KR20120027269A - 비-이미징 집광기 - Google Patents

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데이비드 아젠타
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선 엣지 엘엘씨
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Abstract

장치는 동작하는 동안, 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기, 및 상기 광을 수신하기 위해 상기 출구 개구에 관해 배치된 광전 디바이스를 포함한다. 상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고, 각각의 측벽은 제1 굴절률 n1을 가진 재료로부터 형성되고, 상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 가진 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n2를 가진 재료로부터 형성되고, 및 상기 중공체는 굴절률 n3을 가진 액체를 포함하고, n3 < n1 및 n3 < n2이다.

Description

비-이미징 집광기{NON-IMAGING LIGHT CONCENTRATOR}
본 출원은 2009년 4월 27일 출원되고 "액체로 채워진 비-이미징 집광기"로 명명된 미국 가출원 번호 61/214,646호에 대한 우선권을 주장하며, 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 비-이미징 집광기 및 상기 비-이미징 집광기를 이용한 시스템에 관한 것이다.
태양 전지판들(Solar panels)은 광전 효과를 이용하여 태양광을 전기로 변환하는데 사용될 수 있다. 태양 전지판들은 일반적인 가정의 전기 필요량의 상당 부분을 공급할 수 있다. 그것들은 주로 지붕 위나 지면에 탑재되고, 또한 로컬 전기 시설에 연결되며, 전력을 직접 가정에 공급하거나, 초과량을 다시 장치로 펌핑한다. 집주인의 전기 요금을 줄이는 것과 더불어, 집주인들은 주로 과잉 전기를 직접 사업자에게로 다시 팔 수 있다. 또한 태양 전지판들은 대규모 발전소로부터 가족경영 회사까지 범위를 가진 상업적 용도에 이용된다.
비-이미징 집광기(또한 "수집기(collector)"라고도 불리며, 여기서 상호 교환적으로 이용됨)들은 전지판에 태양광을 집광시킴으로써 태양 전지판의 효율성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
집광기들은 광전지와 같은 흡수 요소에 광을 전달하기 위해 사용되는 둘 이상의 유전체 재료들로 구성될 수 있다. 유전체 재료들의 사용으로 여러 개소에서 전반사를 사용할 수 있어서, 금속 반사막(metal mirror)들의 필요성이 제거된다. 수집기들은 액체(예컨대, 물) 유전체 층을 둘러싸는 얇은 외피(thin shell)를 형성하는 하나 이상의 고체 유전체 재료들을 특징으로 한다.
수집기들이 다수의 다른 굴절률들을 가진 고체 부분들로 구성되는 실시예에 있어서, 연속적으로 변하는 굴절률을 가진 재료들(예컨대, 그레이디드 인덱스 재료들(Graded Index materials)이라 불림)과 대조적으로, 이산 광 인터페이스들을 가진 다른 재료들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 굴절률들을 가진 부분들은 집광기 출구 근처(즉, 흡수 요소 가까이)에서 주로 사용된다. 다른 굴절률들을 가진 부분들은 광이 출구 가까이 도달할수록 그 굴절률들이 더 커지도록 배치될 수 있다. 광이 출구에 더 가까이 도달할 때 수집기의 굴절률을 더욱 증가시킴으로써, 수집 비율과 수광 각도의 최대 이론적으로 허용된 곱(product)의 관점에서, 수집기가 출구에서 굴절률이 가장 높은 재료만으로 형성된 것처럼 동작시킬 수 있다고 생각된다.
일반적으로 일 측면에서, 본 발명은 동작하는 동안, 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및 상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서, 상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체(hollow body)를 포함하고, 각각의 측벽은 제1 굴절률 n1을 가진 재료로 형성되고,상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 가진 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n2를 가진 재료로 형성되고, 및 상기 중공체는 굴절률 n3을 가진 액체를 포함하고, n3 < n1 및 n3 < n2인 것을 특징으로 한다.
상기 장치의 실시예는 후술하는 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 각각의 벽은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 벽들의 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면들의 적어도 일부는 곡선 형태를 가질 수 있다. 상기 곡선 형태는 포물선 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 전체 외부 표면은 포물선 형태를 가질 수 있다. 상기 집광기는 상기 출구 벽의 반대편에 상기 측벽들에 연결된 입구 벽을 더 포함하고, 상기 입구 벽의 표면은 상기 입구 개구에 상응하고, 상기 입구 개구에 상응하는 상기 표면은 평면적 표면이다.
상기 내부 표면의 적어도 일부는 곡선 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전체 내부 표면은 포물선 또는 쌍곡선 형태를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 내부 및 외부 표면들을 동일한 형태를 가질 수 있다. 대안적으로 상기 내부 및 외부 표면들은 다른 형태를 가질 수 있다.
상기 외부 표면들의 다른 부분들은 다른 형태를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 외부 표면들의 적어도 일부는 선형적 형태를 가질 수 있다.
상기 집광기는 상기 출구 벽의 반대편에 측벽들을 연결하는 입구 벽을 더 포함하고, 상기 입구 벽의 표면은 상기 입구 개구에 상응한다. 상기 입구 개구에 상응하는 상기 표면은 평면적 표면 또는 볼록한 표면일 수 있다.
상기 출구 벽은 상기 제1 요소 및 상기 액체 사이에 배치된 제2 요소를 더 포함하고, 상기 제2 요소는 굴절률 n4를 가진 재료로 형성되고, n3 < n4 < n2일 수 있다. 상기 출구 벽은 상기 제2 요소 및 상기 액체 사이에 배치된 제3 요소를 포함하고, 상기 제3 요소는 굴절률 n5를 가진 재료로 형성되고, n3 < n5 < n4 < n2일 수 있다.
상기 제1 요소는 무기 유리 또는 폴리카보네이트와 같은 중합체로 형성될 수 있다.
n2는 1.5 이상일 수 있다.
상기 액체는 물 또는 수분함유 용액일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 액체는 글리세린일 수 있다.
임의의 실시예에서, 1.4 이하 또는 1.35 이하와 같이, n3 < 1.41일 수 있다.
상기 제1 요소는 상기 출구 표면에 대향하는 비-평면적 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 비-평면적 표면은 볼록한 표면일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 비-평면적 표면은 하나 이상의 평면 세그먼트들로 구성될 수 있다.
상기 측벽들 및 제1 요소는 동일한 재료로 형성될 수 있다. 상기 측벽들 및 제1 요소는 상기 재료의 단일 조각으로 형성될 수 있다.
임의의 실시예에서, n1=n2.
상기 집광기는 완전-유전체 집광기일 수 있다.
상기 집광기는 금속 구성요소들을 포함하지 않을 수 있다.
일반적으로, 다른 측면에서, 본 발명은 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및 상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서, 상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고, 상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면 및 상기 출구 표면에 대향하는 입구 표면을 구비하는 제1 요소를 포함하고, 상기 입구 표면은 비-평면적 표면이고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고, 상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치를 특징으로 한다.
장치의 실시예는 상기 언급한 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일반적으로, 다른 측면에서, 본 발명은 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및 상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서, 상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고, 상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 측벽들은 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 측벽 각각은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 측벽들의 상기 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면의 형태는 상기 내부 표면의 형태와 다르고; 상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 갖는 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고, 상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치를 특징으로 한다.
장치의 실시예는 상기 언급한 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일반적으로, 다른 측면에서, 본 발명은 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및 상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서, 상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고, 상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 측벽들은 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 측벽 각각은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 측벽들의 상기 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면의 형태는 곡선 부분 및 선형 부분을 포함하고, 상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 갖는 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고, 상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치를 특징으로 한다.
장치의 실시예는 상기 언급한 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
집광기의 실시예들은 후술하는 장점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 집광기들은 종래 집광기들(예컨대, 이미지 형성 집광기들)보다 더 큰 수광 각도를 갖는다. 예를 들어, 흡수 요소에 가장 가까운 수집기의 측면에 일련의 굴절 요소들을 포함하는 것은, 특히, 굴절 요소들의 굴절률들이 단조 증가하고, 가장 높은 굴절률 요소가 상기 흡수 요소에 인접하는 경우에, 하나의 굴절 요소만 특징으로 하는 유사한 수집기와 비교하여 더 큰 수집 각도를 제공할 수 있다.
집광기들은 그들의 대용량 매체로서 안전하고, 저가의 액체들(예컨대, 물)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 집광기는 물로 채워질 수 있는 중공체를 정의할 수 있고, 여기서 물은 수집된 광에 대해 최초 굴절 매체의 역할을 한다.
