JP5778913B2

JP5778913B2 - 線形型太陽光集中収集器

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Publication number: JP5778913B2
Application number: JP2010246241A
Authority: JP
Inventors: ワイ．マエダパトリック
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: EP2336671A3; EP2336671B1; US20110100419A1; EP2336671B9; US20130276866A1; JP2011101013A; EP2336671A2

Description

本発明は、太陽光発電装置に係り、より詳細には、線形型太陽光集中収集器に関する。

一般に、電力生成に使用される太陽光エネルギ収集器は、フラットパネル（平板状の）収集器及び太陽光集中収集器を含む。一般に、フラットパネル収集器は、半導体（例えば、単結晶シリコン又は多結晶シリコン）基板に形成される太陽電池アレイ（配列）とこれに対応するエレクトロニクス（電子）を含み、平らな収集器から出力される電気エネルギがアレイの面積の直接的関数となるため、大型の高コストな半導体基板が必要とされていた。これに対し、太陽光集中収集器は、例えば、放物線状の反射体又はレンズを使用して、光線（例えば、太陽光線）を集め、小型の太陽電池へ向かう太陽エネルギのより強力な光線を生成することによって、大型の半導体基板を使用する必要性を削減する。従って、太陽光集中収集器は、半導体の使用量が少なくて済むという点で、フラットパネル収集器よりも有利である。

図１８（Ａ）は、光を線焦点（ＦＬ）（即ち、図の平面内へ延びる線）へ収束する湾曲（例えば、円筒形放物線状の）反射体５２と、線焦点ＦＬに配置された線形に配列された太陽光（ＰＶ）電池５５と、を含む従来の線形（例えば、トラフ型）太陽光集中収集器５０を示している。湾曲反射体５２へ向かう太陽輻射（以下、太陽光）は、図１８（Ａ）において、破線で示し、入射した太陽光が、湾曲型反射体５２によって反射され、集中されることを示している。従来の線形型太陽光集中収集器５０は、反射面５２が一方向のみに湾曲しており、反射面５２による集中太陽光の配光、即ち、３００本もの太陽光線の局所的な集中を有する照度分布の最大ピークが太陽電池５５に発生し、高電流密度によるＩ２Ｒ直列抵抗や関連する損失が生じるという問題があった。図１８（Ｂ）には、改良された従来の線形型太陽光集中収集器５０Ａが示されているが、照度分布の高集中を改良するため、光学系の焦点平面内部（即ち、線焦点ＦＬと反射面５２の間）の太陽電池５５の位置をずらすことによって、光学系をデフォーカス（焦点をぼかす）する方法が提案されている。この方法は、太陽電池５５の面全体に太陽光を拡げようとしたが、配光の太陽電池５５への高集中は、依然として、高かった。

従来の太陽光集中収集器は、製造、運転、及びメンテナンスのコストが高いという他の問題があった。光線を集中させるために、従来の収集器において使用される反射体及び／又はレンズは、個別に製造する必要があり、集中光線と太陽電池の間に適切なアラインメント（位置合わせ）を提供するためにはアセンブリに手間を掛かる必要があった。また、時間が経つと、反射体やレンズには、熱周期や振動によるミスアラインメント（位置合わせ誤り）が発生し、環境によって汚染されることもあった。また、反射体やレンズが洗浄しにくい複雑な形状で製造されている場合は、特に、本来重要とされる洗浄及び調整面からのメンテナンスが並大抵ではなかった。

従来の太陽光集中収集器は、これらの収集器が、少なくとも、受光面全体を覆って配置されるために陰影効果が生じる構造（例えば、太陽電池又はミラー（鏡面））を含み、従来の太陽光集中収集器から得られる最大の起電力が削減されるという更に他の問題もあった。例えば、図１８（Ａ）及び１８（Ｂ）に示される太陽電池５５は、光反射体５２の中心領域Ｃの日陰になっている。

本発明の目的は、従来の太陽光集中収集器における照度分布の高集中、日陰の影響、アセンブリコスト及びメンテナンスコストなどの問題を解決できる太陽光集中収集器を提供することにある。

本発明の実施の形態による、線形型太陽光集中収集器を示す斜視図である。本発明の一態様による、図１の線形型太陽光集中収集器によって使用される非共軸の湾曲反射体配列を概略的に示す図である。図１８（Ｂ）の従来の太陽光集中収集器によって生成される高集中の照度分布を示すグラフである。図１の太陽光集中収集器によって生成されるより均一な照度分布を示すグラフである。動作中の図１の太陽光集中収集器を概略的に示す側面図である。本発明の他の実施の形態による、線形型太陽光集中収集器を示す分解斜視図である。図５の線形型太陽光集中収集器を示す組み立て斜視図である。動作中の図５の線形型太陽光集中収集器を概略的に示す側面図である。本発明の他の実施の形態による、線形型太陽光集中収集器を示す分解斜視図である。図８の線形型太陽光集中収集器を示す組み立て斜視図である。動作中の図８の線形型太陽光集中収集器を概略的に示す側面図である。本発明の他の実施の形態による、線形型太陽光集中収集器を示す斜視図である。本発明の他の実施の形態による、線形型太陽光集中収集器を示す斜視図である。動作中の図１２の線形型太陽光集中収集器を概略的に示す側面図である。本発明の他の実施の形態による、側面反射体と更なる外部非共軸反射面を有する線形型太陽光集中収集器を概略的に示す斜視図である。動作中の図１４の線形型太陽光集中収集器を概略的に示す断面図である。太陽光集中収集器のための光学構造体を示す斜視図である。太陽光集中収集器のための光学構造体を示す斜視図である。本発明の他の実施の形態による、側面反射体を有する線形型太陽光集中収集器を概略的に示す断面図である。従来の線形型太陽光集中収集器の配列を概略的に示す側面図である。従来の線形型太陽光集中収集器の配列を概略的に示す側面図である。

