JP2009545882A - 光エネルギーを得るための装置 - Google Patents

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Abstract

多色光エネルギー源からエネルギーを得るための装置は、入射光エネルギーの集中及び方向転換を行うための、光軸を有する、集光器及び、集中及び方向転換を受けた光エネルギーの経路に、光軸に沿い、集光器から隔てられて配置されたスペクトルセパレータを備える。スペクトルセパレータは、光の第１のスペクトル帯を第１の集束領域に向けて反射し、第２のスペクトル帯の光を透過させるように処理された第１の平面及び、第１の平面から隔てられ、第１の平面に対して傾けられた、第２の平面を有する。第２の平面は第２のスペクトル帯を反射し、第１の平面を通して、第１の集束領域から隔てられた第２の集束領域に向けて返すように処理される。第１及び第２の受光器がそれぞれ第１及び第２のスペクトル帯を受け取るためにそれぞれの集束領域の最近に配置される。

Description

関連出願の説明
コブ（Cobb）等により２００５年１２月９日に出願された、名称を「集光のための方法及び装置（Method and Apparatus for Concentrating Light）」とする、米国仮特許出願第６０/７５１８１０号（代理人事件番号１９８４４）が参照される。コブ（Cobb）等により２００６年２月２８日に出願された、名称を「集光器（Light Collector and Concentrator）」とする、米国仮特許出願第６０/７７８０８０号（代理人事件番号１９９１０）も参照される。
米国連邦政府支援研究開発に関する言明
本発明は米国政府により結ばれた契約第Ｗ９１１ｎｆ-０５-９-０００５号の下に米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
本発明は全般的には高効率集光のための装置に関し、さらに詳しくは、光を収集して２つ以上のスペクトル帯に分離し、それぞれを個別の受光器に向けて導く装置に関する。
光エネルギーの高効率収集及び集中は多くの用途に有用であり、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスに特に重要である。集光器型太陽電池により、かなりの量の太陽エネルギーを得て、熱としてまたは光電変換受光器からの直流電流の発生のためにそのエネルギーを集中させることが可能になる。
太陽エネルギーを得るための大規模集光器は一般に、焦点に配置された受光器上に光を集中させるための光学系としてカセグレン構成の、一組の対向する湾曲ミラーを備える。カセグレンモデルを用いる例を少しだけ挙げれば、名称を「太陽光収集システム（Sunlight Collecting System）」とするナカムラ（Nakamura）の特許文献１及び名称を「大光束太陽エネルギー変換（High Flux Solar Energy Transformation）」とするウィンストン（Winston）等の特許文献２はいずれも、対向する一次ミラーと二次ミラーの組合せを用いる大規模太陽エネルギーシステムを説明している。より小型の集光装置を提供するためのさらに最近の発展として、非特許文献１に説明される方策のような、プレーナ型集光器が紹介されている。プレーナ型集光器は、大光束集中を提供するため、光学誘電体で隔てられた、カセグレン構成の一次湾曲ミラー及び二次湾曲ミラーを同様に用いる。
図１Ａは集光用基本カセグレン構成を示す。光軸Ｏをもつ光電変換装置１０は、放物面一次ミラー１２及び一次ミラー１２の焦点近くに配置された二次ミラー１４を備える。次いで受光器１６が、一次ミラー１２の頂点にある、本光学系の焦点に配置される。本アーキテクチャで認識される問題であって、カセグレンモデルに本質的な問題は、二次ミラー１４が軸上光を遮り、よって光の一部、公称約１０％もが一次ミラー１２に届かず、光電変換装置１０の総合集光能力を低下させることである。この掩蔽は集光器が回転対称ではなく円柱面型である場合に特に大きくなり得る。二次ミラー１４によって生じる掩蔽の経路内の、一次ミラー１２の頂点への受光器１６の配置は、掩蔽によって生じる損失を若干軽減するに役立つ。しかし、円柱面光学構成では、掩蔽の大きさが一次ミラー１２の直径のいかなる寸法増大にも比例して拡大するから、寸法調整によって取り戻せる掩蔽損失はほとんどまたは全くない。これは、大きい方のミラーの直径を拡大しても、小さい方のミラーの掩蔽によって生じる固有損失が認められるほどには変わらないことを意味する。
いくつかのタイプの太陽エネルギーシステムは光エネルギーを熱に変換することによって動作する。様々なタイプの平板型集光器及び太陽集光器においては、集中された太陽光が電力発生のために太陽電池を通って流れる流体を高温に加熱する。薄型パネル及びより小型のデバイスでの使用に一層よく適合可能である、別のタイプの太陽光変換機構は、太陽光を電気エネルギーに直接変換するために光電変換（ＰＶ）材料を用いる。光電変換材料は、様々なタイプのシリコン及びその他の半導体材料で形成でき、半導体製造技術を用いて作成でき、例えば、米国ニューメキシコ州アルバカーキー（Albuquerque）のEmcore Photovoltaicsのような、多くの製造業者から提供される。シリコンは比較的安価であるが、より性能の高い光電変換材料は、アルミニウム、ガリウム及びインジウムのような元素と窒素及びヒ素のような元素からつくられる合金である。
