(57)【要約】      （修正有）【課題】高い効率で一次電気エネルギを生成することができる太陽光発電システムの提供。【解決手段】太陽光発電システムは、太陽光集光システム（例えば、ヘリオスタット）３１０Ｄと、熱光起電（ＴＰＶ）変換器２００Ｄと、火力発電システム３２０Ｄとを含む。ＴＰＶ変換器は、箱状筐体１１０Ｄに形成されたメタマテリアル放射器１００Ｄと、関連する光起電（ＰＶ）セル２１０Ｄ−１，２１０Ｄ−２とを含む。１０００°Ｋ超にメタマテリアル放射器を加熱するように箱状筐体の入口開口１１５Ｄを介して集光された太陽光は標的構造体１２０Ｄ−１，１２０Ｄ−２において、加熱時に、離隔された同心円状リッジの格子周期に等しいピーク放射波長のエネルギビームを生成し、ＰＶセルで一次電気エネルギに変換する。未変換の太陽光エネルギは、蒸気生成器３２４Ｄを使用した火力発電システムによって二次電気エネルギに変換される。【選択図】図６
2015159715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電回収システムにおいて、
集光された太陽光を生成するための太陽光集光システムと、
太陽光熱光起電（ＴＰＶ）変換器と、
箱状筐体の内部空洞から渡された未変換の熱エネルギを受け、前記未変換の熱エネルギを二次電力に変換する手段を含む火力発電システムとを備え、ＴＰＶ変換器が、
入口開口を有する内部空洞を画定する周壁によって少なくとも部分的に形成された箱状筐体と、周壁の外向き表面に配設された少なくとも１つの標的構造体とを含むメタマテリアル放射器であり、前記箱状筐体が、集光された太陽光が内部空洞内の入口開口に向けられるように前記太陽光集光手段に対して固定的に配設されており、前記少なくとも１つの標的構造体が、放射エネルギビームが前記固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する前記少なくとも１つの標的構造体から放射されるように、関連する固定格子周期に配設された複数の第１の同心円状リッジ構造体を含む、メタマテリアル放射器と、
少なくとも１つのＰＶセルが前記少なくとも１つの標的構造体から放射された前記放射エネルギビームを受光するように配置されるように、メタマテリアル放射器に隣接して固定的に配設された少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルであり、前記少なくとも１つのＰＶセルが前記放射エネルギビームを一次電気エネルギに変換する手段を含む、ＰＶセルとを含む、太陽光発電回収システム。
【請求項２】
太陽光集光システムが、箱状筐体の入口開口において１００ｓｕｎよりも大きい強度を有する前記集光された太陽光を生成するように動作可能に配設された複数のミラーを含むヘリオスタットを備える、請求項１に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項３】
前記箱状筐体が全金属製構造体を含む、請求項２に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのＰＶセルの最適波長範囲が０．５ミクロンから３ミクロンであり、
前記少なくとも１つの標的構造体が、前記少なくとも１つの標的構造体のそれぞれの同心円状リッジ構造体を分離する固定格子周期が１０ナノメートルから５ミクロンの範囲であるように構成されている、請求項３に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項５】
ＰＶセルが低バンドギャップのＰＶセルを含み、前記ＰＶセルの最適波長範囲が１．０ミクロンから２．０ミクロンであり、
前記少なくとも１つの標的構造体が、固定格子周期が０．５ミクロンから３ミクロンの範囲であるように構成されている、請求項３に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項６】
前記メタマテリアル放射器が、前記周壁においてセットに配設された複数の標的構造体を含み、各前記セットが、第１の固定格子周期を有する同心円状リッジ構造体の第１のグループを含む第１の標的構造体と、第２の固定格子周期を有する同心円状リッジ構造体の第２のグループを含む第２の標的構造体とを含み、
