(57)【要約】      （修正有）【課題】放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させるためのレンズにより、エネルギーを捕集する方法およびエネルギー捕集システムの提供。【解決手段】放射線5、好ましくは太陽放射線を集中させるためのコレクター2、および放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させる、該コレクターを含むエネルギー捕集システム1。レンズに垂直に延びる焦点面を有する、該システム用のレンズ10も開示する。【選択図】図１
2014057094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させるためのコレクターを有する、エネルギー捕集システム。
【請求項２】
本体が光起電力セルの細長いアレイを含む、請求項1記載のシステム。
【請求項３】
レンズの面に入射する放射線が本体の細長い領域全体にわたって実質的に均一に屈折するように、コレクターが、レンズから離れる方向にアレイを貫通して延びる焦点面を備えるレンズを有する、請求項2記載のシステム。
【請求項４】
光起電力セルのアレイ全体にわたって実質的に均一に放射線を集中させるためのコレクターを有する、エネルギー捕集システム。
【請求項５】
放射線がアレイの細長い領域に沿って集中する、請求項4記載のシステム。
【請求項６】
コレクターがクレードルの形状であり、本体がクレードルの基部に設けられる、請求項2記載のシステム。
【請求項７】
クレードルが細長いアレイを横切る方向に旋回するように構成される、請求項6記載のシステム。
【請求項８】
クレードルが東西の方向に旋回し、アレイが概ね南北の長軸方向に延び、それによってクレードルが、太陽の移動を追尾するように本体の軸線を中心に旋回する、請求項6記載のシステム。
【請求項９】
コレクターへの放射線を最大にするために、クレードルの位置の緯度に応じて軸線が赤道の方向に傾くように該クレードルもまた構成される、請求項8記載のシステム。
【請求項１０】
クレードルが、太陽の緯度の季節的変動をオフセットするように、該クレードルの位置の緯度に応じて傾斜して本体への放射線を最大にする反射壁を備えた、請求項6記載のシステム。
【請求項１１】
本体から熱を捕集して蓄積するための熱伝達アセンブリをさらに含む、請求項1記載のシステム。
【請求項１２】
熱伝達アセンブリが本体と熱的に連通した配管を含む、請求項11記載のシステム。
【請求項１３】
熱伝達アセンブリが、細長いアレイと組み合わせて、コレクターが受ける放射線のおよそ90％を有用な電気および/または熱エネルギーに変換することを可能にする、請求項11記載のシステム。
【請求項１４】
請求項1〜13のいずれか一項記載のシステムで使用するためのクレードルの形のコレクターであって、概ね東西方向のみに回転することを可能にする枢軸構造を含む、コレクター。
【請求項１５】
レンズに実質的に垂直に延びる焦点面を有するレンズ。
【請求項１６】
フレネルレンズである、請求項15記載のレンズ。
【請求項１７】
コレクターを通して入射太陽放射線を、放射線を電気および/または熱エネルギーに変換するように適応された本体の細長い領域上に集中させる工程、および該入射放射線の方向の変化に追従するために、該細長い領域を横切る方向にコレクターを旋回させる工程を含む、エネルギー捕集の方法。
【請求項１８】
コレクターが東西方向のみに旋回する、請求項17記載の方法。
【請求項１９】
太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応されたクレードルであって、
実質的に冬至の太陽の位置に従って設けられた第1表面を有する第1壁、
実質的に夏至の太陽の位置に従って設けられた第2表面を有する第2壁
を含み、
第1および第2表面の少なくとも一方が少なくとも部分的に光を反射する、
クレードル。
【請求項２０】
第1および第2壁が水平に対し90〜130度の範囲の角度に配置される、請求項19記載のクレードル。
【請求項２１】
第1および第2壁が水平に対し実質的に115度の角度に配置される、請求項19記載のクレードル。
【請求項２２】
太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応された歯であって、本明細書において開示された方程式1、2、および/または3に従って設計された歯。
【請求項２３】
太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応されたレンズであって、請求項22記載の歯を含むレンズ。
