JP2008133716A - 光起電屋根瓦システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 太陽瓦システム(10)を提供する。
【解決手段】 該太陽瓦システム(10)は、複数のエッジ(16)を有しており、面(28)を通る光(30)を受光するように構成され、全内部反射によって光(30)を該エッジ(16)に向かって案内するように構成された蛍光集光装置(26)を含む。該システム(10)はまた、該エッジ(16)の少なくとも1つに連結され、光(30)を受光して、その光(30)を電力に変換するように構成された光電池(24)を含む。該システム(10)はさらに、該蛍光集光装置(26)と該少なくとも1つのエッジ(16)の該光電池(24)との間に配置された光学的整合界面層(34)を含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は概して光すなわち太陽電池に関し、より詳細には、光電池を屋根瓦および外観要素等の建築要素に組み込んだシステムに関する。
太陽光発電エネルギーは、電力の重要な源になりつつある。単体の太陽電池発電装置の使用に加えて、住居用および商業用建築の屋根は光起電装置を取り付けるのに大変都合よくできている。屋上での光起電装置の幅広い支持と使用を達成するために、美的要求を満たさなければならず、ひいては従来の屋根と外見や形状を一体化させなければならない。さらに、風雨密や局所的に予測される気候条件への耐性など、従来の屋根材のすべての要件を満たすと同時に、現地の法典や慣習に合わせることも必要である。従来の屋根製品に対する要件の枠を超えて、光起電屋根材はユニットからユニットへの電気的接続、さらには最終的に建物内への接続用の手段を提供しなければならない。
光起電力変換器等の太陽エネルギー変換器は一般的に、材料費が高く、設置費が高く、ひいては生産されるエネルギーのコスト(すなわち、1kWh当たりのコスト)が高い。材料費を削減するための取り組みの1つは、複雑な光学面構造によって光電池上に太陽放射を集中させること(集光)である。新しい技術では光起電屋根システム上に蛍光集光装置を採用して、吸収光を光電池上に集中させて案内する。
米国特許第4,110,123号公報 米国特許第4,153,813号公報 米国特許第4,159,212号公報 米国特許第4,173,495号公報 米国特許第4,268,709号公報 米国特許第4,644,716号公報 米国特許第6,059,438号公報 米国特許第6,476,312号公報
しかしながら、相当量の光が光電池上に案内されずに蛍光集光装置から漏れて、最終的な収集エネルギーが減少してしまうことがよく見られた。これにより、光起電屋根システムの効率が低下する。
したがって、上述の問題に対処すべく改善された技術の設計が望まれている。
本発明の一態様にしたがって、複数のエッジを有しており、面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を含む太陽屋根瓦システムが提供される。該システムはまた、該エッジの少なくとも1つに連結され、光を受光して、その光を電力に変換するように構成された光電池を含む。該システムはさらに、該蛍光集光装置と該少なくとも1つのエッジの該光電池との間に配置された光学的整合界面層を含む。
本発明の別の態様にしたがって、複数のエッジおよび複数のスリットを有し、面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を含む太陽瓦システムが提供される。該複数のスリットは、隣接エッジの全長に満たない長さまで伸びる。該システムはまた、該スリットの少なくとも1つの中に配置され、光を受光して、その光を電力に変換するように構成された光電池を含む。該システムはさらに、該蛍光集光装置と該スリット内の該光電池との間に配置された光学的整合界面層を含む。
本発明の別の態様にしたがって、太陽屋根瓦の組立方法が提供される。該方法は、光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つの上に界面層を配置するステップを含み、該光起電屋根瓦は面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を有する。該界面層は、該蛍光集光装置と光学的に整合する。該方法はまた、該界面層に隣接するエッジに沿って光電池を配置するステップを含む。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より理解できるであろう。
以下に詳細に記述するように、本発明の実施形態は光起電屋根瓦システムとその組立方法を提供する。該光起電屋根瓦システムは、屋根瓦上の蛍光集光装置に取り付けられた少なくとも1つの光電池を含む。本発明の実施形態は、該光電池を該屋根瓦に取り付けるさまざまな様式を開示する。この明細書において、「蛍光集光装置」は基板と該基板内に分散する少なくとも1つの粒子を含み、複数の方向から光を吸収する吸収スペクトルを有する。一例では、100ナノメートルを超える吸収スペクトルを含み得る。吸収光は、一般的に該少なくとも1つの粒子から該蛍光集光装置の少なくとも1つのエッジに放射される。適切な蛍光集光装置のさらなる詳細は、2004年11月19日出願され、本発明と同じ譲受人に譲渡された「蛍光集光装置を備えた光起電屋根瓦構造の屋根要素および外観要素」という名称の米国特許公開公報第2006/0107993A1号で見ることができ、そのすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
