(57)【要約】少なくとも１つの外部層、窓へ入射する太陽放射の第１の部分を電気的エネルギーへ変換するように構成されている１つ以上の太陽電池（ＰＶ）セル、及びＰＶセルから熱を引き出すように構成された少なくもと１つの熱導管を含む、窓を提供する。熱導管は、ＰＶセルのうちの少なくとも１つ、及び外面層のうちの少なくとも１つと、導電的に熱伝達する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窓であって、
少なくとも１つの外部層と、
前記窓へ入射する太陽放射の第１の部分を、電気エネルギーへ変換するように構成された、１つ以上の太陽電池（ＰＶ）セルと、
前記ＰＶセルから熱を引き出すように構成された、少なくとも１つの熱導管と、
を含み、前記熱導管が前記ＰＶセルのうちの少なくとも１つ及び前記外部層のうちの少なくとも１つと導電的に熱伝達する窓。
【請求項２】
前記熱導管が、前記「Ｌ」の第１の区画を構成し、前記ＰＶセルと導電的に熱伝達するセル接触部及び、前記「Ｌ」の第２の区画を構成し、前記前面層と導電的に熱伝達する前面接触部を含む略Ｌ字状の断面図を有する、請求項１に記載の窓。
【請求項３】
前記外部層のうちの１つを構成し、太陽放射のうちの前記第１の部分によって入射されるように構成された前面の表面を有する前面層を含み、前記前面層は、前記熱導管と導電的に熱伝達する、請求項１及び請求項２の内のいずれか１項に記載の窓。
【請求項４】
前記外部層のうちの１つを構成する背面層を含み、前記背面層は、前記熱導管と導電的に熱伝達する、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項５】
前記窓に入射する太陽放射の第２の部分が、前記第１の部分から分離され、そこを通過することを可能にするように構成された、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項６】
太陽放射の前記第１の部分が、前記ＰＶセルへ向けて集中するように構成された、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項７】
それぞれが前記ＰＶ層のうちの１つ以上を含む複数のソーラーユニット、及び全内側反射を使用して前記ＰＶセルへ向けて太陽放射を集中するように構成されたコンセントレータを更に含む、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項８】
入射太陽放射の前記第１の部分が、前記コンセントレータの受光角内で入射する放射を含む、請求項７に記載の窓。
【請求項９】
前記ソーラーユニットが、それぞれ、更に、前記ＰＶへ向けて集中しない太陽放射を修正するように構成されたイメージングプリズムを含む、請求項８に記載の窓。
【請求項１０】
前記コンセントレータ及びイメージングプリズムが、正確に一致する透過性プリズムである、請求項９に記載の窓。
【請求項１１】
前記熱導管が、周辺環境温度以上及び、前記窓の作動範囲内の温度以下の温度で、相変化を受けるように構成された充填剤材料を含む密閉された中空の内側部分を含む、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項１２】
前記充填剤材料が、前記周辺環境温度以上及び、前記窓の作動範囲内の前記温度以下の温度で溶けるように構成された、相変化材料である、請求項１１に記載の窓。
【請求項１３】
前記充填剤材料が、前記周辺環境温度以上及び、前記窓の作動範囲内の前記温度以下の温度で、気化するように構成された流体である、請求項１１に記載の窓。
【請求項１４】
凝縮するために十分に気化した前記流体からの熱を吸収するように構成された、冷却機構を更に含む、請求項１３に記載の窓。
【請求項１５】
前記冷却機構が、前記中空の内側部分の上に配置される、請求項１４に記載の窓。
【請求項１６】
前記冷却機構が、前記中空の内側部分の下に配置され、前記窓が、前記凝縮した流体を前記中空の内側部分へ送達するための機構を更に含む、請求項１４に記載の窓。
【請求項１７】
前記機構が、毛細管機構である、請求項１６に記載の窓。
【請求項１８】
前記中空の内部部分が、少なくとも部分的に空気が排気されている、請求項１３〜請求項１７のいずれか１項に記載の窓。
【請求項１９】
前記中空の内部部分が加圧されている、請求項１３〜請求項１７のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２０】
前記熱導管が、前記ＰＶセルからの熱を前記窓の前記周辺に配置した側面要素に向けて引き抜くように、更に構成される、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２１】
前記ＰＶセルと前記熱導管との間に適用された、サーマルペーストを更に含む、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２２】
前記ＰＶセルから離間した背面ペインを更に含む、前記請求項のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２３】
前記ＰＶセルと前記背面ペインとの間に配置され、その両方から離間した補助ペインを更に含む、請求項２２に記載の窓。
【請求項２４】
前記補助ペインの後ろ向き表面に、低放射率コーティングが施されている、請求項２３に記載の窓。
【請求項２５】
前記背面ペインの前向き表面へ、更に低放射率コーティングが施されている、請求項２２〜請求項２４のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２６】
