(57)【要約】      （修正有）【課題】既存の集光式光起電力モジュールよりもかさばらない集光式光起電力モジュールを提供する。【解決手段】光を受光するための入射面と、光学要素と、少なくとも１つの光出射開口とを有しており、前記光学要素が、前記入射面と前記少なくとも１つの光出射開口との間に形成されていて、光を前記入射面から前記少なくとも１つの光出射開口へ導光する光入射段を有している導光ソーラーパネルであり、このパネルは、出射面を有する光導波段を備えており、当該光導波段は、前記少なくとも１つの光出射開口に光学的に接続されて当該少なくとも１つの光出射開口から光を受光し、その光を前記出射面へ導光する。【選択図】図４８
2014160824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を透過する光透過性材料からなる略平坦な光入射スラブであって、入射する太陽光を受けるための入射面と、複数の第１光学要素と、前記光透過性材料から形成された複数の光出射開口とを有し、前記複数の光出射開口と前記複数の第１光学要素とは、これらの間に１対１の関係が存在する様に関連付けられており、前記第１光学要素の各々は、前記入射面と、該第１光学要素に対応する光出射開口との間に光学的に位置し、前記第１光学要素の各々は、反射面を持った第１反射鏡を有し、前記反射面は、（i）該反射面にて太陽光を全反射するために、前記入射面を通過した太陽光を臨界角より大きい角度で受ける様に、且つ、（ii）受けた太陽光を反射することにより、太陽光が、前記複数の光出射開口の１つへ向けて光学的に向きを変える様に、前記入射面に対して配置されている、光入射スラブと、
太陽光を透過する略平坦且つくさび形の光導波スラブであって、第１の表面と、前記第１の表面に対向する複数の第２反射鏡と、出射面とを有し、前記第２反射鏡の各々は、前記第１光学要素の１つと関連付けられている、光導波スラブと、
前記光入射スラブ及び前記光導波スラブによって集中させた太陽光を受けるための太陽エネルギー収集器と、
太陽光を透過する第２光学要素であって、前記光導波スラブ内を伝播する太陽光の少なくとも一部が前記太陽エネルギー収集器へ向けて向きを変える様に配置された少なくとも１つの反射面を有する、第２光学要素と、を備え、
前記光導波スラブは、前記光出射開口の各々に光学的に結合されることにより、該光出射開口から太陽光を受け、前記第１の表面及び前記複数の第２反射鏡は、前記光出射開口を介して受けた太陽光が、前記複数の第２反射鏡と前記第１の表面との間での多数回の全反射を経て、前記光導波スラブを通って前記出射面の方へ導かれる様に、配置され且つ並べられている、導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項２】
前記第１光学要素の各々の前記第１反射鏡は、受けた太陽光を、入射する太陽光に対して傾いた角度で１回だけ反射する、請求項１に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項３】
前記光入射スラブと前記光導波スラブとの間に形成されたクラッド層を更に備え、前記クラッド層は、前記光入射スラブの屈折率より小さく且つ前記光導波スラブの屈折率より小さい屈折率を有している、請求項１又は請求項２に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項４】
前記第２反射鏡の各々は、平面反射鏡を含んでいる、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項５】
前記平面反射鏡は、前記第１の表面に対して略平行である、請求項４に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項６】
前記複数の光出射開口の少なくとも幾つかは、隣接する前記第２反射鏡の間に位置する、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項７】
前記第１光学要素の各々は、光集束要素である、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項８】
前記第２光学要素は、前記光導波スラブとは別個の要素であり、前記出射面と前記太陽エネルギー収集器との間に光学的に存在し、且つ、太陽光を集中させる、請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項９】
前記太陽エネルギー収集器は光起電力セルであり、前記光入射スラブ及び前記光導波スラブはそれぞれ、成形ポリマーから形成されている、請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１０】
太陽光を透過する光透過性材料からなる略平坦な光入射スラブであって、互いに間隔を開けて位置する複数の第１光学要素を有し、前記第１光学要素の各々は、入射する太陽光を受けるための入射面と、反射面を持った第１反射鏡とを有する、光入射スラブと、
略平坦且つくさび形であると共に太陽光を透過する材料からなる光導波スラブであって、第１反射面と、前記第１反射面に対向すると共に互いに間隔を開けて位置する複数の平坦な第２反射鏡と、出射面とを有する、光導波スラブと、
前記光入射スラブ及び前記光導波スラブによって集中させた太陽光を受けるための太陽エネルギー収集器と、
太陽光を透過する第２光学要素であって、前記光導波スラブ内を伝播する太陽光の少なくとも一部が前記太陽エネルギー収集器へ向けて向きを変える様に配置された少なくとも１つの反射面を有する、第２光学要素と、を備え、
前記第１反射鏡の前記反射面は、（i）該反射面にて太陽光を全反射するために、前記入射面を通過した太陽光を臨界角より大きい角度で受ける様に、且つ、（ii）受けた太陽光を反射することにより、太陽光が、前記光導波スラブの中へ向けて向きを変える様に、入射する太陽光に対して傾けられており、
前記光導波スラブは、前記光入射スラブの各第１反射鏡に光学的に結合されることにより、該第１反射鏡から太陽光を受け、前記第１反射面及び前記複数の第２反射鏡は、前記第１反射鏡から受けた太陽光が、前記複数の第２反射鏡と前記第１反射面との間での多数回の全反射を経て、前記光導波スラブを通って前記出射面の方へ導かれる様に、配置され且つ並べられている、導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１１】
前記光入射スラブと前記光導波スラブとの間に形成されたクラッド層を更に備え、前記クラッド層は、前記光入射スラブの屈折率より小さく且つ前記光導波スラブの屈折率より小さい屈折率を有している、請求項１０に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１２】
前記光入射スラブは、前記光透過性材料から形成された複数の光出射開口を更に有し、前記光出射開口は、隣接する前記第２反射鏡の間に位置し、前記第１光学要素の前記第１反射鏡は、受けた太陽光を、入射する太陽光に対して傾いた角度で前記光出射開口の１つへ向けて１回だけ反射する、請求項１０又は請求項１１に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１３】
前記第１光学要素の各々は、光集束要素である、請求項１０乃至請求項１２の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１４】
前記第２光学要素は、前記光導波スラブとは別個の要素であり、前記出射面と前記太陽エネルギー収集器との間に光学的に存在し、且つ、太陽光を集中させる、請求項１０乃至請求項１３の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１５】
前記太陽エネルギー収集器は光起電力セルであり、前記光入射スラブ及び前記光導波スラブはそれぞれ、成形ポリマーから形成されている、請求項１０乃至請求項１４の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１６】
太陽光を透過する略平坦な光入射スラブであって、互いに間隔を開けて位置する複数の光集束要素を有し、前記光集束要素の各々は、入射する太陽光を受けるための入射面を有する、光入射スラブと、
太陽光を透過する略平坦な光導波スラブであって、第１反射面と、前記第１反射面に対向すると共に互いに間隔を開けて位置する複数の反射鏡と、出射面とを有する、光導波スラブと、
前記光入射スラブと前記光導波スラブとの間に形成されたクラッド層であって、前記光入射スラブの屈折率より小さく且つ前記光導波スラブの屈折率より小さい屈折率を有する、クラッド層と、
前記光入射スラブ及び前記光導波スラブによって受け且つ集中させた太陽光を受けるための太陽エネルギー収集器と、
太陽光を透過する第２光学要素であって、前記光導波スラブ内を伝播する太陽光の少なくとも一部が前記太陽エネルギー収集器へ向けて向きを変える様に配置され且つ構成された少なくとも１つの反射面を有する、第２光学要素と、を備え、
前記光導波スラブは、前記光入射スラブの各光集束要素に光学的に結合されることにより、該光集束要素から太陽光を受け、前記第１反射面及び前記複数の反射鏡は、前記光集束要素から受けた太陽光が、光導波スラブ内での多数回の全反射を経て前記出射面の方へ導かれる様に、配置され且つ並べられている、導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１７】
隣接する前記反射鏡の間に位置する光出射開口を更に備える、請求項１６に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１８】
前記太陽エネルギー収集器は光起電力セルであり、前記光入射スラブ及び前記光導波スラブはそれぞれ、成形ポリマーから形成されている、請求項１６又は請求項１７に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項１９】
前記第２光学要素は、前記光導波スラブとは別個の要素であり、前記出射面と前記太陽エネルギー収集器との間に光学的に存在し、且つ、太陽光を集中させる、請求項１６乃至請求項１８の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項２０】
前記第２光学要素は、前記光導波スラブと一体である、請求項１６乃至請求項１８の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００７年５月１日出願の米国特許仮出願第６０／９１５，２０７号、２００７年６月８日出願の米国特許仮出願第６０／９４２，７４５号、および２００７年７月２５日出願の米国特許仮出願第６０／９５１，７７５号の優先権の利益を主張し、これらの仮出願は、その全体が参照によって本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般にソーラーパネルに関する。さらに詳しくは、本発明は、導光集光ソーラーパネルに関する。
【背景技術】
【０００３】
