KR20090003274A - 광 수집기 및 집광기 - Google Patents

Abstract

다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치는 입사하는 복사 에너지에 오목하고 제1 초점 지역을 향해 제1 스펙트럼 대역을 반사하고 제2 스펙트럼 대역을 반사하도록 처리된 제1 곡면과 입사하는 복사 에너지에 오목하고 제2 초점 지역을 향해 상기 제2 스펙트럼 대역을 반사하는 제2 곡면을 갖는 스펙트럼 분리기를 구비한다. 상기 제1 및 제 2 곡면들은 사기 제1 및 제2 초점 지역들이 서로로부터 멀리 이격되도록 광학적으로 배치된다. 제1 및 제2 광 수신기들이 있으며, 상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역을 수신하기 위한 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위한 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치된다.

복사 에너지, 다색성, 광 수신기, 스펙트럼 분리기, 초점, 곡선형 반사면

Description

광 수집기 및 집광기{LIGHT COLLECTOR AND CONCENTRATOR}

관련 교차 출원서들

2005년 12월 20일 출원된 콥(Cobb)의 "Method and Apparatus for Concentrating Light"로 명칭된 미국 특허 출원 일련번호 제60/751810호가 인용된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 광을 효과적으로 수집하고 집광하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 각각 개별 수신기로 향하는, 두 개 이상의 스펙트럼 대역으로 광을 수집 및 분리하는 장치에 관한 것이다.

복사 에너지의 효과적인 수집 및 집광은 수많은 응용에 유용하며 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치들을 위한 특정 값에 속한다. 집광형 태양 전지(concentrator solar cell)는 그것이 상당한 양의 태양 에너지를 획득하게 하고 열로서 또는 광기전 수신기(photovoltaic receiver)로부터의 직류 생성을 위한 에너지를 집광하게 하는 것이 가능하도록 한다.

일반적으로 태양 에너지를 획득하기 위한 대규모의 집광기들은 초점에 위치되는 수신기 위에 광을 집광하기 위한 광학 시스템으로서, 카세그레인 식(Cassegrain) 배열을 갖는, 대향된 곡선형(curved) 미러 세트를 포함한다. 카세그레인식 모델을 사용하는 몇몇 예들로서, 나카무라(Nakamura)의 "Sunlight Collecting System"으로 명칭된 미국 특허번호 제5,979,438호와 윈스턴(Winston) 등의 "High Flux Solar Energy Transformaion"으로 명칭된 미국 특허번호 제5,005,958호 모두 대향된 1차 및 2차 미러 세트를 사용하는 대규모 태양 에너지 시스템을 기술한다. 보다 소형화된 수집 장치를 제공하도록 최근 더 발전함에 따라, Optics Letter지의 Vol. 30 no.19, 페이지 2617-2619의 롤랜드 윈스턴(Roland Winston)과 제프리 엠. 고든(Jeffrey M. Gordon)의 "Planar Concentrators Near the Etendue Limit"으로 명칭된 논문에 기술된 바와 같이, 평면형 집광기가 도입되었다. 평면형 집광기는 마찬가지로 고 광속 집광을 제공하기 위해, 유전체 광학 물질에 의해 분리되는, 카세그레인식 배열을 갖는 1차 및 2차 곡선형 미러를 사용한다.

도 1은 광 수집을 위한 기본 카세그레인식 배열을 나타낸다. 광축(O)을 갖는 광기전 장치(10)는 포물선형 1차 미러(12)와 1차 미러(12)의 초점에 또는 초점 근처에 위치된 2차 미러(14)를 구비한다. 수신기(16)는 그 후, 1차 미러(12)의 정점(vertex)에서, 이러한 광학 시스템의 초점에 배치된다. 이러한 구조가 갖는 문제점으로 인식하고 있는, 카세그레인식 모델에 대한 본래 문제점은, 2차 미러(14)가 축상의 광에 방해물(obstruction)을 제공하여, 광의 일부, 즉 약 10% 정도가 1차 미러(12)에 도달하지 않아, 광기전 장치(10)의 전체 집광 성능을 감소시킨다는 점이다. 이러한 방해물은 상기 집광기가 회전 대칭형 대신 원통형일 경우 특히 클 수 있다. 1차 미러(12)의 정점에서의 수신기(16)의 배치는, 2차 미러(14)에 의해 제공된 방해물의 경로에서, 상기 방해물에 의해 발생된 손실을 얼마간 완화하는 것을 돕는다. 하지만, 원통형 광학 구조의 경우, 상기 방해물의 크기가 1차 미러(12) 직경의 증가된 크기에 비례하여 위로 커지므로, 치수 조절을 함으로써 방해물의 손실을 다시는 거의 또는 전혀 얻지 못한다. 이는 더 큰 미러의 직경을 확대하는 것이 더 작은 미러로부터의 방해물에 의해 발생된 본래 손실을 분명하게 변화시키기지 않는다는 것을 의미한다.

일부 유형의 태양 에너지 시스템은 광 에너지를 열로 전환함으로써 동작한다. 다양한 유형의 평판 수집기들과 태양 집광기들에서, 집광된 일광은 전력 생성을 위해 태양 전지를 통해 이동하는 유체를 고온으로 가열한다. 박막 패널에서의 사용을 위해 더 적응가능하고 더 소형화된 장치인, 대안적인 유형의 태양열 전환 메커니즘은 일광을 직접 전기 에너지로 전환하기 위해 광기전(photovoltaic; PV) 물질을 사용한다. 광기전 물질은 다양한 유형의 실리콘 및 기타 반도체 물질들로부터 형성될 수 있고, 반도체 제조 기술을 사용하여 제조되며, 예를 들면, 엠코어 포토볼타익스(Emcore Photovoltaics), 앨버커키(Albuquerque) NM과 같은, 수많은 제조업체들에 의해 제공된다. 실리콘이 덜 비싼 반면, 고성능 광기전 물질은 질소(nitrogen) 및 비소(arsenic)와 같은 성분들과 함께, 알루미늄(aluminum), 갈륨(gallium), 및 인듐(indium)과 같은 성분들로 만들어진 합금이다.

잘 알려진 바와 같이, 일광은 자외선(UV)에서, 가시광선을 거쳐, 적외선(IR) 파장들에 이르는 범위의, 폭넓게 분배된 스펙트럼 콘텐츠(spectral content)를 포 함하는 다색성의(polychromatic) 광이며, 각 파장은 일반적으로 전자-볼트(eV)로 나타낸, 관련 에너지 레벨을 갖는다. 물질들간 밴드 갭(band-gap) 특성들로 인해, 임의의 한 특정 광기전 물질의 반응이 입사 파장에 좌우된다는 것은 놀라운 일도 아니다. 물질의 밴드 갭 아래의 에너지 레벨을 갖는 광자들은 미끄러지듯 빠진다. 예를 들면, 적색광 광자(약 1.9eV 정도)는 높은 밴드 갭 반도체에 의해 흡수되지 않는다. 그러는 동안, 물질에 대한 밴드 갭보다 더 높은 에너지 레벨을 갖는 광자가 흡수된다. 예를 들면, 자색광 광자(약 3eV 정도)로부터의 에너지는 낮은 밴드 갭 반도체에서 열로 소모된다.

광기전 물질로부터 더욱 높은 효율을 획득하기 위한 하나의 전략은 적층형 광기전 전지를 형성하는 것으로, 또한 종종 다중접합 광기전 장치로 불린다. 이러한 장치들은 서로의 상단에 다중 광기전 전지를 적층함으로써 형성된다. 그러한 설계에 의해, 입사 광원에 대해, 적층식으로 각각 연이은 광기전 전지는 보다 낮은 밴드 갭 에너지를 갖는다. 단순한 적층형 광기전 장치에서, 예를 들면, 비화 갈륨(GaAs)으로 구성된 상부 광기전 전지는 청색광의 보다 높은 에너지를 포획한다. 안티몬화 갈륨(GaSb)으로 된 제2 전지는 보다 낮은 적외선 광을 전기로 전환한다. 적층형 광기전 장치의 일례가 사노(Sano) 등의 "Stacked Photovoltaic Device"로 명칭된 미국 특허번호 제6,835,888호에 주어진다.

적층형 광기전 장치는 전체 효율이 어느 정도 개선된 측정값을 제공할 수 있으나, 이러한 다층형 장치는 제조에 많은 비용이 들 수 있다. 또한, 서로 상단에 함께 적층될 수 있는 물질의 유형에 대한 제약이 있을 수 있으며, 그것은 폭넓은 범위의 응용들에 대한 경제성을 입증하는 그러한 방법을 어렵게 한다. 또 다른 방법은 파장에 따른 광을 두 개 이상의 스펙트럼 부분들로 분리하고, 나란히 배열된 두 개 이상의 광기전 수신기들로, 적절한 광기전 수신기 위에 각 부분을 집광시키는 것이다. 이러한 방법으로, 광기전 장치 제조는 더욱 간단해지고, 더욱 저렴해지며, 더욱 폭넓은 다양한 반도체들이 사용에 고려될 수 있다. 이러한 유형의 방안은 광을 적당한 스펙트럼 성분으로 분리하는 것과 그에 해당하는 광기전 표면 위에 각 스펙트럼 성분을 집광시키는 것 모두를 위한 옵틱(optic)을 지원할 필요가 있다.

