(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して一様でない入射方向を有する入射光（４０）を、捕捉及び伝送するための光学機械システム（１０）であって、入射光（４０）のビームを捕捉し、捕捉された入射光のビームを集光し、少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）への入射光の１つ又は複数の集光されたビーム（５０）を伝送し得る光学的配置（２０）と、少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して光学的配置（２０）を移動させるためのシフト機構であって、シフト機構の移動は、入射光（４０）の任意の入射方向に対する、入射光の１つ又は複数の集光されたビーム（５０）が、少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）によって最適に収集され得るように制御可能な、シフト機構とを有する、光学機械システム（１０）に関する。この光学機械システム（１０）では、光学的配置（２０）は、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有する。さらに、本発明はまた、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための、対応する方法に関する。
2019518236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して一様でない入射方向を有する入射光（４０）を、捕捉及び伝送するための光学機械システム（１０）であって、
前記入射光（４０）のビームを捕捉し、前記捕捉された入射光のビームを集光し、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）への前記入射光の１つ又は複数の集光されたビーム（５０）を伝送し得る光学的配置（２０）と、
前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して前記光学的配置（２０）を移動させるためのシフト機構であって、前記シフト機構の前記移動は、前記入射光（４０）の任意の入射方向に対して、前記入射光の前記１つ又は複数の集光されたビーム（５０）が、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）によって最適に収集され得るように制御可能な、シフト機構とを有する光学機械システム（１０）において、
前記光学的配置（２０）は、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、前記レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有することを特徴とする、光学機械システム（１０）
【請求項２】
前記光学的配置（２０）の前記第１の光学層の前記非球面の曲率が、前記光学的配置（２０）の前記像面湾曲が最小化されるように選択される、
請求項１に記載の光学機械システム。
【請求項３】
前記光学的配置（２０）の前記第１の光学層の非球面の曲率が、球面の像面湾曲が達成されるように選択される、
請求項１に記載の光学機械システム。
【請求項４】
前記レンズが、円形、正方形、又は六角形の輪郭を有する、
請求項１から３までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項５】
前記光学的配置（２０）が、第２の光学層（２０”）をさらに備え、前記第１の光学層（２０’）及び前記第２の光学層（２０”）は、互いに対して移動可能である、
請求項１から４までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項６】
前記第２の光学層（２０”）の前記レンズの直径が、前記第１の光学層（２０’）の前記レンズの直径以下である、
請求項５に記載の光学機械システム。
【請求項７】
前記レンズが、ガラス、ＰＭＭＡ、シリコーン、ガラス上に結合されたシリコーン、又はＰＣから作製される、
請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項８】
前記入射光（５０）の前記１つ又は複数の集光されたビームの各々が、前記光学的配置（２０）の対応するレンズの焦点に配置された１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）によって収集される、
請求項１から７までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項９】
少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）が、前記入射光の、受光角を改善し、及び／又は対応する集光されたビーム（５０）の分布の均一性を改善し、及び／又は集光率を増大させるための、第１の付加的光学素子（８０）を備える、
請求項８に記載の光学機械システム。
