| 1、曲光照明系统由光接收端、传输光纤和光发散端三个主要部分组成。光接收端利用棱镜和凸透镜，将太阳的光 线聚集起来， 直接耦合到传输光纤中。 传输光纤将聚集光线进行全反射传输， 传输一定距离之后送到光发散端。 光发 散端直接或者通过光发散器， 将聚集光线照明地下室、 封闭的设备、 白天需要照明的商店等营业场所、 地下仓库和隧 道等太阳光无法通过直线照射的空间。 将聚集光线用来照明太阳光无法通过直线照射的空间。 光接收端采用聚集光线的凸透镜， 该凸透镜位于东、 西棱镜之间的中央的下方。 这个水平设置的凸透镜， 其焦点 位于传输光纤的始端； 由传输光纤的数值孔径 NA和凸透镜制造者方程， 对凸透镜确定最小的太阳高度角 Hft 。 可以 选择棱镜的两个折射面的夹角为 β ,使太阳高度角较小 （早晨或傍晚）时， 经棱镜折射后的太阳高度角 Hs 小于凸 透镜的最小太阳高度角1^ ；则太阳光整天可聚集于传输光纤的最大可接收角 α ∞范围内。设计时最小太阳高度角 可以根据当地辐射统计资料来确定。 一般可以在 20° 至 30° 之间选取。 传输光纤是曲光照明系统中光线传输的介质。 光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包层以及护套构成。 光线从光纤的芯线射向包层时， 能发生全反射， 经反复的全反射可以将光线从一端传输到另一端。 小能量光线的传输可以使用实心光纤。 高能量光线的传输就要使用空心光纤。 采光面积 Α可以根据使用的需要， 按照照明系统（或者光伏系统）的额定功率为 P， 用以下公式确定。 p=(in)A 其中太阳光强度 I可取 03-O5kW/m'， 光的吸收效率 η可取 0.4~0.6之间。 光发散端由光纤藕合器和光发散器等装置组成。 光纤耦合器能将光线从传输光纤的终端耦合进入光发散器。 光发 散端的工作过程为： 光线由传输光纤的终端， 经过光纤耦合器连接到光发散器， 最后由折射凹透镜或者反射凸面镜等 构成的光发散器将光线发散， 送到需要照明的空间。 一般情况， 传输光纤的终端位于光发散器的焦点上。 2、如权利要求 1所述曲光照明系统中，光接收端利用棱镜和凹面镜代替棱镜和凸透镜，将太阳的光线聚集起来， 直接耦合到传输光纤中。 光接收端采用反射凹面镜， 该凹面镜安置在东、 西棱镜之间的中央的下方。 这个水平设置的凹面镜， 其焦点一般 位于传输光纤的始端： 由传输光纤的数值孔径 ΝΑ和凹镜反射方程，对凹面镜确定最小的太阳高度角 Ha 。可以选择 棱镜的两个折射面的夹角为 8，使太阳高度角较小 （早晨或傍晚）时，经棱镜折射后的太阳高度角 Hs不小于凹面镜 的最小太阳高度角 H a ；则太阳光整天可聚集于传输光纤的最大可接收角 a „«范围内。设计时最小太阳高度角可以 根据当地辐射统计资料来确定。 一般可以在 20° 至 30° 之间选取。 3、如权利要求 1所述曲光照明系统中， 光接收端利用光线跟踪器代替棱镜，将太阳的光线聚集起来，直接耦合到传输 光纤中。 光线跟踪器上的每面凸透镜， 可以用一台电脑控制两台马达与太阳同步转动， 当太阳被云彩遮住时， 光线跟 踪器就靠一个钟表装置来带动。 因此只要太阳一露出云彩， 凹面镜立即能对着太阳。 这样每面凸透镜或者凹面镜在白 天随着跟踪器都可以对准太阳。 日落之后， 电脑又将光线跟踪器转向东方。 4、如权利要求 1和权利要求 2所述曲光照明系统中，光源 （一般为太阳）的光线经过光接收端的折射凸透镜或者 反射凹面镜后，到达光隔离器，再由光纤耦合器连接到传输光纤的始端内进行光线的传输；将聚集光束送到光发散端, 在光隔离器内壁上也可以涂一层磷光剂。 当磷光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时， 会发出可见光。 采用不同性质 的磷光剂， 可制成能发出任何所需可见光的光源。 这种可见光可以补充原来可见光的强度。 光接收端还可以采用一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜（或者涂有银或铝的反射凹面镜） ， 把太阳光的平行光 线折射（或者反射）后， 聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中， 该锥体里含有对光线起折射作用的油。 油是一种使 光线高度聚集的物质。 这个锥体把太阳光聚集起来后， 可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米。 5、 如权利要求 1所述曲光照明系统中光接收端。它与光电转换器及其电路组成直光光伏系统。光接收端中的光聚 集器， 利用凸透镜或凹面镜等， 将太阳等光源的光线， 聚焦于光电转换器上； 将光能转换成电能。 6、如权利要求 5所述直光光伏系统中，光源（一般为太阳）的光线经过光接收端的折射凸透镜或者反射凹面镜后， 直接或者通过光隔离器， 将聚集光束耦合到光电转换器。 光电转换器的电路， 将光源的能量转化为电能。 利用染料敏化可将宽禁带半导体的光谱响应拓宽到可见光区；可以制成高效光电转换器，如染料敏化纳晶 Ti02薄 膜太阳光电池。其中纳晶 Ti02薄膜的多孔性使得它的表面积远远大于其几何表面积。单分子层染料吸附到纳晶半导体 电极上； 由于其巨大的表面积， 可以使染料敏化纳晶半导体电极具有高的光电转换效率和光捕获效率。 染料分子受光 激发生成激发态。 若染料分子激发态能级高于半导体的导帯能级， 而且两者的能级匹配， 则激发态染料就会将电子注 入到半导体的导帯中。 注入到导帯中的电子可以瞬间达到膜与导电玻璃的接触面而进入到外电路中； 可以储存或传送 光生电动势产生的电能。 7、如权利要求 5所述直光光伏系统中，光电转换器还可以采用半导体二极管。多晶硅、单晶硅 入少量硼、砷 碲化镉 （CdTe) 、硒化铜铟 （CuInSe)等都是制造光电转换器的半导体材料。利用硅砷化镓等窄禁带半导体， 也可制 成实用光电转换器。 利用凸透镜或凹面镜聚集光能的方法， 可增加光电转换器所接收的光能强度和提高光能的转换效率等。 光电转换 器的开路电压大于其禁带宽度， 不会产生电压因素损失。 在光电转换器的吸收光线的表面上涂上一层非常薄的吸收率高的选择性涂料， 或形成一层发射率低的其他材料的 薄膜（例如氧化钛、 二氧化铈和三氧化二钽等） ； 这些薄膜在光电转换器的工作光谱范围内是透明的， 并具有牢固的 机械性能， 以及不受温度变化和化学作用的影响； 光电转换器的光线吸收面上还可以涂有各种选择性涂料层。 8、如权利要求 5所述直光光伏系统中， 光电转换器表面还可以设置盖板，要求它能透过红外线、可见光和紫外线 而不能透过远红外线， 这就使得进去的能量大于散失的能量， 提高光电转换器吸收光能的效率； 将光电转换器安置在 有盖板的保护箱中， 成为盖板保护性光电转换器。 9、如权利要求 1所述传输光纤和权利要求 5所述光接收端、光电转换器， 曲光光伏主要由光接收端、传输光纤和 光电转换器三个部分组成。 光源（一般为太阳） 的光线经过光接收端的折射凸透镜或者反射凹面镜后， 再由光纤耦合 器连接到传输光纤的始端内进行光线的传输； 将聚集光束送到光电转换器。 光电转换器的电路将光源的能量转化为电 能。 利用凸透镜或凹面镜聚集的光线通过光纤进行传输， 引入工厂进行光电转换， 使光能转化为电能。 10、 如权利要求 1、 权利要求 2、 权利要求 3、 权利要求 4所述光接收端和权利要求 5所述光电转换器及其电路， 进行不同的组合， 可以形成各种各样的直光光伏系统。 如权利要求 1、 权利要求 2、 权利要求 3、 权利要求 4所述光接收端和传输光纤以及权利要求 5所述光电转换器及 其电路， 进行不同的组合， 可以形成各种各样的曲光光伏系统。 |
曲光照明技术将广泛应用于地下室、封闭的设 备、 白天需要照明的商店等营业场所、地下仓库和 各种隧道等照明领 域； 聚光光伏技术将广泛应用于光电转换等太阳能 利用领域。这些系统的能 ^取之不尽、用之不竭的可再生能源。
背景技术 折射凸透镜（或反射凹面镜）可改变光传播路 径。平行于主光轴入射到折射凸透镜（或反射 凹面镜） 后的光束，将汇聚于焦点上；斜入射到折射凸 透镜（或反射凹面镜）后的平行光束，将汇聚 于焦平面上形成一个光团。
光纤（Optical Fiber)是光导纤维的简称。头发丝般粗细的光纤 ，是用玻璃或透明塑料作为芯线，裹以折射率 比芯 线折射率小的包层。如果一束光进入一根光纤 的一端之内时被全反射； 只要光纤曲率不太大，.光沿着曲线光纤传输
