[发明专利]光谱转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要用于太阳能及其它热辐射能光伏转换系统中的光谱转换装置，尤其是由棱镜和正透镜组成的光谱转换装置。 

技术背景

用半导体电池把太阳能直接转变成电能是获取巨大清洁能源的主要手段。其推广应用的主要障碍是电池效率不高(20％左右)和价格太贵。目前，采用聚光-叠层技术和彩色光谱-肩并肩分电池技术来进一步提高太阳能电池效率。 

聚光-叠层技术是利用透镜聚光装置把用不同带隙宽度E_g的材料制成并按E_g大小从上而下叠合起来的太阳能电池放在焦平面上，选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，能大幅度提高电池的转换效率。2002年Olah在美国专利U·S·Pat·NO.6,399,874公开了一种太阳聚光装置，首次利用Fresnel透镜(菲涅尔透镜)的聚光装置，把太阳能电池放在透镜的焦平面上。最近几年，聚光-叠层装置技术取得很大进步，太阳能电池效率达到40％左右，如2008年5月7日展望网编辑发布者panpan称“波音公司子公司Spectrolab有限公司的科学家研制成功具有40％转换效率的三结三层聚光太阳能电池”；又如goagle网2008年11月27日发布“欧盟研发成功具有39.7％转换效率的多结叠层聚光太阳能电池，使用镓、磷、铟和锗等材料，电池效率达40％左右领先水平，但也存在难以克服的难题：①因领先的分电池防碍其后电池而导致进一步提高效率越来越困难；②上千倍聚光比的小小太阳能电池的热负荷太高，导致电池功率和效率的衰减和寿命下降；③使用昂贵而稀缺的热稳定性好的半导体电池材料，对制造工艺的要求十分苛克，难以普及推广。 

彩色光谱-肩并肩分电池技术是通过各种光谱转换装置，把接收到的全部太阳光转换成覆盖在太阳能电池表面上的彩色光谱域，把其分成若干部分并制成肩并肩多结分电池，与聚光-叠层太阳能电池相比更容易提高太阳能电池效率，并具有工作温度低、工作稳定、寿命长和便于制造等优点。为此，人们曾采用各种 光谱转换装置，如在“新概念物理教程·光学/赵凯华·——北京：高等教育出版社，2004.11(2006重印)ISBN7-04-015562-1”一书中介绍一种棱镜光谱仪，它的光谱转换装置由三棱柱镜和直长条正透镜(又称会聚透镜)组成；又如在美国专利说明书“光谱折射分离集结装置系统”(US7，2006，142B1 Apr.17，2007)的发明概要中介绍一种聚焦探测仪，它的光谱转换装置由一块顶面光滑的另一面顶角相等并朝一个方向的直长条组合棱镜和一块直长条无轴向色差的正透镜(菲涅尔Fresnel透镜)组成，在直长条目标装置上获得一个宽能带彩色光谱域；又如在中国专利局公开了发明专利“光谱发电机及其应用”(申请号200810000333.9，公开号101316081A)中提供一种由三棱柱镜和直长条正透镜组成的光谱转换装置。这些技术方案因聚焦在太阳能电池表面上彩色光谱域的宽度过窄并采用平板式分电池结构而难以分割更多肩并肩排列的分电池；制造、调整和维修因无基准而变得困难；或装置系统的结构尺寸过大等而使这一技术失去实际的先进性和适用性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种特殊的光谱转换装置，能获得聚焦在光伏电池表面上更宽能带的彩色光谱域并有供设计、制造、安装、调整和维修的基准，在此基础上又提供一种特殊的由更多的肩并肩排列的单色光分电池组成的光伏电池并能大幅度提高其效率。 

为了解决上述技术问题，本发明所采用技术方案的基本构思是：在物理光学和现有技术的顺着太阳能或其它热辐射能的平行光线或平行的电磁能射线方向依次由一块主截面呈三角形的三棱柱镜或主截面顶角相等并朝一个方向的直长条组合棱镜和一块有或无轴向色差的直长条正透镜组成的光谱转换装置的基础上，在其主截面棱镜顶角朝向的一侧增设一条与平行光线平行的对称轴，使原来的光谱转换装置变成由两块或一块对称的直长条棱镜和同一对称面的两块或一块对称的直长条正透镜组成，使其具有对称相交性，使聚焦在包括光伏电池、显视屏幕和连接窗口的目标装置表面上彩色光谱域对称地合拼在一起而变得更宽，光谱域的颜色分布也发生颠倒排列，并有对称面和主截面上对称轴作为基准；在主截面上具有上述技术特征的还有一种依次由一个圆环棱镜和一个圆环正透镜组成的光谱转换装置。 

本发明第一种技术方案的光谱转换装置，其包括：