光起電力（ＰＶ）セルを、太陽に直接さらされる大きな表面積を覆うように整列させて有しているソーラーパネルアセンブリが、知られている。しかしながら、ＰＶセル材料は高価であり、ソーラーパネルにおいて必要とされるＰＶセル材料の量を少なくするための解決策が、模索され続けている。そのような解決策の１つは、レンズおよびミラーなどの集光要素を使用して、太陽光を相応に小さいＰＶセルによって占められるより小さな表面積へ集中させることである。集光要素がいずれもゼロでない焦点距離を有する点に鑑み、集光式光起電力（ＣＰＶ）モジュールは、典型的には、集光式でない同等物よりも大きくなる。この大きさは、ＣＰＶの取り扱いという点で不利なだけでなく、材料のコストという点でも不利である。ＰＶセルのサイズを小さくすることによって、同じ集光係数を保ちつつ、よりかさばらないＣＰＶモジュールを得ることも可能であるが、ＰＶセルをより小さなセルへと切り分けることは、モジュールの複雑さおよびコストを増大させる。
【０００４】
さらに、現行のＣＰＶモジュールは、典型的には、集光要素がすべての要素を所定の位置に保持するために複雑な構造筐体に固定されることを必要とする。これは、例外なく、ＣＰＶモジュールの重量およびコストを増加させ、組み立てられたＣＰＶモジュールの破損の恐れを軽減するためのより厳格な輸送の要件を必要とするか、あるいはＣＰＶモジュールを分解された状態で目的地まで輸送することを必要とし、受け取り先において組み立ての時間および手間を必要とする。
【０００５】
したがって、既存のＣＰＶモジュールよりもかさばらないＣＰＶモジュールを提供することが望ましい。また、公知のＣＰＶモジュールに比べて必要とされるＰＶセル材料がより少ないＣＰＶモジュールを提供することが望ましい。さらに、集光要素のための構造筐体として、公知のＣＰＶモジュールの構造筐体よりもかさばらず、かつ複雑でない構造筐体しか必要としないＣＰＶモジュールを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、従来のソーラーパネルの少なくとも１つの欠点を除去または軽減することである。
【０００７】
第１の観点において、本発明は、光を受光するための入射面と、光学要素と、少なくとも１つの光出射開口とを有しており、前記光学要素が、前記入射面と前記少なくとも１つの光出射開口との間に形成されていて、光を前記入射面から前記少なくとも１つの光出射開口へ導光する光入射段を有している導光ソーラーパネルを提供する。このパネルは、出射面を有する光導波段を備えており、当該光導波段は、前記少なくとも１つの光出射開口に光学的に接続されて当該少なくとも１つの光出射開口から光を受光し、その光を前記出射面へ導光する。
【０００８】
このソーラーパネルは、前記光学要素を、実質的に平行な線に沿って互いに間隔を開けて位置させて有することができ、前記出射面は、前記入射面に対して実質的に非直角であってよい。
【０００９】
ソーラーパネルは、前記光学要素を、実質的に同心な円弧に沿って互いに間隔を開けて位置させて有してもよく、前記出射面は、前記光学要素と実質的に同心な円弧として形作ることができる。
【００１０】
このソーラーパネルにおいて、前記光学要素は、放物面反射鏡、三次元反射鏡、双曲線反射鏡、楕円面反射鏡、平面反射鏡、カセグレン光学系、ウィンストンコーン光学系、円形反射鏡、レンズ、ホログラム、およびプリズム尾根のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１１】
ソーラーパネルにおいて、前記光導波段をくさび形にすることができる。ソーラーパネルにおいて、前記光導波段を少なくとも部分的に円錐形にすることができる。
【００１２】
ソーラーパネルにおいて、前記光導波段は、前記少なくとも１つの光出射開口から受光する光に第１の全反射を加える第１の表面を含むことができる。請求項に記載のソーラーパネルにおいて、前記入射面および前記第１の表面の少なくとも一方の表面にクラッド層を形成することができる。
【００１３】
請求項に記載のソーラーパネルにおいて、前記光導波部に、前記第１の表面に対向して形成された複数の反射器要素を備えることができ、当該複数の反射器要素は、前記第１の表面から全反射された光を受光し、その全反射された光を前記第１の表面に向かって反射させる。前記複数の反射器要素は、平面反射鏡を含むことができる。前記平面反射鏡は、前記第１の表面に実質的に平行であってよい。少なくとも１つの反射要素が、全反射面を有することができる。前記少なくとも１つの光出射開口は、隣り合う反射器要素の間に位置することができる。
【００１４】
請求項に記載のソーラーパネルは、前記光導波段から前記少なくとも１つの光出射開口を通って前記光入射段に結合する光が、実質的に存在しないようなソーラーパネルであってよい。
【００１５】
ソーラーパネルは、前記光導波段が一連の全反射によって前記出射面に向けて光を導光するようなソーラーパネルであってよい。ソーラーパネルは、前記入射面が、光入射面積を有しており、前記出射面が、光収集面積を有しており、前記光収集面積が、前記光入射面積よりも小さいようなソーラーパネルであってよい。
【００１６】
ソーラーパネルは、前記出射面に光学的に接続された太陽エネルギー収集器を備えることができる。前記太陽エネルギー収集器は、太陽電池および集熱器の少なくとも一方を含むことができる。ソーラーパネルは、前記出射面を前記太陽エネルギー収集器に光学的に接続する光学プリズムをさらに備えることができる。
【００１７】
ソーラーパネルは、前記光導波段が、前記出射面に隣接する少なくとも１つの放物線形状の界面を有しており、当該少なくとも１つの放物線形状の界面は、光を前記出射面へ集中させるようなソーラーパネルであってよい。ソーラーパネルは、先細りの光学要素を前記出射面に隣接させて備えることができ、当該先細りの光学要素は、前記太陽エネルギー収集器を前記光導波段から離すとともに、光を前記太陽エネルギー収集器に集中させる。前記先細りの光学要素は、前記光導波段の屈折率とは異なる屈折率を有することができる。
ソーラーパネルにおいて、前記光導波段は複数の導波路を備えることができ、各導波路は、前記少なくとも１つの光出射開口のうちの１つに光学的に接続されており、各導波路は、対応する光出射開口から光を受光し、その光を当該導波路に沿って少なくとも前記光学要素によって決定される方向に伝播させる。各導波路は、導波路出射面を有することができ、前記導波段の出射面は、各導波路の導波路出射面を含んでいる。前記光学要素は、各導波路に沿って一方向にのみ伝播するように、あるいは各導波路に沿って２つの正反対の方向に伝播するように、光を導光することができる。前記光学要素は、体積相ホログラム（volume phase hologram）を含むことができる。前記光学要素は、複数のプリズム尾根を含むことができる。
【００１８】
ソーラーパネルは、前記光入射段が、複数の先細りの光チャネルを備えることができ、前記光導波段が、複数の導波路を備えることができ、前記先細りの光チャネルのうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの光出射開口のうちの１つを介して、少なくとも１つの導波路に光学的に接続されており、各導波路が、当該導波路に沿って少なくとも前記光学要素によって決定される伝播方向に光を導光するようなソーラーパネルであってよい。前記少なくとも１つの導波路は、異なる直径の導波路を含むことができる。前記光学要素は、光に前記伝播方向を付与する体積相ホログラムおよびプリズム尾根のうちの少なくとも一方を含むことができる。前記光学要素は、放物面反射鏡、三次元反射鏡、双曲線反射鏡、楕円面反射鏡、平面反射鏡、および円形反射鏡のうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。
【００１９】
前記光入射段は、光透過性の材料からなる第１のスラブ内に形成することができ、前記光導波段は、光透過性の材料からなる第２のスラブ内に形成することができる。前記第１のスラブは、前記入射面および前記光学要素を含むことができ、前記入射面の反対側に輪郭付けされた出射面を有することができる。前記第２のスラブは、前記輪郭付けされた出射面に隣接する輪郭付けされた入射面を備えることができ、前記第１のスラブの前記輪郭付けされた出射面と前記第２のスラブの前記輪郭付けされた入射面とは、互いに相補的であって、前記少なくとも１つの光出射開口を定めている。
【００２０】
ソーラーパネルは、前記光入射段が、光透過性の材料からなる第１および第２の層内に形成され、前記光導波段が、光透過性の材料からなる第３の層内に形成されるようなソーラーパネルであってよい。前記第１の層は、前記入射面を含むことができ、さらに前記入射面の反対側に第１の輪郭付けされた面を備えることができる。前記第２の層は、前記第１の輪郭付けされた面に対して相補的である第２の輪郭付けされた面を、前記第１の輪郭付けされた面に隣接させて備えることができ、さらに前記第２の輪郭付けされた面の反対側に第３の輪郭付けされた面を備えることができる。前記第３の層は、前記第３の輪郭付けされた面に対して相補的である第４の輪郭付けされた面を、前記第３の輪郭付けされた面に隣接させて備えることができ、前記第３の輪郭付けされた面および前記第４の輪郭付けされた面は、前記少なくとも１つの光出射開口を定めることができる。
【００２１】
ソーラーパネルは、前記光入射段および前記光導波段が、同じ光透過性の材料内に形成されるようなソーラーパネルであってよい。
【００２２】
ソーラーパネルは、前記光入射段が、実質的に同心な円弧に沿って互いに間隔を開けて位置する第１組の光学要素を有している第１の部位と、実質的に同心な円弧に沿って互いに間隔を開けて位置する第２組の光学要素を有している第２の部位とを有するようなソーラーパネルであってよい。前記第１組の光学要素は、光の第１の部分を第１の方向に導光することができ、前記第２組の光学要素は、光の第２の部分を前記第１の方向とは別の第２の方向に導光することができる。前記第２の方向は、前記第１の方向と正反対であってよい。前記光入射段の前記第１の部位は、少なくとも１つの第１部位光出射開口を有することができ、前記光入射段の前記第２の部位は、少なくとも１つの第２部位光出射開口を有することができ、前記光導波段は、前記少なくとも１つの第１部位光開口に光学的に結合した第１の部位と、前記少なくとも１つの第２部位光開口に光学的に結合した第２の部位とを有している。
【００２３】
さらなる観点においては、光を受光するための入射面と、光学要素と、少なくとも１つの光出射開口とを有しており、前記光学要素が前記入射面と前記少なくとも１つの光出射開口との間に形成されていて、光を前記入射面から前記少なくとも１つの光出射開口へ導光する光入射段；出射面を有しており、前記少なくとも１つの光出射開口に光学的に接続されて当該少なくとも１つの光出射開口から光を受光し、その光を前記出射面に向けて導光する光導波段；および前記出射面に光学的に結合した光起電力セル；を備えている導光ソーラーパネルが提供される。
【００２４】
またさらなる観点においては、導光ソーラーパネルの製造方法が提供される。この方法は、光を受光するための入射面と、光学要素と、少なくとも１つの光出射開口とを有しており、前記光学要素が前記入射面と前記少なくとも１つの光出射開口との間に配置され、光を前記入射面から前記少なくとも１つの光出射開口へ導光する光入射段を形成する工程；出射面を有する光導波段を形成する工程、および前記光導波段を、前記少なくとも１つの光出射開口から光を受光して前記出射面に向けて導光するように、前記少なくとも１つの光出射開口に光学的に結合させる工程；を含んでいる。
【００２５】
