JP4829407B2 - 太陽エネルギー集中器及び変換器並びにその組合せ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、太陽エネルギー集中装置、太陽エネルギー分配器と組合せられた太陽エネルギー集中装置、及び太陽エネルギー変換用室と組合せられた太陽エネルギー集中装置に係る。
【０００２】
太陽エネルギー集中装置は、他の有用なエネルギー形態に太陽エネルギーを変化する前に使用するためのものであり、広く知られている。集中された太陽エネルギーは、太陽炉で使用されてもよく、若しくは、エネルギーの他の形態に例えば流体を通常含む熱吸収媒体によって、又は光電池によって変換されてもよい。
【０００３】
公知の太陽エネルギー集中装置は、直射太陽光線を収光するべく空を横切る太陽を追尾する放射状の皿型のコレクターを含む。これらのデバイスは、タワー上に通常設置され、コレクターのフェース上への影を最小に生成しながら実質的なウィンドシアーに耐えることができなくてはならない。コレクターの形状は、何時間も渡って一定のままでなくてはならず、追尾は、一日中１度の範囲内で入射角を維持できるように正確でなくてはならない。更に、スターリングエンジンと一緒に使用されたとき、熱変換時に変動を生ぜしめ、従って出力時に変動を生ぜしめる突風の潜在的な問題がある。
【０００４】
タワー内のヘリオスタットの土地使用（1メガワット当たり8乃至17エーカ、1メガワット当たり3.2乃至6.9ヘクタール）、基地準備、設置、資本金及び整備もまた高価である。
【０００５】
レンズ若しくは複合の反射面のいずれかを使用する太陽エネルギー集中装置も、商業的に入手可能であるが、空を横切る太陽の移動を追尾するメカニズムを過剰に必要とする。購入、設置、整備、及び土地に関連する要求のコストは、同様に重大である。
【０００６】
追尾メカニズムを必要としない種々の太陽エネルギー集中装置もまた知られているが、例えば、集中装置のいくつかの許容角度が、１日のうちの少ない時間に対してだけしか受光することができないほど制限されているといった種々の制限に苦悩する。その他においては、集中ファクターが、一日の限られた時間だけしか満足されない場合がある。
【０００７】
更に、公知の集中器は、直射太陽光線における作動に対して設計され、拡散若しくは散乱光において満足できる機能をしない。例えば、米国特許第4,287,880号（Geppert）の太陽集熱器は、３つの分離したカーブから形成されたリフレクターを含み、パイプを通って流れる流体を加熱するため、異なる入射角を有する太陽光線が集熱器のパイプ上へ集熱器の異なる部分によって反射されるように太陽エネルギーをパイプ太陽集熱器上に集束する。しかしながら、そのデバイスは、拡散光を効果的に集中することができず、それ故にその地理的アプリケーションにおいて制限を受ける。パイプの吸収体の効率は、熱の吸い込み、移動、及び収集がデバイスの外部であるため、周囲温度の関数に従い変動する。
【０００８】
米国特許第4,610,518号（Clegg）で開示された渦まき状のビーム集中器は、うず室を使用することにより、プリズム状のビーム集中器から出現する太陽光線の長方形の集束ビームを集中器の軸に平行な集束太陽ビームに変換するものである。この集中器は、非常に小さい入射角範囲上でのプリズム状のビームコレクターからの入力太陽エネルギーを受け入れるように設計されている。
【０００９】
シリコン太陽電池の形態での光電池の使用もまた、太陽電池の最大感度が813ナノメーターで発生する一方で太陽光線のスペクトル分布が540ナノメーターの波長での最大スペクトルラジアンスを有するという欠点に苦悩する。結果として、太陽電池上に降り注ぐエネルギーの大部分は、電気に変換されない。更に、この太陽電池は、作動ピーク効率を維持するため冷却されなければならない。
【００１０】
米国特許第4,947,292号（Vlah）は、集束光ソースから拡散光を生成するように設計された照明システムを開示し、集束光ソースは、螺旋形状のホーンの焦点に配置され、拡散口は、ホーンの口部から放出される。好ましい螺旋形状は、重ねられた“黄金分割”の長方形、すなわち、長辺と短辺の長さの比が1/2（1＋5^1/2）：1の長方形の連続から形成されたうずとしても知られている“黄金分割螺旋”であり、この比は、“黄金分割螺旋”を作り上げる円弧に対する“黄金分割”中心を位置決めするために用いられてもよい。
