KR20070021121A - 빔 스플리터 - Google Patents

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KR20070021121A
KR20070021121A KR1020067014408A KR20067014408A KR20070021121A KR 20070021121 A KR20070021121 A KR 20070021121A KR 1020067014408 A KR1020067014408 A KR 1020067014408A KR 20067014408 A KR20067014408 A KR 20067014408A KR 20070021121 A KR20070021121 A KR 20070021121A
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incident
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데이빗 밀즈
필립 쉬라멕
스티븐 쥐. 보시
안 저드 이멘스
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더 유니버시티 오브 시드니
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실질적으로 편평한 표면을 갖는 본체를 포함하는 빔 스플리터를 제공한다. 상기 표면은 각각의 입사각 범위에서 복사 에너지를 받아들이도록 구성된 표면 영역들을 구비한다. 각각의 표면 영역들에 의해 입사되는 복사 에너지의 입사각 범위들 중에서 적어도 일부는 서로 상이하고, 각각의 표면 영역은 반사 및/또는 전달되는 복사 광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소하도록 개별적인 광학적 특성을 갖도록 구성된다.
태양발전, 광전지(photovoltaic) 셀, 빔 스플리터(beam splitter), 스펙트럼 성분, 태양 에너지 반사기 어레이(reflector array), 복사광(radiation), 본체(body)

Description

빔 스플리터{BEAM SPLITTER}
본 발명은 광의로는 복사광을 스펙트럼 성분으로 분리하기 위한 빔 스플리터(beam splitter)에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 수집된 태양 복사광을 스펙트럼 성분들로 분리하기 위한 태양 에너지 반사기 어레이(reflector array)에 이용되는 빔 스플리터에 관한 것이다.
많은 나라에서 재생 가능한 에너지원으로부터 전기를 만들어내는 것에 대한 필요성이 점차 증대하고 있다. 태양 복사 에너지로부터 전기를 발생하는 것, 예를 들면, 광전지(photovoltaic cell)를 이용하여 태양 복사 에너지를 전기로 변환하는 기술은 상대적으로 비효율적인 것으로 간주되어 왔으며, 또한 그러한 광전지에 의해 발전된 에너지 비용은 상대적으로 고가인 것으로 알려져 왔다. 그러나 태양광을 태양 발전탑에 집중시키는데 사용되는 태양 에너지 반사기 어레이의 기술분야에서 최근에 현저한 기술진보가 이루어졌다. 태양광을 집중시킴으로써 일정한 양의 전력 생산에 요구되는 광전지 면적의 감소가 이루어질 수가 있고, 이것은 태양광 발전을 훨씬 더 매력적이고 경제적으로 만들어 준다.
광전지는 광자가 흡수되어 전자-정공(electron-hole) 쌍이 발생되는 p-n 접합을 이용하게 된다. 이러한 p-n 접합은 전자-정공 쌍들의 발생, 즉 전기의 발생을 위하여 최소한의 임계 에너지를 필요로 한다. 따라서 열 복사와 같은 임계치 이하의 에너지를 갖는 장파장으로 이루어진 태양광은 그러한 광전지 셀에 의해 전기로 변환되는 것이 불가능하다. 특히, 저 에너지 복사는 광전지를 가열하게 됨으로써 광발전 변환효율의 저하를 야기하게 되고 그러한 열의 제거를 위해서는 냉각장치를 필요로 하게 된다. 밴드 갭(bandgap) 에너지 이상의 광자들에 대해서는 그러한 밴드 갭 에너지를 초과하는 에너지는 광전지에 의해 활용되는 것이 불가능하고 또한 이것은 열로 소산된다. 저 에너지 복사로부터 광전지로써 전기를 발생하기 위해 사용될 수 있는 복사광을 분리하기 위해서는 빔 스플리터가 사용될 수 있는데, 이것은 태양광 발전탑에 배치되어 집속된 태양광을 두 개의 스펙트럼 성분으로 분리하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 이러한 빔 스플리터는 태양광 발전탑 중앙에 배치되는 디스크 형태의 구성을 가지며 광전지 셀들이 빔 스플리터 상부에 배치될 수도 있다. 더욱이 태양광 발전탑은 빔 스플리터 하부에 배치될 수 있는 열 복사용 흡수장치를 구비할 수도 있는데, 이렇게 함으로써 광전기 변환에 적합하지 않은 태양광 스펙트럼 부분들(즉, 장파장 복사광 및 단파장 복사광의 일부)이 활용될 수도 있다. 그 다음에 빔 스플리터는 집속된 복사광을 두 개의 스펙트럼 성분으로 분리하게 된다.
예를 들면, 이러한 빔 스플리터는 간섭에 의해 복사 광을 두 개의 성분으로 분리하도록 구성된 하나의 다층 구조 유전체 필터를 포함할 수도 있다. 그러나 간 섭 조건 및 그에 따른 빔 스플리터의 동작은 태양광 빔이 빔 스플리터의 표면에서 입사되는 입사각에 종속된다. 태양 에너지 반사기 어레이는 종종 넓은 그라운드 영역을 덮도록 구성되기 때문에 빔 스플리터에 수용되는 태양광 복사는 하나의 특정한 입사각이 아니라 일정한 입사각들의 범위에서 입사가 이루어진다. 이러한 문제를 극복하기 위한 하나의 방법은 상이한 반사기들로부터의 태양광이 빔 스플리터의 각각의 표면 부분에서 본질적으로 동일한 입사각으로 입사되도록 선택된 복잡한 표면 형상을 빔 스플리터에 제공하는 것이다. 그러나 그러한 표면 형상을 갖는 빔 스플리터들은 제조하기가 매우 어렵다.
따라서 본 발명의 제1측면에 따르면, 본 발명은,
적어도 하나의 본질적으로 편평한 표면을 갖는 본체를 포함하되, 상기 표면은 각각의 입사각 범위에서 복사 에너지를 받아들이도록 배열된 표면 영역들을 구비하고,
각각의 표면 영역들에 의해 수용되는 복사 에너지의 입사각 범위들 중에서 적어도 일부는 서로 상이하도록 이루어지고, 각각의 표면 영역은 반사 및/또는 전달되는 복사 에너지의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소되도록 형성된 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 갖는 빔 스플리터를 제공한다.
각각의 표면 영역의 상기한 또는 각각의 광학적 특성은 각 영역에 의해 전달 및/또는 반사되는 복사 에너지의 파장 범위에 대한 입사 범위의 영향이 대부분 보상되도록 선택된다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 "표면 영역(surface region)"이라는 용어는 표면에 위치한 영역들과 빔 분리 기능을 수행하는 상기 표면에 인접한 영역(즉, 본체 용적 내부의)을 포함하는 것을 의도한다. 또한 "유전체(dielectric)"라는 용어는 그를 통해 전달되는 복사광의 일부를 흡수하는 성질을 갖는 물질을 포함하는, 적어도 얼마간의 유전체 특성을 갖는 임의의 물질을 기술하기 위해 사용된다.
본체의 표면에 입사하는 복사광은 제1 파장 범위의 하나 또는 다수의 파장들을 갖는 제1 복사 성분과 제2 파장 범위의 하나 또는 다수의 파장들을 갖는 제2 복사 성분을 포함할 수 있다. 전형적으로는, 상기 제1 성분의 적어도 대부분은 반사되고 제2 성분의 적어도 대부분은 전달된다.
각각의 표면 영역은 반사된 복사 광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소되도록 하는 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 가지므로, 반사 특성에 대한 입사각 범위들의 영향을 교정하기 위한 복잡한 표면 형상의 설계를 회피할 수가 있다.