本発明の他の観点および特徴は、本発明の具体的な実施形態についての以下の説明を、添付の図面とともに検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の導光ソーラーパネルの第１の実施形態を示している。
【図２】図１の実施形態を、１つの反射鏡によって集中させられる複数の光線とともに示している。
【図３】図１の実施形態の細部を示している。
【図４】図１の実施形態の拡大図を示している。
【図５】光線が光導波段に閉じ込められたままになっている導光ソーラーパネルを示している。
【図６】光線が光導波段から出射している導光ソーラーパネルを示している。
【図７】本発明の導光ソーラーパネルの直線形状の実施形態の斜視図を示している。
【図８Ａ】２本の光線が伝播している図７の実施形態の側面図を示している。
【図８Ｂ】２本の光線が伝播している図７の実施形態の正面図を示している。
【図８Ｃ】２本の光線が伝播している図７の実施形態の斜視図を示している。
【図９】本発明の導光ソーラーパネルの円形状の実施形態の斜視図を示している。
【図１０】図９の実施形態の矩形の断片の斜視図を示している。
【図１１】図９の実施形態の切り出し片の斜視図を示している。
【図１２】本発明の二層導光ソーラーパネルの一部分を示している。
【図１３】光入射段において３回の反射が生じる本発明の導光ソーラーパネルの実施形態の一部分を示している。
【図１４】導光段にカセグレン光学系が使用されている本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図１５】導光段にウィンストンコーン光学系が使用されている本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図１６】光導波段にウィンストンコーン光学系が使用されている本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図１７】光導波段にウィンストン半コーン光学系が使用されている本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図１８】光導波段に平坦な小面からなる集光要素が使用されている本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図１９】光導波段に複数の出射面が存在している本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図２０】クラッド層がパネルを囲んでいる本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図２１】スライスを横並びで組み立てることによって製作された本発明の導光ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図２２Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの三層の実施形態の斜視図を示している。
【図２２Ｂ】図２２Ａの実施形態の分解図を示している。
【図２２Ｃ】図２２Ａの実施形態の側面図を示している。
【図２２Ｄ】図２２Ｃの拡大図を示している。
【図２３Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの二層の実施形態の斜視図を示している。
【図２３Ｂ】図２３Ａの実施形態の分解図を示している。
【図２３Ｃ】図２３Ａの実施形態の拡大図を示している。
【図２４Ａ】本発明の導光パネルの実施形態の拡大図を示している。
【図２４Ｂ】本発明の導光パネルの実施形態の拡大図を示している。
【図２４Ｃ】図２４Ｂおよび３３Ｄの実施形態の形状の詳細を示している。
【図２５Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの二層の実施形態の斜視図を示している。
【図２５Ｂ】図２５Ａの実施形態の分解図を示している。
【図２５Ｃ】図２５Ａの実施形態の拡大図を示している。
【図２６】本発明の導光パネルの実施形態の拡大図を示している。
【図２７】本発明の１０個の導光ソーラーパネルの実施形態の集合を示している。
【図２８】リブ間に保持されるように組み立てられた本発明の導光ソーラーパネルを示している。
【図２９】ヒートシンクを示している。
【図３０】光起電力セルアセンブリを示している。
【図３１】一軸の太陽追跡機構の詳細を示している。
【図３２Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの円形状の実施形態の斜視図を示している。
【図３２Ｂ】図３２Ａの実施形態の上面図を示している。
【図３３Ａ】プリズムを示している。
【図３３Ｂ】図３３Ａのプリズムを備える本発明の導光ソーラーパネルの円形状の実施形態の斜視図を示している。
【図３３Ｃ】図３３Ａの実施形態の上面図を示している。
【図３３Ｄ】導光ソーラーパネルの各部分からなるアセンブリの斜視図を示している。
【図３３Ｅ】図３３Ｄのアセンブリの側面図を示している。
【図３３Ｆ】図３３Ｅのアセンブリの分解図を示している。
【図３３Ｇ】図３３Ｄの実施形態の光入射段および光導波段の詳細を示している。
【図３４】二軸の太陽追跡機構を示している。
【図３５】別の二軸の太陽追跡機構を示している。
【図３６】さらに別の二軸の太陽追跡機構を示している。
【図３７】本発明の導光ソーラーパネルの別の実施形態を示している。
【図３８】本発明の導光ソーラーパネルの別の実施形態を示している。
【図３９】種々の光受け入れ角度を有する導光ソーラーパネルの種々の実施形態を示している。
【図４０】本発明の導光ソーラーパネルの別の実施形態を示している。
【図４１Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの別の実施形態の斜視図である。
【図４１Ｂ】図４１Ａの実施形態の詳細図である。
【図４２Ａ】ガラス基板上のホログラムを示している。
【図４２Ｂ】図４１Ａの実施形態の詳細な断面図を示している。
【図４２Ｃ】図４２Ｂの詳細図の斜視図を示している。
【図４２Ｄ】図４２Ｂの詳細図の正面図を示している。
【図４３】プリズム尾根で構成された偏向層を示している。
【図４４Ａ】本発明の導光ソーラーパネルの実施形態の要素の断面図を示している。
【図４４Ｂ】図４４Ａの実施形態の上面図を示している。
【図４４Ｃ】図４４Ａの実施形態の側面図を示している。
【図４５Ａ】ヒートシンクの斜視図を示している。
【図４５Ｂ】図４５Ａのヒートシンクの断面図を示している。
【図４６】ソーラーパネル一軸追跡アセンブリを示している。
【図４７】太陽熱一軸追跡アセンブリを示している。
【図４８】勾配屈折率ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図４９】別の勾配屈折率ソーラーパネルの実施形態を示している。
【図５０Ａ】図３３Ｄ〜３３Ｆに示したソーラーパネルの集合を示している。
【図５０Ｂ】図３３Ｄ〜３３Ｆに示したソーラーパネルの集合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しつつ、あくまでも例として説明する。
一般に、本発明は、導光ソーラーパネル（ＬＧＳＰ）を使用して、絶縁または他の透明パネルの内側に光を閉じ込め、その光をパネルの縁のうちの１つへ伝播させて太陽エネルギー収集器（ＳＥＣ）によって収穫する太陽エネルギーシステムを提供する。これは、厚さがモジュールの縁に位置するＳＥＣ（例えば、ＰＶセルであってよい）の高さと同程度であるきわめて薄いモジュールを可能にし、ＣＰＶシステムなどの伝統的な太陽エネルギーシステムにつきものの奥行きの要件を取り除く。ＬＧＳＰに入射する光は、方向転換させられて内部に閉じ込められ、パネルの縁のうちの１つを通ってパネルから出射し、この縁においてＳＥＣに受光される。
【００２８】
本発明のＬＧＳＰは、クラスタに組み合わせてモジュールを形成することができる。ＬＧＳＰの光学系は、構造的に概ね自立的であるように、すなわち形状および配置を維持するために大がかりな外部の筐体を必要としないように、設計することができる。全体の囲いを、ＬＧＳＰに追加することができる。後述するとおり、材料の使用およびコストを最小限にするために、ＬＧＳＰモジュールを、軸とリブとの構成によって支持することができる。
【００２９】
集中させた太陽光は、（ＰＶ）セルでの電気の生成以外の目的のために利用することも可能である。１つの選択肢としての用途は、何らかの要素の加熱である。また、モジュールを、水を加熱すると同時に電気を生成するように構成してもよい。また、集中させた光を、光ファイバまたは他の光導体へ結合させ、太陽光照明をもたらすための照明器具など、他の何らかの用途のための別の場所へ伝播させることも可能である。
【００３０】
図１および図２に、本発明のＬＧＳＰ１００の第１の実施形態の断面図を示す。パネル１００は、光入射段１０２および光導波段１０４を有しており、そのどちらも任意の適切な光透過性材料で製作することができる。光入射段１０２は、その入射面１０８において太陽光１０６を受光し、そこから太陽光１０６は、例えば一連の反射鏡１１０などの光学要素へ導光される。反射鏡１１０は、光入射段１０２の光透過性材料と領域１１４を構成している材料との間の界面１１２によって定められている。入射する太陽光１０６に対する界面１１２の角度、ならびに領域１１４の材料の屈折率に対する光入射段１０２の光透過性材料の屈折率の比は、界面１１２に入射する太陽光１０６が全反射するように選択される。典型的には、材料１１４は、空気または他の任意の適切な気体であるが、他の任意の適切な材料も、材料１１４を構成することができる。光入射段１０２および光導波段１０４の材料として、例えば、光のスペクトルの可視部分について約１．４９という屈折率を有しているポリ（メチル−メタクリレート）（ＰＭＭＡ）など、任意の種類のポリマーまたはアクリルガラスを挙げることができる。他の任意の適切な材料も、使用することができる。入射する太陽光１０６に対する界面１１２の角度は、界面１１２に垂直な表面から測定して、臨界角から９０°までの範囲である（例えば、ＰＭＭＡ−空気の界面においては、この角度は、実質的に約４２．５°〜９０°の間からなる）。
【００３１】
反射鏡１１０は、放物面反射鏡として形作られているが、他の任意の適切な形状であってよい。反射鏡間の間隔が「Ａ」であり、座標系の原点が開口１１６である場合、対応する放物線の典型的な式は、ｙ＝（１／２Ａ）ｘ2−１／４である。図１に示されるとおり、それぞれの反射鏡１１０は、太陽光１０６を光出射開口１１６に集中させることによって、太陽光１０６をそれぞれの光出射開口１１６に向けて導光する。図２は、同じ反射鏡１１０による太陽光１０６の集中を示している。このようにして集中させられた太陽光１０６は、光導波段１０４へ入射し、光導波段１０４の壁１１８に向かって伝播する。壁１１８は、光導波段１０４の光透過性材料と壁１１８の他方の側に位置する材料１２２との間の第１の表面１２０を有している。界面１１８は、水平に対して１〜５°の範囲の角度に位置できるが、他の任意の適切な角度も可能である。開口１１６から到来する太陽光１０６に対する壁１１８の向き、ならびに材料１２２の屈折率に対する光導波段１０４の光透過性材料の屈折率の比は、第１の表面１２０に入射する太陽光１０６が全反射するように選択される。材料１２２は、空気または他の任意の適切な気体であってよいが、光導波段１０４の屈折率よりも小さい屈折率を有する他の任意の材料も、材料１２２を構成することができる。光入射段１０２および光導波段１０４の材料として、例えばＰＭＭＡなどの任意の種類のポリマーまたはアクリルガラスを挙げることができる。他の任意の適切な材料も、使用することが可能である。
