JP2011514682A - 太陽エネルギ生成システム - Google Patents

Abstract

太陽電気エネルギを発生するデバイスは、全体的に、日射を合焦する光学素子と、平行化光学素子と、平行化光学素子の焦点近傍に配置され、入射する日射を複数の隣接する波長帯に分光させる半導体光ゲート・ウェッジと、光電セル・アレイであって、各セルが、ウェッジによって分光させられた波長帯の内対応する波長帯を吸収し、光電エネルギに変換する材料で形成されている、光電セル・アレイと、ウェッジとアレイとの間に配置され、分離された波長帯を、対応する光電セルに導く屈折回折光子とを含む。
【選択図】図１

Description

従来技術

太陽光電（ＰＶ）セルは、他の電源では費用がかかるまたは利用できない地球上の遠隔地のため、そして宇宙船のために現在電力を供給している。太陽ＰＶ技術は、未だ、殆どの中央拠点発電利用と競争することができない。何故なら、これらは全て他の利用可能なエネルギ源（例えば、石炭、ガス、および原子力）よりも遥かに費用がかかるからである。

それでも太陽ＰＶ技術に利点が残されているのは、既存の発電形態が、その供給が減少するに連れて一層コスト高になっていくのが確実であるからである。また、太陽発電の全ての形態は、再生可能であり、生態系に優しくもある。現在、太陽ＰＶセルのコストを下げ、また、その効率を高める（太陽エネルギを直接電気に変換するため）動き(push)がある。

現在の電気エネルギ発生の全体的なコストは、大まかに３００Ｍドル／時であり、全体的な「エネルギ・マーケットプレイス」はその数値の２倍となる。いずれのエネルギ生産能力でも、石炭燃料または原子力パワーにかかる現在の設置コストよりも低いコストで設置することができれば、熱烈に歓迎される。

太陽ＰＶセルの現在の問題には、２つある。第１に、これらが、その設備コストに基づくと、中央拠点電力発生の対する従来のエネルギ源と競争することができない（太陽では大まかに７〜１０ドル／設備ワットであるのに対して、石炭、原子力、または天然ガスでは４〜５ドル／ワット）。第２に、太陽ＰＶセルは、現在、様々な多数の電子産業（コンピュータ、ＬＥＤ、およびダイオード・レーザ）において用いられるのと同じ希少な半導体材料を必要とする。太陽ＰＶセルを電気エネルギ発生源として競争できるようにするためには、これらの生産コストを大幅に下げ、太陽エネルギの電気への変換における効率を著しく高め、安価で大量にある材料で殆ど全て製作できるようにならなければならない。

現在の太陽セル技術は、屋根に応用するために、単一接合セルを採用している。このようなセルは、通例、効率が約１２％から１８％であり、電子業界によって他の用途のために高い需要がある精製シリコンを必要とする。太陽セルの効率を高めるために、「多重接合」セルを組み立てる多数の試行がなされてきた。これらの積層セルは、セルの異なる層が、入射太陽エネルギの異なるエネルギ・バンドを吸収するように設計されている。

このような多重接合セルの方が効率が高いことが実証されており、その最良の例では、研究室において４０％をも超える効率も達成している。しかしながら、複雑さのために、その組立に用いなければならない材料（Ｇｅ、ＩＩＩ−Ｖのような）が限られてしまい、現在では単一接合セルよりも遥かに高価になっている。

現在の集中太陽セルの製造において、コーティングを含む各セル層の厚さを非常に正確に蒸着することができさえすれば、４０％以上の最大効率を達成することはできる（Spectrolab, Boeing)。各セル層の厚さは、セルの各部において同じ電流生成を維持するために、正確に制御しなければならない。これは、特に、接合部間に等しい電流を得るには、各接合部間に高価で正確なトンネル・ダイオードを必要とする多重接合セルに当てはまることである。正確な製造に伴って処理コストが増大することに加えて、これらの多重接合コンポーネントは、互いに「格子整合」されていなければならない。