【請求項１０】
前記光学機械システム（１０）が、前記入射光の前記少なくとも１つの集光されたビーム（５０）を、異なる波長を有する光のビーム（６０）に分割するための、少なくとも１つの第２の付加的光学素子（８０’）を備え、異なる波長を有する個々の光のビームの各々は、別個の収集素子（３１’、３１”、３１’’’）によって収集される、
請求項１から９までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１１】
前記光学機械システム（１０）が、前記入射光の１つ又は複数の集光されたビーム（５０）を受光し、前記入射光の１つ又は複数の集光されたビームを、前記少なくとも１つの収集素子（３１Ａ、３１Ｂ）に誘導するための導波路（９０）をさらに備える、
請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの収集素子（３１Ａ、３１Ｂ）が、前記導波路（９０）の側方及び／又は下方に配置される、
請求項１１に記載の光学機械システム。
【請求項１３】
前記光学機械システム（１０）が、散乱光を、又は、そうでなければ前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）によって収集されない任意の光を、収集するための少なくとも１つの収集素子（３５）をさらに備える、
請求項１から１２までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１４】
前記入射光が太陽光であり、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）が太陽電池である、
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１５】
前記シフト機構が、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して前記光学的配置（２０）を、１つ、２つ、又は３つの直角に交わる軸に沿って移動させることができる、
請求項１から１４までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１６】
前記シフト機構の前記移動が、機械的変形に基づく、
請求項１から１５までのいずれか一項に記載の光学機械システム。
【請求項１７】
前記シフト機構が、伸縮性のあるばね及び／又はブレード若しくは板ばねを備える、
請求項１６に記載の光学機械システム。
【請求項１８】
少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して一様でない入射方向を有する入射光（４０）を、捕捉及び伝送するための方法であって、
前記入射光（４０）のビームを光学的配置（２０）によって捕捉し、前記入射光の前記捕捉されたビームを集光し、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）への前記入射光の１つ又は複数の集光されたビーム（５０）を伝送するステップと、
シフト機構によって前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）に対して前記光学的配置（２０）を移動させるステップであって、前記シフト機構の前記移動は、前記入射光（４０）の任意の入射方向に対して、前記入射光の前記１つ又は複数の集光されたビーム（５０）が、前記少なくとも１つの収集素子（３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂ）によって最適に収集され得るように制御可能である、ステップとを含む、方法において、
前記光学的配置（２０）が、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、前記レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有することを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的システムの技術分野に関し、より詳細には光学機械システムの技術分野に関する。特に、本発明は、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための光学機械システム、並びに対応する方法に関する。そのような光学機械システムは、特に、太陽光による電気を生成するのに有益な、太陽電池パネルの構築方法で使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
光電変換（すなわちＰＶ）電池は、温室効果ガス排出及び化石燃料埋蔵量枯渇と関連する問題によって増幅された、再生可能資源からのエネルギー需要の高まりにより、太陽光のエネルギーを電力へと変換するために広く使用されてきた。最も有力な太陽光発電技術は、平板型モジュール内に組み立てられ、太陽光によって照射される領域を覆う、個々の単結晶又は多結晶シリコン太陽電池からなる。この技術は、成熟し、大量生産で証明されているものの、その効率は、通常単接合のシリコン太陽電池で１６〜２２％に制限される。