충분한 세기로 광을 분리하고 동시에 집광하기 위한 한 제안법이 엘. 프라스(L. Fraas), 제이. 애버리(J. Avery), 에이치. 후앙(H. Huang) 및 이. 쉬프만(E. Shifman)에 의해 2005년 5월 Solar Concentration for the Generation of Electricity or Hydrogen에 대한 국제 컨퍼런스에서 제시된 "New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells"로 명칭된 논문에 기술된다. 기술된 모듈에서, 곡선형 1차 미러는 광을 수집하고, 이 광을 상기 1차 미러의 초점면 근처의, 이색성 쌍곡선(dichroic hyperbolic)형 2차 미러로 보낸다. 상기 1차 미러의 초점 근처의 제1 광기전 수신기에서 IR 광이 집광된다. 상기 2차 미러는 근가시적(near-visible) 광을 상기 1차 미러의 정점의 근처에 위치된 제2 광기전 수신기로 다시 보낸다. 이러한 방식으로, 각 광기전 수신기는 최적화된 광 에너지를 획득하여, 태양 전지 시스템의 전체 효율을 증가시킨다.

상기 프라스(Fraas) 논문에 나타낸 방법은, 바람직하게는 스펙트럼 분리를 제공하고 동일한 광학 성분 세트를 사용하여 광을 집광하는 반면, 그것이 나타내는 방안에 대한 일종의 상당한 제한이 있다. 첫 번째 문제는 앞서 언급했던 바와 같은, 방해물로 인한 전체 손실에 관한 것이다. 또 다른 문제로서, 프라스(Fraas) 등에 의해 기술된 장치는 그것의 회전 대칭(rotational symmetry)으로 인해 각 축에서 높은 집광을 갖기 때문에 제한된 시야를 갖는다. 또 다른 결점은 단일 광기전 수신기에 제공된 가시광의 광대역 폭에 관한 것이다. 일반적으로 가시광에 사용된 많은 유형의 광기전 물질들로 인해, 상당한 양의 광 에너지는 아마도 지나친 열을 일으키는 그러한 방법을 사용하여 여전히 소모될 것이다.

상기 프라스(Fraas) 논문에서 제안된 방안에 있어서 쌍곡선형 미러에 사용된 것과 같은, 이색성 표면은 다양한 굴절률과 기타 특성들을 갖는 다수의 중첩된 층들로부터 형성된 코팅들로부터 획득된 간섭 효과를 사용하는 광의 스펙트럼 분리를 제공한다. 동작에 있어서, 이색성 코팅은 입사각과 파장의 함수로 광을 반사 및 전송한다. 입사각이 변함에 따라, 이색성 표면에 의해 전송 또는 반사되는 광의 파장 또한 변한다. 이색성 코팅이 법선으로부터 약 +/-20도 이상의 각도들에서 입사광으로 사용될 경우, 바람직하지 않은 스펙트럼 효과들이 발생할 수 있어, 파장 차이로 인해, 광의 스펙트럼 분리가 그러한 보다 높은 각도들에서 손상된다.

스펙트럼 분리를 위해 이색성 표면을 사용하는 수많은 광 수집기 방안이 있었다. 예를 들면, "Spectral Beam Splitting Technology for increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems: A Review"로 명칭된 논문에서, 저자 에이. 지. 이메네스(A.G. Imenes)와 디. 알. 밀즈(D.R. Mills)의 www.sciencedirect.com에서 이색성 표면을 사용하는 일부 시스템을 포함하는 태양 열 수집 시스템에 관한 개론을 제공한다. 예를 들면, 타워 리플렉터(tower reflector)의 설명(이메네스와 밀즈 논문의 도 24)은 광학 수집 시스템의 일부로서 곡선형 이색성 빔 스플리터(curved dichroic beamsplitter)를 사용하는 한가지 제안된 방안을 나타낸다. 이러한 표면상의 광의 일부의 높은 입사각들은 광 효율에 대해 덜 만족하는 그러한 방안이 될 수 있다. 마찬가지로, 소울(Soule)의 "Hybrid Solar Energy Generating System"으로 명칭된 미국 특허 번호 제4,700,013호는 선택형 히트 미러(selective heat mirror)로서 이색성 표면의 사용을 기술한다. 하지만, 상기에 언급된 이메네스(Imenes) 논문에 기재된 바와 같이, 소울의 '013 특허는 상당한 광학적 손실을 나타낸다. 이러한 일부 손실은 사용된 선택형 히트 미러로 향하는 광의 높은 입사각과 관련이 있다.

포물선형 미러로부터 포커싱된 광에 대한 이색성 표면 형태와 배치가 갖는 본래 문제점들이 있다. 포물선형 반사경의 초점 지역 근처에 위치된 평평한 이색성 표면은 광 수집 시스템의 치수들(dimensions)을 제재하여, 많은 설계들에 조악한 분리 성능을 나타낼 것이다. 쌍곡선형 표면과 같은, 적당한 곡선형 이색성 표면은 초점 지역에 또는 초점 지역 근처에 위치될 수 있으나, 앞서 언급한 바와 같이, 이용가능한 광의 일부를 가로막는다.

집광을 위한 종래 방법들은 일차적으로 대규모 구성요소들을 사용하는 회전 대칭형 광학 시스템에 관한 것이었다. 하지만, 이러한 방법은 보다 작은 태양열 패널 장치에 대해 만족스런 방안을 갖지 않을 수 있다. 투명 바디(transparent body)에 형성되고 다양한 범위의 크기들로 제조될 수 있는 왜상형(anamorphic) 집광기가 필요하며, 여기서 상기 집광기 설계는 선형으로 연장되든 또는 곡선을 따라 연장되든, 가장 높은 광전력의 방향에 직교하는 방향으로 연장되도록 한다.

조악한 이색성 표면 응답과 같은 방해물들에 대해, 종래 방법은 각 스펙트럼 성분의 우수한 스펙트럼 분리 및 효율적인 광속 집광 모두를 동시에 달성하기 위해 단지 제한된 수의 방안을 제공했을 뿐이다. 카세그레인식 모델이 최적화될 수 있으나, 항상 1차 미러의 초점 근처에 방해물이 있으며, 따라서 본래 불리함이 있다. 이색성 분리를 사용하는 방안들은 이색성 표면상의 입사광 각도들이 법선에 비해 낮을 경우 가장 잘 수행한다; 그러나, 많은 제안된 설계들이 이러한 스펙트럼 분리 특성들을 충분히 고려하지 않는 경향을 보이며, 결국 조악한 분리 또는 그릇된 방향의 광이 된다.

따라서, 스펙트럼 분리와 집광 모두를 동시에 제공하는 전지뿐만 아니라 간단히 제조될 수 있고, 박막 패널 설계에 사용을 위해 쉽게 스케일링될(scaled) 수 있으며, 종래 광기전 방안 이상의 증가된 효율을 제공하고, 하늘에 걸쳐 태양의 변화 위치의 횡 경로에 따라 적어도 하나의 축에 있어 상당한 시야를 갖고 동작할 수 있는, 개선된 집광을 제공하는 광기전 전지가 필요하다.

본 발명의 목적은 광 수집과 스펙트럼 분리 기술을 향상시키는 것이다. 이러한 목적으로, 본 발명은 다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치를 제공하며, 그 장치는,

a) 스펙트럼 분리기로서,

(i) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고, 제1 초점 지역을 항해 제1 스펙트럼 대역을 반사하며, 제2 스펙트럼 대역을 전송하도록 처리된 제1 곡면; 및

(ii) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고, 제2 초점 지역을 향해 상기 제2 스펙트럼 대역에 반사하는 제2 곡면을 포함하되,

상기 제1 및 제2 곡면들은 상기 제1 및 제2 초점 지역들이 서로 멀리 이격되도록 광학적으로 배치되는 스펙트럼 분리기; 및

b) 제1 및 제2 광 수신기로서,

상기 제1광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 제1 및 제2 광 수신기들을 포함한다.

본 발명의 특징은 적어도 두 개의 스펙트럼 대역으로의 광의 스펙트럼 분리 및 수신기 상에 각 분리된 스펙트럼 대역의 집광 모두를 제공한다는 것이다.

본 발명의 이점은 광 수신기 상에 복사 에너지를 집광하기 위한 효율적인 메커니즘을 제공한다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 카세그레인식 모델을 사용하는 시스템에 흔히 있는 방해물로부터의 손실을 줄인다는 것이다.

