(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を具備する高効率で低コストなエネルギー変換システムを提供する。【解決手段】エネルギー変換システム１０は、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを太陽電池１２へ誘導する太陽光集中装置１４を更に具備する。太陽光集中装置１４は、レンズを有する。レンズは、軸外れ構成を具備する少なくとも１つの線状焦点部分１６と、少なくとも１つの線状焦点部分１６に隣接し、軸外れ構成を具備する少なくとも１つの球面部分１８と、少なくとも１つの線状焦点部分１６及び少なくとも１つの球面部分１８に隣接するパターンなし部分２０とを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギー（２４）を受け取り、前記太陽エネルギー（２４）を電気エネルギーに変換するように構成された太陽電池（１２）と；
レンズを具備し、太陽エネルギー（２４）を受け取り、前記太陽エネルギー（２４）を前記太陽電池（１２）へ誘導するように構成された太陽光集中装置（１４）とを具備し、前記レンズは、
軸外れ構成を具備する少なくとも１つの線状焦点部分（１６）と；
前記少なくとも１つの線状焦点部分に隣接し、軸外れ構成を具備する少なくとも１つの球面部分（１８）と；
前記少なくとも１つの線状焦点部分（１６）及び前記少なくとも１つの球面部分（１８）に隣接するパターンなし部分（２０）とを具備するエネルギー変換システム（１０）。
【請求項２】
前記レンズは、前記太陽電池（１２）の上方に配置されたフレネルレンズの一部である請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの線状焦点部分（１６）は、フレネルレンズの円筒形部分である請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのパターンなし部分（２０）は、前記太陽電池（１２）の面全体に一様に光を配分するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記レンズは、前記パターンなし部分（２０）により互いに離間して配置された２つの線状焦点部分と、前記パターンなし部分（２０）により互いに離間して配置された２つの球面部分とを更に具備する請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記太陽光集中装置（１４）は、両端部に前記２つの線状焦点部分が位置する細長い形状として形成される請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記太陽光集中装置（１４）は、両端部が東西方向に向くように位置決めされる請求項１記載のシステム。
【請求項８】
太陽高度の極値に対して照射を改善するように位置決めされた複数の反射鏡（４８）を具備する請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの線状焦点部分（１６）は、前記太陽光集中装置（１４）の各々の端部に配置される請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
少なくとも前記線状焦点部分（１６）と、前記球面部分（１８）との組み合わせは、前記太陽光集中装置（１４）の各々の端部に配置される請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、太陽エネルギー変換システムに関し、特に、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギーは、今日使用されている化石燃料に代わるエネルギー源であると考えられる。現時点では、太陽エネルギーは、化石燃料と比較して、相対的に不経済である。太陽エネルギーの生産コストが化石燃料と比肩できるようになるにつれて、太陽エネルギーの使用範囲は、更に広がるであろう。
【０００３】
太陽光を電気エネルギーに変換する太陽エネルギー変換モジュールは、通常、太陽エネルギーを蓄積可能な電気エネルギーに変換する光起電力モジュール、光電池又は太陽電池を採用する。太陽電池により発生される電気エネルギーの量は、電池が吸収する太陽エネルギーの量と直接関係する。従って、電気エネルギーの量は、電池の大きさ又は表面積と、電池に入射する太陽光の強さ又は輝度に基づいて決まる。
【０００４】
一般に、太陽電池の価格の大部分を占めるのは、太陽エネルギー変換モジュールの部品の費用である。これは、通常、太陽電池が、相対的に高価な材料である結晶シリコンを主要な構成要素として製造されているためである。従って、太陽電池により発生される電気エネルギーの量を増すために、電池を大型にすれば、その分、電池の価格は高くなってしまう。大型の電池を使用すると、その輸送費用も多くかかるようになる。