【００３２】
太陽光１０６は、ひとたび第１の表面１２０において全反射させられると、光導波段１０４中を第１の表面１２０に向かって反射させる一連の反射要素１２４に向かって伝播し、反射要素１２４において再び全反射する。図３に示されているように、それぞれの反射要素１２４は、光導波段１０４の光透過性材料と領域１２８を構成している材料（領域１１４の材料と同じ材料であってよい）との間の界面１２６によって定められている。第１の表面１２０から到来する太陽光１０６に対する反射要素１２４の向き、ならびに材料１２８の屈折率に対する光導波段１０４の光透過性材料の屈折率の比は、反射要素１２４に入射する太陽光１０６が全反射するように選択される。しかしながら、反射要素１２４、第１の表面１２０、および反射鏡１１０の機能は、必ずしも全反射に基づく必要はなく、例えば適切な種類のミラーを含むことができる。
【００３３】
図１〜３の例示的な実施形態に示されるとおり、それぞれの反射要素１２４は、平坦であって、入射面１０８に対して非平行な角度（例えば、１〜５°）に位置している。さらに、それぞれの反射要素１２４は、入射面１０８から実質的に同じ距離に位置しており、第１の表面１２０に実質的に平行である。したがって、光導波段１０４は、図１〜３に示されるとおり、概ねくさびの形状を有しており、光出射開口１１６を通って光導波段１０４に入射される太陽光を、くさびの広がる方向（下流方向と称される）に伝播させるように機能する。したがって、光導波段１０４は、太陽光１０６が、第１の表面１２０および反射要素１２４における多数回の連続する全反射の後に、側壁１３２の一部である出射面（図１および２）に達し、そこに任意の適切な種類のＳＥＣ（図示せず）を配置して太陽光１０６によって運ばれるエネルギーを収穫することができるような光導波段である。
【００３４】
図１および２は、側壁１３２を入射面１０８に対して非垂直であるものとして図示しているが、側壁１３２は、入射面１０８から任意の適切な角度に位置することができる。さらに、当業者であれば理解できるとおり、ＬＧＳＰ１００は、任意の適切な数の反射要素１２４および任意の適切な数の光出射開口１１６を有することができる。
【００３５】
図３は、それぞれの反射要素１１４が壁１１８に平行である実施形態を示している。この実施形態においては、太陽光１０６の光線が下流方向に伝播するとき、入射の角度は一定なままである。
【００３６】
図４は、第１の表面１２０（図１）から到来して、光入射段１０２に向かって伝播する太陽光１０６が、反射要素１２４によって反射させられ、光出射開口１１６には衝突しないように、反射要素１２４を形成できることを示している。
【００３７】
図５は、壁１１８と反射要素１２４との間の角度が平行でなく、下流方向に開いている本発明の別の実施形態を示している。この実施形態においては、太陽光１０６が光導波段１０４に捕らえられたままであることを、見て取ることができる。図６は、壁１１８と反射要素との間の角度が、下流方向に閉じている実施形態を示している。この実施形態においては、太陽光１０６が最終的に光導波段１０４から出射することを、見て取ることができる。
【００３８】
図７は、図１に示した断面を有することができるＬＧＳＰ１００の斜視図を示している。図７のＬＧＳＰ１００は、太陽光１０６を側壁１３２に集中させる。図７のＬＧＳＰ１００の実施形態は、反射鏡１１０のすべてが平行な線に沿って位置しているため、直線形状を有するとみなすことができる。
【００３９】
図７のＬＧＳＰ１００の性能は、ＸおよびＹ軸によって定められる平面内での太陽光１０６の入射の角度の変化に対して、実質的に不変である。この不変性が、図８Ａ〜８Ｃに示されており、それぞれ３０°および４５°で入射面１０８に入射する光線１３４および１３６が、光入射段１０２によって光導波段１０４へ導光され、出射面１３０に向かって光導波段１０４を下流に伝播している。このＸ−Ｙ平面内の入射角に対する不変性ゆえ、図７のＬＧＳＰ１００を、任意の適切な一軸の太陽追跡装置と組み合わせて使用して、太陽光１０６をパネルの縁（すなわち、出射面１３０）へ効果的に集中させることができる。当業者であれば理解できるとおり、一軸の追跡装置は、ＬＧＳＰ１００によって捕らえられる太陽光の量を最大にするよう、パネルを太陽に対して一定の整列状態に保つ。
【００４０】
図９は、図１に示した断面を有することができる別のＬＧＳＰ１００の斜視図を示している。図９のＬＧＳＰ１００は、実質的に円盤１３８として形作られ、円盤１３８のハブ領域に形成された内壁１４０に光を集中させる。内壁１４０は、出射面１４２として機能し、任意の適切な方法で任意の適切なＳＥＣに光学的に結合させることができる。太陽光１０６をどのようにＳＥＣに結合させることができるかについての例は、後述する。図９のＬＧＳＰ１００の実施形態は、反射鏡１１０が同心円に位置しているため、円形状を有するとみなすことができる。ＳＥＣとして、例えば光起電力検出器、太陽電池セル、照明器具において使用するため入射する太陽光を集めて光ファイバによって建物の中へ伝える光ファイバ集光器、および水の加熱などのための集熱器、あるいはこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
【００４１】
図９のＬＧＳＰ１００は、任意の所望の取り付けブラケットまたは構造体（図示せず）に適合させるために、図１０に示されるような矩形の区画、図１１に示されるような角度のある断片、または他の任意の適切な形状に切り出すことができる。
【００４２】
当業者であれば理解できるとおり、図７〜１１に示したＬＧＳＰ１００は、例えば一軸の追跡システムおよび二軸の追跡システムなど、任意の適切な種類の太陽追跡システムへ取り付けることができる。図７〜１１のＬＧＳＰ１００において、集光と太陽光の受け入れ角度との間で、設計のトレードオフを行うことができ、それによって必要とされる整列および追跡の精度が決定される。図７のＬＧＳＰ１００は、例えば２０〜５０ｓｕｎの集光を達成でき、約１°の一軸の太陽追跡を必要とする。図１０のＬＧＳＰ１００は、例えば約５００〜１０００ｓｕｎの集光を達成でき、約１°の二軸の追跡を必要とする。図１０のＬＧＳＰ１００の中心のハブ領域を大きくする（すなわち、ＬＧＳＰ１００の中央の開口を大きくする）と、ハブ領域がより小さい場合に比べ、もたらされる集光が少なくなり、追跡の精度はあまり必要でなくなる。
【００４３】
当業者であれば理解できるとおり、反射鏡１１０の水平方向のスパンに対する光出射開口１１６の幅の比が、集光を決定する。光出射開口１１６がきわめて狭いなど、この比がきわめて小さい場合、集光をきわめて大きくすることができるが、受け入れ角度はきわめて小さくなる。光出射開口１１６の幅と反射鏡１１０の水平方向のスパンとの間の比は、第１の表面１２０の角度にも影響し、開口が狭いほど、表面１１８および１０８の間の角度を、例えば１°などと小さくすることができる。その結果、側壁１３２、したがってＳＥＣを、より小さくすることができる。
【００４４】
製造の目的において、例えば図７および１０のＬＧＳＰ１００の光入射段１０２および光導波段１０４を、図１２に示されるとおり、別個の層として形成することができる。これにより、光入射段１０２に出射面１４４を作り、光導波段１０４に注入面１４６を作る。出射面１４４および注入面１４６は、必ずしも平行または平坦でなくてもよい。出射面１４４および注入面１４６は、光出射開口１１６の一部である。
【００４５】
図１３は、本発明のＬＧＳＰの別の実施形態の断面を示している。図１３の実施形態においては、太陽光１０６は、第１の反射鏡１４８、第２の反射鏡１５０、および第３の反射鏡１５２で反射した後、光出射開口１１６において光導波段１０４へ入射される。第１、第２、および第３の反射鏡は、光学要素であり、例えば平坦、放物線、双曲線、楕円、および円形の表面など、任意の適切な形状を有することができる。
【００４６】
さらに、例えばレンズ、フレネルレンズ、放物面トラフ、カセグレン光学系、ウィンストンコーン、およびテーパプリズムなど、任意の適切な光学要素も、光入射段１０２に含めることができる。光学要素は、太陽光１０６を光導波段の概ね下流方向に光出射開口１１６へ届けることができさえすればよい。光導波段１０４は、光入射段１０２の実施形態から別個独立であってよく、すなわち同じ光導波段１０４を、光入射段１０２のさまざまな実施形態について使用することができる。
【００４７】
図１４は、カセグレン光学系の設計を有する光入射段１０２の実施形態を示している。この実施形態においては、放物線状の一次ミラー１５４および双曲線状の二次ミラー１５６が、太陽光１０６を集中させて平面状の反射鏡１５８へ導光するために使用されている。太陽光１０６は、反射鏡１５８で反射し、光入射段１０２の光出射開口として機能する注入面１６０において、光導波段１０４へ入射する。図１４の実施形態は、直線形状または円形状のＬＧＳＰにおいて使用することができる。図１４のカセグレン光学系は、一次および二次のミラー（それぞれ、１５４および１５６）ならびに平面状の反射鏡１５８が鏡面であることを必要とする。
【００４８】
図１５は、光入射段１０２の光透過性材料と材料１６６（空気または他の任意の適切な気体であってよいが、他の任意の適切な材料で材料１６６を構成してもよい）との間に位置する界面１６４Ａおよび１６４Ｂによって定められる一連のウィンストンコーン１６２を有する光入射段１０２を示している。入射する太陽光１０６に対する界面１６４の形状、および材料１６６の屈折率のそれに対する光入射段１０２の光透過性材料の屈折率の比は、界面１６４に入射する太陽光１０６が全反射するように選択される。界面１６４Ａおよび１６４Ｂによって定められる所与のコーン１６２において、界面１６４Ａに入射する太陽光１０６は、反射鏡１６８に向かって反射し、光出射開口１１６に導光される。界面１６４Ｂに入射する太陽光１０６に関しては、界面１６４Ｂのどの位置で反射するかに応じて、光出射開口１１６へ直接反射するか、あるいは反射鏡１６８へ反射し、反射鏡１６８によって光出射開口１１６に向かって反射する。反射鏡１６８に直接入射する太陽光１０６に関しては、やはり光出射開口１１６に導光される。太陽光１０６は、光出射開口１１６を通って光導波段１０４へ入射した後に、第１の表面１２０または反射要素１２４に入射でき、いずれにしても全反射して、下流方向に伝播する。反射鏡１６８は、例えば丸みを帯びた形状など、任意の適切な形状を有することができ、任意の適切な種類の鏡面化コーティングを備えることができる。図１５の光入射段１０２は、直線形状または円形状のＬＧＳＰにおいて使用することができる。図１５の光入射層１０２は、太陽光の受け入れ角度が比較的広いゆえに、追跡式でないソーラーパネルにおいて使用することができる。
【００４９】
