JPH11502602A - 太陽光光束強化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 太陽エネルギー濃縮装置が開示されている。この装置は、(i)焦点面に向かって太陽エネルギーを濃縮する一次反射鏡表面３、(ii)反射太陽エネルギーを焦点面の背後で受ける太陽エネルギー受器５、(iii)前部開口部９、前部開口部から分岐している内側に鏡を取り付けた壁１１、および前部開口部より大きな後部開口部１３を備えた太陽エネルギー光束修正器７を具備し、さらに、光束修正器が前部開口部を介して一次反射鏡表面から濃縮太陽エネルギーを受け、かつ、鏡を取り付けた壁と大きな後部開口部を介して太陽エネルギーを受器に向けるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 太陽光光束強化装置 本発明は太陽エネルギー濃縮装置に関する。 電力需要は大きく、かつ、ますます増大している。長期的には、エコロジー的 に適切であり、資源としてつきることがなく、かつ、経済的に優れた発電システ ムを持つことが望ましい。 現在、光電池を利用した太陽光発電は最初の２つの基準を満たしているが、光 電池のコストが高いために、経済性の要件を満たしているのは特定の用途に限定 されている。 太陽光発電のコストを下げるために、濃縮鏡を用いて比較的大きな面積の太陽 エネルギーを遮断して、このエネルギーを総表面積が比較的小さい光電池配列に 集める方法が提案されている。鏡のコストは光電池より桁違いに小さいので、こ の方法は太陽光発電による電力のコストを１／２〜１／１０に引き下げ、したが って、太陽光発電所の第３の基準（経済性）を満たせる見通しである。 太陽エネルギーを集める方法としては、放物面状のトラフや皿のような放物面 濃縮装置を利用する方法が知られており、これらはそれぞれ５０および数千の平 均濃度並びにシングル・ステージの平均濃度の２倍以上のピーク濃度をつくるこ とができる。 図１は通常の太陽エネルギー濃縮装置の垂直断面図を示している。この装置は 放物面状の皿３を備えており、この皿はこの皿３の焦点面に位置している光電池 の配列５に太陽光線 を反射させ、集めるようになっている。図１に示すように、焦点面は放物面状の 皿３の中心軸Ｘに対し垂直な面であり、かつ、中心軸Ｘに焦点を持っている。 濃縮された太陽エネルギーを使用する結果、特別に設計・製作された光電池を 使う必要がある。この光電池は、必要とする濃度と出力電力のレベルの上昇とと もに光電池の構造が複雑になり、コストが上がる。光電池から有用な電圧を得る ためには、光電池を光電池配列に直列に接続する必要がある。 実際、集めた太陽エネルギーの光電池配列上の分布が、装置の電気出力を決め る上で重要な役割を果たしていることが分かっている。 図２に示すように、焦点面において光電池配列の「標的」表面への入射光であ る放物面状濃縮装置からのビーム強度は、濃縮装置の中心軸からの距離により変 わり、ガウス分布の形をとる。 図２を見ると、半径または半分の距離Ｘを備えた光電池配列の場合、濃縮され たエネルギーの大部分は遮断されており、外縁部で受けている光束は軸（点「０ 」）における光束のおそらく１／１０程度であり強度の変動が大きい。 一般に、直列に接続された光電池配列の出力電力は、最低太陽光光束のエリア にある光電池により限定される。結果的には、ビーム強度が図２に示すように変 動すると、光電池配列全体の出力電力は同量の光束が軸からＸへ一様に分布した 状況における出力電力の半分以下になるであろう。 さらに、Ｘより大きな距離における焦点面標的に入射する 光束は標的を外れ、全く役に立たない。 光束の変動に対処する方法として、階段状に小平面を刻まれた半球式の光電池 配列を作ることが最近提案されている。この方法はある程度成功を収めたことが 報告されているが、光電池配列の構造が非常に複雑なために生産が困難である。 標的を外れた光束を回収する手段として、鈍角のスカベンジャー反射鏡を用い る方法が知られている。典型的なスカベンジャー鏡は図１の符号７により識別で きる。 スカベンジャー鏡を用いて標的を外れた光線を受光しても、電気的出力に関す る正味の効果は次のような理由でネガティブになることさえある。 （１） スカベンジャー鏡は一次鏡に陰を多くつくり、標的表面に入射する光束 を減らす。 （２） スカベンジャー鏡により受光される光線は、非常に低い角度（＜３０° ）で光電池配列上のカバーガラスで反射され、「捕捉された」光束の多くが光電 池配列から反射され、結果的に役立たない。 （３） スカベンジされた光線を加えても光束分布は改善されず、むしろ悪化す ることさえある。 本発明の目的は前節までに述べた従来の装置の欠点を小さくして、太陽エネル ギーを直列に接続した光電池配列に利用する際の適合性を高める、太陽エネルギ ー光束修正装置を提供することである。 本発明による太陽エネルギー濃縮装置は、 (i) 太陽エネルギーをこの文書で述べた焦点面に向かっ て濃縮するための一次反射鏡表面と、 (ii) 焦点面の背後にある反射太陽エネルギーを受けるための太陽エネルギー 受器と、 (iii) 前部開口部、前部開口部から分岐し内側に鏡を取り付けた壁、および 前部開口部より大きな後部開口部を備え、かつ、前部開口部を介して一次反射鏡 表面から濃縮太陽エネルギーを受け取りかつ鏡を取り付けた壁とより大きな後部 開口部をを介して太陽エネルギーを受器の方向に向けるようになっている光束修 正器を、 具備している。 ここで使われている「焦点面」という用語は、一次反射鏡表面の中心軸に垂直 な面を意味し、一次反射鏡表面の中心軸に焦点を含んでいると理解されている。 通常の太陽エネルギー濃縮器（図１に示すように）では、太陽エネルギー受器 は、一次反射鏡表面の焦点面に位置している。本発明は太陽エネルギー受器が焦 点面の背後に置かれる代替法である。この位置で一次反射鏡表面からのビーム光 線は分岐され、かなりの部分は太陽エネルギー光束修正器の内側に鏡を取り付け た面により太陽エネルギー受器に反射される。 光束修正器は太陽エネルギー受器と一次反射鏡表面の焦点面の間に位置するの が好ましい。 太陽エネルギー受器は光電池配列であるのが好ましい。 太陽エネルギー受器は最適性能の受器の標的表面上で光束が一様に分布するこ とを必要とする受器であることが好ましい。 太陽エネルギー受器の形状は適切なものであればよい。 太陽エネルギー光束修正器の構造は適切なものであればよい。 一次反射鏡表面が太陽エネルギーを焦点に集中させようとしている場合、太陽 エネルギー光束修正器の形状は円錐台形または切頭角錐が好ましい。 一次反射鏡表面が太陽エネルギーを焦点線に集中させようとしている場合、太 陽エネルギー光束修正器は一対の分岐平面部材を備えるのが好ましい。 この場合、太陽エネルギー光束修正器の前部開口部は平面部材の前縁部間の隙 間で形成される。 太陽エネルギー受器が最適性能であるためには一様な光束分布を必要とする状 況においては、太陽エネルギー光束修正器は、太陽エネルギー受器の上で光束分 布が一様になるように、太陽エネルギーが鏡を取り付けた壁に入射するように方 向を変えるように形成するのが好ましい。 一次反射鏡表面が放物面状で、太陽エネルギー受器が平らな正方形光電池受器 である濃縮装置の場合、太陽エネルギー光束修正器は、一次反射鏡表面の焦点面 と太陽エネルギー受器の間に位置する内側に鏡を取り付けた切頭角錐であるのが 好ましい。このような装置とその効果を図３と４に示す。 図３は本発明の太陽エネルギー濃縮装置の好ましい実施態様による垂直断面図 である。濃縮装置は放物面状の皿３の形をした一次反射鏡と放物面状の皿３の反 射表面の焦点面の背後にある平らな正方形光電池配列５の形をした太陽エネルギ ー受器を具備している。濃縮装置は、さらに、符号７により 識別される太陽エネルギー光束修正器を備えている。この修正器は切頭角錐の形 をしており、かつ、前部開口部９、この開口部から分岐し、内側に鏡が取り付け られている側壁１１、および前部開口部より大きな後部開口部１３を備えている 。光束修正器７は、そうしなければ光電池配列の通常の標的エリアの外側になる 太陽光線を光電池配列５に向けることができることが、符号１５を付けた線から 容易に理解できる。 図４には図３に示した濃縮装置の性能を示している。図は光電池配列５におけ る中心軸Ｘ、すなわち放物面状の皿３のＸ、からの距離による光束強度の変動を プロットしている。図の破線は光束修正器７のない図３に示す装置についてのプ ロットである。実線は光束修正器７のついた図３に示す装置に関するプロットで 、光電池配列のエリア上の低いピーク光束強度においてであるが、光束修正器が 一様な光束分布を達成できることを示している。 要約すると、本発明の上述の太陽エネルギー光束修正器の全体的効果は、標的 表面に到達する光束の量を増しその光束の分布を改善するという２つの効果であ る。これは、濃縮装置の焦点面の背後にある標的表面の移動による濃縮装置の中 心軸におけるピーク強度付随物の低減と「標的を外れた」光線の反射を標的表面 の外縁部にもどすことにより達成される。 