專利名稱：非成像散射光聚集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是輻射能阱。其涉及太陽能領(lǐng)域，更具體地，涉及被組合的電和熱轉(zhuǎn)換及散射光聚集太陽能收集器。
背景技術(shù)：
例如全球變暖、環(huán)境惡化、增加能源成本、石油危機(jī)及全球沖突等與使用化石燃料相關(guān)的問題已經(jīng)產(chǎn)生了對于基于經(jīng)濟(jì)的太陽能的需要。在能夠達(dá)到該目標(biāo)之前可能需要在成本上有竟?fàn)幜Φ奶柲墚a(chǎn)品。平板太陽能電子(光伏電
池(PVcell))收集器相對昂貴。有效利用太陽能的嘗試包括僅在直接的陽光中工作的聚集拋物反射器。甚至，薄霧或煙霧減少了所收集的直接的陽光。為了減少陽光照射區(qū)域，關(guān)鍵的反射器形狀、支撐結(jié)構(gòu)、陽光追蹤性能及傳輸損耗導(dǎo)致了極大的成本。平板光伏電池收集器易于構(gòu)造，能夠固定并且半球地收集周圍的輻射能量，然而，由于散射僅有的光，它們較低效率地工作。
將平板的最佳方面和拋物聚集器進(jìn)行結(jié)合的嘗試包括復(fù)合拋物聚集器(CPC)。 CPC使用反射器來經(jīng)過有限制的接受角(AOA)根據(jù)理想的2-D關(guān)系聚集(CR)并收集周圍的光，CR=l/sin (—半AOA)。 CPC反射器在高度上通常被截短，具有減少的CR并收集AOA之外的某些光。CPC變型體有時使用透明的折射器。這些類型的收集器被更普遍地稱為輻射能阱。設(shè)計(jì)方案包括由Eshelman、Knowles、 Winston、 Gill、Vasylyev、 Isofoton S.A.及Sci Tech U.S.A.進(jìn)行的這些設(shè)計(jì)方案以及歐洲專利EP0070747和DE3233081。在由來自theUniversity of New South ^Vales的Kapany、 Johnson、 Wlnston、 Lee、 Cherney、Fereidooni、 Chen進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案及Bowden的設(shè)計(jì)方案中使用折射器。現(xiàn)有技術(shù)的主要問題是它們遭受著相對小的AOA,或特別低的散射光CR-AOA組合。關(guān)于作為反射器曲面的長度(RL)或高度(H)描述的折射器尺寸或反射器區(qū)域的孔徑(A)的相對尺寸，如分別是RL/A和H/A的比率，材料和制造成本通常太高。與本發(fā)明相比，例如在Steigerwald的專利存DE10059555 Al、
7Puall的專利申請#20050081909、 Lichy的專利申請#20060072222、 Bowden的 論文、Murtha的專利#6021007和#6619282中的3-D聚光器也遭受了 AOA的 小的CR或過度高的光學(xué)成本。
太陽能的其它問題也需要被解決。所安裝的系統(tǒng)投資回收期太長而不能被 普遍接受。在季節(jié)性氣候中，對大部分建筑物提供熱和電需要將要求過度大的 無遮蔽的太陽能收集器區(qū)域。在熱的陽光下PV電池效率降低。甚至，冷卻的 電池消耗大約80%的到達(dá)這些電池上的輻射能?；旌鲜占鹘Y(jié)合了電和熱功 能。i口在Mlausky禾口 Winston的專利#4045246、 Damsker的專利#4395582、 Goldman的專利#4427838、 Australian National University的"CHAPS"項(xiàng)目、 由瑞典的Uppsala University的Brogren進(jìn)行的CPC設(shè)計(jì)方案、Puall的專利申 請#20050081909、 Johnson的專利#6080927或Nicoletti的專利#7173179中，已 經(jīng)嘗試了許多混合系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)方案相對于本發(fā)明具有用于CR的小的 AOA、差的能量利用、需要陽光追蹤，或設(shè)計(jì)方案成本過高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是輻射能阱。其包括被設(shè)置以通過從至少 一個反射器反射出的輻射 能來入射的。定形并設(shè)置折射器以將輻射能引導(dǎo)到接收器。折射器實(shí)質(zhì)上具有 棱柱形。接收器通過界面與折射器連接。本發(fā)明是散射及直接輻射能聚集器， 其可以具有相當(dāng)于平板收集器中的、周圍輻射能的固體的接收角(AOA)。在 保持散射光的相對高的聚光率(CR)的同時取得AOA ,極大地減小了接收 器的大小。折射器可以使用不同折射率的材料(I-of-R)并利用全內(nèi)反射(TIR )。 折射器可以是固體的或復(fù)合的嵌套層。折射層可以增加聚光率并減少熱損耗。 內(nèi)部流體折射層可以是通過本發(fā)明流動的傳熱流體。折射器可以是對稱的或非 對稱的，具有透明的或某些反射表面。接收器可以具有例如熱接收器、檢測器 或換能器等的功能。接收器可以具有平的相對表面以支持雙面光電(PV)電