周知のように、太陽光は、紫外（ＵＶ）波長から、可視波長、さらに赤外（ＩＲ）波長にわたる、広く分布したスペクトル内容を有する、かなりの多色光であり、それぞれの波長には、一般に電子ボルト（ｅＶ）で表される、エネルギーレベルが付随する。当然のことながら、バンドギャップ特性が半導体材料間で異なることから、いずれか１つの特定の光電変換材料の応答は入射波長に依存する。ある材料のバンドギャップより低いエネルギーレベルを有するフォトンはその材料をすり抜ける。例えば、（公称約１.９ｅＶの）赤色光フォトンは大バンドギャップ半導体に吸収されない。一方、ある材料に対するバンドギャップより高いエネルギーレベルを有するフォトンはその材料に吸収される。例えば、小バンドギャップ半導体では（公称約３ｅＶの）紫外光フォトンの余剰エネルギーは熱として浪費される。
光電変換材料による効率を高めるための方策の１つは、時に多接合光電変換デバイスとも称される、積層光電池を形成することである。そのようなデバイスは複数の光電池を積み重ねて積層にすることで形成される。そのような構成では、積層内の連続する光電池のそれぞれが、入射光源に対して、順次に小さくなるバンドギャップエネルギーを有する。例えば、単純な積層光電変換デバイスでは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる上層光電池がよりエネルギーの高い青色光を捕える。ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる、第２の光電池はよりエネルギーの低い赤外光を電気に変換する。積層光電変換デバイスの一例が、名称を「積層光電変換デバイス（Stacked Photovoltaic Device）」とする、サノ（Sano）等の特許文献３に与えられている。
積層光電変換は総合効率にある程度の向上を提供することができるが、これらの多層デバイスは作成コストが高くなり得る。相互に積み重ね合せることができる材料のタイプにも制限があり得るから、広範な用途に対してそのような手法が経済的であることの証明は困難である。別の手法は、光を波長にしたがって２つ以上のスペクトル領域に分離し、それぞれの領域を、並べて配置された２つ以上の光電変換受光器からなる、適切な光電変換受光デバイス上に集中させることである。この手法では、光電変換デバイスの作成がより簡易であり、よりコストがかからず、さらに広汎な半導体の使用を考慮することができる。このタイプの方策には、光の適するスペクトル成分への分離及び対応する光電変換面上へのそれぞれのスペクトル成分の集中のいずれに対しても支援光学系が必要である。
光の分離及び十分な強度での集中を同時に行うために提案された１つの方策が非特許文献２に説明されている。非特許文献２に説明され、図１Ｂに簡略に表されるモジュールにおいては、湾曲一次ミラーが光を集め、この光を、一次ミラーの焦平面近傍の、ダイクロイック双曲面二次ミラー１４に向けて導く。ＩＲ光は一次ミラーの焦点近傍の第１の光電変換受光器に集中される。二次ミラーは近可視光を方向転換させて一次ミラーの頂点近傍に配置された第２の光電変換受光器１８に導く。このようにすれば、光電変換受光器１６及び１８のそれぞれは、それぞれに対して最適化された光エネルギーを得て、太陽電池システムの総合効率が高まる。
非特許文献２に示される手法は同じ一組の光学コンポーネントを用いて光のスペクトル分離及び集中を提供する点で有利であるが、非特許文献２が提示する方策にはいくつかの重大な限界がある。第１の問題は、先に説明したような、アパーチャの掩蔽による総合損失に関係する。別の問題として、非特許文献２に説明される装置では、回転対称性によってそれぞれの軸において高い集中度を有するから、空の視界が限定される。また別の欠点は単一の光電変換受光器に供給される可視光の広い帯域幅に関係する。可視光に一般に用いられる多くのタイプの光電変換材料では、そのような手法を用いてもかなりの量の光エネルギーが浪費され、おそらくは過剰な熱が生じることになるであろう。
非特許文献２に提案される方策において双曲面ミラーに用いられるような、ダイクロイック面は、屈折率及びその他の特性が相異なる複数の層の重ね合わせで形成されるコーティングによって得られる干渉効果を用いて、光のスペクトル分離を提供する。動作において、ダイクロイックコーティングは入射角及び波長の関数として光を反射し、また透過させる。入射角が変わるにしたがって、ダイクロイック面を透過するかまたはダイクロイック面で反射される光の波長も変化する。ダイクロイックコーティングを法線に対して約±２０°をこえる角度で入射する光に用いると望ましくないスペクトル効果がおこることがあり、よって光のスペクトル分離は、入射角の変化のため、そのような大角度では不調になる。
スペクトル分離にダイクロイック面を用いる多くの集光器方策があった。例えば、非特許文献３には太陽集光システムの総覧が与えられ、ダイクロイック面を用いるシステムもいくつか含まれている。例えば、タワーレフレクタ（非特許文献３の図２４）の説明は、集光系の一部として湾曲ダイクロイックビームスプリッタを用いる、一提案策を示している。この表面に入射する光のいくらかの部分は入射角が大きく、そのような方策は光効率に関して満足できるレベルには達し得ないであろう。同様に、名称を「ハイブリッド太陽エネルギー発生システム（Hybrid Solar Energy Generating System）」とする、スール（Soule）の特許文献４は選択性熱ミラーとしてのダイクロイック面の使用を説明している。しかし、上に引用した非特許文献３に述べられているように、特許文献４に示される手法はかなりの光損失を示す。そのような損失のいくらかは用いられる選択性熱ミラーに導かれる光の大入射角に関係する。
