KR20110052537A - 포물면 태양 반사경과 함께 사용하기 위한 구면 결상 렌즈를 갖는 광발전기 - Google Patents

포물면 태양 반사경과 함께 사용하기 위한 구면 결상 렌즈를 갖는 광발전기 Download PDF

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KR20110052537A
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Abstract

본 발명은 집속된 태양광의 전기로의 광발전 변환용 발전기에 대한 것이다. 본 발명에 따른 발전기는 복수의 광발전 셀(cell)을 포함하고 태양을 향해진 대형 포물면 반사기의 초점 근처에서의 작동을 의도한다. 발전기 내에, 들어오는 집속된 빛은 제 2 광학 장치에 의해 컴팩트하고 오목한 배열로 배치된 셀들로 중계된다. 이 빛은 단위 전력 출력 당 낮은 셀 비용과 높은 광발전 변환 효율로 일관되게 높은 집속율(concentration)로 셀들에 전달된다. 빛은 발전기에 들어가고, 바람직하게는 먼저 밀봉 창(sealing window)을 지나고, 바람직하게는 포물면 초점에 중심-조정된 완전한 구(sphere) 또는 볼 렌즈의 형태인, 대물 렌즈(field lens)를 통과한다. 이 렌즈는 주 반사경의 동심관계인, 오목하고 광각인 이미지를 형성하고, 여기서 집속된 광의 강도는 발전기에 들어가는 집속된 광의 위치 변화들에 대해 안정화되어 있다. 상이한 형상들 및 사이즈들로 만들어지고 소정의 주 반사경의 오목한 이미지에 상응하여 오목한 배열로 구성된 편평한 광발전 셀들이 안정화된 빛을 받는다. 발전기의 광발전 셀들은 예를 들어, 주 반사경을 잘못 겨냥하거나 또는 휘어짐으로 인한, 발전기에 전달되는 빛의 수차(abberation)에도 불구하고 높고 안정적인 상태를 유지하는 단일 전기 출력을 제공하도록 하는 사이즈를 갖고 상호연결되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 셀들은 볼 렌즈에 의해 형성된 이미지로부터 물러서 있고, 빛의 일부는 그 주변 둘레에 배치된 거울(mirror)들의 형태인 각각의 셀의 소형 보조 반사경들 상에 반사된다.

Description

포물면 태양 반사경과 함께 사용하기 위한 구면 결상 렌즈를 갖는 광발전기{PHOTOVOLTAIC GENERATOR WITH A SPHERICAL IMAGING LENS FOR USE WITH A PARABOLOIDAL SOLAR REFLECTOR}
기후 변화는 상당한 관심을 끈 중대한 문제로 인식되고 있다. 화석 연료로부터 전세계적으로 에너지를 생성한 결과, 다량의 온실가스가 우리 대기에 축적되고 있다. 많은 전문가들이 이러한 축적을 늦추거나 심지어 역전시키기 위해 무언가 곧 조치가 취해지지 않으면, 우리의 대기와 우리가 사는 세계는 재앙적인 결과를 겪을 것이라 믿는다. 전문가들은 단지 몇 도의 전세계적 온도 상승이 극지의 빙하를 녹여, 많은 연안의 도시들이 수면 하에 잠기기에 충분한 해수면 상승을 일으킨다고 예측한다. 많은 식물과 동물 종들의 멸종도 몇몇 과학자들에 의해 예측되고 있다. 화석연료의 연소로부터 에너지를 생성함으로 인한 이러한 및 다른 중요한 악영향의 관점에서, 상당한 온실가스 생성없이 비용-효과적인 방식으로 에너지를 생성할 수 있는 방법 및 장치가 크게 필요하다.
태양 에너지 시스템들은 화석연료들을 태워 생성되는 전기와 경쟁력있는 비용으로 전기가 태양 에너지를 사용하여 생성될 수 있을 때까지 대기 중의 온실가스를 감소시키는 데 큰 영향을 미칠 것 같지 않다. 비용은 태양 에너지 시스템에 중요하다. 사실상, 비용은 아무리 강조해도 지나치지 않는데, 왜냐하면 비용 단독으로 성공과 실패 간의 차이를 만들 수 있을 만큼 중요하기 때문이다. 태양에 의해 생성된 전기가 화석연료를 태워 생성되는 전기보다 비싼 한, 태양 발전이 우리의 대기 중의 온실가스를 감소시키는 데 큰 영향을 미칠 가능성이 적다. 화석연료를 태워 생성된 전기와 경쟁력있는 비용으로 전기를 생성할 수 있고 낮은 총 시스템 비용을 갖는 태양 변환 시스템을 제조하기 위한 장치 및 방법에 대하여 장기간에 걸친 요구가 있어 왔다.
과거에, 광발전 셀(cell)들로부터 직접 태양 전기를 생성하려는 노력은, 특히 다른 전기 생성 방법들에 비해, 비교적 높은 자본비(capital cost)로 인해, 전적으로 만족스럽지 못해 왔다. 공공시설(utility) 규모의 태양 에너지 응용예들은 태양광선들이 집속되어 열을 제공하고 그 열이 그 다음에 전자기적 발전기를 구동하는 엔진을 사용하여 전기로 변환되는 열적 시스템들을 최근 사용해왔다. 열적 시스템들은 일반적으로 집속된 태양광으로 작동 유체를 가열하기 위해 대형 광학 반사경들을 사용해왔다. 변환 효율은 태양광이 홈통형 반사경(trough reflector)들에 의해 1차원에서 적당한 레벨들로만 집속되는 시스템들에서 비교적 낮았다.
다중접합(multijunction) 셀들을 갖는 광발전 변환이 태양광으로부터 전기를 생성하는 데 사용되어 왔고, 효율을 개선하기 위해 태양광을 집속하는 장치들을 포함하지만, 완전 집속형 광발전 시스템의 비용은 상업적으로 경쟁력이 있기에는 너무 높았다. 이러한 높은 비용에 대한 근본적인 이유는, 집속형 광발전 시스템들을 사용하는 대다수의 이전의 시도들에서, 셀 상에 태양광을 초점맞추기 위한 하나의 작은 거울 또는 렌즈에 의해 구동되는 하나의 광발전 셀로 구성되는 것이 일반적인 태양열 집속 및 변환 유닛이 너무 작다는 것이다. 작은 유닛들은 집속된 태양광을 전기로 변환하는 데 선호되었는데 왜냐하면 작은 사이즈에서 이들은 간단하고 수동적으로 냉각될 수 있고, 단일 셀들이 트래커 지향 오차(tracker pointing error)에 대해 쉽게 둔감하게 되기 때문이나, 이들은 공공시설 규모 전력에 필요한 거대한 규모로 제조 및 배치하기에는 고가였다. 집속형 광발전 시스템들을 사용하는 이러한 이전의 장치들의 비교적 높은 비용이 경쟁력이 없기 때문에, 이러한 장치들은 영향력이 적었고 연간 생산되는 전체 전기의 매우 적은 비율만을 차지했다.
단위 전력당 낮은 비용으로 고출력의 집속된 태양광을 전달하고, 화석연료들을 태워 전기를 생성하는 다른 종래의 방법들에 비해 경쟁력이 있는 비용으로 태양광으로부터 전기를 생성할 수 있는 광발전 시스템에 대하여 장기간에 걸친 요구가 있어 왔다.
본 발명의 목적은 단위 전력당 낮은 비용으로 고출력 집속된 태양광을 전달하는 큰 태양 반사경들과 효과적으로 작동하게 설계된, 고출력 등급의 광발전기들을 제공하여 과거의 제약들을 극복하는 것이다. 각각 많은 광발전 셀들을 포함하는, 이러한 발전기들은, 주 반사경의 지향오류(mispointing) 및 휨에도 불구하고 능동형 냉각 및 내장형 광학장치들을 사용하여 빛이 모든 광발전 셀들에 걸쳐 균일하게 확산되게 한다.
본 발명의 주 목적은 태양 에너지의 광발전 변환을 사용하여, 단위 에너지당 낮은 비용으로 전기 에너지를 생성하는 것을 돕는 것이다. 본 발명의 일 특징은 태양을 향해진 대형 접시형 반사경에 의해 2차원으로 이미 집속된 태양광의 변환에 대한 것이다. 본 발명은 비교적 적은 비용이지만 전형적으로 2 - 20 kW범위의, 비교적 높은 입력 전력 레벨에서 전달되는 집속된 태양 에너지를 제공하는 장치와 함께 작동하고자 한다. 이러한 전력 레벨들에서의 변환은 핀(fin)을 갖는 구조물로의 열 전도에 의해 간단히 냉각시킬 수 있는 것보다 많은 국지적 폐열을 일으킨다.
본 발명은 Roger P. Angel과 Warren B. Davison의 발명의 명칭이 "Solar Concentrator Apparatus with Large, Multiple, Co-Axial Dish Reflectors"인 본원과 동시 출원된, 미국특허출원 제 12/463,001호에 공개된 태양광을 강하게 집속시키는 장치와 연계하여 사용하는데 특히 적합하다. 본 발명에 사용되는 대형 접시형 반사경들은 유익하게는 Roger P. Angel과 Blain H. Olbert의, 발명의 명칭이 "Method of Manufacturing Large Dish Reflectors for a Solar Concentrator Apparatus"인 본원과 동시 출원된, 미국특허출원 제 12/463,026호에 공개된 제조 방법을 사용하여 만들어질 수 있다. 이러한 발명들은 각각의 단일 초점에 제공되는 태양 출력이 약 8kW일 때 집속된 태양 에너지에 대해 최저 비용을 제공한다. 이러한 비용 최소화는 재료들 및 제조의 최저 비용을 위해 설계하는 것을 포함하는 시스템 최적화에 기인한다. 그러므로, 반사경들을 지지하고, 배열하고 추적하는 기능들을 통합하는 강철 구조물이 사용되고, 초점에 제공되는 태양 출력 kW당 최저의 강철 중량에 대해 최적화되어 있다. 반사경들은 연간(per year) 30 km2의 비율로 생성될 때, 연간 약 7gW(최대 전력량)의 생산 용량을 추가하기에 충분한, 낮은 비용에 특히 최적화된 제조 공정으로 만들어진 얇은 유리 모노리스(monolith)들이다.
본 발명의 제 2 목적은 완전한 시스템의 에너지 변환 기능만을 수행하는 컴팩트한 발전기 유닛에 광발전 셀들을 구성하는 것이고, 태양 에너지를 모으고 집속하는 부가적인 기능들이 설계에서 분리되어 있다. 이러한 분리를 설계함으로써, 제조 비용은, 최저 자본비로 대규모 생산을 제공하기 위해 각각의 기능에 대해 독립적으로 최소화될 수 있다. 본 발명에 따른 발전기는 대량 생산, 수송 및 교환을 쉽게 하기 위해, 그리고 발전기가 주 반사경의 주 초점에 위치하면 빛의 막힘을 최소화하기 위해, 그 관련 광학적, 전기 및 냉각 요소들이 작은 사이즈의 패키지에 담긴, 광발전 셀들의 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 고도로 집속된 빛을 사용하여 광발전 셀들에 의해 생성되는 전력 단위당 낮은 비용을 개척하는 것이다. 그러므로, 집속기(concentrator) 광발전 셀이 표준 실리콘 광발전 셀보다 단위 셀 면적당 100배 비싸더라도, 1000의 매우 높은 태양 집속 계수(concentration factro)로 사용될 때, 전력 출력 단위당 약 10배의 셀 비용의 감소를 달성할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 목적은 1000 이상까지의 매우 높은 태양 집속율로 셀들을 작동시키는 구성의 실용적인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 태양의 움직임을 추적하고 광 집속을 위한 소정의, 비용-효과적인 장치로부터 집속된 태양 에너지의 소정의 입력으로부터 가능한 최대의 전기 출력을 생성하는 것이다. 단위 전력 출력 당 셀 비용이 본 발명에 따라 효과적으로 감소될 때, 완전한 태양 전기 발전 시스템의 지배적인 비용은 광발전 셀들의 비용이 아니라, 완전한 시스템의 광 집속 및 추적을 위한 장치의 비용이다. 이 비용 구성에서, 본 발명에 따라 사용되는 다중접합 광발전 셀들에 의해 달성되는 약 40%의 높은 변환 효율은 특히 소중하다. 달성될 수 있는 발전기 효율이 높을수록, 소정의 집속기 시스템에 의해 기여되는 전기 출력 단위당 비용의 비율이 낮다.
본 발명의 발전기가 낮은 비용과 가볍게-조립된 집속기 시스템 및 지지 구조물과 함께 작동될 때도 높은 총 변환 효율로 일관되게 작동할 수 있는 것이 추가 목적이다. 이러한 시스템은 돌풍과 기계적 휨의 결과로서 발전기 입구에 대해 움직일 수 있으며 태양광이 이상적으로 중앙에 집속되지 않는 발전기를 제공할 수 있다. 그러므로, 발전기가, 이러한 입력 결함들에도 불구하고, 실질적으로 동일한 양의 태양 복사선을 갖는 개별적인 광발전 셀들 또는 그룹화된 셀들을 제공하여, 광발전 셀들이 개별적으로 실질적으로 동일한 전류를 생성하고 직렬로 연결될 때 일관되게 높은 출력 전력을 유지하는 것이 목적이다.
변환 효율을 최대화하기 위해, 본 발명의 발전기에 전달되는 집속된 빛이 셀들 상의 빛을-감지하지 않는(light-insensitive) 모선(busbar)들이나 이들 사이의 임의의 갭(gap)들로 향해지는 것이 아니라 광발전 셀들의 광발전 활성 영역들로 향해지도록 하는 것이 추가 목적이다.
본 발명의 부가적인 목적은 낮은 수명 에너지 비용에 대해 높은 신뢰성의 발전기를 제공하는 것이다. 그러므로, 본 발명은 광발전 셀 내의 조명(illumination)에 있어서 국지적인 열점(hot spot)들을 회피하는 광학 시스템을 특징으로 하고, 작동 온도 및 열 순환을 최소화하는 효과적인 냉각을 특징으로 한다.
본 발명의 중요한 일 특징은 상기 목적들을 만족시키기 위해 발전기 내에 신규한 광학장치들을 포함하는 것이다. 본 발명에 따른 광학장치들은 지향오류에도 불구하고 그리고 입사광의 불균일성에도 불구하고 광발전 셀들 중 대다수 또는 전부에 걸친 조명의 바람직한 균일성을 위해 제공된다. 본 발명에 따른 내부 발전기 광학장치는 발전기에 들어가는 실질적으로 모든 집속된 태양광이 광발전 셀들의 활성 영역을 향해 보내지도록 구성될 수 있다. 내부 발전기 광학장치들의 추가 특징은 셀들로의 빛의 매우 높은 집속율에도 불구하고 높은 수율(throughput) 및 셀 조명의 균일성을 유지하는 것이다. 일반적으로, 높은 집속율로 다수의 광발전 셀들을 비추도록 구성된 광 집속 시스템은 지향오류 및 휨에 대해 허용오차가 낮은 경향이 있다. 그러나, 본 발명의 발전기는 지향오류 및 휨에 대해 비교적 높은 허용 오차를 갖는 광 집속 시스템을 특징으로 하여, 낮은 비용의 전달 장치가 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 내부 발전기 광학장치들은 전체 시스템 비용을 낮추는 것을 목적으로, 시스템에 입력 에너지를 공급하는 데 사용되는 광 집속 시스템과 지지 구조물에 부과되는 요구조건들 및 제조 허용오차들을 가능한 한 많이 완화하도록 설계된다. 내부 구조물은 반사경 사이즈 및 형상에 무관하게 효과적인 조명을 보장하기 위해, 특정 주 반사경들과 함께 사용되도록 주문제작될 수 있다.
본 발명에 따라, 전자-광학 발전기가 바람직하게는 컴팩트한 초점 영역으로 2-20kW의 태양광을 집속하고 바람직하게는 포물면인, 만곡된 집속기(collector) 또는 거울의 초점에 작동을 위해 제공된다. 발전기는 바람직하게는 집속된 태양광으로부터 전기를 생산하기 위해 다수의 능동 냉각되는 광발전 셀을 포함한다. 작동시, 발전기는 제공된 집속기 또는 거울의 초점에 강성적으로 장착되고, 이러한 강성적인 조립체는 제공된 2축-추적기에 의해 태양으로 지향된다. 본 발명에 따라 구성된 여러 개의 반복적인 발전기들이 공공시설 규모 전기 생산에 잘 맞는다.
본 발명에 따라, 발전기는 바람직하게는 다른 광발전 셀 디자인에 비해, 비교적 높은 변환 효율을 갖는 다중-접합 광발전 셀들을 포함한다. 본 발명에서, 다중-접합 광발전 셀들은 바람직하게는 단위 전력 출력당 셀 비용을 크게 줄이기 위해, 태양 레벨의 약 1000배 이상까지의 집속율로 조사된다.
본 발명의 중요한 특징은 집속된 태양광을 공급하는 주 반사경의 초점에 중심이 맞춰진 볼 또는 완전한 구체의 형태의 대물렌즈를 사용하는 것이다. 본 발명에 따른 볼 렌즈는 발전기에 들어가는 빛의 불균일하고 가변적인 분포에도 불구하고 광발전 셀들의 실질적으로 균일하고 안정적인 조명을 제공한다. 발전기 내에 직렬로 전기적으로 연결된 다수의 광발전 셀을 사용하는 본 발명의 대부분의 바람직한 실시예들에서, 조명의 균일성과 안정성이 중요하다. 이 구성에서, 이러한 셀들이 실질적으로 동일한 태양 출력 입력을 받고 동일한 전류 출력을 전달하지 못한다면 효율성이 절충된다. 본 발명의 입력 광의 불균일하고 가변적인 분포에 대한 비교적 높은 허용오차는, 불균일하고 가변적인 입력 조명을 야기하는 휨, 바람의 와류(wind buffeting), 오정렬 및 광학적 제조 오류에 취약한 저-비용 전달 장치에 의해 구동될 때에도, 태양광 발전기가 매우 효율적이게 한다.
본 발명에서, 볼 렌즈에 의해 제공되는 안정적인 조명 영역이 주 집속기의 오목한 이미지에서 발견된다. 본 발명에 의해 제공되는 이러한 이미지는 적당한 지향오류를 가져도 발전기에 대해 움직이지 않으므로, 조명은 "수용면"이라고 불리는, 안정화된 이미지에 상응하고 발전기 내에 고정된 오목한 표면에 실질적으로 안정화된다. 발전기의 광발전 셀들의 구성이 발전기를 구동하는 데 사용되는 주 집속기의 렌즈에 의해 형성되는 이미지와 일치되는 것이 바람직하다. 그러므로, 본 발명에 따른 발전기는 바람직하게는 사용되는 주 집속기에 일치되고, 집속기의 초점비와 특정 형상 모두에 매치된다. 예를 들어, 빛을 발전기에 전달하는 주 집속기가 정사각형이면, 집속된 빛은 그 표면 상의 볼 렌즈에 의해 형성된 정사각형 집속기의 오목한 이미지로서 수용면에 걸쳐 분포된다.
본 발명에 따른 발전기에서 사용되는 렌즈의 매우 선호되는 형상은 구(sphere)이다. 왜냐하면, 본 발명의 구면 렌즈는 광각에 걸쳐 결상하고, 이에 따라 짧은 초점 거리의 주 집속기와 함께 사용될 수 있기 때문이다. 부가적으로, 작구면 렌즈는 작은 직경과 짧은 초점 거리를 구비할 수 있고, 이는 주 반사경의 작은 이미지를 만들고 높은 집속율을 달성한다. 또한, 구면 렌즈는 적은 비용으로 제조될 수 있기 때문에 선호된다. 낮은 OH 함량의 용융된 실리카 유리는 구면 또는 볼 렌즈용으로 매우 선호되는 재료인데, 왜냐하면 태양 스펙트럼에 걸쳐 빛을 매우 적게 흡수하기 때문이다. 실제로, 이러한 재료의 렌즈는 높은 수율을 달성할 수 있다. 태양 스펙트럼에 걸친 실리카의 굴절률에 근거하여, 빛이 안정화된 이미지는 (f/0.5 포물면에 의한 조명) 전형적인 조건 하에서 바람직하게는 하기의 수학식 1에 의해 주어지는 반경 "b"에서 반경 "a"의 볼 렌즈와 동심관계인 거의 구면인 표면 상에 위치한다.
[수학식 1]
b~1.546 a
본 발명의 몇몇 실시예들의 중요한 특징은 "보조 반사경들"을 사용하는 것이다. 이러한 실시예들에서, 셀들은 볼 렌즈들에 의해 제공되는 안정화된 빛을 수용하기 위해 수용면과 직접적으로 일치하게 설정되지 않지만, 수용면과 광발전 셀들 간에서 보조 반사경들과 함께 수용면 뒤에서 오목하게 되어(오프셋되어) 있다. 보조 반사경들의 목적은 수용면에서 집속된 태양광의 원활하고(smooth) 연속적인 흐름(flux)을 개별적인 셀들의 광발전적으로 활성인 영역들에만 조사하는 이산된 영역들로 방향을 바꾸는(redirect) 것이다. 수용면의 소정의 영역을 통과하여 보조 반사경으로 간 빛은, 수용면으로부터 셀의 광발전적으로 활성인 영역의 주변으로 하방향으로 연장하는 내측으로 경사지고 거울면인 벽들로부터의 반사에 의해 그리고 직접적으로, 양자에 의해 오목한 광발전 셀에 도달한다. 보조 반사경들로 들어가는 것은 보조 반사경들의 세트(set)가 수용면의 전체 조명 영역에 이음매없이 타일링하도록(tile) 구성된다. 오목하고 개별적인 광발전 셀들이 수용면 뒤에 오목한 배열로서 유지된다. 본 발명의 보조 반사경들의 작동은 각각의 보조 반사경에 걸친 볼 렌즈에 의해 전달되는 빛의 수직에 가까운(near-normal) 입사에 의존한다.
본 발명의 보조 반사경들의 기능 및 작동은 광발전 셀들과 연계하여 이전에 사용된 광학 깔대기(funnel)들의 것과는 모두 꽤 상이하다. 전형적으로 이러한 광학 깔대기들의 기능은 깔대기 입구에서 넓은 범위의 입사 각도들에 걸쳐 불균일하고 가변적으로 분포되고 퍼지는 빛을 균질화하는 것이었다.
본 발명의 보조 반사경들은 몇가지 장점들을 제공한다. 제 1 장점은 입력되는 태양 에너지의 매우 효율적인 사용이며, 왜냐하면 볼 렌즈에 의해 안정화된 모든 입사광이 다수의 편평한 셀들 내부의 광발전적으로 활성인 영역들을 향해 보내지기 때문이다. 보조 반사경들의 제 2 장점은 셀 배열의 간단한 제조이다. 보조 반사경들의 오목한 배열 뒤에 배치되는 셀들은 오목한 배열로 유지되지만, 바이패스 다이오드와 배선의 편리한 나란한 배치를 위해 이격되어 있다. 이러한 이격된 셀들을 갖는 발전기는 바람직하게는 평평한 수신기 조립체들로 저비용으로 대량생산되며, 상기 평평한 수신기 조립체들은 각각, 하나씩의 셀을 가지며, 오목한 배열에 맞도록 요구되는 형상 및 크기들로 만들어진다. 이러한 방식으로, 표준의 평편한 광발전 셀들이 최소의 특별 요구조건들을 가지고 완전한 전자장치 제조 방법들에 의해 표준 단면 인쇄회로들 상에 조립될 수 있다. 보조 반사경들의 제 3 장점은 냉매의 강제 유동에 의한 셀 냉각의 효율성이다. 셀들 뒤의 높은 열 집중의 국지적 영역들을 냉각하기 위해 효율적인 흐름이 배기 다기관(manifold)들로서 (보조 반사경들을 사용하여 얻어지는)이러한 영역들 간의 갭들을 사용하여 얻어진다. 그러므로 더 높은 순 출력 전력이 달성되는데, 이는, 왜냐하면 효과적인 커플링이 더 높은 변환 효율을 일으키고 냉매 펌프 모터들을 구동하기 위한 발전기 출력의 기생 손실이 적기 때문이다.
발전기는 하기의 고려조건들에 근거하여 소정의 포물면 반사경에 대해 본 발명에 따라 설계될 수 있다. 초점 비 f≥0.5를 갖는 주 반사경들과 함께 사용되는 본 발명에 따른 발전기들을 위한 광선 추적(ray tracing) 계산들은 최대, 하기의 수학식 2의 값까지의 광선 편차각δ에 대해 실질적으로 변하지 않고 유지되는 수용면에서의 강도를 보인다.