예를 들면, 상기 빔 스플리터는 특정한 파장 범위를 선택적으로 반사 및/또는 전달함으로써 입사된 복사 광을 다수의 파장 범위로 분리할 수도 있다.
하나의 특정한 실시예에 따르면, 상기 빔 스플리터는 태양광 복사 반사기 어레이로부터의 태양광 복사를 받아들이기 위한 태양 발전탑에 배치되도록 구성된다.
상기 빔 스플리터의 본체는 전형적으로 제2 복사 성분의 적어도 대부분이 그 본체에 의해 전달되도록 구성된다. 예를 들어, 빔 스플리터는 태양광 발전탑 위에 배치될 때, 광전지 흡수기, 열 흡수기, 화학적 흡수기, 또는 스펙트럼에 종속적인 효율을 갖는 어떤 다른 흡수기와 같은 양자 수용기(quantum receiver)에 복사광이 향하도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 복사 성분의 적어도 대부분은 제1 흡수기를 향해 전달되며, 제1 복사 성분의 적어도 대부분은 제2 흡수기를 향해 반사된다. 제1 및 제2 흡수기 각각은 임의의 형태의 적절한 양자 수용기 또는 광전지 흡수기일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및/또는 제2 흡수기는 화학적 또는 열적 흡수기일 수도 있다. 특정한 실시예에 있어서, 제1 흡수기는 광전지 흡수기이며, 제2 흡수기는 열 또는 화학적 흡수기이다. 상기 표면 영역은 전형적으로 각각의 집속기(concentrator)로부터 복사 광을 받아들이고 입사된 복사 광을 수집기 또는 광 가이드(light guide)의 각각의 영역들로 안내하도록 배열된다.
광전지 흡수기는 빔 스플리터 상부에 배치되고 상기한 열 또는 화학적 흡수기는 빔 스플리터의 하부에 배치될 수 있다. 그러나 이러한 본 발명의 실시예는 이러한 특정한 구성에 한정되는 것은 아니라는 점을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들면, 하나 또는 다수의 광전지 흡수기들이 빔 스플리터 하부에 배치되고 또한 하나 또는 다수의 열 및/또는 화학적 흡수기들이 빔 스플리터 상부에 배치될 수도 있다. 더욱이, 광전지 흡수기들은 상기한 빔 스플리터의 상하부에 배치될 수도 있다. 이 경우에는 빔 스플리터 하부에 배치된 상기한 또는 각각의 광전지 흡수기는 전형적으로 빔 스플리터 상부에 배치된 상기한 또는 각각의 광전지 흡수기의 것과는 상이한 파장 범위에서 복사 광을 흡수하게 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 스플리터는 태양광 복사 반사기 어레이의 일부를 구성할 수도 있는 각각의 집속기들, 또는 집속기들의 각각의 영역으로부터 복사 광을 받아들이도록 구성된 표면 영역들을 포함한다. 예를 들면, 상기 집속기들은 구형 또는 파라볼라형 반사기, 프레스넬(Fresnel) 렌즈, 컴팩트 리니어 프레스넬 반사기(compact linear Fresnel reflector: CLFR), 또는 임의의 다른 형태의 렌즈일 수 있다.
빔 스플리터 및 이 빔 스플리터에 광을 안내하는 집속기들은 전형적으로, 각각의 집속기들 또는 집속기 영역들이 각각의 표면 영역들과 상관되게끔 하는 방식으로 빔 스플리터의 각각의 표면 영역들에서 상기한 제2 복사 성분의 일부가 입사되도록 구성된다.
상기 표면은 입사된 복사 광의 전달 및/또는 반사에 영향을 미치도록 구성된 다층의 유전체 구조를 포함할 수도 있다. 상기 다층 구조의 각각의 경계면에서 복사 광의 일부가 반사되고 복사 간섭이 일어날 수도 있다. 각각의 표면 영역은 유전체 구조의 일부 또는 단편과 결부될 수도 있으며, 전형적으로는 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사 광의 적어도 일부의 반사를 위한 각각의 간섭 조건들에 영향을 미치도록 형성된다. 상기한 다층 유전체 구조는 전형적으로 제2 복사 성분의 적어도 대부분을 전달하고 상기 제1 복사 성분의 적어도 대부분을 반사하도록 구성된다. 이러한 실시예에 있어서, 다층 유전체 구조는 각각의 표면 영역에서 반사 및/또는 전달된 복사 광의 파장 범위에 대한 입사각 범위의 영향을 감소시키도록 선택된 굴절률 및/또는 층 두께를 갖는다.
예를 들면, 빔 스플리터의 표면은 하나의 중심을 가질 수 있다. 제1 표면 영역들은 제2 표면 영역들보다 상기 중심에 더 가깝게 배치될 수 있다. 빔 스플리터는 상기 제1 표면 영역들에서 태양광 발전탑에 가까운 광 반사기들로부터의 빛과 상기 제2 표면 영역들에서 태양광 발전탑에서 멀리 떨어져 있는 광 반사기들로부터의 빛을 받도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 표면 영역들에서 입사된 복사 광의 평균적인 입사각은 제1 표면 영역들에서 입사된 복사 광의 그것보다 더 크다(수직 면에 대하여). 이러한 실시예에 있어서, 다층 유전체 구조의 층들은 제1 표면 영역에서보다 제2 표면 영역에서 더 큰 두께를 가져서 간섭 조건에 대한 상이한 입사각 범위의 영향을 보상하게 된다.
특정한 예에 있어서, 다층 유전체 구조의 층들은 간섭 조건에 대한 상이한 입사각 범위들의 효과를 대부분 보상할 수 있도록 끝이 점점 가늘어지는(테이퍼 형상의) 층 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 복사 광의 입사각은 빔 스플리터 상에서의 방사상 위치의 함수로서 변화할 수도 있으며, 그리고 상기한 유전체 구조는 방사상으로 끝으로 갈수록 점점 가늘어지는 층 두께를 가질 수도 있다. 대안적으로, 아니면 부가적으로, 상기한 다층 유전체 구조의 층들은 간섭 조건에 대한 상이한 입사각 범위의 영향을 상쇄하도록 선택된 끝이 좁아지는 형상의 굴절률 프로필을 가질 수 있다.
특정한 실시예에 있어서, 상기 빔 스플리터는 끝이 좁아지는 형태의 층 두께를 가지며 제1 파장 범위에서의 복사 광의 90% 이상, 전형적으로는, 실질적으로 100%의 반사를 이루도록 배열된 하나의 다층 유전체 구조를 포함한다. 이 경우, 빔 스플리터는 전형적으로 표면에 대해 0 - 60도와 같은 넓은 범위의 입사각을 갖는 복사 광을 전달 및/또는 반사하도록 구성된다.
또 다른 특정한 실시예에 있어서, 빔 스플리터는 끝이 좁아지는 형태의 층 두께를 가지며 제2 파장 범위에서의 복사 광의 90% 이상, 전형적으로는, 실질적으로 100%의 전달을 하도록 구성된 하나의 다층 유전체 구조를 포함한다. 예를 들면, 상기 빔 스플리터는 광전지 흡수기를 위한 항-반사(anti-reflective) 코팅과 같은 일종의 항-반사 코팅을 포함할 수도 있다.
그러나, 이러한 실시예의 변형예에 있어서, 빔 스플리터는 반드시 하나의 중심을 갖도록 할 필요는 없으며, 임의의 다른 적절한 기하학적 형상을 가질 수도 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한 상기한 빔 스플리터는 응용분야에 따라 요구되는 대로, 임의의 적절한 방식으로 변화하는 층 두께 또는 굴절율 프로필을 가질 수도 있다.
