[发明专利]光采集和聚集系统

说明书

相关申请数据

本申请要求美国系列号12/389466和国际申请PCT//US09/34630的优先权，这两者都于2009年2月20日提交，其本身要求在西班牙专利商标局于2008年11月12日提交的西班牙优先权申请号P20083237的优先权。

政府资助

不适用。

背景

1.发明领域

本发明的实施方式通常关于光采集和聚集系统。更具体地，本发明的实施方式贯注于太阳辐射采集和聚集系统及其部件；用于光采集、传输和聚集的方法；及所述太阳辐射采集和聚集系统及其部件的应用；且更具体地，贯注于太阳能聚集光伏(CPV)系统。

2.背景技术

从20世纪到现在，已提出和开发了无数太阳能系统和组成这些系统的部件。尽管有这个长期的努力和对其投入的大量的资源，但是目前可用的太阳能系统在成本和效率方面与用于商业和居住环境的能量产生的替代形式并没有竞争力。

图1是示意性示出一般的传统太阳光伏系统的截面图。太阳辐射1入射到集光器2例如透镜上。透镜将所采集的光聚集(聚焦)到能够将所采集的能量传输到光伏(PV)电池8的有源次级部件31中。如图1所示，该系统包括三个单元的线性阵列，每个单元包括透镜、次级部件和PV电池。

太阳能采集系统的一个众所周知的设计目标是单元尺寸减小而效率增大。即，如果太阳能系统相对地薄、紧凑、容易部署、易于维修及成本有效，则太阳能系统可在商业上受益。如图1所示，在每个光采集透镜和PV电池之间有一一对应性。

图2以与图1类似的方式示出了该系统的更紧凑的设计。图1中的每个采集透镜2被两个直径较小的采集透镜2₁和2₂代替，这两个直径较小的采集透镜共同采集与图1中的单个较大的透镜2相同的光通量。虽然在图2中部署的系统比图1的系统薄，但尺寸减小的代价是有源部件31₁、31₂和PV电池8₁、8₂的数量变为两倍。类似地，如果透镜部件2被分为4个较小的透镜，则有源部件和PV电池的数量将增大4倍，依此类推。随之产生的部件数量的增大升高了系统成本和潜在的系统故障率。

考虑到太阳能领域的这些及其他已知的挑战，发明人认识到更薄、更紧凑、更高效、更可靠、价格更低及以其它方式在当前技术水平上改进的太阳能系统和相关部件的利益和优势。

概述

本发明的一个实施方式贯注于光采集和聚集系统。该系统包括主聚光器、单光传输结构及光引导结构。该系统可包括次级聚光器。该系统可还包括与每个单元-系统相关的PV电池，所述每个单元-系统包括多个主聚光器及相应的多个光引导结构、单光传输结构及可选地，次级聚光器。

例证地，太阳辐射以垂直入射被聚焦到薄的片型波导传输结构的大面积表面上。光引导结构在所述传输结构处或内拦截所聚焦的光并通常使其横向偏转以沿着所述传输结构的平面长度传播。可提供次级聚光器以聚集从所述波导的出射端耦合出的光，该光进入PV电池或将该光引导到PV电池的结构。

根据非限制的、可选的方面，主聚光器可为可采集入射的太阳辐射并将该入射辐射聚集到较小的区域中的各种已知元件的任何一种。折射元件(例如，透镜)、反射元件(例如，反射镜)和衍射元件(例如，光栅、全息图)是可使用的主聚光器的非限制性实例。根据各种非限制方面，单个主聚光器可采取传统的聚焦透镜、菲涅尔透镜、直圆柱透镜、曲圆柱透镜(例如，全环或其弧段)、抛物面反射镜(或其段)的形式及本领域已知的其他形式。因此，单元-系统可包括但不限于以间隔开的非重叠透镜阵列(例如，方形、六角形、三角形、其他的阵列形状)的形式的主聚光器部分、直圆柱透镜型的聚光片、及圆(或其弧段)-环形圆柱透镜型聚光片。

与单元-系统相关的单光传输结构是薄片波导的形式；即，具有比该结构的一般长度L小得多的厚度T；因此具有由T/L限定的低纵横比。该结构将以上(顶)表面和下(底)表面为界限，所述上(顶)表面和下(底)表面限定所述结构内的较高的折射率和结构外的较低的折射率之间的边界，以便便于光沿着所述结构的内部的长度经由本领域内已知的全内反射(TIR)进行传播。该结构将具有一端(以下称为出射端)，光从该端传播出传输结构。根据各个非限制方面，该结构的内部可包含适于在有或没有散射和/或镜面反射的情况下通过TIR在其内传播光的固体、液体、或气体材料。