KR20090046913A - 복사 에너지를 획득하기 위한 장치 - Google Patents

복사 에너지를 획득하기 위한 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20090046913A
KR20090046913A KR1020097004421A KR20097004421A KR20090046913A KR 20090046913 A KR20090046913 A KR 20090046913A KR 1020097004421 A KR1020097004421 A KR 1020097004421A KR 20097004421 A KR20097004421 A KR 20097004421A KR 20090046913 A KR20090046913 A KR 20090046913A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
optical
reflective
axis
collector
Prior art date
Application number
KR1020097004421A
Other languages
English (en)
Inventor
존 에이치 브루닝
조슈아 엠 콥
Original Assignee
코닝 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코닝 인코포레이티드 filed Critical 코닝 인코포레이티드
Publication of KR20090046913A publication Critical patent/KR20090046913A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20—Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0038—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light
    • G02B19/0042—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light for use with direct solar radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0549—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising spectrum splitting means, e.g. dichroic mirrors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

다색성 복사 에너지 소스로부터 에너지를 획득하기 위한 장치는 광축을 가지며, 입사하는 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 집광기와, 상기 광축을 따라 배치되고 상기 집광기로부터 떨어져 집광 및 재방향된 복사 에너지의 경로에 배치된 스펙트럼 분리기를 구비한다. 상기 스펙트럼 분리기는 제1 스펙트럼 대역의 광을 제1 초점 지역 쪽으로 반사시키고 제2 스펙트럼 대역의 광을 전송하도록 처리된 제1 평면과, 상기 제1 평면으로부터 멀리 떨어져 이격되고 상기 제1 평면에 대해 경사진 제2 평면을 구비한다. 상기 제2 평면은 상기 제1 평면을 통해 상기 제1 초점 지역으로부터 멀리 떨어져 이격된 제2 초점 지역 쪽으로 반사시키도록 처리된다. 제1 및 제2 광 수신기들은 상기 제1 및 제2 스펙트럼 대역의 광들을 수신하기 위해 각 개별 초점 지역에 가장 가깝게 배치된다.
집광기, 광 수집기, 광 수신기, 복사 에너지, 태양광