これが意味するのは、セル設計者は、各接合部に正確に同じ分子格子間隔を達成するためには、希少で高価な半導体合金の組み合わせに制限されるということである。
中央拠点電力発電マーケットプレイスと競争するためには、太陽ＰＶセルおよび集中システムのコストは、２ドル／設備ワット未満でなければならない。また、これらは、「デューティ・サイクル」を競合可能にするために、高い効率を達成しなければならない。典型的な中央拠点電力発生設備では、現在、２０時間／日まで「稼動する」(on station)。米国南西部では、ＳＯＡソラー・パネルが電力を生成するのは、約６時間／日に過ぎず、「デューティ・サイクル」は２５％以下となっている。太陽を追尾するソラー・セルであれば、平均で毎日約１１時間電気を生成することになる。

発明の概要
太陽光電エネルギを発生するための本発明によるデバイスは、全体的に、日射を合焦する光学素子と、これに続く平行化光学素子と、入射する日射を複数の隣接する波長帯に分光させる半導体光ゲート・ウェッジとを含む。ウェッジは、反射損失を低減するために、多数のコーティングを含むこともできる。

光電セルのアレイには、ウェッジによって分光させられた波長帯の内対応するものを吸収し電気エネルギに変換する材料で形成されている各セルが設けられている。ウェッジとアレイとの間には、分離した波長帯を対応する光電セルに導くために、屈折光学素子が配置されている。

このように、分散アレイにおけるセルの中の各半導体材料は、入射する太陽スペクトルから、太陽光を吸収し電気に変換する材料の能力に一致する波長範囲のみに合わせて配置されている。

これらの「非積層型」ソラー・セル・アレイは、既存の多重接合セルよりも豊富で安価な材料を用いて、遥かに低い処理コストで組み立てることができる。その結果、得られた光電（ＰＶ）セル・アレイの電気／総パワー比（効率）は、一旦各ＰＶ材料およびセルがそれに該当する光子波長またはエネルギに対して最適されたなら、４０％を超過する。

対照的に、先に注記したように、技術的現状におけるソラー・パネル・システムでは、総効率は１８％以下で限界である。
更に特定すると、ウェッジとセル・アレイとの間に、分離した波長帯を、対応する光電セルに導く目的で、屈折光学素子を配置する。各セルは、単一接合、ＩＩＩ−ＶまたはＳｉ、光電セルを備えている。これは、デバイスのコストを大幅に低減する。

更に具体的には、一例として、前述のアレイは、５つのセルを含むことができ、第１セルは、０．９５および１．１５ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第２セルは、１．２０および１．４ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第３セルは、１．４５および１．７ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第４セルは、１．７５および２．１ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第５セルは、２．１５および２．１８ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収する。

更にまた特定すると、第１セルはＧａＩｎＡｓＰとすることができ、第２セルはＳｉとすることができ、第３セルはＧａＡｓとすることができ、第４セルはＧａＩｎＰとすることができ、第５セルはＡｌ_２ＧａＩｎＰ_４とすることができる。

デバイスの効率および有効性を更に高めるために、屈折光学素子は、ウェッジから光電セルへの光を空間的に分光させて、セル表面に対して光が垂直となるように配置されている。

本発明による方法は、光電セル・アレイの最適化に備えており、日射を半導体光ゲート・ウェッジ上に合焦するステップと、前記ゲート・ウェッジによって、前記日射を複数の隣接する波長帯に分光させるステップと、隣接する波長帯が光電セル・アレイの表面に対して垂直に入射するように、隣接する波長帯を導くステップとを備えている。更に特定すると、本方法は、複数の単一接合、ＩＩＩ−ＶまたはＳｉ、光電セルを配列することも含む。これらの光電セルは、線形アレイを形成する。