【０００３】
多接合に基づくより高い効率の太陽電池は、既に開発されているが、それらの価格は、非常に高く、それゆえ、それらの使用は、通常宇宙産業に限定される。太陽光の光電変換効率は、パネルによって生成される電力の価格、及び太陽電池設置に必要な表面積に直接影響を与えることを考えると、全ての太陽光発電による解決法における主要な要因である。
【０００４】
高効率太陽電池の利用を購入可能にするために提案された１つの解決法が、いわゆる集光型光電変換（ＣＰＶ）である。ＣＰＶシステムは、より小さい表面積の太陽電池上の入射太陽光の集光を利用し、それにより全体の材料コストを低減する。この技法のおかげで、４０％を超える効率を有する最良の既存の太陽電池技術を使用することが可能になる。太陽光の集光により、発電される電力量を減少させずに、太陽電池によって覆われる全体の表面積を削減することが可能になる。太陽光集光装置は、さらなるコスト低減への可能性をもたらすレンズ又は鏡などの光学的構成要素を利用する。したがって、ＣＰＶシステムにより、シリコンから作製される従来の太陽電池を使用するより、低い製造コストで電気を生成することが可能になる。
【０００５】
しかしながら、太陽光の入射方向が時間と共に変化するので、ＣＰＶシステムを使用するときの１つの技術課題は、太陽光の追尾にある。したがって、ＣＰＶシステムの主要な欠点は、入射太陽光を効果的に集光できるようにするために、定常的に光源すなわち太陽の方向へ配向させる必要があることである。この制約条件は、所与の受光角により最大集光率が制限されるという、エタンデュの物理的原理に起因する。一日及び季節にわたる太陽の動きは、方位角及び仰角の大きな変動をもたらす。それゆえ、固定された配向を伴う従来の集光装置は、これらの変動を補うために広い受光角を必要とし、そのため比較的小さな集光率（典型的には１０未満）しか達成しないことになる。
【０００６】
ＣＰＶシステムのエタンデュ原理によって課せられる制限を克服するための一般的な解決法は、入射太陽光が常にパネルに垂直な方向に向けられることができるよう、集光装置パネルを太陽の方向に能動的に回転させることにある。集光装置の受光角は、このとき比較的小さく（たとえば、２度未満）、比較的大きな集光率（通常１００を超える）を可能にする。
【０００７】
文献ＵＳ９０２９６８１は、約１４°の、より大きな受光角を有するＣＰＶモジュールを記載している。このより大きな受光角が、従来のＣＰＶと比較した改善である一方で、一日及び季節にわたる空での太陽の明白な動きは、はるかに大きな入射角変動をもたらすので、システムは、効果的に機能するために集光装置パネルを太陽の方に能動的に回転させる必要がある。
【０００８】
集光装置パネルを回転することによるこの能動的な太陽追尾は、いくつかの重要な欠点を呈する。まず、パネルは、方位及び仰角変化に追従するために、両方の位置角）について極度に高い精度要件（通常０．５°未満で、２軸に沿って回転しなければならない。さらに、回転システムは、全体のパネルの総重量を移動させなければならず、大きな電力消費及び風荷重による信頼性問題をもたらす。最終的には、ほとんどの追尾システムは、場所を取り、それゆえ、屋根上への設置に適さず、それらの利用を発電所規模の設置に限定する。全体的として、これらの欠点によって、エネルギーの浪費だけでなく、コスト及びサイズの点で経費が発生する。
【０００９】
文献ＷＯ２０１５／０４７９２８は、太陽光を細長い太陽電池上に焦点を合わせるように設計された円柱レンズを用いることによって、受光角を増大させることを提案している。この方式による主たる不利益は、それが、単に１軸まわりで太陽の位置の角度変化に調整することである。
【００１０】
一方、その配向を変化させずに広い受光角を有する太陽光平面集光を達成できる光工学システムである、いわゆる発光性太陽光集光装置がある。そのような発光性太陽光集光は、光導波路内に分布された蛍光色素よって形成される。蛍光色素が入射太陽光によって影響を受けたとき、それは、より長い波長の光を再発光し得る。再放射された光は、次に、全内部反射によって導波路内で部分的に捕捉され、平面方向に沿って伝播し得る。ＰＶ電池と組み合わせた光導波路の使用は、文献ＵＳ２０１４／０２６１６２２に開示されている。
【００１１】
したがって、既存の光学モジュールは、限定的な受光角及び／又は効率だけを有する平面太陽光集光を達成しており、それゆえ多くの場合、外部の追尾システムと組み合わせて使用される必要がある。そのうえ、既存のマイクロ追尾システムのほとんどは、特有の導波路設計が必要であり、それゆえ他のタイプの集光光学を用いて使用されることができない。一方、発光性集光装置は、残りの放射光が導波路から逃散するため重大な損失に悩まされる。また、導波路内で既に捕捉された光のさらなる吸収は、重大な損失をさらにもたらし、システムの効率をさらに低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ＵＳ９０２９６８１
【特許文献２】ＷＯ２０１５／０４７９２８