집광기들은 다른 구성요소들에 대하여 저가 재료들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 집광기들은 투명한 폴리머들 및/또는 무기 유리들과 같은 고체 유전체 재료들로 형성된 중공체를 특징으로 할 수 있다. 상대적으로 적은 고체 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 집광기의 대부분은 액체(예컨대, 물)로 구성될 수 있다. 집광기들은 금속 재료들을 전혀 포함하지 않을 수 있다.
집광기들을 사용하는 모듈들은 태양 트래킹 시스템을 사용하지 않고 태양 전력을 1년 내내(또는 거의 1년) 제공할 수 있다. 예를 들어, 집광기들 충분히 큰 수집 각도들을 가질 수 있고, 태양 전지판에 탑재된 경우, 아열대 및 온대 지방의 고정된 위치로부터 1년 내내 전기를 공급할 수 있다.
하나 이상의 실시예들의 상세한 설명은 첨부된 도면들 및 이하 상세한 설명에서 개시된다. 다른 특징들 및 이점들이 상세한 설명 및 도면으로부터, 또한 청구 범위로부터 명확해질 것이다.
도 1은 태양광 수집 시스템의 실시예의 투시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 태양광 수집 시스템의 단면도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 태양광 수집 시스템 일부의 단면도이다.
도 2a는 태양광 수집 시스템의 다른 실시예의 단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 태양광 수집 시스템 일부의 단면도이다.
도 3a는 태양광 수집 시스템의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 태양광 수집 시스템 일부의 단면도이다.
도 4는 수집기의 실시예의 단면도이다.
도 5는 수집기 일부의 단면도이다.
도 6은 수집기를 포함하는 태양 전지판의 실시예의 사시도이다.
도 7은 태양 전지판 시스템의 실시예의 개요도이다.
다수의 도면들에서 동일한 기호들을 동일한 요소들을 나타낸다.
도 1a를 참조하면, 태양광 수집 시스템(100)은 수집기(110) 및 태양 전지와 같은 흡수 요소(150)를 포함한다. 수집기(110)는 광범위한 각도에 걸친 입사 태양 방사를 흡수 요소(150)상에 모으도록 동작한다.
수집기(110)는 한 축(도시된 데카르트 좌표 시스템의 y축)을 따라 연장되는 2개의 굽은 측벽들(120 및 122)로 구성된 중공체(hollow body; 130)를 구비한다. 측벽들(120 및 122)은 y-z 평면에 평행한 기준 평면(101)에 대하여 대칭이다. 수집기(110)는 중공체(120)에 대한 벽을 형성하는 측벽들(120 및 122)의 가장자리 사이에 연장하는 출구 벽(exit wall; 138)을 일단에 포함한다. 출구 벽(138)은 수집기(110)에 대한 출구 개구(exit aperture)에 상응한다. 수집기(110)에서, 출구 벽(138)은 각각 140 및 142로 라벨된 2개의 굴절 요소들로 구성된다. 흡수 요소(150)는 출구 벽(138)의 출구 표면(115)에서 수집기(110)에 부착된다. 또한 수집기(110)는 출구 벽(138)으로부터 수집기(110)의 반대측에 있는 입구 벽(128)을 포함한다. 입구 벽(128)은 수집기(110)를 위한 입구 개구에 상응한다.
또한 도 1b를 참조하면, 측벽들(120 및 122)은 각각 내부 표면(각각 1202 및 1222) 및 외부 표면(각각 1201 및 1221)을 갖는다. 일부 실시예에서, 도 1a 및 1b에 도시된 실시예에 관련하여, 측벽들에 대한 내부 및 외부 표면들의 형태는 동일하므로 측벽들(120 및 122)은 일정한 두께를 갖는다. 측벽 표면 형태는 수집기(110)에 입사하는 광을 흡수 요소(150)에 지향시킴으로써 집광 효과를 제공하도록 선택된다. 여기서, 측벽 표면 형태는 x-y 평면에 있는 측벽 표면들의 곡률을 참조한다. 임의의 실시예에서, 측벽 표면들은 도 1b에 도시된 것처럼 포물선 형태이다.
측벽들(120 및 122)은 제1 굴절률 N1을 갖는 재료로 형성된다. 일반적으로, 여기 사용된 것처럼, "굴절률"은 수집기가 동작할 수 있는 전자기 스펙트럼(예컨대, 근자외선(UV)으로부터 근적외선(IR) 영역까지와 같이, 가시 스펙트럼을 포괄하는 범위 내)의 일부에 있는 재료의 굴절률을 말한다. 다른 매체의 굴절률과 비교되는 경우, 동일한 파장에서 비교되어야 한다. 측벽들(120 및 122)에 대한 예시적인 재료들이 이하 논의된다. 일반적으로 N1 > 1이다. 예를 들어, N1은 1.4 이상(예컨대, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상, 1.9 이상. 2.0 이상)일 수 있다.
중공체는 굴절률 N2 > 1인 유체(예컨대, 물과 같은 액체)로 채워져있다. 일반적으로 N1은 N2와 다르다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, N1 > N2이다. 일부 실시예에서 N2는 1.6 이하(예컨대, 1.55 이하, 1.5 이하, 1.45 이하, 1.41 이하, 1.4 이하, 1.35 이하)이다.
입구 벽(128)은 중공체(120)와 대면하는 내부 표면(1282), 및 내부 표면(1282) 반대측의 외부 표면(1281)을 갖는다. 입구 벽(128)은 평평하고, 평행한 표면들(x-z 평면에 평행)인 내부 및 외부 표면들(1282 및 1281)을 가진 평면적 요소이다.
또한 굴절 요소들(140 및 142)은 평행하고 평평한 표면들을 가진 평면적 요소들이다. 구체적으로, 굴절 요소(140)는 내부 표면(1401) 및 외부 표면(1402)을 갖는다. 굴절 요소(142)는 굴절 요소(140)의 외부 표면(1402)과 인터페이스를 형성하는 내부 표면(1421)을 갖는다. 굴절 요소(142)의 외부 표면은 수집기(110)의 출구 표면(115)이다.
입구 벽(128) 및 출구 벽(140 및 142)은 관심 파장(예컨대, 300nm에서 1,100nm)에서 실질적으로 투명한 재료들로 형성된다. 굴절 요소(140)는 굴절률 N4를 가진 재료로부터 형성된다. 일부 실시예에서, N4 > N2이다. 굴절 요소(142)는 N4와 다른 굴절률 N5(예컨대, N4 초과)를 가진 재료로 형성된다. 임의의 실시예에서, N5 > N4 > N2이다.
수집기(110)는 후술하는 바와 같이 흡수 요소(150)에 광을 모으도록 동작한다. 다각도에 걸쳐 입구 벽(128)에 입사하는 광에 있어서, 그 광은 외부 표면(1281)에서 굴절하고, 내부 표면(1282)에서 다시 굴절하여 몸체(130)내로 투과한다. 명백히, 표면(1282)에 수직으로 입사하는 광은 굴절되지 않지만, 비-수직 각도에서 입사하는 광은, 입구 벽(128)이 주변 환경(일반적으로 공기)의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 가지기 때문에, 평면(101)쪽으로 굴절될 것이다. 라인 L은 예시적인 인입 광선을 도시한다. 광선 L은 몸체(120)를 충전하는 매체를 통해 전파하고, 측벽(120)의 내부 표면(1202)에 입사한다. 여기서, 광의 일부는 측벽(120)으로 투과되고, 한편, 광의 일부는 몸체(120)로 반사된다. 투과된 부분은 외부 표면(1201)에 입사하고 거기서 반사되며, 적어도 일부는 표면(1202)에서 몸체(120)로 다시 투과되어, 표면(1202)에서 초기에 반사되는 광에 평행하게 전파한다. 표면(1202)에서 초기에 반사되는 광의 이러한 경로를 L1이라 라벨을 붙이고, 표면(1201)에서 반사되는 광의 경로를 L2라 라벨을 붙인다. 일반적으로, N1이 주변 분위기의 굴절률보다 더 크기 때문에, 전반사는 외부 표면(1201)에서 일어날 수 있고, 경로 L을 따라 전파하는 광은 측벽(120)을 통해 수집기(110)로 빠져나가지 않는다. 구체적으로, 전반사는 빛이 임계각보다 큰 입사각에서 표면(1201)상에 입사하는 경우에 일어날 것이다. 일부 실시예에서, 유체의 굴절률 N2가 측벽(120)의 굴절률 N1보다 큰 경우, 광의 전반사는 내부 표면(1202)에서 일어날 수 있고, 경로 L을 따라 표면에 입사하는 모든 광은 경로 L1을 따라 반사된다.