Description

복사 에너지를 획득하기 위한 장치{APPARATUS FOR OBTAINING RADIANT ENERGY}
본 발명은 일반적으로 광을 효과적으로 수집하고 집광하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광을 각 수신기 쪽으로 각각 보내 둘 이상의 스펙트럼 대역으로 수집하고 분리하는 장치에 관한 것이다.
복사 에너지의 효과적인 수집 및 집광은 수 많은 응용들에 있어 유용하며, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치들에 대한 특정한 값이 된다. 집광기식 태양 전지는 그것이 태양 에너지의 상당량을 획득하도록 하여, 열로서 또는 광기전 수신기로부터 직류 생성을 위해 그 에너지를 집광하도록 하는 것을 가능하게 한다.
태양 에너지를 획득하기 위한 대규모 집광기는 전형적으로 초점에 위치되는 수신기 위에 광을 집광하기 위한 광학 시스템으로서 카세그레인(Cassegrain) 배열로 된 대향하는 곡선형 미러 세트를 포함한다. 상기 카세그레인 모델을 사용하는 몇몇 예로서, 나카무라(Nakamura)의 "Sunlight Collecting System"으로 명칭된 미 국 특허 번호 제5,979,438호 및 윈스턴(Winston) 등의 "High Flux Solar Energy Transformation"으로 명칭된 미국 특허 번호 제5,005,958호 모두는 대향하는 1차 및 2차 미러 세트를 사용하는 대규모 태양 에너지 시스템을 기술하고 있다. 더욱 컴팩트(compact)한 수집 장치를 제공하기 위해 최근 더욱 발전됨에 따라, 평판 집광기(planar concentrators)는 롤랜드 윈스턴(Roland Winston)과 제프리 엠. 고든(Jeffrey M. Gordon)에 의해 옵픽스 레터스(Optics Ltters)지, Vol 30 no. 19, 페이지 2617-2619에 "Planar Concentrators Near the Etendue Limit"로 명칭된 논문에 기술된 바와 같이 도입되었다. 평판 집광기는 마찬가지로 고광속 집광을 제공하기 위해 유전체 광학 물질에 의해 분리되는 카세그레인 배열로 된 1차 및 2차 곡선형 미러를 사용한다.
도 1a는 집광을 위한 기본적인 카세그레인 배열을 나타낸다. 광축(O)을 갖는 광기전 장치(photovoltaic apparatus)(10)는 포물선형 1차 미러(12)와, 상기 1차 미러(12)의 초점 가까이에 위치된 2차 미러(14)를 구비한다. 그런 다음, 수신기(16)는 상기 1차 미러의 정점(vertex)에서, 상기 광학 시스템의 초점에 놓인다. 이러한 구조로 인해 인식된 문제점인, 상기 카세그레인 모델 본래의 문제점은 2차 미러(14)가 광축상에 차단물로 제공되어 사실상 약 10%만큼의 광의 일부가 1차 미러(12)에 도달하지 않아, 광기전 장치(10)의 전체 집광 성능을 감소킨다는 점이다. 이러한 차단은 상기 집광기가 회전 대칭형 대신 원통형일 경우 특히 클 수 있다. 2차 미러(14)에 의해 제공된 차단 경로에 있어, 1차 미러의 정점에서의 수신기(16)의 배치는 상기 차단에 의해 발생된 손실을 다소 완화시키는 것을 돕는다. 하지만, 원통형 광학 구성에 있어, 상기 차단 크기는 1차 미러(12) 직경이 소정의 증가되는 크기에 비례하여 커지므로, 치수를 조절함으로써 다시 얻게 되는 차단 손실은 거의 또는 전혀 없다. 이는 보다 커다란 미러의 직경을 확장하는 것은 보다 작은 미러로부터 차단에 의해 생긴 본래 손실을 크게 변화시키지 않는다는 것을 의미한다.
일부 유형의 태양 에너지 시스템들은 광 에너지를 열로 변환시킴으로써 동작한다. 다양한 유형의 평판 수집기들(flat plate collectors)과 태양 집광기들(solar concentrators)에 있어, 집광된 태양광은 전력 생성을 위해 상기 태양 전지를 통해 이동하는 유체를 고온으로 가열한다. 박막으로 보다 컴팩트한 기기들에 사용을 위해 더욱 적응가능한 대안적인 유형의 태양 변환 메커니즘은 태양광을 전기 에너지로 직접 변환시키기 위해 광기전(photovoltaic: PV) 물질을 사용한다. 광기전 물질은 다양한 유형의 실리콘과 다른 반도체 물질들로부터 형성되며, 예를 들면, 뉴멕시코(NM)주 앨버커키(albuquerque)의 엠코어 포토볼테익스社(Emcore Photovoltaics)와 같은 수 많은 제조사들에 의해 제공된 반도체 제조 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 실리콘이 더 저렴하나, 더욱 고성능의 광기전 물질은 질소 및 비소와 같은 성분과 함께, 알루미늄, 갈륨, 및 인듐과 같은 성분들로 만들어진 합금이다.
잘 알려진 바와 같이, 태양광은 자외선(UV)에서 가시광선을 거쳐 적외선(IR) 파장들의 범위를 갖는 폭넓게 분포된 스펙트럼 내용을 내포하는 매우 다색성의 파장으로, 각 파장은 전형적으로 전자-볼트(eV)란 용어로 표현되는 연관된 에너지 레벨을 갖는다. 반도체 물질들 간의 다른 밴드-갭(band-gap) 특성들로 인해, 어느 하나의 특정한 광기전 물질의 반응이 입사 파장에 좌우된다는 것은 놀라운 일이 아니다. 어느 한 물질의 밴드 갭 이하의 에너지 레벨을 갖는 광자가 빠져나간다. 예를 들면, 적색광의 광자(사실상 약 1.9ev)는 높은 밴드-갭 반도체에 의해 흡수되지 않는다. 그러는 동안, 어느 한 물질에 대한 밴드 갭보다 더 높은 에너지 레벨을 갖는 광자가 흡수된다. 예를 들면, 자와선 광자(사실상 약 3eV)로부터의 초과 에너지는 낮은 밴드-갭 반도체에서 열로 소모된다.
광기전 물질로부터 더욱 높은 효율을 획득하기 위한 한가지 전략은 적층형 광기전 셀(stacked photovoltaic cell)를 형성하는 것으로, 간혹 다중접합 광기전 장치로도 불린다. 이러한 장치들은 서로의 상단에 다중의 광기전 셀을 적층함으로써 형성된다. 이러한 설계로 인해, 상기 스택(stack)에서 각 연속된 광기전 셀은 입사 광원에 대해 더 낮은 밴드-갭 에너지를 갖는다. 단순한 적층형 광기전 장치에 있어, 예컨대, 갈륨비소(GaAs)로 이루어진 상위 광기전 셀은 더욱 높은 에너지의 청색광을 포획한다. 안티몬화 갈륨(GaSb)으로 된 제2 셀(cell)은 더욱 낮은 에너지의 적외선 광을 전기로 변환시킨다. 적층형 광기전 장치의 일례가 사노(Sano) 등의 "Stacked Photovoltaic Device"로 명칭된 미국 특허 번호 제6,835,888호에 기술되어 있다.
적층형 광기전 셀은 전체 효율에 있어 약간의 측정 향상을 제공할 수 있지만, 이러한 다층 장치들은 제조하는데 많은 비용이 들 수 있다. 또한, 서로의 상단에 함께 적층될 수 있는 물질의 유형들에 제한이 있을 수 있으며, 이러한 제한은 이러한 적층 방법이 폭넓은 범위의 응용들에 경제적임을 증명하는 것을 어렵게 한다. 또 다른 방법은 파장에 따라 광을 두 개 이상의 스텍트럼 부분으로 분리하고, 나란히 배열된 두 개 이상의 광기전 수신기들에 의해, 적절한 광기전 수신 장치 위에 상기 각 부분을 집광하는 것이다. 이러한 방법으로, 광기전 장치 제조는 더욱 간단하고 더욱 저렴하며, 더욱 폭넓은 다양한 반도체가 사용을 위해 고려될 수 있다. 이러한 유형의 해결 방법은 광을 적절한 스펙트럼 성분들로 분리하고, 그에 대응되는 광기전 표면 위에 각 스펙트럼 성분을 집광하는 두 가지 모두를 위한 광학계(optics)를 지원하는 것을 필요로 한다.
충분한 세기로 동시에 광을 분리하고 집광하기 위해 제시된 한 해결 방법이 엘. 프라스(L. Fraas), 제이. 에버리(J. Avery), 에이치. 후앙(H. Huang), 및 이. 쉬프만(E. Shifman)에 의해 2005년 5월, Solar Concentration for the Generation of Electricity or Hydrogen 이라는 국제 컨퍼런스에서 발표된 "New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells"로 명칭된 논문에 기술되어 있다. 이 논문에 기술되어 있으며, 도 1b에 개략적으로 나타낸 모듈에 있어, 곡선형 1차 미러(12)는 광을 수집하여 이 광을 상기 1차 미러의 초점면 근처의 이색성의 쌍곡선형 2차 미러(14) 쪽으로 보낸다. IR 광은 상기 1차 미러의 초점면 근처의 제1 광기전 수신기(16)로 집광된다. 상기 2차 미러는 근가시광(near-visible light)을 상기 1차 미러의 정점 근처에 위치된 제2 광기전 수신기(18)로 재방향시킨다. 이러한 방식으로, 각 광기전 수신기(16 및 18)는 최적화되도록 광 에너지를 획득하여, 태양 전지 시스템의 전체 효율을 증가시킨다.
프라스 논문에 이점으로 나타낸 방법은 스펙트럼 분리를 제공하고 동일한 광학 부품 세트를 사용하여 광을 집광하나, 그것이 제시하는 해결 방법에 대한 일종의 상당한 제한이 있다. 첫 번째 문제는 앞서 언급했던 것처럼, 개구부의 차단으로 인한 전체 손실에 관한 것이다. 또 다른 문제로서, 프라스 등에 의해 기술된 장치는 그것이 회전 대칭으로 인해 각 축에서 높은 집광도를 갖기 때문에 천정의 제한된 시야각(field of view)를 갖는다. 또 다른 결함은 단일 광기전 수신기에 제공된 가시광의 폭넓은 대역폭에 관한 것이다. 가시광에 흔히 사용되는 많은 유형의 광기전 물질들에 의해, 광 에너지의 상당량은 아마도 과도한 가열을 야기하는 그런 방법을 사용하여 계속 소모될 것이다.