【００１１】
本発明の目的は、先行技術の困難性が少なくとも部分的に緩和された太陽エネルギー集中器、太陽エネルギー分配器と組合せられた太陽エネルギー集中装置、及び太陽エネルギー変換用室と組合せられた太陽エネルギー集中装置を提供することである。
【００１２】
本発明の一局面によると、螺旋面に対して直角な軸を有する螺旋状のホーンを含む太陽エネルギー集中器であって、集中器は、ホーンの口部を形成する入力アパーチャと、ホーンの内部の光反射面と、ホーンの口部から離れたホーンの端部に位置する出口アパーチャとを含み、出口アパーチャは、入力アパーチャよりも小さく、ホーンは、入力アパーチャと出力アパーチャ間で上記軸方向と螺旋面上の双方において連続的に先細りし、ホーンは、ホーンの内部光反射面からの複数の反射によって、入力アパーチャへの入射角の所定の範囲内の太陽エネルギー入射を集束するように適合されることにより集束太陽エネルギーが出口アパーチャから放出されるようになる。
【００１３】
好ましくは、少なくとも１つの導波体が、ホーンの口部に設置され、入射角度の所定の範囲外から入射角度の所定の範囲に入射する光を反射する。
【００１４】
好都合的には、少なくとも１つの導波体は、螺旋状のホーンの上記軸に略平行に設置されたバッフルである。
【００１５】
効果的には、少なくとも１つの導波体は、ホーンの口部に最も近接する螺旋状ホーンの少なくとも部分に螺旋状ホーンの上記軸に略垂直に設置された部分螺旋ホーンである。
【００１６】
好都合的には、螺旋状ホーンは、ホーンの上記軸に平行な略四辺形の断面を有する。
【００１７】
効果的には、螺旋面内の先細形状は、黄金螺旋である。
【００１８】
好都合的には、ホーンは、金属である。
【００１９】
効果的には、金属は、アルミニウムである。
【００２０】
好ましくは、ホーンは、ホーンの螺旋に沿って設置された異種材料で形成された部分を有し、その材料は、使用時にコレクターのそれぞれの部分で到達温度に耐えるように適合される。
【００２１】
効果的には、出口アパーチャ付近のホーンの部分は、セラミック材料からなる。
【００２２】
好都合的には、光反射面は、紫外放射吸収手段によって保護される。
【００２３】
本発明の第２の局面によると、出口アパーチャと連通し、出口アパーチャから放出された集束太陽エネルギーを拡散する拡散手段が組み合わされた第１の局面による太陽エネルギー集中器が提供される。
【００２４】
好ましくは、拡散手段は、少なくともライトパイプを含む。
【００２５】
効果的には、拡散手段は、照明を供給するため少なくとも一部の集束太陽エネルギーを拡散するデイフューザを含む。
【００２６】
好都合的には、デイフューザは、螺旋状のホーンの形状である。
【００２７】
本発明の第３の局面によると、集中器の出口アパーチャと連通する室アパーチャを有し、出口アパーチャから放出された集束太陽エネルギーを変換するエネルギー変換手段を含む太陽エネルギー変換用室と組み合わされた第１の局面による太陽エネルギー集中器が提供される。
【００２８】
効果的には、エネルギー変換手段は、光電池を含む。
【００２９】
好都合的には、エネルギー変換手段は、熱吸収媒体を含む。
【００３０】
効果的には、エネルギー変換手段は、蒸気発生手段を含む。
【００３１】
好都合的には、エネルギー変換手段は、太陽炉を含む。
【００３２】
効果的には、太陽エネルギーの少なくとも一部は、エネルギー変換手段上に入射する前に室内で反射される。
【００３３】
効果的には、太陽エネルギーの少なくとも一部は、室内で波長変更を受ける。
【００３４】
好都合的には、太陽エネルギーは、エネルギー吸収及び／又は散乱によって波長増加を受ける。
【００３５】
好都合的には、太陽エネルギー拡散手段は、室アパーチャに出口アパーチャから太陽エネルギーを伝播するため設置される。
【００３６】
効果的には、拡散手段は、少なくとも１つのライトパイプを含む。
【００３７】
