JP6591753B2 - マイクロ電子機械システム（ｍｅｍｓ）ベースの反射体を使用したマイクロ集光太陽電池アレイ - Google Patents

マイクロ電子機械システム（ｍｅｍｓ）ベースの反射体を使用したマイクロ集光太陽電池アレイ Download PDF

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Description

本開示のシステムおよび方法は、マイクロ集光太陽電池アレイに関し、より詳細には、太陽電池セルに光を追尾するために、マイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体を使用するマイクロ集光太陽電池アレイに関する。
太陽電池すなわち光電池セルによる発電は、近年かなりの関心を寄せている。太陽電池セルは、典型的には太陽からの光エネルギを電気エネルギに変換する。太陽電池セルでの光強度は、sunの数に参照されることが可能であり、強度1sunが1kW／m2での標準照射に対応している。
発電用の太陽電池セルの普及は、コストと効率の両方でさらなる躍進が必要とされ得る。例えば、現在利用可能な多くの太陽光発電装置は、強度1sun未満で太陽電池セルが動作する、平板型の技術を採用している。これらのタイプの太陽光発電装置は、太陽光から電力への変換効率が比較的低く、比較的大きくて扱いにくく、そして熱に光エネルギの大部分を変換する傾向がある。さらに、これらの太陽光発電装置は、実際には比較的長い充電時間をも必要とする可能性がある。具体的には、太陽光発電装置を用いた充電装置は多くの時間を要し、数日にわたる場合もあり得る。長い充電時間に加えて、空の太陽の位置変化に対応するために、太陽光発電装置の位置を日中に定期的に調整する必要がある。
一態様において、マイクロ集光太陽電池アレイが提供され、このマイクロ集光太陽電池アレイは、複数の太陽電池セルおよび複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体を含む。各太陽電池セルは、1つの焦点を含む。1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、MEMSベースの反射体は、少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能である。
別の態様において、マイクロ集光太陽電池アレイが提供され、このマイクロ集光太陽電池アレイは、複数の太陽電池セルと、複数のMEMSベースの反射体と、制御モジュールとを含む。各太陽電池セルは、1つの焦点を含む。1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、MEMSベースの反射体は、少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能である。制御モジュールは、太陽電池セルおよびMEMSベースの反射体と動作可能に通信し得る。制御モジュールには、太陽電池セルによって生成される電気出力を監視するための制御ロジックが含まれる。また、制御モジュールには、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満であるか否かを決定するための制御ロジックも含まれる。太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満の場合、制御モジュールには、少なくとも1つの軸線に対して、MEMSベースの反射体を再配置するための制御ロジックも含まれる。
さらに別の態様において、太陽電池セルの焦点に光のビームを追尾する方法が開示されている。太陽電池セルは、マイクロ集光太陽電池アレイの一部であり得る。この方法は、制御モジュールにより複数の太陽電池セルによって生成される電気出力を監視するステップを含む。また、この方法は、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満であるか否かを制御モジュールにより決定するステップを含む。太陽電池セルによって生成される電気出力が制御モジュールによる閾値未満の場合、この方法は、少なくとも1つの軸線に対して、複数のMEMSベースの反射体を再配置するステップも含む。1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、MEMSベースの反射体は、少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能である。
本開示の態様によれば、複数の太陽電池セルであって、各太陽電池セルが1つの焦点を含む太陽電池セルと、複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体であって、1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、このMEMSベースの反射体が少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能であるマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体とを備える、マイクロ集光太陽電池アレイが提供されている。