本発明は、以下に続く詳細な発明を、添付図面と合わせて考慮することによって、一層容易に理解することができる。

図１は、太陽光電エネルギを発生するための本発明による光電（ＰＶ）ボックスの図であり、全体的に、平行化光学素子、半導体光ゲート・ウェッジ、光電セルのアレイ、およびウェッジとアレイとの間に配置されたアレイ状光学素子を示す。 図２は、図１に示したＰＶボックスと動作関係に配置された、合焦光学素子を含む、太陽エネルギ生成システムの図である。 図３は、本発明による、図２に示した合焦光学素子の一実施形態の図であり、４つのミラーを有するフレネル・アレイを示す。 図４は、本発明による、図２に示した合焦光学素子の別の実施形態の図であり、３６ミラー・フレネル・アレイを示す。 図５は、ｅＶ単位の光子エネルギの関数とした、発電ワット数対太陽スペクトルのプロットであり、本発明によるデバイスの効率を、単一接合ダイオード光電セルの使用によって示す。

図１を参照すると、太陽光電エネルギを発生するための、本発明による光電（ＰＶ）ボックス１０が示されている。ＰＶボックス１０は、全体的に、平行化光学素子１２、入射放射線を選択的に反射するために所望であれば被膜することができる半導体光ゲート・ウェッジ１４、ウェッジ１４と光電セル２２、２４、２６、２８、３０のアレイ１８との間に配置されている屈折光学素子１６を含む。日射は、ウィンドウ開口８を通じてＰＶボックス１０に入る。

図２に示すように、太陽エネルギ生成システム２は、ウィンドウ開口８上の日射をＰＶボックス１０に合焦する合焦光学素子４を含む。ＰＶボックスは、合焦光学素子４の支持体に、数個の支柱によって取り付けられている。

合焦光学素子４は、例えば、図３に表すように、適した外形およびサイズであればいかなるものでもよい。図３では、合焦光学素子は、４つのミラー３４、３６、３８、４０を有するフレネル・アレイ４ａを備えており、各ミラーは、直径が０．５ｍであり、２つの半導体光ゲート・ウェッジ１４から約０．５ｍの距離だけ離間されている。ウェッジ１４は、約０．０４ｍ^２の面積を有する。太陽入力を９２０Ｗ／ｍ^２、そして合焦光学素子の収集面積が０．７８ｍ^２とすると、ウェッジにおける電力(power)は約７２２Ｗとなる。効率が４０％であると、電力出力は、ほぼ３００ワットの電力(electric power)となる。適したウェッジ１４について、Fayの米国特許第７，２３８，９５４号および第７，２８６，５８２号に記載されている。これらの参考資料は、適したウェッジ１４を本発明において用いるために説明するという目的で、その内容全体が本願にも含まれるものとする。

ＰＶボックス１０は、合焦光学素子４、平行化光学素子１２、ウェッジ１４、屈折光学素子１６、および光電セル・アレイ１８のサイズを増大させることによって、適したサイズであればいずれにでも拡大(scale)することもできる。例えば、図４に示すように、合焦光学素子４ｂは、３つの円に配列された３６つのミラーを有するアレイを含み、全直径が１４ｍ、そして収集面積が１１３ｍ^２とすることもできる。太陽入力が９２０Ｗ／ｍ^２であり、合焦光学素子の収集面積が１１３ｍ^２であるとすると、ウェッジにおける電力は約１０５，０００Ｗとなる。効率が４０％であると、電力出力は、約４２，０００ワットの電力となる。この場合、９つのウェッジ１４を利用して、０．１８ｍ^２の面積を有することができる。合焦光学素子４ａおよび４ｂを利用して収集される光エネルギの量は、家庭用および商用の電力生成に適した実施形態をそれぞれ表している。

合焦光学素子４および屈折光学素子１６に用いられるフレネル・レンズは、Edmunds OpticsまたはOpto Sigma、あるいはNweport Opticalから入手可能である。半導体光ゲート・ウェッジ１４は、先に引用した米国特許において記載されているが、TWO-SIXおよびJanos Opticalを通じて入手可能である。

