KR20110139290A

KR20110139290A - 태양열 에너지 수집기용 반사 표면

Info

Publication number: KR20110139290A
Application number: KR1020117024567A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 피낫; 재슨 알. 웰스
Original assignee: 스카이라인 솔라 아이엔씨.
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-12-28
Also published as: WO2010108141A3; US8134104B2; CN102362129A; US7952057B2; MX2011009760A; CL2011002325A1; US20100236626A1; IL215140A0; WO2010108141A2; US20110186130A1; AU2010226467A1; EP2409090A2

Abstract

입사 태양열 복사를 태양열 수신기로 지향시키기 위해 집광 반사체를 이용한 집광 태양열 수집기 시스템들은 기술된다. 일 양태에서, 반사 표면은, 반사 표면의 서로 대향하는 에지들로부터 반사된 태양열 광선이 일반적으로 태양열 수신기의 중심부로 지향되는 비-이미징 방식으로, 광을 수신기로 지향시키도록 배치된다. 반사 표면의 선택된 중심부들로부터 반사된 광선은 반사 표면의 에지들로부터 반사된 태양열 광선보다 수신기의 에지들에 근접하게 지향된다. 기술된 반사체들은 일반적으로 적어도 하나의 축을 따라서 태양의 이동을 추적하는 태양열 수집기 시스템에 사용된다.

Description

태양열 에너지 수집기용 반사 표면{REFLECTIVE SURFACE FOR SOLAR ENERGY COLLECTOR}

본 발명은 태양열 에너지 수집기용 반사 표면에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 본원에 참조로서 병합되는, 2009년 3월 20일에 출원된 미국 가출원 특허 제61/162,125호의 우선권을 주장한다.

태양열 광전지 시스템의 최고가 컴포넌트들은 광전 효과에 의해 태양광을 전기로 전환하는 태양열 전지들이다. 이러한 전지들을 보다 효과적으로 사용하기 위해서, 집광 광전지 시스템은 큰 개구부로터 작은 전지 영역으로 태양광의 초점을 맞춰야 한다. 집광 광전지가 소수의 활성 전지 물질을 사용하도록 설계되지만, 이러한 설계는 통상적으로 미러들(mirrors), 렌즈들 및 열 싱크들(heat sinks) 등의 추가적인 구조물을 필요로 하고, 이용가능한 모든 전체의 광보다 작게 이용된다는 제한을 기본적으로 가진다. 이러한 요인들은 비용 및 시스템의 복잡성을 증가시키고 비-집광 광전지 시스템에 비해 광/전기 효율(optical-to-electrical efficiency)을 감소시킨다.

현존하는 집광 태양열 광전지 시스템이 양호하게 작동되긴 하나, 집광 광전지 시스템의 설계 및 비용 효과를 더 개선시키기 위해 연이은 노력이 필요하다.

본 발명의 목적은 집광 광전지 시스템의 설계 및 비용 효과를 제공하는 것에 있다.

입사 태양열 복사를 태양열 수신기로 지향시키기 위해 집광 반사체(concentrating reflector)를 이용한 집광 태양열 수집기 시스템들(concentrating solar collector systems)은 기술된다. 일 양태에서, 반사체의 표면은, 반사 표면의 서로 대향하는 에지들로부터 반사된 태양열 광선이 일반적으로 태양열 수신기의 중심부로 지향되는 비-이미징 방식으로(in a non-imaging manner), 광을 수신기로 지향시키도록 배치된다. 반사 표면의 선택된 중심부들로부터 반사된 광선은 반사 표면의 에지들로부터 반사된 태양열 광선보다 수신기의 에지들에 근접하게 지향된다. 기술된 반사체들은 일반적으로 적어도 하나의 축을 따라서 태양의 이동을 추적하는 태양열 수집기 시스템에 사용된다.

반사체 표면 기하학적인 형태의 변화는 기술되며, 이러한 변화는 입사 복사의 기술된 비-이미징 반사를 용이하게 한다. 예를 들면, 반사체는 복수의 반사 섹션들(reflective sections)을 포함할 수 있고, 반사 섹션들 중 적어도 일부는, 반사 표면의 단면 형상과 유사한 기준 포물선으로부터 변화되는 기하학적인 형태를 가진다. 다양한 실시예들에서, 반사체의 하나 이상의 섹션들은 기준 포물선의 곡률보다 큰 곡률을 가지는 반면, 다른 섹션들은 기준 포물선의 곡률보다 작은 곡률을 가진다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 기준 포물선과 반사 표면과의 각도 편차(angular deviation)는, 기준 포물선과 반사 표면과의 2 차 도함수 편차가 실질적으로 일정하도록 실질적으로 선형으로 변화된다. 각각의 반사 표면 섹션은 각도로(angularly), 그리고 공간적으로(spatially) 연속적인 것이 바람직하다. 그러나, 일부 실시예들에서, 반사체는 서로 각도로, 그리고/또는 공간적으로 불연속적인 하나 이상의 별개의 반사체 세그먼트들(reflector segment)로 구성될 수 있다.

본 발명 및 본 발명의 이점은 첨부된 도면과 함께 취급될 시에 다음의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있고, 상기 도면에서:
도 1a는 미국 특허 출원 제12/100,726호에 기술된 바와 같이, 4 분의 1의 포물선 반사체 및 태양열 수신기의 개략적인 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 수신기의 간단하고 개략적인 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 에너지 수집기의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 태양열 수신기의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 기준 포물선의 개략적인 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상대적인 X 위치의 함수로서 기준 포물선으로부터 반사 표면의 상대적인 2 차 도함수 편차를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상대적인 X 위치의 함수로서 기준 포물선으로부터 반사 표면의 위치 편차를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 수신기의 개략적인 단면도이다.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 패널 및 수신기 상의 플럭스 라인(flux line)의 개략적인 평면도이다.
도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 상의 X 위치의 함수로서 수신기 상의 빔의 위치를 나타내는 대표적인 그래프이다.
도 3g는 여러 개의 반사 표면 섹션들로부터 태양광을 반사하는 수신기 상의 위치의 함수로서 세기를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 3h는 수신기 상의 빔의 위치의 함수로서 합성 세기를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주축들(mandrels)에 의해 변형된 시트(sheet)의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 수신기의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 수신기의 개략적인 단면도로서, 이때 상기 반사 표면은 절반의 포물선 섹션 근방에 위치한 것을 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면을 따른 상대적인 위치의 함수로서 기준 포물선으로부터 반사 표면의 상대적인 각도 편차를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면을 따른 상대적인 위치의 함수로서 기준 포물선으로부터 도 7a의 반사 표면의 상대적인 2 차 도함수 편차를 나타낸 대표적인 그래프이다.
도 8a는 인접한 2 차 광학기들(optics)을 가진 수신기의 개략적인 단면도로서, 이때 상기 2 차 광학기들은 평평한 미러들인 것을 나타낸 도면이다.
도 8b는 인접한 2 차 광학기들을 가진 수신기의 개략적인 단면도로서, 이때 상기 2 차 광학기들은 외부 방향으로 만곡된 미러들인 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 표면 및 수신기의 개략적인 단면도로서, 이때 단일 수신기 상에서 태양광을 집광하는 반사 표면은 복수의 반사 표면 섹션들로 분할되는 것을 나타낸 도면이다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 때때로 동일한 구조적인 소자들을 나타내기 위해 사용된다. 또한, 인식되어야 하는 바와 같이, 도면의 묘사는 축척화된 것이 아니라 개략적인 것이고, 곡률 및/또는 각도를 의도하여 적절하게 나타낸 것도 아니다.

본 발명은 일반적으로 집광 광전지(concentrating photovoltaic)(CPV) 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 양태들은 대부분 비-이미징 방식으로, 태양열 수신기 상에서 태양광을 집광시키는 반사 표면에 관한 것이다. 반사 표면은 반사 표면의 에지들의 오정렬(misalignment) 때문에 일어난 에너지 손실을 최소화하는데 도움을 주기 위해 배치된다. 반사 표면의 다양한 실시예들은 각도로 또는 공간적으로 연속적이고/이거나 태양열 수신기의 표면에 걸쳐 광을 보다 균일하게 분배한다. 상기와 같은 특징은 태양열 에너지 수집의 효율을 개선시킬 수 있고, 반사 표면의 제조를 용이하게 할 수 있다.

본 발명은, 모든 목적에 대해 전체적으로 본원에서 병합되고 이하에서 참조되는 2008년 4월 10일에 출원되고 명칭이 "Dual Trough Concentrating Solar Photovoltaic Module"인 미국 특허 출원 제12/100,726호에 기술된 다양한 반사체 설계들에 따른 개선점을 나타내고 있다. 반사 표면의 이점을 이해하기 위해, 제12/100,726호에 기술된 발명의 일 실시예에 따른 포물선 반사체를 실시하는 것은 도움이 된다. 도 1a는 4 분의 1의 포물선 반사체(102) 및 태양열 수신기(106)와 같은 단면도를 도시한다. 본원에서 용어 4 분의 1의 포물선 반사체는 참조로서 본원에서 병합된 미국 특허 출원 제12/100,726호에 기술된 유사한 방식으로 사용된 포물선 세그먼트를 의미한다. 길이 방향으로 연장된 4 분의 1의 포물선 반사체(102)는 입사 태양광(103)을 반사함으로써, 포물선 반사체(102) 상에서 고르게 공간으로 퍼진 점들(evenly spaced points)로부터 나온 대표 광선(108)은 초점(110)을 형성할 수 있다. 초점(110)은 수신기(106)를 넘어 형성되고, 상기 수신기는 광선(108)이 대부분 이미징 방식으로 수신기(106)의 표면에 걸쳐서 퍼지도록 한다. 도 1b는 하나 이상의 태양열 전지들(109)을 가진 수신기(106)의 확대도이다.