도 1c를 참조하면, L1 및 L2를 따라 전파하는 광은 굴절판(140)의 표면(1401)에서 굴절한다. N4가 N2보다 크므로, 이 광은 평면(101) 쪽으로 굴절한다. 이 광은 표면(1402)과 굴절 요소(142)의 표면(1421) 사이의 인터페이스에서 다시 굴절된다. N5가 N4보다 더 큰 경우, 광은 그 광이 굴절 요소(142)로 들어갈 때 평면(101) 쪽으로 다시 굴절한다. 광은 출구 표면(115)을 통해 굴절 요소(142)를 빠져나와 흡수 요소(150)에 닿는다.
자연적으로, 입구 벽(128)에 입사하는 광 중 적어도 일부는 어느 측벽으로부터도 반사하지 않고 몸체(130)를 통해 전파한다. 예를 들어, 평면(101)에서 입구 벽(128)에 수직 입사하는 광은 어느 측벽에도 닿지 않을 것이다. 또한 매우 큰 입사각으로 입구 벽(128)에 입사하는 소정 광은 흡수 요소(150)에 수집되지 않을 것이다. 예를 들어, 큰 각도(예컨대, 60°이상)로 입사하는 광은 표면(1281)으로부터 대부분 반사될 것이고, 또는 몸체(130)에 투과되는 광은, 거의 수직 입사각에서 측벽에 닿을 것이고, 측벽을 통해 투과될 것이다. 따라서, 입사 광이 흡수 요소(150)에 수집될 수 있는 입사각의 범위가 존재한다. 일반적으로, 이러한 범위는 수집기(110)를 형성하는 다양한 요소들의 기하학적 구조 및 그들의 굴절률들 모두에 의존한다. 각도의 범위는 수광 각도 θmax에 의해 파라미터로 나타낼 수 있고, 이 수광 각도는 흡수 요소에 수집되는 광이 수광 개구의 가장자리에 입사하는 가장 큰 각도에 상응한다. 일부 구현에 있어서, 수광 각도는 15°이상(16°이상, 17°이상, 18°이상, 19°이상, 20°이상, 21°이상, 22°이상, 23.5°이상, 25°이상, 28°이상, 예컨대, 35°까지, 30°까지)일 수 있다.
일반적으로, 수집기(110)의 물리적 사이즈는 수집기가 광을 모으는데 필요한 흡수 요소(150)의 사이즈에 의존하여 다양할 수 있다. 임의의 구현예에서, 상대적으로 작은 크기가 요구된다. 예를 들어, 수집기가 옥상에 설치하기 위한 태양 전지판 시스템의 일부인 경우, 상대적으로 작은 디자인이 더 큰 수집기들과 연관된 지나친 무게를 피하기 위해 요구된다.
일부 실시예에서, 수집기(110)는 약 10cm 이하(약 8cm 이하, 약 7cm 이하, 약 6cm 이하, 약 5cm 이하, 약 4cm 이하)의 높이를 갖는다. 여기서, 높이는 y-축을 따른 수집기의 치수를 말한다.
일반적으로, 측벽(120 및 122), 입구 벽(128), 및 굴절 요소(140 및 142)로 형성된 말단 벽은 중공체(130) 내에 유체를 유지하기 위해 요구되는 기계적 강도를 제공하기 위해 충분히 두꺼워야 한다. 하지만 재료비용 및 수집기의 무게를 줄이기 위해 상대적으로 얇은 것이 이 요소들에게 유리하다(특히, 유체로 수집기를 채우기 전에). 일부 실시예에서, 측벽들(120 및 122)은 0.5mm에서 약 5mm의 범위 내 두께(예컨대, 약 1mm, 약 1.5mm, 약 2mm, 약 2.5mm, 약 3mm)를 갖는다.
입구 벽(128)의 두께는 원하는 만큼 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 입구 벽은 약 5mm 이하(약 3mm 이하, 약 2mm 이하, 약 1mm 이하, 약 0.5mm 이하)의 두께를 가질 수 있다. 일반적으로 입구 벽(128)은 부하가 걸리지 않기 때문에, 측벽(120, 122) 및 출구 벽(138)에 비해 상대적으로 얇을 수 있다.
출구 벽(138)은 수집기(110)의 다른 구성요소를 위한 충분한 구조적 지지를 제공하기 위해 충분히 두꺼워야 한다. 실시예에서, 출구 벽(138)은 약 5mm 이상(약 6mm 이상, 약 7mm 이상, 약 8mm 이상, 약 10mm 이상, 약 12mm 이상, 약 15mm 이상, 약 20mm 이상)의 두께를 갖는다.
또한 출구 벽(138)을 구성하는 굴절 요소의 상대적 두께는 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 굴절 요소(140 및 142)는 동일한 두께를 갖는다. 대안적으로, 굴절 요소(140 및 142)의 상대적 두께는 다를 수 있다. 예를 들어, 요소(140)의 두께는 요소(142) 두께의 50% 이상(예컨대, 75% 이상, 125% 이상, 150% 이상, 200% 이상)일 수 있다. 실시예에서, 요소(140) 및/또는 요소(142)는 1mm 이상(예컨대, 2mm 이상, 3mm 이상, 4mm 이상, 5mm 이상, 6mm 이상, 7mm 이상, 8mm 이상, 9mm 이상, 10mm 이상, 11mm 이상, 12mm 이상, 13mm 이상, 14mm 이상, 15mm 이상)의 두께를 갖는다. 각 요소의 두께는 수집기(110)의 수집 효율을 증가시키기 위해 선택될 수 있다.
일반적으로, 굴절 요소(들)의 두께는 집광기의 원하는 수광 각도, 및 액체와 굴절 요소들의 굴절률들에 의존한다. 또한 각 굴절 요소의 두께 및 굴절률을 설정할 때, 경제적 인자들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 일반적으로, 더 높은 굴절률의 재료들이 더 낮은 굴절률의 재료들보다 더 비싼 경향이 있고, 특히 약 1.55 - 1.6보다 큰 굴절률을 가진 재료들은 비싸다. 따라서, 임의의 실시예에서, 흡수 요소로부터 가장 멀리 떨어진 굴절 요소가 가장 두꺼운 굴절 요소들이고, 굴절 요소들의 가장 낮은 굴절률을 갖는다. 굴절 요소들은 그들이 흡수요소에 가까워질수록 점점 얇아질 수 있다.
또한 수집기(110)의 폭도 변할 수 있다. 여기서 폭이라 함은 x-방향으로 수집기의 치수를 말한다. 일반적으로 수집기는 입구 개구에 상응하는 입구 벽(128)에서 최대 폭를 갖는다. 일반적으로 최대 폭은 수집기의 높이보다 작다. 일부 실시예에서, 수집기(110)는 8cm 이하(예컨대, 6cm 이하, 5cm 이하, 4cm 이하, 3cm 이하)의 폭을 갖는다.
일반적으로, 수집기(110)는 입구 벽(128)으로부터 출구 표면(115)쪽으로 좁다. 입구 벽(128)과 출구 표면(115)의 폭 비율이 수집기의 집광력(collection power)을 정의한다. 예를 들어, 입구 벽(128)의 폭이 출구 표면(115) 폭의 5배인 실시예는 5의 집광력을 갖는다(5X 수집기라고 함). 일반적으로, 수집기(110)의 집광력은 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 수집기(110)는 약 3X에서 약 10X까지의 범위 내(예컨대, 약 4X 이상, 약 5X 이상, 약 6X 이상, 약 7X 이상, 약 8X 이상)의 집광력을 갖는다.
일반적으로, 흡수 요소(150)는 실리콘-기반 태양 전지(예컨대, 단- 또는 다-결정 실리콘, 아모퍼스 실리콘, 박막 실리콘)와 같은 광전 디바이스이다. 다른 반도체를 기반으로 한 광전 소자들(예컨대, 구리 인듐 갈륨(di) 셀렌(CIGS))이 사용될 수도 있다. 소정의 응용에 있어서, 흡수요소는 멀티-접합 광전 셀(multi-junction photovoltaic cell)이다. 일부 구현에 있어서, 흡수 요소(150)는 소형-분자 또는 중합 유기 반도체를 기초로 한 태양 전지들과 같이, 유기 광전 디바이스가 될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 흡수 요소는 열 전달 흡수자일 수 있다. 일부 실시예에서, 수집기 자체는 예를 들어, 수집기에서 사용되는 온수를 쿨링 루프를 통해 제공함으로서 열 전달 흡수자로서 기능할 수 있다.
수집기(110)가 일정 두께 및 포물선 표면을 가진 측벽들을 특징으로 하지만, 일반적으로, 다른 측벽 형태들이 가능하다. 일반적으로, 측벽들의 형태는 상대적으로 얇지만(예컨대, 상대적으로 낮은 재료비를 유지함), 중공체 내 유체 무게, 및 필드에서 접할 가능성이 있는 환경적 스트레스들(온도 변화, 바람 및 강수)을 견디기 위해 충분한 기계적 강도를 제공하면서 높은 집광 효율성을 제공하도록 선택된다. 측벽 표면 형태는 예컨대 장래 형태들의 성능을 모델링 및 최적화하는 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 이용하여 결정될 수 있다.
