用于聚集太阳能的改进装置.pdf

一种太阳能聚光器，包括透明光学材料，该光学材料包括：具有外端和内端锥形的第一光耦合部分，以使第一光耦合部分从外端向内端会聚；在外端处形成并且布置用于将光沿第一光耦合部分进行反射的第一小面；布置用于将光聚焦至第一小面上的第一主聚光器元件；具有外端和内端锥形的第二光耦合部分，以使第二光耦合部分从外端向内端会聚；形成在第二光耦合部分的外端处并且布置用于将光沿该部分进行反射的第二小面，第二小面与所述第一小面垂直重叠；布置用于将光聚焦至第二小面上的第二主聚光器元件；与第一光耦合部分和第二光耦合部分的内端进行光学通信并且布置用于将辐射经由其进行传输的公共光导部分；其中公共光导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。

权利要求书1.  一种太阳能聚光器，包括透明的光学材料，所述光学材料包括：第一光耦合部分，所述第一光耦合部分具有锥形外端和内端，以使所述第一光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；第一小面，所述第一小面形成在所述外端处，并且布置用于将光沿所述第一光耦合部分进行反射；第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件布置用于将光聚焦至所述第一小面上；第二光耦合部分，所述第二光耦合部分具有锥形外端和内端，以使所述第二光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；第二小面，所述第二小面形成在所述第二光耦合部分的外端处，并且布置用于将光沿所述部分进行反射，所述第二小面与所述第一小面垂直重叠；第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件布置用于将光聚焦至所述第二小面上；公共光导部分，所述公共光导部分与所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的所述内端进行光学通信，并且布置用于将所述辐射经由所述公共光导部分进行传输；其中所述公共光导部分的最大垂直厚度小于所述第一小面和所述第二小面的高度之和。2.  根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的上表面和所述公共光导部分存在平面表面。3.  根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的下表面和所述公共光导部分存在平面表面。4.  根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中至少一个锥形光耦合部分具有从所述第一小面的下边缘向上倾斜至所述第二小面的上边缘的下面。5.  根据权利要求1-3任一项所述的太阳能聚光器，其中至少一个锥形光耦合部分具有从接近所述第一小面的上边缘向下倾斜至所述第二小面的下边缘的上面。6.  根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中所述小面的反射表面是平面的。7.  根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中所述小面的反射表面是凹面的。8.  根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，包括在第一光耦合部分和第二光耦合部分之间的低反射指数层，其中所述层相对于所述每个耦合部分的材料有足够低的反射指数，以支持来自所述耦合部分的小面的光在所述耦合部分内的全内反射。9.  根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述层包括气隙。10.  根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分通过所述低反射指数层而垂直隔开。11.  根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分位于低于所述第二光耦合部分的位置，并且其中所述第一光耦合部分的小面在所述第二光耦合部分之下横向地向外延伸。12.  一种太阳能聚光器组件，所述太阳能聚光器组件具有外端和内接收端并且包括多个根据权利要求1-11任一项所述的太阳能聚光器，其中相邻的太阳能聚光器彼此横向及纵向偏移，并且其中所述每个太阳能聚光器的小面与所述组件的接收端进行光学通信。13.  根据权利要求12所述的太阳能聚光器组件，其中用于每个小面的各个太阳能聚光器的构造为平行四边形(图6)。14.  根据权利要求12所述的太阳能聚光器组件，其中用于每个小面的各个太阳能聚光器的构造为正方形或矩形。15.  根据权利要求14所述的太阳能聚光器组件，其中所述太阳能聚光器被分组为多个矩形阵列，其中每个所述阵列与相邻的阵列相偏移(图10)。16.  一种太阳能聚光器组件，包括第一列和第二列根据权利要求1-11任一项所述的太阳能聚光器，其中所述第一列太阳能聚光器的公共光导部分的端与所述第二列太阳能聚光器的公共光导部分的端相对(图9)。17.  