双层薄膜全息太阳能集中器/收集器
2020-01-07

双层薄膜全息太阳能集中器/收集器

在本文所描述的各种实施例中,描述一种包含光学耦合到一个或一个以上光电池的一个或一个以上光导(701a、701b、701c)的装置。所述装置进一步包含一个或一个以上光转向膜或层(702a、702b、702c),其包含体积或表面衍射特征或全息图。入射在所述光导(701a、701b、701c)上的光借助于反射性或透射性的体积或表面衍射特征或全息图而转向,且借助于多次全内反射而被导向穿过所述光导(701a、701b、701c)。所述所导向的光被向所述光电池引导。在某些实施例中,太阳能还用于对热产生器供能或加热,以对水进行加热或从蒸汽中产生电。各种实施例可包含设置在所述多个光导(701a、701b、701c)之间的气隙和/或光学隔离层。

图6展不包含三个光导层60`1a、601b和601c的实施例。使三个光导层堆叠以使在任何两个连续光导层之间包括气隙603。将光转向元件602a、602b和602c设置于光导层601a、601b和601c的表面上。每一光转向层包含使光经由不同角度转向的体积或表面起伏衍射特征。举例来说,在图6中,在锥形604内的环境光入射于设置在光导601a上的光转向兀件602a上。光转向兀件602a可使入射光转向成导向模式。以大于临界角的角度耦合离开光转向元件602a的光线(例如,位于锥形605内)将耦合成光导601a的导向模式。以小于临界角的角度从光转向元件602a引出的光线(例如,位于锥形606内)将不会被收集且将入射于设置在光导601b上的光转向元件602b上。光转向元件602b可使入射于其上的光转向。以大于临界角的角度耦合离开光转向元件602b的光线(例如,位于锥形607中)将耦合成光导601b的导向模式,而以小于临界角的角度从光转向元件602b引出的光线(例如,位于锥形608内)将耦合离开光导601b。类似地,光转向元件602c可使入射于其上的光转向。以大于临界角的角度耦合离开光转向元件602c的光线(例如,位于锥形609中)将I禹合成光导601c的导向模式。因此,环境光的大部分可由上文描述的多个光导的堆叠收集。在一些实施例中,在所需的角度和光谱范围内,所有组合的层的累积光收集效率可接近约100%。在某些实施例中,光转向元件602a、602b和602c可使入射光转向近似相同或不同角度。在某些实施例中,光转向元件602a、602b和602c可包含不同表面起伏衍射特征或全息图以使三个光转向兀件的每一者收集不同波长的光。在某些实施例中,不同光导601a、601b和601c可收集不同波长的光。在一个实施例中,堆叠的光导仅可收集那些可由光电池转化为电能的波长的光(例如,可见波长),而可损坏光电池或光导或全息材料的紫外(UV)和红外(IR)辐射从光导层透射出。可将所透射的UV和IR辐射传递到另一元件,例如产热元件。此产热元件可加热水(例如)以提供热水或热量。在一些实施例中,水或其它液体(例如,油)可形成蒸汽。此蒸汽可用于驱动一个或一个以上涡轮机且发电。这些从太阳能辐射产生热的方法可称为太阳能发热。在各种实施例中,太阳能热产生器可用于加热例如水、油等流体或气体以产生电和/或机械动力。

相关申请案的交叉参考

光学耦合到光电池的光收集板、片或膜可具有模块化的附加优点。举例来说,视设计而定,光电池可经配置以便可选择性地附接到光收集板、片或膜且可与所述光收集板、片或膜分离。因此可定期用更新且更有效的光电池替换现有光电池而不必替换整个系统。此替换光电池的能力可大体上降低维护和升级的成本。

如上所述,可将光收集器与PV电池集成以捕获日光且将其转化为电。图1lA展示与光收集器1102集成的PV电池1101的透视图。光收集器1102包含向前表面1102f和向后表面1102r。光收集器1102进一步包含介于向前表面1102f与向后表面1102r之间的多个边缘1102e。如图1lA中所示,可将PV电池1101相对于多个边缘1102e中的一者或一者以上横向设置。可形成光收集器以便捕获和收集不同入射角和不同波长的光且将所捕获的光朝向一个或一个以上PV电池引导。

图1lB展示一实施例的俯视图,所述实施例包含光收集器1102和沿所述光收集器1102的一个边缘设置的PV电池1101。图1lC展示一实施例的俯视图,其中沿光收集器1102的两个不同边缘设置两个PV电池1101,而图1lD展示一实施例的俯视图,其中沿光收集器1102的四个不同边缘设置四个PV电池1101。沿光收集器的一个或一个以上边缘设置超过四个PV电池的其它实施例是可能的。光收集器可经设计以使不同波长的入射光被朝向不同PV电池引导。在一些实施例中,可将PV电池设置在光收集器1102的一个或一个以上隅角处。