收集器幾何結(jié)構(gòu)允許高的光和熱效率。本發(fā)明可以具有相對的小的輪廓、小的 RL/A并且是更高的CR3-D聚集器，不減少AOA或收集器陣列組裝密度。所 安裝的系統(tǒng)的投資回收期被減少到最小。不同的實(shí)施例允許成本效果的最佳 化。本發(fā)明可以代替固定的平板太陽能聚集器、某些拋物線聚集器，或者本發(fā)
8明可以是增加了基本CR或筒化了追蹤需求的次級聚集器。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
圖2a到d是折射器的對稱實(shí)施例的截面圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
圖4是圖3的透視圖。
圖5是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
圖6是使用圖2d中的折射器的本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。 圖7a、 b和c是折射器的非對稱實(shí)施例的截面圖。 圖8是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。 圖9是圖8的透視圖。 圖IO是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。 圖11是本發(fā)明的實(shí)施例的透視圖。 圖12是圖8中的截面圖的兩個視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是輻射能阱。其包括被定位以通過在至少 一個反射器上反射出的輻 射能來進(jìn)行入射的折射器。該折射器被定形和定位以將輻射能指引到接收器。 折射器實(shí)質(zhì)上包括棱柱形。接收器與折射器連接接口。反射器可以由某些材料 構(gòu)成，這些材料例如是由適合的方法形成的前面鍍銀的或鋁化的金屬片，或背 面鍍銀的或鋁化丙烯酸樹脂或適應(yīng)陽光的透明塑料。折射器可以具有單一的折 射率(I-of-R)或者是例如玻璃、丙烯酸樹脂、或內(nèi)部流體介質(zhì)等I-of-R介質(zhì) 的合成物。在附圖中使用兩個標(biāo)稱I-of-R值，n()=。附圖包括對稱和不對稱 的實(shí)施例，通過對本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的反射器的修整，這些實(shí)施例維持相空 間(phase space )和TIR。在附圖中，接收器有兩面并且接收器作為整個或以 多個部分處于折射器內(nèi)。接收器例如是選擇性地涂敷的板、檢測器、換能器或 雙面PV電池。附圖中示出雙面接收器。PV電池可以與通過收集器抽出的換 熱流體進(jìn)行熱接觸，以形成混合太陽能收集器。折射流體部分例如是水、鹽水、 防凍液。折射器層可以增強(qiáng)熱隔離、改變吸收/反射特性并增強(qiáng)光捕獲和聚集。 可以通過傳統(tǒng)的手段來形成并獲得反射器和透明的折射器部件，并且反射器和
9包括透明的蓋板、蓋、框架、管路(plumbing)、電氣線路、適合的熱隔離及 輔助元件。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的橫截面圖。在邊緣上看到接收器1,接收器1作 為固體的、透明的、"鉆石"形并導(dǎo)向的對稱的側(cè)的折射器2內(nèi)的對角線。折 射器2被設(shè)置在對稱的相鄰反射器3的彎曲部分內(nèi)。反射器3的每個對稱的一 半由包括內(nèi)部的較小半徑部分3a和外部的較大半徑部分3b的兩個鄰接的圓弧 部分3a和3b組成。反射器在產(chǎn)生整體上半圓曲線的相應(yīng)的點(diǎn)4上具有末端。 在圖1中，較小的半徑圓形彎曲、反射器部分3a開始于折射器2的底端中心 6上的中心線邊緣點(diǎn)5。折射器的底端中心6具有相應(yīng)的最近側(cè)拐角7,每一 個拐角7是每一個較小的圓形彎曲反射器部分3a的相應(yīng)半徑的中心。較小的 圓形彎曲反射器部分3a終止于彎曲點(diǎn)3ab的改變位置，該位置與折射器2的 相應(yīng)上部側(cè)8成一直線。折射器2的頂點(diǎn)9是開始于彎曲改變點(diǎn)3ab的相應(yīng)的 較大半徑圓形彎曲反射器部分3b的中心。較大半徑反射器部分3b的相應(yīng)末端 4與折射器的頂點(diǎn)9成一直線。固體折射器2可以被看作具有接收器1作為底 部并且兩個相應(yīng)的側(cè)面8作為折射器2的三角形半部分的一對鄰接的相對的三 角棱柱。底部和每一個側(cè)面形成側(cè)面到底部的角33 (SBA)。