本発明の第１の局面は、コレクターが、追尾メカニズムを必要とせず入射角の大きい範囲で太陽エネルギーを収集することができるという効果を有する。コレクターは、それ故に効果的に拡散光を収集し集束することができる。本発明の第３の局面の効果は、太陽エネルギー変換室の室アパーチャが、室に入るエネルギーの大部分が室内に吸収されるブラックボディーにおよそ同一視されることである。太陽エネルギーの波長は、より多くのエネルギーが光電池によって吸収され、電気に変換されることができるように室内で変更されてもよい。更に、発生熱も、利用されてもよい。
【００３８】
本発明は、ここから添付図面を参照した例によって説明されるだろう。
【００３９】
一連の図において、類似の番号は、類似の部品を示す。
【００４０】
図１に示された太陽集熱器１は、第１の平面に入力アパーチャ２及び出口アパーチャ３を有する螺旋状のホーンである。内壁５の下側のエッジ４及び外壁７の下側のエッジ６は、第１の平面に直角な第２の平面８を画成し、外壁７のエッジ６と第２の平面８との交線及び内壁５の下側のエッジ４と第２の平面８との交線は、同一の“黄金断面”の螺旋上に位置しており、黄金断面”の螺旋とは、図１の点線９によって示された外壁７のエッジ６の交線及び内壁５の下側のエッジ４の交線の投影によって示されたようなものである。螺旋体に形成される前の内壁５及び外壁７は、図２に示されるような形状を有する。螺旋体の横断断面は、四辺形であり、内壁５の辺は、図１で示すようにホーンの上面１０が螺旋体の中心１１に向かって傾斜されるように、外壁７の辺よりも短い。図２に最もよく示されているように、内壁５及び外壁７の両方の高さは、入力アパーチャ２から出口アパーチャ３へ減少していく。
【００４１】
図３は、図１の螺旋状のホーンの断面図を示す。螺旋体の形状は、例えばWolfram Research Inc. PO Box 6059 Shampaign Illinois, USAより入手可能なコンピュータパッケージ“マスマティカ”、或いは、Mathsoft Inc. 101 Main Street, Cambridge Massachusetts, 02142 USAより入手可能なパッケージ“マスキャド”のようなｒｋ固定が使用可能な関数を使用してプロットされてもよい。
【００４２】
図３において破線で示されたような入射光線２０は、螺旋状ホーン１の外壁７及び内壁５の内部面上で複数の反射を受け、螺旋状ホーン１の中心若しくは焦点１１に向かって導かれる。しかし、螺旋体へより小さい入射角で入射光線２０と同一のポイント２３に入射する光線２７は、複数の反射を受け、螺旋状ホーン１の入力アパーチャ２から反射して出て行く。
【００４３】
図４で示すように、螺旋状ホーン１の口部２内にバッフル３０を挿入すると、図３で示すような螺旋状ホーンの同一のポイント２３に入射する光線３１（破線で示す）は、螺旋状ホーン１の外壁７に向かってバッフル３０によって反射され、究極的には螺旋の中心１１に向かって反射される。更に、光線３２は、バッフルが存在しないと、より小さい入射角で螺旋状ホーン１上の同一のポイント２３に入射することになるであろうが、図４の実線で示すように、バッフル３０上に代わって入射することになり、それ故、螺旋状ホーン１の表面上で反射され、そこから螺旋の中心に向かって反射される。従って、ホーンの口部内にバッフル３０を挿入することによって、螺旋の中心に向かって反射される太陽エネルギー光線の入射角の範囲が増加する。バッフル３０もまた、図４で示すように、螺旋のカーブに追従し、それ故にコレクターのホーンの口部２内に多くの螺旋状ホーンを形成する。
【００４４】
或いは、螺旋状コレクターの口部２の下面１２と上面１０間に配置された鉛直なバッフル３０に代わって、複数の部分的な螺旋状ホーンが螺旋状ホーンの口部２内に、入力アパーチャに最も近いコレクターの部分内で小さい螺旋状のホーンのハニカム構造を形成するため挿入されてもよい。
【００４５】
螺旋状ホーン１は、例えばアルミニウムのような磨かれた金属から形成されてもよい。しかし、出口アパーチャ３に最も近い螺旋部分に向かって達する高温に起因して、出口アパーチャ３に最も近い螺旋状ホーン１の部分は、セラミック材料で生成されてもよい。更に、入力アパーチャ２に最も近いホーン部分は、ホーンの残りの部分に比べてより低い温度の支配下にあり、反射面を形成するため金属被覆されたプラスティック材料で形成されてもよい。
【００４６】
入力アパーチャ２は、紫外線光からのダメージから螺旋状ホーン１の反射表面を保護するため紫外線光を吸収するウインドウによってカバーされていてもよく、若しくは、ホーンは、好ましくはガラス層が紫外線光を吸収するガラス−金属−ガラスというサンドイッチ構造で形成されてもよい。