상기한 제1 및 제2 표면 영역들은 지반면(ground plane)에 대하여 다른 높이로 배치 및/또는 서로 이격될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 표면 부분들은 서로에 대하여 어떤 규칙(order)을 가질 수 있다. 예를 들면, 광 집속기들은 표면 영역들이 입사각 범위에 의해 순서가 정해질 필요가 없는 경우에 임의의 표면 영역에 빛을 인도하도록 조절될 수 있다.
본 실시예의 변형예에 있어서, 다층 유전체 구조는 일련의 층들 사이의 전이가 본질적으로 연속적이고, 또한 주름진 필터가 형성되도록 형성될 수도 있다. 이러한 흡수기는 반사 및/또는 전달 파장 범위 바깥쪽으로 무시해도 좋은 이차적인 로브(lobe)("측파대")를 갖는 빔 스플리터를 생성하는 것이 가능할 수 있다는 특별한 장점을 갖는다. 주름진 필터의 구조는 빔 스플리터에 대한 상이한 입사각 범위의 영향을 상쇄하기 위해 빔 스플리터 표면상의 위치에 따라 조절된다.
각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사 광을 반사 및/또는 전달하도록 구성된 개개의 다층 유전체 구조를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 빔 스플리터 표면 영역은, 각각의 유전체 다층 구조가 상대적으로 소형일 수가 있고 따라서 제조하기가 상대적으로 용이하다는 장점을 갖는 각각의 광전지들에 부착될 수도 있다. 더욱이, 이러한 변형은 개선된 적응성을 갖는다. 예를 들면, 상이한 표면 영역들에 대하여 다른 물질들이 사용되어도 좋다. 광전지 수용기의 임의의 비활성 표면 영역은(예를 들면, 개개의 전지 사이에서의) 사용되지 않은 광을 열 수용기(thermal receiver)로 다시 인도하고 광전지의 과열을 방지 또는 감소시키기 위해 고 반사성의 코팅으로 피복될 수 있다.
빔 스플리터는 또한 회절과 간섭에 의해 입사된 복사 광의 반사 및/또는 전달에 영향을 미치도록 구성된 홀로그래피(holographic) 구조를 포함할 수도 있으며, 여기서 각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사 광을 재인도 및/또는 반사 및/또는 전달하는 간섭 조건에 영향을 미친다. 홀로그래피 구조는 회절 격자로서 작용하고, 이에 따라 특정한 입사각에서 입사된 특정한 파장의 빛을 인도하는 것이 가능하게 된다. 빔 스플리터는 서로 다른 층으로 구성되거나 또는 포개진 여러 가지의 홀로그래피 구조들을 포함할 수도 있는데, 그 각각은 각각의 입사각 범위 및/또는 파장 범위에서 입사된 복사 광을 재인도 및/또는 반사 및/또는 전달하도록 구성된다.
특정한 예에서 빔 스플리터는 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사 광을 반사하도록 배열된 각각의 홀로그래피 구조를 갖는 동심의 표면 영역들을 포함한다. 홀로그래피 구조는 적절한 소프트웨어를 이용하여 생성할 수가 있고 생성된 구조들은 사진촬영술 또는 평판인쇄술(lithography) 그리고 에칭 기술을 이용하여 캐리어 물질로 전달될 수 있다.
이러한 실시예의 변형에 있어서, 빔 스플리터는 입사된 복사광이 둘 이상의 파장 범위로 분리되도록 구성된 홀로그래피 구조를 포함한다. 이러한 특정한 실시예는 파장 범위가, 복사 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율을 증진시키는 여러 개의 흡수기 및/또는 광전지들의 최적 동작 파장 범위에 더 적합하게 맞도록 선택될 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 홀로그래피 구조는 상이한 파장 범위의 복사광이 태양 발전탑으로부터 멀리 떨어진 및/또는 그 하부에 위치한 각각의 위치들로 투사되도록 구성될 수도 있는데, 이렇게 함으로써 태양 발전탑은 단지 빔 스플리터를 갖추고 있기만 하면 되므로 상대적으로 경량이고 저렴한 비용의 구조로 이루어질 수 있다.
빔 스플리터의 본체는 또한 간섭에 의해 입사된 복사광의 전달 및/또는 반사에 영향을 미치도록 구성된 다층 유전체 구조를 포함할 수도 있는데, 여기서 각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광의 적어도 일부를 반사하기 위한 각각의 간섭 조건에 영향을 미친다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 각각의 입사각 범위에서 복사광을 받아들이기 위한 표면 영역들을 가지며, 상기 입사각 범위들의 적어도 일부는 서로 상이하게 형성되고, 또한 각각의 표면 영역은 복사광의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 빔 스플리터를 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 상기 방법은,
반사된 복사광의 파장 범위에 대한 입사각 범위의 영향이 감소되도록 상기 표면 영역 각각에 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 부여 과정을 포함한다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기 정의된 방법에 의해 제조되는 빔 스플리터를 제공된다.
본 발명의 제4 측면에 따르면,
각각의 입사각 범위에서 복사광을 받아들이고 그 복사광 중의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 표면 영역들을 갖는 본체를 포함하고,
여기서 각각의 표면 영역들에 의해 수용되는 복사광의 입사각 범위들 중에서 적어도 일부는 서로 상이하고, 각각의 표면 영역은 반사된 복사광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소되도록 하는 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 갖는 빔 스플리터를 제공한다.
예를 들면, 복사광은 제1 파장 범위의 하나 또는 다수의 파장들을 갖는 제1 복사 성분과 제2 파장 범위의 하나 또는 다수의 파장들을 갖는 제2 복사 성분을 포함할 수 있다. 전형적으로는 상기 제1 파장 범위 바깥쪽의 파장을 갖는 복사광 성분들은 반사되지 않고 전달된다.
예를 들면, 빔 스플리터는 복사광 반사기의 각각의 표면 영역으로부터 입사된 복사광으로부터 제1 복사 성분을 분리하고, 그 제1 복사 성분을 집속기의 각각의 표면 영역들로 안내하도록 구성될 수도 있다. 상기 본체는 광섬유와 같은 적어도 하나의 광학적 전달 매개체를 포함할 수도 있는데, 이것은 상기 제1 복사 성분을 인도하고 상기 전달 매개체의 벽을 통해 제1 파장 범위 바깥의 파장을 갖는 복사광을 발하도록 구성된다. 특정 실시예에 있어서, 상기 제1 복사 성분은 광전지로 인도되고 상기 전달 매개체의 벽을 통해 전달된 복사광은 열적 또는 화학적 흡수기에 의해 받아들여진다.
이하 본 발명은 발명의 특정한 실시예들을 예시적으로 기술하는 다음의 설명으로부터 더 완전하게 이해될 것이다. 이하의 설명은 첨부한 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 태양광 복사 수집 시스템의 구성을 개략적으로 표현하는 도면이다.
도 2(a) - 도 2(d)는 계산된 플럭스 분포에 대한 이차원적 플롯(plot)을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 수용기 내부의 계산된 에너지에 대한 일차원 플롯을 나타내는 도면이다.
도 4는 세 개의 수용기 표면들을 통과하는 단면에 대한 복사광의 각 분포도를 나타내는 도면이다.
도 5는 또 다른 특정 실시예에 따른 빔 스플리터의 개략적인 단면도를 도시 한다.
도 6은 빔 스플리터 필터 상의 위치의 함수로서 입사각에 따른 박막의 두께 윤곽(프로필)을 적절히 조절하는 경우(도 a), 그리고 조절하지 않는 경우(도 b)의 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스플리터 필터에 대한 계산된 반사율의 프로필을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 빔 스플리터에 대한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 빔 스플리터의 개략적인 단면도를 도시하는 도면이다.