일반적으로, 외부 및 내부 측벽 표면들의 형태는 수집기의 동작을 최적화하도록 동시적으로 변할 수 있는 여러 가지 자유 파라메터들 중 각 하나이다. 다른 자유 파라메터들은 수집기의 각 부분에 대한 굴절률, 입구 표면의 형태, 및 굴절 요소(들) 표면의 형태(들)를 포함한다.
임의의 구현에 있어서, 입구 벽의 외부 표면 또는 측벽 외부 표면 형태 중 하나를 먼저 선택하고, 그 쌍 중 다른 것을 선택하고 마지막으로 측벽 내부 프로필 및/또는 출구 굴절기(들)의 형태를 선택하여, 집광기를 효율성, 집약성 또는 다른 원하는 특성들에 대하여 최적화할 수 있다.
일부 실시예에서, 입구 벽의 외부 표면은 도 1에 도시된 것처럼 평평한 것으로 선택될 수 있고, 측벽들의 외부 표면은 포물선일 수 있다. 임의의 실시예에서, 입구 벽의 외부 표면은 볼록할 수 있고(예컨대, 구형 또는 원통형과 같은 원형), 측벽들의 외부 표면은 쌍곡선일 수 있다(이하 도 4 참조). 어느 경우라도, 전체 측벽 형태로부터의 국지적 출발은 출구 굴절기(들)의 기하학적 구조 및/또는 측벽 내부 표면 형태를 변화시킴으로써 허용될 수 있다. 일반적으로, 이들은 일부(주로 자명한) 경우들에 있어서만 해석적인 해결책들이 존재하므로 수치적으로 결정되어야 한다.
일부 실시예에서, 수집기들은 다른 형태들을 가진 세그먼트들로 구성된 측벽 표면들을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 측벽 표면의 한 세그먼트가 제1 포물선 형태를 가질 수 있는 반면, 동일한 표면의 다른 세그먼트가 다른 포물선 형태 또는 비-포물선 형태(예컨대, 선형 형태, 더 높은 차수의 다항식, 또는 쌍곡선 형태)를 갖는다. 일부 실시예에서, 측벽들은 셋 이상의 세그먼트(예컨대, 3개 이상의 세그먼트들, 4개 이상의 세그먼트들, 5개 이상의 세그먼트들)를 가진 표면들로 구성될 수 있다.
임의의 실시예에서, 내부 및 외부 측벽 표면들은 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 내부 및 외부 측벽 표면들은 다른 포물선 형태들을 가질 수 있다. 임의의 실시예에서, 내부 측벽 표면의 적어도 한 세그먼트는 포물선일 수 있고, 외부 표면의 인접한 세그먼트는 비-포물선 형태(예컨대, 선형 형태, 더 높은 차수의 다항식 형태, 또는 쌍곡선 형태)일 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예에서, 외부 측벽 표면의 적어도 한 세그먼트는 포물선일 수 있고, 내부 표면은 비-포물선 형태(예컨대, 선형 형태, 더 높은 차수의 다항식 형태, 또는 쌍곡선 형태)일 수 있다.
더 나아가, 측벽들(120 및 122)은 일정한 두께를 갖고, 일부 실시예에서 수집기들은 가변 두께를 가진 측벽들을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 수집기는 입구 벽으로부터 출구 벽쪽으로 두께가 증가하는 측벽들을 특징으로 할 수 있다. 그러한 측벽들은 입구 벽에 가까울수록 상대적으로 얇은 측벽들이, 출구 벽에 가까울수록 두꺼운 측벽에 의해 지지될 수 있는, 구조적인 장점을 제공할 수 있다. 또한 가변 두께의 측벽들은 일정 두께의 측벽들을 가진 유사한 수집기들에 비하여 향상된 수집 효율성을 제공할 수 있다.
앞서 언급한 것처럼, 굴절 요소(들)의 형태는 수집기 구성요소들의 형태를 최적화할 때, 자유 파라메터로서 다루어질 수 있다. 그래서 수집기(110) 내 굴절 요소들(140 및 142)이 형태면에서 평면이고, 평행하고 평평한 표면을 갖는 반면, 일부 실시예에서, 말단 벽들(140 및/도는 142)은 하나 이상의 비-평면 표면들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 수집기(210)는 굴곡있는 표면을 가진 굴절 요소들(240 및 242)을 포함한다. 구체적으로, 굴절 요소(240)는 볼록한 내부 평면(2401) 및 오목한 외부 표면(2402)을 포함한다. 굴절 요소(242)의 내부 표면(2421)은 외부 표면(2402)을 따라 볼록한 형태이다. 출구 표면(115)은 평면이다.
일부 실시예에서, 수집기들은 구분된 평면 표면(piece-wise planar surface)을 가진 굴절 요소를 포함한다. 예를 들어, 도 3a 및 3b를 참조하면, 수집기(310)는 여러 평면 부분들로 구성된 내부 표면(3401)을 가진 굴절 요소(340)를 포함한다. 이러한 부분들은 표면(3401)이 일반적으로 평면이지만 기준 평면(101)에 관한 중심에 돌출부(ridge)를 갖도록 배열된다. 도시한 것처럼, 돌출부는 사다리꼴 형태, 즉, 평평한 중심부와 2개의 경사면 측면을 갖는 형태를 취한다. 이러한 경사진 측면을 지나가는 광선은 굴절 요소의 실질적으로 수평한 부분을 지나는 광선과 다른 각도에서 굴절된다. 그러한 굴절 요소는 사다리꼴 모양의 돌출부를 채택한, 구분된 평면 상위 표면을 가진 것으로 말할 수 있다. 다른 구분된 평면 표면들 또한 가능하다.
표면들(3401 및 3421)의 이러한 형태는 집광기의 유효 수집 각도를 더 증가시키도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 기능면에서, 이러한 볼록한 굴절 요소들은 원통형 렌즈와 유사한 기능을 수행하여 입사광을 흡수 요소(150)쪽으로 집속한다.
일반적으로, 각 부분의 폭 및 x-축에 관한 각도 방향은 원하는 만큼 변경할 수 있다. 이하 설명하는 것처럼, 이러한 각각의 파라메터 값들은 컴퓨터 모델링을 통해 결정되어 수집기에 대한 향상된 집광 효율성을 제공할 수 있다.
수집기(110)가 2개의 굴절 요소들(140 및 142)을 갖는 반면, 일반적으로 수집기들은 단일 굴절 요소를 구비한 출구 벽들, 또는 각각이 인접한 굴절 요소와 다른 굴절률을 갖는 셋 이상의 굴절 요소들을 구비한 출구 벽들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 출구 벽들은 3개 이상의 굴절 요소들(예컨대, 4개 이상, 5개 이상, 6개 이상, 7개 이상, 8개 이상의 굴절 요소들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수집기들은 증가하는 굴절률을 가진 3개 이상의 인접한 굴절 요소들을 포함할 수 있고, 가장 큰 굴절률을 가진 굴절 요소는 흡수 요소(150)에 인접하여 배치된다.
더 나아가, 평평한 입구 표면(1281) 및 출구 표면(1282)을 가진 입구 벽(128)은 수집기(110, 210 및 310)에서 평면이지만, 일반적으로 입구 벽(120)도 굽은 평면들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 수집기(410)는 구형의 볼록한 입구 표면(4281) 및 표면(4281)에 평행한 오목한 출구 표면(4282)을 가진 입구 벽(428)을 갖는다. 입구 표면(4281)이 구형이지만, 일반적으로 입구 표면의 곡률은 구형 또는 비구면일 수 있다. 이러한 곡률은 예컨대, 입구 벽의 효과에 집속 효과(focusing effect) 때문에, 평평한 입구 표면을 가진 유사한 수집기들에 비하여 수집기(410)의 수집 각도를 증가시킬 수 있다.
수집기(410)는 둘 다 쌍곡선의 외부 표면들을 가진 측벽들(420 및 422)을 가질 수 있다. 그 측벽들의 정밀한 형태의 선택은 이하 더 논의된다. 또한 수집기(410)는 단일 굴절 요소로 형성된 출구 벽(440)을 포함한다. 출구 벽은 중앙 돌출부(441)를 포함하는 입구 표면(424)을 포함한다. 또한 출구 벽(440)은 굽은 옆 표면들(4401 및 4402)을 특징으로 한다. 표면들(4401 및 4402)은 측벽들의 외부 표면들과 동일한 형태를 가지거나, 다른 곡률을 가질 수 있다. 예를 들어, 표면들(4401 및 4402)의 형태는 수집기(410)의 효율성을 더 강화시키기 위해 측벽들의 형태와 독립적으로 최적화될 수 있다.