【特許文献１】米国特許６，３９９，８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、光起電力モジュール又は光電池によって、従来と比べて低コストで電気エネルギーを発生する改善された技法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の技法の１つの面によれば、エネルギー変換システムが提供される。システムは、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を含む。太陽光集中装置は、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを太陽電池へ誘導する。太陽光集中装置は、レンズを具備する。レンズは、軸外れ構成を具備する少なくとも１つの線状焦点部分と、軸外れ構成を具備し、線状焦点部分に隣接する少なくとも１つの球面部分と、少なくとも１つの線状焦点部分及び少なくとも１つの球面部分に隣接するパターンなし部分とを含む。
【０００７】
本発明の上記の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。図面中、全ての図を通して、同じ図中符号は、同じ部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムを開示する。以下の図面の説明中、可能であれば、各々の図において、同じ特徴は、同じ図中符号により示される。
【０００９】
そこで図面を参照すると、図１は、エネルギー変換システム１０の概略図を示す。以下に、システムの各構成要素を詳細に説明する。
【００１０】
エネルギー変換システム１０は、太陽光を受け取り、太陽光の太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された太陽電池１２を具備する。システム１０には、太陽光集中装置１４も含まれる。太陽光集中装置１４は、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを太陽電池１２へ誘導するように設計される。太陽光集中装置１４は、レンズを具備する。レンズは、軸外れ構成を有する少なくとも１つの線状焦点部分１６と、軸外れ構成を有し、少なくとも１つの線状焦点部分に隣接する少なくとも１つの球面部分１８と、線状焦点部分１６及び球面部分１８に隣接するパターンなし部分２０とを具備する。
【００１１】
一実施形態においては、太陽光集中装置１４は、フレネルレンズを具備する。従来のレンズの重量の何分の１かの重量で、従来のレンズに類似するレンズの主焦点距離を維持するように、フレネルレンズの表面湾曲は、複数の部分に分割される。薄い凸レンズの場合、平行な太陽光線は、主焦点と呼ばれるレンズ中の１点に集束する。レンズから主焦点までの距離は、レンズの主焦点距離「ｆ」である。図示された本発明の実施形態においては、レンズの球面部分１８、レンズの円筒形部分１６及びレンズのパターンなし部分２０は、ある特定の１日の中で太陽が様々な位置をとる間、太陽光の投射に対して最大限の幅を得るように配列される。
【００１２】
図示された実施形態において線状焦点部分１６と呼ばれる部分は、フレネルレンズの円筒形部分を含む。レンズのパターンなし部分２０は、拡散した太陽光を受け取り、その光を太陽電池１２へ誘導するように構成される。
【００１３】
尚、本発明の技法においては、図１に示されるレンズの球面部分１８、レンズの円筒形部分１６及びレンズのパターンなし部分２０の特定の配列が開示されるが、レンズの球面部分１８、レンズの円筒形部分１６及びレンズのパターンなし部分２０の数多くの他の配列が可能である。
【００１４】
図２には、太陽光集中装置１４及び太陽電池１２の、図１の線２‐２に沿った横断面図２２が示される。図２を参照して、太陽光集中装置１４及び太陽電池１２の構成を詳細に説明する。図２に示されるように、太陽光２４は、太陽光集中装置１４へ誘導される。太陽光集中装置１４は、レンズの球面部分１８と、レンズの円筒形部分１６と、レンズのパターンなし部分２０とを具備する。太陽は、緯度に対して、経度に対してほど大きく角位置を変えない。そのため、太陽電池１２に沿って太陽光２４を緯度と平行に集束するために、レンズセグメントの円筒形部分１６を使用できる。フレネルレンズのパターンなし部分２０は、太陽光２４からの拡散照射及び集中されない太陽光を太陽電池１２へ伝送する。また、パターンなし部分２０は、くもりの日に存在する散乱され拡散した太陽光２４を回収し、太陽電池１２から他へ偏向されないように、太陽電池１２に入射させる。端部にあるレンズの球面部分１８（図２に示される）は、太陽の東西運動に対して、より大きな緯度を与え、それにより、太陽光２４を太陽電池１２へ誘導する。円筒形部分１６は、１つの明るい点ではなく、電池の長さに沿って１本の線を形成することにより、太陽光集中装置１４の表面全体に、太陽光２４を更に均一に配分する。従って、様々な投射角度で太陽光集中装置１４に向かう太陽光２４は、過剰な入射強さが原因となる太陽電池の性能劣化を引き起こさないような低レベルで太陽光を集中させるパターンで、太陽電池１２に収束される。