マイクロ集光太陽電池アレイは、太陽電池セルおよびMEMSベースの反射体と動作可能に通信する制御モジュールをさらに備えることが有利である。
制御モジュールは、太陽電池セルによって生成される電気出力を監視するための制御ロジックを含むことが好ましい。
制御モジュールは、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満であるか否かを決定するための制御ロジックを含むことが好ましい。
太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満の場合、制御モジュールは、少なくとも1つの軸線に対して、MEMSベースの反射体を再配置するための制御ロジックを含むことが好ましい。
太陽電池セルは、カバーガラス上に取り付けられることが有利である。
マイクロ集光太陽電池アレイは、カバーガラスに取り付けられた複数の受信機を備えることが好ましく、この受信機はそれぞれ太陽電池セルの1つと関連し、さらにこの太陽電池セルはそれぞれ対応する受信機に取り付けられて電気的に接続される。
MEMSベースの反射体は、基板上に取り付けられることが有利である。
任意で、マイクロ集光太陽電池アレイは、基板に貼り付けられた複数の支持部材を備え、各太陽電池セルは対応する支持部材によって支持される。
対応する太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、MEMSベースの反射体は、2つの回転軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能であることが有利である。
本開示の別の態様において、電気出力を生成する複数の太陽電池セルであって、各太陽電池セルが焦点を含む太陽電池セルと、複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体であって、1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、MEMSベースの反射体が少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能であるマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体と、太陽電池セルおよびMEMSベースの反射体と動作可能に通信する制御モジュールとを備えるマイクロ集光太陽電池アレイが提供され、この制御モジュールは、太陽電池セルによって生成される電気出力を監視し、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満であるか否かを決定し、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満の場合に、少なくとも1つの軸線に対して、MEMSベースの反射体を再配置するための制御ロジックを含む。
太陽電池セルは、カバーガラス上に取り付けられることが有利である。
マイクロ集光太陽電池アレイは、カバーガラスに取り付けられた複数の受信機をさらに備えることが有利であり、この受信機はそれぞれ太陽電池セルの1つと関連し、さらにこの太陽電池セルはそれぞれ対応する受信機に取り付けられて電気的に接続される。
MEMSベースの反射体は、基板上に取り付けられることが有利である。
任意で、マイクロ集光太陽電池アレイは、基板に貼り付けられた複数の支持部材を備え、各太陽電池セルは対応する支持部材によって支持される。
本開示のさらに別の態様において、太陽電池セルがマイクロ集光太陽電池アレイの一部である、太陽電池セルに光を追尾する方法が開示され、この方法が、制御モジュールにより複数の太陽電池セルによって生成される電気出力を監視するステップと、太陽電池セルによって生成される電気出力が閾値未満であるか否かを制御モジュールにより決定するステップと、太陽電池セルによって生成される電気出力が制御モジュールによる閾値未満の場合に、少なくとも1つの軸線に対して、複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体を再配置するステップであって、1つの太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、各MEMSベースの反射体は、少なくとも1つの軸線に対してそれぞれ選択的に傾動可能であるステップと、を含む。
この方法が、カバーガラス上に太陽電池セルを取り付けるステップを含むことが有利である。
複数の受信機が、カバーガラスに取り付けられることが有利であり、この受信機はそれぞれ太陽電池セルの1つと関連し、さらにこの太陽電池セルはそれぞれ対応する受信機に取り付けられて電気的に接続される。
任意で、この方法がMEMSベースの反射体および複数の支持部材を基板に取り付けるステップを含み、各太陽電池セルは対応する支持部材によって支持される。