光纤线路可高空敷设，不怕雷击，不易受潮， 耐高温，抗腐蚀，工作稳定。其重量很轻，体 积小，可节省大量材料。 当光线从光密媒质射到光疏媒质时， 如果入射角大于临界角时，光全部被反射回光 密媒质中，这种现象称为全反射 (Total Internal Reflection, TIR)。全反射棱镜优点是：第一，入射光是在 镜内全部反射的：第二，反射光不受 棱镜表面沾污的影响。其缺点是： 光线进入棱镜和从棱镜出来时，一部分光线由 于在棱镜表面上的反射而损失。
由于物体的电子（或空穴）吸收大于其原子束 缚能的光子能量，被激发成为非平衡载流子并 作定向扩散运动而产生 的内光电效应，称为光伏效应。光伏效应又可 以分为三种：金属一半导体接触， P— N结接触和丹伯效应。
能够将光能直接转换成电能或电流的光电转换 器件，称为光电转换器。它是把光能转变为电 能的能量转换器。 完全纯净的、结构完整、不含任何杂质和缺陷 的半导体，称为本征半导体。用 表示本征载流子浓度。
每立方厘米半导体中的导帯电子数，称为导帯 电子浓度，用 n表示，单位为 / cm 3 。
每立方厘米半导体中的价帯空穴数，称为价帯 空穴浓度，用 P表示，单位为 / cm 3 。
半导体载流子浓度是随温度而改变的。当温度 升高，热激发作用增强， 使电子与空穴的产生率超过复合率；但电子 和空穴的浓度增加到一定数值， 它们的产生率与复合率又正好抵消，达到新的 平衡。
半导体两种载流子的浓度乘积等于它的本征载 流子浓度的平方。即
n p = n, 2 (1)
在纯净的本征半导体材料中掺入施主域受主） 杂质后，施主域受主）杂质电离放出大量能导 电的电子域空穴） 使这种半导体的电子浓度 n大于（或小于）空穴浓度 。这种主要依靠电子（或空穴）导电的半导体 称为 N型（或 P型） 半导体。其中电子（或空穴）是多数载流子； 空穴（或电子）是少数载流子。
在 P型半导体和 N型半导体的紧密接触处，由于扩散必然形成 PN结。同时在 PN结的 N区侧形成一个正电荷区， P区 侧形成一个负电荷区。这个区域称为空间电荷 区（图 2) 。 空间电荷区内的正负电荷形成一个电场，称为 自建电场。它使得 N区和 P区之间存在电势差。这个电势差称为 P 结 的接触电势差 ¾ (图 2)， 可以推导出：
¾ = (k T/ q) Ln (N„N A / n ) (2)
其中： k = 1. 38X 10— 23 焦耳 /开尔文， 为波尔兹曼常量；元电荷 q =1. 6X 10— 19 C;
Ν ί : Ν型区中施主杂质的浓度 Ν Α : Ρ型区中受主杂质的浓度 Τ为绝对温度
光子被半导体表面中原子吸收而产生的空穴一 电子对是非平衡载流子。即使在光子小注入时 ，非平衡载流子空穴浓 度 ΔΡ—定比平衡时的多子浓度 Nno小得多，但又比平衡时的少子浓度 Pno大得多。 由于非平衡载流子的浓度不相同，会 引起非平衡载流子的扩散。因此非平衡载流子 空穴， 由表面向内部扩散。 同理非平衡载流子电子， 由内部向表面扩散。
杂质扩散是在高温下， 中性原子以替位式掺入半导体中，用来改变材 料的导电类型；不会形成电流。
对半导体施加外界作用（注入光子或电子）而 破坏了其热平衡的条件，称为非平衡状态。
半导体处于非平衡状态时，其比平衡状态增加 的载流子（电子或空穴）， 称为非平衡载流子。
对于一块均勾掺入施主或受主杂质的 N型 (¾ PS)半导体，用适当频率 V的光子（即光子的能量大于该半导体的 禁带宽度 Eg) ,均匀照射半导体的表面。由于在半导体表面 薄层内光子被大部分吸收， 价帯空 P (或电子 ΔΝ)吸 收光子能量后从价帯激发到导帯去，从而在导 帯出现了附加的空穴 ΔΡ (或电子 ΔΝ)， 同时在价带也出现了相等的附加 的电子 ΔΝ (或空穴 ΔΡ) , ΔΡ和 ΔΝ就是非平衡载流子浓度，并且有
ΔΡ =ΔΝ (3)
则在该半导体表面的薄层内导帯的电子载流子 浓度为 Νο+ΔΝ，薄层内价帯的空穴载流子浓度为 Ρ。+ΔΡ。
光能转换电能的物理反应现象，可分为以下二 种效应（外光电效应和内光电效应） - 被某种金属表面的电子吸收的光子能量不小于 该电子的逸出功时，则该电子可逸出金属表面 而形成电流。 由于金属 电子吸收光子能量被激发而作定向运动所形成 电流的现象，称为外光电效应。
当半导体表面中的电子（或空穴）吸收不小于 其原子束缚能的光子能量并由满带激发到导帯 或在导帯中作定向运动 所形成电流的现象，称为内光电效应。
由于半导体电子（或空穴）吸收大于其原子束 缚能的光子能量被激发成为非平衡载流子并作 定向扩散运动而产生的 内光电效应，称为光伏效应。光伏效应又可以 分为三种：金属一半导体接触，卜 Ν结接触和丹伯效应。一般情况半导体 中非平衡载流子的产生有两种：一种是光注入 ； 另一种是电注入。
光子被半导体表面中原子吸收而产生的空穴一 电子对是非平衡载流子，即导帯出现了附加的 多子 ΔΝ,在价帯也出现 了同样数量附加的空穴 ΔΡ。附加的空穴-电子对使得半导体中被光照 表面的空穴浓度近似等于 Ν型半导体的平衡少子 浓度 Pno, 电子浓度近似等于平衡多子浓度 Nno。即使在光子小注入时， 非平衡载流子浓度 ΔΡ—定比平衡时的多子浓度 Nno小得多，但又比平衡时的少子浓度 Pno大得多。由于非平衡载流子的浓度不相同， 会引起非平衡载流子自表面向内部 的扩散。因此非平衡载流子空穴由表面向内部 扩散。
如果载流子沿着垂直表面的 X方向运动（图 4)。非平衡载流子浓度随 X的变化可写为 ΔΡ (X) , d P(x)/dx是非 平衡载流子浓度沿 X方向的浓度梯度。
定义： 空穴扩散流密度 j p 为单位时间垂直通过单位面积的空穴数。 扩散流密度与浓度梯度成正比， 则
其中 是比例系数，称为空穴的扩散系数（单位 cm 2 /s) 。
(11)式中负号表示空穴自浓度高的地方向浓度 的地方扩散。即扩散流方向与浓度梯度方向 反。
若光照.恒定，则表面非平衡载流子浓度（ΔΡ) 。恒定。在表面恒定的条件下，半导体内部各 处的空穴浓度不随时间而 改变，形成空穴的稳定分布，称为稳定扩散。
在一维稳定扩散情况下，扩散流密度 j p 也随位置 X而变化。扩散流的改变率（即单位时间在单 体积内积累的空穴 数的增加量）为
d j ? (x) /dx = -¾d 2 ΔΡ(χ)/ d (5)
非平衡载流子由于复合而减少。设 ^是非平衡载流子空穴的寿命。在单位时间、 位体积中空穴-电子对复合的非 平衡载流子中的空穴数,称为空穴的净复合率 ΔΡ(χ)/τ Ρ 。在稳定扩散下，该区域的任意处的非平 衡少子的空穴净复合率 等于少子扩散流的改变率。可得非平衡少子空 穴的稳态扩散方程-
它是一个二阶常系数微分方程。其一般解为
ΔΡ(χ) = A exp(-x/Lp) + B exp(x/Lp) (7)
其中 Lp是空穴的扩散长度， Lp = (Dp ΓΡ) '-；系数 Α、 Β根据边界条件确定。
^型半导体厚度为 W，单位为 cm。则：
①、当半导体样品足够厚， 即 W>>Lp (扩散长度）；边界条件为
当 x=0时， AP =(AP), X ∞时， ΔΡ 0
因此得出（7)式中常数 A =(ΔΡ) 0 ： Β = 0
特解为 ΔΡ(χ) Χ/ Lp) (8)
将（8)式代入（4)式，得扩散流密度为
j= (¾/ Lp) (AP),exp (- x/ Lp) Lp)AP(x) (9)
②、当半导体样品足够薄， 即 W«Lp (扩散长度）；边界条件为
当 x=0时， 厶 Ρ =(ΔΡ), x = W时， ΔΡ = 0
因此得出（7)式中常数 Α =(ΔΡ) 0 exp(W/ Lp) /( exp(ff/ Lp) - expH/ Lp)) (10) B =(ΔΡ), exp(-W/ Lp) /( exp(- / Lp) ― exp(W/ Lp)) (11) 应用双曲函数进行变换，得到特解为
ΔΡ(χ) =(AP)。sh((W - x)/ Lp) /sh(W/ Lp) (12)
由于 W<<Lp，上式可简化为
△P(x) *(AP)o((W-x)/ Lp) /(W/ Lp) =(ΔΡ)。(1- x I W) (13)
此时，非平衡载流子浓度在样品中呈线性分布 ，其浓度梯度为
dAP(x)/dx =(AP) 0 / W (14)
得扩散流密度为
= (AP)A/ W (15)
上式表明，在稳态情况（电子-空穴对的产生 复合处于平衡之中）下，扩散流密度是一个 数，即在单位时间和单 位体积中，非平衡载流子的产生和复合处于平 衡状态之中。
从（9)式和（15)式表明，非平衡载流子扩散流 度与 (ΔΡ),成正比，也与扩散系数成正比，与非平 载流子分布 的这段距离成反比。
因为电子带有- q电荷，空穴带有 + q电荷。其中 q =1.6X10— 。所以它们的扩散运动也必然伴随电流的产生 ，形 成扩散电流。这种扩散电流也称为光生电流。 从（4)式， 空穴的扩散电流为