放物面ミラーから集束される光に対するダイクロイック面の形状及び配置には本質的な問題がある。放物面反射器の集束領域近傍に配置された平ダイクロイック面は多くの構成に対して分離性能が劣り、集光系の寸法を制限するであろう。双曲面のような、適切に湾曲したダイクロイック面は集束領域またはその近傍に配置することができるが、先に述べたように、利用できる光のいくらかの部分を掩蔽するであろう。
図１Ｃは、平ダイクロイックビームスプリッタ２０を用いる集光エネルギー装置におけるスペクトル分離について数多くの実施形態で提案されてきた従来の方策の簡易版を示す。入射光はレンズ２２によって集中されて、４５°の方位で、ビームスプリッタ２０に導かれる。ビームスプリッタ２０はスペクトル帯の一部を第１の光電変換受光器１６に向けて反射し、スペクトル帯の別の部分を第２の光電変換受光器１８に向けて透過させる。この汎用タイプの方策は、非特許文献４に「側光システム（lateral optical system）」として説明されている。先に引用した非特許文献３の図１９，２３及び２４は、この汎用方策に基づく別の構成のいくつかを示している。
側光タイプのシステムは良好な光透過レベルを示すが、効率が比較的低い。これは、少なくともある程度は、ビームスプリッタ２０のダイクロイック面における比較的大きい光入射角から生じるかなりの量のスペクトル汚染による。ダイクロイックコーティングは入射角及び波長の関数として光を反射し、また透過させる。入射角が変わるにつれて、透過するかまたは反射される光の波長も変化する。したがって、ビームスプリッタ２０から反射される光のスペクトル内容は受光器１６及び１８の表面にわたって変化し、エネルギー変換の効率を低下させる。
不十分なダイクロイック面応答のような障害に対して、従来手法は良好なスペクトル分離及びそれぞれのスペクトル成分の高効率光束集中の両者を、同時に、達成するための方策を限られた数しか提供してこなかった。図１Ａ及び１Ｂのカセグレンモデルを最適化することはできるが、必ず一次ミラーの焦点近傍での掩蔽が存在し、したがって本質的に不利である。ダイクロイック分離を用いる方策はダイクロイック面上の光入射角が法線に対して小さい場合に最善にはたらく。しかし、図１Ｃに例示されるように、多くの提案された構成はそのようなスペクトル分離特性を十分に考慮していないようで、その結果、分離が不十分になるか光が誤誘導されて、効率が低下している。
米国特許第５９７９４３８号明細書 米国特許第５００５９５８号明細書 米国特許第６８３５８８８号明細書 米国特許第４７０００１３号明細書
ローランド・ウィンストン（Roland Winston）及びジェフレイ・エム・ゴードン（Jeffrey M. Gordon），「視野限界近傍プレーナ型集光器（Planar Concentrators Near the Etendue Limit）」，Optics Letters，第３０巻，第１９号，ｐ.２６１７〜２６１９ エル・フラース（L. Fraas），ジェイ・エイヴァリー（J. Avery），エイチ・ファン（H. Huang）及びイー・シフマン（E. Shifman），「ダイクロイック二次及び多接合太陽電池を用いる新しいカセグレン型ＰＶモジュール（New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells）」，電気または水素の発生のための太陽集光に関する国際会議（International Conference on Solar Concentration for the Generation of Electricity or Hydrogen），２００５年５月 エイ・ジー・イメンス（A. G. Imenes）及びディー・アール・ミルズ（D. R. Mills），「太陽集光システムにおける変換効率向上のためのスペクトルビーム分離技術：総覧（Spectral Beam Splotting Technology for Increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems: A Review）」，インターネット＜ＵＲＬ：www.sciencedirect.com＞ バーネット（Barnett）等，「５０％効率太陽電池アーキテクチャ及び設計（50% Efficient Solar Cell Architectures and Designs）」，２００６年ＩＥＥＥ第４回光電エネルギー変換に関する世界会議（2006IEEE4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion）
すなわち、改善されたスペクトル分離及び集光を提供し、薄型パネル構成での使用に対して容易に比例拡縮でき、容易に作成でき、従来の光電変換方策に優る高められた効率を提供する、光電池が必要であることが認識されている。
本発明の目的は集光及びスペクトル分離の技術を前進させることである。この目的を念頭において、本発明は、多色光エネルギー源からエネルギーを得るための装置を提供し、本装置は、
（ａ）入射光エネルギーの集中及び方向転換を行う集光器であって、光軸を有する集光器、
（ｂ）集中及び方向転換を受けた光エネルギーの経路に、光軸に沿い、集光器から隔てられて配置されたスペクトルセパレータであって、
（ｉ）集光器から受け取る光の第１のスペクトル帯を第１の集束領域に向けて反射し、第２のスペクトル帯を透過させるように処理された第１の平面、及び
（ii）第１の平面から隔てられ、第１の平面に対して傾けられた第２の平面であって、第２のスペクトル帯を反射し、第１の平面を通して、第１の集束領域から隔てられた第２の集束領域に向けて返すように処理された第２の平面、
を有するスペクトルセパレータ、
及び
