JP2015520350A - 軽量な太陽集光器 - Google Patents

Abstract

太陽集光装置は、互いに接続されてフレームワークを形成する複数のフレーム部材と、フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートであって、自身に加えられた成形力に反応して緩んだ形状から収縮可能にフレームワークに取り付けられた可撓性シートとを有している。成形力システムが、起動時に、可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、可撓性シートを緩んだ形状から所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるべく動作し、太陽エネルギー受光器が、目標に一致する位置でフレームワークに取り付けられている。加圧空気で満たされた薄い壁の管により強靭で軽量のフレーム部材を提供することができる。成形力システムの停止時に、可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻る。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽エネルギーを収集して集中させる設備、特に太陽光線を収集して集光する経済的且つ軽量な装置の分野に関する。

太陽エネルギーを効率的且つ効果的に利用すべく相当の努力がなされている。太陽光発電（ＰＶ）パネルは受け取った太陽光線を直接電気エネルギーに変換するのに対し、太陽熱システムは太陽光線を収集して熱を生成して直接加熱目的に用いることも、あるいは、例えばスターリングエンジンを動作させる、またはより一般的には蒸気を発生させて蒸気タービンを動作させることにより回転機械力を生成し、これを用いて電力を生成することができる。太陽エネルギーはまた、ＰＶパネルに集光することにより所定の領域のパネルで受け取られる太陽エネルギーの量を増大させ、従って当該パネルから生成される電力を増大させることができる。

典型的な太陽光収集および集中システムは鏡を用いて、広い領域からはるかに小さい目標へ太陽光線を反射することにより、広い領域からの太陽エネルギーが当該目標に集光されるようにする。集光式点焦点システムにおいて、放物面状の反射面が日光を太陽受光器に集光させる。放物面形状が好適であるのは、太陽光線を小さい目標に集光させることにより当該目標で温度を上昇させるためである。反射面は典型的には、恐らくは１メートルの小さい直径から、直径１０数メートル以上のはるかに巨大な構造まで、様々なサイズおよび構成を取り得る。点焦点反射面集光器は、太陽を直接指し示す２本の軸で太陽に追随する追尾システムに搭載され、受光器は、反射面が移動するにつれて受光器も追随して移動するように、反射面の焦点位置に取り付けられている。これらの点焦点システムは、８００℃、更には１８００℃を超える高温を生成することができる。

中央タワー型システムにおいて、太陽受光器がタワーの最上部に搭載されている。タワーは、日光をタワーの最上部へ反射させる平坦な鏡であって、日光が受光器に対して一定の方向に反射されるように太陽に追随して移動すべく制御されるヘリオスタットで囲まれている。数百または数千個のヘリオスタットが協調的に動作して日光をタワーの上部に向けて、典型的には蒸気タービンを動作させるために用いる５００℃〜１１００℃以上の高温を発生することができる。

トラフ型集光器は、点焦点反射面および中央タワー設計の両方で実現されているように点焦点ではなく線焦点を形成する、長く凹んだトラフ状の集光器である。この場合も、光線を幅が狭い線に集光させるためにトラフの断面が放物面形状であることが好適である。これは通常、その簡便性のために最もコストが低い太陽光収集技術であった。長いトラフ型集光器は、光を太陽トラフ型集光器の長さにわたる太陽受光管に集光させる。トラフは、場所の緯度に応じて、長さ方向が南北または東西に向けられ、トラフの凹面が太陽に追随するように縦軸上でピボット回転する。これらのトラフ型集光器は従って、点焦点集光器に求められるように２本の軸上でピボット回転する必要はなく、１本の軸上でピボット回転するだけでよい。トラフ型集光器は、一点に焦点を結ぶことができず、１本の線に焦点を結ぶことしかできないため、点焦点反射面または中央タワー設計ほどには高温を発生させることができない。典型的には６００℃未満の温度を実現することができる。

太陽エネルギーを利用する際の主な運用コストは、数百〜数千個の集光器からなる太陽光収集設備に起因する。反射面は典型的に、研磨されたアルミニウムまたはガラス鏡からなる。鏡のガラスまたは金属シートは、求められる集光形状を形成すべく湾曲しているか、または集光効果を実現すべくフレーム上に配置された小型の平坦な鏡片の配列からなる場合が多い。これらの鏡は重く、鏡の重量を負って焦点を維持するのに充分な剛性を得る相当の構造的な支持部を必要とする。これらの重い構造はまた、日光を適切に集光させるべく、ソーラーアレイを操作するための重く且つ高価なモーターおよびギアボックスを必要とする。

フレームおよび追尾システムに対する要求を軽減すべく、反射シート材料の薄膜がフレームワーク全体に張り渡された、軽量且つ線形な張力を掛けられた薄膜トラフ型集光器が開発されている。当該フレームワークは、トラフの長さに沿って横並びに取り付けられた放物面状のリブを含み、薄膜は次いでトラフの一方の終端に取り付けられ、リブの外側凸面に沿って張り渡されて、反対側の終端で張力を掛けられた状態で取り付けられる。このような薄膜トラフ型集光器は例えば、Ｈａｒｒｉｅｎｓｔｉｅｎらによる米国特許出願公開第２０１０／０２５８１８６号明細書およびＰｒｕｅｉｔｔによる米国特許第８，０５６，５５５号明細書に開示されている。

これらの薄膜トラフ型集光器は、剛性背面反射材料を利用する従来の設計と比較して鏡装置の重量を大幅に減らすと共に、フレームおよび追尾システムの強度要件も相応に軽減されている。しかし当該フレームワークは、トラフの端から端まで張り渡された薄膜に掛かる相当な張力に起因する変形を防ぐべく充分に強靭でなければならない。

本発明の目的は、従来技術の課題を克服すべく太陽光線を収集および集光するシステムを提供することである。

本発明は第１の実施形態において、互いに接続されてフレームワークを形成する複数のフレーム部材と、当該フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートであって、自身に加えられた成形力に反応して緩んだ形状から収縮可能に当該フレームワークに取り付けられた可撓性シートとを含む太陽集光装置を提供する。成形力システムが、起動時に、当該可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、当該可撓性シートを緩んだ形状から所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるべく動作し、太陽エネルギー受光器が、当該目標に概ね一致する位置で当該フレームワークに取り付けられている。当該成形力システムの停止時に、当該可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻る。