一种用于聚集太阳光的装置，包括：第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件将太阳光聚焦至具有大于n1.5的折射指数的透明光学材料中并且聚焦至第一反射小面上的点上，第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件邻近并且毗连所述第一主聚光器元件，将太阳光经由所述光学材料的至少一个表面并聚焦至第二反射小面上的点上，所述两个反射小面处在不同高度，来自所述两个反射小面的光线，特别是太阳光线，经由相应的耦合元件在相同的总方向上传输，所述耦合元件中的一个或两个在垂直方向上呈锥形，(借助于精确的几何形状)，来自所述第一耦合元件的所有光线被操纵以经过所述第二耦合元件而不产生将导致随后的解耦的相互作用或干涉，所述两个反射小面与它们相应的耦合元件一起构成双元件耦合器，所述双元件耦合器内的所有面(所述双元件耦合器的所有面)具有对于期望的聚光率、阵列侧面和角度接受度优化的特定形状、斜率和长度，沿所述双元件耦合器的全长度的所有光线被大约平行的侧壁水平地限禁(在通道中)，所述侧壁被隔开大约为所述反射小面的宽度的距离，所有光线接着注入平面光导，并且通过全内反射传输至那个光导的接收边缘，所述平面光导的垂直厚度显著小于所述两个反射小面的高度之和，并且最好等于或小于所述第一反射小面的高度。18.  根据权利要求17所述的装置，其中所述主聚光器元件为；凸透镜或平凸透镜或菲涅尔透镜或抛物面反射器或其他点聚焦聚光器。19.  根据权利要求17或18所述的装置，其中接收所聚集的光的所述光学材料的上表面基本上是平面的，并且两个耦合元件均在垂直方向上呈锥形，它们的下表面从大约相应的反射小面的底边缘处向上倾斜，所述第二反射小面从所述第一耦合元件的所述倾斜面的最高边缘向下延伸。20.  根据权利要求17或18所述的装置，其中接收所聚集的光的所述光学材料的下表面基本上是平面的，两个耦合元件均在垂直方向上呈锥形，它们的上表面从大约相应的每个反射小面的上边缘处向下倾斜，所述第二反射小面从所 述第一耦合元件的所述向下倾斜的面的最低边缘向上(和向远端)延伸。21.  根据权利要求17或18所述的装置，其中所述顶表面和所述底表面均不是平面的，并且其中所述两个耦合元件的所述顶面中的至少一个以及所述底面中的至少一个不是水平的。22.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其中另外的双元件耦合器加入所述水平平面中并在远端远离所述接收边缘，并且每个附加双元件耦合器与前一个纵向偏移，它们相关联的通道形成阶梯状图案(俯视)，来自所述每个双元件耦合器的光线被侧壁水平地限禁在所述通道内，直至它们进入所述光导的平面区域，它们在所述平面区域与来自其他双元件耦合器的光线混合，每个通道通过气隙或低反射指数材料的膜与所述光导相邻的平面区域隔开，以防止来自所述双元件耦合器的光线与所述平面光导混合，直至所有光线已经过所述第二耦合元件的锥形部分，其中所述平面光导的面积总体上向所述接收边缘水平扩展，所述光捕获的面积随着通道的数量成比例地增大，但是当横向相邻的主聚光器元件开始影响彼此的空间时，会限制通道的数量。23.  根据权利要求22所述的装置，其中这些光导的复制品被横向地加入，相邻的平面光导通过气腔或低反射指数材料相互横向地隔开，随着横向的光导加入物的数量而成比例地增加所述阵列面积。24.  根据权利要求19所述的系统，其中第二对主聚光器元件邻近并且毗连所述第一对主聚光器元件而放置(朝向所述接收边缘)并且相应的第二双元件耦合器放置在权利要求3中描述的所述光导之下，所述光导先变成平面的，使得这成为第二/下光导层，所述两个光导层通过气隙或低反射指数膜彼此隔开，以使来自第二对聚光器元件的聚焦光经由所述上光导的所述平面部分传递，与相应的反射小面作用并且被传输至所述下光导的所述接收边缘，所述两个光导层的所述组合深度显著小于所述第一反射小面的高度的两倍，并且最好等于或小于所述高度。25.  根据权利要求20所述的装置，其中第二对主聚光器元件邻近并且毗连所述第一对主聚光器元件而放置，并且相应的第二双元件耦合器放置在权利要 求20中描述的所述光导之上，在此所述光导先变成平面的，所述下光导层通过气隙或低反射指数膜或双面镜与所述上光导层隔开，以使光由第二对聚光器元件进行聚焦、与在所述上光导层中的相应反射小面作用并且被传输至所述上光导的所述接收边缘，所述两个光导层的所述组合深度最好约为所述第一反射小面的高度的两倍。26.  根据权利要求24或25所述的装置，其中在相同的阵列中包含两个以上的垂直光导层，以生成具有多光导层的阵列。27.  根据权利要求24-26中任一项所述的装置，其中数个双或多层光导并排放置以形成网格图案状的第一阵列，并且完全相同，但反像的阵列相对安放以在相反的方向上将光传播至所述第一阵列，所有接收电池中心对齐，有效地倍增了光捕获的面积。28.  根据权利要求24-27中任一项所述的装置，其中所述双或多光导层变为接合成正好在最后的双光耦合器的下游的一个平面光导，生成的所述平面光导具有深度，所述深度约为光导层的数量乘以所述第一反射小面的高度的函数。29.  根据权利要求24-28中任一项所述的装置，其中另外的双或多层双元件耦合器组加入所述水平平面中并在远端远离所述接收边缘，并且每个双元件耦合器的附加通道与前一个纵向偏移，俯视时，它们相关联的通道形成阶梯状图案，所述光导层变为接合成紧接在每个通道的最后的耦合棱镜的下游的一个平面光导，所述平面光导总体上在所述接收边缘的方向上水平扩展，当横向相邻的主聚光器元件相互影响时，限制相邻通道的数量。30.  根据权利要求29所述的装置，其中这些光导的复制品被横向地加入，相邻的平面光导通过气隙或低反射指数材料相互隔开，随着横向的光导加入物的数量而成比例地增加所述阵列的面积。31.  一种根据权利要求17或18所定义的双元件耦合器，其中来自所述第一耦合元件的光线进入短的平面光导，经过所述第二耦合元件的下面或上面，并且通过气隙或低反射指数材料而垂直隔开，接着，所有的光线进入公共光导并且允许在它们到达所述接收边缘之前进行 混合。