圖2a到d是折射器的多個對稱實(shí)施例的橫截面圖。圖1中的折射器實(shí)施 例位于圖2a中。在圖2a中，關(guān)鍵的側(cè)面到底部的角(SBA) 33允許TIR，如 由邊緣光線43表示所指示的，示出邊緣光線43進(jìn)入折射器2并走向(striking ) 接收器l。圖2b是復(fù)合折射器，具有透明的外部的固體折射器部分2a和內(nèi)部 的、透明的對稱鉆石形的、較低的I-of-R的折射器部分2b。內(nèi)部的折射器部 分2b具有內(nèi)部的側(cè)面到底部的角63 (ISBA)。對于給定的I-of-R， TIR需要 一對角， 一個角不大于SBA, —個角不小于SBA。比關(guān)鍵的最小角大更大的 ISBA不會使得折射器的外部的固體折射器區(qū)域2a最小化。在圖2b中，對于 給定的ISBA 63的最小值，SBA 53對向(subtend )用于TIR的關(guān)鍵最大值。 在圖2b中，每一個折射器部分2a和2b具有相同的截面面積。示出邊緣光線 73a的表示進(jìn)入折射器部分2a,被折射并最終走向接收器1。第二線73b示出 至接收器1的另一折射路徑。在圖2c中，對稱折射器的SBA83被減小到大約43° ,相應(yīng)的關(guān)鍵的ISBA 93約為50° ,這成比例地導(dǎo)致用于維持TIR的大約20%的外部的固體材料 2aa (例如玻璃或丙烯酸樹脂)以及80%的內(nèi)部折射介質(zhì)2b (例如水)，以及 將如由邊緣線103所表示的所選擇的SBA83使用的玻璃或丙烯酸樹脂消耗最 小化。
在圖2d中，外部的折射器2ab包圍內(nèi)部流體折射器部分2b。所有SBA 113 和ISBA123對向相同大小的角，大約41.4° 。這是如由邊緣線133所表示的、 用于維持TIR的、圍繞標(biāo)稱n=1.33的流體(例如水)的標(biāo)稱n=1.5的材料(例 如玻璃格或丙烯酸樹脂片等)的平行表面的最大角。具有玻璃的合理厚度的外 部折射器2ab的"玻璃塊"具有與圖2c中的類似的20%到80%的截面比例， 并且大概比玻璃楔費(fèi)用更少。
圖3是具有"正方形"定向的、使用圖2b中的折射器的本發(fā)明的實(shí)施例 的橫截面圖。在邊緣上看到接收器l,接收器l作為透明的、正方形周界的折 射器2的對角線。折射器2被對稱地嵌在整體上半圓對稱的相鄰的反射器3 內(nèi)。反射器3的每一個對稱的半個部分由較小3a和較大3b半徑的兩個鄰接的 圓弧部分組成。在彎曲點(diǎn)3ab改變的位置上發(fā)生半徑改變。在圖3中，相鄰折 射器3的相應(yīng)的較小半徑圓形彎曲部分3a開始于折射器2的底端中心61上的 中心線邊緣5。折射器2的相應(yīng)的底端拐角71是較小半徑的圓形彎曲部分3a 的中心。在彎曲點(diǎn)3ab中改變處，反射器的彎曲從較小半徑改變到較大半徑， 彎曲點(diǎn)3ab與折射器2的相應(yīng)側(cè)面81成一直線。相應(yīng)的較大半徑的圓形彎曲 反射器部分3b的中心是折射器2的相應(yīng)的頂部拐角10。較大半徑的圓形彎曲 反射器3b的相應(yīng)的末端4與折射器2的頂部拐角10形成為虛線的直徑11。
圖4是圖3的縱向的槽形收集器的透視圖，具有在與反射器3相鄰的透明 的復(fù)合折射器2a和b內(nèi)對角定位的接收器1。橫向平面的反射器端蓋41終止 反射器3和折射器2。反射器直徑11相應(yīng)于反射器端蓋41的頂部邊緣。蓋折 射器流體端口 62通過反射器端蓋41退出。來自由雙面PV電池構(gòu)成的接收器 的電氣配線72可以通過平面的反射器端蓋41中的孔在希望的位置上露出。從 反射器3的頂部末端4上延伸的點(diǎn)線82表示圖3的橫截面的平面。分別作為 相鄰的反射器3和反射器端蓋41的周界的頂部邊緣線4和11描繪出本實(shí)施例的孔徑。
本實(shí)施例具有沖黃向180度、縱向180度的AOA,具有大約3的CR。高 度H、孔徑A的比率H/A大約為0.38,反射器彎曲長度RL與A的比率RL/A 大約是1.5。光效率能夠最高達(dá)到大約0.95。具有50%的被截短了的反射器、 具有大約為2.7的CR的類似于Winston的專利#4002499和Gill的專利 #4561424的傳統(tǒng)的CPC具有僅僅大約38°的AOA。它們具有比圖3中的兩 倍還大的大約0.88的H/A比率，大約2.5的RL/A比率(更多的反射器)，并 且它們需要關(guān)鍵的反射器調(diào)準(zhǔn)。更直接的H/A、 RL/A對比來自Winston的專 利專利#5971551和#6244264,其僅具有55。的AOA和1.45的CR，比圖3 中的一般還少?；诳讖酱笮?，Lee的專利#5699201、 Cherney的專利#6700054 及Fereidooni的專利#66700054是具有相對小的AOA-CR組合的相對厚重、單 一、球形或平的表面、被截短的V槽形折射器。在Fereidooni的專利#6700054 中光穿越多個反射邊界，降低了光效率。