상기와 같은 접근법은 많은 적용에 있어서 효과적인지만, 개선될 수 있다. 예를 들면, 포물선 반사체(102)의 에지들(101)은 통상적으로 포물선 반사체(102)의 중심부들보다 정렬이 잘못되기 쉽다. 상기와 같은 오정렬은 손상, 마모 및 찢어짐 및/또는 트랙킹 에러들(tracking errors)에 의해 야기될 수 있다. 제시된 실시예에서, 광선(108)이 연장되는 포물선 반사체(102) 상의 상대 위치와, 광선(108)이 접촉되는 태양열 전지(109) 상의 상대 위치 사이에서 직접적인 관련성이 크다. 예를 들면, 포물선 반사체(102)의 에지들(101)(예를 들면, 광선(108a 및 108b)) 및 중심부들(예를 들면 광선(108c))로부터 나온 광선(108)은 태양열 전지(109)의 에지들 및 중심부들 각각을 향해 연장되는 경향이 있다. 상술된 오정렬이 포물선 반사체(102)의 에지들(101)로부터 나온 광선(예를 들면, 광선(108a) 및 (108b))의 궤적을 변화시키는 경우, 상기 광선은 완전히 태양열 전지(109)에 입사할 수 없게 된다.

이해하여야 하는 바와 같이, 광선(108)은 태양열 전지(109)에 걸쳐 고르게 퍼지지 않는다. 제시된 실시예에서, 태양열 전지(109)의 상부 절반의 광선(108) 수는 하부 절반의 광선(108) 수보다 크다. 이는, 태양열 전지(109)의 일부 부분들 상의 광 세기가 다른 부분들보다 상당히 크다는 것을 나타낸다. 상기와 같은 고르지 못한 분포는 태양열 전지(109)의 표면 상에 특별하게 높은 전류 밀도의 영역의 형성을 초래할 수 있고, 이후에는 태양열 전지(109)의 성능, 신뢰성 및 효율을 저하시키는 고온의 형성 "핫 스팟들(hot spots)"을 일으킬 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들은 상기의 문제점의 적어도 일부를 해결하도록 구성된 반사 표면을 가진 태양열 에너지 수집기에 관한 것이다. 기술된 실시예들에서, 반사 표면의 허용차가 작은 영역들(lower tolerance regions)로부터 반사된 광선은 광선의 궤적에서 의도치 않은 변화를 보다 수용할 수 있는 수신기의 영역들로 향할 수 있다. 예를 들면, 반사 표면은 태양열 전지, 수신기 및/또는 플럭스 라인의 에지들보다는 오히려, 반사 표면의 에지들로부터 중심부들을 향하여 광을 보낼 수 있다. 다양한 실시예들은 대부분 비-이미징 방식으로 광을 집광시키고, 집광된 광을 태양열 전지의 표면에 걸쳐 보다 균일하게 분배시킬 수 있다.

도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양열 에너지 수집기(200)의 사시도이다. 이중 트로프 설계(dual trough design)를 가진 수집기(200)는 반사체 구조물(207)을 지지하기 위해 배치된 지지 구조물(202)을 포함한다. 본 발명의 적용은 이중 트로프 수집기 설계들에 제한되는 것이 아니라, 본 발명은 트로프 스타일 수집기 설계들의 다양한 범위에 유리하게 적용될 수 있다. 반사체 구조물(207)은 하나 이상의 반사 표면들을 가진 다수의 반사체 패널들(206)을 가진다. 반사체 패널들(206)의 반사 표면들은 입사 태양광을 태양열 수신기들(204)로 향하도록 배치되고, 상기 태양열 수신기들 각각은 하나 이상의 태양열 전지들을 포함하고, 반사체 구조물(207)의 상부 에지들 근방에 연결된다. 수집기(200)는 또한 미국 특허 출원 제12/100,726호에 기술된 다른 특징도 포함할 수 있다.

도 2b는 반사체 패널(206) 및 태양열 수신기(204)의 반사 표면(250)의 확대된 단면도이다. 광선(256)에 의해 나타난 바와 같이, 입사 태양광(252)은 반사 표면(250)에서 반사되어 수신기(204) 상에서 플럭스 라인(260)을 형성한다(플럭스 라인(260)은 반사 표면(250)으로부터 반사된 입사 태양광으로 적어도 실질적으로 형성된, 수신기 상의 조사된 영역으로 이해될 수 있다). 이 유형의 반사 표면은 미국 특허 출원 제12/100,726호의 4분의 1 포물선 세그먼트로 언급되어 왔다.

반사 표면(250)의 설계는 수신기(204)에 의해 태양열 에너지의 수신을 최대화하고, 수신기(204) 상의 태양열 전지들(미도시)의 경계선들 내에서 플럭스 라인(260)을 유지하는데 도움을 준다. 이 때문에, 제조 및/또는 트랙킹 에러들로 인한 오정렬이 되기 쉬울 수 있는 반사 표면(250)의 에지들(254)은 플럭스 라인(260) 및/또는 수신기(204)의 중심 영역을 향하여 광선을 반사시키도록 구성된다. 제시된 실시예에서, 반사 표면(250)의 외부 에지들에 보다 근접하게 반사된 광선(예를 들면, 에지들(254a 및 254b)로부터의 광선(256a 및 256b))은 수신기(204)의 중심으로 더 지향되는 경향이 있다. 반사 표면(250)의 중심부들에 보다 근접하게 반사된 광선(예를 들면, 중심부들(255a 및 255b)로부터의 광선(256c 및 256d))은 반사 표면(250)의 에지들에 보다 근접하게 반사된 광선보다 수신기(204)의 에지들로 더 지향되는 경향이 있다. 이 구성은, 낮은 허용차(전지 성능에 최소한의 영향을 미치는 오정렬된 광선들을 수용할 수 있음)를 가진 낮은 반사 표면(250)의 부분들(예를 들면, 에지들(254))로부터 수신기(204)의 부분들(예를 들면, 수신기(204) 및/또는 플럭스 라인(260)의 중심부들)로 광선을 지향시키는데 도움을 줌으로써, 태양열 에너지 손실을 감소시킬 수 있다.

수신기(204) 및 반사 표면(250)은 특별한 적용의 필요에 따라 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 수신기(204) 및 반사 표면(250)은, 반사 표면(250)의 외부 에지들로부터 나온 광선(256a 및 256b)이 적어도 플럭스 라인(260)의 중심에 근접하여 또는 그 중심 근방에서 서로 차단되도록 위치된다. 트랙킹 시스템은, 입사하는 태양광(252)이 반사 표면(250)에 기반된 기준 포물선(262)의 준선(directrix)과 실질적으로 수직을 이루도록, 반사 표면(250)을 위치시키는데 도움을 줄 수 있다.

반사 표면(250)은, 기준 포물선(262)과 달리, 단일 준선 및 초점을 이용하여 포물선을 형성하지 않는다. 다양한 실시예들에서, 반사 표면(250)의 섹션들(258) 각각은 별개의 준선 및 초점을 이용한 서로 다른 포물선을 형성할 수 있다. 그 결과, 반사 표면(250)은 단일 초점을 생성하지 못하고, 실질적인 비-이미징 방식으로 광을 집광시킨다.

일부 실시예들에서, 반사 표면(250) 상의 점들과 기준 포물선(262) 상의 점들 사이에 관계가 있다. 예를 들면, 반사 표면(250) 상의 다양한 점들은 기준 포물선(262) 상의 해당 점들로부터 소정의 양만큼 벗어날 수 있다. 벗어난 양 및 유형은 섹션(258)에 따라 달라질 수 있다(제시된 실시예에서, 3 개의 섹션들(258a, 258b 및 258c)은 기술되지만, 섹션들은 적거나 많을 수 있다). 예를 들면, 기준 포물선(262)의 해당 점들에서보다 섹션들(258a 및 258c)의 다양한 점들에서 곡률이 크다. 기준 포물선(262)의 해당 점들에서보다 섹션(258b)의 다양한 점들에서 곡률이 작다. 기준 포물선으로부터의 곡률 편차의 양은 실질적으로 일정할 수 있고, 주어진 섹션 내의 다양한 점들에 대해 서로 동일하고/하거나 서로 다를 수 있다. 반사 표면(250)의 에지들(254)의 형상은 기준 포물선(262)의 에지들의 형상과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 기준 포물선(262)의 에지들이 겹쳐진 에지들(254) 중 적어도 일부들은 동일한 방식으로 광을 반사시키고, 기준 포물선(262)의 겹쳐진 부분들과 동일한 공간 배향 및 위치를 가질 수 있다.

반사 표면(300)의 또 다른 실시예에서, 그의 해당 섹션들(312) 및 기준 포물선(302)은 도 3a를 참조하여 기술될 것이다. 제시된 실시예에서, 반사 표면(300)은 실질적으로 대칭적이지만(예를 들면, 섹션(312c)은 섹션(312a)만큼 입사하는 태양광을 차단함), 섹션 크기들 사이의 다른 관계도 가능하다. 반사 표면(300)의 각각의 섹션(312)의 형상은 기준 포물선(302)의 해당 섹션들에 부분적으로 기반한다.

기준 포물선(302)은 X-축(310)에 평행하고 y-축(311)에 수직한 준선(미도시)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 포물선을 나타낸 수학 방정식의 일반적인 형태는 (Ax+By)² + Cx + Dy + E = 0이고, 여기서, A, B, C, D 및 E는 상수이다. 이와 동등하게, 포물선은 초점이라 하는 점 및 준선이라 하는 선에서 같은 거리에 있는 점의 위치(loci)로 정의된다. 기준 포물선(262)은 X-축에 평행한 준선을 가지고, 기준 포물선을 정의하는 식은 y=k*(x-a)²+b(식 (1))으로 간단해지며, 여기서 a, b, 및 k는 상수이다. 기준 포물선이 위를 향하여 개방되기 때문에, k는 양수이다. 선행 포물선 함수 산출량(function yields)의 d²y/dx²=k/2의 2 차 도함수를 취하면, 2 차 도함수가 위치에 따라 일정하다는 것을 의미한다. 기준 포물선 곡률(κ)는 κ=(d²y/dx²)/([1+(dy/dx)²]^3/2) 또는 이와 동등하게, κ=k/([l+(dy/dx)²]^3/2)로 정의된다. 이로써, 곡률은 k 및 2 차 도함수에 비례한다. 반사 표면(300)의 각각의 섹션(312)의 형상은 기준 포물선(302)으로부터 k 또는 곡률의 변화에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다.