【請求項２４】
太陽エネルギー捕集システムのレンズと共に使用するための歯を構成する方法であって、本明細書において開示された方程式1、2、および/または3に従って歯を提供する工程を含む、方法。
【請求項２５】
レンズがフレネルレンズである、請求項23記載のレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明はエネルギー捕集システムに関する。
【０００２】
一形態では、本発明は、光起電力セルのような太陽エネルギーを熱および/または電気エネルギーに変換するシステムと共に使用する用途を有する。
【０００３】
以下では、本発明を光起電力セル（PVセル）と共に使用する場合に関連して説明することが好都合であるが、本発明はその使用のみに限定されないことを理解されたい。
【背景技術】
【０００４】
発明の背景
光起電力セルを使用して、太陽から受ける光子放射線から電気を生成することは公知である。光起電力セルは、電気出力を最大にするために、パネルの実質的に面全体に広がる保護ガラス層の下の平面パネルに、アレイ状に取り付けることが好都合である。パネルは、パネルを絶えず太陽に向けさせるように、二軸追尾アセンブリに取り付けることができる。
【０００５】
先行技術のPVセルおよびパネルの使用およびその周囲には、現在、次のような多数の問題が存在している。
・家庭用の現在のPVセルのコストは、出力効率に対して高すぎると考えられる。平均的な既存のパネルの場合、高効率のセルおよび太陽の追尾を用いても、太陽エネルギー約30％しか有用な出力に変換されない。
・各セルに入射する光の量は、例えば各セル上に点焦点集光レンズを用いることにより増大することができるが、そうすると、各セルの集光パネル全体で変動するエネルギー強度および/または温度上昇のため、PVセルが劣化するので、集中する太陽エネルギーの程度を制限する必要がある。
・比較的高エネルギーコンセントレータ配列体において、PVセルと共に拡大を使用することは、セルを能動的に冷却する必要があることを意味する。たとえPVセルから電気的に得られたエネルギーの量の4倍まで拡大することができたとしても（セルの効率によって異なる）、その結果得られる熱エネルギーは一般的に廃棄される。
・太陽パネルからの相対的に最大限の出力を達成するには、太陽を追尾する必要がある。例えば17％の効率で動作する光起電力セルによるパネルの電気出力は、例えば緯度37度の領域でそのような追尾アセンブリを使用して、平均60％増大することができ、セルの効率が事実上27％に向上する。しかし、追尾システムの装備は、機器のコスト、およびアセンブリを駆動するために必要となる寄生電力ドレインの結果、法外に高価になり得る。
・本発明者らは、追尾無しには、太陽光線の受光角度が長時間にわたって比較的低く、したがって生成される電力がずっと大きく低減されることに気付いた。
・本発明者らは、既存の追尾方式が多くの信頼性の問題を有することに気付いた。一つのそのような問題は、太陽を二次元で追尾しなければならないことである。寄生エネルギー損失は、工業および商業施設に要求される発電電力と比較して大きすぎると考えられる。
・本発明者らはまた、PVシステムには、特にそれが、電気エネルギーを供給するために必要となるだけでなく、太陽熱暖房システムとしても機能する5平方メートルを超える場合、比較的高い固定費があることも気付いた。この規模の太陽熱暖房システムは、実用のために十分な暖房エネルギーを生じることなく、コストおよび設備の大きさをかなり増大させる。
【０００６】
本明細書において文書、装置、行為、または知識の議論は、本発明の文脈を説明するために含まれている。資料のいずれかが、本明細書において開示および主張の優先日以前のオーストラリアまたはどこか他の国における、先行技術の基礎または関連技術分野の一般知識の一部を構成することを認めるものと解釈すべきではない。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一つの独創的局面では、放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させるためのレンズにより、エネルギーを捕集する方法およびエネルギー捕集システムを提供する。
【０００８】
本発明の別の独創的な局面では、レンズは、レンズに実質的に垂直に延びる焦点面を有し、レンズの面の入射放射線が領域全体で実質的に均一に屈折するように設計される。好ましくは、レンズはフレネルレンズである。
【０００９】
