JP2013123059A - 集光のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光を受光して光エネルギーを得るための装置において、装置サイズを大型化することなく効率良く光エネルギーを得る。
【解決手段】分散素子２０により入射多色光を状態調整して得た分散多色光を、一次湾曲反射面１２により第１の焦平面（１６）へ向けて反射させる。第１の焦平面（１６）と一次湾曲反射面１２との間に配置された、分散多色光の入射側に凸面をなす二次湾曲反射面１４により、分散多色光中の一部の光を第２の焦平面（１８’、 １８”）に向けて反射させる。分散多色光に含まれる第１のスペクトル帯域を持つ光を第２の焦平面（１８’、 １８”）の近傍に配置された第１の光電変換受光器１８’で受光するとともに、その分散多色光に含まれる第１のスペクトル帯域とは異なる第２のスペクトル帯域を持つ光を、第２の焦平面の近傍における第１の光電変換受光器１８’とは違う位置に配置された第２の光電変換受光器１８”で受光する。
【選択図】図３

Description

本発明は全般的には集光のための装置に関し、さらに詳しくは、光を収集し、スペクトル内容にしたがって光を分離し、分離された光を２つないしさらに多くの受光器上に集中させる装置に関する。

光エネルギーの効率の高い収集及び集中は多くの分野で有用であり、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置に特に重要である。集光型太陽電池により、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配置された、一組の対向する湾曲ミラーを備える。少しだけを例として挙げれば、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。より小型の収集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導入されている。プレーナ型集光器は、大光束集中を提供するため、光学誘電材料で隔てられた、一次湾曲ミラー及び二次湾曲ミラーを用いる。

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太陽電池を通って流れる流体を高温に加熱する。薄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る。光電変換コンポーネントは、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し、それぞれの波長は付随する、一般に電子ボルト（ｅＶ）で表される、エネルギーレベルを有する。当然のことながら、バンドギャップ特性が材料間で異なることから、いずれか１つ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、（ほぼ１.９ｅＶに相当する）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、（ほぼ３ｅＶに相当する）紫外光フォトンは小バンドギャップ半導体で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。これらの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、小さい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ついて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大きい。積層し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となるかは疑わしい。別の手法は、光を波長にしたがって２つないしさらに多くのスペクトル領域に分離し、それぞれの領域を適切な光電変換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、光の適切な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。説明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の方向を変えて一次ミラーの頂点近傍に配置された第２の光電変換受光器に導く。このようにすれば、それぞれの光電変換受光器は、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められる。

非特許文献２に示される手法は同じ一組の光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制限がある。一問題として、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。別の問題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ることになるであろう。

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 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

＜関連出願の説明＞
本出願は、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号の恩典を主張するものである。

従来の手法は、スペクトル分離及びそれぞれのスペクトル成分の大光束集中のいずれをも、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。これらの２つの達成目標はある程度相反し、スペクトル分離の問題への従来手法の多くは、少数のコンポーネントを用いて大光束集中も提供しなければならない、小型光学系で実施することは困難であろう。すなわち、スペクトル分離及び光集中のいずれも同時に提供し、薄パネル構成での使用に対して容易に比例拡縮でき、従来の光電変換方策に優る高められた効率を提供し、天空を横断する太陽の位置変化の経路に沿う少なくとも１つの軸においてかなり広い視野をもって動作できる、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。この目的を考慮して、本発明は、光エネルギーを得るための、
（ａ）第１及び第２の光電変換受光器、
（ｂ）入射多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、及び
（ｃ）第１の焦平面と一次湾曲反射面の間に配置されたスペクトルセパレータであって、
（ｉ）入射する反射多色光に対して凸面をなし、第１のスペクトル帯域を第１の光電変換受光器に向けて反射し、第１のスペクトル帯域を除く反射多色光を透過させるように処理された、ダイクロイック分離面と、
（ii）ダイクロイック分離面を透過した光に対して凸面をなし、ダイクロイック分離面を透過した光の少なくとも一部を第２の光電変換受光器に向けて反射するように処理された、湾曲セパレータ反射面と、
を有するスペクトルセパレータ、
を備える装置を提供する。

別の実施形態において、本発明は、光エネルギーを得るための、
（ａ）入射多色光を受けるための入力面を有する実質的に透明な材料の３次元体、
（ｂ）多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、及び
（ｃ）第１の焦平面と一次湾曲反射面の間に配置されたスペクトルセパレータであって、
（ｉ）入射する反射多色光に対して凸面をなし、第１のスペクトル帯域を第１の光電変換受光器に向けて反射し、第１のスペクトル帯域を除く反射多色光を透過させるように処理された、ダイクロイック分離面と、
（ii）ダイクロイック分離面を透過した光に対して凸面をなし、ダイクロイック分離面を透過した光の少なくとも一部を第２の光電変換受光器に向けて反射するように処理された、湾曲セパレータ反射面と、
を有するスペクトルセパレータ、
を備える装置を提供する。

