JP2012502458A - 光起電力セル装置 - Google Patents

Abstract

太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と、前記入口開口を通過する太陽放射線のための出口開口を形成する第２の面と、形状が湾曲される対向する面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備える光起電力セルを備え、光起電材料が出口開口から太陽放射線を受けるように位置され、前記対向する側面が、入口開口から通過する太陽放射線を出口開口へと全内部反射するように形成され、放射線を前記側面の一方から離れるように反射させるべく鏡面が位置される、光起電力装置。

Description

過去１０年程度にわたって、光起電力セルから生成される電気を増大させるために太陽光を集光させる光学システムの開発が多くなされてきた。

以前の構造例としては、本発明者の先の特許出願が挙げられる。
１．太陽集光システムと題された２００５年６月３日に出願されたＧＢ ０５１１３６６．７
２．太陽集光器と題された２００６年６月２日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ２００６／００２０２１

そのような構成はうまく機能するが、それが移動部品を使用し、また、多くの状況では、移動部品を有さないことが望ましく、それにより、その簡潔さ、メンテナンスがないこと、及び、大きな付随的利益に起因して、費用効率が更に高くなる。

太陽が空を横断している時に太陽光線を効率的に集めることができる固定された光起電力セル装置を設けることは、難しい可能性がある。

高価な光起電力セル材料の量を減少させることが望ましい。光起電力装置の全体の効率を高めることが望ましい。

この明細書において、「太陽放射線」について言及する場合、それは、太陽から直接に（あるいは、ミラーを介して）受けられる放射線を意味し−しばしば、「日光」と称される−、また、「周辺光」とは、直射日光以外の空の残りの部分からの光であって、大部分が散乱され或いは屈折された太陽光を含む光を意味する。ある状況では、太陽放射線を集めて電気を生成するとともに建物の内部を照明することが望ましい。

ＵＳ−Ａ−４１４３２３４は、全体内部反射を使用する太陽集光器を示している。これは、入口開口から外れた放射線を隣接する太陽集光器の入口開口へと方向付けるためのミラーを含まないスタンドアロン型の集光器である。放射線を集めるために光起電材料の一方側だけが使用される。装置の冷却はない。

ＵＳ−Ａ−４２４８６４３は、冷却される太陽セルの配列を開示する。

ＵＳ−Ｂ−６３８４３２０は、セルの配列を有する太陽集光器を開示する。

ここで言及したいずれのケースにおいても、入口開口から外れた放射線を集めてその放射線を隣接する入口開口へと方向付けるためのミラーが設けられていない。

本発明は、第１の態様によれば、太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と、入口開口を通過する太陽放射線のための出口開口を形成する第２の面と、形状が湾曲される対向する面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備える光起電力装置であって、光起電材料が出口開口から太陽放射線を受けるように位置され、前記対向する面が、入口開口から通過する太陽放射線を出口開口へと全内部反射するように形成され、対向する面のうちの少なくとも一方に隣接して鏡面を設けて、放射線を前記隣接する面から離れるように反射させる、光起電力装置を提供する。

対向する面は、放物面又は双曲面であってもよい。

全内部反射を行なうように湾曲される４つの側面が設けられてもよい。

光起電材料は、第１の湾曲側面とほぼ対向して前記第１の湾曲側面から放射線を受ける第１面と、第２の湾曲側面とほぼ対向して前記第２の湾曲側面から放射線を受ける反対側の第２面とを有することが好ましい。

好ましくは、複数のそのような光起電力セルが並んで配置されてパネルを形成し、また、光学部品の光軸は、互いに平行であるが、パネルの面に対して角度を成している。この場合、入口開口ではなく側面にぶつかる太陽放射線を隣接する光起電力セルの入口開口へ反射するために各光学部品間に鏡面を設けることが好ましい。

本発明は、第２の態様によれば、
放射線（通常は太陽放射線）を受けるための１つ以上の（好ましくは固定された）光起電力セルと、
光起電力セルを冷却するための冷却手段（熱を除去するための水などの液体を含み得る）と、
冷却手段によって除去された熱を光起電力セルから蓄熱器（水容器など）へと伝えるための熱伝達手段と、
（通常は、その後の時間に、例えば夜間に）蓄熱器から熱を引き出すための手段と、
を備える光起電力装置を更に提供する。

光学手段は、太陽放射線を光起電力セルに集光させるために設けられてもよい（光学手段は水晶体素子を含んでもよい）。該手段は、太陽放射線の少なくとも一部が装置を通過できるようにするために設けられてもよい。

