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CN103238091A - 用于聚集和照明系统的变向光学装置 - Google Patents

用于聚集和照明系统的变向光学装置 Download PDF

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CN103238091A CN2011800580891A CN201180058089A CN103238091A CN 103238091 A CN103238091 A CN 103238091A CN 2011800580891 A CN2011800580891 A CN 2011800580891A CN 201180058089 A CN201180058089 A CN 201180058089A CN 103238091 A CN103238091 A CN 103238091A
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S·戈施
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Banyan Energy Inc
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Abstract

用于聚集和照明系统的变向光学装置。一种光学系统，有用于收集光的光波导、用于接收该光的接收器、以及使光从该光波导转移到接收器的变向光学装置。该光学系统能够被用于聚集诸如太阳能应用中的光。该光学系统还能够以光源代替接收器而被用于漫射照明应用中的光，使光沿该聚集系统的相反方向传播。

Description

用于聚集和照明系统的变向光学装置
交叉参考相关申请
本申请要求2010年10月28日提交的美国临时专利申请序号No.61/407,772的优先权。本申请还要求2010年11月4日提交的美国专利申请序号No.12/939,348的优先权，该两个申请在此全文引用，供参考。
技术领域
本发明针对用于光收集和传送的光学装置领域。应用包含在光伏电池或热接收器上的太阳光的聚集，以及用于照明应用的光的漫射。
背景技术
边缘收集器或光波导，被用于光，尤其是太阳光的收集和聚集。对这种应用，边缘收集器或光波导，被定义为一种光学设备，它从顶表面接收光，并把被聚集的能量传送该设备的边缘。图1a画出光波导10的横截面的简单示意图。图1b是同一光波导10的3D表示。
在实际应用中，这些光波导10的类型，一般是美国专利7,664,350和7,662,549中描述的类型。光波导的其他类型，包含荧光太阳能聚集器、或染料荧光太阳能聚集器。图1c画出前一类型的光学系统。输入光20落在跨越通光孔的多个聚集单元40上，且该波导10从所有单元收集被聚集的光并把它传送到波导10的边缘30。
发明内容
然而，要是在边缘30上有第二级的一套光学装置50（见图2和3a），使该光20按良好的方式变向，则有许多优点。在图2中，光20被传送到波导10的边缘30并被变向约90度，到平行于波导10的底部放置的接收器60。本文清晰表达的本发明，描述各种不同方法，用于设计这些第二级变向光学装置50。本发明帮助制成更有用的光波导10。对该光波导聚集系统的关键商业准则，包含紧凑性、效率、聚集的程度、以及可制造性。不同的用于变向的方法，以不同方式影响这些准则。
还应当指出，这种光波导10或设备的应用是各种各样的。光能量能够被传送到各种不同接收器。图3a到3d画出接收器60的一些例子，包含更多聚集或漫射光学装置，诸如透镜、复合抛物线聚集光学装置、光伏电池、或热交换器，它们将在下文更详细描述。
附图说明
图1a画出概念式光波导的横截面图；图1b画出概念式光波导的三维视图；以及图1c画出用在太阳能聚集中的光波导；
图2画出该光学系统的实施例；
图3a画出有透镜接收器的实施例；图3b画出有CPC接收器的实施例；图3c画出有光伏电池接收器的实施例；以及图3d画出有热交换器接收器的实施例；