第２の固定格子周期が第１の固定格子周期よりも大きい、請求項１に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項７】
前記１つ以上の標的構造体が、前記ベース基板に配設された第１の標的構造体及び第２の標的構造体を含み、前記第１の標的構造体が、同心円状リッジ構造体の第１のグループを含み、前記第２の標的構造体が、同心円状リッジ構造体の第２のグループを含み、
第１及び第２の標的構造体が、第１のグループの円形リッジ構造体の少なくとも一部が第２のグループの円形リッジ構造の少なくとも一部と交差するように多重化される、請求項１に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項８】
前記第１の標的構造体の同心円状リッジ構造体の前記第１のグループが第１の固定格子周期を有し、前記第２の標的構造体の同心円状リッジ構造体の前記第２のグループが第２の固定格子周期を有し、
第２の固定格子周期が第１の固定格子周期よりも大きい、請求項７に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項９】
箱状筐体の周壁が、内部空洞に面した第１及び第２の内向き表面をそれぞれ有し且つ内部空洞に背を向けた第１及び第２の外向き表面をそれぞれ有する離隔された第１の壁部及び第２の壁部を含み、
少なくとも１つの標的構造体が、少なくとも１つの第１の標的構造体と、少なくとも１つの第２の標的構造体とを含み、前記少なくとも１つの第１の標的構造体が、メタマテリアル放射器が１０００°Ｋ超の温度まで加熱された場合に、第１の放射エネルギビーム１が前記第１の固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する前記少なくとも１つの標的構造体から放射されるように、第１の壁部の第１の外向き表面に配設され、関連する第１の固定格子周期に配設された複数の第１の同心円状リッジ構造体を含み、前記少なくとも１つの第２の標的構造体が、メタマテリアル放射器が１０００°Ｋ超の温度まで加熱された場合に、第２の放射エネルギビームが前記第２の固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する前記少なくとも１つの第２の標的構造体から放射されるように、第２の壁部の第２の外向き表面に配設され、関連する第２の固定格子周期に配設された複数の第２の同心円状リッジ構造体を含み、
前記少なくとも１つのＰＶセルが、前記第１のＰＶセルが前記少なくとも１つの第１の標的構造体から放射された前記第１の放射エネルギビームを受光するように且つ前記第２のＰＶセルが前記少なくとも１つの第２の標的構造体から放射された前記第２の放射エネルギビームを受光するように配置されるように、メタマテリアル放射器に隣接して固定的に配設された第１及び第２のＰＶセルを含む、請求項２に記載の太陽光発電回収システム。
【請求項１０】
太陽光ＴＰＶ変換器がタワー上に配設されており、
太陽光集光システムが、グラウンドレベルに配設され且つ日照時間中に箱状筐体の入口開口を介して太陽光を反射するように制御されるミラーのアレイを含むヘリオスタットを備える、請求項２に記載の太陽光発電回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギを電力に変換する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光起電（ＴＰＶ）エネルギ変換は、熱の電気への変換を含み、１９６０年代以来、有望な技術として識別されている。基本ＴＰＶシステムは、熱放射器及び光起電ダイオード受信器を含む。熱放射器は、典型的には、高温（すなわち、典型的には約１２００°Ｋから約１５００°Ｋの範囲）に加熱されたときに熱放射を生成する固体材料片又は特別設計された構造である。熱放射は、熱放射器材料中の電荷の熱運動に起因した光子の自然放射（発光）である。通常のＴＰＶシステムの動作温度について、放射される光子は、ほとんど近赤外及び赤外線の周波数におけるものである。光起電ダイオード受信器は、これらの放射光子の一部を吸収するように配置された光起電（ＰＶ）セルを含み、典型的には従来の太陽電池に関連した様式で吸収された光子を自由電荷キャリア（すなわち、電気）に変換するように構成されている。実際には、太陽エネルギシステムは、太陽が熱放射器として機能する場合にはＴＰＶエネルギ変換システムの一種である。しかしながら、本発明は、熱放射器が（例えば、集光された太陽光又は他の熱発生装置によって）外部源から加熱される固体構造体である「地球結合」ＴＰＶエネルギ変換システムを対象としている。