本発明は第２の実施形態において、太陽集光器を製造する方法を提供する。本方法は、フレーム部材を接続してフレームワークを形成するステップと、当該フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートを当該フレームワークに緩く取り付けることにより、当該可撓性シートが自身に加えられた成形力に反応して緩んだ形状から収縮可能にするステップと、当該可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、当該可撓性シートを緩んだ形状から所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるステップと、太陽エネルギー受光器を、当該目標に概ね一致する位置で当該フレームワークに取り付けるステップとを含んでいる。当該成形力を解除することで当該可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻る。

本発明の集光器は、太陽光収集のコストを大幅に下げる。本発明は、本装置が太陽に追随すべく移動する実施形態において、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、Ｍｙｌａｒ（商標）、ポリマー、または薄いプラスチック状の膜を形成可能な他の任意の材料等、極めて軽量な薄膜材を用いる。これらの材料を用いることで、従来技術のガラスおよび金属と比較してソーラーアレイの重量を大幅に軽減する。この軽量化は、反射膜の保持に用いるフレームワークの構造上の強度要件を激減させる。膜が強く引っ張られないため、フレームワークをそのような伸張の応力に抵抗するために構築する必要がなく、大幅に軽量化できる。

本発明は、本明細書の結論部分において権利請求がなされているが、好適な実施形態を、添付の図面と合わせて最も良く理解されるであろう添付の詳細説明に示すものであり、複数の図面の各々において同一部材には同一参照番号が付されている。

図１は、本発明のトラフ型真空太陽集光装置の一実施形態の模式的透視図である。 図２は、図１の実施形態の模式的端面図である。 図３は、追加的な後部フレーム部材を備えた、図１の実施形態の変型例の模式的端面図である。 図４は、図１の集光器を用いる真空太陽集光器システムの模式的端面図である。 図５は、図４の撓み調整器のより詳細な模式的端面図である。 図６は、図４のシステムの代替的な撓み調整器の模式的端面図である。 図７は、本発明の点焦点真空太陽集光装置の一実施形態の模式的透視図である。 図８は、本発明の可撓性シートを放物面形状に形成する金型の模式的側面図である。 図９は、細長いフットボール形状の加圧チャンバを備えた、本発明の点焦点またはトラフ型太陽集光装置の一実施形態の模式的端面図である。 図１０は、本発明のトラフ型加圧太陽集光装置の一実施形態の模式的透視図である。 図１１は、図１０の実施形態の模式的端面図である。 図１２は、加圧チャンバ内に目標および太陽受光器がある、図１０の実施形態の変型例の模式的端面図である。 図１３は、フレーム部材が可撓性シートを図９のフットボール形状内に移動させるべく移動し、目標がチャンバから外へ移動する、図１０の実施形態の変型例の模式的端面図である。 図１４は、本発明の水平方向液体充填太陽集光装置の一実施形態の模式的端面図である。 図１５は、図１４の実施形態の模式的上面図である。 図１６は、可撓性シートが透明であって、液体が、太陽光線を可撓性シートの下にある目標に集光させるレンズの如く機能する、図１４の実施形態の模式的端面図である。 図１７は、重力により曲げられる半剛体可撓性シートを備えた、本発明の水平方向太陽集光装置の一実施形態の模式的端面図である。 図１８は、成形力システムが、可撓性シートに取り付けられたワイヤを引っ張って反射面を所望の形状に形成する、本発明の薄膜太陽集光装置の更なる代替的な実施形態の模式的端面図である。 図１９は、フレーム部材が、加圧空気で満たすことにより補強される薄壁管である、本発明の実施形態のフレームワークに用いる軽量なフレーム部材の模式的端面図である。 図２０は、可撓性シートが凹面トラフ型集光器を形成し、受光器が光電子太陽電池の列を含んでいる、本発明の薄膜太陽集光装置の更なる代替的な実施形態の模式的端面図である。 図２１は、可撓性シートが凹面トラフ型集光器を形成し、チャンバ内にフレームワークを有する、加圧チャンバを備えた本発明の薄膜太陽集光装置の更なる代替的な実施形態の模式的透視図である

図１、２に、本発明の太陽集光装置１の一実施形態の断面図を模式的に示す。装置１は、互いに接続されてフレームワーク５を形成する複数のフレーム部材３を含んでいる。図示する装置１において、フレームワークは、フレームワーク５の左右の終端間に延在する概ね平行な上下の前面フレーム部材３Ｆ、および上下の前面フレーム部材３Ｆに平行なフレームワーク５の左右の終端間に延在する後部フレーム部材３Ｒを含んでいる。フレーム部材３Ｆ、３Ｒは、フレームワーク５の各終端で終板７に取り付けられている。

可撓性シート９は、図１の破線で示すように可撓性シート９が緩んだ形状ＬＳをなし、自身に加えられた成形力に反応して収縮可能にフレームワーク５に取り付けられている。可撓性シート９は、上下の前面フレーム部材３Ｆの間に配置された反射面１１を有している。

成形力システム１３は、起動時に、シート９に対して成形力を加えるべく動作する。図２に模式的に示すように、成形力は、反射面１１に当たる太陽光線１５が目標１７に概ね集光するように、可撓性シート９を緩んだ形状ＬＳから所望の形状ＤＳに伸張すべく構成されている。

図示する装置１において、可撓性シート９は、ＰＶＣ、Ｍｙｌａｒ（商標）、ポリマー、または薄いプラスチック状の膜を形成可能な他の任意の薄膜材料である。これらの材料は極めて薄いため、大部分の膜は概ね透明であるが、現行のガラス鏡面加工処理で用いられるような任意の種類の鏡面加工処理、または膜への薄い金属反射層のスパッタリングまたは真空蒸着により容易に鏡面加工処理を施すことができる。膜は、膜材の外側または内側部分に適用可能である。反射コーティングを内側に適用することで悪天候への耐性が向上する。