この方法が、MEMSベースの反射体を再配置するために制御モジュールにより一意の電圧量を適用するステップを含むことが有利であり、この一意の電圧量は、制御モジュールのメモリに格納された電圧傾斜曲線に基づく。
他の目的ならびに開示された方法およびシステムの利点は、以下の説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲により明らかにされよう。
カバーガラス上に配置された複数の太陽電池セルと、基板上に配置された複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体を含む、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイの図である。 図1の切断線A−Aに沿って切り取られた、マイクロ集光太陽電池アレイの断面図である。 図1に示されているカバーガラスの一部の斜視図であり、このカバーガラスに太陽電池セルを取り付けるために受信機が使用され得る。 図1に示されている反射体を調整する方法を示す例示的なプロセスフロー図である。 マイクロ集光太陽電池アレイの別の態様を示す図である。
図1に示されるように、本開示態様によるマイクロ集光太陽電池アレイ10が、カバーガラス20と、複数の太陽電池セル22と、基板24と、複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースのミラーすなわち反射体30と、制御モジュール32とを含み得る。図示されている例示的な態様において、太陽電池セル22を、カバーガラス20上に5×5アレイで配置することが可能であり、この結果、合計25個の太陽電池セル22がマイクロ集光太陽電池アレイ10内に含まれている。ただし、太陽電池アレイ10が任意の数の太陽電池セル22を含み得ることを、当業者は理解されよう。反射体30の1つのアレイ40を、各太陽電池セル22に関連付けることができる。光源（不図示）によって太陽電池セル22上に生成された複数の光ビーム42を収束または反射するために、アレイ40内に含まれる各反射体30は、関連する太陽電池セル22に対して配置され得る。
光源は、例えば、建物内の人工照明や太陽等の放射エネルギ源等の、任意のタイプであってもよい。各反射体30は選択的に傾動可能であり、光源の位置が変化する場合、関連する太陽電池セル22に対して光源の変化位置を追尾するために、関連するアレイ40内に配置されている各反射体30を光源の変化位置に応じて傾けることができる。例えば、光源が太陽である場合、終日にわたる太陽の変化位置を追尾するために、関連するアレイ40内に配置されている各反射体30を太陽の変化位置に応じて傾けることができる。光源に対する反射体30の傾斜が、以下により詳細に説明される。
マイクロ集光太陽電池アレイ10を、一般に太陽からの光エネルギが電気エネルギに変化され得る、いかなる応用においても使用することが可能である。例えば、図1は、便宜上および明確にする目的で単一のマイクロ集光太陽電池アレイ10を示している。この図1の単一のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、例えば、薄型のポケットサイズの携帯用発電装置等の比較的小型の適用において使用され得る。ただし、複数のマイクロ集光アレイの二次元配列すなわちタイル状配列（不図示）を作るために、この単一のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、他のマイクロ集光太陽電池アレイに電気的接続され得るかまたは連動し得る。この複数のマイクロ集光アレイの二次元配列は、例えば、地上の携帯用発電装置、無人航空機（UAV）、または衛星等の比較的大型の応用において使用され得る。
カバーガラス20は、光ビーム42が通過可能である、例えば、ガラス、プラスチック、または二酸化ケイ素等の任意の透明材料から作製され得る。反射体30を支持すなわち取り付けるために、基板24を使用することができる。限定されない一態様において、基板24は石英ガラスから作製され得る。
図2は、図1の切断線A−Aに沿って切り取られた、カバーガラス20の一部と、単一の太陽電池セル22と、基板24と、この単一の太陽電池セル22に関連する反射体30の断面図である。図1および図2を一般に参照すると、カバーガラス20は外側面50および内側面52を含むことが可能であり、基板24もまた外側面54および内側面56を含むことが可能である。一態様において、任意の反射防止膜が、カバーガラス20の内側面52および外側面50に適用され得る。カバーガラス20の内側面52は、一般に基板24の内側面56と対向している。各太陽電池セル22は、表面60および裏面63を含むことが可能である（図2参照）。太陽電池セル22の裏面63は、カバーガラス20の内側面52に貼り付けられ得るか、またはカバーガラス20の内側面52によって支えられ得る。