圖5是具有在反射器中嵌入的圖2c中的折射器的本發(fā)明的實(shí)施例的截面 圖。相鄰反射器3的每一個對稱的半個部分具有三個鄰接的部分，三個鄰接的 部分由最內(nèi)部的較小半徑的圓形彎曲部分3a、第二較大半徑的圓形彎曲部分 3b和第三拋物線彎曲部分3c構(gòu)成。較小半徑的圓形彎曲反射器部分3a開始 于折射器2的底端6上的中心線5。由外部折射區(qū)域2aa和內(nèi)部折射區(qū)域2b 構(gòu)成的折射器2的相應(yīng)側(cè)拐角7是較小半徑的圓形彎曲反射器部分3a的中心。 較小半徑的圓形彎曲反射器部分3a終止于彎曲點(diǎn)3ab的改變位置，該位置與 折射器2的相應(yīng)上部側(cè)8成一直線。折射器頂點(diǎn)9是相應(yīng)的較大半徑的圓形彎 曲反射器部分3b的中心。相應(yīng)的較大半徑的圓形彎曲反射器部分終止于彎曲 點(diǎn)3bc的第二改變位置，該位置與橫向AOA ]3的虛線側(cè)12成一直線。虛線 側(cè)12在折射器頂部9處交叉，頂部9是相應(yīng)的拋物線彎曲反射器部分3c的中 心。虛線側(cè)12延伸以與各個拋物線彎曲反射器部分3c的相應(yīng)末端4相交。較 小的130。的AOA13造成更高的CR。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。反射器3具有橫向83。的AOA13。折 射器2來自圖2d并且折射器2被嵌入在對稱的反射器3內(nèi)。接收器1垂直， 并且與反射器中心線邊緣5成一直線，反射器中心線邊緣5與折射器底端6
12連接。透明的折射器2由外部固體部分2ab和大約是折射器2截面的80%的 內(nèi)部流體部分2b構(gòu)成。橫向AOA 13對向由接收器1 一分為二的折射器2的 相鄰側(cè)的角。相鄰反射器3由以相應(yīng)的折射器側(cè)拐角7作為中心的對稱的一對 內(nèi)部圓形彎曲部分3a和以折射器頂部9作為中心的外部相應(yīng)的鄰接的一對對 稱拋物線彎曲部分3c構(gòu)成。橫向AOA13的各個虛線或側(cè)12與彎曲點(diǎn)3ac的 相應(yīng)的改變位置相交。對稱的拋物線彎曲反射器部分3c不是完整的拋物線， 而是被截短的拋物線。對稱的反射器末端4勾劃出截面孔徑A。CR是大約3.75。 通過橫向"視角"大約為140°的反射器截?cái)嗍占硗獾纳⑸涔狻?br>
圖7a、 b和c是折射器的非對稱實(shí)施例的橫向視圖。圖7a和b是圖2d中 的折射器的非對稱實(shí)施例。在圖7a和7b中，在固體折射器的相應(yīng)末端44上，， 固體透明的"玻璃格"折射器部分2ab與各個次級的、大體上半圓形的凹的鏡 面反射器34或341有效地連續(xù)。外部固體透明折射器部分2ab和次級的反射 器部分34或341包圍內(nèi)部透明的流體折射器部分2b.
在圖7a中，有效連續(xù)的次級反射器34由具有中心線邊緣點(diǎn)34ab的對稱 的一對半圓形反射器部分34ab和34b構(gòu)成。接收器1處于沿著折射器末端44 的線的中部。接收器1的相應(yīng)的接收器末端la和lb是每一個半圓形彎曲反射 器部分34a和b的各自的中心。示出進(jìn)入折射器27并終止于接收器1的邊緣 線54。
圖7b與圖7a類似，但是具有透明的、對稱的、鉆石形次級復(fù)合折射器部 分2c和2d。主要的流體折射器部分2b圍繞次級固體折射器部分2c,次級固 體折射器部分2c反過來包圍著次級流體折射器部分2d。次級固體折射器部分 2c包圍著接收器1。次級折射器頂部尖端15與次級反射器末端44成一直線。 對稱的次級反射器341的每一半具有內(nèi)部較小的圓形彎曲部分341a和連續(xù)的 外部較大的圓形彎曲部分341b。與圖1中相同的構(gòu)造該圓形彎曲，具有圓形 彎曲之間的彎曲點(diǎn)94上的對應(yīng)改變，彎曲點(diǎn)94與相應(yīng)次級復(fù)合折射器上部側(cè) 面16成一直線，并且具有開始于次級折射器底端84的中心線341aa。示出進(jìn) 入折射器28并走向接收器1的邊緣線85。對稱的次級折射器的SAB 64對向 大約為24°并且ISBA74大約為62.5° 。如果例如水的流體折射器部分2b和 2d具有I-of-R n=1.33,例如玻璃的固體折射器部分2ab和2 c具有I-of-Rn=l.5,
13則滿足TIR的條件。次級流體折射器部分2d大約是次級復(fù)合折射器2c和2d 的橫截面積的25%。
圖7c是圖2b中的折射器的非對稱版本。圖7c具有與圖7b相同的次級復(fù) 合折射器部分2c和2d。有效連續(xù)的次級反射器部分342具有與圖7b相同的 形狀。主要折射器的透明的外部固體部分2ac延伸到次級反射器342的相應(yīng)的 次級反射器部分342b。次級反射器342具有與主要流體折射器部分2b連續(xù)的 相應(yīng)的部分342a。示出進(jìn)入折射器29并走向接收器1的邊緣光線96。與具有 大約20%的固體折射器區(qū)域的圖7b相比，圖7c具有大約40%的固體折射器 區(qū)域。對于給定集的I-of-R,可以使用圖7c中的折射器實(shí)施例以達(dá)到比圖7b 更高的CR。