- q D p d厶 P(x)/ dx (16) 同理可得出， 电子的扩散电流为
J n - q D„dA (x)/ dx (17)
设图 4中 N型半导体的厚度 > Lp (扩散长度）； 空穴的扩散电流为
JPT - q (¾/ Lp) (ΔΡ) 0 βχρ(-χ/ Lp) = (¾/ Lp) ΔΡ(χ) (18)
设图 4中 N型半导体的厚度 W«Ln (扩散长度）；空穴的扩散电流为
J n = - q D n d ΔΡ(χ)/ dx = - q Dp (ΔΡ) , I W (19)
当二极管的 N型区受到大于该半导体的禁带宽度的光子能 激发（图 4)，半导体的原子由于获得光能而释放电子， 形成电子-空穴对；就迫使它处于与热平衡相 离的状态，即非平衡状态；这些大量产生的 空穴对中非平衡载流子 空穴（或电子）被称为光生非平衡载流子， 简称光生载流子。当它们吸收光子（光强较大 ）能量时，光生载流子大量出 现，就产生抵抗反向的自建电场 U„的作用力， 自 N型区表面向 P型区扩散，形成有实用价值的反向电流，称 光生电流， 光生电流受入射光的强度控制，光强越大，光 生电流也越大。光生载流子-空穴在吸收光子 量而浓度大大增加时，在扩 散作用下， 向着与二极管中 P结上的自建电场相反的方向运动， 并在该 PN结的两侧形成与自建电场的正负电荷积累相 反的电荷积累，产生一个光伏电场。即当二极 管的 N区表面受到大量大于该半导体的禁带宽度 ¾的光子照射时，二极管 中 N型区的空穴从被光子照射的表面往 P区的方向移动，同时 P型区的电子往 N区的方向移动，从而在 PN结内部产生从 N型区到 P型区的光生电流；在二极管的 P结上形成光生载流子电势差。它与自建电场 向相反。
以下所指的光源是： 自然界天然的光源，例如太阳等：或者其他光 源，例如激光等。 以下所指的光纤，包括电缆。 光束直接传输是指光束在大气或液体中的传输 ；光束光纤传输是指借助实心或空心光纤，光 束在其中全反射地传输。 发明内容 本发明任务是将折射凸透镜或反射凹面镜等所 聚集的太阳等光源的光束，通过光纤弯曲传输 ， 组成各 种照明系统（称为曲光照明） ·' 同样可以将太阳等光源的聚集光束，通过光电 转换器，使光能大功率和高效率转变成电 量，组成各种光伏系统（称为聚光光伏）；聚 光光伏系统按照聚集光束传输方式，可以分为 直接传输系统（称为直光光 伏）和光纤传输系统（称为曲光光伏）两种。 它们都属于可以廉价和迅速地获取太阳能量的 可再生能源领系统。
定义：在实心或空心的光纤内能够进行弯曲传 输的全反射的光束，称为曲光。
利用凸透镜或凹面镜聚集光束的功能， 可以大功率和高效率地聚集光能。利用光纤可 以为低成本处理和低损耗传输 光束提供了很好的技术支撑； 同时曲光具有能量损耗低、可绕性好、保密性 好等特征。
曲光照明、直光光伏与曲光光伏所需的太阳能 随处可得，无需消耗燃料、无机械转动部件， 维护简单，使用寿命长。 由光生载流子形成的有实用价值的电势差，称 为光生电势差 1½ $ 。 能够产生光生电势差的物体，称为光生电源。 物体中原子吸收光子能量而产生非平衡载流子 抵抗该物体自建电场力的扩散， 由一点 A移动到另一点 B时， 这些载 流子克服电场力所做的功 B 与该载流子电荷量 q的比值 B /q ,称为 A、 B两点之间的载流子电势差。这种由于光生载 流子扩散而产生的电势差，也称为光生电压； 用符号 表示。有实用价值的光生电压， 即为光生电动势11¾实。它除了 抵消自建电场的作用外，还使半导体的空间电 荷区中， P型区帯正电， N型区帯负电。若将外电路接通， 便有电能输出。
在曲光光伏中，光聚焦器的凸透镜或凹面镜的 采光面积 A,要根据光伏反应或使用的需要来确定。直接 太阳光强度 I可取 0. 3— 0. 5 k W/m'，光的吸收效率 ι\可取 0. 4— 0.6之间。曲光光伏功率 P为：
Ρ =(Ι η )Α (20) 其中： 太阳光强度 I的单位为 W/m'，采光面积 A的单位为 m'， 曲光光伏的吸收功率 P的单位为瓦特。
光电转换器的吸收功率 P等于光生电压 1½和非平衡载流子所形成的扩散电流 J扩之乘积。即
P =U光 J扩 （21) 其中：光生电动势 1½ ¾ 的单位为伏特。
设图 4中半导体二极管 N型区被光线照射，厚度 W<<Lp (扩散长度）；根据（19)式、 （20)式和（21)式，得 U ¾ = -(I n )A W/ (q (Z\ P)„) (22) 同理，如果半导体二极管的 P型区被光线照射，其厚度 W « Ln (扩散长度）； 可得
¾ = (I n ) A W/ (q D, (Δ ) , ) (23) 上两式中单位： 太阳光强度单位 I为 W/m 2 ; 光的吸收效率 η是无量纲单位， n可取 0.4—" 0.6之间； 采光面积 A单位为 in ; 半导体厚度 W单位为 .cm; 电荷单位为 C， 电子电荷 q = - 1. 6X 10 C;
空穴（或电子）扩散系数 (或 )单位为 cni 2 / S; 空穴（或电子）浓度△ P (或 Δ N)单位为 / 。
光线在空气介质 n ,中以不同的角度 α 从光纤端面耦合进入纤芯 η ,时， 只有入射角 0 ：大于临界角 0 。时， 所对 应的光源入射角 α 以内的光线才能进入光纤，并在光纤内传输。 在光线从空气进入的纤芯交界面处， 有
sin a m /sin O , == sin a m /sin (90°—Θ : ) == n , / n ,
n ,和 n：分别是光纤芯和包层的折射率。由全反射 的 sin Θ c - n , / n , ，代入上式， 可得 sin Eai -- ( n 1 --- n！ ! ) m I n 0
当光线从空气进入光纤时， n , == 1; 则 α m == arcsin ( n , ! ― n 2 ] ) 1,3
入射光线的总接收角为 2α „。玻璃折射率的数值一般为 1. 5， 则玻璃一空气界面的临界角 Φο为
SinO ο==1/1.5=0.67，
Φο=42°
光纤的数值孔径 (Numerical Aperture ) NA == ( n , ; — n , 2 ) 'S RlJsin a M NA / n , 当 n。== 1时， a arcsin NA ； 数值孔径 A反映光纤的最大可接收角 a «的大小。
由能够聚集太阳等光源光线的折射凸透镜或反 射凹面镜、与其耦合的光纤、光分散器， 可以组成各种曲光照明系统 (图 1)； 同样也可以将这样聚集的太阳等光源的光束， 通过光电转换器，组成聚光光伏系统；按照聚 集光束传输方式 聚光光伏系统可分为直光光伏系统和曲光光伏 系统两种。
1、曲光照明由光接收端、传输光纤和光发散 三个主要部分组成（图 1)。光接收端利用凸透镜或凹面镜，将太阳 等光源的光线聚集起来，直接耦合到传输光纤 中。传输光纤将聚集光线传输一定距离之后送 到光发散端。光发散端直接 或者通过光发散器，将聚集光线照明地下室、 封闭的设备、 白天需要照明的商店等营业场所、地下仓库和 隧道等太阳光 无法通过直线照射的空间。
1. 1光接收端（®1)由能将光线聚焦的光聚集器和 光线送入光纤的耦合装置组 光接收端的工作过程为：它将 光源（一般为太阳）不同方向的大采光面上的 光线聚集于传输光纤的始端内进行光线的全反 射传输。
光接收端是由具有改变光线方向的棱镜（图 5)或者光线跟踪器、聚集光线的凸透镜或者凹 镜（如抛物反光面)等 组成。它将不同方向的平行光线聚集于焦平面 上。棱镜表面还可以涂上一层 "无反射"薄膜，可减少光反射损失。
曲光照明、直光光伏与曲光光伏系统中的光接 收端的结构，可分为光线跟踪系统与不跟踪系 统两种。
1. 1. 1光接收端采用聚集光线的凸透镜（图 1 )，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下 。这个水平设置的凸透 镜，其焦点位于传输光纤的始端；由传输光纤 的数值孔径 Μ和凸透镜制造者方程，对凸透镜确定最小的 阳高度角 H t 。
太阳与地球的地面上某地的相对位置，跟太阳 高度角 H和方位角 Z有关。其数值可以由（24)和（25)公式计算。 设光接收端中棱镜的两个折射面的夹角为 B， 出射光与入射光的偏转角为 ε。光线从折射率 r «i的空气介质，直 线射入折射率为 n梭的棱镜。由 G7)和 （28)公式，可以选择 Θ，使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经 镜折射 后的太阳高度角 不小于凸透镜的最小太阳高度角 H a ; 则太阳光整天可聚集于传输光纤的最大可 接收角 α a Jg围内 设计时最小太阳高度角可以根据当地辐射统计 资料来确定。一般可以在 20°至 30°之间选取。