図1および図2は、基板24の上に配置されているカバーガラス20を示しているが、この図は、本質的に単なる例示であることを理解されたい。光ビーム42を反射体30および太陽電池セル22に向けることができる任意の位置で、基板24に対してカバーガラス20を配置できることを、当業者は理解されよう。例えば、別の態様において、マイクロ集光太陽電池アレイ10を90度回転することが可能であり、カバーガラス20を基板24の右側に配置することができる。さらに、いくつかの態様においては、カバーガラス20を省くことが可能である。代わりに、太陽電池セル22は、図5に示されている対応する支持部材320に取り付けることが可能であり、以下にさらに詳細に説明される。
図1を参照すると、一態様において、反射体30は、基板24の内側面56に二次元パターンで配置され得る。具体的には、各アレイ40は、反射体30の複数のサブアレイ64を含み得る。図1に示される態様において、各サブアレイ64は4つの反射体30を含むことができるが、任意の数の反射体30をサブアレイ64内に含むことが可能であることも理解されたい。図1に示される限定されない態様において、反射体30の各サブアレイ64は、アレイ40の中心点Cに対して半径方向外側に配置され得る。アレイ40に関連する特定の太陽電池セル22を、中心点Cに通常対向するカバーガラス20の内側面52に沿って配置することができる。図1は、半径方向外側に配置されている反射体30の各サブアレイ64を示しているが、この図が本質的に単なる例示であることを、当業者は理解されよう。例えば、別の態様において、反射体30は長方形パターンで配置され得る。
また、太陽電池セル22は、光電池セルと称される場合もある。太陽電池セル22は、太陽放射を電気エネルギに変換するように構成されたいかなるデバイスであってもよい。例示的な一態様において、マイクロ集光太陽電池アレイ10は、各太陽電池セル22と関連する第2の光学デバイス62を含み得る。ただし、いくつかの態様においては、第2の光学デバイス62を省くことが可能であることを理解されたい。図2を参照すると、第2の光学デバイス62は、太陽電池セル22の表面60に沿って配置され得る。この第2の光学デバイス62は、反射体30の各反射面58から太陽電池セル22上に配置される焦点Fに反射した光ビーム42を集束するために使用され得る。したがって、第2の光学デバイス62が含まれている場合、太陽電池セル22は、光エネルギの増加量を受容することができる。第2の光学デバイス62は、例えば、凹レンズ、凸レンズ、放物面レンズ、またはフレネルレンズ等の、太陽電池セル22の焦点Fに反射体30からの光を集束するための集光器すなわちレンズの任意のタイプであってもよい。
図3はカバーガラス20の内側面52の一部を示しており、このカバーガラス20は、カバーガラス20の内側面52が上方を向くように、180度回転されている。図3に示される態様において、太陽電池セル22は、それぞれ対応する受信機70に取り付けられ、電気的に接続されている。各受信機70を、カバーガラス20の内側面52に取り付けることが可能である。受信機70は、カバーガラス20に太陽電池セル22を取り付けるための代替アプローチとして使用され得る。一態様において、受信機70は、太陽電池セル22によって生成された熱を放散するためのヒートシンクまたは他のデバイス（不図示）を含むことができる。
複数の配線72が、2つ以上の受信機70を互いに電気的に接続するために使用され得る。一態様において、配線72は、例えば金属等の導電性材料から作製され得る。配線72をカバーガラス20の内側面52に沿って配置することが可能であり、特定の用途に必要な電圧および電流を提供するために、任意の数で構成された受信機70を電気的に接続するために配線72が使用され得る。例えば、図3に示される態様において、配線72は、単一の行75に配置された受信機70を互いに直列構成に接続するために使用され得る。ただし、配線72を、受信機70の各行75に互いに並列構成に接続するために使用することも可能である（この並列接続は図3に示されていない）。図3は各行75に配置された受信機70が互いに直列構成で接続されている状態を示しているが、受信機70は互いに並列構成でも接続され得ることを理解されたい。さらに、受信機70の各行75は互いに並列構成で接続されるとして説明されているが、受信機70の各行75は直接構成でひとまとまりにも接続され得ることを理解されたい。
図2を参照すると、反射体30は、光を反射するように構成された、楕円形、円筒形、長方形、正方形、またはランダムな形状のマイクロミラーすなわちマイクロ反射体を有するMEMSベースのデバイスの任意のタイプであってもよい。駆動デバイス（不図示）を、各反射体30に設置することが可能である。駆動デバイスは、関連する反射体30の傾斜の度合いを調整するために使用され得る。具体的には、図2に見られるように、角度αによって各反射体の傾斜の度合いを測定することができる。角度αを、反射体30の反射面58と軸線A−Aとの間で測定することができる。軸線A−Aを、基板24に対して通常平行に向けることができる。反射した光ビーム80が、反射体30の反射面58で反射され、第2の光学デバイス62に向けられた光を示し得る。第2の光学デバイス62が省かれたとしても、反射した光ビーム80を、太陽電池セル22に配置された焦点Fの方向に向けることができる。なお、反射体30は、x軸方向（図1に示されたx軸）に傾動可能すなわち回転可能であると記載されているが、第2の回転軸線に対しても反射体30を傾けることができることに留意すべきである。具体的には、一態様において、反射体30の角度αをz軸方向（図1に示されたz軸）にも傾けることができる。このように、1軸追尾式（すなわちx軸またはz軸のどちらかで調整）または2軸追尾式（すなわちx軸とz軸の両方で調整）のどちらかを利用して反射体30を傾けることが可能である。つまり、反射体は、1つの回転軸線または2つの回転軸線に対して傾動可能すなわち回転可能であり得る。