기준 포물선(302)의 형태는 크게 달라질 수 있다. 기준 포물선(302)에 대한 단지 하나의 형상만이 제시되지만, 포물선 형상은 거의 무한한 범위에서 특별한 적용의 필요에 따라 사용될 수 있다. 용어 "포물선"은 기술 분야에서 공지된 다양한 방식으로 정의될 수 있다. 제시된 실시예에서, 기준 포물선(302)은 곡선에 의해 나타날 수 있고, 이때 상기 곡선은 반사 표면(300)의 단면도에 의해 형성된 곡선과 동일한 종점들(endpoints)에서 시작되고 끝나며, 초점 및 준선으로부터 같은 거리에 있는 점들의 위치(locus)로 구성된다. 기준 포물선(302)은 반사 표면(300)의 다양한 변수들을 판별하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 반사 표면(300)의 에지들(306)의 부분들 및 기준 포물선(302)의 에지들의 부분들은 겹쳐질 수 있고, 동일한 위치 및 기울기를 가질 수 있다. 반사 표면(300)에 의해 형성된 곡선을 따른 점들은 기준 포물선(302) 상의 해당 점들에 기반하여 부분적으로 설계될 수 있다.

다양한 접근법들은 기준 포물선(302)과 반사 표면(300) 사이의 해당 점들에 적용될 수 있다. 제시된 실시예에서, 점 대 점 대응(point-to-point correspondence)은 X-축(310)에 기반한다. 예를 들면, 반사 표면(300) 상의 점(308a)은 기준 포물선(302) 상의 점(308b)과 대응하는데, 이는 이들이 X-축(310) 상에서 동일한 상대적인 X 위치를 공유하기 때문이다. 상기와 같은 연관성은 다른 계량(metrics) 및/또는 추가적인 계량, 예를 들면, 서로 다른 구성 축, 기준 포물선(302) 및 반사 표면(300)을 따른 거리에 관한 식 등에 기반할 수 있다.

제시된 실시예에서, 반사 표면(300) 상의 특정 점의 2 차 도함수는 기준 포물선(302) 상의 해당 점의 2 차 도함수 및 점이 위치된 섹션(312)에 따라 변화될 수 있는 추가적인 2 차 도함수 값에 적어도 부분적으로 기반할 수 있다. 추가적인 2 차 도함수 값은 2 개 이상의 섹션들(312)에 대해 적어도 실질적으로 서로 동일하고/하거나 서로 다를 수 있다.

도 3b는 도 3a의 X-축(310)을 따른 상대적인 X 위치의 함수로서, 기준 포물선(302)에 대한 반사 표면(300)의 2 차 도함수 편차를 나타낸다. 제시된 실시예에서, 2 차 도함수 편차의 양은 섹션(312) 내에서 실질적으로 일정해지려는 경향이 있지만 이는 필요 요건이 아니다. 예를 들면, 반사 표면(300)의 섹션들(312a 및 312c)의 대부분 점들에 대해서, 특정 점에서의 2 차 도함수는 양의 값인 2 차 도함수 값(Y, Y)에다 기준 포물선 상의 해당 점에서의 2 차 도함수를 더한 것과 같다. 섹션(312b)의 대부분 점들에 대해서, 특정 점에서의 2 차 도함수는 2 차 도함수 값 X에다 기준 포물선 상의 해당 점에서의 2 차 도함수를 더한 것과 같다. 이 예에서, X는 -Y와 같다. 추가적인 2 차 도함수 값의 절대 값은 2 개 이상의 섹션들(312)에 대해 동일할 필요성은 없지만, 이러한 특징은 반사 표면(300)의 제조 및 설계를 간단하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 주목해야 하는 바와 같이, 상대적인 2 차 도함수 편차가 양의 Y에서 X로 변화되는 변화 영역들(322)이 있다. 상기와 같은 영역들은 섹션들(312) 사이에 위치될 수 있고, 섹션들(312)의 부분들을 구성할 수 있다. 상기와 같은 변화율은 일정한 기울기를 가지는 것으로 도시되지만, 그 변화율은 증가 또는 감소될 수 있다.

도 3c는 도 3a의 X-축을 사용하여 상대적인 X 위치의 함수로서, 기준 포물선(302)으로부터 반사 표면(300)의 위치 편차를 도시한다. 파선은 도 3a의 섹션들(312a, 312b 및 312c)에 대응하는 그래프(390)의 부분들을 나타낸다. 섹션(312a)에서, 양의 2 차 도함수 편차(도 3b에 도시됨)는 반사 표면(300)이 기준 포물선(302)으로부터 증가율로 구부려지도록 한다. 섹션(312b)에서, 음의 2 차 도함수 편차는 반사 표면(300)이 기준 포물선(302)을 향하도록 다시 구부려지도록 한다. 섹션(312c)에서, 양의 2 차 도함수 편차는 반사 표면(300)이 기준 포물선(302)을 향하여 감소율로 구부려지도록 한다.

그래프(390)의 곡선의 매끄러운 측면은 반사 표면(300)이 공간적으로 연속된다는 것을 나타낸다. 반사 표면(300)은 또한, 각이진 불연속 에지 및/또는 뾰족한 에지들이 실질적으로 나타나지 않는다. 일부 실시예들에서, 반사 표면(300)에 근접한 함수 및 그 함수의 1 차 도함수는 전체 반사 표면(300)에 걸쳐 연속적으로 된다. 수학적으로, 이를 달성하기 위한 일 방법은 식 1의 상수(a 및 b)의 값들을 조정하는 것이고, 그 결과, 다양한 섹션들(312)을 기술하는 함수들은 이들의 경계선에서 동일한 값 및 1 차 도함수를 가진다. 이 경우, 포물선 섹셜들 모두를 부분적으로 정의하는 준선은 평행하다. 공간 및 각도의 연속성은 적어도 2 가지 이유에 대해 이점을 가질 수 있다. 우선, 공간 및/또는 각도의 불연속성은 제조시 어려움을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 상기와 같은 불연속성을 포함하는 시트들은 손상되기 쉽고, 보다 많은 툴들이 생성되는 것을 필요로 할 수 있다. 반사 표면(300)은, 예를 들면, 반사 물질의 단일 시트로 형성될 수 있고, 서로 용접되고, 고정되고/되거나 접착되는 별개의 시트들 또는 부분들로 형성될 필요가 없다. 두 번째로, 예리한 에지들은 입사 태양광의 분산을 촉진할 수 있다. 이는 수신기 상의 태양광의 집광을 최대화시키는데 어려움을 더 일으킬 수 있다.

도 3d 및 3e를 참조하면, 반사 표면(300), 입사 광(330) 및 태양열 수신기(340)를 배치하는 다양한 접근법들이 기술될 것이다. 반사 표면(300)은 입사 태양광(330)을 반사시키고 광선(332)을 태양열 수신기(340)를 향하도록 한다. 입사 태양광(330)은 기준 포물선(302)의 준선(미도시)에 대해 실질적으로 수직하다. 반사 표면(300)에 의해 반사된 태양광은 수신기(340) 상에서 플럭스 라인(334)(폭(338)을 가짐))을 형성한다.

다양한 실시예들에서, 반사 표면(300)의 하나 이상의 섹션들(312)은 별개의 준선 및 초점을 가진 별개의 포물선을 형성할 수 있다. 서로 다른 섹션들(312)에 대응하는 초점들은 일치하지 않고, 서로 다른 섹션들(312)에 대응하는 준선은 평행하지 않을 수 있다. 그 결과, 기준 포물선(302)의 준선에 바람직하게 실질적으로 수직하는 입사 태양광(330)은 비-이미징 방식으로 집광된다. 반사 표면(300)의 에지들(306)은 기준 포물선(302)의 에지들의 적어도 부분들과 동일한 공간 배향 및 기울기를 실질적으로 가질 수 있다. 이로써, 상기와 같은 에지 부분들은 기준 포물선(302)과 유사한 방식으로 광을 반사한다. 제시된 실시예에서, 예를 들면, 반사 표면(300)의 외부 에지들은 광선(332a 및 332b)이 점(335)을 향하도록 한다. 반사 표면(300)의 에지들(306)은 수신기(340)로부터 떨어져서 배치됨으로써, 점(335)은 플럭스 라인(334) 및/또는 수신기(340)의 중심 영역에 있게 된다. 이 접근법은 도 1b와 관련하여 기술된 것과는 다른데, 이때 초점(210)이 수신기(206) 뒤에 위치한다는 점에서 그러하다. 상기와 같이 떨어져서 배치됨으로써, 반사 표면(300)은 보다 균일한 플럭스 라인(334)을 형성하고/하거나, 광선이 반사 표면(300)의 에지들(306)로부터 수신기(340)의 중심부들로 보다 정확하게 지향되도록 한다.