本発明のさらなる局面では、上述した太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応されたクレードルであって、実質的に冬至の太陽の位置に従って設けられた第1表面を有する第1壁、および実質的に夏至の太陽の位置に従って設けられた第2表面を有する第2壁を含むクレードルを提供する。
【００１０】
好ましくは、第1および第2表面の少なくとも一方が、少なくとも部分的に光を反射する。
【００１１】
本発明のなおさらなる別の局面では、太陽エネルギー捕集システムにおいてレンズと共に使用するように適応された歯であって、本明細書において開示する方程式1、2および/または3に従って設計された歯を提供する。
【００１２】
レンズは、放射線を電気および/または熱エネルギーに変換するように適応された本体の細長い領域に入射太陽放射線を集中させる。
【００１３】
別の独創的な局面では、レンズは、入射放射線を追跡するために、細長い領域に直角に、概ね東西方向にのみ回転することができるように、枢軸構造を備えるクレードル上に支持される。
【００１４】
他の局面および好ましい局面については、本明細書において開示し、かつ/または本発明の説明の一部を構成する添付の特許請求の範囲に記載する。
【００１５】
上記の構成により、平面パネル配列体と比較してより少数のPVセルのアレイに太陽エネルギーを集中させて、セルの上昇した動作温度を通してPVセルから相対的にほぼ同一の電力出力を得ることが可能である。本発明者らはさらに、コンセントレータがPVセル全体にわたって太陽光の集中のいっそう均等な強度をもたらすように設計することができることに気付いた。クレードルの特定の形状は、PVセルの使用の効率を依然としてかなり改善しながら、単軸追尾の使用を可能にする。これは、アレイにおける十分な照射光量を依然として維持しながら、収束光が年間を通じてアレイおよび反射性端壁を上下して進むという事実のためである。クレードル壁の反射面に入射する光は、比較的最小限の損失でアレイへも反射する。セルのより高い動作温度のため、レンズを有さないがレンズと同一サイズの面積のPVセルのアレイからの出力を上回る、PVセルからの出力電力のかなりの向上をもたらすように、PVセルのアレイの面積を縮小したフレネルレンズを使用することも気付いた。
【００１６】
さらに、アレイのより集中的な表面積およびより高い動作温度のため、従来のシステムのようにエネルギーを低温の無駄なエネルギーとして廃棄する代わりに、冷却システムを使用することにより、捕集したエネルギーを追加的に家庭用および工業用に利用することができることに気付いた。したがって、太陽熱暖房を本PVセル（コンセントレータ）システムに組み込むことにより、比較的低コストでより高い出力を得ることもできる。
【００１７】
上記により、次のような多数の可能な利点を実現することができる。
・より少数のセルの使用は、資本コストの低減をもたらす。
・より高温でのセルの動作は、太陽からのエネルギーを、PVセルにより電気エネルギーに変換することに加えて、有用な熱エネルギーに変換することを可能にし、捕集される太陽エネルギーの90％程度の総エネルギー変換出力をもたらす。
・フレネルレンズの使用は、PVセルアレイ全体にわたって入射放射線のより均等な集中をもたらす。
・焦点距離が比較的長い凹/凸レンズがおそらく使用される。
・フレネルレンズに垂直突出設計が採用され、PVセル全体にわたる強度の均等性をさらに確保しながら、通常のフレネル型レンズの利点が提供される。
・レンズに対して決定された倍率レベルは、システムによって加熱される任意の水の温度を家庭用の温度に調整することを可能にする。この水は、給水システムで家庭用温水を予熱するために使用することもできる。
・クレードルの寸法および反射性内面は、システムを単方向追尾のみにより作動させることを可能にする。
・比較的単純な追尾システムの使用により、信頼性が向上する。
・該システムは家庭の全エネルギー需要を提供するよう使用され、より費用効果の高い電気エネルギー生産に加え、有用な熱エネルギー生産の形で追加的なエネルギー変換を提供する。
【００１８】
本発明の適応性のさらなる範囲は、以下に掲げる詳細な説明から明らかになる。しかし、この詳細な説明から当業者には本発明の精神および範囲内の様々な変化および変形が明らかになるので、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の好ましい態様を示すものであるが、単に例証として掲げるだけであることを理解されたい。
【００１９】
