[发明专利]用于凝聚光辐射的装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学装置，尤其涉及用于凝聚光辐射的聚光器领域。根据本发明的主题制造的聚光器可以用于利用凝聚的光辐射的所有技术领域。它可以用于光谱范围从紫外到红外的光辐射。

背景技术

太阳能(Luminescent solar)聚光器在本领域是公知的，用于捕获和收集来自散布于平板上的发光中心的光。聚光器利用光导中的全内反射捕获发光中心发射的一部分光。发光中心在360度立体角内再次辐射波长较长的光，所以把光传播至板的一边或边缘的小区域的效率低。

本领域公知的太阳能聚光器的一个例子利用了全息图和棱镜或平板；参见例如授予Afian等人的美国专利No.4,863,224。然而，这种太阳能聚光器需要对准太阳，并且不提供任何被动式太阳跟踪能力。

本领域中还公知的一种集光装置包括全息图和全反射表面，用于收集单一入射角处的单色光；参见例如授予Ando等人的美国专利No.5,268,985。然而，Ando等人采用了单个入射角和单一波长，因此需要跟踪装置，并且不能利用整个太阳光谱。

现有技术中公知的另一种聚光器是电磁波聚能器；例如参见授予Tremblay的美国专利No.4,505,264。电磁波聚能器多层介质导板凝聚电磁能量。该发明的缺点是在导板中有大量反射损耗，而在一些比较经济的实施例中吸收损耗高。该发明还具有光学上难以制造的问题，因而制造成本高。

公开日为1999年3月2日，授予本发明者的美国专利5,877,874披露了一种用于凝聚太阳辐射的装置，它采用了全息平面聚光器(HPC)来收集和凝聚光辐射。HPC包括一个平面的、高透明平板和安装在其表面上的至少一个多重复用(multiplexed)全息光学薄膜。该多重复用全息光学薄膜中已经记录了多个具有一或多个角度和光谱复用区域的衍射结构。可以将两个或多个区域构造成提供空间复用。对于寻找对该发明改进的预定目的来说，该专利给出的教导在一定程度上是有用的，本发明代表了这种改进。

存在对这样一种太阳能聚光器的需要，其能够减小太阳辐射凝聚过程中的能量损耗并且利用了大部分太阳光谱，同时减小或消除了跟踪要求。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种光谱选择太阳能聚光器，其中可以把太阳光的不同光谱成分进行凝聚，用作不同形式的能量，如电、光和热。

本发明的另一目的在于减少或消除太阳能聚光器的跟踪要求。

本发明的再一目的在于简化太阳能聚光器的设计和制造。

本发明的又一目的在于提供一种聚光器，其可以按照所需的应用来设计该聚光器的光谱选择性。这里公开的每一个应用具有独特的光谱要求，以便更有效地工作。

本发明的又一目的在于提供一种太阳能聚光器，该聚光器在聚光照明系统中作为UV和IR光的被动式滤光装置。

通过考虑附图和随后的描述，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。

根据本发明，提供了一种用于收集和凝聚光辐射的全息平面聚光器。该全息平面聚光器包括(a)至少一个高透明平板，(b)至少一个设置在它的一个表面上以形成光导结构的多重复用全息光学薄膜，以及(c)至少一个固定在该多重复用全息光学薄膜下面与太阳辐射的入射相反的一侧的光生伏打电池。每个光生伏打电池通过至少一个这种全息光学薄膜来限定横向边界。另外，可以沿Z(垂直)方向形成多个(至少两个)这种薄膜。

多重复用全息光学薄膜中记录有多个衍射结构，该衍射结构具有两个或多个被角度和光谱复用的区域。该多重复用全息图适合于把光辐射耦合至高透明平板中，使得光辐射无损耗并通过高透明平板和多重复用全息薄膜。该全息图的多重复用用来减少全息平面聚光器中的再次耦合(recoupling)损耗。

此高透明平板是多功能的，并按照下述方式实现。首先，它作为全息材料的支撑结构。其次，它为全息材料提供环境防护。第三，它在350至1400纳米(nm)波长范围内提供高的光透射率，这一点对于全息平板聚光器的总效率十分重要。第四，玻璃相对周围空气较高的折射率，对于日间太阳角度变化，它将入射角接收角度从160°全角压缩至大约80°；这样就减小了对全息结构的角度性能要求。第五，高透明平板作为全息平面聚光器装置的全内反射(TIR)辅助聚光器。