本発明は、太陽光集中収集器の改良に関する。以下の記載は、特定の用途及びその要求条件に関連して、当業者が本発明を作成、使用することができるように提供されている。本明細書中で使用されているように、「正面」、「裏面」、「側面」、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「右側」、「左側」、「上方」、「下方」、「上部」及び「下部」などの方向を示す用語は、説明するための相対的位置を提供するために使用されており、絶対的な枠組みを指定することを意図するものではない。更に、「固体の、一体成形の」という表現は、本明細書では、別個に製造され、例えば、接着剤、締結具、クリップ、又は可動接合によって、連結される複数の構造体と区別して、単一成形又は単一機械加工された構造体を説明するために使用されている。本発明の好ましい実施の形態への様々な変更が可能であり、また、本明細書中に定義されている基本原理が他の実施の形態へも適用可能であることが当業者によって容易に理解されよう。従って、本発明は、例示的に示されている特定の実施の形態に限定されることを意図しないばかりか、本明細書に開示されている基本原理及び新規性を逸脱しない限りにおいて、本発明が広範囲に適用されることを認めるものである。

図１は、線形型太陽光集中収集器１００の一部を示し、この線形型太陽光集中収集器１００は、線形太陽電池（ＰＶ）（太陽エネルギ収集要素）１２０、太陽電池１２０の下方に配置された第１と第２のトラフ型反射体１３０−１及び１３０−２、及びトラフ型反射体１３０−１及び１３０−２の上方で、太陽電池１２０を固定的に支持する一組の支持ロッド１４０を含む。動作中、太陽光集中収集器１００は、公知の技術を用いて配向され、破線矢印Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、及びＢ２２によって示されるように、太陽光（日光）は、正面１１２から光学構造体１１０へ略垂直に向けられている。

図１に示されるように、太陽電池１２０は、その活性面がトラフ型反射体１３０−１及び１３０−２に向くように、支持ロッド１４０に固定され、破線矢印Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、及びＢ２２によって示されるように、トラフ型の反射体１３０−１及び１３０−２へ向かう太陽光が太陽電池１２０の活性面へ反射されるように、位置決めされる。太陽電池１２０は、略矩形の細長い形状であり、光学的損失や抵抗損失を最小限に抑え、集中型の太陽光から生じる電流を処理できる接触型金属化格子によって設計されることが好ましいが、非集中型の太陽光に使用する目的にも設計可能である。太陽電池１２０は、所望の活性領域を提供するために、大きさと形状が決定される集積回路（ＩＣ）チップ（ダイ）を含むこともできるし、所望の活性領域部分を形成するように配置され、公知の技術を用いて接続される多数の小型チップを含むこともできる。太陽電池１２０−１は、公知の技術を用いて負荷（ロード）へ電力を供給するために、配線又は他の接続子（図示せず）によって、外部回路に電気的に接続される。

図１の上方円内に示すように、（第１の）太陽光線（破線矢印Ｂ１１、Ｂ１２）が湾曲反射面１３２−１から反射し、線焦点ＦＬ１に収束し、（第２の）太陽光線（破線矢印Ｂ２１、Ｂ２２）が湾曲反射面１３２−２から反射し、線焦点ＦＬ２に収束し、各々が、太陽電池１２０の活性領域に当たる前に、焦点がぼけた（デフォーカス）状態で、オーバーラップし、線焦点ＦＬ１とＦＬ２が、共通のエッジ１３５に沿って、平行離間されるように、トラフ型反射体１３０−１及び１３０−２は、非共軸配置において、固定的に配置されている。即ち、太陽光線Ｂ１１及びＢ１２は、湾曲反射面１３２−１から線焦点ＦＬ１へ反射し、太陽電池１２０が配置されていなければ、線焦点ＦＬ１へ収束する。同様に、太陽光線Ｂ２１及びＢ２２は、湾曲反射面１３２−２から線焦点ＦＬ２へ反射する。動作中の太陽電池１２０の側面を示す図１の上部円内に示されるように、反射した太陽光線Ｂ１１及びＢ１２は、右斜め方向へ進み、焦点がぼけた（デフォーカス）状態で、太陽電池１２０の活性面（裏面）に当たり、反射した太陽光が、太陽電池の活性面全体にわたって広がる。同様に、反射した太陽光線Ｂ２１及びＢ２２は、左斜め方向へ進み、焦点がぼけた状態で、太陽電池１２０の活性面に当たり、光線Ｂ２１及びＢ２２は、焦点がぼけた状態で、光線Ｂ１１及びＢ１２とオーバーラップする（即ち、光路が光線Ｂ１１及びＢ１２と交差する）。このように、非共軸反射面１３２−１及び１３２−２が結合し、太陽光を集中する光学系を形成し、反射光が太陽電池１２０へより均一な照度分布によって広がるようにしたので、図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）に関して上記した従来の配置に比較してより均一な照度分布が得られるため、太陽光の局所的に高い集中を少なくし、電流密度をより低くすることによって、Ｉ２Ｒ直列抵抗よるエネルギの損失を削減する。湾曲反射面１３２−１及び１３２−２によって形成される光学系は、第２の光学素子の使用を必要とせずに、図１８（Ａ）に示されている従来の焦束システムの約２０倍、図１８（Ｂ）に示されている従来のデフォーカス（焦点ぶれ）システムの約２．３倍の効率で、太陽電池１２０への太陽光線の高集中を少なくすることができる。以下に更に記載されるように、光学系は、共軸面を使用する設計においても、実質的により均一な照度分布を生成することができる。

