JP2008546195A - 太陽光線集中装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１個の透明パネル、前記少なくとも１個のパネルの外辺を取り囲むフレーム（１３０）、前記フレームと少なくとも部分的に交差して延びる少なくとも１個の回転可能な細長い凹型ミラー（１１０）、及び前記フレームと少なくとも部分的に交差して延びる少なくとも１個のエネルギー変換装置（１２０）から構成される窓装置であって、前記ミラーへ入射する実質的に平行な光線が前記エネルギー変換装置上へ反射されることを特徴とする前記窓装置。

Description

本発明は太陽光線集中装置に関する。

化石燃料の減少及び温室ガス放出の懸念から、科学者によって代替エネルギー源の研究が為されている。近年特に検討されている分野は太陽光線からの発電である。

従来の太陽光線パネルは高価であり、１個の太陽光線集中装置で発電することは本質的に不十分である。そのため、有効なエネルギー量を発生させるために大型で高価なパネルが必要とされている。

最近になって、ミラーを用いて光電池上へ太陽光線を集中させるシステムが開発されている。このようなシステムを用いて集中される太陽光線によって、セル単位面積当たりのエネルギー出力の高いエネルギーを得ることが可能となっている。しかしながら、集中装置に用いる太陽セルは高価である。また、このようなシステムには、装置が複雑化してコストも高くなるが、ミラーが太陽を追跡できる追跡装置がしばしば組み込まれる。その場合、システムは繊細なものとなるため、風雨による破損及び摩耗が起こり、定期的な維持管理が必要とされる。

それゆえ、低コストで維持管理でき、比較的低度な技術による製造方法で大量に製造でき、効率的に発電でき、家庭あるいはオフィスへ転用でき、同時に遠隔地であっても独立で稼働可能な太陽光線集中発電システムを提供することは有益であり、本発明者はかかるシステムを提供することを目指してきた。また、かかるシステムは強固かつ耐久性であり、定期的な維持管理が必要とされないものでなければならない。

本発明の一実施態様では、フレームと透明パネルから成る窓枠装置が提供される。この実施態様には、前記パネル内側に配置され、かつ少なくとも部分的に該パネルに亘って延びる少なくとも１個の回転可能な凹型ミラーと、前記パネルに少なくとも部分的に亘って延びる少なくとも１個のエネルギー変換装置が含まれる。この窓枠装置では、ミラー上へ入射する実質的に平行な光線がエネルギー変換装置上で反射されるようになっている。このエネルギー変換装置は、パネルの外側、あるいはパネルが多数のガラス片あるいは他の透明材料によって形成される窓枠内に配置可能である。好ましい実施態様として、ミラーがパネルの間に配置された二重ガラス張り装置がある。かかる実施態様には、ミラー及び可動部品が風雨から保護される利点がある。このように風雨による影響に対して耐久性である必要がないため、安価なミラー及び部品を用いることが可能である。このような窓枠装置の実施態様は壁や屋根に一体化させることができ、あるいは遠隔地や露出した場所において単独装置として使用可能である。

本発明のさらに別の実施態様においては、入射光線を細長い凹型ミラーを用いてレンズ及びエネルギー変換装置を備える従属レンズ装置上へ反射させることによって実質的に平行な太陽光線が集中される。この従属レンズ装置には反射した光線を捕獲するための開口があり、この開口を通過する光線はエネルギー変換装置上へと向けられる。前記ミラーは太陽を追跡し、かつ入射光線を前記開口中へ反射させるため種々方向へ回転可能である。かかる実施態様とすることにより、従属レンズ装置によってミラーに要求されるあらゆる回転角度に対して共通の焦点をもつ要件がさらに緩和され、及び従属レンズ装置中の案内レンズによる太陽光線の集中が増強され、かつ小型のエネルギー変換装置の使用が可能となる利点が得られる。また、これら両利点により、製造コストも低減される。

本発明は添付の特許請求の範囲において種々観点から限定されており、これらの観点について以下に説明する。

発明を実施するための手段

本発明の一実施態様について添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第一の実施態様を示した図である。この実施態様は、例えば遠隔光源、例えば太陽からの実質的に平行な光線を光電池上へ向けて集中させ発電するように設計されている。図１に示した実施態様は窓装置の寸法と同様な寸法をもち、フレーム１３０と第一及び第二透明パネルから構成されている。図１に示した実施態様には複数のミラー１１０が設けられ、これらのミラーはフレームの幅に亘って延びている。これらのミラーによって太陽光線が対応光電池上へ反射される。用いられる光電池は少なくとも部分的に装置と交差するように延びている。これら光電池は従属レンズ装置１２０内に配置されている。従属レンズ装置には光電池、反射光線を捕獲し、及び光線を光電池上へ向けるレンズ、及び前記光電池と熱接触状態にあるヒートシンクが備えられている。

前記ミラーは凹形であり、装置に亘って直線的に延びている。これらミラーはベネチャンブラインド形構造に配置され、各ミラーは日中の太陽の高度を追うために軸に沿って太陽の動きを追跡できるようにその長さ方向に平行な軸を中心として回転可能である。本システムはミラーのあらゆる回転位置において入射光線を従属レンズ装置上へ反射するように設計されている。日中における装置による光線の反射及び捕獲を最適化するため、ミラーは東西方向を向くように調整され、かつ南北方向に回転される。