上述した実施形態においては、光導波段の光出射開口の付近において光導波段１０４の高さを小さくすることによって、集光を向上することができる。上記の実施形態において述べたとおり、光導波段１０４は、太陽光１０６を全反射することによって伝播させる。一般に、光導波段が図６に示されるとおり下流へ先細りまたは収束している場合、太陽光は、光導波段から出射しようとする。しかしながら、この制限は、光導波段における最後の反射には当てはまらない。なぜならば、この地点では、太陽光がまさに光導波段１０４から出射しようとしているからである。ＳＥＣによる太陽光の収穫の直前に、太陽光は、それが光導波段の光出射開口に達する限りにおいて、任意の適切な角度に反射させることができる。ＳＥＣが太陽光を収穫するため、光の入射の角度はあまり問題でなく、したがって光を、収穫の直前にさらに絞ることができ、すなわち集中させることができる。この方法で達成できる追加の集中は、光導波段１０４における太陽光１０６の角度の広がりに依存し、導光層における光がより平行であるほど、より大きな集光を達成することができる。例示的な実施形態において、この追加の集光は、例えば１．５倍〜２倍の間の範囲でありうる。
【００５０】
このさらなる集光を追加するための最も簡単な方法は、ＳＥＣの付近の導光層を先細りにすることである。集光に良好な先細りは、軸外の放物面であるウィンストンコーンであり、その例が図１６に参照符号１７０で示されている。しかしながら、そのようなウィンストンコーン１７０を備えることで、上方からウィンストンコーンに入射する光は実質的に捕らえられることがないため、ＬＧＳＰ１００に無駄空間（捕らえられることがなく、ＳＥＣへ伝えられることがない太陽光に露出されているＬＧＳＰ表面として定義される）が持ち込まれることになる。そのような無駄空間は、太陽エネルギーを有用なエネルギーへ変換するための空間の使用において、全体としてのシステムの効率の低下につながる。
【００５１】
図１７に示した半ウィンストンコーン１７２を使用することによって、追加の集光と無駄空間との間の妥協を達成することができる。別の選択肢として、図１８に示したような平面で構成された先細り１７４を使用して、ウィンストンコーンの効果に似たものをうることもできる。しかしながら、平面で構成された先細りは、ウィンストンコーンによってもたらすことができるのと同じ追加の集光はもたらさない。この事実にもかかわらず、平坦な要素は湾曲した要素よりも製造が容易であるため、図１８に示した手法は、興味の対象となりうる。
【００５２】
光透過性材料で製作され、光導波段とＳＥＣ（図示せず）との間に固定することができる別個の光学要素、すなわちピンチ（pinch）を使用して、上述した集光を向上させることができる。そのようなピンチが、図１８に参照符号１７６で示されている。ピンチ１７６の屈折率が光導波段のそれよりも大きい場合、さらなる追加の集光を得ることができる。追加の集光は、光導波段とピンチ１７６との間の界面１８０において太陽光の偏向が生じるという理由、および高屈折率材料（ピンチ１７６）による臨界角がより小さいという理由で生じる。
【００５３】
例えばピンチ１７６などの光学要素を光導波段とＳＥＣとの間に配置することの利点は、光導波段を絶縁してＳＥＣにおける熱の蓄積を防止できる点にある。これは、最悪な場面の動作において、光導波段を構成している材料が耐えることができるよりも、ＳＥＣが高温になる場合に、重要になる。
【００５４】
本発明のＬＧＳＰ１００の別の実施形態を、図１９に示す。この実施形態は、光導波段１０４によって、光導波段１０４によって定められる一連の壁１８２に固定された一連のＳＥＣへ太陽光をもたらすことを可能にする。当業者であれば理解できるとおり、複数の壁１８２を使用することで、光導波段１０４がより薄くなる。
【００５５】
光入射段１０２の入射面１０８および光導波段１０４の第１の表面１２０を保護するために、図２０に示されているクラッド層１８４を、入射面および／または第１の表面に適用することができる。クラッド層は、光入射段の屈折率よりも小さく、光導波段の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。さらに、クラッド層１８４を、空気または気体によって通常占められるＬＧＳＰ１００内のすべての空間に適用することができる。
【００５６】
そのようなクラッド層１８４を有することの利点は、ＬＧＳＰの完全性を保護できる点にある。そのようなクラッド層１８４が存在すれば、クラッドの外表面が汚れたり、傷ついたりしても、ＬＧＳＰの機能が損なわれることがない。クラッド層１８４は、例えばフッ素化エチレンプロピレンなど、任意の適切な材料で製作することができる。当業者であれば理解できるとおり、クラッド層の厚さは、比較的薄くても、依然として有効でありうる。
【００５７】
上述のＬＧＳＰの実施形態は、拡大縮小が可能である。すなわち、それらの寸法をすべて、光学系が干渉効果が支配的になるほどに小さくならない限りにおいて、光学系の機能に影響を及ぼすことなく、共通の係数によって変更することができる。そのような干渉効果は、互い違いの光学要素の間の間隔が光の波長に比肩する大きさである場合に、重要になりうる。太陽スペクトルのうちでもっともエネルギーに満ちた波長部分は、０．２ミクロン〜３ミクロンの間である。したがって、光学要素および開口の互い違いの周期ならびに開口のサイズを、干渉効果を軽減するために３ミクロンよりも大きく保つことができる。
【００５８】
使用される材料を最小限にし、コストを低く保つためには、光学要素を小さくしてＬＧＳＰの厚さを最小限にし、最小限の材料で最大限の面積を覆うことができるようにすることが望ましい。光導波段（導光層）の厚さは、主として、太陽光を収穫すべく配置されるＳＥＣのサイズ（例えば、ＰＶセル帯のサイズ）によって制限される。ＰＶセル帯の場合、それらのサイズは、例えば１ミリメートルから１センチメートルまでさまざまであってよいが、より大きなＰＶセルまたはより小さなＰＶセルも、同様に上手く機能すると考えられる。他方で、光入射段（入射層）は、干渉効果および製造方法が許す限りにおいて、薄く製作することができる。
【００５９】
本発明のＬＧＳＰは、射出成形、圧縮成形、射出圧縮成形、または他の任意の適切な方法によって、製造することが可能である。大まかに言えば、成形によって製作される部品は、アンダーカットを有することができず、したがって、上述した導光パネルの全体を従来からの成形を使用して１回で成形することは不可能である。しかしながら、ＬＧＳＰは、個々に成形できるいくつかの部位へと分割することによって製造することが可能である。製造の目的のためにＬＧＳＰを分割する２つの典型的な手法を、以下で説明する。
【００６０】
第１の手法は、ＬＧＳＰの薄い垂直方向の断片、すなわちスライスを製造し、図２１に示されるとおり横並びで組み合わせることである。パネルの個々のスライス１９０を、外部の支柱（図示せず）によって一体に保持することができ、あるいは接着または他の方法で接合してもよい。この第１の手法（スライス法）は、直線形状のＬＧＳＰに適している。
【００６１】
第２の手法は、互いに上下に重ね合わせてＬＧＳＰを形成することができる水平方向のスラブを製造することである。そのようなパネルは、自立的であることができ、枠および囲いに関して多くを必要とせず、接着または接合を必要としなくてもよい。スラブが、上述した各機能層（光入射段および光導波段）を構成するが、所与の機能層を、任意の数のスラブで構成してもよい。
【００６２】
図２２Ａ〜２２Ｄは、ＬＧＳＰ１００をアンダーカットを有さない３枚のシートへ分割する１つの方法を示している。上側の２枚のシート１９２および１９４は、協働して入射層（光入射段１０２）を形成するように機能し、下方のシート１９６は、導光層（光導波段１０４）を形成する。図２２Ａ〜２２Ｄに示した実施形態は、図１３に示した実施形態に類似している。上方のスラブ１９２において、太陽光１０６は、放物面反射鏡で全反射（ＴＩＲ）し、次いで上方のスラブ１９２を出射して中央のスラブ１９４に入射し、２つの平坦な小面において全反射した後に、中央のスラブ１９４を出射して下方のスラブ１９６に入射する。下方のスラブ１９６は、導光層（光導波段１０４）として機能する。
【００６３】
図２３Ａ〜２３Ｃは、ＬＧＳＰ１００について他に考えられる２つのスラブ１９８および２００への分割を示している。入射層および導光層は、それぞれ１つのスラブ（それぞれ、スラブ１９８および２００）で形成されている。図２４Ａに示されるとおり、太陽光１０６は、放物面２０２で全反射し、平坦な小面（出射面）２０４を通って空気へ入射した後に、導光層（光導波段）の注入面２０６に当たる。入射層スラブの出射面２０４における偏向によって放物面反射鏡の焦点が変化し、焦点がわずかに上流へ動かされることで、導光層の開口を上流へ移動させる必要が生じる。この焦点のわずかな移動には、利点が存在する。すなわち、放物面反射鏡の面を密に詰めることができ、間の無駄空間をきわめて少なくすることができる。しかしながら、太陽光を集中させるために反射だけでなく偏向を使用することの欠点は、得られる実施形態が、一軸の太陽光の追跡のもとでは最適に機能しない点にある。したがって、図２４Ａの２枚スラブの手法は、円形状のＬＧＳＰによく適している。その理由は、この実施形態が、いずれにせよ最適な性能のために二軸の追跡を必要とするからである。平坦な小面による焦点の移動は、合焦放物面光学系に何らかの小さな非点収差を持ち込む。これは、焦点における太陽光１０６をわずかに広げ、わずかではあるが達成可能な集光を制限する。放物面をわずかに傾けることによって、非点収差を多少は補償することが可能である。平坦な小面２０４が垂直から反時計方向に２°傾けられる場合、放物面反射鏡１１０を垂直から時計方向に５°傾けることで、非点収差を多少は補償することができる。図２４Ｂは、図２４Ａと同様の導光ソーラーパネルの別の実施形態を示しているが、注入面２０６によって形成された突起２０７に当接する三次の表面２０３を備えている。
【００６４】
図２４Ｃは、図２４Ｂの光入射段の繰り返し単位の例示的な寸法を示しており、当該単位は、三次元の反射鏡２０３、平坦な小面２０４、注入面２０６、および突起２０７を備えている。長さの単位はミクロンであり、三次の反射鏡２０３の式は、ｙ＝−１．０４９３８８ｘ＋９．１７８１７７５×１０-4ｘ2＋１．１９１９３×１０-7ｘ3である。
【００６５】
図２５Ａ〜２５Ｃは、ＬＧＳＰ１００の２枚のスラブ２０８および２１０へのまた別の分割を示しており、これは、非最適な一軸の追跡に関する図２４Ａの実施形態の限界を改善し、太陽光を集中させるために偏向を使用しない直線形状のＬＧＳＰの製造を可能にする。図２６に示されるとおり、太陽光１０６は、放物面反射鏡２１２において全反射するが、この実施形態においては、放物面反射鏡２１２の焦点に中心を有する円弧である出射面２１４において入射層スラブを出射する。放物面反射鏡の焦点に収束する太陽光線のそれぞれは、実質的に直角で円弧状の出射面に当たるため、偏向が生じない。
【００６６】
上述のすべてのスラブは、ＬＧＳＰへ組み立てるときにスラブ間の整列を容易にする組み立て用造作を用いて成形することができる。組み立て用造作は、光学的性能との干渉が最小限または皆無であってよい。特には、本発明のＬＧＳＰの実施形態を、上流の開口の背面が放物面反射鏡の底部に当接するように設計することができ、これが、図２５Ｃに示した実施形態を有する実施形態である。他の組み立て用造作として、導光層の表面に散らばり、放物面反射鏡を光導波段１０４に対する所定の位置に保持する小さなナブ（ｎｕｂ）を挙げることができる。スラブ間の空間は、塵埃および水分が実質的に存在してはならない。スラブは、シリコーンまたは他の任意の適切な材料を使用し、あるいはガスケットまたは他の任意の適切なシールを使用することによって、互いに封止することができる。少量の乾燥剤をスラブの間に加えて、水分を吸収することが可能である。ＬＧＳＰを正常に保つとともに、建築物との色の整合を可能にするために、塵埃よけのジャケットまたは全体の覆いを、ＬＧＳＰに加えることができる。