図２は、本発明の実施の形態による、本発明によって使用される光学系の形成を概略的に示す説明図である。図２は、各々が対応する線焦点ＦＬ１又はＦＬ２に光を反射する凹型の湾曲反射面を有している、２つの仮想上のトラフ型（例えば、線形放物線状の）反射体１３０−１１及び１３０−２１を示している。具体的には、仮想上の反射体１３０−１１の湾曲反射面は、反射体１３０−１１と反射体１３０−１１の外縁から線焦点ＦＬ１まで延びる２本の一点鎖線によって、境界付けされるパイ状領域を形成し、垂直下方に向かう太陽光線を反射して線焦点ＦＬ１に焦点合わせするように、光学的に画定される。同様に、反射体１３０−２１の湾曲反射面は、反射体１３０−２１と反射体１３０−２１の外縁から線焦点ＦＬ２まで延びる２本の一点鎖線によって、境界付けされるパイ状領域を形成し、垂直下方に向かう太陽光線を反射して線焦点ＦＬ２に焦点合わせするように、光学的に画定される。所望の非共軸配置を得るために、図２に示すように、仮想上の反射体１３０−１１及び１３０−２１は、線焦点ＦＬ１と線焦点ＦＬ２が、平行離間され、仮想上の反射体１３０−１１及び１３０−２１の外側部分１３０−１２及び１３０−２２が除去され、図１において上記したように、オーバーラップ部分１３２−１及び１３２−２が共通エッジに沿って任意に固定されるように、オーバーラップされ、配置される。図２の中心部の日陰領域によって示されるように、非共軸部分１３２−１及び１３２−２は、線焦点ＦＬ１及び線焦点ＦＬ２で受け取られた光を焦点合わせする光学系を、略全ての反射光が、焦点がぼけた（デフォーカス）状態で、透過するオーバーラップ領域ＯＬを生成できるように、形成する。また、この光学系によれば、従来の光学系による照度分布と比較した場合に、より均一な照度分布において反射光が拡散する。第一の実施の形態の態様によれば、太陽電池１２０がオーバーラップ領域ＯＬに位置決めされることによって、湾曲反射面１３２−１及び１３２−２からの反射光の略全てを均一な照度分布パターンで受光することができる。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、反射する太陽光が、太陽電池への高集中を少なくし、或いは、光の分散をより均一化又は平均化させるようにオーバーラップされるように、共軸配置の湾曲反射体の各反射面から、照度分布がどのように広がり、移動するかを示すグラフである。図３（Ａ）は、図１８（Ｂ）の従来の太陽光集中収集器による高集中照度分布を示している。図３（Ｂ）は、本発明の非共軸の方物線状反射面による照度分布を示しており、照度パターンを各部分から拡げて、オーバーラップさせている。

図４は、（破線矢印によって示されるように、）動作可能に太陽光へ露光された時の線形型太陽光集中収集器１００を概略的に示す側面図である。図示されているように、太陽電池１２０は、太陽電池１２０が湾曲反射面１３２−１及び１３２−２から反射した光の略全てを受光できるように、（図２において記載したように、）オーバーラップ領域において、位置決めされる。更に、上記したように、受け取られた光は、均一性の高い照度分布パターンを形成するので、太陽光の局所的に高い集中を削減し、電流密度レベルを低くすることによって、太陽電池１２０においてＩ２Ｒの直列抵抗に伴うエネルギの損失を削減することができる。この非共軸配置によって、太陽電池１２０のサイズを小さくできるだけでなく、湾曲反射面１３２−１及び１３２−２から反射した光の結合オーバーラップによって提供される最も均一な照度を利用することができる。

図４に示されるように、第１の実施の形態によれば、太陽電池１２０は、空隙（エアギャップ）ＡＧが第１の湾曲反射面１３２−１と第２の湾曲反射面１３２−２と太陽電池１２０の間で広がることができるようにトラフ型反射体１３０−１及び１３０−２を全体的に覆うように、ロッド１４０によって、支持されている。本実施の形態は、太陽電池１２０を支持するために、従来の構造を使用しているが、本発明の光学系は、固体の誘電光学素子を使用しても、実行することができ、以下の実施の形態において説明されるさまざまな利点を提供することができる。

図５、図６、及び図７は、本発明の他の実施の形態による線形型太陽光集中収集器１００Ａを示している。線形型太陽光集中収集器１００Ａは、正面１１２Ａと第１の反射面領域１１７Ａ−１と第２の反射面領域１１７Ａ−２を含む（対向）裏面を有する固体の光透過性光学構造体１１０Ａを含む。太陽光集中収集器１００Ａは、トラフ型反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２と太陽電池１２０Ａを含む。トラフ型反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２は、反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２側にそれぞれ配置され、反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２の湾曲反射面１３２Ａ−１及び１３２Ａ−２が光学構造体１１０Ａ（上方）に対面するように、配置されている。太陽電池１２０Ａは、太陽電池１２０Ａの活性領域が光学構造体１１０Ａ（下方）に対面するように、正面１１２Ａの中心領域の真上に取り付けられている。

