(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光型光起電力システムであって、
集光型光学ユニットを備え、前記集光型光学ユニットは、集光した照光を形成するために光線を反射する表面を有しており、前記集光型光起電力システムはさらに、
前記集光型光学ユニットによって反射された反射光線を前記集光型光学ユニットの焦点を通過した後に受取るよう位置付けられた湾曲した受光器と、
前記湾曲した受光器の表面に取付けられた１組の太陽電池と、
位置付けアセンブリとを備え、前記位置付けアセンブリは前記湾曲した受光器を前記集光型光学ユニットに取付け、
前記湾曲した受光器の受光するための前記表面は前記集光型光学ユニットに対して凹であり、
前記湾曲した受光器は、前記反射光線が前記焦点を通過した後に前記１組の太陽電池の表面に、前記１組の太陽電池の前記表面にほぼ垂直な角度で当たるような形状を有した、
集光型光起電力システム。
【請求項２】
前記１組の太陽電池は単一の太陽電池である、請求項１に記載の集光型光起電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽電池を用いてエネルギを生成するための方法および装置に関する。より特定的には、この発明は、集光型光起電力システムで太陽電池を用いてエネルギを生成するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
ある種の太陽エネルギは、電気を生成するために太陽電池の使用を伴う。この種のソーラーパワー技術は、光起電力技術とも呼ばれる。使用される太陽電池は、光子を電気に変換する半導体デバイスである。個々の太陽電池はグループ化されてモジュールを形成してもよく、それらは次に、ソーラーアレイと呼ばれるグループになるよう構成されてもよい。集光型光起電力技術は、化石燃料といった他のエネルギ源に対して太陽エネルギのコストを競争力のあるものにする鍵として広く認識されている。
【０００３】
集光型光起電力技術では、太陽光が大きな領域から集められ、反射および／または屈折光学部品の何らかの組合せの使用により、比較的小さい受光器領域上に集光される。受光器領域は、太陽光を電気に変換する１つ以上の太陽電池で覆われている。受光器領域上に太陽光を集光することは、太陽電池の効率を高める。加えて、太陽光を集光することにより、所与のパワー出力を生成するために必要とされる太陽電池の数が少なくなる。
【０００４】
このように、比較的高価な太陽電池の構成要素のコストが減少するため、電気を生成するコストが削減される。集光型光起電力システムでは、追跡システムを使用して空を渡る太陽を追跡し、太陽光の焦点を受光器領域の太陽電池上に保つ。集光型光起電力システムが適正に機能するには、太陽光は太陽電池上に精密にかつ均一に焦点を結ぶ必要がある。現在、この焦点合わせは、光を受光器領域に向ける集光型光学素子の形状の設計を通して達成されてきた。
【０００５】
反射および／または屈折光学部品の光学素子は、受光器領域の通常平坦な焦点面上に、均一で高強度の照光を生成するよう設計されている。受光器の平坦な焦点面上に均一な高強度の照光を達成することは難しく、高精度の光学部品を必要とする。反射系はミラーなどの素子を用いて太陽光を反射し、太陽電池上に集光する。屈折系はレンズを用いて太陽光を太陽電池上に集光する。いずれの場合も、反射／屈折した光を電池表面上で均一に分布させるために、ホモジナイザが使用されてもよい。
【０００６】
多くの場合、受光器領域における太陽電池の効率を最大化するには、ミラー、レンズ、およびホモジナイザの複雑な組合せが必要とされる。実際には、究極の光学効率の達成と手頃なコストでの光学素子の生成との間で折り合いがつけられることが多い。
【０００７】
さらに、この種のシステムは高精度追跡システムを必要とする。典型的には、５００ｘより大きいといった高い集光度を得るために、太陽に対する追跡誤差が０．５度未満の追跡システムがよく使用される。
【０００８】