駆動デバイス（不図示）は、関連する反射体30の角度αを調整することが可能であるデバイスの任意のタイプであってもよい。例えば、限定されない一態様において、駆動デバイスは、作動のために静電磁ポテンシャルを利用する櫛歯駆動アクチュエータであり得る。別の態様において、駆動デバイスは回転アクチュエータであり得る。商用に利用可能な回転アクチュエータの一例は、カリフォルニア州のMirrorcle Technologies of Richmond社製の4象限2軸アクチュエータである。
図1および図2の両方を参照すると、反射体30の角度αは、特定のすなわち一意の電圧量を各駆動デバイス（不図示）に適用することによって、調整され得る。例えば、図2を参照して、サブアレイ64内に配置されている他の反射体R2、R3およびR4の角度αと比較した場合、右端に配置されている反射体R1は異なる角度αで傾斜し得る。各反射体30は、対応する太陽電池セル22の焦点Fに対する反射体30の位置に基づく異なる角度αで傾斜し得る。したがって、特定の度合いで各反射体30を傾斜させるために、一意の電圧量が、各反射体30に関連する駆動デバイスに適用され得る。
一アプローチにおいて、制御モジュール32は、メモリに格納された電圧傾斜曲線を有することができる。一態様において、この電圧傾斜曲線は、電圧傾斜データへのルックアップテーブルまたは多項式フィットのどちらかとして、メモリに格納され得る。電圧傾斜曲線は、複数の一意の電圧値を含むことが可能であり、それぞれが反射体30の角度αの異なる値に関連している。なお、この電圧傾斜曲線は、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての反射体30に共通であり得ることに留意すべきである。また、制御モジュール32のメモリは、対応する太陽電池セル22に対するすべての反射体30の位置も格納することが可能である。
制御モジュール32は、以下のアプローチを使用して各反射体30に適用される一意の電圧量を決定することができる。まず、制御モジュール32は、反射体30の角度αを算出することが可能である。記載された例において、制御モジュール32は、図2の右端に示されている反射体R1の角度αを算出する。制御モジュール32は、（制御モジュール32のメモリに格納されている）対応する太陽電池セル22に対する反射体R1の位置に基づく反射体R1の角度α、および光ビーム42の角度θを算出することができる。光ビーム42の角度θを、カバーガラス20に対して測定することができる。光ビーム42の角度θは、制御モジュール32のメモリに格納された既知の値であり得る。メモリに格納された光ビーム42の角度θの値を、光源（例えば太陽）の変化する位置に応じて更新することができる。制御モジュール32が反射体R1の角度αを算出すると、次に制御モジュール32は、電圧傾斜曲線を利用して反射体R1に適用される一意の電圧量を取得することができる。例えば、制御モジュール32が、反射体R1の角度αは15度であるべきと決定する場合、制御モジュール32は、次に、制御モジュール32のメモリに格納された電圧傾斜曲線から15度の角度に関連する一意の電圧量を取得する。最後に、制御モジュール32は、電圧傾斜曲線から取得したこの一意の電圧量を、反射体R1に関連する駆動デバイスに適用することができる。
図1から図3を参照すると、制御モジュール32は、システムオンチップのような、特定用途向け集積回路（ASIC）、電子回路、組合せ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、コードを実行するプロセッサ（共有、専用、またはグループ）、または、これらのいくつかあるいはすべての組み合わせを参照するか、その一部であり得る。制御モジュール32は、各太陽電池セル22および各反射体30と動作可能に通信し得る。具体的には、制御モジュール32は、図3のカバーガラス20に沿って配置されている配線72を介して、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22と連通することが可能である（配線72と制御モジュール32との間の接続は図示されていない）。
制御モジュール32は、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を監視するための制御ロジックを含み得る。制御モジュール32によって計測される電気出力は、例えば、太陽電池セル22によって生成される電圧、電流、または電力であり得る。制御モジュール32は、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を、所定の時間間隔で監視することが可能である。この所定の時間間隔は、例えば、30秒毎、毎分、5分毎など、いかなる設定の時間量であってもよい。