본 발명 장치의 또 다른 이점은 그것의 두께에 대하여 큰 수집 구경(aperture)을 제공한다는 것이다. 본 발명의 이러한 목적, 특징, 및 이점들은 본 발명의 대표적인 실시예들이 도시 및 기술된 도면들과 관련하여 하기 상세한 설명을 읽을 시 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자들에게 분명해질 것이다.

도 1은 광 수집을 위한 종래의 카세그레인식(Cassegrain) 배열을 나타내는 측면도.

도 2는 본 발명에 따른 집광기 내 이중 포물선형 반사경의 측면도.

도 3은 상기 포물선형 반사경의 제1 표면에서의 광 반사를 나타내는 측면도.

도 4는 상기 포물선형 반사경의 제2 표면에서의 광 반사를 나타내는 측면도.

도 5는 광축과 상기 이중 포물선형 반사경의 상기 제1 및 제2 표면들의 중심이탈(decentration)을 나타내는 측면도.

도 6은 상기 이중 포물선형 반사경의 제1 및 제2 표면들에 의한 스펙트럼 대역 분리를 나타내는 측면도.

도 7은 분광성(dispersive) 전면을 갖는 대안적인 실시예의 측단면도.

도 8은 원통형 배열에서 집광기의 이중 포물선형 반사경을 나타내는 사시도.

도 9a, 9b 및 9c는 다양한 각도에서 집광기의 광기전 수신기로 향하는 광의 평면도.

도 10은 수직 방향으로의 광전력을 추가로 갖는 대안적인 실시예의 사시도.

도 11a 및 도 11b는 수직 방향으로 광전력을 추가로 갖는 대안적인 실시예의 각 측면도 및 상면도.

도 12a 및 도 12b는 각각 원통형 배열에서 쌍으로 된 이중 포물선형 반사경의 전면 및 후면 사시도.

도 13은 원통형 배열에서 쌍으로 된 이중 포물선형 반사경의 어레이 일부의 후면 사시도.

도 14는 일 실시예에서 집광기의 어레이의 사시도.

도 15는 일 실시예에서 손실될 수 있는 잘못된 방향의 광을 나타내는 측면도.

도 16은 일 실시예에서 손실될 수 있는 부분인, 잘못된 방향의 광을 나타내는 측면도.

도 17a, 도 17b, 및 도 17c는 다양한 각도에서 입사광에 대해, 원통형 실시예에서 본 발명의 집광기의 광-처리 작동자(light-handling behavior)를 나타내는 후면 사시도.

도 18은 복사 소스의 위치 변경에 적응하도록 추적하는 태양 에너지 장치를 나타내는 개략 사시도.

도 19는 단일 수신기와 함께 수직 방향으로 광전력을 추가로 갖는 대안적인 실시예의 사시도.

본 발명은 앞서 언급한 방법들에 의해 제공된 성능들을 능가하는, 향상된 스펙트럼 분리와 높은 수준의 광속 집광 모두를 제공하는 집광기를 제공한다. 본 발명의 집광기는 개별 전지로 또는 광기전 전지 어레이의 일부로 구현되는 광기전 전지의 광학 구성요소로 사용될 수 있다.

본 설명에서 인용된 도면들은 일반적인 개념과 본 발명의 장치의 핵심 구조 및 구성요소들을 도시한다. 이러한 도면들은 확대하여 도시되지 않으며, 분명함을 위해 구성요소들의 치수와 상대적 배치를 강조할 수 있다. 본원에 기술된 스펙트럼 대역은 예시의 방식으로 주어지며 제한되지 않는다.

잘 알려진 바와 같이, 특정 광학 시스템에 의해 획득되는 집광은 그 전체 구조(geometry)에 좌우한다. 예를 들면, 완벽한 회전 대칭형 포물선형 반사경은 이상적으로는 "초점(focal point)"으로 광을 보낼 것이다. 하나의 축만을 따르는 광전력을 갖는, 원통형 포물선형 반사경은 이상적으로는 "초선(focal line)"으로 광을 보낼 것이다. 하지만, 광학 제조에 있어서 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려진 바와 같이, 그러한 이상적인 구조적 형태들에 대한 합리적인 방법이 실제로 실현될 수 있으며, 효율적인 집광을 위해 완벽한 초점 또는 완벽한 초선은 달성될 수 없거나 필요로 하지 않는다. 따라서, 이상적인 "초점" 또는 "초선" 이란 용어를 사용하는 대신, 본 발명의 설명과 청구항은 보다 일반적인 용어인 "초점 지역(focal region)"을 사용하기로 한다. 다음 이어지는 설명에서, 광학 구조에 대한 초점 지역은 그 구조로부터 가장 높은 집광의 공간적 구역이거나 주변에 존재하도록 고려된다.

도 2의 측단면도는 태양 또는 기타 다색성의 광원으로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 집광기(30)를 나타낸다. 이중 포물선형 반사경(20)은 내부 또는 제1 오목한 곡선형 반사면(32)과 외부 또는 제2 오목한 곡선형 반사면(34)을 갖는, 광 수집, 집광, 및 스펙트럼 분리 기능들을 제공한다. 제1 및 제2 곡선형 반사면(32 및 34) 모두 적어도 하나의 축을 따르는 단면에 있어 사실상 포물선형이며, 각 곡 선형 반사면으로부터 반사된 광이 다양한 공간 지역에 대해 집광되도록 배열된다.

도 2 내지 도 17c에 도시된 실시예들에서, 집광기(30)는, 유리 또는 플라스틱과 같은 다른 유형의 광학적 폴리머와 같은, 일반적으로 투명한 광학적 물질의 바디(26) 상에 그리고 바디(26) 내에 형성될 수 있다. 일광 또는 기타 다색성의 복사선과 같은 다색 광의 광선(R)은 전면(front surface)(28)에 입사된다. 전면(28)은 코팅 표면과 같은, 처리된 표면일 수 있거나 또는, 굴곡을 갖거나, 예를 들면, 굴절 형태로 그 위에 형성되거나 고정된 프레넬(Fresnel) 렌즈 구조와 같은, 형태로 이루어질 수 있다.

집광기(30)는 두 개의 다른 광학 시스템들을 결합하는 장치로서 고려될 수 있다. 도 3과 도 4의 측단면도는 이중 포물선형 반사경(20)의 각각의 개별 광학 시스템의 광-분리 작동자(light-separating behavior)를 나타낸다. 먼저 도 3을 참조하면, 내부 또는 제1 곡선형 반사면(32)은 입사광의 한 스펙트럼 대역을, 제1 곡선형 반사면(32)의 초점 지역(f1) 근처에 위치된, 광기전(PV) 수신기와 같은, 제1 광 수신기(22)로 반사하는 이색성의 코팅을 갖는다. 일 실시예에서, 제1 곡선형 반사면(32)은 가시광선과 자외선(UV)을 포함하는, 더 짧은 파장들을 제1 광 수신기(22)로 반사한다. 적외선(IR)과 근적외선을 포함하는, 더 긴 파장들은 제1 곡선형 반사면(32)을 통해 전송된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 외부 또는 제2 곡선형 반사면(34)은 제2 곡선형 반사경(34)의 초점 지역(f2) 근처에 위치된 제2 광 수신기(24)를 향해 입사광을 반사한다. 이 실시예에서, 제2 곡선형 반사면(34)은 제1 곡선형 반사면(32)을 통해 전송되었던 광, 즉, 대부분의 적외선(IR)과 근적외선을 반사하는 미러로 작용한다.

이중 포물선형 반사경(20)이 스펙트럼 분리기로서 어떻게 동작하는지를 더 잘 설명하기 위해서는, 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)이 전형적인 실시예에서 단일 어셈블리에 어떻게 배열될 수 있는지를 기술하는 것이 유용하다. 도 5의 측면도는 중심이탈된 실시예에서 이중 포물선형 반사경(20)의 일부 중요한 기하학 구조와 치수 특성을 나타낸다. 광학 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 알려져 있는 것처럼, 면이 포물선형인 반사면은 그 평면에 광축을 가지며, 상기 광축 상에 놓인 초점을 향해 입사하는 축 광선을 보낸다. 이중 포물선형 반사경(20)에서, 광축(O1)은 도시된 단면도의 평면에서 제1 곡선형 반사면(32)의 광축이다. 제2 곡선형 반사면(34)에 해당하는, 광축(O2)은 이러한 중심이탈된 실시예에서 일반적으로 광축(O1)에 평행하나, 그것이 동일 선상에 있지는 않다. 즉, 축(O1 및 O2)은 이 실시예에서 비동축(noncollinear) 상에 있다. 이는 일종의 비-제로(non-zero) 간격(d)이 광축들(O1 및 O2)을 분리한다는 것을 의미한다. 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)은 그 후, 간격(d)에 의해 분리된, 도 5의 단면도에서의 초점 지역들(f1 및 f2) 내에 나타낸, 그들의 각 초점들에 의해, 선택적으로 중심이탈된다.