프라스 논문에 제시된 해결 방법에서 쌍곡선형 미러에 사용된 것과 같은 이색성 표면들은 다른 굴절률과 다른 특성들을 갖는 다중의 중첩 층들로부터 형성된 코팅들로부터 획득된 간섭 효과들을 사용하여 광의 스펙트럼 분리를 제공한다. 동작에 있어, 이색성 코팅들은 입사각과 파장의 함수에 따라 광을 반사시키고 전송시킨다. 입사각이 변함에 따라, 이색성 표면에 의해 전송되거나 반사된 광의 파장도 변한다. 이색성 코팅이 법선으로부터 약 +/- 20도를 넘는 각도들에서 입사각으로 사용되는 경우, 바람직하지 않은 스펙트럼 효과가 발생할 수 있어 입사각의 변화로 인한 광의 스펙트럼 분리는 더욱 높은 각도들에서 절충된다.
스펙트럼 분리를 위해 이색성 표면들을 사용하는 수많은 광 수집 해결 방법들이 존재해 왔다. 예를 들면, www.scienedirect.com에서 온라인으로 이용가능한 "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)는 이색성 표면들을 사용하는 무언가를 포함하는 태양열 수집 시스템의 설문을 제공한다. 예를 들면, 타워 리플렉터(tower reflector)의 설명(이메네스와 밀즈 논문에서 도 24)에 광학 수집 시스템의 일부로서 곡선형의 이색성 빔스플리터(beamsplitter)를 사용하여 제시된 한가지 해결 방법을 나타낸다. 이러한 표면상의 일부 광의 높은 입사 각도들은 이러한 해결 방법이 광 효율에 있어 덜 만족되게 한다. 마찬가지로, 소울(Soule)에 의한 "Hybrid Solar Energy Generating System"으로 명칭된 미국 특허 번호 제4,700,013호는 선택형 히트(heat) 미러로 이색성 표면의 사용을 설명한다. 하지만, 상기에 인용한 이메네스 논문에 언급한 바와 같이, 소울의 '013 특허에 나타낸 방법은 상당한 광학적 손실을 나타낸다. 일종의 이러한 손실은 사용되는 상기 선택형 히트 미러로 보낸 광의 높은 입사각들과 관련이 있다.
포물선형 미러로부터 초점된 광을 위한 이색성 표면 형상과 배치가 갖는 본래 문제점들이 있다. 포물선형 반사기의 초점 지역 근처에 위치된 평판 이색성 표면은 광 수집 시스템의 규격을 제한하는 많은 설계에 대해 조악한 분리 성능을 나타낼 것이다. 쌍곡선형 표면과 같은 적절히 굴곡된 이색성 표면은 상기 초점 지역에 또는 부근에 위치될 수 있으나, 앞서 언급한 바와 같이, 이용가능한 광의 일부를 차단한다.
도 1c는 평판 이색성 빔스플리터(20)을 사용한 복사 에너지 수집 장치에서의 스펙트럼 분리를 위해 수많은 실시예들에서 제시되었던 종래 방법의 단순화된 버전을 나타낸다. 입사광은 렌즈(22)에 의해 집광되어 빔스플리터(20)로 보내져 45도 방향으로 향하게 되며, 스펙트럼 대역의 일부를 제1 광기전 수신기(16)로 반사시키고, 스펙트럼 대역의 또 다른 일부를 제2 광기전 수신기(18)로 전송한다. 이러한 일반적인 유형의 방법이 Photovoltaic Energy Conversion에 대한 2006 IEEE4th 월드 컨퍼런스(World Conference)에서 발표된 바네트(Barnett) 등의 "50% Efficient Solar Cell Architectures and Designs"로 명칭된 "측면 광학 시스템"으로 기술된다. 앞서 언급된 이메네스 등의 논문에서 도 19, 23, 및 24는 이러한 일반적인 방법에 기초한 일종의 대안적인 구성들을 나타낸다.
상기 측면 광학 유형의 시스템은 우수한 광학 전송 수준을 나타내나, 상대적으로 저효율을 갖는다. 이는 적어도 부분적으로 빔스플리터(20)의 이색성 표면상에 상대적으로 높은 광의 입사각들로 인해 상당한 양의 스펙트럼 혼합으로 인한 것이다. 이색성 코팅들은 입사각과 파장의 함수로 광을 반사시키고 전송한다. 상기 입사각이 변함에 따라, 전송되거나 반사되는 광의 파장도 변한다. 따라서, 빔스플리터(20)로부터 반사된 광의 스펙트럼 내용은 에너지 변환 효율을 감소시키는 수신기들(16 및 18)의 표면을 통해 변한다.
조악한 이색성 표면 반응과 같은 차단물에 대하여, 종래 방법들은 각 스펙트럼 성분의 우수한 스펙트럼 분리와 효율적인 광속 집광 모두 동시에 달성하기 위해 많은 제한된 해결 방법들만이 제공되었었다. 도 1a와 1b의 카세그레인(Cassegrain) 모델이 최적화될 수 있느나, 항상 1차 미러의 초점 부근에 차단물이 제공되며, 이에 따른 고유의 단점을 갖고 있다. 이색성 분리를 사용한 해결 방법들은 상기 이색성 표면상의 입사광의 각도가 법선에 대해 낮을 경우 가장 잘 수행한다; 하지만, 도 1c에 도시된 것처럼, 많은 제시된 설계들은 조악한 분리를 초래하거나, 또는 광을 잘못 보내 효율 감소를 초래하는 이러한 스펙트럼 분리 특성에 대한 충분한 고려를 한 것으로 여겨지지 않는다.
따라서, 개선된 스펙트럼 분리도와 광 집광도를 제공하고, 이러한 평판 설계에 사용하기 위해 쉽게 크기 조정될 수 있고, 간단히 제조될 수 있으며, 종래 광기전 해결 방법들에 비해 증가된 효율을 제공하는 광기전 셀(cell)에 대한 요구가 있음을 알게 되었다.
본 발명의 목적은 광 수집과 스펙트럼 분리의 기술을 발전시기는 것이다. 이러한 목적을 고려하여, 본 발명은 다색성 복사 에너지 소스로부터 에너지를 획득하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는:
a) 광축을 갖는, 입사 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 집광기;
b) 상기 집광기로부터 이격되고, 상기 광축을 따라 집광된 경로에 배치되며, 복사 에너지를 재방향시키는 스펙트럼 분리기; 및
c) 제1 및 제2 광 수신기를 포함하되,
상기 스펙트럼 분리기는,
(i) 상기 집광기로부터 수신된 제1 스펙트럼 대역의 광을 제1 초점 지역 쪽으로 반사시키고 제2 스펙트럼 대역의 광을 전송하도록 처리된 제1 평면;
(ii) 상기 제1 평면으로부터 이격되고, 상기 제1 평면에 대해 경사진 제2 평면을 포함하되, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면을 통해 상기 제1 초점 지역으로부터 이격된 제2 초점 지역 쪽으로 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 다시 반사시키도록 처리되며,
상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징은 광을 적어도 두 개의 스펙트럼 대역으로 분리하는 스펙트럼 분리와 수신기 상에 집광하는 각 분리된 스펙트럼 대역의 집광 모두를 제공한다는 것이다.
본 발명의 이점은 작은 입사각으로 상기 스펙트럼 분리기의 표면 쪽으로 광을 보냄으로써 광 수신기들 상에 복사 에너지를 집광하기 위해 개선된 효율을 제공할 수 있다는 것이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 본 발명의 대표적인 실시예를 나타내고 설명하는 도면들과 함께, 하기의 상세 설명을 읽을 때 당업계에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 분명해질 것이다.
도 1a는 카세그레인 모델을 사용한 광 수집기를 나타내는 개략도.
도 1b는 곡선형 이색성 표면을 갖는 카세그레인 모델을 사용한 광 수집기를 나타내는 개략도.
도 1c는 스펙트럼 분리를 위해 종래 배열에 있어 빔스플리터를 사용한 광 수집기를 나타내는 개략도.
도 2a와 2b는 일 실시예에서 각각 더욱 높고 더욱 낮은 에너지 광에 대한 광 경로들을 나타내는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 사시도.
도 4는 광학 경로의 한 측면으로 쉬프트된 광 수신기들을 갖는 대안 실시예의 사시도.
도 5는 광학 경로의 다른 측면으로 쉬프트된 광 수신기들을 갖는 대안 실시예의 사시도.
도 6는 접힌 광학 경로들을 갖는 실시예에 있어 더욱 높은 에너지 광의 경로를 나타내는 개략도.
도 7은 접힌 광학 경로들을 갖는 실시예에 있어 더욱 낮은 에너지 광의 경로를 나타내는 개략도.
도 8은 반사형 집광기를 사용하고 낮은 에너지 광에 대한 경로를 나타내는 실시예를 도시하는 사시도.
도 9는 반사식 집광기를 사용하고 높은 에너지 광에 대한 경로를 나타내는 실시예를 도시하는 사시도.
도 10a, 10b 및 10c는 높은 에너지 광, 더욱 낮은 에너지 광, 및 오프-액시 스 광 각각에 대한 오프-액시스 반사 포물선형 설계를 사용한 광 처리를 나타낸 개략도.
도 11은 도 10a, 10b 및 10cdp 나타낸 실시예의 사시도.
도 12는 오프-액시스 반사 비구면 광 수집기와 결합된 본 발명의 또 다른 실시예의 구성요소들을 나타내는 개략도.