图4a画出该光学系统的另一个实施例；图4b画出该光学系统的另一个实施例；图4c画出具有变向光学装置的彼此相邻的多个光学系统；图4d画出没有变向光学装置的彼此相邻的多个光学系统；
图5a画出变向光学装置被集成进波导中的实施例；而图5b画出变向光学装置与波导分离的实施例；
图6a-b画出光学系统围绕中心轴被镜面化的实施例；
图7a-c画出变向光学装置修改聚集的程度的实施例；
图8a画出采用全内反射的变向光学装置；而图8b画出采用部分折射的变向光学装置；
图9画出采用反射的变向光学装置；
图10a画出包括抛物线的变向光学装置；图10b画出包括具有部分折射的抛物线的变向光学装置；图10c画出包括具有部分反射材料的抛物线的变向光学装置；以及图10d画出包括抛物线及平的小面的变向光学装置；
图11a画出展示TIR泄漏的变向光学装置的实施例；图11b画出展示TIR泄漏的变向光学装置的另一个实施例；以及图11c画出展示TIR泄漏的变向光学装置的另一个实施例；
图12a画出在变向光学装置和接收器之间有空气的变向光学装置的实施例；而图12b画出在变向光学装置和接收器之间有包层材料的变向光学装置的实施例；
图13a画出光学系统的实施例；图13b画出有倾角波导的光学系统的实施例；以及图13c画出在变向光学装置和接收器之间有包层材料的变向光学装置的实施例；
图14a-c画出光管变向光学装置的各种不同实施例；
图15a画出在变向光学装置和接收器之间有包层材料的变向光学装置的实施例；以及图15b画出在变向光学装置和接收器之间有包层材料和玻璃的变向光学装置的实施例；
图16a-e画出光学系统的各种不同实施例；
图17a画出线对称的光学系统；图17b画出轴对称的光学系统；以及图17c-f画出轴对称光学系统及相关联的变向光学装置的各种不同实施例；和
图18画出被构造成用于照明应用的光学系统的实施例。
具体实施方式
在如图4a所示优选实施例中，来自波导10的光大致垂直于收集平面传播。变向光学装置50使该光20变向，到达接收器60，以便改变光20的光锥的传播角度。
在优选实施例中，光波导10使光20变向，成为大体上垂直于它在波导10中传播的角度，如图4b所示。这样使接收器60能平行于收集的平面放置，如图4c。图4d画出如果光波导10没有与此有关的变向光学装置，波导10与接收器60如何相互干涉。“光学装置层”（变向光学装置50）和“接收器层”（接收器60）因而形成水平的平板段，它们能够容易地被组装和配对在一起。该两层能够形成坚固和耐用的层迭结构。接收器60之间的连接，例如，在光伏电池接收器之间的电互联，能够更容易完成。随着接收器60（如，光伏电池）的温升，有分开的接收器层能实现更有效的热传递离开背平面散热器。
下面各段概述用变向光学装置50解决的特定问题，以及解决该问题的一些优选方法。
1．作为同一或分开部分的变向器
变向光学装置50，能够被构造成与波导光学装置10有相同的制造部分的特征，如图5a所示。在另一个实施例中，它也能够是分开的部分，如图5b所示。
按相同部分制成，对波导10的优点是-较少的制造步骤、在零件之间不要求对准、以及由于界面之间没有损耗的潜在更高效率。
按波导10和变向光学装置60部件的分开部分制成，能够帮助维持或增强光的聚集程度。界面70能够作为全内反射（TIR）表面起作用，从而更好地使光20包含在波导10内。
2．镜像
图6a画出如前面讨论的光波导10和变向光学装置50，有指出的输入光20的收集面积和光学装置部件的高度。
在图6b中，波导10光学装置、变向光学装置50和接收器60的组合，围绕中心轴被镜面化。其后，接收器60能够被构造成一个连续的部分(one contiguous part)。传送光到单个接收器60的收集面积因此被加倍，同时总的结构高度没有改变-因而，该结构的紧凑度是给定接收器60面积的两倍。
此外，整个镜面化的波导和变向的组合，能够按一个部分制造，从而使制造简化。
3．第二级聚集
光波导10提供一定的聚集程度，如在图7a实施例中C1所示，它由收集面积A1除以边缘的面积A2定义。变向光学装置50按该聚集程度接收光20，并可以在向接收器60传送时改变该聚集程度。