对于上文描述的堆叠的复合光收集器的每一实施例,通过设计每一光转向元件以捕获或收集不同角度锥形中的光以及不同光谱区中的光可进一步增加光收集效率。下文详细描述此概念。在图9中展示的实施例900中,多个光导层901、902、903、904、905和906堆叠在一起以形成复合光收集结构。如图9中所示,可将PV电池913相对于复合光收集结构横向设置。如图9A中所示,每一光导层901到906进一步包含包括衍射特征或全息图的光转向元件907到912。不同光转向元件907到912经配置以捕获从周围介质(例如,空气)以不同角度入射于光收集器上的光。举例来说,在一个实施例中光转向元件907可捕获或收集相对于光转向元件907的法线介于约O度与-15度之间入射的光线。光转向元件908可收集相对于光转向元件908的法线介于约-15度与-30度之间入射的光线。而光转向元件909可收集相对于光转向元件909的法线介于约-30度与-45度之间入射的光线。光转向元件910可收集相对于光转向元件910的法线介于约O度与15度之间入射的光线。光转向元件911可收集相对于光转向元件911的法线介于约15度与30度之间入射的光线,且光转向元件912可收集相对于光转向元件912的法线介于约30度与45度之间入射的光线。因此,复合光收集结构可有效收集相对于复合光导的表面的法线介于约-45度与45度之间入射的光。在一些实施例中,复合光收集结构可有效收集相对于复合光导的表面的法线介于约-80度与80度之间的光。在某些实施例中,复合光收集结构可有效收集相对于复合光导的表面的法线介于约±70度或±60度或±50度之间的光。上文指定的收集角度仅为实例。在各种其它实施例中其它范围的收集角度是可能的。

在一些实施例中,可将光学耦合到光电池的光收集板、片或膜附接到衣物或鞋。举例来说,图16说明一夹克或背心,其包含光学耦合到设置于所述夹克或背心的下部边缘周围的光电池1608的光收集板、片或膜1604。在一些实施例中,可将光电池1608设置于夹克或背心的其它地方。光收集板、片或膜1604可将环境光收集、集中和引导到光电池1608。由光电池1608产生的电可用于给手持式装置(例如,PDA、mp3播放器、手机等)加电。或者,由光电池1608产生的电可用于使在黑暗中由航空地勤人员、警察、消防人员和应急工作人员穿戴的背心和夹克发光以增加能见度。在图17中说明的另一实施例中,可将光收集板、片或膜1704设置于鞋上。可将光电池1708沿光收集板、片或膜1704的边缘设置。

在各种实施例中,揭示一种用于收集太阳能的装置,其包含具有顶面和底面的光导,所述光导通过在所述顶面和底面处的多次全内反射将光在其中导向。所述装置进一步包含光电池和透射衍射元件,所述透射衍射元件包含多个衍射特征,所述衍射特征经设置以将入射在光导的所述顶面上的环境光重定向以使所述光在光导中通过从所述顶面和底面的全内反射而导向到所述第一光电池。

使用将光收集且聚焦于PV电池上且追踪太阳一整天的移动的光收集器和集中器可为有利的。另外具有在多云的日子收集漫射光的能力也是有利的。然而此类系统较复杂,通常笨重且庞大。对于许多应用来说,还希望这些光收集器和/或集中器尺寸紧密。有可能使用全息薄膜作为紧密太阳能收集器和/或集中器。

太阳能集中器可用于收集且聚焦太阳能从而在PV电池中实现较高转化效率。举例来说,抛物面镜可用于将光收集且聚焦于将光能转化为热和电的装置上。还可使用其它类型的透镜和镜面来显著增加转化效率。

本文中所揭示的本发明的若干实施例实现以包含全息元件的平坦集中器设备收集日光以传递到光电池处。环境日光由衍射或全息元件捕获且耦合成光导的导向模式。图1A展示包含由空气包围的光导101的实施例的侧视图。光导101可包含对于一个或一个以上波长的辐射大体上光学透射的光学透射材料。举例来说,在一个实施例中,光导101对于可见和近红外区中的波长可为大体上光学透射的。在其它实施例中,光导101对于紫外或红外区中的波长可为可透过的。光导101可包含大体上光学透射的板、片或膜。光导101可为平坦的或弯曲的。光导101可由刚性或半刚性材料(例如,玻璃或丙烯酸系物)形成以便对实施例提供结构稳定性。在其它实施例中,光导101可由例如柔性聚合物等柔性材料形成。在若干其它实施例中,可使用例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚酯(例如,PET)、环烯烃聚合物(例如,Zeonor)等其它材料形成光导101。在一些实施例中厚度可决定光导101为刚性还是柔性的。在某些实施例中,光导101可包含设置于衬底上的薄膜。衬底可为不透明、部分或大体上完全光学透射或透明的。衬底可为刚性或柔性的。 光导101可包含两个表面。上表面经配置以接收环境光。在一些实施例中,光导的底面可粘合到衬底。光导101可以周围多个边缘为界。在各种实施例中,光导101的长度和宽度大体上大于光导101的厚度。光导101的厚度可介于0.1mm到IOmm之间。光导101的面积可介于1.0cm2到10,OOOcm2之间。然而,超出这些范围的尺寸是可能的。

光学耦合到光电池的光收集板、片或膜可具有模块化的附加优点。举例来说,视设计而定,光电池可经配置以便可选择性地附接到光收集板、片或膜且可与所述光收集板、片或膜分离。因此可定期用更新且更有效的光电池替换现有光电池而不必替换整个系统。此替换光电池的能力可大体上降低维护和升级的成本。