図示する装置１において、成形力システム１３は、可撓性シート９の逆向きの第１および第２の側面９Ａ、９Ｂの間に空気圧差を生じさせることにより成形力を加える。成形力システム１３は、起動時に、可撓性シート９の第２の側面９Ｂから空気を吸い込出すことにより真空状態が生じ、可撓性シート９が収縮して反射面１１が凹んだ湾曲形状をなす。

可撓性シート９は、自身の第１の側面９Ａが上下の前面フレーム部材３Ｆ間で前方を向いた状態で上下の前面フレーム部材３Ｆ上で支持されていて、密封チャンバ１９の前面を形成する。成形力システム１３は、起動時に、チャンバ１９から空気を吸い出して可撓性シート９の反射面１１が凹面トラフ型集光器を形成する。反射面１１を形成する反射コーティングは、空気に露出している可撓性シート９の第１の側面９Ａに施されてもよいが、多くの場合、反射面を各要素から保護されるチャンバ１９内の第２の側面９Ｂに設ける方が有利である。

図示する装置１において、可撓性シート９は、前後のフレーム部材３Ｆ、３Ｒの外側の周囲に巻かれて、可撓性シート９の反射面１１が上下の前面フレーム部材３Ｆ間で前方を向いた状態で密封チャンバ１９を形成する。可撓性シート９の左右の横縁は、端板７にテープ等により密着されて、または端板の周囲に巻かれて、あるいは同様の方法で固定されてチャンバ１９を密封することができる。従ってトラフの終端が変形する場合もあるが、重大な問題ではない。

成形力システム１３は、チャンバ１９から空気を吸い出す真空ポンプを備えているため、チャンバ１９内の圧力よりも気圧が高く、空気圧で可撓性シート９の反射面１１を押して凹面トラフ型集光器の形状にする。成形力システムの停止時に、チャンバ１９内に空気が流入して、可撓性シート９の両側面９Ａ、９Ｂに掛かる力が均等になって緩んだ形状ＬＳに戻る。風による揺れや変形に耐えるべく求められる真空圧力差は極めて低く、１平方インチ当たり１ポンドの数分の一で充分であろう。

可撓性シート９をフレームワーク５の周囲に巻いてチャンバ１９を形成するのではなく、可撓性シートを上下のフレーム部材３Ｆおよび端板７に密着させてもよく、後部側面を別個の材料で囲んでチャンバを形成してもよいと考えられる。

太陽エネルギー受光器２１が、目標１７と概ね一致する位置でフレームワーク５に取り付けられている。図示する装置１において、受光器２１は、循環する熱伝導流体で満たされたパイプであって、各終端がフレームワーク５の端板７に取り付けられている。太陽エネルギー受光器はまた、例えば本明細書で後述する図２０に模式的に示すように、直接電力を生成すべく動作可能な太陽電池の列であってよい。

反射面１１が好適な放物弧ではなく、円弧の断面形状をなしているため、焦点がぼやける。これを解決すべく、太陽光線１５の位置ずれを補償して太陽光線１５の焦点を鮮明に合わせる焦点修正装置が装置１に含まれている。図１の装置１において、焦点修正装置は、反射面１１と受光器２１の間に配置された補正レンズ２３を備えている。

図３に示す装置１’の代替的な実施形態において、焦点修正装置は、反射面１１’と鏡２３’の間に受光器２１’を有する湾曲した補償鏡２３’を備えている。本発明のフレームワークが様々な形状を取り得ることをデモンストレーションすべく、図３の装置１’においてフレームワークは、図１に示す単一の後部フレーム部材３Ｒではなく、上下の後部フレーム部材３Ｒ’を含んでいる。必要ならばフレームワークの幅および長さに応じて追加的なフレーム部材３’を加えてもよい。

補正レンズ２３または鏡２３’は比較的狭いため、主ミラーが重いガラスまたは金属製であるシステムと比較して相対的に少量の材料および支持部しか必要としない。補正レンズまたは鏡により太陽光線の焦点を鮮明に合わせることで受光器２１内の熱伝導流体に生じる温度を上昇させて、コスト増をカバーするのに充分有用なエネルギーが得られるため、焦点修正装置の追加は、より高温が求められる大多数の用途において妥当であると考えられる。

図４に、密封チャンバの搭載を考慮した太陽集光器システムを模式的に示す。本システムは真空チャンバを備えた状態で図示しているが、本明細書で後述するような加圧チャンバもまた、チャンバ内の空気も調節する同様のシステムの恩恵を受ける。本システムは、空気とチャンバ１９内との間の差圧を測定するセンサ２５Ａ、２５Ｂをチャンバ１９の内側および外側に有している。内部空気制御部２７は、差圧を制御して所望の形状を維持する。制御部２７は、供給源２９から乾燥空気または乾燥窒素等の乾燥気体によりチャンバ１９内の空気を排除する。水分は反射鏡面コーティングを劣化させるため、チャンバ内の空気から水分を除去することで鏡面コーティングの寿命が延びる。最初にチャンバ１９を空にして湿った空気を排除すべく、チャンバ１９の供給源２９から見て反対側の終端に配置されたバルブを開いて乾燥窒素をチャンバに送り込む。チャンバ１９内に乾燥空気があることで、ミラー面の腐食を引き起こす凝結および水分を防ぐ。これにより気圧変動および温度変動が補償される。チャンバ内に過度な圧力が生じた場合、成形力システム１３の真空ポンプがチャンバ１９から空気を吸い出す。内部空気圧が低くなり過ぎた場合、供給源２９から乾燥空気または乾燥窒素がチャンバに送り込まれる。