図2に示されている図において、反射体30は、反射した光ビーム80がそれぞれ太陽電池セル22に配置された焦点Fの方向に向けられるような、理想的な角度αで傾斜している。制御モジュール32は、メモリに理想的な出力値を格納することができる。反射体30が理想的な角度で傾斜する場合、この理想的な出力値は、太陽電池セル22の電気出力（例えば、電圧、電流、電力）を示している。図2は、光ビーム42をカバーガラス20および基板24に対して通常垂直な方向に向ける光源（例えば太陽）を示している。ただし、太陽が終日にわたって空全体を移動するにつれて、光ビーム42の方向は変化する。したがって、各反射体30の反射面58から反射した光ビーム80の位置もまた、変化し得る。この結果、反射した光ビーム80は、最終的に対応する太陽電池セル22の焦点Fを離れて反射される。対応する太陽電池セル22の焦点F上に光を収束することで、太陽電池セル22によって生成される電気出力の量を最大化することが可能である。反射した光ビーム80が対応する太陽電池セル22の焦点Fを離れて向けられるとき、太陽電池セル22は、より小さい光エネルギを受け取ることになりうる。この結果、太陽電池セル22によって生成される電気出力は減少する。
図1および図2を参照すると、制御モジュール32は、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を、所定の時間間隔で監視する。また、制御モジュール32は、太陽電池セル22によって生成される電気出力を閾値と比較するための制御ロジックを含む。この閾値は、すべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を示すことが可能であり、理想的な出力値よりも小さい。例えば、限定されない一態様において、閾値は理想的な出力値の約95パーセントであり得る。
すべての太陽電池セル22によって生成される電気出力が閾値未満の場合、制御モジュール32は、反射体30に関連する各駆動デバイス（不図示）に一意の電圧量を適用するための回路すなわち制御ロジックを含み得る。具体的には、太陽電池セル22によって生成される電気出力が閾値未満に下がると、次に、制御モジュール32が一意の電圧量を各駆動デバイス（不図示）に適用することができる。各反射体30の反射面58から反射した光ビーム80を対応する太陽電池セル22の焦点Fに戻る方向に向けることができるように、反射体30を再配置することが可能である。一態様において、制御モジュール32は、メモリに格納された複数の予めプログラムされた反射体位置による第1ステップで、対応する太陽電池セル22の焦点Fの方向に反射体30を再配置するための制御ロジックを含み得る。予めプログラムされた各反射体位置は、光源の特定の位置に対応する。例えば、光源が太陽である場合、制御モジュール32のメモリに格納された予めプログラムされた各反射体位置は、空の太陽の異なる位置に対応し得る。制御モジュール32は、反射体30が揃い、光ビーム80を太陽電池セル22の焦点Fの方向に収束させるまで予めプログラムされた反射体位置をステップすることが可能である。
図4は、反射体30の傾きを調整する例示的な方法200を示すプロセスフロー図である。図1から図4を一般に参照すると、制御モジュール32がマイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を監視するブロック202で、方法200を始めることができる。制御モジュール32によって計測された電気出力は、例えば、太陽電池セル22によって生成される電圧、電流、または電力であり得る。次に、方法200はブロック204に進むことができる。
ブロック204において、制御モジュール32は、マイクロ集光太陽電池アレイ10内に配置されているすべての太陽電池セル22によって生成される電気出力を、閾値と比較する。電気出力が閾値以上の場合、次に、方法200を終了させることができる。しかし、電気出力が閾値より小さい場合、次に、方法200はブロック206に進むことができる。
ブロック206において、制御モジュール32は、一意の電圧量を各駆動デバイス（不図示）に適用することができる。上述のように、各反射体30の反射面58から反射した光ビーム80を対応する太陽電池セル22の焦点Fに戻る方向に向けることができるように、一意の電圧量を各駆動デバイスに適用することによって、各反射体30を再配置することが可能である。次に、方法200はブロック202に戻ることができる。
