JP2010516048A - 電気エネルギーおよび/または熱エネルギーへの太陽エネルギーの変換 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気エネルギーおよび/または熱エネルギーへの太陽エネルギーの変換における改良に関する。より詳細には、本発明は、経済的に太陽エネルギーを集めそしてそれを電気エネルギーおよび/または熱エネルギーに変換するためのミラーおよびレンズ/プリズムのシステムを提供する。
太陽エネルギーは、30年以上も前から望ましいエネルギー源である。しかしながら、コストが、常に、広範囲に及ぶその使用に対する障害であった。最もよく知られた太陽エネルギーシステムは、十分な面積をカバーするかまたは十分な入射光をさえぎり、10〜15パーセント(10%〜15%)の比較的低い変換効率で所望の量の電力を産出する太陽電池のアレイを備えている。このアプローチは、高価な半導体太陽電池の大面積を必要とする。現在までこれらのシステムは、ある種の費用補助金がないと競争力がなかった。概して、太陽エネルギーシステムの非常に高いコストは、主として、太陽電池と呼ばれる半導体変換デバイスに必要とするコストおよび量が原因である。コスト問題を軽減するいくつかのアプローチがあった。1つのアプローチは、最小限の量のみの半導体材料を用いる薄膜太陽電池を製作することである。残念ながら、このアプローチは6〜8パーセント(6%〜8%)のさらに低い効率を引き起こし、材料は問題があることが判明した。第2のアプローチは、フレネルレンズまたはフレネルの鏡などの様々な光学デバイスを用い、より高い強度に太陽エネルギーを集束し、次いで、より小さい面積の高価な太陽電池を用いて太陽エネルギーを変換することである。これらのアプローチの全ては、追求されてきたし、なおも追及されている。現在までこれらのどれもが、公益事業体または政府機関によって提供されるある種の財政上の報奨金なしでは、経済的な太陽エネルギーの生成という結果にはならなかった。太陽エネルギーを集め、それを電気エネルギーおよび/または熱エネルギーに変換する、より経済的な方法に対するニーズがある。本発明の主目的は、このニーズを満たすことである。
本発明の太陽エネルギー収集システムは一次ミラーと二次ミラーとを備えている。一次ミラーは、光エネルギーを受け、光エネルギーを焦点の方に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する。二次ミラーは、一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、光エネルギーを環状の受容器に再集束させるように組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する。
本発明の太陽光エネルギー変換システムは独特である。なぜなら該システムは、有用な温度で太陽光エネルギーを熱エネルギーに温水の形態で変換し、一方同時に、ソーラーパワーを電力に高い効率で変換する。本発明のシステムにおいて、集中された太陽光エネルギーは、まず光電池によって吸収される。光電池は吸収されたエネルギーの一部分を電気に変換し、光電池は、広い禁止帯の幅を有する半導体材料から組み立てられるので、光電池は、上昇した温度においてさえも高い効率性を維持し得る。
図1は、本発明の例示的実施形態の光構成要素の概略図である。該光構成要素は、一次ミラー10と、二次ミラー14と、光コンセントレータ18とを備えている。一次ミラー10は、凹面/凸面の放物面反射器であり、該放物面反射器はその凹面側に鏡面12を有する。二次ミラー14は、凹面/凸面の放物面反射器の凸面側に鏡面16を有する凹面/凸面の放物面反射器である。ミラー14の凸面側16は、ミラー10の凹面側12と向かい合う。凹面の鏡面12は、好ましくは放物状であり、鏡面16は、概して双曲線状である。実質的に放物状の面12は、そのリム20と共面である焦点に、軸方向に平行にされた太陽光を集束させる。この焦点は、二次ミラー14の概して双曲線状の鏡面16の虚焦点と一致する。鏡面16は、それが一次ミラー面12から受ける太陽エネルギーを集中させ、光コンセントレータ18の1つの端部における環状の領域に太陽エネルギーを集中させるように組み立てられそして位置を決められる。以下に詳細に説明されるように、コンセトレータ18は、分離した領域(discreet area)のリングに太陽エネルギーをさらに集中させるレンズ/プリズム100の環状のアレイから構成される。太陽電池PVは、集中された太陽光領域を吸収しそれを電気および熱に変換する分離した領域に位置を決められる。
h=1/56r2 (1)
および
dh/dr=r/28=tanΘ (2)
によって説明され、ここで、hは原点の上の高さであり、rは原点からの半径距離である。ついで、接線重力(求心力)は、
Fgt=Fgsin0=mgsinΘ (3)
であり、ここで、Fgtは重力の接線成分であり、Fgは総重力であり、Θは水平に対する曲線に接する接線の角度であり、mは流体の増加質量であり、gは重力定数である。次いで接線求心力は、
Fct=mrw2cosΘ (4)
であり、ここで、Fctは求心力であり、wは回転する放物面放射器の角速度である。
w=√8/28ラジアンまたはrpm=60/π√g/28 (5)
が得られる。
風速が閾値を超えた場合コンセントレータ放物面反射器を下の方に向くように回転させること(風に対する縁の向き)との働きをする。センサおよび制御システムの主要な機能は、より詳細に以下に説明される。
Claims (46)
- 光エネルギーを受け、該光エネルギーを焦点の方に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する一次ミラーと、