次に図面を見ると、図1は本発明にしたがった例示的な光起電屋根瓦システム10の斜視図である。光起電屋根瓦システム10は、複数のエッジ16、18、20および22を備える重なった波形の光起電瓦12および14を含む。本明細書において「エッジ」という用語は、光起電瓦12および14それぞれの外側端を示す。光起電屋根瓦システム10はまた、エッジ16、18、20および22の少なくとも1つに連結された少なくとも1つの光電池24を含む。本発明の例示的実施形態では、光電池24は1つのエッジ16上に配置してもよい。光起電屋根瓦システム10はまた、入射光30を受光して、全内部反射によってエッジ16、18、20および22に向かってその光を案内するように構成された蛍光集光装置26を上面28上に含む。光電池24は、電気パネル、集電および配電システム等(図示せず)への電気的接続用の手段を提供するために導線32を含み得る。例示的実施形態では、波形瓦12および14は、光電池24を有するエッジが覆われて光起電屋根瓦システム10に魅力的な美的外観を与えるように重なっていてもよい。光電池24で使用される半導体材料の非限定的ないくつかの例は、シリコン、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、硫化銅インジウム、2セレン化銅インジウムガリウム、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンを含み得る。エッジ16の光電池24に到達する入射光30の強度を向上させるために、ミラー(図示せず)を光電池に連結されていない他のエッジ18、20および22の少なくとも1つに連結してもよい(例えば、そのようなミラーエッジからの光を光電池に到達するまで装置の内部に再び反射させる)。
図2は、図1に示される波形の光起電瓦12の斜視図であって、本発明の態様にしたがったエッジ16に連結される光電池24を示す。光電池24は、図1で参照されたように、入射光30からの全内部反射によって伝達される光を受光するように構成される。光電池24上の内部反射光線の強度を向上させるため、光学的整合界面層34がエッジ16と光電池24の間に配置される。界面層34は、エッジ16に入射する光線が界面層34内で屈折し、さらに光電池24内で屈折するように光学的に整合する。これにより、光から電力への変換効率が向上する。
図3は、図1の光起電瓦12の部分断面図である。エッジ16は、図1で参照された蛍光集光装置26と光電池24の間に配置された図2で参照された光学的整合界面層34を含む。光学的整合は、蛍光集光装置26と界面層34の間の界面36で、さらに界面層34と光電池24の間の界面38で生じる。特定の実施形態では、光学的整合界面層34の屈折率は、蛍光集光装置26の屈折率と光電池24の屈折率の積の平方根とほぼ等しくなり得る。蛍光集光装置26の材料の非制限的ないくつかの例は、ポリメチルメタクリレートおよびポリスチロールで使用されるポリカーボネートやセラミックを含み得る。光学的整合界面層34の非制限的ないくつかの例は、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板および光学接着剤であり得る。光学的整合界面層34の厚さは、一般的に約0.01mm〜約1mmの間で変化し得る。現在考えられる実施形態では、光電池24の層の厚さは約5μm〜約1mmの間で変化し得る。
図4は、図1の光起電瓦12の部分断面図であって、図1で参照された入射光30の全内部反射と図2の光学的整合界面層34を介した光学的整合を示す。例示された実施形態では、図1で示される入射光30が、図1で参照された蛍光集光装置26の底面40と、蛍光集光装置26の図1で参照された上面28との間の全内部反射によって、光線42で示されるように伝達される。光線42はさらに、光線44で示されるように、最終的にエッジ16に入射するまで上面28で反射する。光線44は、屈折のスネルの法則にしたがって、蛍光集光装置26と光学的整合界面層34の間の図3で参照された界面36で光線46のように屈折する。屈折光線46はさらに、光線48で示されるように、光学的整合界面層34と光電池24の間の図3で参照された界面38に入射する。光線48は、法線50から界面38への入射角が光学的整合による法線からの反射角とほぼ等しくなるように屈折する。同様に、別の実施形態では、入射光線54は、光線56で示されるように、界面36に入射するように全体的に内部反射させてもよい。光線56は、光線58のように光学的整合界面層34を通して屈折させ、さらに光線60のように光電池24を通して屈折させてもよい。
図5は、光電池66の保護を行う光起電エッジ外枠64を含む、本発明にしたがった例示的な光起電瓦62の断面図である。光起電瓦62は、対向するそれぞれのエッジ68および70を含む。光起電瓦62はまた、入射光74をエッジ68および70に向かって全体的に内部反射させるように構成された蛍光集光装置72を含む。光電池66は、光学的整合界面層76を介してエッジ68で蛍光集光装置72に連結することができる。上述したように、光学的整合界面層76は、図4を参照して説明したように、蛍光集光装置72と光電池66の間で光学的整合を行う。光起電瓦62はまた、エッジ70に連結されたミラー78を含み得る。ミラー78は、入射光74をさらに反射させて、光起電瓦62の効率を向上させる。