采光面积 A可以根据使用的需要，按照照明系统（或者 伏系统）的额定功率为 P，用（29)式或者（20)式确定。 其中太阳光强度 I可取 0. 3— 0.5 k W/fflS光的吸收效率 η可取 0.4— 0.6之间。
1. 1.2光接收端采用反射凹面镜（图 6)，该凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的 方（S11)。这个水平设置的 凹面镜，其焦点一般位于传输光纤的始端；由 传输光纤的数值孔径 Μ和凹镜反射方程，对凹面镜确定最小的太阳 度角 。由（27)和（28)公式，可以选择棱镜的两个折 射面的夹角 8 ,使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经棱 折射 后的太阳高度角11 8 不小于凹面镜的最小太阳高度角 Η ；则太阳光整天可聚集于传输光纤的最大可接 收角 α „范围内， 设计时最小太阳高度角可以根据当地辐射统计 资料来确定。一般可以在 20°至 30°之间选取。
采光面积 Α可以根据使用的需要，按照照明系统（或者 伏系统）的额定功率为 P, 用（29)式或者（20)式确定。 其中太阳光强度 I職 0. 3- -0.5 k W/tf，光的吸收效率 η观 O.4"0.6之间。
1. 1.3光接收端可以采用光线跟踪器使折射凸透镜 或者反射凹面镜对准太阳。光线跟踪器上的每 面凸透镜或者凹面 镜，可以用一台电脑控制两台马达与太阳同步 转动， 当太阳被云彩遮住时，光线跟踪器就靠一个钟 表装置来带动。因此 只要太阳一露出云彩， 凹面镜立即能对着太阳。这样每面凸透镜或者 凹面镜在白天随着跟踪器都可以对准太阳。 日落之 后， 电脑又将光线跟踪器转向东方。
1. 1.4光接收端的折射凸透镜或者反射凹面镜的焦 点上还可以设置光隔离器（®10)。光隔离器可 止太阳光反射。 光纤耦合器连接到光纤的始端或终端，进行光 线的分离或合并；将一个或多个输入光波分配 给多个或一个线路输出。 光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。
光源（一般为太阳）的光线经过光接收端的折 射凸透镜或者反射凹面镜后， 到达光隔离器（图 10) ,再由光纤耦合 器连接到传输光纤的始端内进行光线的传输； 将聚集光束送到光发散端。光发散端直接或者 通过光发散器，将聚集光线 照明地下室、封闭的设备、白天需要照明的商 店等营业场所、地下仓库和隧道等太阳光无法 通过直线照射的空间（图 2)。
在光隔离器内壁上也可以涂一层磷光剂。当磷 光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发 出可见光。采用不同性 质的磷光剂，可制成能发出任何所需可见光的 光源。这种可见光可以补充原来可见光的强度 。
1. 1. 5光接收端还可以采用一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜域者涂有银或铝的反射凹面 镜），把太阳光的平行 光线折射（或者反射）后， 聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中， 该锥体里含有对光线起折射作用的油。油是一 种使 光线高度聚集的物质。这个锥体把太阳光聚集 起来后，可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米。
1.2传输光纤是曲光照明系统中光线传输的介质 。光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包 层以及护套构成。按 制造光纤材料的不同，光纤可分为石英光纤、 多组分玻璃光纤、全塑料光纤和掺杂光纤等。 光线从光纤的芯线射向包层时， 能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从 一端传输到另一端。光纤柔软， 弯曲 了也能传输光线。在传输光纤中，还需要应用 一些光无源器件，如光开关等。
不同类型的光纤，传输特性和能量损耗也不同 。光缆的结构形式也多种多样。为了适应各种 特殊照明的需要，还可 以使用导光束。它是将多根光纤按一定的结构 排列组成的光缆。
光是一种电磁波。它的电场和磁场随时间不断 地变化，总是相互正交传输。当电场 E施加到介质材料时，会引起其 原子和分子的极化。在强电场作用下，极化 P和 E的关系是非线性的。当光强达到 1000kW/ c m'时，这种非线性必须考虑。
小能量光线的传输可以使用普通的石英玻璃光 纤，也称为实心光纤。高能量光线的传输就要 使用空心光纤。
1.2. 1实心光纤一般采用石英光纤；它不仅具有低 耗，还有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定 等特点；可以用来 传输可见光、红外线与紫外线。传输可见光的 实心光纤的直径不能太细， 因此一般采用多模光纤。
1. 2.2空心光纤是以细管状空气（或气体）为纤芯 ，采用折射率小于 1的材料（包括金属、聚合物、玻璃、晶体等 为外部管壁。其传光原理与阶梯折射率型的实 心光纤相同，光线在管壁上全反射。光线在这 个细管内壁上边反射边传播。
空心光纤的空心内径可以在 1毫米以上； 并在端部没有反射损失。空心光纤的内部管壁 ，可以涂覆非常薄的吸收率 非常低的材料； 曲光几乎没有吸收损失。理论上气体纤芯可传 输任何波长的光线。
1.3 光发散端由光纤耦合器和光发散器等装置组成 。光纤耦合器能将光线从传输光纤的终端耦合 进入 散器。光 发散端的工作过程为： 光线由传输光纤的终端，经过光纤耦合器连接 到光发散器，最后由折射凹透镜或者反射凸面 镜等 构成的光发散器将光线发散，送到需要照明的 空间。例如凹透镜可以将平行光线发散，或者 将位于焦点的点光源发散。 一般情况，传输光纤的终端位于光发散器的焦 点上。
1. 光致发光转换系统， 由光纤耦合器和光致发光转换器等装置组成。 它的工作过程为： 聚集光线经过光接收端 传输光纤之后， 由传输光纤的终端，经过光纤耦合器到光致发 光转换器，生成的光线，送到需要照明的空间 。
光致发光转换器一般由磷光剂、氧化钛、氧化 硅、氧化锆或者氧化铝等构成；它可将靠近可 见光范围内的红外线和 / 或紫外线，转换为可见光。
1.5 由于太阳光在白天可能被云遮住域者阴天）， 为了解决这个问题，可以将曲光照明系统与聚 光光伏域者电 网）联合使用；共同解决地下室、封闭的设备 、 白天需要照明的商店等营业场所、地下仓库和 隧道等的照明问题。当太 阳光的能量较小或者没有太阳光（包括夜间、 阴天等）时，曲光照明系统可以自动启动备用 的聚光光伏系统域者电网） 的开关。当太阳光的能量较大时， 曲光照明系统可以自动关 1^光光伏系统（或者电网）的开关。
2、直光光伏系统主要由光接收端、光电转换 及其电路二个部分组成。光接收端中的光聚 器（图 1)，利用凸透 镜或凹面镜等，将太阳等光源的光线， 聚焦于光电转换器上；将光能转换成电能。
光源（一般为太阳）的光线经过光接收端的折 射凸透镜或者反射凹面镜后， 直接或者通过光隔离器，将聚集光束稱 合到光电转换器。光电转换器的电路，将光源 的能量转化为电能。 2. 1 光接收端是由具有改变光线方向的棱镜（图 1)或者光线跟踪器、聚集光线的凸透镜（或者 面镜）等组成。 凸透镜（或者凹面镜）将光源（如太阳）的光 线聚集于其焦平面上。它的技术方案与曲光照 明中的光接收端是相同的。
2.2 光电转换器（包括光电池）能将经过聚焦的太 阳光线， 转换成有实用价值的电能。
2.2. 1 通过凸透镜或凹面镜的采光面来聚集光源的直 接辐射， 集中照射在光电转换器的吸收面上，将光能转 变成电 能。其中光电转换器的吸热面积，远远小于釆 光面积。所以热损失很小，可以高度集中光能 ，使单个光电转换器的功率 和电压远远高于没有聚光的现有的单个太阳光 电池。
光电转换器（图 4)不需要任何外加电源， 只要有光线照射它的某些部位，其电路可产生 电势差。它接上蓄电池后 就可对其进行充电；接上负载电路后，其中就 有光电流。光电转换器具有实用价值的电压， 直流为 6伏、 12伏、 24伏。
现有的单个太阳光电池（例如硅太阳光电池） 的电压才 0.5伏左右，不能直接作为电源使用。必须将它 们几十个串、 并联构成太阳光电池方阵或电池板，获得相当 电能，才能作为单个应用单元。