撓みセンサ３１は、温度変化、材料の伸長等に起因する可撓性シート９の収縮または拡張に起因する可撓性シート９の所望の形状から逸脱した撓みを検出すべく動作可能であり、そのような撓みがあれば修正すべく撓み調整器３３が備えられている。図４に示す真空太陽集光器システムにおいて、撓み調整器３３は、チャンバ１９の長さ方向に沿ってフレーム部材３と概ね平行に延在するロッド３５を含んでいる。可撓性シート９がロッド３５の周囲に巻かれることにより、ロッド３５を第１の方向に回転させて可撓性シート９をロッド３５まで引っ張り、上下の前面フレーム部材３Ｆの間における可撓性シート９の長さを短くして凹面トラフの半径を大きくし、ロッドを逆向きの第２の方向に回転させて可撓性シート９をロッド３５から巻き取って、上下の前面フレーム部材３Ｆの間における可撓性シート９の長さを短くして凹面トラフの半径を小さくさせることができる。このように、トラフの半径を監視して所望の半径に維持することができる。

撓み調整器３３は他の形式であってもよいと考えられる。例えば、図６に模式的に示す代替的な撓み調整器３３”は、フレームワークの端板７”に搭載されていて上下の前面フレーム部材３Ｆ”間の距離Ｄを調整して可撓性シート９”の曲率半径を変えるべく動作可能なアクチュエータ３７を含んでいる。

上述のような本発明のトラフ型実施形態は、可撓性シートに求められる１次元の曲げ特性により最も簡単なものである。点焦点太陽集光器は一方で、材料に２次元の曲げ特性を有していなければならない。例えば、１枚の紙片を一方向またはその逆方向に曲げるのは簡単である。しかし、同時に四辺全てを上に曲げようと試みたならば、紙片に皺が寄りがちである。本発明の点焦点の実施形態において、使用する材料は湾曲が形成される仕方に影響を及ぼす。プラスチック膜が充分な弾性を有している場合、伸張して球状焦点を形成することができるものの、弾性材料で焦点を維持するのは困難であろう。

軽量プラスチック、Ｍｙｌａｒ（商標）、または薄いガラスのように材料が多少の剛性を有している場合、製造工程において慎重に、典型的にはコンピュータ制御下で、加熱して、皺を寄らせたい領域でプラスチック膜を選択的に縮ませることができる。図８に、加熱されて放物面状の金型３９に張り渡された可撓性シート９を示す。例えば、通常のガラスよりも１００倍以上強いゴリラガラス等の極めて薄いガラスを、当該ガラスの垂下温度で金型上に張り渡すことにより求める放物面形状を形成することができる。フレームワークに搭載されたならば、システムの部分的な真空により、放物面の湾曲形状の維持を支援するのに役立つであろう。可撓性シートは一方向にしか曲がらないため、トラフ型集光器を放物面に形成することは不可能である。

図７に模式的に示す代替的な装置１０１において、フレームワーク１０５は、矩形開口を形成している外周前面の上下左右のフレーム部材１０３Ｆ、および前面フレーム部材を支持している後部フレーム部材１０３Ｒを含んでいる。外周フレームもまた円形であってよい。可撓性シート１０９は薄膜材料であって、この場合も成形力システム１１３が、可撓性シート１０９の側面間で空気圧差を生じさせることにより成形力を加える。可撓性シート１０９は、自身の反射面１１１が外周前面フレーム部材１０３Ｆ間で前方を向いた状態で外周前面フレーム部材１０３Ｆ上で支持されていて、密封チャンバ１１９の前面を形成する。成形力システム１１３は、起動時に、チャンバ１１９から空気を吸い出して可撓性シート１０９の反射面１１１が、太陽光線を受光器１２１に向ける点焦点集光器を形成している。

可撓性シート１０９は、上の説明および図８に記述しているように、フレームワーク１０５に取り付ける前に予め形成されてよいため、成形力システム１１３の起動時に、可撓性シート１０９の反射面１１１が概ね放物面の形状をなす。可撓性シート１０９が放物面形状に金型成形されていない箇所に、上述のレンズまたは鏡等の焦点修正装置１２３がフレームワーク１０５に搭載され、受光器１２１に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能である。

図９に模式的に示す代替的な装置２０１において、成形力システム２１３は、起動時に、可撓性シート２０９の第１の側面２０９に空気を押し付けることにより可撓性シート２０９が収縮して反射面２１１が凹んだ湾曲形状をなす。この場合も、反射面２１１を形成する反射コーティングは、空気に露出している第２の側面２０９Ｂではなく、各要素から保護されるチャンバ２１９内で可撓性シート２０９の第１の側面２０９Ａに施す方が有利である。

装置２０１において、可撓性シート２０９は、反射面が可撓性シート２０９の反対側の透明面２４１に対向した状態で、フレームワーク２０５に搭載された中空の密封された風船状のチャンバ２１９内に形成され、成形力システム２１３がチャンバ２１９内に加圧空気を導入する。図示するチャンバ２１９が細長いフットボール状であることにより、成形力システム２１３の起動時に、可撓性シート２０９の反射面２１１が点焦点集光器として動作可能な概ね細長い円盤形状をなす。反射面２１１は細長いため、その半径は、目標２１７および受光器２２１がチャンバ２１９の外側にはみ出る程度になっている。これが有利である理由は、後述するように、反射面が円形である円筒形または球面の実施形態のいくつかにおいて、目標が反射面の反対側の壁に接しているため、高温により壁が損傷する恐れがあるからである。

可撓性シート２０９は、フレームワーク２０５に取り付ける前に予め形成されてよいため、成形力システム２１３の起動時に、可撓性シートの反射面２１１は焦点が鮮明な概ね放物面の形状をなす。可撓性シート２０９が予め形成されていない箇所に、上述のレンズまたは鏡等の焦点修正装置２２３がフレームワーク２０５に搭載され、受光器２２１に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能である。アクチュエータ２４３もまた、チャンバ２１９の両終端２１９Ｂ、２１９Ａ間の距離を調整して目標２１７を移動させるべく設けられていてよい。フットボール状の断面を、点焦点収集装置ではなくトラフ収集装置として用いてもよい。