【特許文献３】ＵＳ２０１４／０２６１６２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための新しい光学機械システム、並びに対応する方法を提案することであり、これらにより、周知のシステム及び方法の上述の欠点は、完全に克服される、又は少なくとも大きく低減される。
【００１４】
本発明の目的は、特に、設置実現可能性の容易さ及び柔軟性を失ことなく収集効率を増大させることがそのおかげで可能な、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための新しい光学機械システム、並びに対応する方法を提案することである。さらに、システムの全体コストは、法外であってはならない。
【００１５】
本発明によれば、これらの目的は、特に２つの独立請求項の構成要素によって達成される。いっそう有益な実施例が、従属請求項及び明細書からさらに続く。
【００１６】
特に、本発明のこれらの目的は、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための光学機械システムによって達成され、そのシステムは、
入射光のビームを捕捉し、捕捉された入射光のビームを集光し、少なくとも１つの収集素子への入射光の１つ又は複数の集光されたビームを伝送することができる光学的配置と、
少なくとも１つの収集素子に対して光学的配置を移動させるためのシフト機構とを有し、シフト機構の移動は、入射光の任意の入射方向に対して、入射光の１つ又は複数の集光されたビームが、少なくとも１つの収集素子によって最適に収集され得るように制御可能であり、
光学的配置は、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有する。
【００１７】
本発明の恩恵により、従来において提案された解決法に対して、より高い入射光の収集効率を達成することが可能である。シフト機構の制御された移動の恩恵があるならば、入射光の１つ又は複数の集光されたビームが、少なくとも１つの収集素子によって、入射光の入射方向と無関係に、最適に収集され得、全体の入射光の収集及び採取は、最大化され得る。本発明の光学機械システムが、太陽光及び太陽電池に使用されるとき、太陽電池の全体の表面積は、説明した集光メカニズムを備えないシステムに対して、著しく低減され得るので、本発明により、アクティブ太陽電池材料が大幅に低減することが可能になる。したがって、高効率太陽電池が使用され得、法外なコストをもたらすことなく、システム効率を向上させる。加えて、光学的配置は、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有する。これらのレンズの異なる形状は、様々な設置に使用するための、本発明による光学機械システムの柔軟性を向上させる。より具体的な用語では、適切に設計された非球面レンズを使用することにより、より広い受光角（６０°までの）及びほぼ平坦なペッツヴァル湾曲（準テレセントリック性）が可能になる。
【００１８】
光学的配置の第１の光学層の非球面の曲率は、光学的配置の像面湾曲が最小化されるように、特に選択され得る。さらに、光学的配置の第１の光学層の非球面の曲率は、球面の像面湾曲が達成されるように、選択され得る。これらの特徴により、本発明の光学機械システムの最適化が可能になり、特に、システムの変位を最小化又は簡素化し、同時に性能を最大化することが可能になる。
【００１９】
本発明の別の好ましい実施例では、光学的配置は、第２の光学層をさらに備え、第１の光学層及び第２の光学層は、互いに対して移動可能である。異なる２つの光学層を用いることにより、光学機械システムを変化する入射光の入射方向に、より高い柔軟性及び改善された精度で適応させることが可能になり、それにより、収集素子による入射光の収集効率を改善する。
【００２０】
第２の光学層のレンズの直径は、第１の光学層のレンズの直径以下であり得ることが好ましい。そのようにして、入射光の集光の精度が改善され得、第１の光学層からの光のより良好な収集及び集光が可能になる。
【００２１】
レンズは、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シリコーン（可能ならガラス上に結合された）又はポリカーボネート（ＰＣ）から作製されることが好ましい。ガラスが、最も一般的なレンズ材料である。それは、良好な機械的強度を有し、傷つき易くない。さらに、それは、ほぼ全ての波長を良好に透過させる。アクリルガラスともよばれるＰＭＭＡ、シリコーン、及びＰＣは、同様の光学特性を有するが、それらは、ガラスよりもより軽く、射出成形又は型押しなどの安価な産業用製法によって容易に且つ正確に成型され得る
【００２２】
別の好ましい実施例では、入射光の１つ又は複数の集光されたビームの各々が、光学的配置に対応するレンズの焦点に配置された１つの収集素子によって収集される。したがって、入射光は、光学的配置内のレンズアレイに対応する収集素子アレイによって収集され得る。
【００２３】