圖8是本發(fā)明的非對稱實(shí)施例的橫截面圖。折射器28來自圖7b，折射器 28具有來自圖6的反射器中的一個相鄰的對稱的半個反射器38。橫向AOA 13 被非對稱定位。與圖6中相同地定位AOA的第一側(cè)12a。 AOA的第二側(cè)12b 是孔徑A的線，其終止于反射器邊緣4。本實(shí)施例利用折射器的有效平坦的透 明側(cè)以通過大約180°的截面角來接收光。橫向AOA 13與圖5中的相同，大 約130° ,但是在圖8中，CR更高。圖8的CR大約與圖6中的相同，大約 3.75，但是在圖8中，AOA更大。
圖9是在第三維度上縱向延伸的圖8的透視圖。顯示為部分槽狀收集器， 具有圖7b的非對稱折射器實(shí)施例28及其次級復(fù)合折射器2c和2d。折射器28 與非對稱反射器38相鄰。通過具有自由邊緣18的平面反射器端蓋42，反射 器38和折射器28終止。折射器流體端口 62通過端蓋42退出。在圖9中，平 面反射器蓋42在與圖8的橫截面平行的橫截面中。
圖IO是具有非對稱反射器39的本發(fā)明的實(shí)施例的橫截面圖。圖IO使用 是來自圖7c的折射器版本的折射器實(shí)施例30?？讖紸與接收器的比例是大約 為4的CR。橫向AOA13大約為130° 。為了提高熱效率，透明的、薄壁的、 半圓形管31圍繞著折射器的透明的外部部分2ae。圓弧部分31和透明的固體 外部折射器部分2ae之間的缺口 32可以被填滿低傳導(dǎo)性氣體或被實(shí)質(zhì)上抽空。 絕緣材料35可以包圍次級反射器342。折射器30是成比例地大約為40%的固 體折射器面積2ae和2c。固體折射器2ae的內(nèi)部頂部2e被彎曲以更好地支持
14實(shí)質(zhì)上抽空的缺口 32。
圖11是作為更高CR的3-D散射光聚集器的本發(fā)明的實(shí)施例。圖11是被 簡化了的圖10的透視圖，不具有圓弧管部分、熱絕緣或固體折射器內(nèi)部表面 彎曲部分。通過縱向周期性的、橫向?qū)虻牡筕形反射器310來分隔次級反 射器。在次級反射器342之間間隔放置分隔物310, 二者均為次級反射器342 的連續(xù)部分。倒V形反射器310面向折射器29。將作為相等長度組合2cd和 1的次級復(fù)合折射器和接收器被縱向分離成部分210。每一個倒V形反射器部 分310的開放底端的縱向長度76大約是次級反射器部分342的底端長度78 的一半。次級反射器底端長度78大約與次級折射器-接收器縱向部分210的長 度80相同，次級折射器-接收器縱向部分210與相應(yīng)的次級反射器底端長度78 平行，并位于相應(yīng)的次級反射器底端長度的中部。折射器具有末端蓋，該末端 蓋包括相對的透明次級折射器橫向末端311并且向內(nèi)面向半個相應(yīng)的倒V形 反射器310a和310b。示出具有流體端口 62的反射器39的平面反射端蓋42 及其相應(yīng)的自由邊緣18。圖11具有大約為6的CR、橫向130°的AOA及縱 向180。的AOA。
圖12是從水平面12a以大約45。的角15向上傾斜的、被排列以形成具 有相應(yīng)的相鄰反射器38和折射器-接收器28的陣列的兩個圖8中的橫截面圖。 這允許橫向AOA 13的第 一側(cè)12a的水平調(diào)準(zhǔn)。假設(shè)很少的光在水平面下面， 當(dāng)被傾斜以面向太陽的平面時，該AOA模擬平板收集器。陣列可以具有其它
配置和傾斜角。
圖11中的收集器具有大約130°乘180°的AOA及大約為6的CR。 Steigerwald的德國專利DE10059455A1中的3-D聚集器通過復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng) 主張80。乘180°的AOA,以及僅僅3.6的CR。 Rosenberg的專利#7164839 具有45°乘160°的AOA,不具有固定的CR，估計(jì)CR大約為3。 Paull的專 利申請#20050081909為3-D聚集器，并主張用于雙彎曲CPC的為3的CR及 僅為70.5°的組合AOA。 Lichy的專利申請存20060072222是3-D CPC,其具 有可能的折射器CPC次級及70°乘106°的AOA,不具有固定的CR,估計(jì) CR大約為2.5。 Chen的專利6653551和6717045使用具有CPC的Fresnel透 鏡，Nicoletti的專利7173179描述了具有填滿流體的、排列了 PV的容器的拋
15和#6619282中的Murtha提出的導(dǎo)光具有相對高的幾何CR及合理的AOA，但
是相當(dāng)?shù)偷墓夂蜔嵝剩皬?fù)雜、昂貴的光學(xué)系統(tǒng)。更新的版本需要大量的水 平布置的水，造成極大的余弦損失。對于平板等效的AOA PV收集器，即使 更高的CR光學(xué)花費(fèi)相應(yīng)增加，逐漸縮小的返回量導(dǎo)致安裝的收集器系統(tǒng)光損 耗。除了用于說明目的描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，還存 在其它本發(fā)明的可能的實(shí)施例，包括另外的元件和輔助部件。