加えて、太陽電池で覆われた受光器領域全体にわたって、均一な高強度の照光を生成する必要がある。これらの高強度照光のパワー密度は、たとえば５０〜１００Ｗ／ｃｍ2であってもよい。これらの種類のパワー密度は非常に高いシステム効率を提供できるだけでなく、１つの太陽電池内で、および１つの回路において接続された太陽電池間において大きな電位差を生じさせることもできる。照光が均一でない場合、太陽電池において電流出
力の差が生じる。これらの差は抵抗パワー損失および太陽電池内の予測不可能な電界につながる場合があり、劣化を引き起こして太陽電池の故障につながる。
【０００９】
集光型光学部品の費用、性能、および／または集光型光起電力システムにとって受入れ可能と考えられる信頼性レベルとの間で、折り合いが通常つけられる。この種のシステムでは、光は受光器領域の電池上に、直角からずれた（９０度未満の）角度で当たる。直角からずれた照光については、電池は入射光に対してより小さい断面を提示する。その結果、有効な照光がしばしば低減する。たとえば、約５００倍の集光度を用いる典型的なシステムについては、直角からずれた角度は３０度にもなることがよくある。この種の角度では、照光強度は１５％よりも多く低減する場合がある。そのような角度のずれた照光では、集光された照光ビームの光学経路の若干のずれにより、ビームの一部が電池の受光器領域に当たり損なうことが起こり得る。これらのずれは、追跡誤差、光学部品の欠陥、熱膨張による光学部品の変形、または風荷重などによって生じる場合がある。
【００１０】
直角の入射照光にとって最適化された太陽電池上の反射防止コーティングによって、二次的影響が生じる。その結果、直角からずれた照光は、太陽電池によって吸収されパワーに変換されるというよりもむしろ、太陽電池から反射される傾向にある。この影響を緩和するためにホモジナイザを使用してもよい。しかしながら、この種の素子は光学損失に寄与し、集光型光起電力システムのコストを増大させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このため、エネルギを生成するために集光型光起電力システムを手頃なコストで作り出すことは困難である。したがって、太陽電池上に集光するための改良された方法および装置を有することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の概要
この発明の一実施例は、集光型光学部材を有する装置を提供し、集光型光学部材は集光した照光を形成するために光の向きを直す。この装置はまた、向きを直された光を受取るよう位置付けられた湾曲した表面を有する構造と、構造の湾曲した表面に接続された１組の太陽電池とを有し、湾曲した表面は、１組の太陽電池のすべてが、向きを直された光を、ほぼ同じ強度で受取るように形作られている。
【００１３】
別の有利な実施例は、集光型光学部材を有する装置を含み、集光型光学部材は集光した照光を形成するために光の向きを直す。この装置はまた、向きを直された光を受取るよう位置付けられた湾曲した表面を有する構造と、構造の湾曲した表面に接続された１組の太陽電池とを含む。湾曲した表面は、１組の太陽電池のすべてが、向きを直された光を、１組の太陽電池のすべての表面にほぼ直角の角度で受取るように湾曲している。
【００１４】
さらに別の有利な実施例は、集光型光学ユニットを含む集光型光起電力システムを有し、集光型光学ユニットは湾曲した表面を有し、湾曲した表面は光線を反射する。このシステムは、集光型光学ユニットによって反射された反射光線を受取るよう位置付けられた湾曲した受光器と、湾曲した受光器の表面に取付けられた１組の太陽電池とを含む。湾曲した受光器は、反射光線が１組の太陽電池の表面に、表面にほぼ垂直な角度で当たるような形状を有する。
【００１５】
特徴、機能および利点は、この発明のさまざまな実施例において個々に達成可能であり、またはさらに他の実施例において組合されてもよい。
【００１６】
この発明の特色であると思われる新規な特徴を、添付された請求項において述べる。しかしながら、この発明自体、使用の好ましい態様、そのさらなる目的および利点は、以下のこの発明の有利な一実施例の詳細な説明を添付図面とともに読んで参照することにより、最良に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の有利な一実施例が実現され得る太陽光発電システムを示す図である。