本発明の好ましい実施態様に従った窓枠装置は、屋根の天窓あるいは垂直壁の窓枠中に配置されて建物と一体化されるように設計される。かかる実施態様によれば、建物中へ拡散光を通過させると同時に直射日光を集めることが可能である。本発明の好ましい実施態様においては、前記フレームは市販の押出し成形窓枠製品を用いて製造可能である。前記ミラー及び従属レンズ装置は前記フレーム内に支持され、該フレームの幅方向へ延びている。ミラー及び可動部品は、それらを破損、環境その他、さらには風雨による影響から保護するため、パネル間に配置される。図１に示した実施態様の場合、前記従属レンズ装置は窓装置の外側へ配置され、パネルの外側へ取り付けられる。そのため従属レンズ装置のヒートシンクは風雨に晒される状態となる。

本発明の好ましい実施態様においては、ミラーを風雨から保護するため、ミラー及び可動部品は穏やかな環境下に配置される。このことは、ミラーは電池及び太陽に対して正確な角度を取らなればならないこと、また風や雨との接触によってミラーの配列が影響を受ける可能性があることから特に重要である。また、ミラーの反射性能を最大化するため、ミラー表面は常に清浄でなければならない。ミラーが風雨から保護される実施態様は、より軽量かつ低コストな材料を用いて、またより経済的な製造方法を用いて製造可能である。このような特徴により、金額面だけでなく寿命の観点からも低コスト化が可能となる。さらに、追跡装置、駆動装置、連結具、及びミラーシステムについてもより安価な材料及び部品を用いて製造することが可能となる。

逆に、前記ヒートシンクは冷環境下に配置されなければならない。それゆえ、ヒートシンクが風雨に晒される状態で配置されることはヒートエレメントにとって有利である。本発明の好ましい実施態様においては、従属レンズ装置を窓の外側へ配置し、ミラー及び他の可動部品を窓の内側へ配置することにより、これらの有利な特徴を組み合わせて利用する。未処理ガラス及びパースペックス(Perspex)は光のミラーへの到達を妨げることなくミラー及び従属レンズ装置を風雨から保護することから、かかる配置にとっては理想的材料である。

前記透明パネルは入射光線を減衰させることがありうる。典型例として、アクリル製シートの場合、ミラー上へ入射する太陽光線は８％程度減じられる。但し、窓ガラスへ透過コーティングを施すことによりこのロスを２％未満まで減少させることが可能である。単純な未処理ガラスなら１６％程度の減衰係数となるが、鉄低含量コーティングガラスを用いることにより光学性能を向上させることが可能である。

別の実施態様においては、多数のパネルは用いられず、代わりにフレームによってミラー及び従属レンズ装置が支持されるか、あるいは単一のパネルを備えて、その後方にミラー及び可動部品が配置される。本発明の実施態様は上述したように建物へ一体化させることが可能であるが、図１に示した実施態様へ窓装置を自立可能とする支持スタンドを含めることも可能である。

本発明の好ましい実施態様においては、単一の電力出力を与えるため、光電池が互いに接続される。

図１に示した実施態様では６個のミラー及び対応光学レンズ装置が用いられているが、別の実施態様として、単一のミラー及び従属レンズ装置で構成すること、あるいは装置の設計上の制約あるいは要求される性能に従っていずれか他の個数のミラー及び従属レンズ装置から構成することも可能である。

更に図面を参照しながら本発明の一実施態様における構成部品及び設計について詳細に説明する。

図２は本発明の実施態様において用いられる基本的な光学配置を示した図である。具体的には、図２にはミラーと対応従属レンズ装置が断面図で示されている。ミラー２１０は凹形であり、その断面形状は円孤状である。別の実施態様において反射光線をより高密度に集中させることができる放物線状の断面をもつミラーを用いて構成することも可能である。このようなミラーはその長さ方向に沿って捩じれたり曲がったりせず、その長さ方向に沿って太陽及び従属レンズ装置に対して一定の角度を保持できるように十分剛性がなければならない。

ミラーはアルミニウムシートから押出し成形によって製造可能である。一般論として、プレスは、プレスが離されるや否や材料がそりかえるように形状化されなければならない。次いで光線の反射を高めるため、ミラーへ反射性材料をコーティングすることが可能である。反射効率が少なくとも９０％となる材料を選択できると理想的である。好ましい実施態様においては、ミラー表面はアルミニウム基板上へｖｍ２０００（３Ｍ社製）を処理して作製される。

ミラーが透明パネルの後方あるいはパネル対の間に配置されて風雨から保護される実施態様とすることによる利点は、室内蛍光照明システム用に大量生産される一般的プラスチックミラーを利用できることである。このようなプラスチックミラーにはプリズムフィルム構造が設けられる。このミラーはアウトドアにおいて使用できるほど十分耐久性ではないが、ミラーを風雨から保護する実施態様において使用するためには適している。プラスチックミラーはアウトドア使用として設計されたより強靭なミラーに比べれば安価である。