[수학식 2]
δm ≒ a/2F
여기서 "F"는 주 포물면의 초점 거리이다. 실제의 광선 편차는 제조 및 지향에서의 오류들 또는 태양의 유한 각도 사이즈(finite angular size)(돌출부(limb)에서 δ=0.004 라디안(rad))와 같은 다수의 원인들로부터 발생한다.
볼 렌즈에 의해 제공되는 태양광의 집속은 중심으로부터 멀어질수록 증가하는, 수용면에 걸친 위치에 의존한다. 초점 거리 F의 포물면에 의한 조명에 대해, 볼 렌즈의 중심에 대한 각도 θ에서 임의의 지점에서 반경 "b"의 구면의 수용면 상의 집속율 C1은 하기의 수학식 3에 의해 주어진다:
[수학식 3]
Figure pct00001
볼 렌즈 디자인 및 특성들의 일례로서, f/0.5, 즉, 0.5D인 초점 길이의 원형의 주 반사경과 함께 작동하도록 설계된 발전기를 고려하며, 여기서 "D"는 반사경의 직경이다. 구형 수용면의 에지(edge)에서, 에지 각도 θe=53.1°이고 집속율 C1은 수학식 3으로부터 중심(θ=0)에서보다 높은 계수 1.56이다. 주 반사경으로부터 조합된 광선 편차들이 ±1°(±0.017rad)만큼 높다고 기대되면, 발전기는 바람직하게는 수학식 2로부터 반경 a=0.035F의 실리카 볼 렌즈를 포함한다. 수학식 1로부터 b=1.546a이고 D=2F라고 하면, F/b=18.5가 된다. θ=0인 경우에 수용면의 중심에서 집속율은 간단히 (F/b)2=342에 의해 주어지고, 수학식 3으로부터 에지(θe=53.1°)에서 533이다.
상기 고려사항들은 본 발명에 따른 발전기들의 수용면에서의 지향오류 허용오차와 집속율 간의 관계를 보여준다. 본 발명에 따른 볼 렌즈를 사용하는 발전기에 대해, 지향오류에 대한 제한 각도는 C1≒0.1/δm 2에 의해 중심 집속율에 관계한다. 그러므로, 예를 들어, 수용면 중심에서 기하학적 집속율 C1center=400과 에지에서 C1edge=625를 제공하도록 상기 반사경과 함께 사용되기 위해 선택된 실리카 볼이 δm=0.016rad 또는 0.9°이하의 지향오류 각도δ와는 독립적으로 조명을 제공한다.
보조 반사경들이 볼 렌즈들과 연계하여 사용될 때, 에지에서 반사된 빛이 볼 렌즈로부터 광발전적으로 활성인 영역들 상에 직접 입사되는 것에 추가되고, 셀에서 빛의 집속율의 평균 레벨이 수용면에서에 비해 증가된다. 증가된 집속율의 평균은 제 2 집속율 C2라 부른다. 셀에서 보이는 전체 집속율 "C"는 볼 렌즈에 대한 기하학적 집속율 C1과 보조 반사경들에 대한 집속율 C2와 총 광학 수율 η의 곱과 같으므로, C=ηC1C2이다. 깊은 보조 반사경들을 갖는 실시예들은 더 높은 집속율 C2를 가지므로 주어진 총 집속율 C에 대해 더 적은 집속율 C1을 요구한다. 중요한 결과는 깊은 보조 반사경들 즉, 더 높은 제 2 집속율을 갖는 발전기들이, 주어진 총 집속율에 대해, 지향오류 및 다른 광선 편차들에 대해 증가된 허용오차들을 갖는다는 것이고, 왜냐하면 수학식 2에 의해 주어진 볼 렌즈에 의한 바람직한 결상에 대한 필요에 의해 설정된 공차가 볼 집속율 C1에만 적용되기 때문이다.
본 발명에 따라, 바람직한 실시예의 발전기는 수용면 둘레에 오목한 배열로 조립된 복수의 광발전 셀을 구비한다. 셀들은 모든 광발전 셀들이 개별적으로 실질적으로 같은 광 출력을 받고 실질적으로 같은 전류를 생성한다면, 높은 효율로 전력을 전달하도록 간단히 직렬로 연결될 수 있다. 그러므로, 각각의 광발전 셀들에 관련한 수용면의 영역은 바람직하게는 수학식 3에 주어진 바와 같이 반경에 따른 집속율의 예측가능한 증가에 반비례하여, 반경이 증가함에 따라 작아지게 구성된다. 소정의 주 반사경에 대해 구성된 본 발명의 특정 실시예들에 대해, 동일한 출력을 위한 수용면에 대한 타일링(tiling) 패턴은 먼저 (축에 대해 직각으로 투영될 때)주 반사경 영역을 동일한 면적들로 분할하여 구성되었다. 이렇게 분할된 주 반사경의 수용면 상의 이미지는 동일한 출력을 받는 영역들로 분할된다. 예를 들어, 정사각형 주 반사경과 함께 사용되는 본 발명의 일 실시예에 대해, 수용면은 주 반사경 상에 투영되는 규칙적인 정사각형 그리드(grid)로 형성된 그 표면 상의 이미지에 따라 분할될 수 있다.
본 발명의 제 1 및 가장 단순한 실시예에서, 발전기의 복수의 개별적으로 편평한 광발전 셀들이 볼 렌즈로부터 집속된 빛에 의해 직접적으로 비춰지고 셀들은 이미지 주변까지 만곡된 수용면을 타일링하도록 상이한 형상 및 사이즈들로 만들어진다. 몇몇 실시예들에서, 편평한 셀들은 수용면과 비슷한 다면체의 면(facet)들과 같은 형상을 갖는다. 이러한 실시예들 중 몇몇에서 셀들은 위에 요약한 바와 같이, 동일한 출력량을 받도록 개별적으로 구성된다. 몇몇 실시예들에서 수용면은 볼 렌즈와 동심관계이고 집속기 광학장치의 광선 지향오류 특성의 범위에 대해 주 반사경의 가장 선명한 이미지를 내도록 선택된 반경을 갖는 구형 곡률을 갖는다. 다른 실시예들에서, 수용면은 비-구면일 수 있고, 예를 들어, 수용면 상의 주 반사경의 결상(imaging)의 개선을 위해 편구면(oblate spheroid)이다. 이러한 개선된 결상은 특히 광각의 지향오류에 대해 출력 전력을 안정화시키기 위해, 또는 매우 깊은 접시형의 주 반사경과 함께 사용되는 발전기의 출력 전력을 더 안정화시키기 위해 바람직하다.
상술한 바와 같은 밀접하게 패킹되고 직접 조사되는 광발전 셀들을 갖는 이러한 간단한 실시예들에 대한 제약은 일부 빛이 셀들 사이의 갭들과 빛을-감지하지 않는 에지의 모선들로 사라지는 것이고 이는 셀 면적의 10% 이상을 커버할 수 있다.
본 발명에 따라, 이러한 제약들이 보조 반사경들을 사용하여 다른 실시예들에서 개선된다. 보조 반사경들의 깊이들을 다르게 하는 것은 상이한 실시예들에서 사용되어, 셀 이격의 차이, 부가적인 광 집속율 C2, 에지 증광(brightening)으로 인한 셀에 걸친 집속율의 변화를 제공한다. 깊이 증가는 더 큰 셀 이격과 광 집속율 증가를 위해 제공되고, 에지 증광에 의해 도입되는 광발전 셀에 걸친 조명의 불균일성 감소를 제공할 수 있다. 몇몇 바람직한 실시예들에서 보조 반사경들은 광발전 셀 둘레에서 거울을 갖는 프레임들의 형태를 취한다. 다른 바람직한 실시예들에서 보조 반사경들의 측벽들에서의 반사는, 내측으로 경사진 연마된(polished) 에지 벽들을 갖는 속이 찬 유리의 각기둥(prismatic) 윈도우를 각각의 셀 앞에 배치하여 달성되는, 전반사를 이용한다. 전반사는 상술한 거울을 갖는 프레임들과 함께 보조 반사경들에 사용될 때, 외부 반사에서 고유의 약간의 에너지 손실을 회피한다.
보조 반사경들을 사용하는 (타입 2로 불리는) 바람직한 일 실시예에서, 반사경들은 얕고, 인접한 활성 셀 영역들 간에 열린 갭들은 비교적 좁다. 이 경우에, 제 2 집속율 C2는 전형적으로 낮고, C2 ~ 1.4이고, 임의의 하나의 광발전 셀에 걸친 조명은 강한 에지 증광을 특징으로 한다. 줄 손실(Joule loss)은 불균일한 조명으로 크게 증가할 것으로 기대되지 않는데, 왜냐하면 밝은 에지들 근처의 셀에 걸친 좁은 전류-운반 트레이스(trace)들이 밝은 에지들에서 짧은 경로들만에 걸쳐 흐르기 때문이다. 몇몇 실시예들에서 에지들을 따르는 증광으로 인한 높아진 온도가 열전도 셀 기판으로 측방향 확산에 의해 최소화되어, 과열로 인한 수명 단축과 변환 효율 감소를 회피할 수 있다.
타입 2의 특정 실시예에서, 원형의 주 반사경과 함께 사용하기 위해, 보조 반사경들이 각기둥 윈도우들로서 실시되고, 셀들의 그룹들이 지향오류 허용오차를 개선하기 위해 전기적으로 병렬로 연결된다. 셀들의 그룹들은 방사방향으로 배향되고 선대칭이어서, 모든 그룹들이 동일한 출력을 내고 동일한 전류를 전달한다. 방사방향 그룹들을 위한 바이패스 다이오드들이 수용면의 외주 둘레에 설치된다. 바람직한 일 실시예에서, 수동적인 열전달 방법이 선호된다. 많은 광발전 셀들로부터의 폐열(waste heat)이 세라믹 기판 재료를 통해 뒤의 유체 챔버로 전도된다. 대형 히트 파이프 또는 열 사이펀(thermosiphon)이 유체 챔버에서 끓여(boiling) 셀들을 냉각시키는 데 사용될 수 있고, 이는 수증기가 핀을 갖는(finned) 파이프들에서 상승하여 자연 대류에 의해 냉각되게 한다. 재응축된 유체는 중력에 의해 챔버로 복귀한다. 개선된 일 실시예에서, 광발전 셀들과 바이패스 다이오드들은 세라믹 컵에 납땜되고 세라믹 컵 상의 오목한 구리 인쇄 회로에 의해 연결된다. 보다 쉽게 제조될 수 있는, 다른 실시예에 대해, 셀들은 골격 구조 지지부에 장착된 개개의 편평한 세라믹 기판들에 납땜되고, 냉각은 능동적으로 펌핑되는 액체 냉매에 의한다.
정사각형 주 반사경의 초점에서 사용하기 위한, (타입 3으로 불리는) 특히 바람직한 실시예의 발전기는, 볼 렌즈를 포함하고 깊고 거의 정사각형인 보조 반사경들을 수용면에서 사용한다. 이들은 셀들 사이에 비교적 큰 갭들을 제공하고 특히 개개의 광발전 셀들에 걸친 조명의 불균일성을 최소화하기 위한 깊이를 갖게 선택된다. 최고의 균일성은 각각의 거울이 에지의 빛을 셀의 중심까지만 반사하도록 배향된 기울기 각도 및 깊이를 갖게 보조 반사경의 4개의 에지 거울들이 선택될 때 정사각형 셀들에서 달성된다. 그 결과 비교적 균일한 조명이 얻어지고, 표준 편차 σ1/<I> =0.12이고, 실질적으로 에지 증광이 없고, 상당한 제 2 집속율, C2 ~ 2.6이다. 상기 분석으로부터 지향오류에 대한 각도 허용오차 δm은 1000만큼 큰 집속율에 대해서도 1°에 가깝다.
이 매우 바람직한 발전기의 바람직한 실시예에서, 보조 반사경들은 은-도금된 모형들로 만들어지고 셀 조립체와는 별개인, 액체-냉각되고, 컵-형상인 프레임워크에 장착된다. 각각의 광발전 셀이 꼭 맞게 끼워맞춰지도록 돌출한 바이패스 다이오드(들)과 노치를 갖는 측면들을 갖는 작은 수신기 조립체에 장착된다. 셀들과 이들의 수신기 조립체들은 셀을 조명하는 보조 반사경의 바로 뒤에 각각의 셀을 배치하는 오목한 장착면 상에 함께 끼워맞춰지도록, 동일한 일반적인 형상이지만 상이한 사이즈들로 만들어진다. 수신기 조립체들은 연속적인 냉각(cooled) 구리 컵의 형상을 취하는 오목한 장착면에 나사들과 열 수지(thermal grease)를 통해 부착된다. 수신기 조립체들은 장기판 패턴으로 함께 끼워맞춰져, 매우 짧은 전기적 연결만이 그 직렬 체인을 완성하기 위해 수신기들의 인접한 교차(across) 모서리들 사이에 필요하다. 각각의 수신기 조립체는 이러한 짧은 연결이 가능하도록 4개의 모서리 모두에서 사용가능한 출력부들을 갖는다.
능동 냉각이 이 실시예에서 선호된다. 구리 컵의 볼록한 측면은 액체에 의해 냉각되고, 이는 발전기로부터 멀어지게 방열기(radiator)로 펌핑되고, 여기서 액체는 강제 대류에 의해 공기에 의해 냉각된다. 액체-냉각되는, 구리 컵의 볼록한 측면은 표면적을 증가시키기 위해 짧고 밀접하게 패킹된(packed) 히트싱크와 같은 핀(pin) 또는 핀(fin)들을 갖는 각각의 셀 반대쪽의 국지적인 영역들에 제공된다. 이러한 영역들에서 냉각 액체는 열전달 개선을 위해 구리 핀(pin)들 사이의 갭 또는 채널들로 제트(jet)들에 의해 보내진다. 이 유동은 낮은 압력을 필요로 하는데, 왜냐하면 이러한 국지적인 핀(pin)/핀(fin) 영역들의 측면에 제공된 준비된 탈출 경로들 때문이다. 그 결과, 냉매 펌프들 및 이러한 능동 냉각 시스템의 팬들에 대한 기생 전력 손실이 낮다.
집속율의 선택에 큰 유연성을 주는, 제 4 변경 실시예의 타입에서, 각기둥 윈도우들이 광파이프(lightpipe)들을 형성하도록 큰 깊이로 연장할 수 있다. 이러한 광파이프들은 바람직하게는 동일한 출력을 받도록 상이한 사이즈를 갖는 진입 개구(aperture)들을 갖고, 동일한 직사각형 또는 정사각형 광발전 셀들을 비추도록 동일한 형상 및 사이즈의 영역들로 제공되는 출구 개구들을 갖도록 구성된다. 이러한 광 파이프들은 휜(warped) 측면들을 갖는다. 이 변경 실시예에서, 광파이프에서의 다중 반사가 출력 광을 다시 균질화시키고 균일하게 하고, 제 2 집속율 계수는 광파이프 기하학적 형상의 선택에 의해 맞춰질 수 있는 자유 매개변수이다.
도 1은 포물면 반사경의 초점에서 제 위치에 있는 발전기의 볼 렌즈의 위치를 도시한, 바람직한 실시예의 사시도.
도 2는 도시된 냉매 구조를 갖는 본 발명에 따른 발전기의 바람직한 실시예를 도시한 단면도.
도 3은 포물면 접시에 의해 발전기에 보내지는 태양광선들의 경로를 예시하는 개략도.
도 4a는 발전기가 설치되기 전의, 접시의 초점 근처의 광선들을 예시하는 개략도.
도 4b는 볼 렌즈를 통과한 후의 동일한 광선들을 예시하는 개략도.
도 5a는 본 발명에 따른 발전기의 볼 렌즈의 수용면에 직접 배치된 인접한 편평한 광발전 셀들을 예시하는 개략도.
도 5b는 본 발명에 따른 발전기의 볼 렌즈의 수용면 둘레에 구성된, 한 유닛이 깊은 3개의 보조 반사경들 뒤에 설치된 광발전 셀들을 예시하는 개략도.
도 5c는 본 발명에 따른 발전기의 볼 렌즈의 수용면 둘레에 구성된, 두 유닛이 깊은 3개의 보조 반사경들 뒤에 설치된 광발전 셀들을 예시하는 개략도.
도 5d는 본 발명에 따른 발전기의 볼 렌즈의 수용면 둘레에 구성된, 세 유닛이 깊은 3개의 보조 반사경들 뒤에 설치된 광발전 셀들을 예시하는 개략도.
도 5e는 본 발명에 따른 발전기의 볼 렌즈의 수용면 둘레에 구성된, 4 유닛이 깊은 3개의 보조 반사경들 뒤에 설치된 광발전 셀들을 예시하는 개략도.
도 6a는 도 5a에 따른 셀들 중 하나에 걸친 조명 강도를 예시하는 개략도.
도 6b는 도 5b에 따른 셀들 중 하나에 걸친 조명 강도를 예시하는 개략도.
도 6c는 도 5c에 따른 셀들 중 하나에 걸친 조명 강도를 예시하는 개략도.
도 6d는 도 5d에 따른 셀들 중 하나에 걸친 조명 강도를 예시하는 개략도.
도 6e는 도 5e에 따른 셀들 중 하나에 걸친 조명 강도를 예시하는 개략도.
도 7은 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d 및 도 5e와 도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e에 예시된 바와 같이 상이한 깊이의 보조 반사경들에 대해, 집속율의 함수로서 셀 조명의 정규화된 표준 편차를 예시하는 도표.
도 8은 수용면과 입사동(entrance pupil)의 상응하는 구분을 예시하는 사시도.
도 9a는 링들과 스포크(spoke)들에 의해 동일한 면적들로 분할된 원형 입사동을 예시하는 개략도.
도 9b는 동일한 출력을 받는 사다리꼴 셀들을 갖는, 도 9a의 입사동에 상응하는 수용면을 예시하는 사시도.
도 10a는 동일한 정사각형 영역들로 분할된 정사각면의 사시도.
도 10b는 도 8의 구성에 의해 동일한 출력의 거의 정사각형인 영역들로 분할되고, 정사각형 주 반사경과 함께 사용되는 발전기를 위한 수용면과 볼 렌즈를 예시하는 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 발전기로 포물면 거울에 의해 반사된 광선들을 예시하는 기하학적 도면.
도 12a는 얇은 각기둥 윈도우의 형태인 보조 반사경을 통과하는 축 상의 광선들을 도시하는 단면도.
도 12b는 얇은 각기둥 윈도우의 형태의 보조 반사경을 통과하는 비축(off-axis) 광선들을 도시한 단면도.
도 13a는 출구면에서의 강도가 축상(on-axis)의 조명을 위한 광선 추적에 의해 계산된 얇은 각기둥 윈도우들의 링들을 예시하는 개략도.
도 13b는 출구 면들에서 강도가 비축 조명에 대해 광선 추적에 의해 계산된 얇은 각기둥 윈도우들의 링들을 예시하는 개략도.
도 14는 광발전 셀들을 지지하는 모노리스 구조물과, 얇은 각기둥 윈도우들, 광발전 셀들을 갖는 조립체의 세부사항을 도시한 단면도.
도 15는 단일 인쇄회로를 사용하는 집속기 셀 배선의 세부사항을 도시한 단면도.
도 16a는 어떤 지향오류도 없는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선도면.
도 16b는 약간의 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16c는 도 16b에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16d는 도 16c에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16e는 도 16d에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16f는 도 16e에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16g는 도 16f에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 16h는 도 16g에 도시된 지향오류 각도보다 큰 지향오류 각도를 갖는 수용면으로의 광선 경로들을 예시하는 광선 도면.
도 17은 태양에 대한 반사경의 지향오류에 대한 허용공차를 개선하기 위한 광발전 셀들의 전기적 상호연결을 위한 구성을 예시하는 개략도.
도 18a는 지향오류가 없는 광발전 셀들의 병렬 그룹들과 개개의 광발전 셀들의 광발전 전류들을 도시한 도면.
도 18b는 작은 지향오류 각도가 있는 경우에 광발전 셀들의 병렬 그룹들과 개개의 광발전 셀들의 광발전 전류들을 도시한 도면.
도 18c는 지향오류 각도가 도 18b에 도시한 것에 비해 증가된 광발전 셀들의 병렬 그룹들과 개개의 광발전 셀들의 광발전 전류들을 도시한 도면.
도 18d는 지향오류 각도가 도 18c에 도시한 것에 비해 증가된 광발전 셀들의 병렬 그룹들과 개개의 광발전 셀들의 광발전 전류들을 도시한 도면.
도 19는 광발전 셀들의 바람직한 배치 및 구성을 도시한, 도 2에 따른 바람직한 실시예의 사시도.
도 20은 광발전적으로 활성인 영역에 걸친 주변 셀의 모선들과 그리드 와이어들의 바람직한 배치를 도시한 사다리꼴 광발전 셀의 평면도.
도 21은 광선들이 균일한 광발전 셀 조명을 보이고, 복합 구조물이 광발전 셀들을 지지하는, 도 5d 및 도 6d의 바람직한 실시예 내에서의 보조 반사경들을 도시한 단면도.
도 22는 도 21에 따른 발전기의 바이패스 다이오드들과 셀들 및 광학장치들만을 도시한 사시도.
도 23은 바람직한 보조 반사경들의 세트의 평면도.
도 24는 반사경의 베이스를 나가는 조명의 강도가 점(dot) 밀도로 표현된, 도 23의 보조 반사경들 중 하나의 평면도.
도 25는 냉매 구조물과 포물면 반사경의 초점에서 사용되는 볼 렌즈를 갖는 발전기를 도시한, 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 사시도.
도 26은 명확성을 위해 몇몇 구성요소들이 단면도로 도시된, 도 25의 발전기의 세부사항을 도시한 사시도.
도 27은 지지하는 냉각된 프레임워크의 일 섹션이 절개된 모습의 장착된 보조 반사경의 사시도.
도 28은 보조 반사경들을 지지하는 완전한 프레임워크의 사시도.
도 29는 80개의 수신기 조립체들의 배열을 개략적으로 도시한 사시도.
도 30은 수용면의 전체 폭에 걸쳐 일렬(row)인 8개의 수신기 조립체들과 일렬의 8개의 보조 반사경들을 도시한 사시도.
도 31은 단일 수신기 조립체의 사시도.
도 32는 수신기 조립체의 분해도.
도 33은 수신기 조립체 받침대(mounting)의 세부사항을 도시한 단면도.
도 34는 보조 반사경들과 수신기 조립체들의 세부사항을 도시한 사시도.
도 35는 80개의 수신기 조립체들의 직렬 연결을 도시한 전기 배선도.
도 36은 수신기 조립체들을 지지하는 모노리스 구리 컵의 몇몇 면들을 도시한 일 섹션의 사시도.
도 37a는 축-상 조명에 대해 얇은 보조 반사경들에 의한 반사의 기하학적 형상을 예시하는 개략도.
도 37b는 비축 조명에 대해 얇은 보조 반사경들에 의한 반사의 기하학적 형상을 도시한 개략도.
도 37c는 축-상 조명에 대해 두꺼운 보조 반사경들에 의한 반사의 기하학적 형상을 예시하는 개략도.
도 37d는 비축 조명에 대해 두꺼운 보조 반사경들에 의한 반사의 기하학적 형상을 도시한 개략도.
도 38a는 축-상 조명에 대해 수용면에서 휜 측면들을 갖는 광파이프들을 갖는 변경 실시예를 예시하는 개략도.
도 38b는 도 38a에 도시된 것에 따르지만 비축 조명에 대해, 수용면에서 휜 측면들을 갖는 광파이프들을 갖는 변경 실시예를 예시하는 개략도.
도 39a는 태양 스펙트럼에 걸쳐 전기적으로 용융된 석영의 흡수율을 도시한 그래프.
도 39b는 도 39a의 그래프에 상응하는 태양 스펙트럼에 걸친 태양 복사선의 상대 강도를 도시한 그래프.
도 40은 볼 렌즈 입구 면을 보호하기 위해 관절형 꽃잎(articulated petal)들의 형태의 셔터를 예시하는 도면.
도 41a는 모노리스 면을 갖는 다면체 세라믹 지지부를 도시한, 오목한 다중-셀 수신기 조립체의 분해 사시도.
도 41b는 구리 인쇄회로 층을 도시한, 오목한 다중-셀 수신기 조립체의 일부의 분해 사시도.
도 41c는 광발전 셀들과 바이패스 다이오드들을 도시한, 오목한 다중-셀 수신기 조립체의 일부의 분해 사시도.
도 41d는 각기둥 윈도우들을 도시한, 오목한 다중-셀 수신기 조립체의 일부의 분해 사시도.