図5は別の態様のマイクロ集光太陽電池アレイ300の断面図であり、単一の太陽電池セル322およびこの太陽電池セル322と関連する反射体330のサブアレイ364を示している。図5に示される態様において、反射体330は、基板324によって支持され得る。対応する支持部材320を、基板324に取り付けることが可能であり、または貼り付けることが可能である。具体的には、支持部材320は、第1端部350および第2端部352を含む。支持部材320の第1端部350を、基板324に貼り付けることが可能である。太陽電池セル322を、支持部材320の第2端部352に貼り付けることが可能である。なお、図5に示される態様はカバーガラスを必要とせず、代わりに支持部材320が太陽電池セル322を支えるために使用され得ることに留意すべきである。図5は単一の太陽電池セル322を示しているが、この太陽電池セル322は複数の太陽電池セルによるアレイの一部でありうることを、当業者は理解されよう。例えば、基板324は複数の支持部材320を含むことができる。各支持部材320は、1つの太陽電池セル322を支えることが可能である。また、図5は反射体330の単一のサブアレイ364を示しているが、反射体330の複数のサブアレイ364が太陽電池セル322を囲むことができることを理解されたい。
基板324は、傾斜した内側面360を含むことができる。反射体330は、基板324の内側面360に沿って配置され得る。図示されている限定されない態様において、サブアレイ364は8個の反射体R1’からR8’を含み、反射体R1’は太陽電池セル322から一番離れた位置に配置されている反射体330であり得、反射体R8’は太陽電池セル322の一番近くに配置されている反射体330であり得る。基板324の内側面360は、反射体R1’が鉛直高さH1で配置され得、反射体R2’が鉛直高さH2で配置され得、他の反射体R3’からR8’が同様に配置され得るような角度であり得る。
反射体R1’からR8’の鉛直高さH1からH8は、サブアレイ364内の反射体330の1つから反射する光が、下流方向に配置されている別の反射体330を一般に妨げないように、段階的であり得る。例えば、反射体R1’の鉛直高さH1は、他の反射体R2’からR8’の鉛直高さよりも高い。このように、反射体R1’の反射面358から反射した光のビーム380が、サブアレイ364内に配置されている任意の他の反射体R2’からR8’を妨げないすなわち交わらないように、反射体R1’の位置を高くすることが可能である。代わりに、反射面358から反射した光のビーム380を、第2の光学デバイス362の方向および太陽電池セル322に配置された焦点F’に向けることができる。
図1から図5を一般に参照すると、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、光を電気エネルギに変換するための比較的小型かつ効率的なアプローチを提供する。特に、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、移動する光源（不図示）の位置に基づいてMEMSベースの反射体（例えば、図1から図3に示される反射体30や図5に示される反射体330）を調整するためのアプローチを提供する。例えば、光源が太陽である場合、反射体は空全体の太陽の位置を追尾することが可能である。そして、反射体は、太陽からの光を対応する太陽電池セルの焦点に反射することができる。したがって、マイクロ集光太陽電池アレイ10が太陽光発電装置の一部である場合、ユーザは、通常、空の太陽の位置変化に対応するために、日中に定期的に太陽光発電装置を再配置する必要はない。さらに、現在利用可能な多くの太陽光発電装置は、強度1sun以下で太陽電池セルが動作する、平板型の技術を採用している。対照的に、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、光を太陽電池セルに集中させるために複数の反射体を使用する。一態様において、本開示の太陽電池セルは、強度約5sunから約500sunの間で動作することが可能である。したがって、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、必要とされるスペースがより小さく、より小型の太陽電池セルを採用することができる。また、本開示のマイクロ集光太陽電池アレイ10は、太陽から電力へのより高い変換効率を提供することが可能であり、現在利用可能な技術と比較した場合、光エネルギが熱に転換しにくい。
本明細書に記載された装置の形態および方法は、本発明の好ましい態様を構成しているが、本発明は、装置の形態および方法を正確に限定するものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく変更が実現され得ることを理解されたい。
10 マイクロ集光太陽電池アレイ
20 カバーガラス
22 太陽電池セル
24 基板
30 反射体
32 制御モジュール
40 アレイ
42 光ビーム
50 外側面
52 内側面
54 外側面
56 内側面
58 反射面
60 表面
62 光学デバイス
63 裏面
64 サブアレイ
70 受信機
72 配線
75 列
80 光ビーム
202 ブロック
204 ブロック
206 ブロック
300 マイクロ集光太陽電池アレイ
320 支持部材
322 太陽電池セル
324 基板
330 反射体
350 第1端部
352 第2端部
358 反射面
360 内側面
362 光学デバイス
364 サブアレイ
380 光のビーム
C 中心点
F 焦点
F’ 焦点
H1 鉛直高さ
H2 鉛直高さ
H3 鉛直高さ
