光导太阳能电池板及其制备方法

专利名称：光导太阳能电池板及其制备方法
技术领域：
本发明一般涉及太阳能电池板。更具体地，本发明涉及光导聚光器太阳能电池氺反。
背景技术：
已知的是，太阳能电池板装置具有排布在直接暴露给太阳的巨大表面上的光伏(PV)电池。然而，PV电池材料价格昂贵，并且已经在寻求减少太阳能电池板中需要的PV电池的材料量的方案。这些方案之一利用了诸如透镜和反射镜之类的聚光光学元件，以在相对比较小的PV电池所占用的较小表面积上对太阳光进行聚光。假定这些聚光光学元件都具有非零的焦距，那么它们导致聚光型光伏(CPV)模块，这些聚光型光伏模块通常在体积上大于它们的非聚光对应物。不仅对CPV模块的操作来说，而且对材料成本来说，这种体积庞大都是有缺点的。通过减小PV电池的大小来获取体积较小的CPV模块同时保持相同的聚光系数是可能的；然而，将PV电池切割成小方块形成较小的电池增加了这些模块的复杂性和成本。
另外，现在的CPV模块通常需要这些聚光光学元件被固定在复杂的结构外壳中以将这些元件全部固定就位。这不可避免地增加这些CPV模块的体积和成本，并且导致更严格的装运要求以减轻装配好的CPV模块的破损风险，或者需要这些CPV模块被拆卸运输到它们的目的地，从而在接收目 的地需要装配时间和劳动强度。
因此，想要的是，提供一种与现有CPV模块相比体积较小的CPV模块。 还想要的是，提供一种与已知CPV模块相比要求相对较小的PV电池材料的 CPV模块。另外，想要的是，提供一种与已知CPV模块相比，需要聚光光 学元件的结构外壳的体积较小并且复杂性较低的CPV模块。

发明内容
本发明的目的是消除或减轻先前的太阳能电池板的至少 一个缺点。
在第一方面，本发明提供了一种光导太阳能电池板，包括光插入段，所 述光插入段具有用于接收光的输入表面、光学元件以及至少一个光学输出孔 径，所述光元件被形成在所述输入表面和所述至少一个光学输出孔径之间， 以将所述光从所述输入表面引导到所述至少 一个光学输出孔径。所述电池板 进一步包括具有输出表面的光学波导段，所述光学波导段被光耦合到所述至 少一个光学输出孔径，以从所述至少一个光学输出孔径上接收所述光，所述 光学波导段用于将所述导向所述输出表面。
所述太阳能电池板可以具有沿着基本平行的线被彼此间隔开的光学元 件，并且所述输出表面可以基本不正交于所述输入表面。
所述太阳能电池板可以具有沿着基本同心的圓弧被彼此间隔开的光学 元件，并且所述输出表面可以成形为与所述光学元件基本同心的圓弧。
所述太阳能电池板可以具有包括以下中至少 一项的光学元件抛物面反 射镜、三次反射镜、双曲线反射镜、椭圓形反射镜、平面反射镜、卡塞格伦 光学装置、温斯顿锥面光学装置、圓形反射镜、透镜、全息图和棱镜脊 (prismatic ridge )。
所述太阳能电池板可以具有楔形的光学波导段。所述太阳能电池板可以 具有至少部分锥形的光学波导段。
所述太阳能电池板可以具有包括第 一表面的光学波导段，其中离开所述第一表面从所述至少一个光学输出孔径接收到的光经历第一全内反射。所要 求保护的太阳能电池板可以具有其上形成有覆层的所述输入表面和所述第 一表面中的至少一个。
所要求保护的太阳能电池板可以具有光学波导部分，所述光学波导部具 有与所述第 一表面相对形成的多个反射镜元件，所述多个反射镜元件用于从 所述第一表面接收全内反射的光并用于将所述全内反射的光反射向所述第 一表面。所述多个反射镜元件可以包括平面反射镜。这些平面反射镜可以基 本平行于所述第一表面。至少一个反射元件可以具有全内反射表面。所述至 少 一个光学输出孔径可以位于相邻的反射镜元件之间。
所要求保护的太阳能电池板可以使得基本没有光通过所述至少 一个光 学输出孔径从所述光学波导段耦合到所述光插入段。
所述太阳能电池板可以使得所述光学波导段通过一组全内反射将所述 光导向所述输出表面。所述太阳能电池板可以使得所述输入表面具有光输入 区域并且所述输出表面具有光收集区域，所述光收集区域小于所述光输入区 域。
所述太阳能电池板可以包括被光耦合到所述输出表面的太阳能收集器。 所述太阳能收集器可以包括光伏太阳能电池和集热器中的至少一个。所述太 阳能电池板可以进一步包括光学棱镜，所述光学棱镜用于将所述输出表面光 耦合到所述太阳能收集器。
的至少一个抛物面形界面，所述至少一个抛物面形界面用于将所述光聚集到
所述输出表面上。所述太阳能可以包括与所述输出表面相邻的锥形光学元
件，所述锥形光学元件用于将所述太阳能收集器与所述光学波导段相隔开并
用于将所述光聚集在所述太阳能收集器上。所述锥形光学元件可以具有与所
述光学波导段的折射率不同的折射率。
所述太阳能电池板可以具有包括多个波导的光学波导段，每个波导被光
耦合到所述至少一个光学输出孔径之一，每个波导用于从相应的光学输出孔径接收光并用于将所述光沿着该波导在至少由所述光学元件确定的方向上 传播。每个波导可以具有波导输出表面，所述波导段输出表面包括每个波导
上传播或者沿每个波导在两个相反的方向上传播。所述光学元件可以包括体 相位全息图。所述光学元件可以包括多个棱镜脊。
所述太阳能电池板可使得所述光插入段可以包括多个锥形光通道，并且 所述光学波导段可以包括多个波导，所述锥形光通道中的至少一个通过所述 至少一个光学输出孔径之一被光耦合到至少一个波导，每个波导用于沿该波 导在至少由所述光学元件确定的传播方向上对光进行导向。所述至少一个波 导可以包括不同直径的波导。所述光学元件可以包括体相位全息图和棱镜脊 中的至少一个，以用于将传播方向给予所述光。所述光学元件可以进一步包 括抛物面反射镜、三次反射镜、双曲线反射镜、椭圓形反射镜、平面反射镜 和圆形反射镜中的至少一个。
所述光插入段可以被形成在由光学透射性材料构成的第 一板材中，并且 所述光学波导段可以被形成在由光学透射性材料构成的第二板材中。所述第 一板材可以包括所述输入表面和所述光学元件，并且可以具有与所述输入表 面相对立的输出成型表面。所述第二板材可以包括与所述输出成型表面相邻 的输入成型表面，所述第一板材的输出成型表面和所述第二板材的输入成型 表面彼此互补并且限定所述至少一个光学输出孔径。
所述太阳能电池板可以使得所述光插入段被形成在由光学透性射材料 构成的第一层和第二层中，并且所述光学波导段被形成在由光学透性射材料 构成的第三层中。所述第一层可以包括所述输入表面，并进一步包括与所述 输入表面相对的第一成型表面。所述第二层可以包括与所述第一成型表面相 邻和互补的第二成型表面，所述第二层进一步包括与所述第二成型表面相对 的第三成型表面。所述第三层可以包括与所述第三成型表面相邻和互补的第 四成型表面，所述第三成型表面和所述第四成型表面限定所述至少一个光学 输出孔径。所述太阳能电池板可以使得所述光插入段和所述光学波导段被形成在 相同的光学透射性材料中。
所述太阳能电池板可以使得所述光插入段具有第 一部分和第二部分，该 第 一部分具有沿第 一组基本同心的圆弧被彼此间隔开的第 一组光学元件，该 第二部分具有沿第二组基本同心的圆弧被彼此间隔开的第二组光学元件。所 述第一组光学元件可以在第一方向上引导所述光的第一部分，并且所述第二 组光学元件可以在与所述第一方向截然不同的第二方向上引导所述光的第 二部分。所述第二方向可以与所述第一方向相反。所述光插入段的第一部分 可以具有至少一个第一部分光学输出孔径，并且所述光插入段的第二部分可 以具有至少一个第二部分光学输出孔径，所述光学波导段具有被光耦合到所 述至少一个第一部分光学孔径的第一部分和被光耦合到所述至少一个第二 部分光学孔径的第二部分。
在另一方面，提供了一种光导太阳能电池板，包括光插入段，具有用 于接收光的输入表面、光学元件以及至少一个光学输出孔径，所述光学元件 被形成在所述输入表面和所述至少一个光学输出孔径之间，以将所述光从所 述输入表面引导到所述至少一个光输出孔径；具有输出表面的光学波导段， 所述光学波导段被光耦合到所述至少一个光学输出孔径以从所述至少一个 光学输出孔径接收所述光，所述光学波导段用于将所述光导向所述输出表 面；以及被光耦合到所述输出表面的光伏电池。