図１０、１１に模式的に示す代替的な他の装置３０１において、チャンバ３１９が概ね円筒形であることにより、反射面３１１がチャンバの透明面３４１の反対側にトラフ型集光器を形成する。当該構成における問題は、反射面３１１へ向かう円弧に関して、目標３１７が反射面３１１から半径の約２倍の距離にあって、透明な壁部分３４１に接していることである。従って、焦点調整装置３４５は、目標を移動させるべく動作可能なチャンバ３１９に設置されている。図１０、１１の実施形態において、焦点調整装置３４５は、目標を、自然な目標位置３１７Ａから、集光した太陽光線により生じた熱で壁が損傷しない、チャンバ３１９の壁から離れた調整された位置３１７Ｂにあるチャンバ３１９外の場所まで移動させるべく動作可能なレンズとして示している。当該レンズは、反射面３１１と、チャンバ外の調整された目標位置３１７Ｂに配置された受光器３２１との間に配置されている。

図１２に模式的に示す円筒形チャンバ３１９’の変型例において、焦点調整装置３４５’は、チャンバ３１９’内で反射面３１１’と透明面３４１’との間に配置された鏡を備えている。当該変型例は、調整された目標位置３１７Ｂ’を、チャンバ３１９’の壁から離れているため当該壁が損傷しないチャンバ３１９’のほぼ中央にある位置まで移動させる。目標および受光器３２１’がチャンバ３１９’内にあることで、チャンバ３１９’内で相当量の熱が生じる。そのような熱は、可撓性シート３０９’材が過度に伸張または損傷することなく高温に耐えなければならないため問題である。

図１３に模式的に示す円筒形チャンバ３１９”の別の変型例において、焦点調整装置３４５”は、フレームワーク３０５”の第１および第２フレーム部材３Ｘ”、３Ｙ”の間の距離を調整すべく動作可能なアクチュエータを有している。フレーム部材３Ｘ”と３Ｙ”との距離を離すことで図示するようにチャンバの断面が変化し、反射面３１１”の半径が増大して、調整された目標位置３１７Ｂ”をチャンバ３１９外まで移動させる。チャンバ３１９”は従って、図９のチャンバ２１９の概ね細長いフットボール形状をなす。固定フレーム部材を備えたフレームワークからもフットボール形状が得られ、上述の撓み調整器３３等の膜巻き付け機構が調整を行う。所望の形状から逸脱した可撓性シート３０９の撓みを検出すべく動作可能な撓みセンサ３３１”が設けられていてよく、アクチュエータ、巻き付け機構等もまた、撓みを修正すべく動作可能な撓み調整器として機能することができる。

焦点調整装置がレンズまたは鏡である場合、当該装置はまた、受光器に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能であってよい。焦点調整装置がフレーム部材を移動させる場合、受光器において高温が求められるならば、更なる焦点修正装置が必要であろう。

図１４、１５に模式的に示す本発明の更なる代替的な装置４０１において、可撓性シート４０９は、反射面４１１が上方を向いた状態でフレームワーク４０５により概ね水平位置に支持された薄膜材料であり、成形力システム４１３が可撓性シート４０９の反射面４１１に澄んだ液体４４７、典型的には水を貯留させる。本実施形態の断面形状は円の半径または懸垂線ではないが、当該形状は太陽光線を点焦点またはトラフ目標に集光させ、図示するようなレンズまたは鏡を備えた焦点修正装置４２３が焦点を修正する。可撓性シート４０９上に液体を保持するには装置４０１が水平に配置されていなければならないため、太陽が空を横断するにつれて目標４１７が移動し、受光器４２１は、目標４１７に追随して受光器４２１を移動させるべく動作可能なフレームワーク４０５のアームおよびアクチュエータ機構４４９に搭載されている。典型的には、液体４４７の蒸発および汚染を防止すべく液体４４７を覆う透明なカバーシート４５１が設けられている。

本構成はまた、図１６に模式的に示すように、液体４４７’が太陽光線を可撓性シート４０９’の下にある目標４１７’に集光させてレンズとして機能するように、透明な可撓性シート４０９と合わせて利用可能であると考えられる。受光器４２１’および焦点修正装置４２３’は、目標４１７に追随すべく可撓性シート４０９’の下側にあるアームおよびアクチュエータ機構４４９’に搭載されている。

図１７に模式的に示す更なる代替的な装置５０１において、フレームワーク５０５は、開いた中央領域５５３を形成する複数の概ね水平なフレーム部材５０３Ｈを含み、可撓性シート５０９は、研磨された金属、または容易に収縮するが上述の薄膜よりも高い剛性を有している例えばゴリラガラス等のガラスの極めて薄い半剛体シートである。成形力システムは、半剛体可撓性シート５０９を、自身の反射面５１１が上方を向いた状態でフレームワーク５０５に配置することにより、ガラス可撓性シート５０５が水平方向フレーム部材５０３Ｈにより自身の外周部分で支持され、且つ開いた中央領域５５３内で重力が半剛体可撓性シート５０９を下方に引っ張るようにする動作を含んでいる。

半剛体シート５０９の底部は水平方向フレーム部材５０３Ｈ上をスライドし、当該シートは重力により自然の形状をなす。半剛体可撓性シート５０９は、外周部分だけで支持されているため、概ね懸垂線の形状をなし、当該形状は放物線の形状に近いため、必ずしも焦点修正が必要である訳ではない。この場合も、装置５０１は、必要に応じて半剛体可撓性シート５０９に重力が作用するように水平方向に置かれていなければならず、目標５１７は、太陽が空を横断するにつれて移動し、受光器５２１は、目標５１７に追随して受光器５２１を移動させるべく動作可能なフレームワーク５０５のアームおよびアクチュエータ機構５４９に搭載されている。この場合も、図１６の液体装置に関して上で述べたように、透明なガラスシートを用いて、太陽光線を集光するレンズとして機能させることができるものと考えられる。半剛体可撓性シートが所望の形状になったならば、風の強い状況下でシートがずれるのを防ぐ必要があれば支持部を追加してもよい。