（ｃ）第１及び第２の受光器、
を備え、
第１の受光器は第１のスペクトル帯を受け取るために第１の集束領域の最近に配置され、第２の受光器は第２のスペクトル帯を受け取るために第２の集束領域の最近に配置される。
少なくとも２つのスペクトル帯への光のスペクトル分離及びそれぞれの分離されたスペクトル帯の受光器上への集中のいずれをも提供することが、本発明の特徴である。
スペクトルセパレータの表面に小入射角で光を導くことにより、受光器上への光エネルギー集中に対して改善された効率を提供できることが、本発明の利点である。
本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点は、本発明の例示的実施形態が示され、記述されている、以下の詳細な説明を図面と合せて読めば、当業者には明らかになるであろう。
カセグレンモデルを用いる集光器を示す略図 カセグレンモデルを湾曲ダイクロイック面とともに用いる集光器を示す略図 スペクトル分離に対して従来構成のビームスプリッタを用いる集光器を示す略図 一実施形態について、高エネルギー光に対する光路を示す略図 図２Ａの実施形態について、低エネルギー光に対する光路を示す略図 本発明の一実施形態の斜視図 受光器を光路の一方の側に移した、別の実施形態の斜視図 受光器を光路の他方の側に移した、別の実施形態の斜視図 折返し光路をもつ実施形態における高エネルギー光の経路を示す略図 折返し光路をもつ実施形態における低エネルギー光の経路を示す略図 反射型集光器を用いる実施形態を示し、低エネルギー光に対する経路を示す斜視図 反射型集光器を用いる実施形態を示し、高エネルギー光に対する経路を示す斜視図 高エネルギー光に対する、オフアクシス反射放物面構成を用いる光操作を示す略図 低エネルギー光に対する、オフアクシス反射放物面構成を用いる光操作を示す略図 オフアクシス光に対する、オフアクシス反射放物面構成を用いる光操作を示す略図 図１０Ａ，図１０Ｂ及び図１０Ｃに示される実施形態の斜視図 複合オフアクシス反射非球面集光器を用いる、本発明の別の実施形態のコンポーネントを示す略図 複合オフアクシス反射放物面を用いる低エネルギー光の操作を示す略図 複合オフアクシス反射放物面を用いる高エネルギー光の操作を示す略図 複合オフアクシス反射放物面を用いる低エネルギー光及び高エネルギー光の操作を合せて示す略図 本発明の光電変換装置の円柱面実施形態を示す斜視図 一実施形態における光電変換装置アレイを示す平面図 複合オフアクシス反射放物面で形成された光電変換装置アレイを示す斜視図 変化する光源の位置に適応するように追跡する太陽エネルギー装置を示す、簡略な斜視図
本発明は、従来手法で可能になる能力を上回る、強化されたスペクトル分離及び高度の光束集中のいずれをも提供する集光器を提供する。本発明の集光器は光電池の光学コンポーネントとして用いることができ、個別電池としてまたは光電池アレイの一部として具現化される。本発明の装置は光電変換用途に良く適するが、本発明の装置の有用範囲はさらに広く、よって本発明の装置はスペクトル分離された集中光エネルギーを得ることが有益であるいかなる用途にも用いることができる。
本開示に用いられるような術語「光」は広く電磁スペクトルにおける光エネルギーを指し、「多色光」は赤外光、可視光及び紫外光を含む波長にわたる。本明細書を通して、波長にしたがい、電磁スペクトルの比較的低いエネルギーレベルを有する領域または比較的高いエネルギーレベルを有する領域への言及がなされる。光電変換技術の当業者には明らかであろうように、低エネルギー光と高エネルギー光の間の閾は、かなりの程度、用いられる光電変換受光器の特性に依存する。以降の説明ではいくつかの実施形態に用いられる例としての閾値が与えられることになるが、本発明の装置及び方法は、閾値が広い範囲にわたって変わる、さらに広い範囲に適用することができる。
術語「斜角」または「傾角」は、直角（９０°）より大きいかまたは小さく、基準に対して平行ではないという、通常の意味を有する。
術語「光軸」は以降に説明される実施形態のそれぞれについて通常の意味を有する。回転対称光学系では、光軸は単に回転対称軸に対応する。しかし、非対称光学系では、光軸はより一般的に集光光学コンポーネントのアパーチャの中心に合せられた光線がとる経路と定義される。円柱面光学系については、ある平面に関する対称軸があり得る。この対称軸は光軸に対応することもしないこともある。円柱面光学デバイスでは、光軸は、円柱面デバイスの延長に沿う方向に直交する、光学能がある平面にある。明解さのため、以下の説明において術語「光軸」は、複数のコンポーネントからなる大規模光学系に対してではなく、単一の屈折光学コンポーネントまたは反射光学コンポーネントに対して用いられる。より一般的な術語「光路」は、本明細書において、本発明の光学系で光の特定のスペクトル成分がとる経路を表すために用いられる。
本説明で参照される図は、本発明の装置の全般的概念並びに肝要な構造及びコンポーネントを示す。これらの図は比例拡縮図ではなく、明解さのためにコンポーネントの寸法及び相対配置は誇張されていることがある。さらに、屈折角は、描かれていても、例示に過ぎず、用いられる誘電体及び光入射角に応じて変わるであろう。本明細書に説明されるスペクトル帯は、限定としてではなく、例として与えられる。