도 42는 도 41b의 인쇄회로 구리 층의 세부사항을 보이고, 도 17에 개략적으로 도시한 전기 연결들을 제공하는 사시도.
도 43은 광발전 셀들, 바이패스 다이오드들 및 상호연결부들의 위치를 개략적으로 도시한 도 15의 인쇄회로의 부분 평면도.
도 44는 주 반사경에서 반사의 세부사항을 도시한 광선 도면.
도 1은 포물면 반사경(1)의 초점에서 작동하는, 본 발명에 따른 발전기(4)의 사시도이다. 태양광은 거울(1)에 의해 반사된 복사선 또는 광선(2)들로서 시스템에 들어간다. 거울(1)은 반사된 태양 복사선 또는 광선(3)들이 발전기(4)가 위치하는 초점(28)을 향해 보내지도록 형상을 갖는다. 작동시, 발전기(4)는 그 축이 2축 추적기에 의해 태양으로 지향된 바람직하게는 포물면 반사경 또는 거울(1)의 초점(28)에서 사용하도록 설계된다.
본 발명에 따른 발전기에 태양 출력을 공급하는 거울(1)은 바람직하게는 가능한 많은 태양광을 반사하고 발전기(4)의 위치에 이를 집속시키는 실질적으로 포물면인 반사면을 갖는다. 포물면 형상의 반사경(1)이 바람직한데, 왜냐하면 평행하게 들어오는 광선(2)들을 초점(28)으로 반사하기 때문이다. 반사경(1)이 실질적으로 포물면인, 바람직한 실시예에서, 원하는 포물면 형상으로부터 반사면의 형상의 편차는 주 반사경(1)의 수용면에서 표면 기울기 오류들로서 특징지어질 수 있고, 본 발명의 디자인은 이러한 오류들에 대해 약간의 허용오차를 제공한다. 이는 제조 및 작동시 비용 효과를 달성하는 바람직한 특징이다.
포물면 거울(1)의 초점(28)에서 사용되는 발전기(4)의 세부사항은 도 2의 단면도에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 실질적으로 구면인 대칭 발전기(4)이고, 상기 발전기(4)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 볼 대물 렌즈(5)(ball field lens)와, 동심으로 위치하며 오목하고 그릇 형상(bowl-shape)이며 구형으로 만곡된 수용면(9)을 포함한다. 상기 수용면(9) 둘레에, 집속기 광발전 셀(15)들이 전개된다. 복수의 광발전 셀(15)은 태양 복사선으로부터 직접 전기를 생산하는 데 사용된다. 이러한 셀(15)들은 바람직하게는 집속된 태양 복사선의 환경에서 기능하게 설계된 집속기 광발전 셀(15)들이다. 복수의 광발전 셀(15)은 각각의 셀(15)에 의해 생산된 전력을 발전기(4)의 총 출력 전기로 조합하도록 전기적으로 함께 연결된다. 셀(15)들은 개별적으로 편평할 수 있고, 이는 종래의 방법들에 의해 제조된 집속기 광발전 셀(15)들을 사용할 수 있게 한다. 도 2를 참조하면, 볼 대물 렌즈(5)가 단면도로 도시되어 있다. 볼 렌즈(5)의 중심은 바람직하게는 포물면 반사경(1)의 초점(28)에, 또는 초점(28)에 매우 가깝게 위치된다. 볼 렌즈(5)에 대한 바람직한 형상은 완전한 구인데, 왜냐하면, 주 집속기(1)의 우수한 광각 결상을 제공하는 데 부가하여, 낮은 비용으로 제조될 수 있기 때문이다. 작동시, 반사된 광선(3)은 볼 렌즈(5)를 통과하고 하기에 상술하는 바와 같이, 렌즈(5)에 대해 반사된 광선(3)들의 각도에 따라, 광학 렌즈(5)의 효과에 의해 굴절될 수 있다. 도 2에 참조번호 6, 7로 표기된, 볼 렌즈(5)를 통과하는 집속된 태양광은 구면 렌즈(5)와 동심인 위치에 위치된, 오목한 구형, 컵-형상의 수용면(9) 상에 주 포물면 반사경(1)의 이미지를 형성한다.
본 발명의 중요한 특징은 태양 복사선(6, 7)의 강도가 수용면(9)에 걸쳐 원활하게 분배되고 주 포물면 거울(1)의 반사면에서 표면 기울기 오류들과 추적기의 지향오류에 대해 안정화된다는 것이다. 볼 렌즈(5)는 추적기의 지향 오류들에 대해 표면(9)에 걸친 광 강도의 안정화를 달성하는 역할을 한다. 추적기가 직접 태양을 향하지 않아도, 표면(9)에서 광 강도는 상당한 범위의 지향 오류들에 대해 상대적으로 변하지 않고 유지된다. 부가적으로, 볼 렌즈(5)는 바람직하게는 기밀적으로 밀봉된 공동(8)에 대해 투명한 광학 개구(aperture)로서 역할을 할 수 있다. 밀봉된 공동(8)은 수용면(9)에서 태양 셀(15)들과 윈도우(11)들을 보호한다.
오목한 수용면(9)에서 포물면 반사경(1)으로부터 빛(3)의 강도를 안정화시키고 원활하게 분배하기 위한 볼 렌즈(5)의 광학적 디자인 및 특성들이 도 3, 도 4a 및 도 4b에 예시되어 있다. 도 3은 대형 포물면 거울(1)에 의해 발전기(4)로 반사되는 광선(3)들의 도면이다. 광선(3)들은 주 반사경(1)에 걸친 대각선을 따라 균일하게 이격된 6개 지점들로부터 반사되는 것으로 단면도에 도시되어 있다.
렌즈(5)의 작용은 도 4a와 도 4b에 도시된 초점 영역의 상세한 예시도에 예시되어 있다. 포물면(1)으로부터의 광선(3)들이 렌즈(5)가 없을 때 편평한 초점 면(40) 상에 직접, 떨어질 때가 도 4a에 도시되어 있다. 이 경우에 임의의 지점에서의 강도는 태양의 방향에 대한 반사경(1)의 지향오류 각도와 평면(40)에서 그 위치 모두에 강하게 의존한다. 포물면 축에 대해 평행하게 입사된 포물면으로부터 반사된 광선(3)들은 얇은 선(3)들로 도시되어 있다. 이들은 포물면(1)의 초점(28)에서 점으로 만난다. 비축(off-axis) 소스로부터 포물면(1)에 의해 반사된 광선(41)들이 두꺼운 점선(41)들로 도시되어 있다. 이들 광선(41)은 중심 초점(28)으로부터 멀리 이동되어 있고 색 수차에 의해 지점(29)만큼 멀리 반경 방향에서 퍼져 있다.
도 4b에 예시된 세부사항들은 구면의 볼 대물 렌즈(5)가 포물면 초점(28) 상에 중심이 맞게 도입될 때, 동일한 축상(on-axis) 광선(3)들과 비축 광선(41)들의 경로를 도시한다. 렌즈(5)는 도 4a의 모든 광선(41)을 둘러싸는데 필요한 반경(29)까지 연장하는 편평한, 축대칭 원판(40)과 같은 직경을 갖도록 선택된다. 축상 광선(3)들은 정상적인 입사각으로 렌즈(5)를 들어가고 나가며, 편향되지 않는다, 즉, 광선(3)들이 렌즈(5)에 의해 크게 굴절되지 않고 오목한 수용면에 걸쳐 원활하게 분포된다. 수용면(9)이 렌즈(5)에 의해 형성된 주 포물면(1)의 오목한 이미지와 거의 일치하게 위치되므로, 비축 광선(41)들은 렌즈(5)에 의해 굴절되고 축상 광선(3)들과 거의 같은 위치들에서 수용면(9)과 부딪힌다. 그러므로 렌즈(5)의 효과는 비축 광선(41)들을 오목한 수용면(9)에 걸쳐 축상 광선(3)들과 같은 원활한 분포를 유지하도록 보내는 것이다. 임의의 지점에서 강도는 주 반사경 표면(1)에서의 변형들에, 또는 들어오는 조준된(collimated) 빛(3, 41)들의 방향에 대부분 독립적이다. 이러한 변형들은 반사된 광선(3)들의 각도를 편향시키지만, 주 반사경 상의 반사점을 크게 이동시키지 않는다. 볼 렌즈(5)의 기능 및 작동은 하기에 더 상세히 설명된다.
광발전 셀(15)들에 부딪히는 태양 복사선이 전기의 생성을 중단시키거나 감소시키는 임의의 셀(15)들의 조명 감소를 회피하도록, 들어오는 태양 복사선에 대한 지향 오류 범위에 걸쳐 실질적으로 안정화되고 일관된 것이 바람직하다. 본원에서 설명하는 발전기(4)의 다양한 실시예들은 모두 볼 렌즈(5)와 안정화된 빛의 오목한 표면(9) 근처에 지지된 다수의 집속기 셀(15)들을 포함한다. 실시예들은 오목한 표면(9)에서 집속된 빛(6, 7)에 대한 집속기 셀(15)들의 광학적 커플링 모드에서 주로 상이하지만, 수용면(9) 주변의 셀(15)들의 타일링 패턴과, 발전기(4)로부터의 완전한 출력을 생산하기 위해 개개의 광발전 셀(15)들로부터 광발전 전류를 조합하기 위해 사용되는 전략들에서도 상이하다.
볼 렌즈(5)로부터 셀(15)들로의 집속된 빛의 광학적 커플링의 상이한 방법들과 그 차이들에 대한 이유는 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d 및 도 5e의 개략도에 의해 예시되어 있다. 모두 5개의 도면들은 3개의 정사각형 셀들로 커플링되는 수용면에서 동일한 예시 면적(115)으로부터 집속된 빛을 보이지만 상이한 방식 및 상이한 사이즈들의 셀들로 도시되어 있다. 도 5a는 수용면(9) 상의 지정된 영역(115)을 커버하게 직접 배치된 3개의 정사각형 셀(15)들을 갖는, 가장 단순한 커플링을 보인다. 셀들은 수용면의 지정된 영역(115)을 형성하는 3개의 섹션(47)들 각각에 입사하는 집속된 빛의 가능한 한 가장 큰 비율을 광발전 변환하는 것을 허용하도록 가능한 한 가깝게 함께 배치된다. 영역(47)들 중 하나의 조명 패턴이 도 6a에 예시되어 있고, 여기서 임의의 점들의 밀도는 강도 또는 집속율에 비례한다. 이 경우에 밀도는 균일하다. 아래의 일 실시예는 이러한 직접 조명되는 셀들을 사용하는 발전기를 포함한다.
광발전 셀들에 빛을 커플링하는 다른 방식이 도 5b, 도 5c, 도 5d 및 도 5e에 예시되어 있다. 여기서 수용면으로부터의 빛이 각각의 셀 주변의 거울을 갖는 프레임들의 형태인 정사각형 보조 반사경(45)들로부터의 반사에 의해 및 직접적으로, 수용면으로부터 물러나 있는 보다 작은 정사각형 셀들에 도달한다. 이러한 모든 도면들은 도 5a와 같은 축척으로 도시되어 있고, 수용면의 동일한 영역(115)을 지나 모두 같은 사이즈이지만 상이한 깊이의 진입 영역(47)들을 갖는 보조 반사경(45)들로 가는 빛을 도시하고, 점진적으로 더 작은 사이즈이고 점진적으로 증가하는 집속율을 갖는 셀들을 공급하는 것을 도시한다. 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e는 도 5b, 도 5c, 도 5d 및 도 5e에 각각 사용되는 보조 반사경들의 상이한 구성들에 따른 반사경의 출력(46)에 걸친 조명 강도와 단일 보조 반사경의 거울을 갖는 프레임(45)을 예시하는 평면도들이다. 각각의 경우에 임의의 점들의 밀도는 태양 복사선의 강도 또는 집속율에 비례한다. 광발전 셀(15)들은 바람직하게는 보조 반사경 출력부(46)들 바로 뒤에 위치한다.
이러한 예들에서, 들어오는 빛(47)의 중심 부분은 셀(15)의 광발전적으로 활성인 영역에 직접 도달하고, 나머지는 셀의 에지들 주변의 기울어진 반사면들을 통해 이에 도달한다. 보조 반사경의 반사면들은 도 5b, 도 5c, 도 5d 및 도 5e에 예시된 바와 같이, 거울을 갖는 프레임(45)처럼 배치된 정면 거울의 형태를 취할 수 있다. 다르게는, 보조 반사경은 각기둥 윈도우의 형태를 취할 수 있고, 여기서 빛은 수용면에 또는 그 근처에 위치한, 윈도우 입구면(47)에 들어간다. 후자의 경우의 에지의 빛은 면(46)을 통해 셀(15) 상으로 나가도록 프리즘의 내측으로 기울어진 연마된 에지들에서 전반사된다. 반사가 전반사인지 외부반사인지에 무관하게, 보조 반사경들의 효과는 모두 셀(15)들의 활성 영역 상의 빛의 평균 집속율을 증가시키고 셀(15)들 사이의 구성요소들 또는 전기 접속부들에 대한 공간을 제공하는 것이다. 도 5b 내지 도 5e 및 도 6b 내지 도 6e로부터 점진적으로 도시한 바와 같이, 반사경(45)들이 깊게 만들어질수록, 반사되는 전체 입사광의 비율은 증가하고, 반사경들을 나가는 빛의 면적(46)이 작아지고, 집속율은 높아지고, 반사경들 바로 뒤에 위치한 셀(15)들 간의 갭들이 더 커진다. 수용면(9)에서 입사하는 빛에 대한 집속율의 증가는 제 2 집속율 C2로 불린다. 비록 예시된 실시예가 정사각형 보조 반사경(45)들을 참조하여 설명되었지만, 다른 형상도 사용될 수 있고, 예를 들어, 사다리꼴 및 다각형 형상들이 변경 실시예들에 관해 후술하는 바와 같이 사용될 수 있다.
도 5b에서, 에지 반사경들은 얕고 들어오는 빛(47)의 반 미만을 가로채어 반사하고, 셀들 간에 열린 공간들은 비교적 좁고, 수용면(115)에서 대부분의 빛은 광발전 셀(15)에 직접 전송된다. 도 6b에 예시된 바와 같이 셀(15)에 걸친 조명은 셀 영역의 대부분에 걸쳐 균일하게 유지되지만, 에지들 근처에서 더 밝고, 측면들 주변의 빛 집속율에서 거의 2배이고 모서리들에서 더 높은 집속율을 갖는다. 하기에 설명하는 실시예 2는 이러한 커플링을 예시한다.
도 5c, 도 5d 및 도 5e에서, 에지 반사경들은 도 6c, 도 6d 및 도 6e에서 각각 상응하는 강도 맵(map)들로 도시한 바와 같이, 수용면으로부터 점진적으로 더 많은 빛을 가로채고 점진적으로 더 깊어지게 도시되어 있다. 도 5c에서, 각각의 측면 거울로부터 반사된 빛은 셀(15)의 중심만큼 멀리 도달하지 않는다. 도 6c에 도시한 바와 같이, 집속율은 셀(15)에 걸쳐 중심에서 평균의 약 절반으로부터 모서리들에서 평균의 약 2배까지 뚜렷이 변한다. 도 5e에서, 각각의 측면으로부터 반사된 빛은 셀의 중심 너머로 도달하고, 도 6e에 예시한 바와 같은 집속율은 X자의 중심에서 특히 높고 모서리들에서 더 약하다. 도 5d는 각각의 측벽으로부터 반사된 빛이 중심에 도달하고 더 진행하지 않는 특히 바람직한 경우를 도시하고, 정사각형 셀(15)에 커플링된 정사각형 반사경의 경우에 도 6d에 예시한 바와 같이, 셀(15)의 거의 균일한 조명이 이루어진다.
도 6d에 예시된 바람직한 예에서, 출구(46)에서 셀(15)들로 전달되는 집속율 C2의 평균 증가는 수용면(9)에서 입구(47)에 입사하는 흐름에 비해, 약 2.6이다. 보조 반사경을 나가는 집속된 빛(46)의 균일성은 도 7의 도면에 정량화되어 있고, 여기서 반사경(46)을 나가는 강도의 정규 표준 편차가 도 6a의 경우의 0으로부터 도 6e의 경우의 최대값까지 증가하는 제 2 깊이들의 범위에 대해, 평균 출구 강도에 대해 도시되어 있다. 보조 반사경들은 정규 표준 편차가 도 5d에 예시한 경우에, (도 7에 참조번호 300으로 표기한) 12%의 최소값에 도달할 때 2.62와 같은 제 2 집속율 C2에 대해 가장 높은 균일성을 낸다. 이러한 집속된 빛의 균일성은 광발전 셀들의 효율 및 수명연장을 최대화하기 위해 바람직하다. 하기의 실시예 3은 도 5d 및 도 6d에 예시된, 볼 렌즈(5)와 조합하여 사용되는 정사각형 보조 반사경들을 위한 이러한 바람직한 기하학적 형상 또는 "스윗 스팟(sweet spot)"을 사용한다. 이는 비교적 넓은 셀 이격 및 비교적 균일한 조명을 제공한다.
도 6d에 예시된 특정 실시예에 대해, 에지 거울들은 셀 평면에 대해 직각으로부터 기울기 각도 s=12.7°만큼 기울어져 있고 입구(47)의 폭의 87%와 같은 폭을 갖고, 입구(47)는 볼 렌즈 중심으로부터 α=10°의 각도를 대하고, 반사는 외부 반사이다. 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e 및 도 7은 도 6d에 대해서와 같이 동일한 에지 거울 기울기 각도와 입사 광선 각도들에 대해 계산되었고, 상이한 깊이는 도 6e에 대한 입구 폭과 같은 최대값까지 증가한다. 상이한 각도들 "s"와 각도 "α"를 갖는 다른 디자인들의 탐구는 보조 반사경의 구성의 세부사항들에 약하게만 의존하는 집속율 C2를 갖는 집속율의 균일성에 대해 유사하게 최적화된 구성들을 보이고, 전형적으로 도 7에 도시된 평균 집속율에서 2.6의 거의 동일한 증가에 상응한다.
다수의 광발전 셀(15)들을 이격시키도록 구성된 본 발명의 보조 반사경들은 수용면(9)에서 작은 각도들의 입사광의 장점들을 취하고, 이는 지향오류들이 작을 때 전형적인 조건들 하에서 특히 유효하다. 작은 입사각들은 평면 대칭이 아닌 구를 사용하고, 비-결상 광학계가 아닌 볼 렌즈(5)를 갖는 결상 광학계를 사용하는 것에 기반한, 본 발명의 광학 디자인의 기본적인 장점이다. 그러므로 본 발명의 볼 렌즈(5)에 의해 집속된 빛의 안정화는 종래의 시스템들에 대해 큰 개선점을 제공한다. 전형적으로, 종래의 비-결상 균질기(homogenizer)는 지향 오류가 없을 때에도, 입사각들의 고유의 넓게 퍼짐을 보인다. 상이한 실시예들에 사용되는 보조 반사경들의 특징들의 보다 정량적인 분석이 하기에 주어진다.
타입 1의 실시예들
이러한 실시예들에서, 광발전 셀(15)들은 수용면(9)에 비슷한 편평한 면들 상에 밀접하게 함께 끼워 맞춰져, 도 5a와 도 6a에 예시된 바와 같이, 수용면(9)에 직접 배치된다. 영역(47)들과 일치하는 셀(15)들이 각각의 하나에 의해 수신된 출력, 따라서, 각각 직접 조명된 셀(15)에 의해 생성된 전류가 실질적으로 동일하여 직렬 전기 접속하기 쉽도록 사이즈를 가질 수 있다. 동일한 출력을 위해, 면의 면적들은 하기의 수학식 9에 의해 주어지는 집속율의 역수로서 크기를 갖는다(scale).
수용면(9)에서 바람직한 면 형상은 발전기(4)를 조사하는데 사용되는 주 반사경(1)의 형상, 사이즈 및 초점 비에 의존한다. 주 반사경(1)과 수용면(9) 간의 관련성이 도 8에 도시되어 있고, 이는 정사각형 주 반사경(1)과 함께 사용하도록 설계된 발전기(4)를 개략적으로 예시하고, 이는 먼 거리로부터 축을 아래로 볼 때 그 윤곽이 정사각형인 반사경을 의미한다. 제 1 거울(1)을 향하는 축상 광선(2)들이 모서리 지점(300, 303, 315, 312)들로 표기된 큰 정사각형에 의해 경계지어지고 포물면 주 반사경(1)의 축에 대해 직각인 평면(65)을 지나가는 것으로 예시되어 있다. 이러한 지점들로부터의 광선은 주 반사경(1)으로 전파되고, 반사경 모서리 지점(320, 323, 335, 332)들을 표시한다. 정사각형 주 반사경(1)의 모서리들로부터 반사된 광선(3)들은 볼 렌즈(5)와 초점(28)을 통과하여 지점(340, 343, 355(도면에서 안보임), 352)들에서, 수용면(9)의 모서리들을 표시한다. 광선(3)들은 모두 반사경(1)으로부터 볼 중심점(28)을 지나 수용면(9) 상으로의 직선들처럼 지나간다. 예시된 축상 광선(3)들은 볼 렌즈(5)에 의해 구부러지지 않는데 왜냐하면 이들은 볼 렌즈(5)의 정확히 중심에서 초점(28)을 향해 반사되므로 편차가 없을 때 볼 렌즈(5)를 수직 입사하여 들어가고 나가기 때문이다.
임의의 특정 주 반사경(1)에 대한 수용면은 도 8에 예시한 하기의 구성에 의해 동일한 출력을 받는 영역들로 편리하게는 분할될 수 있다. 넓은 영역의 입사 태양광(65)이 다수의 더 작은 동일한 영역들로 분할된다. 임의의 개수의 동일한 영역들이 이 구성에 사용될 수 있고, 여기서 적은 개수가 명확성을 위해 도시되어 있다. 그러므로 도 8은 태양광(65)의 정사각형을 모서리(302, 303, 307, 306)들에 의해 표기된 것과 같이, 9개의 동일한 더 작은 정사각형들로 분할하는 것을 도시한다. 동일한 양의 태양 에너지가 각각의 동일한 면적의 더 작은 정사각형들을 통과하고 표시한 영역들에서 주 반사경(1) 상에 떨어지도록 광선(2)들에 의해 도시된 바와 같이 전파된다. 예를 들어, 모서리(302, 303, 307, 306)들을 갖는 더 작은 정사각형을 초기에 통과하는 빛이 모서리 지점(322, 323, 327, 326)들에 의해 경계지어지는 영역에서 주 반사경(1)에 떨어진다. 광선(2)들은 볼 렌즈(5)와 포물면 초점(28)을 곧게 통과하고 수용면(9)에 도달하는 광선(3)들로서 주 반사경(1)에 의해 반사된다. 예를 들어, 모서리 지점(322, 323, 327, 326)들에 의해 경계지어지는 주 반사경(1) 상의 영역으로부터 반사된 빛은 모서리(342, 343, 347, 346)들에 의해 경계지어지는 영역에서 수용면(9)에 떨어진다. 이런 식으로 구성된 수용면(9) 상의 각각의 작은 영역은 동일한 양의 태양광 에너지를 받는다. 이러한 기하학적 구성을 간단히 연장하여, 동일한 출력의 영역들이 주 반사경(1)에 빛을 전달하는 평면(65) 상의 전체 영역을 동일한 작은 영역들로 분할하여, 임의의 수용면(9)에 준비될 수 있다. 수용면(9) 상에 표시된 임의의 작은 영역들의 형상이 입사광의 한정된 평면(65) 상의 상응하는 지점들에 의해 표시된 영역의 형상과 유사함은 본 광학계의 추가 특성(및 큰 장점)이다. 예시된 예에서 개개의 입사동 형상들이 정사각형이므로, 수용면 상의 동일한 출력의 형상들도 그러하지만, 후자는 모두 동일한 사이즈는 아니다. 반사된 광선(3)들이 주 반사경(1)에 의해 다소 잘못 보내져도, 참조번호 322, 323, 327 및 328에 의해 경계지어지는 것과 같은, 본 구성에 의해 기술되는 포물면 반사경(1) 상의 영역으로부터 반사된 태양 에너지는 본 예에서 모서리(342, 343, 347, 346)들에 의해 경계지어지는, 수용면(9) 상의 동일한 출력의 상응하는 영역들에 여전히 전달된다. 이는 수용면(9)이 주 반사경(1)의 볼 렌즈(5)에 의해 형성된 이미지의 표면이기 때문이다.