在又一方面，提供了一种制备光导太阳能电池板的方法。所述方法包括
步骤形成光插入段，该光插入段具有用于接收光的输入表面、光学元件以
及至少一个光学输出孔径，所述光学元件被放置在所述输入表面和所述至少
一个光学输出孔径之间，以将所述光从所述输入表面引导向所述至少一个光
学输出孔径；形成具有输出表面的光学波导段；以及将所述光学波导段光耦
合到所述至少一个光学输出孔径以从所述至少一个光学输出孔径接收所述
光，所述光学波导段用于将所述光导向所述输出表面。
在结合附图回顾本发明的具体实施例的下列描述之后，本发明的其它方面和特征对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。


现在将参照附图，仅作为实例描述本发明的实施例，其中 图1示出本发明的光导太阳能电池板的第一实施例；
图2示出图1的实施例，其中有多条光线被单反射镜聚焦；
图3示出图1的实施例的细节；
图4示出图1的实施例的放大视图5示出光导太阳能电池板，其中光线保持陷入在光学波导段中；
图6示出光导太阳能电池板，其中光线从光学波导段中射出；
图7示出本发明的光导太阳能电池板的直线几何形状实施例的透视图8A示出图7的实施例的侧视图，其中有两条光线在其中传播；
图8B示出图7的实施例的前视图，其中有两条光线在其中传播；
图8C示出图7的实施例的透视图，其中有两条光线在其中传播；
图9示出本发明的光导太阳能电池板的旋转几何形状实施例的透视图10示出图9的实施例的矩形部分的透^L图11示出图9的实施例的薄片部分的透视图12示出本发明的两层式光导太阳能电池板实施例的一部分；
图13示出本发明的光导太阳能电池板的实施例的一部分，其中在光插
入段中发生了三次反射；
图14示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光导段中使用
了卡塞格伦光学装置；
图15示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光导段中使用
了温斯顿锥面光学装置；
图16示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光学波导段中
使用了温斯顿锥面光学装置；
图17示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光学波导段中使用了温斯顿半锥面光学装置；
图18示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光学波导段中 使用了平坦的有小平面的聚光元件；
图19示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中在光学波导段上 存在多个输出表面；
图20示出本发明的光导太阳能电池板的实施例，其中覆层围绕该电池
板； 例；
图22A示出本发明的光导太阳能电池板的三层式实施例的透视图； 图22B示出图22A的实施例的分解^L图； 图22C示出图22A的实施例的侧-见图； 图22D示出图22C的放大^L图23 A示出本发明的光导太阳能电池板的两层式实施例的透视图23B示出图23A的实施例的分解透一见图23C示出图23A的实施例的放大视图24A示出本发明的光导电池4反的实施例的力文大^L图24B示出本发明的光导电池板的实施例的放大-见图24C示出图24B和33D的实施例的几何细节；
图25A示出本发明的光导太阳能电池板的两层式实施例的透视图25B示出图25A的实施例的分解^f见图25C示出图25A的实施例的》文大-见图26示出本发明的光导太阳能电池板的实施例的放大视图27示出本发明的十太阳能电池板实施例的装配；
图28示出本发明的装配保持在大凸缘之间的光导太阳能电池板；
图29示出的吸热器；
图30示出光伏电池装配；图31示出单轴太阳跟踪机构的细节；
图32A示出本发明的光导太阳能电池板的旋转几何形状实施例的透视
图32B示出图32A的实施例的顶视图； 图33A示出棱镜；
图33B示出图33A的本发明的具有棱镜的光导太阳能电池板的旋转几 何形状实施例的透^L图33C示出图33A的实施例的顶视图33D示出光导太阳能电池板部分的装配的透^L图33E示出图33D的装配的侧视图33F示出图33E的装配的分解视图33G示出图33D的实施例的光插入段和光学波导段的细节；
图34示出双轴太阳跟踪^/L构；
图35示出另一双轴太阳跟踪机构；
图36示出又一双轴太阳跟踪机构；
图37示出本发明的光导太阳能电池板的另一实施例；
图38示出本发明的光导太阳能电池板的另一实施例；
图39示出具有不同的光接收角度的光导太阳能电池板的各种实施例；
图40示出本发明的光导太阳能电池板的另一实施例；
图41A是本发明的光导太阳能电池板的另 一实施例的透视图41B是图41A的实施例的详细浮见图42A示出在玻璃基板上全息图42B示出图41A的实施例的详细横截面视图42C示出图42B的详细^L图的透一见图43示出由棱镜脊构成的偏转层；
图44A示出本发明的光导太阳能电池板的实施例的元件的横截面视图； 图44B示出图44A的实施例的顶一见图；图44C示出图44A实施例的侧^L图45A示出吸热器的透视图45B示出图45A的吸热器的横截面视图46示出太阳能电池板单轴跟踪装配；
图47示出太阳能热力单轴跟踪装配；
图48示出梯度折射率太阳能电池板实施例；
图49示出另一梯度折射率太阳能电池板实施例；以及
图50示出在图33D-33F示出的太阳能电池板的装配。
具体实施例方式
一般而言，本发明提供了一种太阳能系统，该太阳能系统用光导太阳能 电池板(LGSP)来将使光陷入在介电或其它透明电池板内并且将该光传导 到电池板边缘之一，用以被太阳能收集器(SEC)收获。这允许很薄的模块， 这些模块的厚度相当于SEC的高度，该SEC可以是例如在该模块的边缘处 的PV电池，因此消除了诸如CPV系统之类的传统太阳能系统内在的深度要 求。照射该LGSP的光被改向或被向内部陷入，以便它通过该电池板的边缘 之一离开该电池板，其中SEC在该边缘上接收它。
本发明的LGSP能够被结合成组以制造模块。该LGSP光学装置在结构 上可以被设计为大部分自支撑，这意味着它们不要求任何实质性的外壳来维 持它们的形状和定向。完整的外壳可以添加到该LGSP。如下面将要描述的， 为了最小化材料的使用和成本，LGSP模块可以由轴加凸缘(axle-and-rib ) 的结构来支撑。
可以利用聚集的阳光作为动力以用于不同于用(PV)电池发电的目的。 一个替代的用途是对元件进行加热。这些模块还可以-故配置为加热水的同时 进行发电。也可能的是，将聚集的光接入到光纤装置或者其它光导以将光传 导到另 一 位置以用于某些其它用途，例如传导到照明器材以提供日光照明。
图1和图2示出本发明的LGSP 100的第一实施例的冲黄截面^L图。电池板IOO具有光插入段102和光学波导段104，它们都能由任何合适的光学透 射性材料制成。光插入段102在它的输入表面108接收阳光106，并且从那 里开始，阳光106被导向诸如一组反射镜IIO之类的光学元件。这些反射镜 110在光插入段102的光学透射性材料和组成区域114的材料之间的界面 112来限定。选择界面112相对于入射的阳光106所位于的角度和光插入段 102的光学透射性材料的折射率与区域114的材料的折射率之比，使得入射 在界面112上的阳光106经历全内反射。通常，材料114是空气或任何其它 合适的气体；然而，光插入段102的材料和光学波导段104的材料可以包括 例如任何类型的聚合物或丙烯酸玻璃，例如，聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA), 其对于光学频谱的可见部分具有大约1.49的折射率。也可以使用任何其它 合适的材料。界面112相对于入射的太阳光106呵位于的角度的范围从临界 角到90° ，由界面112的表面法线开始测量(例如对于PMMA-空气界面， 该角度基本包括在大约42.5°和卯°之间)。