2.2.2利用染料敏化可将宽禁带半导体的光谱响 拓宽到可见光区;可以制成高效光电转换器， 如染料敏化纳晶 Ti0 2 薄膜太阳光电池。其中纳晶 Π0 2 薄膜的多孔性使得它的表面积远远大于其 几何表面积。单分子层染料吸附到纳晶半导体 电极上； 由于其巨大的表面积，可以使染料敏化纳晶半 导体电极具有高的光电转换效率和光捕获效率 。染料分子受光激 发生成激发态。若染料分子激发态能级高于半 导体的导帯能级，而且两者的能级匹配，则激 发态染料就会将电子注入到 半导体的导帯中。注入到导带中的电子可以瞬 间达到膜与导电玻璃的接触面（back contact)而进入到外电路中； 可以 储存或传送光生电动势产生的电能（图 7、图 8和图 9)。图 7为光能转化为电能的直流电系统； 图 8为光能转化为电能 的交流电系统； 图 9为光能转化为电能的交流电直流电混合系统
现有的太阳光电池的吸光面上， 能够将照射其上的光线反射掉相当大的一部分 。这种反射损失是一种很大的光能损 失。例如纯净的硅表面的反射率在 0.4— 1微米波长范围内大约为 30%;其他材料也相当高。
2.2.3光电转换器还可以釆用半导体二极管。多 硅、单晶硅 (1入少量硼、砷）、碲化镉 CdTe)、硒化铜铟 (CuInSe) 等都是制造光电转换器的半导体材料。利用硅 砷化镓等窄禁带半导体， 也可制成实用光电转换器。
现有太阳光电池的开路电压小于其禁带宽度， 这种功率损失称为电压因素损失。
利用凸透镜或凹面镜聚集光能的方法，可增加 光电转换器所接收的光能强度和提高光能的转 换效率等。光电转换器 的开路电压大于其禁带宽度，不会产生电压因 素损失。
①硅光电转换器的核心部分就是 PN结。在厚度约 0. 3— 0. 5毫米的 P型（或 N型）硅的薄片表面涂抹一层非常薄的 反型层，例如扩散法形成 N型层或（P型层），即可形成 PN结。然后在 PN结的两面各加上一个电极，就是一种光电转 器。它只要经太阳光照，就会在两个电极之间 产生电压和电流。金刚石晶体可制成耐高温的 半导体。
光电转换器表面的涂料层有选择性和非选择性 两种。选择性涂料是一种对短波辐射具有高的 吸收率 α， 而自身的长 波发射率 ε ^低的涂料； 可用 α / ε τ > 1表示。若 α ΐ ε τ =1称为中性涂料。若 α / ε τ <1，称为非选择性涂料。 选择性吸收面，是指对太阳的高频福射吸收性 能好，而本身的低频热发射量很少的表面。这 种表面对于太阳能的利用具 有很重大的意义。在太阳光谱选择性吸收膜中 ，基体应选用电阻率小的材料，通常选择铜和 铝等材料。
选择性吸收膜的制造工艺种类很多， 一般为 ^氮 /铝选择性吸收膜或不锈 碳 /铜选择性吸收膜等。
在光电转换器的吸收光线的表面上涂上一层非 常薄的吸收率高的选择性涂料，或形成一层发 射率低的其他材料的薄 膜（例如氧化钛、二氧化铈和三氧化二钽等） ；这些薄膜在光电转换器的工作光谱范围内是 透明的，并具有牢固的机械 性能， 以及不受温度变化和化学作用的影响；光电转 换器的光线吸收面上还可以涂有各种选择性涂 料层。
②蓄电器组或电流负载电路（®7、图 8和图 9)，是太阳能聚光光伏的储能装置或供电装置 在夜间或光照不足以 及负载消耗超出光电转换器（包括光电转换器 ）发出的电量时，蓄电器组可以向负载供电。 蓄电器的基本要求是：低自 放电、长寿命、少维护、高充电效率，价格低 等。 蓄电池就是一种常用^电器。
③调节控制器（图 7、图 8和图 9)主要作用：按用户要求给出稳定的电压或电 、蓄电器过分充电或放电时，可以 报警或者自动切断线路、蓄电器组出现故障时 ，可以自动接通备用的蓄电器组、 电路负载发生短路时， 蓄电器组可以自 动断开并报警。
④防反充二极管（图 7、图 8和图 9)作用是避免由于光电转换器在阴雨天或夜晚 发电时，或者出现短路故障时， 蓄电器组通过光电转换器进行放电。
⑤逆变器（图 8和图 9)的作用就是将光电转换器和蓄电器提供的低 直流电逆变成 220V的交流电。
⑥用电负载是将电能转换为各种能量的设备。
⑦测量仪器：对于小型聚光光伏，只要求进行 简单的测量，测量所用的伏特表和电流表一般 就安装在调节控制器上 对于大型聚光光伏， 就要求配备独立的数据采集系统和微机监控系 统。
2.2.4光电转换器表面还可以设置盖板，要求它 透过红外线、可见光和紫外线而不能透过远 外线，这就使得进 去的能量大于散失的能量，提高光电转换器（ 一般为半导体二极管）吸收光能的效率； 将光电转换器安置在有盖板的保 护箱中，成为盖板保护性光电转换器； 几种有代表性的盖板保护^ t电转换器为：
单层玻璃盖板并带有选择性涂料的光电转换器 ；单层玻璃盖板表面涂层为选择性吸收膜的光 电转换器； 盖板采用塑 料透明薄膜的光电转换器；在盖板和光电转换 器之间放有垂直蜂窝透明材料的光电转换器； 在寒冷地区使用时， 可采用 双层玻璃盖板或玻璃一塑料透明薄膜夹层盖板 的光电转换器； 当保护性光电转换器用于中高温环境时， 必须使用选择性 涂料层盖板并加入透明的玻璃棉。
3、 曲光光伏主要由光接收端、传输光纤和光电转 换器三个部分（图 3)组成。光源（一般为太阳）的光线经过光接 收端的折射凸透镜或者反射凹面镜后，再由光 纤耦合器连接到传输光纤的始端内进行光线的 传输； 将聚集光束送到光电 转换器。光电转换器的电路将光源的能量转化 为电能。利用凸透镜或凹面镜聚集的光线通过 光纤进行传输， 引入工厂进 行光电转换，使光能转化为电能。 3. 1 曲光光伏中的光接收端（图 1) ,可以釆用棱镜和凸透镜系统：或采用棱镜和 面镜（图 11)系统； 或者采用 光线跟踪器和凸透镜等；将光线直接聚焦于传 输光纤的始端，通过光纤传输到终端后；将光 线耦合到光电转换器（图 3) . 光接收端是由具有改变光线方向的棱镜（或者 光线跟踪器）、聚集光线的凸透镜（或者凹面 镜）等组成。它将光源（如 太阳）的光线聚集于焦平面上。它的技术方案 与曲光照明中的光接收端是相同的。
3.2传输光纤是曲光光伏中光线传输的介质（图 3)。光线从光纤的芯线射向包层时，发生全反 ，经反复的全反 射可将光线从一端传输到另一端。光纤弯曲了 也能传输光线。
小能量光线的传输一般使用普通的石英玻璃光 纤，也称为实心光纤。它与曲光照明中实心光 纤的技术和结构相同。 高能量光线的传输一般就要使用空心光纤。它 与曲光照明中的空心光纤的技术和结构是相同 的。
在曲光光伏中，光纤还需要应用一些光无源器 件， 如光开关等。
3.3 光电转换器 (包括太阳光电池)能将经过聚焦的从传输光纤 终端出来的太阳光线，转换成有实用价值的 能, 它与直光光伏中的光电转换器技术方案是相同 的。
3.4在曲光光伏中，光电转换器、蓄电器、调节 控制器、逆变器、防反充二极管和测量仪器等 ，与直光光伏系统中 相应的器件是相同的（图 7、图 8或图 9) 。
3.5 曲光光伏系统可实现工厂化生产。即将太阳光 接收端安装在建筑物和厂房的屋顶、荒地、厂 房空地、道路的架 空层、露天的场所； 而利用传输光纤将聚集的光束引入厂房， 光电转换器（包括太阳光电池）直接放在厂房 之内。
4、将光接收端、传输光纤、光发散端进行不 的组合，可以形成各种各样的曲光照明系统
将光接收端、光电转换器及其电路进行不同的 组合，可以形成各种各样的直光光伏系统。
将光接收端、传输光纤、光电转换器及其电路 进行不同的组合，可以形成各种各样的曲光光 伏系统。
附图说明
图 1 采用凸透镜的曲光照明示意图。光接收端的折 射凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。 该水平凸透镜使在 适当的太阳高度角范围内， 太阳光聚集于传输光纤的始端上；传输到光纤 终端后， 光线直接或通过光发散器进行照明。
图 2 采用光隔离器等的曲光照明示意图。它由能将 光线聚焦的光接收端、防止光线反射回来的光 隔离器和将光线送 入光纤的耦合器、传输光纤、能将光线从光纤 的终端耦合到光发散器的光纤耦合器、光发散 器等组成。
图 3 采用光隔离器等的曲光光伏示意图。它由能将 光线聚焦的光接收端、防止光线反射回来的光 隔离器和将光线送 入光纤的耦合器、传输光纤、能将光线从光纤 的终端耦合到光发散器的光纤耦合器、光电转 换器等组成。
图 4 光电转换器示意图。它不需要任何外加电源， 只要有适当的光线照射， 即可产生电势差。它接 _1奮电器后，就 可以对其进行充电；接上负载电路后，其中就 有光生电流。
图 5 光线在棱镜中传输的示意图。该玻璃棱镜的角 是 45° - ~90°— 45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面上' 以 45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃 空气的临界角 42°； 光线作全反射， 从第二个较短的面射出。 图 6 凹面镜反射光线示意图。与光轴平行的光线， 经镜面反射后聚集于焦点上。其他平行光束经 凹面镜反射之后 会聚于焦平面上一点而产生一个亮点。