該一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、該光エネルギーを環状の受容器に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する二次ミラーと
を有する、光エネルギー収集システム。 - 前記環状の受容器は、前記二次鏡面から受けた前記光エネルギーを、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイである、請求項1に記載の光エネルギー収集システム。
- 光から電気への変換ユニットのリングは、前記別個の領域のリングに位置を決められる、請求項2に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記一次ミラーの前記凹面の鏡面は、実質的に放物状である、請求項1に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記二次ミラーの前記凸面の鏡面は、概して双曲状である、請求項1に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記光要素は、レンズを含む、請求項2に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記光要素は、プリズムを含む、請求項2に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記環状の受容器は、前記光エネルギーを熱に変換するように適合される本体である、請求項1に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記環状の受容器は、前記光エネルギーを電気に変換するように適合される、請求項1に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記光から電気への変換ユニットは、光電池である、請求項3に記載の光エネルギー収集システム。
- 前記光から電気への変換ユニットは、相互に接続されている、請求項3に記載の光エネルギー収集システム。
- フレームと、
該フレームによって支持される一次ミラーであって、該一次ミラーは、太陽エネルギーを受け、該太陽エネルギーを焦点の方に集束するように、組み立てられそして位置を決められた凹面鏡面を有する、一次ミラーと、
該フレームによって支持される二次ミラーであって、該二次ミラーは、該一次ミラーから集束された太陽エネルギーを受け、太陽エネルギーを環状の受容器に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有し、該環状の受容器は該フレームによって支持される、二次ミラーと
を備えている、太陽エネルギー収集システム。 - 前記環状の受容器は、前記二次鏡面から受けた前記太陽エネルギーを、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイである、請求項12に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 光から電気への変換ユニットのリングは、前記別個の領域のリングに位置を決められる、請求項13に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記一次ミラーの前記凹面の鏡面は、実質的に放物状である、請求項12に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記二次ミラーの前記凸面の鏡面は、ほぼ双曲状である、請求項12に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記環状の受容器は、前記太陽エネルギーを吸収し、該太陽エネルギーを熱に変換するように適合される本体である、請求項12に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記光要素は、レンズである、請求項13に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記光要素は、プリズムである、請求項13に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記一次ミラーを太陽に向かせ続けるように動かすためのフレームを調整可能に取り付ける手段を含む、請求項12に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 前記フレーム位置決め手段は、アジマス調整手段と、高度調整手段とを含む、請求項20に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 太陽に向いている前記一次ミラーを維持するために、太陽の位置に応答するセンサ手段を含む位置決め手段の制御を含む、請求項20に記載の太陽エネルギー収集システム。
- 曲面を有する薄い金属本体と、
該曲面上のポリマー層と、
該ポリマー層上の反射金属層と、
該金属層上の薄いガラス層であって、該層は該ミラーに鏡面を提供する、薄いガラス層と
を備えている、ミラー。 - 前記薄い金属本体は、シートアルミニウム合金から形成される、請求項23に記載のミラー。
- 前記薄い金属本体は、T−6条件に硬化されたアルミニウム合金6061のシートから形成される、請求項23に記載のミラー。
- 前記曲面は、実質的に凹面である、請求項23に記載のミラー。
- 前記曲面は、実質的に放物状の面である、請求項26に記載のミラー。
- 前記曲面は、実質的に凸面である、請求項26に記載のミラー。