周知のように、特定の光学系によって得られる集光は全体的な形状寸法に依存する。例えば、完全回転対称放物面反射器は、理想的には、コリメートされた光を「焦点」に導くであろう。一軸に沿ってのみ光学能を有する円柱放物面反射器は、理想的には、コリメートされた光を「焦線」に導くであろう。しかし、光学系製作の当業者にはよく知られているように、実際上はそのような理想化された幾何学的形状への妥当な近似しか実現することはできず、完全な焦点も完全な焦線も達成できないかまたは効率的な集光に必要ではない。したがって、理想化された専門用語である「焦点」または「焦線」を用いる代りに、本発明の説明及び特許請求の範囲ではより一般的な術語「集束領域」を用いる。以降の説明において、光学構造に対する集束領域はその構造による集光が最も強い空間域またはその近傍と見なされる。
図２Ａ及び２Ｂの側面図並びに図３の斜視図は、本発明にしたがう、太陽またはその他の多色光源から光エネルギーを得るための光電変換装置３０を示す。集光器３２が多色光線を、代表光線Ｒについて図２Ａに示されるように、入射光の１つのスペクトル領域を第１の受光器３４に方向転換させ、図２Ｂに示されるように入射光の別のスペクトル領域を第２の受光器３６に方向転換させる、スペクトルセパレータ４０に向けて導く。第１の受光器３４及び第２の受光器３６は、実質的に、対応するスペクトル帯の光に対して適切な集束領域に配置される。すなわち、第１の受光器は第１のスペクトル帯を受け取るための第１の集束領域の最近に配置され、第２の受光器は第２のスペクトル帯を受け取るための第２の集束領域の最近に配置される。
スペクトルセパレータはくさび形であり、ダイクロイック面４４と反射面４６の２つの平反射面を有する。ダイクロイック面４４には、短波長光を第１の受光器３４に向けて反射し、長波長光を透過させるコーティングが施される。広帯域反射器をなす、反射面４６は長波長光を反射し、ダイクロイック面４４を通して第２の受光器３６上に返す。反射面４６は高反射鏡面とすることができ、あるいはダイクロイックコーティングを施すこともできよう。
ダイクロイック面４４と反射面４６は平行ではなく、互いに対して傾いてくさび形をなす。図２Ａ及び２Ｂの実施形態において、面４４及び４６は一般に、ガラスまたはその他の固体誘電体のような、実質的に透明な光学材料の両面に形成される。しかし、別の実施形態において面４４と４６は空気で隔てることもできよう。集光器３２に対する光軸Ｏは、ダイクロイック面４４及び反射面４６の少なくとも一方に対して直角とは異なる角度をなす。光電変換装置３０の全光学系に対し、スペクトルセパレータ４０は短波長光及び長波長光に対して実効的に別の光路を提供する。図２Ａ及び２Ｂに示されるように、長波長光路及び短波長光路は集光器３２の光軸Ｏの両側で、集光器３２のアパーチャの一部を掩蔽する受光器３６及び３４に向けることができる。あるいは、以降の実施形態に示されるように、長波長光路及び短波長光路の一方または両者を集光器３２のアパーチャの外側に配置された受光器３６及び３４に向けることができる。
図２Ａ及び２Ｂの光学構成には光入射角に関して他の光電変換デバイス構成に優る利点がある。ダイクロイック面４４に導かれる入射多色光は法線に対して、良好なダイクロイック性能が得られる、比較的小さな角度をなし、この結果、改善された効率が得られる。
光の変換に対する最大集光は、受光器３４及び３６に光が実質的に集束されたときに達成される。集光器３２がレンズのような屈折型コンポーネントである場合、少しの色収差がある。屈折型集光器３２による色収差の一効果として、長波長光は短波長光より長い光路長を有し、したがって、短波長光に対する焦点距離よりも次第に長くなる距離に集束するようになる。一実施形態において、この僅かな光路長差は単に受光器３４と受光器３６が同じ平面内にはなく、互いに若干オフセットされることを意味する。しかし、別の実施形態において、受光器３４と受光器３６のいずれをも、例えば、これらのデバイスを平板に、すなわちプラスチック板またはガラス板に取り付ける場合のように、実質的に同じ平面内に取り付けることが望ましい。そのような場合には、スペクトルセパレータ４０内のダイクロイック面４４と反射面４６の間に用いられる誘電体の適切な選択によってこの光路長差を補償することができる。光学技術で周知のように、そのような誘電体で与えることができる光路補正量は誘電体の厚さに正比例し、誘電体の屈折率に反比例する（反射面４６で反射する光は入射方向及び外向方向のいずれにおいてもこの誘電体を透過し、よって与えられた誘電体厚の光路補正効果は２倍になることに注意することも有益である）。
先に述べたようなカセグレン方策によるように、図３の実施形態には、受光器３４及び３６が入射光の経路にあるから、集光器３２のアパーチャの一部の掩蔽の問題がある。しかし、この掩蔽は集束領域にあるため、相応して、カセグレン方策について生じるであろう掩蔽よりも小さい。図４及び５の実施形態は、スペクトルセパレータの角方位を集光器３２の光軸Ｏに対して移動させることによってこの掩蔽問題を補正する。図４の斜視図に示されるように、先行実施形態に関して説明したようなくさび面４４及び４６を有するスペクトルセパレータ４０は集光器３２によって屈折された光を受け取る。スペクトルセパレータ４０は、通常のようにｚ軸と指定される、光軸Ｏに沿って配置されるが、面４４及び４６の少なくとも一方は、ｚ軸に垂直ではなく、直交するｘ軸及びｙ軸の少なくとも一方に対して傾けられて、すなわち斜めになっている。図４に用いられる呼称において、ｙ軸のまわりの回転はαと称され、ｘ軸のまわりの回転はβと称される。この傾きの結果、受光器３４及び３６のそれぞれに対する集束領域が集光器３２の一方の側に移動して、集光器３２の光軸Ｏから離れ、アパーチャから離れる。
図４及び５の構成はスペクトルセパレータ４０のダイクロイック面４４及び反射面４６への入射角の小角化にも有利である。この実施形態では受光器３４及び３６が入射光の経路から移され、したがって集光器３２のアパーチャの外側に移されるから、この手法によって効率上の利益を得ることができる。