由变向光学装置50引起的第二级聚集以C2表示，并被定义为变向光学装置50的输入面积A2，与变向光学装置50的输出面积A3的比值。最后的聚集的程度以Cfinal表示，并被定义为A1/A3。
在图7a中，变向光学装置50增加来自光波导10的聚集的程度。Cfinal因此大于C1。当聚集因子是关键参数时，诸如在缩减光伏电池材料面积以降低太阳能板的成本中，来自变向光学装置50的第二级聚集能够是有利的。
在图7b的实施例中，变向光学装置50降低来自光波导10的聚集的程度（Cfinal<1）。在图7b的特定实施例中，简单的平的小面80被布置成相对于光波导10的水平底部，或边缘收集器，成适当的小角度(shallow angle)，并能够提供减少的聚集。在图7c中，该实施例提供另外的例子。即使光波导10提低价共可观的聚集程度，但变向光学装置80使最后聚集因子降低至约2x。这例如当需要降低太阳能电池材料两倍时，能够是有利的，并且还有大的连续的太阳能电池面积，始终使总的光学系统高度紧凑。
4．全内反射的极限
全内反射（TIR）能够被采用，以便反射用于变向的光20。它优于反射涂层，因为它几乎是无损耗的，而涂层将吸收一些落在它上面的能量。它还更廉价，因为它消除反射涂层的额外制造步骤和材料成本。
然而，全内反射只对提供大于临界角度的入射角度的光线发生，该临界角度是由该光学装置和周围材料的折射率形成的。
在图8a的实施例中，处于TIR极限的平的变向光学装置50被出示。光线90和界面法线之间形成的角度θ，正好大于临界角。图14a-c画出当光线90的角度小于临界角时会发生的情形-该光线通过变向光学装置50表面被折射，不被传送到接收器60。由此，要求采用TIR，则对多大附加的第二级聚集能够出现，同时维持效率上，设置限制。
5．反射涂层
在另一个实施例中，可以采用反射涂层，以便比TIR极限所允许的更聚集光。图9画出这样的实施例。在这种情形下，入射角与图8b中的类似，那里光线90实质上被丢失。而这里，光线90代之以被向下反射到反射器60。反射器100因此允许变向光学装置50有相对于光波导10更陡倾斜的形式，该形式能够增强第二级聚集而不通过界面损失光线。（然而，如在下文的段4的描述，对效率的牺牲是，反射器吸收落在它上面的一些能量）。
6．弯曲的变向光学装置
诸如图10a中抛物线段110的弯曲段，在提供第二级聚集方面，能够比平的表面更有效。曲线，诸如抛物线，是会聚光学表面，因而能够从光波导10取光锥并对它完成第二级聚集程度，提供给接收器60。
然而，该曲线110能够变得足够陡，使光90的入射角超过全内反射的临界角，如图10b所示。两个方案是可能的。第一，可以在曲线110的段涂覆反射涂层120，不然在该曲线110的段会看到光漏出，如图10c所示。第二，抛物线110能够在TIR极限上被截断，并按该曲线末端完全相同的角度,平的小面130被使用，这样使沿该变向光学装置总获得TIR。这种特征在图10d中示出。
7．TIR“泄漏”
在再另一个实施例中，当光波导10和变向光学装置50被镜面化时，光140从变向光学装置50表面的些许泄漏，可以被容许，因为它被对面的变向表面收集并传送到接收器60，如图11a所示。这样能够增加可达到的第二级聚集，因为变向光学装置50表面，能够被放置成更陡的角度，从而缩小接收器60要求的面积。
在另一个实施例中，小面160的级联是可能的，以便利用该效应,越接近底表面定位的那些小面160越陡，如图11b所示。每一小面160能够被放置成适当的角度，使入射在它上的光线，在给定角度范围上的聚集和效率二者最大化。另外，近似于级联的小面160的弯曲表面170可以被应用，以达到相同的结果，如图11c的实施例所示。该变向光学装置50还能够包括多种曲线。诸如抛物线段170和弧形180，如图11c所示。
8．底部上的包层
在另一个实施例中，如果在光学装置50的底部（base）和接收器60的顶部之间使用空气190，那么从变向光学装置50出射的光210将折射而增大锥角，如图12a所示。