표면(4282)은 표면(4281)과 평행하지만, 일부 실시예에서, 이 표면은 다른 곡률(예컨대, 평면, 볼록 또는 오목)을 가질 수 있다. 예를 들어, 입구 벽은 이중 볼록 렌즈 또는 볼록-오목 렌즈(예컨대, 동일하지 않은 곡률을 가짐)일 수 있다. 임의의 실시예에서, 입구 벽은 프레넬 렌즈(예컨대, 단면 또는 양면 프레넬 렌즈)일 수 있다.
일부 실시예에서, 측벽들의 내부 표면들은 출구 벽의 입구 표면과 함께 연속적으로 굽어져 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 출구 벽 표면(424)은 측벽(422)의 내부 표면으로부터 출구 벽(440)을 거쳐 측벽(420)까지 연속적으로 굽은 표면이다. 표면(424)은 출구 벽(440)의 중앙에 돌출부(441)를 포함한다. 돌출부(441)는 평평한 중앙 부분을 갖지만, 출구 벽들의 내부 표면으로 완만하게 굽는다.
그러한 수집기에서, 측벽들 및 출구 벽은 단일, 연속한 재료의 조각으로 형성될 수 있다.
일반적으로, 다양한 재료들은 수집기(110)의 다른 구성요소들에 사용될 수 있다. 일반적으로, 벽들(120, 122, 128 및 138)은 투명한 중합 재료 또는 무기 유리와 같은 임의의 적절한 투명 재료로 만들어진다. 구조의 재료들은 집중된 광을 받는 특정 흡수 요소와 양립할 수 있도록 선택되어야 한다. 선택적으로, 중공체의 벽들은 상대적으로 높은 굴절률을 가져야하고, 스펙트럼의 원하는 부분(예컨대, 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선 부분)에 투명해야 하고, 내구성이 있어야 한다. 예를 들어, 이러한 구성요소들은 폴리카보네이트("PC")(예컨대, UV 안정화된 PC)로부터 만들어질 수 있지만, 폴리 메틸메타크릴레이트("PMMA")와 같은 다른 투명 중합 재료들(예컨대, UV 안정화된 PMMA)이 이용될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 재료들이 이용될 수 있다. 예를 들어, UV 안정화 및 불안정화 PC 둘 다 상업적으로 이용가능하다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성요소들은 무기 유리로부터 만들어질 수 있다. 일반 굴절률
Figure pct00001
1.52인 크라운 유리(crown glass), 또는 굴절률이 1.45 내지 2.00의 범위에 있는 플린트 유리(flint glass)와 같은 수많은 형태의 유리가 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 출구 벽(138)은 서로 다른 유리로 형성된 굴절 요소로 구성될 수 있다. 예를 들어, 크라운 유리(굴절률이 1.52임)는 굴절 요소(140)에 이용될 수 있는 반면, 플린트 유리(예컨대, SK로 지칭되고, 굴절률이 1.746임)는 굴절 요소(142)에 이용된다.
약 10% 산화칼륨을 포함하는 알칼리-라임(RCH) 규산염으로부터 생산된 "크라운 유리"로 명명된 특정 재료뿐만 아니라, 유사한 속성을 가져 크라운 유리라고 불리는 다른 광학 유리들이 있다. 일반적으로 "크라운 유리"라 함은 50 내지 85 범위의 아베수(Abbe number)를 가져 유리를 말한다. 예를 들어, Schott BK7로 알려진 붕규산 유리(borosilicate glass)가 정밀 렌즈에 이용되는 일반적인 크라운 유리이다. 약 10% 산화 붕소를 포함하는 붕규산은 우수한 광학적 및 기계적 특성들을 갖고, 화학적 및 환경적 손상에 강하다. 크라운 유리들에 이용되는 다른 첨가물은 산화 아연(zinc oxide), 오산화인(phosphorus pentoxide), 산화바륨(barium oxide), 및 플루오라이트(fluorite)를 포함한다.
일반적으로 플린트 유리들은 1.45 및 2.00 사이 범위의 굴절률들을 갖는다. 상기한 특정 플린트 유리(SK 지칭됨)는 62% PbO, 33% SiO2, 5% K2O의 조성을 갖는다.
또한 굴절 요소들은 티타니아(Titania; TiO2)와 같은 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 2.58의 굴절률을 가진 브루카이트(Brookite)라 불리는 결정 형태를 갖는 티타니아가 이용될 수 있다. 예를 들어, 3 이상의 굴절 요소들을 특징으로 하는 실시예에서, 흡수 요소(150)에 가장 가까운 굴절 요소가 티타니아로 형성될 수 있다.
임의의 실시예에서, 입구 벽은 UV에서 투과성이 낮은 재료(예컨대, UV 불투명 재료)로 형성된다. 예를 들어 가시광에 일반적으로 사용되는 많은 유리들은 UV 불투명이다. UV 불투명 또는 안정화된 중합체도 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 수집기 몸체의 나머지 부분은 UV 안정화 재료들로 만들어질 필요는 없다. 예를 들어, 입구 벽에 의한 UV 광의 흡수 또는 반사가 다른 수집기 구성요소들의 UV 노출을 상당히 감소시키는 경우, 그 구성요소들의 UV 안정성에 대한 요건이 완화될 수 있다.
수집기 전체 몸체는 단일 유닛으로 형성될 수 있고, 또는 수집기는 예컨대 접착제로 함께 적절히 연결되는 개별 구성요소들로 구성될 수 있다.
중공체(120)를 채우는 유체는 집광기를 만드는데 사용되는 다른 재료들과 호환되는 투명한 임의의 액체일 수 있다. 일반 염분 또는 수용성 유기 액체들을 함유하는 것과 같은, 물 및 수분 함유 용액도 적절한 것으로 고려된다. 굴절률이 1.47인 글리세린도 이용될 수 있다. 특정 예로서, 일부 실시예에서, 수집기는 PC(1.586의 굴절률을 가짐)로 구성된 측벽들 및 출구 벽을 포함하지만, 중공체는 물(1.32 굴절률을 가짐)로 채워진다. 재료들의 이러한 조합에 의해 수광 각도가 18.5°이고, 집광력이 5X인 집광기를 상대적으로 낮은 가격에 얻을 수 있다.
상기 설명은 기준 축을 따라 균일한 단면을 가진 트로프-형태(trough-shaped) 수집기들을 언급하였으나, 다른 구성들도 가능하다. 예를 들어, 균일한 단면을 갖지 않은 수집기들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수집기는 x-z 평면에서 타원형 또는 원형을 가질 수 있다.
일반적으로, 수집기들은 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 수집기들은 Winston의 미국 특허 번호 4,240,692호(이하, "'692 특허"라 함)에서 개시한 복합 포물선 집광기(CPC's)의 설계 원리들에 기초하여 설계될 수 있고, 전체 내용은 참조로서 여기 포함된다. '692 특허의 등식 (7)에서, 단일 광학 매체로 형성된 CPC의 수광 각도 θmax는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00002
여기서 n은 수집기의 상대 굴절률, 즉, CPC의 굴절률 대 주변 매체(예컨대, 공기)의 굴절률에 비율이다. 이 등식은 후술하는 논의에서 언급할 것이다.
설명을 쉽게 하기 위해, 이하 설명하는 집광기들은 입구는 위, 출구는 아래를 향하는 것으로 가정한다. 그 집광기를 채우는 재료들의 굴절률은 상대적으로 낮은 굴절률 재료(예컨대, N2, 충전 유체 굴절률), 중간 굴절률 재료(예컨대, N1, 측벽 굴절률), 및 상대적으로 높은 굴절률 재료(N4 또는 N5, 굴절 요소 굴절률)에 상응하는 NdLow, NdMid, 및 NdHigh로서 간단히 언급된다.