도 13은 결합된 오프-액시스 반사 포물선형을 사용한 낮은 에너지 광의 처리를 나타내는 개략도.
도 14는 결합된 오프-액시스 반사 포물선형을 사용한 높은 에너지 광의 처리를 나타내는 개략도.
도 15는 결합된 오프-액시스 반사 포물선형을 사용한 낮고 높은 에너지 광 모두의 결합된 처리를 나타내는 개략도.
도 16은 본 발명의 광기전 장치의 원통형 실시예를 나타내는 사시도.
도 17은 일 실시예에서 광기전 장치의 어레이를 나타내는 계획도.
도 18은 결합된 오프-액시스 반사 포물선형으로부터 형성된 광기전 장치의 어레이를 나타내는 사시도.
도 19는 복사 소스의 변화 위치에 적응되도록 추적하는 태양 에너지 장치를 나타내는 개략적인 사시도.
본 발명은 향상된 스펙트럼 분리와 고도의 광속 집광을 제공하고, 앞서의 방 법들에 의해 제공된 성능들을 능가하는 집광기를 제공한다. 본 발명의 집광기는 개별 셀으로서 또는 광기전 셀 어레이의 일부로서 구현된 광기전 셀의 광학 성분으로 사용될 수 있다. 본 발명의 장치가 광기전 응용들에 잘 맞는 반면, 스펙트럼적으로 분리되었던 집광된 광 에너지를 획득하는데 유리한 소정의 응용에 사용될 수 있도록, 그 유용성의 범위는 더욱 넓다.
본원에 폭넓게 사용된 "광(light)"이란 용어는 적외선, 가시광선, 및 자외선을 포함하는 파장들에 걸친 "다색성 광(polychromatic light)"으로 된 전자기 스펙트럼에서의 복사 에너지를 말한다. 본 발명 내내, 기준들은 파장에 따라 상대적으로 더욱 낮거나 더욱 높은 에너지 레벨을 갖는 일부의 전자기 스펙트럼들에 의해 만들어진다. 상기 광기전 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것과 같이, 더욱 낮은 에너지 광과 더욱 높은 에너지 광 사이의 임계값은 상당 부분 사용된 상기 광기전 수신기들의 특성에 좌우한다. 이어지는 설명은 일부 실시예들에 사용된 예로서의 임계값들을 부여할 수 있는 반면, 본 발명의 장치들과 방법들은 상기 임계값이 광범위에 걸쳐 변할 경우 더욱 폭넓게 적용될 수 있다.
"경사각(oblique angle)"이란 용어는 직각(90도)보다 크든 작든 그 기준에 대해 평행하지 않다는 그 종래의 의미를 가지고 있다.
"광축(optical axis)"이란 용어는 잇따라 설명된 각각의 실시예들에 대한 그 종래의 의미를 가지고 있다. 회전 대칭 광학계에 있어, 상기 광축은 단순히 회전 대칭축에 대응된다. 하지만, 비대칭 광학계에 있어, 상기 광축은 일반적으로 광을 집광하는 광학 성분의 개구부에 집중되는 광선에 의해 얻어진 경로로 더 정의된다. 원통형 광학계에는 평면에 대한 대칭축이 있을 수 있다; 이는 광축에 대응되거나 대응되지 않을 수 있다. 원통형 광학 장치에 있어, 상기 광축은 상기 원통형 장치가 연장되는 방향에 직교하는 광 전력이 있는 평면에 존재한다. 명확히 하기 위해, 광축이란 용어는 다중 성분들을 포함하는 더 큰 광학 시스템에 비례하기보다는 단일 굴절형 또는 반사형 광학 성분에 비례하는 것으로 하기 설명에 사용된다. 더욱 일반적인 "광 경로(optical path)"란 용어는 본 발명의 광학 시스템에서 광의 특정한 스펙트럼 성분에 의해 획득된 경로를 설명하기 위해 본원에 사용된다.
본 발명에 참조된 도면들은 본 발명의 장치의 일반적인 개념과 주요 구조와 구성요소들을 도시한다. 이러한 도면들은 일정한 비율로 그려진 것은 아니며, 명확히 하기 위해 구성요소들의 규격들과 상대적 배치를 과장되었을 수 있다. 게다가, 굴절의 각도는 표시된 경우 대표적으로만 존재하고, 사용된 유전체 물질과 입사광의 각도에 좌우하여 변할 것이다. 본원에 기술된 스펙트럼 대역들은 제한하는 것이 아닌 예로서 주어진다.
잘 알려져 있는 것처럼, 특정 광학 시스템에 의해 획득되는 집광은 그 전체 구조에 좌우한다. 예를 들면, 완벽한 회전 대칭의 포물선형 반사기는 이상적으로는 조사된 광을 "초점(focal point)"으로 보낼 것이다. 하나의 축만을 따르는 광 전력을 갖는 원통형의 포물선형 반사기는 이상적으로는 조사된 광을 "초점선(focal line)"으로 보낼 것이다. 하지만, 광학 제조분야에 있어 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려져 있는 것처럼, 이러한 이상적인 구조의 형태들에 대한 합당한 방법만이 실제로 실시될 수 있으며, 완벽한 초점도 또는 완벽한 초점선도 효율적인 집 광을 위해 달성가능하거나 요구되지 않는다. 따라서, 이상적인 "초점" 또는 "초점선" 이란 용어를 사용하는 대신, 본 발명의 명세서와 청구항들은 보다 일반적인 "초점 지역(focal region)"이란 용어를 사용한다. 이어진 설명에서, 광학적 구조에 대한 초점 지역은 그 구조로부터 가장 높은 집광의 공간적 구역 또는 부근이 되는 것으로 간주한다.
도 2a와 2b의 측단면도와 도 3의 사시도는 본 발명에 따른 태양 또는 다른 다색성 광원으로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 광기전 장치(30)를 나타낸다. 집광기(light concentrator)(32)는 상기 다색성 광을 스펙트럼 분리기(40) 쪽으로 보내는데, 상기 스펙트럼 분리기는 이러한 입사광의 어느 한 스펙트럼 부분을 도 2a의 대표적인 광선(R)에 대해 나타낸 바와 같은 제1 수신기(34)로 그리고 상기 광의 또 다른 스펙트럼 부분을 도 2b에 나타낸 바와 같은 제2 수신기(36)로 재방향시킨다. 제1 및 제2 수신기(34 및 36)는 대응되는 스펙트럼 대역들의 광에 대한 적절한 초점 지역에 사실상 배치된다. 즉, 상기 제1 광 수신기는 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위한 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 수신기는 제2 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위한 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치된다.
스펙트럼 분리기(40)는 이색성 표면(44)과 반사 표면(46)인 두 개의 평판 반사표면을 갖는 웨지-형태(wedge-shape)로 형상된다. 이색성 표면(44)은 더욱 짧은 파장들에서의 광을 제1 수신기(34) 쪽으로 반사시키고 더욱 긴 파장들을 전송하는 코팅으로 처리된다. 반사 표면(46)은 광대역 반사기로서 상기 더욱 긴 파장들을 이색성 표면(44)을 통과하여 다시 제2 수신기(36)상에 반사시킨다. 반사 표면(46)은 고 반사율의 미러형 표면이 되거나 또는 이색성 코팅을 갖추고 있을 수도 있다.
이색성 표면(44)과 반사 표면(46)은 평행하지 않으나, 웨지 형태를 형성하기 위해 서로에 대해 기울어져 있다. 도 2a와 2b의 실시예들에 있어, 표면들(44 및 46)은 일반적으로 유리 또는 다른 고체 유전체 물질과 같은 사실상 투명한 광학 물질의 대향면들 상에 형성된다; 하지만, 대안 실시예에서 표면들(44 및 46)은 공기에 의해 분리될 수도 있다. 집광기(32)에 대한 광축(O)은 이색성 표면(44)과 반사 표면(46) 중 적어도 하나에 대해 수직이 아닌 각도로 존재한다. 광기전 장치(30)의 전체 광학 시스템을 위해, 스펙트럼 분리기(40)는 더욱 길고 더욱 짧은 파장 광에 대한 개별적인 광학 경로들을 효과적으로 제공한다. 도 2a와 2b에 도시된 바와 같이, 더욱 길고 더욱 짧은 파장 광 경로들은 상기 집광기(32) 광축(O)의 어느 쪽 면이든 집광기(32)의 개구부의 일부를 차단하는 수신기들(36 및 34)로 보내질 수 있다. 대안적으로, 잇따른 실시예들에 나타낸 바와 같이, 더욱 긴 파장 광 경로든 더욱 짧은 파장 광 경로든 또는 둘 모두이든 집광기(32)의 상기 개구부 바깥쪽에 배치되는 수신기들(36 및 34)로 보내질 수 있다.
도 2a와 2b의 광학적 구성은 입사광 각도들에 대해 다른 광기전 장치 설계들에 비하여 이점이 있다. 다색성 입사광은 법선에 대해 상대적으로 약간 기울어진 각도로 존재하는 이색성 표면(44)으로 보내져, 우수한 이색성 성능과 그로 인한 향상된 효율을 제공한다.
광이 수신기들(34 및 36) 상에 사실상 초점 맞춰질 때 광 변환을 위한 가장 높은 집광이 달성된다. 집광기(32)가 렌즈와 같은 굴절 성분일 때 다소 소량의 색 수차(chromatic aberration)가 존재한다. 굴절식 집광기(32)에 의한 색수차의 효과에 따라, 더욱 긴 파장들은 더욱 짧은 파장들보다 더욱 긴 광학 경로를 가지며, 이에 따라 더욱 짧은 파장들에 대한 초점 거리보다 점차 더욱 늘어난 거리에서 초점 맞춰진다. 일 실시예에서, 이러한 약간의 광학 경로 길이 차이는 단순히 수신기들(34 및 36)이 동일한 평면 내에 놓이지 않으나 서로로부터 약간 상쇄된다는 것을 의미한다. 하지만, 또 다른 실시예에서, 예컨대, 평판에 또는 플라스틱 또는 유리 시트에 이러한 장치들을 장착할 때와 같이, 사실상 동일한 평면 내에 수신기들(34 및 36) 모두를 장착하는 것이 바람직하다. 그러한 경우, 이러한 광학 경로 길이 차이는 스펙트럼 분리기(40) 내의 이색성 표면(44)과 반사 표면(46) 간에 사용되는 유전체 물질의 적절한 선택에 의해 보상될 수 있다. 광학 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 그러한 유전체 물질에 의해 제공될 수 있는 광학 경로 보상의 양은 그 두께에 비례하고, 그 굴절률에 반비례한다. (또한, 반사 표면(46)으로부터 반사되는 광은 입사 방향과 아웃바운드(outbound) 방향 모두로 상기 유전체 물질을 통해 전송되고, 이에 따라 주어진 유전 물질의 두께로 인한 광학 경로 보상 효과는 두 배가 된다는 것을 염두에 두는 것이 유용하다.)