큰 원형 주 반사경과 함께 사용하기에 적합한 발전기(4)의 수용면(9)에서의 동일한 출력의 영역들의 구성의 예시적인 예가 도 9a에 도시되어 있다. 초기 평면 표면(65)은 원형이고, 링들과 스포크들에 의해 동일한 쐐기돌(keystone) 형상의 영역들로 분할된다. 이러한 패턴의 수용면(9)의 이미지는 도 9b에 도시한 바와 같이, 임의의 하나의 링에서 모두 같은 사이즈의, 사다리꼴들의 링들로 매우 밀접하게 비슷하게 될 수 있다. 이 예시에서, 광발전 셀(15)들의 전체 개수는 336개이고 10개의 상이한 쐐기돌 형상의 셀 타입들이 필요하고, 각각의 링에 대해 하나의 타입이 필요하다. 수용면(9)의 외측의 사다리꼴 영역들은 본 예에서 거의 정사각형이지만, 최내측의 링들은 보다 뚜렷이 사다리꼴이다. 수용면(15) 상의 동일한 영역들을 타일링하는데 필요한 비-직사각형 형상들의 셀(15)들은 대규모 대량 생산의 경우에 크게 제조 비용을 증가시키지 않아야 하므로, 본 발명의 독특한 광학적 및 작동 장점들을 사용하는 것을 방해하는 비용이 아니어야 한다. 사실상, 사다리꼴 형상 셀(15)들의 구성은 광발전 셀(15)이 레이저 스크라이빙(laser scribing)에 의한 분리를 위해 원형 웨이퍼 상에 밀접하게 배치되는 경우에 제조될 수 있고, 웨이퍼 상에 최소의 폐기 면적을 초래할 수 있다. 적절한 레이저 스크라이빙 방법이 본원에 참고문헌으로서 포함되는, 2007년 11월 29일자, 미국 공개공보 2007/0272666 A1호의 O'Brien 등의 발명의 명칭이 "Infrared Laser Wafer Scribing Using Short Pulses"인 2006년 5월 25일 출원된 미국 특허출원 제 11/441,454호에 개시되어 있다.
정사각형 주 반사경과 함께 사용하기에 적합한 타일링 패턴을 갖는, 본 실시예 타입의 수용면의 제 2 예시적인 예가 도 10a 및 도 10b에 예시되어 있다. 도 10a는 편평한 표면(65)에서 광선들의 9×9 셀들의 규칙적인 정사각형 그리드의 평면도이고, 여기서 모서리(66)들에 의해 표시된, 그리드의 모든 정사각형들은 동일한 면적을 갖는다. 도 10b는 도 8에 예시된 방법에 의해 구성된 수용면(9)에서 셀(15)의 패턴을 도시한다. 수용면(9)은 여기서 도 10b에 예시된 바와 같이, 비록 상이한 면적들을 갖지만, 동일한 출력을 받는 81개의 거의 정사각형 형상들로 분할된다.
도 8의 동일한 면적 구성에 대한 광선 형상은 도 11에 예시되어 있다. 포물면 축에 평행한 광선(2)이 포물면 축(VC)으로부터 측정된 반경(r)에서 지점(P)에서 주 반사경(1)과 부딪힌다. 이는 포물면 축(VC)으로부터 측정된 각도(θ)로 광선(3)과 같이 반사된다. 각도(θ)는 직각 삼각형(PHDC)을 고려하여 r에 연관될 수 있고, 그 측면(HC)은 VC-VH와 같은 길이를 갖는다. 이제 VC=F, 포물면의 초점 길이이고, HV=PQ=z, 지점(P)에서 포물면의 수직 깊이(sagittal depth)는, r2/4F(초점 길이"F"의 포물면의 방정식으로부터)와 같다. 그러므로, HC=F-z2/4F이다. 각도(θ)=HCP를 고려하면, 원하는 관계는 하기의 수학식 4로 결정될 수 있다:
[수학식 4]
Figure pct00002
도 10a를 참조하면, 입사동(65)에서 임의의 정사각형에 들어가는 태양 출력은 볼 렌즈(5)의 내부 흡수와 전달면들에서의 작은 손실들을 제외하고, 수용면(9) 상의 정사각형의 이미지에 모두 전달된다. 입사동 정사각형들이 모두 같은 면적을 가지므로, 광학 손실들은 입사동에 걸쳐 실질적으로 일정하고, 집속율이 반경에 따라 증가하지만, 수용면에 걸친 모든 셀들은 같은 출력을 받는다. 그러므로, 상기 구성에 의해 정해지는 수용면 개구들은 집속율 증가를 보상하기 위해, 반경이 증가함에 따라 작아진다. 그러므로, 본 실시예에 대해, 일정 범위의 상이한 사이즈들을 커버하는 거의 정사각형의 셀들이 요구되고, 도 10b에 예시된 바와 같이, 반경이 증가함에 따라 면적이 작아진다.
본 실시예의 광발전 셀(15)은 바람직하게는 셀 표면의 최대 광발전적으로 활성인 비율을 얻기 위해, 최소 면적의 셀들의 표면에서 광발전 전류를 모으도록 칩상 모선들을 갖는 상이한 형상들 및 사이즈들로 특수하게 제조된다. 또한, 광발전 셀(15)들은 도체들을 연결하기 위해 할당되는 최소의 공간을 갖고 장착된다. 불균일한 조명에서의 손상을 방지하기 위해 각각의 셀에 걸쳐 전기적으로 연결된 바이패스 다이오드들이 부가적인 광 손실을 피하기 위해 수용면 뒤에 배치된다.
집속된 빛에 직접 밀접하게 배열된 셀들을 갖는 CPV 발전기들 및, 상기 실시예의 단점은 셀의 모든 면적이 광을 감지하지 않기 때문에 불가피한 출력 손실이 있다는 것이다. 집속기 PV 셀(15)들의 면적의 광발전적으로 활성인 비율은 전형적으로 90%를 넘지 않고, 나머지 영역은 셀의 에지들에서 불투명한 전기 모선들로 손실된다. 그러므로 전형적으로 10% 이상의 입사 에너지가 이러한 구성에서 폐기된다.
제 2 단점은 밀접하게 패킹된 셀(15)들 뒤로부터의 폐열 제거의 어려움이다. 셀(15)들 간에 연계된 바이패스 다이오드(30)들과 셀(15)들 간의 전기 접속부들은 바람직하게는 부가적인 빛 손실을 피하기 위해 광발전 셀(15)들 뒤에 위치되어야 하고, 이 위치에서 이들은 제조하기 복잡할 수 있고 폐열의 흐름을 간섭할 수 있다. 이러한 간섭은 불균일한 온도를 발생시켜 비효율성을 일으킬 수 있다.
타입 2의 실시예
제 2 타입의 실시예들은 도 5b 및 도 6b에 개략적으로 예시한 바와 같이, 셀들의 빛을 감지못하는 에지들로부터 멀어지게 빛을 보내도록 얕은 보조 반사경들을 포함한다. 각각의 뒤에 더 작은 셀들을 갖는 보조 반사경(45)들의 배열은 정사각형 주 반사경(1)과 함께 사용하기 위해 도 10b, 및 원형 주 반사경(1)과 함께 사용하기 위해 앞서 도 9b에 예시한 것과 같이, 각각의 셀(15)에 동일한 출력을 전달하는 타일링 배치로 구성될 수 있다. 대안적으로, 병렬 전기 접속 및 직렬 접속들이 이루어질 때 상이한 출력 레벨들로 셀(15)들에 전달하는 타일링 구성이 바람직할 수 있다. 본 실시예의 보조 반사경은 축상 조명에 대해 도 12a 및 비축 조명에 대해 도 12b의 각기둥 윈도우(11)들의 상세 단면으로 도시된 바와 같이, 각기둥 윈도우(11) 또는 거울을 갖는 프레임(45)의 형태를 취할 수 있다. 이러한 보조 반사경(11)들의 입구(10)들은 셀(15)들과 같은 형상 및 사이즈를 갖고 이들은 도 9b 또는 도 10b에서 대체되지만, 이제 출구 면(12)들 바로 뒤에 위치한 더 작은 광발전 셀(15)들(도시되지 않음)에 커플링된다. 보조 반사경들은 편평한 에지 반사면(13)으로 구성될 수 있고 이 경우에 셀들은 입구 면(10)들과 동일한 모서리 각도들과 측면 개수들을 갖지만, 작은 사이즈를 갖는다.
특히 바람직한 실시예는 각기둥 윈도우들 형태의 얕은 보조 반사경들, 및 조합된 병렬 및 직렬 전기접속들을 위해 구성된 타일링 패턴을 사용한다. 도 13a는 원형 주 반사경(1)과 함께 사용하기 적합하고 원형 수용면(9)의 이러한 타일링에 적합한 얇은 각기둥 윈도우들의 링들의 예시적인 구성을 예시하고, 음영부는 집속기 셀(15)들의 광발전적으로 활성 영역들에 대한 집속된 빛의 출력부를 나타낸다. 도 13a와 도 13b에서, 더 검은 음영은 더 높은 집속율을 나타낸다. 광발전 셀(15)들과 이들의 관련 구조물들이 도 13a에 예시된 바와 같이, 공통 위도의 링들과 경도로 동일하게 이격된 지점들 상에서 중심조정되어 있다. 도 13a를 참조하면, 특정 광발전 셀(250 내지 279)들에 대한 각기둥 윈도우 출력부(12)들의 위치들이 제공되고, 명확성을 위해, 도 13a의 광발전 셀들의 약 반만이 참조번호들로 도시되어 있음을 이해하여야 한다. 광발전 셀(250, 251, 252, 253, 254, 255, 280)들을 포함하는 외부 링이 도시되어 있다. 바람직한 실시예에서, 외부 링의 셀(250, 251, 252, 253, 254, 255, 280)들은 실질적으로 같은 형상을 갖는다. 광발전 셀(260, 261, 262, 263, 264, 265, 281)들을 포함하는 중간 링이 제공된다. 중간 링 셀(260)이 상응하는 외부 링 셀(250)에 비해 더 작은 베이스 및 더 큰 높이를 갖는 사다리꼴의 형상을 가짐을 주목하라. 바람직한 실시예에서, 중간 링의 각각의 셀(260, 261, 262, 263, 264, 265, 281)들은 실질적으로 같은 형상을 갖는다. 광발전 셀(270, 271, 272, 273, 274, 275, 282)들의 내부 링도 제공된다. 내부 링 셀(270)은 상응하는 중간 링 셀(260)에 비해 큰 높이 및 더 작은 베이스를 갖는 사다리꼴의 형상을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 내부 링의 각각의 셀(270, 271, 272, 273, 274, 275, 282)들은 실질적으로 같은 형상을 갖는다.
얕은 각기둥 윈도우들의 형태의 보조 반사경들을 갖는 이 바람직한 실시예에 따른 발전기(4)의 세부사항이 도 2의 개략적 단면도에 도시되어 있고, 셀 커플링 및 냉각의 세부사항은 도 14 및 도 15의 단면도들에 도시되어 있다. 이 예의 발전기(4) 실시예에서, 도 13a의 음영으로 도시한 각기둥 윈도우들의 출력부들은 편평한 집속기 광발전 셀(15)들에 커플링된다. 컵-형상의 수용면(9)이 실질적으로 안정화된 집속된 태양 복사선(6, 7)으로 조사된다. 태양 복사선은 각기둥 윈도우(11)들을 통해 광발전 셀(15)에 커플링된다. 각기둥 윈도우(11)들의 목적은 실질적으로 연속적으로 분포된 태양 복사선(6, 7)을 셀(15)들 간의 구리 회로 트레이스(18)와 상호접속부(19)들로부터 벗어나고 광발전 셀(15)들의 에지들 상의 모선(37)들로부터 벗어나게 보내는 것이다; (이 태양 복사선은 다르게는 모선(37)들과 상호접속부(19)들에 떨어지면 폐기된다). 이런 식으로, 실질적으로 모든 태양 복사선(6, 7)이 광발전 셀(15)들의 광발전적으로 활성 면(51)들에 보내지므로 효율이 최대화된다. 각각의 각기둥 윈도우(11)는 바람직하게는 입구 면(10)과 출구 면(12)에 평행한 평면을 갖는다. 각각의 각기둥 윈도우(11)는 평면 연마된 에지(13)들을 갖는다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 윈도우(11)들의 편평한 입구 면(10)들은 수용면(9)을 실질적으로 이음매없이 타일링하는 다면체로 함께 끼워 맞춰지도록 형상을 갖는다. 다면체 면(10)들은 다각형, 바람직하게는 대부분 사다리꼴이고, 집속기 셀(15)들도 대부분 입구 면(10)들과 같은 모서리 각도들과 측면 개수들을 갖는 유사한 다각형이지만 더 작은 상응하는 치수들을 갖는다. 수용면(9)의 중심 근처의 다면체의 면들(도 13a 및 도 13b에 도시되지 않음)은 전형적으로 4 이상의 측면을 갖는 다각형이다.
각기둥 윈도우(11)의 실질적으로 편평한 출구 면(12)들은 셀(15)들의 사다리꼴의 광발전적으로 활성 영역(51)들과 일치한다. 각기둥 윈도우(11)들은 바람직하게는 전반사와 유전체에 의해 손실을 최소화하도록 광학적으로 전달하는 재료의 얇은 층(14)으로 셀(15)들에 접합된다. 입구(10)의 에지들에 가깝게 윈도우(11)에 들어가는 광선(7)은 연마된 에지(13)들에서 전반사를 수행하므로, 광발전적으로 활성인 셀 영역(51)에 효과적으로 보내진다. 광발전 셀(15)에 반사 및 전달되는 태양 복사선의 균일성 및 집속율은 상술하고 도 5 및 도 6에 예시한 바와 같이, 윈도우(11)의 기하학적 형상에 의존한다.
각기둥 윈도우(11)는 바람직하게는 태양 광선에 대해 높은 투과율을 갖게 유리를 정밀 성형하여 저비용으로 대량생산된다. 주형은 더 작은 출구 면(12)과 기울기 면(13)들을 형성하도록 추출(draft) 각도를 가지고 제조된다. 이러한 면(12, 13)들이 단일 성형 작동으로 형성된 후, 부분적으로 형성된 각기둥 윈도우(11)는 더 큰 편평한 입구 면(10)을 그라인딩(grinding) 및 연마하여 완성된다.
전기로 변환되지 않은 태양 에너지는 구리-세라믹 샌드위치(17, 20, 21)를 통한 전도에 의해 셀(15)들로부터 제거되는 열이 된다. 과다 열을 제거하여 발전기(4)를 냉각시키는 것이 바람직하다. 외부 구리층(21)과 직접 접촉하는 작동 유체(22)를 사용하는, 냉각하기 위한 바람직한 방법 및 장치가 도 1, 도 2, 도 14 및 도 15에 예시되어 있다. 발전기(4)는 바람직하게는 핀(fin)을 갖는 냉각 파이프(24)들을 포함하고 냉각을 위해 수동 히트-파이프 원리들을 사용하고, 흡수된 열은 도 2에 가장 잘 도시되고 예시된 바와 같이, 액체(22)가 끓게 한다. 도 2를 참조하면, 수증기(23)가 핀을 갖는 냉각 파이프(24)들로 이동하고 응축된 액체(25)로서 복귀한다. 도 2에 도시된 예에서, 핀을 갖는 파이프(24)들의 나무-형상(tree)이 사용되고, 각각의 파이프(24)는 포물면 축에 평행하게 배향된다. 예시된 예에서, 파이프(24)들의 모든 축들은 수용면(9)의 상부를 통과하여, 모든 유용한 태양 고도에 대해 응축된 액체(25)가 빨아올릴(wicking) 필요없이, 수용면(9) 뒤에서 냉매(22)의 저장소로 복귀한다. 이 냉각 방법은 예시적일 뿐이고 외부 방열기로 액체(22)를 펌핑하는 것과 같은, 다른 냉각 수단도 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 도 2에서 예시를 위해, 발전기(4)는 스트러트(26; strut)들에 의해 포물면 초점(28) 상에 중심조정된 구를 갖게 유지되고, 셀(15)들에 의해 생성된 전기는 스트러트(26)들에 부착될 수 있는 와이어 또는 도체(27)들에 커플링되어, 전기가 다른 곳에서 사용되기 위해 보내지고 전송될 수 있다. 발전기(4)를 위한 다른 바람직한 지지부는 도 1에 도시한 바와 같이 베인(38; vane)들에의 축방향 기둥(39)에 의한 것이다. 도 14 및 도 15에 의해 예시된 바람직한 실시예에서, 셀(15)들 간의 갭들은 작고 열 전도 기판은 오목한, 면들을 갖는 다면체 컵(20)의 형태의 연속적인 얇은 외각(20; shell)으로서 통합된다. 복수의 광발전 셀(15)들을 갖고 있는 이러한 오목한 수신기 조립체의 제조 방법이 후술된다.
셀(15)들의 가열은 광발전적으로 활성 영역(51)의 높은 집속율의 에지 및 모서리 영역들에서 문제가 되지 않음을 주목하라. 기판 두께는 에지 증광의 좁은 영역들에 대해 비슷한 두께로 만들어져, 기판의 부가적인 국지적 열이 태양 조명 또는 가열이 없는 갭 영역들로 측방향으로 확산된다. 부가적으로, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같은 구리-도금(clad) 세라믹을 통한 냉각 액체(22)로의 직접적인 짧은 경로는 온도 상승을 최소화한다.
히트-싱크 또는 열 사이펀 타입 비등(boiling)이 세라믹 용기(20)의 뒷면을 냉각시키기 위해 도 2 및 도 14에 예시된 바와 같이 사용될 수 있지만, 냉각 기술에 익숙한 사람들에게 다른 방법들이 사용될 수 있음이 명백하다. 강제 액체 유동은 이러한 대안적인 한 방법이고, 이는 바람직하게는 표면적을 증가시키기 위해 세라믹(20)의 뒷면의 일부로서 구성된 밀접하게 이격된 핀(fin) 또는 로드(rod)들로 실시될 수 있다. 이 경우에 액체 유동은 표면에서 액체(22)의 높은 온도 구배, 즉 액체(22)로의 효과적인 열 전달을 보존하기 위해 핀 또는 로드들 사이에 보내진다. 부가적으로, 하기의 실시예 3에 대해 설명되는 바와 같은 열전달 변경예들이 일반적으로 모든 실시예들에 적용가능하다.
볼 렌즈(5)의 입구 표면은 도 40의 열린 위치로 도시된, 관절형 꽃잎-형상 커버(42)에 의해 보호될 수 있다. 이 커버(42)는 부분적으로 흐려질 때 볼 렌즈(5)의 표면 상에서 태워질 수 있는(burned) 먼지와 곤충으로부터 볼 렌즈(5)를 보호하기 위해, 태양이 빛나지 않을 때 닫힌다. 대안적으로, 본 실시예의 볼 렌즈(5)는 도 26에 예시한 바와 같이, 투명 윈도우(101)에 의해 보호될 수 있다.
큰 지향오류 각도들의 효과들
셀(15)들 상의 집속된 빛의 강도의 안정화는 광학 디자인에 내장되는데, 왜냐하면 재결상(reimaging)은 도 4b에 예시한 바와 같이 수용면(9) 상에서 접시(1) 상의 한 지점과 그 짝(conjugate)으로부터 광선들 간의 1대1 관계(correspondence)를 일으키기 때문이다. 이러한 광선들이 볼 렌즈(5)의 에지를 향해 너무 멀리 변위되지 않으면, 모든 광발전 셀(15)들이 계속 균일하게 비춰진다. 그러나, 이러한 안정화는 그 에지에 가깝게 볼(5)에 들어가는, 포물면 초점(28)에서 구면 렌즈(5)의 중심으로부터 멀리 변위된 광선들에 대해 무너진다. 이러한 큰 광선 변위는 원하는 포물면으로부터 접시면(1) 형상이 크게 벗어나기 때문에 그리고, 태양의 미세 각도 사이즈 및 지향오류와 같은 효과들의 조합 때문이다.
큰 지향오류 각도들의 효과는 지향오류 각도가 증가될 때 광 분포의 세부사항을 고려하여 가장 잘 이해된다. 이를 위해, 볼 렌즈(5)의 비축 조명에의 응답이 주문제작된 광선-추적 코드로 모델링되었다. 이 코드는 셀(15)들 정면의 각기둥 윈도우(11)들과, 구면 볼 렌즈(5), 포물면 주 반사경(1)에 의한 반사 및 굴절을 모델링한다. 모델은 볼 렌즈(5)를 완전히 벗어난 큰 지향오류 각도들에서 광선들을 차단하고 그 중심 위에서 볼 렌즈(5)를 지지하는 불투명한 디스크도 포함한다. 코드는 볼(5)에 의해 전송된 후에 어느 광선들이 어느 각기둥 윈도우(11)에 들어가는지 판정하고, 이러한 광선들은 필요에 따라 윈도우(11) 내의 다중 전반사를 포함하여, 셀(15)까지 계속 추적된다.
지향오류의 특징이 도 16a 내지 도 16h에 예시되어 있다. 도 16a 내지 도 16h는 점진적으로 커지는 지향오류에 상응하는 단면도들을 예시한다. 도 16a 내지 도 16h에 상세히 도시된 볼(5)을 지나는 광선 경로들은 f/0.5 포물면 반사경(1)의 직경에 걸친 점들의 소정의 선으로부터 반사된 광선(3)들이다. 경로들은 나타낸 바와 같이, 포물면 축에 대해 상이한 각도들(지향오류 각도들)에서 포물면 반사경(1)에 들어가는 조준된 광선(2)들에 대해 모델링된다.
도 16a에 도시된 바와 같은, 축상 조명에 대해, 광선(3)들은 수직 입사로서 볼 렌즈(5)에 들어가고 나가며 편향되지 않는다, 즉, 이들은 반사경(1)으로부터, 볼 렌즈(5)를 지나 수용면(9) 상으로의 직선 경로들을 따른다. 도 16h에 도시한 극단적으로 비축 조명에서, 어떠한 광선도 볼 렌즈(5)와 교차하지 않거나 수용면(9)에 도달하지 않고, 전력 출력은 0으로 떨어진다. 임의의 주어진 볼 반경 "a"와 주 포물면 초점 길이 "F"에 대해, 0 출력에 상응하는 임계 지향오류 각도(δc)는 하기의 수학식 5에 의해 주어진다:
[수학식 5]
Figure pct00003
예시한 경우에 대한 임계 각도 δc=1.65°이다. 만곡된 수용면(9)에서 강도는 볼 렌즈(5)의 결상 특성으로 인해, 임계 각도의 반 이하의 지향오류에 대해 매우 안정적임을 알 수 있다. 이러한 큰 각도들에서, 조명 영역은 수용면(9)에 대해 중심을 벗어나 도 16b 내지 도 16h에서 우측으로 이동된다. 도 16b 내지 도 16h에 도시한 광선들의 밀도에 의해 주어지는 수용면(9)에서의 강도는 좌측 에지 근처에서 0으로 떨어진다. 수용면(9)을 커버하는 모든 광발전 셀(15)들이 각각 바이패스 다이오드를 갖고 개별적으로 직렬로 전기접속되면, 이 에지 둘레의 셀(15)들이 충분한 전류를 잃을 때 그 출력은 바이패스 다이오드의 작용에 의해 완전히 끊긴다.
지향오류에 대한 허용오차를 증가시키기 위해 최적화된 전기 접속부들을 갖는 타입 2의 실시예
δc/2보다 큰 지향오류에 대해 발전기 출력의 손실을 최소화하기 위해, 몇몇 바람직한 실시예들은 도 16b 내지 도 16h에 예시한 조명의 예측가능한 변화들의 장점을 취해, 균일한 높은 전류를 유지하는 방식으로 광발전 셀(15)들로부터 전기 출력들을 조합한다. 이러한 바람직한 실시예들에서, 광발전 셀(15)들의 출력들이 병렬로 전기 접속된 방사형 그룹들로 조합되는 전기적 구성에 의해 이러한 손실이 방지된다. 이러한 광학적 및 전기적 전략들의 목표는 개개의 광발전 셀(15)이 전력을 잃거나 얻을 때에도, 광발전 셀(15)들이 그 I-V(전류-전압) 곡선에서 그 최대 출력 지점에 가깝게 작동하는 것을 유지하게 하는 것이다. 이상적으로, 전형적인 휨 및 지향오류에 대한 셀(15)들의 병렬 그룹들 또는 셀(15)들의 전류의 최대-최소(peak to valley) 범위(spread)는 평균값의 10%미만이어야 한다. 이 범위에서, 직렬들로 연결된 그룹들의 전류 부조화로 인한 전력 손실은 2.5%미만이기 쉽다. 병렬 접속을 만들어, 이러한 높은 성능이 보다 큰 지향오류 각도들에 대해 유지될 수 있다.