ミラー上へ入射された太陽光線２２０はミラーによって従属レンズ装置２３０の方へ反射される。このミラーはその長さ方向に平行な軸を中心として回転可能であり、ミラー２１０の表面上の湾曲中心（Ａ）（放物線状ミラーの頂点）と従属レンズ装置２４０の中心点（Ｓ）を結ぶ線（Ｒ）上に位置している。ミラーの回転方式としては、適当な位置でフレームの方へ旋回する方式と、典型的なベネチャンブラインドのようにローラから吊下げられる方式がある。日中の太陽の上昇角度に合わせてミラーは回転して太陽を追跡し、従属レンズ装置へ入射光線を反射し続ける。従属レンズ装置に対するミラーの位置、ミラー面の湾曲度、及びミラーの回転軸は、ミラーがその最大回転角度に亘って回転しながら入射太陽光線を従属レンズ装置２３０上へ反射し続けるように選定される。本発明の好ましい実施態様においては、回転軸はミラー近くに位置している。ミラーの最大回転角度は、真冬でも真夏であっても、少なくとも日中の６時間に亘って太陽光線を従属レンズ装置に向けて反射できるために十分な角度でなければならない。

真夏の真昼における太陽の垂直線に対する角度は、それが見える場所の緯度よりも２３．５°小さい。例えばロンドン（緯度５１．５°）における前記角度は２８°である。真冬の真昼における太陽の角度はそれが見える場所の緯度よりも２３．５°大きくなる。例えばロンドンにおける太陽の角度は７５°となる。夏至及び冬至の真昼前後の数時間日光を捕獲するために、前記角度はそれぞれ少なくとも１２°増減される。その時間帯をカバーするために必要とされるミラーの回転角度は、回転軸がミラーにあるか、従属レンズ装置にあるか、あるいはそれらの間の部分にあるかによって変動する。

前記従属レンズ装置２３０は、レンズ２４０、レンズ後方に配置される光電池２６０、及びヒートシンク２５０から構成される。この従属レンズ装置には幅ｙをもつ開口が設けられ、従属レンズ装置上へ入射してこの開口内へ入る光線はこのレンズ装置に受け取られる。前記開口を通って従属レンズ装置へ入るすべての光線は光電池上へと向けられる。理想的には、光線は光電池の全面に亘って等密度で入射されなければならない。このような配置によれば、光電池の小面積上へ同数のフォトンが集中されて電池表面全体に均等に分配されず局部的に高濃度となる状態と比較して、光電池の加熱はより少なく抑えられる。それゆえ、レンズの好ましい態様は、入ってきた光線を拡散させて電池全面に亘って入射光線を等密度とするように作用する構成である。従属レンズ装置を用いずに電池上への光線の集中をミラーに依存する実施態様の場合には、電池の局部的表面だけにきわめて高い光濃度の焦点線が生じるため電池の効率性は減じられる。

光電池はヒートシンク２５０と熱接触状態に配置される。本発明の実施態様では適する接着剤、例えばコメリックス・サーマタッチ(Chomerics Thermattach)テープが用いられる。本発明の好ましい実施態様においては、従属レンズ装置及び内設された光電池は装置の全幅に沿って対応ミラーに対向するように渡っている。

図２はミラー及び従属レンズ装置の典型的な断面形状を示した図である。この図には、ミラー、レンズ、ヒートシンクが装置の幅方向に沿って延びている状態が明示されており、これら構成部品のいずれかに途切れや隙間があってもよい。

ミラー及び従属レンズ装置の配置、及びミラーの湾曲度は、ミラーへ入射した光線の最大量が従属レンズ装置に対するミラーのあらゆる可能な角度において従属レンズ装置中へ反射され、従って光電池表面上へ向けられるように選定される。典型例として、本発明の実施態様では反射された光線の少なくとも８０％が捕獲されなければならない。それゆえ、ミラーの湾曲度、ミラーと従属レンズ装置間の間隔、光学レンズ装置の口径サイズ、及びミラーの回転中心は設計パラメータとして相互に関連性を有している。

種々回転位置において従属レンズ装置上へ入射光線を反射させるためのミラー面と入射光線との間の最適角度は回転軸とミラーの湾曲度に依存して異なる。しかしながら、回転軸がミラーに近接している場合、ミラーの中心に対して垂直な面によってミラー（Ａ）の面上の湾曲中心及び太陽と、ミラー（Ａ）の面上の湾曲中心及び従属レンズ装置（Ｓ）との間の角度が二分されるべきである。

本発明の実施態様を窓装置の寸法に適合するように設計する場合、深さを浅くすること、すなわち二重ガラス張り窓パネルあるいは単一窓、あるいはミラー間の間隔を狭くすることが要求される。このような場合、ミラーは最大８０ｍｍ程度の焦点距離でなければならない。

内部に反射光線が捕獲される従属レンズ装置の開口幅ｙを限定することにより、ミラーがすべての回転角度について焦点に関して同一の物理的位置を取らなければならないという要件が緩和される。代わりに課せられる要件は、光線が開口内へ反射されなければならないことだけである。光線を光電池へ直接反射させるのではなく、限定された口径幅をもつ従属光学機器を用いることにより、システムに対する制約は低減される。特に、十分満足される入射光線が従属レンズ装置によって捕獲される限り、異なる回転位置ごとにミラーの物理的焦点を変えることは許容可能である。それゆえ、ミラーの異なる回転位置についてコマを得ることが可能である。コマは、ミラーがそれらミラーの焦点ラインの周りを回転しない場合に生じ、該コマの位置は、ミラーのあらゆる可能な回転角度について光線が従属レンズ装置中へ反射されるように最適化することが可能である。従って、入射光線を捕獲するための口径をもつ従属レンズ装置を含めることによってより安価なミラーを用いることが可能となりシステム全体のコストを引き下げることが可能となる。その結果、このような従属レンズ装置によってミラー面上の湾曲中心に近接する軸を中心としてミラーを回転させる安価な追跡システムの作製が容易化される。従属レンズ装置は一定の集中能で精度の低い追跡を行い、高集合能で一定の追跡精度を得ることが可能である。高集合能をもつ場合、小型で安価な光電池を用いることが可能である。