앞서 언급된 바와 같은 카세그레인 방법과 같이, 도 3의 실시예는 수신기들(34 및 36)이 입사광의 경로에 놓이기 때문에, 집광기(32)의 개구부 일부를 차단하는 문제점을 나타낸다. 하지만, 이러한 차단은 상기 차단물이 초점 지역에 놓이기 때문에 카세그레인 방법에서 차단되는 것보다 덜 비례적으로 차단된다. 도 4와 5의 실시예는 집광기(32)의 광축(O)에 대한 스펙트럼 분리기(40)의 각 방 향(angular orientation)을 쉬프팅시킴(shifting)으로써 이러한 차단 문제점을 교정한다. 도 4의 사시도에 나타낸 바와 같이, 상술한 실시예에 대해 기술된 바와 같은 웨지형 표면들(44 및 46)을 갖는 스펙트럼 분리기(40)는 집광기(32)에 의해 굴절되는 광을 수신한다. 스펙트럼 분리기(40)는 통상 z축으로 할당된 광축(O)을 따라 위치되나, 상기 z축에 수직이 아니고 직교하는 x와 y축들 중 적어도 하나에 대해 기울거나 경사진 적어도 하나의 표면(44, 46)을 구비한다. 도 4에 사용된 명명법에 있어, y축에 대한 회전을 α라 하고; x축에 대한 회전을 β라 한다. 이러한 틸트(tilt) 결과, 각 수신기들(34 및 36)에 대한 초점 지역들은 집광기(32)의 광축(O)으로부터 멀리 떨어지고 개구부로부터 멀리 떨어져 집광기(32)의 한 면으로 쉬프트한다.
도 4와 5의 배열은 또한 스펙트럼 분리기(40)의 이색성 표면 또는 표면들(44 및 46)에 대한 입사 각도들을 줄이는데 유리하다. 이러한 실시예는 입사광의 경로를 벗어나 그에 따라 집광기(32)의 개구부 바깥으로 수신기들(34 및 36)을 이동하기 때문에, 효율 이득이 이러한 방법에 의해 획득될 수 있다.
더욱 긴 초점 길이를 획득하기 위해 분리된 광의 광학 경로를 접는 구성들이 유리할 수 있다. 도 6과 7을 참조하면, 광학 경로에 폴드 미러(fold mirror)(48) 또는 다른 적합한 반사 표면을 구비한 광기전 장치(30)의 실시예가 도시된다. 늘어난 두께를 갖는 스펙트럼 분리기(40)가 도시된다. 여기서, 반사 표면(46)은 용융 실리카(fused silica) 상에 은이나 금을 사용하여 형성될 수 있다. 도 6의 광 경로들에 나타낸 바와 같이, 더욱 높은 에너지의 광은 이색성 표면(44)으로부터 반사되 어 미러(48)를 통해 수신기(34)로 보내진다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 더욱 낮은 에너지의 광은 이색성 표면(44)을 지나 통과하고, 스펙트럼 분리기(40)에서 굴절되고, 반사 표면(46)으로부터 반사된다. 이러한 낮은 에너지의 광은 다시 한번 이색성 표면(44)을지나 통과하여 미러(48)를 통해 수신기(36)로 보내진다.
도 2a와 2b에 대해 언급했던 것처럼, 굴절광 집광기는 일반적으로 일종의 색수차의 양을 나타낸다. 도 8과 9는 이러한 문제를 제거하는 바사형 집광기(32)를 사용하는 오프-액시스(off-axis) 비구면 실시예를 나타낸다. 대표적인 광선(R)에 의해 나타낸 바와 같은 입사되는 다색성 광은 도 8과 9에 나타낸 것과 같은 입사광 오프 액시스에 의해 반사식 집광기(32), 일 실시예에서 포물선형 미러의 표면으로부터 반사된다. 상기 광이 두 개의 스펙트럼 대역으로 분리시키는 스펙트럼 분리기(40)를 향해 광이 보내지고, 그에 해당하는 수신기(34 또는 36)로 각 스펙트럼 대역을 보낸다.
도 2a 내지 9의 실시예들은 공중에서 도시되었다. 하지만, 스펙트럼 분리를 위해 광학적 집광기와 웨지형 표면을 사용한 동일한 개념이 고체 유전체 매질을 통해 반사 성분들로 광을 보내는 실시예들에 적용가능하다.
도 10a, 10b, 10c, 11, 12, 13, 14, 및 15의 실시예들은 유리 또는 광학 플라스틱과 같은 고체 유전체 매질을 사용하여 형성된 광기전 장치(30)의 실시예들을 도시한다. 이러한 실시예들은 (도시된 바와 같이 면에 수직인) 그 가장 높은 광 전력의 방향에 직교하는 축을 따라 연장되는 원통형이 될 수 있다. 그런 다음, 더욱 낮고 더욱 높은 에너지의 광에 대한 제1 및 제2 초점 지역들은 선형이다. 광기전 장치(30)는 대안적으로 두 개의 직교하는 축들에 따른 광 전력을 갖는 환상면체(toroidal)가 될 수 있을 것이다.
도 10a와 10b는 넓은 시야각(FOV)을 갖는 광기전 장치(30)를 제공하기 위해 오프-액시스(off-axis) 비구면 광학 설계를 사용한 또 다른 실시예를 도시한다. 외관은 다르지만, 도 10a와 10b의 비구면 설계는 다색성 입사광의 각도와 스펙트럼 내용에 좌우하여 변하는 스펙트럼 분리 및 방향 변경(redirection)을 갖는 도 8과 9의 실시예와 유사한 방식으로 동작한다. 이러한 실시예는 유리 또는 광학 플라스틱과 같은 고체 유전체 매질로 형성되거나 그 위에 형성된 광기전 장치(30)의 광학 성분들에 의한 원통형 배열에 특히 적응가능하다. 도 10a는 어느 한 스펙트럼 대역의 더욱 높은 에너지의 광에 대한 광학 경로를 도시한다; 도 10b는 더욱 긴 파장들의 더욱 낮은 에너지의 광에 대한 광학 경로를 나타낸다. 입력면(58)에서의 입사광은 이 실시예에서 오프-액시스 반사형 비구면 표면인 집광기(32)로 보내진다. (면의 단면에서의) 회전 대칭축(As)이 도 10a와 10b에 도시된 방향으로 포물선 아래에 존재한다. 집광기(32)는 다색성 입사광을 집광하여 그것을 스펙트럼 분리기(40)로 보낸다. 스펙트럼 분리기(40)는 낮은 에너지의 광으로부터 높은 에너지의 광을 분리한다. 예를 들면, 일 실시예에서, 스펙트럼 분리기(40)는 사실상 약 750nm 내외인 근-적외선 파장들에서의 스펙트럼 대역을 분리한다. 이색성 표면(44)은 도 10a에 가장 잘 나타낸 것처럼, 높은 에너지의 광을 수신기(34)로 반사시키고 더욱 낮은 에너지의 광을 전송한다. 반사 표면(46)은 도 10b에 가장 잘 나타낸 것처럼, 상 기 전송된 더욱 낮은 에너지의 광을 이색성 표면(44)을 통해 다시 수신기(36) 쪽으로 반사시킨다.
공중이라기보다 고체인(즉, 유전체 물질을 사용하여 형성된) 실시예들의 한 가지 이점은 시야각(field of view: FOV)에 관한 것이다. 도 10c는 확대된 FOV가 총 내부 반사율(total internal reflection: TIR)로 인해 어떻게 이용가능하지를 개략적으로 도시한다. 도 10c에서, 이러한 비구면 실시예에서의 광기전 장치(30)는 오프-액시스 광을 수신한다. 집광기(32)는 다색성 입사광을 스펙트럼 분리기(40) 쪽으로 보낸다. 유리하게는, 입력면(58)이 유전체 광학 매질 내의 총 내부 반사율(TIR)을 위해 충분한 각도를 갖는 광을 재방향시킴으로써 광학 경로를 효과적으로 접는 광기전 장치(30) 내 광을 위한 반사 표면 역할을 한다. 도 11의 사시도는 입력면(58)의 측면에서 보는 이러한 TIR 효과를 도시한다.
도 10a 내지 11에 나타낸 실시예들에서와 같이, 면의 단면에서의 대칭축(As)은 집광기(32)의 표면을 가로지르지 않는다. 대칭축(As)은 이러한 배열에 관한 광축을 구성하지 않는다; 대신에, 광축(O)은 앞서 언급되었던 것처럼 집광기(32)의 입력 개구부에 대해 간단히 정의된다.
도 10a 내지 11의 배열에 의한 한 가지 난점은 소모될 수 있는 트래핑된(trapped) 광의 다소 적은 부분에 관한 것이다. 이색성 반사가 불완전하기 때문에, 이색성 표면(44)을 통해 잘못 전송된 더욱 낮은 파장 광의 일부 광 누출이 있을 수 있다. 이러한 광의 일부는 이색성 표면(44)과 반사 표면(46) 사이에서 효과 적으로 트래핑될 수 있다.
도 12, 13, 14, 및 15에 도시된 실시예는 도 10a 내지 11의 배열을 펼쳐 그렇게 함으로써 상기 효과를 줄이기 위해 트래핑된 광의 문제를 처리한다. 먼저, 도 12를 참조하면, 도 10a 내지 11의 실시예에 사용된 두 개의 유사한 구조들을 조합하여 형성된 광기전 장치(30)의 기본 구조가 도시된다. 이 실시예를 위해, 광기전 장치(30)는 두 개의 반사식 집광기 표면들(62a 및 62b)과, 경사진 각도로 그들 사이에 끼워진 이색성 표면(60)을 구비한다. 각 반사식 집광기 표면(62a 및 62b)은 각각 그 자체의 회전 대칭축(Asa 또는 Asb)과 그 자체의 광축(Oa 또는 Ob)을 갖는다. 각 회전 대칭축(Asa 및 Asb)은 이 실시예에서 그들의 대응되는 물리적 표면들을 가로지르지 않으며, 동일선상에 있지 않다. 도 12의 단면에서, 각각의 집광기 표면(62a 또는 62b)의 광축(Oa 및 Ob)은 집광기 표면의 중심에 부딪히는 광선의 경로로 정의되며, 일반적으로 회전 대칭축과 평행하다. 이색성 표면(60)은 두 개의 집광 표면들 사이에 놓이며, 상기 표면이 적어도 하나의 회전 대칭축과 평행하지 않도록 위치된다.