제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)의 중심이탈화(decentration)는 하나의 가능한 실시예이며, 제조에 또는 기타 이유들에 이점이 될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 하지만, 본 발명을 위해 보다 일반화된 요건은 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)이 초점 지역들(f1 및 f2) 사이에 비-제로 간격이 존재하도록 일부 방법으로 수동으로 배치된다는 것이다. 도 5를 참조하면, 광축들(O1 및 O2)은 도시 된 바와 같이, 평행한 비동축 상에 존재할 수 있다. 대안적으로, 광축들(O1 및 O2)은 평행하지 않을(non-parallel) 수 있으며, 이때 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)은 어떤 식으로든 서로에 대해 기울어진다. 또 다른 대안으로서, 광축들(O1 및 O2)은, 보통 공용 축을 따라 다양한 위치들에 배치된 초점 지역들(f1 및 f2)을 갖는 동축상에 있을 수도 있다. 그러한 동축선상의 배열은, 가능하긴 하지만, 추가 광 수신기로 향하게 되는 광의 일부 쉐도윙(shadowing)이 불가피할 것이므로, 광 수집에 불리할 것이다.

이중 포물선형 반사경(20)의 주요 특징은 그들 자신의 반사 처리들과 관련이 있다. 제1 곡선형 반사면(32)은 그것이 한 스펙트럼 대역을 선택적으로 반사하고 또 다른 대역을 전송하도록 일 실시예에서 이색성 코팅을 갖는다. 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 상기 실시예에서, 상기 제1 곡면형 반사면(32)의 이색성 코팅은 가시적인 적색광, IR에 가까운, 더 긴 파장, 즉, 약 650nm보다 더 긴 파장들의 광의 일부를 전송하도록 공식화된다. 더 짧은 파장들이 그 후 이러한 이색성 코팅에 의해 반사된다. 따라서, 더 짧은 파장의 스펙트럼 대역은 초점 지역(f1) 근처에 위치되는 광 수신기(22)로 향하게 된다. 외부 또는 제2 곡선형 반사면(34) 상의 반사 코팅은 이 실시예에서는 미러이며, 알루미늄 또는 적당한 합금과 같은 금속 코팅일 수 있으며, 또한 이색성 코팅 또는 기타 적당한 처리제일 수 있다. 이색성 코팅들은 자세하게는 고효율에 유리한 점을 갖는다. 광학 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것처럼, 제1 곡선형 반사면(32)을 통해 가시광선과 더 짧은 파장들을 전송하고 IR 광을 반사하는, 예를 들면, 제2 곡선형 반사면(34)으로부 터의 가시적인 파장들을 반사하기 위한 반사 코팅을 갖는 이색성 코팅과 같은 대안적인 배열이 가능하다.

광은 상대적으로 법선에 가까운 각도들로 제1 곡선형 반사면(32)에 입사된다고 보는 것이 바람직하다. 이색성 코팅이 사용될 때, 이러한 배열은 가장 좋은 이색 성능을 제공한다. 이러한 방법으로, 본 발명의 장치는 이색성 표면을 사용하는 다른 유형의 광 분리기들보다 강점을 가지지만 이러한 표면들을 향해 더 큰 각도로 입사광을 보낸다.

제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)이 중심이탈되거나, 기울거나, 또는 그렇지 않으면 비-대칭 방식으로 배열될 수 있기 때문에, 광축들(O1, O2)에 평행한 방향으로 얻어진 이러한 각 표면들 사이의 간격은 이중 포물선형 반사경(20)의 상단에서부터 하단까지 변할 수 있다. 도 5의 실시예를 참조하면, 예를 들어, 두께(t1)는 두께(t2)보다 덜 두껍다. 두께에 있어서의 이러한 차이는, 이후에 더 자세히 기술되는 것처럼, 다수의 이중 포물선형 반사경(20)을 어레이 배열로 적층할 때 고려되어야 한다.

도 6의 측 단면도는, 단일 입사광선(R)에 대해, 이중 포물선형 반사경(20)이 어떻게 스펙트럼 분리기로서 작용하는지를 요약한다. 광선(R)은 다양한 범위의 파장들을 갖는, 태양 광선(ray of sunlight)과 같은 다색광선(polychromatic ray)이다. 가시광선과 같은, 더 짧은 파장들은 내부 또는 제1 곡선형 반사면(32)으로부터 초점 지역(f1)에 있는 제1 광 수신기(22)를 향해 반사된다; IR에 가까운 광 및 IR광과 같은, 더 긴 파장들은 제2 곡선형 반사면(34)으로부터 초점 지역(f2)에 있는 제2 광 수신기(24)를 향해 반사된다.

바디(26)는 도 2 내지 도 6의 실시예에서 어느 정도의 굴절률(n)을 갖는다고 보는 것이 중요하다. 본원에 기술된 바와 같은 바디(26)를 사용하는 실시예들에서, 이러한 동일한 굴절률(n)은 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34) 사이에 놓인 물질의 굴절률과 일치하거나, 또는 꼭 일치한다. 이러한 배열은 곡면(32)에서의 굴절력과 같은 원치않는 효과들과 다른 굴절률들을 갖는 물질들이 사용될 경우의 결과로서 생길 수 있는 다른 가능한 문제점들을 최소화하는데 유리하다. 마찬가지의 이유들로, 광 수신기들(22 및 24)을 바디(26)에 접착하는 광학 접착제 또는 기타 물질들은 또한 동일한, 또는 거의 동일한 굴절률(n)을 나타낸다. 하지만, 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34) 사이에 끼인 물질이 바디(26) 물질과 다른 다양한 굴절률을 가질 경우의 구성들을 포함하는, 다른 배열들도 가능하다고 보아야 한다. 대안적으로, 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)은 공기에 의해 분리될 수 있다. 공기는 또한 수신기들(22, 24)과 제1 곡면(32) 사이에 놓일 수 있다.

집광기(30)는 포물선 형태를 갖는 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)로, 즉, 그 축에 대해 각 회전 대칭형 면으로 구현될 수 있다. 이러한 유형의 실시예는 바디(26)를 사용하거나, 또는 공중에 존재할 수도 있으며, 또는 바디(26)용 투명 물질들의 일부 조합과 공중에서의 분리를 사용할 수도 있다. 대안적으로는, 광 수집기(30)는 왜상형(anamorphic) 형태를 갖는, 즉, YZ 평면에서의 한 곡률과 XZ 평면에서의 한 다른 곡률 갖는, 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)로 구현될 수 있다.

회전 대칭형 실시예들, 원통형 실시예들, 또는 왜상형 실시예들을 위해, 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34) 사이에 사용된 투명 물질과 함께, 내부 또는 제1 곡선형 반사면(32)과 광 수신기들(22, 24) 사이에 공기가 사용될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 곡선형 표면들(32 및 34) 사이에 공기와 함께, 내부 또는 제1 곡선형 반사면(32)과 광 수신기들(22,24) 사이에 투명 바디(26) 물질이 사용될 수도 있다.

분광성 전면을 갖는 대안적인 실시 예들

도 2 내지 도 6을 참조하여 설명된 이중 포물선형 반사경은 또한 스펙트럼 분리를 위한 다른 메커니즘들과 조합하여 사용될 수 있다. 도 7의 대안적인 실시예에서, 집광기(30)는 각 스펙트럼 대역을 적당한 수신기(22, 23, 또는 24)로 보내, 입사하는 다색성의 복사선을 세 개의 스펙트럼 대역들로 분리한다. 여기서, 전면(28)은 프리즘(36), 또는 전면(28)에서 입사하는 복사선의 경로에 다른 적당한 유형의 분광 요소를 갖는다. 광학 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 프리즘에 의한 굴절각은 파장의 함수이다. 대부분의 광학 물질들에서, 파장이 짧을수록 파장이 긴 것보다 프리즘 굴절에 있어 더 큰 각으로 재방향(redirection)되어 굴절된다. 따라서, 예를 들면, 청색광은 상대적으로 높은 굴절각을 갖는다; 한편, 더 긴 적색광 및 IR 파장들은 상대적으로 낮은 굴절각을 갖는다. 광학 물질의 굴절률의 분광률은 두 파장들 사이의 굴절률의 측정차이다.