図５と６は出願人が行ったコンピュータによるモデル化作業の結果を示してお り、図５は太陽エネルギー光束修正器のない通常の放物面状の皿をベースとする 太陽エネルギー濃縮 装置、図６は太陽エネルギー光束修正器を有する本発明の太陽エネルギー濃縮装 置についてそれぞれ示している。これらの図からこの発明により図５のピークの ある太陽エネルギー分布を完全に無くして、標的表面に到達する光束の量を全体 的に増加させることは明らかである。 さらに、出願人の実験研究により本発明のこの太陽エネルギー濃縮装置を用い ると光電池配列の出力が１２０％まで改善されることが証明された。 本発明には次のような特徴がある。 （１） この発明により一次反射鏡表面の陰が増えず、したがって、完全反射の ビームパワーが維持される。 （２） この発明によりスカベンジされた光線が真っ直ぐになるので、これらの 光線は太陽エネルギー受器に直接的に接近し、したがって、再反射の機会を少な くする。 （３） この発明により光束分布も改善される。すなわち、スカベンジされた光 線は太陽エネルギー受器の外縁部に向けられ、このエリアにおける光束が集めら れて中心の強度と釣り合った受器の全表面にわたり一様な光束分布が作られる。 （４） 太陽エネルギー受器の見かけのサイズも、図３に示す半径Ｙまでかなり 拡大される。これによりさらに次のような大きな利点が得られる。 (i) 受器のサイズが見かけ上大きくなると、受器をヒットする機会が多くな り、正確な光学的方法を備えたシステムについては１００％近い受器効率を持つ ことが可能になる。 (ii) 光学的精度に関する最小要件が緩和され、かつ、受 け入れ可能な受器効率がなおも維持される。 (iii) 良好な受器効率を維持しつつ、トラッキング精度をさらに下げること ができる。 (iv) 一次濃縮装置の光学的精度を下げられる。 （５） 本発明の平均化効果によって、被吸収ピーク光束がかなり下げられるの で、比較的安価な光電池とヒートシンクで済ませることができる。 （６） 光電池配列の温度はより一様になり、ピーク熱応力を下げるポジティブ な効果と電圧についてネガティブな温度係数を伴う。 （７） 標的光電池配列（焦点面に平行で、その背後にある）の形も光束修正器 により支配される。光束修正器を正確に選択すると光電池配列を、たとえば、平 坦な正方形のような単純な形にすることができる。 本発明の精神と範囲から逸脱することなく、図３と４に示す本発明の好ましい 実施態様をいろいろな形で修正することができる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．太陽エネルギー濃縮装置であって、 (i) 焦点面に向かって太陽エネルギーを濃縮する一次反射鏡表面と、 (ii) 反射太陽エネルギーを受けるための、前記焦点面の背後にある太陽エネ ルギー受器と、 (iii) 前部開口部、前記前部開口部から分岐している内側に鏡を取り付けた 壁、および前部開口部より大きな後部開口部を備えた太陽エネルギー光束修正器 を具備し、前記光束修正器が前記前部開口部を介して一次反射鏡表面から濃縮太 陽エネルギーを受け、かつ、前記鏡を取り付けた壁と前記大きな後部開口を介し て太陽エネルギーの方向を変えられるようになっていること を特徴とする太陽エネルギー濃縮装置。 ２．前記光束修正器が太陽エネルギー受器と前記一次反射鏡表面の前記焦点面の 間に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．太陽エネルギー受器が光電池配列であることを特徴とする請求項１または２ に記載の装置。 ４．前記太陽エネルギー光束修正器が太陽エネルギーを鏡を取り付けた壁に入射 するように向きを変えられるように形成されており、したがって、太陽エネルギ ー受器上で光束が均一に分布していることを特徴とする前項までの請求項のいず れか一つに記載の装置。 ５．一次反射鏡表面が太陽エネルギーを焦点に集めるようになっている場合、前 記太陽エネルギー光束修正器の形状が円錐台形または切頭角錐であることを特徴 とする前項までの請求項のいずれか一つに記載の装置。 ６．一次反射鏡表面が太陽エネルギーを焦点線に集めるようになっている場合、 前記太陽エネルギー光束修正器が、一対の分岐平面部材を備えることを特徴とす る請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。