權(quán)利要求
1.一種輻射能阱，包括至少一個反射器、折射器和接收器，定位所述折射器以入射從所述至少一個反射器反射出的輻射能，定位所述接收器以入射由所述折射器折射的輻射能，所述接收器與所述折射器接口，所述折射器實(shí)質(zhì)上包括棱柱形，所述折射器包括外部表面和透明的內(nèi)部，所述折射器的外部表面包括至少三個縱向的側(cè)面，所述至少三個縱向的側(cè)面與所述至少一個反射器在實(shí)質(zhì)上有相同的邊界，所述至少三個縱向的側(cè)面縱向平行于所述接收器，所述至少三個縱向的側(cè)面包括至少兩個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的側(cè)面，所述折射器包括橫截面，所述折射器的橫截面包括周界，所述至少兩個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的縱向側(cè)面包括在所述周界上的橫向長度，所述接收器包括橫向長度，所述接收器的橫向長度和所述至少兩個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的側(cè)面周界橫向長度包括位置和比例關(guān)系。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射能阱，其中，所述至少一個反射器包括至 少一個比率的橫向彎曲，所述至少一個反射器包括有效直的縱向邊緣，所述至 少三個縱向的側(cè)面包括沿著所述折射器的外部表面在縱向彎線上鄰接的至少 一對相鄰的縱向側(cè)面，所述折射器的至少兩個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的縱向側(cè)面的 外部表面的每一個包括虛擬的縱向中心線，所述折射器的外部表面包括縱向?qū)?稱線，所述折射器外部表面對稱線包括a)縱向彎線和b)虛擬的縱向中心線， 其中所述至少一個反射器的有效直的縱向邊緣中的至少一個與所述折射器的 外部表面的縱向?qū)ΨQ線中的至少一個相鄰。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射能阱，其中，在橫截面中所述相鄰的至少 一個反射器包括至少一個彎曲，其中，所述至少一個反射器的彎曲中的每一個 包括連續(xù)的彎曲，橫截面中的所述連續(xù)的彎曲包括彎曲改變點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輻射能阱，其中，在橫截面中，所述橫向周界 中的至少 一 對相鄰的兩個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的縱向側(cè)面包括虛擬三角形的側(cè) 邊，所述虛擬三角形包括虛擬三角形底邊，所述虛擬三角形底邊和所述透明的 側(cè)面中的每一個包括所述虛擬三角形的角，所述虛擬三角形的側(cè)邊和底邊形成 的角(SBA)不大于臨界角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的輻射能阱，其中，在橫截面中，所述折射器包括至少一個嵌套的層，所述至少一個嵌套的層中的每一個包括相鄰的透明側(cè)面的橫截面對，相鄰的透明側(cè)面的所述嵌套的層的橫截面對包括相應(yīng)的內(nèi)部虛擬三角形的側(cè)邊，其中，相應(yīng)的內(nèi)部虛擬三角形包括各自的內(nèi)部虛擬三角形底邊，所述內(nèi)部虛擬三角形底邊和它們各自的側(cè)邊中的每一個包括內(nèi)部側(cè)邊與底邊形成的角(ISBA)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射能阱，其中，所述折射器橫截面中嵌套的層包括至少一個外部透明固體層和至少一個透明的內(nèi)部流體折射器層，其中，透明的內(nèi)部流體包括傳熱介質(zhì)，其中，透明的內(nèi)部流體折射器部分包括流體腔，流體腔具有流體端口裝置以允許引入，填充容量并且通過所述腔抽出傳熱流體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射能阱，其中，至少一個ISBA包括不小于臨界角的角，其中，至少一對虛擬三角形底邊的層包括共線性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的輻射能阱，其中，所述接收器包括相對的面，所述接收器有效地具有雙面，所述接收器在橫截面中實(shí)質(zhì)上是平坦的，所述接收器和所述折射器有效地、縱向地、共同延伸，所述接收器位置和所述臨界角包括用于折射器的全內(nèi)反射裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的輻射能阱，其中，對于給定的至少一個ISBA最小對向角，所述SBA對向臨界最大角。