專利名稱：太陽輻射的聚集器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽輻射的聚集器(concentrator)裝置，該裝置具有用于通過 全反射使太陽輻射偏轉(zhuǎn)的光束分離器。而且，本發(fā)明涉及一種用于聚集和轉(zhuǎn)換太陽能的裝 置，該裝置具有所述聚集器和至少一個用于太陽能轉(zhuǎn)換的裝置。所述用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝 置例如為太陽能電池、太陽能模塊或太陽能集熱器。本發(fā)明所述的聚集器用于聚集太陽輻 射，也可作為防曬板使用。
背景技術(shù)：
在光電領(lǐng)域，多年來已采用多種方法聚集太陽輻射，以將太陽能電池材料用量降 至最低并達到更高的效率。其原理基于如下事實采用反光鏡和/或透鏡使太陽輻射聚集 并將其引導(dǎo)至專用的聚集器太陽能電池上。因此，減少了光電活性表面(photovoltaically active surface)，并進而減少了昂貴的太陽能電池材料的必需量。由于使作用于光電活性 表面的太陽輻射聚集，因此可以降低太陽能的成本。這尤其適用于具有高直接輻射成分的 區(qū)域。在本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平中，使用折射元件(US 5，977，478)或金屬反射元件或 全反射元件(us 2007/0227582)將太陽輻射聚集到小面積的光電活性表面上。對于更大尺寸的光電活性表面，例如具有150X 150mm的標(biāo)準(zhǔn)表面積的標(biāo)準(zhǔn)太陽 能電池或者具有1000X2000mm的典型表面積的標(biāo)準(zhǔn)太陽能模塊，由于折射元件或金屬反 射元件不能實現(xiàn)緊湊的配置，故只在有限的程度上適用。構(gòu)造于一側(cè)的折射性的菲涅爾透 鏡(Fresnel lens)例如僅能實現(xiàn)最多40°的偏轉(zhuǎn)角度。因此，比起透鏡的尺寸，透鏡平面 與接收器平面的間距非常大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種緊湊的聚集器，該聚集器可顯著地降低與用于太 陽能轉(zhuǎn)換的聚集器耦合的裝置的表面延伸。具有權(quán)利要求1所述特征的聚集器以及具有權(quán)利要求14所述特征的用于聚集和 轉(zhuǎn)換太陽能的裝置可實現(xiàn)上述目的。進一步的從屬權(quán)利要求揭示了優(yōu)選的方案。在權(quán)利要 求18和19中提到了本發(fā)明的用途。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種太陽輻射的聚集器，該聚集器具有至少一個用于偏轉(zhuǎn)太 陽輻射的光束分離器。因此，該光束分離器在取向離開太陽輻射的一側(cè)上具有通過全反射 使入射至光束分離器上的太陽輻射在兩個不同方向上偏轉(zhuǎn)的構(gòu)造。本發(fā)明所述的光束分離器的構(gòu)造使得入射的太陽輻射以大的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 因此用于實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換的活性表面可布置地距光束分離器很近，并從而使模塊的排列非 常緊湊。進一步的優(yōu)點在于，盡管本發(fā)明所述的聚集器為平面設(shè)計，卻能大量地避免遮光損
^^ ο該構(gòu)造優(yōu)選地包括在整個表面上周期性地重復(fù)的多個結(jié)構(gòu)單元。
另一優(yōu)選的替代構(gòu)造包括多個不同的結(jié)構(gòu)單元，各個結(jié)構(gòu)單元相互配合，從而可 將所述已偏轉(zhuǎn)的輻射至少部分地聚集到活性表面上。所述構(gòu)造優(yōu)選地設(shè)置成大致呈等腰棱鏡的形式。從而，所述棱鏡具有的底角范圍 為45° 75°，具體地為55° 65°。優(yōu)選實施例提出，透鏡底角是不同的，從而引起所述已偏轉(zhuǎn)的輻射至少部分地聚集。所述光束分離器優(yōu)選地包括可構(gòu)造的基板，所述可構(gòu)造的基板在400 IlOOnm的 波長范圍內(nèi)具有至少85%的透射率。這里具體地包括玻璃和/或聚合物材料。在根據(jù)本發(fā) 明的本變型中，所述基板的朝向至少一個光電活性表面的表面具有一種構(gòu)造。進一步的優(yōu)選實施例提出，該光束分離器包括基板，該基板在400 IlOOnm的波 長范圍內(nèi)具有至少有85%的透射率，該基板在朝向至少一個光電活性表面的基板表面上具 有由聚合物材料構(gòu)成的構(gòu)造層。該聚合物材料優(yōu)選地選自于包括氟聚合物、丙烯酸酯聚合 物和/或硅酮聚合物的組。此外，光束分離器優(yōu)選地構(gòu)造為在整個表面上方，在垂直于該表面的平面方向 上，具有大致相同的構(gòu)造深度，該構(gòu)造深度優(yōu)選地處于10 μ m 20mm的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選地 在50μπι 5mm的范圍內(nèi)。從而，所述構(gòu)造可以使用鑄造、注射成型(injection moulding)、擠壓成型 (extrusion)禾口 /或模壓力口工(embossing)而獲得。