本出願のさらなる開示、目的、利点、および局面は、単なる例証として掲げるだけであって本発明を限定するものではない添付の図面に関連して取り上げる、以下の好ましい態様の説明を参照することによって、関連技術分野の当業者にはいっそうよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】エネルギー捕集システムの一態様の概略的な斜視図である。
【図２】図1のシステムのコレクターおよび本体の一態様の様々な図を示す。
【図３】フレネルの屈折の法則を示す線図である。
【図４】図1のシステムのレンズおよび光起電力アレイの線A-Aに沿って切った断面図である。
【図５】入射放射線の方向の変化の影響を示す図4と同様の図である。
【図６】追尾システム用の光センサの様々な図を示す。
【図７】光起電力アレイの電力出力を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
詳細な説明
本発明の一態様は、4つの要素すなわち、
・フレネルレンズ,
・PVセルアレイ付きの捕集クレードル、
・予熱された水を提供する冷却システム、および
・太陽追尾システム
を含む。
【００２２】
これらについて、以下でさらに開示する。
【００２３】
1.全体的システム
本発明およびその様々な局面：
・特別に設計されたフレネル型レンズを利用して、太陽の放射線を光起電力セルに集中させて電気エネルギーを生成する。
・壁で囲まれたクレードルの基部に少なくとも一つの帯片状に連なった光起電力セルを施す。帯片の長さは、世界におけるシステムの位置によって、その位置に対する太陽の回転の状態に関連して、決定される。クレードルの壁は、壁が追加光をセルに反射するおかげでエネルギー捕集が増大するように、かつ/または雲による太陽光の南北方向の変動および緯度における太陽の季節的な変動をオフセットするように、反射性であることが好ましい。これは最小限の光損失を可能にし、高効率のエネルギー捕集を維持する。
・冷却管をPVセルの背後およびクレードルの壁上に通すことにより、PVセルの受入れ可能な動作温度が維持され、システムの効率が向上する。
・冷却管によって捕集された熱エネルギーを使用して家庭用の水を予熱し、そのようにPVセルの電気変換の非効率性を利用し、熱エネルギーを捕集することによってシステムの効率を最大にする。
・東西軸上の太陽の移動を追尾して、太陽から高レベルのエネルギー収集を達成する。したがって、そうしなかった場合に南北軸上の太陽光の変動を追尾することから要求される寄生エネルギー損失は、回避される。
・システムは太陽から捕集されたエネルギーから、コンセントレータレンズ、クレードル、光起電力セル、および冷却管の使用を通して、熱および電気エネルギーを生成する。
・本発明の特定の局面の幾つかは、レンズ、捕集クレードル、家庭用温水システムへの給水源として光起電力セルを冷却することにより水の予熱を組み合わせること、および単軸追尾方法を利用する能力を含む。
・フレネル型レンズは太陽光線を集中させ、セル面積に対する出力効率を向上する。
・捕集クレードルは、システムの設置場所の地理学的緯度に従って適宜、南北の方向により大きい面を向けるために、その位置の緯度に適するように傾けられる。このようにしてクレードルは、光起電力セルの傾きを変えることなく高強度の日光が得られるように、北または南の方向からの太陽光線を捕集しかつ反射することができる。
・光起電力セルを冷却するために使用される水は、家庭用温水システムに予熱された水を提供するために、貯蔵タンクに巡回させることができる。
・光起電力セルが最も強い太陽光に向けられることを確実にするために、駆動システムは追尾システムを用いてクレードルを回転させて、エネルギー捕集を最大にするクレードルの方向を決定する。
・フレネルレンズの設計原理を本発明のレンズ、コレクター、および/またはクレードルに対して適応することができることが判明した。
【００２４】
2.フレネルレンズ
図4に示すように、本発明はフレネルレンズに特定の設計を利用する。
【００２５】
フレネルレンズは、この態様では、セル上の均等な強度を維持しながら、各セルの表面全体にわたって太陽光線の最大限の集光がもたらされるように設計される。これは、レンズの面に垂直な焦点面を有するようにレンズを設計することによって達成される。これは、捕集領域における不均等な光強度に伴う集光の問題を克服する。ミラーまたは他のレンズよりフレネルレンズを選択することにより、結像光の明瞭さのため、均等な光の投影も確保される。
【００２６】
（図4の）レンズ10を構築する際に配慮される一般的な設計上の留意点を、レンズ10の歯の構造および屈折の法則の計算に使用される次のような一般方程式により、図3に関連して考察する。