지향오류로 인한 전력 손실을 최소화하도록 전기 접속들을 최적화하는 실시예는 본 발명의 결상 광학계의 조명의 체계적이고 예측가능한 변화들의 장점을 취한다. 도 16d, 도 16e, 도 16f에 도시된 바와 같이, 지향오류 각도가 δc/2를 초과할 때, (좌측의) 에지 셀(180)은 전력을 잃지만 중심에 더 가까운 인접한 셀(181, 182)들에서 집속율이 동반 증가한다. 셀(181, 182)들에 대해, 강도는 축상 조명에 대해서도 초과할 수 있다. 그러므로 참조번호 180, 181, 182와 같은 셀들의 방사방향-배향된 그룹들을 병렬 그룹들로 연결하여, 셀 전류 차이가 공간적으로 평균화된다. 도 16e, 도 16f에서 좌측의 방사형 그룹에 대한 평균화된 전류는 도 16d, 도 16e 및 도 16f에서 수용면의 반대방향 우측면의 셀(183, 184, 185)들에 대한 방사방향 평균과 유사하고, 여기서 조명은 계속 에지(및 그 너머)로 가지만, 도 16a에 도시한 바와 같은 축상 조명보다 모든 곳에서 낮다. 셀(15)들의 방사형 그룹들로 물리적으로 배치된 (전기적으로 병렬 연결된) 셀(15)들의 이러한 그룹들은 결국 지향오류에 비교적 둔감한 총 전력 출력을 위해, 도 17에 예시한 방식으로, 방위각 방향 둘레에 직렬 전기 연결된다.
도 17에서, 셀(15)들은 원들로 개략적으로 표현되어 있다. 명확성을 위해, 셀들의 일부만이 도면에 참조번호들이 제공된다. 바이패스 다이오드(30)들은 셀(15)들이 충분히 조명되지 않을 때 전도성을 제공하는데, 왜냐하면 조명되지 않은 셀(15)이 그렇지 않으면 발전기로부터의 전류에 의해 손상될 수 있기 때문이다. 셀(15)들과 바이패스 다이오드(30)들 간의 접속들은 내부 구리층에 형성된 트레이스(17, 18)들을 갖는 인쇄회로에 의해 만들어질 수 있다.
본 실시예에 따라, 수용면(9)에 걸친 셀(15)들의 바람직한 타일링 패턴은 증가된 지향오류 범위에 걸쳐 실질적으로 같은 전류를 모두 내는 방사형 그룹들을 제공하는 것이다. 광발전 셀(15)들의 이러한 타일링은 원형 포물면 반사경(1)의 경우에 간단하고, 이는 볼 렌즈(5)에 의해 원형 주변을 갖는 수용면(9)에 결상된다.
셀 전류 차이들이 공간적으로 평균화되도록 방사형으로 배향된 그룹들에서 광발전 셀(15)들을 병렬로 접속하는 원리는 도 13a 및 도 13b의 사시도에 도시된 조명 강도의 세부사항을 참조하여 더 잘 설명될 수 있다. 도 13a는 축상 조명에 대한 것이고 도 13b는 1°비축 조명에 대한 것이다. 예시된 시스템에 대한 임계 각도는 θc=1.65°이다. 이러한 도면들에서, 각기둥 윈도우(11)들의 면(12)들에서 보조 반사경들을 나가는 빛이 검은 점들의 분포로서 도시되어 있다. 점들은 균일하고 준-임의의(quasi random) 공간적 분포로 평면(65; 도 8)에서 광선(2)으로서 시스템에 들어가는 주 반사경(1)에 의해 반사되는 광선(3)들의 출구 지점을 나타낸다. 그러므로 도 13a 및 도 13b의 점 밀도는 각기둥 윈도우 출구 윈도우(12)들 바로 뒤에 위치하는 광발전적으로 활성 셀 영역(51)들을 비추는 태양 복사선의 집속율을 나타낸다.
외부 링 중 하나의 셀(250), 중간 링 중 하나의 셀(260), 및 내부 링 중 하나의 셀(270)은 방사형으로 배향된 그룹을 형성한다. 이 방사형으로 배향된 그룹의 셀(25, 260, 270)들은 전기적으로 병렬 연결되어 그 셀 전류 차이들이 공간적으로 평균화된다. 유사하게, 광발전 셀(251, 261, 271)들은 전기적으로 병렬 연결된 방사형으로 배향된 그룹을 형성한다. 유사하게, 광발전 셀(252, 262, 272)들은 전기적으로 병렬 연결된다. 유사하게, 외부 링의 셀(280)은 내부 링의 셀(282)과 중간 링의 셀(281)과 병렬 연결된다. 이러한 셀들의 그룹들은 결국 방위각 방향 둘레에서 전기적으로 직렬 연결된다. 예를 들어, 셀(250, 260, 270)들의 제 1 그룹은 셀(251, 261, 271)들의 제 2 그룹과 전기적으로 직렬 연결되고, 이는 결국 셀(252, 262, 272)들의 제 3 그룹 등과 전기적으로 직렬 연결된다.
도 13b에서, 셀(280) 및 이에 인접한 외부 링의 다른 셀들은 추적기에 의한 1° 지향오류로 인해 완전히 조명되지 않는다. 셀(280)이 적은 조명을 받을 때, 동일한 방사형 그룹에 있는 3개의 셀(280, 281, 282)들에의 이러한 지향오류의 영향을 고려하면, 셀(281) 상의 조명, 및 셀(282)의 조명의 일부가 도 13a에 예시한 환경들내의 개개의 셀들에 의해 수신되는 조명에 비해 더 강하다. 셀(280, 281, 282)들이 병렬 연결되기 때문에, 셀(280, 281, 282)들에 의해 생성되는 전류는 함께 합해진다. 그 다음에 부분적으로 비춰진 셀(280)로부터의 적은 전류가 수신되는 증가된 조명 강도로 인한 셀(281)로부터의 증가된 전류에 추가되고 어느 정도 증가된 전류가 셀(282)에 의해 생성된다. 그러므로, 셀(280)로부터의 전류 감소가 셀(281)과 셀(282)로부터의 증가된 전류에 의해 상쇄된다. 순 효과는 셀들의 총 전기 출력이 일정 범위의 지향 오류들에 대해 평균화 또는 원활화되는(smoothed) 것이다. 그러므로, 광발전 셀(15)들의 이러한 배치는 태양에 반사경(1)을 지향시키는데 사용되는 2축 추적기에 의한 넓어진 범위의 지향오류들에 걸쳐 계속 작동되는 발전기(4)를 제공한다.
도 13a는 명확성을 위해, 배치의 중심에 위치될 수 있는 광발전 셀(15)들을 생략한다. 원형으로 대칭인 실시예에 대해 광발전 셀(15)들의 전기 접속은 도 17에 예시한 배선도에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예에서, 20개의 사다리꼴 형상의 광발전 셀들의 3개의 링들이 있고, 셀들의 20개 그룹들이 직렬 연결되고, 각각의 방사형 그룹은 3개의 병렬 연결된 셀들을 갖는다. 직렬 체인은 도 13a에 도시않은 5개의 셀의 중심 그룹도 포함하고, 이는 작동시 발전기(4) 및 열적 및 기계적 구조물(24, 39)에 의한 임의의 중앙 암흑화를 허용하고, 병렬 연결된 중심 그룹은 방사형 셀 그룹들과 같은 전류를 생성한다.
전기적 병렬 합산의 장점은 도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d의 원형 제 1 거울과 함께 사용하기 위한 특정 발전기 실시예에 대해 정량적으로 예시되어 있다. 광선 통계가 다양한 비축 각도들로 입사하는 광선에 대해 각각의 셀(15)에 의해 수신되는 광발전 전류의 의존성을 유도하기 위해 사용되었다. 모델링된 시스템은 원형 f/0.5 포물면 반사경(1)과 임계 각도 θc=1.65°를 갖고, 도 16a 내지 도 16h에서 단면으로 예시된 특정 실시예에서와 같은 변수들을 갖는다. 발전기는 도 13a에 도시된 바와 같이 각각 20개 셀의 3개의 링들로 모델링된다. 셀들의 3개의 링에 의해 커버되는 방사방향 넓이는 도 16a 내지 도 16h에 도시된 바와 같다. 태양은 1/2°직경의 균일한 발광원으로서 모델링되었다. 총 60개 셀들에 대한 개개의 전류들은 0.5°로부터 1.25°까지 0.25°인터벌로 비축 각도들 및 축상에 배치된 이 발광원에 대해 계산되었다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d에 도시한 그래프들에서, 60개 X표들은 각각의 60개 셀들로부터 전류(수직 축)를 나타낸다. 전류는 방위각 각도(수평 축)의 함수로서 도시되어 있다. 도 17에 개략적으로 나타낸 바와 같이 전기적으로 함께 배선된 셀(15)들의 20개의 그룹들로부터의 전류는 도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d에 예시된 막대 그래프로 도시되어 있다. 모든 광발전 셀(15)들에 걸쳐 평균화된 출력이 수평 점선으로 도시되어 있다. 모든 광선들(flux)은 축상 값들로 정규화되어 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d는 지향오류 각도들이 임계 각도의 반을 넘어 증가될 때 반경방향/병렬 전기 접속의 장점을 예시한다. 예를 들어, 모든 전류의 평균(점선)이 94%로 감소되는 1°(0.61θc)의 지향오류 각도에서, 개개의 셀 전류들은 그 축상 레벨의 45% 내지 120%로 넓게 퍼지지만, 방사방향으로 평균화된 전류는 약 85% 내지 100%의 훨씬 작은 범위에 걸쳐 변한다. 그러므로 병렬의 3개의 방사형 그룹들의 직렬 연결은 축상 출력의 90% 이상으로, 각각의 광발전 셀(15)이 그 최대 출력점에서 작동되면 가능한 최대값의 몇% 내에서 시스템 출력을 낸다. 방사방향으로 합해진 경우에, 주어진 지향오류 각도에서 강도의 편차들은 대부분 주 반사경의 초점 비(f)와 θc의 함수이고, 셀(15)들의 링들의 개수에 실질적으로 독립적임을 주목하라.
실질적으로 정사각형인 주 반사경과 함께 사용하기 위해 방사형 평균을 갖는 타입 2의 실시예
본 실시예에서 지향오류 허용오차를 개선하기 위해 방사방향 평균하는 원리가 도 1에 예시한 바와 같이 주 반사경(1)과 함께 사용하기 위한 발전기(4)에 적용되고, 돌출된 입구 개구는 클리핑된(clipped) 모서리들을 갖는 정사각형의 형태이다. 본 실시예에서, 수용면(9)의 보다 복잡한 타일링은 병렬 연결을 위한 거의 방사방향 배향의 셀(15)들의 그룹들을 제공한다. 도 19는 이러한 바람직한 타일링을 예시한다. 이 경우에 수용면(9) 상에 비춰지는 제 1 거울(1)은 완전한 정사각형 영역의 94%를 남기는 절단된 모서리들을 갖는 정사각형이다. 예시된 예에서, 초점 비는 정사각형의 측면에 나란히 측정될 때 f/0.5이고, 클리핑된 모서리부터 클리핑된 모서리에서 f/0.4이다. 수용면의 이 예시적인 타일링에서, 일치된 전체 광 출력의 방사방향 그룹들은 (모서리로의) 더 긴 반경의 그룹들보다 넓게 더 짧은 반경의 (정사각 변들의 중앙으로의) 그룹들을 종방향으로 이격하여 달성된다. 도 19를 참조하면, 타일(204, 205, 206)들 상의 광발전 셀들은 전기적으로 병렬 연결된 셀들의 그룹을 형성한다. 타일(207, 208, 209)들 상의 광발전 셀들은 전기적으로 병렬 연결된 셀들의 그룹을 형성한다. 유사하게, 타일(210, 211, 212, 213)들 상의 광발전 셀들은 전기적으로 병렬 연결된 셀들의 그룹을 형성한다. 그러므로, 동일한 출력을 위해 광발전 셀들을 그룹화하는 것은 204, 205, 206, 207, 208, 209 및 210, 211, 212, 213이다. 실질적으로 동일한 출력이 이러한 셀들에 전달되는 태양 복사선의 양에 근거하여 3개의 중앙 8각형 셀(201, 202, 203)에 의해 또한 생성된다. (4번째 중앙 8각형 영역(200)은 포함되지 않고, 바람직하게는 이 영역에 어떠한 광발전 셀도 제조되지 않는데, 왜냐하면 총 수신된 출력의 ~1%를 잃는 히트 파이프 조립체(45)에 의해 암흑화되기 때문이다). 비-원형 대칭을 갖는 구성의 이 예에서, 16개의 상이한 각기둥 윈도우(11)와 셀(15) 형상들이 도 13a에 도시된 원형 기하학적 형상에 대해서보다 4배 많이 제조되어야 한다. 매우 큰 규모의 생산에서, 이 부가된 다양성은 가격을 크게 증가시키지 않아야 한다.
원형 및 정사각형 클리핑된 포물면들로부터 발생되는 수용면(9)을 타일링하기 위해 위에 주어진 예들은 단순히 예시적임이 명백하다. 만족스러운 성능을 제공하는 다른 타일링 기하학적 형상도 임의의 특정 집속기 기하학적 형상에 의해 제조된 수용면의 치수들에 따라, 상기 예들에 의해 예시된 원리들에 따라 고려될 수 있다. 발전기(4)는 사용되는 광발전 셀(15)들의 최적 사이즈 및 집속율들과, 구면 렌즈(5)의 반경의 적절한 선택에 의해, 포물면 초점 길이의 비 F/b와 포물면(1)의 초점 비와 그 사이즈, 형상(예를 들어, 6각형)에 관해 상이한 주 반사경(1)들로부터 집속된 빛을 수용하는 구성일 수 있다. 임의의 특정 경우에, 동일한 전류를 생성하는 방사형 그룹화를 제공하는 타일링들이 상기 예시한 예들에서와 같이 바람직하다.
보조 반사경들과 함께 사용하기 위한 다중접합 셀들의 최적화
보조 반사경들을 사용하는 본 발명의 실시예들을 위한 광발전 셀(15)들은 바람직하게는 반사경들에 의해 제공되는 예측가능하고, 비-등방성 조명과 셀(15)들 간의 공간 모두의 장점을 취하여, 예외적으로 높은 변환 효율을 위해 최적화된다. 최적화는 본 발명의 독특한 조명 및 기하학적 특성들을 사용하여, 높은 집속율에도 불구하고 저항 또는 줄 손실을 최소화한다. 셀(15)들은 바람직하게는 보조 반사경들의 사다리꼴 출력 면들에 정확히 일치하도록 상이한 사이즈들의 사다리꼴 또는 다각형의 형태로 주문제작된다.
도 20은 저항 손실을 최소화하기 위해 최적화된 광발전적으로 활성 영역(51)을 갖는 셀(15)의 특징들을 예시한다. 저항 손실은 집속율 C의 제곱으로서 증가하고, 잘-냉각된 광발전 셀(15)들에 대해 이러한 손실은 집속율에 대한 최종 한계를 설정한다. 셀(15)의 전체 주변 둘레에 연장하는 에지 모선(37)이 사용되고, 인접한 셀(15)들의 광발전적으로 활성 영역들의 모든 측면들 둘레에서 각기둥 윈도우(11)에 의해 생성된 공간을 사용한다. 이러한 전체 주변 모선(37)은 (상술한 본 발명의 제 1 실시예에서와 같이) 본 실시예의 각기둥 윈도우(11)들의 이점이 없이 구성된 밀접히 패킹된 배열에 사용되는 셀(15)에서는 바람직하지 않은데, 왜냐하면 빛의 손실을 일으키기 때문이다. 그러나, 본 실시예의 셀(15)들에 대해 매우 바람직한데, 셀(15)의 면에 걸친 광발전 전류를 운반하는 얇은 접촉 와이어(70)들이 도시된 바와 같이 각질 수 있고 광발전 셀(15)의 모든 측면 에지들 둘레에서 가장 가까운 모선(37)들에 직각으로 연결되기 때문이다. 이 구성은 평균 와이어 길이를 최소화하므로 셀(15)의 광발전적으로 활성 영역(51)에 걸쳐 개략적으로 도시된, 접촉 와이어(70)들을 구성하는 얇은 와이어(70)들의 저항 손실 및 저항을 최소화 한다. (실제로, 그리드 선들은 예시도에 도시된 것보다 밀접하게 이격된다). 예시된 모선(37)과 와이어 구성은 특히 본 실시예에서 줄 손실을 최소화하는데 바람직하고 여기서 빛의 강도는 셀(16)의 광발전적으로 활성 영역들의 에지들 근처에서 강하다. 에지 증광은 음영을 갖는 점들의 밀도에 의해 도 20에서 및 도 6b에 축상 조명에 대해 예시되어 있다. 더 밝은 음영은 에지들로부터 먼 가장 낮은 집속율을 나타내고, 모서리들의 더 짙은 음영은 가장 높은 집속율을 나타내어, 여기서 빛이 각기둥 윈도우(11)의 인접한 측면들 모두로부터 셀 표면으로 반사된다.
에지 증광(및 상응하는 중심 디밍(dimming))을 갖는 이러한 조명 조건 하에서 모든 더 밝은 영역들로부터의 전류는 각각의 와이어 아래의 에지 모선(37)으로 더 짧은 거리를 이동한다. 제곱한 국지적 전류에 비례하는 점-대-점 줄 또는 저항 손실이 셀의 대향하는 에지들에서 2개의 모선들만의 사이에 연장하는 평행한 와이어들을 갖는 전형적인 셀 배선에 비해 훨씬 감소되는 결과가 되게 한다. 그러므로 이러한 셀들은 본 발명을 위해 최적화되지 않고, 이를 위해 본원에서 설명하는 바와 같은 새로운 타입들의 광발전 셀(15)들이 바람직하다.
저항 손실의 추가 감소를 위해, 에지 모선(37)들과 활성 셀 면들에 걸친 상이한 얇은 전류-전달 와이어(70)들의 폭들과 높이들(두께들)이 바람직하게는 접촉 와이어(70)들에 의한 광학 암흑화 및 줄 가열로부터의 조합 손실을 최소화하도록 최적화된다. 와이어 그리드 부재들은 바람직하게는 저항 손실을 최소화하는 동시에, 인접한 내측으로 경사진 반사면에 의해 반사되는 빛에 의한 음영화를 최소화하도록, 높이가 연장되고 폭이 좁아진, 직사각형 단면을 갖게 만들어진다. 직접 및 에지 반사된 빛 모두에 의한 모선(37)들 근처의 와이어들에 의해 가려지는 음영들이 최소화되는데, 왜냐하면 본 발명에 따라, 에지들로부터 멀어지게 반사되는 빛이 일반적으로 주변의 모선들로 전류를 전도하는 금속 그리드의 얇고 긴 부분들의 방향을 따라 투영되므로, 적은 음영을 드리운다. 그러므로 바람직한 셀 디자인은 저항 손실을 증가시키지 않고, 와이어 암흑화 및 음영화로 인한 광학적 손실을 감소하기 위해 와이어 두께 대 폭의 통상적 비율보다 큰 비를 포함할 수 있다. 이러한 디자인 최적화는 종래의 비-결상 균질기들에서 전형적인 등방성으로 분포되는 입사각들에서는 불가능하다.
요약하면, 얕은 각기둥 윈도우(11)들의 형태인 보조 반사경들을 갖는 타입 2의 실시예들은 셀(15)들 간의 빛을 감지 못하는 갭들을 제거하여, 타입 1의 실시예보다 10%이상을 낼 수 있다. 각기둥 윈도우(11)들의 완전한 잠재력은 바람직하게는 유전체 경계 손실을 효과적으로 제거하고, 출구 면(12)에서 전반사에 대해 빛 손실을 제거하도록, 셀(15)과 윈도우(12)의 뒷면 사이에 커플링 매체를 사용하여 실현된다. 출구 면(12)에서 전반사에 의해 설정되는 기하학적 제한조건들이 하기에 주어진다.
상술한 바와 같은 방사형으로 배향된 셀(15)들의 병렬 비닝(binning)은 지향오류 허용오차를 개선할 가능성을 갖지만, 현재 다중접합 셀들에 대해 각각의 병렬 그룹에서의 총 전류는 약 20A 이하로 떨어질 가능성에 의해 제한될 수 있다. 그러므로 20개의 병렬 그룹을 갖는 도 13a에 도시된 실시예에 대해, 총 출력은 1kW로 제한될 수 있다. 이는 20A의 전류와 2.5V의 셀 전압에서 각각 동작하는 20개의 방사방향 그룹들에 상응한다. 그러므로 본 실시예에 따른 발전기는 이렇게 제한되면 33% 총 변환 효율을 가정할 때 3m2 이상의 채집 면적(collecting area)의 주 반사경(1)과 함께 사용하는데 부적합하다. 더 넓은 반사경 면적들은 미래의 제조 개선사항들이 셀 고장에 대한 전류 제한을 증가시키면 도 13a의 실시예에 맞춰질 수 있다. 대안적으로, 더 높은 출력의 발전기(4)가 더 많은 개수의 더 좁은 방사형 스포크(spoke)들을 사용하여 구성될 수 있다.
타입 3의 실시예들
정사각형 포물면 주 반사경(1)과 함께 사용하기에 매우 바람직한 이러한 타입의 실시예들은, 도 7에 도시된 바와 같이 최고 균일성의 지점(300) 근처에서 작동하고 정사각형 셀(15)들 상의 집속율의 균일성에 대해 최적화된, 도 6d 및 도 5d에 예시된 바와 같은 거의 정사각형인 보조 반사경들을 포함한다. 정사각형 주 반사경(1)의 수용면에서의 이미지에 맞는 보조 반사경들은 바람직하게는 도 9b에 예시된 타일링 패턴과 같은, 각각의 타일에서 동일한 출력을 내는 n대n 정사각형 타일링 패턴에 따라 배치된다.
본 실시예의 중요한 특징이 도 21에 예시되어 있고, 깊은 각기둥 윈도우(11)들의 형태의 보조 반사경들로 실시된 것을 도시한다. 반사 기하학적 형상은 에지에서 반사된 빛이 광발전 셀(15)의 실질적으로 전체 영역을 커버하도록 선택된다. 이는 각기둥 윈도우(11)의 4개의 에지들 각각으로부터의 반사(7)가 윈도우(11)의 출구 면(12)의 중심에 도달하도록, 측면 경사 각도(13)의 적절한 선택과 조합하여 윈도우(11)들의 두께를 상당히 증가시켜 달성된다. 그 결과는 비교적 높은 균일성이고, 윈도우(11)의 출구 면(12)이 윈도우(11)의 입구 면(10)의 치수의 반보다 다소 크고, 집속율이 약 3의 계수로 증가한다. 도 21의 예시도에서, 셀(15)들은 지지하는 골격 프레임워크(35)에서 세라믹 기판(20)들 상에 장착되고 액체(22)를 끓여 냉각된다.
본 실시예에 따른 발전기(4)의 매우 바람직한 실시예의 주요 광학적 및 전기적 요소들이 도 22의 사시도에 보다 상세히 도시되어 있다. 이는 볼 렌즈(5), 여기서 거울을 갖는 프레임(45)들의 형태로 도시된, 거의 정사각형인 보조 반사경들 뒤에 배치된 복수의 정사각형 광발전 셀(15)들, 및 바이패스 다이오드(30)들을 도시한다. 다른 모든 구조물들은 도 22에서 명확성을 위해 생략되어 있다. 수용면(9) 둘레에 설치된 제 2 집속(concentrating) 반사경(45)들은 집속된 태양광(3)의 광선들을 광발전 셀(15)들로 반사한다. 광발전 셀(15)들은 제 2 집속 반사경(45)들 바로 뒤에 위치하고, 태양 복사선(3)을 전기로 변환한다. 균일성을 위해 요구되는 깊은 보조 반사경들은 인접한 광발전 셀(15)들 간에 상당한 갭들을 열고 여기서 본 실시예에서 바이패스 다이오드(30)들과 상호연결하는 배선이 셀(15)들에의 광학적 입력부 또는 그 전기적 및 열적 출력부에 대한 간섭없이 밀접하게 배치된다. 복수의 광발전 셀(15)이 각각의 셀(15)에 의해 생성된 전기 출력을 발전기(4)로부터의 총 전기 출력으로 조합하기 위해 전기적으로 함께 연결된다. 제 2 집속 반사경 출력부(46)들은 바람직하게는 예시된 예에서와 같이, 편평한 광발전 셀(15)들을 허용하도록 구성된다.