【図２】この発明の有利な一実施例に従った集光型光起電力システムを示す図である。
【図３】この発明の有利な一実施例に従った別の集光型光起電力ユニットの図である。
【図４】この発明の有利な一実施例に従った受光器の図である。
【図５】この発明の有利な一実施例に従った受光器の図である。
【図６】この発明の有利な一実施例に従った受光器の図である。
【図７】この発明の有利な一実施例に従った別の集光型光起電力ユニットの図である。
【図８】この発明の有利な一実施例に従った別の集光型光起電力ユニットの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明の詳細な説明
ここで図面、特に図１を参照すると、この発明の有利な一実施例に従った太陽光発電システムを示す図が示されている。太陽光発電システム１００は、この発明の異なる実施例が実現され得る太陽光発電システムの一例である。
【００１９】
太陽光発電システム１００は、集光型光起電力ユニット１０２と、充電レギュレータ１０４と、ストレージ１０６と、インバータ１０８とを含む。集光型光起電力ユニット１０２は、太陽光からエネルギを生成するために１つ以上の太陽電池を含む受光器領域を有する集光型光学部品を含む。充電レギュレータ１０４は、集光型光起電力ユニット１０２が生成した電気をストレージ１０６またはインバータ１０８に向けるために使用される。充電レギュレータ１０４は、ストレージ１０６のバッテリが充電されることを確実にし、これらのバッテリを放電から保護する。ストレージ１０６は、これらの例のための光学構成要素である。インバータ１０８は、電力網１１０による使用のためにＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するために使用される。図示された特定の構成および構成要素は例示のためであり、異なる実施例が実現され得るアーキテクチャを制限するよう意図されてはいない。
【００２０】
これらの例示的な実施例では、集光型光起電力ユニット１０２の受光器は、これらの種類のシステムで現在使用されているほぼ平坦な受光器領域から変更されている。この発明の有利な一実施例に従った集光型光起電力ユニット１０２では、集光型光学部品によって作られた湾曲した焦点面に整合する、湾曲した受光器が使用されている。
【００２１】
次に図２を参照すると、この発明の有利な一実施例に従った集光型光起電力システムを示す図が示されている。この例では、集光型光起電力システム２００は、集光型反射光学ユニット２０２と、湾曲した受光器２０４とを含む。
【００２２】
図示されているように、湾曲した受光器２０４は、集光型反射光学ユニット２０２からの集光した照光が湾曲した受光器２０４上に位置する太陽電池に直角に入射可能となるように表面２０６が湾曲するよう、凸形状をしている。言い換えれば、集光型反射光学ユニット２０２に当たる光線２０８、２１０、２１２、２１４、２１６、および２１８は、約
９０度の角度で表面２０６に当たるように反射される。別々の光線が湾曲した受光器２０４の表面２０６に到達する角度は、すべてほぼ同じ角度である。
【００２３】
その結果、表面２０６上の太陽電池の照光は、すべての太陽電池についてほぼ同じである。このように、湾曲した受光器２０４に対する太陽電池のパワー出力を最大化するために、表面２０６全体での入射角はいずれも、要望どおり約９０度であってもよい。また、単一の太陽電池に別々の角度で当たる光、または１つの回路において接続された太陽電池群に別々の角度で当たる光に関連する問題が減少する。このように、電池で生じる電流出力はより均一に保たれ、抵抗パワー損失の減少および予測不可能な電界の減少につながって、これらの電池の劣化を低減させる。
【００２４】
この特定の実施例では、これらの利点は、光線２０８、２１０、２１２、２１４、２１６、および２１８といった光線がほぼ同じ角度で表面２０６に当たるように表面２０６を湾曲させることによって提供される。これらの例では、所望の角度は約９０度、または表面２０６にほぼ垂直である。
【００２５】