도 7에서, 프리즘(36)은 광선(R)으로 도시된 바와 같이 입사하는 복사선의 경로에 놓여 있으며, 분광량을 제공하고, 분광된 입사하는 다색성의 복사 에너지를 형성함으로써, 상기 입사하는 복사선을 결정한다. 더 큰 각도로 굴절된, (예를 들면, 약 480nm에서의 청색광을 포함하는) 더 짧은 파장들을 갖는 가시광선의 일부는 그 후 제1 곡선형 반사면(32)에 의해 제3 광 수신기(23)로 보내진다. (예를 들면, 약 620nm에서의 오렌지색 광을 포함하는) 더 긴 파장들을 갖는 가시광선의 그 일부는 프리즘(36)에 의해 더 작은 각도로 굴절되고, 제1 곡선형 반사면(32)에 의해 제1 광 수신기(22)로 보내진다. 이러한 방법으로, 제1 곡선형 반사면(32)은 도 6 실시예에서와 같은 동일한 파장들을 반사하나, 하나의 스펙트럼 대역을 제1 광 수신기(22)로 보내고 다른 스펙트럼 대역을 제3 광 수신기(23)로 보냄으로써, 이러한 반사된 광의 두 스펙트럼 대역을 효과적으로 제공한다. 분광률로 인해 각 변화가 거의 없는 IR 광은 제2 곡선형 반사면(34)으로부터 다시 반사되어 제2 광 수신기(24)로 간다. 이러한 분광성 배열을 사용하여, 광 수신기들(22 및 23)은 제1 곡선형 반사면(32)의 초점 지역에 가장 가깝게 위치되는 반면, 광 수신기(24)는 제2 곡선형 반사면(34)의 초점 지역에 가장 가깝게 위치된다.

프리즘(36)은 바디(26)에 부착될 수 있으며, 그렇지 않으면 입사광의 경로에 선택적으로 결합될 수 있다. 선택적으로는, 프리즘(36)은 전면(28)에 형성될 수 있어, 전면(28)이 기울어지거나, 그렇지 않으면 프리즘 효과를 제공하는 형태로 이루어진다. 프리즘(36)은 대안적으로는 도 7의 조정 시스템에 따라 x 방향을 따라 연장된, 분광성 요소들의 어레이일 수 있으며, 여기서 x는 면(page)에 대한 법선이다. 다른 유형의 분광성 요소들은 대안적으로는 입사광에 필요로 하는 분광률을 제공하는데 사용될 수 있다.

원통형 실시예들

도 8을 참조하면, 원통형 실시예에서 집광기(30)의 사시도가 도시된다. 여기서, 집광기(30)는 x방향을 따라 연장하는, z-y 평면에서의 축을 따르는 광전력(optical power)을 가지나, x-z 평면에서의 광전력은 갖지 않을 수 있다. 집광기(30)에 대한 단면적 광축(O1 및 O2)은 도시된 실시예에서 일반적으로 z축 조정에 평행하다. 원통형 구조를 따라 장방향으로 연장하는, 초점 지역(f1 및 f2)은 선형적이다.

집광기(30)의 하나의 큰 장점은 도 8의 사시도로부터 보여 질 수 있다. 광 수신기들(22 및 24)에 의해 나타낸 암흑화(obscuration)는, 특히 도 1을 참조하여 설명된 종래의 카세그레인식 배열에 의해 나타낸 암흑화와 대비했을 때, 상대적으로 매우 작다. 태양열 에너지 실시예에서, 각각의 초점들(f1 및 f2)에 포커싱된 이미지의 높이는, 약 .0092 라디안의 평균 각지름(mean angular diameter)과, 약 0.5도의 각 크기를 갖는, 지구측에서 바라본, 태양면(sun's disc) 이미지의 상대적 지름이다. 따라서, 초점 지역들(f1 및 f2)에 형성된 이미지의 총 높이는, 여전히 상대적으로 작은 치수인, 태양면의 포커싱된 높이의 약 두 배이다. 게다가, 집광기(30)의 유효구경은 제1 및 제2 곡선형 반사면들(32 및 34)의 포물선형 크기를 스케일링하거나 또는 증가시킴으로써 증가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 전체 두께에 대해 큰 구경이 획득될 수 있다.

초점 지역들(f1 및 f2)에 형성되는 작은 이미지 크기의 한 이점은 광 수신기들(22 및 24)의 상대적 크기와 관련이 있다. 도 9a, 9b 및 9c는 원통형 실시예의 집광기(30)가 사용될 때 광의 대역(38)을 수신하기 위한 한 광 수신기(22)의 확대도를 나타낸다. 광 수신기(22)는 집광기(30) 광학에 의해 생성된 광의 대역(38)의 두께보다 더 넓도록 치수를 만들 수 있다. 이는 도 9b 및 9c에 도시된 바와 같이, 겨냥 오차(aiming error)를 위한 어느 정도의 허용 오차를 허용할 것이며, 이때 태양 또는 다른 소스로부터 복사선을 갖는 불완전한 정렬(alignment)은 어느 정도 양의 광 에너지가 여전히 획득되도록 한다. 물론, 광 수신기(22)의 크기가 증가된다면 암흑화에 대한 다소의 불리함(penalty)이 있을 것이다. 하지만, 그러한 단점은 완화된(relaxed) 정렬 허용 오차에 의해 상쇄될 것이다.

하나의 직교축보다 더 많은 축을 따르는 광전력을 갖는 실시예들에 대한 이점들이 또한 있을 수 있다. 도 10은 두 직교축을 따라 광전력을 갖고 이중 포물선형 반사경(20)을 사용하여 스펙트럼 분리되는 왜상형 광 수집기(30)의 실시예의 사시도를 나타낸다. 도 11a는 각각의 광 수신기들(22 및 24)로 스펙트럼 대역 분리되는 상기 실시예의 단면도를 나타내며; 도 11b는 (x축을 따르는) 원통형 구조의 길이에 대한 집광을 나타내는 상면도를 나타낸다. 도 10에 주어진 조정 축 지정을 사용하는, 이 실시예는 y축, 즉, 그 포물선형 단면의 y-z 평면에서의 y축에 대한 광전력을 갖는다. 추가로, 이 실시예는 x축, 즉, x-z 평면에서의 x축을 따라 약간의 광전력을 갖는다. x축 방향을 따르는 광전력의 압축(condensing)은 입사광선(R)에 상응하여 볼록면 면에 따라 전면(28)을 형성함으로써 획득될 수 있다. 대안적으로는, x-z 평면에서의 광전력이 도 10의 지역(A) 내에서 도시된 바와 같이, 표면(28) 상의 프레넬(Fresnel) 렌즈의 사용으로 획득될 수 있다. x축 방향으로의 전력을 사 용하기 위한 또 다른 방법은 x-z 평면에서의 포물선형 표면들에 굴곡을 주어 그들을 일그러지게 하는 것일 것이다. 도 10과 도 11b에 도시된 대표적인 광선 자취들은 x축을 따르는 광전력의 추가로 얻어진다는 이점을 나타낸다. 하나의 현저한 이점으로서, 광 수신기들(22 및 24)은 도 8의 원통형 실시예에 도시된 것으로부터 전체 크기가 상당히 감소될 수 있으며, 이로써 입사광으로부터 비례하여 덜 암흑화 되게 한다. 전면(28)의 일부만을 따라 연장되는 전극을 포함하여, 다수의 방식으로 수신기들(22 및 24)이 전기적 연결될 수 있다. 이후에 설명된 바와 같은, 최소 암흑화를 갖는, 곡면 내부로 또는 곡면을 통해 또한 전기적 연결될 수 있다. 도 10에 도시된 것과 같은 실시예들의 또 다른 큰 장점은, 이후에 설명된 바와 같은, 태양의 상대적 위치를 추적할 때 허용 오차 협정(tolerance trade-offs)과 관련이 있다.

어레이 실시예들

원통형 집광기(30) 설계는 어레이 실시예들에 특히 잘 맞는다. 제조성에 크게 관련된 이유들로, 도 12a 및 12b에 도시된 쌍으로 된 집광기(30)의 패턴화된 배열은 특히 이점을 갖는다. 도 5의 중심이탈된 실시예를 참조하여 설명된 바와 같이, 이중 포물선형 반사경(20)의 대향 상부 및 하부 엣지들에서의 두께들(t1 및 t2)은 다를 수 있다. 이러한 이유로, 인접한 집광기(30) 사이의 교차부분이 그들에 상응하는 이중 포물선형 반사경(20)의 두께들과 매칭하도록 쌍으로 집광기(30)를 제작하는 것이 바람직할 수 있다. 도 12a 및 12b에 도시된 바와 같이, 이는 하나의 집광기(30)가 또 다른 것에 대해 수직으로 반영되도록 접힌다(flipped)는 것을 의 미한다. 도시된 실시예에서, 쌍으로 된 인접한 집광기(30)는 두께들(t2)이 이웃하도록 배열된다. 이는 제1 및 제2 광 수신기들(22 및 24)이 또한 특정 패턴을 갖는다는 것을 의미한다. 도시된 배열에서, 제1 광 수신기(22)는 가시광(V)을 수신하고, 제2 광 수신기(24)는 IR 광(I)을 수신한다. 따라서, 상기 배열은 도 12a 및 12b의 쌍으로 된 집광기(30)에 대해 패턴 V-I-I-V를 갖는다. 도 13의 사시도는 V-I-I-V-V-I-I-V-V-I-I-V로 다시 나타낸, 광 수신기들(22 및 24)로 보내진 광의 유형을 갖는, 세 쌍(P1, P2, 및 P3)으로 된, 집광기(30)의 어레이(40)의 일부를 나타낸다. 물론, 도 12a, 12b, 및 도 13에 도시된 배열은 이 실시예에서의 어레이(40) 제조에 바람직하지만, 대안적인 패턴들이 사용될 수도 있다.