본 발명에 따라 정사각형 포물면 반사경(1)과 함께 사용되는 발전기(4)의 보조 반사경(45)들은 반사경에 투영되는 동일한 정사각형들의 볼 렌즈(5)에 의해 형성되는 이미지들로서, 도 10b에 예시된 수용면(9)의 분할들과 같은 형상을 갖는 입구 개구(47)들로 만들어진다. 이런 식으로, 보조 반사경 입구(47)들이 오목한 수용면(9)을 이음매없이 타일링하여, 이들 사이에 칼날(knife-edge)들을 형성하여, 수용면(9)에 도달하는 모든 빛이 이들 중 하나 또는 다른 것에 들어간다. 이러한 타일링에서, 입구(47)들은 거의 정사각형이지만 완전한 정사각형은 아니다. 20개의 상이한 개개의 반사경 타입들(각각의 타입에 대해 4개)이 9×9 배열(중앙의 하나는 없음)의 8개의 보조 반사경들의 조립에 필요하다. 도 23은 20개의 상이한 타입들을 평면도로 예시한다. 정사각형 대칭으로부터 약간 벗어남과 사이즈의 차이들을 가장 명확히 예시하기 위해, 도 23에서 반사경들은 모두 같은 축척으로 도시되어 있고, 이들이 분리되고 그 면이 위로 가게 돌려 배치되면, 셀들이 같은 평면에 놓이고 그 중심들이 규칙적인 정사각형 그리드 상에 있게 보인다. (80개의 반사경들의 완전한 세트는 도 23에 예시된 세트를 O로 표기된 원점에 대하여 90°의 인터벌로 측정하여(clocking) 예시된다.) 좌하측에 도시된 반사경(510, 511)들은 광학 축에 가장 가깝지만, 대각선 반대쪽 반사경(544)은 우상측에 도시되어 있다. 각각의 반사경 내에서 중심에 도시된 더 작은 정사각형들은 출구 개구(46)들을 나타낸다. 이들은 출구 개구(46)들 뒤에서 매우 약간씩 이격되어 설치된 조사된(illuminated) 셀(15)들의 정사각형 광학적으로 활성 영역과 일치하도록, 바람직하게는 정확히 정사각형으로 만들어진다. 그러므로 보조 반사경의 4개의 거울을 갖는 표면들 각각은 약간 휘어 있어, 도 23에 예시된 정확히 사각형인 하부 경계부와 정사각형으로터 약간 벗어난 상부 경계부에 정확히 맞는다. 이러한 약간 휨때문에, 셀(15)에 전달되는 조명의 패턴은 도 6d의 예시로부터 약간 수정되어 있다. 도 24는 축상 조명에 대해 보조 반사경(543)의 출력 흐름의 계산을 예시하고, 여기서 강도는 점 밀도로 표현된다. 출구 개구(46)에서 출력 흐름의 표준 편차가 16%로 계산되고, 도 7에서 300으로 표기된 정사각형 입구 및 정사각형 출구의 이상적인 경우에 대한 13% 표준 편차보다 약간만 크다.
타입 3의 특정 실시예의 세부사항
도 25 및 도 26의 사시도들은 도 22에 따른 실시예 주변의 주요 구조적 구성요소들을 도시한다. 도 25는 정사각형 포물면 주 반사경(1)의 초점 근처의 작동을 위해 배치된 발전기(4)를 도시한다. 도 26은 밀봉된 외피(sealed enclosure; 110) 내의 도 25의 발전기(4)의 세부사항을 보이고, 명확성을 위해 몇몇 구성요소들이 단면으로 도시되어 있다. 주 반사경(1)으로부터의 광선(3)들이 윈도우(101)를 통해 밀봉된 공동(sealed cavity; 110)으로 발전기(4)에 들어가고, 여기에 발전기(4)의 주요 요소들, 볼 렌즈(5), 제 2 집속 반사경(45)들, 및 태양 셀(15)들이 배치된다. 입구 윈도우(101)의 목적은 볼(5)의 매우 집속된 태양광 입사에 의해 분리되거나 점화될 수 있는, 오염물질들에 의한 오염에 대해 볼 렌즈(5)의 표면을 보호하는 것이다. 입구 윈도우(101)는 볼(5)의 중심으로부터 먼 포물면 초점 길이의 1/10 내지 1/3의 거리에 위치하고, 윈도우 표면에서 태양광의 집속율은 10 내지 100의 범위이다. 밀봉된 외피(110)에 의해 제공되는 보호의 장점을 취해, 볼(5)과 입구 윈도우(101)의 내면은 바람직하게는 점점 감소하는 지수(tapered index) 타입의 항-반사 코팅들로 코팅된다. 이러한 코팅은 전체 태양 스펙트럼에 대해 매우 효과적이지만, 취성이고 노출되면 휘발물질과 반복적인 클리닝에 의해 손상된다. 도 26에 예시한 바와 같은 보호된 환경에서, 코팅은 깨끗이 유지되고, 볼 렌즈(5)와 윈도우(101)를 가로지르는 광선(3)이 마주하는 4개의 내면들 각각에 대해 약 1%까지 태양 스펙트럼에 걸쳐 평균화된 반사 손실들을 제한한다.
윈도우(101)의 외면은 바람직하게는 반복적인 클리닝을 견디도록, 단단한 유전체 재료의 강한(robust) 항-반사 코팅으로 코팅된다. 윈도우(101)는 바람직하게는 Schott B270과 같은 저손실 유리로 만들어진다. 이러한 조건들을 가지고, 윈도우(101) 단독의 투과율이 약 97%로 기대될 수 있고, 윈도우(101)와 볼 렌즈(5) 모두는 약 94%로 기대된다. 윈도우(101)는 바람직하게는 쌍곡면 형상으로 만들어져 발전기(4)에 총 전달되는 것의 약 3%에 달하며, 윈도우(101)에 의해 반사되는 태양 에너지가, 주 반사경(1)의 꼭짓점 근처의 초점으로 보내진다. 그 다음에 부가적인 광발전 셀(15)들을 갖는 발전기(4)의 연장부가 이 빛으로부터 부가적인 전기를 만들도록 꼭짓점 근처에 배치된다.
입구 윈도우(101)는 바람직하게는 다르게는 발전기 출력에 기여할 수 있는 축상 또는 비축 광선(3)을 차단하지 않도록 충분히 큰, 도 26에 도시된 바와 같은 정사각형 주변 형상을 갖는다. 바람직하게는 제 2 윈도우(109)가 들어오는 태양 광선(2)들이 주 반사경(1)으로의 그 경로 상에서, 발전기(4)에 가깝게 통과할 수 있도록, 발전기(4) 주변의, 밀봉된 외피의 태양을 향하는 측면에 포함된다. 밀봉된 외피(110)의 구조는 태양으로의 임의의 추적기 배향에서 과열을 예방하기 위해 화이트닝된, 2개의 윈도우(109, 101)들을 연결하는 실질적으로 정사각형인 측벽(102)들을 포함한다. 외피(110)의 측벽(102)들은 바람직하게는 음영화를 최소화하기 위해, 광학 축과 일직선을 이루고 얇다. 도 22에 도시된 발전기 코어 부재들은 위의 플랜지(103)로부터 지지되고, 측벽(102)들은 플랜지(103)로부터 블레이드(104)들에 의해서도 지지된다. 플랜지(103)는 바람직하게는 도 25에 도시된 바와 같이, 축방향 압축 튜브(105)로부터 위로부터 유지된다. 이 예에서, 압축 튜브(105)는 광 경로 밖의 지지점(107)들로부터 주 반사경(1)으로의 얇은 베인(vane; 106)들을 당겨(tensioned) 유지된다. 주 반사경(1)으로부터 집속된 태양광이 심하게 잘못 향해져서 도 16g 및 도 16f에 예시된 바와 같이, 볼 렌즈(5)의 일측면으로 나아갈 때, 가열을 최소화하기 위해, 볼 렌즈(5)는 바람직하게는 그 적도 위의 위도선 둘레에서 볼 안으로 절취된 홈(112)과 정합하는 은도금된(silvered), 중공의, 수냉되는(water-cooled) 스트러트(strut; 113)들에 의해 지지된다. 도 25에서, 액체 냉매는 제 1 광 경로 밖에 장착된, 강제 대류로 발전기로부터 나온 모든 열을 방열기로 보내도록 장력이 가해진 스트러트(106)들의 음영부에 놓인, 파이프(111)들을 따라 펌핑된(pumped) 것으로 도시되었다.
바람직한 실시예의 보조 반사경(45)들은 반사 기판의 반사율을 증가시키기 위해 얇은 은도금을 갖는 거울을 갖는 프레임들로 만들어진다. 이러한 코팅은 실리카 또는 티타니아와 같은 유전체 재료의 박막에 의해 보호될 수 있다. 은 코팅은 바람직하게는 심봉(mandrel)으로부터 매우 연마된 표면들로 복제하여 만들어진 매끄러운 기판상에 붙어 있다. 심봉의 표면들은 바람직하게는 휘어진 랩(warped lap)의 중심 근처에서 회전없이 스트로크(stroke)에 의해 래핑(lapping) 및 연마된다. 연마 랩(polishing lap)의 x-y 평면에 걸친 표면은 바람직하게는 정확한 휨 진폭을 제공하도록 적절히 선택된 "k"를 갖고, 방정식 z=k(x2-y2)에 의해 주어진다. 전기성형에 의해 만들어진 심봉의 얇은 금속 복제(replica)가 그 사이에 접착제로 둘을 결합함으로써(mating) 일치하는 암컷 플랜지의(flanged) 기판에 전달될 수 있다. 전형적으로 금속 복제는 수 μ(micron) 두께일 뿐이고, 복제와 기판 사이의 갭을 만드는 기판의 치수 오류를 수용하기에 충분한, 약 10 μ의 크기의 접착제 두께이다. 접착제가 굳으면, 기판이 제거되고 복제가 부착된다. 접착제와 기판은 모두 바람직하게는 열전도성 재료로 만들어진다.
도 27은 일체형 장착 플랜지(120)를 갖는 보조 반사경(45)의 세부사항을 도시한 사시도이다. 발전기(4)에 대한 보조 반사경(45)의 전체 배열은 개별적으로 복제된 보조 반사경들로부터 조립되고, 이들은 냉각 파이프(123)들을 갖는 오목한 프레임워크(122)에 설치된다. 보조 반사경(45)에 의해 흡수되는 태양 광선으로부터의 열은 플랜지(120)를 통해 파이프(123)들을 통해 펌핑되는 냉매로 전도된다. 반사경은 광선(7)의 손실을 피하기 위해, 인접한 반사경들이 칼날-에지에서 만나도록 입구 개구 주변에 경사면(121; bevel)을 갖게 만들어진다. 반사경(45)은 뒤에 밀접하게 이격된 셀(15)과 반사경(45) 사이의 전기 방전을 피하기 위해 출구 개구(46) 둘레에 라운딩된(rounded) 에지들도 갖게 만들어진다. 반사경(45)의 플랜지(120)는 열 상호작용 매체(TIM; thermal interface medium)의 도움을 받아, 지지하는 프레임워크(122)의 거의 정사각형인 구멍(125) 둘레에 만들어진 시트(124)에 정합하게 만들어진다. 발전기(4)를 위한 보조 반사경(45)들의 오목한 배열을 지지하고 냉각하기 위한 구조물(122)이 도 28의 사시도에 예시되어 있다. 냉각 액체가 파이프(126)를 통해 들어가고, 이는 구멍(125)들에 장착된 보조 반사경(45)들을 지나가는 파이프(123)들로 분기된다. 냉각 유체(22)는 모이고 파이프(127)를 통해 나간다. 완전한 보조 반사경 조립체는 바람직하게는 냉각되는 셀들의 전체 오목한 배열과는 별개인 구조물로서 만들어지고, 출력부(46)들은 셀(15)들로부터 1mm 미만으로 이격되고, 발전기(4)의 나머지로부터 전기 절연되고 광발전 셀(15)들의 평균 전위와 같은 전기 전위에서 작동한다.
대안적인 실시예에서, 보조 반사경(45)들은 바람직하게는 매우 낮은 흡수율의 유리의 각기둥 윈도우(11)들로 만들어져, 이들이 전달하고 반사하는 빛에 의한 가열을 피한다. 유리가 전기적으로도 절연되므로, 입구 면(47)들과 닿는 각기둥 윈도우(11)들은 지수가-일치하는 접합 재료에 의해 셀(15)들의 면들에 개별적으로 부착될 수 있다. 이러한 접근법은 잠재적으로 더 높은 수율을 갖지만, 휘고 연마된 측면들을 갖는 높은 투과율의 굴절 재료의 각기둥 윈도우(11)들의 제조 및 조립은 고가일 수 있다. 또한 지수가 일치하는 접합은 원하는 높은 집속율 레벨에서 충분히 긴 수명을 갖지 않을 수 있다.
오목한 타일링을 위해 노치(notch)를 갖는 수신기 조립체들
이 제 3 타입의 바람직한 실시예는 도 22에 예시된 바와 같이, 셀(15)들에 인접하게 바이패스 다이오드(30)들을 배치하기 위해 비교적 깊은 보조 반사경(45)들에 의해 광발전 셀(15)들 간에 열린 비교적 넓은 갭들을 사용한다. 이 공간은 2가지 방식으로 사용된다. 하나는 4측면 모두에 모선(37)을 제공하여 그 성능을 개선하도록 셀(15)의 전체 사이즈를 증가시켜, 후술하는 바와 같이, 높은 집속율에서 셀(15)에 대해 내측의 저항 손실을 최소화하는 것이다. 다른 하나는 일측면 인쇄회로에 의해 연결되고 셀(15) 옆의 2개의 바이패스 다이오드(30)들까지 셀(15)을 각각 갖는, 작은 사전-조립된 평면 수신기 조립체(78)들을 사용하여, 전기적 조립을 단순화하도록 그 공간을 사용하는 것이다. 개개의 수신기 조립체(78)들은 도 29에 예시한 바와 같이, 보조 반사경(45)들의 오목한 배열 뒤의 전체 오목한 수신기 배열에서 함께 밀접하게 끼워 맞춰지도록, 이어(ear)들이 바이패스 다이오드(30)들을 운반하고, 노치들이 인접한 이어들을 제거(clear)하는 특수한 형상을 갖는다. 수용면(9)의 전체 폭에 걸쳐 8개의 보조 반사경(45)들의 열 뒤의 제 위치의 8개의 수신기 조립체(78)들의 사시도가 도 30에 예시되어 있다. 단일 수신기 조립체(78)의 세부사항이 도 31의 사시도에 도시되어 있다. 광발전 셀(15)과 그 인접한 바이패스 다이오드(30)들이 간단하고 편평하고 열전도성인 일측면 회로기판(80)에 지지되어 있고, 회로는 세라믹 기판 상에 직접 접합된 구리(17, 18)로 형성된다. 셀(15), 다이오드(30) 및 상호연결 링크(85)가 납땜에 의해 회로 기판(80)에 부착되어 있다. 셀 모선(37)으로부터의 전류는 상호연결부(19)들에 의해 트레이스(18)들에 전달된다. 본 발명의 본 실시예를 위한 수신기 조립체(78)는 바람직하게는 다수의 특수한 특징들을 포함한다:
* 보조 반사경(45)들에 의해 정해진 기하학적 제한조건들 내에 함께 끼워맞춰지도록, 각각의 조립체(78)가 운반하는 광발전 셀(15)의 활성 영역보다 3배를 넘지 않는 활성 영역으로 만들어진다.
* 조립체(78)들은 그 인접부들과 함께 밀접하게 끼워맞춰질 수 있도록 2개 이하의 바이패스 다이오드(30)들과 노치(82)들을 운반하도록 이어(81)들을 구비한다.
* 만곡된 오목한 표면 상에서 함께 끼워맞춰지도록, 수신기 조립체(78)들은 동일한 일반적 형상이지만 이들이 운반하는 셀(15)들과 같이 상이한 사이즈들로 만들어진다.
* 각각의 조립체는 바람직하게는 4개의 모서리(83, 84) 모두에서 사용가능한 전기 접속부를 가지고 만들어지고, 대각선 반대쪽 모서리는 동일한 전위이다. 각각의 조립체(78)에서 적절한 두 모서리를 선택하여, 인접한 셀(15)들의 인접한 모서리들에 하나의 셀(15)의 모서리(83, 84) 각각을 연결하여, 광발전 셀(15)들 간의 직렬 연결을 하는데 매우 낮은 저항의 매우 짧은 연결만이 필요하다.
* 각각의 조립체(78)는 각각의 모서리에 하나씩, 4개의 장착 구멍(86)을 구비한다.
수신기 조립체(78)의 추가 세부사항과 제조 절차는 도 32에 도시된 분해도를 참조하여 이해될 것이다. 하부 레벨은 직접 접합 구리(DBC)로 만들어진 트레이스들로 회로 측면 상에 마주하고, 알루미나, 알루미늄 질화물 또는 산화베릴륨과 같은 세라믹으로 만들어진 회로 기판(80)을 도시한다. 트레이스들에 납땜되는 요소들은 상부 레벨에 도시된, 바이패스 다이오드(30), 집속기 광발전 셀(15), 및 중간 레벨에 도시된 전기 접속부(83, 84, 88)들에 의해 제공되는 브리징(bridging)이다. 기판(80)은 다른 두 측면들로 절취된 직사각형 노치(82)들과 2개의 대향하는 측면들 상에 돌출하는 직사각형 이어(81)들을 갖는 정사각형으로 성형된다. 이어(81)들과 노치(82)들은 도 29에 예시된 바와 같이, 기판(80)들이 오목한 장기판 패턴으로 조각그림 부분들과 같이 함께 끼워맞춰지도록 구성된다. 그 정사각형 중심이 셀(15) 아래에 있는 DBC 구리 트레이스(17)가 기판(80)의 2개의 대향하는 모서리(89)로 연장한다. 2개의 에칭된 분할선(87)은 기판(80)의 다른 두 모서리(88)로 연장하는 2개의 L자-형상 에지 트레이스(18)들로부터 셀 베이스(17) 패드를 전기적으로 분리한다. 2개의 L자-형상 트레이스(18)들은 정사각형 셀 베이스(17)를 크게 둘러싸고 모서리(88)들을 연결하도록 각각의 단부에서 납땜된 낮은 저항의 브리지(85)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 바이패스 다이오드(30)들은 L자-형상 트레이스(18)들과 베이스(17)를 전기적으로 연결하도록 기판에 납땜되어 있다. 구리 탭(83, 84)들은 광발전 셀(15)들 사이에 직렬 연결을 만들기 위해 모서리(89, 88)들 각각에 납땜된다. 광발전 셀(15)의 양극 및 음극 출력부들은 2개의 대각선 반대쪽 모서리들에서 모두 사용될 수 있다. 구멍(86)들이 기계적 부착을 위해, 납땜된 전기 접속부(83, 84, 88)들을 통해 및 기판(80)의 4개 모서리 모두를 통해 제공된다. 바람직하게는 도 32의 분해도에 도시된 수신기 조립체(78)의 모든 요소들이 바람직하게는 은/주석 공융 땜납으로, 하나의 가열 사이클에서 함께 납땜된다. 용접된 상호접속부(19)들은 수신기 조립체(78)를 완성하기 위해 L자-형상 트레이스(18)들과 셀 모선(37) 사이에 이후에 만들어진다.
면을 갖는 구리 컵(90)에의 수신기 조립체(78)들의 부착 및 두 조립체(78)들 간의 전기적 직렬 상호접속의 세부사항이 도 33의 단면도와 도 34의 사시도에 도시되어 있다. 각각의 수신기 조립체(78)는 모서리 구멍(86)들을 지나서 막힌 탭(blind tapped) 구멍(95)들로 나아가는 나사(92)들에 의해 지지하는 면을 갖는 오목한 구리 컵(90)에 체결된다. 컵(90)과 기판(80) 간의 갭에 걸쳐 열이 전도되게 하기 위해, 갭은 은 충전 그리스와 같은 열 상호작용 매체(TIM)(91)로 충전된다. 나사(92)들은 Belville 와셔(washer)와 같은, 몇몇 다른 탄성 부재를 통해, 또는 순응성 탄성체 재료와 와셔(93)들을 통해 TIM(91)과 수신기 조립체(78) 상에 축방향 압축력을 가한다. 탄성체 그로밋(94; grommet)들은 더 높은 팽창계수를 갖는 구리 컵(90)과 낮은 열 팽창계수의 수신기 조립체(78) 간의 측방향 전단 운동(shearing motion)을 일으키는, 반복적인 열 사이클링에 대해 중심조정된 상태를 유지하도록 수신기 조립체(78)를 구속하는 역할을 한다. 일단 수신기 조립체(78)들이 체결되면, 인접한 수신기 조립체(78)들 간의 직렬 연결들이 한 쌍의 탭(83, 84) 간의 납땜에 의해 만들어진다. 납땜된 탭(83, 84)들의 구부러진 형상은 인접한 수신기 카드들 사이의 상이한 팽창으로 인한 피로에 대한 저항을 제공한다. 도 35는 80개의 수신기 조립체(78)들의 직렬 접속이 어떻게 인접한 탭들의 납땜에 의해 (결손(missing) 중앙 조립체를 가로지르는 하나의 와이어를 추가하여) 간단히 이루어질 수 있는지를 도시한 개략 배선도이다.
수신기 조립체(78)들이 부착되는 오목한 구리 용기(90)는 바람직하게는 도 36에 도시된 바와 같이, 개개의 조립체(78)들을 수용하는 형상의, 편평한 면(97)들을 갖게 제조된다. 면(97)들은 수신기 부착 나사(92)들을 수용하기 위해 4개의 한쪽이 막힌 탭가공된 구멍들을 각각 구비하여, 보조 반사경(45)들의 출구 개구(46)들로부터 전달되는 집속된 광선들을 받도록 수신기 조립체(78)들을 정확한 배향 및 위치에 유지한다. 본 실시예에서 용기(90)를 냉각하는 바람직한 방법은 도 25에 예시된 바와 같이 펌프에 의해 순환되는 액체(22)를 방열기(108)로 열전달하는 것이다. 구리로부터 열적 커플링을 개선하기 위해, 광발전 셀(15)들 바로 뒤의 접촉면의 면적이 히트 싱크의 방식으로 핀(fin) 또는 핀(pin)들과 같은 밀접하게 이격된 특징부들로 형성하여 증가되고, 냉각 액체(22)는 이러한 특징부들을 통해 흐르도록 강제된다.
지향오류에 대한 허용오차
광발전 셀(15)들에서 주어진 집속율 및 주어진 주 반사경(1)에 대해, 지향오류에 대한 또는 일반적으로 주 반사경(1)으로부터 잘못 보내진 광선(3)에 대한 허용오차는 방사방향으로 비닝된(binned) 셀(제 2 타입)들과 얕은 보조 반사경(45)을 갖는 실시예들에 대해서와 같이 비닝되지 않은 셀들과 깊은 보조 반사경(45)들을 갖는 이러한 제 3 타입의 발전기 실시예들에 대해서도 적어도 양호할 수 있다.
두 타입들이 도 37a, 도 37b, 도 37c, 도 37d의 광선 도면들에서 비교된다. 모두 같은 축척으로 그려졌고, 광선(3)들은 동일한 f/0.5 포물면(1)으로부터이다. 도 37b와 도 37d는 동일한 비축 각도로 입사되고 주 반사경(1)에서 소정의 방사방향 거리로부터 광선들에 대해 거의 동일한 평균 집속율에서 동일한 사이즈의 광발전 셀(15)들로 전달되는 빛을 나타낸다. 깊은 각기둥 윈도우(11)들로서 도 37c와 도 37d에 도시된 더 깊은 보조 반사경(45)들의 경우에, 보조 반사경(11)들에 의해 만들어진 집속율 증가 C2가 더 크기 때문에, 같은 전체 시스템 집속율이 볼 렌즈(5)의 반경을 증가시켜 달성되는, 윈도우 입구(10)에서의 집속율을 비례하여 감소시켜 유지된다.
이러한 두 전략들 간의 장단점(trade-off)의 성질이 도 37a, 도 37b, 도 37c, 도 37d를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 광발전 셀(15)들에서 동일한 전체 집속율에 대해, 더 두꺼운 윈도우(11)들을 갖는 시스템이 더 큰 직경의 볼 렌즈(5) 때문에 지향오류에 대해 더 높은 허용오차를 갖는데-임계 각도(θc)는 볼 렌즈(5)의 직경에 비례하여 증가된다. 그러므로 예시도에서, 도 37c와 도 37d에 대한 볼 렌즈(5)의 직경과 θc는 도 37a와 도 37b에 대한 것보다 모두 30% 크고 θc는 비례하여 증가된다. 이미 언급한 더 두꺼운 윈도우(11)들에 대한 추가 장점들은 셀(15)들에 걸친 높은 집속율 균일성과 광발전 셀(15)들 간의 접속부들을 위한 추가된 공간이다. 그러나, 이러한 개선된 성능은 30% 더 큰, 즉, 더 비싼 구면 볼 렌즈(5)의 대가로 온다.