【００６７】
一軸追跡のソーラーパネルシステム２１６は、図２７に示されている。ソーラーパネルシステム２１６は、上述の２枚スラブの手法を用いて製造されたＬＧＳＰ１００を使用することができ、軸２１８を中心にして傾くように組み立てることができる。ＬＧＳＰ１００を、各辺が１２５ミリメートルの正方形に製作することができる。導光層（光入射段）は、半ウィンストンコーンを使用して、光を高さ３ｍｍのＰＶセルへ集中させることができる。そのようなシステムの集光は、おおよそ３０ｓｕｎである。
【００６８】
システム２１６は、いくつか（例えば、１０枚）のソーラーパネル１００を使用し、アルミニウムまたは他の任意の適切な材料で製作できるヒートシンク２２０の各側面に平行な２列に配置し、光をヒートシンク２２０に接するパネルの内縁に向かって集中させるようにして形成される。ＰＶセルは、光学パネル１００とヒートシンク２２０との間に配置される。
【００６９】
ソーラーパネル１００の整列を、例えば図２８に示したリブ２２２によって保つことができる。リブを、射出成形によるポリマーで製作することができるが、機械加工によるアルミニウムまたは他の任意の材料も使用可能である。リブ２２２が、パネル１００をヒートシンク２２０に対する所定の位置に機械的に保持し、組み立てを容易にするための造作を、リブ２２２およびヒートシンク２２０の両者に備えることができる。そのような造作（例えば、凹所２２４）ならびにリブ２２２およびヒートシンク２２０の詳細が、それぞれ図２８および２９に示されている。リブ２２２を、機械的な固定具、接着剤、または他の任意の適切な手段を使用して、ヒートシンクに対して所定の位置に保持することができる。
【００７０】
このヒートシンク２２０は、２つの機能を果たすことができる。すなわち、（１）ＰＶセルからの熱の放散を助け、（２）ＬＧＳＰ１００のための堅い支持軸を作る。パネルの重量は、ヒートシンク２２０の各側面で釣り合っており、ヒートシンク２２０は、パネルが外部の支持枠へつながる場所である。熱の放散を助けるために、図２９に示されるように、ヒートシンク２２０は、折り曲げたアルミニウム片で構成されるフィン２２６を、２本の押し出しアルミニウムレール２２８の間に接合して有することができる。フィンは、２本のレールへ接続されて、ヒートシンク２２０に垂直方向の空気チャネル２３０を形成する。フィンと２本のレールとの間の接合は、ろう付け、エポキシ、スエージ加工、または他の任意の手段によって行うことができる。この開放型のヒートシンクの実施形態は、高温の空気がヒートシンク２２０から上昇でき、低温の空気が下方からヒートシンク２２０に進入できるため、自然対流による熱の放散を可能にする。
【００７１】
システム２１６に使用されるＰＶセルは、１２５ミリメートル×１２５ミリメートルなど、任意のサイズであってよく、この実施形態における使用のために、例えば高さ３ｍｍなど、任意の高さの帯へと切断することができる。ＰＶセルは、任意の従来からの方法で包むことができる。例えば、それらを直列にはんだ付けした後で、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）または他の任意の適切な材料で包むことができる。あるいは、熱伝導性の電気絶縁基板上にパターン形成された回路へＰＶセルをはんだ付け、接着、または接合することによって、ＰＶセルの電気的な接続を行うことができる。Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ州ＣｈａｎｈａｓｓｅｎのＴｈｅ  Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されているような絶縁された金属基板（ＩＭＳ）が、適切であると考えられる。図３０は、ＰＶセル２３４へはんだ付けされたＩＭＳ基板２３２を示しており、はんだ層が２３５で示されている。ＩＭＳ２３２は、エポキシまたは接着剤、あるいは他の任意の適切な手段によって、アルミニウム製のヒートシンク２２０へ接続することができる。
【００７２】
典型的なＩＭＳ２３２は、アルミニウムまたは銅のベースへ接合されたポリマー絶縁層の上に、銅からなる電気パターンを有している。ベースを省略し、電気パターンが形成されたポリマー絶縁層をヒートシンク２２０へ直接貼り付けることも可能である。このプロセスを、熱硬化によってオーブンで行うことができる。この手法の利点は、ベース部材をなくして、コストを削減できる点にある。ＰＶセル２３４は、ＰＶセル２３２の上側コネクタ（図示せず）の全長へ接続される導電性リボンまたはメッシュを介して、ＩＭＳ２３２へ接合することができる。ＰＶセル２３２の背中側コネクタを、そのすべての長さおよび／または表面にわたって同様に接合することができる。長細くて壊れやすいＰＶセル２３２について、上述した接続方法を使用して、ＰＣセルをそれらの機能を失うことなく、あるいは発電に実質的に影響することなく、断片へ割ることができる。
【００７３】
ＰＶセルをカプセルに包んで、水分に対して保護し、腐食を回避することができる。これは、例えばエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）などの任意の適切なカプセル化材料を使用して行うことができる。しかしながら、ＥＶＡは熱による硬化を必要とするため、封止を必要とする部品をオーブンに配置する必要がある。他の手法は、室温でそのまま硬化するカプセル化材料を使用することである。Ｄｏｗ  ＣｏｒｎｉｎｇによるＳｙｌｇａｒｄ  １８４というシリコーンなど、特定の光学的に透明な接着剤が、この目的を果たすことができ、はんだ付け後のＰＶセルの上へ注いで、薄い層にすることができる。追加の利点として、シリコーンが硬化を開始する前にパネルを所定の場所に固定することができる。これにより、パネルとＰＶセルとの間の空間を封じ、両者の間に光学的な接合を形成する。光学パネルとＰＶセルとの間を光学的に接合すると、光学パネルの出口縁におけるフレネル損失が減少する。
【００７４】
ＬＧＳＰは、取り付け枠に配置して、ソーラー発電システムを形成することができる。ヒートシンクは、取り付け枠上の軸受に接続でき、これによりパネルはヒートシンク２２０によって形成される軸（図２７の軸２１８を参照）を中心として自由に回転することが可能になる。ヒートシンク２２０は、ヒートシンク２２０の端部へ接続された射出成形による端部キャップ（図２７の２３６）によって、軸受へ接続することができる。これらの端部キャップ２３６は、枠上の軸受への接続を可能にする任意の適切な造作を有することができる。端部キャップ２３６は、機械的な方法、エポキシ、接着剤、粘着テープ、または他の任意の適切な手段によって、ヒートシンクへ接続することができる。ヒートシンク２２０の端部キャップ２３６は、アクチュエータによるＬＧＳＰ１００の回転の制御を可能にする機構にも接続される。例えば、図３１に示されるとおり、３本の棒リンクは、すべてのモジュールを直線アクチュエータ２４０によって駆動される単一のレール２３８へ接続することができる。あるいは、それぞれのＬＧＳＰは、やはり直線アクチュエータによって駆動されるラックへ取り付けられるピニオンギアを有することができる。いずれのシステムにおいても、単一のレールを動かす単一の直線アクチュエータで、すべてのパネルの動きを行わせることができるので、すべてのパネルはそろって傾き、整列を維持する。
【００７５】
完全な太陽光追跡ソーラーパネルシステムは、円形状を有し、図２３Ａ〜２３Ｃに例示した２層の手法を用いて製造されるＬＧＳＰを使用して、製作することができる。そのような完全追跡システムの外観は、ＬＧＳＰを中央のヒートシンクの各側面に沿って配置してリブによって支持することができる点で、上述の一軸追跡システムについて説明したものと同様であってよい。
【００７６】
パネルの外寸は、１２５ミリメートル×２５０ミリメートルであってよい。太陽光は、図３２Ａおよび３２Ｂに示されるとおり、ＬＧＳＰの内縁の中心の線２４２へ集光される。太陽光は、半円筒形の小面２４４においてソーラーパネル１００を出射して、空気隙間に入射する。原理的には、薄いＰＶセルを線２４２に沿って配置することができるが、そのような配置は、受け入れ角度（angular acceptance）が限られると考えられる。
【００７７】
実際には、図３３Ａ〜３３Ｃに示されるとおり、９０°の屋根型プリズム２４６を半円筒形の小面へ配置することによって、より広い受け入れ角度が実現される。この屋根型プリズム２４６は、ガラスまたは他の任意の適切な材料で製作可能であり、１．４よりも大きい屈折率を有することができる。三接合セルなどの高効率なＰＶセルを、シリコーンカプセル化材料または他の光学エポキシを使用して、屋根型プリズムの底部２４８へ光学的に接合することができる。図３３Ｄ〜３３Ｇは、それぞれが円形状を有している２つの光入射段部分８０２および８０４と、対応する光導波段部分８０６および８０８とを使用して、どのように矩形の導光ソーラーパネル８００を製作できるのかを示している。光入射段８０２に入射する太陽光は、光導波段８０６へ結合され、光導波段８０６は、太陽光を表面８１０へ伝播させる。光入射段８０４に入射する太陽光については、光導波段８０８へ結合され、光導波段８０８は、太陽光を表面８１２へ伝播させる。表面８１０および８１２は、平坦な表面であってよく、任意の適切なＳＥＣを表面８１０および８１２へ固定することができる。光導波段８０６および８０８から出射する光を結合させるためにプリズムを使用する必要がないことで、フレネル反射損失を回避することができる。光導波路８０６および８０８は、図３３Ｅに示されるような半ウィンストンコーン形状８１６および８１８を有することができる。図３３Ｆは、光入射段８０２および８０４を光導波段８０６および８０８の上へ重ねることによって、２層のプロセスで導光ソーラーパネル８００を製作できることを示している。図３３Ｇは、図３３Ｅのアセンブリの分解図を示している。太陽光が光学系の両側面から出射する点に鑑み、ヒートシンクを、パネルの両側にそれぞれ配置することができる。図３３Ｄのこのパネルは、結合用のプリズムを有していないため、光導波段８０６および８０８のうちの表面８１０および８１２に隣接する部分は、残りの部分をＰＭＭＡで製作しつつ、より熱に耐えることができる例えば溶融シリカなどの絶縁材料で製作することができる。
【００７８】
図３３Ａ〜３３Ｃに関して（半円筒形の小面２４４を出射して、プリズム２４６によってＰＶセルへ導光される太陽光に関して）上述した構成は、システムにフレネル損失を持ち込むが、さらに気体の層、空気または他の任意の適切な気体、例えば、アルゴンなどを、ＰＶセルに直接触れているプリズム２４６とＬＧＳＰとの間に配置する。この構成の利点は、光学系（ＬＧＳＰ）がＰＶセルに蓄積しうる熱から保護される点にある。ＰＶセルは、高い集光のもとできわめて高温になる可能性があり、おそらくは１２０℃以上にも達する可能性があり、これが、光学パネルがＰＭＭＡで製作されているならば、光学パネルに悪影響を及ぼすと考えられる。気体の層は、ＰＶセルへの熱の蓄積から光学パネルを絶縁および保護することができる。
【００７９】