本発明の第２の実施の形態の一態様によれば、光学構造体１１０Ａは、固体の一体成形の光透過性（例えば、低鉄ガラス、透明プラスチック、又は他の透明な誘電体の固体）の構造体であり、正面１１２Ａが略平坦（平面状）であり、受光面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２が反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２の所望の形状にぴったり合うように、湾曲されている。この「略平坦な」という表現は、平行光線が、あまり屈折することなく、正面１１２Ａの任意の部分を透過できることを意味する。以下に記載される具体的な実施の形態によって示されるように、光学構造体１１０Ａのサイズは、太陽光発電力を高めるために、縦（ｙ軸）及び横（ｘ軸）のいずれにも拡大可能である。具体的な実施の形態において、光学系設計パラメータの幾何学的密度は、１０．３５ｍｍの絞り、３．５ｍｍのセルサイズ、及び１２．０ｍｍの中心厚さからなる。非共軸の放物線面の曲率半径は、２６ｍｍであり、各放物線面は、１．５ｍｍ、偏心される。これによって得られる太陽電池への光分布は、セルを封止するため、製造上の公差において、十分な寛容度を付与することができる。

図５〜図７の太陽電池１２０Ａは、例えば、光透過性接着剤によって、正面１１２Ａに固定されることを除けば、図１の太陽電池１２０と略同様に構成されている。

一つの具体的な実施の形態によれば、反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２は、上記の非共軸配置に正確に対応する表面形状を含むように公知の技術を用いて処理され、トラフ型の反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２は、スパッタリングするか、或いは、反射鏡材料（例えば、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）又は高効率な多層誘電体反射塗料）を反射面領域１１７Ａ−１、１１７Ａ−２に直接、付着させることによって、作製される。この製造技術は、製造コストを少なくし、優れた光学特性を提供することができる。即ち、スパッタリングするか、又は、公知の鏡面作製技術を用いて、鏡面膜を反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２に形成することによって、トラフ型の反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２は、反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２の形態を取り、上記の図７に示された方法において、線焦点ＦＬ１とＦＬ２へ光を反射する。従って、光学構造体１１０Ａは、反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２が所望の鏡面形状を作るために配置され形状付けられるように、成形又は作製される。所望の形状及び位置に応じて、反射面領域１１７Ａ−１及び１１７Ａ−２を形成することによって、トラフ型反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２は、効率的に自己形成し、及び自己アラインメント（位置合わせ）するので、従来の太陽光集中収集器において必要とされていた高コストのアセンブリや高コストのアラインメントを省略することができる。更に、トラフ型反射体１３０Ａ−１及び１３０Ａ−２及び太陽電池１２０Ａが、光学構造体１１０Ａに取り付けられたままなので、これらの相対的位置が永久設定され、従来の多部品配置において必要とされていた調整や再アラインメントの必要性がない。また、図６に示されるように、ミラーを作製するために光学構造体１１０Ａの反射面領域を使用することによって、光が、正面１１２Ａから光学構造体１１０Ａへ入射すると、太陽電池１２０Ａに達する前に、この光は、光学構造体１１０Ａの内部に実質的に止まっている。このように、光は、空気とガラスの界面（正面１１２Ａにおいて）へ露光するだけなので、従来の多部品配置の太陽光集中収集器において生じていたような損失を最低限に抑えることができる。

本発明の実施の形態の他の態様によれば、非共軸反射面によって画定される線焦点に平行な平面内の光学素子の正面へ入射する太陽光線の全てが、収集器の太陽電池へ方向付けられる。例えば、図６によれば、平面Ｐは、線焦点ＦＬ１及び線焦点ＦＬ２と平行であり、ラインＬ３で正面１１２Ａと交差している。「垂直な」光線Ｂ３１及びＢ３２は、平面Ｐ内にあり、距離Ｄ１を隔てて平行に離間され、更に、正面１１２Ａに対して垂直である。このように、正面１１２Ａに対して９０°の（直角な）垂直光線Ｂ３１及びＢ３２は、距離Ｄ１によって離間されている面ポイントＳＰ１とＳＰ２で、正面１１２Ａを通過し、反射体１３０Ａ−２から反射して、線焦点ＦＬ２に進み、太陽電池１２０Ａの下側表面の点ＰＶ１とＰＶ２へ当り、ここれ、点ＰＶ１とＰＶ２も距離Ｄ１を隔てて離間されている。これに対して、「非垂直な」光線Ｂ３３は、平面Ｐ内にあり、正面１１２Ａに対して鋭角αをなした点ＳＰ１において、正面１１２Ａに入射する。光線Ｂ３３は、角度αで、到達するので、反射体１３０Ａ−２上の異なる点へ方向付けられるが、光線Ｂ３１とＢ３２に使用される角度と同じ角度の場合、反射体１３０Ａ−２から線焦点ＦＬ２に向かって反射するので、光線Ｂ３３は、距離Ｄ２だけ点ＰＶ１から離間している太陽電池１２０Ａの下側表面の点ＰＶ３に当るようにする。ここで、距離Ｄ２は、角度αによって決定される。このように、垂直な光線と非垂直な光線はどちらも、反射面１３０Ａ−１と１３０Ａ−２から反射され、線焦点ＦＬ１及び線焦点ＦＬ２、そして、太陽電池１２０Ａへ収束される。即ち、線焦点（又は、それぞれの反射面の中心軸）と正面によってできた面内にあって、９０°未満で上面に入射する入射光線は、線焦点よりやや下がった位置において、線焦点へ方向付けられる。この特性によって、本発明によって形成される線形の太陽光集中収集器は、アジマス回転追跡ベースシステムと一緒に使用することが特に好適になる。例えば、アジマス回転追跡ベースシステムは、本発明と同時に出願され、その全体が参照することによって本明細書中に組み込まれている「交換可能な太陽収集コンポーネントを有する２部分太陽エネルギ収集システム（ＴＷＯ−ＰＡＲＴＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹＣＯＬＬＥＣＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＷＩＴＨＲＥＰＬＡＣＥＡＢＬＥＳＯＬＡＲＣＯＬＬＥＣＴＯＲＣＯＭＰＯＮＥＮＴ）」（事件整理番号２００８１３７６−ＮＰ−ＣＩＰ２（ＸＣＰ−０９８−３ＰＵＳ））と題された共同所有され、同時継続中の特許出願番号に開示されているシステムである。この特性は、線焦点光学系において光を焦点合わせする表面の全てが、反射性であるが、屈折性ではないということによる。このような特性は、円柱レンズ面又は円柱フレネルレンズ面のような屈折力を有する線焦点システムにはみられない。