反射镜IIO被成形为抛物面反射镜；然而它们可以是任何合适的形状。 如果这些反射镜之间的间隔是"A",并且坐标系统的原点是孔径116,那 么相应的抛物线的示范性公式为y=(l/2A)x2-l/4。如图1所示，每个反射镜 IIO通过将阳光106聚焦在输出光学孔径116而将阳光106引向各自的输出 光学孔径116。图2示出用相同的反射镜IIO对阳光106进行聚焦。如此聚 焦的阳光106进入光学波导段104,光学波导段104包括壁118,阳光106 被传播向壁118。壁118具有位于光学波导段104的光学透射性材料和位于 壁118的另一侧面上的材料122之间的第一表面120。界面118可以位于的 相对于水平方向的角度在1-5°的范围中；然而，任何其它合适的角度也将 起作用。选择壁118相对于来自孔径116的阳光106的定向和光学波导段 104的光学透射性材料的折射率与材料122的折射率的比率，使得入射在第 一表面120上的阳光106经历全内反射。材料122可以是空气和任何其它气 体；然而折射率低于光学波导段104的折射率的任何其它材料也可以组成材 料122。至于光插入段102的材料和光学波导段104的材料，它们可以包括，例如任何类型的聚合物或丙烯酸玻璃，例如，PMMA。也可以使用任何其它 合适的材料。
一旦阳光106在第一表面120上被全内反射，它在光学波导段104中向 一组反射元件124传播，该组反射元件124向第一表面120反射阳光106， 在第一表面120上，阳光再次经历全内反射。如图3所示，每个反射元件 124被在光学波导段104和组成区域128的材料之间的界面126来限定，区 域128的材料可以是与区域114相同的材料。选4奪反射元件124相对于来自 第一表面120的阳光106的定向和光学波导段104的光学透射性材料的折射 率与材料128的折射率的比率，使得入射到反射元件124上的阳光106经历 全内反射。然而，反射元件124、第一元件120和反射镜IIO的功能不需要 基于全内反射并且可以包括例如合适类型的反射镜。
如在图1-3中的示范性实施例所示，每个反射元件124是平面的并且与 输入平面108成非平行的角度(例如1-5° )。另外，每个反射元件124位 于距输入表面108基本相同的距离并且基本平行于第一表面120。同样，光 学波导段104，如图3所示， 一般具有楔形，其起到的作用是在楔形变宽的 方向(该方向称为下行方向)上传纟番通过光学输出孔径116输入的阳光106。 因此，光学波导段104使得在第一表面120和在反射元件124处的多个连续 的全内反射之后，阳光106到达输出表面130 (图1和2)，输出表面130 为侧壁132的一部分，其中合适类型的SEC (未示出)可以被设置以收获阳 光106携带的能量。
图1和2示出与输入表面108不垂直的侧壁132;然而，侧壁132可以 与输入表面108成任何合适的角度。另外，如技术人员将会理解的，LGSP 100 可以具有任何合适数目的反射元件124以及任何合适数目的输出光学孔径 116。
图3示出在该实施例中每个反射元件114与壁118平行。在该实施例中， 当阳光106的射线在下游方向上传播时，入射角保持为常数。
图4示出反射元件124可以被形成为使得来自第一表面120 (图1 )并且向光插入段102传播的阳光106将被反射离开反射元件124并且没有入射在输出光学孔径116上。
图5示出本发明的另一实施例，其中壁118和反射元件124之间的角度不平行而是在下游方向上张开。在本实施例中，可以示出的是，阳光106将保持陷入在光学波导段104中。图6示出了一实施例，其中壁118和这些反射元件之间的角度在下游方向上接近。在本实施例中，可以示出的是，阳光106最终发射出光学波导段104。
图7示出可以具有图1中示出的横截面图的LGSP的IOO透视图。图7的LGSP 100将阳光106聚集在侧壁132上。图7的LGSP 100的实施例可以被称为具有直线几何形状，因为反射镜IIO全部沿平行线放置。
对于阳光106在由X和Y轴限定的平面中的入射角的改变，图7的LGSP100的性能基本是不变的。在图8A-8C中示出了这种不变性，在图8A-8C中，分别以30°和45°入射在输入表面108上的射线134和136被光插入段102引向光学波导段104,并且在光学波导段104中朝输出表面130向下游传播。因为对X-Y平面中的入射角的这种不变性，图7的LGSP100可以与任何合适的单轴太阳跟踪装置协同使用，以有效地将阳光106聚集在该电池板的边缘，即聚集在输出表面130。如技术人员将会理解的，单轴跟踪装置保持该电池板与太阳固定地对齐，以便使得被LGSP捕获的阳光的量最大。
图9示出可以具有图1中示出的横截面的另一LGSP 100的透视图。图9的LGSP 100基本成形为圓板138，并且将阳光聚集在形成于圆板138的轴心区域中的内壁140上，内壁140充当输出表面142,其可以通过任何合适的路径被光耦合到任何合适的SEC。下面进一步讨论如何将阳光106耦合到SEC的实例。图9的LGSP 100的实施例被称为具有旋转几何形状态，因为反射镜IIO位于同心圓上。SEC包括例如光伏检测器、太阳能电池、聚集入射的阳光并且用光纤装置将入射的阳光传输到建筑物内部以用于照明材料的光纤收集器以及诸如用于对水进行加热之类的热力收集器，或者任何它们结合。图9的LGSP 100可以切割成如图10所示的矩形方块或者如图11所示的角形薄片，或者任何其它合适的形状，以便适于任何想要的安装架或结构(未示出)。
如技术人员将会理解的，图7-11的LGSP 100可以被安装到任何合适类型的太阳跟踪系统，例如，单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。对于图7-11的LGSP 100,可以在聚集型阳光接收和有角度型阳光接收上进行设计折衷，这接下来确定所要求的对齐和跟踪精度。图7的LGSP 100可以实现例如20-50个太阳功率密度的聚集并且要求大约1°的单轴太阳能跟踪。图10的LGSP100可以实现例如大约500-1000个太阳功率密度的集中并且要求大约1°的双轴跟踪。在图10的LGSP 100的中心具有较大的轴心区域，即在LGSP 100的中心具有较大的开口将比轴心区域较小时产生更少的集中并且将要求较不精确的跟踪。
如技术人员将会理解的，光学输出孔径116的宽度与反射镜110的跨度的比率确定了该聚集。如果使该比率很小，使得光学输出孔径116非常紧，则可以使该聚集很高，然而该角型接收将很小。116的宽度和110的水平跨度的比率还影响第一表面120的角度，因为较紧的孔径允许表面118和108之间的角度更小，例如，1° 。这接下来导致更小的侧墙132，因而更小的SEC。
为了制备的目的，例如图7和10的LGSP的光插入段102和光学波导段104可以形成截然不同的层，如图12所示。这在光插入段102中产生了出口面144并在光学波导段104中产生了注入面146。出口面144和注入面146不需要平4亍或平坦。出口面144和注入面146为光学llT出孔径116的一部分。
图13示出了本发明的LGSP的另一实施例的横截面图。在图13的实施例中，阳光106在光学输出孔径116处输入到光学波导段104中之前反射离开第一反射镜148、第二反射镜150以及第三反射镜152。第一、第二和第三反射镜是光学元件并且可以具有合适的形状，例如平面的、抛物线的、双曲线的、椭圓形的和圓形的表面。
此外，在光插入段102中还可以包括任何合适的光学元件，例如，透镜、菲涅耳透镜、抛物槽、卡塞格伦光学装置、温斯顿锥面以及锥形棱镜。这些
到光学输出孔径116。光学波导段104可以与光插入段102的实施例无关，即相同的光学波导段104可以用于不同的光插入段102的实施例。