先に概説された課題の一部又は全てを満たすために、好ましい構成では、標準的な光起電力パネルにおけるものとコスト的に同じ単結晶光起電力セルを使用してもよく（より高性能なセルのコストが低減する）、それにより、同じ電気を生成するためにかなり少ない面積のセルを使用できるようにする光学系が使用されるとともに、光起電力セルが冷却されてその効率が高められ、生成される廃熱が再使用される。

このように、高価な部品、セルのコストを節約するとともに、残りのモジュールコストを抑え、生成される電気の全体のコストがかなり低減されるようにする。

あるいは、放射線を集光させるために光学素子を使用するため、他よりも少ない光起電材料を使用し、また、ある状況では、これにより、より高性能で高価な光起電材料を使用できる。

また、好ましい光起電力装置では、屋根であろうと壁であろうと、建物の被覆体に適切な構造を含ませることができ、それにより、建物のフレーム及び被覆体がモジュールのフレーム及び被覆体となることができ、その結果、コストが節約され、また、装置が天候を構成する要素及び風荷重から保護され、それにより、これらの部品のコストがかなり低減される。時として、外側透明スキンが、より低コストな高分子（例えばポリスチレン）光学素子を可能にするＵＶフィルタとしての機能を果たすことができる。

光起電力装置を建物に組み込む更なる利点は、周辺光によって内部を照明できることを含み、これは、任意の人工照明よりも低い熱レベルを有するという付加的な利点を有する。他の利点は、セル動作を更に効率的にするためにセルが冷却されなければならないという点である。この冷却が積極的になされれば、水加熱又は暖房のため及び換気をもたらすために熱を使用できる。他の利点は、直射日光が建物の内部から遮られ、したがって、建物での冷却負荷がかなり減少される。これらのコスト節減及びカーボン節減は、十分であれば、生成される電気を上回り、したがって、低価格のソーラー設備をもたらす。

好ましくは、複数の光起電力セルが並んで配置されてパネルを形成し、また、光学部品の光軸は、互いに平行であるが、パネルの面に対して角度を成している。この場合、入口開口ではなく側面にぶつかる太陽放射線を隣接する光起電力セルの入口開口へ反射するために各光学部品間に鏡面を設けることが好ましい。

本発明は、他の態様によれば、複数の光起電力セルを備える装置であって、該光起電力セルの一部又は全てが、太陽放射線（すなわち、太陽からの直射日光）のための入口開口を形成する第１の面（一般に上面）と、対向する面（通常は側面）（形状が湾曲されてもよい）とを有する断面の透明材料（通常は固体であるが、別の構成では、透明な外面及び水などの内側透明液体を含む）から成る光学部品を備え、入口開口から太陽放射線を受けるために第１の面と対向（一般には下側）して光起電材料（好ましくは単結晶光起電材料を備える）が取り付けられ、対向する側面は、入口開口から通過する太陽放射線を光起電材料へと全内部反射するように形成され、周辺光（太陽放射線以外の光）が装置を通過できるように装置が配置され、それにより、太陽放射線が光起電材料から電気を供給し、周辺光が装置を通過する、装置を提供する。

そのような構成は、ガラスハウス又は温室などの建物又はショッピングセンターのガラスルーフで用いるのに特に有用である。したがって、装置がパネルへと形成されてもよく、太陽からの直接の光線である太陽放射線が光起電材料へと方向付けられて、電気が生成されるとともに、光起電材料の冷却によって熱が供給されるが、太陽から直接に到達する以外の角度からパネルに到達する周辺光がパネルを通過して、光を建物内に供給してもよい。

ここで、添付図面を参照して、本発明の好ましい構成を一例として説明する。

本発明の装置で用いる光起電力セル装置の断面である。 図１に示されるタイプの複数の光起電力セル及び関連する光学部品を組み込むソーラーパネルの横断面である。 図２に示されるタイプの複数の光起電力セル及び関連する光学部品を組み込むが、パネルが略垂直に向けられたソーラーパネルの横断面である。 図１に示されるタイプの光起電力セルを通過する光線におけるレイトレースを示している。 図２及び図３に示されるタイプのパネルを組み込む建物（家又はグリーンハウス又はガラスハウスなど）を示している。 建物の固体水平外面で用いる図２のソーラーパネルに類似するソーラーパネルの横断面を示している。 建物の固体垂直外面で用いる図３のソーラーパネルに類似するソーラーパネルの横断面を示している。 光起電材料が入口開口に対して略垂直に配置され且つ光起電材料の両側面が入口開口から放射線を受ける、別の光起電力セル装置の断面である。 図１に示されるタイプの複数のセルの図１の断面に対して直角な断面である。 図８に示されるタイプの複数のセルの図８の断面に対して直角な断面である。 グループを成して配置される複数のセルの断面であって、セルの１つのグループにおける鏡面が放射線を隣接するグループの１又は複数のセルの入口開口へと方向付ける、断面である。