2014057094.tif 000003
式中、
n1＝屈折率（入射光線）
n2＝屈折率（屈折光線）
2014057094.tif 000004
である。
【００２７】
フレネルレンズにより、光の実質的に均一な集中を可能にするために、レンズの異なる部分を異なる位置で収束するように設計することができる。例えば図4は、中間領域の両側に実質的に鋸歯状の歯を有するレンズ10を示す。中間領域では、セルにおける光の集中があったとしても少ない。第1から第nの歯の焦点距離を表わす所望の焦点距離「f1-fn」の像により、基本三角法を使用して、方程式（2）に従って像と水平面または屈折面との間の角度を決定する。このようにして、本発明は様々なサイズおよび形状のレンズならびにコレクターを設計するために使用することができる。これから、屈折歯の水平に対する斜辺の角度を、方程式（3）により求めることができる。方程式（3）は、前述の通り屈折の法則の派生物（derivation）である。
2014057094.tif 000005
式中、
f1＝焦点距離、
x∫＝水平から焦点の変位
2014057094.tif 000006
【００２８】
方程式（2）および（3）の組合せから、どんなフレネル型レンズも設計することができる。
【００２９】
捕集システム用に設計されるフレネルレンズ10を図4に示す。レンズ10は、任意の個数の区画「s」に分割される。好ましい形態では、各々が10個の異なる領域で収束する10個の区画「s」があり、各区画の各歯は対応する焦点距離を有する。レンズの絶対焦点を決定するために光線軌跡を使用すると、垂直焦点領域が得られる。通常のレンズは一般的に全て平行な焦点面を有するので、これは通常のレンズとは異なる。垂直焦点面により、本体6の領域12に沿ってその全体にわたって放射線のより均等な集中を達成することができることが判明した。したがってレンズ10は、レンズ10の面11を超えて光起電力セルのアレイ8の実質的に均一な細長い領域上に放射線を収束させることができる。さらに、領域12に加えられる放射線の強度は、セルの温度または要求される所望の熱に相応する倍率で増大または拡大される。例えば倍率は、光がレンズによって拡大されることなく直接その領域に入射するだけであった場合の強度と比較して、細長い本体の安全な動作温度に要求される特性に応じて11とすることができる。
【００３０】
3.捕集クレードル
捕集クレードルは、PVアレイの照射光量を最大にするために、赤道に対する地球表面の位置に特異的なパラメータを有する。システムが赤道に近ければ近いほど、クレードルの基部のサイズまたは長さに対して、PVセルの捕集帯片を長くすることができる。これは、年間を通して太陽の経路の変動が小さいためである。
【００３１】
アレイの長さのこの特定の選択はシステムの効率を向上し、アレイ上に反射しなければならない光を最小化する。しかし、クレードルの側壁からアレイ上に反射する光によるアレイの間接的な照射光量は、アレイに直接照射する光だけを使用した場合に当てはまる効率を向上する。
【００３２】
放射線5をクレードル3の本体6の基部7に集中させるために反射壁4を有するクレードル3の形のコレクター2を含む、エネルギー捕集システム1の特定の構成を図1および2に示す。本体6は光起電力セルの細長い帯片またはアレイ8を担持し、本体をカートリッジ式に基部7に容易に挿脱し、かつ/または交換することができるように、適切な電気結線（図示せず）を備えることが好ましい。
【００３３】
レンズ10は、その面11に入射する放射線5が本体6の細長い領域12に集中するのを助けるように、クレードル3全体に設けられる。その目的のために、レンズは、入射放射線5が本体6の領域12の側方の細長い面積全体で実質的に均一に屈折されるように、レンズ10から離れる方向に本体6を貫通して延びる焦点面を有することが好ましい。
【００３４】
クレードルはまた、次のものを有することもできる。
・実質的に冬至の太陽の位置に従って設けられた第1表面を有する第1壁。
・実質的に夏至の太陽の位置に従って設けられた第2表面を有する第2壁。
・第1および第2表面の各々は光を反射する。
【００３５】
クレードルは、第1および第2壁の間に完全に跨るレンズを有するように適応することが好ましい。
【００３６】
一形態では、第1および第2壁は、本体の平坦な表面に対し90度〜130度の範囲の角度に配置される。
【００３７】
好ましくは、オーストラリア国メルボルンのような緯度の場合、第1および第2壁は、水平に対し実質的に115度の角度に配置される。