包层材料200可以被涂覆于波导-变向光学装置结构的底部，如图12b所示。包层200有比变向光学装置50的介质更低的折射率。这样允许接收器60上的光210的光锥较窄，因为离开光学装置系统的底部的折射被减轻（光线210从光学装置到有最低可能折射率的空气的传播，与从光学装置到另一种材料的传播比较，将以更大角度折射）。离开变向光学装置50的锥角的减小，能够帮助维持由整个光学系统实现的聚集的程度。
包层还将提供效率的优点。菲涅尔（Fresnel）反射出现在不同折射率的界面，折射率的差越大，损耗越大。光学装置和接收器160之间有空气，将导致最大的菲涅尔反射损耗。
包层还能够提供结构上和可靠性上的优点。它能够封装必需环境保护的敏感材料，诸如光伏电池。它还能够对光学装置和接收器160之间的应力去耦，例如在温度升高下膨胀的不同速率产生的应力。
9．倾角光导
在变化的实施例中，波导10中光锥的传播方向，不一定准确地垂直于输入光，如图13a所示。在一种变化中，波导220可以被构造成与水平成一定角度，如图13b所示。
波导10的倾角形式，对变向光学装置50是有利的，因为它允许更大的第二级聚集保持在TIR极限内。理由是，因为光有较小的需要变向的角度。图13b表明这一优点-光线90能够在比如图13a所示更大的角度上，经全内反射被反射回去。
图13c画出当倾角波导220与底部上的包层200组合时，要求的小面230角度的变化。为了对付反射离开焦斑面积(focal area)25的极端光线，最后的小面24（“小面2”）必需以比前面的小面23（“小面1”）更小的角度出现，否则被反射离开焦斑面积25的光线235，将通过小面2折射并向上逃脱。
10．变向光管
另外的实施例涉及增加纵横比，以便赢得更大的第二级聚集。图14a画出利用弯曲的光管260使光265变向。光波导10-变向光学装置260的纵横比被做得显著更大。图14b画出相同的光管，但通过修整(tailoring)变向光学装置的弯曲表面，或者管特征类型的变向光学装置260成为圆锥形，获得第二级聚集。图14c画出类似的方案，但以变向光学装置260的平的小面，代替弯曲的段。
管特征260，在原理上能够比迄今讨论的变向光学装置获得更大的第二级聚集，因为它保持由光波导10给出的聚集程度，使光锥取向直接面向接收器60，并因此能够获得最大的第二级聚集程度。先前的面向全内反射约束的变向光学装置，阻止获得可允许的第二级聚集程度的最大值。
然而，先前的变向光学装置260的确保留光波导的紧凑性。由此可以看到以下的折衷：
·TIR非管方案，获得最高紧凑性和最高效率，但不是最高的聚集
·反射器非管方案，获得最高紧凑性和最高的聚集，但不是最高的效率
·TIR管方案，获得最高的聚集和最高效率，但不是最高的紧凑性
11．底部玻璃
另一个实施例也稍稍增加纵横比，以便赢得更大的聚集。图15a画出已经讨论过的设计-有包层层200的变向光学装置50。图15b画出如何能够把如像玻璃270的光学材料片，放在波导-变向光学装置结构的底部上。附加的高度使因光275有更长距离传播而能有更大的第二级聚集，且边缘光线的角度也由于该更长传播而使最后的焦斑面积（focal area）缩小。
底部玻璃270还能够作为机械的和环境的壁垒起作用，保护接收器60（如，太阳能电池），避免可能进入光学部件空隙的尘埃和潮气，以及避免源自热和其他膨胀及收缩的机械应力。
12．用于中央变向的支持光学装置
因为整个波导-变向光学装置结构，被设计成有效地从顶表面收集光20，落在该结构的中央区上（在该变向光学装置上方）的光20也必须为最佳效率而被收集。
图16a画出有完整波导10-变向光学装置50组合的实施例，包含用于中央变向的支持光学装置。它被这样设计，使落在光波导10的整个前表面上的输入光20，被传送到接收器60。
图16b画出中央变向区的近视图。来自光波导10的光线280被画出，到达接收器60的路径已经在前面被讨论。
问题是，如何能够使来自中央变向区50的光线20前进到接收器60。三种方案是可能的，最好是组合起来。第一，光波导10各段的设计，可以被修改成适应变向光学装置50上不同倾角的表面。在图16c中，光线280通过它传播的系统，有更大的透镜290和小面300特征，以适应变向光学装置表面310向着接收器60的逐渐收缩。因此，光线280传播所通过的路径，不同于以前描述的光波导10系统的其他实施例中光线20的路径。