該光束分離器也可優(yōu)選地設(shè)置成平面盤狀或板狀。同樣，該光束分離器具有在光譜上可選擇的透射率，特別是在400 IlOOnm的范 圍中具有最大透射率，以利于在光電效應(yīng)中可用的光譜成分。本發(fā)明提出了一種用于聚集和轉(zhuǎn)換太陽能的裝置，該裝置具有如前所述的至少一 個聚集器以及至少一個用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置。因而，所述至少一個聚集器設(shè)置為將由光 束分離器偏轉(zhuǎn)的太陽輻射引導(dǎo)到至少一個用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置上。用于轉(zhuǎn)換太陽能輻射的裝置優(yōu)選地涉及太陽能電池、太陽能模塊或太陽能集熱器 (thermal solar collector)。該裝置的進一步優(yōu)選的實施例提出，用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置在朝向太陽輻射的表 面上具有防反射涂層。該防反射涂層優(yōu)選地包括光折射率比該裝置的基板材料的低的用于 太陽能轉(zhuǎn)換的材料。然而，也可采用相當(dāng)?shù)牟牧吓渲茫缂{米多孔玻璃。此外，用于聚集和轉(zhuǎn)換太陽能的裝置優(yōu)選地具有關(guān)于太陽位置的單軸和雙軸跟蹤 能力的配置。前述的聚集器用于將太陽輻射聚集到光電活性元件上。這樣，該聚集器可用于構(gòu) 造聚集場合的光電模塊?？墒褂蒙虡I(yè)上可獲得的用于非聚集場合的硅電池或硅模塊作為電 池或模塊。當(dāng)這些光電模塊被跟蹤時，也可將其安裝在普通的太陽能跟蹤器上。同樣，所述 系統(tǒng)也可以通過一次手動操作而單軸地跟蹤太陽達幾天的時間。同樣，本發(fā)明所述的聚集器也可與將太陽能轉(zhuǎn)換為熱量的太陽能集熱器協(xié)同使用。當(dāng)具有相應(yīng)的尺寸時，根據(jù)本發(fā)明的聚集器也可用于建筑物防曬板中或作為建筑 物防曬板使用。此處，所述板為可沿其縱軸旋轉(zhuǎn)的并從而可單軸地跟蹤。


將參照隨后的附圖更詳細地描述本發(fā)明的主題，但所述主題并不局限于此處所示 的具體實施例。圖1以示意圖表示了本發(fā)明使用的光束分離器。圖2以示意圖表示了本發(fā)明的聚集器。圖3以示意圖表示了與對應(yīng)的活性表面結(jié)合的多個光束分離器的配置。圖4以示意圖表示了本發(fā)明的聚集器的第二變型。圖5以示意圖表示了本發(fā)明的光束分離器的另一變型。
具體實施例方式在圖1中，以橫截面圖表示了光束分離器1，該光束分離器使入射的太陽輻射以 +/-60°進行偏轉(zhuǎn)，從而將其分離為兩個不同方向。光束3由此偏轉(zhuǎn)，從而作為光束4離開光 束分離器，同時光束3'也由此偏轉(zhuǎn)，從而作為光束4'離開光束分離器。所述分離的結(jié)果 是使輻射完全偏轉(zhuǎn)而不折射。由此發(fā)生在光束分離器與空氣的界面上的反射損耗約為8%。 只要采用相應(yīng)的防反射涂層，這些反射損耗可降低至約為3%的值。在圖2中，圖示了本發(fā)明所述的聚集器，該聚集器具有光束分離器1，太陽輻射3經(jīng) 由該光束分離器1而偏轉(zhuǎn)為第一光束4和第二光束4'。該束光線4因而朝著例如為太陽 能電池表面的活性表面5偏轉(zhuǎn)，而第二光束4'朝著光電活性表面5'偏轉(zhuǎn)。采用所述裝置 可以實現(xiàn)系數(shù)為1. 5的幾何聚集。圖2所示的光束分離器裝置和兩個光電活性表面可以向兩個空間方向任意延伸， 例如為類似陣列的配置。在這種情況下，可以實現(xiàn)系數(shù)為2的幾何聚集。這樣的例子在圖 3中圖示，圖3示出了光束分離器1與例如太陽能電池表面的活性表面5、5'和5"的線狀 排列。入射的太陽輻射3例如經(jīng)由光束分離器1'而分離為兩個光束4和4'，隨后這兩個 光束4和4'入射到對應(yīng)的活性表面5和5'上。圖4示出了本發(fā)明所述的聚集器的另一變型。入射的日光3和7通過光束分離器 1由此進行偏轉(zhuǎn)。兩個光束3和7入射到光束分離器1的不同位置上，而在所述各個區(qū)域內(nèi) 配置有不同的結(jié)構(gòu)單元。這導(dǎo)致入射的日光束3的所述已偏轉(zhuǎn)的光束4與入射的日光束7 的所述已偏轉(zhuǎn)的光束8入射到光電活性表面5的一個點上，因此日光在該點上聚集。入射 到相鄰的光電活性表面6上的光束4'和光束8'同樣如此。這樣，由于結(jié)構(gòu)單元的微小變化，可以使所述已偏轉(zhuǎn)的輻射聚集。這樣，可以使光 電活性表面減半，因此，可以使幾何聚集的系數(shù)從2增加到3以上。圖5表示本發(fā)明所述的基于非對稱原理的一個變型。此處，側(cè)面2和側(cè)面2'的側(cè) 面角為59°或66.7°。這使得太陽輻射3以不同于太陽輻射3'的角度進行偏轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
一種太陽輻射的聚集器，其包括用于偏轉(zhuǎn)太陽輻射的至少一個光束分離器，所述光束分離器在取向離開所述太陽輻射的一側(cè)上具有通過全反射而使入射至所述輻射分離器上的太陽輻射以兩個不同方向進行偏轉(zhuǎn)的構(gòu)造。