먼저 도 1을 참조하여, 본 발명의 특정한 일 실시예에 따른 태양 복사광 수집 시스템이 설명된다. 시스템(10)은, 태양광을 입수하여 그것을 빔 스플리터(14)에 반사하도록 구성된 헬리오스탓(heliostats: 태양 추적장치)(12)의 필드를 포함한다. 빔 스플리터(14)는 태양광 발전탑(16) 상에 배치된다. 본 실시예에 있어서 상기한 헬리오스탓들은 각 헬리오스탓들이 태양광을 반사하여 빔 스플리터(14)의 각각의 표면 영역에 집속시키도록 구성되어, 빔 스플리터(14)의 각각의 영역은 각각의 반사기들과 연결된다.
빔 스플리터(14)는 입사된 복사광을 제1 스펙트럼 범위의 파장을 갖는 제1 복사 성분과 상기 제1 파장 범위 바깥쪽의 파장을 갖는 제2 복사 성분으로 분리하 도록 구성된다. 상기 제2 복사 성분은 그대로 전달되는 반면에, 제1 복사 성분의 일부는 빔 스플리터(14)에 의해 반사된다. 제2 복사 성분은 본 실시예에서는 빔 스플리터(14) 위에 위치한 광전지 흡수기(18)로 인도되고, 제1 복사 성분은 본 실시예에서는 빔 스플리터(14) 아래에 위치한 열 흡수기(20)로 인도된다.
광전지 흡수기(18)에서 전자-정공 쌍들을 생성하여 그에 따라 전기를 생성하기 위해서는 흡수된 광자는 최소한의 임계 에너지를 가질 필요가 있다. 에지 필터(edge filter) 설계에 있어서, 빔 스플리터(14)는 광전지 흡수기(18)로 전달된 광자들이 대부분 상기 임계치 이상의 에너지를 갖고 또한 임계치 미만의 에너지를 갖는 광자들 대부분은 열 흡수기(20)로 향하도록 구성된다. 대안적으로, 광전지 수용기에 의해 충분히 활용될 수 없고, 또한 광전지 수용기를 손상시킬지도 모르는 고 에너지 광자들을 열 흡수기로 향하도록 하는 대역통과 설계기법이 사용될 수 있다. 이러한 구성 모두는 광전지 흡수기(18)의 가열이 최소화될 수 있고 열 복사와 같은 저 에너지 복사가 열 흡수기(20)를 이용하여 전기를 생산하기 위해 사용될 수 있다는 장점을 갖는다.
상기한 빔 스플리터(14)는 또한 대역저지(bandstop) 필터로서 기능하도록, 아니면 대안적으로, 다수의 스펙트럼 대역들을 동시에 반사 및/또는 전달하는 스펙트럼 선택형 필터로서 기능하도록 설계될 수 있다.
이하에서 상기 빔 스플리터(14)와 같은 빔 스플리터의 설계에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 도 2는 도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은 전술한 단탑형(single-tower) 중앙집중형 수용기 시스템의 초점 영역에서의 플럭스 분포를 도 시한다. 이 플럭스 분포는 호주, 시드니에서 2000년 1월 1일 오후 1:06에 산출되었다. 이러한 계산을 위하여 상기 시스템(10)은 1M 높이의 탑의 상부에 공통 지향점을 가지는, 빽빽히 채워진 원형의 헬리오스탓의 파라볼라형 단면의 하나의 원형 필드를 구비하는 것으로 간주한다. 상기한 플럭스 분포는 표 1에서 요약된 파라미터들을 사용하여 계산되었다.
플럭스 분포의 계산을 위하여 Buie D. 및 Imenes A. G.의 "A Solar and vector class for the optical simulation of solar concentrating system(In Proc. ISES Solar world Congress, 6월 14-19일, Gothenburg, Sweden, P676)"에 기술된 광선추적(ray-trace) 프로그램이 사용되었다.
지구상의 태양광은 하늘에 있는 태양의 위치, 그의 스펙트럼 및 공간적인 에너지 분포를 통해 정의되며, 또한 비-이상적(non-ideal)인 거울 표면을 벗어나서 그의 반사 후의 공간적인 에너지 분포의 확대를 통해 정의된다. 여기서 중요한 파라미터는, 하늘의 태양둘레 영역 내에 구속된 방사 플럭스(radiant flux)로서 정의되는 태양둘레 비율(CSR: circumsolar ratio)인데, 이것은 직광(direct beam)과 광환(aureole)으로부터의 방사 플럭스로 나뉘어진 것이다. 태양의 공간 에너지 분포는, 그의 CSR로써 표현한다면, 평균적으로는 지리적 위치의 변화에 대해 불변(invariant)일 것이다. 여기서는 5%의 CSR에 대한 전형적인 값을 가지는 표준형의 태양 형상 분포가 선택되었다. 마찬가지로 중요한 것은 반사 모듈의 광학적 특성이다. 여기서 헬리오스탓의 거울은 3.5 mrad의 표면 오차의 표준편차와 이상적인 추적 체계를 갖는다고 가정한다.
도 2는 헬리오스탓 필드의 초점 면 아래로 (a) 1.0m, (b) 0.6m, (c) 0.4m, (d) 0.2m의 거리에 배치된 2 x 2 평방 미터의 수용기 표면에 대하여 수용기의 중심으로부터의 변위의 함수로서 계산된 플럭스 분포 21, 22, 23 및 24를 각각 도시한다.
표 1
태양 디스크 제한치 4.65 mrad
태양둘레 제한치 43.6 mrad
CSR 5%
거울 오차 표준편차 3.5 mrad
경도, 위도 (151.2, -33.9) 도
표준시간대 +11 시간
일, 월, 년 1,1,2000
시, 분, 초 13,6,0
태양 방위각, 천정 (35.6, 10.9)도
탑 높이 10 m
거울 직경 1 m
헬리오스탓의 수 716
초점 아래로 0.2m (25), 0.4m (26), 0.6m (27) 및 1.0m (28)의 수평면에 놓여진 원형 수용기에 의해 획득된 계산된 에너지는 도 3에 도시되었다. 초점에서 0.4m 아래에 배치된 직경 1.5m의 원형 수용기는 거울 영역에 의해 포착되어 반사되는 에너지의 97%를 수집할 것이다. 이 경우에, 그에 해당하는 피크 집속치는 550 suns일 것이다.
다음으로, 도 1에 예시된 시스템(10)의 초점 영역에서 빔 스플리터(14)에 입사하는 복사광의 각 에너지 분포가 고려되어야만 한다. 태양 형상과 거울 표면 오차 때문에 약간의 광선의 중첩이 있을 것이므로, 초점 영역에서 편평한 수용기에 의해 포착되는 에너지에 대한 표준편차 및 평균 각도의 분포를 결정하는 것이 필요하다. 도 4의 플롯들 29, 30 및 31은 초점 아래로 0.2m, 0.4m, 및 1.0m의 거리에 놓여진 수용기의 중심을 통과하는 단면에 대한 복사광의 각 분포를 도시한다. 평균 가중치 각도(weighted angle) μ 및 그의 표준편차 σ는 아래의 수학식에 의해 정의된다.
Figure 112006050907034-PCT00001
Figure 112006050907034-PCT00002
상기 수학식 (1) 및 (2)에서 ωi는 각도 θi에서 입사하는 광선 i의 에너지를 지칭한다. 수용기 상의 소정의 위치에 대하여 평균 가중치 각도는 따라서 모든 광선들 n에 대하여 광선 i의 에너지와 각도의 곱을 더함으로써, 그리고 모든 광선들 n의 전체 에너지로 나눔으로써 구해진다. 표준편차는 평균의 분산의 평방근이다.