加えて、少なくとも１つの収集素子が、入射光の、受光角を改善し、及び／又は対応する集光されたビームの分布の均一性を改善し、及び／又は集光率を増大させ、及び／又はテレセントリック性を改善するための、第１の付加的光学素子を備え得る。この第１の付加的光学素子は、特に非球面レンズ、パラボラ型集光装置、ケーラー光学部品、又はこれらの構成要素を組み合わせたものであり得る。
【００２４】
さらに、光学機械システムは、少なくとも１つの入射光の集光されたビームを、異なる波長を有する光のビームに分割するための、少なくとも１つの第２の付加的光学素子も備え得、異なる波長を有する個々の光のビームの各々は、特定の収集素子によって収集される。この分割の恩恵により、専用の収集素子が、その個別の波長範囲を有する各々の光のビームを別々に収集するために使用され得、全体のエネルギー変換効率を改善し得る。
【００２５】
別の本発明の好ましい実施例では、光学機械システムは、入射光の１つ又は複数の集光されたビームを受光し、入射光の１つ又は複数の集光されたビームを、少なくとも１つの収集素子に誘導するための導波路をさらに備える。導波路を用いる恩恵により、光学機械システムは、より柔軟な方法で構築され得る。特に、少なくとも１つの収集素子が、このとき、設置場所の個別の要件により、導波路の側方及び／又は下方に有利に配置され得る。
【００２６】
さらに、光学機械システムは、散乱光又は極端な入射角で入って来る光を収集するための、少なくとも１つの収集素子をさらに備え得る。この「２次」収集素子は、特に、光の伝播方向にある「１次」収集素子の下に配置され、そのようにして、「１次」収集素子によって収集されなかった全ての光を収集し得る。この「２次」収集素子は、「１次」収集素子の周囲にも配置され得る。この付加的な特徴により、システムのより高い効率までも可能にする。
【００２７】
本発明による光学機械システムの最も好ましい使用は、入射光が太陽光であり、少なくとも１つの収集素子が太陽電池である場合の使用である。このとき、回転構成要素を伴う邪魔な外部追尾装置を必要としない、著しくより高い効率を有する太陽電池パネルが、製造され得る。
【００２８】
別の本発明の好ましい実施例では、シフト機構は、少なくとも１つの収集素子に対して光学的配置を、１つ、２つ、又は３つの直角に交わる軸に沿って移動させることができる。具体的には、シフト機構の移動は、摩擦を回避し、それゆえ、光学機械システムの信頼性及び寿命を向上させるために、機械的変形に基づき得ることが好ましい。この目的を達成するために、伸縮性のあるばね及び／又はブレード（板ばね）が、好ましい構成要素である。
【００２９】
全ての上述の本発明の好ましい実施例が、いかなる外部追尾システムも必要としない利点を有する。このことにより、平板型の集光装置太陽電池パネルモジュールの実現が可能となる。
【００３０】
ここで、本発明は、少なくとも１つの収集素子に対して一様でない入射方向を有する入射光を、捕捉及び伝送するための方法にも関することを繰り返したく、この方法は、
入射光のビームを光学的配置によって捕捉し、入射光の捕捉されたビームを集光し、入射光の１つ又は複数の集光されたビームを少なくとも１つの収集素子に伝送するステップと、
少なくとも１つの収集素子に対して光学的配置をシフト機構によって移動させるステップであって、シフト機構の移動が、任意の入射光の入射方向に対する、入射光の１つ又は複数の集光されたビームが、少なくとも１つの収集素子によって最適に収集され得るように制御可能であるステップとを備え、
光学的配置は、非球面の曲率を有する光学レンズから作製される第１の光学層を備え、レンズの少なくとも１つの表面は、多次の多項式曲率を有する。
【００３１】
本発明の上述並びに他の目的、特徴、及び利点は、添付図面を組み合わせて得られた以下の詳細な説明により明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】第１の本発明の実施例による、レンズが非球面の曲率を有する、第１の方向を有する入射光を伴う光学機械システムの概略断面図である。
【図１Ｂ】第１の本発明の実施例による、レンズが非球面の曲率を有する、第２の方向を有する入射光を伴う光学機械システムの概略断面図である。
【図２】第１の本発明の実施例による、光学機械システムを通した上からの概略図である。
【図３Ａ】第２の本発明の実施例による、第２及び第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、第１の方向を有する入射光を伴う光学機械システムの概略断面図である。
【図３Ｂ】第２の本発明の実施例による、第２及び第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、第２の方向を有する入射光を伴う光学機械システムの概略断面図である。
【図４】第３の本発明の実施例による、第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、光学機械システムの概略断面図である。
【図５】第１の本発明の実施例による、第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、光学機械システムの別の概略断面図である（図１Ａに対応する）。