2.如權(quán)利要求1所述的聚集器，其特征在于，所述構(gòu)造包括在整個表面上方周期性地 重復(fù)的多個結(jié)構(gòu)單元。
3.如權(quán)利要求1所述的聚集器，其特征在于，所述構(gòu)造包括多個不同的結(jié)構(gòu)單元，各個 所述結(jié)構(gòu)單元互相配合，從而引起所述已偏轉(zhuǎn)的輻射至少部分地聚集。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述構(gòu)造配置成大致呈等腰棱鏡 的形式。
5.如權(quán)利要求5所述的聚集器，其特征在于，所述棱鏡的底角范圍為45° 75°，具體 地為55° 65°。
6.如前一權(quán)利要求所述的聚集器，其特征在于，所述棱鏡的所述底角是不同的，從而引 起所述已偏轉(zhuǎn)的輻射至少部分地聚集。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分離器包括可構(gòu)造的基 板，所述可構(gòu)造的基板在400 IlOOnm的波長范圍內(nèi)具有至少85%的透射率，具體地由玻 璃或聚合物材料制成，在朝向至少一個光電活性表面的表面具有一種構(gòu)造。
8.如前述權(quán)利要求1至6之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分離器包括在 400 IlOOnm的波長范圍內(nèi)具有至少85%的透射率的基板，所述基板在朝向所述至少一個 光電活性表面的所述表面上具有由聚合物材料制成的構(gòu)造層。
9.如權(quán)利要求8所述的聚集器，其特征在于，所述聚合物材料選自于包括氟聚合物、丙 烯酸酯聚合物和/或硅酮聚合物的組。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，在所述整個表面上方，在垂直于 所述表面的平面方向上，所述構(gòu)造具有大致相同的構(gòu)造深度，所述構(gòu)造深度處于10μ Π! 20mm的范圍內(nèi)，具體地處于50μπι 5mm的范圍內(nèi)。
11.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述構(gòu)造使用鑄造、注射成型、擠 壓成型和/或模壓加工來獲得。
12.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分離器設(shè)置成平面盤狀 或板狀。
13.如前述權(quán)利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分離器具有在光譜上可 選擇的透射率，以利于在光電效應(yīng)中可用的光譜成分。
14.一種用于聚集和轉(zhuǎn)換太陽能的裝置，其包括如前述權(quán)利要求之一所述的至少一個 聚集器以及至少一個用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置，所述至少一個聚集器設(shè)置為將所述光束分離 器偏轉(zhuǎn)的太陽輻射引導(dǎo)至所述至少一個用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置上。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置為太陽能電 池、太陽能模塊或太陽能集熱器。
16.如前一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置在朝向太陽 輻射的所述表面上具有防反射涂層，所述防反射涂層具體地由光折射率比所述基板材料低 的材料制成。
17.如權(quán)利要求14至16之一所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有關(guān)于太陽位置的單軸和雙軸跟蹤能力的配置。
18.一種如權(quán)利要求1至13之一所述的聚集器的用途，其中所述聚集器用于將太陽輻 射聚集至用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置上，所述用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置具體地為太陽能電池、太 陽能模塊或太陽能集熱器。
19.一種如權(quán)利要求1至13之一所述的聚集器的用途，其中所述聚集器作為防曬板使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽輻射聚集器裝置，該裝置具有用于通過全反射使太陽輻射偏轉(zhuǎn)的光束分離器。而且，本發(fā)明涉及一種用于聚集和轉(zhuǎn)換太陽能的裝置，該裝置具有所述的聚集器和至少一個用于太陽能轉(zhuǎn)換的裝置。所述用于轉(zhuǎn)換太陽能的裝置例如為太陽能電池、太陽能模塊或太陽能集熱器。本發(fā)明所述的聚集器用于聚集太陽輻射，也可作為防曬板使用。
文檔編號G02B5/04GK101978225SQ200980109248
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者哈里·沃思 申請人:弗勞恩霍弗實用研究促進協(xié)會