【００３８】
領域12の配置は図4では、放射線5が実質的に垂直方向からレンズ10に入射するので、本体6に対して中心位置に示される。図5に矢印13または14で示されるように、入射放射線の方向が変化すると、図示するように、領域12は右または左にそれぞれ単純に移動する。したがって、本体6および付随するアレイ8の全長は、入射放射線5の最大方向変化を基準にして決定することができる。システム1を使用して太陽エネルギーを捕集する状況で、領域12が単純に本体6の範囲で上下に移動するおかげで、太陽の位置の季節的な変動がシステム1内で自動的に調整されるように、本体6および関連細長い領域12は概ね南北方向に延びるように構成することができる。
【００３９】
しかし、システム1は能動的に東西に太陽を追尾することが好ましい。その目的のために、クレードル3が本体6および細長いアレイ8の長軸方向に直角な軸線18を中心に旋回することができるように、クレードル3を支持構造17に結合するために、図1に示すように、枢軸15、16が設けられる。
【００４０】
追尾運動を容易にするために、システム1は、図6に示すように光センサ配列体20を使用する追尾機構（図示せず）を含むことができる。
【００４１】
4.予熱された水を提供する冷却システム
クレードルの基部および側部に配置された冷却水管（図示せず）を含む、熱伝達アセンブリを設けることができる。水は、光起電力セルおよびクレードル表面を受入れ可能な温度、例えば60℃に維持する速度で管内を循環する。
【００４２】
この水はヘッダタンク（header tank）に戻され、例えばビルディングの温水システム、または熱エネルギーを必要とする他のビルディング/プロセスシステム用の給水として使用される。
【００４３】
このプロセスを通して、使用されている現在の大規模な平面PVアレイからは達成されない、追加の有用なエネルギーをもたらすシステムによって、十分な太陽エネルギーが熱エネルギーに変換される。
【００４４】
既存の光起電力パネル配列体では、セルの動作温度が低すぎるので、そのような熱伝達システムはこれまで実際には実現されてこなかった。しかし、本システム1の光起電力セルは、コレクター2によってもたらされる放射線の増大する集中のため、かなり高い温度で作動することができる。
【００４５】
5.太陽追尾システム
レンズの集光およびクレードルの設計に関連して、既存の追尾システムを適応することができる。クレードルは、光エネルギーの捕集が南北軸上の太陽の移動に大きく影響されないようにすることができる。このため、二軸追尾システムは不要である（方位角および仰角）。単軸追尾システムを使用できることにより、制御および駆動機構の電力の寄生が半減し、効率を高める別の方法となる。
【００４６】
追尾のために、光依存抵抗器が使用され、太陽の位置を決定するためにそれらの間にフィンが配設される。これをさらに展開し、追尾システムの既存の問題を克服するために、状態制御が重要視されてきた。様々な抵抗器の値およびそれらの相互の偏差の範囲が、システムの不必要な駆動を停止するために含まれてきた。追尾は本質的な大きいエネルギー損失であり、一方向のみに追尾することにより、損失は従来の二軸追尾の半分になる。
【００４７】
従来の追尾システムでは、一組の感光型抵抗器のうちの一つの抵抗器が高い値を有するときに、駆動列は他の方向に駆動する（太陽光は抵抗値の大きさを低下させる）。しかし、雲がかかっている場合、光は散乱し、雲の濃度のため、太陽は一瞬毎にそれが異なる位置にあるように見えることがある。
【００４８】
システムがいつ駆動し、いつ駆動しないかを支配するために、許容差が導入されている。抵抗値が両方とも高ければ、システムは追尾しない。抵抗が両方とも低く、かつ許容値範囲内のわずかな変化しか無い場合には、システムは駆動しない。システムは、抵抗器の解釈を通して、抵抗値の一方が高く、もう一つが低い場合にのみ駆動する。システムはまた、高い抵抗器入力だけがある場合、朝、日中、および夜のような設定駆動時間を含む。
【００４９】
一つの態様において、配列体20は、南北方向に延びる遮光フィン23の両側に配置された2つの感光型抵抗器21、22を含む。抵抗器の一つの抵抗が変化すると、太陽が遮光フィン23の片側または反対側に移動したとみなされ、遮光フィン23を太陽に再度整列させ、各抵抗器21、22の抵抗負荷を均等化させるように、クレードル3を適切な方向に駆動することができる。抵抗器21、22のいずれかに当たる光の量に影響を及ぼすことのある環境状況の微小な変化に対処するために、機構が駆動するとき、および駆動しないときを支配するように許容差を導入することができる。機構はまた、朝および夜のような設定駆動時間に供することもできる。