合焦光学素子４ａ、４ｂを入射する日射に対して０．１度以内で垂直にさせるために、従来の太陽追跡器（図示せず）を利用することもできる。
重要なことは、本発明の構成によって、単一接合、ＩＩＩ−ＶまたはＳｉ光電セルを備えることができる光電セルの線形配列が可能になることである。アレイには、適した光電セル２２〜３０を、いずれの数でも利用することができるが、５つが示されており、太陽エネルギ生成システム２のサイズに応じて、いずれの数でも、例えば、３つでも利用することができる。これらの「非積層」ソラー・セル・アレイ１８は、豊富で費用が少なくて済む材料を用いて、処理コストを遥かに低く抑える。光電セル・アレイ１８は、４０％を超える効率を有することができる。何故なら、各光電材料およびセルが、ウェッジによって入射するその該当する光子波長またはエネルギに最適化されているからである。一方、ウェッジ１４は、光電セル・アレイ１８の表面とほぼ同じ屈折率を有する。光電セル・アレイ１８は、電圧を高めるために直列に接続されている。加えて、これらのＰＶセルは、外部の電気接続によって互いにインピーダンス整合されて、全電気出力を最大化することが好ましい。

５つのセルによるアレイでは、第１セル２２は、０．９５および１．１５ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収するために架設されている。第２セル２４は、１．２０および１．４ｅＶの間のエネルギの光子を吸収するために架設されている。第３セル２６は、１．４５および１．７ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収するために架設されている。第４セル２８は、１．７５および２．１ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収するために架設されている。そして第５セル３０は、２．１５および２．１８ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収するために架設されている。

更に具体的には、セル２２はＧａＩｎＡｓＰとすることができ、第２セル２４はＳｉとすることができ、第３セル２６はＧａＡｓとすることができ、第４セル２８はＧａＩｎＰ_２とすることができ、第５セル３０はＡｌ_２ＧａＩｎＰ_４とすることができる。これらのセルは、確固たる地位を既に築いている発光ダイオード、即ち、ＬＥＤ産業技術に基づいている。これらのＬＥＤは、電流を複数の波長の光に変換し、各波長は当該素材のバンド・ギャップ付近にある。これらの同じＬＥＤは、（少々の設計変更によって）ウェッジによって分光される各波長帯内の太陽光を受光し、それを電流に高い効率で変換することができる。

このようなＬＥＤベース光電セルは、例えば、Cree, Incのような多数の製造業者から入手可能である。しかしながら、適した材料は先に明記したものに限定されるのではなく、クラスＩＶ、ＩＩＩ−Ｖ、またはＩＩ−ＶＩ材料タイプからの材料も含むことができる。これらの材料は、太陽スペクトルの近赤外線不可視領域の電気への光電変換を最適化するために利用されている。本発明において使用するのに適した材料の更に詳しい説明は、Fayの米国特許第５，６１７，２０６号、第７，２３８，９５４号、および第７，２８６，５８２号に記載されている。これらの参考文献も、ここで具体的に引用したことにより、本願にもその内容が含まれるものとする。

先に注記したように、光電セル２２〜３０の効率は、光ゲート・ウェッジ１８によって得られる。光ゲート・ウェッジ１８は、太陽の角直径（９．３ミリ−ラジアン）の光学素子によって強制される制限を克服するのに十分な分光を発生させる。屈折光学素子１６は、異なる波長（光子エネルギ）の異なるセル２２〜３０への分光および合焦を完了する。屈折光学素子１６は、更に、光をセル２２〜３０に対して垂直に、空間的に分光させて、光電アレイ１８のセル２２〜３０の過熱を防止する。

本デバイスの効率を図５に示す。大気（図５では、ＡＭＯという見出し、または空気質量０において記載されている）が曲線５２として示されており、生成される電気のワット数が、太陽スペクトルを横切る曲線５４として示され、パネル１、２、３、４、５によって示される各セルの太陽変換範囲は、セル２２、２４、２６、２８、３０に対応する。

以上、本発明による具体的な太陽エネルギ生成システムおよび方法について、本発明を有利に用いることができる太陽を例示する目的で説明したが、本発明はそれに限定されるのではないことは認められてしかるべきである。即ち、本発明は、明記したエレメントを好適に備えること、これらで構成すること(consist of)、または本質的にこれらで構成することもできる。更に、本明細書において例示的に開示した発明は、本明細書において具体的に開示されていないいずれのエレメントがなくても、好適に実施することができる。したがって、当業者に想起され得るあらゆるおよび全ての変更、変形、または同等の構成は、添付した特許請求の範囲に定められる本発明の範囲に該当すると考えられてしかるべきである。