レンズを組み入れた実施態様が好ましいが、それに代わる実施態様であってもレンズなしに熱変換媒体上へ光線を直接反射させることも可能である。

本発明の別の実施態様において、光電池を熱変換媒体を運ぶヒートパイプに置き換えることも可能である。このヒートパイプによって蒸発及び濃縮を利用して光学レンズ装置からヒートパイプに沿って熱を取り除くことが可能である。あるいは、光電池を中へ水がポンプ注入される能動系に置き換えることも可能である。このような構成のいずれかを用いることにより、パイプ内の熱伝達媒体によって十分な高温まで到達させてタービンを駆動させ、発電させることが可能である。ヒートパイプの場合、最大限に温度を上昇させるため、パイプを薄い真空チューブで取り囲んでもよい。かかる態様とした場合、ヒートパイプをガラス張り装置内に設置することも可能である。

日中、空における太陽の位置は東から西へと水平に移動し、同時にその高度が増減する。図３は東西に配列された装置に対して太陽が水平に通過する例を上方から見た透視図であり、太陽と装置に対して垂直な南北ラインとの間の方位角αが示されている。方位角は日の出（ａ）から減少して真昼頃（ｂ）にはゼロとなり、日没（ｃ）へ近づくにつれて増大する。このような方位角の変化、従ってミラーへの光線の入射角の変化によってミラーによる光線の反射角も変化する。図３ａに示すように、日没及び日の出頃の時間帯に方位角は最大となり、従って入射角３００とミラー３１０面との間の角度は最小となる。これらの時間帯の期間、光電池の部分３２２へは反射光線が当たらない。そのため、光電池の活動長はこれら時間帯には減少する。これら時間帯における光電池の前記部分への光線反射を補足するため、本発明の好ましい実施態様においては、ミラー前面から延び、かつその長さに沿って配置される反射性隆起部が設けられ、これら隆起部によって非照射部分へ光線が戻し反射される。好ましい実施態様では、前記隆起部は円板切片の形状を呈し、ミラー面に対してほぼ垂直に延びている。この隆起部は図４に符号４１０で示されている。別の実施態様では、装置のフレーム面内側にミラーを配置して光線をミラーへ戻し反射するように構成される。

方位角が大きくなることの別の問題として、透明パネルによる光線の減衰がパネルの屈折率及び透明パネルによる入射光線の反射によって増加することがある。このようなロスはコサイン・ロスと称される。従って、方位角が増大するのに伴ってシステムの効率が低下する。

光の取得を最大化するためには、システムは緯度に応じた角度に傾けられ南向きにされなければならない。殆どの緯度における太陽の日の出位置及び日没位置は、コサイン・ロスのため光の捕獲の殆どない極東及び極西の位置であると考えられる。それゆえ、本発明の実施態様は一日６時間前後の期間に効率的に作動するように設計されている。

図５ａ、５ｂ及び５ｃは、本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置の３つの異なる実施態様を断面図で示した図である。各実施態様は、ヒートシンク５００、５００‘、５００“、レンズ５１０、５１０’、５１０”、及び光電池５２０、５２０‘、５２０“から構成されている。ヒートシンクは光電池と接触状態で配置される。従属レンズ装置の実施態様の重要な特徴は、従属レンズ装置中へ反射された光線が光電池へ向けられることである。このことは、レンズ内における全内部反射、あるいはヒートシンク面内側による反射によって達成される。より正確には、レンズあるいはヒートシンクによって入射光線を光電池へ向けることができ、また本発明によって用いる光電池の数をより少なくすることが可能である。光電池のコスト全体に占める割合は高いため、光電池の量を減らせることは装置の全体コストを下げることになり有利な特徴である。さらに光電池へ光線を高い効率で集合させることにより、さらに高い電流が得られる。好ましい実施態様では、入射光線は拡散され、拡散された光線は光電池面へ等密度で与えられる。

図５ａ及び５ｂに示した実施態様にはレンズを備えたヒートシンクが組み入れられている。これらの実施態様では、レンズ内で入射光線を全反射させ、あるいはヒートシンク面の内側から反射させ、あるいは全反射とヒートシンクからの反射を組み合わせる構成とされている。本発明の好ましい実施態様では、ヒートシンク面内側が研磨されるか、あるいは高反射性材料でコーティングされる。この実施態様では、ヒートシンク側部の角度は光線がセルへ向けられるように選定される。好ましい実施態様として、前記側部は図５ａ及び５ｂにそれぞれ示されるように先細あるいは湾曲状に形成される。レンズがヒートシンク内に含められる実施態様には、レンズ及び光電池が風雨による破損から保護される利点がある。このような態様とすることにより、レンズをクリーニングし、従属レンズ装置全体の物理的強度を増大させる必要性も減じられる。

本発明の実施態様では、ミラーは焦点線を中心としていずれの方へも約３６°回転し、あるいはその幾何学的中心に近接する軸を中心としていずれの方へも約１８°移動する。ヒートシンクの外側のデザインは、太陽が中心線の上下３６°間にある時に影ができることによるロスを最小限とすることを目的としたものである。正三角形に近い形状とすることにより、影ができることによるロスが最小限に抑えられるため、ヒートシンクの最大表面部分はこの形状内に適合しなければならない。