【００５０】
6.研究結果
以上のことから、現在の平面パネル光起電力アレイを使用することでは得ることのできない、かなりの太陽エネルギーがシステム1を利用することによって得られることを理解することができる。さらに詳しくは、緯度37度の領域（オーストラリア国メルボルンのような）に対し、2.0m程度の長さおよび1.4m程度の幅のレンズ10を装備したクレードル3の実験で、従来の平面パネル配列体と比較して、非常に有利な結果が出た。繰り返すが、二軸追尾を含みクレードル3と同一捕集面積を有する従来の光起電力パネルは、例えば効率17％のセル（一般的に市販の光起電力セルの効率）を有するパネルの電気出力を平均で60％増大させ、事実上、効率27％のセルにする。しかし、二軸追尾が要求されることから随伴する比較的高い寄生エネルギー損失、高い機器コスト、および一般的に低い信頼性のため、追尾システムは一般的に起電力パネルとは一緒に使用されないことに再び留意されたい。
【００５１】
二軸追尾が要求されることから随伴する比較的高い寄生損失、高い相対コスト、および一般的に低い信頼性のため、追尾システムは一般的に標準システムでは使用されない。
【００５２】
本明細書において記載したコンセントレータシステムは、所与の捕集面積に対し、電気出力を平均で72％高め、事実上29％の効率を達成する。
【００５３】
コンセントレータは、追尾平面太陽パネルと比較して電気出力を12％高めるだけでなく、帯片状のセルを使用するだけであるので、従来のパネル用のセルアレイ全体と比較して、システムのコストが少なくとも50％削減される（製造量によって異なる）。この価格削減は、PVセルの数量の削減および追尾システム用の機器および材料の削減の結合である。
【００５４】
提案した構成の場合、該システムは、市販されている最も効率的な光起電力セルを越えるセル出力効率を、ずっと低い価格で達成する。
【００５５】
平板パネル、追尾平板、および本コンセントレータの出力電力の比較を以下に示す。
【００５６】
これは平板と追尾平板システムとの間では50〜60％の改善を示すが、コンセントレータシステム（同一コレクター面積に対して改善は72％となる）の場合、一つのセル当たりの電力出力の増加は約5倍になる。
【００５７】
冷却システムにより、コンセントレータは事実上、捕集されたエネルギーの90％を得ることができる。追尾平板パネルを太陽光温水システムと共に使用した場合に得ることができるより、ずっと大きい。
【００５８】
上述の通り、システム1は、所与の捕集面積に対し、電気出力を平均して72％増大し、事実上29％のセル効率を達成することが判明した。さらに具体的に、平面パネル、追尾平面パネル、およびシステム1の出力電力の比較を、図7に示す。グラフ28は、追尾無しの平面パネルの場合の出力を示す。グラフ29は、二軸追尾を伴う平面パネルの場合の電力出力を示し、それはグラフ28に対して50〜60％の改善を示す。グラフ30はシステム1からの出力を表わしそれは、パネルと同じコレクターの面積に対し72％の改善を示す。一つのセル当たりの電力出力が約5倍増加したことも注目される。
【００５９】
追尾太陽パネルと比較して、追加的に12％の電気出力の増加がもたらされること以外に、システム1は、かなりの製造上の節約を提供することができる。例えば二軸追尾とは対照的に、単軸追尾を使用するだけであり、かつ従来のパネルの平面アレイ全体のセルと比較して、システム1において帯片状のセルを必要とするだけであるので、機器および部品の節約を実現することができる。
【００６０】
セットアップコストにも関わらず、システム1が、増大する放射線強度で、かつ昇温でセルを作動させることによって、現在市販されている光起電力セルを越える光起電力セルの出力効率を達成することは重要である。動作温度の上昇により、冷却のために熱伝達アセンブリを使用することも実行可能になるので、入射太陽エネルギーのおよそ90％（多かれ少なかれ）をシステム1によって捕捉することができる。そのようなレベルの効率は明らかに、追尾平面パネルを太陽光温水システムと組み合わせて得られるより、かなり高い。
【００６１】
また、上記の本発明により、同一の捕集エネルギーに対して必要となるセルの個数をかなり低減することができ、従来の太陽光アレイと比較して、システムからのエネルギーのコストがかなり低減される。
【００６２】