分離された光の光路を折り返して、より長い焦点距離を得る構成が有利であり得る。図６及び７を参照すれば、光路に折り返しミラー４８またはその他の適する反射面をもつ光電変換装置３０の一実施形態が示されている。図示されるスペクトルセパレータ４０は厚さが大きくなっている。この場合、反射面４６は石英ガラス上に銀または近を用いて形成することができる。図６の光路に示されているように、高エネルギー光はダイクロイック面４４から反射され、ミラー４８を介して受光器３４に導かれる。図７に示されているように、低エネルギー光はダイクロイック面４４を通過し、屈折してスペクトルセパレータ４０に入り、反射面４６から反射される。この低エネルギー光はダイクロイック面を再び通過し、ミラー４８を介して受光器３６に導かれる。
図２Ａ及び２Ｂに関して述べたように、屈折型集光器は一般にいくらかの大きさの色収差を示す。図８及び９は、この問題を排除する、反射型集光器３２を用いるオフアクシス非球面実施形態を示す。代表光線Ｒで示されるような入り多色光は、一実施形態においては放物面ミラーの、反射型集光器３２の表面から反射され、入り光は図８及び９に示されるようにオフアクシス光である。光は、光を２つのスペクトル帯に分離して、それぞれのスペクトル帯を対応する受光器３４または３６に導く、スペクトルセパレータ４０に導かれる。
図２Ａ〜９の実施形態は空気中にある形態で示されている。しかし、集光器及びスペクトル分離のためにくさび形面を用いる同じ概念は、固体誘電体媒質を介して反射コンポーネントに光を導く実施形態にも適用できる。図１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１１，１２，１３，１４及び１５の実施形態は、ガラスまたは光学プラスチックのような、固体誘電体媒質を用いて形成された光電変換装置３０の実施形態を示す。これらの実施形態は、最大光学能の方向に直交する（図の紙面に垂直な）軸に沿って延びる、円柱面型とすることができる。したがって、低エネルギー光に対する第１の集束領域及び高エネルギー光に対する第２の集束領域は線型である。あるいは、光電変換装置３０は、直交する２つの軸に沿う光学能をもつ、円環面型とすることもできよう。
図１０Ａ及び１０Ｂは、広い視界（ＦＯＶ）を有する光電変換装置３０を提供するためにオフアクシス非球面光学構成を用いる別の実施形態を示す。見かけは異なるが、図１０Ａ及び１０Ｂの非球面構成は図８及び９の実施形態と同様の態様で動作し、スペクトル分離及び方向転換は入射多色光の角度及びスペクトル内容に依存して変わる。この実施形態は円柱面構成に特に適合可能であり、光電変換装置３０の光学コンポーネントはガラスまたは光学プラスチックのような固体誘電体媒質で形成されるか、またはそのような固体誘電体媒質上に形成される。図１０Ａは一スペクトル帯の高エネルギー光に対する光路を示す。図１０Ｂは長波長の低エネルギー光に対する光路を示す。入力面５８における入射光は、この実施形態ではオフアクシス非球面反射面である、集光器３２に導かれる。（ページの断面内の）回転対称軸Ａｓは図１０Ａ及び１０Ｂに示される配位の放物面の下側にある。集光器３２は入射多色光を集中させて、これをスペクトルセパレータ４０に向けて導く。スペクトルセパレータ４０は、高エネルギー光を低エネルギー光から分離する。例えば、一実施形態において、スペクトルセパレータ４０は近赤外波長において、公称約７５０ｎｍの長波長側と短波長側に、スペクトル帯を分離する。ダイクロイック面４４は、図１０Ａに最善に示されるように、高エネルギー光を受光器３４に向けて反射し、低エネルギー光を透過させる。反射面４６は、図１０Ｂに最善に示されるように、透過低エネルギー光を反射し、ダイクロイック面４４を通して、受光器３６に向けて返す。
空気中ではなく固体の（すなわち誘電体で形成された）実施形態の一利点は視界（ＦＯＶ）に関係する。図１０Ｃは全反射（ＴＩＲ）によってどのように拡張された視野が得られるかを簡略に示す。図１０Ｃにおいて、本非球面実施形態の光電変換装置３０はオフアクシス光を受け取る。集光器３２は入射多色光をスペクトルセパレータ４０に向けて導く。有利なことに、入力面５８は光電変換装置３０内の光に対して反射面として作用し、誘電体光学媒質内の全反射（ＴＩＲ）に十分な角度を有する光を方向転換させることによって実効的に光路を折り返す。図１１の斜視図は、入力面５８側から見えるような、このＴＩＲ効果を示す。
図１０Ａ〜１１に示される実施形態では、ページ断面内の対称軸Ａｓは集光器３２の面と交差しない。本構成では対称軸Ａｓは注目する光軸を構成せず、代りに、光軸Ｏは単に、先に述べたように、集光器３２の入力アパーチャに対して定められる。
図１０Ａ〜１１の構成の一難点は、無駄になり得る、少ないがそれなりの量のトラップ光に関係する。ダイクロイック反射は不完全であるため、ダイクロイック面４４を透過してしまう短波長光のいくらかの漏光があり得る。この光のいくらかはダイクロイック面４４と反射面４６の間に実効的にトラップされ得る。
図１２，１３，１４及び１５に示される実施形態は、図１０Ａ〜１１の構成を開き、そうすることで、トラップ光の問題に対処してこの効果を弱める。初めに図１２を参照すれば、図１０Ａ〜１１の実施形態に用いられた同じ構造を２つ組み合せることで形成された光電変換装置３０の基本構造が示されている。この実施形態では光電変換装置３０が２つの反射型集光器面６２ａ及び６２ｂを有し、これらの間に、傾角をなして、ダイクロイック面６０が配置される。反射型集光器面６２ａ及び６２ｂのそれぞれはそれぞれ自体の回転対称軸Ａｓａ及びＡｓｂとそれぞれ自体の光軸Ｏａ及びＯｂを有する。この実施形態においてそれぞれの回転対称軸Ａｓａ及びＡｓｂはそれぞれに対応する物理的面と交差せず、共線上にない。図１２の断平面において、集光器面６２ａ及び６２ｂのそれぞれの光軸Ｏａ及びＯｂは集光器面の中心に当たる光線の経路によって定められ、回転対称軸に概ね平行である。ダイクロイック面６０は２つの集光面の間にあり、少なくとも１つの回転軸対しては表面が平行にならないように、配置される。