图14示出了具有卡塞格伦光学装置的光插入段102的实施例。在这个实施例中，抛物面主镜154和双曲面次镜156用于将阳光106聚焦和引导在平面反射镜158处。阳光106反射离开反射镜158并且在注入面160处进入光学波导)殳104，该注入面160充当光插入,殳102的光学输出孔径。图14的实施例可以用于直线或旋转几何形状的LGSP。图14的卡塞格伦光学装置要求在主镜和次镜(分别是154和156)上以及平面反射镜158上的反射型表面。
图15示出了具有由位于光插入段102的光学透射性材料与材料166之间的界面164A和164B所限定的一组温斯顿《,面的光插入l殳102,材并+ 166可以是空气或任何其它合适的气体；然而，任何其它合适的材料也可以组成材料166。选择界面164相对于入射的阳光106的几何形状和光插入段102的光学透射性材料的折射率与材料166的折射率的比率，使得入射在界面164上的阳光106经历全部内射。针对由界面164A和164B所限定的给定锥形162,入射在界面164A上的阳光106 4皮反射向反射镜168，反射镜168接下来将阳光106引向光学输出孔径116。至于入射在界面164B上的阳光106,基于它在界面164B上反射的地方，它将被反射到光学输出孔径116,或者被反射到反射镜168,反射镜168将把它反射向光学输出孔径116。至于直接入射在反射镜168上的阳光106,它也在光学输出孔径116处被引导。在已经通过光学输出孔径116进入光学波导段104之后，阳光106可以入射在第一表面120上或者入射在反射元件124上，不管怎样，阳光106经历全内反射并且在下游方向上传播。反射镜168可以具有合适的几何形状，例如，圆形几何形状，并且可以包括任何合适类型的反射型涂料。图15的光插入
段102可以用于直线或旋转几何形状的LGSP。图15的光插入段102由于其相对宽的阳光接收角度而可以用于非跟踪太阳能电池板。
在上述实施例中，通过减小邻近光学波导段的光学输出孔径的光学波导段104的高度来获得增加的聚集。如以上实施例所述，光学波导段104通过阳光的全内反射来传播阳光106。总的来说，如果光学波导段如图6所示向下游成锥形或会聚，则阳光将从光学波导段射出。然而，这种限制并不适用于光学波导段内的最后一次反射，因为在这一点，阳光将从光学波导段104出来。在由SEC马上收获阳光之前，阳光可以以任何合适的角度被反射，假设它仍将到达光学波导段的光学输出孔径。因为该SEC将收获阳光，所以阳光的入射角就不太重要，而且同样阳光在被收获之前马上^t收缩或者进一步聚集。以这种方式可实现的另外的聚集依赖于阳光106在光学波导段104内的角展度，可实现的聚集越大，光导层内的阳光就越平行。在通常的实施例中，例如，额外聚集的范围可以在1.5倍到2倍之间。
增加这种额外聚集的最简单的方式是使靠近SEC的光导层成锥形。用于聚集的好的锥形是温斯顿锥面，其为离轴抛物面，它的一个实例在图16中以附图标记170来表示。然而，包含这种温斯顿锥面170在LGSP 100中引入了死区(被定义为暴露给阳光的、不捕获光和向SEC发射光的LGSP表面)，因为入射在温斯顿锥面上的光基本没有被捕获。这种死区导致，在使用用于将太阳能转换成有用能的空间的利用上，总的系统效率降低。
额外聚集和死区之间的折衷可以利用图17示出的半温斯顿锥面来实现。作为另一替代，如图18所示，平坦的有小平面的锥形174可以用于估计温斯顿锥面的效果。然而，该平坦的有小平面的锥形并不提供可以与温斯顿锥面提供的相同的额外聚集。尽管存在这样的事实，但因为平面元件比弯曲元件更容易制备，所以图18示出的方法可能是令人感兴趣的。
利用分离的光学元件，即由光学透射性材料制成并且可以被固定在光学波导段和SEC (未示出)之间的收缩，来实现增加的聚集。这种收缩在图18中以附图标记176来表示。如果收缩176的折射率大于光学波导段的折射率，则可以获得进一步的额外聚集。因为在光学波导段和收缩176之间的界面180处出现了阳光偏转并且因为高折射率材料(收缩176)的临界角更小，所以出现了额外聚集。
在光学波导段和SEC之间放置例如收缩176的优点在于它可以将光学波导段与SEC处的热积聚绝缘。在条件很差的操作期间，如果SEC变得比制成光学波导段的材料所能承受的更热，则这变得很重要。
图19中示出了本发明的LGSP IOO的另一实施例。该实施例允许光学波导段104提供阳光给固定到由光学波导段104限定的一组壁182的一组SEC。如技术人员将会理解的，使用多个壁182导致更薄的光学波导段104。
为了保护光插入段102的输入表面108和光学波导段104的第一表面120,图20中示出的覆层184可以涂4末到该输入表面和/或涂4末到该第一表面。该覆层可以具有比该光插入段的折射率更低并且比该光学波导段的折射率更低的折射率。此外，覆层184还可以被涂抹在LGSP 100内通常被空气或气体所占据的空间内。
具有这种覆层184的优点在于，它可以保护该LGSP的完整性。有了这种覆层184存在，该覆层的外表面可以变脏或被刮擦而不会危及该LGSP的功能。覆层184可以由诸如氟化乙烯丙烯之类的任何合适的材料制成。如技术人员将会理解的，该覆层的厚度可以相对变薄而且仍然是有效的。
以上给出的这些LGSP实施例是可伸缩的。也就是说，它们的尺寸可以乘以一公共因子完全改变而不会影响这些光学装置的功能，假设这些光学装置没有变得小到使得干扰效应占优势。当交错的光学装置之间的空间处于与光波长相当的数量级时，这些干扰效应可能变得很重要。太阳频谱的最高能量波长部分在0.2孩t米到3孩i米之间。相应地，.可以将这些光学元件和这些孔径的交错周期以及这些孔径的尺寸保持在大于3微米以消除这些干扰效应。
为了使用最少的材料并保持低的成本，想要的是，使这些光学元件体积变小以最小化LGSP的厚度并且使得能够以最少的材料覆盖最多的面积。光 学波导段(光导层)的厚度将大大受限于这些被布置成收获阳光的SEC的 尺寸(例如PV电池条)。在PV电池条的情况下，它们的尺寸可以变化， 例如，从l毫米到l分米，虽然更大或更小的PV电池会工作的同样好。另 一方面，光插入段(插入层)可以被制成薄到干扰效应和制备方法所能允许 的程度。
本发明的这些LGSP可以由诸如喷射模塑、压缩模塑、喷射-压缩模塑 之类的模塑技术或者通过任何其它合适的方法来制备。 一般而言，通过模塑 方法制成的部分不可以有底切，并且同样利用常规模塑一次模塑整个上述光 导电池板是不可能。然而，该LGSP可以通过将它们分成可以;故单独地^t塑 的段来制造。下面描述两个用于为了制造的目的分割LGSP的示范性方法。
第一种方法是制造薄的LGSP的垂直部分或薄片，并且如图21所示对 它们进行并排装配。该电池板的分离的薄片l卯可以通过外拉(未示出)固 定在一起，或者它们可以被粘合在一起或者相反被绑定在一起。第一种方法 (薄片方法)适于直线几何形状LGSP。
第二种方法是制备水平板材以制作LGSP,这些板材可以是一个在另一 个顶上堆叠的板材。这样的电池板可以是自支撑的，对在框架和外壳上要求 很少并且可以使得不需要粘合和绑定。这些板材组成先前描述的功能层(光 插入段和光学波导段)；然而，给定的功能层可以由任何数目的板材组成。
图22A-22D是一种将LGSP 100分成三个薄板而没有底切的方式。顶部 的两个薄板192和194共同起作用形成插入层(光插入賴102),底部的薄 板196形成光导层(光学波导段104)。图22A-22D示出的实施例类似于图 13示出的实施例。在顶部板材192中，阳光106通过全内反射(TIR)的方 式反射离开抛物面反射镜，它然后从顶部板材192出来，并进入中间板材 194,然后在从中间板材194出来并进入底部板材196之前通过TIR方式反 射离开两个平坦的小平面，该底部板材196充当光导层(光学波导^: 104)。