도 13은 이러한 비구면 실시예의 광기전 장치(30) 내에서 낮은 에너지 광의 경로를 도시한다. 그것은 높은 에너지 스펙트럼 대역 밖으로 광을 전송하기 때문에, 이색성 표면(60)은 낮은 에너지 광 경로에 대해 효과적으로 "투명(transparent)"하다.
특히, 집광기 표면(62a)상에 입사된 광선은 이색성 표면(60)을 통해 전송되 고, 입력면(58)에서의 TIR로 인해 접히는 광학 경로를 따라 상기 장치의 대향면 상의 광 수신기(36)로 보내진다. 입력면(58)은 총 내부 반사가 일어나게 하기 위해 도시된 바와 같은 광축들(Oa 및 Ob)에 대해 경사진 각도가 되도록 할 필요가 있거나 없다는 것을 염두에 두어야 한다.
도 14는 광기전 장치(30) 내에서 높은 에너지 광의 경로를 도시한다. 이러한 광을 위해, 이색성 표면(60)은 반사기로서의 역할을 하며, 이에 따라 광 경로를 접는다. 입력면(58) 상의 TIR은 마찬가지로 광 경로에 있어 대응되는 다색성 입사광에 따라 상기 장치의 동일 측면 상의 수신기(34)로 광을 보내는 또 다른 반사 폴드(reflective fold)를 제공한다. 도 15는 이 실시예에 의해 낮고 높은 에너지 광 모두에 대한 조합된 광 경로들을 도시한다.
도 12-15에 도시된 실시예는 도 10a와 10b의 실시예들에 대해 언급된 트래핑된 광의 문제를 감소시킨다. 도 15를 다시 참조하면, 이색성 표면(60)을 통해 누설되어 반사되지 않는 더욱 높은 에너지 광의 일부가 광기전 장치(30)의 대향면 상의 광 수신기들(34, 36)로 보내진다. 도 12-15에 도시되는 광기전 장치(30)의 실시예는 다른 실시예들에 언급되었던 바와 같이, 적합한 유전체 물질 위에 형성된 원통형 설계가 될 수 있다.
또한 도 12-15를 참조하면, 집광기 표면들(62a 및 62b)은 전형적으로 반사형 금속 코팅 또는 이색성 코딩을 적용함으로써 형성된 반사형 코팅으로 코팅될 수 있다. 대안 실시예에서, 집광기 표면들(62a 및 62b)은 총 내부 반사율(TIR)을 사용하 여 다색성 입사광을 반사시켜 재방향시킬 수 있다. 이는 TIR을 위해 적절한 형태와 경사를 갖도록 높은 굴절률(n)을 가지며 집광기 표면들(62a 및 62b)을 배열한 유전체 물질로부터 광기전 장치(30)를 형성하는 것을 필요로 할 것이다. 또 다른 대안 실시예에서, 광기전 장치(30)는 이색성 표면(60)으로부터 스펙트럼 분리 없이 인접한 집광기 표면들(62a 및 62b)을 제공할 수 있다. 여기서, 집광기 표면(62a)에 대한 광 수신기는 집광기 표면(62b)에 가장 가깝게 위치되고, 집광기 표면(62b)에 대한 광 수신기는 집광기 표면(62a)에 가장 가깝게 위치된다. 이러한 배열에서, 광기전 장치(30)의 상부 및 하부 엣지들에서의 광 수신기들은 다중접합 광기전 셀 또는 기타 광기전 셀 유형들이 될 수도 있다.
이러한 대안 실시예는 또한 입력면(58)로부터 TIR을 사용함으로써 제공되는 향상된 시야각을 제공할 것이다.
본 발명의 방법 및 장치는 원통형 형태와 어레이 형태에서 광기전 장치들을 제공하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 광기전 장치의 실시예들은 개별 장치들로 제조되거나 어레이에 사용하기 위해 제조될 수 있다. 도 16의 사시도는 도 2a와 2b에 도시된 모델에 기초한 원통형 광기전 장치(70)를 도시한다. 여기서, 광기전 장치(70)는 도시된 조정 맵핑(coordinate mapping)을 사용하여 x 방향으로 연장된다. 어레이는 두 개 이상의 이러한 연장된 광기전 장치(70)의 적절한 적층에 의해 형성될 수 있다. 도 17은 행(rows)과 열(columns)로 배열된 광기전 장치(30)의 매트릭스를 사용한 대안 어레이(72) 배열을 도시한다. 도 18은 예를 들면 도 12-15에 도시된 것과 같은 조합된 오프-액시스 반사 포물선형으로부터 형성된 광기전 장치들 로 구성된 어레이(72)를 도시한다. 광학 설계 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 자명해진 것처럼, 사용된 소정의 유전체 물질의 굴절률(n)은 이러한 어레이 장치들의 반응과 효율을 최적화하기 위해 고려되어야 한다.
복사 소스에 대한 방향
태양 추적 시스템 및 방법은 잘 알려져 있으며, 개별적으로든 어레이 형태로든 집광기(30)를 사용하는데 적응될 수 있다. 도 19는 본 발명에 따른 태양 에너지 시스템(80)을 도시한다. 어레이(72)와 같은 하나 이상의 복사 에너지 집광 장치는 태양을 추적하기 위해 배열되고 설계된다. 추적 액추에이터(84)는 알맞은 N-S 방향을 위해 필요한 약간의 조절들을 할 뿐만 아니라, 태양의 E-W 위치가 하루 내내 지구(76)에 상응하여 변함에 따라 광기전 장치(70)를 적절히 방향 조정하기 위한 제어 논리 프로세서(82)에 의해 제어된다. 제어 논리 프로세서(82)는 예컨대, 컴퓨터 또는 전용 마이크로프로세서-기반 제어 장치일 수 있다. 제어 논리 프로세서(82)는 어느 한 위치에서 획득된 전류의 상대적 양을 측정함으로써, 또는 일부 다른 적합한 신호를 획득함으로써 위치를 감지할 수 있다. 따라서, 위치를 나타내는 이러한 신호에 반응하는 제어 논리 프로세서(82)는 그 후 위치 조절하도록 하는 추적 액추에이터(84)에 알리기 위한 제어 신호를 제공한다.
본 발명의 장치는 측면 배열을 갖기보다는 다중접합 또는 적층형 배열을 필요로 하는 광기전 수신기의 사용을 가능하게 한다. 측면 배열에 있어, 분리된 스펙트럼 대역들은 그 스펙트럼 대역에서의 파장들로부터 광 에너지를 획득하기 위해 각각 최적화된 적절한 광기전 셀 상에 보내진다. 본 발명의 장치는 분산된 모듈의 집광 소자 또는 집광기의 어레이를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 장치는 크기조정 가능하며, 박막 어플리케이션에 또는 대규모 복사 에너지 장치에 적응될 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(34 및 36)은 실리콘, 비화 갈륨(GaAs), 안티몬화 갈륨(GaSb), 및 기타 물질들을 포함하여 제공된 스펙트럼 대역들을 위해 소정의 적합한 광기전 물질들로부터 제조된 광기전(PV) 장치일 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(34 또는 36)은 다중접합 광기전 수신기일 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(34 및 36)은 대안적으로 수은-카드뮴-텔루리움(mercury cadmium telluride) 열다이오드들과 같은 열전기 물질을 포함하여, 열을 전기로 변환하는 소정의 물질을 사용하는, 열전지(thermovoltaic) 또는 열광전지(thermophotovoltaic: TPV)일 수 있다. 하나 이상의 광 수신기들(34 및 36)은 전하 결합 장치(charge-coupled device: CCD)이거나 다른 광센서일 수 있다.
본 발명의 장치는 상술한 설명에서 광기전 장치로 주로 기술되어 왔다. 하지만, 그것의 가장 광범위한 어플리케이션에 있어, 본 발명의 장치는 스펙트럼 대역으로 이러한 에너지의 스펙트럼 분리를 제공하고, 각 스펙트럼 대역의 광을 일종의 광 수신기로 재방향시키는 복사 에너지의 수집기 역할을 한다. 대안적인 실시예들에서, 하나 이상의 광 수신기들(34, 36)은 예를 들면, 에너지 생성 또는 스펙트럼 분석과 같은 또 다른 광학 서브시스템의 입력 이미지 면이다. 광 수신기(34, 36)는 대안적으로 예컨대, 광 섬유와 같은 광 가이드에 대한 입력일 수 있다.
광 수신기들(34 및 36)에 제공된 두 개 이상의 스펙트럼 대역은 확연히 스펙 트럼적으로 구별되지는 않지만, 각 스펙트럼 대역이 일종의 동일한 파장들을 포함하는 경우 다소 중첩될 것으로 관측될 수 있다. 이색성 응답이 불완전하고 광이 이색성 코팅의 성능이 떨어지는 비-정상 각도들로 입사될 수 있기 때문에 소량의 스펙트럼 혼합은 불가피할 것이다. 이색성 코팅은 원한다면 더욱 낮은 레벨로의 스펙트럼 혼합을 줄이기 위해 최적화될 수도 있다. 앞서 언급했던 것처럼, 이색성 코팅은 다소 다른 유형의 반사 코팅 대신, 스펙트럼 분리기(40)의 반사 표면(46)에 대안적으로 제공될 수 있으며, 이에 따라 많은 유형의 종래 미러 코팅에 비해 개선된 효율을 제공한다. 상기에 도시된 소정의 실시예들을 위해, 스펙트럼 대역들은 가장 적당한 어플리케이션의 요건들에 따라 정의되고 최적화될 수 있다.
따라서, 제공된 장치는 태양 또는 다른 다색성 복사 소스로부터 광을 수집하고, 광을 두 개 이상의 스펙트럼 대역으로 분리하며, 각 스펙트럼 대역을 광 수신기에 제공하는 장치이다.