別の態様から、本発明は、光エネルギーを得るための、
（ａ）入射多色光を状態調整して分散多色光を得るための分散素子、
（ｂ）分散多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、
（ｃ）第１の焦平面の前に配置され、入射する反射分散多色光に対して凸面をなす二次湾曲反射面。ここで、二次湾曲反射面は、分散多色光の少なくとも一部を第２の焦平面に向けて反射するように処理される、
（ｄ）二次湾曲反射面から反射された分散多色光の第１のスペクトル帯域を受け取るための、第２の焦平面の近傍に配置された第１の光電変換受光器、及び
（ｅ）二次湾曲反射面から反射された分散多色光の第２のスペクトル帯域を受け取るための、第２の焦平面の近傍に配置された第２の光電変換受光器、
を備える装置を提供する。

また別の態様から、本発明は、光エネルギーを得るための、
（ａ）入射多色光を状態調整して分散多色光を得るための分散素子、
（ｂ）分散多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、
（ｃ）第１の焦平面の前に配置され、入射する反射分散多色光に対して凸面をなす二次湾曲反射面。ここで、二次湾曲反射面は、第１のスペクトル帯域を透過させ、第１のスペクトル帯域を除く分散多色光を第２の焦平面に向けて反射するように処理される、
（ｄ）第１のスペクトル帯域を受け取るための、第１の焦平面の近傍に配置された第１の光電変換受光器、
（ｅ）二次湾曲反射面から反射された分散多色光の第２のスペクトル帯域を受け取るための、第２の焦平面の近傍に配置された第２の光電変換受光器、及び
（ｆ）二次湾曲反射面から反射された分散多色光の第３のスペクトル帯域を受け取るための、第２の焦平面の近傍に配置された第３の光電変換受光器、
を備える装置を提供する。

少なくとも２つのスペクトル帯域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域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。

光エネルギーを受光器上に集中させるための効率を高めることができる機構を提供す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、以下の詳細な説明と図面を合せて読めば、当業者には明らかになるであろう。

カセグレンモデルによる従来の双ミラー光電変換モジュールを示す簡略な構成図である 本発明にしたがう光エネルギーを得るための装置の基本構成を示す簡略な構成図である 一実施形態における光分散のためにプリズムを用いる装置を示す簡略な構成図である スペクトル分散のためにプリズムアレイを用いる光エネルギーを集中させるための装置の部分斜視図である スペクトル分散を与えるように形成され、方位が定められた、屈折体を用いる光エネルギーを集中させるための装置の断面図である 集光器アレイの斜視図である 集光器の構造の入力面側からの斜視図である 集光器の構造の背面側からの斜視図である ダイクロイックスペクトルセパレータを用いる光エネルギーを集中させるための装置の断面図である 別の実施形態における、ダイクロイックスペクトルセパレータを用いる光エネルギーを集中させるための装置の断面図である ２つの光電変換受光器のそれぞれに光を導くためのスペクトルセパレータの挙動を示す断面図である ２つの光電変換受光器のそれぞれに光を導くためのスペクトルセパレータの挙動を示す断面図である 図８及び９の実施形態に用いられるようなスペクトルセパレータの挙動及び構成を示す断面図である 図８及び９の実施形態に用いられるようなスペクトルセパレータの挙動及び構成を示す断面図である 円環体レンズ実施形態における本発明の集光器の上面図である 円環体レンズ実施形態における本発明の集光器の側面図である 円柱レンズ実施形態における本発明の集光器の、第１の角度での光入射に対する、光処理挙動を示す斜視図である 円柱レンズ実施形態における本発明の集光器の、第２の角度での光入射に対する、光処理挙動を示す斜視図である 円柱レンズ実施形態における本発明の集光器の、第３の角度での光入射に対する、光処理挙動を示す斜視図である 適切ではない集光器方位による光処理を示す断面図である 集光器アレイ内を進行する迷光を示す側断面図である 光源の位置変化に適応するための追跡機構を備える太陽エネルギー装置を示す簡略な斜視図である

本発明は、従来手法の能力に優る、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備える集光器を提供する。本発明の集光器は、個別電池としてまたは光電池アレイの部品として具現化された、光電池の光学コンポーネントとして用いることができる。

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。これらの図は比例尺で描かれてはおらず、明解さのためにコンポーネントの寸法及び相対配置を誇張していることがある。本明細書に説明されるスペクトル帯域は、限定としてではなく、例として与えられる。