도 4를 보면, 초점 아래로 0.4m에 놓여진 빔 스플리터에 대하여, 더 작은 각도에 대해서는 약 8도의 표준편차로, 그리고 큰 각도의 입사각에 대해서는 약 3도의 표준편차로써 평균 가중치 각도는 약 10 내지 54도의 범위에 이르는 곡선을 따 르는 것이 관찰될 수 있다. 이러한 편차는 만족할만한 빔 스플리터 성능을 위한 수용가능한 한계치 내에 존재한다. 표준편차는 초점 면에서 멀리 떨어진 수용기 위치에 대해서보다 초점 면에 더 가까운 수용기 위치에 대해서 더 크다. 초점 면에 더 가까이 위치한 더 큰 표준편차는 헬리오스탓 필드의 서로 다른 방향에서 유래되는 광선들의 더 큰 오버랩에 의해 초래된다. 이 경우, 평균 가중치 각도의 분포는 헬리오스탓 필드의 바깥쪽 영역들로부터 유래되는 에너지의 상당량에 의해 크게 영향을 받는다.
상기 수용기가 초점 면 하부로 더 아래로 이동함에 따라 헬리오스탓 필드의 다른 부분들로부터의 광선의 오버랩은 덜하게 되고 표준편차는 감소하게 된다. 흡수기 상의 소정의 위치에서 대부분의 에너지는 이제 상당히 좁은 폭의 각 원뿔면(angular cone)으로부터 발생하고 있다. 이 경우에 평균 가중치 각도의 분포는 흡수기 평면을 가로질러 더 큰 변동을 나타낸다. 흡수기의 중심 영역은 발전탑의 근방에 있는 헬리오스탓으로부터 그의 에너지의 대부분을 받아들이고 그리하여 평균 가중치 각도는 작은 값을 획득할 것이다. 흡수기의 바깥쪽 영역은 멀리 떨어진 헬리오스탓으로부터 에너지를 받아들이며, 평균 가중치 각도는 이에 따라서 증가하게 될 것이다.
도 5는 또 다른 특정 실시예에 따른 빔 스플리터(20)를 나타낸다. 이 경우, 빔 스플리터(20)는 태양광 반사기 어레이(미도시)로부터 입사된 복사광(32)을 분리하여 제2 복사 성분(34)을 광전지 흡수기(미도시)에 전달하고 잔여 복사광(36)을 열 흡수기(미도시)로 전달하도록 구성된다. 상기 빔 스플리터(20)는 다층의, 끝이 점점 가늘어지는(테이퍼 형상의) 형태의 유전체 구조(40)가 위에 적층된 투명한 디스크 형태의 광학적으로 투과성의 기판(38)을 포함한다. 빔 스플리터의 다른 대안적 구성에 의하면, 테이퍼 형상의 다층 유전체 구조(40)가 그 앞면에 적층되는 한편, 광학적 성능의 향상을 기하기 위하여 부가적인 테이퍼 형상의 다층 유전체 구조가 또한 그 뒷면에 적층되어 있는(미도시), 디스크 형태의 광학적으로 투과성인 기판(38)을 포함한다.
유전체 구조(40)는, 광선의 전파에서 보여지는 바와 같이, 광의 입사각이 증가할 때 발생하는 그리고 광학적 경로 길이에 영향을 미치는 박막의 광학적 어드미턴스(admittance)의 변화를 고려하여, 따라서 박막의 간섭 특성을 감안하여 형성된다(명료성을 위해 도 5는 내부와 외부 영역들 사이에 매우 과장된 두께 차이를 갖도록 그려진 유전체 구조를 나타낸다). 주어진 박막 두께 d에 대하여 광학적 경로 길이는 각도가 증가함에 따라 유효한 입사파가 더 얇은 층을 만나도록 하는 방식으로 변화된다. 경로 길이에 있어서의 이러한 변화를 보상하기 위하여 상기 박막의 두께는, 아래의 수학식(3)에 따라, 수직 입사에서의 막 두께 d에 대하여 비수직(non-normal) 입사각 θ에서 증가하여야만 한다.
Figure 112006050907034-PCT00003
위 방정식 (3)에서 n1은 입사 매개체 또는 입사층의 굴절률이고, n2는 조절 될 박막 층의 굴절률이다. 상기 다층 필터의 적층 및 제조에 적합한 유전체 물질로는 대략 1.8 내지 2.4 범위의 굴절률을 갖는 Si3N4, Y2O3, Ta2O5, ZnS, 또는 TiO2 와 같은 고 굴절률 물질들과, 대략 1.4 내지 1.7 범위의 굴절률을 갖는 MgF2, LiF, CaF2, SiO2, 또는 Al2O3 와 같은 저 굴절률 물질들을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 다층 구조를 위한 전형적인 대역통과 윈도우의 예가, 1.1 마이크로미터 파장의 입사 광자에 해당하는, 1.1 eV에서 광자 임계치를 갖는 단결정 실리콘 전지들로 이루어지는 광전지 수용기에 대하여 주어질 수 있다. 대역통과 필터의 투과 영역은 1.1 마이크로미터에 근접한 상부 에지를 갖는데, 이로써 1.1 마이크로미터보다 더 긴 파장을 갖는 모든 복사광은 열 수용기로 반사될 것이다. 그의 하부 에지는 결합된 수용기들의 전기 변환 효율의 최적화로부터, 예를 들면, 열 수용기의 (스펙트럼) 효율을 광전지 수용기의 스펙트럼 효율과 비교함으로써, 일반적으로 결정될 것이며, 전형적인 구성에서는 0.5 내지 0.7 마이크로미터 사이, 예컨대 0.6 마이크로 미터에서 선택될 수 있다. 0.6 마이크로미터보다 더 짧은 파장을 갖는 모든 광자들은 열 수용기로 반사될 것이다. 이러한 예에서 대역통과 필터는 0.6 내지 1.1 마이크로미터 사이의 파장을 갖는 복사광의 적어도 대부분을 광전지 수용기에 전달하게 될 것이다. 다른 광전지 및 열 수용기들을 선택하면 다른 최적 대역통과 영역으로 귀착될 것이다.
상기한 다층 구조(40)는 기준 파장 λ에 관하여 광학적 두께로 하나 또는 다 수의 ¼파(quaterwave)들을 근사화하는 광학적 두께를 각각 갖는 다수의 층들을 포함하지만, 복잡한 에지 필터 또는 대역통과 설계를 만족시키기 위해 수행되는 최적화 계산의 결과에 따라서는 수 나노미터에서 수백 나노미터까지 이르는 층 두께를 전형적으로 포함할 수 있다. 만일 각각의 경계면에서 반사된 복사광이 서로 파괴적으로 간섭을 일으킨다면, 다층 구조의 각 경계면에서 복사광의 일부는 반사되고 다층 구조의 전달이 최대화된다. 층 두께는 에지 필터 또는 대역통과 전달 필터의 프로필이 얻어지도록 선택된다. 따라서, 상기 에지 필터 또는 대역 통과에 상응하는 소정의 파장 범위에 대하여 빔 스플리터는 복사광을 광전지에 전달하고, 반면에 다른 파장 범위에서는 광전지에 대한 태양 광선의 전달이 감소한다.