更に、トラフ型構成に液体装置４０１および薄い屈曲ガラス装置５０１を用いてもよいと考えられる。

図１８に、更なる代替的な装置６０１を模式的に示す。可撓性シート６０９は、第１および第２の側面６０９Ａ、６０９Ｂを含んでいる。成形力システム６１３は、一方の終端で可撓性シート６０９の第２の側面６０９Ｂに取り付けられ、他方の終端でウインチ６５９に取り付けられた複数のワイヤ６５７を含んでいる。成形力システム６１３は、起動時にウインチ６５９を動作させてワイヤ６５７を引いて反射面６１１が凹んだ湾曲形状をなす位置まで可撓性シート６０９を引っ張り、成形力システム６１３は停止時にワイヤ６５７を解放する。成形力システム６１３は、可撓性シート６０９を放物面形状になるまで引っ張るべく構成されていてよく、トラフまたは点焦点構成で用いることも、または太陽光タワー用のヘリオスタット／集光器の組合せとして用いることができる。反射コーティングは、可撓性シート６０９の両側とも要素に対して露出しているため、いずれの側にあってもよい。

いずれかの集光装置の重量を更に減らすべく、図１９に模式的に示すように、フレーム部材３を金属、プラスチック等の軽量且つ薄い壁管６１で作り、その内部へ加圧空気６３を充満させることにより強化および補強することができる。圧縮器が管６１の内部へ加圧空気をポンプで送りこみ、管６１の内部の圧力はセンサで監視され、必要に応じて加圧空気を追加して所望のレベルに圧力を維持する。１平方インチ当たり（ｐｓｉ）１５〜２００ポンドの空気圧力が管６１の剛性を大幅に増大させ、管６１を断裂させることなく容易に維持できるものと考えらえる。直径が大きい管は通常、直径が小さい管よりも低い圧力しか必要としないものと考えられる。例えば、圧力領域がはるかに低い直径１５インチの管において、圧力がはるかに高い直径３インチの管と同等の力が得られるが、これは、所定の長さの管について、本例におけるより大きい管の方が５倍大きい表面積を有しているためである。

図２０に模式的に示す更なる代替的な装置７０１において、可撓性シート７０９は、光電子太陽電池の列を含む受光器７２１に太陽光線を集光させるべく図に示す向きに置かれた反射面７１１を備えた凹面トラフ型集光器を形成している。上述のように、トラフ型集光器はまた、本発明のフットボール形状断面、または他のトラフ型集光器のように、可撓性シートが加圧容器を形成するものであってよい。図示する装置７０１内の焦点修正装置７２３は、フレームワークに搭載されていて受光器７２１に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能なレンズを含んでいる。冷却導管７６７が可撓性シート７０９の反対側の光電子太陽電池の列に沿って延在し、ヒートシンク７６９が冷却導管７６７内を流れる流体から熱を吸収すべく動作可能である。冷却液体の温度が、建物や水の加熱に有用な５０℃〜約１００℃の範囲で変動し、且つ有利な点として同様のより低温の要件を満たすものと考えられる。

図２１に模式的に示す更なる代替的な凹面トラフ型集光装置８０１において、可撓性シート８０９は、フットボール形状の断面を有する加圧チャンバ８１９を形成する。装置８０１において、支持枠８０５はチャンバ内にある。可撓性シート８１１上の内側フレーム部材８０３により生じる影があるが、当該実施形態は極めて簡単且つ経済的であるため、これら内側に支持部８０３により僅かな影が生じるにもかかわらず、恐らく単位エネルギー当たりでより安価であるものと考えられる。

本発明はこのように、太陽集光器を製造する方法を提供する。本方法は、フレーム部材を接続してフレームワークを形成するステップと、当該フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートを当該フレームワークに、当該可撓性シートが緩んだ形状をなしていて自身に加えられた成形力に反応して収縮可能に、緩く取り付けるステップと、当該可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、当該可撓性シートを緩んだ形状から所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるステップと、太陽エネルギー受光器を、当該目標に概ね一致する位置で当該フレームワークに取り付けるステップとを含み、当該成形力を解除することで当該可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻る。

本発明の太陽集光器は、膜に作用させて維持する必要がある伸張力に抵抗するのに充分な強度を必要とするフレームワークを必要とする従来技術の金属およびガラス集光器の重量の数分の一であって、伸張した薄膜集光器よりも重量が大幅に軽い。本発明において、追尾システムにより移動させる必要があるフレームワークに重量または張力が殆ど掛からない。液体が支持されるようなより重い実施形態では、液体を支持するフレームワークは固定されている。

本発明の集光器が低コストであることにより、不具合を克服すべく最低限のコストでより多くの集光器を提供できるため、いかなる効率の低下も克服されるものと考えられる。

上記の説明は本発明の原理を例示するに過ぎないと考えられる。更に、多くの変更および改良が当業者には容易に想到されるため、本発明を図示および記述する構造および動作そのものに限定することは意図されておらず、従って、そのような構造または動作のあらゆる適切な変更または改良は、権利請求された本発明の範囲内に含まれるものとする。

Claims (46)