図１３はこの非球面実施形態の光電変換装置３０内の低エネルギー光の経路を示す。ダイクロイック面６０は高エネルギースペクトル帯の外側の光を透過させるから、ダイクロイック面６０は低エネルギー光路に対して実効的に「透明」である。特に、集光器面６２ａに入射する光線はダイクロイック面６０を透過し、ＴＩＲにより入力面５８で折り返される光路に沿って、装置の対向側の受光器３６に導かれる。図示されるように入力面５８が光軸Ｏａ及びＯｂに対して斜角をなすことは、全反射をおこさせるために必要でも不必要でもあり得ることに注意されたい。
図１４は光電変換装置３０内の高エネルギー光の経路を示す。この光に対し、ダイクロイック面６０は反射器としてはたらき、したがって光路を折り返す。入力面５８におけるＴＩＲが同様に光路の次の折返し反射を提供し、装置の、対応する入力多色光と同じ側にある受光器３４に光を導く。図１５はこの実施形態による低エネルギー光及び高エネルギー光の両者についての光路を合せて示す。
図１２〜１５の実施形態は、図１０Ａ及び１０Ｂの実施形態に関して述べた、トラップ光の問題を抑制する。図１５を再び参照すれば、ダイクロイック面６０を通って漏れ、反射されない高エネルギー光のいくらかは光電変換装置３０の対向側にある受光器３４，３６に導かれる。図１２〜１５に示される光電変換装置３０の実施形態は、別の実施形態について述べたように、適する誘電体上に形成された、円柱面構成とすることができる。
図１２〜１５をまだ参照すれば、集光器面６２ａ及び６２ｂは、一般に反射性金属コーティングまたはダイクロイックコーティングを施すことによって形成される、反射性コーティングで被覆することができる。別の実施形態においては、集光器面６２ａ及び６２ｂが全反射（ＴＩＲ）を用いて入射多色光の反射及び方向転換を行うことができる。これには、高屈折率ｎを有する誘電体で光電変換装置３０を形成し、ＴＩＲに適する形状及び傾角を有するように集光器面６２ａ及び６２ｂを配置することが必要になろう。また別の実施形態において、光電変換装置３０は、ダイクロイック面６０によるスペクトル分離を用いない、隣接する集光器面６２ａ及び６２ｂを提供することができる。この場合、集光器面６２ａに対する受光器は集光器面６２ｂの最近に配置され、集光器面６２ｂに対する受光器は集光器面６２ａの最近に配置される。この構成において、光電変換装置３０の上端及び下端にある受光器は多接合光電池またはその他のタイプの光電池とすることができよう。この別実施形態は、入力面５８によるＴＩＲの使用で可能になる拡張された視界も提供するであろう。
本発明の方法及び装置は円柱面形態及びアレイ形態の光電変換デバイスを提供するために用いることができる。本発明の光電変換デバイスの実施形態は個別デバイスとして作成するかまたはアレイでの使用のために作成することができる。図１６の斜視図は、図２Ａ及び２Ｂに示されるモデルに基づく、円柱面型光電変換装置７０を示す。この場合、光電変換装置７０は、図示される座標指定を用いれば、ｘ方向に延長される。そのような延長光電変換装置７０の２つ以上の適する積み重ねによってアレイを形成することができる。図１７は行列をなして配置された光電変換装置３０のマトリックスを用いる別の構成のアレイ７２を示す。図１８は、例えば図１２〜１５に示されるような、オフアクシス反射放物面の組合せで形成された光電変換デバイスからなるアレイ７２を示す。光学設計技術の当業者には当然であり得るように、用いられるいずれの誘電体の屈折率ｎも、これらのアレイデバイスの応答及び効率を最適化するように考慮されなければならない。
光源に対する方位
太陽追跡システム及び方法は周知であり、個別形態またはアレイ形態のいずれかでの集光器３０の使用に容易に適合させることができる。図１９は本発明にしたがう太陽エネルギーシステム８０を示す。アレイ７２のような、１つ以上の集光エネルギー装置が太陽を追跡するように配置及び構成される。追跡アクチュエータ８４は、太陽の東−西位置が一日を通して地球７６に対して変化するにともなって光電変換装置７０の方位を適切に定めるために、また適切な北−南方位に必要な微調節を行うために、制御ロジックプロセッサ８２によって制御される。制御ロジックプロセッサ８２は、例えば、コンピュータまたはマイクロプロセッサベース専用制御装置とすることができる。制御ロジックプロセッサ８２は、ある位置において得られる電流の相対量を測定することによるかまたは何か別の適する信号を得ることにより、位置を検知することができる。次いで、位置の指標となるこの信号に応答して、制御ロジックプロセッサ８２は追跡アクチュエータ８４に指令して適宜に位置調節を行わせるための制御信号を供給する。
本発明の装置により、多接合または積層構成を必要とせず、横並び構成を有する光電変換受光器の使用が可能になる。横並び構成においては、分離されたスペクトル帯が適する光電池上に導かれ、それぞれの光電池は導かれたスペクトル帯の波長から光エネルギーを得るために最適化される。本発明の装置は個別のモジュール型集光素子または集光器アレイを提供するために用いることができる。本発明の装置は比例拡縮可能であり、薄型パネル用途または大規模光エネルギー装置に適合させることができる。受光器３４または３６の１つ以上は、シリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）及びその他の材料を含む、供給されるスペクトル帯に適するいずれかの光電変換材料で作成された、光電変換（ＰＶ）デバイスとすることができる。受光器３４または３６の１つ以上は多接合光電変換受光器とすることができる。あるいは、受光器３４及び３６の１つ以上は、テルル化水銀カドミウムサーマルダイオードのような熱電変換材料を含む、熱を電気に変換するいずれかの材料を用いる熱電変換型または熱光電変換（ＴＰＶ）型とすることができよう。受光器３４及び３６の１つ以上は電荷結合素子（ＣＣＤ）またはその他の光センサとすることができよう。