Claims (18)

1. 太陽光電エネルギの発生デバイスであって、
   日射を合焦する光学素子と、
   平行化光学素子と、
   前記平行化光学素子の焦点近傍に配置され、入射する日射を複数の隣接する波長帯に分光させる半導体光ゲート・ウェッジと、
   光電セルのアレイであって、各セルが、前記ウェッジによって分光させられた波長帯の内対応する波長帯を吸収し、電気エネルギに変換する、アレイと、
   前記ウェッジと前記アレイとの間に配置され、分離された波長帯を、対応する光電セルに導く屈折回折光子と、
   を備えている、デバイス。
2. 請求項１記載のデバイスにおいて、各セルは、単一接合のＩＩＩ−ＶまたはＳｉ光電セルを備えている、デバイス。
3. 請求項２記載のデバイスにおいて、前記アレイは、３つの光電セルを備えている、デバイス。
4. 請求項２記載のデバイスにおいて、前記アレイは、５つの光電セルを備えている、デバイス。
5. 請求項１記載のデバイスにおいて、前記アレイは５つのセルを備えており、第１セルは、０．９５および１．１５ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第２セルは、１．２０および１．４ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第３セルは、１．４５および１．７ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第４セルは、１．７５および２．１ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収し、第５セルは、２．１５および２．８ｅＶの間のエネルギの太陽光子を吸収する、デバイス。
6. 請求項３記載のデバイスにおいて、前記第１セルはＧａＩｎＡｓＰであり、前記第２セルはＳｉであり、前記第３セルはＧａＡｓであり、前記第４セルはＧａＩｎＰ_２であり、前記第５セルはＡｌ_２ＧａＩｎＰ_４である、デバイス。
7. 請求項１記載のデバイスにおいて、前記屈折光学素子は、前記ウェッジから前記光電セルへの光を空間的に分光させて、セル表面に対して垂直となるように配置されている、デバイス。
8. 請求項１記載の方法において、前記ウェッジは、反射損失を低減するために、反射防止コーティングを含む、デバイス。
9. 請求項１記載のデバイスにおいて、前記合焦光学素子は、複数のフレネル・ミラーを備えている、デバイス。
10. 請求項９記載のデバイスにおいて、前記合焦光学素子は、４つのフレネル・ミラーを備えている、デバイス。
11. 請求項９記載のデバイスにおいて、前記合焦光学素子は、３つの同心円に配置された３６個のフレネル・ミラーを備えている、デバイス。
12. 光電セル・アレイの最適化方法であって、
    日射を半導体光ゲート・ウェッジ上に合焦するステップと、
    前記ゲート・ウェッジによって、前記日射を複数の隣接する波長帯に分光させるステップと、
    各アレイ・エレメントのバンド・ギャップ・エネルギが前記入射光子エネルギに一致するように、前記隣接する波長帯を、光電セル・アレイ上に、前記光電セル・アレイに対してほぼ直角に導出するステップと、
    を備えている、方法。
13. 請求項１２記載の方法であって、前記光電セル・アレイを形成するために、複数の単一接合のＩＩＩ−ＶまたはＳｉ光電セルを配列するステップをさらに備えている、方法。
14. 請求項１３記載の方法において、複数のセルを配列するステップは、３つの隣接するセルを配列することを含む、方法。
15. 請求項１３記載の方法において、複数のセルを配列するステップは、５つの隣接するセルを配列することを含む、方法。
16. 請求項１２記載の方法において、合焦光学素子は、複数のフレネル・ミラーを備えている、方法。
17. 請求項１６記載の方法において、複数のフェネル・ミラーの使用は、４つのフレネル・ミラーを用いることを含む、方法。
18. 請求項１６記載の方法において、複数のフレネル・ミラーの使用は、３６個のフレネル・ミラーを用いることを含む、方法。

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