【図６】第４の本発明の実施例による、第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、光学機械システムの概略断面図である。
【図７】第５の本発明の実施例による、第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、光学機械システムの概略断面図である。
【図８】第６の本発明の実施例による、第１の光学層が非球面の曲率を有するレンズから作製される、光学機械システムの概略断面図である。
【図９Ａ】第６の本発明の実施例による、光学機械システムの変形例の概略断面図である。
【図９Ｂ】第６の本発明の実施例による、光学機械システムの変形例の概略断面図である。
【図９Ｃ】第６の本発明の実施例による、光学機械システムの変形例の概略断面図である。
【図９Ｄ】第６の本発明の実施例による、光学機械システムの変形例の概略断面図である。
【図１０Ａ】第７の本発明の実施例による、光学機械システムの上からの概略図である。
【図１０Ｂ】第７の本発明の実施例による、光学機械システムの一部の概略断面図である。
【図１１Ａ】第８の本発明の実施例による、光学機械システムの上からの概略図である。
【図１１Ｂ】第８の本発明の実施例による、光学機械システムの一部の概略断面図である。
【図１２Ａ】第１の本発明の実施例による、非球面レンズの概略断面図である。
【図１２Ｂ】第１の本発明の実施例による、第１の方向を有する入射光を伴う、ペッツヴァル曲線を有する非球面レンズの概略断面図である。
【図１２Ｃ】第１の本発明の実施例による、第２の方向を有する入射光を伴う、ペッツヴァル曲線を有する非球面レンズの概略断面図である。
【図１３Ａ】本発明の実施例によらない、第１の方向を有する入射光を伴う、ペッツヴァル曲線を有する球面レンズの概略断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施例によらない、第２の方向を有する入射光を伴う、ペッツヴァル曲線を有する球面レンズの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１Ａ、１Ｂ、及び２は、第１の本発明の実施例による光学機械システム１０を示す。光学機械システム１０は、この実施例では、非球面の曲率を有する一連の光学レンズからなる単一の光学層を含む光学的配置を備える。レンズの凸状表面が、参照符号２１及び２２によって示される。この第１の本発明の実施例による光学機械システム１０は、入射光４０を捕捉し収集することができる。この目的を達成するために、光学的配置２０は、レンズアレイの上側表面に当たる入射光４０のビームを捕捉し、入射光の捕捉されたビームを集光し、入射光の１つ又は複数の集光されたビーム５０を収集素子３１に伝送することができる。
【００３４】
本出願では、光のビームを「集光する」という用語は、ビームが、デコリメートされ、特定の点に焦点を合わせられることを、基本的に意味する。特に、本発明による光学機械システムは、入射太陽光４０（全ての太陽光線が平行な入射方向を有する）を集光し、その全ての太陽光線を、それらが次に１つ又は複数の太陽電池３１によって収集され得る、１つ又は複数の特定の点に焦点を合わせるために、使用され得る。
【００３５】
図１Ａ及び１Ｂに戻ると、光学的配置２０は、入射光４０のビームを３つの異なる集光されたビーム５０に集光することが分かる。その後、これらの集光されたビーム５０の各々は、対応する収集素子３１によって収集される。当然、実環境の実装では、すなわち太陽電池パネルの中では、光学的配置２０内のレンズの数が通常３つより多くなり、対応する数の収集素子（太陽電池）３１も存在することになる。
【００３６】
一旦入射光４０の入射方向が変化すると、たとえば太陽が日中、空でその位置を変化させるとき、図１Ａの光学的配置２０は、入射光４０を収集素子３１に効率的に集光できなくなる。収集素子３１上の最適な集光、及びそれゆえの入射光４０の収集効率も維持するために、光学的配置２０は、矢印図に示すようにシフト機構（図示せず）によって収集素子３１に対して移動させられ得る。この移動後、光学的配置２０は、入射光４０が収集素子３１によって最適の方法で集光及び収集され得るように、再位置決めされる。光学的配置２０の移動は、入射光４０の入射方向が移動する間定常的に実行され、それによっていずれの入射方向に対しても最適のレベルで入射光４０の集光及び収集が維持され得る。
【００３７】
図２は、光学機械システム１０の上からの図を示す。光学的配置２０は、六角形でハニカムパターンを作るレンズからなり、各集光されたビーム５０が、特定のレンズに割り当てられた収集素子３１によって収集され得るように、入射光を集光する。収集素子３１は、全ての収集素子３１に相互接続するための接続素子（図示せず）を特にさらに備える、収集配置３０内に共に結合される。
【００３８】