ここで図３に移ると、この発明の有利な一実施例に従った別の集光型光起電力ユニットの図が示されている。この例では、集光型光起電力ユニット３００は、図１の集光型光起電力ユニット１０２を実現するために使用され得るシステムの一例である。この図示された例では、集光型屈折光学部品３０２は、図２に示したようなミラーではなく、集光型レンズの形を取っている。この特定の実施例では、集光型屈折光学部品３０２はフレネルレンズである。図示のとおり、受光器３０４も、現在使用されている受光器システムのように平坦ではなく、湾曲している。受光器３０４の表面３０６は、１つ以上の太陽電池を含む。これらの太陽電池は、光線３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、および３２０といった光線が集光型屈折光学部品３０２を通って受光器３０４の表面３０６に向けられる際にエネルギを生成する。
【００２６】
表面３０６は、これらの光線が入射光として表面３０６に当たるように湾曲している。言い換えれば、これらの光線は、湾曲した表面３０６に約９０度の角度で当たる。表面３０６は、同じ回路における１つの電池または別々の電池の一部がいずれもほぼ同じ量のエネルギを生成するよう、これらの光線がいずれもほぼ同じ角度で当たるように湾曲している。この均一な電流出力は、現在使用されているシステムと比較して、より長い電池寿命につながる。
【００２７】
ここで図４に移ると、この発明の有利な一実施例に従った受光器の図が示されている。この例では、受光器４００は、図２の受光器２０４の一例である。この特定の実施例では、受光器４００は湾曲した受光器ヒートシンク４０２を含む。湾曲した受光器ヒートシンク４０２の表面４１０上に、フレキシブル太陽電池４０４、４０６、４０８が搭載されている。この特定の例では、これらのフレキシブル太陽電池は、湾曲した受光器ヒートシンク４０２の湾曲した形状に沿っている。フレキシブル太陽電池４０４、４０６、４０８は、入手可能な任意のフレキシブル太陽電池を用いて実現されてもよい。フレキシブル電池は、スペクトロラブ（Spectrolab）社から入手可能な薄い多重接合材料、結晶シリコン電池、または薄膜太陽電池材料から作られてもよい。これらの材料は、たとえば、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、セレン化インジウム銅、セレン化ガリウムインジウム銅、または有機材料であってもよい。この例では、湾曲した受光器ヒートシンク４０２は、太陽電池４０４、４０６、４０８が搭載された単一のヒートシンクである。
【００２８】
次に図５に移ると、この発明の有利な一実施例に従った受光器の図が示されている。この例では、受光器５００は湾曲した受光器ヒートシンク５０２を含み、それはこの例では
単一の部材である。湾曲した受光器ヒートシンク５０２の表面５００上に、太陽電池５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、および５１４が搭載されている。この特定の例では、これらの太陽電池はフレキシブル電池ではなく、湾曲した受光器ヒートシンク５０２の湾曲した形状に沿うようにタイル状に並べられた硬い平坦な電池である。
【００２９】
ここで図６に移ると、この発明の有利な一実施例に従った受光器の図が示されている。湾曲した受光器ヒートシンク６００は、図２の受光器２０４または図３の受光器３０４を実現するために使用され得る受光器の一例である。この例では、受光器６００は、ヒートシンク６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、および６１２を含む。これらのヒートシンク上に、太陽電池６１４、６１６、６１８、６２０、６２２、および６２４が搭載されている。図５に示す太陽電池と同様に、これらの太陽電池は硬い平坦な電池であり、単一の太陽電池が各ヒートシンクに搭載されている。ヒートシンク６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、および６１２は、図示したような湾曲した形状に沿うように構造および受光器６００上にタイル状に並べられている。
【００３０】