好ましい実施態様として、熱伝動性の観点から、電子用途において一般的なアルミニウム製隆起部が用いられる。また、その代用として、マグネシウム製鋳物を用いることも可能である。実際上、適する熱伝動性をもつ材料であればいずれの材料も使用可能である。前記隆起部によって全く強度が付与されない実施態様においては、費用を掛けて直列接続を要する一連の電池からヒートシンクを電気的に分離するのではなく、ヒートシンクを分割して該ヒートシンク上へ電池を直接取り付けることも可能である。

レンズには、好ましくはアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）が用いられる。しかし、特性の適する他の透明ポリマーあるいはガラスを用いることも可能である。これらの材料は容易に入手可能であり、また安価で成形も容易である。またこのような特徴は装置全体の低コスト化にも寄与するものである。

図５ａ及び５ｂの配置においては、熱はヒートシンクによって単純に大気中へ放散される。しかしながら、図５ｃの場合、ヒートシンク５００“は光電池５２０“と熱的に接続される熱伝導媒体を運ぶヒートパイプである。このパイプの作製に一般的に用いられる材料として銅があるが、高圧において用いる場合にはスチールが用いられる。好ましい実施態様において、システムのコストを下げるため、前記パイプ中には空気あるいは水が通される。光電池から熱を吸収した後、この冷却剤を水を加熱するために用いることも可能である。この場合、ヒートパイプによって電池が冷却されることから、周辺に空気は必要とされないため、従属レンズ装置をガラス張り内部へ封入することも可能である。また、別の配置態様（図示せず）においては、ヒートシンクは、シンク内へ水（あるいは他の流体）をポンプで汲み上げる能動システム、すなわち非閉鎖系として構成される。このような場合、その水自体を熱水として利用してもよいし、あるいは別の水を加熱するために用いてもよい。

好ましい実施態様において、ヒートシンクは光電池の長さ方向に沿って延び、かつフレームの幅を亘るように配置される。また別の実施態様において、光電池からの熱エネルギーの取出しをさらに向上させるため、ヒートシンクをフレーム上に配置されたさらに別のヒートシンクと連結することも可能である。

本発明の好ましいにおいては、典型的なワンサン(one-sun)技術及び製造方法を用いる光電池が用いられる。ワンサン電池は太陽光線の一回の集中で作動するように設計されている。しかしながら、本発明の実施態様によって集中は１０倍以上となるため、光電池は最大効率を発揮するように修正されなければならない。好ましい実施態様においては、ＢＰ Ｓｏｌａｒによって開発されたレーザ埋設グリッド技術を用いて修飾されたソーラーテック(Solartec)集中電池、ＢＰ電池、あるいはワンサン電池が用いられる。

本発明の利点は、大量生産されたワンサン電池と容積において価格が同じ電池を用いることができることである。典型例として、単結晶シリコン電池は、間隔が密であり、かつ電池表面に過剰な陰影を生じない微細グリッド線と共に用いられる。グリッド線のスクリーン印刷も適当な方法である。あるいはそれに代えて、薄膜テルル化カドミウム電池を用いることも可能である。

単結晶シリコン電池の効率は温度に依存する。一般的に、この電池は周囲温度２５℃前後で作動するように設計されている。電池の温度が周囲温度以上に高くなると、電池の効率は低下する。典型的には、光電池は全くの直線的温度依存性であり、その効率は周囲温度を超えて１℃高くなる毎に０．５％低下する。それゆえ、光電池の性能を最適化するためには、該電池を可能な限り効率的に冷却することが重要であり、従って設計に際してはヒートシンク配置の選択が重要なポイントである。実際上、熱水が必要とされる場合においては、電池を通常見積もられる温度よりも効率として１８％低い６０℃前後の温度まで能動的に冷やすことができ、熱水に必要な温度が与えられる。地域によっては、周囲温度は４０℃程度まで高くなるため、６０℃は熱水の温度に比べて１０％の効率低下しか与えないことから、これは許容可能な柔軟性であると理解される。

セルの一部分への太陽光線の集中が増加するにつれて、セルのその部分の温度が上昇する。温度が上昇すると効率は低下し、その結果抵抗が増大することから電池内の温度が上昇する。この循環作用ゆえにヒートシンクの重要性が増す。特に、高集中度において作動する小型の光電池によって高レベルの熱エネルギーが生成される。ヒートシンクをさらに別のヒートシンクへ接続してセルからの熱エネルギーの伝導を促進することも可能である。

本発明の典型的な実施態様は、グリッド接続のため、１２あるいは２４Ｖ前後、あるいはそれ以上のバッテリー充電に有用な電圧で作動するように設計される。一個のシリコン電池からは０．５Ｖより少し高い電圧が生成され、電池は電圧あるいは電流を高めるために並列あるいは直列に接続される。電池表面全体に垂直に日光を受けるこのような電池系からは、電池の効率、冷却、及び光学部品によって異なるが、約１１０〜１５０ワットの電力が生ずる。

特定の太陽電池を選択する際に他に考慮すべきことは、システムが作動するように設計された集中度で効率的に作動可能なことである。例えば、本発明の実施態様を光電池においてワンサン集中度よりも２０〜３０倍高い太陽光線集中度を生ずるように設計可能である。より高濃縮用としては、ＮＡＲＥＣ製電池のような高電流を生ずるように設計された電池が適する。