第二，特征能够被放在顶部元件中，以引导光280到变向光学装置50上适当的地方，这样使它被传送到接收器60。在图16d中，顶部元件的底部上的齿特征320，使光线280变向，以致它与变向表面光学装置310在接收器60正上方的区中相交。没有这种齿特征320，光线280不会射到接收器60，使效率受到限制，或者接收器60必须更宽，以适应光线280，使聚集受到限制。
第三，充分接近光学部件系统的中心的光线，被允许方向不变地穿过。它们在射到变向光学装置表面310时，经受一些折射，但它们充分接近光学部件系统的中心，以致确保它们终止在接收器60上。
上面的选项二和三，要求整个变向光学装置310用非反射器构成-即，纯TIR被采用。变向光学装置310上的反射涂层会阻挡来自中央变向区的入射光线，使效率受到限制。
图16a-e组合以前在优选实施例的各段中讨论的许多元件：
·按照段1，为简化制造，变向光学装置310与光波导10作为一个部分制成。
·按照段2，光波导10-变向光学装置50围绕中心轴被镜面化，增加收集面积和整个设备的紧凑性。
·按照段3，光波导10获得第二级聚集，使Cfinal>C1，降低接收器60面积从而降低接收器成本。
·按照段4，变向光学装置310采用全内反射，以便使效率最大化。
·按照段6，变向光学装置310采用抛物线，以增加第二级聚集，其后在达到TIR极限处，用附着于它的平的小面截断该曲线。（该抛物线可以由取得类似结果的若干平的小面近似。）
·按照段7，变向光学装置310允许“TIR泄漏”-一些光线被允许突破临界角并折射到镜像表面，在那里，它们仍然被接收器60收集。这样允许该变向表面310有更陡的角度，使进一步的第二级聚集成为可能。
·按照段8，包层200被用在变向光学装置和接收器之间，以增强聚集、效率、结构支持、以及可靠性。
·按照段9，光波导10是倾角波导-即，波导10不是完全地垂直于输入光20。这样允许该变向光学装置310有增加可获得的第二级聚集的更陡角度。
·按照段12，支持光学装置290、300、320，被构造在变向光学装置310上方的中央变向区中的光波导10中。这些支持光学装置确保入射在中央区上的光，通过变向光学装置310被传送到接收器60，使效率和聚集最大化。如在上面已经出示的，变向光学装置50能够由抛物面表面、椭圆表面、双曲表面、弧形、平的反射表面、修整过形状的反射表面、全内反射表面、复合的抛物线聚集器光学装置、光管以及折射部件的任何组合构成。
之前各段描述设计变向光学装置50的各种不同实施例的方式。下面描述变向光学装置50的两种另外的实施方案。所有在之前描述的元件应用于下面两个实施方案。
线对称光学装置与轴对称光学装置对比
因为该设计取决于横截面，所以，该光学部件可以按图17a所示直线挤压方式，或者按图17b所示旋转挤压方式被提供。本申请中描述的所有元件，可适用于该两种挤压之一。
然而，按旋转挤压的轴对称光学装置，面对额外的挑战。图17c画出熟悉的情形-来自光波导320的光线20被变向，向下朝向中心接收器60。但是，按旋转挤压，光线20将必须与盘的半径完全对准，以便射到按设计用于变向的变向光学装置330上（注意，变向光学装置330的尖向下指向旋转挤压的一点）。在图17d中，稍稍偏离中心的光线340未射到变向光学装置330而不到达接收器60。
在图17e中，这是通过使旋转轴位移离开变向光学装置330的尖而被改进的。由此，光线340面对的不是点而是壁350。旋转轴离开光学装置的尖360的距离，能够被调节，以便大体上所有波导的光20被捕获，使效率最大化。不足之处是，与相同横截面设计的直线挤压相比，第二级聚集较弱。
图17f画出解决该问题的另一种方案的实施例。变向光学装置尖360被当作旋转轴对待。但是，变向区50有按围绕该轴的周期性间隔被切开的竖直狭缝380。这些狭缝380可以被空气或低折射率包层材料填充，或者变向区的壁50可以用反射器覆盖。偏心的光线340，将射到壁380之一并朝向中心被反射回去。在该“导波壁”的一次或数次反射之后，光线340将最后与变向光学装置370的变向表面相互作用，并被变向，向下到达接收器60。这种方案能够保持在相同横截面的直线挤压中可获得的第二级聚集。如果没有使用反射涂层，即，全内反射是唯一的机理，那么这种方案也使效率最大化。