すでに述べたように、円形状を使用し、かつ高い太陽光の集光に合わせて設計されたＬＧＳＰは、太陽の完全な追跡に組み合わせて使用され、太陽の光線がソーラーパネルの入射面の法線ベクトルに＋／−１°の範囲内まで平行に保たれるときに、より良好な性能を提供する。完全な追跡を、いくつかの方法で実現することができるが、２つの方法が特に本システムに適している。
【００８０】
第１の完全な追跡法が、図３４に示されており、ＬＧＳＰ１００が、第１の一連の軸２５０を中心にして傾くように枠２４９に取り付けられ、そして枠２４９は、軸２５０に実質的に直交する軸２５２を中心にして傾けることができる。したがって、ＬＧＳＰを東西に回転させて、１日中太陽の動きを追跡させることができ、かつ枠を南北に傾けて、太陽の季節変動に適応するようにできる。
【００８１】
より低い外形を維持することができる第２の完全な追跡の手法が、図３５および３６に示されている。ＬＧＳＰ１００は、枠２５４または２５６に配置することができ、それぞれ軸２５８および２６０を中心にして傾けることができる。さらに、枠２５４および２５６は、それぞれ軸２６２および２６４を中心にして回転させることができる。
【００８２】
図３７は、図１５に示すように入射層（光入射段１０２）にウィンストンコーンを使用するＬＧＳＰの変形例を示している。直線形状の実施形態である図３７の実施形態は、ウィンストンコーンゆえの幅広い受け入れ角度を有しているため、非追跡の用途によく適している。達成可能な集光を向上させるために、２つの光学パネルの間に配置される２面のＰＶセル２６６を使用することができる。この実施形態は、集光を２倍にする。
【００８３】
図３７のＬＧＳＰ１００は、２部品の積層にて製作することができるが、各ＰＶセル帯についてソーラーパネルを成形するよりも、パネルのクラスタを成形することができ、光学パネルのクラスタは、いくつかの集光光学系をより小数の部分へ集めたものである。図３８は、どのようにクラスタ２６８を４つのＰＶセル２６６を収容するように製作できるかを示している。
【００８４】
導光層（光導波段１０４）を形成するスラブ２７０は、２面のＰＶセル２６６を収容するための、それ自身に成形された溝２７２を有することができる。ＰＶセル２６６をはんだ付けし、次いでカプセル化した後溝に配置することができ、あるいはＰＶセルを単にはんだでつなぎ合わせて回路を形成し、次いで溝に配置し、透明シリコーンまたは他の任意の光学エポキシなどのその場で硬化するカプセル化材料を使用して、その場でカプセル化することができる。
【００８５】
いくつかのクラスタパネルを一体に取り付けることで、ソーラーパネルモジュールの全体が製作される。ＬＧＳＰを一体に組み合わせるために、多数の方法が存在している。１つの方法は、すべてのパネルを一体に結びつけるためにアルミニウム骨組みグリルを使用することである。別の方法は、ガラスまたは他の任意の適切な材料からなる堅い親基板へ任意の適切な手段によって光学パネルを整列させて貼り付けることである。
【００８６】
非追跡のＬＧＳＰ２６８は、図３７に見られるような光学系の断面において１８０°の受け入れ角度は有さない。ＬＧＳＰ２６８の受け入れコーン（cone of acceptance）は、パネルの法線から＋／−３０°であり、これは、天空における太陽の位置の季節変動に対応するために十分である。したがって、非追跡のＬＧＳＰ１６８は、設置場所の緯度に一致する傾きで設置されなければならず、そのようにすることが、パネルの入射面の法線が昼夜平分時における太陽光線に平行であることを保証すると考えられる。しかしながら、これは、非追跡のＬＧＳＰ２６８の設置形態を制限する。実際には、ＬＧＳＰ２６８を、北半球の位置について、図３９に示されるように、受け入れコーンが法線から外れて傾けられているように設計することが可能である。実務においては、有限数の非追跡のＬＧＳＰ２６８の系列を、任意の設置形態に対応するように設計することができる。
【００８７】
本発明のＬＧＳＰを可能な限り費用対効果に優れたものにするために、ロールからロールへの連続キャスティングまたは型押しを使用して、光導波段の光学系をフィルムとして製造することができる。ロールからロールへの製造方法を使用することは、上述のソーラーパネルのすべてが、アンダーカットを有さないスラブの積層で構成されているため、可能である。くさび形の導光層（光導波段）は、別途製作することができ、積層プロセスまたは他の任意の適切なプロセスを使用して、光入射段を光導波段へ貼り付けることができる。
【００８８】
当業者であれば理解できるとおり、本発明のＬＧＳＰの光入射段１０２は、上述した単なる集光用の全反射界面の代わりに、光学要素として任意の適切な種類のレンズを使用してもよい。図４０は、太陽光１０６を集中させて光導波段１０４へ光学的に結合させる一連のレンズ２７４を有しているＬＧＳＰ１００を示している。
【００８９】
本発明のＬＧＳＰの別の実施形態が、図４１Ａ、４１Ｂ、および４２Ａ〜４２Ｄに示されている。ＬＧＳＰ３００は、入射層（光入射段３０２）および導光層（光導波段３０４）を有している。光入射段３０２は、偏向器部分３０６および反射鏡部分３１２の形態の光学要素を有している。偏向器部分３０６は、入射する太陽光１０６を両矢印３０８によって示されている方向の一方または両方に偏向させる。偏向を受けた太陽光が、反射鏡部分３１２である光学要素に向かって導光される。反射鏡部分３１２は、一連の集光用の先細りの光チャネルとして形作られている。これら先細りの光チャネルは、一連の光出射開口３１３を介して、光導波段３０４を形成する一連の導波路３１４へ光学的に結合されている。
【００９０】
偏向器部分３０６は、体積相ホログラム（ＶＰＨ）の形態の導光層を含むことができる。ＶＰＨホログラムの縞は、２つの可干渉性のＵＶ光源の間の干渉を使用し、任意の適切な方法で形成される。縞の間隔および角度は、回折の１つ以上のモードがソーラーパネル３００の平面の４５度の範囲に入ることができるように、設計することができる。図４２Ａは、そのようなＶＰＨ３０９がどのように機能するかについての例を示している。得られる偏向は、図４２Ｂ〜４２Ｄに例示されている。
【００９１】
偏向器部分３０６は、例えばプリズムなどの平坦な小面による光学系など、非干渉の光学系を使用して製作することも可能である。例えば、間に小さな空気隙間を有して互いに噛み合う様相に配置された６０°プリズムの配列が、パネルの平面へ入射する光を２つの方向に分割するであろう。この二方向の偏向が、ソーラーパネル３００の２つの反対向きの縁への光の集積をもたらすであろう。そのような導光光学系が、図４３に示されている。
【００９２】
光導波段３０４は、直線形状を有しており、それぞれ該当の先細りの光チャネル（反射鏡部分３１２）から光を受光し、全反射によって光を閉じ込める複数の導波路３１４を有することができる。導波路３１４は、遅延線として機能し、光出射開口３１３において上方から入射する光が、ある距離だけ移動した後に、光出射開口３１３を通って上部から出射することができる。考えられるチャネルの実施形態が、図４２Ａ〜４２Ｃに示されている。先細りの光チャネル（反射鏡部分３１２）に入射する光が、第１の放物面部分３１６によって反射させられ、次いで平坦な小面３１８によって反射させられ、第２の放物面部分３２０によって反射させられた後、導波路３１４を定めている円柱形部分へ入射する。光は、出射する前に、ある距離だけ螺旋の様相で導波路３１４内を移動することができる。導波路３１４の長さが、閉じ込められた光線の平均の移動距離よりも小さい限りにおいて、導波路３１４へ結合した光は、集光されてチャネルの端部から出射し、そこで任意の適切なＳＥＣによって収穫することが可能である。例として、光導波段１０４の高さが１ｃｍであり、導波路３１４の長さが１５０ｃｍである場合、ＬＧＳＰ３００に入射する光の７５％が、導波路の２つの端部に達してＳＥＣにより収穫される。光がＬＧＳＰ３００へ一様に入射する場合、光は、導波チャネルの２つの端部の間で均等に分配される。
【００９３】
ＬＧＳＰ３００は、任意の数の導波路３１４および先細りの光チャネル３１２を備えることができ、それぞれの導波路３１４は、該当の先細りの光チャネル３１２と一緒にユニットを形成することができる。先細りの光チャネル３１２とそれぞれの導波路３１４とによって形成されるユニットは、成形によって製作することができる。
【００９４】
ＬＧＳＰ３００において、それぞれの導波路３１４が出射面３１５を有しており、出射面３１５の合計が、光導波段３０４の全体としての出射面を形成する。任意の適切なＳＥＣは、太陽光１０６を収穫するために複数の光出射開口３１５の出射部分に配置することができる。
【００９５】
別の形状の、先細りの光チャネル／導波路を使用することが可能である。例えば、図４４Ａ〜４４Ｃは、複数の導波路３２６が形成された先細りの光チャネル３２２を示しており、導波路の直径は、先細りの光チャネルの幅が狭くなるにつれて減少している。垂直方向において導波路を互い違いにすることで、２つ以上のチャネルを、間の無駄空間を小さくして密接に横並びで配置することができる。
【００９６】
前述のヒートシンク２２０は、ＳＥＣ（例えば、ＰＶセル）からの過剰な熱を周囲の空気へ発散させるために、一軸の追跡システムおよび完全な追跡の高集光システムに組み合わせて使用することができる。しかしながら、過剰な熱は、水を温めるために使用することも可能である。この機能は、図４５Ａおよび４５Ｂに示したヒートシンク４００によって達成可能である。ヒートシンク４００は、アルミニウムまたは他の任意の適切な材料で製作することができる。過剰な熱を空気へ発散させるためのフィンを特徴とするヒートシンク２２０と対照的に、ヒートシンク４００は、ＳＥＣにおいて生成される過剰な熱を取り出す水を流すための１つ以上のチャネル４０２を有している。
【００９７】
図４６に見られるように、端部キャップ４０３をヒートシンク４００へ取り付け、２つの目的に機能させることができる。すなわち、ＬＧＳＰを軸受を介して取り付け枠へ固定するとともに、熱交換器（図示せず）への導入口および排出口としても機能することができる。水は、導入口を一方の端部キャップに、排出口を他方の端部キャップに有するヒートシンク４００を通って真っ直ぐに流れることができ、あるいは同じ端部キャップを通ってヒートシンク４００へ流入し、ヒートシンク４００から流出してもよく、この場合反対側の端部キャップは、Ｕ字曲げとして機能する。この実施形態は、広大なシステムにおいて多数のモジュールの間のホースの引き回しを簡単にすることができる。押し出し材のチャネルの数を増やして水とヒートシンク４００のアルミニウムとの間の接触の表面積をより大きくすることができる。ヒートシンク４００を通過する水の流量は、ＳＥＣの温度を制御するために使用することができ、ＬＧＳＰをそれらの動作温度範囲に保つために使用することができる。ヒートシンク４００をホース４０６によって互いに接続して使用するシステムが、図４６に示されている。当業者であれば理解できるとおり、水以外の熱交換流体を、図４６のシステムにおいて使用することが可能である。
【００９８】
本発明のＬＧＳＰによって捕らえられる太陽光は、ＰＶセルを使用しない太陽熱システムにおいて使用することが可能である。そのような太陽熱システム５００の例が、図４７に示されている。システム５００は、最も外側のチューブが透明である二重壁のチューブ５０２を使用することができる。アルゴンなどの絶縁ガスで、内側のチューブを外側のチューブから隔てる。内側のチューブは、入射する太陽光を吸収するために、黒色であってよい。中央のチューブを通って、水、油、または他の任意の適切な液体など、熱吸収用の液体が流れる。