일부 실시예에서, 2층 집광기는 후술하는 것처럼 설계될 수 있다. 여기서 제1 층은 유체로 채워진 중공체에 상응하는 수집기의 일부로서 고려될 수 있고, 제2층은 예컨대, 출구 벽에 있는 굴절 요소에 상응한다. n=NdHigh를 고려할 때, 상기 θmax를 위한 등식에 의해 허용되는 수광 각도를 가진 포물선 수집기 프로필을 선택함으로써 시작한다. 계산 또는 시뮬레이션에 의해, 측벽의 곡률이 NdLow인 굴절률의 재료가 CPC로 동작하도록 허용하기에 너무 가파른 경우 그 측벽의 한 지점을 찾는 것이 간단하다.(즉, 그 지점에서, 그 측면의 곡률은 수광 각도로 입사하는 광선들을 전반사(TIR)에 의해 반대측 초점으로 반사하기에 너무 크기 때문에, 그 광선들이 그 지점에서 집광기로부터 이탈한다). 이 지점은 중공체 및 출구 벽의 굴절 요소 사이의 차단(cutoff)을 설정한다. 이 지점 아래에서, 수집기는 NdHigh 재료로 채워지고(즉, 굴절 요소에 상응); 그 지점 위에서, NdLow 재료는 충분할 것이다(즉, 유체로 채워진 중공체).
일부 실시예에서, 이러한 설계 원리는 부분-선형적 형태인 측벽 표면들을 가진 2층 집광기를 포함하기 위해 확장될 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 2층 설계는 NdLow/Ndhigh 경계(510; 예컨대, 유체로 채워진 중공체와 출구 벽 사이의 경계에 상응함) 아래에서 포물선 프로필을 유지하고, 그 위에서 선형 섹션(520)을 포함하는 새 프로필을 계산함으로써 향상될 수 있다. 선형 섹션(520)은 경계(520)가 측벽을 만나는 위치에 있는 지점(521), 및 후술하는 것처럼 설정된 지점(522) 사이에서 확장한다. 먼저, 출구 표면의 한 지점(521)에서 반사되는 광선(530)의 입사각을 결정한다. 이것은 도 5에서 R로 라벨된다. 다음으로, 반대 측벽이 각도 R에서 출구 표면을 만나는 지점으로부터 광선(532)을 추적한다. 지점(522)은 광선(532)이 제1 측벽을 만나는 지점이다. 선형 섹션(520)의 방향은 각도 S로부터 설정되고, S는 지점(521)에서 측벽의 탄젠트(tangent) 각이다.
소정 실시예에서, 추가 선형 섹션들이 후술하는 것처럼 더해질 수 있다. 추가 광선이 반대 초점으로부터 확장되고 굴절되어, 광선 각도는 -R(즉, R과 평행하지만 반대 방향)과 축(501)에 평행한 것(수집기의 대칭 평면에 놓임) 사이에서 변화할 수 있다. 이러한 광선들 각각에 대해, -R로부터 시작하여, 벽 프로필은 작은 선형 세그먼트들로 확장되고, 이 세그먼트들은 광선을 수광 각도로 반사하는 각도에 있다. 그 벽 각도가 집광기 축에 평행할 때, 세그먼트들의 추가가 정지한다.
일부 실시예에서, 효율성은 NdLow-NdHigh 경계를 입구 벽쪽으로 올리고, 그 경계 아래에서 포물선 프로필을 유지함으로써 더욱 증가될 수 있다. 예를 들어, 경계가 새 경계 높이에 대해 발견된 522 아래라면, 측벽은 선형 섹션에 의해 확장될 수 있다. 선형 섹션 위에서(또는 선형 섹션이 필요 없다면 경계에서), 측벽은 앞서 언급한 작은 반사 세그먼트 방법에 의해 확장될 수 있다.
그 경계를 올릴 높이는 예를 들어, 더 높은 Nd 재료들이 더 낮은 것들보다 보통 더 비싸기 때문에, 재료들의 추가비와 획득된 추가 효율성의 값 사이 비교에 의존할 수 있다.
추가적인 굴절 요소들이 예를 들어, 후술하는 방법론을 이용하여 더해질 수 있다. 원칙적으로, 2개의 굴절 요소들을 가진 수집기는, 2개의 굴절 경계들에 의해 분리되어 상이한 굴절률로 된 3개의 분리된 층들을 가진 3층 수집기로서 고려될 수 있다. 실시예들에 있어서, 포물선 경계는 제1 경계 아래에 유지될 수 있다. 각도 S 및 R은 상기 설명한 것처럼 계산된다. S는 NdLow를 가진 재료의 측벽이 주어진 수광 각도에서 전반사에 의해 광을 반사할 수 있는 가장 가파른 각도임을 주의한다. 유사한 각도 S' 및 R'도 계산될 수 있고, S'는 NdMid 재료(예컨대, 상단 굴절 요소)를 위한 측벽 각도이고, R'는 NdHigh로 굴절될 때, 그로부터 굴절되는 광의 각도이다.
선형 섹션은 측벽에 추가될 수 있지만, 경험적 결과들은 측벽을 확장하기 위해 작은 반사 세그먼트 방법의 변화를 사용하는 것이 더 좋다고 제안할 수 있다. 그러나 광선 각도는 반대 초점에서가 아닌, 경계점으로부터의 광선이 출구와 교차하는 지점에서 시작한다. 추가적으로, 광선 각도는 -R' 내지 -R에서만 변한다.
이러한 곡선 섹션 위에, 선형 섹션은 각도 R로 확장될 수 있고, 그 종단 지점은 반대 초점으로부터 광선을 시작하고, 매개 재료들을 통해 그 광선을 굴절하고, 선형 섹션과의 교차점을 발견함으로써 결정된다. 마지막으로, 곡선 섹션은 NdMid에 의해 야기되는 굴절과 더불어, 2층 수집기에 대해 상기 설명되는 방법을 이용하여 선형 섹션으로부터 확장될 수 있다.
3층들 사이의 경계들은 2층 시스템을 위해 앞서 설명한 동일한 원리를 이용하여 조절될 수 있다. 여기서, 추가적인 측벽은 2층 시스템을 위해 앞서 설명한 것처럼 생성될 수도 있다. 또한 경계들은 NdMid-NdLow 경계가 NdHigh-NdMid 경계 위에 유지되는한, 서로에 독립적으로 올려질 수 있다. 일반적으로, 경계들의 특정 위치는 2층 시스템에 관하여 앞선 논의한 효율성 대 비용의 상보 관계(trade off)에 의존할 수 있다.
일부 실시예에서, 예시로서, 도 4에 도시된 수집기(410)와 같은 쌍곡선 집광기는 후술하는 것처럼 설계될 수 있다. 그러한 실시예들은 일반적으로 쌍곡선 외부 측벽 프로필, 및 그 외부 측벽에 대개 평행하지만, 소정 지점에서 출구 벽의 내부 표면을 형성하기 위해 측벽으로부터 돌아오는 내부 측벽 프로필을 특징으로 한다. 그들은 후술하는 것처럼 설계될 수 있다.
첫째로, 집광기를 제작하기 위한 재료들이 선택되어야 한다: 입구 표면, 측벽들, 출구 벽(각 굴절 요소에 대해), 및 액체.
다음으로, 원하는 설계 파라메터들이 선택된다. 일반적으로 쌍곡선 집광기에 있어서, 이들은 수광 각도, 집광 비율(즉, 입구 개구 치수에 대한 출구 개구 치수의 비), 및 입구 벽 곡률이다. 측벽들의 폭도 또한 선택된다.
설계 파라메터로부터, 한 가지는 예를 들어, Xiachui Ning이 지은 "유전체 전반사하는 집광기들" 어플라이드 옵틱스(Applied Optics)지, 26권, 2번, 1987년 1월 15일에 설명된 방법을 이용하여, 입구 벽에 의해 집속된 광의 초점, 및 입구 렌즈로부터 광선이 초점으로 가는 각도를 계산한다. 간단히 하기 위해, 제1 사분면 각도들 및 수직 방향으로 배향된 집광기를 이용할 수 있다. 집광기는 입구 표면이 위- 출구 벽이 아래로 되도록 배향되고, 외부 광선들은 오른쪽 위로부터 들어온다. 광이 오른쪽으로부터 들어오기 때문에, 집광기의 좌 측벽 및 출구 벽 입구 표면의 반쪽의 좌측을 설계하고, 이후에 대칭에 의해 오른쪽 측벽 및 출구 벽의 오른쪽 반쪽을 결정한다. 입구 벽의 말단은 카르테시안 좌표(+/-집광 비율, 0)에 배치된다. 집광기는 음의 y 좌표를 가질 것이고, 출구의 말단은 x=+/-1이 될 것이다. 양의 렌즈 끝 광선이 선 x=-1과 교차하는 곳을 결정함으로써 집광기의 최소 y-좌표(높이)를 계산한다.
다음으로, 외부 측벽 표면의 쌍곡선 등식이 계산된다. 이것은 y 값들이 최소 높이 이하로 되도록 지점 (x, y)을 통해 반복하고, 또한 입구 벽의 음의 말단을 통과하고 렌즈 초점의 초점들 및 양의 집광기 출구(1,y)를 갖는 쌍곡선을 산출하는 -1 이하의 x를 결정함으로써 수치적으로 행해진다.