図１は、本発明の装置で用いる光起電力セル装置１０の断面である。断面は横断面であり、光起電力セル装置１０は押し出し形状として紙から延びている（実際、装置の材料は、押し出しプラスチック材料から成ってもよい）。

図１の装置は、光起電材料のストリップ１１の形態を成す単一の光起電力セル１２を備えており、該光起電力セルは、この場合には、比較的低コストの単結晶光起電材料を備える。つまり、光起電力セル１２は、その断面形状が図１から明らかである固体透明材料１４を備える光学部品１５の下面１３に取り付けられて該下面と通じている。すなわち、形状が略放物面又は双曲面である対向する成形湾曲（側）面１６、１７が設けられるとともに、ある状況では平坦であるが通常は水晶体形状を成してもよい上面１８が設けられる。上面１８は入口開口１８Ａを形成し、また、下面１３は、上面１８に衝突する光（太陽の放射線）のための出口開口１３Ａを形成する。透明材料は、状況に適するパースペクス、ＰＭＭＡ、ポリスチレン、ポリカーボネート、ガラス、又は、ホウケイ酸ガラスなどの任意の透明材料であってもよいが、太陽の放射線を透過しなければならず、既知の屈折率を有する。面１６、１７の形状は特に屈折率によって決まる。光起電力セル１２は下面１３に接着接続されてもよいが、その場合、接着剤は関連する太陽放射線を透過しなければならない。

あるいは、放射線を集中させるための光学素子を使用するため、他よりも少ない光起電材料を使用し、また、ある状況では、これは、より高性能で高価な光起電材料の使用を許容し得る。効率及びコストを最適化するため、いわゆる浮遊帯シリコンが好ましい光起電材料として使用されてもよい。この材料は、最大で約１５０ｍｍ直径の円柱結晶として成長され、通常はセミスクエア（Semi-Square）ウエハにカットされる。

ほぼ全体のウエハが本発明者らの用途において２次元集光と同様に使用される場合には、ウエハからシリコンの更に３５％を使用できる。直射日光のほぼ全てを年中捕捉するためにこの材料を用いると、片面セルの場合には材料の屈折率に応じて約４．５倍、セル利用全体の更に３５％の利益の付加を伴う二次元構造の両面セル（後述する）の場合には約９倍集光できる。

面１６、１７及び水晶体上面１８の正確な形状は、材料の屈折率、受け入れ角度、及び、入射太陽放射線に対する光学素子１５の傾斜配置によって決まる。直射日光捕捉及び周辺光進入を最大にしつつ光学材料及びセル材料の使用並びに直射日光進入を最小限に抑えるための最適化は、レイトレーシング（ray tracing）を必要とする。言うまでもなく、水晶体上面１８の使用及び２つの対向する成形面１６、１７の相対的な方向により、光起電力セル１２に通される太陽放射線が増大され、光起電力セル１２のストリップの幅が他の場合よりも狭くなる。

成形面１６、１７及び屈折率は、入射太陽放射線による全内部反射が面１６、１７で存在するようになっている。

図１に戻って参照すると、光学部品１５の断面形状は略楔形状であり、また、確かに成形面を平坦にできるが、光学部品１５の断面形状は、その出口開口１３Ａに取り付けられる光起電力セル１２に対して太陽光をより効果的に集光させる固体複合双曲型集光器（ＣＨＣ）又は複合放物面集光器（ＣＰＣ）光学素子（あるいは、それらに近似するもの。すなわち、曲線から始めて、それをレイトレーシングを考慮して特定の用途において、場合によっては装置の正確な位置決めに応じて僅かに変更する場合がある）であることが好ましい。

透明材料１４は（実際に押し出され或いは成型されるかどうかにかかわらず）通常は直線的な押し出しである。

水晶体入口開口の利点は、側面の下部に反射面を有する必要なく良好な集光がなされ、また、同じ集光における材料の量がＣＰＣからかなり減少されるという点である。

前記部品は光起電力部品１０を形成する。

１つの構成において、光起電力部品は図１に示される直線的長さの断面であってもよい（装置のプラスチック部分の押し出しを可能にする）が、使用される光起電材料の量は、図１に示されるタイプの複数のセルの図１の断面に対して直角な断面を示す図９に示されるように、複数のこれらのセルが並んで配置されるようにすることによって更に減少されてもよい。これは、この断面の側面４１、４２が複合放物面形状又は複合双曲面形状を成してもよいことを示している。それぞれの光起電力部品１０が４つの側面１６、１７、４１、４１を含むそのような構成は、通常、押し出しではなく成型を必要とする。