一例として、入射光74を底面80と上面82で全体的に内部反射させ、各々のミラーエッジ70によって再び反射させて、一連の全内部反射光線84をもたらし、最終的にエッジ68の光電池66に入射する光線86を得ることができる。光起電エッジ外枠64は光電池66を取り囲むことができ、光電池66を極端な気象条件や他の環境影響から保護することができる。光起電エッジ外枠64はまた、光電池66の機械的保護を行う。同様に、ミラーエッジ外枠88はミラー78を取り囲んで保護することができる。光電池66は、電気的接続用の手段として、接続箱92を通過する導線90を含み得る。有害な紫外線から光起電瓦62を保護するために、底面80と上面82上にコーティング94を設けてもよい。光起電エッジ外枠64は、クランプ96を介して蛍光集光装置72の上面82と蛍光集光装置72の底面80に固定することができる。同様に、ミラーエッジ外枠はクランプ98を介して蛍光集光装置72の上面82と底面80に固定することができる。
図6は、複数のエッジ102、104、106および108を有する光起電瓦100の別の例示的実施形態の斜視図である。光起電瓦100は上面112上に蛍光集光装置110を含むことができ、上面112を通る入射光線114を受光して、全内部反射によって入射光線114をエッジ102、104、106および108に向かって案内するように構成されている。光起電瓦100はさらに、エッジ102、104、106および108に隣接する蛍光集光装置110の上面112に複数のスリット116を含む。一例では、スリット116はエッジ102とエッジ106に隣接している。現在考えられる実施形態では、スリット116の長さはエッジ102、104、106および108のどの長さよりも短い。別の実施形態では、エッジ106に隣接する第1列のスリット116の間の隙間と重なるように、第2列のスリット116を配置してもよい。これにより、スリット116の間の隙間を通る光の損失が減少する。さらに、これによって光起電瓦100の機械的強度が向上する。光電池118は、光学的整合界面層120に隣接するスリット116の少なくとも1つの中に配置することができる。
光学的整合界面層120は光電池118と蛍光集光装置110の間で光学的整合を行って、光起電瓦100の全体効率を向上させる。特定の実施形態では、光学的整合界面層120の屈折率は、ほぼ蛍光集光装置110の屈折率と光電池118の屈折率の積の平方根になる。さらに、光学的整合界面層120は、光電池114をスリット112に接着するための接着剤の役割を果たすことができる。光電池118は、電気的接続用の手段として導線122を含み得る。
図7は、図6の光起電瓦100の部分断面図である。光起電瓦100は図6で参照された蛍光集光装置100を含んでおり、エッジ102に隣接する光学的整合界面層120に向かって図6に示される入射光114を案内するように構成されている。入射光114は底面124と上面126で全体的に内部反射されて、一連の光線128をもたらし、最終的に光線130のように光学的整合界面層120に入射することができる。図6で参照されたように、光電池118は光学的整合界面層120に隣接して配置される。光学的整合界面層120は、蛍光集光装置110と光電池118の間に配置される。極端な気象条件や他の環境影響から保護するために、光起電エッジ外枠132を光電池118の周囲に配置してもよい。光起電エッジ外枠132は、光電池118に機械的保護を与えることもできる。光起電エッジ外枠132は、蛍光集光装置110の底面124と蛍光集光装置110のエッジ102にクランプ134を介して固定することができる。これは、入射光114の全内部反射に対するあらゆる干渉を回避するのに役立つ。
図8は、光起電屋根瓦システムの例示的な組立方法136のステップを表すフローチャートである。方法136は、ステップ138において、光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つの上に界面層を配置することを含む。例示的実施形態では、界面層は光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つに隣接するスリットの少なくとも1つの中に配置することができる。光電池は、ステップ140において、界面層に隣接するエッジに沿って配置することができる。特定の実施形態では、界面層と光電池は光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つに隣接する複数のスリットの少なくとも1つの中に配置することができる。別の実施形態では、機械的保護と極端な気象条件からの保護を行うために光電池の周囲に光起電エッジ外枠を配置してもよい。さらに別の実施形態では、光電池に連結していないエッジの少なくとも1つの上にミラーを配置してもよい。
本明細書では本発明の特定の特徴のみが例示され、説明されたが、多くの修正および変更が当業者には考えられるであろう。したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神に含まれるそのようなすべての修正および変更の保護を意図するものだと理解されたい。