光束集中及びスペクトル分離のための本発明の手法を従来とられていた手法と比較することは有意義である。図１は、背景技術の章で先に説明した非特許文献２に説明されるような、双ミラー光電変換モジュール１０の基本動作を示す構成の単純化した側面図である。実際上、この構成には、それぞれが焦平面をもつ、２つの光学系がある。非常に多くの色からなり、可視波長を赤外波長及び紫外波長とともに含む、太陽光またはその他の光が、放物面ミラーのような、一次湾曲反射面１２上に入射光Ｉとして入射し、一次湾曲反射面１２及び二次湾曲反射面１４からなる第１の光学系の焦平面の近傍にある二次湾曲反射面１４に向けて反射され、湾曲反射面１４を透過する光もある。二次湾曲反射面１４は、一次湾曲反射面１２からの反射光の経路に関して、上記焦平面の前にある場所に配置される。二次湾曲反射面１４は、例えば、可視波長を反射してＩＲ光を透過させるダイクロイックコーティングを用いる動作のために調整または処理された、双曲面ミラーとすることができる。ＩＲ光は二次湾曲反射面１４を透過して、一次湾曲反射面１２及び湾曲面１４の透過領域からなる光学系の焦平面の可能な限り近くに配置された、ＩＲＰＶ受光器１６に入る。一方、可視光Ｖは第２の光学系を通して導かれ、一次湾曲反射面１２の頂点の近傍に配置された、第２の焦平面にある可視ＰＶ受光器１８に向けて反射し返される。この第２の焦平面は一次湾曲反射面１２及び二次湾曲反射面１４からなる光学系の、湾曲反射面１４からの反射にともなう、焦平面である。二次湾曲反射面１４が実効的に２つの光学系のいずれにも光を伝えるこの構成では、可視光及びＩＲ光が分離され、かつそれぞれがそれぞれのＰＶ受光器１６及び１８上に集中される。

比較のため、図２の単純化された構成側面図は本発明において集光器３０に対して全般的に用いられる手法を示す。この場合も、ＩＲ光は一次湾曲反射面１２及び湾曲反射面１４の透過領域からなる光学系の焦平面の近傍にあるＩＲＰＶ受光器１６に向けられる。この第１の焦平面は図２にＰで表される。ここでも、一次湾曲反射面１２は一般に、正の集束能を有する、放物面ミラーである。可視光Ｖは、二次湾曲反射面１４または、焦平面Ｐの前に配置され、一般に双曲面であって負の集束能を有する、同種の面で再び反射される。それぞれ正及び負の集束能を有する、対向する一次湾曲ミラー及び二次湾曲ミラーを用いるこの基本的な「カセグレン型」構成は光学技術の当業者には良く知られている。光軸Ｏの位置が示されている。

術語「焦平面の前」は一次湾曲反射面１２から反射される光の経路に対して用いられる。すなわち、図２及び上記モデル構成に基づく本発明の実施形態を参照すれば、二次湾曲反射面１４は第１の焦平面Ｐと一次湾曲反射面１２の間にあるが、光学設計技術の当業者には認められるであろうように、第１の焦平面Ｐの近傍に配置される。最善の集光のため、本発明の最適化された実施形態においては、ＰＶ受光器１６が可能な限り第１の焦平面Ｐの近くに配置され、したがって、述句「焦平面の近傍」はＰＶ受光器１６の位置について用いられる。したがって、光学設計技術の当業者には認められるであろうように、述句「焦平面の近傍に」または「焦平面に」には若干の幅が許されなければならない。

集光に対する従来のカセグレン実施形態とは異なり、本発明の集光器３０はさらに、入射光に対するスペクトル分離のための手段も提供する。集光器３０においては、反射光自体が、可視ＰＶ受光器１８’に導かれる長波長側可視光Ｖ’のスペクトル帯域と可視ＰＶ受光器１８”に導かれる短波長側可視光Ｖ”の別のスペクトル帯域にスペクトル分離される。第１の焦平面に向けて導かれるＩＲ光と同様に、分離された可視光成分Ｖ’及びＶ”は第２の焦平面においてそれぞれのＰＶ受光器１８’及び１８”上に集中される。太陽エネルギー実施形態において、図２に示される座標軸設定におけるｙ軸方向に延びる距離ｄに相当する、受光器１８’及び１８”のそれぞれの高さは、双ミラー光学系によって与えられる倍率において、この軸における、太陽円板の像を収めるに適する。本発明の集光器３０で対処される問題は、最小の損失での受け取った光のさらなる分割及び、それぞれのＰＶ受光器１８’及び１８”に到達する、異なるスペクトル帯域間の適切な分離にある。この実施形態の最適化において、それぞれのスペクトル帯域は、この軸において、（ｙ方向の高さがｄの）太陽円板の像をそれぞれの受光器１８’及び１８”上に形成する。集光器３０は、一次湾曲反射面１２及び二次湾曲反射面１４が回転対称性をもって湾曲している個別装置とすることができ、あるいは、ｘ方向に広がるｚ-ｙ平面における軸に沿って集束／発散能を有するが、ｘ-ｚ平面では集束／発散能を有していない、円柱構造とすることができる。本発明の実施形態に対し、第１の焦平面Ｐの近傍のＰＶ受光器１６は任意選択であるが、増強された光電変換能力という利点を提供する。

プリズム分散を用いる実施形態
図３に示される一実施形態において、集光器３０は入射光の分散を与え、入射光をスペクトル拡散させて複数のスペクトル帯域を形成し、次いで、それぞれのスペクトル帯域を適する受光器上に集中させる。図３の実施形態においては、受け取った光の一部をスペクトル分散させ、よって分散多色光を与えるための、集光器３０における分散素子として、プリズム２０が用いられる。光学技術の当業者には周知のように、屈折の大きさは波長にしたがって変化し、よってプリズムによる屈折の角度は波長の関数である。波長が短くなるほど、プリズム屈折における光の方向転換角度は長い波長より大きくなる。すなわち、例えば、青色光の屈折角は比較的大きく、一方、より波長が長い赤色光及びＩＲ光の屈折角は比較的小さい。光学材料の屈折分散は２つの波長の間の屈折の差である。ほとんどの光学材料において、屈折分散は長波長側帯域よりも短波長側帯域においてかなり大きい。