Claims (35)

  1. 다색성 복사 에너지 소스로부터 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서,
    a) 광축을 가지며, 입사되는 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 집광기;
    b) 상기 집광기로부터 멀리 이격되고, 광축을 따라 배치되면서 집광 및 재방향된 복사 에너지의 경로에 배치되는 스펙트럼 분리기; 및
    c) 제1 및 제2 광 수신기들을 포함하되,
    상기 스펙트럼 분리기는,
    (i) 상기 집광기로부터 수신된 제1 스펙트럼 대역의 광을 제1 초점 지역 쪽으로 반사시키고, 제2 스펙트럼 대역의 광을 전송하도록 처리된 제1 평면;
    (ii) 상기 제1 평면으로부터 멀리 이격되고 상기 제1 평면에 대해 경사지며, 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 상기 제1 평면을 다시 지나 상기 제1 초점 지역으로부터 멀리 이격된 제2 초점 지역 쪽으로 반사시키도록 처리된 제2 평면을 포함하며,
    상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 평면은 가시광선 파장들을 반사시키는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 평면은 적외선 파장들을 반사시키는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 평면은 이색성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 평면은 이색성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기 중 적어도 하나는 광기전(photovoltaic) 수신기인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기 중 적어도 하나는 열전지(thermovoltaic) 수신기인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기 중 적어도 하나는 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 수신기 중 적어도 하나는 또 다른 광학 시스템을 위한 입력 평면인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 수신기 중 적어도 하나는 다중접합 광기전 셀인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  11. 제1항에 있어서, 고체 유전체 물질은 상기 제1 및 제2 평면 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 집광기는 반사형인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 집광기는 굴절형인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 집광기의 광축은 상기 제1 및 제2 초점 지역 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  15. 제1항에 있어서, 고체 유전체 물질은 상기 집광기와 상기 스펙트럼 분리기 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 수신기 중 적어도 하나는 상기 집광기의 개구부 일부를 차단하는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 수신기도 또는 제2 수신기도 상기 집광기의 개구부 일부를 차단하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 분리기는 상기 제1 및 제2 평면 사이에 고체 유전체 물질을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 광 수신기는 동일 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  19. 제12항에 있어서, 상기 집광기는 단면이 포물선형인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 평면 중 적어도 하나는 상기 집광기의 광축에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  21. 제11항에 있어서, 상기 고체 유전체 물질은 유리와 플라스틱으로 이루어진 그룹으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  22. 다색성 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서,
    a) 제1 대칭축과 제1 광축을 가지며, 다색성 입사광을 집광 및 재방향시키기 위한 제1 반사식 집광기;
    b) 제2 대칭축과 제2 광축을 가지며, 다색성 입사광을 집광 및 재방향시키기 위한 제2 반사식 집광기;
    c) 상기 제1 및 제2 반사식 집광기 사이에 상기 제1 및 제2 반사식 집광기, 상기 집광기들로부터 수신된 제1 스펙트럼 대역의 광을 반사시키고 다른 광을 전송시키는 스펙트럼 분리기 모두로부터 재방향된 다색성 광의 경로에 배치된 이색성 표면;
    d) 상기 제1 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면으로부터 반사된 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 배치된 제1 광 수신기;
    e) 상기 제2 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면으로부터 반사된 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 배치된 제2 광 수신기;
    f) 상기 제2 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면을 지나 전송된 상기 제1 스펙트럼 대역 밖의 광을 수신하기 위해 배치된 제3 광 수신기; 및
    g) 상기 제1 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면을 지나 전송된 상기 제1 스펙트럼 대역 밖의 광을 수신하기 위해 배치된 제4 광 수신기를 포함하 되,
    상기 제2 광축은 상기 제1 광축과 비-동일선상에 있고, 상기 제2 대칭축은 상기 제1 대칭축과 비-동일선상에 있으며,
    상기 이색성 표면은 상기 제1 및 제2 대칭축 중 적어도 하나에 평행하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 대칭축은 상기 제2 대칭축에 평행인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제1 반사식 집광기는 제1 입력면을 갖는 고체 유전체 물질 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 스펙트럼 대역의 광은 총 내부 반사율로 인해 상기 제1 입력면으로부터 반사되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 제2 스펙트럼 대역의 광은 총 내부 반사율로 인해 상 기 제1 입력면으로부터 반사되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 제2 반사식 집광기는 제2 입력면을 갖는 고체 유전체 물질 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  28. 제24항에 있어서, 상기 제1 입력면은 상기 제1 대칭축에 비례하는 경사진 각도로 존재하는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제1 입력면과 제2 입력면은 비-평행인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  30. 제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사식 집광기 중 적어도 하나는 단면이 포물선형인 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  31. 제22항에 있어서, 상기 제1 반사식 집광기는 이색성 코팅과 금속 코팅으로 이루어진 그룹으로부터 얻어진 반사형 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  32. 제22항에 있어서, 상기 제1 반사식 집광기는 총 내부 반사율을 사용하여 상기 다색성 입사광을 재방향시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
  33. 다색성 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 다수의 수집기를 포함하는 어레이에 있어서, 각 수집기는,
    a) 입사하는 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 집광기;
    b) 상기 집광기로부터 멀리 이격되고, 집광 및 재방향된 복사 에너지의 경로에 배치된 스펙트럼 분리기; 및
    c) 제1 및 제2 광 수신기들을 포함하되,
    상기 스펙트럼 분리기는,
    (i) 상기 집광기로부터 수신된 제1 스펙트럼 대역의 광을 제1 초점 지역 쪽으로 반사시키고 제2 스펙트럼 대역의 광을 전송하도록 처리된 제1 평면;
    (ii) 상기 제1 평면으로부터 멀리 이격되고 상기 제1 평면에 대해 경사지며, 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 상기 제1 평면을 다시 지나 상기 제1 초점 지역으 로부터 멀리 이격된 제2 초점 지역 쪽으로 반사시키도록 처리된 제2 평면을 포함하며,
    상기 제1 광 수신기는 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제1 초점 지역에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제2 광 수신기는 상기 제2 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 상기 제2 초점 지역에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  34. 다색성의 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 다수의 수집기들을 포함하는 어레이에 있어서, 각 수집기는,
    a) 제1 대칭축과 제1 광축을 가지며, 입사하는 다색성 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 제1 반사식 집광기;
    b) 제2 대칭축과 제2 광축을 가지며, 입사하는 다색성 복사 에너지를 집광 및 재방향시키기 위한 제2 반사식 집광기;
    c) 상기 제1 및 제2 반사식 집광기 사이에 상기 제1 및 제2 반사식 집광기, 상기 집광기들로부터 수신된 제1 스펙트럼 대역의 광을 반사시키고 다른 광을 전송시키는 스펙트럼 분리기 모두로부터 재방향된 다색성 광의 경로에 배치된 이색성 표면;
    d) 상기 제1 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면으로부터 반사된 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 배치된 제1 광 수신기;
    e) 상기 제2 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면으로부터 반사된 상기 제1 스펙트럼 대역의 광을 수신하기 위해 배치된 제2 광 수신기;
    f) 상기 제2 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면을 지나 전송된 상기 제1 스펙트럼 대역 밖의 광을 수신하기 위해 배치된 제3 광 수신기; 및
    g) 상기 제1 반사식 집광기로부터 보내지고 상기 이색성 표면을 지나 전송된 상기 제1 스펙트럼 대역 밖의 광을 수신하기 위해 배치된 제4 광 수신기를 포함하되,
    상기 제2 광축은 상기 제1 광축과 비-동일선상에 있고, 상기 제2 대칭축은 상기 제1 대칭축과 비-동일선상에 있으며,
    상기 이색성 표면은 상기 대칭축 중 적어도 하나에 평행하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  35. 다색성 복사 에너지 소스로부터 복사 에너지를 획득하기 위한 장치에 있어서,
    a) 제1 대칭축과 제1 광축을 가지며, 다색성 입사광을 집광 및 재방향시키기 위한 제1 반사식 집광기;
    b) 제2 대칭축과 제2 광축을 가지며, 다색성 입사광을 집광 및 재방향시키기 위한 제2 반사식 집광기;
    c) 제2 광 수신기에 가장 가깝게 위치되고, 상기 제1 반사식 집광기로부터 재방향된 광을 수신하기 위해 배치된 제1 광 수신기;
    d) 상기 제1 광 수신기에 가장 가깝게 위치되고, 상기 제2 반사식 집광기로부터 재방향된 광을 수신하기 위해 배치된 제2 광 수신기를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 집광기는 서로 인접해 있고, 상기 제2 광축 상기 제1 광축과 비-동일선상에 있으며, 상기 제2 대칭축은 상기 제1 대칭축과 비-동일선상에 있는 것을 특징으로 하는 에너지 획득 장치.
KR1020097004421A 2006-08-03 2007-07-24 복사 에너지를 획득하기 위한 장치 KR20090046913A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/498,673 US7741557B2 (en) 2005-12-19 2006-08-03 Apparatus for obtaining radiant energy
US11/498,673 2006-08-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090046913A true KR20090046913A (ko) 2009-05-11