어레이(40)는 따라서 개별 응용에 요구되는 것으로서, 길이가 변화하는 집광기(30)의 두 개 이상의 원통형 세그먼트들로부터 형성될 수 있다. 어레이는 또한 회전 대칭형 집광기(30)의 하나 이상의 로우(row)를 사용하여 형성될 수 있다. 도 14는 다수의 로우로 된 회전 대칭형 유형의 집광기(30)의 어레이(40)의 실시예를 나타낸다. 하나 이상의 연결 전극들(44)이 각 집광기(30)로 연장한다고 볼 수 있다. 전극들(44)로 인한 추가 암흑화의 양을 최소화하기 위해, 도 14의 실시예는 대향 측의 태양 또는 다른 복사 에너지 소스로부터 각 집광기(30)로 연장하는 전극들(44)을 갖는다. 앞서 설명한 것처럼, 이러한 집광기(30)의 일부는 광 수신기들(22 및 24)에 의해 나타낸 암흑화를 갖는다.

어레이(40)에 사용된 배치 구조에 따라, 집광기들(30)의 회전 대칭형 배열은 또한 감소된 충전율(fill factor)로 인해 단점을 가질 수 있다. "허니콤 식(honeycomb)" 또는 다른 배치의 배열로 집광기들(30)을 패킹(packing)하는 것은 충전율의 손실을 완화하도록 도울 수 있다. 반사 곡면들에 대한 회전 대칭 형태의 변형은 또한 이러한 충전율 부족을 완화하도록 도울 수 있으나, 결과적인 변형 형태들은 반사 포물선형으로부터 집광의 충분한 이점들을 제공하지 않을 수 있다.

집광기(30)는 복사 에너지를 획득하기 위한 고효율 시스템을 제공한다. 하지만, 태양 광 수집기로 사용된 유사한 대부분의 장치들은 광각에 관한 약간의 제한이 있다. 도 15의 측면도를 참조하면, 더 높은 각도에서의 입사광은 초점 지역(f2)에 있는 광 수신기(24)로부터 멀리 떨어져 반사될 수 있다. 여기서, 각도(θ)에서의 광은 광축(O2) 및 일부 코마(coma) 결과들에 비해 큰 각도로 존재한다. 예를 들면, 일광의 가장 효율적인 사용을 위해, 상기 광축은 태양을 향하도록 해야 한다. 이후에 설명된, 장치의 추적(tracking)은 집광기(30)를 적절히 정렬함으로써 효율을 개선하는데 사용될 수 있다.

도 16의 측면도는 손실된 에너지에 대한 다른 가능한 원인들을 나타낸다. 전면(28)에서의 일부 프레넬 반사량 및 바디(26) 내에서의 암흑화는 손실된 에너지를 설명할 수 있다. 게다가, 다색성의 표면이 매우 효율적일지라도, 다소 적은 퍼센티지의 광 누출이 발생할 것이다. 따라서, 예를 들면, 가시광의 다소 적은 양이 제1 곡선형 반사면(32)의 다색성 코팅을 통해 전송된다. 많은 이러한 잘못 보내진 광은 제2 및 제1 곡선형 반사면들(34, 32) 사이에 "트랩핑된(trapped)" 채 남을 수 있다. 이러한 광의 일부는 제1 곡선형 반사면(32)을 통해 다시 전송될 수 있다; 하지만, 이러한 광은 잘못된 광 수신기(24) 보내지거나 아니면 또 다른 광신기(22, 24) 로부터 멀리 보내지기 쉽다.

왜상형(anamorphic) 집광기 실시예들

적층형(stacked) 광기전 장치가 사용되는 경우와 같이, 일부 응용들에 대해, 스펙트럼 분리는 요구되지 않을 수 있다. 도 19의 사시도는, 바디(26)가 입사광에 대해 오목한, 단일 광 수신기(22) 및 곡선형 반사면(52)를 갖는 일 실시예에서의 왜상형 집광기(50)를 나타낸다. 이 실시예에서, 반사면(52)은 y-z 평면에서의 광전력을 가지며, 전면(28)은 직교하는 x-z 평면에서의 광전력을 갖는다. x-z 평면에서의 광전력은, 영역 A에 도시된 것처럼, 프레넬 렌즈 구조에 의해, 또는 전면(28)의 굴곡에 의해 제공될 수 있다. 광선들(R)은 따라서 곡선형 반사면(52)의 초점 지역 근처에 배치된, 광 수신기(22)로 보내진다. 이러한 배열은, 도 10을 참조하여 설명된 추가 스펙트럼 분리 없이, 개선된 왜상형 집광기를 제공한다. 이는, 선형적으로 연장되나, 예를 들면, 도 8, 도 12a 및 12b에 도시된 광 수신기 구성요소들의 선형적 배열을 필요로 하지 않는 집광기(50)의 배열을 허용한다. 따라서, 수신기들(22)은 계속 연장되는 대신 집광기(50)의 각 로우를 따라 주기적으로 이격될 수 있다.

복사 소스에 대한 방향성

도 15를 참조하여 설명된 바와 같이, 태양 또는 다른 복사 소스(radiation source)로부터 광을 효율적으로 획득 및 집광하기 위해, 집광기(30)는 상기 소스에 대해 적절히 향해지도록 하는 것이 중요하다. 바디(26)가 거의 평행한 광축들(O1, O2)을 갖는 회전 대칭형 장치의 형태로 있을 경우와 같은, 분광 시스템(discrete system)에 의해, 집광 효율은 태양(80) 또는 다른 복사 소스를 향하는 이러한 광축 을 정렬함으로써 간단히 최적화된다. 하지만, 원통형 실시예에 의해, 장치 방향은 동서축을 따라 더 대응될 수 있다. 이러한 구성요소의 북-남-동-서(약칭 N, S, E, W) 방향은 복사 에너지를 획득하고 집광하기 위한 성능에 직접 영향을 준다. 참조를 위해, 상기 N, S, E, W 방향이 상술한 설명에 사용된 xyz 조정 매핑(mapping)에 비례하여 도시된다.

도 17a, 17b, 및 17c의 사시도는 복사 소스의 E-W 및 N-S 방향에 비례하는, 원통형 실시예에서의 집광기(30)의 집광 작동자(behavior)를 나타낸다. 도 17a에서, 집광기(30)의 원통형 축(C)은 일반적으로 E-W 축에 평행하게 배열된다. 태양 또는 다른 복사 소스를 향해 최적으로 향해질 때, 집광기(30)는 그 광 수신기들(22 및 24)의 전체 길이를 따라 광의 최적량을 획득한다.

도 17b는 광 수집기(30)가 E-W 축에 대해 더 이상 최적으로 향해지지 않을 때 무슨 일이 일어나는지를 도시한다. 광 수신기들(22 및 24)의 일부 길이만이 포커싱된 광을 수신한다. 일부(42)가 누락될 수 있다. 하지만, 상당량의 광은 여전히 광 수신기들(22 및 24)에 입사된다. 따라서, 집광기(30)는 E-W 방향에서 상당히 넓은 시야(field of view) 이상의, 어느 정도 수준의 효율로 기능한다.

도 17c의 사시도는 N-S 축에 비례하여 적절히 향해지지 않는 경우의 집광기(30)의 작동자를 나타낸다. 그 원통형 축(C)에 대해 부정확하게 기울어질 때, 광 수집기(30)는 도 9c에 도시된 것보다 더 심한, 수직 방향으로 광의 어느 정도의 "워크-오프(walk-off)"를 허용할 수 있다. 도 15를 참조하여 설명된 것처럼, 지나친 각도는 바람직하지 않을 수도 있어, 적절한 스펙트럼 대역들이 그들의 해당 광 수 신기들(22, 24)로 향하지 않게 된다.

집광기(30)가 x 방향으로의 광전력을 갖는, 도 10, 도 11a 및 11b에 도시된 실시예는, 광 수신기들(22, 24)이 도 10에 도시된 것처럼 y 방향에 대해 더 크게 제작될 수 있으므로, N-S 태양 추적 오류에 대해 본래 더 상응되게 제작될 수 있다. 하지만, 이는, 현재 직교 방향으로의 광이 수신기들(22 및 24) 위에 집광되므로, E-W 추적 허용 오차의 일부 측정 비용으로 존재한다. E-W 방향을 따르는 조악한 방향성은 도 9c를 참조하여 설명된 것에 직교하는 방향에서 "워크-오프(walk-off)"를 야기할 수 있다.