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的輻射能阱，其中，在橫截面中的所述相鄰的至少一個反射器包括對稱的一對并排的凹面反射器，其中，所述并排的凹面反射器包括各自的并排的有效直的縱向邊緣，所述各自并排的有效直的縱向邊緣包括中心線邊緣，所述中心線邊緣與折射器外部表面縱向?qū)ΨQ線中的一個連續(xù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射能阱，其中，所述折射器的至少三個縱向側(cè)面包括四個實(shí)質(zhì)上平坦的透明的側(cè)面，所述折射器的橫向周界包括菱形，所述折射器的橫向菱形周界包括第 一和第二虛擬對角線，所述折射器的第 一虛擬對角線和所述虛擬三角形底邊重合，所述折射器的第一虛擬對角線和所述接收器在橫截面中有效重合，并排的反射器中心線邊緣與所述折射器外部表面縱向彎曲線中的 一個連續(xù)，中心線邊緣與所述對稱的 一對并排凹面反射器中的相應(yīng)的圓形彎曲部分連續(xù)，圓形彎曲反射器部分的每一個在彎曲改變點(diǎn)上與各個彎曲部分連續(xù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的輻射能阱，其中，所述折射器的至少三個縱向側(cè)面包括相鄰的 一對實(shí)質(zhì)上平坦的縱向透明側(cè)面和至少 一個4黃向彎曲的側(cè)面，所述至少 一個橫向彎曲的側(cè)面關(guān)于所述折射器的內(nèi)部凹面，所述至少 一個橫向凹面彎曲的側(cè)面包括整個半圓形彎曲，所述整個半圓形彎曲包括橫向虛擬線直徑，所述整個半圓形彎曲包括至少一個凹面次級反射器，所述相鄰對實(shí)質(zhì)上平坦的縱向透明側(cè)面和所述側(cè)面橫向整個半圓形在相對的一對縱向彎線上連續(xù)，所述至少 一個反射器與至少一個相對的 一對縱向彎線相鄰。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的輻射能阱，其中，所述橫向虛擬線直徑與所述虛擬三角形底邊重合，處于橫向虛擬線半徑中心的所述接收器的橫向長度與橫向虛擬線半徑有效共線并是橫向虛擬線半徑的一半，所述至少一個次級反射器包括對稱的 一對并排的半圓形凹面反射器，所述對稱的 一對并排的半圓形凹面反射器包括次級中心線邊緣，所述次級中心線邊緣包括橫向次級邊緣點(diǎn)，所述橫向次級邊緣點(diǎn)與所述接收器的橫向長度中心連續(xù)，其中所述至少一個反射器之一和相對的一對縱向彎線之一縱向相鄰。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的輻射能阱，其中，在橫截面中，透明的流體內(nèi)部折射器部分嵌套次級復(fù)合折射器，所述次級復(fù)合折射器包括固體的外部折射器部分和次級流體內(nèi)部折射器部分，其中，所述次級復(fù)合折射器中的每一個部分在橫截面中包括菱形，其中，每一個菱形包括正交的一對次級對角線，次級正交的對角線相應(yīng)地共線，所述接收器橫向長度與來自每個正交對的一個共線的對角線組共線，所述接收器橫向長度有效地與次級復(fù)合折射器固體外部折射器部分的兩個正交對角線中的第一個共同延伸，所述接收器有效地平行于整個半圓形的凹面反射器的橫向虛擬線直徑，并且其中，所述次級反射器包括對稱的一對并排的、圓形的、均有兩個彎曲的凹面反射器，所述對稱的一對并排的、圓形的、均有兩個彎曲的凹面反射器包括次級縱向中心線邊緣，所述次級縱向中心線邊緣包括橫向次級邊緣點(diǎn)，其中，次級復(fù)合折射器固體外部折射器部分的第二對角線包括第 一和第二端點(diǎn)，第 一端點(diǎn)與所述橫向次級邊緣點(diǎn)連續(xù)，第二端點(diǎn)與至少一個凹面次級反射器的虛擬線直徑重合，并且其中，所述接收器的橫向長度小于次級反射器的虛擬線直徑的一半長度，次級復(fù)合折射器固體外部折射器橫向菱形ISBA包括不大于SBA的次級，其中，至少一個反射器之一的一個有效直的縱向邊緣與相對的一對縱向彎線之一相鄰。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的輻射能阱，其中，次級反射器包括縱向分隔物，所述分隔物包括橫向的多對相對的"倒V形"反射器部分，在次級反射器隔間之間間隔布置分隔物，所述次級反射器分隔物和所述隔間按順序地連續(xù)，"倒V形"反射器的閉合端是橫向線段，所述橫向線段與次級反射器的虛擬線直徑重合，"倒V形"的開放端包括縱向線段，"倒V形"的縱向線段與次級反射器虛擬底端線共線，在橫向截面中，所述次級反射器虛擬底端線包括至并排的圓形凹面的成對的次級反射器部分兩者的虛擬切線，所述次級反射器虛擬底端線包括隔間底端縱向線長度，次級復(fù)合折射器和共同延伸的接收器包括折射器-接收器縱向部分，所述折射器-接收器縱向部分被嵌套在各自的次級反射器隔間內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射能阱，其中，所述折射器-接收器部分的每一個包括縱向長度，所述次級反射器隔間底端縱向線長度和折射器-接收器縱向長度共同延伸，所述次級反射器隔間底端縱向線長度和所述"倒V形"的縱向線段包括比例關(guān)系。