타입 4의 실시예들
이 변경 실시예에서, 발전기(4)는 수용면을 광발전 셀(15)들에 커플링하는 윈도우(11)들이 사실상 광파이프들이 되는 두께로 연장되는 점을 제외하고, 상술한 바와 같은 각기둥 윈도우(11)들을 갖는 바람직한 실시예들과 유사하다. 도 38a와 도 38b는 발전기(4), 볼 렌즈(5), 광파이프(11)들의 중요한 광학적 요소들을 도시한 광선 도면들이고, 빛은 대부분 다중 내부 반사들에 의해, 광파이프(11)들을 통해 전파된다. 광파이프(11)들은 수용면(9)에서 이미 균일한 빛을 다시 형성한다. 빛은 수용면(9)을 이음매없이 타일링하기 위해 필요에 따라, 거의 사다리꼴인 또는 다른 다각형 형상을 갖는 입구(10)들을 통해 광파이프(11)들에 들어간다. 빛은 직사각형 또는 정사각형의 형상의 출력 윈도우(12)들을 통해 나온다. 출력부들은 출력 윈도우(12)들 바로 뒤에 위치한, 직사각형 셀(15; 도시되지 않음)들의 광발전적으로 감지하는 영역과 일치하게 맞춰진다. 바람직하게는, 수용면(9)에서 입구 개구(10)들의 형상들은 모든 파이프(11)들이 동일한 출력을 받고, 이 출력이 모두 동일한 사이즈 및 형상의 출력부 개구(12)들에 전파되도록 형성된다. 바람직하게는, 출력부 개구(12)들은 출력부 윈도우(12)들에 매우 밀접하게 배치되는 광발전 셀(15)들의 효율 및 제조 편이성을 위해 정사각형 또는 직사각형이다. 이러한 재설정(reformatting)은 연장된 윈도우(11)가 측면들의 일부가 휘게 구성될 것을 요구한다. 다중 반사를 갖는 연장된 광파이프(11)들은 단열 광 전파를 제공한다. 출구 표면에서 광발전 셀(15)로의 입사 각도들의 범위는 태양 축-상에 대해 θs√C/n 및 태양 비축에 대해 (θs+θoff)√C/n과 같다. 여기서 θs는 태양 원반의 반경이고 θoff는 태양 비축 각도이고, "n"은 광파이프(11)의 굴절율이다.
도 38a와 도 38b는 1000의 집속율을 달성하고 매우 짧은 초점 길이, f/0.4의 원형 주 포물면 반사경(1)과 함께 작동하기 위한 발전기(4)를 위한 디자인의 일례를 보인다. 수용면(9)은 도 9b에 도시한 타일링 패턴에 상응하는 동일한 출력의 거의-사다리꼴 세그먼트들로 분할된다. 종방향 섹션들은 균일한 조명으로 동일한 정사각형 광발전 셀(15)들(도시되지 않음, 12 바로 뒤)을 조사하도록 출구 개구(12)들에서의 빛을 재설정하는 기다란 광파이프(11)들을 갖는 발전기(4)를 통해 이루어진다. 도 38a는 시스템을 통해 전파되는 축상 소스로부터의 광선(3)들의 세부사항을 도시한다. 도 38b는 동일한 도면이지만 비축 소스로부터 들어오는 빛(3)을 갖는다. 시스템은 임계 지향오류 각도 θc=1.9°를 내는 볼 렌즈(5)로 구성되고, 볼 렌즈(5)와 광파이프(11)들에 의한 재결상의 조합으로부터의 기하학적 집속율 C는 C=C1C2=1180에 의해 주어진다. 이러한 도면들에서, 태양으로부터 시스템의 포물면 주 반사경(1)에 들어가는 광선(3)은 주 반사경(1)의 전체 면적에 걸쳐 임의의 공간적으로 분포되고, 1/4°반경(θs)에 대해 태양-중심 방향으로부터 벗어나 연장하는 균일한 "최상층(top-hat)" 각도 분포로부터 들어오는 것으로 모델링된다. 도 38a는 축상 조명에 대한 것이고; 도 38b는 1°, 또는 0.53θc의 각도에서 비축 태양에 대한 것이다. 이러한 도면들에서, 광파이프(11)로부터 광 출력의 강도는 이 광파이프(11)로부터 반사되는 도시된 광선들의 개수로 표현된다. 매우 짧은 초점 길이를 갖는 이 예의 시스템에 대해, 대부분의 광파이프(11)들의 조명은 임계 각도의 0.5를 약간 넘는 비축 조명에 대해 비교적 변하지 않는다. 2개의 특정 광파이프들이 참조번호 140과 142를 갖고 도 38b에서 조명을 위해 식별되어 있다. 도 38b에 상세히 도시된 바와 같이, 조명은 우측 극단의 광파이프(140)에 대해 적고 조명은 광파이프(142)에 대해 정상 이상이다.
이 실시예의 장점은 모든 광발전 셀(15)들이 사이즈가 동일하게 만들어질 수 있고, 광파이프(11)들의 길이 때문에, 광발전 셀(15)들이 잘 이격되고, 셀 장착시 전기적 및 열적 문제들을 단순화한다는 것이다. 다른 장점은 셀(15)들의 균일한 조명이 광파이프(11)에서의 전파에 대한 다중 반사의 효과로 보장된다는 것이다. 실제로, 이전의 실시예들에서의 보조 반사경(45)들에 비해 그 길이 때문에, 광파이프(11)들은 집속된 빛의 흡수로부터 과열 및 출력 손실을 최소화하기 위해, 특히 낮은 태양 흡수율의 용융된 실리카 또는 유리로 만들어져야 한다.
도 9b의 타일링 기하학적 형상은 광파이프(11)들에 사용하기 적합한 단 하나의 예이다. 변경 실시예에서, 도 37b에 예시된 불균일성은 도 38b의 광파이프(140)에 상응하는 수용면(9)의 에지로부터 비축 광선을 수용하지만, 도 38b의 광파이프(142)로 표현된 증가된 광선들의 영역으로부터도 빛을 수용하도록 반경에서 충분히 깊고 방사방향으로 좁은 조각의 형태로 그 입구 개구들이 성형된 광파이프(11)들을 갖는 수용면(9)의 외부 부분들을 타일링하여 크게 경감될 수 있다. 이런 식으로 도 17에 예시된 바와 같은 다중 셀(15)들의 병렬 연결에 의해 달성되는, 지향오류 허용오차를 개선하기 위한 반경방향 평균화가 광파이프(11) 내의 방사방향 평균화에 대신하여 달성된다. 광파이프(12)들의 출력부는 광발전 셀(15)에 대해 더 컴팩트하고 수신기 조립체(78)들을 사용하기에 편리한 형상으로 재성형되고, 링의 바이패스 다이오드(30)들은 조명되는 수용면(9)의 주변 밖에 위치한다. 이러한 수용면(9)의 타일링은 정사각형과 6각형 및 원형 주 반사경(1)과 함께 작동하도록 발전기(4)들에 대해 구성될 수 있다.
발전기 설계 원리들
본 발명에 따른 발전기(4)는 임의의 특정한 주 반사경(1)에 의해 전달되는 집속된 빛과 함께 사용되게 설계될 수 있다. 최적 작동을 위해, 발전기(4) 내의 볼 렌즈(5)와 광발전 셀(15)들과 보조 반사경(45; 있다면)들의 구성은 원하는 집속율이 실현되고 셀(15)들이 볼 렌즈(5)에 의해 형성되는 주 반사경(1)의 이미지에 맞도록 선택될 필요가 있다. 이미지의 형상과 이에 걸친 에너지의 분포 모두 일치되어야 한다. 이 섹션에서, 이러한 일치를 최적화하는데 필요한 관계들이 제공된다. 소정의 볼 렌즈에 대한 수용면에서의 집속된 빛의 특징은 주 반사경의 특성들에 관계한다. 부가적으로, 보조 반사경들을 최적화하기 위한 관계들이 설명된다.
소정의 주 반사경에 대한 볼 렌즈의 최적화 및 설계
볼 렌즈(5)에 의해 제공되는 결상의 넓은 각도 때문에, 수용면(9)의 중심으로부터 거리의 집속율 편차가 반경에 따라 일정하지 않다. 수용면(9) 상의 주어진 지점에서, 집속율은 도 44를 고려하여 계산될 수 있고, 이는 축으로부터 반경(r)에서 주 반사경(1)의 작은 영역으로부터 반사의 세부사항을 보인다. 축상 태양 광선(2)은 반사경(1)에 입사되고 반사경(1)의 지점 "P" 상에 중심을 갖는 축에 직각인 영역(57) 내에 한정되고 투영된 면적(DA)을 갖는다. 광선(2)들은 광선(3)들로서 초점(28)을 향해 반사된다. 초점(28)을 뒤돌아보면, 광선은 입사 영역(57)의 반사된 이미지인 작은 영역(58)으로부터 나오는 것으로 보인다. 이 이미지는 지점 "P"에서 표면(9)에서도 중심 조정되고, 광선(3)들에 직각이고, 영역(57)고 같은 면적(DA)을 갖는다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 볼 렌즈(5)에 의해 수용면(9) 상에 형성된 영역(57)의 이미지는 거리 비(PC/CS)에 의해 사이즈가 감소되므로 DA×(PC/CS)2와 같은 면적(dA)을 갖는다. 집속율 계수 C1은 DA/dA=(PC/CS)2에 의해 간단히 주어진다. 피타고라스 정리로부터, PC2=r2+(F-r2/4F)2이고, CS=b이다, 따라서:
[수학식 9]
Figure pct00004
여기서 "F"는 포물면(1)의 초점 길이이고 "b"는 수용면(9)의 반경이고, 이는 포물면(1)의 초점(28) 둘레에서 동심관계이다. 집속율은 적어도 표면의 중심에서(r=0)이고, 여기서 C=(F/b)2가 된다. F/b는 수용면(9)에서 높은 집속율, 예를 들어, F/b=25에 대해 C1center=625를 달성하도록 커야 한다. r/F=2tan(θ/2)이므로 수학식 9는 하기의 수학식 10으로 재작성될 수 있다:
[수학식 10]
Figure pct00005
원리적으로, 발전기(4)는 큰 반경의 구면 렌즈(5)를 사용하여 큰 초점 비f(f=F/D≫1)의 긴 포물면(1)의 초점(28)에 사용하기 위해 높은 집속율로 조립될 수 있다. 이러한 시스템은 실질적으로 편평한 수용면(9)에 걸쳐 균일한 집속율에 가깝게 낸다. 그러나, 실제 시스템에 대해, 볼 렌즈(5)의 직경은 볼 렌즈(5)의 질량, 즉, 시스템에 대한 단위 태양 채집 면적당 용융된 실리카의 특정 비용을 최소화하기 위해, 포물면(1)의 직경 또는 폭에 비해 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 비 F/b가 원하는 집속율에 의해 고정된다면, 포물면(1) 직경에 대한 렌즈(5) 직경의 비는 작은 초점 비 f=F/D의 포물면을 사용해서만 감소될 수 있다.
작은 초점 비에 대한 요구조건은 2개의 중요한 방식으로 발전기(4)의 디자인을 몰아간다. 먼저 수용면(9)에 걸친 집속율의 큰 차이가 있다, 왜냐하면 수학식 1로부터 중심 집속율에 대한 에지의 비는 f에만 의존하고, 하기의 수학식 11에 주어진다:
[수학식 11]
Figure pct00006
중심-대 에지 집속율 비들은 표 1의 포물면 초점 비들 f/0.4 - f/0.6에 대해 주어진다. 둘째로, 그 초점(28)에서 볼 때 빠른(fast) 포물면(1)은 넓은 각도를 대하기 때문에, 대물 렌즈(5)가 넓은 화각에 걸쳐 결상되어야 한다. 이러한 필요는 유익하게는 본 발명에 사용되는 결상 시스템-깊은 접시를 갖는 중심 구형 표면(9) 상에 초점을 갖는 볼 렌즈(5)-의 선택에 의해 만족되는데 왜냐하면 이러한 결상 시스템이 f/0.4만큼 빠른 초점 비들을 갖는 포물면 주 집속기(1)에 대한 독특한 강력한 결상 해결법을 제공하기 때문이다. 바람직하게는 주 포물면 반사경(1)은 f/0.4 내지 f/0.6 범위의 초점 비를 갖는다. 초점(28)에서 전체 화각은 2tan-1{1/(2f(1-1/16f2)}와 같고 표 1에도 열거되어 있다. 도 3 및 도 4에서, 예시된 포물면(1)은 초점 비 f/0.5를 갖고, 이에 대해 집속율은 중심으로부터 에지까지 계수 1.56만큼 증가하고 전체 화각은 106°이다. 도 1 및 도 25에 도시된 것과 같은, 원형이 아닌 몇몇 실시예들에서 포물면 주 반사경(1)들에 대해, 집속율 비와 화각은 수용면 주변 둘레에서 일정하지 않지만 방위각 각도의 함수임을 주목하라.
표 1
f C1edge/C1center 전체 화각
0.4 1.93 128°
0.5 1.56 106°
0.6 1.38 90°
볼 대물 렌즈(5)에서 광 흡수를 최소화하기 위해, 볼 렌즈(5)에 사용하기 바람직한 굴절 재료는 낮은 OH 함량을 갖는 용융된 실리카, 예를 들어, 전기적으로 용융된 천연 석영이다. 도 39b는 지구의 대기를 통과한 후의 태양 복사선의 스펙트럼 강도를 도시한 그래프이다. 도 39a는 전기적으로 용융된 천연 석영의 파장의 함수로 흡수율을 예시하는 그래프이다. 이러한 두 도면(plot)들은 전기적으로 용융된 천연 석영의 흡수 계수가 다중접합 셀(15)들의 전체 범위로부터 대기 흡수에 의해 차단되지 않은 태양 복사선까지 10-4/cm 아래에 있음을 예시한다. 이러한 재료의 흡수율은 본원에 설명한 바람직한 실시예들에 사용되는 볼 렌즈(5)의 과열을 피하기 위해 전체 태양 스펙트럼에 걸쳐 충분히 낮다. 낮은 흡수율에 부가하여, 용융된 석영은 색 분산을 또한 갖고, 이는 다중접합 셀(15)들의 효율을 그렇지 않으면 감소시킬 수 있는 집속율의 색수차를 피하는데 바람직하다. 용융된 천연 석영을 사용하는 것은 낮은 총 비용의 실질적인 목표와 일관되고, 제공되는 발전기(4)들은 태양 에너지의 단위 입력 면적당 볼 렌즈(5)의 질량이 비교적 작을 때, 적정한 개구와 빠른 초점 비의 주 반사경(1)들과 함께 사용된다.
용융된 석영의 굴절률은 400nm 파장에서 1.470으로부터 1550nm에서 1.444로 태양 스펙트럼에 걸쳐 변한다. 주어진 이 범위에서, 실리카의 구면 볼 렌즈(5)에 대해, 및 볼 렌즈(5)와 동심관계인 구형으로 만곡된 수용면(9)에 대해, 변수 "a"로 표현되는 볼 렌즈(5)의 반경에 대해 변수 "b"로 표현되는, 바람직한 반경 비는, b/a = ~ 1.546이다. 이 비는 전형적인 지향오류 각도들 및 파장들에 대해 평균화될 때, 동심관계의 구형 수용면(9)에서 주 포물면(1)의 이미지의 품질을 최적화한다.
예시적인 예로서, 초점 길이 "F"를 갖는 f/0.5 포물면(1)과 함께 사용되는 발전기(4)를 위한 광학장치를 고려한다. 반경 b=F/25의 수용면(9)에서, 집속율은 수학식 9로부터 C1center=625로부터 C1edge=976으로 증가한다. 실리카 볼 렌즈(5)에 의한 수용면(9) 상의 결상을 위한 최적 반경은 a = F/25/1.546 = 0.0129D에 의해 주어진다. 예시적인 예로서 직경 3m의 f/0.5 원형 주 반사경(1)과 함께 사용하기 위한 발전기(4)는 이러한 집속율에 대해 직경 78mm의 볼 렌즈(5)를 요구한다. 수용면(9)은 96mm의 림(rim) 직경과 60mm의 곡률반경을 갖는다. 실제로, 보조 반사경(45)들이 사용될 때, 수용면(9)에 필요한 집속율은 일반적으로 광발전 셀(15)에서 요구되는 것보다 작은데, 왜냐하면 보조 반사경(45)들에 의해 제공되는 부가적인 집속율(C2) 때문이다.
보조 반사경들의 설계, 최적화 및 특성들
임의의 각기둥 윈도우(11) 또는 거울을 갖는 프레임(45)의 특성들은 그 기하학적 형상과 굴절율 "n"에 의존하고, 광선 추적에 의해 지향오류 각도와 임의의 특정 경우에 대한 세부사항에서 발견될 수 있다. 하기의 대략적인 분석 표현들은 소정의 주 반사경(1)에 대해 및 출구에서의 집속율의 공간적 변화들과 평균 집속율 증가 C2와 같은, 각기둥 윈도우(11) 또는 거울을 갖는 프레임(45)에 의해 집속되는 빛의 중요 특성값들을 추정하기 위해 바람직한 설계 전략들을 개발하는데 유용하다. 이들은 사용되는 보조 반사경의 타입과 원하는 집속율에 지향오류 허용오차가 얼마나 의존하는지를 나타내는 역할을 한다.
도 21은 각기둥 윈도우(11)의 에지에서 반사된 축상 광선(7)의 기하학적 형상을 보이고, 그 에지들에서 기울기 각도 "s"만큼 면들에 대해 직각으로부터 벗어나 기울어져 있다. 광선(7)들은 볼 렌즈(5)의 중심을 지나 볼(5)의 중심으로부터 거리 "b"에서 각도 "α"에 대하여 윈도우 또는 프레임(11)으로 간다. 출구 면(12)은 계수 1-2t.tan(s)/αb에 의해 입구 면(10)에 비해 길이가 감소되고 인접한 셀(15)들의 활성 영역들 사이의 갭 "g"은 하기의 수학식 12에 의해 주어진다:
[수학식 12]
g=2t.tan(s+α/2)
임의의 보조 반사경(11)에 의해 만들어지는 평균 집속율의 증가 C2는 출구 면(12) 면적에 대한 입구 면(10) 면적의 비이다. 일반적으로, 다각형 윈도우(11)들의 상이한 측면들에 대한 기울기 각도들은 갭 사이즈와 집속율 계수들을 최적화하기 위해 상이하다. 그러나 예시적 목적을 위해, 각도 "α"를 대하는 입구 면(10)들과 에지 기울기 "s"를 갖는 거의 정사각형인 윈도우(11)의 경우에, 집속율 증가는 하기의 수학식 13에 의해 주어진다:
[수학식 13]
Figure pct00007
(정사각형 윈도우)
이러한 각기둥 윈도우(11)를 갖는 시스템에 대한 전체 기하학적 집속율은 수학식 9 또는 수학식 10에 의해 주어지는, 윈도우 입구(10)에서 집속율 C1과 C2의 곱에 의해 주어진다.
수학식 12와 수학식 13은 각기둥 윈도우(11)들과 거울을 갖는 프레임(45)으로서 만들어진 보조 반사경들에 동일하게 잘 적용된다. 하기의 수학식 17을 통한 분석은 각기둥 윈도우(11)들로서 만들어진 보조 반사경들에 대해, 및 개별적으로 반사된 광선들에 대해 유도된다. 이는 굴절율 "n"을 1로 설정하여, 외부 반사를 갖는 거울을 갖는 프레임으로서 만들어진 보조 반사경들에도 적용될 수 있다.
도 21을 참조하면, 축상 광선들에 대해, 윈도우의 에지에서의 입사 각도는 α/2이고, Snell의 법칙에 의해 윈도우(11)로의 굴절각은 작은 α에 대해 α/2n에 가깝고, 여기서 n은 각기둥 윈도우의 굴절률이다. 축상 광선은 지표각(grazing angle) s+α/2n에서 기울어진 측면의 에지(13)로부터 반사되므로 각도 2s+α/2n에서 윈도우(11)의 출구 면(12)에 입사된다.
비축 광선들에 대해, 윈도우(11)를 통과하는 그 경로는 면(10) 상의 위치와 입사 각도에 의존한다. 광학 연장성(etendue)이 윈도우들 또는 거울을 갖는 프레임(11)들에 들어가는 빛에 대해 보존되므로, 비축 각도(θi)에서 주 집속기는 광선들은 볼 렌즈(5)에 의해 굴절된 후, 축상 소스로부터 각도 ~θi√Cl 만큼 광선들로부터 벗어나게 되고, Cl은 수용면(9)에서 국지적 집속율이다. 윈도우 입구 면(10) 상의 비축 광선들에 대한 최대 입사 각도들은 지향오류가 반사면에 대해 직각인 방향일 때, 바로 에지에서 일어나고 α/2+~θi√Cl이하이다. 이러한 광선들은 Snell의 법칙에 의해 주어지는 굴절각, 대략 (α/2+θi√Cl)/n에서 윈도우(11)로 굴절된다. 기울어진 에지(131)에서 반사된 후에, 출구 면(12)에서 입사 각도는 하기의 수학식 14에 의해 주어진다:
[수학식 14]
θexit = 2s + (α/2 + θi√C1)/n
이 각도는 각기둥 윈도우(11)의 설계에 특히 중요한데, 왜냐하면 빛은 θexit이 sin-1(ngap/n)과 같은 전반사에 대한 임계 각도를 초과하면 출구 윈도우(12)에서 전반사로 손실되기 때문이고, 여기서 ngap은 윈도우(11)와 셀(15) 간의 작은 갭의 재료의 굴절률이다. 이 임계 각도는 바람직하게는 갭의 굴절률 일치 재료(ngap~n)를 사용하여 증가된다. 바람직하게는, 이 재료는 윈도우(11)를 셀(15)에 부착시키는 역할을 하는 광학 시멘트이다.
균일한 셀 조명을 위해 최적화된 더 두꺼운 윈도우(11)들을 갖는, 도 21에 예시된 특정 기하학적 형상에 대해, 입구 면의 폭에 대한 윈도우 두께 t의 바람직한 비는 s, n 및 α만에 의존하는 것으로 하기와 같이 도시될 수 있다. 균일한 조명은 도 21에 예시된 바와 같이 극단의 에지의 광선이 반사하여 출구 면(12)의 중심에 부딪힐 때 축상 지향에 대해 얻어진다. 입사광선 및 반사광선의 기하학적 형상들에 의해 주어지는 입구 면(10)의 폭의 반을 식으로 하면
1/2 b.sinα = t.tan(2s+α/2n)이고,
이는 입구 면 폭 αb에 대한 윈도우 두께의 비를 얻도록 풀릴 수 있고;
[수학식 15]
t/αb = 1/2tan(2s+α/2n), (균일한 셀 조명에 대해)
수학식 13과 수학식 15로부터 보조 반사경에 의한 집속율의 증가는:
[수학식 16]
C2 = {1 - tan(s)/tan(2s+α/2n)}-2 (균일한 셀 조명에 대해)
두꺼운 윈도우 또는 거울을 갖는 프레임(11)들에 대한 다른 추가 성능 고려사항은 윈도우(11)에 걸쳐 에지에서 반사되고 광발전 셀(15)과 출구 면(12)에 도달하는 대신에 반대쪽 에지에서 각기둥 윈도우(11)로부터 굴절되는 비축 광선들에 대한 차단 손실이다. 도 5의 기하학적 형상으로부터, 이러한 손실은 극단의 윈도우 에지에서 광선들에 대한 θexit(수학식 14)가 하기의 수학식 17에 의해 주어지는 θescape를 초과할 때 시작된다:
[수학식 17]
θescape = tan-1{(αb/t.-tan(s)}
하기는 각기둥 윈도우들 또는 거울을 갖는 프레임(11)에 대한 바람직한 치수들을 추정하기 위해 상기 분석을 사용하는 것을 예시한다. 이러한 예들에서, 보조 반사경들은 각도 s=16°로 기울어진 에지들과 α=12°를 갖는 도 21의 외부 링에서 치수를 갖는다.