도 3e는 음영 영역으로 표시된 수신기(340) 및 플럭스 라인(334)의 확대 평면도를 제공한다. 도 3e에서, 수신기(340)의 도면은 도 3d에서 제공된 단면도에 대해 90°로 회전된다. 수신기(340)는 수신기(340)에 걸쳐서 길이 방향으로 연장될 수 있는 하나 이상의 태양열 전지들(343)을 가질 수 있다. 태양열 전지들(343)은 집광된 입사 태양열 에너지를 사용하여, 직접적으로 전기를 생성할 수 있다. 대안적으로, 수신기는 집광된 입사 태양열 에너지를 사용할 수 있어서, 유체를 가열하거나 이점이 되는 일부 다른 동작을 실행할 수 있다. 플럭스 라인(334)은 도 3d의 반사 표면(300)으로부터 반사된 태양광을 통하여 조사된 태양열 수신기(340) 상의 영역으로 이해될 수 있다. 일부 실시예들에서, 플럭스 라인(345)의 중심은 수신기(340) 및/또는 태양열 전지들(343)의 중심과 실질적으로 명목상(nominally) 일치한다. 플럭스 라인(334)은 하나 이상의 태양열 전지들(343)의 표면적 모두, 실질적으로 모두 및/또는 그의 표면적 대부분 상에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 플럭스 라인(334)은, 수집기 어셈블리에서 트랙킹 에러들 및 기계적인 부정확성에 대한 허용차를 제공하는 소수의 태양열 전지 표면적(343) 상에서 연장될 수 있다. 도 3e는 태양열 전지(343)의 부분이 아닌 수신기(340)의 일부, 즉, 전지(343)의 경사진 에지 근방의 영역과 교차할 시의 플럭스 라인(334)을 도시하지만, 그러나 다양한 실시예들에서, 플럭스 라인(343)은 하나 이상의 태양열 전지들(343)의 주변 내에 전체적으로 위치될 수 있다. 제시된 실시예에서, 플럭스 라인(334)은 태양열 전지(343)의 버퍼 영역들(buffer regions)(344a 및 344b) 상에서 연장되지 않고, 플럭스 라인(338)의 폭은 태양열 전지(343)의 폭(339) 및 수신기(337)의 폭보다 다소 작다. 버퍼 영역들(344)은 전지(343)의 주변을 따라 어떤 곳에서도 위치될 수 있고, 예를 들면, 전지(343)의 상부 에지 및 하부 에지를 따라 위치될 수 있다. 반사 표면(300)이 플럭스 라인(334)의 경계선 내에서 타겟 반사 광선에 대해 설계되지만, 제조 및/또는 트랙킹 에러들은 반사된 광이 의도한 플럭스 라인(334)의 외부 영역에서, 수신기(340)에 충돌되도록 할 수 있다. 버퍼 영역들(344)은 빗나간 광선을 포획하고 태양열 에너지의 손실을 감소시키는 도움을 줄 수 있다.

도 3f는 도 3d의 수신기(340) 상의 점들에 반사 표면(300) 상의 다양한 점들을 맵핑하는 그래프(350)이다. 수직 축은 도 3e의 수신기(337)의 폭을 따른 위치를 나타낸다. 수직 축 상의 y1과 y3 사이의 거리는 도 3e의 플럭스 라인(338)의 폭을 나타내고, 수직 축을 따른 0의 값은 플럭스 라인(338)의 폭의 중심(345)을 나타낸다. 수평 축은 반사 표면(300)의 상대적인 X 위치를 나타낸다(예를 들면, 도 3a의 X 축에 기반함). 점선(314)은 섹션들(312a, 312b 및 312c)을 나타낸다. 그래프(350)에서 나타난 바와 같이, 반사 표면(300) 상의 점에서 반사된 특정 광선은 수신기(340)를 가로질러 간다. 예를 들면, 점(352)은, 입사 태양광이 반사 표면(300)의 섹션(312a)의 점(x2)에서 반사되어 플럭스 라인(334)의 하부 절반의 점(y2)으로 지향된다는 것을 나타낸다.

그래프(350)는 다양한 섹션들(312)이 광을 플럭스 라인(334)에 걸쳐 보다 고르게 분배시키는데 어떻게 도움을 줄 수 있는지를 나타낸다. 제시된 실시예에서, 섹션(312a)은 플럭스 라인(334)의 하부 절반(예를 들면, 도 3e의 중심(345) 아래의 음영 영역)으로 광을 지향시킨다. 섹션(312c)은 플럭스 라인(334)의 상부 절반(예를 들면, 도 3e의 중심(345) 위의 음영 영역)으로 광을 지향시킨다. 중간 섹션(312b)은 플럭스 라인(338)의 전체 폭 상에 광을 실질적으로 지향시킨다. 일반적으로 말하면, 그래프(350)에서, 반사 표면(300) 상의 2 개의 점들(예를 들면, x2 및 x4)은 수신기(340)의 1 개의 점(예를 들면, y2)에 맵핑된다. 이는 플럭스 라인(334)의 중심 및 에지들에 대응하는 그래프(350)의 곡선의 부분들에 대해 허위일 수 있다. 제시된 실시예에서, 예를 들면, 플럭스 라인(345)의 중심(즉, 수직 축 상의 값 0)은 반사 표면(300) 상의 적어도 3 개의 점들(예를 들면, xl, x5 및 x7)에 대응된다. y1 및 y3에 위치된 플럭스 라인(334)의 최외곽(extreme) 외부 에지들은 반사 표면(300) 상의 1 개의 점에서만 각각 대응된다(즉, 점들(x3 및 x6) 각각).

또한, 이해되어야 하는 바와 같이, 그래프(350)의 수평 축 상의 x1 및 x7에 대응하는 반사 표면(300)의 에지들은 그래프(350)의 수직 축 상에서 0으로 나타난 플럭스 라인(345)의 중심에 맵핑된다. 일반적으로, 반사 표면(300) 상의 점이 x1 또는 x7에 근접할수록, 해당 광선은 플럭스 라인(345) 및/또는 수신기(340)의 중심(수직 축의 0의 값)으로 더 지향된다. 반사 표면의 에지들은 특히 손상, 제조 결함 및/또는 오정렬의 다른 소스에 취약할 수 있다. 반사 표면(300)의 에지들이 플럭스 라인의 외부 에지들로 광선을 지향시키도록 설계되는 경우(도 1a의 반사 표면(102)의 에지들로부터 나온 광선인 경우), 상기와 같은 오정렬은 광선이 의도된 플럭스 라인의 외부에 가서, 아마도 전체적으로 수신기 상의 태양열 전지를 맞추지 못하도록 할 수 있고, 이는 태양열 에너지의 손실을 초래한다. 반사 표면(300)의 에지들로부터 플럭스 라인(345) 및/또는 수신기(340)의 중심으로 광선을 지향시키는 것은 상기와 같은 손실의 가능성을 줄일 수 있다.

도 3g는 도 3e의 플럭스 라인(338)의 폭을 따른 위치의 함수로서 광의 세기를 나타내는 그래프(370)를 포함한다. 수평 축의 0의 값은 플럭스 라인의 중심(예를 들면, 도 3e의 중심(345))에 대응한다. 곡선들(372a, 372b 및 372c)은 도 3a의 반사 표면(300)의 섹션들(312a, 312b 및 312c) 각각에 대응한다. 그래프(370)는 섹션(312a)(곡선(372a)으로 나타냄)이 도 3e의 플럭스 라인(338)의 폭의 하부 절반 상에 광을 주로 지향시키는 것을 나타낸다. 중간 섹션(312b)(곡선(372b)으로 나타냄)은 플럭스 라인(338)의 전체 폭 상에 광을 상당히 균일하게 지향시킨다. 섹션(312c)(372c로 나타냄)은 플럭스 라인(338)의 폭의 상부 절반 상에 광을 주로 지향시킨다.

도 3h는 섹션들(312a, 312b 및 312c)로부터 반사된 광이 플럭스 라인(334)의 폭(338)을 따른 다양한 점들에서의 합성 세기에 상대적으로 기여한 것을 나타낸 그래프(380)를 포함한다. 이 그래프(380)는, 플럭스 라인(334)의 폭(338)에 걸친 전제 세기가 안정화되고 균일하다는 것을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 플럭스 라인(334)의 중심 영역(375)의 세기의 변화는 대략 +/-10% 이하이다. 또 다른 실시예에서, 상기와 같은 변화는 대략 +/-20% 이하이다. 중심 영역(375)은 플럭스 라인(334)의 에너지의 대략 90%를 차지하는 플럭스 라인(334)의 일부로서 정의될 수 있지만, 다른 정의도 가능하다. 보다 균일한 광의 세기는 태양열 전지들로부터 열 소실을 개선시키고, 저항 손실을 막고, 전지 효율을 촉진시키는데 도움을 줄 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 반사 표면들을 형성하는 다양한 대표적인 방법이 기술된다. 도 4는 도 3a의 반사 표면(300)과 같은 반사 표면을 제조하는 일 접근법을 나타낸다. 반사 물질의 실질적인 평평한 시트는 도 4의 주축들(402) 사이에 위치된다. 주축들(402) 각각은 반경(R)을 가질 수 있지만, 2 개 이상의 주축들도 서로 다른 반경을 가질 수 있다. 평평한 시트는 주축들(402)에 의해 비탄력적으로 변형된다. 최종 변형된 시트(404)는 이해되는 바와 같이, 3 개의 섹션들(406a, 406b 및 406c)을 가진다(변형된 시트(404)의 처리가 완료되면, 이러한 섹션들(406a, 406b 및 406c)은 도 3a의 섹션들(312a, 312b 및 312c) 각각에 대응되고, 상기 섹션들(312a, 312b 및 312c)의 특징으로 가질 수 있다.

제시된 실시예에서, 3 개의 섹션들(406) 각각은 반경(R)의 곡률을 가진다. 2 개 이상의 섹션들(406)은 이들의 하부 주축들(402)의 반경에 대응하는 서로 다른 곡률들을 가질 수 있다. 섹션들(406a 및 406c)에 대한 곡률(408a 및 408c)의 중심들 각각은 변형된 시트(404)의 제 1 표면 아래에 위치하고, 상기 제 1 표면을 향한다. 섹션(406b)에 대한 곡률(408b)의 중심은 제 1 표면에 대향하는 변형된 시트(404)의 제 2 표면 위에 위치하고, 상기 제 2 표면을 향한다. 일부 실시예들에서, 변곡점들, 예를 들면, 변곡점들(410a 및 410b)은 시트를 제 1 방향으로 또는 이 방향에 마주하는 제 2 방향으로 만곡되는 부분들로 분할한다. 제 1 방향으로 만곡되는 부분들의 영역은 제 2 방향으로 만곡되는 부분들의 영역과 거의 동일할 수 있다. 변형된 시트(404)가 형성된 후에, 이는 도 3a의 반사 표면(300)의 특징들을 가진 반사 표면을 형성하기 위해 휘어질 수 있다. 이전에 언급된 미국 특허 출원 제12/100,726호에 논의된 바와 같이, 휨력(bowing force)은 복수의 형성 립들(ribs)에 변형된 시트(404)를 고정시킴으로써 적어도 부분적으로 가해질 수 있다.