Family

ID=39033463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020097004421A KR20090046913A (ko) 2006-08-03 2007-07-24 복사 에너지를 획득하기 위한 장치

Country Status (9)

Country Link
US (1) US7741557B2 (ko)
EP (1) EP2050135B1 (ko)
JP (1) JP2009545882A (ko)
KR (1) KR20090046913A (ko)
CN (1) CN101512763A (ko)
AU (1) AU2007282131A1 (ko)
ES (1) ES2535435T3 (ko)
TW (1) TW200825347A (ko)
WO (1) WO2008018986A2 (ko)

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101507095A (zh) * 2005-05-03 2009-08-12 特拉华大学 超高及较高效太阳能电池
WO2007127103A2 (en) * 2006-04-27 2007-11-08 Intematix Corporation Systems and methods for enhanced solar module conversion efficiency
AU2007266557B2 (en) * 2006-05-30 2013-08-01 Bar Llan University Solar cells arrangement
WO2008039509A2 (en) * 2006-09-30 2008-04-03 Soliant Energy, Inc. Optical concentrators having one or more line foci and related methods
WO2008146287A2 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Aerosun Technologies Ag Band pass filter for solar radiation
EP2192360A4 (en) * 2007-08-17 2012-10-17 Kang Xuehui REFLECTOR AND HEATING SOLAR HEATING COLLECTOR USING IT
US20100078063A1 (en) * 2007-08-29 2010-04-01 Barnett Allen M High efficiency hybrid solar cell
US20090078316A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Qualcomm Incorporated Interferometric photovoltaic cell
US8153888B2 (en) * 2008-05-01 2012-04-10 Northrop Grumman Systems Corporation Lateral ultra-high efficiency solar cell
US20100175685A1 (en) * 2008-07-14 2010-07-15 Robert Owen Campbell Advanced Tracking Concentrator Employing Rotating Input Arrangement and Method
US20100006088A1 (en) * 2008-07-14 2010-01-14 Robert Owen Campbell Tracking Concentrator Employing Inverted Off-Axis Optics and Method
TWI381141B (zh) * 2008-08-13 2013-01-01 Sunplus Mmedia Inc 太陽能系統
US8307822B2 (en) * 2008-10-06 2012-11-13 Hewlett-Packard Development Company, L.P. High efficiency solar energy devices and methods
JP2010114349A (ja) * 2008-11-10 2010-05-20 Konica Minolta Holdings Inc 複合発電装置
FR2940472B1 (fr) * 2008-12-24 2011-03-18 Commissariat Energie Atomique Couplage optique entre un collecteur optique de telescope et un recepteur
US20100300892A1 (en) * 2009-06-02 2010-12-02 Herbert Franz Matare Apparatus and Method for Solar Hydrogen Synfuel Production
ES2364115B1 (es) * 2009-12-30 2012-03-23 Agengoa Solar New Technologies, S.A. Colector solar cilindro paramétrico con reconcentrador secundario optimizado y su procedimiento de diseño.
US20110186106A1 (en) * 2010-02-03 2011-08-04 510Nano Inc. Hybrid concentrator solar energy device
WO2011097585A1 (en) * 2010-02-05 2011-08-11 Energy Focus, Inc. Method of making an arrangement for collecting or emitting light
US8376551B2 (en) * 2010-02-25 2013-02-19 Corning Incorporated Illumination system for laser projection
TWI404219B (zh) * 2010-05-28 2013-08-01 Univ Nat Yunlin Sci & Tech Split light collector
JP4922440B2 (ja) * 2010-07-08 2012-04-25 株式会社東芝 ３ｄ映像出力装置、３ｄ映像表示装置、３ｄ映像出力方法
TWI490546B (zh) * 2010-12-10 2015-07-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 雙色鏡、陽光收集裝置及太陽能裝置
CN102103258B (zh) * 2011-02-25 2012-10-17 浙江大学 基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置
US20120234371A1 (en) * 2011-03-18 2012-09-20 Tong Zhang Incident angle dependent smart solar concentrator
US9375172B2 (en) 2011-11-07 2016-06-28 Corning Incorporated Apparatus for substance detection
CN104981860B (zh) * 2013-02-07 2020-08-04 3M创新有限公司 自供电电子纸显示器
US8976423B2 (en) * 2013-03-15 2015-03-10 Lexmark International, Inc. Optical scanning system and imaging apparatus for using same
WO2015031135A1 (en) * 2013-08-27 2015-03-05 Cogenra Solar, Inc. Split spectrum solar energy collector
JP2015099336A (ja) * 2013-11-20 2015-05-28 株式会社東芝 光学素子および光学装置
US9638988B2 (en) 2013-12-12 2017-05-02 Corning Incorporated Light multiplexer with color combining element
US10250182B2 (en) * 2014-02-21 2019-04-02 The Boeing Company Micro-concentrator solar array using micro-electromechanical systems (MEMS) based reflectors
US9813022B2 (en) * 2014-02-21 2017-11-07 The Boeing Company Dynamically setting a threshold output level for a solar array
US10236822B2 (en) 2014-02-21 2019-03-19 The Boeing Company Method and apparatus for calibrating a micro-concentrator solar array
US10693028B2 (en) * 2014-02-21 2020-06-23 The Boeing Company Micro-concentrator solar array using micro-electromechanical systems (MEMS) based reflectors
GB2540309B (en) * 2014-05-22 2017-08-23 Solar Cubed Holdings Llc Electro-magnetic energy capturing system
US9252701B1 (en) * 2014-07-08 2016-02-02 Hisham Tarabishi Ultimate renewable solar energy and storage system
RU2580243C1 (ru) * 2014-12-30 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Установка теплоснабжения
WO2016125156A1 (en) 2015-02-02 2016-08-11 Wi-Charge Ltd. Distributed optical resonator with thin receiver unit
CN106251746B (zh) * 2016-08-22 2022-04-29 杭州澳宇自动化设备有限公司 一种便携式光伏电站模拟仪运行控制系统
KR101951123B1 (ko) * 2017-10-17 2019-02-21 인하대학교 산학협력단 포물면이 적용된 마이크로 미러 어레이
GB201802849D0 (en) * 2018-02-22 2018-04-11 International Electric Company Ltd Solar concentrator

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49133042A (ko) * 1973-04-09 1974-12-20
US4021267A (en) * 1975-09-08 1977-05-03 United Technologies Corporation High efficiency converter of solar energy to electricity
US4204881A (en) 1978-10-02 1980-05-27 Mcgrew Stephen P Solar power system
US4700013A (en) 1985-08-19 1987-10-13 Soule David E Hybrid solar energy generating system
GB2187551B (en) * 1986-03-04 1990-03-14 Gen Electric Plc Radiation detector
US4709144A (en) * 1986-04-02 1987-11-24 Hewlett-Packard Company Color imager utilizing novel trichromatic beamsplitter and photosensor
US5005958A (en) 1988-03-04 1991-04-09 Arch Development Corporation High flux solar energy transformation
US5902417A (en) 1996-12-12 1999-05-11 Hughes Electornics Corporation High efficiency tandem solar cells, and operating method
JP2951297B2 (ja) 1997-10-15 1999-09-20 三鷹光器株式会社 太陽光集光システム
JP4208281B2 (ja) 1998-02-26 2009-01-14 キヤノン株式会社 積層型光起電力素子
DE19904687A1 (de) * 1999-02-05 2000-08-10 Zeiss Carl Fa Richtbare Teleskopanordnung
JP2002342971A (ja) * 2001-05-14 2002-11-29 Sony Corp 光学ピックアップ装置及び光ディスクドライブ装置
FR2838564B1 (fr) * 2002-04-11 2004-07-30 Cit Alcatel Generateur photovoltaique a concentration protege contre l'echauffement
JP2004054108A (ja) * 2002-07-23 2004-02-19 Nikon Corp 光路分割光学素子とこれを用いた顕微鏡

Also Published As

Publication number Publication date
EP2050135A2 (en) 2009-04-22
CN101512763A (zh) 2009-08-19
EP2050135B1 (en) 2015-02-11
ES2535435T3 (es) 2015-05-11
WO2008018986A2 (en) 2008-02-14
US20070107769A1 (en) 2007-05-17
AU2007282131A1 (en) 2008-02-14
US7741557B2 (en) 2010-06-22
JP2009545882A (ja) 2009-12-24
WO2008018986A3 (en) 2008-10-23
TW200825347A (en) 2008-06-16
EP2050135A4 (en) 2011-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20090046913A (ko) 복사 에너지를 획득하기 위한 장치
EP1964182B1 (en) Apparatus for concentrating light on photovoltaic receivers
US20070137691A1 (en) Light collector and concentrator
US20100212717A1 (en) Solar collector with optical waveguide
US20100319755A1 (en) Solar Augmentation System
US20100132763A1 (en) Design and fabrication of a local concentrator system
WO2008024201A2 (en) Optically enhanced multi-spectral detector structure
US10608134B2 (en) Solar power system using hybrid trough and photovoltaic two-stage light concentration
US20110197968A1 (en) Solar collector panel
US20110186106A1 (en) Hybrid concentrator solar energy device
US20160099674A1 (en) Flat Panel Photovoltaic System
US11302839B2 (en) Integrated micro-lens for photovoltaic cell and thermal applications
US20200036327A1 (en) Upconverted hybrid concentrator solar energy device
CN101361197A (zh) 用于聚集光的方法和装置
CN101416002A (zh) 光收集器和会聚器

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid