(57)【要約】集中型太陽光発電及び熱システムが開示される。システムは、このような高い集光レベルを欠如する構成よりも少数の太陽光発電レシーバーを必要とする効率的なエネルギー変換を生じる高い集中型太陽光エネルギーを生じる太陽光発電レシーバーアッセンブリを妥協する。太陽光発電レシーバーアッセンブリは、光源の光を電磁エネルギーレシーバー上に集光する主要な光学要素と、光源のさらなる集光を助ける二次的な光学要素と、熱エネルギーコンバーターと、放熱ユニットとを備える。太陽光発電レシーバーアッセンブリは、好ましくは、太陽の露呈を最大限にするために追従システムに取り付けられる。【選択図】図１
2013520785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集中型太陽光発電ソーラーコレクターであって、
集中型太陽光発電ソーラーコレクターは、
ａ）上開口及び下開口を有するハウジングであって、下開口が上開口よりも狭いハウジングと、
ｂ）ハウジングの下開口に配置されたソーラー電池と、
ｃ）ハウジングの上開口に近接して配置された主要な光学要素と、
ｄ）ハウジングの内部に配置されると共に下開口に近接して配置された二次的な光学要素とを備え、
主要な光学要素及び二次的な光学要素は、光源の光線をハウジングの中及びソーラー電池上に導いて集中させるように、形状づけられ、寸法づけられ及び配置される、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項２】
請求項１記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
ハウジングの形状は、反転対称で先端が切断されたピラミッドの形である、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項３】
請求項１又は２記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
主要な光学要素は、フレネルレンズである、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
二次的な光学要素は、入射開口及び出射開口を有する連続的な中空構造であると共に反射内表面を有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項５】
請求項４記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
二次的な光学要素は、第１傾斜を有する第１側面と、第２傾斜を有する第２側面とを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項６】
請求項４又は５記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
二次的な光学要素は、空気よりも大きい屈折率を有する光学材料からなり、入射開口と出射開口との間に配置される、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
ハウジングの内表面は、反射する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項８】
集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムであって、
ａ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリであって、
１）請求項１乃至７のいずれか一つに画定されたソーラーコレクターと、
２）太陽電池と熱的連通した熱変換デバイスと、
３）熱変換デバイス及び／又は太陽電池と熱的連通した冷却ユニットと、を備える少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリと、
ｂ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリに支持及び移動を提供する太陽追従システムと、を備える、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項９】
請求項８記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
太陽追従システムは、
ａ）ベースと、
ｂ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを受け入れるようになったプラットフォームと、
ｃ）プラットフォームをベースに移動可能に接続する複数のリニアアクチュエーターと、を備える、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１０】
請求項９記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、球面コネクタでプラットフォーム及び／又はベースに接続される、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
冷却ユニットは、電磁エネルギーレシーバーの上方及び下方にクーラントを循環する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１２】
請求項１１記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
電磁エネルギーレシーバーは、クーラントが電磁エネルギーレシーバーと直接的に接触するのを防止するための透明なコーティングを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
電磁エネルギーレシーバーは、クーラントが電磁エネルギーレシーバーと直接的に接触するのを防止するための透明なコーティングを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１４】
太陽追従システムであって、
太陽追従システムは、
ａ）ベースと、
ｂ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを受け入れるようになったプラットフォームと、
ｃ）プラットフォームをベースに移動可能に接続する複数のリニアアクチュエーターと、を備え、
複数のリニアアクチュエーターは、プラットフォームを拡張及び収縮する、太陽追従システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の太陽追従システムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、球面コネクタでプラットフォーム及び／又はベースに接続される、太陽追従システム。
【請求項１６】
請求項１４又は１５記載の太陽追従システムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、プラットフォームを昇降するためにプラットフォームの中央部分にベースを接続する、太陽追従システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、太陽光発電及び熱集中システムに関する。より具体的には、本出願は、光電レシーバーアッセンブリに関し、太陽光発電レシーバーアッセンブリは、レシーバー上に光源を集光する光学要素と、二次的光学要素と、放熱システムとを備える。
【背景技術】
【０００２】
集中型太陽光発電（ＣＰＶ）システムは、概ね、電気を発生するために大量電池の小さな領域に大量の太陽光を集束させる。この太陽光の集中は、通常、発電の効率を高め、多くの従来の太陽光発電システムに比べてシステムの大きさ及びコストを低減することを可能にする。従って、グリッドパリティを達成するための試みで高効率のＣＰＶシステムの分野での継続的な発展がある。このような発展は、太陽光電池、光学要素及び追跡システムを含む。
【０００３】
入射放射線を集中させるために、ＣＰＶシステムは、光学システムを必要とする。この光学システムは、一般的に、レンズ、ミラー、又はその両方の組み合わせで構成される。そのような光学システムの材料は、それらが交換する太陽光発電の材料よりも大幅に安価である。光学システムは、単一または第１及び第２の光学要素で構成される。光学要素の広い配列は、円形パラボラアンテナ；第２の光学要素を有するパラボラアンテナ；正方形の平らなフレネルレンズ；第２の光学要素を有する正方形の平らなフレネルレンズ；直線状の平らなレンズ；線形アーチ型レンズ；そして最後にリニアパラボラ反射体などの様々なスケールで現在発展されかつ実施されている。
【０００４】
反射要素は、一般的に、例えば、平面ミラー、パラボラアンテナまたはＶ状ミラーなどの低集中型ＣＰＶシステムで利用される。中及び高集中型ＣＰＶシステムに対しては、ほとんどの実装の光学素子は、簡単な屈折や二次光学系を適用するフレネルレンズに基づいた屈折デバイスである。ほとんどのシステムが現在主要光学要素としてフレネルレンズを採用するように設計されているが、いくつかの高効率ＣＰＶは、反射光学系の要素が備わっている。フレネルレンズは、レンズをフレネルゾーンとして知られた一組の同心円状の環状部分に分割することにより、光を集中するのに必要な材料量を低減する特別なタイプのレンズである。これらのゾーンの使用は、それらの間に不連続性を追加することにより、厚さを増加させることなく、必要な曲率を維持することができる。厚さの重要な低減を図ることができるが、レンズの結像品質が低下する。これは、一般的に非結像光学系として知られる。
【０００５】
ＣＰＶの受光角は、わずかに数回、太陽によって範囲が定められた角度であり、その影響は、しばしば過小評価され、広い受光角は、アッセンブリ及びアライメント要件を大幅に低減することができる。また、受光角が非常に狭い場合には、トラッカーの様々なモジュールのアライメント及びアッセンブリが非常に難しくなる現場敷設において劇的に重要である。トラッカーの剛性及び性能も、受光角によって非常に影響される。より広い受光角は、材料がより少ない集約的トラッカー、結果として安価なトラッカーに変える剛性がないトラッカーを許容する。トラッカーのコストは、システム全体のコストの重要な要因であるため、コスト／ワットピーク指数は、受光角を大きくすることにより大幅に低減させることができる。さらに、受光角は、年間のエネルギー生成に大きな影響を持ち、直接発電された電気のキロワット時のコストに関連される。すなわち、ＣＰＶシステムによって発生したエネルギーが競争できるか否かに影響し、従って、システムが経済的に実現可能であるか否かに影響する。
【０００６】
光学システムに関連した別の潜在的な帰結は、太陽電池上の放射照度分布が常に一様ではないことである。光学システムの多くのデザインは、太陽電池上に均一な放射照度とは対照的に放射照度ピークに導く。この放射照度の均一性の欠如は、危険にさらされて太陽電池の長期信頼性をおく。集中ピークは、太陽電池を損傷する恐れがある熱応力を生じる。さらに、最大の局所的な電流密度が多数の接合セルのトンネルダイオードによって処理されることを示されていない。さらに、均一性の欠如は、実効直列抵抗を増加し、フィルファクタを減少することができる。集中ピークは、受光角及び／又は太陽電池上の均等な放射照度を増加することによって処理される。このソリューションは、多くの場合、主要な光学要素（ＰＯＥ）に加えて二次的な光学要素（ＳＯＥ）の使用を必要とし、それは、光源の光線を安定させかつ分散し、エネルギー発生の増強は、多くの場合、付加的な光学用をシステムに加えるコストを克服する。ＳＯＥを含まない様々な設計があるが、ほとんどの市場でのＣＰＶシステムは、ＳＯＥを含む。
【０００７】
うまく設計された二次的な光学素子は、電池の放射照度の均一性を保持すること及びコレクターに到達するエネルギーの受光角全体を改善することなどの利点を提供することができる。二次的な光学要素は、一般的に、研削されて所望の形状に研磨され又は成型されてソーラーコレクターの活性表面上に配置される固体ガラスあるいは誘電体光学物質である。
【０００８】
同じ数の太陽電池を有する固定パネルと比較した場合、太陽を追跡することは、約４０％以上の電力を提供することができるので、ソーラーコレクターで太陽を追従することに相当な関心がある。現在のソーラー追従システムは、比較的大きく、多くは、大気中に数メートル拡張することができる垂直ポールに取り付けられる。このタイプのトラッカーは、多くの制限に苦しみ、ほとんどの住宅や商業の屋根の上の取り付けを制限することができる。これらの制限は、重い負荷、非分散負荷、強風負荷に対するパネル領域の露呈、及び、隣接するパネル上の影の形成を含む。さらには、太陽が低い高度の角度にあるときに追従を可能にするために、パネルは、ほぼ垂直位置まで傾斜されなければならず、そのような傾斜は、多くの都市の規制の違反とみなされるシステムが占める垂直距離を増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術は、ＣＰＶシステムの例を含む。以下に述べることは、そのような例の非網羅的リストである。
米国特許第４７１０５８８号は、熱電気電圧の寄与の大きさが太陽電池材料の熱伝導率を低減することによって増加されることを開示する。これは、太陽電池材料と接触した適当な熱電気ポテンシャルを有する面電極を用いることにより、達成され、光の強度及び太陽電池の前面への熱入力を増加することにより、及び、太陽電池材料の背面を冷却することにより達成される。
【００１０】
米国特許公開第２００７０２１５１９８号は、電気及び熱を発生するための太陽電池を含む熱管理太陽電池システムを開示している。システムは、ハウジング、ベース、及び熱除去デバイスを含む。ハウジングは、太陽電池を取り囲み、開放した後方部分を有する。ベースは、ハウジングの開放部分に位置決め可能であり、太陽電池を支持する。また、ベースは、熱伝導性であり、太陽電池から発生した熱を拡散する。熱除去デバイス及びベースは、ベースから熱を除去するためにベースに連結されている熱除去デバイスを有する単一ユニットとして作用する。
【００１１】
米国特許公開第２００９０１９４１４６号は、ピラミッドの頂点が取り除かれて太陽電池又はソーラーパネルによって置換された逆さピラミッド型シェルを形成するために配置された多数の反射体ファセットを備える太陽電池又はソーラーパネルの周りに多数の平らな反射体ファセットを配置するための方法及び装置が開示される。代替的に、これは、三つの反射体ファセットだけでなされる。
【００１２】
米国特許第７５６９７６４号は、ソーラー追従能力を有する一つ以上のソーラー集光器アッセンブリを備える、追従及び集光の特徴を有する太陽電池モジュールを開示する。例えば、アッセンブリは、光電レシーバー及び／又は熱電レシーバーの配列と、コンセントレーターの開口方線が太陽と整列しているときにレシーバーの配列に太陽放射を反射する及び／又は屈折させるように構成された一つ以上の光学コンセントレーターと、太陽放射の入射角の季節的な変動を考慮するために少なくとも一日一回の調整によって太陽と開口の法線のアライメントを維持するための追従機構とを含む。
【００１３】
米国特許公開第２０１００２７５９０２号は、光及び熱のエネルギーシステムを開示する。システムは、屈折又は反射光学系を使用して、及び、日中の追従モードで日の出から日没まで太陽を追跡するため単純なクロックモーターを採用することによって、太陽光を集中させる。低減した数の太陽電池上の太陽の日射量の集中によって発生した増加した熱は、太陽電池やコンセントレーターの反射または屈折の光学系が接続されているアルミ押し出しの循環凍結防止液によって冷やされる。好ましくは、太陽光発電システムの光学要素は、太陽電池に太陽光を集中させるために反射サイドパネル及び円筒形フレネルレンズとして度のないミラーを採用する。
【００１４】
米国特許公開第２００８００４１４４１号は、プリズムアレイを備える太陽光発電エネルギージェネレーターのための太陽集光器を開示する。各プリズムは、入射する太陽光を偏向させ、均一な強度を有する矩形太陽電池を完全に照明するように設計される。共通のターゲット領域を一様に照らす複数のプリズムの組み合わせは、対象領域全体に集中した均一な照明を生じる。また、ヒートシンクは、太陽電池によって生成された過剰なエネルギーを放散するために提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
集中型太陽光発電及び熱システムの態様によれば、少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを有する集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム、及び、少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリに支持及び移動を提供する太陽追従システムが提供される。
【００１６】
集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリは、集中型太陽光発電ソーラーコレクターと、ソーラー電池と熱連通した熱変換デバイスと、熱変換デバイス及び／又はソーラー電池と熱連通した冷却ユニットとを備える。
【００１７】
集中型太陽光発電ソーラーコレクターは、上開口及び下開口を有するハウジングであって、下開口が上開口よりも狭いハウジングと、ハウジングの下開口に配置されたソーラー電池と、ハウジングの上開口に近接して配置された主要な光学要素と、ハウジングの内部に配置されると共に下開口に近接して配置された二次的な光学要素とを備える。主要な光学要素及び二次的な光学要素は、光源の光線をハウジングの中及びソーラー電池上に導いて集中させるように、形状づけられ、寸法づけられ及び配置される。
【００１８】
太陽追従システムは、ベースと、少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを受け入れるようになったプラットフォームと、プラットフォームをベースに移動可能に接続する複数のリニアアクチュエーターとを備える。複数のリニアアクチュエーターは、プラットフォームを傾斜するために拡張及び収縮する。
【００１９】
集中型太陽光発電及び熱システムは、図面と関連してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、集中型太陽光発電及び熱システムの実施形態の斜視図である。
【図２】図２は、図１に示された別個のソーラーコレクターの斜視図である。
【図３】図３は、図２に示された別個のソーラーコレクターの側面図である。
【図４】図４は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による二次的な光学要素の側面図である。
【図５】図５は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態に利用される熱電子コンバーターの側方断面図である。
【図６】図６は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による太陽光発電レシーバーアッセンブリの下部分の側方断面図である。
【図７】図７は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による太陽光発電レシーバーアッセンブリの下部分の側方断面図である。
【図８】図８は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による太陽光発電レシーバーアッセンブリを冷却するために使用される冷却ユニットの側方断面図である。
【図９】図９は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による三つのアクチュエーターを利用する太陽追従システムの斜視図である。
【図１０】図１０は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による二つのアクチュエーターを利用する太陽追従システムの斜視図である。
【図１１】図１１は、集中型太陽光発電及び熱システムの一実施形態による二つのアクチュエーターを利用する太陽追従システムの斜視図である。
【図１２】図１２は、集中型太陽光発電及び熱システムの実施形態の斜視図である。
【図１３】図１３は、水平態勢にある集中型太陽光発電及び熱システムの実施形態の側面図である。
【図１４】図１４は、傾斜されたあるいは傾斜かつ上昇された態勢にある図１３に示された集中型太陽光発電及び熱システムの側面図である。
【図１５】図１５は、隣接するソーラーコレクター間に生じる影のレベルを示す様々な傾斜段階の一対のソーラーコレクターの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
集中型太陽光発電及び熱システムのより良い理解及びその目的と利点は、単に例示のためだけで好適な実施形態について以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。理解されるように、集中型太陽光発電及び熱システムは、その範囲から全てが逸脱しないで様々な明らかな観点で変更が可能である。従って、説明は、本質的に例示し、限定的ではないとみなされるべきである。
【００２２】
図１は、追従システム７に取り付けられた太陽光発電レシーバーアッセンブリ３のアッセンブリを備える集中型太陽光発電及び熱（ＣＰＶＴ）システム１を示す。
図２及び図３を参照すると、太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、ソーラーコレクター５を備える。ソーラーコレクター５は、（図６に示された）太陽光線を集光し、集中し及び導くことを主要な目的とする。ソーラーコレクター５は、ソーラーコレクターが風の強い条件下で傾くときにソーラーコレクター５に支持を提供する、プラスチック、ガラス、金属又は他の頑丈な剛性で作られるのが好ましい。代替的な実施形態では、ソーラーコレクター５は、バルーンやフィルムなどの非剛性材料から作られ、従って、ソーラーコレクター５の高さは、ソーラーコレクター５の形状を維持するのに十分である。（図６に示されたような）光源光線１８を効果的に導きかつ集光するために、ソーラーコレクター５の内壁９は、反射率の高い鏡のような材料で作られるあるいは被覆されるのが好ましい。一実施形態によれば、ソーラーコレクター５は、上開口１３及び下開口１５を有し、その上部に四角い開口部を画定する反転対称で先端が切断されたピラミッドの形である。しかしながら、ハウジングの他の形状が円錐台形状又は放物線形状に限定されないがこれらの形状に熟考される。ソーラーコレクター５は、光源光線１８の受け入れを増加するために比較的広い上開口１３を有する方が好ましい。また、ソーラーコレクター５の外表面１１は、過熱に起因するコレクター５の損傷を防止するために余分な熱を放散することができるように具体的にはコレクター５内に捕捉されない反射材などの材料で被覆されることが考えられる。
【００２３】
一実施形態によれば、ソーラーコレクター５の上部にある上開口１３の少なくとも一部分は、主要な光学要素（ＰＯＥ）１７を備える。ＰＯＥ１７は、ソーラーコレクター５内に光源光線１８を集光させる及び／又は焦点させることが目的である。図２及び３に示されるように、ＰＯＥ１７は、フレネルレンズであるが、凹レンズまたは他の光捕捉レンズなどの他の付加的な光学要素がソーラーコレクター５に使用されることができる。ＰＯＥ１７は、ソーラーコレクター５の上開口１３上に配置され上開口１３を覆うが、ソーラーコレクター５の上開口１３内に凹んでいてもよい。
【００２４】
ＣＰＶＴシステム１は、典型的には、屋根の上など外側に位置し、従って、各ソーラーコレクター５は、その要素に対して実質的に耐性があるように設計され構成される方が好ましい。例えば、ソーラーコレクター５は、水密ジョイント及びシールを有することにより風雨に耐える囲いを形成し、あるいは代替的に、ソーラーコレクター５のハウジングは、膜のような保護カバーで被覆される。このような構成で、ソーラーコレクター５は、寿命を増加し、（図４に示された）二次的な光学要素１９あるいは（図４に示された）電磁エネルギーレシーバー２７などのソーラーコレクター５の内部構成要素がその要素から保護される。
【００２５】
実施形態によれば、ソーラーコレクター５は、二次的な光学要素１９を備える。図６を参照すると、二次的な光学要素（ＳＯＥ）１９は、光源光線１８を受け入れ、光源光線１８の集中及びリダイレクションを最適化する。これは、光源光線１８の受光角を増加させる効果を有する。この実施形態では、ＳＯＥ１９は、光源光線１８を光源から直接的に、ＰＯＥ１７から直接的に、あるいは、ソーラーコレクター５の内表面９から反射及び再方向づけされた後に、受け入れることができる。ＳＯＥ１９は、ソーラーコレクター５内に配置され、より具体的には、電磁エネルギーレシーバー２７上に光源光線１８を導くために電磁エネルギーレシーバー２７に近接してその下部分近くに典型的に配置される。
【００２６】
典型的なＳＯＥ１９は、図４に示される。この実施形態では、ＳＯＥ１９は、内表面２１を有すると共に入射開口２３及び出射開口２５の双方を画定する中空構造を備える。ＳＯＥ１９は、ソーラーコレクター５のハウジング内に配置されたインサートにすることができる。代替的に、ＳＯＥ１９は、ハウジングの下部分がＳＯＥ１９の要件に応じて形状づけられかつ寸法づけられるように、ソーラーコレクター５のハウジングに一体にすることができる。ＳＯＥ１９の内表面２１は、電磁エネルギーレシーバー２７の方に伝播しかつ導かれる（図６に示された）集光された光源光線１８を受け入れ、従って、ＳＯＥ１９の内表面２１の少なくとも一部分は、反射する。反射表面は、好ましくは、滑らかで磨かれた鏡のような仕上げを有し、受け入れた光源光線１８を確実に反射することができる。内側表面２１は、選択的に、磨かれ、陽極酸化処理され、そうでない場合には光学反射の度合いを高めるように塗布し又は被覆されることができる。反射された光源光線１８は、電磁エネルギーレシーバー２７に最終的に導かれて集光される。
【００２７】
ＳＯＥ１９の正確な構造、設計、形状及び大きさは、限定的と考えるべきではなく、ＰＯＥ１７、ソーラーコレクター５の形状及び光源の受光角度などの様々な要因に基づかれる。これらの要因に基づき、ＳＯＥ１９は、電磁エネルギーレシーバー２７上に（図６に示された）光源光線１８をさらに反射しかつ導くように設計される。例えば、ＳＯＥ１９は、上部分とは対照的に下部分で狭く、上部分は、入射開口２３を備えると共に入射電磁エネルギーに最も近い部分である。入射開口２３は、その幅がＰＯＥ１７から送られた集中光源光線１８のビーム幅よりも大きいように形成される。一つ以上の電磁エネルギーレシーバーの上面３１の少なくとも一部分よりもわずかに大きいように寸法づけられる。収束側面２１は、適当な形状又は構成が提供される。非限定的な実施例によれば、ＳＯＥ１９の収束側面２１は、カップ状、円錐台形状、または規則的または不規則な多角形錐台の形状にすることができる。ＳＯＥ１９の収束側面２１の傾斜は、全て同じにするか、互いに対して相対的に異なることができる。具体的には、ＳＯＥ１９は、図４に示されたＳＯＥ１９など、各側面２１が様々な傾斜を有する複数の側面２１を有することができる。この例において二つの側面２１の傾斜をそれぞれ画定する図４における角度θ及びβは、変更でき、電磁エネルギーレシーバー２７上の光源光線の再方向付け及び集光を最大にするために画定できる。さらなる非限定的な実施例によれば、一つ以上の側面２１は、湾曲した形状、不規則な多角形、三角形、長方形、正方形、台形または他の多角形の形態をとることができる。
【００２８】
代替的な実施形態によれば、光学材料、すなわち空気よりも大きい屈折率を有する光源光線１８を送ることができる材料は、入射開口２３と出射開口２５との間でＳＯＥ１９に提供される。光学材料は、ＳＯＥ１９の中間部分２９に入る光源光線１８を反射する。光学材料の厚さは制限されず、光学材料は、入射開口２３から出射開口２５までのＳＯＥ１９全体に及ぶが薄い層にすることができる。光学材料は、プラスチック、アクリル材料、水晶、ガラス、金属、半導体材料、フィルム、液体で満たされた構造の、一つ以上で構成される。
【００２９】
ソーラー又は太陽電池などの電磁エネルギーレシーバー２７は、ソーラーコレクター５の基部近くに配置される。電磁エネルギーレシーバー２７は、ソーラーコレクター５の内部に露出された上表面３１と、下表面３３とを有する。好ましくは、電磁エネルギーレシーバー２７は、光源光線１８がＳＯＥ１９から移動されるのに必要な距離を最小限にするためにＳＯＥ１９の出射開口２５に近接する。電磁エネルギーレシーバー２７は、好ましくは、当業者に知られているようにソーラー又は太陽光発電の電池であり、光源光線１８例えば太陽光エネルギーを電気に変換することができる。ソーラーコレクター５からの光源光線１８は、ＳＯＥ１９の出射開口２５を通じて反射され導かれ、それによって、電磁エネルギーレシーバー２７に集光される。電磁エネルギーレシーバー２７は、集光された光源光線１８をＣＰＶシステム１によって利用される電気に変換することができる。
【００３０】
一実施形態によれば、太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、図５に示された熱変換デバイス３５を備える。熱変換デバイス３５は、光源光線１８からの熱エネルギーを捕捉し、それを電気に変換する。熱変換デバイス３５は、ソーラーコレクター５、特に、電磁エネルギーレシーバー２７と熱連通する。例えば、熱変換デバイス３５は、当該技術分野で知られているように、熱電子コンバーターにすることができる。
【００３１】
例示的な熱変換デバイス３５は、図５及び図６に示される。一般的に、熱変換デバイス３５は、二つの電極３７及び３９、すなわち電磁エネルギーレシーバー２７より下方に配置されたホット電極（カソード）３７及びコールド電極（アノード）３９を備えるサンドイッチ構造である。二つの電極３７及び３９は、スペーサー又は電極間ギャップ４１によって分離される。電磁エネルギーレシーバー２７上に集中された光源光線１８から発生した熱は、熱電子コンバーター３５の熱源として利用される。電子は、効果的にホット電極３７を“蒸発損”し、ギャップ４１を横切り、コールド電極３９上に凝縮し、それらは、電流を駆動する電圧を形成する。
【００３２】
ホット電極３７は、イリジウム、白金、金、レニウム、モリブデン、又は、３−５ｅＶの仕事関数を有するこれらの金属を含むがこれらに限定されない任意の低い電子仕事関数の金属で作られる。代替的に、ホット電極３７は、金属炭化物、一酸化炭素及びニッケルなどの高赤外線放射率の金属で作ることができる。必要に応じて、コールド電極３９は、アルミニウム、銅、銀、金などであるがこれらに限定されない高赤外線放射率の金属で作ることができる。また、スペーサー材料は、好ましくは、酸化チタンなどであるがこれに限定されない高電気的および熱的絶縁材料からなる。
【００３３】
熱コンバーターから発生された電流は、ダッシュマン方式：
【００３４】
【数１】
2013520785.tif 000003
【００３５】
ここで、Ｉ０は放出電流、Ａは定数、１２０．４  Ａ／ｃｍ２、ＴはＫ（ケルビン）で表現された温度、Ｗは発光金属の仕事関数、ｅは２．７１８２８．．．である。
上記式から見られるように、放出電流は、温度と共に急激に増加する。
【００３６】
別の実施形態によると、太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、冷却ユニット又はヒートシンク４３を備える。冷却ユニット４３は熱変換デバイス３５と連通するのが好ましい。熱変換デバイス３５を冷却することは、電子の後方放出を最小限にすることにより熱変換デバイス３５の全体的な効率を向上することができる。代替的な実施形態では、冷却ユニット４３は、電磁エネルギーレシーバー２７と連通する。光源光線１８が集中されて電磁エネルギーレシーバー２７にわたって導かれると、極端な温度に達することができる。従って、その長寿性及び性能を向上させるために閾値温度以下に電磁エネルギーレシーバー２７を維持することが望ましい。
【００３７】
冷却ユニット４３の正確な性質は限定されず、当業者に知られている冷却ユニット４３がソーラーコレクター５に組み込まれることができる。別の実施形態によれば、システム１は、図６乃至図８に示されるように典型的な冷却ユニット４３を組み込み、電磁エネルギーレシーバー２７及び熱電子コンバーター３５は冷却ユニット４３の頂部に取り付けられる。例示的な冷却ユニット４３では、冷却液あるいはクーラントは、電磁エネルギーレシーバー２７の下方に及び／又は上方に循環する。冷却液は、不凍液などの任意のグリコール系液体であってもよい。
【００３８】
例示的な冷却ユニット４３では、クーラントは、上部インレットホース４５及び底部インレットホース４７によって供給される。そして、接続パイプ４９は、熱変換デバイス３５及び／又は電磁エネルギーレシーバー２７と相互作用する冷却ユニット４３の内部にクーラントを移動する。次に、循環する冷却液体は、一連のアウトレットパイプ及びホース５１及び５３によって冷却ユニット４３から取り除かれる。除去されたクーラントは、吸着ユニットまたは外部の空気放熱器などの知られている様々な方法を用いて冷却された後、冷却ユニット４３を通じて循環される。また、冷却ユニット４３は、電磁エネルギーレシーバー２７及び／又は熱変換デバイス３５から離れる方向に加熱された液体の単方向の動きを固定する制御弁を備える。小さいポンプが、冷却ユニットの中に及び外に冷却液体の循環を加速するために付加されることができる。
【００３９】
冷却ユニット４３の実施形態によれば、電磁エネルギーレシーバー２７の上層３１が冷却される。この実施形態では、電磁エネルギーレシーバー２７の上層３１は、電磁エネルギーレシーバー２７を浸すことによりクーラントで覆われる。クーラントは、上部インレット４５を通じて注入され上部アウトレット５１を通じて放出する。さらに、この実施形態では、熱は、上部レシーバー表面３１及び底部レシーバー表面３３の双方から送られることができる。液体は、以下の特性すなわち優れた熱伝導性、低粘度、長期的な化学的および物理的安定性、低光吸収、良好な光学的安定性、非毒性及び費用対効果を有する電気絶縁体クーラントにすることができる。
【００４０】
別の実施形態によれば、少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、図１に示されるように太陽追従システム７に取り付けられる。追従システム７は、集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３が一日中太陽の動きに従うことを可能にし、太陽エネルギーから発電を最適化にする。集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、好ましくは、それらが太陽追従システムのプラットフォーム５９を中心にして回転することができるようにヒンジ式の方法で、太陽追従システム７に取り付けられるのが好ましいが、固定的に取り付けられることも可能である。一実施形態では、各集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３の動きは、追加の追跡機能を提供するために例えばモーター６９によって制御される。
【００４１】
集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３は、あらゆる周知の太陽追従システムに取り付けられることができるが、一実施形態によれば、図９乃至図１４に示された太陽追従システム７が利用される。この太陽追従システム７は、非回転型であるが、太陽に追従するために全方向に傾斜することができる。太陽追従システム７は、プラットフォーム５９をベース６１に移動可能に接続するリニアアクチュエーター５７を備える。必要に応じて、プラットフォームの支持部６３は、ベース６１に取り付けられ、プラットフォーム５９は、プラットフォーム支持部６３に移動可能に接続される。アクチュエーター５７は、システム７に回転機能を提供する球面継手６５でプラットフォーム５９及び／又はベース６１に接続される。これらのアクチュエーターの使用を通じて、すなわち、リニアアクチュエーターの長さを制御することによって、太陽追従システム７は、全方向に傾斜することができ、位置の広い配列を想定し、それによって効果的に太陽を追従する。
【００４２】
プラットフォーム５９の形状は、限定されないが図９に示された三角形状にすることができ、他の形状も利用されることができる。太陽追従システム７のアクチュエーターの数は、プラットフォーム５９に対するその接続ポイントと共に、典型的に、プラットフォーム５９の形状によって決定される。例えば、三角形状のプラットフォーム５９に関しては、各頂点に接続する三つのアクチュエーター５７は好適であるが、あらゆる数のアクチュエーター５７は、広範囲な動きが可能であることを提供されて利用されることができる。さらに、太陽追従システム７は、ＣＰＶＴシステム１の重量負荷を軽減するために、ベース６１とプラットフォーム５９との間に中心的に配置された支持部６７を有することができる。また、支持部６７は、ＣＰＶＴシステム１が垂直方向に階層化できる、プラットフォーム５９を昇降可能なアクチュエーターにすることができる（図１４参照）。
【００４３】
典型的に、ソーラーコレクター５は、低い太陽の角度で互いに影にし、それによって、エネルギーの取り込みを減少させる。図１５は、上述したように傾斜する太陽追従システム７に取り付けられた二つの例示的な集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリ３を示し、ソーラーコレクター５及び太陽追従システム７の双方の傾斜角度がこの影効果を低減することが示される。
【００４４】
別に実施形態によれば、電磁エネルギーレシーバー２７は、集中型光源光線１８を吸収すると共にそれを所望のアプリケーションに転送するために直接的に熱に変換するために、光吸収体で置き換えることができる。所望のアプリケーションは、家庭用温水、浄水、商用処理または統合空調から変えることができる。また、熱は、（１）スターリングエンジンなどの駆動熱エンジンに（２）蒸気エンジンやタービンを駆動するために超熱蒸気に（３）熱電発電機に燃料を供給するために、あるいは（４）あらゆる他のタイプの熱機関または熱アプリケーションを駆動するために、直接的に使用されることができる。
【００４５】
上記は、特定の実施形態の説明を構成する。これらの実施形態は単なる例示である。最も広くより具体的な太陽の集中型太陽光発電及び熱システムは、以下の特許請求の範囲でさらに説明され定義される。
【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８】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成24年3月20日(2012.3.20)
【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】
集中型太陽光発電ソーラーコレクターであって、
集中型太陽光発電ソーラーコレクターは、
ａ）上開口及び下開口を有するハウジングであって、下開口が上開口よりも狭いハウジングと、
ｂ）ハウジングの下開口に配置されたソーラー電池と、
ｃ）ハウジングの上開口に近接して配置された主要な光学要素と、
ｄ）ハウジングの内部に配置されると共に下開口に近接して配置された二次的な光学要素とを備え、
主要な光学要素及び二次的な光学要素は、光源の光線をハウジングの中及びソーラー電池上に導いて集中させるように、形状づけられ、寸法づけられ及び配置され、
二次的な光学要素は、入射開口及び出射開口を有する連続的な中空構造であると共に反射内表面を有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項２】
請求項１記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
ハウジングの形状は、反転対称で先端が切断されたピラミッドの形である、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項３】
請求項１又は２記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
主要な光学要素は、フレネルレンズである、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
二次的な光学要素は、第１傾斜を有する第１側面と、第２傾斜を有する第２側面とを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
二次的な光学要素は、空気よりも大きい屈折率を有する光学材料からなり、入射開口と出射開口との間に配置される、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターにおいて、
ハウジングの内表面は、反射する、集中型太陽光発電ソーラーコレクター。
【請求項７】
集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムであって、
ａ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリであって、
１）請求項１乃至６のいずれか一つに画定されたソーラーコレクターと、
２）太陽電池と熱的連通した熱変換デバイスと、
３）熱変換デバイス及び／又は太陽電池と熱的連通した冷却ユニットと、を備える少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリと、
ｂ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリに支持及び移動を提供する太陽追従システムと、を備える、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項８】
請求項７記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
太陽追従システムは、
ａ）ベースと、
ｂ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを受け入れるようになったプラットフォームと、
ｃ）プラットフォームをベースに移動可能に接続する複数のリニアアクチュエーターと、を備える、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項９】
請求項８記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、球面コネクタでプラットフォーム及び／又はベースに接続される、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１０】
請求項７乃至９のうちのいずれか一つに記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
冷却ユニットは、電磁エネルギーレシーバーの上方及び下方にクーラントを循環する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１１】
請求項１０記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
電磁エネルギーレシーバーは、クーラントが電磁エネルギーレシーバーと直接的に接触するのを防止するための透明なコーティングを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１２】
請求項１１記載の集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステムにおいて、
電磁エネルギーレシーバーは、クーラントが電磁エネルギーレシーバーと直接的に接触するのを防止するための透明なコーティングを有する、集中型太陽光発電ソーラーコレクターシステム。
【請求項１３】
太陽追従システムであって、
太陽追従システムは、
ａ）ベースと、
ｂ）プラットフォームであって、
１）請求項１乃至６のいずれか一つに画定されたソーラーコレクターと、
２）太陽電池と熱的連通した熱変換デバイスと、
３）熱変換デバイス及び／又は太陽電池と熱的連通した冷却ユニットと、を備える少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリを受け入れるようになったプラットフォームと、
ｃ）少なくとも一つの集中型太陽光発電レシーバーアッセンブリに支持及び移動を提供する太陽追従システムと、
ｄ）プラットフォームをベースに移動可能に接続する複数のリニアアクチュエーターでと、を備え、
複数のリニアアクチュエーターは、プラットフォームを拡張及び収縮する、太陽追従システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の太陽追従システムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、球面コネクタでプラットフォーム及び／又はベースに接続される、太陽追従システム。
【請求項１５】
請求項１３又は１４記載の太陽追従システムにおいて、
複数のリニアアクチュエーターは、プラットフォームを昇降するためにプラットフォームの中央部分にベースを接続する、太陽追従システム。
【国際調査報告】
2013520785.tif 000019
2013520785.tif 000020
2013520785.tif 000021