【００４７】
出口アパーチャ３から出て行く光は、図５で示すように、ライトパイプ４０で知られる手段によって誘導されてもよい。図５で示すように、一以上のコレクターからの光４１及び４２は、連続的な分配のためのライトパイプの‘Y’字型の結合部４３によって結合されてもよい。
【００４８】
コレクター１から出て行く光は、公知のどんな太陽エネルギー変換手段により使用されてもよく、或いは、例えばビル内の照明を供給するためライトパイプ４０によって分配されてもよい。光は、照明のためライトパイプ４０からデイフューザ手段によって抽出されてもよい。デイフューザは、螺旋状ホーンの形態であってもよく、かかる場合、ライトパイプ４０からの光は、螺旋状ホーンの中心の小さい入力アパーチャ上に入射し、拡散光は、ホーンの口部の大きい出口アパーチャから拡散される。つまり、デイフューザは、螺旋状ホーンコレクターのホーンに対して反対の意味で用いられた螺旋状ホーンである。そのようなデイフューザは、ライトパイプ４０を使用することなく太陽集熱器１に直接的に接続することができるだろうことは理解されるべきである。
【００４９】
或いは、太陽エネルギー変換器５０が図６に示すように設置されてもよい。太陽エネルギー変換器は、一の円形端面５２の中心に入力アパーチャ５１を有する円柱の室を含む。太陽集熱器の内壁は、光電池を備えてもよく、若しくは、熱吸収のため及び入力アパーチャ５１を通って入射する太陽エネルギーの変換のための流体を含むパイプのような熱エネルギー吸収手段を備えていてもよい。入力アパーチャ５１を通って太陽エネルギー変換器に入る太陽エネルギーは、吸収される前に室５０内で複数の反射を受ける。更に、室５０の内部は、例えば太陽エネルギーの波長を光電池による吸収により適した波長に変換するため、波長変換手段を備えてもよい。太陽電池の効率を維持するべく、太陽電池は、例えば冷却用流体のような公知の方法によって冷却されてもよく、冷却によって得られたエネルギーもまた、公知の方法によって利用されてもよい。
【００５０】
当業者であれば、室５０の形状は、限定的なものでなく、室５０内で複数の反射を促進するのに都合のよい形状であれば適切であることを認識するだろう。同様に、アパーチャ５１の配置も限定的なものでない。太陽集熱器の入力アパーチャ５１は、太陽集熱器１の出口アパーチャ３に直接接続されてもよく、或いは、太陽集熱器１は、太陽エネルギー変換器５０にライトパイプ４０の手段によって接続されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による太陽エネルギーコレクターを示す図である。
【図２】 螺旋状に巻かれる前の図１のコレクターの側壁を示す図である。
【図３】 本発明のコレクターの断面図である。
【図４】 ホーンの口部にバッフルを有する本発明のコレクターの断面図である。
【図５】 本発明に使用されるライトパイプを示す図である。
【図６】 本発明の変換室を示す図である。

Claims (25)

1. 螺旋を含む螺旋平面に対して直角な軸を有する螺旋状のホーン（１）と、
   上記ホーンの口部を形成する入力アパーチャ（２）と、
   上記ホーンの内部にある光反射面と、
   上記ホーンの口部から離れた上記ホーンの端部に位置する出口アパーチャ（３）とを含み、該出口アパーチャは、該入力アパーチャよりも小さい太陽エネルギー集中器であって、
   上記ホーンは、集束された集束太陽エネルギーを上記出口アパーチャから放出せしめるように、上記入力アパーチャへ所定の入射角範囲内で入射する太陽エネルギーを上記ホーンの上記内部にある光反射面による複数の反射によって集束するように適合され、
   該ホーンは、上記入力アパーチャと上記出力アパーチャ間で該軸方向及び上記螺旋平面内の双方において連続的に先細りすることを特徴とする、
   太陽エネルギー集中器。
2. バッフル又は部分的な螺旋状ホーンを含む少なくとも１つの導波体（３０）が、上記ホーンの上記口部に上記所定の入射角範囲の外から上記所定の入射角範囲に入射する光（３２）を反射するため設置された、請求項１記載の太陽エネルギー集中器。
3. 上記少なくとも１つの導波体は、上記螺旋状のホーンの上記軸に略平行に設置されたバッフル（３０）である、請求項２記載の太陽エネルギー集中器。