图23A-23C示出另一种可能的将LGSP 100分成两个板材198和200。该插入层和光导层各用一个板材来制作，分别是板材198和200。如图24A 所示，阳光106全内反射离开抛物表面202而后在遇到光导层(光学波导段) 的注入面206之前通过平坦的小平面(出口表面)204出来进入到空气中。 在插入层板材的出口表面204处的偏转改变了该抛物面反射镜的焦点；它佳_ 得该焦点稍微向上，这接下来要求向上移动光导层的孔径。稍微移动焦点有 一个优点它允许捆紧抛物面反射镜面而它们之间死区纟艮小。然而，使用偏 转而非仅仅反射来聚集阳光的缺点在于得到的实施例在单轴阳光跟踪的情 况下不会发挥最佳的作用。同样，图24A的两板材式方法非常适合于旋转 几何形状的LGSP。这是因为无论如何，为了最优性能，该实施例要求两个 轴跟踪。通过平坦的小平面改变焦点将一些小的散光引入到聚焦抛物面光学 装置。这将阳光106略微散布在焦点，并且将可实现的聚集限至到一定程度。 通过略微倾斜该抛物面来稍微补偿该散光是可能的。如果该平坦小平面204 从垂直线沿逆时针方向倾斜2。，则从垂直线沿顺时针方向将抛物面反射镜 倾斜5。可以稍微补偿该散光。图24B示出类似于图24A的光导太阳能电池 板的光导太阳能电池板的另 一 实施例，但是改为具有与由注入面206形成的 突起207相邻的三次曲面203。
图24C示出图24B的光插入段的周期性单元的示范性尺寸，正在讨论 的该单元包括三次曲面203、平坦的小平面204、注入面206和突起207。 这些长度以微米为单位，并且三次曲面 203 的方程为 y=-1.049388x+9.1781775xl0-4x2+1.19193xlCr7x3。
图25A-25C示出了又一将LGSP 100分成两个板材208和210,其改进 了图24A的实施例的关于非最优单轴跟踪的限制，并且允许制备一种不使 用偏转来聚集阳光的直线几何形状LGSP。如图26所示，阳光106全内反射 离开抛物面反射镜212,但是在该实施例中，它在出口面214处从插入层板 材出来，该出口面214是以抛物面反射镜212的焦点为中心的圓的圆弧。会 聚在抛物面反射镜的焦点的阳光线各以基本上直角碰到该弧形出口面，并且 因此没有发生偏转。所有以上提及的板材，在它们被装配成LGSP时，可以用使它们之间的 对齐变得容易的装配特征来模塑。这些装配特征对光学性能可以具有最小的
或没有干扰。特别地，本发明的LGSP的实施例可被设计为使得上游孔径的 背部依靠在抛物面反射镜的底部；这是具有图25C的实施例的实施例。其它
装配特征可以包括散布在光导层的表面上的小结块，这些小结块将这些抛物
面反射镜相对于光学波导段104固定就位。这些板材之间的空间将基本清除 灰尘和潮气。这些板材可以用硅树脂或任何其它合适的材料或者利用密封垫 或任何其它合适的封条彼此密封。小量的干燥剂可以添加在这些板材之间来 吸收潮气。防尘套或全防护壳可以被添加到该LGSP来保持它清洁并且允许 与结构相匹配的颜色。
图27示出了单轴跟踪太阳能系统216。单轴跟踪太阳能系统216可以 使用利用两板材式方法来制造LGSP 100,并且可以被装配成围绕轴218倾 斜。这些LGSP可以被制成正方形，每个边长125毫米。光导层(光插入段) 可以使用半温斯顿锥面来将阳光聚集到3米高的PV电池上。这种系统的光 学聚集大约是30个太阳功率密度。
系统216用在吸热器220的任一侧排列成两个平行排的若干(例如，10 个)太阳能电池板100来形成，吸热器220可以由铝或任何合适的材料制成， 并且采用这样一种方式，即将光聚集向这些电池板的连接到吸热器220的内 部边缘。PV电池被放置在光学电池板100和吸热器220之间。
太阳能电池板IOO可以通过图28示出的凸缘222保持对齐。这些凸缘 可以由喷射模塑聚合物制成，虽然可以使用机器加工铝或任何其它材料。凸 缘222靠着吸热器220将电池板100机械地固定就位，并且可以在凸缘222 和吸热器220上包含一些特征件以方便装配。这样的特征件(例如凹槽224 ) 和凸缘222和吸热器220的细节分别在图28和29中示出。可以使用机械紧 固件、粘胶或任何其它手段将凸缘222靠着该吸热器固定就位。
该吸热器220可以起两个作用(1 )它辅助从PV电池散热，并且(2) 它为LGSP 100生成刚性支撑轴。在吸热器220的任一侧上对这些电池板的重量进行平衡，并且吸热器220在这些电池板连接到外部支撑架的地方。为
了辅助散热，并且如图29所示，吸热器220可以具有散热片226,散热片 226由粘结在两个挤压铝轨道228之间的折叠铝片制成。这些散热片被连接 到这两个轨道并在吸热器220中生成垂直空气通道230。可以通过铜焊、环 氧树脂、型锻或通过其它手段来进行这些散热片与这两个轨道之间的粘结。 这种开口吸热器实施例允许通过自然对流来散热，因为热空气可以从吸热器 220上升出来并且较冷的空气可以从下面进入到吸热器220。
在系统216中使用的PV电池可以是任何尺寸，例如125毫米乘125毫 米，并且可以切割成任何高度的条，例如本实施例所用的3mm高。PV电池 可以以任何常规方式进行封装。例如，它们可以成串焊接在一起，并且用乙 烯一醋酸乙烯(EVA)或任何其它合适的材料进行封装。可替代地，可以通 过将PV电池焊接、粘附或粘结到导热介电基板上的图案式电路来进行电气 连接。诸如那些明尼苏达州臣哈森市的贝格斯公司销售的绝缘金属基板 (IMS)将是适合的。图30示出焊接到PV电池234的IMS基板232;以 235示出该焊接层。IMS 232可以通过环氧树脂或粘胶或通过任何其它适合 的手段连接到铝吸热器220。
通常的IMS 232具有位于被粘结到铝或铜基底的聚合物绝缘层的顶部 上的铜电气图案。放弃该基底而将电气图案聚合物绝缘层直接固定到吸热器 220也是可能的。可以在烘箱中通过热养护进行该过程。这个方法的优点在 于它消除了基底元件并且可以降低成本。PV电池234可以通过连接到PV 电池232的顶部连接器(未示出)的整个长度上的导电带或网粘结至IMS 232。 PV电池232的背部连接器也可以粘结到它的整个长度和/或表面上。 对于长而窄且脆的PV电池232,使用上述连接方法允i午这些PC电池断成 段而不丧失其功能性或基本影响电力生产。
PV电池可以被封装来防止受潮以避免腐蚀。这可以通过诸如乙烯一醋 酸乙烯(EVA)之类的任何合适的封装来实现。然而，EVA要求热固化， 因而要求密封的部件需要放置在供箱中。另一种方法是使用密封剂，其在室温下固化在适当的位置。某些在光学上透明的粘胶，例如，道康宁生产的硅
酮Sylgard 184,可以起到这个目的的作用，并且可以在焊接之后在PV电池 的顶部浇注成薄层。作为添加的好处，在硅酮已经开始固化之前，这些电池 板可以被固定在适当位置。这密封了这些电池板和这些PV电池之间的空间， 并且生成它们之间的光学粘结。这些光学电池板与这些PV电池之间的光学 粘结减少了该光学电池板的出口边缘的菲涅尔损耗。
这些LGSP可以被排布在安装框架上以形成太阳能系统。这些吸热器可 以与该安装框架上的轴承连接，该安装框架允许该电池板围绕由吸热器220 制成的轴自由转动(参见图27中的轴218)。吸热器220可通过喷射模塑 端帽(图27的236 )的方式与这些轴承连接，该喷射模塑端帽接合到吸热 器220的端部。这些端帽可以具有允许连接到该框架上的这些轴承上的任何 合适的特征件。端帽236可以机械地、使用环氧树脂、粘胶、使用胶带或通 过任何其它合适的手段接合到该吸热器。吸热器220的端帽236还可以耦合 到允许执行器控制LGSP 100的转动的机构。例如，如图31所示，三个连杆 机构可以将所有模块连接到由线性执行器240驱动的单轨238。可替代地， 每个LGSP可以具有附接到支架上的小齿轮，该支架又由线性执行器驱动。 用任 一 系统，移动该单轨的单个线性执行器可以驱动所有这些电池板的运 动，使得它们一致地倾斜并且保持对齐。
可以使用具有旋转几何形状的LGSP制作并使用在图23A-23C中举例如 说明的两层式方法制造全阳光跟踪太阳能电池板系统。这些全阳光跟踪系统 的外观可以类似于以上针对单轴跟踪系统描述的全阳光跟踪太阳能电池板 系统的外观，在该单轴跟踪系统中，LGSP可以沿中心吸热器的任一侧排列 并被凸缘支撑。
这些电池板的外部尺寸可以是125毫米乘250毫米。阳光被集中到位于 如图32A和32B所示的LGSP的内缘的中心的线242上。阳光在半圆柱面 244处从太阳能电池板100出来并进入到空气间隙中。尽管原则上薄PV电 池可以沿线242放置，但这种装置会有有限的有角度的接收。在实践中，较宽的有角度接收通过将屋脊棱镜246放置到半圓柱小平面
来实现，如图33A-33C所示。该屋脊棱镜246可以由玻璃或任何其它合适 的材料制成，并且具有大于1.4的折射率。诸如三向连接构造电池之类的高 效率PV电池可以使用硅树脂密封剂或其它光学环氧树脂在光学上粘结到屋 脊棱镜的基底248。图33D-33G示出矩形光导太阳能电池板800如何可以用 两个光插入段部分802和804来制作。光插入l殳部分802和804各具有旋转 的几何形状和相应的光学波导段部分806和808。入射到光插入段802的阳 光被耦合到光学波导段部分806，光学波导段部分806将该阳光传播至表面 810。至于入射到光插入段804的阳光，它被耦合到光学波导段808,光学 波导段808将该阳光传纟番至表面812。表面810和812可以是平坦的表面并 且任何适合的SEC可以被固定于此。由于不必使用棱镜来耦合从光学波导 段部分806和808出来的光，所以可以避免菲涅尔折射损耗。如图33E所示， 光学波导806和808可以具有半温斯顿锥面剖面816和818。图33F示出了 光导太阳能电池板800可以采用两层式工艺通过将光插入段802和804放置 在光学波导段806和808上来制作。图33G示出图33E的装置的分解视图。 假定阳光从该光学装置的两侧射出，吸热器可以被放置在该电池板的各个对 立的侧面。因为图33D的这个电池板并不具有耦合棱镜，所以与表面810 和812相邻的光学波导4殳806和808的部分可以由绝缘材料制成，这种绝缘 材料可以耐受更多的热量，例如，熔融石英，而其它部分由PMMA制造。
尽管与图33A-33C相关的上述排布(关于阳光,人半圆柱面224出来而 后被棱镜246直接引导至PV电池)确实是将菲涅尔损耗引入到该系统中， 但是它也将一层气体，即空气或诸如氩之类的任何其它合适的气体，放置在 直接接触该PV电池的棱镜246和该LGSP之间。这种排布的优点在于它防 止该光学装置(该LGSP)受到可以积聚在该PV电池上的热。该PV电池 在热集中的情况下可以变得很热，或许达到120° C或者更高，并且如果该 光学电池板由PMMA制造，这将不利地影响该光学电池板。该气体层可以 使该光学电池板绝缘并且不受到积聚在该PV电池上的热。如之前提及的，当用于与太阳的全跟踪一起工作时，使用旋转几何学形 状并为高太阳能集中而设计的LGSP提供了更好的性能，维持太阳射线在+/ -1°的范围内平行于该太阳能电池板的输入表面的法向量。该全跟踪可以 由若干种方式来实现，但是两种方法特别适合于该系统。
图34示出了第一种全跟踪方法，其中LGSP 100安装在框架249中以 围绕第一组轴250倾斜，并且框架249可以围绕轴252倾斜，轴252基本垂 直于轴250。同样，该LGSP可以从东到西摆动以在全天当中跟踪太阳的移 动，而且该框可以从北到南倾斜以适于太阳的季节性变化。
图35和36示出了允许维持较低的剖面的第二种全跟踪方法。LGSP 100 可以设置在框架254或256中，并且可以分别绕轴258和260倾斜。此外， 框架254和256可以被制成分别绕轴262和264旋转。
图37示出了如图15所示的在插入层(光插入段102)中使用温斯顿锥 面的LGSP的变体。图37的实施例是直线几何形状的实施例，其充分适合 于非跟踪应用，因为它由于温斯顿锥面而具有宽的有角度的接收。为了提高 可实现的聚集，使用位于两个光学电池板之间双面PV电池266是可能的； 该实施例4吏该聚集加倍。
图37的LGSP 100可以用两部分堆叠来制作，但是不是对每个PV电池 带的太阳能电池板进行模塑，而是可以对一组电池板进行模塑， 一组光学电 池板由许多聚光器光学装置集合成较少的片。图38示出如何可以将一组 LGSP 268制成容纳四个PV电池266。
形成光导层(光学波导段104 )的板材270可以具有模塑在其中的凹槽， 以容纳双面PV电池266。 PV电池266可以被焊接而后在放置到该凹槽中之 前被封装，或者它们可以仅仅被焊接在一起以形成电路而后放置在该凹槽中 并且使用现场浇注的诸如透明硅或任何其它光学环氧树脂之类的密封剂封 装就位。
将许多组电池板附接在一起组成全太阳能电池板模块。存在许多将这些 LGSP结合在一起的方法。 一种方法是使用框架格栅将所有这些电池板绑在或任何其它材料的坚硬上层上。
如在图37中看到的，在该光学装置的横截面中，非跟踪LGSP 268 — 般不会具有180°的有角度的接收。LGSP268的接收锥面可以是从该电池板 的法线起+/-30° ,这足以适应天空中的太阳位置的季节性变化。同样，非 跟踪LGSP 168应该安装在与安装位置的绵度相匹配的斜面上；这将保证该 电池板的输入表面的法线在昼夜平分点平行于太阳的射线。然而，这确实限 制了非LGSP 268的安装结构。实际上，如针对北半球位置的图39所示， LGSP 268可以被设计为使它们的接收锥面倾斜离开该法线。在实践中，有 限数目的非跟踪LGSP 268组可以被设计为适应于任何安装结构。
为了尽可能成本经济地制作本发明的LGSP,巻对巻连续铸造或压花可 以用于将光插入段光学装置制备成膜。用巻对巻制造方法是可能的，因为所 有以上太阳能电池板由不具有底切的板材的堆叠组成。成楔形的光导层(光 学波导段)可以分开制作，并且光插入段可以利用层压工艺或任何其它合适 的工艺敷设到光学波导段上。
如技术人员会理解的，本发明的LGSP的光插入层102还可以使用任何
有一组透镜274的LGSP 100,该组透镜274聚焦并光耦合阳光106到光学 波导段104。
本发明的LGSP的另一实施例如图41A、41B和42A-42D所示。LGSP 300 具有插入层(光插入段302)和光导层(光学波导段304 )。光插入段302 具有采用偏转器部分306和反射镜部分312形式的光学元件。反射镜部分 306使入射的阳光106在由双箭头308指示的一个或两个方向上偏转。偏转 的阳光被引导向光学元件。这些光学元件是反射镜部分312,其被成形为一 组聚焦锥形光通道。这些锥形光通道通过一组光学输出孔径313被光耦合到 一组波导314，该组波导314形成光学波导段304。
偏转器部分306可以包括采用体相位全息图(VPH )的形式的光学引导层。利用两个相干UV光源之间的干涉，以任何合适的形式形成VPH全息 图中的条紋。条紋间距和角度可以被设计成使得一个或者更多衍射模式可以
在太阳能电池板的平面的45度的范围内。图42A示出这种VPH309如何进 行操作的实例。在图42B至42D中举例说明了得到的偏转。
偏转器部分306还可以利用诸如象棱镜一样的平坦的小平面光学装置 之类的非干涉光学装置来制作。例如，以互锁方式设置的之间具有小的空气
间隙的60°棱镜阵列将入射光在两个方向上分割到该电池板的平面上。该 双向偏转将导致光积聚在太阳能电池板300的两个对立的边缘上。在图43 中示出了这样的引光导学装置。
光学波导段304具有直线几何形状并且可以具有多个波导314,波导314 从它们各自的锥形光通道(反射镜部分312)接收光并且通过全内反射来使 光陷入。波导314充当延迟线，由此光在光学输出孔径313处从高处进来， 传播一段距离而后可以通过光学输出孔径313从顶部出来。在图42A-42C 示出了可能的通道实施例。进入锥形光通道(反射镜部分312)的光被反射 离开第一抛物线部分316,而后离开平面318并且在进入限定波导314的圓 柱部分之前离开第二抛物线部分320。该光在射出之前可以以螺万走方式在波 导314内传播一些距离。假设波导314的长度小于锥形光线的平均传播距离， 耦合到波导314的光将从该通道的端部集中地射出，由任何合适的SEC在 该通道收获光。作为实例，如果光学波导段104高lcm,并且波导314长 150cm,则入射到LGSP 300上的光的75%将到达用于由SEC进行收获的该 波导的两端。如果光^皮均匀地入射到LGSP 300上，则光将均匀地分布在该 波导通道的两端之间。
LGSP 30可以包括任何数目的波导314以及锥形光通道312，并且每个 波导314可以形成一个具有各自的锥形光通312的单元。由该锥形光通道 312形成的这些单元和它们各自的波导314可以通过模塑来制作。
在LGSP 300中，每个波导314具有输出表面315，并且输出表面315 的总和形成光学波导段304的全部输出表面。任何合适的SEC可以被放置在多个光学输出孔径315的输出端以收获阳光106。
可以4吏用锥形光通道/波导的其它几何形状。例如，图44A-44C示出了 具有多个形成在其上的波导的锥形光通道232，该波导的直径随着锥形光通 道的宽度的减小而减小。这些波导的交错在垂直方向上允许两个或更多通道 并排靠近放置，它们之间具有很小的死区。
先前描述的吸热器220可以与单轴跟踪系统和全跟踪高聚光型系统协 同工作，以从SEC (例如PV电池)将过剩的热量散发到周围的空气中。然 而，该过剩的热量可以改为用于加热水。该功能性可以用图45A和45B示 出的吸热器400来完成。吸热器400可以由铝或其它适合的材料制成。与以 散热片为特征以将过剩的热量散发到空气中的吸热器220相反的是，吸热器 400具有一个或更多通道402,用于流过吸收这些SEC中产生的热量的水。
如在图46见的，端帽403可以固定到吸热器400并且起到将LGSP通 过轴承固定到安装框架的双重目的的作用，并且它们用作到热交换器(未示 出)的入口和出口。水可以直接流过的吸热器400,吸热器400的一端有端 帽另一端有出口；或者它能够通过相同的端帽流入或流出该吸热器400，吸 热器400具有用作u型管的对立的端帽。在扩展的系统中，这个实施例可以 简化在许多模块之间的软管路线。挤压的通道的数目可以增加以便在水和吸 热器400的铝之间具有较大的接触表面区域。水流过吸热器400的速率可以 用于控制这些SEC的温度并且用于将LGSP保持在它们的工作温度范围内。 在图46示出了使用通过软管406互联的吸热器400的系统。如技术人员将 会理解的，除水之外的热交换器流体可以用于图46的系统。
由本发明的LGSP捕获的阳光可以用于不使用PV电池的太阳能系统。 在图47中示出了这种太阳能热力系统500的实例。系统500可以使用双壁 管502，它的最外面管是透明的。诸如氩之类的绝缘气体将内管与外管分离。 内管可以是黑色的以便吸收入射的阳光。通过中心管，流过诸如水、油之类 的吸热液体或任何其它合适的液体。
管502被放置在先前被上述实施例中的吸热器占据的位置。聚集的阳光，穿过透明的外管以及绝缘气体层，并且被内管吸收。这使得内管中的液 体被加热。这些流体传送管可以保持固定在合适的位置，同时光学装置绕它 们旋转。
用一种被称为在玻璃上的硅树脂的技术制备本发明的LGSP的一些小
光学结构。类似于道康宁(Dow)生产的SylgardTM84的薄的透明硅橡胶，
在玻璃基板上形成为需要的形状。对硅树脂进行独立的模塑而不用玻璃基板 A ^ w台fe W
有利的是，本发明的LGSP对热膨胀或收缩相对不敏感。这是可能的， 因为这些太阳能电池板的所有光学组件是由相似的(如果不相同的话)材料 制成。因为这一点，它们将膨胀相同的程度并且光学元件的功能将不会显著 改变。具体来讲，随着反射镜110膨胀，波导部分104也将膨胀。随着该单 元根据温度的变化而膨胀或收缩，这维持相同的焦点，使得光从图l的106 反射离开110并在116聚焦。
对于单轴跟踪，该电池板被倾斜以维持与入射的阳光在一 个平面上对 齐。在该光学装置的顶上添加光学设备也是可能的，其对光进行预处理，改 变入射光的角度以将入射光对准该光学装置。这种预处理光学装置可以使用 移动式反射镜、棱镜或电光装置。
通过必要时使单轴跟踪电池板或非跟踪电池板倾斜来手动实现跟踪。手 动跟踪电池板将是一个在横截面中具有足够宽的有角度的接收的跟踪电池 板，比方说，例如，正或负5度，以便它将仅仅需要每隔几周稍微手动重新 对齐。电子对齐传感器可以帮助对齐，而不会需要执行器。
使用不同机构的LGSP可以利用 一个具有梯度折射率的电池板来制成。 在该LGSP的下游方向折射率梯度增加，以^更在该电池板上的入射光将偏转 向下游方向。如果该梯度造成在该电池板的底面发生针对TIR的足够偏转， 则该光将成锥形并且将变为向下传导向该电池板的边缘，如图48所示。由 于梯度较小，如果光从该电池板的底面出来，可以要求反射镜进行第一次反 射，并且在向回传播通过该电池板到顶表面的同时，进一步的偏转将增加在顶面上的入射角，足够使TIR发生。这在图49中示出。
图50A和50B示出图33D的诸如光导太阳能电池板800之类的光导太 阳能电池板如何可以被组在一起。光导太阳能电池板800可以被放置在两个 垂直方向的铝吸热器卯0之间以形成光导太阳能电池板800的直线装置902。 较大组的光导太阳能电池板800可以通过将直线装置卯2接合在一起来装配。
本发明是一种使用LGSP来将光陷入在介电或其它透明电池板内并将 该光传播到电池板边缘之一用于由SEC进行捕获的太阳能系统。这允许很 薄的模块，这些模块的厚度相当于在该模块的边缘的SEC (例如PV电池) 的高度，因此消除了诸如CPV系统之类的传统太阳能系统内在的厚度要求。 照射该LGSP的光^皮改向并且成内锥形以便它通过该电池斧反的边》彖之一/人该 电池板出来，其中SEC从该边缘接收光。
LGSP可以被组合成组以制作模块。该LGSP光学装置在结构上可以被 主要设计为自支撑，意味着它们不需要外壳来维持它的形状和方向。全外壳 可以被添加到该实施例。如以下将描述的，为了最小化材料使用和成本， LGSP模块可以被最小的轴加凸缘结构支撑。
可以利用聚集的阳光作为动力以用于不同于用(PV)电池发电的目的。 一个替代的使用是对元件进行加热。这些模块还可以被配置为在发电的同时 加热水。将聚集的光耦合到光纤或其它光导以将光传播到另 一位置以用作其 它用处也是可能的，例如传播到照明器材以提供日光照明。此外，本发明的 LGSP光学装置可以用于在包括例如灯和照明设备的其它应用中减小光学装 置的厚度。在结合附图回顾本发明的具体实施例的下列描述之后，其它方面 和应用对本领域普通技术人员是显而易见的。
在之前的描述中，为了说明的目的，阐述了许多细节以便提供对本发明 的实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，为了实施本 发明，并不需要这些具体细节。在其它实例中，为了不混淆本发明，用框图 的形式示出了已知的电气结构和电路。例如，关于这里描述的本发明的实施例是否被实施为软件例程、硬件电路、固件或它们的结合，并没有提供具体 细节。
本发明的上述实施例仅仅意在示例。在不脱离由在这里所附权利要求单 独限定的本发明的范围的情况下，可以由本领域技术人员对特定的实施例进 行替代、修改和变形。
权利要求
1、一种光导太阳能电池板，包括光插入段，具有用于接收光的输入表面、光学元件和至少一个光学输出孔径，所述光学元件被形成在所述输入表面和所述至少一个光学输出孔径之间，以将所述光从所述输入表面引导到所述至少一个光学输出孔径；和具有输出表面的光学波导段，所述光学波导段被光耦合到所述至少一个光学输出孔径以从所述至少一个光学输出孔径接收所述光，所述光学波导段用于将所述光导向所述输出表面。
2、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述光学元件沿基本平行的线被彼 此间隔开。
3、 根据权利要求2所述的电池板，其中所述输出表面基本不正交于所述输 入平面。
4、 根据权利要求1所述的电池板，其中 所述光学元件沿基本同心的圓弧被彼此间隔开；并且 所述输出表面被成形为与所述光学元件基本同心的圓弧。
5、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述光学元件包括以下中的至少一 项抛物面反射镜、三次反射镜、双曲线反射镜、椭圓形反射镜、平面反射镜、 卡塞格伦光学装置、温斯顿锥面光学装置、圓形反射镜、透镜、全息图和棱镜 脊。
6、 根据权利要求2的所述的电池板，其中所述光学波导段是楔形的。
7、 根据权利要求4所述的电池板，其中所述光学波导段至少部分是锥形的。
8、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述光学波导段包括第一表面，其 中离开所述第一表面从所述至少一个光学输出孔径接收到的光经历第一全内反射。
9、 根据权利要求8所述的电池板，其中所述输入表面和所述第一表面中的 至少一个具有形成在其上的覆层。
10、 根据权利要求8所述的电池板，所述光学波导部进一步具有与所述第 一表面相对形成的多个反射镜元件，所述多个反射镜元件用于从所述第一表面
11、 根据权利要求IO所述的电池板，其中所述多个反射镜元件包括平面反射镜。
12、 根据权利要求11所述的电池板，其中所述平面反射镜基本平行于所述 第一表面。
13、 根据权利要求IO所述的电池板，其中至少一个反射元件具有全内反射表面。
14、 根据权利要求IO所述的电池板，其中所述至少一个光学输出孔径位于 相邻的反射镜元件之间。
15、 根据权利要求IO所述的电池板，其中基本没有光通过所述至少一个光 学输出孔径从所述光学波导段耦合到所述光插入段。
16、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述光学波导段通过一系列全内 反射将所述光导向所述输出表面。
17、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述输入表面具有光输入区域并 且所述输出表面具有光收集区域，所述光收集区域小于所述光输入区域。
18、 根据权利要求1所述的电池板，进一步包括被光耦合到所述输出表面 的太阳能收集器。
19、 根据权利要求18所述的电池板，其中所述太阳能收集器包括光伏太阳 能电池和集热器中的至少一个。
20、 根据权利要求18所述的电池板，进一步包括光学棱镜，所述光学棱镜 用于将所述输出表面光耦合到所述太阳能收集器。
21、 根据权利要求18所述的电池板，其中所述光学波导段具有与所述输出 表面相邻的至少一个抛物面形界面，所述至少一个抛物面形界面用于将所述光 聚集到所述输出表面上。
22、 根据权利要求18所述的电池板，进一步包括与所述输出表面相邻的锥形光学元件，所述锥形光学元件用于将所述太阳能收集器与所述光学波导段相 隔开并用于将所述光聚集在所述太阳能收集器上。
23、 根据权利要求22所述的电池板，其中所述锥形光学元件具有与所述光学波导段的折射率不同的折射率。
24、 根据权利要求1所述的电池板，其中所述光学波导段包括多个波导，每个波导被光耦合到所述至少一个光学输 出孔径之一，每个波导用于从相应的光学输出孔径接收光并用于将所述光沿着 该波导在至少由所述光学元件确定的方向上传播。
25、 根据权利要求24所述的电池板，其中每个波导具有波导输出表面，所 述波导段输出表面包括每个波导的波导输出表面。
26、 根据权利要求24所述的电池板，其中所述光学元件引导所述光沿每个 波导在仅仅一个方向上传播。
27、 根据权利要求24所述的电池板，其中所述光学元件引导所述光沿每个 波导在两个相反的方向上传#~。
28、 根据权利要求24所述的电池板，其中所述光学元件包括体相位全息图。
29、 根据权利要求24所述的电池板，其中所述光学元件包括多个棱镜脊。
30、 根据要求1的所述的电池板，其中所述光插入段包括多个锥形光通道， 并且所述光学波导段包括多个波导，所述锥形光通道中的至少一个通过所述至 少一个光学输出孔径之一被光耦合到至少一个波导，每个波导用于沿该波导在 至少由所述光学元件确定的传播方向上对所述光进行导向。
31、 根据权利要求30所述的电池板，其中所述至少一个波导包括不同直径 的波导。
32、 根据权利要求30所述的电池板，其中所述光学元件包括体相位全息图 和棱镜脊中的至少 一个，以用于将传播方向给予所述光。
33、 根据权利要求32所述的电池板，其中所述光学元件进一步包括以下中 的至少一项抛物面反射镜、三次反射镜、双曲线反射镜、椭圆形反射镜、平 面反射镜和圓形反射镜。
34、 根据要求l所述的电池板，其中所述光插入段被形成在由光学透射性材料构成的第一板材中；并且 所述光学波导段被形成在由光学透射性材料构成的第二板材中。
35、 根据要求34所述的电池板，其中所述第一板材包括所述输入表面和所述光学元件，所述第一板材具有与所 述输入表面相对立的输出成型表面；并且所述第二板材包括与所述输出成型表面相邻的输入成型表面，所述第一板 材的输出成型表面和所述第二板材的输入成型表面彼此互补并且限定所述至少 一个光学输出孔径。
36、 根据要求l所述的电池板，其中所述光插入段被形成在由光学透射性材料构成的第 一层和第二层中；并且 所述光学波导段被形成在由光学透射性材料构成的第三层中。
37、 根据要求36所述的电池板，其中所述第 一层包括所述输入表面，并进一步包括与所述输入表面相对立的第 一成型表面；所述第二层包括与所述第一成型表面相邻和互补的第二成型表面，所述第二层进一步包括与所述第二成型表面相对立的第三成型表面；并且所述第三层包括与所述第三成型表面相邻和互补的第四成型表面，所述第三成型表面和所述第四成型表面限定所述至少一个光学输出孔径。
38、 根据要求l所述的电池板，其中所述光插入段和所述光学波导段被形 成在相同的光学透射性材料中。
39、 根据要求1所述的电池板，其中所述光插入段具有第一部分和第二部 分，该第 一部分具有沿第 一组基本同心的圓弧被彼此间隔开的第 一组光学元件， 该第二部分具有沿第二组基本同心的圆弧被彼此间隔开的第二组光学元件。
40、 根据要求39所述的电池板，其中所述第一组光学元件在第一方向上引 导所述光的第一部分，并且所述第二组光学元件在与所述第一方向截然不同的 第二方向上引导所述光的第二部分。
41、 根据要求40所述的电池板，其中所述第二方向与所述第一方向相反。
42、 根据要求41所述的电池板，其中所述光插入段的第一部分具有至少一 个第一部分光学输出孔径，并且所述光插入段的第二部分具有至少一个第二部 分光学输出孔径，所述光学波导段具有被光耦合到所述至少一个第一部分光学 孔径的第 一部分和被光耦合到所述至少 一个第二部分光学孔径的第二部分。
43、 一种光导太阳能电池板，包括光插入段，具有用于接收光的输入表面、光学元件以及至少一个光学输出 孔径，所述光学元件被形成在所述输入表面和所述至少一个光学输出孔径之间， 以将所述光从所述输入表面引导到所述至少 一个光输出孔径；具有输出表面的光学波导段，所述光学波导段被光耦合到所述至少 一个光 学输出孔径以从所述至少一个光学输出孔径接收所述光，所述光学波导段用于 将所述光导向所述输出表面；以及被光耦合到所述输出表面的光伏电池。
44、 一种制备光导太阳能电池板的方法，所述方法包括步骤 形成光插入段，该光插入段具有用于接收光的输入表面、光学元件以及至少一个光学输出孔径，所述光学元件被放置在所述输入表面和所述至少一个光 学输出孔径之间，以将所述光从所述输入表面引导到所述至少一个光学输出孔径；形成具有输出表面的光学波导段；以及将所述光学波导段光耦合到所述至少一个光学输出孔径以从所述至少一个 光学输出孔径接收所述光，所述光学波导段用于将所述光导向所述输出表面。
全文摘要
本发明提供了一种太阳能系统，其使用光导太阳能电池板(LGSP)以将光陷入到介电或其它透明电池板内部，并且将光传播到电池板边缘之一以由诸如光伏电池之类的太阳能收集器进行收获。这允许很薄的模板，这些模板的厚度相当于该太阳能收集器的高度。这样，消除了传统的聚光型光伏太阳能系统的内在的深度要求。
文档编号H01L31/042GK101681949SQ200880014362
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月1日 优先权日2007年5月1日
发明者约翰·保罗·摩根 申请人:摩根阳光公司