システム1を単なる非限定的な実施例として説明したが、記載した本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対し多くの変形および変化を施すことができる。例えば、本明細書の全体を通して太陽エネルギーに言及したが、本発明はどのような種類の放射線の捕集にも用途を有する。
【符号の説明】
【００６３】
1  エネルギー捕集システム
2  コレクター
3  クレードル
4  壁
5  放射線
6  本体
7  基部
8  アレイ
10  レンズ
11  レンズ面
12  細長い領域
13  入射放射線
14  入射放射線
15  枢軸
16  枢軸
17  支持構造
18  軸線
20  光センサ配列体
21  抵抗器
22  抵抗器
23  遮光フィン
28  グラフ
29  グラフ
30  グラフ
【図１】
2014057094.tif 000007
【図２】
2014057094.tif 000008
【図３】
2014057094.tif 000009
【図４】
2014057094.tif 000010
【図５】
2014057094.tif 000011
【図６】
2014057094.tif 000012
【図７】
2014057094.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月17日(2013.12.17)
【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】
放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させるためのコレクターを有する、エネルギー捕集システム。
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月16日(2014.1.16)
【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】
放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する光起電力セルの細長いアレイにわたって、放射線を集中させるためのコレクターを備えるエネルギー捕集システムであって、コレクターがクレードルの形状であり、細長いアレイがクレードルの基部に設けられ、
レンズの面に入射する放射線が細長いアレイにわたって実質的に均一に集中するように屈折するように、コレクターが、レンズの面に垂直なレンズから離れる方向に細長いアレイを貫通して延びる焦点面を備えるレンズを有し、
クレードルは、太陽の移動を追尾して、細長いアレイを横切る東西の方向にクレードルが旋回するように、単一の軸線を中心に旋回するように構成され、
クレードルが、細長いアレイへの放射線を最大にする反射側壁を備えた、
エネルギー捕集システム。
【請求項２】
コレクターへの放射線を最大にするために、クレードルの位置の緯度に応じて軸線が赤道の方向に傾くように該クレードルもまた構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
本体から熱を捕集して蓄積するための熱伝達アセンブリをさらに含む、請求項1記載のシステム。
【請求項４】
熱伝達アセンブリが本体と熱的に連通した配管を含む、請求項3記載のシステム。
【請求項５】
熱伝達アセンブリが、細長いアレイと組み合わせて、コレクターが受ける放射線のおよそ90％を有用な電気および/または熱エネルギーに変換することを可能にする、請求項3記載のシステム。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれか一項記載のシステムで使用するためのクレードルの形のコレクターであって、概ね東西方向のみに回転することを可能にする枢軸構造を含む、コレクター。
【請求項７】
放射線を電気および/または熱エネルギーに変換するように適応され、クレードルの基部に設けられた光起電力セルの細長いアレイを、実質的に均一に放射線にさらすために、クレードルの形状のコレクターを通して、コレクターのレンズの実質的に垂直な焦点面に沿って、入射太陽放射線を集中させる工程を含み、この実質的に垂直な焦点面は細長いアレイを貫通して延びており、
クレードルは、太陽の移動を追尾して、細長いアレイを横切る東西の方向にクレードルが旋回するように、単一の軸線を中心に旋回するように構成され、
クレードルが、細長いアレイへの放射線を最大にする反射側壁を備えた、
エネルギー捕集の方法。
【請求項８】
入射放射線の方向の変化に追従するために、細長い領域を横切る方向にコレクターを旋回させる工程をさらに含む、請求項7記載の方法。
【請求項９】
コレクターが東西方向のみに旋回する、請求項8記載の方法。