제조 반사 표면들을 제조하는 또 다른 접근법은 도 5에 기술된다. 도 5는 반사 표면(500) 및 태양열 수신기(508)의 단면도를 도시한다. 반사 표면(500)은 영역들(502a 및 502b), 중앙점(510) 및 외부 에지들(512a 및 512b)을 가진다. 명목상, 입사 태양광(504)은 반사되어, 광선(506)으로서 수신기(508) 상에서 플럭스 라인(511)을 형성한다.

반사 표면(500)의 공간 배향 및/또는 각도 배향은, 반사 표면(500)의 다양한 점들이 수신기(508) 상에서 원하는 부위들로 광을 지향시키도록 구성될 수 있다. 제시된 실시예에서, 반사 표면(300)의 외부 에지들(512a 및 512b) 및 중앙점(510)은 플럭스 라인(511)의 근접한 중심으로 해당 광선(506a, 506b 및 506c)을 지향시키도록 구성된다. 즉, 플럭스 라인(511)의 중심과 같은 수신기(508)의 특별한 부분들은 이들의 의도된 경로로부터 다소 벗어나는 광선으로부터도 태양열 에너지를 포획하기 위해 양호하게 위치된다. 예를 들면, 플럭스 라인(511)의 중심에 본래적으로 지향되지만, 정확한 중심으로부터 다소 흩어진 광선은 여전하게 태양열 전지에 의해 수신될 수 있고, 에너지로 유용하게 전환될 수도 있을 것이다. 이는 태양열 전지 및/또는 플럭스 라인의 에지에 표적이 되는 광선에 대해서는 사실이 아닐수도 있다. 상기와 같은 광선이 그의 의도된 코스로부터 벗어나는 경우, 이는 태양열 전지의 주변 외부의 점에서 수신기를 가로지를 가능성이 높을 수 있다. 그 결과, 반사 표면(500)은, 외부 에지들(512a 및 512b)과 같은 반사 표면(500)의 허용차가 작은 영역들로부터 반사된 광이 광선의 궤적의 변화를 양호하게 수용할 수 있는 수신기(508)의 영역들, 예를 들면, 플럭스 라인(511)의 중심으로 지향되도록, 구성된다. 다양한 실시예들에서, 상부 에지(512a)와 중앙점(510) 사이에 위치된 영역(502a)은 광선(506)을 플럭스 라인의 하부 절반(511b)에 걸쳐서 지향시키도록 구성될 수 있고, 그 결과, 하부 절반(511a)은 실질적으로 균일하게 조사되지만, 이는 필요 요건이 아니다. 중앙점(510)과 하부 에지(512b) 사이에 위치된 영역(502b)은 플럭스 라인의 상부 절반(511a)의 적어도 일부를 실질적으로 균일하게 조사하도록 선택적으로 구성될 수 있다. 반사 표면(500)을 정의하는 함수는 개선될 수 있고, 그 결과, 함수 및 그의 1 차 도함수는 전체 반사 표면(500)에 걸쳐서 연속적이고, 그의 2 차 도함수는 각각의 영역(502)에 걸쳐 연속적이다. 반사 표면(500) 및 수신기(508)는 이 출원의 다른 도면들과 관련하여 논의된 특징을 병합시키기 위해 더 배치될 수 있다.

도 2 및 도 5에 대해 논의된 실시예들은 4 분의 1의 포물선 세그먼트들에 일반적으로 대응하는 반사체 세그먼트들을 포함한다. 상기와 같은 장치는, 수신기가 반사 표면, 예를 들면, 대향하는 반사체의 인접한 상부 에지로부터 상대적으로 멀리 위치되는 완전한 트로프 수집기들과 같은 적용물에 사용되기에 매우 적합하다. 반사체 표면에 대해 수신기가 어디에 위치되든 상관없이, 동일한 원리가 매우 다양한 기하학적인 형태를 가지는 집광 반사체들에 손쉽게 적용될 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들면, 많은 적용에서, 도 5에 도시된 반사체 세그먼트보다 초점 길이가 짧은 포물선 세그먼트를 이용하는 것은 바람직할 수 있다. 상기와 같은 일 실시예는 도 6에 도시된다.

도 6의 실시예에서, 반사체(650)는 상부 반사체 에지(654a) 및 하부 반사체 에지(654b)를 포함한다. 반사체(650)는 도 2 및 5에 도시된 실시예들보다 반사체에 근접한 초점을 가지는 기준 포물선 세그먼트(662)로부터 변화되는 형상을 가진다. 기준 포물선(662)은 때때로 근 절반의(near half) 포물선 세그먼트로서 본원에서 언급되는데, 이는 반사체의 하부 에지(654b)가 대칭의 포물선 축에 가까워지기 때문이다. 또 다른 방식을 언급하면, 기준 포물선의 하부 부분은 거의 기준 포물선들의 준선과 평행하다.

절반 또는 거의 절반의 포물선 반사체들의 사용은 일부 잠재적인 이점을 가진다. 처음에, 반사 표면(650)과 플럭스 라인(660) 사이의 평균 거리는 도 2b에 도시된 4분의 1의 포물선의 평균 거리보다 상당하게 짧다. 근접한 플러스 라인은 트랙킹 에러 및 기계적인 결함에 대해서 시스템의 감도를 줄이는데, 이는 반사의 각도 에러(angular errors)가 플럭스 라인에서 변위를 작게 초래하기 때문이다. 일반적으로, 절반 포물선 형상을 가진 반사체는 반사체와 수신기 사이의 주어진 최대 거리에 대해 4분의 1의 포물선 반사체로서 개구부를 2 배까지 가질 수 있다.

일반적으로, 입사 태양광(652)의 광선은 입사의 변화 각도(Θ)로 반사 표면(650)에 충돌한다. 입사 광선과 반사된 광선 사이의 각도는 입사 각도의 2 배, 즉 2Θ이다. 하부 트로프 에지(654b)에 입사하는 광선은 입사의 최소 각도(Θ_min)를 가진다. 상부 트로프 에지(654a)에 입사하는 광선은 입사의 최대 각도(Θ_max)를 가진다. 입사의 최소 각도 및 최대 각도는 수집기 설계를 이용하여 변화될 수 있지만, 거의 절반의 포물선 설계에서도 변화될 수 있고, Θ_min는 0°내지 대략 20°의 범위에 속할 수 있고, Θ_max는 35°내지 55°의 범위에 속할 수 있다.

수신기(604)는 수신기 상에 반사된 태양광의 입사 각도를 최소화시키기 위해배향될 수 있다. 수신기 상의 입사 각도를 최소화시키는 것은 수신기의 광학 표면 상의 반사 손실을 줄이는 이점을 가지는데, 이는 반사 손실이 입사의 보다 큰 각도에서 증가되는 경향이 있기 때문이다. 또한, 이는 플럭스 라인의 크기를 최소화시키는 것에 일부 영향을 미치는데, 이는 수신기가 반사된 태양광에 대해 가능한 수직으로 배향되기 때문이다. 수신기에 대한 최적의 배향은 반사체 설계의 특성에 기반하여 변화될 수 있을 것이다. 일 특정 예에서, 특정 반사체에 대한 입사 각도의 범위가 수평 축에 대해 10° 내지 50°의 범위를 가지는 경우, 반사 손실을 최소화시키기 위해 수신기 면을 약 30°의 각도로 각이 지게 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이해하여야 하는 바와 같이, 수신기 면의 정렬이 반사 손실을 줄이는데 도움을 줄 수 있지만, 열에 대한 고려 사항과 같은 다른 요인들은 특정 반사체설계에 대해 실제 수신기 면 배향에 영향을 미칠 수 있다. 수신기 배향의 최적화가 근 절반의 포물선 수집기 설계의 정황에 기술되었지만, 이해하여야 하는 바와 같이, 수신기의 배향은 도 2 및 5의 실시예들을 포함한 집광 수집기 설계에서 이러한 방식으로 최적화될 수 있다.

이전에 기술된 실시예들과 마찬가지로, 반사체(650)의 상부 에지 및 하부 에지(654a, 654b)는 수신기 플럭스 라인의 중심으로 입사 광을 지향시키도록 배치될 수 있다. 반사체는 도 5에 대해 논의되는 바와 같이, 또는 다양한 다른 방식으로, 3 개의 세그먼트들로 분할될 수 있다. 예를 들면, 작고, 매우 정교하고(well-defined), 균일한 세기를 가진 플럭스 라인(수신기 앞에서 높은 세기의 초점 스팟을 막음)을 제공하기 위해 설계된 대안적인 반사체의 기하학적인 형태는 도 7a 및 7b에 관련하여 기술될 것이다. 도 6에 도시된 반사체 표면의 측 단면 상의 다수의 점들은 이렇게 기술된 실시예에서 언급될 만한 가치가 있다. 이는, 상부 에지(654a), 하부 에지(654b), 중앙점(654c), 및 다수의 변곡점들(655a-j)을 포함한다. 특히, 명료상, 중앙점(654c)은 수집기 개구부의 중앙점이다. 즉, 중앙점(654c)은 기준 포물선(662)의 준선에 평행한 X-축에 대한 반사 표면의 중앙점이다. 이로써, 이해하여야 하는 바와 같이, 중앙점(654c)은 반사 표면을 따라 보이는 바와 같이, 반사체의 상부 에지(654(a))와 하부 에지(655(b)) 사이의 중간에 위치되지 않는다. 이와 유사하게, 이해하여야 하는 바와 같이, 이하에서 변곡점들(655a-j)에 대한 논의에서, 변곡점들은 X-축에 대해 정의되는 바와 같이, 반사 표면의 위치들로 언급된다.