これらの例で示す太陽電池は、入手可能な任意の硬いまたはフレキシブルな太陽電池を用いて実現されてもよい。たとえば、硬い太陽電池は、スペクトロラブ社から入手可能な１−ｃｍ2ＣＩＴＪまたはＣＵＴＪ電池を用いて実現されてもよい。図４、５および６に示す受光器は、この発明の特徴を強調するために、ヒートシンクおよび太陽電池のみを図示しており、太陽電池用の他の構成要素および配線を除外している。
【００３１】
ここで図７に移ると、この発明の有利な一実施例に従った集光型光起電力ユニットの別の構成の図が示されている。この例では、光起電力ユニット７００は集光型屈折光学部品７０２を有し、受光器７０４は凹形状を有している。この受光器は、受光器７０４上の太陽電池からの反射による光学損失を低減するよう、形状が凹形または「カップ状」である。
【００３２】
ここで図８を参照すると、この発明の有利な一実施例に従った集光型光起電力ユニットの図が示されている。この例では、光起電力ユニット８００は、集光型反射光学部品８０２と受光器８０４とを含む。この例での受光器８０４の特定の構成は、隆起８０６を含む。隆起８０６は、集光型反射光学部品８０２の欠陥によって引き起こされる「ホットスポット」から生じる過度の光に応答して、隣接する太陽電池への入射光の一部を意図的にそらすために使用される。
【００３３】
このため、この発明の異なる実施例は、受光器上に集光するための方法および装置を提供する。これらの例では、装置は、集光型光学ユニットを含み、集光型光学ユニットは湾曲した表面を有し、湾曲した表面は光線を反射して、反射光線を実行する。反射光線を受取るよう、湾曲した受光器が位置付けられる。湾曲した受光器の表面に、１組の太陽電池が取付けられる。湾曲した受光器は、反射光線が１組の太陽電池の表面に、これらの例の表面にほぼ垂直な角度で当たるような形状を有する。
【００３４】
その結果、この発明の異なる有利な実施例は、集光型光起電力システムを作り出す際にコストの削減を可能にする。湾曲した受光器の使用により、異なる実施例は、光がほぼ直角の入射角度、約９０度で当たるように曲面を使用する。光が平坦な受光器に斜めの角度で当たる場合とは異なり、この種の設計では、この角度のわずかな変化で、光が受光器領域に当たり損ないにくくなる。現在の設計では、太陽の追跡不良といったこれらの角度のわずかな変化により、光が受光器に全く当たらなくなる場合がある。
【００３５】
さらに、より均一な強度を提供するために、１つの太陽電池内、および１つの回路において接続された電池間で電位差が小さくなり、これらの種類のシステムでは電池寿命が長
くなる。加えて、各太陽電池は、９０度といった所望の角度近傍で光線がより均一に当たるため、より多くの電気を生成可能である。太陽電池が太陽電池またはモジュール１つ当たりより多くの電気を作り出すため、所望の量の電気を生成するのに必要とされる太陽電池の数が少なくなる。さらに、有利な実施例では、追跡要件が緩和され得るため、コストのかかる高精度追跡システムはもはや必要ではない。その結果、追跡要件におけるこの緩和も、集光型光起電力システムのコストを削減する。
【００３６】
さらに、図示された例は電力網用のエネルギを生成するための光起電力システムの使用を例示しているが、例示された集光型光起電力システムは、他の使用、たとえば宇宙機、船舶などでの使用、または個々のデバイスや少数グループの建物への電力供給などの使用のために実現されてもよい。
【００３７】
図示された実施例では、所望の角度は約９０度であるが、特定の実現化例に依存して、他の角度が使用されてもよい。たとえば、より大きい角度が使用されてもよく、グレージング角により、太陽電池における全内部反射および閉じ込め効果が可能となってもよい。たとえば「カップ状」または凹形状の受光器は、電池から最初に反射された光の閉じ込めを高める。外部反射による光の損失を最小限に抑えるために使用される反射防止コーティングは通常、９０度の入射を仮定して設計される。しかしながら、この角度は別の角度であってもよい。その場合、光線が当たる角度は、これらの例の他の角度にできるだけ精密に整合すべきである。
【００３８】
図示された例は単純な曲面であるが、特定の実現化例に依存して、より複雑な形状を有する他の曲面が使用されてもよい。たとえば、受光器は、２つの曲面の端同士が互いに接合された形状を有していてもよい。