【００９９】
チューブ５０２は、上述の実施形態においてヒートシンクによって占められていた位置に配置される。集光された太陽光は、透明な外側チューブおよび絶縁ガス層を通過し、内側チューブによって吸収される。これにより、内側チューブの液体が加熱される。流体を運んでいるチューブは、光学系が周囲を回転するとき、位置固定のままであってよい。
【０１００】
本発明のＬＧＳＰの小さな光学的構造の一部を、シリコーン・オン・ガラスとして知られる技法を使用して製造することが可能である。Ｄｏｗ社のＳｙｌｇａｒｄ（商標）１８４と同様の薄い透明なシリコーンゴムが、ガラス基板上で必要な形状へ形成される。ガラス基板を用いずに、シリコーンを単独で成形することも可能である。
【０１０１】
本発明のＬＧＳＰは、熱膨張および熱収縮に関して比較的鈍感であるのが有利である。これは、ソーラーパネルの光学部品のすべてが、同じではなくとも同様の材料で作られているため、可能である。これゆえに、膨張が同程度であり、光学要素の機能が大きく変化することがない。具体的には、反射鏡１１０が膨張するとき、導波路部分１０４も膨張する。これにより、ユニットが温度の変化につれて膨張および収縮するとき、図１の１１０で反射し１１６へ集中する光１０６について、同じ焦点が維持される。
【０１０２】
一軸の追跡において、パネルは、傾けることにより一平面において入射太陽光との整列を維持する。光を予備的に調節し、入射光の角度を変化させて入射光を光学系に整列させる光学装置を、光学系の上方に追加することも可能である。そのような予備的調節の光学系は、可動ミラー、プリズム、または電気光学系を使用することができる。
【０１０３】
一軸追跡のパネルまたは非追跡のパネルを時々傾けることによって、追跡を手動で達成することが可能である。手動追跡のパネルは、数週間ごとに手動でわずかに整列を直すだけでよいように、十分に広い角度、例えば、断面においてプラスまたはマイナス５度、の受け入れ角度を有するパネルであろう。電子整列センサで、整列を補助することができるが、アクチュエータは必要とされない。
【０１０４】
異なる機構を使用するＬＧＳＰは、勾配屈折率を有するパネルを使用して製作することができる。屈折率勾配はＬＧＳＰの下流方向に増加するので、パネルに入射する光は下流方向に向かって向きを変える。勾配が、パネルの底面において全反射の偏向を生じさせるに十分であるならば、光は閉じ込められ、図４８に示されるとおり、下流のパネルの縁へ導かれる。勾配が小さいと、光がパネルの底面を出射する場合に、最初の反射のためにミラーが必要になる可能性があり、再び上方へパネルを通って上面まで移動する際のさらなる偏向により、上面における入射角度は、全反射が生じるに十分なものに増加する。これが図４９に示されている。
【０１０５】
図５０Ａおよび５０Ｂは、図３３Ｄの導光ソーラーパネル８００などの導光ソーラーパネルを、どのように集合させることができるかを示している。導光ソーラーパネル８００は、２つの垂直向きのアルミニウム製ヒートシンク９００の間に配置して、導光ソーラーパネル８００の直線アセンブリ９０２を形成することができる。導光ソーラーパネル８００のより大きな集合は、直線アセンブリ９０２をつなぎ合わせることによって組み立てることができる。
【０１０６】
本発明は、ＬＧＳＰを使用して光を絶縁または他の透明パネル内に閉じ込め、その光をパネルの縁のうちの１つへ伝播させて、ＳＥＣにより収穫する太陽エネルギーシステムの発明である。これは、厚さがモジュールの縁に位置するＳＥＣ（例えば、ＰＶセル）の高さと同程度であるきわめて薄いモジュールを可能にし、ＣＰＶシステムなどの伝統的な太陽エネルギーシステムにつきものの奥行きの要件を取り除く。ＬＧＳＰに入射する光は、方向転換させられて内部に閉じ込められ、パネルの縁のうちの１つを通ってパネルから出射して、この縁においてＳＥＣに受光される。
【０１０７】
ＬＧＳＰは、クラスタに組み合わせてモジュールを形成することができる。ＬＧＳＰの光学系は、構造的に概ね自立的であるように、すなわち形状および向きを維持するために外部の筐体を必要としないように、設計することができる。完全な囲いを、実施形態に追加することができる。後述するとおり、材料の使用およびコストを最小限にするために、ＬＧＳＰモジュールを、最小限の軸とリブとの構成によって支持することができる。
【０１０８】
集中させた太陽光を、ＰＶセルでの電気の生成以外の目的のために利用することも可能である。１つの選択肢としての用途は、何らかの要素の加熱である。また、モジュールを、水を加熱すると同時に電気を生成するように構成してもよい。また、集中させた光を、光ファイバまたは他の導光体へ結合させ、太陽光照明をもたらすための照明器具など、他の何らかの用途のための別の場所へ伝播させることも可能である。さらには、本発明のＬＧＳＰの光学系を、例えばランプおよび照明など、他の用途における光学系の厚さを減らすために使用することができる。本発明の他の観点および用途は、本発明の具体的な実施形態についての以下の説明を、添付の図面とともに検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。
【０１０９】
以上の説明においては、説明の目的のために、多数の詳細を、本発明の実施形態の完全な理解をもたらすために記載した。しかしながら、これらの具体的な詳細は本発明を実行するために必ずしも必要でないことは、当業者にとって明らかであろう。他の場合では、周知の電気的構造および回路を、本発明を不明瞭にすることがないよう、ブロック図形式で示した。例えば、本明細書に記載の本発明の実施形態がソフトウェアルーチン、ハードウェア回路、ファームウェア、またはこれらの組み合わせのいずれとして実現されるかに関し、具体的な詳細を提示していない。
【０１１０】
本発明の上述の実施形態は、あくまでも例示を意図している。当業者であれば、添付の特許請求の範囲によってのみ定められる本発明の技術的範囲から離れることなく、特定の実施形態に対して代案、修正、および変形が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３３Ｄ】
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【図３３Ｅ】
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【図３３Ｆ】
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【図３３Ｇ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４２Ｄ】
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【図４３】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４４Ｃ】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０Ａ】
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【図５０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月27日(2014.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を透過する光透過性材料からなる略平坦な光入射スラブであって、入射する太陽光を受けるための入射面と、複数の第１光学要素と、前記光透過性材料から形成された複数の光出射開口とを有し、前記複数の光出射開口と前記複数の第１光学要素とは、これらの間に１対１の関係が存在する様に関連付けられており、前記第１光学要素の各々は、前記入射面と、該第１光学要素に対応する光出射開口との間に光学的に位置し、前記第１光学要素の各々は、反射面を持った第１反射鏡を有し、前記反射面は、（i）該反射面にて
太陽光を全反射するために、前記入射面を通過した太陽光を臨界角より大きい角度で受ける様に、且つ、（ii）受けた太陽光を反射することにより、太陽光が、前記複数の光出射開口の１つへ向けて光学的に向きを変える様に、前記入射面に対して配置されている、光入射スラブと、
太陽光を透過する略平坦且つくさび形の光導波スラブであって、第１の表面と、前記第１の表面に対向する複数の第２反射鏡と、出射面とを有し、前記第２反射鏡の各々は、前記第１光学要素の１つと関連付けられている、光導波スラブと、
前記光入射スラブ及び前記光導波スラブによって集中させた太陽光を受けるための太陽エネルギー収集器と、
太陽光を透過する第２光学要素であって、前記光導波スラブ内を伝播する太陽光の少なくとも一部が前記太陽エネルギー収集器へ向けて向きを変える様に配置された少なくとも１つの反射面を有する、第２光学要素と、を備え、
前記光導波スラブは、前記光出射開口の各々に光学的に結合されることにより、該光出射開口から太陽光を受け、前記第１の表面及び前記複数の第２反射鏡は、前記光出射開口を介して受けた太陽光が、前記複数の第２反射鏡と前記第１の表面との間での多数回の全反射を経て、前記光導波スラブを通って前記出射面の方へ導かれる様に、配置され且つ並べられている、導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項２】
前記第１光学要素の各々の前記第１反射鏡は、受けた太陽光を、入射する太陽光に対して傾いた角度で１回だけ反射する、請求項１に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項３】
前記第１反射鏡は、第１反射面と、第２反射面と、第３反射面と、を備え、
前記第１反射鏡は、受けた太陽光が、前記第１反射面、前記第２反射面および前記第３反射面で反射した後、前記光出射開口から、前記光導波スラブへと入射するように配置されている、請求項１に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項４】
前記光入射スラブと前記光導波スラブとの間に形成されたクラッド層を更に備え、前記クラッド層は、前記光入射スラブの屈折率より小さく且つ前記光導波スラブの屈折率より小さい屈折率を有している、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項５】
前記第２反射鏡の各々は、平面反射鏡を含んでいる、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項６】
前記平面反射鏡は、前記第１の表面に対して略平行である、請求項５に記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項７】
前記複数の光出射開口の少なくとも幾つかは、隣接する前記第２反射鏡の間に位置する、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項８】
前記複数の光出射開口の少なくとも幾つかは、出射面と注入面とを含む、請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。
【請求項９】
前記第１光学要素の各々は、光集束要素である、請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載の導光ソーラーパネルモジュール。