図８〜図１０は、本発明の他の具体的な実施の形態による線形型太陽光集中収集器１００Ｂを示す。上記の実施の形態と同様、線形型太陽光集中収集器１００Ｂは、光学構造体１１０Ｂ、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２、及びトラフ型反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２を含む。

光学構造体１１０Ｂは、略平坦な正面１１２Ｂと、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２を受け取るための平面状（平坦な）受光面領域１１６Ｂ−１及び１１６Ｂ−２、及び受光面領域１１６Ｂ−１と１１６Ｂ−２の間に介在する湾曲反射面領域１１７Ｂ−１及び１１７Ｂ−２を含む裏面１１５Ｂと、を有する固体の誘電体（例えば、プラスチック又はガラス）構造である。上記の実施の形態と同様、湾曲反射面領域１１７Ｂ−１及び１１７Ｂ−２は、以下に記載の非共軸配置と正確に整合する表面形状を含むように、公知の技術を用いて、処理される。

太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２は、上記の実施の形態に関連する太陽電池と略同様に構成されており、上記の方法を用いて、受光面領域１１６Ｂ−１及び１１６Ｂ−２に、それぞれ、載置されるが、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２の活性領域が上（即ち、正面１１２Ｂ方向）を向いているという点で、先に述べた実施の形態と異なる。

また、トラフ型反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２は、それらが光学構造体１１０Ｂ内方へ対面する反射面１３２Ｂ−１及び１３２Ｂ−２を提供するように、付着（例えば、スパッタリング）されるか、又は、湾曲反射面領域１１７Ｂ−１及び１１７Ｂ−２を被覆するという点で、先に述べた実施の形態と同様である。他の実施の形態において、反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２は、公知の技術を用いて、光透過性誘電体膜上に形成され、次に、（例えば、接着剤を用いて）積層されるか、又は、湾曲反射面領域１１７Ｂ−１及び１１７Ｂ−２に固着される。この製造方法では、直接ミラー形成技術より、製造コストが高くなり、また、鏡面膜を光学構造体１１０Ｂ上に直接形成することで提供される優れた光学特性にはやや劣るが、コスト面で利点をもたらす場合もある。

図９及び図１０によれば、線形型太陽光集中収集器１００Ｂは、（太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２が載置される）受光面領域１１６Ｂ−１及び１１６Ｂ−２と（反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２が形成される）反射面領域１１７Ｂ−１及び１１７Ｂ−２が、光学構造体１１０Ｂの裏面１１５Ｂを集合的に略全体的に被覆し、正面１１２Ｂを通過する太陽光の略全てが、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２の１つに直射するか、又は、非共軸の反射面１３２Ｂ−１及び１３２Ｂ−２から反射して、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２へ収束するという点で、先に述べた実施の形態とは異なる。「略全体的に被覆する」や「太陽光の略全体」という言葉は、有効電力に変換される太陽光の量を最大にするために、反射や太陽エネルギの受容機能としても作用しない裏面１１５Ｂの面積量、例えば、エッジ効果や製造上の欠陥によって太陽光が失われる領域を（例えば、５％未満）に削減することを意味する。以下に更に詳細に説明するように、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２と反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２によって裏面１１５Ｂを略全体的に被覆することによって、本発明は、日陰領域を取り除くことによって、光学構造体１１０に入射する略全ての太陽光のエネルギ変換を容易にする点において、従来の太陽光集中収集器よりも有利となる。

本発明の他の態様によれば、各反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２は、反射された太陽光が、内部全反射（ＴＩＲ）によって、正面１１２Ｂから太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２の一つへ（即ち、受光面領域１１６Ｂ−１及び１１６Ｂ−２の一つに対応する領域を介して、）再反射される角度で、太陽光が、正面１１２Ｂへ反射されるように、非共軸配置で配置されている。例えば、正面１１２Ｂから、光学構造体１１０Ｂへ入射し、反射体１３０Ｂ−２へ向かう太陽光線Ｂ１２は、角度θ２で、反射体１３０Ｂ−２から、正面１１２Ｂへ向かって反射する。この角度θ２は、光線Ｂ１２が、（図９の上左側にある小さい破線円形内に示されるように、）正面１１２Ｂに当たった時、内部全反射（ＴＩＲ）を受け、受光面領域１１６Ｂ−１を介して、太陽電池１２０Ｂ−１へ入射されるように、選択される。同様に、正面１１２Ｂから入射し、反射体１３０Ｂ−１へ向かう太陽光線Ｂ１１は、（例えば、図９の右下の破線円形内に示されるように、）太陽光線Ｂ１１が、内部全反射を受け、受光面領域１１６Ｂ−２を介して、太陽電池１２０Ｂ−２へ再方向付けされるように、角度θ１１で、正面１１２Ｂ方向へ反射される。反射角度が、内部全反射の目標及び選択された太陽電池への再方向付けを達成するために、反射体１３０Ｂ−１及び１３０Ｂ−２によって変化する点に注意されたい。例えば、正面１１２Ｂから入射し、反射体１３０Ｂ−１上の第２の場所へ向かう太陽光線Ｂ１２は、光線Ｂ１２が、正面１１２Ｂ上の光線Ｂ１１とは異なる場所でＴＩＲを受け、（図９の右下円内に示されているように、）受光面領域１１６Ｂ−２から、太陽電池１２０Ｂ−２の異なる領域へ再方向付けされるように、角度θ１２で、正面１１２Ｂ方向へ反射される。さまざまなＴＩＲ角度、及び正面１１２Ｂからのさまざまな反射点が、図１０に示されている。即ち、反射体１３０Ｂ−１から反射される太陽光は、正面１１２Ｂの領域ＴＩＲ１内で内部全反射（ＴＩＲ）を受け、反射体１３０Ｂ−２から反射される太陽光は、領域ＴＩＲ２内で、ＴＩＲを受ける。これによって得られる光学系の光学効率は、正面１１２Ｂの１つのフレネル反射、反射体１３０Ｂ−１又は１３０Ｂ−２の１つの反射、及び正面１１２Ｂの１つの全反射（ＴＩＲ）の存在によって、非常に高くなる。