図３は、入射光の経路に配置され、可視ＰＶ受光器１８’と１８”の間で有効な分離を可能にするに必要な分散を与えるように入射光を状態調節する、プリズム２０を示す。入射光Ｉはプリズム２０で分散され、一次湾曲面１２から反射される。分散によって受ける角度変化が非常に小さなＩＲ光帯域は、この場合も、図２を参照して説明したように、一次湾曲反射面１２で形成される光学系の焦平面の近傍に任意選択で配置されたＩＲＰＶ受光器１６に、二次湾曲反射面の透過領域を通って、進む。長波長側可視スペクトル帯域の光Ｖ’はＰＶ受光器１８’に向けて反射され、短波長側可視光Ｖ”はＰＶ受光器１８”に向けて反射される。３次元体２２が入射光の屈折のための媒質を提供する。３次元体２２は一般に、光学プラスチックのような、光に対して少なくともある程度透明な、あるタイプの光学媒質、あるいはガラス、ガラスセラミック、石英ガラスまたはサファイアのような誘電体材料でつくられる。また別の実施形態においては、図３の実施形態における分散コンポーネント、反射コンポーネント及び受光器コンポーネントを空気中に配置することができるであろう。

図２を参照して説明したように、改善された性能を得るために、適切に分離されたスペクトル帯域を長波長ＰＶ受光器１８’及び短波長ＰＶ受光器１８”に供給することが有用である。図２及び３を参照すれば、高さｄはｆtanθに比例し、ここで、ｆは、一次湾曲反射面１２及び二次湾曲反射面１４のいずれをも含み、さらに屈折体２２を含む、光学系の実効焦点距離であり、θは、２つの与えられた波長に対する、入射する反射光の間の分散角である。

レンズ素子のｆ数は[レンズの焦点距離ｆ]/[レンズの直径]と定義される。それぞれのスペクトル帯域においてページ面に太陽円板の像を形成するためには、集光器３０が集光器３０の厚さをもつレンズに対して非常に長い焦点距離を有することが有利である。この構成において長焦点距離は、正集束能素子としての一次湾曲反射面１２を負集束能素子としての二次湾曲反射面１４とともに光路に用いる、望遠ズームレンズ原理によって得られる。写真技術の当業者には良く知られているように、望遠レンズはそのような望遠レンズ素子群を利用し、狭視野角、標準より長い焦点距離、像拡大能力及び比較的浅い被写界深度を特徴とする。

得られた集光器３０の光学系の比較的大きいｆ数により、そうでなければ同じ厚さの通常の光学系に対して可能であったであろうより大きな直径を有するＰＶ受光器セルの使用が可能になる。これにより、ある面積に必要なＰＶ受光器セル数をかなり少なくでき（すなわち、平方メートルあたりのセル数が少なくなり）、この結果、かなりのコスト低減が得られる。

集光器３０の構成の肝要な利点の１つは二次湾曲反射面１４のダイクロイック面の使用に関する。図３の実施形態において、ＩＲ波長の分散は必要ではない。そうでなければ厚いプリズムが必要になり、薄パネルデバイスの設計に決定的に不利になるであろう。この場合、ＩＲ波長は二次湾曲反射面１４を透過してＰＶ受光器１６に向かうから、ＩＲ光の分散は必要ではない。代りに、可視波長の分散に適する、比較的薄いプリズム２０だけが必要になる。これによって、集光器３０を薄パネル構成に用いるために適切に比例拡縮することが可能になる。例えば、薄パネル実施形態の１つにおいて公称コンポーネント寸法は、
集光器セル高さ（図３の寸法ｈ）：２０ｍｍ，
集光器セル奥行（図３の寸法ｅ）：１０ｍｍ
である。

二次湾曲反射面１４の配置により、入射多色光のいくらかの掩蔽が必ず生じる。平易にいえば、二次湾曲反射面１４が一次湾曲反射面１２からの光のいくらかを遮蔽する。集光器３０の設計の最適化では、この掩蔽の大きさが考慮され、それに応じてＰＶ受光器１８’及び１８”の高さ寸法ｄ及び湾曲反射面１２及び１４によって形成される光学系の倍率が考慮されるであろう。例えば、焦点距離を長くすると、掩蔽高が有効に減少するであろう。理想的実施形態において、高さｄは対応する掩蔽高の１/２に等しいであろう。

一実施形態においては、以降で説明されるように、複数の集光器３０を合せてアレイに配列できるように、円柱構成が用いられる。図３の分散実施形態を用いる集光器３０は大規模用途のための単一モジュールとして別途に構成することができる。