図４は、異なる角度で到達する太陽放射線に関する図１に示される部品１０におけるレイトレースを示している。このように、太陽が天空で高いと、配置が図４Ａに示されるようになり、また、太陽が天空で低いと、配置が図４Ｂに示されるようになる。

図２は、建物で通常の透明（ガラス）パネルを交換するために、典型的な使用態様において、例えばグリーンハウス（ガラスハウス）又は温室などにおいて、どのくらいの長さの光起電力部品１０（全体にわたって図１の断面を有する長さを備えてもよく、あるいは、図９に示されるタイプを成してもよい）を並べて配置できるのかを示している。図２の配置は３つの光起電力部品１０を並べて示しているが、無論、更に多い数を並べて所望寸法のパネル１９を形成してもよい。この場合、光起電力部品１０のパネル１９は、パネルが北半球では略南向きに水平に取り付けられるように配置されるが、略垂直線と北向きの屋根との間の角度は、個々の光学部品１５の光軸が緯度角付近〜水平にほぼ配置された状態で、最大でおおよそ約２４度を下回る緯度角まで任意であり、正確な度数は、光起電力部品が取り付けられる地表の地点の緯度によって決まる。

再び図２を参照すると、それぞれの光起電力部品１０における太陽光線用の入口開口１８Ａがトップラインであり、出口開口１３Ａがボトムラインである。側面は、受け入れ角度内の全ての光線において全内部反射を最大にするように形成される２つの（略双曲線の）曲線（この場合、直線に近い）である。この場合、これは押し出し形状にわたる断面である。

図２は、一年の大半にわたって直射日光から内部空間を保護するとともに周辺光が可能な限り空間の内部に達することができるようにしつつ、約４５度の緯度で水平面において一年中セルに集光される直接的な太陽放射線（直射日光）を最大にするように形成される光学系を示している。これは、固体光学素子とミラー面２１との組み合わせを使用することによって達成される。なお、ミラー２１は光学部品１５から離間されており、光学部品の方に向くミラー２１の側面は、（例えば、建物の内部の加熱を避けるために建物の内部へ向けて）セルの配列を通過する直射日光の量を減らすことが望ましい場合には反射せず、あるいは、逆に、より多くの周辺光が建物内へ伝えられるのが望ましい場合には反射してもよい。ミラー面２１は、放射線を光起電力部品１０の隣接する側面１７から離れるように隣接する光起電力部品１０の入口開口１８Ａへと反射するべく位置される。

言うまでもなく、光学素子１５は、太陽からの直射日光である太陽放射線を受けて、その焦点を光起電材料１３に合わせるように形成される。これは、側面１６、１７での全内部反射によって行なわれる。

この構成の利点のうちの１つは、空からの一般光である周辺光が異なる角度でパネル１９に到達し、この光の大部分が光学部品を通過でき、それにより、パネル１９の下側での照明が可能になるという点である。したがって、本発明のこの構成は、例えばガラスハウス又は温室において特に有用である、直射日光から光起電材料によって電気を生成でき、また、建物の内部は他の周辺光を受ける。このようにして、建物の内部は照明されるが、太陽の直接光線の殆どが光起電力セルによって集められるため、建物の内部は過熱されない。更に、電気が光起電力セルによって生成され、また、それらの冷却によって熱も生成される。太陽の光線を周辺光から分離できる理由の１つは、太陽の光線は光学部品の成形側面での全内部反射によって方向付けられるが、周辺光はそれらの側面に他の角度でぶつかって内部反射を伴うことなくそれらの側面を通過し得るからである。

塵埃が部品１０の面に下側から到達できないようにして、周辺光が部品１０を下向きに通過して内部空間内に下側から入ることができるようにする、透明材料の下側保護シート２２。

セル１５はヒートシンクに取り付けられる。なお、セル１５は、その下面が開放しているため、空気冷却を行なうべく下側から空気によって冷却される。状況によっては、セル１５が水平に対して小さく傾いて設けられ、それにより、透明シートがユニット下に取り付けられると、冷却空気流は、層流効果によって増大されて、内部空間に入ることが阻止される。

層流効果は、このタイプの構造が垂直であるときに大きく高められる。

パネル１９全体は、上側からの塵埃及び天候を構成する要素から部品１０を保護するための上側透明フィルム又はシート２３を含む。

特に好ましい実施形態において、光起電力セル１２は冷却装置によって冷却されてもよく、冷却装置はそれに取り付けられる水のチューブ又はヒートパイプを備え、また、この場合、下側保護シート２２は必要とされず、透明材料のシート又はフィルムを構造の下側に取り付けることができる。