각각의 층에서 태양광의 유효한 광 경로(optical path) 길이는 입사각에 의존한다. 이 실시예에 있어서, 태양 복사광 수집 시스템(10)은, 빔 스플리터의 중심에 더 근접한 표면 영역들이 태양 발전탑(16)에 더 근접한 헬리오스탓들로부터 복사광을 받아들이고, 상기 중심에서 멀리 떨어진 표면 영역들이 태양 발전탑(16)으로부터 더 떨어진 헬리오스탓들로부터 복사광을 받아들이도록 구성된다. 입사각에 관계없이 복사광이 빔 스플리터(20)에 의해 동일한 스펙트럼 분리 특성을 겪게 하는 것을 보장하기 위하여 상기한 층(40)의 두께는 빔 스플리터(20)의 안쪽 표면 영역으로부터 바깥쪽 표면 영역으로 증가한다.
다층 유전체 구조(40)는 2004년 2월 20일자로 출원된 "Apparatus for Plasma Treatment"라는 명칭의 동시 계류중인 호주 가특허출원에 개시된 바와 같은 방법과 장치를 이용하여 적층될 수 있다. 이 가특허출원은 소정의 방식으로 기판을 코팅하 기 위해 소정의 방식으로 기판에 대하여 스캔을 하는 공동 음극(hollow cathode)을 구비하는 장치를 개시하고 있다.
본 실시예의 변형에 있어서, 다층 유전체 구조(40)는 인접한 층들 사이에 연속적인 전이가 있도록 구성될 수 있고, 하나의 주름진 필터(rugate filter)가 형성된다. 이러한 주름진 필터는, 최대 전달 또는 반사의 희망하는 파장 범위 바깥쪽의 이차적 전달 또는 반사 로브(lobe)가 감소될 수 있고, 또한 상기 구조의 연속적인 성질 덕분에 압력(stress), 크래킹(cracking) 및 점착(adhesion)에 관련된 제조 및 내구성 문제를 경감시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
다음에는 도 5에 도시된 빔 스플리터(20)와 같은 빔 스플리터의 제조를 위한 추가적인 설계 기준에 대하여 기술할 것이다. 본 실시예에서, 상기한 다층 구조(40)와 같은 다층 구조의 최적화는 소위 "메리트 함수(merit function)"의 계산에 근거하며, 이것은 설계의 실제 스펙트럼 특성과 희망하는 스펙트럼 특성 간의 일치(correspondence)의 수적인 척도이다. 메리트 함수가 작으면 작을수록 목표하는 디자인 특성과 실제 디자인 특성 간의 일치에 더 근접하게 될 것이다. 여기에 사용된 예는, 병렬로 동작하는 열 엔진과 고농도 단결정 실리콘 PV 수용기로부터의 최적 전기 출력에 의해 정의된 목표 함수(target function)를 갖는다. 이상적인(즉, "목표하는") 스펙트럼 대역통과 프로파일은 단순한 정방형 프로파일의 형상을 취한다. 상기 목표 함수의 허용 오차(tolerance)는 입사 공기량(air mass) 1.5의(즉, 태양광 입사각 48도) 직접 태양 스펙트럼과 설계 위치에서의 수용기들의 스펙트럼 효율성의 곱(product)에 의해 정의되었으며, 이것은 상기 메리트 함수를 위한 가중치(weighting) 과정을 만들어낸다.
필터 목표 함수를 정의할 때, 그에 대해 필터가 효과적으로 될 스펙트럼 대역폭이 주의 깊게 고려되어야만 하는데, 이것은 더 좁은 대역폭은 수적인 최적화 절차에 의해 생산되는 최종적인 층 구조를 개선할 것이기 때문이다. 누적된 적분 직접 표준 복사(integral direct normal irradiation)의 정상화 스펙트럼 분포는 하루 중 대부분 동안 경험한 입사각들의 범위에 대하여 거의 변동을 보이지 않는다(즉, 광학적 공기량 1 내지 3이며, 이것의 태양광 입사각은 0도 내지 70도에 이른다). 단지 햇빛의 단지 1%를 약간 넘는 부분만이 2500 nm을 넘는 IR 영역에서 입사하는데, 그러므로 이러한 파장은 스펙트럼 목표 함수에 대한 하나의 편리한 상부 경계로서 정하여질 수도 있다. 마찬가지로 햇빛의 단지 약 1%만이 350 nm 아래에서 입사하는데, 이것은 상기 목표 함수에 대한 하부 경계로서 선택될 수 있다. 그러나 자외(UV)선에 대한 노출은 광전지(PV)에 대한 손상을 일으킬 수도 있으므로 상기 빔 스플리터는 해로운 광을 전지로부터 멀리 벗어나게끔 반사하도록 설계될 수 있다. 이러한 경우에 목표 함수에 대한 하부 경계는 ~300nm까지 아래로 이동될 수 있고, 이것은 여기서 선택된 접근방법이다.
이 실시예에 있어서, 대역통과 필터 함수로 귀착되는 코팅(40)에 대한 박막 굴절율 프로파일을 계산하기 위해 "니들(needle)" 수치 최적화 기법(numerical optimization)이 사용된다. 이러한 "니들" 기법에 대한 더 자세한 정보에 대해서는 Tikhonravov A. V., Trubetskov M. K., 및 DeBell G. W. 가 저술한 "Design of coating for wide angular range applications(1997)", In Optical Thin Films V: New Developments, Proc. SPIE 3133, 7월 30일-8월 1일, San Diego, California, pp. 16-24를 참조한다.
입사각 μ의 평균 각도 및 표준편차 σ를 가지며, 그리고 도 4의 그래프 30에 따라 54도의 최대 평균 가중치 각도로 입사한다고 가정하면, 원뿔(cone) 형태의 입사 태양 복사광에 대한 필터를 최적화하기 위해서 TFCalc 박막 설계용 소프트웨어가 사용되었다. 상기 TFCalc 박막 설계용 소프트웨어에 대해서는 "TFCalc thin film design software, Software Spectra, Inc., Portland"를 참조한다.
상기 "니들" 최적화 기법은 기판의 앞면에 고 굴절률 물질인 TiO2(1000 nm에서 nH = 2.3)의 10 ㎛ 두께의 단일 층과 뒷면에는 1 ㎛ 두께의 TiO2 층으로써 시작되었다. 저 굴절률 물질은 SiO2(1000 nm에서 nL = 1.43)이고 또한 기판은 3mm 두께의 유리(1000 nm에서 nS = 1.51)이며, 공기를 주변 매질로 하였다. 상기 물질들은 분산성이고 비흡수성인 것으로 가정되었다.
최적화는 평균 가중치 각도에 대하여 가장 큰 예상 값에서 수행되었다. 도 6에서 보는 바와 같이,결과적인 최적화 설계는 박막 두께가 수학식 (3)에 따라 조절될 때 평균 가중치 각도의 더 작은 값에서 향상된 성능을 갖는다. 14 내지 54도 범위의 평균 가중치 각도들에서 입사하는 원뿔형 빛에 대하여 최종적인 설계의 반사율 프로파일은 도 6(a)에서 10도의 단계로 도시된다. 개별적인 층 두께는 모두 수학식 (3)에 따라 입사각이 변화함에 따라 조절된다. 전체적인 필터의 성능은 입사각이 54도의 설계 각도에서부터 감소함에 따라 향상하는 것으로 보여질 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 최종적인 설계에서는 중심부에서는 ~13㎛, 그리고 필터의 가장자리에서는 ~15㎛의 총 두께를 갖는 162개(전면에 149, 후면에 13)의 층을 가진다. 도 6(b)는 층 두께가 상기 방정식 (3)에 따라 조절되지 않는 것에 해당하는 결과들을 나타내고 있다.