プリズム２０は３次元体２２に取り付けることができ、そうではなくとも入射光路において光学的に結合させることができる。図４の斜視図に示されるように、円柱プリズムアレイ２４を形成することができる。アレイ２４は、例えば、ガラスまたはプラスチックのシートまたはフィルム上に形成し、円柱型集光器３０の対応するアレイの前方に配置することができるであろう。図４に示される座標系において、プリズム２０はｘ方向に延びる。あるいは、図５の実施形態に示されるように、集光器３０の３次元体２２が、図３に示されるような個別コンポーネントとして備えられるのではなく、プリズムを光入射面に実効的につくり込むことができる。すなわち、実効的にプリズム２０を形成するために、集光器３０の３次元体２２の入力面２６に傾斜がつけられる。この実施形態については、入力面２６の法線Ｎが、一次湾曲反射面１２の光軸に対応する、光軸Ｏに対して平行ではない。すなわち、光軸Ｏに対して非直角をなして平入力面２６が配置される。この「つくり込み」プリズム構成では、集光器３０の３次元体２２を形成する誘電体材料自体が分散素子として作用し、よって必要な入射光の屈折分散を提供する。同様の実施形態において、入力面２６の表面は、図４に示される構成に類似した、多くのより小さなプリズムをもつ、さらに複雑な構造の表面とすることができるであろう。必要な入射光の分散を提供するために、その他のタイプの分散素子を代りに用いることができる。

別の実施形態において、第１の焦平面ＰにあるＰＶ受光器１６は用いられないであろう。代りに、二次湾曲反射面１４は分散された多色入射光を、一次湾曲反射面１２及び二次湾曲反射面１４で形成された光学系の第２の焦平面にある２つのＰＶ受光器１８’及び１８”に向けて反射するであろう。この別実施形態は、図３の実施形態に示されるような、ＰＶ受光器１６を付加することによってもたらされる余分の光電変換能力を提供しないであろう。しかし、そのような別実施形態は、全ての光電変換コンポーネントが集光器３０の背面側に収められるという利点を提供するであろう。これにより、製作及びコンポーネント筐体に対する利点が提供され得る。

製作
集光器３０は、個別ユニットとして、またはアレイの部品としての円柱型コンポーネントとして、形成することができる。図６の背面斜視図に示されるような一実施形態において、光エネルギー集中装置６０は横並びのアレイに集成された複数の集光器３０を有し、それぞれの集光器３０自体は細長い円柱形素子として設けられる。光電変換受光器１６，１８’及び１８”は、一実施形態において、集光器３０の長さに沿って連続的に延びる、線型態様で形成される。図６に示されるようなアレイ実施形態においては、以降で説明されるように、それぞれの集光器３０を隣り合う集光器３０と光学的に結合させることが有利であろう。

それぞれ前面（入力面）及び背面から見た、図７Ａ及び７Ｂの斜視図は、一実施形態における集光器３０のセグメントについて３次元体２２の製作詳細を示す。入力面２６上に成形されたかまたは別の方法で形成された溝３２が二次湾曲反射面１４のダイクロイックコーティング配合物で被覆される。背面３８上に別の溝３６が成形されるかまたは別の方法で形成される。溝３６を除く背面３８の領域は一次湾曲反射面１２として被覆される。側面３４も、全反射（ＴＩＲ）で３次元体２２に沿って進行する光による光損失を防止するために反射性被覆を施すことができる。

ダイクロイック分離を用いる実施形態
図３のプリズム実施形態において、二次湾曲面１４は、可視光を反射し、ＩＲ光を透過させる、ダイクロイックコーティングで調整または処理される。本発明の他の実施形態はさらに、ダイクロイックコーティングのスペクトル特性を操作し、光路に反射面またはダイクロイック面を追加挿入することによって、スペクトル分離を提供する。図８を参照すれば、スペクトル分離のために対湾曲面構成を用いる集光器３０の実施形態が示されている。図３〜５の実施形態と異なり、この実施形態では屈折分散は必要ではない。代りに、少なくともある程度反射性の表面を２つ有するスペクトルセパレータ５０が、図２の二次湾曲反射面１４について用いられる場所と同様の場所の、一次湾曲反射面１２で形成される光学系の第１の焦平面の前に配置される。図８の実施形態において、入り多色光はスペクトルセパレータ５０によって２つのスペクトル帯域に分けられる。図９の別の実施形態において、スペクトルセパレータ５０は、可視光を２つのスペクトル帯域に分け、２つの可視光スペクトル帯域を対応するＰＶ受光器１８’及び１８”に導くとともに、ＩＲ光のような第３のスペクトル帯域をＰＶ受光器１６に向けて透過させるようにも構成される。

図８及び９の実施形態はいずれも、特定の用途に何が必要とされるかに依存して、利点を有する。図８の実施形態は光電変換コンポーネントを一方の側にまとめるという利点を提供し、これはそれほど複雑な構成ではなく、より小型の筐体を可能にし得る。一方、図９の実施形態は第３のスペクトル帯域を得るという利点を提供し、したがって高められた効率を提供できる。

図１０Ａ及び１０Ｂは、図８の２受光器実施形態及び図９の３受光器実施形態のいずれにも適用できる、可視光のそれぞれのスペクトル帯域についてのスペクトルセパレータ５０の挙動を示す。図１０Ａにおいて、一方のスペクトル帯域はＰＶ受光器１８”に導かれ、その上に（集束／発散軸にある）太陽円板またはその他の光源の像を形成する。同様に、図１０Ｂは、他方のスペクトル帯域がＰＶ受光器１８’に向けて導かれ、同じく、その上に太陽円板またはその他の光源の像を形成することを示す。