図２では、緯度が４５度であることを前提とするが、水平に対する部品１０の傾きを変えることにより、他の緯度には水平構造が適する。

システムの１つの利点は、太陽に面する任意の面において光学素子の同じ組み合わせを使用できるという点である。例えば、図３は、垂直壁で使用するのに適した同様の構成を示している。

図３の構成はミラー２１を示しているが、セルに対する日光の多大な集光を生み出すために他の図に示されるミラー２１を設けると幾つかの利点がある。

他の考慮すべき事項は熱である。最大で２５％の光だけがシリコンセル１２によって電気へ変換されるため（それどころか約１８％）、セルが効率的に作動するように熱を除去することが望ましい。

これは、水などの熱伝達液体をセルの背後に運ぶチューブによって行なわれてもよい。

あるいは、金属ヒートシンクが光起電力セル１２に取り付けられ、該ヒートシンクは、冷却用の空気流を可能にするべく利用できる。

第３の装置は光起電力セル１２に取り付けられるヒートパイプを使用し、また、熱は、他の場所で使用され或いは放散されるべく除去される。

第４の装置は光学素子の本体内で液体流を使用し、その場合、光学素子は単に中空形状であり、また、液体は屈折プロセスに関与する。

本発明者らは、発生される熱が水加熱、暖房、及び、換気促進のために使用され得る貴重な資源であることに気が付いた。

空気冷却されて周辺光を建物内部へ到達させる必要がない構造は、アルミニウムのシートに取り付けて、直角に曲げる或いはプレスすることができる。

ここで、別の光起電力セル装置の断面である図８を参照する。この光起電力セル装置において、光起電材料のストリップ１１は、光学部品１５の下面１３に取り付けられるストリップとして設けられるのではなく、下面に隣接するが光学部品の本体の（出口開口１３Ａを与える）スロット内に配置されて、入口開口と略直角に配置される光起電材料のストリップの形態を成す。従来通り、光起電材料は、出口開口（スロットの側面）から全ての放射線を受けるように配置され、これは透明接着剤によって助けられる光起電材料の両側面１１Ａ、１１Ｂは、光学部品１５の両側面１６、１７から反射される入口開口からの放射線を受ける。この場合、側面１６、１７の上部は、図１を参照して説明したように複合放物面又は複合双曲面であってもよいが、下部１６Ａ、１７Ａは、放射線を光起電材料の両側面へ反射するように内側に方向付けられて形成されてもよく、また、これらの下部１６Ａ、１７Ａが鏡張りであってもよい（すなわち、鏡面を直接的に或いは間接的に含む）。

図１の光起電力セルの使用と同様に、図８の複数の光起電力セルは、図２又は図３又は図６又は図７に示される態様と同様の態様で配置されてもよい。したがって、これらのセルは並んで配置されてパネルを形成してもよく、また、光学部品の光軸は、互いに平行であるが、パネルの平面に対して角度を成す。この場合、入口開口ではなく側面にぶつかる太陽放射線を隣接する光起電力セルの入口開口へ反射するために、各光学部品間に鏡面２１を設けてもよい。

図１０は、図８に示されるタイプの複数のセルの図８の断面に対して直角な断面であり、図１に関する図９の配置に相当する。これは、この断面の側面２５、２６が複合放物線面状又は複合双曲面形状を成してもよいことを示している。

ここで、ガラス壁を有するグリーンハウス２６（すなわち、ガラスハウス）、温室、又は、ガラス屋根付きのショッピングセンターなどの建物に対して光起電力部品１０のパネルがどのようにして適用され得るのかを示す図５を参照する。図示の構成では、グリーンハウス２６は、その屋根に取り付けられる部品１０の第１のパネル２７と、第２の同様のパネル２８とを含む。パネル２７は図２に示されるタイプのものであってもよく、また、第２のパネル２８は図３に示される対象のものであってもよい。

各パネル２７、２８には、各パネルで光起電材料１２により生成される電気を単にバッテリ３１として示される蓄電装置へ送る電気接続部２９が接続される。また、電気接続部２９は、ランプ３２又はファン３３などの空調装置、あるいは、水タンク３６の形態を成す水供給源を加熱するための電気加熱装置３４に接続されてもよい。

温水タンク３６は、例えばラジエータ３７の形態を成す暖房装置に接続されてもよい。

更に、光起電材料１２を冷却するための冷却装置が冷却水を利用する前述した構成を備えてもよく、また、冷却水は、水を加熱するための温水タンク３６内の熱交換器３８へと直接に送られてもよい。