従属レンズ装置の部品の動きを止めるため、レンズと光電池の間に透明な封入材及び光学的リンクを組み込むことが可能である。さらに、レンズと透明パネルとの間にも同様な光学的リンクを組み込むことも可能である。本発明の実施態様においては、いずれか適するシリコンエラストマーあるいは他の適する材料を用いることが可能であるが、Ｓｉゲルは好ましい封入材である。この封入材は透明でなければならず、また光電池が受ける温度に対して耐久性でなければならない。ヒートシンクへ部品を連結するための電子産業における従来の解決法をヒートシンクへの電池の熱接続に応用可能である。電気伝導が必要か、あるいは電気的絶縁が必要かによって方法が選択される。

本発明の実施態様は、太陽光線が従属レンズ装置中へ反射されるように設計される。従って、殆どの実施態様において、ミラーへ入射される太陽光線は従属レンズ装置後方からミラーへ向けられる。このような設計配置は、入射光線の一部が従属レンズ装置によって遮られ、ミラーへの到達が妨げられることを意味する。それゆえ、従属レンズ装置によって遮られる光線を最小限に抑えることが重要である。さらに、太陽は装置に対して移動するが、レンズ装置は静止しているため、従属レンズ装置の設計にあたってはあらゆる入射角を考慮することが重要である。さらに、緯度が違うと太陽の仰角が異なるため、装置の緯度を考慮しなければならない。異なる緯度において用いるように設計された実施態様では、種々角度傾きに形成されて最適化されている。システムが緯度の角度に対して垂直に傾けられていれば、緯度が異なってもこのことに関して殆ど差異はない。しかしながら、例えば縦壁に取り付けられる場合には、レンズ装置の傾き及び位置を変えて電池への光線の入射を最適化する必要がある。

上述したように、ミラーが焦点線を中心として両方向へ約３６℃回転し、あるいはミラーがその幾何学中心に近接した軸を中心として両方向へ約１８℃移動する本発明の実施態様においては、正三角形に近い形状とすることによってシェージング・ロスが最小限に抑えられので、ヒートシンクの最大表面積はこの形状内に収まるようにされる。

さらに、従属レンズ装置によって遮られる光線に関して、前記口径及び従属レンズ装置の物理的サイズについても考慮されなければならない。これは明らかに、足跡を小さくするために小口径とするが、反射光線の大部分を捕獲するための正確なミラーを必要とするようにするか、あるいは生ずる光の足跡が大きい大口径として、正確なミラーを必要としないようにするかの設計上の問題である。さらに、口径サイズが大きくなるにつれて、ミラーと口径によって画定される角度も大きくなるため、追跡精度の必要性も減じられる。また、システムの原価及び必要出力も従属レンズ装置の寸法を決定する上で要因となる。従属レンズ装置の寸法及び性能の例について図８を参照しながら以下において説明する。

図６は本発明の実施態様における光電池６１０〜６５０の接続状態を示す基本回路図である。光電池６１０〜６５０は、図６に示すように、装置を横切るように延び、並列接続されている。しかしながら、別の実施態様において光電池を直列接続することも可能である。並列接続することにより、光電池へ均質でない照射が与えられても光電池の出力が大きく低下しない利点が得られる。これに対し、直列接続された場合には、光電池全体の出力が照射を受けた最小数の光電池の出力まで低下する可能性がある。並列接続の場合、光電池のいずれか１個が高抵抗を受けあるいは接続が遮断された場合でも、直列接続の場合に起こるような他の光電池の電流あるいは性能の大きな低下を起こすことはなく、その光電池を除外させることが可能である。

別の好ましい実施態様では、光電池全体を横切る電気接続６６０が付与される。この態様によれば、光電池のサイズをさらに小さくでき、また小さな効率の悪い部分を除外させることが可能である。

特定の光電池の抵抗は種々理由から増大する可能性がある。その理由の一つとして、ヒートシンクの狭い部分の問題によって起こる光電池の過熱がある。他に、光電池の中断は例えば周囲環境によるダメージによって起こる可能性がある。特定の光電池により生ずる電流が他の光電池によって生ずる電流よりも少なくなる理由として、連携ミラーが入射光線が遮られる位置にあるために光電池が受け取る入射光線が減じられること、またミラーの回転機構に欠陥があって光電池へ反射される光線量が最適化されないことが挙げられる。

本発明の好ましい実施態様においては、太陽の高度を追って自動的にミラーを回転させる追跡システムが備えられる。ミラーは、上述したようにミラーの長さ方向に平行な軸を中心として回転する。本発明の好ましい実施態様においては、このミラー回転駆動機構は時計と接続される。この装置は、該装置に対する太陽の仰角を時間関数として、すなわちミラーに要求される回転角度を時間関数として識別するデータベースを用いてプログラム化されている。

さらに別の実施態様では、日中にミラーが太陽を追跡できるように、標準的な開放ループ型あるいは閉鎖ループ型追跡方法、あるいは開放ループ型及び閉鎖ループ型追跡方法の組み合わせが取り入れられる。単純時計回転システムを用いることにより、時間に対する角度が正確にプログラム化された安価で確実なミラー回転手段をえることが可能である。

本発明の別の実施態様においては、日没後にミラーが元の位置へ戻る機構が備えられる。

ミラーの回転駆動機構はフレーム部分でミラーを旋回させて各ミラーの旋回点をギアシステムへ連結し、次いで該ギアシステムをドライバへ連結することによって与えることができる。別法として、ミラーをフレーム上部にあるローラからベネチャンブラインド形に吊り下げて、該フレームを回転させることによってミラーを回転させることも可能である。