1. 互いに接続されてフレームワークを形成する複数のフレーム部材と、
   前記フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートであって、自身に加えられた成形力に反応して緩んだ形状から収縮可能に前記フレームワークに取り付けられた可撓性シートと、
   起動時に、前記可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、前記可撓性シートを緩んだ形状から所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるべく動作する成形力システムと、
   前記目標に概ね一致する位置で前記フレームワークに取り付けられた太陽エネルギー受光器とを含み、
   前記成形力システムの停止時に、前記可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻ることを特徴とする太陽集光装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記可撓性シートが薄膜材料であり、前記成形力システムが、前記可撓性シートの逆向きの第１および第２の側面の間に空気圧差を生じさせることにより前記成形力を加えることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記可撓性シートの前記第１の側面が空気に露出しており、前記成形力システムが、起動時に、前記可撓性シートの前記第２の側面から空気を吸い出すことにより真空状態が生じ、前記可撓性シートが収縮して前記反射面が凹んだ湾曲形状をなすことを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置において、前記フレームワークが、前記フレームワークの左右の終端間に延在する概ね平行な上下の前面フレーム部材を含み、前記可撓性シートが、自身の第１の側面が前記上下の前面フレーム部材間で前方を向いた状態で上下の前面フレーム部材上で支持されていて、密封チャンバの前方側面を形成し、前記成形力システムが、起動時に、前記チャンバから空気を吸い出して前記可撓性シートの前記反射面が凹面トラフ型集光器を形成することを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記可撓性シートが、前記フレームワークの外側の周囲に巻かれて前記密封チャンバを形成することを特徴とする装置。
6. 請求項４に記載の装置において、前記フレームワークに搭載され、前記受光器に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能な焦点修正装置を含んでいることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置において、前記焦点修正装置が、前記反射面と前記受光器の間に配置されたレンズの１つ、および鏡を含み、前記受光器が前記反射面と前記鏡の間にあるように配置されていることを特徴とする装置。
8. 請求項４乃至７の何れか１項に記載の装置において、前記可撓性シートの所望の形状から逸脱した撓みを検出すべく動作可能な撓みセンサ、および前記撓みを調整すべく動作可能な撓み修正器を含んでいることを特徴とする装置。
9. 請求項８に記載の装置において、前記撓み調整器が、フレーム部材と概ね平行に延在するロッドを含み、前記可撓性シートが前記ロッドに巻かれることにより、前記ロッドを第１の方向に回転させて前記凹面トラフの半径を増大させ、前記ロッドを逆向きの第２の方向に回転させて前記凹面トラフの半径を減少させることを特徴とする装置。
10. 請求項８に記載の装置において、前記撓み調整器が、前記上下の前面フレーム部材の間の距離を調整させるべく動作可能であることを特徴とする装置。
11. 請求項３に記載の装置において、前記フレームワークが外周前面フレーム部材を含み、可撓性シートが、自身の第１の側面が前記上下の前面フレーム部材間で前方を向いた状態で前記外周前面フレーム部材に支持されていて、密封チャンバの前方側面を形成し、前記成形力システムが、起動時に、前記チャンバから空気を吸い出して前記可撓性シートの前記反射面が点焦点集光器を形成することを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、前記可撓性シートが、前記フレームワークに取り付けられる前に予め形成されていることにより、前記成形力システムの起動時に、前記可撓性シートの前記反射面が概ね放物面の形状をなすことを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、前記フレームワークに搭載され、前記受光器に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能な焦点修正装置を含んでいることを特徴とする装置。
14. 請求項１３に記載の装置において、前記焦点修正装置が、前記反射面と前記受光器の間に配置されたレンズの１つ、および鏡を含み、前記受光器が前記反射面と前記鏡の間にあるように配置されていることを特徴とする装置。
15. 請求項４乃至１４の何れか１項に記載の装置において、前記チャンバ内の空気が乾燥気体を含んでいることを特徴とする装置。
16. 請求項２に記載の装置において、前記成形力システムが、起動時に、前記可撓性シートの前記第１の側面に空気を押し付けることにより前記可撓性シートが収縮して前記反射面が凹んだ湾曲形状をなすことを特徴とする装置。
17. 請求項１６に記載の装置において、前記可撓性シートが、前記反射面が前記可撓性シートの反対側の透明面に対向した状態で、中空の密封されたチャンバ内に形成され、前記成形力システムが前記チャンバ内に加圧空気を導入することを特徴とする装置。
18. 請求項１７に記載の装置において、前記可撓性シートが、前記フレームワークに取り付ける前に予め形成されることにより、前記成形力システムの起動時に、前記可撓性シートの前記反射面が、点焦点集光器として動作可能な概ね放物面の形状をなし、前記目標が前記チャンバの外側にあることを特徴とする装置。
19. 請求項１７に記載の装置において、前記チャンバが細長いフットボール状であることにより、前記成形力システムの起動時に、前記可撓性シートの反射面が点焦点集光器として動作可能な概ね細長い円盤形状をなし、前記目標が前記チャンバの外側にあることを特徴とする装置。
20. 請求項１９に記載の装置において、前記目標を移動させるべく前記チャンバの両終端間の距離が調整可能であることを特徴とする装置。
21. 請求項１７に記載の装置において、前記チャンバが細長いフットボール状の断面を有していることにより、前記成形力システムの起動時に、前記可撓性シートの前記反射面がトラフ型集光器として動作可能な概ね細長いトラフ形状をなし、前記目標が前記チャンバの外側にあることを特徴とする装置。
22. 請求項２１に記載の装置において、前記目標を移動させるべく前記チャンバ断面の両終端間の距離が調整可能であることを特徴とする装置。
23. 請求項１７に記載の装置において、前記チャンバが概ね円筒形であることにより、前記反射面がトラフ型集光器を形成し、前記目標を移動させるべく動作可能な焦点調整装置を更に含んでいることを特徴とする装置。
24. 請求項２３に記載の装置において、前記焦点調整装置が、
    前記反射面と前記受光器の間に配置されたレンズであって、前記レンズは前記チャンバ内にあり、前記受光器は前記チャンバ外にあるレンズと、
    前記反射面と前記透明面の間に配置された鏡であって、前記受光器はチャンバ内にある鏡と、