图 7 光电转换输出直流电示意图。它由光电转换器 、蓄电器、直流电负载、防反充二极管、测量 仪器和控制器组成。 图 8光电转换输出交流电示意图。它由光电转换 、蓄电器、交流电负载、逆变器、防反充二 管、测量仪器组成。 图 9光电转换输出交流电直流电示意图。它由光 转换器、蓄电器、直流电负载、交流电负载 逆变器、防反充二 极管、测量仪器以及调节控制器等组成。
图 10光隔离器结构示意图。它含有永久磁铁和 45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转， 使起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光，实现光隔离。
图 11 采用凹面镜的曲光照明示意图。光接收端的反 射凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。 该水平凹面镜使 在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于传 输光纤的始端上：传输到光纤终端后，光线直 接或通过光发散器进行照明。
具体实施方式 曲光照明系统中光接收端将聚集的太阳光，送 入传输光纤始端；经过一定距离的曲线传输之 后，到 达光纤终端； 通过光发送端进行照明。聚光光伏系统中光接 收端将聚集的太阳光，送到光电转换器，其电 路产生电流或 电动势。其中如果聚集光线直接送到光电转换 器， 就是直光光伏系统； 如果聚集光线通过光纤传输一定距离之后，才 送 到光电转换器， 就是曲光光伏系统。
1、通过具有聚集光束功能的折射凸透镜域反 凹面镜）等组成的光接收端、能够传输曲光 光纤、将光束发散的 凹透镜（或凸面镜），可以组建各种各样曲光 照明系统（图 1、图 11) 。
光接收端由能将光线聚集于光纤始端接口的光 聚集器组成。它也可以由光聚集器、防止光线 反射回来的光隔离器和 将光线分路送入光纤的耦合器等组成（图 2)。光接收端的工作过程为：
光接收端是由具有改变光线方向的棱镜（图 5)和聚焦平行光线的凸透镜或者凹面镜（图 6)等组成（图 1)。它也 可以由光线跟踪器和凸透镜或者凹面镜（图 6)等组成。光聚集器可将平行光线聚集于光纤 端，送入传输光纤之中进行 一定距离的全反射传输； 然后通过光纤耦合器，进入光发散端进行照明 。
1. 1光接收端（图 1)由棱镜和凸透镜或者凹面镜等组成。其中东 西棱镜分别位于凸透镜上部的东面和西面， 相 互对称的。在太阳高度角较小时，棱镜改变太 阳光的方向； 使太阳光经过棱镜之后， 能够通过凸透镜进 输光纤内。
1. 1. 1 光聚集器可以采用棱镜和凸透镜（图 1)，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下 。这个水平设置的凸 透镜，应当满足在适当太阳高度角范围内，太 阳光可以聚集于该凸透镜下面的传输光纤始端 上（图 1) 。
太阳与地面上某地的相对位置，跟太阳高度角 和太阳方位角有关。
太阳高度角 H和方位角 Z的数值可以由以下公式计算：
sin H =sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ωί (24)
sin Ζ = - sin ωΐ cos δ / cos Η (25) 式中 Φ --- ---某地的地理纬度；
ω --- ---地球绕轴旋转的角速度， 近似为常数 15° /小时；
t 平均太阳时， 中午以前为负； 中午以后为正，
t = t st - ( L s t -- 。 s ) /15 - 12 ; 其中 t st 为时区标准时间， L 51 为标准时根据的经度； L los 为某 地的经度。
δ……太阳赤纬角， 可用近似公式
5 = 23.45° sin (360° (284 + No) / 365)) (26) 上式中 No —年中的第几天。 方位角 Z: 正南方向为 0: 东南方为负， 西南方为正。
最简单的反射棱镜， 如图 5所示。棱镜的角是 45°—90° --45° 。光线正入射到棱镜的一个较短的面上， 以 45° 的 入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃一空气 的临界角 42° 。所以光线作全反射，在偏转 90° 之后，光线从第二个较短 的面射出。
光接收端中棱镜的两个折射面的夹角为 e，出射光与入射光的偏转角为 E，从折射率 1的空气介质，直线射入 折射率为 Π棱的棱镜。 由折射定律， 可得
Π ¾ / Π 0 = Sin[(6 + e)/2 ]/Sin(8/2) (27)
n棱 Sin[(8 + e)/2 ]/Sin(fl/2) (28)
可以选择棱镜角 0，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时 一般可选择 20° — 30° )，经棱镜折射后的太阳光, 再经过凸透镜折射之后， 能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端上， 并且满足入射光线在传输光纤的总接收角范围 内。
光接收端的棱镜和透镜的采光面积， 要根据使用的需要， 由该系统需要的额定功率 P确定。 直接的太阳光强度 I可 取 0.3— 0.5k W/Hf, 光的效率 η職 0.4~0.6之间。 则采光面积 Α为：
Α=Ρ/(Ιη) (29)
根据经验， 透镜的焦距 f一般情况下- 当 A=l.5 m,时， 选 f = 0.6~ 0.65π
当 Α=2.0 ηι'时， 选 f = 0.7— 0.75m；
当 A=2.5itf 时， 选 f ≥ 0.8m；
太阳光从折射率近似为 1的空气中， 射到折射率为 n的光纤， 如果入射角 β大于临界角 Φο时， 就会发生全反射。 临界角 Φο =二 arcsin (1/ n) (30)
根据早晨与傍晚的透镜边缘的太阳光线射入传 输光纤的入射角大 ΐΐδ界角 Φο， 可以确定太阳的高度角 Η的范围。从 太阳高度角 Η的范围， 可以确定棱镜的两个折射面的夹角 β 。
透镜的有效长度 a可以用焦距 f (m)和所确定的当地最小太阳高度角 H Din (度)代入以下公式： a =f tg (90° - H J (单位： m ) (31) 最小太阳高度角 Η η 可根据当地太阳辐射统计资料来确定，一 般在 20°—30°之间选择。
透镜的宽度 b可以用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (度)代入以下公式：
b =f tg(0. 8 Φ - 11° ) (单位： m ) ( φ ^ 23. 5° ) (32)
b =f tg ( 8° ) (单位： m ) ( Φ <23· 5° ) (33)
1. 1. 2 光聚集器可以采用棱镜和凹面镜（图 11 )，该凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下 。这个水平设置的凹 面镜，应当满足在适当太阳高度角范围内，太 阳光可以聚集于该凹面镜上面的 ft输光纤始端上（图 1) 。
可以选择棱镜的两个折射面的夹角 β，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时 一 择 20° - 30° )，经棱镜 折射后的太阳光，再经过凸透镜折射之后，能 聚集于位于其焦点的传输光纤的始端上， 并且满足入射光线在传输光纤的 总接收角范围内。
1. 1. 3 图 1中也可以不使用棱镜，而将凸透镜或凹面镜 接安装在光线跟踪器上。这样可以使它们一 对准太阳光。 光线跟踪器采用东西水平和上下垂直方向、双 轴自动跟踪设备， 以带动光聚集器和位于凸透镜或凹面镜的焦点 上的 传输光纤的始端，共同跟踪太阳移动，使凸透 镜或凹面镜保持与光线垂直，最大限度地接受 光线辐射的光能，提高曲光 照明系统的效率。光线跟踪器的动力由聚光光 伏存储在蓄电器中的电能提供。它可以实现高 精度、高可靠性、制造成本 低的三维空间非线性运动。它为大规模、高效 率利用太阳能， 奠定了可以提供选择的设备基础。
光线跟踪器的机械传动部分由东西水平方位和 垂直方向仰角驱动电机及低齿轮间隙、高强度 、高精度、高减速比的 减速器组成， 保证了整机的精度。由于减速器的减速比很高 ， 因此大大减少电机的驱动力和功率；方位和仰 角驱动电机 的功耗小于 1 W。 由于光线跟踪器每天从东到西跟踪太阳只转动 180°，夜间从西向再返回到东向， 一天只转动一圈，机 械磨损极小，寿命很长。