- 前記曲面は、ほぼ双曲状の面である、請求項26に記載のミラー。
- 一方の側が凸面であり、もう一方の側が凹面であるように形成されたシート金属本体であって、該本体は、その両側のうちの1つの側に形成される鏡面を有し、該鏡面は、該本体の1つの側上のポリマー層であって、該ポリマーに作用する遠心力が重力を打ち消すような回転速度で該シート金属本体がその幾何学軸の周りで回転している間、該ポリマーが該面に適用される、ポリマー層によって形成される、シート金属本体と、
該ポリマー層上の反射金属層と、
該金属層上の薄いガラス層と
を備えている、ミラー。 - 前記本体は、シートアルミニウム合金から形成される、請求項30に記載のミラー。
- 前記薄い金属本体は、T−6条件に硬化されたシートアルミニウム合金6061から形成される、請求項30に記載のミラー。
- 前記鏡面は、前記本体の凹面側にある、請求項30に記載のミラー。
- 前記鏡面は、実質的に放物状の面である、請求項33に記載のミラー。
- 前記鏡面は、前記本体の凸面側に形成される、請求項30に記載のミラー。
- 前記鏡面は、ほぼ双曲状の面である、請求項35に記載のミラー。
- 前記ほぼ双曲状の面は、該双曲状の面が受ける光/熱エネルギーを反射し、環状の焦点領域に集束させるような形状である、請求項36に記載のミラー。
- 光エネルギーを環状の領域に集束させるように適合された凸面の鏡面を有するミラーであって、該凸面の鏡面は、
軸の周りに対称的に形成され、凹面側と、凸面側と、該凹面側の虚焦点と、該凸面側の実焦点とを有する双曲状湾曲を提供することと、
該虚焦点の周りに、該軸と該双曲状湾曲とを傾けることであって、その結果、その傾けられた位置において、該軸は鋭角でその本来の位置から分離され、該双曲状湾曲がその本来の位置から傾けられる、ことと、
該傾けられた双曲状湾曲の部分を回転させることであって、該双曲状湾曲の部分は、本来の軸から該傾けられた軸まで、そして該傾けられた軸を超えて、該本来の軸の周りに延び、その結果、該傾けられた双曲状湾曲の該回転した部分は該本来の軸の周りに回転表面を形成する、ことと、
該ミラーの該凸面の鏡面に該回転表面の形状を提供することであって、その結果、該鏡面は環状の焦点を有する、ことと
によって形成される、ミラー。 - ガラスのレンズ/プリズム要素の環状のアレイであって、該要素はそれぞれ該ガラスのレンズ/プリズム要素が実質的に相互に嵌合し得、実質的に環状の形状のアレイを形成し得るように放射状に延びる、凸面の上部と、凸面の下部と、平らな内側端部と、外側端部とを有する、環状のアレイを備えている、光学エネルギーコンセントレータ。
- 光エネルギーを受け、該光エネルギーを焦点の方に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する一次ミラーと、
該一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、該光エネルギーを環状の受容器に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する二次ミラーであって、該凸面の鏡面は、
軸の周りに対称的に形成され、凹面側と、凸面側と、該凹面側の虚焦点と、該凸面側の実焦点とを有する双曲状湾曲を提供することと、
該虚焦点の周りに、該軸と該双曲状湾曲とを傾けることであって、その結果、その傾けられた位置において、該軸は鋭角でその本来の位置から分離され、該双曲状湾曲がその本来の位置から傾けられる、ことと、
該傾けられた双曲状湾曲の部分を回転させることであって、該双曲状湾曲の部分は、該本来の軸から該傾けられた軸にそして該傾けられた軸を超えて、該本来の軸の周りに延び、その結果、該傾けられた双曲状湾曲の該回転した部分は該本来の軸の周りに、回転表面を形成する、ことと、
該二次ミラーの該凸面の鏡面に該回転表面の形状を提供することであって、その結果、該鏡面は環状の焦点パターンを有する、ことと
によって形成される、二次ミラーと
を備えている、光エネルギー収集システム。 - ガラスのレンズ/プリズム要素の環状のアレイであって、該要素の各々は、該ガラスのレンズ/プリズム要素が実質的に相互にフィットし得、実質的に環状の形状のアレイを形成し得るように放射状に延びる、凸面の上部と、凸面の下部と、平らな内側端部と、外側端部とを有する、環状のアレイを実質的に環状の焦点においてさらに備えている、請求項40に記載の光エネルギー収集システム。
- ベースと、
該ベースから上方に延びる円筒形のシャドウシールドであって、該シールドは、上端部と、円筒形の内部表面と、外部表面とを含む、円筒形のシャドウシールドと、
該シャドウシールド内部の該ベースに接続された下部と、先端を切った角錐の形状の上部とを有するセンササポートであって、該上部は、実質的に90度(90°)離れて位置を決められた4つの傾斜した側面を有する、センササポートと、
該サポートに取り付けられた4つの光電池であって、該先端を切られた角錐の該傾斜した側面上のそれぞれに1つ存在する、4つの光電池と、
該シャドウシールドの該外部表面に90度(90°)離れて取り付けられた4つの光電池と
を備えている、太陽位置センサ。 - 前記先端を切られた角錐の傾斜の前記4つの側面は、垂直から実質的に30度(30°)である、請求項42に記載のセンサアセンブリ。
- 各光電池は、ガラスで覆われている、請求項42に記載のセンサアセンブリ。
- 前記光電池の入射角に対する反射率/透過率の非線形の応答がある、請求項42に記載のセンサアセンブリ。
- 前記ガラスで覆われた光電池の入射角に対する反射率/透過率の非線形の応答がある、請求項44に記載のセンサアセンブリ。
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