用于光漫射或照明的相反光学路径
在又另一个实施例中，本申请中描述的光学装置迄今是用于光收集和聚集。然而，相反的光学系统是光的有效的漫射器。
在图18中，光400从光源290进入该设备，在光源290那里，到目前为止都是接收器60-基面上的中央区。光400被变向，经过变向光学装置50进入光波导10，且该光波导10接受大体上水平传播的光，并把它漫射成大体上垂直于波导10表面的输出光线410。波导10的顶表面可以用透镜或其他光学元件调节，以便按任何角度范围发射光。因此，该设备是高度紧凑和有效的漫射器。应用包含，但不限于：LED光学装置、照明设备、点光源、以及汽车的前灯及尾灯。
本发明实施例的前面的描述，已经为说明和描述的目的给出。不企图穷举或限制本发明于已公开的准确形式，借鉴上面的教导，或者可以按本发明的实地应用的要求，修改和变化是可能的。实施例被选定和描述以解释本发明的原理，而它的实际应用，使本领域的熟练技术人员，能在各种不同实施例中并以各种不同的修改，按适合于想到的具体用途，利用本发明。

Claims (13)

1.一种光学聚集系统，包括：
光波导，用于收集和聚集输入光，
接收器，用于接收被聚集的光，
变向光学装置，用于使来自光波导的光变向到该接收器。
2.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置是该光波导的整体部分。
3.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置是从该光波导的分开部件。
4.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置改变由光波导提供的聚集的程度。
5.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置选自由抛物面表面、椭圆表面、双曲表面、弧形、平的反射表面、修整过形状的反射表面、全内反射表面、复合的抛物线聚集器光学装置、光管以及折射部件构成的组。
6.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该光波导和变向光学装置，围绕中心轴被镜面化，以形成至少两个系统，使来自该至少两个系统的接收器组合而形成一个连续的接收器。
7.按照权利要求6中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置，允许来自光波导的一些光折射向该镜像变向光学装置，通过该镜像变向光学装置传输，用于由接收器收集。
8.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该光波导含有光学元件，这些光学元件引导接收器之上的区中的输入光，朝向该变向光学装置的外部面，用于通过该变向光学装置传输到接收器。
9.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该光波导和该变向光学装置，围绕中心轴被镜面化，以形成至少两个系统，使来自该至少两个系统的接收器组合而形成一个连续的接收器。
10.按照权利要求1中定义的光学聚集系统，其中该光学聚集系统是围绕旋转轴轴对称的。
11.按照权利要求10中定义的光学聚集系统，其中该旋转轴与该变向光学装置的边缘间隔开，从而确保来自光波导的离轴光被转移到接收器。
12.按照权利要求10中定义的光学聚集系统，其中该变向光学装置含有竖直的空气狭缝、低折射率材料、或反射材料，从而确保来自光波导的离轴光被反射离开竖直狭缝到接收器。
13.一种光学照明系统，包括：
光源，用于提供输入光，
光波导，用于漫射用于照明的输入光，
变向光学装置，用于使来自接收器的光变向到该光波导。
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