4. 上記少なくとも１つの導波体は、上記螺旋状のホーンの上記口部に最も近接する上記螺旋状のホーンの少なくとも部分内に上記螺旋状のホーンの上記軸に略垂直に設置された部分螺旋状ホーンである、請求項２記載の太陽エネルギー集中器。
5. 上記螺旋状のホーンは、上記螺旋状ホーンの上記軸に平行な略四辺形の断面を有する、請求項１乃至４のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
6. 上記螺旋状ホーンの螺旋は、黄金分割螺旋である、請求項１乃至５のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
7. 上記ホーンは、金属からなる、請求項１乃至６のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
8. 上記金属は、アルミニウムである、請求項７記載の太陽エネルギー集中器。
9. 上記ホーンは、上記ホーンの螺旋に沿って設置された異なる材料から形成された部分を有し、上記材料は、使用時にそれぞれの上記部分において達する温度に耐えるように適合された、請求項１乃至８のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
10. 上記出口アパーチャの近傍の上記ホーンの上記部分は、セラミック材料からなる、請求項９記載の太陽エネルギー集中器。
11. 上記光反射面は、紫外線放射を吸収する手段によって保護された、請求項１乃至１０のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
12. 上記出口アパーチャと連通し、上記出口アパーチャから放出された上記集束太陽エネルギーを分配するために適合された分配手段と、請求項１乃至１１のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器とを組合せた組合せ体。
13. 上記分配手段は、少なくとも１つのライトパイプ（４０）を含む、請求項１２記載の組合せ体。
14. 上記分配手段は、照明を供給するため集束太陽エネルギーの少なくとも一部を拡散するデイフューザを含む、請求項１２又は１３記載の組合せ体。
15. 上記デイフューザは、螺旋状ホーンの形状である、請求項１４記載の組合せ体。
16. 上記出口アパーチャ（３）と連通する室アパーチャ（５１）を有し、上記出口アパーチャから放出された集束太陽エネルギーを変換するエネルギー変換手段を含む太陽エネルギー変換用の室（５０）と組み合わされた請求項１乃至１１のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
17. 上記エネルギー変換手段は、光電池を含む、請求項１６記載の太陽エネルギー集中器。
18. 上記エネルギー変換手段は、熱吸収媒体を含む、請求項１６記載の太陽エネルギー集中器。
19. 上記エネルギー変換手段は、蒸気発生手段を含む、請求項１６記載の太陽エネルギー集中器。
20. 上記エネルギー変換手段は、太陽炉を含む、請求項１６記載の太陽エネルギー集中器。
21. 上記太陽エネルギーの少なくとも一部は、上記室内で上記エネルギー変換手段上に入射する前に反射される、請求項１６乃至２０のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
22. 上記太陽エネルギーの少なくとも一部は、上記室内で波長変更を受ける、請求項１６乃至２１のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
23. 上記太陽エネルギーは、エネルギー吸収及び／又は散乱によって波長増加を受ける、請求項２２記載の太陽エネルギー集中器。
24. 太陽エネルギー分配手段が、上記出口アパーチャから上記室アパーチャへ太陽エネルギーを伝播するために設置された、請求項１６乃至２３のうちいずれか１項の太陽エネルギー集中器。
25. 上記太陽エネルギー分配手段は、少なくとも１つのライトパイプ（４０）を含む、請求項２４記載の太陽エネルギー集中器。

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