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的輻射能阱，其中，所述折射器的透明的固體外部部分包括SBA=45° 、 ISBA二62.9。、次級SBA=24。及次級ISBA二62.5° ,固體反射器部分的標(biāo)稱折射率iFl.5,流體反射器部分n4.33, ISBA的內(nèi)部側(cè)邊線性地延伸到所述次級反射器，折射器的橫截面包括大約40%的固體面積，次級反射器隔間底端縱向線長度和"倒V形"縱向線段長度包括2比1的比率，所述折射器包括與反射器不連續(xù)的一對相鄰的縱向彎線，在橫截面中與反射器不連續(xù)的所述一對相鄰彎線包括一對相鄰的彎點(diǎn)，所述一對相鄰的彎點(diǎn)包括虛擬切線，相鄰的彎點(diǎn)虛擬切線與彎曲改變點(diǎn)交叉，并且其中，所述折射器包括兩個連續(xù)的橫向彎曲部分，所述兩個連續(xù)的橫向彎曲部分在彎曲改變點(diǎn)切線交叉點(diǎn)處連續(xù)，與折射器相鄰的彎曲部分包括圓形彎曲，所述圓形彎曲與拋物線形的彎曲部分連續(xù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的輻射能阱，其中，所述折射器的相對的橫向端包括相應(yīng)的端蓋，其中，每一個端蓋包括用于透明的側(cè)面橫向端的透明部分和作為"倒V形，，次級反射器的一半的反射部分，所述反射器包括相對的反射端蓋。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的輻射能阱，其中，所述折射器的透明的固體部分包括例如玻璃或丙烯酸樹脂的透明材料，所述折射器的流體部分包括例如水或防冷凍透明流體的透明介質(zhì)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的輻射能阱，其中，所述反射器表面包括例如用于保護(hù)的前面鍍銀或鍍鋁的不透明片，或背面鍍銀或鍍鋁的丙烯酸樹脂或適應(yīng)陽光的透明的塑料片的材料。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的輻射能阱，包括下面的任意項(xiàng)作為組合a)包圍所述折射器的透明外部表面和/或用于非透明表面的熱絕緣的透明管或弧形管部分，b)陣列的配置，c)透明的蓋板和/或框，d)傳熱流體傳送結(jié)構(gòu)，e)傳熱流體泵，f)傳熱流體存儲罐，g)熱交換器，h)加熱泵，i) DC到AC變換器，j)熱到電轉(zhuǎn)換器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的輻射能阱，其中，所述接收器包括至少一個雙面PV電池，其中，所述端蓋具有能密封的孔，該孔的大小可用于至少一個雙面PV電池的電氣連4妄線。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的輻射能阱，其中，所述反射器和折射器的透明的側(cè)面有效地包括用于被捕獲的輻射能的孔徑裝置，相鄰的彎點(diǎn)的虛擬切線有效地包括所述孔徑的虛擬側(cè)面，其中，所述孔徑的至少一個虛擬側(cè)面包括虛擬地平線，實(shí)際上沿太陽的平面的方向，虛擬地平線與地球表面上的地平線平行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種輻射能阱。該散射及直接輻射能聚集器包括至少一個反射器、實(shí)質(zhì)上棱柱形的折射器及與折射器接口的接收器。本發(fā)明能夠立體角接收輻射能，相當(dāng)于平板收集器，同時保持散射光的相對高的聚光率。本發(fā)明可以被體現(xiàn)為有效的混合太陽能電和熱收集器。獨(dú)特然而簡單的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致相對高的光和熱效率。本發(fā)明可以被體現(xiàn)為低姿態(tài)的3-D散射光聚集器，組合反射、折射及全內(nèi)反射以接近熱力學(xué)界限。通過相對高效率的PV電池其將材料成本最小化到成本減少的極限。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明增加了可用的太陽能的利用并且極大地減少了所安裝的系統(tǒng)的投資回收期。
文檔編號G02B5/04GK101688931SQ200880023469
公開日2010年3月31日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者詹姆斯·羅沙 申請人:詹姆斯·羅沙