以上の説明においては本発明の装置を主に光電変換装置として説明した。しかし、本発明の装置は、その最も広い適用範囲において、光エネルギーのスペクトル帯へのスペクトル分離を提供し、それぞれのスペクトル帯をいずれかのタイプの受光器に向けて方向転換させる、集光エネルギー器としてはたらく。別の実施形態において、受光器３４，３６の１つ以上は、例えばエネルギー発生またはスペクトル分析のような、別の光学サブシステムの入力像面である。あるいは、受光器３４，３６は、例えば光ファイバのような、光ガイドへの入力とすることができる。
受光器３４及び３６に供給される２つ以上のスペクトル帯が、スペクトル上で鮮鋭に弁別されないことを看取することができ、それぞれのスペクトル帯はいくらかの同じ波長を含むある程度の重なりを有するであろう。ダイクロイック応答は不完全であり、ダイクロイックコーティングの性能を低下させる垂直ではない角度で光が入射し得るから、ある程度の量のスペクトル汚染は不可避であろう。望ましい場合にはスペクトル汚染を低レベルに抑えるようにダイクロイックコーティングを最適化することができよう。あるいは、先に述べたように、何か別のタイプの反射コーティングの代りに、ダイクロイックコーティングをスペクトルセパレータ４０の反射面４６に施し、よって多くのタイプの従来のミラーコーティングに優る改善された効率を得ることができよう。上に示した実施形態のいずれについても、用途の要件に最善に適合するようにスペクトル帯を定め、最適化することができる。
以上、太陽あるいはその他の多色光源から集光し、２つ以上のスペクトル帯に光を分離して、それぞれのスペクトル帯を受光器に供給する装置を提供した。
３０ 光電変換装置
３２ 集光器
３４，３６ 受光器
４０ スペクトルセパレータ
４４ ダイクロイック面
４６ 反射面
Ｏ 光軸
Ｒ 代表光線

Claims (10)

  1. 多色光エネルギー源からエネルギーを得るための装置において、前記装置が、
    （ａ）入射光エネルギーの集中及び方向転換を行うための集光器であって、光軸を有する集光器、
    （ｂ）集中及び方向転換を受けた光エネルギーの経路に、前記光軸に沿い、前記集光器から隔てられて配置されたスペクトルセパレータであって、
    （ｉ）前記集光器から受け取った光の第１のスペクトル帯を第１の集束領域に向けて反射し、第２のスペクトル帯を透過させるように処理された第１の平面、及び
    （ii）前記第１の平面から隔てられ、前記第１の平面に対して傾けられた第２の平面であって、前記第２のスペクトル帯を反射し、前記第１の平面を通して、前記第１の集束領域から隔てられた第２の集束領域に向けて返すように処理された第２の平面、
    を有するスペクトルセパレータ
    及び
    （ｃ）第１及び第２の受光器、
    を備え、
    前記第１の受光器は前記第１のスペクトル帯を受け取るために前記第１の集束領域の最近に配置され、前記第２の受光器は前記第２のスペクトル帯を受け取るために前記第２の集束領域の最近に配置されることを特徴とする装置。
  2. 前記第１の平面が可視波長を反射することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記第１の平面が赤外波長を反射することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記第１の平面及び／または前記第２の平面がダイクロイックコーティングを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 前記第１の受光器及び前記第２の受光器の少なくとも一方が光電変換受光器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 前記第１の受光器及び前記第２の受光器の少なくとも一方が熱電変換受光器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. 前記第１の受光器及び前記第２の受光器の少なくとも一方が別の光学システムのための入力面であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 前記集光器の前記光軸が前記第１の集束領域と前記第２の集束領域の間にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  9. 前記スペクトルセパレータが前記第１の平面と前記第２の平面の間に固体誘電体をさらに有し、前記第１の受光器及び前記第２の受光器が実質的に同じ平面にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  10. 前記第１の平面と前記第２の平面の少なくとも一方が前記集光器の前記光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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