태양 추적 시스템 및 방법들은 잘 공지되며, 개별적으로든 또는 어레이 형태로든, 광 수집기(30)를 사용하도록 쉽게 적응될 수 있다. 도 18은 본 발명에 따른 태양 에너지 시스템(70)을 나타낸다. 하나 이상의 복사 에너지 집광 장치(60)가 태양을 추적하도록 배열 및 설계된다. 추적 작동기(64)는 태양의 E-W 위치가 하루 내내 지구(66)에 상응하여 변할 뿐만 아니라 적절한 N-S 방향성에 필요한 가벼운(minor) 조정들을 하게 함에 따라, 복사 에너지 집광 장치(60)를 적절히 향하게 하는 제어 논리 프로세서(62)에 의해 제어된다. 제어 논리 프로세서(62)는, 예를 들면, 컴퓨터 또는 전용 마이크로프로세서 기반 제어 장치들일 수 있다. 제어 논리 프로세서(62)는 어느 위치에서 획득된 전류의 상대적 양을 측정함으로써, 또는 일부 다른 적절한 신호를 획득함으로써 위치를 감지할 수 있다. 위치를 나타내는 이러한 신호에 반응하여, 제어 논리 프로세서(62)는 그 후 적절히 위치 조절을 하게 하도록 추적 작동기(64)에 지시하는 제어 신호를 공급한다.

제조

집광기(30)는 개별 유닛으로 또는 도 13의 어레이(40)에 도시된 것처럼, 어레이의 일부로서 원통형 구성요소로 형성될 수 있다. 어레이 실시예에서, 다수의 집광기(30)는 도 12a 및 12b를 참조하여 설명된 쌍으로 된 집광기(30)의 배열을 선택적으로 사용하여, 서로 함께 조립된다. 적어도 일부 집광기(30)의 계속적인 제조는 사출 성형(extrusion)을 사용하여 수행될 수 있다. 한 어레이 실시예에서, 사출 성형 과정은, 시트를 따라 정렬된 이중 포물선형 반사경(20)의 평행한 길이들을 가진, 립형 시트(ribbed sheet)를 형성한다. 적당한 광학 코팅은 그 후 상기 시트의 각 측면의 곡면들 위에 적용된다. 준비된 시트는 그 후 접합 과정에서 제거된 기포들과 함께, 에폭시 또는 다른 적합한 접착제를 사용하여 기판에 부착된다. 사용된 다양한 구성요소들 및 접합제의 굴절률들은 일 실시예에서 딱 매칭된다.

광학적 커플링을 허용하고 전반사(total internal reflection: TIR) 효과를 최소화하기 위해, 광 수신기들(22 및 24)은, 바디(26)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는, 광학 접착제와 같은, 광학 물질을 사용하여 바디(26)에 함침(immersed)되거나 광학적으로 커플된다. 원통형 구조의 대향단(opposite ends)에서의 반사 측면들(도 2에 도시되지 않았으나, 단면도에서 면의 평면에 평행함)은 상기 면에 직교하는 방향으로 집광기(30)로부터 광의 누출을 막는 것을 돕는다.

그것의 상대적으로 좁은 깊이는 집광기(30)가 박막형 패널 설계에서의 사용을 위해 적당히 스케일링되도록 한다. 한 박막형 패널 어레이 실시예에서, 예를 들면, 각 집광기(30)에 대한 구성요소 치수들은 하기와 같다:

집광기 셀 높이: 20mm

집광기 셀 깊이: 10mm

인접한 집광기(30)는 광학적으로 커플될 수 있어, 빗나가거나 잘못된 방향의 광의 일부에 대해 어레이(40) 내에서 전반사(TIR)를 허용한다. 광선들은 집광기들(30) 중 하나에서 광 수신기(22,24)와 충돌하거나 광을 소모함으로써 어레이(40)를 탈출하기 전에 여러 번 하나 이상의 코팅된 곡선형 반사면들로부터 TIR 및 반사를 겪을 수 있다.

본 발명의 집광기(30)는 집광 및 스펙트럼 분리 모두를 제공하는, 다른 유형의 복사 에너지 집광 장치들 이상의 장점이 있다. 본 발명의 집광기(30)는, 축상의 광을 약 10% 이상 차단하는 경우에 제안된 상기 카세그레인-유형의 실시예와 비교하여, 축상에 입사되는 광, 통상 2%보다 적은 광에 대한 소량의 방해물만을 나타낸다.

이중 포물선형 반사경(20)으로부터의 스펙트럼 분리에 의해, 집광기(30)는 적층형의 배열이라기 보다는 측면을 가진 광기전 수신기들을 사용하게 하며, 분리된 스펙트럼 대역들이 그 스펙트럼 대역의 파장들로부터 광 에너지를 획득하기 위해 각각 최적화된 적당한 광기전 전지로 보내진다. 본 발명의 장치는 분광된, 모듈의 집광 요소 또는 집광기의 어레이를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 장치는 스케일링 가능하고 박막형 패널 응용들에 적응되거나 더 큰 스케일의 복사 에너지 장치에 적응될 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(22 및 24)은, 실리콘, 갈륨비소(GaAS), 안티몬화 갈륨(GaSb), 및 다른 물질들을 포함하는, 제공된 스펙트럼 대 역을 위한 임의의 적당한 광기전 물질들로부터 제조된 광기전(PV)일 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(22 및 24)은 대안적으로 카드뮴 수은 텔루라이드(mercury cadmium telluride) 열 다이오드를 포함하여, 열을 전기로 전환하는 일부 물질을 사용하는, 열기전 또는 열광기전(TPV)일 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(22, 24)은 전하 결합 소자(CCD) 또는 기타 광 센서일 수 있다.

대안적인 실시예들에서, 하나 이상의 광 수신기들(22, 24)은, 예를 들면, 에너지 생성 또는 스펙트럼 분석과 같은, 또 다른 광학적 서브시스템의 입력 이미지 평면이다. 광 수신기들(22, 24)은, 예를 들면, 광섬유와 같은 도광(light guide)에 대한 입력일 수 있다.

상기 광 수신기들에 제공된 두 개 이상의 스펙트럼 대역들은 분명히 스펙트럼적으로 구별되지 않으나, 각 스펙트럼 대역은 어느 정도의 동일한 파장들을 포함하는 곳에 어느 정도 중첩될 것이다. 일부 양의 스펙트럼 오염은, 이색성 코팅의 성능을 저해하여, 이색성 반응이 불완전하고 광이 비정규 각들로 입사될 수 있으므로, 피할 수 없을 것이다. 이색성 코팅은 원할 경우 레벨을 더 낮추기 위한 스펙트럼 오염을 줄이기 위하여 최적화될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 이색성 코팅은 대안적으로 일종의 다른 유형의 반사 코팅 대신 제2 곡면(34)을 위한 처리제(treatment)로 제공될 수 있으며, 따라서 종래 미러 코딩의 다른 많은 유형들 이상의 개선된 효율을 제공한다. 상기에 도시된 임의의 실시예들에 대해, 스펙트럼 대역들은 응용의 조건에 가장 적합한 것으로 정의 및 최적화될 수 있다.

본 발명은 그 특정 바람직한 실시예들을 참조하여 자세하게 설명되었으나, 상기에 기술된 그리고 첨부된 청구항들에 언급된 바와 같은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해, 본 발명의 범위 내에서 변경 및 변형이 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 집광기(30)의 원통형 배열은 일부 응용들에 바람직할 수 있으며, 도넛(toroidal) 형태와 같은, 대안적인 형태들에 대해 또한 장점이 있을 수 있다. 도넛형 실시예에서는, 다수의 면들에 광전력이 있다. 도 10에 상응하는 y방향으로의 광전력을 갖는 프레넬 렌즈의 추가와 같은, 다수의 구성요소들의 사용에 장점이 있을 수 있다. 이는, 예를 들면, 코마(coma)를 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 따라서, 본 발명의 집광기는 두 개의 분리형 프레넬 렌즈 또는 프레넬 구조 또는 다른 적합한 렌즈 또는 코마를 줄이기 위한 것과, 제공된 포물선형 집광에 직교하는 광을 집광하기 위한 것이 서로에 대해 직교하도록 배치된 다른 집광 구성요소를 가질 수 있다.

구문 "초점 지역 근처에" 또는 "초점 지역에"에 대한 어느 정도의 허용 범위가 허용되어야 한다는 것이 광학 설계 분야에서 통상의 지식을 가진자들에 의해 인정된다. 실제 광기계 허용오차는 본 발명의 교시에 사용된 원리에 따라 정확한 위치에서 어느 정도의 변화성(variability)을 허용한다. 앞서 언급된 바와 같이, 정확한 포물선형 또는 포물면은 한 라인에 따른 또는 한 지점에서의 초점에 대한 이상적인 반사면이다; 하지만, 실제로, 포물선형 또는 포물면으로의 접근이 달성될 뿐, 이는 본 발명의 기술들을 적용하는데 허용 가능한 결과들을 제공한다.

따라서, 태양 또는 다른 다색성의 복사 소스로부터 광을 수집하는 장치가 제공되며, 선택적으로 광을 두 개 이상의 스펙트럼 대역들로 분리하고 각 스펙트럼 대역을 광 수신기로 제공한다.