そのような構成は非常に効率的である。したがって、太陽光は通常の態様でグリーンハウス内に入り込む。太陽光の大部分が捕捉されて光起電材料１２へ送られるが、この場合、一部の太陽光は、図２の下側保護シート２２を介して第１及び第２のパネル２７、２８を通過し、そのため、太陽のパワーが最も強い日中にわたって、温度を適切に加減するための何らかの日陰がグリーンハウス２６内に存在する。

このように、パネル２６、２７の形態を成す本発明の構成は、２つの機能、すなわち、第１に、グリーンハウス２６の壁及び屋根を通る太陽光全体を加減する機能、及び、第２に、光起電材料１２を介して電気を生成するために捕捉された太陽光が使用されるという機能を有する。また、熱は、光起電材料１２及び光起電力部品１０の他の部分から水冷却システムによって除去され、その熱は、その後、温水タンク３６内の水へと送られる。

夜間、グリーンハウス２６内の温度が通常はかなり降下し、したがって、タンク３６内の温水をラジエータ３７を通じて循環させて、グリーンハウス内の温度を高め、それにより、グリーンハウス内の植物の成長を向上させて促進させてもよい。また、バッテリ３１に蓄えられる電気を使用して、グリーンハウス内の有効採光時間を延ばすために使用されてもよいランプ３２を作動させてもよく、この場合にも先と同様、グリーンハウス内の植物の成長が促進される。更に、太陽光が特に明るい真っ昼間においては、再びグリーンハウス内の温度を加減するために、ファン３３によって行なわれる空調がＯＮに切り換えられてもよい。ある状況では、煙突／層流効果がファンが無くても換気を促進できるため、ファンがＯＮに切り換えられる必要がない。

水平構造及び垂直構造は、（グリーンハウス以外の）新たな建物で使用されてもよく、また、二重ガラスの屋根及び壁にそれぞれ埋め込まれてもよい。したがって、二重ガラスを含むシステムは、建物の屋根及び壁、すなわち、ドラマティックで興趣深く見える建築に存分の腕を振るわせる建物の被覆体を備える。

図６及び図７は、図示のパネルが建物の外側の水平及び垂直固体面でそれぞれ使用される点を除き図２及び図３の図に類似する図である。この場合、周辺光がパネルを通過する必要はなく、したがって、構造が僅かに異なる。

パネル１９が関連する壁面から離間される場合には、特に図７の垂直構造の場合には、空気が垂直壁の外面とパネルの後面との間の隙間４０を通過できるようにしてもよい。冬季には、外気が、壁とパネルとの間の隙間の下縁へ送られて上方へ移動され、壁の上端で建物内に入れられてもよい。このようにして、光起電力セルの背後からの熱が建物内へ送られる。夏には、構成が異なってもよく、建物の内側からの空気は、壁の下縁の適切な開口から供給されて、隙間４０を通じて上方へ移動され、建物の外側の大気へと外方へ送られる。この場合、空気を建物の内側から引き出し、それにより、建物を効果的に空調する。これは、固体壁のある建物において有用であるが、グリーンハウス並びに透明な壁及び屋根において使用されてもよい。

図６及び図７におけるミラー位置は、図２及び図３における集光よりも多くの集光を可能にするが、内部に達する周辺光を減少させる。ある場合には、これは、周辺光が重大とはなり得ない垂直壁において特に有用な利点である。

例えば家庭の家屋（更には英国において）又は同様の建物での前述したパネルの使用は、家（及び、場合によっては自家用車において）を給電するのに十分すぎるほどの電気及び熱を発生させるはずである。スペインなどの更に南方の地方では、配管網へ多量の電気を輸送できるようにするために十分な電気が生成されなければならない。良好な気候のグリーンハウスでは、システムが発電所になってもよい。その場合、冷却負荷及び加熱負荷が減少するため、グリーンハウスの稼動はかなり費用効率が高い。

したがって、このようにして、良く知られているように光起電材料を使用して電気を集めるだけでなく、太陽放射線を光起電材料に対して集光する光学系を設けることにより更に少ない量の光起電材料を利用すると同時に、光起電材料及び他の部品を冷却し、例えば夜間に外部の温度が下がるときにその熱を利用して建物の内部を暖かく保つ。グリーンハウス２６に適用される本発明の装置を示してきたが、該装置は、例えば建物に取り付けられるガラス温室で同様に利用されてもよく、あるいは、単に、通常の建物の関連する屋根及び壁、すなわち、固体壁に適用されてもよく、あるいは、半透明壁を形成することができる。