1. 1. 光隔离器是一种只允许单方向传输的光学器件 。对光隔离器要求是隔离度大、插入损耗小和 价格便宜。 光隔离器可用法拉第磁光效应原理制成,如图 10所示。它含有永久磁铁和 45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转， 使起偏器和检偏器互成 45° ,就可切断反射光， 防止光线反射回来，实现光隔离。
在光隔离器的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷 光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发 出可见光。采用不同性 质的磷光剂，可制成能发出任何所需可见光的 光发散器。通常用的磷光剂有：发出粉红色的 硼酸镉；发出绿光的硅酸锌； 发出蓝光的钨酸钙； 发出白光的混合物。
光纤耦合器连接到光纤的始端或终端，进行光 线的分离或合并。光束从光纤始端进入，传输 到另一端 C终端）出去。 光纤耦合器的作用是将一个或多个输入光波分 配给多个或一个线路输出。 目前耦合器的形式主要有 T型耦合器、星 型耦合器、方向耦合器等。光纤耦合器是将光 线迸行分路、合路、插入和分配的光学器件。 按器件结构基本可以分为四 种： 微光元件型、光纤成形型、光纤对接耦合型和 平面波导型。选择耦合器的主要依据是实际应 用场合。表示光纤耦合 器性能的主要参数有插入损耗、附加损耗、耦 合比和隔离度等。
光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、重复性好、开 关速度快、消光比大、 寿命长、结构小型化和操作方便。
目前使用的光开关可分为两大类： 一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜 来实现光路转换的机械式光开关； 其中微机械光开关，采用机械光开关的原理， 但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上 。另一类是利用固体物理效 应，如电光、磁光、热光和声光效应等的固体 光开关。
1. 1. 5将光纤的始端利用透明材料密封后，直接安 在聚光凸透镜映射在存储有油的透明锥体中 焦点上。
1. 2对光纤的基本要求是： 从光接收端（图 1 )或者光隔离器（图 10)耦合进光纤的光功率最大； 光纤的传输窗口 要满足系统应用的要求。具体设计时要根据使 用条件，进行折衷考虑：
在可见光范围（400ηιη— 700™)内，光线在光纤中的衰减要足够小。 同时考虑连接器、接头和耦合器的损耗。因此 要正确选择光纤的类型。光纤的纤芯尺寸较大 时，可减少光线的耦合损耗。
光线在空气介质 n冲以不同的角度 α从光纤端面親合进入纤芯 m时，有的光可以在光纤中传输，有的光不能 光纤 中传输。由于 n。<m，不是所有角度入射的光线都能进入光 纤芯，并在光纤芯内进行传输。只有一定角度 范围内的光线射 入纤芯内时，产生的反射光符合一定的条件， 才能在光纤内传输。根据折射定律，只有入射 角 8大于临界角 Φο时，所对 应的入射角 a max以内的光线才能进入光纤传输。
最大接收角的两倍 2 a max为入射光线的总接收角。光纤的接收角为- a ==2 a max
连接损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径 的公差、不圆度、纤芯和包层同心度误差要尽 可能小，使得连接损耗 最小。传输小能量的光线可以使用普通的石英 玻璃实心光纤。传输高能量的光线就要使用空 心光纤。
可用于全反射地传输光能的光纤束，称为导光 束。它可以由刚性和柔性的光纤束构成。光纤 束中的光纤在始端和发 送端的排列顺序可以是任意的。光纤束在导光 束的始端和发送端，可以排列成不同的截面形 状， 以满足各种特殊的照明 需要， 如各种信号灯等。
1. 2. 1普通的石英玻璃实心光纤，可分为单模光纤 多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯 射率 Step Index , SI)型光纤与渐变折射率（Graded Index， GI)型光纤。
由于太阳光的聚光束直径通常是数百微米以上 ， 一般采用多模光纤。实用中光纤不仅要求低损 耗，还要有好的弯曲 特性、耐热性、化学稳定性等。石英光纤满足 这些条件，并且在 l m附近具有最低损耗，可以用来传输可见光和 外线。
1.2. 2空心光纤也称为空心波导。空心波导一般使 对传输波长的折射率小于 1的材料做波导管。其传输光线原理与 阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上 全反射。
光线在金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤 的涂覆层上多次反射，具有较高的反射率。其 支撑管可用金属或玻璃。 1. 3 光发散端（图 2)由能将光线从光纤的终端，耦合进入的光纤 合器和光发散器等装置组成。光纤耦合器是 光纤中的光线引入光发散器中。光发散器主要 为发散凹透镜（或为凸面镜）。凹透镜可以是 球面凹透镜， 也可以是柱面 凹透镜。一束平行光线入射到发散凹透镜后， 经折射变成发散光线。一般情况下，该发散透 镜的焦点为传输光纤的终端, 可以根据需要，将聚焦的太阳光通过各种发散 透镜，形成各种不同的照明光线。
1. 光致发光转换系统由光纤耦合器和光致发光转 换器等装置组成。光纤耦合器是将光纤中的光 线， 引入光致发光 转换器中。一般情况下，该发散透镜的焦点为 光纤的发送端。可以根据需要，将聚焦的太阳 光通过各种光致发光转换器 形成各种不同的照明系统。光致发光转换器一 般由磷光剂涂抹在透明体（如玻璃、透明塑料 等）上构成； 该涂层是非常 薄的。当光线照射在这种光致发光转换器上， 可见光直接透过；其他辐射光波（红外线、紫 外线）转换为可见光。
1. 5太阳光不可能在白天一直发出正常的光线。 可能被云遮住，或者有时是阴天。为了解决 个问题，可以将该 系统与聚光光伏的蓄电池联合使用； 或者将该系统与电源联合使用。当光纤中的太 阳光的能量较小时， 自动启动聚光光 伏的蓄电池或者电能的开关，通过电流， 使照明电灯点亮，弥补太阳光照明系统的不足 。当光纤中的太阳光的能量较大 时，可以自动关闭聚光光伏的蓄电池或者电源 的开关。
2. 直光光伏主要由光接收端和光电转换器二个部 分组成。光聚集器将太阳光直接聚焦于光电转 换器上（图 1) ,在 光电转换器上出现光生电势差，利用电路可以 储存或传送光生电动势产生的电能 7、图 8和图 9) 。
直光光伏中的光聚集器（图 1 )，利用凸透镜或凹面镜，将太阳等光源的光 ，聚焦于光电转换器内。光聚集器将太 阳等光源的光线， 直接聚焦于光电转换器上，通过电路产生电流 （图 4) 。
2. 1光接收端是由具有改变光线方向的棱镜、聚 光线的凸透镜（或者凹面镜）；或者光线跟 器等组成（图 1 ) 。 它将光源（如太阳）的光线聚集于传输光纤的 始端内。它的技术方案与曲光照明中的光接收 端是相同的。
半导体 N型区或 P型区的长度 a可以用焦距 f (m)、经过棱镜和凸透镜（或者凹面镜）作用后 的相当的当地最小太 阳高度角 H Bin (度)代入（31)公式计算获得。
半导体 N型区或 P型区的宽度 b可以用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (Ι)代入（32) 、 (33)公式获得。
2. 2 直光光伏系统中，光电转换器（包括光电池） 能将经过聚焦的太阳光能，转换成有实用价值 的电能。
2. 2. 1光接收端将太阳或其他光源的光线，直接聚 于光电转换器上（图 4) ,在光电转换器上出现光生电势差，利 用电路可以储存或传送光生电动势产生的电能 （图 7、图 8和图 9)。它们就是直光光伏。
光电转换器的光电流与光线亮度呈线性关系。 经光聚集器聚集的太阳光强可以增大到 100倍，其光生电动势或光生 电流亦可增大到 100倍。即可以用一个聚光光伏的太阳光电转换 器，产生出 100个现有单个太阳光电池的电流。