도 7a 및 7b는 보다 복잡한 반사체 기하학적인 형태에 연관된 기준 포물선으로부터의 각도 및 곡률 편차를 제시한다. 도 7a는 기준 포물선에 대한 반사체 표면의 상대적인 각도 편차를 제시한다. 도 7b는 기준 포물선에 대한 2 차 도함수 편차를 제시한다. 기준 포물선으로부터의 반사 표면의 각도 편차(α)는 다음 식을 사용하여 수학적으로 정의될 수 있고:

α = Arctangent(dy/dx)

여기서, dy/dx는 반사 표면을 정의하는 수학 함수의 1 차 도함수이다. 도 7b는 기준 포물선에 대한 반사 표면의 해당 2 차 도함수 편차를 나타낸다.

도 7a에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 반사체 표면의 상부 에지(654a)의 시작에서, 반사 표면 각도는 기준 포물선의 각도와 같다. 수신기는, 이 위치로부터 반사된 광선이 수신기의 중심에 충돌하도록 위치된다. 그 후, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 반사체 표면 상의 점(655a)으로 선형으로(음의 값으로(negative amount)) 증가된다. 각도 편차의 선형성은 도 7b의 해당 그래프에서 일정한 음의 2 차 도함수에 의해 반영된다. 특히, 수학적으로, 기준 포물선으로부터의 2 차 도함수 편차는 일정하고, 비-제로는 상기와 같은 영역에서 반사체 표면의 곡률이 포물선 형상을 하는 것도 제시하지만, 상기와 같은 포물선 세그먼트의 초점은 기준 포물선의 초점에 대해 이동될 것이다.

점(655a 내지 655b)으로부터, 반사체 표면의 곡률의 변화는, 도 7b 모두에 도시될 수 있는 바와 같이, 기준 포물선의 곡률의 변화에 일치하고, 이는 기준 포물선으로부터의 각도 편차가 도 7a에 도시된 바와 같이 이러한 영역에서 명목상 일정한 상태로 남아있다는 것을 의미한다. 점(655b 내지 655c)으로부터, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 선형으로 감소됨으로써, 점(655c)에서, 기준 포물선으로부터의 반사체 표면의 각도 편차는 점(655b)에 있는 것보다 작다. 점(655c 내지 655d)으로부터, 반사체 표면의 곡률의 변화는 기준 포물선의 곡률의 변화에 일치함으로써, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 이 영역에서 명목상 일정한 상태로 남아있게 된다. 점(655d)으로부터, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는, 점(655e)까지 선형으로 더 감소되고, 이때 상기 점(655e)에서 반사체 표면은 기준 포물선의 각도와 일치하는 각도를 가진다.

점(655e 내지 655f)으로부터, 반사체 표면의 곡률은 기준 포물선의 곡률에 일치함으로써, 반사체 표면 곡률은 이 영역에서 기준 포물선의 곡률과 일치한다(그러나, 반사체 표면은 물리적으로 기준 포물선 뒤에 위치할 수 있다). 점(655f)으로부터, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 반사체 상의 점(655g)으로 선형으로 더 증가됨으로써, 반사체 표면 각도는 이제 음의 값만큼 기준 포물선으로부터 벗어난다. 점(655f 내지 655h)으로부터, 반사체 표면의 곡률의 변화는 기준 포물선의 곡률의 변화에 일치함으로써, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 이 영역에서 명목상 일정한 상태로 남아있게 된다(이로써, 이 영역의 2 차 도함수는 다시 제로로 된다). 점(655h)으로부터, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 점(655i)까지 선형으로 더 증가됨으로써, 기준 포물선으로부터 각도 편차는 더 커지게 된다. 이 영역에서, 2 차 도함수는 일정한 값을 가진다.

점(655i 내지 655j)으로부터, 반사체 표면의 곡률의 변화는 다시 기준 포물선의 곡률의 변화에 일치함으로써, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 이 영여겡서 명목상 일정한 상태로 남아있게 된다. 그 후, 기준 포물선으로부터의 각도 편차는 점(655j)으로부터 수집기의 하부 에지(654b)로 선형으로 감소된다.

일반적으로, 음의 선형 각도 편차의 영역들은 일정한 음의 2 차 도함수 편차 값에 대응한다. 이러한 영역들은 기준 포물선 초점 뒤에서 광을 초점화시킨다. 일정한 각도 편차의 영역들은 제로 2 차 도함수 편차의 값에 대응한다. 이러한 영역들은 기준 포물선과 유사한 방식으로, 광을 효과적으로 초점화시킨다. 양의 선형 각도 편차의 영역들은 일정한 양의 2 차 도함수 편차 값에 대응한다. 이러한 영역들은 기준 포물선 초점 앞에서 광을 초점화시킨다.

도 7a 및 7b에 도시된 반사 표면 프로파일은 작고, 매우 정교하고, 균일한 세기를 가진 플럭스 라인을 제공하는 바람직한 속성을 가진다. 또한, 이는 수신기 앞에서 높은 세기의 초점 스팟을 막는 이점을 가진다. 도 7b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 반사 표면의 에지들의 영역들은 기준 포물선보다 작은 2 차 도함수 값을 가진다(즉, 영역(654a-655a) 및 영역(655j-654b)). 이러한 영역들은 기준 포물선보다 작은 곡률을 가지고, 수신기 뒤에서 초점을 만들어낸다. 그러므로, 수신기는 이러한 세그먼트들로부터 반사된 광선을 차단하되, 상기 반사된 광선이 초점화되기 이전에 차단한다.

반사체의 중심 영역은 8 개의 작은 세그먼트들로 분할된다. 이러한 세그먼트들 중 4 개는 양의 2 차 도함수 편차 값을 가진다(즉, 영역(655b-655c; 655d-655e; 655f-655g 및 655h-655i)). 이러한 4 개의 영역들은 기준 포물선에 대해 증가된 곡율을 가지고, 그러므로 상기의 영역들 각각은 수신기 앞에서 초점을 가진다. 그러나, 각각의 양의 곡률 편차 영역에 연관된 반사 영역이 상대적으로 작기 때문에, 연관된 초점의 세기는 보다 적당하다(more modest). 중심 영역에서 다른 4 개의 세그먼트들은 제로의 2 차 도함수 편차 값을 가지는데, 이는 이들의 각도 변화의 비율이 기준 포물선의 비율과 일치하다 것을 의미한다(즉, 영역(655c-655d; 655e-655f; 655g-655h 및 655i-655j)). 이로써, 이들은 기준 포물선과 유사한 방식으로 초점화될 수 있다.

제시된 실시예에서, 기준 포물선으로부터 비-제로 2 차 도함수 편차의 각각의 절대 값은 동일하다. 기준 포물선으로부터 제로 2 차 도함수 편차를 가지는 반사체 세그먼트들은 인접한 비-제로 세그먼트들 사이에 배치된다. 상기와 같은 개재된 배치는 잘 이루어지지만, 이는 필요 요건이 아니다. 중심 영역에서 8 개의 세그먼트들의 폭은 모두 동일하다(즉, 영역(655b-655c; 655c-655d; 655d-655e; 655e-655f; 655f-655g; 655g-655h; 655h-655i 및 655i-655j)). 2 개의 마지막 세그먼트들(즉, 영역(654a-655a 및 655j-654b)) 각각은 중심 세그먼트들의 크기의 2배이다. 이 배치로, 기준 포물선으로부터의 양의 편차는 반사체의 면 상에서 음의 편차만큼 오프셋된다(offset). 특히, 제시된 실시예에서, X-축 상에서 2 차 도함수 편차의 적분은 명목상 제로이다. 일반적으로, 작고, 매우 정교한 플럭스 라인을 수신기에서 가지기 위해, X-축 위치 상의 2 차 도함수 편차의 적분이 명목상 제로로 되는 것이 바람직하다.

도 7a 및 7b에서 나타난 특정 곡률이 잘 이루어져 있지만, 이해해야하는 바와 같이, 반사체 표면의 실제 기하학적인 형태는 동일한 목적을 달성하기 위해 폭넓게 변화될 수 있다. 이로써, 예를 들면, 별개의 세그먼트들의 수 및 이들의 상대적인 폭은 폭넓게 변화될 수 있다. 제시된 실시예에서, 기준 포물선의 곡률 변화에 일치하는 세그먼트들은 기준 포물선으로부터 변화되는 세그먼트들 사이에 배치된다. 다른 실시예들에서, 상기와 같은 세그먼트들은 제거될 수 있지만, 추가적인 상기와 같은 세그먼트들은 추가될 수 있거나, 서로 다른 값을 가진 중간의 섹션들로 대체될 수 있다. 제시된 실시예에서, 다양한 세그먼트들은 일정한 2 차 도함수 편차 값을 가진다. 다시, 이는 반드시 필요치 않고, 이들은 2 차 도함수 편차 값을 변화시키는 세그먼트들로 대체될 수 있지만, 일반적으로 설계가 다소 복잡해질 수 있다. 나아가, 이해하여야 하는 바와 같이, 기준 포물선으로부터 각도 및 도함수 편차의 기술된 유형은, 4분의 1의 반사체들, 절반 포물선 반사체들, 근 절반 포물선 반사체들, 완전한 포물선 반사체들 등을 포함하여, 임의의 유형의 포물선 세그먼트에 적용될 수 있다.