したがって、本発明者らは、装置上に降りかかる太陽光子を十分に利用して、それらを用途を考慮した有用な出力へと変換するとともに、直射日光が望まれていない場所へ伝えられるのを阻止する。

図１１は、光起電力セル装置がグループを成して配置されるパネル構成を示している。ミラー２１をそれぞれの個々の光学部品の側面に隣接させるのではなく、第１のグループのセルの入口開口に達しない放射線を第２のグループの１つ以上のセルの入口開口へと反射するように位置される鏡面２１が光起電力装置の特定のグループにおいて設けられる。

本発明は前述した例の細部に限定されない。太陽エネルギの更に一層の効果的使用のため、様々な他の特徴が本発明の装置に組み入れられてもよい。

したがって、例えば、光起電材料１２が他の電気部品と一体化されてもよい。光起電材料１２がセルを分離するように分けられてもよく、また、太陽の範囲内に十分にないそれらのセルを切り離すためにカットアウトダイオードが設けられてもよい。問題の１つは、全てのセルが通常のごとく直列に接続されれば、１日の特定の時間にパネルの一部が日陰に入る場合に、パネルの出力が減少されるという点である。電気を生成していないそれらのセルを切り離すためのカットアウトダイオードの使用により、出力を保つことができる。

例えば、出力のより効果的な生成のために、他の特徴、例えば、光センサ、電力調整、熱管理、プラグ、及び、隣接する部品に対するプラグ＆プレイ相互接続を装置に組み入れることができる。

例えば、様々な目的のためのエレクトロニクスを装置に組み込むことができ、その場合、太陽から受けられて光起電力セルによって変換される電力は、センサ、制御装置、及び、建物管理システムの中央制御ユニットとの無線通信などのエレクトロニクスに給電する。

光起電力セルを有するこの光給電システムと通常の光給電システムとの間の違いの１つは、プロセッサ効率のためのものと同じヒートシンクを光起電力セル効率のために使用する同じ単一の部品に光学素子が組み込まれるという点である。

第２の違いは、光起電力セルのための通常のガラスカバーとは異なり、光学素子がそれに到達する太陽光子を最大限に利用するよう特別に形成されるという点である。これは、１年を通じて太陽の様々な位置を考慮する必要があり、様々な太陽スペクトルは、太陽位置及び大気状態、周辺の直射日光の異なる方法での使用、及び、発生される熱の使用に依存する。

第３の違いは、太陽光子のこの効率的な使用を達成するために、自動で変更されようと手動で変更されようと、装置が正確に方向付けられて特定の位置に永久に固定され或いは一時的に位置付けられなければならないという点である。

この光学素子の場合、そのローバスト性は、装置が電子素子及び更には熱管理システムを安全に保護し且つ別個の構造化されたハジングの必要性を避けるのに十分な構造を与える。

本発明者らは、ある状況で本発明の装置が建物の優れた被覆体としての機能を果たし、それにより、内部要素を外側要素から保護して、それらを良好な状態及び貴重なリソースを内側に与えるように変換することを想起する。

本発明者らは、一例として様々な構造を想定する。

本発明は、前述した例の細部に限定されない。

本発明の様々な好ましい実施形態を説明してきたが、本発明のこれらの実施形態又はその一部が本発明の範囲から逸脱することなく使用できるように必要に応じて組み合わされてもよいことが想起される。

角度を含む寸法への言及は単なる一例である。特に反射面の形状及び寸法は、一例であり、装置が使用されるべき状況、例えば装置が使用されるべき地球上の場所及び装置が取り付けられる（コンパス）方向に応じて異なる。一般に、寸法及び角度は、太陽の角度に対して設定されるとともに、固定された設備において最大の効果を得るために分点における正午の太陽の方向に対して合わされる。

本発明を園芸環境に適用する場合、特定の緯度における特定の植物は、特定量の光及び紫外線などの特定の周波数を必要とする。これを最もうまく達成するために、変数を最適化できる。結果として、全ての方向の太陽光を締め出すことが必ずしも都合が良いとは限らない。

第２に、１年の半分の冬に空調が必要とされる可能性が高くない高緯度の国では、光起電力装置の受け入れ角度が太陽の夏経路だけを含むことが、建物における全エネルギ生成においてより効率的な場合がある。冬季において、直射日光は、必要とされる光及び暖かさを建物に直にもたらし、また、装置のこの構造を伴う屋根の取り付けは、受け入れ角度が夏及び冬の両方における太陽の経路を含んでいた場合に生成される比較的少量の電気よりも貴重である。

Claims (22)

