[发明专利]用于光学聚光器的混合式主光学部件

说明书

优先权要求

根据美国35 U.S.C.§119(e)，本非临时专利申请要求Hines等人于2006年1月17日提交的标题为A HYBRID PRIMARY OPTICALCOMPONENT FOR OPTICAL CONCENTRATORS(用于光学聚光器的混合式主光学部件)的美国临时专利申请60/759,909的优先权，其中，所述临时专利申请全部以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及应用于光学聚光系统的光学配置，该光学聚光系统为例如将入射光接收并聚集到(一个或多个)目标的线式或点式太阳能收集器。该目标可以是诸如光生伏打(太阳能)电池之类的设备。

背景技术

诸如太阳能收集器之类的光学聚光系统将光向该光学系统的焦点聚集。通常，有两种聚光器。线式聚光器使入射光在一个维度上聚集，因此焦点为一条线。点式聚光器使入射光在两个维度上聚集，因此焦点为一个点。

聚光器可以包括一个或多个光学部件，以使入射光聚集。某些系统具有单独一个聚光光学部件，称为主光学装置，其将由该光学装置收集并聚焦的光线直接聚集到期望的目标(这可以是诸如光生伏打电池之类的装置)上。更复杂的聚光器可以既包括主光学装置又包括辅助光学装置，以便提供进一步地收集和聚光的能力或者提高在目标处的光束均匀性。

用于光学聚光器的主光学装置通常包括折射部件或反射部件。最普遍采用的折射部件是如在O’Neill的美国专利No.4,069,812中的菲涅耳透镜，而常用的反射部件是抛物面反射器。对于折射部件，由于对于给定的孔径菲涅耳透镜更薄，因此菲涅耳透镜通常优于标准透镜。因此，在不需要标准透镜所需的那么多透镜材料的情况下，菲涅耳透镜允许大的收集孔径(collecting aperture)。用于这些聚光器的系统孔径由菲涅耳透镜的孔径限定。图2图示具有光轴24的典型的菲涅耳透镜聚光器，示出将光线20折向期望的焦点的菲涅耳透镜18。

然而，常规上使用的大的、高质量的菲涅耳透镜对于中等规模的应用例如商业屋顶系统来说价格过于昂贵。另外，与标准透镜或反射溶液相比，在菲涅耳透镜上呈现的表面不连续性会导致其有损耗(即，由于某些期望聚焦的光反而被吸收和/或从焦点导出)。常规上使用的菲涅耳聚光器的另一个缺点是其不适合于需要自供电的某些铰接聚光器(articulating concentrator)。当聚光器的光轴与太阳没有排列成直线从而依赖于来自天空的漫射辐射时，这样的设备要求发电的装置。不幸的是，常规的菲涅耳聚光器为照射位于透镜焦点处的太阳能电池的漫射辐射提供可忽略的路径，因此在没有与太阳排列成直线时，该菲涅耳聚光器通常不能产生足够的电能以铰接其自身。

已知反射主体包括根据Winston的美国专利No.4,003,638的复合抛物面聚光器(CPC)以及各种抛物面或近似抛物面的槽或盘。CPC在焦平面处提供较好的光束均匀性。槽和盘是CPC的两种主要类型。槽和盘可以具有底焦点(bottom focus)，其中光学目标例如太阳能电池面向上。即使当反射器没有直接瞄准漫射光的光源时，具有底焦点的槽和盘也可以收集漫射光并使其聚集。这使得它们适合收集用于自供电的漫射光。槽和盘也可以具有反焦点(inverted focus)，其中光学目标例如太阳能电池面向下，经常悬挂在反射器之上。

但是，由于高聚光率往往要求CPC具有大的高/宽比，所以包括CPC的多个铰接聚光器的封装密度可以是受限制的。例如，本申请的图3示意性地示出在一维中具有10倍的几何聚光率的典型的底焦点型CPC 28。入射光线30被聚集到点式聚光器宽度为1的焦平面26上。CPC 28的点式聚光器高度为17.8，导致高/宽比为1.78。