太陽光集中収集器１００Ｂの他の態様によれば、正面１１２Ｂを通過して、太陽電池１２０Ｂ−１及び１２０Ｂ−２の１つへ向かう太陽光線、例えば、図１に示されている太陽電池１２０Ｂ−２へ向かう光線（即ち、反射せずに）としての光線Ｂ３は、有効電力に直接変換される。光学構造体１１０Ｂへ投射される略全ての太陽光は、太陽電池へ直射するか又は太陽電池へ反射するので、太陽光集中収集器１００Ｂは、光学構造体１１０Ｂへ入射する略全ての光線の変換が容易になり、日陰領域や非効率領域のない極めて効率な太陽光集中収集器を提供することができる。

図１１は、細長い光学構造体１１０Ｂ１を含む細長い線形型太陽光集中収集器１００Ｂ１を示す斜視図である。線形型太陽光集中収集器１００Ｂ１は、（図８〜図１０に関して上記した）光学構造体１１０Ｂに基づいて形成されるが、細長い線形収集器を形成するために、長手方向に延伸されている。この延伸は、複数の短小部分を動作可能に接合することによって、タイル加工によって、又は、細長い光学構造体１１０Ｂ１を押出加工するか、一体成形することによって、達成される。湾曲反射面１１７Ｂ−１１及び１１７Ｂ−２１が、光学構造体１１０Ｂ１の全長に沿って延びており、反射体１３０Ｂ−１１及び１３０Ｂ−２１が、湾曲反射面１１７Ｂ−１１及び１１７Ｂ−２１の全長に沿って延びていることに注目されたい。同様に、平板状の受光面１１６Ｂ−１１及び１１６Ｂ−２１は、湾曲反射面１１７Ｂ−１１及び１１７Ｂ−２１の外縁上の光学構造体１１０Ｂ１の全長に沿って、延び、太陽電池ストリング１２０Ｂ−１１及び１２０Ｂ−２１は、受光面１１６Ｂ−１１及び１１６Ｂ−２１の全長に沿って、載置されている。細長い線形型太陽光集中収集器１００Ｂ１は、上記の太陽光集中収集器１００Ｂと略同様に動作する。図１１に関して記載されている長さは、本明細書において記載されている実施の形態のいずれにも使用することができる。

図１２及び図１３は、本発明の他の具体的な実施の形態による線形型太陽光集中収集器１００Ｃを示しており、この収集器１００Ｃは、固体の光学構造体１１０Ｃ、三つの太陽電池１２０Ｃ−１、１２０Ｃ−２、及び１２０Ｃ−３、及び四つのトラフ型反射体１３０Ｃ−１〜１３０Ｃ−４を含む。即ち、光学構造体１１０Ｃは、太陽光集中収集器１００Ｂについて上記した光学構造体と同様に形付けられて配置された反射面領域１１７Ｃ−１及び１１７Ｃ−２と受光面領域１１６Ｃ−１及び１１６Ｃ−２を含み、更に、第３の反射面領域１１７Ｃ−３及び第４の反射面領域１１７Ｃ−４と、反射面領域１１７Ｃ−３と１１７Ｃ−４が受光表面領域１１６Ｃ−２と受光面領域１１６Ｃ−３の間に配置されるように構成された第３の受光面領域１１６Ｃ−３を更に含む。太陽電池１２０Ｃ−１、１２０Ｃ−２、及び１２０Ｃ−３は、受光面領域１１６Ｃ−１、１１６Ｃ−２、及び１１６Ｃ−３上にそれぞれ、配置され、トラフ型反射体１３０Ｃ−１〜１３０Ｃ−４は、反射面領域１１７Ｃ−１〜１１７Ｃ−４上にそれぞれ、配置され、上方へ（即ち、光学構造体１１０Ｃ）に対面する反射面を含む。図１３に示すように、光学構造体１１０Ｃは、正面１１２Ｃから反射面領域１１７Ｃ−３へ入射する太陽光が、正面１１２Ｃからの内部全反射（ＴＩＲ）で、受光面領域１１６Ｃ−３から太陽電池１２０Ｃ−３に入射する角度で、反射体１３０Ｃ−３から正面に向かって反射し、反射面領域１１７Ｃ−４から反射した太陽光が、受光面領域１１６Ｃ−３を介して、太陽電池１２０Ｃ−３に入射する角度で、正面１１２Ｃへ向かうように、配置される。これらの三つの太陽電池の配置によって、光学系を分厚くすることなく、より大きな領域に対しての光の集中が可能となる。同一の領域を被覆するために、二つの太陽電池を配置した場合は、厚みを大きくし、大きさも大きくする必要がある。一般に、システムは、システムの太陽光集中面積を大きくするために、拡大／縮小したり、反復も可能である。線形型太陽光集中収集器１００Ｃに対応する例示的な光学系設計パラメータは、幾何学的密度Ｃg＝１０．５、セル間ピッチ＝３５ｍｍ、最大素子厚み＝１４.３ｍｍ、及びエッジ厚さ＝５．５ｍｍである。