도 7은 제1 표면 영역(52)과 제2 표면 영역(54)를 포함하는 빔 스플리터(50)를 도시한다. 각각의 표면 영역은 도 5에 도시된 빔 스플리터(20)와 관련하여 논의된 바와 같은 형태의 다층 유전체 구조를 가지만, 그러나 이것은 본 실시예에서는 다른 입사각 범위를 차지하는 방사상으로 끝이 가늘게 된 형상의 두께를 갖는 층들을 포함하지 않는다. 이 실시예에서는 상기 제1 표면 영역(52)의 층 두께들은 이들이 0도 내지 40도(수직 면에 대하여)의 입사각 범위에 대해 적합하도록 선택되고, 그리고 상기 제2 표면 영역(54)은 40도 내지 60도의 입사각 범위에 대해 적합하도록 다소 더 두꺼운 층들을 갖도록 선택된다. 본 발명은 단지 두 개의 표면 영역들에만 한정되는 것은 아니며 또한 이러한 예에 의해 주어진 입사각 범위들에 한정되는 것은 아니라는 점을 인식하여야 할 것이다.
도 8은 빔 스플리터가, 체적 홀로그램(volume hologram)과 같은 홀로그래피 구조(62)를 포함하는, 본 실시예에서는, 광전지 흡수기(64)의 표면과 일치하는 제1 영역으로 상기 제1 파장 영역의 복사광을 인도하도록 구성된 시스템의 또 다른 실시예(60)를 예시한다. 본 실시예에 있어서, 제2 파장 영역 바깥쪽의 파장을 갖는 복사광의 대부분은 열 흡수기(66) 쪽으로 인도된다.
홀로그래피 구조는 회절 격자와 유사하게 기능하며, 따라서 특정 입사각에서 입사된 특정 파장 범위의 복사광을 인도하는 것이 가능하다. 예를 들면, 홀로그래피 구조는 기존의 레이저 간섭 또는 에칭 기술을 이용하여 감광성 물질로 형성될 수 있다.
전형적으로, 다수의 홀로그램이 포개지는데, 그 각각은 홀로그램의 전체적 반응이 하나의 대역통과 필터의 그것에 접근하도록 약간 상이한 파장에서 기록된다. 본 실시예에서, 홀로그래피 구조는 복사광이 입사되는 입사각을 고려하도록 기록되는데, 이것은 (수직면에 대하여) 빔 스플리터의 내부 표면 영역에서 그의 외부 표면 영역으로 증가한다.
태양 홀로그램의 제조는 레이저 소스를 두 개의 간섭성(coherent) 빔들로 분리함으로써 달성될 수 있다. 렌즈와 거울로 이루어지는 광학 시스템을 이용하여, 상기 빔들 중의 하나는 평행광선으로서 레코딩 플레이트에 닿도록 평행하게 조절된다. 다른 빔은 소정의 입사각에서 레코딩 플레이트에 대해 구면파로서 발산하는데, 이것은 결과적인 홀로그램 필터의 의도하는 특성에 의해 결정되어야만 한다. 상기한 빔 양자는 레코딩 플레이트에서 대략 같은 강도를 갖는다. 홀로그램 각도와 두께는 태양광 스펙트럼의 소정 부분이 효율적으로 회절되도록 선택된다. 서로의 상부에 여러 개의 홀로그램을 쌓아올림으로써, 태양광 스펙트럼의 회절 부분은 더 연장될 수도 있다. 고정된 방향의 발광 파를 얻기 위해서, 각 홀로그램은 입사한 파장 스펙트럼의 다른 부분을 같은 방향으로 회절시키게 되며, 이로써 전달 대역 또는 반사 대역을 만들게 된다. 홀로그램이 배열되는 순서는 서로 다른 홀로그램들 간의 커플링 현상을 피하기 위해 중요할 수도 있는데, 그것은 회절 효율을 저하하 도록 만들 것이다.
홀로그래피 광학 필터를 제조하는 하나의 방법은 하나 또는 다수의 층으로 된 감광성 중크롬화(dichromated) 젤라틴을 유리 또는 플라스틱 필름 기판 위에 배치하는 것이다. 이 홀로그래피 필름은 강도(rigidity), 세기(strength), 방습성을 제공하도록 유리판 사이에 끼워 넣어질 수 있다. 예를 들면, 488 nm의 파장을 갖는 아르곤 레이저가 사용되어 전형적으로 수 마이크로미터 두께의 중크롬화 젤라틴 층에 회절 패턴을 기록하도록 할 수도 있고, 그것은 가시 영역 내에서 빛의 필터링을 야기할 것이다. 두 개의 간섭성 레이저 빔의 입사각들은 그 기록된 회절 패턴이 하나의 파장 범위를 포함하도록 각 기록에 대하여 변경된다. 마찬가지로, 주어진 파장의 빛에 대하여 입사각은 광자가 반사되거나 아니면 전달될 경로를 결정할 것인데, 이는 기록의 기하학적 배열에 의해서 정해지는 바와 같다.
본 발명은 특정한 예를 참조하여 지금까지 기술되었지만, 당해 기술분야의 전문가라면 많은 다른 형태로 본 발명을 구현할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 빔 스플리터는 태양 복사광 수집 시스템에 사용하기 위한 목적으로 구성되지 않고, 다른 응용분야에 적합할 수도 있다.
또한 전술한 빔 스플리터는 에지 필터, 대역통과 필터, 또는 대역저지 필터와 같은 형태를 취할 수도 있으며 두 개 이상의 스펙트럼 성분들로 상기 복사빔을 분리할 수도 있다는 것을 당해 전문가라면 알 수 있을 것이다.
상기 빔 스플리터는 원형의 형태를 취하지 않을 수도 있고, 복사광 수집 시스템의 기하학적 모양에 따라 직사각형 또는 타원형의 형태와 같은 또 다른 적절 한(비대칭 및 비정형적 형태를 포함하여) 형상을 취해도 좋으며, 또한 전기한 표면 영역들도 어떤 적절한 순서를 취해도 좋다.
또한, 당해 기술분야의 전문가라면 빔 스플리터의 본체는 반드시 편평한 형태가 아니어도 좋고, 서로에 대하여 임의의 공간적 관계를 갖는 실질적으로 편평한 부분을 포함하여 구성될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 실질적으로 편평한 표면 부분은 이격되거나, 또한 표면 일부 중의 하나에 직각인 방향으로 벗어나게끔 설정될 수도 있다.
당해 기술분야의 전문가라면, 입사 빔은 전술한 광전지 및 열 수용기들과는 다른 수용기에 적합한 스펙트럼 성분으로 분리될 수도 있으며, 예를 들면, 낮은 밴드 갭의 광전지 수용기가 입사된 태양광 스펙트럼의 저에너지 부분을 위해 이용될 수도 있고, 또한 여러 가지의 열 또는 화학적 수용기들이 입사 태양광 스펙트럼의 고에너지 부분을 위해 이용될 수도 있다는 것을 잘 이해할 것이다. 예를 들어, 화학적 수용기는 각 파장 범위의 복사광이 흡수될 때에 각 화학반응이 유도될 수 있도록 구성되어 사용될 수 있다.
더욱이, 빔 스플리터에 대한 상이한 입사각 범위들을 차지하는 물질 조성 및/또는 층상 필터의 두께가 그 끝이 점점 가늘어지는 것은 연속적 또는 불연속적 양태 중의 하나로 진행할 수가 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 상기한 유전체 층 구조는 입사 태양광 스펙트럼의 의도된 분리작용을 수행하기 위하여 그 자체로 또는 홀로그래피 구조와 결합하여 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
빔 스플리터는 반사기(예를 들면, 구형 또는 파라볼라형의 반사기), 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 또는 임의의 다른 종류의 렌즈를 포함하는 임의의 형태의 집속기(concentrator)로부터 복사광을 받아들이도록 구성될 수도 있다.