図１１Ａを参照すれば、図８，９，１０Ａ及び１０Ｂに示されるスペクトルセパレータ５０から拡大した、ただし、この場合も比例尺で示される必要はない、スペクトルセパレータ５０の肝要な面の側面図が示されている。入射光はベクトルＩで表されている。第１の湾曲面５２は、入射多色光の第１のスペクトル帯域を反射し、第１のスペクトル帯域を除く残りの光を全て透過させるように処理されたダイクロイック面である。第１の湾曲面５２を透過した光は次いで、第１の湾曲面５２から隔てられ、第１の湾曲面５２とは異なる曲率特性を有する、第２の湾曲面５４に入射する。図示される実施形態において、第２の湾曲面５４は、同様に、第２のスペクトル帯域を反射し、第２のスペクトル帯域を除く残りの光を全て透過させるように処理されたダイクロイック面である。すなわち、湾曲面５２及び５４のいずれをも透過した光は第１の湾曲面５２及び第２の湾曲面５４によってそれぞれ反射された第１のスペクトル帯域及び第２のスペクトル帯域を除く光である。

例えば、一実施形態において、第１の湾曲面５２は、図１１ＡにベクトルＬ１として表され、概ね約４７５ｎｍより短い波長を有する光である、青領域及び紫外領域の光を反射するように被覆される。他の可視光及び赤外光は第１の湾曲面５２を透過する。第２の湾曲面５４は、図１１ＡにベクトルＬ２として表される、可視赤色光及び、約６５０ｎｍより短い、短波長側も光を反射するように被覆される。図１１ＡにベクトルＬ３で表されるような、概ね６５０ｎｍ閾波長より長波長の、赤外光は適する受光器に導くことができる。図１１Ａに示される値は、限定としてではなく、例として与えられている。

図１１Ｂは一実施形態におけるスペクトルセパレータ５０の光学構成の詳細を示す。第１の湾曲面５２は図１１Ａ及び１１Ｂの断面図の平面に光学対称軸Ｏ１を有する。第２の湾曲面５４は図１１Ａ及び１１Ｂの断面図の平面に光学対称軸Ｏ２を有する。明らかに、軸Ｏ１及びＯ２は共線ではなく、平行ではない。すなわち、第１の湾曲面５２及び第２の湾曲面５４は光学的に同心ではなく、よって、それぞれの面から反射された光は、図１０Ａ及び１０Ｂにそれぞれ示されているように、それぞれのＰＶ受光器１８”または１８’に進む。例えば、湾曲面５２及び５４は非同心弧とすることができる。また、明らかに、湾曲面５２及び５４の曲率及び円錐定数は互いに異なり得る。

一実施形態において、スペクトルセパレータ５０はガラスまたはその他の透明光学材料の３次元体５８上に湾曲面５２及び５４を形成することによって製作される。湾曲面５４に対する形状の説明に関して用語に若干の混乱があり得ることに注意しなければならない。図１１Ｂにおけるような、３次元体５８の断面形状に関して、湾曲面５２は凸面であるが、湾曲面５４は凹面と見なされる。しかし、スペクトル分離機能に関しては、特に図１１Ａに示されるように、湾曲面５２及び５４はいずれも一次湾曲反射面１２から受け取られる入射多色光Ｉに対して凸面である。すなわち、面５４が凹面または凸面のいずれと見なされるかは、スペクトルセパレータ５０が３次元体５８上に製作されるか、または個別フィルムで形成されるか、または、３次元体２２内のような（図７Ａ，７Ｂ）、より大きな構造体内に埋め込まれた処理面で形成されるかに依存する。集光器３０が円柱形である場合、スペクトルセパレータ５０も円柱形であり、図２に示される座標軸設定を用いれば、ｚ-ｙ平面にある軸に沿ってのみ集束／発散能を有する。

図８の２受光器実施形態については、図１１Ａを参照して説明したように、第２の湾曲面５４にダイクロイック面は必要ではない。代りに、図８の実施形態については光を２つのスペクトル帯域に分けることしか必要ではないから、第２の湾曲面５４はダイクロイック面以外の反射器とすることができる。この場合、ダイクロイック分離面である第１の湾曲面５２は図１１Ａを参照して説明した態様と同じ態様で動作し、１つのスペクトル帯域を反射して、他の全ての光を透過させる。したがって、反射性の第２の湾曲面５４は、第２のスペクトル帯域として受け取った入射波長の全てを単に反射して、適切なＰＶ受光器１８’または１８”に向けて導くように、処理される。第２の湾曲面５４が反射器としてしか用いられない場合であっても、ダイクロイックコーティングは効率が比較的高いことから有利であり得ることに注意すべきである。

集光器３０の円柱型構成はいくつかの用途について好ましいかも知れないが、円環形のような、別の形状が有利なこともあり得る。円環形状実施形態においては、複数の面に集束／発散能がある。図１２Ａ及び１２Ｂはそれぞれ、円環形状実施形態の集光器３０の、上面図及び断面図を示す。図３の分散実施形態またはスペクトルセパレータ２０を用いる図８及び９の実施形態は、円環形状に適合させることができるであろう。図１２Ａの上面図に示されるように、円環形状実施形態ではＰＶ受光器１６，１８’及び１８”のそれぞれの長さにいくつかの制限があるであろう。