얇은 각기둥 윈도우(11)들을 갖고 활성 셀 폭의 ~1/4인 광발전 셀(15)들 사이의 갭들을 열게 선택된 타입 2의 실시예에 대해, α와 s의 상기 값들을 사용하여, 수학식 12와 수학식 13으로부터, 셀 폭의 윈도우 두께 0.31이 요구되고, 집속율은 에지 증광에 의해 정사각형 셀 근사화시 계수 C2=1.39만큼 평균적으로 증가된다. 도 12a는 이 처방에 따른 각기둥 윈도우(11)들을 단면도로 도시하고, 광선(3)들은 측면(13)들을 기울여 출구 면(12)들에 반사된다. 갭들은 광발전 셀(15)들의 1/4 폭을 갖고, 이들은 도시되지 않았지만 출구 면(12)들과 접촉한다(그리고 출구면과 사이즈가 일치한다). 도 12b는 도 12a와 같은 각기둥 윈도우(11)들을 예시하고, 이제 입구 면(10)들에서 굴절된 비축 광선들을 도시한다. 굴절률은 용융된 석영의 것, n=1.46을 취하지만, 낮은 흡수율 및 높은 굴절율을 갖는 다른 유리들도 각기둥 윈도우(11)들에 바람직할 수 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 균일한 조명을 내도록 선택된 더 두꺼운 윈도우(11)를 갖는 타입 3의 바람직한 변경 실시예에서, 수학식 15로부터의 윈도우 두께는 출구 면 또는 셀 폭의 1.12배이다(정면 폭의 0.68). 이 경우에, 윈도우가 정사각형이면, 집속율 C2의 증가는 수학식 16으로부터 2.71이다.
특정 집속율에서 및 특정 주 반사경(1)과 함께 사용하기 위한 집속기 디자인들의 예시로서, 초점 비 f/0.5의 원형 포물면 주 반사경(1)과 함께 사용되는 집속기를 고려한다. 집속기는 거의 정사각형인 보조 반사경(45)들 뒤의 광발전 셀(15)들로 구성되고, ~1000의 집속율이 최외측 셀(15)들에 대해 목표가 된다. 이 예에 대해, 차단된 광선들로부터의 손실, 유전체 경계면들에서 흡수 및 반사, 주 반사율 및 지향오류 차단들이 약 20%로 추정되므로 실제 집속율 1000에 대해 ~1200의 기하학적 집속율 C1C2가, 조합된 제 1 집속율(포물면(1)+구면 대물 렌즈(5))와 제 2 집속율(각기둥 윈도우들 또는 거울을 갖는 프레임(11)들)에 대해 필요하다. 2개의 집속기 디자인들이 고려되고, 둘 다 α=12° 및 s=16°를 갖고: 제 2 집속율 C2=1.39를 제공할 Xo와 같이 얇은 보조 반사경들을 갖는 타입 2의 실시예와, 제 2 집속율 C2=2.71과 셀(15)들에서 균일한 집속율에 대해 두꺼운 보조 반사경들을 갖는 타입 3의 실시예.
그러므로 1200/1.39~860과 1200/2.71~440일 필요가 각각 있는 예시적인 얇고 두꺼운 윈도우(11) 실시예들에 대한 입구 윈도우(10)에서 집속율 C1은 수학식 9로부터 비 F/b=24.7과 17.5를 요구한다. (여기서 r/F에 대한 평균값은 f/0.5 주 반사경에 일치하는 수용면의 에지 둘레의 보조 반사경들에 적합한 0.9를 취한다). 그러므로, 바람직한 비 b/a=1.546인, 용융된 실리카의 볼 렌즈(5)에 대해, 포물면 초점 길이에 대한 볼 렌즈(5)의 반경의 바람직한 비, a/F는 각각 0.0263과 0.037이고, 수학식 5로부터 수용면(9)으로 전달되는 출력이 0으로 떨어지는 지향오류에 대한 임계 각도 θc는 각각 1.5°와 2.12°이다.
각기둥 윈도우들의 형태인 보조 반사경들에 대해, 하기의 고려사항들은 일단 전반사된 광선들에 대해 적용된다. 축상 조명에 대해, 입구 개구(10)의 에지들에 들어가는 광선들은 각도 θexit=36°에서 출구 면(12)에 입사된다. 비축 광선들에 대해, 윈도우 에지(13)들에 의해 반사된 후의 출구 면(12)에서의 입사각은 Cl에 의존하고 수학식 14로부터 유도될 수 있다. 얇은 윈도우 예시에서 Cl=860에 대해, θexit는 1.2°비축 광선에 대해 53.4°이고 1°비축 광선들에 대해 50.5°의 최대값으로 증가된다. 실리카로부터 공기로의 전반사에 대한 임계 출구 각도는 43°이고, 이러한 광선들의 반사 손실을 방지하기 위해 굴절률 일치가 필요하다. 예시적인 두꺼운 윈도우 예에 대한 Cl=440에 대해, 몇몇 극단의 에지의 광선(7)들이 광발전 셀(15)을 빗나가고 에지 표면들을 나가기 시작하는 각도 θescape는 수학식 17로부터 49.8°이고, 이는 수학식 14에 의해 주어지는 1°보다 약간 작게 입사되는 비축 광선들에 상응한다.
보조 반사경들의 모서리에 입사하는 광선들은 모서리를 형성하는 각각의 경사면들에서 2배로 반사된다. 출구 면에서의 입사 각도들은 제 2 반사 후에 더 크므로, 굴절률-일치 매체가 사용되지 않으면 전반사로 인한 손실을 더 받기 쉽다. 2배로 반사된 광선들의 비율이 깊이에 따라 증가하므로, 전반사로 인한 잠재적 손실들은 각기둥 윈도우들로서 실시되는 두꺼운 보조 반사경들에 대해 더 크다.
상기 분석 및 수학식들은 초기 설계 매개변수들을 추정하는데 유용하다. 본 발명의 임의의 특정 실시예에 대해, 휜 반사경들로부터의 반사, 2배로 반사되는 모서리 광선들의 전파, 전체 출력 수율, 국지적 집속율 및 차단과 같은 이러한 특징들의 상세한 성능 분석은 바람직하게는 광선 추적에 의해 분석 및 최적화된다. 이 과정은 정사각형, 사다리꼴 또는 다면체 보조 반사경들과 광파이프들에서 단일 및 다중 반사의 상세한 모델링을 허용하고, 지향오류 또는 거울 형상 오차로 인한 투영된 오차와 태양의 디스크의 폭으로 인한 광선 각도들의 확산을 설명한다. 이러한 광선 추적의 예들이 도 13a와 도 13b, 및 도 38a와 도 38b에 예시되어 있다.
상기 예시적인 예들은 예시만을 위한 것이다. 본 발명의 광학 디자인이 더 효과적인 광발전 셀(15)들이 더 높은 또는 더 낮은 집속율이 최적 비용 성능을 위해 각각 선호되는 경우에 사용될 수 있는 경우에, 1000보다 크거나 작은 집속율을 전달할 수 있음이 명백하다. 특히 바람직한 집속율은 1000 이상이다. 바람직한 집속율은 800 내지 1000의 범위이다. 보다 덜 선호되는 집속율은 500 내지 1000의 범위이다.
전반사와 외부 반사 간의 선택은 비용, 성능 및 신뢰성으로 요약된다. 각기둥 윈도우(11)의 전반사 자체는 손실이 없다. 광발전 셀(15)과 각기둥 윈도우(11) 간의 경계면에서의 전반사 또는 유전체로부터의 손실은 바람직하게는 갭에 굴절율 일치 재료를 사용하여 제거된다. 그러나, 매우 높은 레벨의 태양 집속율에서 적절한 수명을 갖는 굴절률 일치 재료들은 사용할 수 없을 수 있고, 광학적으로 안정적이고 매우 투명한 유전체 재료로 만들어진 더 큰 각기둥 윈도우(11)들의 비용은 높은 것으로 입증될 수 있다.
외부 반사는 커플링 매체의 어려움을 피하는 대안을 제공하지만, 약간을 손실을 초래한다. 직각 입사로부터 70°로 입사되는 비-편광에서 깨끗한 기본적인(bare) 은(silver)은 400nm에서 96.2%, 900nm에서 97.5%, 1400nm에서 96.5%의 반사율을 가지므로, 평균적으로 태양 스펙트럼에 걸쳐 ~97%이다. 그러므로 (2/3의 빛이 반사되는) 이상적인 깊은 보조 반사경의 총 손실은 약 2%이다. 보호 코팅들은 이 손실을 다소 증가시킬 수 있다. 거울을 갖는 프레임에서 외부 반사는 제조 비용의 최소화를 위해, 더 큰 정사각형 광발전 셀(15)들을 사용하는 발전기(4)들에서 더 큰 보조 반사경들에 대해 선호되기 쉽다.
복수의 광발전 셀을 지지하는 오목한 수신기 조립체에 대한 제조 방법
오목한 배열에서 복수의 광발전 셀(15)들을 포함하는 발전기(4)는 도 41a, 도 41b, 도 41c, 도 41d에 의해 형성된 분해도에 도시된 바와 같이, 열전도성 세라믹으로 만들어진 연속적으로 만곡된 외각(20)에 의해 지지된 셀(15)들로 제조될 수 있다. 예시된 예에서, 도 41a는 도 13a에 예시한 바와 같은 원형 방사형 타일링 패턴으로 셀(15)들을 지지하기에 적합한 패턴으로 면을 갖는 외각(20)을 도시한다. 외각(20)은 세라믹 외각(20)에 접합된 구리 층(17)으로부터 형성된, 도 41b에 도시한 바와 같은 트레이스들을 갖는 인쇄 회로를 위한 만곡된 기판으로서 작용한다. 구리 층(17)들은 그 열 팽창 계수가 광발전 셀(15)들의 계수와 일치하고, 그 형상이 작동 온도의 범위에 걸쳐 안정적인 복합 샌드위치 구조를 달성하도록, 세라믹 외각(20)의 오목하고 볼록한 측면들 모두에 직접 접합될 수 있다. 도 41c에 도시된 셀(15)들과 바이패스 다이오드(30)들은 바람직하게는 땜납(16)과 같은 열 전도성 재료에 의해 구리 층(17)에 부착된다. 각기둥 윈도우(11)들의 형태의 보조 반사경들이 도 41d에 도시된 바와 같이, 발전기(4)의 일부이면, 이들은 바람직하게는 광학적으로 전달하는 재료(14)로 셀(15)들에 접합되므로 셀(15)들을 통해 세라믹 외각(20)에 의해 지지된다. 도 41a, 도 41b, 도 41c, 도 41d의 분해도들에 도시된 4개의 층들은 도 15의 절취도로 도시된, 일체형, 다중-셀 수신기 조립체(78)를 함께 형성한다. 여기서 각기둥 윈도우(11)들은 광발전 셀(15)들에 부착된 것으로 보이고, 이는 구리 패드(17)들을 통해 세라믹 외각(20)에 연결된다.
연속적으로 만곡된 외각(20)은 도 2에 예시된 바와 같이 2개의 밀봉된 챔버들 사이의 경계부를 형성한다. 오목한 측면은 바람직하게는 도 26에 예시된 바와 같이, 외부 윈도우(101)에 의해 또는 구면 볼 렌즈(5)에 의해 외측 대기로부터 밀봉된, 챔버(8)를 형성한다. 볼록한 측면은 냉각 유체(22)를 담도록 제 2 밀봉된 챔버의 일부를 형성한다. 세라믹(20)과 냉각 유체(22) 간의 화학 상호작용을 방지하고 2종 금속 타입 변형을 방지하기 위해, 볼록한 다면체 표면이 바람직하게는 구리 층(21)을 그 위에 또한 갖는다. 외측 구리 층(21)은 바람직하게는 냉각 유체(22)로의 열 전달을 돕도록 돌출하는 핀(pin)들로 성형되거나 텍스쳐링(texturing)된다. 유체(22)에 의한 냉각은 히트 파이프에서 비등에 의하거나 펌핑되는 액체에 의할 수 있다.
복수의 광발전 셀(15)을 구리와 세라믹의 단일 샌드위치 구조에 부착하는 장점은 열 상호작용 매체의 사용을 피하고 그 자체가 대량생산되게 하는 수단에 의해, 밀봉된 챔버에서 냉각 유체로의 직접적인 열적 경로를 제공하는 것이다. 세라믹(20)과 구리(17)의 샌드위치 구조로 만들어진 연속적인 지지 구조는 대량의 금속(bulk metal)으로 만들어진 것이 바람직한데, 왜냐하면 구리 또는 알루미늄과 같은, 높은 열 전도성의 적합한 금속들은 높은 전기 전도성 및 높은 열 팽창 계수도 갖기 때문이다. 결과적으로, 연속적인 금속 지지부는 일반적으로 셀(15)들이 상이한 열 팽창을 허용하기 위해 가요성 열 상호작용 매체(TIM)와 전기 절연을 위한 세라믹의 전이 층들을 통해 부착되는 것을 요구한다. 이러한 경계 층들은 TIM으로부터의 잠재적인 장기간 신뢰성 문제와 구조의 복잡함을 더한다. 단일 세라믹 지지부(20) 상에 복수의 광발전 셀(15)을 장착하는 다른 장점은 저-비용 인쇄 회로 기술이 셀(15)들 사이에 및 바이패스 다이오드(30)들에 대한 전기 접속을 만드는데 곳곳에 사용될 수 있다는 것이다. 두 구성요소들 모두 본 발명에 따라 보조 반사경(45)들을 사용하여 광발전 셀(15)들 사이에 열린 갭들 때문에, 일 측면의 인쇄회로에 간단히 부착될 수 있다.
지지하는 세라믹 외각(20)은 바람직하게는 단일 모노리스 부품으로서 제조되므로, 높은 구조적 강도를 갖고 셀(15)들을 냉각하는데 사용되는 유체(22)의 누수없는 작동과 함께 긴 수명을 제공해야 한다. 컵(20)의 주변 내측 둘레에 모든 전기적 구성요소들과 배선들을 배치하여, 외각(20)을 관통할 필요가 없다. 선호되는 구성 방법은 세라믹 외각(20)의 양 측면들 상의, 직접 접합 구리 층(DBC)들이다. DBC 층들은 단일 다중-접합 광발전 셀(15)들을 위한 편평한 열전도성 기판들 및 고출력 전자 회로기판을 위한, 편평한 샌드위치 패널들을 만드는데 사용되는 알루미늄 질화물, 알루미나 및 산화베릴륨 세라믹에서 공통적이다. 본 발명의 오목한 복합 구조물에서, 구리 층 두께들은 바람직하게는 복합 외각의 팽창 계수가 다중접합 광발전 셀(15)들의 계수와 일치하도록 선택된다. 구리(17)의 내층의 두께는 최소의 저항 손실을 갖고 광발전 전류를 전달하도록 선택된다. 오목한 면들을 갖는 기판 상에 회로(46)를 제조하기 위해, 오목한 구리 컵 표면 상의 포토레지스트가 바람직하게는 접촉 인쇄에 의해 또는 주문-제작된 광학 릴레이에 의해 컵 상에 오목한 마스터 패턴을 다시 비추어 노출된다. 이러한 릴레이의 바람직한 형태는 발전기 대물 렌즈(5)보다 작은 직경 및/또는 높은 지수(index)를 갖지만 동일한 중심에 배치되는 구면 렌즈이고, 오목한 마스터를 비추는데 사용된다. 이러한 렌즈는 바람직하게는 구의 적도면 홈 절취에 의해 형성되는 동심관계인 개구 정지부(aperture stop)를 포함한다.
도 42는 지지하는 세라믹 용기(20)의 내면 상에 형성되고 도 17의 회로에 필요한 만큼 광발전 셀(15)들 사이에 병렬 및 직렬 상호연결을 제공하는 만곡된 인쇄기판(46)의 일례를 보다 상세히 예시한다. 트레이스(17, 18)들이 도 42에 도시된 예시한 패턴을 형성하기 위해 빈 곳(blank)으로 도시된 영역(47)들에 에칭에 의해 제거되는 동일한 단일 구리 층으로부터 형성된다. 에칭으로 제거된 영역(47)은 광발전 셀(15)들을 위한 베이스 패드 트레이스(17)들을 기술한다. 베이스 패드 트레이스(17)들은 광발전 셀(15)들이 베이스 패드 트레이스(17)들에 장착될 때, 셀 베이스들이 셀(15)의 병렬 방사형 그룹들을 형성하게 전기적으로 연결되도록 방사형으로 링크된다. 또한, 에칭으로 제거된 영역(47)은 베이스 패드(17)들 사이에 연장하는 전도성 구리 트레이스(18)들을 형성하고, 구리 층(17)에 제공된 에칭된 선에 의해 베이스 패드 트레이스(17)들로부터 전기적으로 절연된다. 도 15에 도시된 단면도는 트레이스(18)들이 어떻게 참조번호 18로 표기한 전도성 연결을 제공하는지 예시한다. 그러므로, 광발전 셀(15)들의 면 상의 에지 모선들과 트레이스(18)들 사이에 상호접속부(19)들을 제공하여, 병렬 연결된 셀(15)들의 방사형 그룹들이 서로 직렬로 연결된다, 즉, 트레이스(18)들이 원하는 방위각의 직렬 전달 연결들을 제공한다. 당업자는 도 42에 도시한 세라믹 외각(20) 상의 이러한 에칭된 인쇄 회로(46)가 도 17에 개략적으로 도시한 회로 구성에 바람직한 전기 연결들을 제공함을 이해할 것이다.
도 42를 참조하면, 인쇄회로(46)는 세라믹 외각(20)의 주변 둘레에서 병렬 바이패스 다이오드(30)들을 위한 패드(31)들을 또한 포함한다. 상호연결부들이 바이패스 다이오드(30)들로부터 각각의 바이패스 다이오드 패드(31)에 인접한 짧은 방사형 긴 부분(60; finger)으로 만들어진다. 도 17의 회로에 상응하는, 예시된 레이아웃에서, 5개의 중심 셀(15)들이 패드 트레이스(50)들에 장착되고, 이는 중심 셀(15)들의 병렬 전기 접속을 제공한다. 패드 트레이스(30)는 중심 셀들에 대한 바이패스 다이오드(30)를 위해 제공되고, 이는 하나 이상의 내측 방사형 트레이스(61)들과 중심 베이스 패드(50)에 대한 상호접속부를 갖는다. 제 1 출력 패드(32)와 제 2 출력 패드(33)는 수신 조립체에 대한 외부 접속을 제공한다. 중심 셀(15)들의 출력은 중심 패드(50)와 제 1 출력 패드(30) 간의 전기 접속을 제공하는 와이어 또는 도체(도시되지 않음)에 의해 주변으로 통한다. 윈도우(11)들의 경사 측면(13)들 사이의 V자형 갭들 중 하나에 연장하는 와이어가 제공될 수 있다. 이 와이어는 다르게는 단일 다각형 구리 시트(17, 18)로부터 트레이스로 에칭된, 인쇄 회로(46)로의 상호접속부들의 납땜에 의해 전적으로 만들어진 회로를 완성한다. 그 다음에 배열의 광발전 셀(15)들 모두의 출력이 도 43에 도시한, 출력 패드(32, 33)들 각각으로 통하는 도체(54, 53)들에서 사용가능하다.
셀(15)들의 에지 모선(37)들은 도 43 및 도 20을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 상호접속부(19)들에 의해 인쇄회로(46) 상의 긴 부분(18)들에 전기접속된다. 각각의 광발전 셀(15)은 전기를 생성하기 위해 태양 복사선에 반응하는 광발전적으로 활성인 면(51)을 갖는다. 각각의 광발전 셀(15)은 활성 면(51)에 걸쳐 얇은 접촉 그리드 와이어(70)들을 통해 광전류를 받는 주변 모선(37)을 그 에지 주변에 포함한다. 상호접속부들은 바람직하게는 셀들의 에지들 둘레에 부착되는 얇은 와이어들 또는 전도성 리본(ribbon)들의 형태를 취한다. 상호접속부(19)들은 줄 손실을 최소화하기 위해 인쇄회로로의 낮은 저항 경로를 제공한다. 도 43에 도시한 예는 예시적일 뿐이다. 그러므로, 셀(15)들 위아래로 연장하는 긴 부분(18) 둘레로 연장하고 사다리꼴 셀(15)들의 좌측 측면들에 부착되는 개-다리 형상의 상호접속부들 실제로는 바로 좌측의 셀(15)들의 우측 상호접속부들과 중첩될 수 있다. 이 경우에, 절연부가 중첩하는 상호접속부들을 분리하는데 사용될 수 있다. 상호접속부(19)들은 다르게는 도 31에 예시한 바와 같이, 여러 개의 얇은 와이어들의 형태일 수 있다.
오목한, 다중-셀 수신기 조립체로 구성된 발전기의 장점은 구성이 단순하고 수명이 길게 하기 쉽다는 것이다. 이러한 타입의 구성은 상기 실시예들에 설명한, 얕고 깊은, 보조 반사경들을 갖는 발전기들의 두 타입 모두에 적용가능하다. 이 구성 방법은 매우 큰 체적으로 조립될 때 낮은 비용일 가능성을 갖고, 일단 개발되면, 기술비 및 공구비가 분할상환된다. 이러한 비-순환비용들은 높기 쉬운데, 왜냐하면 직접 접합 구리를 갖는 세라믹들에 대한 성숙한 제조 용량이 현제 편평한 기판들에 제한되어 있기 때문이다. 매우 큰 체적을 극복하기 쉬운 이 구성 방법의 다른 문제는 완성된 조립체들에 대한 높은 수율을 달성하기 위해 높은 충분한 신뢰성을 갖는 셀(15)들을 만들고 부착하는 것이다.
덜 진보된 개발 방법을 요구하지만 셀(15)로부터 DBC 세라믹을 통해 냉각 유체로의 직접 열 전도의 장점을 유지하는 다른 구성이 도 21에 예시되어 있다. 여기서 개개의 수신기 조립체들은 셀과 수신기 조립체의 계수와 일치하는 낮은 열팽창계수의 금속의 골격 프레임에 접합된다. 대부분의 열유동이 금속 골격을 통과하지 않으므로, 수신기 조립체들의 계수와 일치하는 팽창 계수를 갖는 니켈 합금이 이러한 합금의 열악한 열전도성에도 불구하고 골격에 사용될 수 있다. 셀(15)들 간의 전기 접속은 개개의 수신기 조립체들을 연결하는 납땜된 도체들에 의해 이루어진다. 이러한 타입의 구성은 도 1 및 도 19에 도시된 실시예들과 같이 비-원형 주 반사경(1)들과 함께 사용하기 위한 발전기(4)들을 포함하여, 상기 실시예들에 설명한 보조 반사경들을 갖는 두 타입의 발전기(4)들 모두에 적용가능하다.
당업자는 본원의 이점을 가진 후에, 본 발명의 범위 및 진의를 벗어나지 않고 수정 및 변경이 본원에 설명한 실시예들에 이루어질 수 있고, 상이한 재료들이 대체될 수 있고, 균등한 특징들이 사용될 수 있고, 제조 공정들의 단계들에 변화가 이루어질 수 있고, 부가적인 요소들 및 단계들이 추가될 수 있음을 이해할 것이다. 본원은 특정한 현재 선호되는 실시예들 및 예들만을 제시했고, 본 발명의 범위 내에서 포괄되는 모든 변형예 및 실시예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 그러므로 본 발명의 범위는 본원에 첨부된 청구범위에 의해 정의되고, 상기 설명에 제시된 특정 예들에 한정되지 않는다.
1: 포물면 반사경 2: 복사선
3: 반사된 태양 복사선 4: 발전기
5: 볼 렌즈 6, 7: 태양광
8: 공동 9: 수용면
11: 윈도우 15: 셀

Claims (1)

  1. 태양 복사선으로부터 전기를 생성하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는
    하나의 초점을 가지며, 태양 복사선을 상기 초점에 집속하도록 구성된 접시-형상 반사경(dish-shaped reflector)과,
    상기 접시-형상 반사경의 초점에 배치되는 구면 렌즈와,
    상기 구면 렌즈 너머의 광학 경로에 위치하는 수용면에 배치되고, 태양 복사선들로 조사(illuminate)될 때 전기를 생성하도록 작동하는 복수의 광발전 셀
    을 포함하고,
    상기 접시-형상 반사경은 태양 복사선을 상기 구면 렌즈에 반사시키도록 작동하고, 상기 구면 렌즈는 태양 복사선을 상기 복수의 광발전 셀에 전달하도록 작동하고, 태양 복사선이 상기 접시-형상 반사경과 구면 렌즈에 의해 태양 복사선이 상기 복수의 광발전 셀에 집중될 때 상기 복수의 광발전 셀이 전기를 생성하도록 작동하는, 전기를 생성하기 위한 장치.
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