32.  根据权利要求17-31任一项所述的装置，其中比例相同但反像的阵列与所述第一阵列相对安放，总的光传播方向与所述第一阵列的总的光传播方向相对，所有光线会聚在一行中心对齐的接收电池上，有效地倍增了光捕获的面积。33.  根据权利要求17-31任一项所述的装置，所述反射元件的宽度水平地增加，所述导向通道的所述侧壁中的一个从所述第二反射小面的端开始略微水平地成锥形，以进一步沿一个轴增加所述角度接受度。34.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其中多结光伏电池放置在所述光导的所述接收边缘上以产生电能。35.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其中热采收设备耦合至所述光导的所述接收边缘以从所述光导中采收热能。36.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其中多结光伏电池和热采收设备放置在所述接收边缘上以采收电能和热能。

说明书用于聚集太阳能的改进装置
技术领域
本发明涉及用于采集太阳能的装置以及太阳能电力系统。
背景技术
任何关于现有技术的方法、装置或文件的参考不作为构成它们所形成的任何证据或许可，并且不形成公知常识的一部分。
将太阳能转化为电能的最常见的方法需要将标准光伏模组安装在屋顶上或地面安装结构上。平均而言，该方法以大大低于20％的效率将太阳光转化为电能。
多结光伏电池比这些标准光伏电池高效约150％，但是需在太阳光经由透镜、棱镜或镜子聚集时，并且当通过使用高精度双轴跟踪设备将阵列非常精确地转向并面对太阳时，它们才能发挥最佳效能。
相对于固定的标准模组，使用这种跟踪器可额外增加约30-40％的更多电能，因此在将跟踪器和多结电池组合使用的情况下以期获得高于3倍的更多能量将是合理的。但是在实践中，由于大多数聚光器要求很高水平的跟踪精度，而该跟踪精度是难以实现的，因此这些收益很难实现。要求的接受角通常大大低于+-1.5度，甚至略微超出这个小范围的不精确跟踪会导致电输出几乎停滞。在聚光器部件的制造过程中的质量控制也被证明是困难的。
现有技术中已经有大量聚光器，其中在垂直或水平反射离开台阶状的反射面之后，聚集光与平面光导相耦合。一种设计包括水平和垂直的台阶状反射面。这些器件通常以注入元件的深度或宽度进行台阶的迈步或跨步，借此，光导在深度(台阶均在垂直平面中)上或在宽度(台阶均在水平平面中)上迅速增加。这些布置会约束阵列的潜在长度，因此也会约束光捕获的面积和潜在聚光率。
在水平的台阶状光导(如图1A和1B中所描述的)的情况下，在一个光导中的主聚光器元件影响相邻光导的聚光器元件的空间之前，仅有有限数量 的台阶，每个台阶由一个注入元件的宽度定义。在垂直的台阶状光导(如图1C中所描述的)的情况下，就所要求的光学材料的体积而言，增加的深度变得很厚，难以处理，并且操作价格昂贵。
还有具有斜面的或锥形的耦合元件的装置。这些装置中的一些具有设在靠近较厚的光导底部的锥形元件，表示接受角和/或聚光率不高。其他装置在相同的光流中使用一系列锥形耦合元件，不可避免地，下游耦合器与来自上游耦合器的光线相干涉并且导致光从光导中解耦。由于光从系统中解耦并退出，故这些设计会导致显著的光损耗。
如果能够提供解决以上所述现有技术的问题并且能够将太阳光直接聚集在多结电池上的装置，则非常有利。在至少优选的实施例中，这种装置对跟踪不精确性的容忍度很高，这将是非常值得期待的。如果该装置的实施例具有较好的散热以及光线在整个电池表面上具有均匀的散射特性，并且该装置还适合制造成大模组，则这也将是有利的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种太阳能聚光器，其包括透明的光学材料，所述光学材料包括：
第一光耦合部分，所述第一光耦合部分具有锥形外端和内端，以使第一光耦合部分从外端向内端会聚；
第一小面，所述第一小面形成在外端处，并且布置用于将光沿第一光耦合部分进行反射；
第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件布置用于将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锥形外端和内端，以使第二光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；
第二小面，所述第二小面形成在第二光耦合部分的外端处，并且布置用于将光沿所述部分进行反射，第二小面与第一小面垂直重叠；
第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件布置用于将光聚焦至第二小面 上；
公共光导部分，所述公共光导部分与第一光耦合部分和第二光耦合部分的所述内端进行光学通信，并且布置用于将所述辐射经由所述公共光导部分进行传输；
其中，公共光导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。
第一光耦合部分和第二光耦合部分的上表面和公共光导部分存在平面表面。
在本发明的一个实施例中，第一光耦合部分和第二光耦合部分的下表面和公共光导部分存在平面表面。
可选地，至少一个锥形光耦合部分可以具有从接近第一小面的上边缘向下倾斜至第二小面的下边缘的顶面。
优选地，小面的反射表面是平面的，尽管它们可以是凹面的。
可以在第一光耦合部分和第二光耦合部分之间设置低反射指数层，其中该层相对于所述耦合部分中的每个材料有足够低的反射指数以支持来自耦合部分的小面的光在所述耦合部分内的全内反射。
该层可以包括(例如)气隙。
优选地，第一光耦合部分和第二光耦合部分通过低反射指数层而垂直隔开。
在本发明的一个实施例中，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横向地向外延伸。
根据本发明的进一步方面，提供一种太阳能聚光器组件，该太阳能聚光器组件具有外端和内接收端并且包括多个先前描述的类型的太阳能聚光器，其中相邻的太阳能聚光器彼此横向及纵向地偏移，并且其中所述太阳能聚光器中的每个小面与接收端进行光学通信。
用于每个小面中的各个主聚光器元件的构造为平行四边形。
可选地，用于每个小面中的各个主聚光器元件的构造为正方形或矩形。
太阳能聚光器被分组为多个矩形阵列，其中每个所述阵列与相邻的阵 列相偏移。
根据本发明的进一步方面，提供一种太阳能聚光器组件，其包括第一列和第二列如先前描述的太阳能聚光器，其中第一列太阳能聚光器的公共光导部分的端与第二列太阳能聚光器的公共光导部分的端相对排列。
根据本发明的进一步方面，提供一种用于聚集太阳光的装置，其包括：
第一主聚光器元件，第一主聚光器元件将太阳光聚焦至具有大于n1.5的折射指数的透明光学材料中并且聚焦至第一反射小面上的点上，
第二主聚光器元件，第二主聚光器元件邻近并且毗连第一主聚光器元件，将太阳光经由所述光学材料的至少一个表面聚焦至第二反射小面上的点上，两个反射小面均位于不同高度处，
来自两个反射小面的光线，特别是太阳光线，经由相应的耦合元件在相同的总方向上传输，所述耦合元件中的一个或两个在垂直方向上呈锥形，
(借助于精确的几何形状)，来自第一耦合元件的所有光线被操纵以经过第二耦合元件而不产生将导致随后的解耦的相互作用或干涉，
两个反射小面与它们相应的耦合元件一起构成双元件耦合器，
双元件耦合器内的所有面(双元件耦合器的所有面)具有对于期望的聚光率、阵列侧面和角度接受度优化的特定形状、斜率和长度，
沿双元件耦合器的全长度的所有光线被大约平行的侧壁水平地限禁(在通道中)，侧壁被隔开大约为反射小面的宽度的距离，
所有光线接着注入平面光导中，并且通过全内反射传输至那个光导的接收边缘，
平面光导的垂直厚度显著小于两个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。
优选地，主聚光器元件为：凸透镜或平凸透镜或菲涅尔透镜或抛物面反射器或其他点聚焦聚光器。
接收所聚集的光的光学材料的上表面基本上为平面，并且两个耦合元件在垂直方向上呈锥形，它们的下表面从大约相应的反射小面的底边缘处向上倾斜，第二反射小面从第一耦合元件倾斜面的最高边缘向下延伸。
优选地，接收所聚集的光的光学材料的下表面基本上为平面，两个耦合元件在垂直方向上呈锥形，它们的上表面从大约相应的每个反射小面的上边缘处向下倾斜，第二反射小面从第一耦合元件的向下倾斜的面的最低边缘向上(和向远端)延伸。
在一个实施例中，顶表面和底表面均不是平面，并且其中两个耦合元件的顶面中的至少一个以及底面中的至少一个不是水平的。
另外的双元件耦合器可以加入到水平平面中并在远端远离接收边缘，并且每个附加双元件耦合器与前一个纵向偏移，它们相关联的通道形成阶梯状图案(俯视)，来自每个双元件耦合器中的光线被侧壁水平地限禁在所述通道内，直至它们进入光导的平面区域，它们在平面区域与来自其他双元件耦合器的光线混合，每个通道通过气隙或低反射指数材料的膜与光导相邻的平面区域隔开，以防止来自双元件耦合器的光线与平面光导混合，直至所有光线已经过第二耦合元件的锥形部分，其中所述平面光导的面积总体上向接收边缘水平地扩展，光捕获的面积随着通道的数量成比例地增大，但是当横向相邻的主聚光器元件开始影响彼此的空间时，会限制通道的数量。
这些光导的复制品被横向加入，相邻的平面光导通过气腔或低反射指数材料相互横向地隔开，随着横向的光导加入物的数量而成比例地增加阵列面积。
第二对主聚光器元件可以邻近并且毗连第一对主聚光器元件而放置(朝向接收边缘)并且相应的第二双元件耦合器放置在权利要求3所述的光导之下，所述光导先变成平面的，使得这成为第二/下光导层，
两个光导层通过气隙或低反射指数膜彼此隔开，以使来自第二对聚光器元件的聚焦光经由上光导的平面部分传递，与相应的反射小面作用并且被传输至下光导的接收边缘，
两个光导层的组合深度显著小于第一反射小面的高度的两倍，并且最好等于或小于所述高度。
第二对主聚光器元件邻近并且毗连第一对主聚光器元件而放置，并且相应的第二双元件耦合器放置在先前描述的光导之上，在此所述光导先变成平 面的，
下光导层通过气隙或低反射指数膜或双面镜与上光导层隔开，以使光由第二对聚光器元件进行聚焦、与在上光导层中相应的反射小面作用并且被传输至上光导的接收边缘，
两个光导层的组合深度最好大约为第一反射小面的高度的两倍。
可以在相同的阵列中包含两个以上的垂直光导层以生成具有多光导层的阵列。
数个双或多层光导可以并排放置以形成网格图案状的第一阵列，并且完全相同但反像的阵列相对安放以在相反的方向上将光传播至第一阵列，所有接收电池中心对齐，有效地倍增了光捕获的面积。
双或多光导层可以变为接合成正好在最后的双光耦合器的下游的一个平面光导，生成的平面光导具有深度，所述深度大约为光导层的数量乘以第一反射小面的高度的函数。
附加双或多层的双元件耦合器组可以加入到水平平面中并在远端远离接收边缘，并且每个双元件耦合器的附加通道与前一个纵向偏移，俯视时，它们相关联的通道形成阶梯状图案，
光导层变为接合成紧接在每个通道的最后的耦合棱镜的下游的一个平面光导，所述平面光导总体上在接收边缘的方向上水平地扩展，
当横向相邻的主聚光器元件相互影响时，限制相邻通道的数量。
在一个实施例中，这些光导的复制品被横向加入，相邻的平面光导通过气隙或低反射指数材料相互隔开，随着横向的光导加入物的数量而成比例地增加阵列的面积。
可以提供一种如先前所限定的双元件耦合器，其中来自第一耦合元件的光线进入短的平面光导，经过第二耦合元件的下面或上面，并且通过气隙或低反射指数材料而垂直隔开，所有的光线接着进入公共光导并且可在它们到达接收边缘之前进行混合。
在一个实施例中，比例相同但反像的阵列与第一阵列相对安放，总的光传播方向与所述第一阵列的总的光传播方向相对，所有光线会聚在一行中心 对齐的接收电池上，有效地倍增了光捕获的面积。
优选地，反射元件的宽度水平地增加，导向通道的侧壁中的一个从第二反射小面的端开始略微水平地成锥形的，以进一步沿一个轴增加角度接受度。
多结光伏电池放置在光导的接收边缘上以产生电能。
热采收设备可以耦合至光导的接收边缘以从光导中采收热能。
多结光伏电池和热采收设备可以放置在接收边缘上以采收电能和热能。
附图说明
从以下的详细描述中可以理解本发明优选的特征、实施例和变型，该详细描述向本领域技术人员提供了足够的信息以执行该发明。该详细描述不视为以任何方式限定本发明的上述说明内容的范围。该详细描述将参考以下大量附图：
图1A描述了现有技术中的水平台阶状光导。
图1B为现有技术中的水平台阶状光导的俯视图。
图1C为现有技术中的垂直台阶状光导的俯视图。
图1D为根据本发明优选实施例所述的示例性双元件耦合器的侧面。
图2为根据本发明的进一步实施例所述的双元件耦合器的俯视图。
图3为根据本发明的进一步实施例所述的双元件耦合器的侧面。
图4为根据本发明另一个实施例所述的双元件耦合器的侧面。
图5为根据本发明的进一步实施例所述的穿过反射小面并且毗连平面光导的横切面。
图6为根据本发明的进一步实施例所述的光耦合组件的俯视图，其中示出在具有平行四边形形状的透镜的单层阵列上的阶梯状图案。
图7为根据本发明的进一步实施例所述的具有单层光导的模组的侧面，该侧面示出主聚光器透镜层。
图8为根据本发明的进一步实施例所述的两个光导层的侧面。
图9为俯视图，示出了根据来自两个光导层的从第一面积和相对的第 二面积中采集光的并排行的耦合元件的本发明实施例的矩阵。
图10为根据本发明的进一步实施例所述的具有纵向偏移的双元件耦合器的双层阵列的俯视图。
图11为示出根据本发明的进一步实施例所述的反射器和锥形传播通道在双层阵列中的侧向延伸的顶视图。
具体实施方式
现在参考图1，其示出了双元件光耦合器或“光导”的侧视图，双元件光耦合器或“光导”为根据本发明优选实施例所述的用于聚集光的装置。图1中各个标记的部件如下：
1来自第一主聚光器元件的第一光锥
2当阵列离轴时的第一光锥
3来自第二主聚光器元件的第二光锥
4当阵列离轴时的第二光锥
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面。
7第一锥形耦合元件-包括第一光耦合部分
8第二锥形耦合元件-包括第二光耦合部分
9光传输的总方向
10光导的平面区域-包括公共光导部分
11第一耦合元件的向上倾斜的下面
12第二耦合元件的向上倾斜的下面
13来自第一耦合元件无损耗地绕过第二耦合元件并且接着耦合到光导的平面部分中的所有光线
14平面的上表面
15H1第一反射小面的垂直深度
16H2光导的平面区域的深度，其中最好但不是必然的，H2大约与H1相同
61第一光聚集元件
63第二光聚集元件
67H3为第二反射小面的垂直深度。
69“m”为第一小面和第二小面的垂直深度(即高度)的垂直重叠部分。
图1的光耦合器具有一对毗连的透镜，该对毗连的透镜将太阳光聚焦至具有高反射指数的光学材料中并且聚焦至一对反射小面上。
参考图1，其示出了两个相连接的锥形光耦合元件7、8，所述光耦合元件7、8将光线从主聚光器元件注入公共平面光导10。光线在光导内通过全内反射(TIR)传输。来自第一耦合元件7的所有光线经过第二耦合元件9上面而不与第二耦合元件9内的任何倾斜面相互作用。光导平面区域的深度H2约为第一反射元件的垂直高度H1，并且无论如何小于第一小面和第二小面的高度(即“深度”)之和，即H2<H1+H3。应指出的是，第一小面和第二小面的高度H1和H3在垂直方向上的重叠距离m。小面的重叠有助于使聚光器紧凑。进一步地，第一光耦合元件和第二光耦合元件7、8的锥形在它们的外端处更深并且向公共平面区域10会聚，这表示小面5和6可以具有更长的外倾斜面，以使离轴光线2和4的角度接受度大于以别的方式得到的角度接受度。
图2为图1的具有平行的侧壁的双元件耦合器的俯视图，其中一个侧壁将耦合通道与相邻的平面光导隔开。图2中各个标记的部件如下：
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面
7第一锥形耦合元件
8第二锥形耦合元件
9光传输的总方向
21气隙或低反射指数层
34毗连的平面光导
52双元件耦合器的侧壁
56偏转的光线
阻止来自光导的光线到达耦合器的锥形面。提供宽度“w”比它们的长度“l”更长的反射小面5、6，以给出沿倾斜轴的角度接受度的宽范围。
图3示出了进一步的实施例。图3中各个标记的部件如下；
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面
7第一锥形耦合元件
8第二锥形耦合元件
9光传输的总方向
10光导的平面区域
15H1。第一反射小面的垂直深度
27第一耦合元件的向下倾斜面
28第二耦合元件的向下倾斜面
29反射元件和耦合元件的倾斜面之间的短水平面
65平面的下表面
66光导的薄边缘
66光伏电池
图3为双元件耦合器的侧面，其中下表面65是平面的。在反射小面的顶边缘和耦合元件中的一个或两个的向下倾斜面之间可以有大约水平的面29。
所聚集的光线，特别是太阳光，经由两个相关联的在垂直方向上为锥形的耦合元件在相同的总方向上偏转并进入平面光导。光线沿着光导通过TIR进行传输，并且在到达光导的薄边缘(多结光伏电池位于该薄边缘上)之前可以实现水平及垂直紧缩。选择反射器和锥形耦合元件的尺度、形状和斜率以适合期望的聚光率、透镜的焦距比数和角度接受度。
两个反射小面中的每个与它们的两个耦合元件一起构成“双元件耦合器”。
与现有的光导耦合元件相比，这种装置的反射小面为上面的光锥提供大接收面积。借助于双元件耦合器内所有面的精确的几何形状，来自第一耦合 元件的光被操纵以经过第二锥形元件的上面或下面并且具有可以忽略的相互作用(反射或投影或解耦)。两个反射小面在双元件耦合器内的不同高度处的定位是本设计的关键方面。
将沿双元件耦合器移动的光线水平限禁在通道中，该通道具有平行的侧壁，该侧壁延伸双元件耦合器的长度。当组合使用大量双元件耦合器时，阻止来自其他双元件耦合器的光线到达倾斜面(这可能导致那些光线超过临界角并且被解耦)，这在形成二维阵列时是必要的。
重要的是，平面光导的垂直厚度并不显著大于两个反射小面中任一个的高度(图1和图3)。这允许形成薄的光导侧面以及有助于随后的水平聚集。这具有显著的成本优势并且还允许透镜尺寸保持为相同的比例。
图4为根据本发明进一步的实施例所述的双元件耦合器的侧面。图4中各个标记的部件如下：
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面
7第一锥形耦合元件
8第二锥形耦合元件
9光传输的总方向
10光导的平面区域
20平面光导的水平聚集近端带
21气隙或低反射指数层
35光导的接收边缘
56偏转的光线
在本实施例中，来自第一耦合元件的光进入短的平面光导，由于垂直间距而经过第二耦合元件的上面，并且由于气隙21而不与来自所述第二耦合元件的光线混合。接着，所有的光线进入公共光导，在它们到达接收边缘之前它们在公共光导处进行混合。
图5为穿过反射小面(该反射小面在本实施中为凹面)并且邻近平面光导的横切面。图5中各个标记的部件如下：
21气隙或低反射指数层
30凹面的反射小面
31轴上光锥
32离轴(倾斜)光锥
33离轴(偏斜)光锥
34毗连的平面光导
反射小面的宽度可以大于它的深度以允许在倾斜轴中比在偏斜轴中存在更大的角度接受度。相邻的平面光导的宽度随着它接近接收边缘而增加。
有几种可以将先前描述的双元件耦合器包括在具有足够面积的太阳能阵列中以制造高产量模组的方式。
优选的实施例涉及具有在水平方向上包括有双元件耦合器的多通道的单光导层，但这些多通道相互纵向偏移，俯视时呈现阶梯状图案。来自该串通道的所有光耦合进入公共平面光导。这表示光导的长度可以增加至其他光导的长度的至少两倍，其中只是单个注入元件呈水平台阶状。横向布置的这种光导的复制品可以生成如图6所示的大面积阵列。
图6为俯视图，示出了单层阵列上的阶梯状图案，其中传播通道(每个传播通道与它们的双元件耦合器一起)从连续的传播通道中纵向地偏移，但是当光导变成平面时候，来自每个通道的光线在此组合。这些光导的横向复制品被空间或低反射指数材料隔开并且形成大面积阵列。
图6中各个标记的部件如下：
35光导的接收边缘
37水平紧缩(聚集)的光导
38光导的锥形侧壁
39光导的侧壁
44平行四边形透镜形状
45具有侧壁(详细视图如图2所示)的通道，该通道限禁光线直至将光耦合至平面光导中。
由于允许具有相同的低侧面的两倍以上面积的模组，进而将可能的聚 光率增加至两倍以上，故图6中的实施例相对于现有技术提供了巨大优势。可选地，对于可比较的模块面积及聚光率，具有所描述的偏移的双元件耦合器的模组具有更高的角度接受度。
由于最近开发的很多高倍聚光光伏系统(HCPV)跟踪设备的能力不及而不能足够精确地进行跟踪，故角度接受度是最具有商业价值的品质。
图7为图6的模组的侧面视图，示出了利用透镜将光聚焦至单层光导中的主聚光器层，其中三套双元件耦合器以偏移的方式对齐。朝向平面光导的端垂直呈锥形。
图7中各个标记的部件如下：
20平面光导的水平聚集近端带
35光导的接收边缘
46聚光器元件，凸透镜或平凸透镜或菲涅尔透镜或抛物面反射聚光器或类似的点聚焦聚光器
47主聚光器元件的层
48光锥
49气隙或低反射指数透明材料
50偏移的双耦合器的第二耦合元件
51光锥的焦点
现在参考图8，其示出了根据本发明的进一步实施例所述的放置在第一光导层之下并且在第一光导层的下游的第二光导层的侧面。图8中各个标记的部件如下：
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面
7第一锥形耦合元件
8第二锥形耦合元件
9光传输的总方向
18上光导的第一双元件耦合器
19下光导的双元件耦合器
20平面光导的水平聚集近端带
21气隙或低反射指数层
22平面光导的接合区域
23上光导的平面区域
24下光导的平面区域
25下光导的第一反射小面
26下光导的第二反射小面
35光导的接收边缘
71光线
76平坦的上表面
图8的实施例包括平面的上表面76。朝向接收边缘垂直地聚集。通过气隙或低反射指数膜将每个光导层隔开。两个光导层接合以形成一个具有双倍深度的光导。
在图8的实施例中，第二双元件耦合器放置在第一双元件耦合器之下并且与第一双元件耦合器具有相同的方向趋势，通过这种方式，来自上面的光(由光线71表示)可以经过上光导的平面部分并且到达下光导的反射小面。这表示一行四个透镜及两个双元件耦合器沿窄通道注入光线(俯视时)。这种行可以将聚集的光注入窄光导，或者多行四个耦合元件可以并排排列以生成耦合器矩阵，使得可以将来自矩形区域的光全部引导至光导的接收侧并且在到达太阳能电池之前进一步地聚集。
在该装置中，耦合元件上面的透镜与其他透镜在横向上以及在光传播的方向上均对齐，为由四个对齐的透镜以及由如所描述的很多侧向的透镜(如图9所示的潜在数百个)所限定的区域生成网格图案。
图9为矩阵的俯视图，示出了来自两个光导层的从第一面积和相对的第二面积中采集光的并排行的耦合元件的矩阵，即组件。所有的光线到达中心对齐的接收电池。
图9中各个标记的部件如下：
9光传输的总方向
35光导的接收边缘
36正方形或矩形形状的主聚光器元件
40统一对齐的四个反射小面
可选地，为了实现类似于以上概述的装置的结果，第二双元件耦合器可以放置在第一双元件耦合器的下游但在第一双元件耦合器的平面区域之上，但是在这种情况下，阵列的底表面是平坦的。
至于单层阵列，这些双层阵列可以具有与前面的行纵向偏移的双元件耦合器的通道，所有的光均被引导至公共平面光导中。接着，可以将这些光导的复制品横向布置以生成如图10所示的大面积阵列。图10中各个标记的部件如下：
9光传输的总方向
35光导的接收边缘
36正方形或矩形形状的主聚光器元件
37水平紧缩(聚集)的光导
38光导的锥形侧壁
39光导的侧壁
45具有侧壁的通道，该通道限禁光线直至将光耦合至平面光导中。
图10为具有纵向偏移的双元件耦合器的双层阵列的俯视图。提供长通道，该长通道包括四个反射小面(两个双元件耦合器)，四个反射小面将光线注入水平扩展的平面光导。提供附加相邻的平面光导以增加阵列面积。水平紧缩接近接收边缘的光。
图10中示出的布置，就聚光率、角度接受度和模组尺寸而言是最优选的，但制作过程更具挑战性。
另一个实施例具有在其他光导之下的附加的光导的复制品，每个具有它们自己的形成多层阵列的双光耦合器。主聚光器(合适的平凸透镜、凸透镜或菲涅尔透镜)的尺寸可以随着光导层数量的增长而适当地增加。
在所有的双或多层版本中，下光导通过气隙或低反射指数(RI)材料层与上光导隔开。根据制造偏好，光导层可以紧接在每个导向通道的最后的耦 合元件的下游处或者更靠近接收边缘处接合在一起。
在使用多结PV电池的版本中，所述电池将具有薄的、横向伸展的、矩形侧面，并且电池间具有间距。如图9所示，这可以允许相对的阵列采集器在相对的方向上从第二区域对光进行引导，以使一行矩形接收电池延伸至所期望的长度，该相对的阵列使面积倍增。与点聚焦聚光器相比，又长又窄的接收电池还可增强散热性。
可选地或另外地，接收边缘可以包括热采收设备，以便可以产生热能。
反射小面可以具有镜面表面，或可选地，它们的表面可以为高反射指数材料的抛光表面，耦合元件和光导由该高反射指数材料制造。在这种情况下，反射小面的角度必须能够支持全内反射。此外，反射小面的斜率非常关键，它们还可以具有稍微凹面的形状(如图2和图6示出的向外弯曲的弧)，以使当阵列偏离轴时，进入光导的入射光线角保持可操作的角度范围，并且来自第一耦合元件的光线总是无障碍地经过第二耦合元件之上或之下。
主聚光器的形状可以是正方形、矩形或六边形，但是优选还是考虑平行四边形形状(如图6所示)，这表示毗连的边缘连续地排列。这更易于制造并且使用向上弯曲的凸透镜，存留的灰尘更少并且表面更易于清洗。在一些实施例中，主聚光器层将具有平坦的上表面，这会降低灰尘粘附力和反射损耗。可以使用模制玻璃或光学级塑料或类似的高反射指数(n＝1.5或更高)材料制造透镜和波导。
阵列的尺寸依赖于期望的模组侧面。侧面高度越低，制造模组(将其安装在跟踪设备上)的成本就越低。但是，侧面高度与潜在的阵列长度和宽度相关，因此在紧凑的模组侧面及其潜在面积之间存在一种权衡关系。更高的侧面可以包括更高的透镜焦距比数(更尖的光锥)以及因此而获得的更优的聚光率，但是会减小角度接受度。庞大的高模组不利于安装和运输。
本发明的实施例提供具有高聚光率和/或非常高的角度接受度的低侧面、大面积模组的特定组合。
该聚光器的阵列的尺寸可以为200mm至800mm，阵列宽度(参考光行进穿过阵列的水平距离)为所期待的长度。当将附加阵列相对第一阵列而放置 (光线在相对的方向上传播以在多结电池的中心线处接收所有的光)时，该模组的宽度和长度可以高达1600mm及超过2000mm。模组长度可以根据用户偏好定制。
模组侧面的厚度可以低至10mm(微型透镜所使用的)，高达120mm(主聚光器层和光导层通过大的气隙隔开)。平面光导自身可以为0.4mm至5mm厚。
该装置具有大大超过500至1的潜在聚光率，并且具有沿一个轴(太阳仰角)的正负2至7度以及沿(另一个)偏斜轴的正负2至3度的可能的接收角。这显著高于现有的高倍聚光光伏系统(HCPV)。
很多双轴跟踪系统可以高度准确地沿着一个轴(通常为方位角)，但是沿另一个轴的情况就稍差。因此，该HCPV聚光器对于这种跟踪设备是极为优越的。图11示出了本发明的进一步实施例，其中仰角轴的接受角通过水平延伸反射小面而进一步增加。
图11中各个标记的部件如下：
5第一反射小面，平面或凹面，抛光或镜面表面。
6第二反射小面
9光传输的总方向
21气隙或低反射指数层
25下光导的第一反射小面
26下光导的第二反射小面
41上光导的纵向偏移的双元件耦合器的双元件耦合器的反射小面
42下光导的纵向偏移的双元件耦合器的双元件耦合器的反射小面
43光导通道的锥形侧壁
图11为俯视图，示出了反射器和锥形传播通道在双层阵列上的侧向延伸。在该视图中比例被放大。在该实施例中，光传播通道从每个双光耦合器的第二反射小面稍微地横向成锥形。这也很好地适合于单轴方位角跟踪器，单轴方位角跟踪器具有递增调节它们的倾斜的能力。这特别适合于在本发明人的已授权的澳大利亚专利(编号2011244918)中描述的跟踪系统。
本发明的实施例提供一种能够产生高度聚集的光并且对于跟踪不精 确性具有高容限的装置。该聚集的光被异常均匀地且几乎无损耗地传送至高效的多结电池，该多结电池全部处在薄的易于制造的大面积太阳能阵列上。