先に述べたように、スペクトルセパレータ５０を用いる実施形態ではプリズム２０のような分散素子の使用は必要ではない。しかし、改善されたスペクトル分離を達成するためには、分散素子をスペクトルセパレータ５０と組み合せて用いることが有利であり得る。

光源に対する方位
太陽またはその他の光源からの光を高効率で得て集中させるためには、集光器３０の方位を光源に対して適切に定めることが重要である。３次元体２２が単一光軸を有する回転対称デバイスの形態にある場合のような個別システムでは、光収集効率は単に太陽またはその他の光源に光軸を合せることによって最適化される。しかし、円柱型実施形態ではデバイスの方位は東西軸に沿って一層寛容になり得る。このコンポーネントの（Ｎ，Ｓ，Ｅ，Ｗと略記される）北−南−東−西の方位は、光エネルギーを得て集中させるためのコンポーネントの能力に直接に影響する。

図１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃの斜視図は、光源のＥ−Ｗ方向及びＮ−Ｓ方向に関する、円柱型実施形態における集光器３０の光収集挙動を示す。図１３Ａにおいて集光器３０の円柱軸ＣはＥ−Ｗ軸に概ね平行に合せられる。太陽またはその他の光源に向けて最適に方位が定められていれば、集光器３０はその背面のＰＶ受光器１８’及び１８”の全長Ｑに沿って最適量の光を得る。図１３Ｂは、集光器３０の定位がもはや最適ではない場合に何がおこるかを示す。背面のＰＶ受光器１８’及び１８”の部分長Ｑ’しか光を受け取らないが、かなりの量の光が未だに背面ＰＶ受光器１８’及び１８”に入射している。すなわち、デバイスはＥ−Ｗ軸においてかなり広い視野にわたり、あるレベルで、機能する。

図１３Ｃの斜視図は、集光器３０の方位がＮ−Ｓ軸に対して適切に定められていない場合の、集光器３０の挙動を示す。円柱軸Ｃを中心にして不正確に傾けられていると、図１４の側断面図に示されるように、集光器３０は垂直方向における光のある程度の「飛び」を可能にすることができ、よって、適切なスペクトル帯域がそれぞれの対応するＰＶ受光器１８’及び１８”に導かれない。この場合、太陽エネルギー装置の効率を最大化するためには、Ｎ−Ｓ軸に沿って集光器３０の方位を定めるために何らかのタイプの角度駆動を与えることが必要になるであろう。しかし、隣り合う集光器３０が共有縁に沿って光学的に結合されている場合のような、隣り合う集光器３０が光学的に結合されているアレイ実施形態は、斜角において光のいくらかの部分を用い得ることが看取されなければならない。図１５の側断面図は、大斜角における入射光Ｉの挙動を集光器３０のアレイ４０について示す。この場合、隣り合う集光器３０は光学的に結合され、アレイ４０内の全反射（ＴＩＲ）を可能にしている。例えば、光線Ｒ１及びＲ２は、集光器３０の１つにある受光器に出合うかまたは廃光としてアレイ４０をでる前に、ＴＩＲ及び被覆された一次湾曲面からの反射を多数回受ける。（ページ面に平行な）反射面３４はページに直交する方向における漏光の防止に役立つ。

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、集光器３０の使用に容易に適合させることができる。図１６は、本発明にしたがう太陽エネルギーシステム７０を示す。１つないしさらに多くの光エネルギー集中装置６０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６４は、太陽のＥ−Ｗ位置が一日を通して地球６６に対して変化するにともなって光エネルギー集中装置６０の方位を適切に定めるために、また適切なＮ−Ｓ方位に必要な軽い調節を行うためにも、制御ロジックプロセッサ６２によって制御される。制御ロジックプロセッサ６２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６２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切な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６２は、追跡アクチュエータ６４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与える。

本発明の集光器３０は、集光及びスペクトル分離のいずれをも提供する点で、その他のタイプの光エネルギー集中デバイスより優れている。集光器３０では、積層構成ではなく、分離されたスペクトル帯域が、それぞれがそれぞれのスペクトル帯域内の波長から光エネルギーを得るために最適化されている、適する光電池上に直接に導かれる、横並び配置を有する光電変換受光器の使用が可能になる。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。光電変換受光器１６，１８’及び１８”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域に適するいずれかの光電変換材料で作成することができる。