    前記フレームワークの第１および第２フレーム部材間の距離を調整すべく動作可能なアクチュエータのうち１つを含んでいることを特徴とする装置。
25. 請求項２３に記載の装置において、前記焦点調整装置が更に、前記受光器に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能であることを特徴とする装置。
26. 請求項１７乃至２５の何れか１項に記載の装置において、前記チャンバ内の空気が乾燥気体を含んでいることを特徴とする装置。
27. 請求項１６乃至２６の何れか１項に記載の装置において、前記可撓性シートの所望の形状から逸脱した撓みを検出すべく動作可能な撓みセンサ、および前記撓みを調整すべく動作可能な撓み修正器を含んでいることを特徴とする装置。
28. 請求項１７乃至２７の何れか１項に記載の装置において、少なくとも１つのフレーム部材がチャンバ内にあることを特徴とする装置。
29. 請求項１に記載の装置において、前記フレームワークにより、前記反射面が前記可撓性シートが上方を向いた状態で概ね水平位置に支持された薄膜材料であり、前記成形力システムが前記可撓性シートの前記反射面に澄んだ液体を貯留させ、焦点修正装置を含んでいることを特徴とする装置。
30. 請求項２９に記載の装置において、前記液体を覆う透明なカバーシートを更に含んでいることを特徴とする装置。
31. 請求項２９または３０に記載の装置において、前記受光器が前記フレームワークに移動可能に搭載され、太陽の移動に伴い前記受光器を移動させるべく動作可能なアクチュエータを含んでいることを特徴とする装置。
32. 請求項１に記載の装置において、前記フレームワークが、開いた中央領域を形成する複数の概ね水平なフレーム部材を含み、前記可撓性シートが半剛体シートであり、前記成形力システムが、前記半剛体シートを、自身の反射面が上方を向いた状態で前記フレームワークに配置することにより、前記概ね水平なフレーム部材により前記半剛体シートが自身の外周部分で支持され、前記開いた中央領域内で重力成形力が前記半剛体シートを下方に引っ張ることを特徴とする装置。
33. 請求項３２に記載の装置において、前記受光器が前記フレームワークに移動可能に搭載され、太陽の移動に伴い前記受光器を移動させるべく動作可能なアクチュエータを含んでいることを特徴とする装置。
34. 請求項３２または３３に記載の装置において、前記半剛体シートがガラスシートおよび金属シートのいずれかであることを特徴とする装置。
35. 請求項１に記載の装置において、前記可撓性シートが第１および第２の側面を含み、前記成形力システムが、前記可撓性シートの前記第２の側面に取り付けられた複数のワイヤを含んでいて、前記成形力システムが、起動時に、前記ワイヤを引いて前記反射面が凹んだ湾曲形状をなす位置まで前記可撓性シートを引っ張り、前記成形力システムが停止時に前記ワイヤを解放することを特徴とする装置。
36. 請求項１に記載の装置において、前記可撓性シートが凹んだトラフ型集光器を形成し、前記受光器が光電子太陽電池の列を含んでいて、
    前記フレームワークに搭載され、前記受光器に対する太陽光線の焦点を修正すべく動作可能な焦点修正装置と、
    前記可撓性シートの反対側の前記光電子太陽電池の列に沿って延在する冷却導管と、
    前記冷却導管内を流れる流体から熱を吸収すべく動作可能なヒートシンクを含んでいることを特徴とする装置。
37. 請求項１乃至３６の何れか１項に記載の装置において、少なくとも１つのフレーム部材が加圧空気で満たされた管を含んでいることを特徴とする装置。
38. 太陽集光器を製造する方法であって、
    フレーム部材を接続してフレームワークを形成するステップと、
    前記フレーム部材間に配置された反射面を有する可撓性シートを前記フレームワークに緩く取り付けることにより、前記可撓性シートが自身に加えられた成形力に反応して緩んだ形状から収縮可能にするステップと、
    前記可撓性シートに対して、反射面に当たる太陽光線が目標に概ね集光されるように、前記可撓性シートを所望の形状に伸張すべく設定された成形力を加えるステップと、
    太陽エネルギー受光器を、前記目標に概ね一致する位置で前記フレームワークに取り付けるステップとを含み、
    前記成形力を解除することで前記可撓性シートが概ね緩んだ形状に戻ることを特徴とする方法。
39. 請求項３８に記載の方法において、前記可撓性シートが薄膜材料であり、前記成形力が、前記可撓性シートの第１および第２の側面の間の空気圧差により生じることを特徴とする方法。
40. 請求項３９に記載の方法において、前記可撓性シートの前記第１の側面に対する空気圧力を、前記可撓性シートの前記第２の側面に対する空気圧力に相対的に増大させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
41. 請求項４０に記載の方法において、前記可撓性シートの前記第１の側面が空気に露出しており、前記可撓性シートの前記第２の側面から空気を吸い出すことにより真空状態が生じ、前記反射面が凹んだ湾曲形状をなすようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
42. 請求項４１に記載の方法において、前記可撓性シートの前記第２の側面が空気に露出しており、前記可撓性シートの前記第１の側面に対する空気圧力を増大させることにより前記反射面が収縮して凹んだ湾曲形状をなすようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
43. 請求項３７乃至４２の何れか１項に記載の方法において、前記可撓性シートを、前記フレームワークに取り付ける前に予め形成することにより、前記成形力が加えられ、前記可撓性シートの前記反射面が、点焦点集光器として動作可能な概ね放物面の形状をなし、前記目標が前記チャンバの外側にあるようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
44. 請求項３８に記載の方法において、前記可撓性シートが薄膜材料であり、前記可撓性シートを前記フレームワーク上で自身の外周部分において、緩んだ形状で、且つ前記反射面が上方を向いた状態で概ね水平に支持し、前記反射面に澄んだ液体を配置することにより前記可撓性シートに前記成形力を加えるステップを含んでいることを特徴とする方法。
45. 請求項３９に記載の方法において、前記フレームワークが、開いた中央領域を形成する複数の概ね水平なフレーム部材を含み、前記可撓性シートが半剛体シートであり、前記半剛体シートを、自身の反射面が上方を向いた状態で前記フレームワークに配置することにより前記成形力を加えて、前記概ね水平なフレーム部材により前記半剛体シートが自身の外周部分で支持され、前記開いた中央領域内で重力成形力が前記半剛体シートを下向きに引っ張ることにより前記反射面が凹んだ湾曲形状をなすようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
46. 請求項３８に記載の方法において、前記可撓性シートが第１および第２の側面を含み、前記可撓性シートの前記第２の側面に複数のワイヤを取り付けて、前記ワイヤを引いて前記反射面が凹んだ湾曲形状をなす位置まで前記可撓性シートを引っ張ることにより前記成形力を加えるステップを含み、前記成形力システムを停止させることで前記ワイヤを解放することを特徴とする方法。

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