제시된 실시예에서, 인접한 섹션들 사이의 계면들은 각도로, 그리고 공간적으로 연속되는데, 이는 단일 시트로 반사체를 형성할 시에 이점을 가진다. 이는 부분적으로, 반사체 시트에서 각도 불연속성을 신뢰성 있게 형성하는 것이 일반적으로 보다 어렵다는 사실 때문이다. 그러나, 이하에서 보다 상세한 설명에서 기술된 바와 같이, 대안적인 실시예들에서, 반사체는 공간적으로 그리고/또는 각도로 불연속한 세그먼트들로 형성될 수 있다. 여전히 다른 실시예들에서, 기술된 설계들은 플럭스 라인 세기 및 균일성을 증가시키기 위해, 수신기에 인접한 2 차 광학기들과 유용하게 결합될 수 있다.

다음으로, 도 9를 참조하면, 복수의 별개의 반사체 세그먼트들을 포함한 대안적인 반사체 기하학적인 형태는 기술될 것이다. 제시된 실시예에서, 수집기는 한쌍의 이격된 반사체 세그먼트들로 형성되지만, 이해하여야 바와 같이, 다른 실시예들에서, 2 개 이상의 반사체 세그먼트들도 사용될 수 있다. 도시된 수집기는 상부 반사체 세그먼트(910) 및 하부 반사체 세그먼트(920)를 포함하고, 이들 세그머트 모두는 동일한 수신기(930)로 입사 복사를 반사시킨다. 반사체 세그먼트들(910 및 920)은 독립적이고, 각각의 세그먼트는 다른 실시예들에 대해 상술된 방식으로, 연관된 기준 포물선으로부터 벗어나기 위해 독립적으로 배치될 수 있다. 즉, 각각의 반사체 세그먼트(910, 920)는, 그의 에지 영역이 수신기(930)의 중심부로 반사된 태양광을 지향시키도록 구성될 수 있다. 이로써, 상부 반사 표면(910)의 상부 에지(910a) 및 하부 에지(910b) 모두로부터 반사된 태양광은 수신기(930)의 중심 영역으로 지향될 수 있다. 이와 유사하게, 하부 반사 표면(920)의 상부 에지(920a) 및 하부 에지(920b) 모두로부터 반사된 태양광은 수신기(930)의 중심 영역으로 지향될 수 있다. 상부 반사 표면 및 하부 반사 표면의 중심 영역으로부터 반사된 태양광은 상술된 방식으로 수신기(930)의 서로 다른 부분들로 지향될 수 있다.

반사체 세그먼트들은 작은 갭(940)만큼 분리될 수 있어서, 반사 표면들은 공간적으로 불연속적이다. 바람직하게, 갭(940)이 존재하는 경우, 상기 갭은 상당히 작을 수 있고, 그 결과, 소수의 태양열 복사가 갭을 통하여 손실된다. 다른 실시예들에서, 반사 표면들은 서로 겹쳐지도록 배치될 수 있다. 여전히 다른 실시예들에서, 반사 표면들은 일반적으로 서로 인접할 수 있거나, 태양광이 통과하는 갭의 형성 없이 서로 반경 방향으로(radially) 오프셋될 수 있다. 작은 갭을 통한 이점은 어셈블리 및 정렬을 용이하게 하는 점인 반면, 겹침 또는 반사체 세그먼트들의 이용의 이점은 감소된 손실로 인하여 다소 높은 효율을 가질 수 있는 점이다.

분할된 반사체 배치는 여러 개의 잠재적인 이점을 가진다. 우선, 주어진 수집기 개구부에 대해서, 각각의 반사 표면의 크기(즉, 폭)는 단일 반사 표면으로 형성된 반사 표면의 폭보다 작다. 일부 실시예들에서, 반사 표면의 보다 작은 폭은 비용을 적게 하고, 큰 폭의 반사체들보다 대량으로 제조하는데 보다 적합할 수 있다. 이는, 반사체 표면을 형성하는데 사용된 금속의 시트들이 커플 미터(couple meters)보다 폭이 클 시에, 특히나 뚜렷하게 나타난다. 특정 일 예에서, 차량 몸체 부분들을 형성하기 위해 사용된 장비를 형성하는 종래의 금속은 상대적으로 큰 폭의 반사체들을 만들어내는데 손쉽게 구성될 수 있다. 그러나, 상기와 같은 장비의 낮은 비용 사항은 약 1.5 - 2 미터보다 큰 폭을 가진 금속 시트들을 취급하는데 일반적으로 적합하지 않다. 상기와 같은 장비로 수용될 수 있는 것보다 폭이 큰 반사 표면을 가진 큰 수집기들을 형성하는 것이 바람직할 시에, 본원에서 기술된 바와 같이, 반사 표면을 복수의 별개의 반사 섹션들로 분할하는 것은 제조 관점에서 비용이 효과적일 수 있다. 분할된 반사 표면들은 또한 어셈블리 관점으로부터 볼 때, 큰 개구부의 수집기 시스템에서 이점을 가질 수 있는데, 이는 반사체들을 형성하기 위해 사용된 폭이 작은 패널들이 매우 폭이 큰 패널들보다 어셈블리 동안 취급 및 정렬하는데 보다 손쉬울 수 있기 때문이다.

집광 태양열 수집기들을 만드는 과제 중 하나는, 반사 표면들이 수신기에 대해 적절하게 정렬되고 트랙킹 시스템이 적합하게 온종일, 그리고 변화하는 계절에 맞춰서 태양의 이동을 추적하는 것을 확보하는 것이다. 반사된 태양광 일부가 수신기의 활성 부분(예를 들면, 광전지들의 활성 부분들)에 충돌하지 않는 겨우, 시스템 효율에 상당한 손실이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기의 활성 부분들에 맞추지 못하는 반사된 광을 다시 수신기로 지향시키기 위해, 수신기들 상에 2 차 광학기들(예를 들면, 미러들)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 상기와 같은 수신기 강화는 도 8a 및 8b와 관련하여 기술될 것이다. 우선, 도 8a를 참조하면, 수신기(800)는 베이스는 베이스(804) 및 광전지(870)를 포함한다. 광전지(870)는 개별적인 전지, 전지들 또는 다수의 인접한 전지들의 길게 형성된 스트링(string)에서의 전지일 수 있다. 수신기는 길이 방향으로 연장된 한 쌍의 미러들(810a 및 810b)을 더 포함하고, 이때 상기 미러들은 광전지 스트링(870)의 서로 대향하는 측면들 상에 위치된다. 미러들(810a 및 810b)은 2 차 광학기들(810)을 형성하기 위해 협력한다. 미러들은, 미러들 중 하나에 충돌하는 반사체로부터 반사된 광이 광전지(870)로 지향되도록 배향된다.

미러들은 반사 트로프와 동일한 물질로 선택적으로 제조될 있지만, 이는 필요 요건이 아니다. 도 8a에 제시된 실시예에서, 미러들은 이들의 제조 비용을 최소화하는데 도움을 줄 수 있는 평평한 형태를 가진다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 미러들은 도 8b에 도시된 바와 같이 외부 방향으로 만곡될 수 있다.

2 차 광학기들(810)은 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 차 광학기들은 정렬 및 추적에 허용차를 제공하기 위해서 단지 사용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 2 차 광학기들은 추가적인 집광을 제공하기 위해 설계될 수 있다. 즉, 반사체의 선택 부분들은 미러로 광을 의도적으로 지향시킨 후 상기와 같은 광을 광전지를 향하여 반사시키도록 설계될 수 있는 반면, 반사체의 다른 부분들은 광전지들로 직접 광을 지향시키도록 설계될 수 있다.

미러 유형의 2 차 광전지들의 특히나 유용한 하나의 적용은 수신기 앞에서 초점을 가지는 반사 섹션들로부터 광을 지향시키는 것이다. 예를 들면, 일부 적용에 있어서, 하부 트로프 에지(예를 들면, 도 6의 654(b))로부터 반사된 광선이 상부 미러(810a)에 충돌된 후 광전지(870)로 다시 한번 반사되도록 반사체 표면을 배향시키는 것이 바람직할 수 있다. 이와 유사하게, 상부 트로프 에지(예를 들면, 도 6의 654(a))로부터 반사되어 배향된 광선은 하부 미러(810b)로 지향될 수 있다.

미러들의 실제 크기 및 배향은 특별한 환경의 필요성을 충족시키기 위해 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 4분의 1의 포물선 유형의 수집기 시스템들에서 사용되기 위해 설계된 수신기에서, 광전지의 면에 대해 80°로 배향된 플럭스 라인의 폭과 거의 동일한 길이를 가진 2 차 광학기 미러들을 사용하여, 반사된 태양광을 35% 만큼 포획하는 타겟 영역은 효과적으로 증가될 수 있다. 물론, 2 차 광학 미러들의 실제 길이 및 배향에 대한 적절한 값은 반사체의 기하학적인 형태 및 수신기의 배향에 크게 기반할 것이다.

도 8a 및 8b를 참조하여 기술된 2 차 광학기들의 특성의 사용은 여러 개의 잠재적인 이점을 가진다. 예를 들면, 2 차 광학기들의 사용은 광전지(870)가 보다 작도록 하고, 이로 인해, 시스템 비용은 감소될 수 있다. 2 차 광학기들은 또한 태양열 집광 팩터(concentration factor)가 증가되도록 하고, 이로 인해, 전지 효율은 개선될 수 있다. 예를 들면, 표준 포물선 트로프는 10x 집광 팩터로 동작될 수 있다. 2 차 광학기들의 사용은 태양열 집광 팩터가 2Ox로 증가되도록 할 수 있다. 2 차 광학기들의 효과는 또한, 광전지들이 보다 균일하게 비추어지도록 하는 방식으로(전지 효율을 증가시키는 경향이 있음) 반사체 표면 기하학적인 형태의 설계에서 고려될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 기술된 설계들은 보다 큰 전지 크기를 요구하지 않고, 트랙킹 및 기계적인 허용차가 완화될 수 있는 보다 큰 타겟 영역(즉, 광전지 및 2 차 광학기들의 조합)을 제공한다.