H4 鉛直高さ
H5 鉛直高さ
H6 鉛直高さ
H7 鉛直高さ
H8 鉛直高さ
R1 反射体
R1’ 反射体
R2 反射体
R2’ 反射体
R3 反射体
R3’ 反射体
R4 反射体
R4’ 反射体
R5 反射体
R5’ 反射体
R6 反射体
R6’ 反射体
R7 反射体
R7’ 反射体
R8 反射体
R8’ 反射体

Claims (12)

  1. 複数の太陽電池セル22であって、前記各太陽電池セル22が1つの焦点を含む太陽電池セルと、
    複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体30と、
    を備え、
    前記MEMSベースの反射体30が、対応する太陽電池セル22の前記焦点に光のビームを反射するために、2つの回転軸の周りにそれぞれ選択的に傾動可能であり、
    前記MEMSベースの反射体30が、複数のサブアレイ64を形成し、前記サブアレイがそれぞれ、前記太陽電池セル22の直下に対応する中心点Cから遠ざかる方向に並べて配置された前記MEMSベースの反射体30を含み、
    前記サブアレイ64が前記中心点Cの周りに放射状に配置された、マイクロ集光太陽電池アレイ。
  2. 前記マイクロ集光太陽電池アレイが、前記太陽電池セル22および前記MEMSベースの反射体30と動作可能に通信する制御モジュール32をさらに備える、請求項1に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  3. 前記制御モジュール32が、前記太陽電池セル22によって生成される電気出力を監視するための制御ロジックを含む、請求項2に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  4. 前記制御モジュール32が、前記太陽電池セル22によって生成される前記電気出力が閾値未満であるか否かを決定するための制御ロジックを含む、請求項3に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  5. 前記太陽電池セル22によって生成される前記電気出力が閾値未満の場合に、前記制御モジュール32が、前記少なくとも1つの軸線に対して、前記MEMSベースの反射体30を再配置するための制御ロジックを含む、請求項4に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  6. 前記太陽電池セル22がカバーガラス20上に取り付けられる、請求項1に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  7. 前記MEMSベースの反射体30が基板24上に取り付けられる、請求項1に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  8. 前記マイクロ集光太陽電池アレイが、前記基板324に貼り付けられた複数の支持部材320を備え、各太陽電池セルは対応する支持部材320によって支持される、請求項7に記載のマイクロ集光太陽電池アレイ。
  9. 太陽電池セルに光を追尾する方法であって、前記太陽電池セルがマイクロ集光太陽電池アレイの一部であり、前記方法が、
    制御モジュールにより複数の太陽電池セルによって生成される電気出力を監視するステップ（プロセス202）と、
    前記太陽電池セルによって生成される前記電気出力が閾値未満であるか否かを前記制御モジュールにより決定するステップ（プロセス204）と、
    前記太陽電池セルによって生成される前記電気出力が前記制御モジュールによる閾値未満の場合に、2つの回転軸に対して、複数のマイクロ電子機械システム（MEMS）ベースの反射体を再配置するステップであって、1つの前記太陽電池セルの焦点に光のビームを反射するために、前記各MEMSベースの反射体が、前記2つの回転軸の周りにそれぞれ選択的に傾動可能であるステップ（プロセス206）と、
    を含み、
    前記MEMSベースの反射体が、複数のサブアレイを形成し、前記サブアレイがそれぞれ、前記太陽電池セルの直下に対応する中心点から遠ざかる方向に並べて配置された前記MEMSベースの反射体を含み、
    前記サブアレイが前記中心点の周りに放射状に配置された、方法。
  10. 前記方法が前記太陽電池セル22をカバーガラス20上に取り付けるステップを含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記方法が、前記MEMSベースの反射体330および複数の支持部材320を基板324に取り付けるステップを含み、各太陽電池セル322が対応する支持部材320によって支持される、請求項9に記載の方法。
  12. 前記方法が、前記MEMSベースの反射体30を再配置するために前記制御モジュール32により一意の電圧量を適用するステップを含み、前記一意の電圧量は、前記制御モジュール32のメモリに格納された電圧傾斜曲線に基づく、請求項9に記載の方法。
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