前記低放射率コーティングが前記赤外線スペクトルにおいて大部分の放射を反射し、前記可視スペクトルにおける大部分の放射がそこを通過することを可能にする、請求項２４及び請求項２５のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２７】
ペイン間の空間及び前記窓の他の要素が、不活性ガスで満たされている、請求項２２〜請求項２６のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２８】
ペイン間の空間及び前記窓の他の要素が、真空化されている、請求項２２〜請求項２６のいずれか１項に記載の窓。
【請求項２９】
太陽電池（ＰＶ）セルへ向けて、受光角内でそこへ入射する光を集中するように構成された複数のソーラーユニットを含み、前記ソーラーユニットのうちの少なくともいくつかは互いに離間されて、光学の集中の無いギャップを生じさせる窓。
【請求項３０】
前記ギャップ内でディフューザが提供される、請求項２９に記載の窓。
【請求項３１】
前記ソーラー層の太陽放射表面に隣接して配置した前面ペインを更に含む、請求項３０に記載の窓。
【請求項３２】
前記ディフューザが、前記前面ペインから離間している、請求項３１に記載の窓。
【請求項３３】
前記ディフューザが、前記前面ペイン上に形成される、請求項３１に記載の窓。
【請求項３４】
背面ペインを更に含み、前記背面ペインが、そこを通過する放射を使用しないように構成される、請求項２９〜請求項３３のいずれか１項に記載の窓。
【請求項３５】
ソーラーコレクターが、前記ギャップ内に提供される、請求項２９〜請求項３３のいずれか１項に記載の窓。
【請求項３６】
前記ソーラーコレクターが、太陽電池セルである、請求項３５に記載の窓。
【請求項３７】
複数のソーラーユニットを含むソーラー層を含む窓であって、前記各ソーラーユニットは、コンセントレータ及び太陽電池（ＰＶ）セルを含み、前記コンセントレータは、前記ＰＶセルへ向かって受光角内でそこへ入射する太陽放射を集中するように構成され、前記コンセントレータは、ＰＶセル上への入射無しに、受光角内で入射する太陽の少なくとも一部を、出すように構成されている、窓。
【請求項３８】
前記コンセントレータは、その反射面からＰＶセルへ向かって、受光各内でそこへ入射する放射を、全体的に内側に反射するように構成されたプリズムコンセントレータであり、前記反射面は、それによって前記部分が前記コンセントレータを出るように構成された１つ以上の光学的開口部を形成する、
請求項３７に記載の窓。
【請求項３９】
前記光学的開口部が、鋸歯状に形成される、請求項３８に記載の窓。
【請求項４０】
前記鋸歯状のプロファイルが、前記反射面の前記長さ方向に沿って変化する、請求項３８に記載の窓。
【請求項４１】
前記コンセントレータが、全ての集中した太陽放射がそこへ向けられる受信面を含み、前記ＰＶセルは、前記受信面よりも小さい、請求項３７に記載の窓。
【請求項４２】
前記コンセントレータが２つの受信面を含み、全ての集中した太陽放射が前記受信面のうちの１つへ向けられ、前記ＰＶセルは、前記受信面のうちの１つにおいてのみ提供される、請求項３７に記載の窓。
【請求項４３】
受光角内で、そこへ入射する光を集中するように構成されたプラズマコンセントレータと、
前記受光角外で、前記コンセントレータへ入射する光を修正するように構成されたイメージングプリズム
とを含み、前記コンセントレータ及びイメージングプリズムが、それぞれの面がお互いに向かいあい、且つそこから離間するように配置され、前記面がその両端でお互いに結合している、ソーラーユニット。
【請求項４４】
前記コンセントレータが入口開口部、反射面及び受信面を含む三角プリズムであり、前記入口開口部は、太陽放射が入射するように構成されており、前記反射面は、全内側反射放射が前記受信面へ反射するように構成されており、前記イメージングプリズムが、前記コンセントレータと同様に構成されており、前記コンセントレータ及びイメージング部リズムが、その前記反射面がお互いに向かい合うように配置される、請求項４３に記載のソーラーユニット。
【請求項４５】
光学的に透明な接着剤が、接着のために提供される、請求項４３及び請求項４４のいずれか１項に記載のソーラーユニット。
【請求項４６】
前記接着剤が、ＵＶ／可視硬化型接着剤、感圧接着剤、及びシリコーン系接着剤を含む群から選択される、請求項４５に記載のソーラーユニット。
【請求項４７】
前記面の両端が、一緒に溶接される、請求項４３及び請求項４４のいずれか１項に記載のソーラーユニット。
【請求項４８】
前記コンセントレータ及びイメージングプリズムが単一ユニットとして製造される、請求項４３及び請求項４４のいずれか１項に記載のソーラーユニット。
【請求項４９】
長方形のプリズムを提供することと、
前記プリズムをその対角線に沿って切断すること、
とを含む、プリズムソーラーコンセントレータ及びそれと共に使用するためのイメージングプリズムを製造する方法。
【請求項５０】
前記切断がレーザーによって実施される、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記レーザーがＣＯ２レーザーである、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記切断が、対角線上の角から始まり、前記切断が交わるまで実施することを含む、請求項４９〜請求項５１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
第１の光学材料から作られた型を提供することであって、前記型が、前記窓の少なくとも一部の形状を有し、空洞を含む、型を提供することと、
前記空洞を第２の光学材料で完全に充填することと、
第２の光学材料を硬化させること
を含む、窓の製造方法。
【請求項５４】
太陽電池を前記型へ添付することを更に含む、請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気を生成するように構成されたソーラー窓、特に、入射太陽放射を集中させるプリズム光学を使用するように構成されたソーラー窓に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用可能なエネルギーを生産するために、様々な方法によって、太陽放射を利用できることが良く知られている。１つの方法は、太陽電池の使用を含み、それは太陽放射を電気に変換するように構成されている。太陽放射コレクタは、一般的には、太陽光又は他の放射を収集し、また、それを太陽電池へ向けるために使用される。しばしば、コンセントレータが、ある領域からの放射を、その領域よりも小さい太陽電池へ集中させるために、提供される。
【０００３】
しばしば、複数の太陽電池は、単一のモジュールを形成するように提供される。このモジュールは、建築要素として有効に活用できる、エネルギー生産から分離した特性を有するように形成され得る。例えば、そのモジュールは、いくらかの光をエネルギー生産のために使用すること無しにそこを通過させることを可能にし得る。かかるモジュールは、建物内に設置し、窓又は天窓として使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によると、
・少なくとも１つの外部層
・窓に入射する太陽放射の第１の部分を電気的エネルギーに変換するように構成される、１つ以上の太陽光発電（ＰＶ）セル、及び
・ＰＶセルから、熱を引き出すように構成される、少なくとも１つの熱導管
を含む窓を提供し、該熱導管は、少なくとも１つのＰＶセル及び少なくとも１つの外部層と、導電的に熱伝達する。室内を涼しく保つように、ＰＶセルからの熱が外へ放射され得るか、又は、所望の場合、室内へ放射されて熱の発生源を提供し得る一方、これは、いくらかの太陽放射が窓を通過することを可能にする。
【０００５】
熱導管は、セル−接触部（「Ｌ」の第１の区画を構成し、ＰＶセルと導電的に熱伝達する）、及び、前面接触部（「Ｌ」の第２の区画を構成し、前面層と導電的に熱伝達する）を含む略Ｌ字状の断面を有し得る。
【０００６】
前面層は、外部層のうちの１つを構成し得、また、太陽放射の第１の部分によって入射されるように構成される前向き表面を有し得、その前面層は、熱導管と導電的に熱伝導する。
【０００７】
窓は、外部層のうちの１つを構成する背面層を含み得、背面層は、熱導管と導電的に熱伝導する。
【０００８】
窓は、窓上に入射する太陽放射のうちの第２の部分を、第１の部分から分離して、窓を通過されることを可能にするように構成され得る。
【０００９】
窓は、太陽放射のうちの第１の部分を、ＰＶセルへ集中させるように構成され得る。
【００１０】
窓は、更に、それぞれが１つ以上のＰＶセルを含む複数のソーラーユニット、及び全内部反射を用いて太陽放射をＰＶセルに集中させるように構成されたコンセントレータを含み得る。入射太陽放射のうちの第１の部分は、コンセントレータの受光角内で入射する放射を含み得る。ソーラーユニットは、それぞれ、ＰＶへ向けて集中されない太陽放射を修正するように構成された、イメージングプリズムを更に含み得る。コンセントレータ及びイメージングプリズムは、正確に一致した透過性プリズムであり得る。
【００１１】
熱導管は、周辺環境温度以上、且つ、窓の作動範囲内の温度以下の温度で、相変化を受けるように構成された充填剤を含む、密閉された中空の内側部分を含み得る。
【００１２】
充填剤は、周辺環境温度以上、且つ、窓の作動範囲内の温度以下の温度で融解するように構成された、相変化材料であり得る。
【００１３】
充填剤は、周辺環境温度以上、且つ、窓の作動範囲内の温度以下の温度で、気化するように構成された流体であり得る。窓は、更に、十分に凝縮するように、気化した流体から熱を吸収するように構成された、冷却機構を含み得る。冷却機構は、中空の内側部分の上方に配置され得る。あるいは、冷却機構は、中空の内側部分の下に配置され得、窓は、更に、凝縮した流体を中空の内側部分へ送達するための、細管状機構などの機構を含む。中空の内側部分は、少なくとも部分的に、空気が排出され、又は加圧され得る。
【００１４】
熱導管は、更に、ＰＶセルから熱を、窓の周囲に配置された側面要素へ向けて引き出すように構成され得る。
【００１５】
窓は、更に、ＰＶセルと熱導管との間に適用されたサーマルペーストを含み得る。
【００１６】
窓は、更に、ＰＶセルから離間した背面ペインを含み得る。
【００１７】
窓は、更に、ＰＶセルと背面ペインとの間、また、両方から離間されて配置された補助ペインを含み得る。補助ペインの後ろ向き表面は、低放射率のコーティングを具備し得る。低放射率のコーティングは、背面ペインの前向き表面上に、提供され得る。低放射率のコーティングは、赤外線スペクトルの放射線の大部分を反射し得、可視スペクトルの放射の大部分を、通過させることを可能にする。ペイン同士の間の空間及び窓の他の要素は、不活性ガスで充填されるか、真空にされ得る。
【００１８】
本発明の別の態様によると、受光角内で、太陽発電（ＰＶ）セルへ向けて入射する光を集中するように構成された複数のソーラーユニットを含むソーラー層を含む窓を提供し、ソーラーユニットのうちの少なくともいくつかは、互いに離間されて、光学の集中の無いギャップを生じさせる。
【００１９】
ディフューザは、ギャップ内に設けられ得る。
【００２０】
窓は、更に、ソーラー層の太陽放射表面に隣接して配置された、前面ペインを含む。ディフューザは、前面ペインから分離され得るか、又は、例えばエッチングによってその上に形成され得る。
【００２１】
窓は、更に、背面ペインを含み得、背面ペインは、そこを通過する放射を使用しないように構成される。
【００２２】
１つ以上のソーラーコレクタ（例えばＰＶセル）は、ギャップ内に提供され得る。
【００２３】
本発明の更なる態様によると、複数のソーラーユニットを含むソーラー層を含む窓を提供し、各ソーラーユニットは、コンセントレータ及び太陽発電（ＰＶ）セルを含み、コンセントレータは、そこへ入射した太陽放射を、受光角内でＰＶセルへ向けて集中するように構成され、コンセントレータは、受光角内で入射する太陽放射の少なくとも一部を、ＰＶセル上へ入射することなく、ソーラーユニットへ出て行かせるように構成される。
【００２４】
コンセントレータは、その反射面から、ＰＶセルへ向かって、受光角内でそこへ入射する、放射を完全に内部的に反射するように構成されたプリズムコンセントレータであり得、反射面は、その部分がコンセントレータを出ることを可能にするように構成された、１つ以上の光学的開口部を形成する。光学的開口部は、鋸歯として形成され得る。鋸歯状のプロファイルは、反射面の長さに伴って変化し得る。
【００２５】
コンセントレータは、そこへ向かって集中した全ての太陽放射が向けられる受信面を有し得、ＰＶセルはその受信面よりも小さくなっている。
【００２６】
コンセントレータは、２つの受信面を含み、また、集中した全ての太陽放射が、受信面のうちの１つへ向けられるように構成され得、ＰＶセルは、受信面のうちの１つのみにおいて提供される。
【００２７】
本発明の更なる態様によると、
・受光角内でそこへ入射する光を集中するように構成されたプリズムコンセントレータと、
・受光角外のコンセントレータへ入射する光を修正するように構成されたイメージングプリズム
を含む、ソーラーユニットを提供し、
コンセントレータ及びイメージングプリズムは、それぞれがお互いに対向し、そこから離間するように配置され、その両端において互いに結合されている。
【００２８】
コンセントレータは、入射開口部、反射面及び受信面を有する三角プリズムであり得、入射開口部は、太陽放射によって入射されるように構成され、反射面は、完全に内部的に反射する放射が受信面へ入射するように構成され、イメージングプリズムは、コンセントレータと同等に構成され、ここで、コンセントレータ及びイメージングプリズムは、それらの反射面がお互いに対向するように配置される。
【００２９】
光学的に透過性な接着剤が接着のために用意される。接着剤は、ＵＶ／可視硬化型接着剤、感圧接着剤、及びシリコーン系接着剤を含む群から選択され得る。
【００３０】
面の端部はお互いに溶接され得る。
【００３１】
コンセントレータ及びイメージングプリズムは、単一ユニットとして製造され得る。
【００３２】
本発明の更なる態様によると、プリズムソーラーコンセントレータ及びそれと共に用いるためのイメージングプリズムを製造する方法を提供し、その方法は、
・長方形のプリズムを提供することと、
・対角線に沿って、そのプリズムを切断する
ことを含む。
【００３３】
切断は、ＣＯ２レーザーなどのレーザーによって実施され得る。
【００３４】
切断は、対角線上の角から始まり、カットが交わるまで切断を実施することを含み得る。
【００３５】
本発明の更なる態様によると、窓の製造方法を提供し、その方法は、
・窓の少なくとも一部の形状を有し、空洞を含む、第１の光学的材料で作られた型を提供することと、
・第２の光学的材料で、空洞を完全に満たすことと、
・第２の光学的材料を硬化させること
を含む。
【００３６】
その方法は、更に、型に太陽電池を取付けることを含む。
【００３７】
ここで、明細書及び特許請求の範囲において、「導電性熱伝達」という用語は、熱的にそれらを接続する第三の要素を必要とせず、２つの要素が接触によってお互いに熱伝達することを示す。サーマルペーストを含む熱伝達を向上させることが知られている物質の使用は、第３の要素と考えるべきではなく、また、そのような物質を使用してお互いに熱伝達する２つの要素は、その物質が無い状態でも導電的に熱伝達しており、導電性熱伝達であると考えられることが理解されるであろう。
【００３８】
ここで、明細書及び特許請求の範囲において、「幾何学的にプリズム」という用語は、２つの多角形面が並行面で、他の面が並行四辺形である多面体として形成された要素を指す。
【００３９】
本発明を理解し、実際にそれを実行し得る方法を見るために、実施形態を、非制限的な例示としてのみ、以下に添付の図面を参照して、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明による、窓の例の断面図である。
【図１Ｂ】本発明による、窓の例の断面図である。
【図２】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された窓のパラメータの選択を助けるために設計されたグラフである。
【図３Ａ】異なる熱導管を備えた、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓のコンセントレータ及びＰＶセルの断面図である。
【図３Ｂ】異なる熱導管を備えた、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓のコンセントレータ及びＰＶセルの断面図である。
【図４Ａ】異なる熱導管を備えた、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓のコンセントレータ及びＰＶセルの断面図である。
【図４Ｂ】異なる熱導管を備えた、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓のコンセントレータ及びＰＶセルの断面図である。
【図５】異なる熱導管を備えた、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓のコンセントレータ及びＰＶセルの断面図である。
【図６Ａ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓の変化形の断面図である。
【図６Ｂ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓の変化形の断面図である。
【図７Ａ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓の変化形の断面図である。
【図７Ｂ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓の変化形の断面図である。
【図７Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示した窓の変化形の断面図である。
【図８】本発明による、コンセントレータの変化形の断面図である。
【図９Ａ】本発明による、変化形のＰＶセルを備えたコンセントレータの断面図である。
【図９Ｂ】本発明による、コンセントレータの変化形の断面図である。
【図１０】本発明の変化形により互いに結合されている、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された窓の、コンセントレータ及びイメージングプリズムを示す、断面図である。
【図１１Ａ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された窓のコンセントレータ及びイメージングプリズムの製造の例中の、長方形のプリズムの断面図である。
【図１１Ｂ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された窓のコンセントレータ及びイメージングプリズムの製造の例中の、長方形のプリズムの断面図である。
【図１２Ａ】図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された窓を製造する際に使用するための型を示す。
【図１２Ｂ】型を構築するために使用され得る、部品を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ａにおいて示される型を用いて製造した窓を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて示されるように、太陽電池（ＰＶ）窓が提供され、１０で大まかに示される。窓１０は、窓の第１の外部層を構成する前面ペイン１２、窓の第２の外部層を含む光学的背面ペイン１４、及びＰＶ層１６を含む。窓１０は、示されているように、垂直方向または水平方向に、又は任意の他の適切な位置で取り付けるように設計され得る。当業者は、本明細書の以下に示した説明に基づいて与えられた任意の設計を適用するための、必要な設計パラメータを理解するであろう。
【００４２】
窓１０、及び特にそのＰＶ層は、電気の生成のために、受光角θα内の角度で、前面ペイン１２へ入射する太陽放射を利用し、受光角外の角度で、前面ペイン１２に入射する太陽放射がそこを通過することを可能にするように設計される。説明されるように、受光角θαは、ＰＶ層１６の材料及び構造上の特性の関数として計算される。
【００４３】
背面ペイン１４は、そこを通過する放射線を拡散し、それによって、受光角θα外の角度で、窓１０に入射する光を使用して、より均一な照明を提供する。
【００４４】
ＰＶ層１６は、お互いに隣接して配置される複数のＰＶユニット１８を含む。各ＰＶユニット１８は、コンセントレータ２０、コンセントレータと同じ光学的特性を有する材料から作られた光学的イメージングプリズム２２、及びＰＶセル２４を含み、入射する太陽放射を電気へ変換するように設計される。イメージングプリズム２２は、例えば小さなエアギャップによって、コンセントレータ２０から僅かに離間し得る。
【００４５】
コンセントレータ２０は、例えば、プリズム角αによって特徴付けられるＰＭＭＡ又はポリカーボネートなどの他の透明な光学的プラスチックで作られた、右三角形プリズムとして提供され得る。それは、受光角θαでその入口開口部２６へ入射する太陽放射を反射面３０から全内側反射を用いて受信面２８へ向けて、随意に受信面の内側表面へ向けて集中するように設計される。ＰＶセル２４は、受信面２８において配置され、それによって、濃縮された太陽放射に晒す。必要な受光角については、窓１０が設置される位置に基づいて決定され得、プリズム角αは、
【数１】
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として付与され、式中ｎはコンセントレータ２０の材料の屈折率である。上記の式は、コンセントレータの屈折率が、前面ペイン１２及びそれらの間の任意の接着層と同じであることを、仮定している。
【００４６】
上述したように、例えば３２によって指定されたパスに沿って、受光角θα内で窓１０へ入射する光は、ＰＶセル２４へ向かってコンセントレータ２０内で反射する。受光角θαの外側で、窓１０に入射する光は、例えば、３４によって指定されたパスに従って、反射面３０を通じてコンセントレータ２０を出る。コンセントレータ２０が、光がそこを通過する時にイメージをゆがめることは理解されるであろう。従って、イメージングプリズム２２は、イメージを修正するために提供され、それによって窓１０が、透過性の窓として使用することが可能になる。透過性の窓が必要でも所望されてもいない適用について、例えば、主要機能が室内の照明のための光の伝達である天窓としてである場合、イメージングプリズム２２は除去し得る。
【００４７】
図２は、適切な受光角θαを選択する方法の例を示す。窓１０が設置される緯度に基づいて、最大の天頂角（即ち、太陽が一年のコース上になる垂直方向からの最大角度）を見つける。「一年中の遮光」が所望の場合、即ち、窓を介して直接日光を入れるべきではない場合、受光角θαは、極端な天頂角と等しくなるように選択する必要がある（受光角内で入射した日光は、ＰＶセル２４によって受け入れられ、窓を通過しないことを覚えておく）。「適応的な遮光」が所望の場合、即ち、例えば冬や朝及び、夏の間の午後／夕方などの、太陽が低い高さの時にだけ、直接日光が入るべきである場合、受光角θαは、極端な天頂角よりも幾分低くなるように選択されるべきである。そのような場合、受光角が低ければ低いほど、より多くの日光が窓１０を介して入るであろう。
【００４８】
適切にコンセントレータ２０を設計することにより、室内へ入る熱の量を制御することができる。受光角θαは、夏の間の、又は少なくとも一日のうちで最も暑い間の全ての日光が、ＰＶセル２４へ向かってコンセントレータ２０内で反射して、従って室内での日光の熱負荷を低減し、また冬の間の全ての日光は、反射表面３０を介して出て行き、従って、室内の日光の熱負荷を増加させるように選択され得る。この構成は、夏の間に必要な冷却量を減らし、また冬の間に必要な熱量を減らし、一年を通してのエネルギーを削減する。
【００４９】
使用する間、ＰＶセル２４に到達する太陽放射の幾らかは、電気的エネルギーへ変換される。しかしながら、非有意な量が熱へ変換され、セル２４の温度を上昇させる。その設計に基づいて、とりわけ、その構造及び構成材料に基づき、コンセントレータ２０は、例えば、９０℃〜１５０℃以上のような、高温で変形を受け得る。更に、ＰＶセル２４の効率は、温度が上昇するに連れて減少する。従って、窓は、１つ以上の熱消費装置を含み得る。
【００５０】
熱消費装置は、熱導管を含み、熱導管は添付の図に３６で指定されており、ＰＶセル２４からの熱を引き出すように構成されている。それは、前面及び／又は背面ペイン１２、１４へ向けて、導電を介してＰＶセル２４から熱を引き出し、且つ、熱を周囲の環境へ放射するように構成され得る。代わりに、又は更に、１つ以上のムリオン（図示せず）又は窓１０の周縁部において、前面及び背面ペイン１２、１４の間にまたがる他の要素へ向けて、ＰＶセル２４から熱を引き出すように構成され得る。従って、それはアルミニウムなどの任意の適切な熱伝導性の材料から作られる。この比較的長い距離に渡って熱伝導を可能にするために、熱導管３６の構造は、特にこの目的に合致するように適合され得る。
【００５１】
例えば、熱導管３６は、アルミニウムやその他の任意の適切な材料などの、固形材料から作られ得るが、前側ペイン１２と熱伝導する場合になり得るよりも、より厚く構築され得る。しかしながら、そのような配置は、窓を通しての視界を妨げ得る。
【００５２】
また、熱導管３６は、幾何学的にプリズムであり、ＰＶセル２４と導電的に熱伝達する主要部分、及び補助部分を含む。補助部分は、主要部分とは区別されており、即ち、例えそれらが単一の固形要素の一部を構成していたとしても、それらの間にはっきりと明確に境界がある。例えば、主要部分及び補助部分は、共に単一の幾何学的プリズム要素を構成しない。補助部分は、補助部分無しで同じ熱伝導を提供するために、主要部分について必要とされるよりも、その全体的な厚さが少なくなるように、熱導管３６の熱伝導率を増加させるように構成されている。
【００５３】
例えば、図３Ａに示されているように、熱導管３６は、導電性材料で作られた中空外殻３８（少なくとも主要部分を構成するそのＰＶ接触部分３８ａ）及び、相変化材料（ＰＣＭ）で作られた、補助部分を構成する、内側コア４０を含み得る。ＰＣＭは、ＰＶセル２４が変形し始める温度よりも低く、通常の周辺温度よりも高い融点を有する。従って、セル２４を加熱している間、ＰＣＭコア４０は、その融点まで加熱され、その融点で、依然として固体でありながら、それは追加熱を潜熱（変換の熱）として吸収する。従って、ＰＣＭの使用は、より多くの熱を、温度自体の対応した上昇を受けることなく、セル２４から引き出すことを可能にする。これは、熱導管３６がＰＶセル２４から熱を引き出す率を増加させることを可能にし、それによって、高い融点を有する材料で作られた類似した構造の内側コア又は、同じ外側の寸法を有する固体熱導管を提供することによってなり得るよりも、セル２４の冷却の効率化を促進する。
【００５４】
外部環境及び／又は室内へ直接的に引き出された熱のうちの幾らかを拡散させることによって、熱導管３６がＰＶセル２４から熱を引き出す率を増加させるために、図３Ａに記載されている熱導管３６は、シェル３８を前面ペイン１２、背面ペイン１４又はそれらの両方に結合するために伸張することによって、図３Ｂに示されているように変化され得ることが理解できるであろう。
【００５５】
図４Ａに示されているように、他の例によると、熱導管３６は、ヒートパイプによって構成されており、必要に応じて、矩形管４２を含み、主要部分を構成し、１つの変化形によると、チューブの長さ方向に沿って上方に傾斜する角度で配置されている空洞４４を有する。これは、ＰＶセル２４と熱伝導における角度で配置した統一されたチューブ４２を提供することによって、又は、その内側で上方へ向かって傾斜する空洞４４を備えたチューブ４２を提供することによって、達成され得る。熱導管３６から熱を引き出すように構成された冷却機構（図示せず）は、空洞４４のより高い側へ設けられている。補助部を構成する、液体形状の流体４６が、ＰＶセル２４が変形し始めるよりも低く、通常の周辺温度よりも高い温度で気化する圧力にて、空洞４４内に、提供されている。圧力は、流体４６の気化特性及びＰＶセル２４が維持されるべき所望の温度に拠って、周囲よりも高い又は低い圧力であり得る。
【００５６】
セル２４を加熱している間、流体４６は気化点まで加熱され、その気化点で、依然として液体に保たれながら、追加熱を潜熱（変換の熱）として吸収する。流体が全体的に又は部分的に気化すると、蒸気は、蒸気を冷却する冷却機構まで上昇し、それによって凝縮する。凝縮された流体４６は、上記を繰り返す空洞４４内で下方へ向けて流れる。これは、熱導管３６がＰＶセル２４から熱を引き出す率を上昇することを可能にし、それによって、より高い融点を有する材料で満たされた同様の構造の空洞４４又は、同じ外側寸法を有する固体の熱導管を提供することによってあり得るよりも、セル２４の冷却の効率化を促進する。
【００５７】
流体４６として使用される材料及び空洞４４の内容物の残りの部分に基づいて、冷却機構は、毛細管システムまたは凝縮された流体４６を空洞へ向けて送達するために提供される他の適切な機構とともに、空洞の下端に提供され得ることが理解されるであろう。
【００５８】
外部環境及び／又は室内に直接引き出された熱の一部を放散させることによって、熱導管３６がＰＶセル２４からの熱を引き出す効率を上昇させるために、図４Ａに記載された熱導管３６は、図４Ｂに示されているように、前面ペイン１２、背面ペイン１４、又はそれらの両方に結合するために、チューブ４２を伸張することによって変化され得ることが、更に理解されるであろう。
【００５９】
図５に示されている別の例によると、Ｌ型熱導管３６は、ＰＶセル２４からの熱を引き出すために提供される。本例による熱導管３６は、主要部及び「Ｌ」字の脚のうちの１つを構成し、熱的にＰＶセル２４に接合されているセル結合部５０、及び、補助部及び「Ｌ」字の他の脚を構成し、熱的に前面ペイン１２に接合されているペイン結合翼５２を含む。従って、熱はＰＶセル２４から前面ペイン１２へ引き出され、そこから外側の大気中へ放射される。
【００６０】
窓１０は、電気的にＰＶセル２４に結合するために、プリント回路基板（ＰＣＢ）を提供し得る。ＰＣＢ（金属コアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）であり得る）は、例えば２０１０年１０月７日に出願された、同時継続出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１０／０００８１７号公報において示されているように、ＰＣＢからの熱を引き出すように更に構成され得る。そのようなＰＣＢが提供される場合、ＰＶセル２４への参照は、必要な変更を加えれば、本発明の請求の範囲から逸脱することなく、それらに関連するＰＣＢを含むＰＶセル２４へも参照され得る。
【００６１】
上記に加え、熱導管は、一般に窓１０及び、特にＰＶ層１６の要素を支持するための機構も提供するように設計され得る。
【００６２】
熱導管３６の特定の構造が、前面ペイン１２又はムリオンのいずれかと熱伝達するその例に関連して提示されているが、任意の構造が、前面ペイン１２、背面ペイン１４及びムリオンのうちの任意の１つ以上に向けて、必要な変更を加えれば、ＰＶセル２４から熱を引き出すように構成された熱導管の一部として提供され得ることを理解するであろう。
【００６３】
上述の例のうちの任意の例によると、窓１０が背面ペイン１４を含む場合、室内へ熱が入るのを防ぐか又は制限するために、ＰＶ層１６から熱的に隔離すべきである。図６Ａに示すように、ギャップ４８によってＰＶ層１６から離間し得、例えば２ｍｍ〜３ｍｍの間のように、１ｍｍ〜１４ｍｍの間であり得る。ギャップ４８は、真空化又は不活性ガスで充填され得る。低放射率コーティングを、背面ペイン１４の前向き表面１４ａへ適用し得、可視光を通過させながら、赤外線スペクトルの光を反射するように選択し得る。
【００６４】
また、図６Ｂに示すように、補助ペイン１５は、ＰＶ層１６と背面ペイン１４との間に提供され得る。背面ペイン及び補助ペイン１４、１５の間のギャップ４８は、真空化又は不活性ガスで充填され得る。補助ペイン１５の後ろ向き表面１５ａ及び／又は背面ペイン１４の前向き表面１４ａは、低反射率のコーティングを施し得る。
【００６５】
熱が前面ペイン１２から放射される例は、熱を室内へ放射するように、背面ペイン１４に向けて熱を伝導するように、変形され得る。これは、太陽暴露量は高いが、とはいえ一年の内のほとんどが比較的寒い気候においては、特に有利であり得る。そのような装置において、ＰＶユニット１８及び／又は熱導管３６は、背面ペイン１４と導電的に熱伝達するように配置され得る。
【００６６】
窓１０は、そこを通過して室内へ入る光の量を増加させるように、又は減少させるように設計され得る。その方向によって、異なる量の拡散光及び反射光が、図１Ａ及び図１Ｂについて記載されているように、窓を通過するであろう。従って、他の設計は、拡散光及び反射光の両方を通過させるように、提供される。
【００６７】
図７Ａにおいて示されているように、コンセントレータ２０は、お互いに離間し得、それらの間のギャップ５４をもたらす。示されているように、前面ペイン１２へ入射する太陽放射のうちのいくらか（矢印５６によって示される）は、光が集中していない場所、即ち、ギャップ５４において、その内側表面１２ａに到達し、従って、室内に自由に入る。
【００６８】
図７Ｂに示されている通り、ディフューザ５８は、室内で光が広がるように、ギャップ５４内で、前面ペイン１４の内側表面１４ａ上に提供され得る。ディフューザ５８は、前面ペイン１４へ取付けられた分離した要素、又は、その上にエッチングされた適切なパターンであり得る。その代わりに、又は更に、即ち、図７Ｃに示されているように、隣接するコンセントレータ２０の間にギャップが提供されていようがいまいが、背面ペイン１４は、受信した放射線を拡散するように設定され得る。
【００６９】
また、例えば、より少ない光が所望されている場合、ギャップ５４は、太陽電池又は他のソーラーコレクター、機械的支持システムの一部、熱又は電気的伝導系の一部などを含むがそれらに限定されない、不透明な材料で充填され得る。
【００７０】
図７Ａ〜図７Ｃについて記載した例によると、イメージングプリズム２２は無くてもよいことが理解されるであろう。これは、照明のみが必要な場合において、特に有用であり得、凝縮していない放射の整流は、従って必要ではない。