본 발명은 태양발전 시스템에서 수집된 태양 복사광을 스펙트럼 성분들로 분리하기 위한 태양 에너지 반사기 어레이에 적용되는 빔 스플리터에 이용된다.

Claims (33)

  1. 빔 스플리터에 있어서,
    적어도 하나의 본질적으로 편평한 표면을 갖는 본체를 포함하고, 상기 표면은 각각의 입사각 범위에서 복사광을 받아들이도록 구성된 표면 영역들을 구비하고,
    여기서, 각각의 표면 영역들에 의해 입사되는 복사광의 입사각 범위들 중에서 적어도 일부는 서로 상이하고, 그리고 각각의 표면 영역은 반사 및/또는 전달되는 상기 복사광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소되도록 하는 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 갖도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 표면 영역의 개별적인 광학적 특성은 각 표면 영역에 의해 전달 및/또는 반사되는 복사광의 파장 범위에 대한 입사 범위의 영향이 대부분 보상되도록 선택됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복사광은 제1 파장 범위의 하나 또는 다수의 파장들을 갖는 제1 복사 성분과, 그리고 제2 파장 범위의 하나 또는 다수의 파 장들을 갖는 제2 복사 성분을 포함하며, 여기서 상기 제1 성분의 적어도 대부분은 반사되고, 상기 제2 성분의 적어도 대부분은 전달됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  4. 선행하는 항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 빔 스플리터는 태양 복사광 반사기 어레이로부터 태양 복사광을 받아들이기 위한 태양 발전탑에 배치됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  5. 제4항에 있어서, 태양 발전탑에 배치될 때, 상기 제1 복사 성분의 적어도 대부분은 제1 흡수기에 반사되며, 제2 복사 성분의 적어도 대부분은 제2 흡수기를 향해 전달되도록 구성됨 특징으로 하는 빔 스플리터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡수기들 중의 적어도 하나는 열(thermal) 흡수기임을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡수기들 중의 적어도 하나는 화학적(chemical) 흡수기임을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡수기들 중의 적어도 하나는 광전지(photovoltaic) 흡수기임을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  9. 선행하는 항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 본체는 상기 제2 복사 성분의 적어도 대부분은 그 본체에 의해 전달되도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  10. 선행하는 항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 빔 스플리터 및 그 빔 스플리터에 광을 인도하는 집속기(concentrator)들은, 각각의 집속기들 또는 집속기 영역들이 각각의 표면 영역들과 상관되게끔 하는 방식으로 빔 스플리터의 각각의 표면 영역들에 상기한 제2 복사 성분의 일부가 입사되도록 구성함을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 집속기들로부터 복사광을 수용하고, 입사된 복사광을 수집기(collector) 또는 광 가이드(light-guide)의 각각의 영역들로 인도하도록 구성된 표면 영역들을 포함함을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 집속기는 태양 에너지 반사기 어레이의 반사기임을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수집기는 광전지 흡수기임을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  14. 선행하는 항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 본체는 간섭현상에 의해 입사된 복사광의 전달 및/또는 반사에 영향을 미치도록 구성된 다층의 유전체 구조를 포함하며, 여기서 각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광의 적어도 일부의 반사를 위한 각각의 간섭 조건들을 만족시키는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 다층 유전체 구조는 상기 제2 복사 성분의 적어도 대부분을 전달하고, 상기 제1 복사 성분의 적어도 대부분을 반사하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기한 다층 유전체 구조는 각각의 평면 영역에서 반사 및/또는 전달되는 복사광의 파장 범위에 대한 입사각 범위의 영향을 감소시키도록 선택된 층 두께를 가짐을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  17. 선행하는 항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 빔 스플리터는 태양 복사광 반사기 어레이의 태양 발전탑에 배치되도록 구성되고, 상기한 빔 스플리터의 표면은 하나의 중심을 가지며, 제1 표면 영역들은 제2 표면 영역들보다 상기 중심에 더 가깝게 배치되며, 상기 제1 표면 영역들은 태양광 발전탑에 더 가까운 반사기들로부터 빛을 받아들이고, 상기 제2 표면 영역들은 상기 태양광 발전탑에서 멀리 떨어져 있는 반사기들로부터 빛을 받아들이도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  18. 제17항에 있어서, 제14항 내지 제16항 중의 어느 하나에 따르는 경우에, 다층 유전체 구조의 층들은 제1 표면 영역에서보다 제2 표면 영역에서 더 큰 두께를 가짐을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  19. 제18항에 있어서, 상기 다층 유전체 구조의 층들은 빔 스플리터 표면 상의 위치의 함수로 끝이 가늘어지는 두께를 가짐을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  20. 제16항에 있어서, 상기 다층 유전체 구조의 층들은 입사 표면 상의 위치의 함수로 변화하는 두께를 가짐을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  21. 제16항에 있어서, 상기 다층 유전체 구조는 끝이 가늘어지는 형태의 층 두께를 가지며, 제1 파장 범위에서 복사광의 90% 이상을 반사하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  22. 제16항에 있어서, 상기 다층 유전체 구조는 끝이 가늘어지는 형태의 층 두께를 가지며, 제2 파장 범위에서 복사광의 90% 이상을 전달하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  23. 제14항 내지 제18항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다층 유전체 구조는 연속하는 층들 사이의 전이가 본질적으로 연속이어서 주름진(rugate) 필터가 형성되도록 형성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  24. 제14항 내지 제22항 중의 어느 하나에 있어서, 각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광을 반사하도록 배열된 개개의 다층 유전체 구조를 포함함을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  25. 제24항에 있어서, 상기 빔 스플리터 표면 영역은 각각의 광전지에 부착됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  26. 제1항 내지 제13항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 본체는 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광을 반사 및/또는 전달하는 각각의 회절 및 간섭 조건에 영향을 미치는 홀로그래피(holographic) 구조를 포함함을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  27. 제26항에 있어서, 상기 본체는 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광의 적어도 대부분을 반사 및/또는 전달하도록 구성된 홀로그래피 구조를 각각 갖는 동심원 형태의 표면 영역들을 포함함을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기한 또는 각각의 홀로그래피 구조는 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광으로부터 둘 이상의 파장 범위가 반사 및/또는 전달되도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  29. 제28항에 있어서, 상기 홀로그래피 구조는 상이한 파장 범위의 복사광이 각각의 위치들로 인도되도록 배열됨을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  30. 제26항 내지 제28항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 본체는 간섭현상에 의해 입사된 복사광의 전달 및/또는 반사에 영향을 미치도록 구성된 다층의 유전체 구조를 포함하며, 여기서 각각의 표면 영역은 각각의 입사각 범위에서 입사된 복사광의 적어도 일부의 반사를 위한 각각의 간섭 조건들을 만족시키는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  31. 각각의 입사각 범위에서 복사광을 받아들이기 위한 표면 영역들을 가지며, 상기 입사각 범위들의 적어도 일부는 서로 상이하고, 각각의 표면 영역은 상기 복사광의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 빔 스플리터를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    반사 및/또는 전달된 복사광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소하도록 상기 표면 영역 각각에 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 부여하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터의 제조 방법.
  32. 제31항에 기재된 방법에 의해 제조되는 빔 스플리터.
  33. 빔 스플리터에 있어서,
    각각의 입사각 범위에서 복사광을 받아들이도록 구성된 표면 영역들을 갖는 본체를 포함하고,
    여기서 각각의 표면 영역들에 의해 입사되는 복사광의 입사각 범위들 중에서 적어도 일부는 서로 상이하고, 각각의 표면 영역은 반사 및/또는 전달되는 복사광의 파장 범위에 대한 각각의 입사각 범위의 영향이 감소하도록 하는 적어도 하나의 개별적인 광학적 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
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