図１４は、本発明の他の具体的な実施の形態による太陽光集中収集器１００Ｄを示す斜視図であって、平面状の正面１１２Ｄと、上述した方法で、太陽電池１２０Ｄ−１と１２０Ｄ−２をそれぞれ受け取るための二つの受光面領域１１６Ｄ−１と１１６Ｄ−２と、上記の方法を用いて処理される四つの反射面領域１１７Ｄ−１、１１７Ｄ−２、１１７Ｄ−３、及び１１７Ｄ−４を含む（正面に）対向する裏面１１５Ｄを有する拡張した光学構造体１１０Ｄを含むこと以外は、先に述べた実施の形態と略同様に構成されている。

図１４において、上下方向に破線矢印で示されているように、反射体１３０Ｄ−１及び１３０Ｄ−２は、上記の実施の形態と略同様に作用する。即ち、受け取られた太陽光は、反射した太陽光が、太陽電池１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２の一つへＴＩＲによって再反射されるように、反射体から正面１１２Ｄへ反射される。例えば、反射体１３０Ｄ−１は、第１の太陽光線Ｂ２１が、ミラーアレイ１３０Ｄ−１の領域で反射し、正面１１２Ｄから、太陽電池１２０Ｄ−２へ再反射し、次に、第２の太陽光線Ｂ２２が、ミラーアレイ１３０Ｄ−２の領域で反射し、次に、正面１１２Ｄから、太陽電池１２０Ｄ−１へ再反射するように、配置される。

また、光学構造体１１０Ｄは、正面１１２Ｄと、反射面領域１１７Ｄ−３に隣接する裏面１１５Ｄの間に延びる（第１の）平坦な垂直側面１１３Ｄと、正面１１２Ｄと、反射面領域１１７Ｄ−４に隣接する裏面１１５Ｄの間を延出する（第２の）平坦な垂直側面１１４Ｄを含むという点で、上記の実施の形態と異なる。この実施の形態によれば、太陽光集中収集器１００Ｄは、側面１１３Ｄに配置された（第１の）平坦なサイドミラー１５０Ｄ−１と側面１１４Ｄに配置された（第２の）平坦なサイドミラー１５０Ｄ−２を更に含み、反射体１３０Ｄ−３及び１３０Ｄ−４は、受け取った光が、正面１１２Ｄから内部全反射によって太陽電池の一つへ再反射される前に、対応するサイドミラー１５０Ｄ−１又は１５０Ｄ−２によって、反射されるように、配置される。例えば、サイドミラー１５０Ｄ−１と反射体１３０Ｄ−３は、正面１１２Ｄから反射体１３０Ｄ−３へ入射した太陽光線Ｂ２３は、サイドミラー１５０Ｄ−１から正面１１２Ｄへ再反射され、次に、正面１１２Ｄから、内部全反射によって、太陽電池１２０Ｄ−１へ再反射されるような角度で、反射されるように配置される。図１４の右側を参照すると、サイドミラー１５０Ｄ−２と反射体１３０Ｄ−４も、同様に、太陽光線Ｂ２４が、反射体１３０Ｄ−４からサイドミラー１５０Ｄ−２へ反射し、サイドミラー１５０Ｄ−２から正面１１２Ｄへ再反射し、正面１１２Ｄから、内部全反射によって、太陽電池１２０Ｄ−２へ再反射されるように、配置される。先に述べた実施の形態におけるように、光学構造体１１０Ｄから太陽電池へ直射する太陽光は、反射されない（例えば、太陽光線Ｂ３は、太陽電池１２０Ｄ−２へ直射している）。

図１５は、動作中の太陽光集中収集器１００Ｄを示す略側面図であり、正面１１２Ｄ上方に配置された垂直線が入射光線を表しており、光学構造体１１０Ｄ内の傾斜線は、光が、反射体１３０Ｄ−１、１３０Ｄ−２、１３０Ｄ−３及び１３０Ｄ−４、及びサイドミラー１５０Ｄ−１及び１５０Ｄ−２から、太陽電池１２０Ｄ−１、１２０Ｄ−２及び１２０Ｄ−３の１つへ投射されている時の光の反射パターンを示している。図示されているように、太陽光集中収集器１００Ｄによって提供されるミラーの配置によって、光学構造体１１０Ｄの外縁に沿って受光される光の損失が最小限に抑えられ、一層、効率を高めることができる。