追跡システムが組み込まれていない実施態様のシステムにおいては、ミラーを手動で回転させることが可能である。至点にどの程度近いか、また要求される濃度によって異なるが、回転が必要とされる回数は１日に３回以下である。発展途上地域では全く許容可能であり、維持の容易性も確保され、かつ低コストである。太陽の日中の移動によるコサイン・ロスを最小限に抑えるため、装置全体を極軸を中心として回転し３つの位置に固定することが可能である。この方法は費用節約のためインドにおいて平板型光電池ポンプシステムにおいて用いられている方法である。

図７ａ、７ｂ及び７ｃは、本発明の異なる実施態様における従属レンズ装置及びヒートシンクの種々態様を示した図である。図７ａでは、従属レンズ装置及びヒートシンクは窓パネル外側へ取り付けられている。このような実施態様においては、用いられる接着剤が透明であり、レンズへ入る光線が遮られないことが重要である。本発明のこのような実施態様は比較的単純な構成ではあるが、ミラーから反射された光線を捕獲するため従属レンズ装置は正確に配置されなければならない。

図７ｂでは、窓パネルは連続したガラス片７０１、７０２から成り、そして従属レンズ装置はそれらガラス片の間に配置されている。この実施態様の場合、ヒートシンクには窓を支える窓枠（桟）として機能する別の目的がある。この実施態様によれば、反射光線はレンズへ達する前にガラスパネルを通過しなくともよい利点が得られる。従って、ミラーとレンズ間にあるガラスパネルに起因するいかなる減衰も取り除かれる。さらに、レンズは閉鎖された環境内に配置されるため保護される。さらに、窓材は厚くないため、薄い材片を用いることができ、結果的に材料の節約となる。このような実施態様においては、ヒートシンクを窓枠として利用できるが、光電池の並列接続が猶必要とされる場合は、光電池とヒートシンクあるいはヒートシンク片との間に何らかの種類の絶縁体が必要とされよう。

図７ｃに示した実施態様では、レンズと窓パネルを一体化させるために特別に成形されたガラスあるいはパースペックス(Perspex)が用いられている。ヒートシンクは前記成形されたガラスの外側に配置されている。分割された従属レンズを用いることにより１個に形成された従属レンズよりも壁片が薄くなるため成形が速く為されることから、成形及び押出しが容易かつ安価となり、また組み立ても容易で、システムに要する部品数も少なくなる。

図８は本発明の特定の実施態様の例を示した図である。ミラーはガラスパネル８１０及び８２０を備える二重ガラス張り装置内に完全に封入されている。ミラー８３０の幅は１３０ｍｍ、長さは１ｍである。ミラー面上の湾曲中心と従属レンズ装置８４０との間隔は１５ｃｍである。レンズ８５０の口径は１５ｍｍであり、端部へ向かって先細になって端部における口径は７．５ｍｍである。レンズ深度は１５ｍｍである。ヒートシンク８６０はアルミニウム製であり、ガラスパネル８２０の外側上へ配置されている。このようなシステムによれば光電池において２０倍の光濃度を生ずることが可能である。

本システムの全光効率はガラスパネルによる減衰、ミラーによる反射効率、及び従属レンズ装置によって捕獲され光電池上へ向けられる反射光線の割合の積算によって算出される。ガラスの減衰係数を１６％と仮定した場合、ミラー上へ入射する光線の９１％が反射され、反射光線の８０％が光電池上へ向けられ、このときのシステムの光効率はおよそ６１％である。この光効率は鉄低含量コーティングガラスを用いることによりさらに増加可能である。上述した光電池の効率は１６％前後である。従ってシステム全体の効率は１０％前後である。

単独装置として本システム全体のコストは、最もコストが高いと推測される構成部分、すなわちフレーム及び光電池が大量生産されると仮定して、１Ｍ^２単位で約＄１８０程度と予測される。この金額をワットピーク単位に換算すれば＄２．０２となる。建物と一体化した装置としては、同じ寸法かつ性能の窓と交換すると仮定した場合、本システムのコストはワットピーク当たりさらに＄１．２７増加すると考えられる。従って本発明の実施態様は、効率は低くともコストがより安価な代替太陽パネルを提供することを意図するものである。上記説明した実施態様は未だ最適化されておらず、種々サイズの構成部品を用いることによってさらに効率の高いシステムが得られる可能性がある。

本発明の重要な利点の一つとして種々方位の壁及び屋根へ取り付けられることが挙げられることは当業者には明らかである。縦壁へ取り付けられた本装置は効率的に作動するが、ミラー間へ多量の周囲光を与えることはできない。しかしながら、ヨーロッパ地域では、水平屋根へ取り付けることによって建物内へ周囲光を多量に導くことが可能となる。

好ましい実施態様において、すべての部品、例えばミラー及び可動部品が閉鎖的な環境内に配置されることによって、あるいはすべての部品、例えばヒートシンクが露出されるということによって利点がさらに得られる。

システムのガラス張りが緯度角に対して垂直でない場合、建物内へ直射日光が全く入らないように許容角度をより広げる必要がある。従属レンズ装置はガラス張りに対応する角度にされなければならない。