【００７１】
図８に示されているように、反射面３０は、１つ以上の鋸歯（図８においてのみ示されている）を備え、光学的開口部を構成し、受光角θα内で入射する放射の少なくともいくらかが、矢印６１で示されているように反射面を介して、コンセントレータ２０を出て行くことを可能にするように、設計されている。光線追跡ソフトウェアは、所望の角度範囲内で入射する放射の通過を許可する鋸歯６０の形状を決定するために使用され得る。更に、図８に示されている断面は、その長さ方向に沿って、鋸歯６０の形状が均一であることを意味しているが、太陽の東−西位置によって、放射がそこを通過できるようにする、３次元ジオメトリを有し得ることを理解するであろう。
【００７２】
図９Ａに示されている通り、ＰＶセル２４は、受信面２８よりも小さくあり得る。従って、ＰＶセル２４の無い受信面２８の一部へ入射する、凝縮した任意の太陽放射は、窓１０を出て、室内へ通過する。同様に、図９Ｂに示されているように、コンセントレータ２０は、受信面２８に平行して、補助受信面２８ａを生じ、それを介して凝縮した太陽放射が出る、「シェルフ」を形成し得る。
【００７３】
コンセントレータ２０及び入射プリズム２２は、その対向面がそれらの間の小さなギャップを挟んでお互いに正確に平行になるように、お互いについて正確に配置されるべきである。従って、リジット支持ブラケットを提供し得る。図５について記載した熱導管３６と同様の構造は、支持ブラケットとして機能し得る。
【００７４】
図１０に示されているように、コンセントレータ２０、イメージングプリズム２２は、小さなギャップによってお互いに離間している。例えば製造している間に、液体及びその他の汚れがギャップに浸透するのを防ぐために、対向面の両端を、６２に示したように、お互いに結合し得る。それによって提供された封止に加えて、この構造は、各コンセントレータ２０及び各イメージングプリズム２２が機械的に２つの支持ブラケットへ結合する（即ち、コンセントレータ２０を有する本支持ブラケットはまた、それに結合されたイメージングプリズム２２も有し、逆もまた同様）ように、窓１０の構成要素へ追加的に機械的強度を付与する。接着は、ＵＶ／可視硬化型接着剤、感圧接着剤、又はシリコーン系接着剤などの、光学的に透過性な接着剤を提供することによって達成され得る。あるいは、コンセントレータ２０及びイメージングプリズム２２が、例えば、溶接、はんだによるか、又は、例えば、相互に共同成形あるいは同時押出によって単一ユニットとして製造されることにより、結合され得る。溶接は、熱溶接、超音波溶接、振動溶接、又は化学溶接を含むがそれに限定されない、任意の周知の方法で達成され得る。
【００７５】
コンセントレータ２０及びイメージングプリズム２２は、単一の矩形プリズムから作られ得る。一実施例によると、図１１Ａ及び１１Ｂに示されるように、矩形プリズム６４が提供される。それは、例えばレーザー切断、特にＣＯ２レーザーを使用することによって、対角線に沿って切断される。図１１Ａに示されるように一端から切断されるか、又は図１１Ｂに示されるように、両端から中央で合うように切断され得る。
【００７６】
図１２Ａに示されるように、窓１０又はその一部は、型６６を用いて製造され得る。型６６は、押し出しを含むがそれに限定されない、任意の便利な方法を用いて形成され得る。図１２Ａに示したように、単一ピースとして製造されるか、又は、一緒に結合される、２つの分離したピース６６ａ、６６ｂとして製造され得る。
【００７７】
型６６は、光学的材料で作られ、空洞６８を含む。用語「光学的材料」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているように、光について透過性で有り、従って、窓において使用するのに適する材料を示す。そのような材料は、ＰＭＭＡ及びポリカーボネートを含み得るがそれらに限定されない。
【００７８】
空洞６８は、完全に光学的材料で充填され、その後硬化される。光学的材料は、ＷＯ２０１０／０５５５０７又はＷＯ２０１０／０５５５０８（両出願ともに本発明の発明者である）における記載で開示された、光学接着剤、シリコーングリース、シリコーン接着剤、又は紫外線硬化型接着剤であり得、それらの両開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００７９】
一旦硬化させてから、ＰＶセル２４及び熱導管３６などの追加要素を加える。更に、ＰＣＢ又はＭＣＰＣＢを、上述したように加えても良い。硬化させる前を含み、窓を製造している間の任意の適切な時点において、そのような要素を加えてもよいことを理解するであろう。
【００８０】
上記の方法を使用して、図１２Ｃに示した比較的薄い窓１０を製造できる。そのような窓において、前面ペイン１２及びコンセントレータ２０は、お互いに一体的に形成される。背面ペイン、イメージングプリズムなどの他の要素を、図１２Ｃに示された窓１０へ加え得ることを理解するであろう。
【００８１】
本発明が属する当業者は、多数の変化、変化形及び修正形が、必要な変更を加えれば、本発明の請求の範囲から逸脱することなく成され得ることを容易に理解するであろう。
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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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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【国際調査報告】
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