외부 측벽 프로필은 음의 렌즈 말단에서 시작하여, 입구 렌즈로부터 액체로 통과하거나 측벽을 통과하는 광이 전반사를 회피하는 지점까지 생성될 수 있다. 내부 측벽은 계산된 외부 측벽의 말단과 렌즈 초점들 사이에서 동일한 광선 상의 지점 아래 폭을 이용하여 계산된다.
이 지점에서, 내부 측벽 표면은 외부 측벽 표면으로부터 곡선으로 멀어져(curve away), 외부 측벽에서의 전반사에 의해 광을 집광기 내에 유지하도록, 그 광을 굴절시킨다. 또한 연속적이라면 외부 측벽은 일반적으로 원하는 집광기 음의 출구를 지나가지 않지만, 집광기의 외부를 통과하는(즉, x<-1 위치) 점에 주의하여야 한다. 그래서 내부 측벽 표면을 안으로(즉, 집광기 축 쪽으로) 구부려야할 뿐만 아니라, 외부 표면(즉, 출구 벽의 외부 표면)도 그렇게 해야 한다.
이론에 의해 한정되지 않고, "충분히 얇은" 벽들을 가진 쌍곡선 측벽은 오직 내부 및 외부 측벽 표면들은 평행한 곳에서, 집광기 양(positive)의 출구로 광을 굴절시켜야 한다. 측벽 표면들이 발산하는 경우, 측벽 외부 표면에 의해 반사되는 광선이 출구에 도달하지 않고, 대신 출구 위의 반대 (오른쪽) 측벽에 의해 집광기를 빠져나갈 가능성이 있다.
"누광(light leak)"의 정도를 결정하기 위해, 출구 벽 입구 표면의 다른 2개의 특징들을 고려할 수 있다. 예를 들어, 출구 요소 표면이, 특정 모양에 관계없이, 계속적으로 구분가능(differentiable)하고 위로 오목해진다고 가정해보자. 첫번째 특징은 집광기 양의 출구로부터 온 광선에 대한 탄젠트인 출구 벽 입구 표면상의 지점이다(또한 외부 측벽 프로필을 생성하는 쌍곡선의 초점임). 내부 측벽을 지나가고 이 지점("탄젠트 지점") 위의 외부 측벽으로부터 반사하는 광선들은 출구 요소 표면을 교차하고, 출구상의 지점으로 굴절되거나 반사될 것이다.
두번째 특징은 렌즈 초점으로부터의 광선이 출구 요소 표면에 직교하는 지점("직교 지점")이다. 직교 지점 및 아래의 광선들은 출구 벽 입구 표면에 의해 충분히 굴절되며, 따라서 광선들이 쌍곡선 외부 측벽으로부터 굴절될 때, 그들은 출구에 도달한다.
그러므로 "누광"의 정도는 쌍곡선 외부 측벽상으로 2개의 광선들의 투사들에 있어서 차이에 의해 결정된다: 하나는 탄젠트 포인트를 통한 광선의 투사이고, 다른 하나는 렌즈 초점으로부터 광선의 직교 지점에 대한 투사이다. 이러한 투사된 지점들 사이에서, 집광기의 설계 수광 각도와 근접한 각도로 집광기에 도달하는 광은 집광기로부터 "누출"되어야한다(즉, 출구 개구를 지나가지 못함). 광의 도달 각도가 수광 각도로부터 떨어짐에 따라 누출의 크기는 감소되어야 하고 결국 사라져야 한다.
누광의 크기를 최소화하기 위한 다양한 방법들이 있다. 예를 들어, 한가지 방법은 측벽 재료를 그 재료가 실제로 갖는 굴절률보다 작은 굴절률을 가진 것처럼 취급하고, 그 측벽 재료를 지나가는 광선들을 굴절시키기 위한 출구 벽 표면의 각도를 간단히 계산하여, 측벽이 낮은 유효 굴절률에서 광선을 전반사할 수 있도록 하는 것이다. 내부 측벽들이 외부 측벽에 평행하게 되는 것으로부터 굽는 지점에서 돌출점(cusp)을 피하기 위해, 굴절률의 감소는 완만하게 행해질 수 있다. 출구 요소 표면을 찾는 이 방법은 "낮은 실효 굴절률 방법"이다. 낮은 굴절률의 적절한 값들 및 누광의 크기를 최소화하도록 완만하게 감소시키는 인자는 경험적으로 용이하게 결정될 수 있다.
이러한 방법으로 설계된 도 4에 도시된 수집기에 있어서, 누광은 최대 한도에서 측벽의 약 5.5%의 영향을 미쳐서, 이상적인 94.5%의 집광기를 산출할 수 있다. 추가적인 효율성 향상은 예를 들어 비구면 입구 벽 외부 표면을 이용하여 가능할 수 있다.
출구 벽 입구 표면 및 외부 표면들은 직교 지점 및 상기 설명한 투사에 도달하기 위해 반복적으로 확장될 수 있다.
외부 측벽 표면상의 직교 투사 지점으로부터, 외부 표면은 안쪽으로 편향될 수 있고, 따라서 집광기 음(negative)의 출구에 도달한다. 이를 위한 다양한 방법들도 가능하다. 예를 들어, 직교 지점 및 그의 투사 지점을 지나가는 광선이 측벽에 의해 양의 집광기 출구 지점으로 반사되지만, 이 2개의 표면들이 기존의 방법들즉, 기존 쌍곡선상의 외부 표면을 확장하고, 낮은 실효 굴절률 방법에 의해 출구 요소 표면을 연장함을 이용하여 확장된다면, 수광 각도로 집광기에 입사하여 이들 지점 오른쪽/아래로 통과할 광선들은 출구 요소 표면에 의해 굴절될 것이고, 측벽에 의한 반사되고, 더 작은 x 좌표들을 가진 출구를 지나갈 것이다. 즉, 외부 표면의 곡률은 광선들이 양의 집광기 출구 지점을 지나가도록 조절될 수 있고, 이것은 외부 표면이 음의 집광기 출구 지점에 근접하여 통과하도록 한다.
일부 실시예에서, 낮은 실효 굴절률 방법을 이용하고, 외부 표면을 안쪽으로 편향시킴으로써, 실제의 보다 큰 임계 전반사 각도는 출구 벽 표면에 의해 굴절되는 광선들에 대하여 달성되고, 또한 충분한 편향을 제공하여 광선이 음의 집광기 출구 지점에 매우 근접하여 통과하도록 한다. 그렇지 않으면, 유효 굴절률을 천천히 낮추고, 출구 벽 입구 표면 모양 및 외부 표면 모양을 재계산하여 적절한 값을 빠르게 찾을 수 있다. 이를 행함으로써, 외부 표면 프로필이 완성된다. 출구 벽 입구 표면은 한 지점까지 확장될 수 있고, 수광 각도로 양의 렌즈 코너로부터 상기 한 지점을 지나가는 광선은 음의 집광기 출구 지점에서 측벽 프로필의 말단으로 굴절된다.
앞서 말한 실시예들은 평면에서 모두 대칭적이지만(예컨대, 집광기의 축에 관하여 대칭적인 수광 각도를 가짐), 다른 구조들도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 비대칭 수광 각도를 가진 수집기들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 비대칭은 입구 벽, 측벽들 및/또는 굴절 요소들에 도입되어, 수집기의 한 측면으로부터 다른 측면으로 수광 각도의 변화를 초래할 수 있다.
그러한 수집기들을 소정 응용들에 있어서 유용할 수 있다. 예를 들어, 대부분의 상업적인 빌딩들은 평평한 지붕들을 갖지만, 1년 내내 태양광 수용을 위해, 지붕에 있는 수집기들을 태양의 평균 연간 각도(mean yearly angle)로 지향시켜야 한다. 이는 기울어진 프레임 상에 하나의 수집기(예컨대, 대칭적 수광 각도를 가짐)를 탑재하는 것을 의미한다. 그러나 일부 실시예에서, 비대칭 수광 각도를 가진 수집기를 사용할 수 있고, 그것들을 수직으로 탑재할 수 있다.
상기 설명한 태양광 수집 시스템들은 다양한 응용에 이용될 수 있고, 수집한 광을 패널에 배치된 흡수 요소들의 배열에 제공하기 위해 일반적으로 그룹화될 수 있다. 도 6을 참조하면, 예를 들어, 다중 태양 수집기 시스템들은 태양 전지판 모듈(600)에 배열될 수 있다. 여기서, 모듈(600)은 다수의 수집기들(630)이 함께 배열된 하우징(610)을 포함한다. 각 수집기(630)는 입사한 복사에너지를 상응하는 흡수 요소(640; 예컨대, 상응하는 광전 요소)상에 집속한다. 모듈(600)은 수집기들 각각에 입구 벽들을 제공하는 투명 커버(620)를 포함한다.