【００３９】
これの１つの用途は、集光光学部品によって引き起こされるホットスポットを補償するために過度の照光を再分配することである。フレネルレンズといった光学部品はしばしば、受光器の中央で過度の強度のホットスポットを引き起こす場合がある。受光器の中央の形状における隆起により、ホットスポットにおける入射照光のより多くが、ホットスポット領域外の隣接する電池によって反射され吸収されるようになり、照光の均一性を高める。一般に、使用される特定の形状は、集光型光学部品が受光器領域に光を集める形状または態様に整合したものである。
【００４０】
この発明の説明は、例示および説明のために提示されており、包括的であるよう、または開示された形の発明に限定されるよう意図されてはいない。多くの変更および修正は、当業者には明らかであろう。さらに、異なる有利な実施例は、他の有利な実施例と比較して異なる利点を提供し得る。選択された実施例は、この発明の原理、実際の用途を最良に説明し、当業者が特定の使用に合うようなさまざまな変更を考慮してさまざまな実施例についてこの発明を理解できるようにするために、選択され説明されている。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
集光型光起電力システムであって、
集光型光学ユニットを備え、前記集光型光学ユニットは、集光した照光を形成するために光線を反射する表面を有しており、前記集光型光起電力システムはさらに、
前記集光型光学ユニットによって反射された反射光線を受取るよう位置付けられた湾曲した受光器と、
前記湾曲した受光器の表面に取付けられた１組の太陽電池とを備え、前記湾曲した受光器は、前記反射光線が前記１組の太陽電池の表面に、前記１組の太陽電池の前記表面にほぼ垂直な角度で当たるような形状を有する、集光型光起電力システム。
（態様２）
位置付けアセンブリをさらに備え、前記位置付けアセンブリは前記湾曲した受光器を前記集光型光学ユニットに取付ける、態様１に記載の集光型光起電力システム。
（態様３）
前記１組の太陽電池は単一の太陽電池である、態様１に記載の集光型光起電力システム。
（態様４）
装置であって、
集光型光学部材を備え、前記集光型光学部材は集光した照光ビームを形成するために光の向きを直し、前記装置はさらに、
前記向きを直された光を受取るよう位置付けられた湾曲した表面を有する構造と、
前記構造の前記湾曲した表面に接続された１組の太陽電池とを備え、前記湾曲した表面は、前記１組の太陽電池のすべてが、前記向きを直された光を、前記１組の太陽電池のすべての表面でほぼ同じ角度で受取るように湾曲している、装置。
（態様５）
前記湾曲した表面は凸状または凹状である、態様４に記載の装置。
（態様６）
前記集光型光学部材は集光型反射光学ユニットである、態様４に記載の装置。
（態様７）
装置であって、
集光型光学部材を備え、前記集光型光学部材は集光した照光を形成するために光の向きを直し、前記装置はさらに、
前記向きを直された光を受取るよう位置付けられた湾曲した表面を有する構造と、
前記構造の前記湾曲した表面に接続された１組の太陽電池とを備え、前記湾曲した表面は、前記１組の太陽電池のすべてが、前記向きを直された光を、ほぼ同じ強度で受取るように湾曲している、装置。
（態様８）
前記湾曲した表面は凸状または凹状である、態様７に記載の装置。
（態様９）
前記湾曲した表面は、受光器領域全体により均一な照光を生成するために、前記集光型光学部材の強度パターンに整合する形状を有する、態様７に記載の装置。
（態様１０）
前記集光型光学部材は集光型屈折光学ユニットである、態様７に記載の装置。
【図１】
0005606069.tif 000002
【図２】
0005606069.tif 000003
【図３】
0005606069.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005606069.tif 000006
【図６】
0005606069.tif 000007
【図７】
0005606069.tif 000008
【図８】
0005606069.tif 000009