[发明专利]辐射收集器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种非成像辐射收集和会聚装置以及组件。非成像辐射收集和会聚装置包括：用于接收入射辐射的进入孔，与进入孔相对的用于输出被会聚的辐射的离开孔，和一个或多个布置在进入孔和离开孔之间的凹面反射器。凹面反射器限定了装置的相对于其光轴的接受角，并且被构造为使所述凹面反射器的光学焦点位于离开孔的边缘和光轴之间，因此大体上防止了在进入孔处在接受角内接收的入射辐射的逸出，并且在装置的离开孔处提供大体上均匀的辐射收集。

技术领域

本申请通常涉及非成像光学领域。更具体地，本申请涉及新颖的非成像辐射会聚器设计，以及涉及基于其构造的辐射收集器装置。

背景技术

非成像光学器件涉及不需要图像形成(即，无需将收集的光线会聚到单独的点)而是需要有效收集和会聚电磁辐射(例如，太阳能转换、信号检测、照明光学器件等)的应用。Roland Winston和芝加哥大学的其他研究人员开创了非成像光学领域的主要工作，他们发明了复合抛物面聚光器(CPC)。

CPC装置是使用反射性抛物表面的会聚型非成像辐射收集器，所述反射抛物表面被设计为会聚不一定与设备的轴平行/对齐的光线。典型地，CPC会聚器装置被设计为接收以大的角展度进入其进入孔(也称为输入孔)的直接的和漫射式的入射辐射，并通过装置的离开孔(也称为输出孔)将辐射会聚到面积相对较小的目标表面上。非成像光学领域的最新工作归功于本-古里安大学的Daniel Feuermann和Jeffrey Gordon。

下面简要讨论一些使用从专利文献中已知的CPC设备的非成像光学系统。

美国专利No.3,923,381和No.4,003,638描述了用于收集和会聚电磁能、特别是太阳能的非成像系统和装置，其包括一个或多个纵向延伸的、一般为槽形的主体，所述主体具有弯曲的内反射壁，以用于会聚从相对大的进入孔向相对小的离开孔的能量。所公开的太阳能会聚器包括即使在至日时也可以收集和会聚大量的直接太阳能的能量阱，而无需大量的日间跟踪。

美国专利No.6,123,436建议使用CPC作为分散器，其具有位于反射器的最小焦点附近的输入孔、大于输入孔的输出孔和连接两个孔的反射内表面。反射光学器件的内表面的一般形状可以是抛物面形、椭圆形、双曲线形、圆形、圆锥形或这些形状的组合。

美国专利No.8,864,343描述了一种发光装置，其包括具有光接收表面、侧反射表面和光发射表面的CPC透镜。光接收表面接收来自表面光源的光的一部分，侧反射面从光接收表面反射光，并且光发射表面面向光接收表面并且发射光。

发明内容

CPC设计是会聚式光伏(CPV)和热太阳能(TS)系统中的成熟领域。然而，在这两种应用中，最大的CPC效率是主要的设计考虑因素，因为所收集的能量典型地被存储(例如，热存储)或被转换和转移(例如，到电网)。因此，当今使用的常规CPC设计方案(在本文中也称为经典CPC设计或装置)主要会聚在最大化天体辐射源(例如，太阳)的整个轨迹(路径)上的能量收集，而忽略了辐射收集均匀性的考虑。

本公开提供了例如CPC的辐射收集器设计方案，所述方案被优化以用于均匀地收集从移动的辐射源发射的辐射。特别地但非排他地，本文中描述的辐射收集器设计方案在如下的应用中是有益的，即其中不转换所收集的辐射能量(例如，如在CPV应用中)而是直接用于照明，并且因此要求在收集器的接受角度上的大体上均匀的辐射收集性能/轮廓。