Claims (42)

1. 다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:

   a) 스펙트럼 분리기; 및

   b) 제1 및 제2 광 수신기를 포함하며,

   상기 스펙트럼 분리기는,

   (i) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제1 초점 지역을 향해 제1 스펙트럼 대역을 반사하며 제2 스펙트럼 대역을 전송하도록 처리된 제1 곡면; 및

   (ii) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제2 초점 지역을 향해 제2 스펙트럼 대역을 반사하도록 처리된 제2 곡면을 포함하고,

   상기 제1 및 제2 곡면은 상기 제1 및 제2 초점 지역들이 서로로부터 멀리 이격되도록 광학적으로 배치되며,

   상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역을 수신하기 위한 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위한 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 곡면은 가시광선 파장들을 반사하도록 처리되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 곡면은 적외선 파장들을 반사하도록 처리되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 곡면은 광학적으로 중심이탈되는(decentered) 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 곡면은 적어도 한 축을 따르는 단면이 포물선형인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 곡면은 이색성(dichroic) 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 곡면은 이색성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기들 중 적어도 하나는 광기전(photovoltaic) 수신기인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기들 중 적어도 하나는 열기 전(thermovoltaic) 수신기인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기들 중 적어도 하나는 전하 결합 장치(charge-coupled device)인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기들 중 적어도 하나는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기들 중 적어도 하나는 다른 광학 시스템을 위한 입력 평면인 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제1항에 있어서, 투명한 광학 물질이 상기 제1 곡면과 상기 제1 초점 지역 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 분리기는 원통형인 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 곡면 중 적어도 하나는 회전 대칭성인 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 제1 곡면은 제1 단면축을 갖고, 상기 제2 곡면은 상기 제1 단면축에 비동축(noncollinear)인 제2 단면축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 분리기는 입사광을 수신하기 위한 전면(front surface)을 갖는 투명한 바디(transparent body)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 전면은 적어도 하나의 굴절 형태로 이루어지는 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제17항에 있어서, 상기 전면은 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제17항에 있어서, 상기 전면은 상기 제1 곡면을 향해 분광된 다색성의 복사선을 보내기 위해 입사하는 다색성의 복사에너지를 조절하는 분광 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 분광 요소는 프리즘인 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제16항에 있어서, 상기 제1 단면축과 상기 제2 단면축 사이의 분리 간격은 제1 및 제2 광 수신기들 사이의 중심-대-중심(center-to-center) 분리 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제16항에 있어서, 상기 제1 광 수신기는 상기 제1 단면축을 따라 놓이고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 단면축을 따라 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제13항에 있어서, 상기 제1 광 수신기는 투명한 광학 물질에 광학적으로 함침되는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제1항에 있어서,

    c) 제3 스펙트럼 대역을 형성하기 위해 입사하는 다색성의 복사 에너지를 분광시키기 위한 분광 요소; 및

    d) 상기 제3 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역 근처에 배치된 제3 광 수신기를 더 포함하며,

    상기 제3 스펙트럼 대역은 또한 상기 제1 곡면으로부터 반사되는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제18항에 있어서, 상기 제1 곡면은 제1 평면에 광전력을 갖고, 적어도 하나의 굴절 형태는 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에 광전력을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:

    a) 입사하는 복사 에너지를 수신하기 위한 전면을 갖는 투명한 바디를 포함하는 스펙트럼 분리기; 및

    b) 상기 내부 및 외부 곡면들로부터 멀리 이격된 제1 및 제2 광 수신기를 포함하며,

    상기 스펙트럼 분리기는,

    (i) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제1 초점 지역을 향해 제1 스펙트럼 대역을 반사하며 제2 스펙트럼 대역을 전송하도록 처리된 내부 곡면; 및

    (ii) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제2 초점 지역을 향해 상기 제2 스펙트럼 대역을 반사하도록 처리된 외부 곡면을 더 포함하고,

    상기 내부 및 외부 곡면은 상기 제1 및 제2 초점 지역들이 비-제로(non-zero) 간격들에 의해 서로로부터 분리되도록 광학적으로 배치되며,

    상기 제1 광수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제27항에 있어서, 상기 전면은 상기 내부 및 외부 곡면들에 의해 제공된 광 전력과 같은 동일한 평면에 광전력을 제공하는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제27항에 있어서, 상기 전면은 상기 내부 및 외부 곡면에 의해 제공된 광전력의 평면에 직교하는 평면에 광전력을 제공하는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제27항에 있어서, 상기 전면은 제3 스펙트럼 대역을 형성하기 위해 입사하는 다색성의 복사 에너지를 분광하기 위한 분광 요소를 더 포함하되, 상기 제3 스펙트럼 대역은 또한 상기 내부 곡면으로부터 반사되고, 상기 제3 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 내부 및 외부 곡면들로부터 멀리 이격된 제3 광 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:

    a) 분광된 입사하는 다색성의 복사 에너지를 형성하는, 입사하는 다색성의 복사 에너지에 대한 분광을 제공하는 분광 표면;

    b) 스펙트럼 분리기;

    c) 상기 제1 스펙트럼 대역의 제1 스펙트럼 부분을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역 근처에 배치된 제1 광 수신기;

    d) 상기 제1 스펙트럼 대역의 제2 스펙트럼 부분을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역 근처에 배치된 제3 광 수신기; 및

    e) 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역 근처에 배치된 제2 광 수신기를 포함하며,

    상기 스펙트럼 분리기는,

    (i) 상기 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제1 초점 지역을 향해 분광된 입사하는 다색성의 복사 에너지의 제1 스펙트럼 대역을 반사하며 제2 스펙트럼 대역을 전송하도록 처리된 제1 곡면; 및

    (ii) 상기 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제2 초점 지역을 향해 상기 제2 스펙트럼 대역을 반사하도록 처리된 제2 곡면을 포함하고,

    상기 제1 및 제2 곡면들은 상기 제1 및 제2 초점 지역들이 서로로부터 멀리 이격되도록 광학적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 적어도 두 개의 복사 집광기들을 포함하는 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서, 각 복사 집광기는:

    a) 입사하는 복사 에너지를 수신하기 위한 전면을 갖는 투명한 바디를 포함하는 스펙트럼 분리기; 및

    b) 상기 내부 및 외부 곡면들로부터 멀리 이격된 제1 및 제2 광 수신기를 포함하며,

    상기 스펙트럼 분리기는,

    (i) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제1 초점 지역을 향해 제1 스펙트럼 대역을 반사하고 제2 스펙트럼 대역을 전송하도록 처리된 내부 곡면; 및

    (ii) 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하고 제2 초점 지역을 향해 상기 제2 스펙트럼 대역을 반사하도록 처리된 외부 곡면을 더 포함하고,

    상기 내부 및 외부 곡면들은 상기 제1 및 제2 초점 지역들이 서로로부터 멀리 이격되도록 광학적으로 배치되며,

    상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
33. 제32항에 있어서, 각 복사 집광기는 그것의 가장 높은 광전력의 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 제33항에 있어서, 임의의 두 개의 인접한 복사 집광기들에 대해,

    각각의 상기 인접한 복사 집광기들의 상기 제1 광 수신기들이 서로 가장 가깝거나;

    또는, 각각의 상기 인접한 복사 집광기들의 제2 광 수신기들이 서로 가장 가까운 것을 특징으로 하는 장치.
35. 복사 에너지를 위한 왜상형(anamorphic) 집광기에 있어서,

    a) 투명한 물질로부터 형성된 광학 바디; 및

    b) 상기 곡선형 반사면의 상기 초점 지역 근처에 배치된 적어도 하나의 광 수신기를 포함하며,

    상기 광학 바디는,

    i) 입사광을 수용하기 위한 전면; 및

    ii) 상기 전면에 대향하고 입사하는 복사 에너지에 대해 오목하며, 제1 평면에서 더 높은 광전력을 갖고 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 더 낮은 광전력을 가지며, 상기 전면 근처의 초점 지역을 향해 광을 반사하도록 처리된 곡선형 반사면을 갖는 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
36. 제35항에 있어서, 상기 전면은 평평한 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
37. 제35항에 있어서, 상기 전면은 상기 제1 평면에 직교하는 평면에서 광전력을 갖는 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
38. 제37항에 있어서, 상기 전면은 다수의 프레넬(Fresnel) 렌즈 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
39. 제37항에 있어서, 상기 전면은 굴곡을 갖는 것을 특징으로 하는 왜상형 집광 기.
40. 제35항에 있어서, 적어도 하나의 광 수신기는 적측형 광기전 전지인 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
41. 제35항에 있어서, 적어도 하나의 광 수신기는 광학 바디에 광학적으로 함침되는 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.
42. 제35항에 있어서, 상기 광학 바디는 도넛형(toroidal)인 것을 특징으로 하는 왜상형 집광기.

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