본 발명의 소수의 실시예들만이 상세하게 기술되었지만, 이해하여야 하는 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 기술 사상 및 권리 범위로부터 벗어나지 않고 다수의 다른 형태로 이행될 수 있다. 상기의 설명에서, 예를 들면, 수신기에 대해 언급된 내용이 있다. 수신기는 하나 이상의 태양열 전지들 또는 하나 이상의 태양열 전지들을 포함하는 구조로 이해될 수 있다. 상기의 설명에서, 다양한 구조물(예를 들면, "반사 표면")의 형상, 각도 및 기하학적인 형태(예를 들면, "포물선" "입사 태양광에 수직")의 특징이 있다. 상기와 같은 특징은 지나지게 제한되는 것으로 간주되어서는 안되고, 기술된 구조물들이 언급된 형상, 각도 및 기하학적인 형태에 대한 이상적인 수학적 기준에 적절하게 유사할 수 있는 있지만 이러한 이상적인 수학적 기준에 완벽하게 충족하지 못한다는 것을 고려해야 한다. 예를 들면, 구절, 예를 들면, "반사 표면의 섹션은 포물선을 형성할 수 있다"는 구절은 "반사 표면의 섹션은 포물선과 적절하게 유사한 형상을 형성한다", "반사 표면의 섹션은 적어도 실질적으로 포물선을 형성하다" 등으로 이해할 수도 있다. 추가로, 상기의 설명에서, 만곡된 반사 표면 및/또는 수신기 상의 점에 대해 언급된 내용이 있다. 상기와 같은 설명은 또한 작은 부분, 거리 및/또는 간격으로 언급되는 것으로 동일하게 이해될 수 있다.

상술된 다수의 반사체 기하학적인 형태에서, 반사 표면들의 에지 영역들은 수신기의 중심 영역으로 입사 태양열 복사를 지향시킨다. 수신기의 타겟이 된 중심 영역은 수신기의 중앙점을 반드시 필요치 아니하지만, 중앙점은 일부 이행에서 유용한 기준점이다. 이로써, 예를 들면, 일부 특정 실시예들에서, 수신기의 상부 에지로부터 수신기의 특정 중심 영역으로(예를 들면, 플럭스 라인의 하부로부터 플럭스 라인 폭의 l/3^rd 위치로) 광선을 지향시키면서, 수신기의 하부 에지로부터 수신기의 별개의 특정 중심 영역으로(예를 들면, 플럭스 라인의 상부로부터 플럭스 라인 폭의 l/3^rd 위치로) 광선을 지향시키는 것이 바람직할 수 있다. 물론, 반사체의 상부 에지 및 하부 에지로부터 반사된 광선에 대한 실제 타겟 위치는 본 발명의 권리 범위 내에서 다양하게 변화될 수 있다.

상기에서 논의된 반사체의 기하학적인 형태의 개선점은 광전지 집광 태양열 시스템의 내용에서 주로 기술되었다. 그러나, 이해하여야 하는 바와 같이, 동일한 원리는 수신기의 특성에 상관없이, 임의의 집광 태양열 시스템에 적용된다. 이로써, 이해하여야 하는 바와 같이, 기술된 개선점은 열 수신기들을 이용한 집광 태양열 시스템들에 균등하게 적용가능하다. 그러므로, 본 실시예들은 예시적이며, 한정되는 것으로 고려되어야 하고, 본 발명은 본원에서 주어진 상세한 설명에 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구항의 권리 범위 및 이의 균등물 내에서 변화될 수 있다.

Claims

적어도 하나의 축을 따라 태양의 이동을 추적하는 태양열 에너지 수집 시스템의 사용에 적합한 태양열 에너지 수집기에 있어서, 상기 태양열 에너지 수집기는:
태양열 수신기;
제 1 에지 및 상기 제 1 에지에 대향하는 제 2 에지를 포함한 반사 표면
을 포함하고,
상기 반사 표면은 비이미징 방식으로(nonimaging manner), 광을 상기 수신기로 지향시켜서, 상기 수신기 상에서 플럭스 라인을 형성하도록 배치되고,
상기 반사 표면의 서로 대향하는 에지들로부터 반사된 태양열 광선은 상기 플럭스 라인의 중심부로 지향되며, 그리고
상기 반사 표면의 선택된 중심부들로부터 반사된 태양열 광선은, 상기 반사 표면의 에지들로부터 반사된 태양열 광선보다 플럭스 라인의 에지부들에 근접하여 지향되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
적어도 하나의 축을 따라 태양의 이동을 추적하는 태양열 에너지 수집 시스템의 사용에 적합한 태양열 에너지 수집기에 있어서, 상기 태양열 에너지 수집기는:
태양열 수신기; 및
공간적으로, 그리고 각도로(angularly) 연속된 반사 표면;
입사 태양광이 준선과 실질적으로 수직을 이루기 위해, 적어도 하나의 축을 따라 태양의 이동을 추적하도록 구성된 트랙킹
을 포함하고,
상기 반사 표면은, 제 1 에지, 상기 제 1 에지에 대향하는 제 2 에지 및 복수의 만곡된 반사 섹션들을 포함하고,
제 1 에지 및 상기 제 1 에지에 대향하는 제 2 에지, 각각의 반사 섹션들은 상기 반사 섹션들 중 인접한 하나의 반사 섹션의 준선과는 별개의 준선을 가진, 길이 방향으로 연장된 포물선을 포함하고,
상기 반사 섹션들의 준선은 실질적으로 평행하고,
상기 반사 표면은 비-이미징 방식으로 광을 상기 수신기로 지향시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항에 있어서,
상기 반사 표면은 각도로, 그리고 공간적으로 연속적인 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수집기는, 입사 광을, 동일한 태양열 수신기의 겹침 부분들로 동시에 지향시키도록 배치된 복수의 별개의 반사 표면들을 포함하고,
상기 반사 표면들은 각각 개별적으로 각도로, 그리고 공간적으로 연속적이지만, 상기 반사 표면들 중 적어도 하나는 서로에 대해 각도로 그리고 공간적으로 불연속적인 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수집기는 기하학적인 형태를 가지고,
상기 기하학적인 형태는 상기 수신기의 제 1 에지부에 일반적으로 근접한 반사 표면의 제 1 중심부로부터 반사된 입사 태양열 광선을 지향시키고, 상기 수신기의 제 1 에지부에 대향하게 위치된 상기 수신기의 제 2 에지부에 일반적으로 근접한 반사 표면의 제 2 중심부로부터 반사된 입사 태양열 광선을 지향시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 표면은 복수의 반사 섹션들을 포함하고,
상기 반사 섹션들 중 적어도 일부는 상기 반사 표면의 단면 형상과 유사한 기준 포물선으로부터 변화되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 6 항에 있어서,
상기 반사 섹션들 중 하나의 제 1 반사 섹션에서, 상기 기준 포물선과 상기 반사 표면과의 각도 편차는, 상기 기준 포물선과 상기 반사 표면과의 2 차 도함수 편차가 실질적으로 일정하도록, 실질적으로 선형으로 변화되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 7 항에 있어서,
상기 반사 표면의 다수의 섹션들은 상기 기준 포물선과 실질적으로 일정한 2 차 도함수 편차를 가지는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 8 항에 있어서,
상기 반사 표면의 다수의 섹션들 각각에 연관된 2 차 도함수 편차의 절대 값은 거의 같은 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 6 항에 있어서,
상기 기준 포물선은 4 분의 1의 포물선, 절반의 포물선 및 근 절반의 포물선으로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 태양열 수집기; 및
입사 태양광이 반사 표면의 단면 형상과 유사한 기준 포물선의 준선과 실질적으로 수직을 이루기 위해, 상기 입사 태양광을 복수의 반사 섹션들로 지향시키도록 구성된 트랙킹 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집 시스템.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 표면은 수집기의 동작 동안 단일 반사를 사용한 태양열 수신기로 태양광을 지향시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신기는 반사된 태양광을 태양열 수신기로 지향시키는 플럭스 라인에 인접하게 위치된 2 차 광학기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 13 항에 있어서,
상기 2 차 광학기들은 명목상 2 개의 평평한 미러들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 표면으로부터 상기 태양열 수신기로 반사된 광은 상기 태양열 수신기 상에서 플럭스 라인을 형성하고; 그리고
상기 플럭스 라인의 중간 섹션 상의 세기 변화는 20% 미만이고,
상기 플럭스 라인의 중간 섹션은 상기 플럭스 라인의 에너지의 적어도 90%를포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 표면은 상기 수신기 앞에서 높은 세기의 초점 스팟을 막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 표면은 상기 태양열 수신기 상에서 플럭스 라인을 형성하기 위해, 입사 태양광을 반사시키도록 구성되고, 제 1 에지와 제 2 에지 사이의 반사 중앙점을 포함하고;
상기 반사 표면은 상기 제 1 에지 및 상기 반사 중앙점에 의해서 경계가 이루어진 제 1 반사 영역, 및 상기 제 2 에지 및 상기 반사 중앙점에 의해서 경계가 이루어진 제 2 반사 영역을 포함하고;
상기 제 1 에지, 상기 제 2 에지 및 상기 반사 중앙점은 실질적으로 입사 태양광을 태양열 수신기 플럭스 라인의 중심으로 반사시키도록 구성되고;
상기 제 1 반사 영역은 실질적으로 상기 입사 태양광을 상기 플럭스 라인의 제 1 절반을 따라서 반사시키도록 구성되고; 그리고
상기 제 2 반사 영역은 실질적으로 상기 입사 태양광을 상기 플럭스 라인의 제 2 절반을 따라서 반사시키도록 구성되고, 상기 플럭스 라인의 제 2 절반은 실질적으로 상기 플럭스 라인의 제 1 절반과는 별개인 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신기는 광전지 태양열 전지들의 적어도 하나의 스트링을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신기는 상기 수신기 상의 입사 광에 대한 입사 각도를 최소화시키기 위해 배향되는 것을 특징으로 하는 태양열 에너지 수집기.