【００１５】
典型的なレンズは、中心に機械軸及び光学軸を有するように製造され、それにより、太陽光２４は、湾曲又は屈折を起こさずにレンズを通過できる。レンズ面の頂点は、機械／光学軸上にあり、レンズの焦点距離が正であるか、又は負であるかに応じて、表面は凹形又は凸形になる。標準的なレンズの焦点の中心は、光学軸上の、後方レンズ頂点から焦点距離に相当する距離だけ戻った位置にある。レンズ又はミラーの焦点外れセグメントは、レンズの光学軸上に中心を持たない部分である。レンズの軸外れセグメントを使用することにより、通常であればレンズの下方に一様に入射するはずの全ての太陽光が、光学軸上に集束されるようになる。これにより、光学軸の下方に入射するはずの光線は、レンズの光学軸上へ有効に屈曲される。球面レンズを使用した場合、強さ分布は１つの点を成す結果となるが、円柱レンズを使用した場合には、強さ分布は１本の線である。本発明の一実施形態においては、太陽電池１２の長軸に沿って、軸外れ構成を有するレンズの円筒形部分１６（その部分の機械的中心と、円柱の上半分又は下半分の全てとを含む）が使用され、端部キャップ（図２では、図中符号により示されない）には、角の部分（上又は下の四分円）に軸外れ構成を有するレンズの球面部分１８が形成され、パターンなし部分２０の幅に沿って、円筒形部分１６が形成される。別の実施形態では、太陽光集中装置の端部キャップは、レンズの円筒形部分である。円筒形部分は、太陽光２４の大半を円筒形部分１６の短い縁部に捕捉し（この構成は、製造が簡単であるという利点を有する）、一部の太陽光を太陽電池１２から外れた位置に集束させる。
【００１６】
レンズの円筒形部分１６及び球面部分１８が軸外れ構成であることにより、図中符号２６で示すように、太陽光２４は、１日のうちの、より長い時間にわたり、太陽電池１２の中心に向かって屈曲されるようになる。フレネルレンズの軸外れ構成を利用することにより、太陽光２４は、太陽光２４の様々な投射角で、太陽電池１２へ誘導される。その結果、図２に示されるように、太陽電池１２を太陽光集中装置１４より小型にすることができ、更に、太陽電池１２が薄型になるため、太陽電池１２を安価に製造できる。
【００１７】
通常、太陽電池１２にかかるコストの大半は、太陽電池１２の内部に存在するシリコン又は他の同様の材料の費用である。所定のワット数の太陽電池１２を製造するときに利用されるシリコンの総表面積を縮小することにより、システム１０の価格は低減される。本発明の集光光学系と共に使用するために製造されるシステムは、南北方向に沿った幅より、東西方向に沿った長さのほうが長い、より小型の矩形の太陽電池１２を利用する。それらの太陽電池１２は、その幅の２倍より広い間隔で配置されてもよい。これに加えて、レンズの球面部分１８及び円筒形部分１６の軸外れ構成は、太陽電池１２に関して様々に異なる投射角で、太陽光２４を集中させることができる。このように、エネルギー変換システム１０全体の価格を低減しつつ、システムの効率を改善できる。
【００１８】
次に図３を参照すると、太陽電池のアレイ３０及び太陽光集中装置のアレイ３２から成る構造の一例を示す図が提示される。そのような構造の１つにおいては、図３に示されるように、多数の太陽光集中装置１４と、多数の太陽電池１２が、太陽電池のアレイ３０と、太陽光集中装置のアレイ３２を形成する。本発明の一例では、図３に示されるように、１対の太陽電池１２と太陽光集中装置１４が、並列して配置されてもよい。しかし、これは単なる構造の一例であり、太陽電池のアレイ３０及び太陽光集中装置のアレイ３２を形成するために、任意の数の太陽光集中装置１４及び太陽電池１２をどのように組み合わせて配列してもよい。太陽光集中装置のアレイ３２及び太陽電池のアレイ３０から成るこの構造は、より広い範囲の太陽光２４を太陽電池１２へ誘導でき、それにより、エネルギー変換システム１０の効率を向上する。
【００１９】
図４を参照すると、１日の時間３８に関する太陽の投射角を示すグラフ３４が示される。太陽の投射角３４と、１日又は１年の時間３８との関係を、太陽高度という。図中符号４０により表される線は、ある特定の季節の特定の一日（夏至）における時間３８に関する太陽の総投射角３６を示す。同様に、図中符号４２により表される線は、別の季節の特定の一日（秋分）における時間３８に関する太陽の総投射角３６を示す。図中符号４３は、更に別の季節の特定の一日（冬至）における時間３８に関する太陽の総投射角３６を示す。図中符号４４により示されるように、夏至のときの太陽の総投射角３６と、秋分のときの太陽の総投射角３６との間には、約＋／−２３°の差があることが実験により示される。
【００２０】
夏と冬では、太陽の投射角３６に相違があるため、それに合わせて、夏と冬における太陽高度の極値に対する照射を改善するために、エネルギー変換システム１０では、多数の反射鏡が採用される。太陽高度の極値に対して、太陽光２４が太陽電池１２に集束されるように、反射鏡は、太陽電池１２の両側に配置される（後に説明する）。このようにすると、夏及び冬の間には、太陽電池１２の上部又は下部を外れて入射すると考えられるような太陽光２４が、反射鏡によって反射され、太陽電池１２の活動領域に戻されることになる。それらの反射鏡は、鋭角である頂点１／２角度を有するように形成され、その典型的な値は、１５°〜３０°の範囲である。