根据法规，已经通过语言或多或少地针对结构或方法特征对本发明进行了描述。术语“包括”及其变型，例如“包括”以及“由…组成”始终具有包含的意义，但并不排除任何另外的特征。
应理解的是，由于本文所描述的装置包括将本发明付诸实践的优选形式，故本发明不限于示出或描述的具体特征。
因此，针对本领域技术人员适当理解的所附权利要求书的适当范围内的任何形式或修改来要求本发明的权利。
除非文中另有要求，贯穿说明书和权利要求书(如果存在)的术语“基本上”或“大约”应理解为不限于该术语所限定的范围值。术语“水平地”和“垂直地”用于当阵列在与平坦的地表面平行或成直角时来描述方向。术语“横向的”或“横向地”表示“除了”在水平面中，还通常在平行于接收边缘的线上或方向上。术语“相邻”也涉及水平面。“上”和“下”也与平坦的地面有关。术语“下游”表示靠近接收电池，通常垂直地接近。
本发明的任何实施例仅是说明性的而不会限定本发明。
因此，应了解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对描述的任何实施例做出各种其他的改变和修改。
贯穿本说明书的描述和权利要求书，单数形式(的词)包括复数，除非文中另有要求。特别地，使用不定冠词的，说明书应理解为考虑多数和单数，除非文中另有要求。
结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特征、整数或特性，应理解为适用于本文描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其相抵触。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种太阳能聚光器，包括透明的光学材料，所述光学材料包括：
第一光耦合部分，所述第一光耦合部分具有锥形外端和内端，以使所述第一光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；
第一小面，所述第一小面形成在所述外端处，并且布置用于将光沿所述第一光耦合部分进行反射；
第一主聚光器元件，所述第一主聚光器元件布置用于将光聚焦至所述第一小面上；
第二光耦合部分，所述第二光耦合部分具有锥形外端和内端，以使所述第二光耦合部分从所述外端向所述内端会聚；
第二小面，所述第二小面形成在所述第二光耦合部分的外端处，并且布置用于将光沿所述部分进行反射，所述第二小面与所述第一小面垂直重叠；
第二主聚光器元件，所述第二主聚光器元件布置用于将光聚焦至所述第二小面上；
公共光导部分，所述公共光导部分与所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的所述内端进行光学通信，并且布置用于将所述辐射经由所述公共光导部分进行传输；
其中所述公共光导部分的最大垂直厚度小于所述第一小面和所述第二小面的高度之和。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的上表面和所述公共光导部分存在平面表面。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分的下表面和所述公共光导部分存在平面表面。
4.根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中至少一个锥形光耦合部分具有从所述第一小面的下边缘向上倾斜至所述第二小面的上边缘的下面。
5.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能聚光器，其中至少一个锥形光耦合部分具有从接近所述第一小面的上边缘向下倾斜至所述第二小面的下边缘的上面。
6.根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中所述小面的反射表面是平面的。
7.根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，其中所述小面的反射表面是凹面的。
8.根据上述任一项权利要求所述的太阳能聚光器，包括在第一光耦合部分和第二光耦合部分之间的低反射指数层，其中所述层相对于所述每个耦合部分的材料有足够低的反射指数，以支持来自所述耦合部分的小面的光在所述耦合部分内的全内反射。
9.根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述层包括气隙。
10.根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分和所述第二光耦合部分通过所述低反射指数层而垂直隔开。
11.根据权利要求8所述的太阳能聚光器，其中所述第一光耦合部分位于低于所述第二光耦合部分的位置，并且其中所述第一光耦合部分的小面在所述第二光耦合部分之下横向地向外延伸。
12.一种太阳能聚光器组件，所述太阳能聚光器组件具有外端和内接收端并且包括多个根据权利要求1-11任一项所述的太阳能聚光器，其中相邻的太阳能聚光器彼此横向及纵向偏移，并且其中所述每个太阳能聚光器的小面与所述组件的接收端进行光学通信。
13.根据权利要求12所述的太阳能聚光器组件，其中用于每个小面的各个太阳能聚光器的构造为平行四边形。
14.根据权利要求12所述的太阳能聚光器组件，其中用于每个小面的各个太阳能聚光器的构造为正方形或矩形。
15.根据权利要求14所述的太阳能聚光器组件，其中所述太阳能聚光器被分组为多个矩形阵列，其中每个所述阵列与相邻的阵列相偏移。
16.一种太阳能聚光器组件，包括第一列和第二列根据权利要求1-11任一项所述的太阳能聚光器，其中所述第一列太阳能聚光器的公共光导部分的端与所述第二列太阳能聚光器的公共光导部分的端相对。