本発明の態様にしたがった波形の光起電屋根瓦システムの斜視図である。 本発明にしたがった光学的整合界面層を有する図1の光起電屋根瓦の斜視図である。 本発明にしたがった図1の光起電屋根瓦の部分断面図である。 本発明にしたがった光起電屋根瓦への入射光路を示す、図1の光起電瓦の部分断面図である。 本発明にしたがった光起電エッジ外枠を有する例示的な光起電屋根瓦の断面図である。 本発明にしたがった光起電屋根瓦の代替的実施形態の斜視図である。 本発明にしたがった光起電エッジ外枠を有する図6の光起電屋根瓦の断面図である。 本発明にしたがった光起電屋根瓦システムの例示的な組立方法のステップを表すフローチャートである。
符号の説明
10 光起電屋根瓦システム
12 光起電屋根瓦
14 光起電屋根瓦
16 外側エッジ
18 外側エッジ
20 外側エッジ
22 外側エッジ
24 光電池
26 蛍光集光装置
28 上面
30 入射光
32 導線
34 光学的整合界面層
36 界面
38 界面
40 底面
42 入射光線
44 光線
46 屈折光線
48 屈折光線
50 法線
54 入射光線
56 屈折光線
58 屈折光線
60 屈折光線
62 光起電屋根瓦
64 光起電エッジ外枠
66 光電池
68 エッジ
70 エッジ
72 蛍光集光装置
74 入射光
76 光学的整合界面層
78 ミラー
80 底面
82 上面
84 全内部反射光線
86 入射光線
88 ミラーエッジ外枠
90 導線
92 接続箱
94 コーティング
96 クランプ
98 クランプ
100 光起電瓦
102 外側エッジ
104 外側エッジ
106 外側エッジ
108 外側エッジ
110 蛍光集光装置
112 上面
114 入射光線
116 スリット
118 光電池
120 光学的整合界面層
122 導線
124 底面
126 上面
128 一連の全内部反射光線
130 光線
132 光起電エッジ外枠
134 クランプ
136 組立方法
138 光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つの上に界面層を配置する
140 界面層に隣接するエッジに沿って光電池を配置する

Claims (10)

  1. 複数のエッジ(16)を有しており、面(28)を通る光を受光して、全内部反射によって該エッジ(16)に向かって光(30)を案内するように構成された蛍光集光装置(26)と、
    該エッジ(16)の少なくとも1つに連結され、該光(30)を受光して、該光(30)を電力に変換するように構成された光電池(24)と、
    該蛍光集光装置(26)と該少なくとも1つのエッジ(16)の該光電池(24)との間に配置された光学的整合界面層(34)とからなる、
    太陽瓦システム(10)。
  2. 該少なくとも1つのエッジ(16)が太陽瓦(12)の外側端である、請求項1に記載のシステム(10)。
  3. 該少なくとも1つのエッジ(16)が該蛍光集光装置(26)内のスリット(116)によって画定されたエッジ(16)である、請求項1に記載のシステム(10)。
  4. 該光学的整合界面層(34)が、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板または光学接着剤である、請求項1に記載のシステム(10)。
  5. 該光学的整合界面層(34)が、該蛍光集光装置(26)の屈折率と該光電池(24)の屈折率の積の平方根とほぼ等しい屈折率を有する、請求項1に記載のシステム(10)。
  6. 複数のエッジ(102)および複数のスリット(116)を有し、面(112)を通る光(114)を受光して、全内部反射によって該エッジ(102)に向かって光(114)を案内するように構成されており、該複数のスリット(116)が隣接エッジの全長に満たない長さまで伸びる蛍光集光装置(110)と、
    該エッジ(102)の1つに隣接する該スリット(116)の少なくとも1つの中に配置され、該光(114)を受光して、該光(114)を電力に変換するように構成された光電池(118)と、
    該蛍光集光装置(110)と該少なくとも1つのスリット(116)の該光電池(118)との間に配置された光学的整合界面層(120)とからなる、
    太陽瓦システム(100)。
  7. 該光学的整合界面層(120)が、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板または光学接着剤である、請求項6に記載のシステム(100)。
  8. 該光学的整合界面層(120)が、該蛍光集光装置(110)の屈折率と該光電池(118)の屈折率の積の平方根とほぼ等しい屈折率を有する、請求項6に記載のシステム(100)。
  9. 光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも1つの上に界面層を配置するステップ(138)を含み、該光起電屋根瓦は、面を通る光を受光して、全内部反射によって該エッジに向かって光を案内するように構成された蛍光集光装置を有し、該界面層は該蛍光集光装置と光学的に整合しており、
    該界面層に隣接する該エッジに沿って光電池を配置するステップ(140)も含む、
    太陽屋根瓦の組立方法(136)。
  10. 界面層を配置するステップ(138)は、該光起電屋根瓦の該複数のエッジの少なくとも1つに隣接する複数のスリットの少なくとも1つの中に界面層を配置することである、請求項9に記載の方法(136)。
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