【００２１】
図５は、反射鏡４８を有する太陽光集中装置１４及び太陽電池１２の構造４６の一例を示す概略図である。先に説明したように、太陽高度の極値に対して、太陽光２４を集中するために、太陽電池１２の両側に、多数の反射鏡４８が配置される。しかし、別の実施形態の例においては、反射鏡４８を、太陽電池１２と一体に形成し、それにより、更に融通性に富むモジュラー構造の太陽電池１２（図をわかりやすくするため、図５には示されない）を提供できる。一般に、反射鏡４８は、図５に図中符号５０により示されるようなスタンドを具備する。この構成は、図４で説明された太陽電池１２のアレイにも適用可能である。図５は、先に説明されたように、フレネルレンズの円筒形部分１６、球面部分１８及びパターンなし部分２０から構成される太陽光集中装置１４の構造の一例を更に含む。しかし、本発明の別の実施形態においては、太陽光集中装置１４の両端部に、図５に示される球面部分１８ではなく、円筒形部分１６が配置されてもよい。この構造は、太陽電池１２の短い端部に沿って、太陽光２４の線状焦点を形成する。
【００２２】
次に図６を参照すると、太陽光集中装置の構造の一例を示す概略図が提示される。そのような構造の１つにおいては、太陽光集中装置１４の２つの端部キャップ５４に、軸外れ構成を有するレンズの円筒形部分１６が配置される。本発明の更に別の実施形態では、太陽光集中装置１４の２つの端部キャップ５４に、球面部分１８と円筒形部分１６の組み合わせを配置することも可能である。太陽光集中装置１４のこれら２つの構造は、先に説明したような太陽光集中装置のアレイでも使用される。本発明は、太陽光集中装置１４における球面部分１８、円筒形部分１６及びパターンなし部分２０のあるパターンを開示するが、太陽光集中装置１４の周囲に、円筒形部分１６、球面部分１８及びパターンなし部分２０は、どのような組み合わせで配置されてもよいことが当業者には理解されるであろう。
【００２３】
以上説明した技法は、太陽エネルギーを受け取り、その太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための、効率のよいエネルギー変換システム１０を提供する。システム１０は、太陽電池１２を小型化し、それにより、太陽電池１２において使用されるシリコンの量を減少し、その結果として、システム１０のコストを低減するのに有用である。これに加えて、システムは、様々な太陽高度における太陽の様々な投射角３６で、太陽光２４を太陽電池１２に集中させることを可能にするために、フレネルレンズの円筒形部分１６及び球面部分１８をパターンなし部分２０と組み合わせた軸外れ構成を利用する。
【００２４】
当業者には理解されるであろうが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、形態及び詳細の様々な変形を実施できる。例えば、いくつかの実施形態では、屈折レンズ、グリンレンズ及び／又は回折レンズが使用されてもよく、小さな角度範囲で、太陽光を太陽電池上へ誘導するために、適切な構造又は制御機構を具備する移動自在又は調整自在のレンズ、ミラー及びプリズムが採用されてもよい。更に、全て又は一部の太陽電池アレイ及び太陽光集中装置アレイを同一の大きさにする必要はない。最適の構成は、大きさ及び／又は他の特性が著しく類似するアレイを含むものであろう。
【００２５】
本発明のいくつかの特徴のみを例示し、説明したが、数多くの変形及び変更は、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態による太陽光集中装置及び太陽電池を具備するエネルギー変換システムを示した概略図である。
【図２】本発明の実施形態による太陽光集中装置及び太陽電池の線２‐２に沿った横断面図である。
【図３】本発明の１つの面に従った太陽電池のアレイ及び太陽光集中装置のアレイから成る構造の一例を示した概略図である。
【図４】本発明の１つの面に従った、１日の時間に関する太陽の投射角を示した特性図である。
【図５】本発明の１つの面に従った反射鏡を含む太陽光集中装置及び太陽電池の構造の概略図である。
【図６】本発明の１つの面に従った太陽光集中装置の構造の一例を示した概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…エネルギー変換システム、１２…太陽電池、１４…太陽光集中装置、１６…線状焦点（円筒形）部分、１８…球面部分、２０…パターンなし部分、２４…太陽光、３０…太陽電池のアレイ、３２…太陽光集中装置のアレイ、４８…反射鏡
【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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