1. 太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と、前記入口開口を通過する太陽放射線のための出口開口を形成する第２の面と、形状が湾曲される対向する面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備える光起電力セルを備え、光起電材料が出口開口から太陽放射線を受けるように位置され、前記対向する側面が、入口開口から通過する太陽放射線を出口開口へと全内部反射するように形成され、放射線を前記側面の一方から離れるように反射させるべく鏡面が位置される、光起電力装置。
2. 前記透明材料が固体である、請求項１に記載の光起電力装置。
3. 前記透明材料は、内側透明液体を収容する透明な外側固体面を備える、請求項１に記載の光起電力装置。
4. 前記第１の面が上面を構成する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光起電力装置。
5. 前記第２の面が下面を構成する、請求項４に記載の光起電力装置。
6. 前記対向する面が側面を形成する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光起電力装置。
7. 前記対向する面が放物面である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光起電力装置。
8. 前記対向する面が双曲面である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光起電力装置。
9. 前記光起電材料が単結晶光起電材料を備える、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光起電力装置。
10. ４つの側面が設けられ、それぞれの側面は、入口開口から通過する太陽放射線を光起電材料へと全内部反射するように湾曲される、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光起電力装置。
11. 光起電材料は、第１の湾曲側面とほぼ対向して前記第１の湾曲側面から放射線を受ける第１面と、第２の湾曲側面とほぼ対向して前記第２の湾曲側面から放射線を受ける反対側の第２面とを有する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光起電力装置。
12. 前記鏡面は、側面のうちの前記一方の外面に隣接して設けられる、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の光起電力装置。
13. 前記鏡面及び隣接する光起電力装置は、前記側面にぶつかる放射線又は光を他の光起電力装置の入口開口へ反射するように位置される、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の複数の光起電力装置。
14. それぞれの光起電力装置ごとに１つの鏡面が設けられ、鏡面は、光起電力装置の前記側面にぶつかる放射線又は光を隣接する光起電力装置の入口開口へ反射するように位置される、請求項１３に記載の複数の光起電力装置。
15. それぞれの光起電力装置ごとに１つの鏡面が設けられ、鏡面は、光起電力装置の前記側面にぶつかる放射線又は光を次の光起電力装置の入口開口へ反射するように位置される、請求項１３に記載の複数の光起電力装置。
16. 隣り合う光起電力装置から成るグループにおいて１つの鏡面が設けられ、鏡面は、光起電力装置のグループの側面にぶつかる放射線又は光を隣接する光起電力装置の入口開口へ反射するように位置される、請求項１３に記載の複数の光起電力装置。
17. 光起電力セルを冷却するための冷却手段と、
    冷却手段によって除去された熱を光起電力セルから蓄熱器へと伝えるための熱伝達手段と、
    蓄熱器から熱を引き出すための手段と、
    を含む、請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の複数の光起電力装置。
18. 装置は、周辺光が装置を通過できるように配置され、それにより、使用時、太陽放射線が光起電材料から電気を供給し、周辺光が装置を通過する、請求項１３から請求項１７のいずれか一項に記載の複数の光起電力装置。
19. 太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と４つの側面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備える光起電力セルを備え、対向する側面の第１の対及び対向する側面の第２の対の形状が湾曲され、光起電材料が入口開口から太陽放射線を受けるように位置され、対向する側面の２つの対が、入口開口から通過する太陽放射線を光起電材料へと反射するように形成される、光起電力装置。
20. 太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と、形状が湾曲される対向する面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備える光起電力セルを備え、入口開口から太陽放射線を受けるために第１の面と対向して光起電材料が取り付けられ、該光起電材料は、第１の湾曲側面とほぼ対向する第１面と、第２の湾曲側面とほぼ対向する反対側の第２面とを有し、対向する側面は、入口開口から通過する太陽放射線を光起電材料の第１面及び第２面へと反射するように形成される、光起電力装置。
21. 放射線を受けるための１つ以上の光起電力セルと、
    光起電力セルを冷却するための冷却手段と、
    冷却手段によって除去された熱を光起電力セルから蓄熱器へと伝えるための熱伝達手段と、
    蓄熱器から熱を引き出すための手段と、
    を備える、光起電力装置。
22. 複数の光起電力セルを備える装置であって、該光起電力セルの一部又は全てが、太陽放射線のための入口開口を形成する第１の面と、対向する面とを有する断面の透明材料から成る光学部品を備え、入口開口から太陽放射線を受けるために第１の面と対向して光起電材料が取り付けられ、対向する側面は、入口開口から通過する太陽放射線を光起電材料へと全内部反射するように形成され、装置は、周辺光が装置を通過できるように配置され、それにより、使用時、太陽放射線が光起電材料から電気を供給し、周辺光が装置を通過する、装置。

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