일부 실시예에서, 태양 수집기 시스템들은 시스템 온도를 관리하는 냉매 루프를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들은 열을 방사하는 디바이스(예컨대, 방열기 또는 열 교환기)와 함께, 그 루프에 연결된 펌프를 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 열 관리 장치는 댁내 온수를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 온수를 제공하는 열 교환기를 포함할 수 있다. 또한 일부 실시예에서, 수집기에서 이용되는 액체(예컨대, 물)는 시스템의 냉매로서 또한 기능할 수 있다. 따라서, 냉매 루프는 수집기들의 중공체들로의 공급 및 배출 피드(feed)들을 포함할 수 있다. 냉매로서의 물이 특정 장점들을 제공할 수 있음을 주의한다: 예를 들어, 실리콘 태양 전지들에 대한 밴드갭(bandgap) 아래의 IR에서 실질적으로 불투명하고, 이는 상당한 입사 열들이 태양 전지들이 아니라 물에서 끝나는 것을 의미한다. 둘째로, 상대적으로 큰 비열(specific heat)을 갖고, 상대적으로 작은 체적이 많은 열을 저장하거나 방출하도록 사용될 수 있다.
상기 언급한 것처럼 태양 수집기 시스템들을 포함하는 모듈들은 다양한 다른 상황들에 놓일 수 있다. 예를 들어, 모듈들은 주거용 주택들(예컨대, 한 가구 또는 다가구 주택들), 상업용 빌딩들(예컨대, 쇼핑 몰 또는 사무 빌딩들) 또는 산업 빌딩들(예컨대, 공장들)에 탑재될 수 있다. 보통 모듈들은 그들이 탑재된 빌딩에 전기를 공급하는데 이용된다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 태양 모듈 시스템(700)은 빌딩(730)에 탑재되고, 레귤레이터(720)를 통해 빌딩의 전기 공급원에 연결된 다수 모듈들(710)로 구성된다. 일부 실시예에서, 또한 모듈들은 빌딩(730)에 더하여 공공 배전망(701)에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 빌딩(730)으로부터 수요가 상대적으로 낮을 때마다, 레귤레이터(720)는 배전망(701)에 잉여 전기를 전달할 수 있다. 역으로, 빌딩(730)으로부터의 수요가 시스템(700)의 생성 용량을 초과할 때, 추가 전기는 배전망(701)으로부터 공급될 수 있다.
상기한 것처럼, 큰 수광 각도들을 가진 수집기들은 트래킹 시스템 없이 모듈들에 사용되어, 예컨대, 아열대 또는 온대 지역들에 설치되는 경우에도, 1년 내내(또는 1년 중 9-10개월 동안과 같이, 거의 1년) 전기를 공급할 수 있다.
다른 실시예들도 후술하는 청구항 범위 내에 있다.

Claims (40)

  1. 동작하는 동안, 입구 개구(entrance aperture) 및 출구 개구(exit aperture)로부터 광을 전달하는 집광기(light concentrator); 및
    상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서,
    상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체(hollow body)를 포함하고,
    각각의 측벽은 제1 굴절률 n1을 가진 재료로 형성되고,
    상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 가진 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n2를 가진 재료로 형성되고, 및
    상기 중공체는 굴절률 n3을 가진 액체를 포함하고, n3 < n1 및 n3 < n2인 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 각각의 벽은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 벽들의 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면들의 적어도 일부는 곡선 형태를 갖는 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 곡선 형태는 포물선 형태인 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전체 외부 표면은 포물선 형태를 갖는 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 집광기는 상기 출구 벽의 반대편에서 상기 측벽들을 연결하는 입구 벽을 더 포함하고, 상기 입구 벽의 표면은 상기 입구 개구에 상응하고, 상기 입구 개구에 상응하는 표면은 평면적 표면인 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 곡선 형태는 쌍곡선 형태인 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전체 외부 표면은 쌍곡선 형태를 갖는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기는 상기 출구 벽의 반대편에서 상기 측벽들을 연결하는 입구 벽을 더 포함하고, 상기 입구 벽의 표면은 상기 입구 개구에 상응하고, 상기 입구 개구에 상응하는 표면은 볼록한 표면인 장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 표면의 적어도 일부는 곡선 형태를 갖는 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전체 내부 표면은 포물선 또는 쌍곡선 형태를 갖는 장치.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 및 외부 표면들은 동일한 형태를 갖는 장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 및 외부 표면들은 다른 형태를 갖는 장치.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 외부 표면들의 다른 부분들은 다른 형태를 갖는 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 외부 표면들의 적어도 일부는 선형적 형태를 갖는 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기는 상기 출구 벽의 반대편에서 상기 측벽들을 연결하는 입구 벽을 더 포함하고, 상기 입구 벽의 표면은 상기 입구 개구에 상응하는 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 입구 개구에 상응하는 상기 표면은 평면적 표면인 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 입구 개구에 상응하는 상기 표면은 볼록한 표면인 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 출구 벽은 상기 제1 요소와 상기 액체 사이에 배치된 제2 요소를 더 포함하고, 상기 제2 요소는 굴절률 n4를 가진 재료로 형성되고, n3 < n4 < n2인 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 출구 벽은 상기 제2 요소와 상기 액체 사이에 배치된 제3 요소를 포함하고, 상기 제3 요소는 굴절률 n5를 가진 재료로 형성되고, n3 < n5 < n4 < n2인 장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 요소는 무기 유리(inorganic glass)로 형성되는 장치.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 요소는 중합체(polymer)로 형성되는 장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 중합체는 폴리카보네이트(polycarbonate)인 장치.
  23. 청구항 1에 있어서,
    n2는 1.5 이상인 장치.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체는 물 또는 수분함유 용액인 장치.
  25. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체는 글리세린인 장치.
  26. 청구항 1에 있어서,
    n3 < 1.41인 장치.
  27. 청구항 1에 있어서,
    n3은 1.4 이하인 장치.
  28. 청구항 1에 있어서,
    n3은 1.35 이하인 장치.
  29. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 요소는 상기 출구 표면의 반대편에 비-평면적 표면을 갖는 장치.
  30. 청구항 1에 있어서,
    상기 비-평면적 표면은 볼록한 표면인 장치.
  31. 청구항 1에 있어서,
    상기 비-평면적 표면은 하나 이상의 평면 세그먼트들로 구성되는 장치.
  32. 청구항 1에 있어서,
    상기 측벽들의 내부 표면은 상기 제1 요소의 표면과 연속적으로 굴곡된 장치.
  33. 청구항 1에 있어서,
    상기 측벽들 및 제1 요소는 동일한 재료로 형성되는 장치.
  34. 청구항 33에 있어서,
    상기 측벽들 및 제1 요소는 상기 재료의 단일 조각(a single piece of the material)으로 형성되는 장치.
  35. 청구항 1에 있어서,
    n1=n2인 장치.
  36. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기는 완전-유전체 집광기인 장치.
  37. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기는 금속 구성요소들을 포함하지 않는 집광기인 장치.
  38. 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및
    상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서,
    상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고,
    상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면 및 상기 출구 표면에 대향하는 입구 표면을 구비하는 제1 요소를 포함하고, 상기 입구 표면은 비-평면적 표면이고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고,
    상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치.
  39. 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및
    상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서,
    상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고,
    상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 측벽들은 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 측벽 각각은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 측벽들의 상기 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면의 형태는 상기 내부 표면의 형태와 다르고;
    상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 갖는 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고,
    상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치.
  40. 동작하는 동안 입구 개구 및 출구 개구으로부터 광을 전달하는 집광기; 및
    상기 출구 개구에 관해 배치되어 상기 광을 수신하는 광전 디바이스를 포함하는 장치로서,
    상기 집광기는 한 쌍의 이격된 측벽들 및 상기 측벽들을 연결하는 출구 벽으로 형성된 중공체를 포함하고,
    상기 측벽들은 제1 방향을 따라 확장하고, 상기 측벽들은 상기 제1 방향을 따라 확장한 기준 평면에 대해 대칭적으로 배열되고, 측벽 각각은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 측벽들의 상기 내부 표면들은 서로 대면하고, 상기 기준 평면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외부 표면의 형태는 곡선 부분 및 선형 부분을 포함하고,
    상기 출구 벽은 상기 출구 개구에 배치된 출구 표면을 갖는 제1 요소를 포함하고, 상기 제1 요소는 제2 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고,
    상기 중공체는 굴절률 n2를 가진 액체를 수용하고, n2 < n1인 장치.
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