由玻璃或PMMA或其它合適的透^#料制成的平蓋22^L^^初級(jí)聚焦元件的非成^;欠級(jí)^it器相對(duì)側(cè)^Ji或鄰近其定位。蓋22為初級(jí)聚焦元件20或4封可其它光學(xué)元件提供額外的環(huán)境保護(hù)，并JL^許初級(jí)聚焦元件20##，例如,層。
在某些方面，器件10還包括用于^f^焦到次級(jí)聚光器的入射孔上的光均勻的裝置。均勻^ t件或系統(tǒng)的例子包括Kohler (柯勒)均化器、全息器件、萬(wàn)花筒(kaleidoscopes停。2007年3月8日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/683,934例示了有用的均勻化元件，該專利申請(qǐng)通過(guò)引用全文結(jié)合在此。另外，2005年3月21日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/084,882例示了有用的l^t器元件和其它光學(xué)器件特征，該專利申請(qǐng)通過(guò)引用全il^合在此。
在某些方面，非成^^級(jí)^t器30由透明介電材料構(gòu)成。在某些方面，非成^^級(jí)聚光器30包括復(fù)合拋物面聚光器(CPC )、或0i/eo角變換器、或^賦^t器。例如，次級(jí)聚光器30可由透明介電材料制成并且可包括球面或非球面形狀的A^孑L^平面出射孔。應(yīng)該理解可以^^^^l^器元件。例如，非成^^級(jí)M器在某些方面可以通過(guò)全內(nèi)^K TIR )和/或鏡面M來(lái)工作。初級(jí)聚焦元件20和聚光器30之間的區(qū)域^可由空氣(n = 1)或與M器相比具有不同的折射率(例如在l-3之間或更高)的固態(tài)透明介電材^i且成。也可以使用與 >器相比具有不同的折射率的液體介質(zhì)，在此情況下，將包括主體結(jié)構(gòu)用以M初級(jí)聚焦元件、^t器以;5L該^l體^h質(zhì)。
在某些方面，該器件有利地具有約±5°或更大的光學(xué)接收角，其帶有約在80-85%之間的光學(xué)效率。在某些方面，本發(fā)明的器件在目標(biāo)(例如太陽(yáng)能電池)上提^-致的通量分布并且尤其適于與多結(jié)(MJ)和Si目標(biāo)電池一^H吏用。在一個(gè)特定實(shí)施例中，例如，器件可被構(gòu)造為具有125mmxl25mm的入射孔，深度約230mm。該實(shí)施例中太陽(yáng)能電池的尺寸可包括5.5mmx55mm的MJ電池或10mmxl0mm的Si電池。這能為MJ電池提供約500或?yàn)镾i電池提供約150的幾何集中，其對(duì)于MJ電池具有約i3。的接收角，對(duì)于Si電、;ik^有約i5。的接收角，且?guī)в屑s在80-85%之間的光學(xué)效率。
應(yīng)該意識(shí)到，目標(biāo)45可包括光源或照明元件，在此情況下光學(xué)系統(tǒng)用作照明裝置。
才娥實(shí)施例，提Wt熱片50并在其上一個(gè)或更多光學(xué)系統(tǒng)安裝。散熱片可包括公知的U型梁結(jié)構(gòu)或#結(jié)構(gòu)，盡管也可根提需要使用其它結(jié)構(gòu)。該散熱片還可提^臺(tái)以在其上安裝多個(gè)系統(tǒng)。目標(biāo)電池可直接附接到該散熱片，或可提#^^器(heatspreader,例如氮化鋁)以^Ht熱片和目標(biāo)并且增強(qiáng)電池向散熱片的熱擴(kuò)散。在某些方面，可提供跟蹤系統(tǒng)以按需重定位(多個(gè))系統(tǒng)，用以跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)#^#光以期望的接收角^^系統(tǒng)。雖然以示例并參照特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但^當(dāng)iW，本發(fā)明不限 于這些^Hf的實(shí)施例。相反，其意^t^對(duì)^4頁(yè)域^t^A員顯而易見(jiàn)的變形和 類似布置。因此，附加的權(quán)利要求所限定的范圍應(yīng)與最廣泛的解斜目一致以包 含所有這些變形和類似布置。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括初級(jí)聚焦元件；以及具有入射孔和出射孔的非成像次級(jí)聚光器；其中初級(jí)聚焦元件被配置為把來(lái)自遠(yuǎn)光源的光聚焦到次級(jí)聚光器的入射孔上。
2. 如;M，J要求1所述的器件，其中初級(jí)聚禁兄件具有大于約1的f值。
3. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中初級(jí)聚禁尤件包括菲涅耳透鏡。
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，還包括用于<緣焦到該次級(jí)聚光器的4 孑Ui的光均勻的裝置。
9. 如權(quán)利要求1所述的器件，還包括鄰近次級(jí)絲器的出射孔定位的太 陽(yáng)能電池。
10. 如權(quán)利要求9所述的l^t，其中太陽(yáng)能電池與次級(jí)^Jt器的出射孔光 輪。
11. 如權(quán)利要求1所述的器件，還包括在次級(jí)聚光器的相對(duì),渡蓋初級(jí)聚 焦元件的玻璃蓋。
12. 如^，要求1所述的器件，其中非成^欠級(jí)聚光器由透明介電材料構(gòu)成o
13. 如權(quán)利要求12所述的器件，其中非成^l^級(jí)M器通過(guò)全內(nèi)^Jt來(lái) 工作。
14. 如^f，]要求12所述的器件，其中非成^;欠級(jí)^Jt器通過(guò)全內(nèi)^Jt和 鏡面M來(lái)工作。
15. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中初級(jí)聚禁^L件包括衍射透鏡。
16. 如權(quán)利要求l所述的器件，其中初級(jí)聚焦兄件包括^SJt鏡。
17. 如^U'J要求16所述的器件，其中初級(jí)聚焦元件包括菲涅耳^HL
18. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中次級(jí)聚5t器包括復(fù)合拋物面聚尤器 (CPC)。
19. :H5U'J要求1所述的辦，其中次級(jí)^t器由透明介電材料構(gòu)^JL包 括球面或非球面形狀的A^孔。
20. 械利要求i所述的器件，其中次級(jí)絲器包括ei/e。角鼓換器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了將較高太陽(yáng)光通量提供到多結(jié)太陽(yáng)能電池或其它目標(biāo)電池以產(chǎn)生有效電輸出的光學(xué)器件和系統(tǒng)。一種光學(xué)器件包括初級(jí)聚焦元件、以及具有入射孔和出射孔的非成像次級(jí)聚光器。初級(jí)聚焦元件被配置為把來(lái)自遠(yuǎn)光源的光聚焦到次級(jí)聚光器的入射孔上。在某些方面，初級(jí)聚焦元件具有大于約1的f值，例如在1至4之間或更大。該器件包括鄰近次級(jí)聚光器出射孔定位的太陽(yáng)能電池。在某些方面，初級(jí)聚焦元件包括菲涅耳透鏡、衍射透鏡、和/或反射鏡。在某些方面，用作初級(jí)的菲涅耳透鏡是平的、大致正方形的、曲面的和/或折射的。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101641860SQ200880009262
公開(kāi)日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月23日
發(fā)明者A·里奇爾, R·溫斯頓 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)