ＰＶ受光器１８’及び１８”に供給される２つのスペクトル帯域がスペクトル上で明確に弁別されず、それぞれのスペクトル帯域がいくらかの同じ波長を含む、いくらかの重なりを有するであろうことを看取することができる。図３〜５の分散実施形態及び図８〜１０Ｂのダイクロイックセパレータ実施形態のいずれにもいくらかの大きさのスペクトル汚染が見られるであろう。望ましい場合にはスペクトル汚染をより低いレベルまで減じるためにダイクロイックコーティングを最適化できるであろう。一次湾曲反射面１２にダイクロイックコーティングを施すことができ、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が得られるであろう。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を特に参照して本発明を詳細に説明したが、上述したような、また添付される特許請求の範囲に述べられるような、本発明の範囲内で変更及び改変が実施され得ることが、本発明の範囲を外れない当業者には理解されるであろう。焦平面の「近傍」及び「前」のような位置に関する術語にはある程度の幅があり得ることを改めて強調しておくことが有用である。本発明の上記教示に用いられる原理にしたがう精確な位置決めには、光−機械的許容度により若干の変動が許される。術語「放物面」及び「双曲面」は、これらの術語が光学技術の実践において理解され、適用されるような、従来の意味で用いられ、対応する幾何学的形状への完全な一致に対して多少の余裕をもつことが許される。上に示された実施形態のいずれについても、スペクトル帯域は用途の要件に最善に適合するように定め、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または分布スペクトル光源から光を収集し、スペクトル内容にしたがって光を分離して、分離された光を１つないしさらに多くの受光器上に集中させる装置を提供した。

１０ 光電変換モジュール
１２，１４，５２，５４ 湾曲面
１６，１８，１８’，１８” 受光器
２０ プリズム
２２，５８ ３次元体
２４，４０ アレイ
２６ 入力面
３０ 集光器
３２，３６ 溝
３４ 側面
３８ 背面
５０ スペクトルセパレータ
６０ 光エネルギー集中装置
６２ 制御ロジックプロセッサ
６４ 追跡アクチュエータ
６６ 地球
７０ 太陽エネルギーシステム
Ｃ 円柱軸
ｄ 高さ
ｅ 集光器セル奥行
ｈ 集光器セル高さ
Ｉ 入射光
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 光ベクトル
Ｎ 法線
Ｏ，Ｏ１，Ｏ２ 光軸
Ｐ 第１の焦平面
Ｑ，Ｑ’ 長さ
Ｒ１，Ｒ２ 光線
Ｎ 北
Ｓ 南
Ｅ 東
Ｗ 西
ｘ，ｙ，ｚ 座標軸

Claims (7)

1. 光エネルギーを得るための装置において、
   （ａ）入射多色光を状態調整して分散多色光を得るための分散素子、
   （ｂ）前記分散多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、
   （ｃ）前記第１の焦平面と前記一次湾曲反射面との間に配置された二次湾曲反射面であって、前記一次湾曲反射面で反射された分散多色光に対して凸面を向けるように配置され、前記分散多色光中の少なくとも一部の光を第２の焦平面に向けて反射するように処理されている二次湾曲反射面、
   （ｄ）前記第２の焦平面に向けて反射された分散多色光に含まれる第１のスペクトル帯域を持つ光を受け取るための、前記第２の焦平面の近傍に配置された第１の光電変換受光器、及び
   （ｅ）前記第２の焦平面に向けて反射された分散多色光に含まれる、前記第１のスペクトル帯域とは異なる第２のスペクトル帯域を持つ光を受け取るための、前記第２の焦平面の近傍における前記第１の光電変換受光器とは違う位置に配置された第２の光電変換受光器、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 光エネルギーを得るための装置において、
   （ａ）入射多色光を状態調整して分散多色光を得るための分散素子、
   （ｂ）前記分散多色光を第１の焦平面に向けて反射するように配置された一次湾曲反射面、
   （ｃ）前記第１の焦平面と前記一次湾曲反射面との間に配置された二次湾曲反射面であって、前記一次湾曲反射面で反射された分散多色光に対して凸面を向けるように配置され、前記分散多色光に含まれる第３のスペクトル帯域の光を透過させ、前記第３のスペクトル帯域を除く前記分散多色光中の光を第２の焦平面に向けて反射するように処理されている二次湾曲反射面、
   （ｄ）前記二次湾曲反射面を透過した前記第３のスペクトル帯域を持つ光を受け取るための、前記第１の焦平面の近傍に配置された第３の光電変換受光器、
   （ｅ）前記第２の焦平面に向けて反射された分散多色光に含まれる第１のスペクトル帯域を持つ光を受け取るための、前記第２の焦平面の近傍に配置された第１の光電変換受光器、及び
   （ｆ）前記第２の焦平面に向けて反射された分散多色光に含まれる、前記第１のスペクトル帯域とは異なる第２のスペクトル帯域を持つ光を受け取るための、前記第２の焦平面の近傍における前記第１の光電変換受光器とは違う位置に配置された第２の光電変換受光器、
   を備えることを特徴とする装置。
3. 前記分散多色光が赤外光を含むものであり、前記第３のスペクトル帯域が前記赤外光の波長帯域であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記分散素子が、プリズムであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記分散素子が、１つのプリズムからなるものであることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記分散素子が、複数の前記プリズムからなるものであり、該複数のプリズムそれぞれの延びる方向が互いに平行であり、かつ、前記延びる方向に対して直交する方向に沿って前記複数のプリズムが配列されるように構成されたものであることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 前記分散素子と前記一次湾曲反射面とは、透明な材料からなる３次元体の表面上に、該３次元体と１体化するように形成されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の装置。

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