図１６(Ａ)は、線形型太陽光集中収集器１００Ｄの光学構造体１１０Ｄにおける、傾斜反射面領域１１７Ｄ−１〜１１７Ｄ−４と受光面領域１１６Ｄ−１及び１１６Ｄ−２の位置をより分かり易く示した図である。反射面領域１１７Ｄ−１〜１１７Ｄ−２と受光面領域１１６Ｄ−１及び１１６Ｄ−２が、本発明の線形型太陽光集中収集器の形成において何回でも反復可能な設計ユニットを形成することに注目されたい。例えば、図１６（Ｂ）は、光学構造体１１０Ｅを示しており、光学構造体１１０Ｅは、光学構造体１１０Ｄに対応する、反射面領域１１７Ｅ−１〜１１７Ｅ−４と受光面領域１１６Ｅ−１及び１１６Ｅ−２を含むだけでなく、表面領域１１７Ｅ−５及び１１７Ｅ−６と受光表面領域１１６Ｅ−３によって形成される第２の設計ユニットを含む（第２の設計ユニットは、受光面領域１１６Ｅ−２を共有している）。図１７は、動作中の光学構造体１１０Ｅ上で形成された線形型太陽光集中収集器１００Ｅを概略的に示す側面図である。正面１１２Ｅ上方に配置された垂直線は、入射してくる太陽光を表しており、光学構造体１１０Ｅの傾斜線は、反射体１３０Ｅ−１〜１３０Ｅ−６とサイドミラー１５０Ｅ−１及び１５０Ｅ−２から反射して、太陽電池１２０Ｅ−１、１２０E−２、及び１２０E−３の一つへ向かう時の光の反射パターンを示している。

本発明がいくつかの具体的な実施の形態に関して記載されているが、当業者は、本発明の特徴が、その全てが本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、他の実施の形態にも適用可能であることを理解するであろう。

１００：線形太陽光集中収集器
１１０：光学構造体
１１２：正面
１１５：裏面
１２０：太陽電池
１３２−１、２：湾曲反射面
１４０：支持ロッド

Claims

少なくとも一つの太陽光収集素子（１２０）と、
第１の線焦点を画定する第１の湾曲反射面を有する第１の反射体（１３０−１）と、
第２の線焦点を画定する第２の湾曲反射面を有する第２の反射体（１３０−２）と、
を含む、線形型太陽光集中収集器であって、
前記第１の反射体（１３０−１）と前記第２の反射体（１３０−２）が、前記第１の線焦点と前記第２の線焦点が平行離間している非共軸配置において、エッジを共有しながら、固定的に接続され、
前記第１の湾曲反射面と前記第２の湾曲反射面が、前記第１の湾曲反射面へ向かう第１の太陽光が、前記第１の湾曲反射面から反射して、前記第１の線焦点へ収束し、前記第２の湾曲反射面へ向かう第２の太陽光が、前記第２の湾曲反射面から反射して、前記第２の線焦点へ収束するように、配置されており、
前記反射した第１と第２の太陽光は、前記第１と第２の太陽光が、焦点がぼけた状態で、オーバーラップするように、前記第１及び第２の湾曲反射面によって、それぞれ、方向付けられ、
前記線形型太陽光集中収集器は、実質的に平らな正面と、第１の反射面領域及び第２の反射面領域を含みかつ前記正面に対向する裏面と、を有する固体光透過性光学構造体（１１０）を備え、
前記少なくとも一つの太陽光収集素子が、前記固体光透過性光学構造体（１１０）を介して前記第１と第２の反射体に固定的に接続され、前記反射された第１と第２の太陽光の少なくとも一つを動作可能に受光するように、位置決めされ、
前記第１の反射体（１３０−１）及び前記第２の反射体（１３０−２）のそれぞれは、前記第１の湾曲反射面及び前記第２の湾曲反射面が前記固体光透過性光学構造体に向くように、前記第１の反射面領域及び前記第２の反射面領域に配置され、
前記第１の反射体（１３０−１）及び前記第２の反射体（１３０−２）は、それぞれ、前記第１の反射面領域及び前記第２の反射面領域に直接配置された金属フィルム又は高効率多層誘電体反射コーティングの１つを備え、
前記正面から前記第１の湾曲反射面へ入射する第１の太陽光が、前記第１の湾曲反射面で反射して、所定領域を通過して前記第１の線焦点へ収束され、
前記正面から前記第２の湾曲反射面へ入射する第２の太陽光が、前記第２の湾曲反射面で反射して、前記所定領域を通過して前記第２の線焦点へ収束され、
前記第１の太陽光及び前記第２の太陽光は前記所定領域で重なりかつ前記太陽光収集素子は、前記第１の太陽光及び前記第２の太陽光が重なる前記所定領域に配置される
線形型太陽光集中収集器。
略平坦な正面と、前記正面に対向し第１の反射面領域と第２の反射面領域を含む裏面と、を有する固体の光透過性の光学構造体と、
前記光透過性の光学構造体に取り付けられた少なくとも一つの太陽光収集素子と、
前記第１の反射面領域に取り付けられ、第１の線焦点を画定する第１の湾曲反射面を有する第１のトラフ型反射面と、
前記第２の反射面領域に取り付けられ、第２の線焦点を画定する第２の湾曲反射面を有する第２のトラフ型反射面と、
を含む、
線形型太陽光集中収集器であって、
前記少なくとも一つの太陽光収集素子と、前記第１の線焦点及び前記第２の線焦点が離間するように前記光透過性の光学構造体内に配置されている前記第１のトラフ型反射面及び前記第２のトラフ型反射面と、によって、
前記正面から前記第１の湾曲反射面へ入射する第１の太陽光が、前記第１の湾曲反射面で反射して、所定領域を通過して前記第１の線焦点へ収束され、
前記正面から前記第２の湾曲反射面へ入射する第２の太陽光が、前記第２の湾曲反射面で反射して、前記所定領域を通過して前記第２の線焦点へ収束され、
前記少なくとも一つの太陽光収集素子が、反射した前記第１及び前記第２の太陽光の少なくとも一つを動作可能に受光するように、位置決めされることよりなり、
前記第１の太陽光及び前記第２の太陽光は前記所定領域で重なりかつ前記太陽光収集素子は、前記第１の太陽光及び前記第２の太陽光が重なる前記所定領域に配置される
線形型太陽光集中収集器。