光学的配置２０内の図１Ａ及び１Ｂで概略化されたレンズは、非球面の曲率を有する。より具体的には、レンズの少なくとも１つの表面（たとえば、上面、底面、又は上面及び底面の両方）は、表面に沿って曲率の符号を変化させることを可能にする（変曲点）、多次の（通常６次以上）多項式曲率を有し得る。このことにより、広い角度にわたり低減された光学収差を有する焦点を作成することが可能になり、一方、光学設計にさらに多くの自由度を与える。さらに、レンズはまた、円形、正方形、又は六角形の輪郭を有し得る（図２に示したように）。通常のレンズの直径は、５ｍｍ〜５０ｍｍであり、その厚さは、３ｍｍ〜２５ｍｍである。それらは、５０〜５００倍の典型的な集光率を有する。
【００３９】
図３Ｂ、及び３Ｂは、第２の本発明の実施例による光学機械システム１０を示す。第１の本発明の実施例による光学機械システム１０に対して、第２の本発明の実施例によるこの光学機械システム１０は、２つの光学層２０’、２０”からなる光学的配置２０を備える。これらの２つの光学層２０’、２０”はさらに、非球面の曲率を有するレンズからなる。
【００４０】
入射光４０のビームが光学的配置２０の上側表面２３に当たるとき、光学的配置２０は再び、入射光４０のビームを捕捉し、入射光のこの捕捉されたビームを集光し（中間のビーム５０を介して）、入射光の完全に集光されたビーム６０を収集素子３１に伝送することができる。
【００４１】
再び、入射光４０の入射方向が変化したとき、図３Ａの光学的配置２０は、入射光４０を収集素子３１に効率的に集光できない。したがって、収集素子３１上での入射光４０の最適な集光を維持するために、光学的配置２０は、図３Ｂ内の矢印図に示すようにシフト機構によって収集素子３１に対して移動させられ得る。この移動後、光学的配置２０は、入射光４０が収集素子３１によって最適の方法で集光され収集され得るように、再位置決めされる。
【００４２】
光学的配置２０の移動は、光学層２０’及び２０”の両方を収集素子３１に対して移動させることによって、又は２つの光学層２０’、２０”のうちの１つだけを互いに対して及び／又は収集素子３１に対して移動させることによって、実行され得る。
【００４３】
図４は、第３の本発明の実施例による光学機械システム１０を示す。この実施例では、光学的配置２０はやはり、２つの光学層２０Ａ、２０Ｂからなる。しかしながら、第１の光学層２０Ａは、非球面レンズからなり、第２の光学層２０Ｂ（入射光４０の入射方向でさらに下の）は、入射光４０の最適な集光を可能にする形状を有する表面２５、２６を伴う単層である。図４で分かるように、入射光４０のビームは、単一の収集素子３１によって完全に収集される様々なビーム７０に集光される前に、まずわずかに集光されてビーム５０になり、次に第２の光学層２０Ｂの内部で平行ビーム６０にコリメートされる。この実施例により、従来の実施例より少ない収集素子３１を用いることによって、さらなるコスト低減が可能になることは言うまでもない。（すなわちより高い集光率）
【００４４】
図５は、図１Ａと同一であり、全ての収集素子３１は、同一のタイプであり、各々の収集素子３１が、光学的配置２０内の一旦対応するレンズからの、集光されたビーム５０を収集する配列３０へと連結され得るという事実を説明するために役立つ。太陽電池が使用されるとき、それらは、たとえばヘテロ接合、多接合、ＧａＡｓ、又はｃ−Ｓｉタイプであり得る。さらに、それらは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの典型的な直径を有し得る。
【００４５】
図６は、第４の本発明の実施例による光学機械システム１０を示す。第１の本発明の実施例による光学機械システム１０と、第４の本発明の実施例によるこの光学機械システム１０との差異は、各々の収集素子３１と共に第１の付加的光学素子８０を使用することである。これらの第１の付加的光学素子８０は、受光角を改善し、及び／又は入射光４０の対応する集光されたビーム５０の分布の均一性を改善し、及び／又は集光率を増大させるために使用され得る。
【００４６】
第５の本発明の実施例による光学機械システム１０を図７に示す。第５の本発明の実施例による光学機械システム１０の特異性は、この光学機械システム１０が第２の付加的光学素子８０’及び３つの異なるタイプの収集素子３１’、３１”、３１’’’を備えるという事実である。これらの第２の付加的光学素子８０’は、入射光４０（異なる波長４１’、４１”、４１’’’を有する光を含む）のスペクトルを分割することができ、つまり、スペクトルの構成要素を対応する収集素子３１’、３１”、３１’’’に分配する。この解決法は、異なる収集素子３１’、３１”、３１’’’の各々がそれらを受光し収集する光のスペクトルの所与の部分で特に高効率を有する場合、特に有益であるである。
【００４７】
図８は、第６の本発明の実施例による光学機械システム１０を示す。従来の本発明の実施例による光学機械システム１０に対して、第６の本発明の実施例による光学機械システム１０は、入射光４０の集光されたビーム５０を受光する導波路９０をさらに備え、それらを導波路９０の両端に配置された収集素子３１Ａ、３１Ｂに誘導する。当然、収集素子３１Ａ、３１Ｂは、異なる位置に位置決めされることも可能である。この目的を達成するために、導波路９０は、収集素子３１Ａ、３１Ｂの位置及び他の制約条件に機能する異なる位置及び形状を有し得る、反射及び仕向け素子９１を備える。