本発明の実施態様によれば、太陽光線を高濃度で光電池へ集中させることにより、妥当なコストで家庭用に適した電力レベルを発電する手段が与えられる。本発明の実施態様によれば、太陽光線は従属レンズ装置上へ反射され、このレンズ装置によって光線は光電池上へ集中される。従属レンズ装置を用い、このレンズ装置へ光線がその口径中へ反射され、次いで光線が光電池上へ向けられる一定の口径を与えることによって、正確な焦点をもつ高質ミラーの必要性が排除される。本発明の実施態様によれば、別の部品や寸法を用いてより高倍率とすることも可能であるが、光濃度を少なくとも８倍濃度まで高めることが可能である。本発明の実施態様は、発電を目的として多数の異なる環境下、例えば建物の多様な傾斜外面へ組み込んだ状態で、あるいは自立構造装置として利用可能である。

本発明の実施態様を、発電を目的として、またミラー間へ周囲光を通過させながら建物内部への直射日光の侵入を遮る窓として、建物の標準的窓と置き換えることも可能である。かかる実施態様によれば、建物内の冷房の必要性が補助的に減じられ、また吸熱装置からの余剰熱を利用して熱水あるいは換気生成に利用可能である。

本発明の一実施態様を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる単一ミラー及び従属レンズ装置の光学配置を示した断面図である。 日の出から日没までの異なる時間における太陽光線の入射角を示した図である。 斜角入射光線の反射角を示した図である。 反射隆起部を備えるミラーを示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる複数の光電池の接続状態を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置の配置を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置の配置を示した図である。 本発明の実施態様において用いられる従属レンズ装置の配置を示した図である。 本発明の特定の実施態様において用いられる光学配置の寸法を示した図である。

Claims (20)

1. 少なくとも１枚の透明パネル、
   前記少なくとも１枚のパネルの外辺を取り囲むフレーム、
   前記フレームに、少なくとも部分的に亘って延びる少なくとも１個の回転可能な細長い凹型ミラー、及び
   前記フレームに、少なくとも部分的に亘って延びる少なくとも１個のエネルギー変換装置（１２０）から構成される窓装置であって、
   前記ミラーへ入射する実質的に平行な光線が前記エネルギー変換装置上へ反射されるようになっていることを特徴とする前記窓装置。
2. 前記フレームに、少なくとも部分的に亘って延び、かつ前記ミラーと前記エネルギー変換装置との間に配置されるレンズをさらに備え、前記実質的に平行な光線が前記ミラーによって前記レンズ上へ反射された後前記エネルギー変換装置上へと向けられることを特徴とする請求項１項記載の窓装置。
3. 前記レンズによって光線が配分されることにより前記エネルギー変換装置表面全体へ光線が等濃度で与えられることを特徴とする請求項１項または２項記載の窓装置。
4. 前記装置に対する光線の入射角を追跡する手段、及び入射光線が前記エネルギー変換装置上へ反射されるようにミラーを回転させて位置決めする手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の窓装置。
5. 前記エネルギー変換装置が光電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の窓装置。
6. 前記光電池と熱接触状態にあるヒートシンクをさらに備えることを特徴とする請求項５項記載の窓装置。
7. 前記ミラーがレンズ、光電池及びヒートシンクに対向する透明パネル面上へ配置されることを特徴とする請求項６項記載の窓装置。
8. 前記ヒートシンクが前記透明パネルへ取り付けられ、前記レンズ及び前記光電池が前記ヒートシンク内に設けられることを特徴とする請求項７項記載の窓装置。
9. 前記エネルギー変換装置がエネルギー伝達媒体を運ぶ導管であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の窓装置。
10. 多数のミラーが設けられ、これらミラーが窓に亘るように整列され、ベネチャンブラインド形に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の窓装置。
11. 前記ミラーがレンズ、光電池及びヒートシンクに対向する透明パネル面あるいは各透明パネル面上へ配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項または請求項１０項記載の窓装置。
12. 各ミラーがフレームにおいて旋回し、それらミラーが一連のギアによりそれらギアの旋回軸を中心として回転されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の窓装置。
13. 各ミラーがローラから吊下げられ、該ローラが回転することによってミラーも回転されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の窓装置。
14. 前記窓装置に二重ガラス張り構造となるように窓が２つ設けられ、これら窓の間にミラーが配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の窓装置。
15. 前記レンズが前記窓と一体化されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載の窓装置。
16. 前記パネルが数枚の透明材料片から成り、これら材料片が該材料片を支持する窓枠として機能するヒートシンクによって分離されていることを特徴とする請求項６項記載の窓装置。
17. 建物への組み込みに適することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項記載の窓装置。
18. ミラーの長さ方向に平行な軸を中心として回転可能な少なくとも１個の細長い凹型ミラー、及び
    レンズ及びエネルギー変換装置から構成され、ミラーへ入射された光線がレンズ上へ反射された後にエネルギー変換装置の表面上へと向けられるように配置される受光装置から構成される、エネルギー変換装置上への実質的に平行な光線の集中装置。
19. 少なくとも１個のエネルギー変換装置、
    ミラーの長さ方向に平行軸を中心として回転可能であり、かつミラーが回転して入射光線をエネルギー変換装置上へ反射できるように配置される少なくとも１個の細長い凹型ミラー、
    集中装置に対する光線の入射角を追跡する手段、及び
    入射光線がエネルギー変換装置上へ反射される位置へミラーを回転させる手段から構成される、エネルギー変換装置上への実質的に平行な光線の集中装置。
20. 添付図面を参照しながら本願において実質的に説明された窓装置。

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