2. 2. 2利用染料敏化，可将宽禁带半导体的光谱响 拓宽到可见光区；可以制成高效光电转换器 如染料敏化 Ti0 2 薄膜太阳光电池。其中纳晶 Ti0 2 薄膜的多孔性使得它的表面积远远大于其 几何表面积。单分子层染料吸附到纳晶半 导体电极上； 由于其巨大的表面积，可以使染料敏化纳晶半 导体电极具有高的光电转换效率和光捕获效率 。染料分子受 光激发生成激发态。若染料分子激发态能级高 于半导体的导带能级， 而且两者能级匹配，则激发态染料就会将电子 注入 到半导体的导帯中。注入到导帯中的电子可以 瞬间达到膜与导电玻璃的接触面（back contact)而进入到外电路中； 可 以储存或传送光生电动势产生的电能（图 7、图 8和图 9)。图 7为光能转化为电能的直流电系统； 图 8为光能转化为电 能的交流电系统； 图 9为光能转化为电能的交流电直流电混合系统
2. 2. 3光电转换器一般采用半导体二极管。多晶硅 单晶硅 (1入少量硼、砷）、碲化镉 CdTe)、硒化铜铟（CuInSe) 等都是制造光电转换器的半导体材料。利用硅 砷化镓等窄禁带半导体， 也可制成实用光电转换器。
光电转换器一般由半导体材料制成。它按照材 料划分为硅光电转换器、硫化镉光电转换器和 砷化镓光电转换器等。 硅光电转换器是以硅材料作为基体的光电转换 器,如单晶硅光电转换器、多晶硅光电转换器 非晶硅光电转换器等。 硫化镉光电转换器是以硫化镉单晶或多晶为基 体的光电转换器。砷化镓光电转换器以砷化镓 为基体材料的转换器。 磷化铟（InP)和砷化镓（SaAs)光电转换器的效率 都超过 20%。磷化铟光电转换器在接受与硅光电转换器 同样的粒 子辐射后，不仅性能下降幅度小，而且在常温 下性能可以恢复。磷化铟光电转换器可用常规 的扩散工艺， 也可采用化学 气相沉积工艺。
杂质掺入法是将可控制数量的施主杂质和受主 杂质掺入半导体内，形成 P 结、 自建电场、接触电阻等各种结构，达 到改变半导体的电学特性之目的。它的两种主 要方式是扩散和离子注入。
杂质掺入法的扩散注入是在高温、高浓度梯度 情况下， 由杂质原子在晶格中的运动来完成的。在这种 方式中，杂质 原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积 到硅晶片的表面，然后从表面到体内单调下降 ，其杂质分布主要是由温度 和扩散时间来确定。
热扩散的恒定源扩散和限定源扩散分别由余误 差函数与高斯函数来描 扩散工艺的结果可以用 PN结深、薄层电阻 和杂质浓度分布的测量来评估。
杂质掺入法的离子注入是掺杂离子以离子束的 形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有一 个峰值分布； 杂质分布 主要由离子质量和注入能量决定。
离子注入分布可以由高斯分布来近似。相对于 热扩散，离子注入工艺的优点是掺杂量可以精 确控制，重复性好且处 于较低的工艺温度。离子注入对半导体器件性 能具有决定作用。它包含： 多次注入以形成特殊分布； 选择适当掩蔽材料 与厚度， 以阻挡一定比例的入射离子进入衬底；倾斜角 度注入， 以形成超浅结； 高能注入以形成埋层等。
①将太阳光聚焦，直接照射在二极管半导体制 成的光电转换器上，可以得到有实用价值的电 能。这种利用太阳能发 电的光电转换器技术，安全可靠、无噪声、无 污染。它可以无人值守，也无需架设输电线路 ； 可以利用建筑物的屋顶、 海滩、沙漠、荒地等进行发电。光电转换器所 需能量随处可得，无需燃料、无机械转动部件 ， 维护简单， 使用寿命长。
在光电转换器（例如 N型半导体）的吸光面上可以涂上能有效吸收 光的多层涂料。例如， 其中第一层涂料对照射 在其上的光线只吸收不反射，防止光能的损失 。它由氧化硅制成。第二层是光能吸收率高的 金属陶瓷层。该两层可以采 用磁控溅射的方法制作。第三层是采用杂质热 扩散技术， 在该块 N型半导体内扩散进足够数量的 P型杂质，补偿原有的 导电类型，是以建立反导电类型的半导体技术 制成的。这 3层总厚度可以只有 100纳米。这种多层涂料涂在光电转换器 上，可达到高效的光一电转换效率。
光谱选择性吸收膜工艺技术： 化学转换、电镀、喷涂热分解、氧化着色、真 空蒸发和磁控溅射等。
由于光电转换器要求在太阳光谱中能吸收最大 的能量，在红外光谱中热损最小（即热发射率 小）， 因此釆用磁控溅 射镀膜方法。 "溅射"就是用荷能粒子轰击物体， 从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。 一般溅射装置形成薄膜 是利用真空辉光放电， 加速正离子使其轰击靶材表面而出现磁控溅射 现象，使靶材表面放出的粒子、原子、离子等 沉积 到基体表面上， 以形成薄膜。
②蓄电器是将光电转换器发出的直流电储存供 负载使用。在聚光光伏中， 蓄电器处于浮充放电状态。 白天太阳能通 过光电转换器给蓄电器充电， 同时还要给负载用电。晚上负载用电全部由蓄 电器供给。因此要求蓄电器的自放电要小， 充电效率要高。蓄电器可以是铅酸蓄电池、硅 胶蓄电池和镍镉蓄电池。
光电转换器产生的直流电进入蓄电器储存，它 的特性影响着聚光光伏的工作效率和特性。
③调节控制器的功能是根据聚光光伏的要求和 重要程度而确定。调节控制器由电子元器件、 仪表、继电器和开关等 组成。在聚光光伏中，调节控制器的基本作用 是为蓄电器提供最佳的充电电流和电 快速、平稳、高效为蓄电器充电， 并在充电过程中减小损耗、延长蓄电器的使用 寿命。同时调节控制器保护蓄电器避免过充电 和过放电现象的发生。如果 用户使用直流负载，通过调节控制器还能为负 载提供稳定的直流电。
④防反充二极管的作用是避免由于光电转换器 在阴雨天和夜晚不发电时，或线路出现短路故 障时， 蓄电器通过光电 转换器进行放电。它串联在聚光光伏的光电转 换器电路中； 起单向导通的作用。一般要求防反充二极管（ 阻塞二极管） 能承担足够大的电流，而且正向电压降要小， 反向饱和电流要小。防反充二极管一般选择合 适的整流二极管。
⑤逆变器的作用是将光电转换器和蓄电器提供 的低压直流电，逆变成 220伏交流电。它通过全桥电路，采用处理器 控制调制、滤波、升压等，获得与照明负载相 匹配的正弦交流电供用户使用。
2.2.4光电转换器还可以制成保护性光电转换系 。它由透明盖板、隔热材料、光电转换器和 壳等部分组成。它一 般分为：单层玻璃盖板并带有选择性涂料的光 电转换器或者表面涂层为选择性吸收膜的光电 转换器；盖板采用塑料薄膜 的光电转换器；在盖板和光电转换器之间放有 垂直蜂窝透明材料的光电转换器等。寒冷地区 使用时，可采用双层玻璃盖 板或玻璃一塑料薄膜夹层盖板的光电转换器。 盖板材料可以采用高强耐热玻璃板（HSG)、 甲基丙烯酸甲酯板（MMA)和 玻璃钢板（ERP)等。
3、曲光光伏中光接收端，将太阳或其他光源 光线，通过凸透镜或凹面镜，聚焦于传输光 的输入端口（始端）的 光隔离器上；或者直接聚焦于光纤的输入端口 （图 3)；利用光纤将光线传输到光电转换器上转化 电能。
曲光光伏主要由光接收端、传输光纤和光电转 换器三个部分组成。即光源（一般指太阳）输 出的光线，经过光接收 端（图 1 )的凸透镜或凹面镜的聚集，并使光纤始端的 口和该凸透镜或凹面镜的焦点重合，通过光 把光线从一端传送 到另一端，到达光电转换器，将光能转换成电 能（图 3)。这样可以引入工厂化、 自动化的光电转换生产。
3. 1曲光光伏的光接收端， 与曲光照明的光接收端相同。
3. 2光纤是曲光光伏中光线传输的介质（图 3)。曲光光伏的传输光纤，与曲光照明的传输 纤相同。
根据凸透镜边缘的光线，射入光纤的入射角大 于临界角 Φο ,可以计算太阳的高度角范围。从太阳高度角 范围，可 以确定棱镜的两个折射面的夹角 β。
^体 Ν型区或 Ρ型区的长度 a可以用焦距 f (m)和最小太阳高度角 Η (度)代入（31)公式求出。
半导体 Ν型区或 Ρ型区的宽度 b可用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (度)代入（32)或（33)公式求出。
曲光光伏的光纤， 与曲光照明的光纤基本相同。
光源的光线能够从光纤的一端而曲线传输到光 纤的另一端。利用光纤的曲线传输光线的功能 ，可以组建各种各样采 用太阳光进行工厂化生产的曲光光伏。
3. 3 曲光光伏的光电转换器，与直光光伏的光电转 换器相同。
光电转换器由杂质半导体构成。在光电转换器 （例如 Ν型半导体）的吸光面上，可以涂上能有效吸 光源（太阳） 的光线的多层涂料。这些与直光光伏中的光电 转换器相同。
光谱选择性吸收膜工艺技术：化学转换、 电镀、喷涂热分解、氧化着色、真空蒸发和磁 控溅射等。
3. 曲光光伏中，蓄电器、调节控制器、逆变器、 防反充二极管和测量仪器等，与直光光伏相同 （图 7、图 8或图 9)。
4、将光接收端、光发散端、光电转换器及 电路、传输光纤进行不同的组合，可以形成 种各样的曲光照明系统 直光光伏系统和曲光光伏系统。
Next Patent: AUXILIARY VIEWING DEVICE OF CAR