【００４８】
図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、及び９Ｄは、反射及び仕向け素子９１の形状のいくつかの選択肢、並びに導波路９０の上側表面の形状のいくつかの選択肢を示す。図で分かるように、上側表面９２は、導波路９０内部でさらなる集光及び／又はコリメーション効果を実現するために様々な形状を有する屈折性凹部９３を備え得る。コリメートされたビームを用いることは、利点を有し、数ある中でも、光の経路が、直線であり、それゆえ容易に高精度で予測できる。それゆえ、光がその伝播を妨害する注入の特徴を回避し得る、システム設計が可能である。このようにして、導波路からの取出しを通した光損失が、効果的に防止され得る。
【００４９】
最後に、第７及び第８の本発明の実施例による光学機械システム１０は、散乱光、すなわち「１次」収集素子３１によって収集されなかった任意の光、を収集するための付加的（又は「２次」）収集素子３５を備え得る。図１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、及び１１Ｂに示したように、これらの２次収集素子３５は、１次収集素子３１の周囲に（すなわち、それらを囲んで）、又は入射光４０の入射方向の方向で見て収集素子３１の下方に、配置され得る。太陽電池が使用されるとき、これらの２次太陽電池は、たとえば有機太陽電池（グレッツェル）、ペロブスカイト、薄膜、又はｃ−Ｓｉ太陽電池であり得、一方、１次電池は、高効率太陽電池であり、これにより、システム１０の全体のエネルギー収集効率をさらに増大させる。
【００５０】
図１２Ａは、上面及び底面の両方が多次の多項式の非球面の曲率を有するレンズ１２０を示す。上面１２１の曲率は、収束性であり、一方、底面の曲率は、収束部１２２及び発散部１２３の両方を有する。この収束と発散との間の抑揚をつけることは、非球面の表面を定義するために用いられる多項式の多数の係数によって可能にされる。
【００５１】
図１２Ｂ及び１２Ｃは、２つの異なる方向から来る光４０の入射ビームを伴う非球面レンズ１２０を示す。光４０の入射ビームが、第１の方向（図１２Ｂ）から来るとき、中間のビーム５０は、中間のビーム５０の収束を増大させ、出力ビーム６０が収束する距離を短縮させる（すなわち、焦点距離を短縮させる）、底面の収束部１２２の方に向けられる。光４０の入射ビームが、第２の方向（図１２Ｃ）から来るとき、中間のビーム５０は、中間のビーム５０の収束を減少させ、出力ビーム６０が収束する距離を増長させる（すなわち、焦点距離を増長させる）、底面の発散部１２３の方に向けられる。これらの２つの構成図に示すように、その曲率を定義する多項式の最適化を通して達成される、非球面レンズ１２０の個別の設計は、入射光４０の方向に依存して出力ビーム６０の収束を調整することを可能にし、その結果、レンズの焦点面１２４は、ほぼ平坦に（ペッツヴァル像面湾曲が最小化される）し得るようになる。同様に、多項式曲率が、球面焦点面などの任意の所望の焦点面形状を実現するために最適化され得る。
【００５２】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、２つの異なる方向から来る光４０の入射ビームを伴う球面レンズ１２０を示す。レンズ表面が球面なので、焦点面１２４は、図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃで説明した非球面レンズ設計によるよりも、かなり大きなペッツヴァル像面湾曲を有する。
【００５３】
本開示は、具体的な手段、材料、及び実施例を参照して説明してきたが、当業者は、上記で説明から本開示の本質的な特性を容易に確認でき、一方、様々な変更点及び変形例は、以下の請求項で記載されるような様々な使用法及び特性に適応するようになされ得る。
【００５４】
特に、上記の記述で説明したような光学機械システムは、反対方向でさらに使用され得、これにより、たとえば最適化された電光システムが可能になる。より具体的には、収集素子３１、３１’、３１”、３１’’’、３１Ａ、３１Ｂの代わりに、光源が用いられた場合、光学的配置２０は、この光の照射方向を調整するために、容易に使用され得る。この目的を達成するために、光学的配置２０は、必要な照射方向が達成されるまで、シフト機構によって光源に対して移動させられる必要がある。全ての異なる本発明の実施例（光学的配置２０内に単一の光学層を有する、光学的配置２０内に２つの光学層を有する、導波路９０を有する）は、事前に説明したように、入射光４０を収集する光学機械システム１０の使用法に類似した方法で、使用され得る。当業者には、光学機械システム１０がこのような方法で使用される場合、付加的な構成要素（たとえば、光の波長を変化させるための、など）が同様に配置され得ることが、当然さらに理解されよう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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