【０００３】
ＴＰＶエネルギ変換は、理論的には有望であるが、実用的な従来のＴＰＶシステムは、理論的には予測よりもはるかに低い効率しか達成していない。ＴＰＶシステムは、熱体（すなわち、加熱された熱放射器）が黒体温度ＴＢＢを有する黒体放射源として記載された熱機関としてモデル化されることができ、比較的低温のＰＶ受信器は温度ＴＰＶを有し、それにより、理論的な熱力学的効率の限界は、カルノーサイクルηＣａｒｎｏｔ＝（ＴＢＢ−ＴＰＶ）／ＴＢＢによって与えられる。１５００°Ｋに等しい熱放射器温度ＴＢＢ及び３００°Ｋに等しいＰＶ受信器温度ＴＰＶについて、理論効率ηＣａｒｎｏｔは、ショックレー・クワイサーの限界（すなわち、電力を収集するためにｐ−ｎ接合を使用した太陽電池の理論上の最大効率）を超える０．８（８０％）に等しい。しかしながら、実際には、従来のＴＰＶシステムの効率は、１０％以下であることが報告されている。これは、熱放射器及びＰＶセルのスペクトル間の不整合から生じると考えられている。
【０００４】
従来のＴＰＶシステムの低い実現効率の理由の１つは、放出された光子とＰＶセルとの間の不整合によって生じる高温でのキャリアの熱化に関連している。ＴＰＶシステムの熱放出器（熱体）からの熱放射は、プランクの法則によって与えられるスペクトルパワー密度を有し、ピーク波長λｍａｘは、ウィーンの法則（λｍａｘ〜（２８９８／ＴＢＢ）μｍ）によって与えられる。高温の放射器（１１００°Ｋ≦ＴＢＢ≦１５００°Ｋ）について、ピーク波長λｍａｘは、低バンドギャップ半導体（すなわち、約０．５〜０．８ｅＶ）を有するＰＶセルを利用するためにＴＰＶシステムを必要とする１．９から２．６μｍの範囲である。そのような低バンドギャップのＰＶセルを使用することは、合理的な放射器タ温度（すなわち、１１００〜１５００°Ｋ）において帯域内光子の大きな部分を得るために、０．５ｅＶ（〜２．５μｍ）に近いバンドギャップを有する放射器材料の使用を必要とする。０．５ｅＶ以下のバンドギャップを有する放射器材料が使用された場合には、ＰＶセルの性能は、ＴＰＶシステムにおいて必要とされる高温で高いキャリア熱化をこうむる。
【０００５】
必要とされているものは、４２％以上の効率で太陽エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電回収システムである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、新規な太陽熱光起電（ＴＰＶ）変換器及び蓄熱システムに対して太陽エネルギ（すなわち、集光した太陽光）を提供するために太陽光集光システム（例えば、ヘリオスタット）を利用する高効率の太陽光発電システムを対象としている。新規な太陽ＴＰＶ変換器は、高い動作温度（すなわち、１４００°Ｋよりも大きい）において２５％超の効率で太陽エネルギを一次電気エネルギに変換するために、関連する低バンドギャップの光起電（ＰＶ）セルの最適変換スペクトルと一致するスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を利用する。蓄熱システムは、ＴＰＶ変換器から未使用の熱エネルギ（すなわち、それによって変換されていない太陽エネルギ）を捕捉して（及び必要に応じて蓄積して）未使用の熱エネルギを二次電気エネルギに変換するためにメタマテリアル放射器に動作可能に結合される。新規な太陽ＴＰＶ変換器及び蓄熱システムを組み合わせることにより、本発明は、既存の従来の太陽光発電システムに比べて劇的な改善を表す４２％以上の効率でシステム全体の電力を生成することができる太陽光発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様によれば、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は、周壁によって囲まれた内部空洞を有する箱状筐体と、周壁の外向き表面に配設された少なくとも１つの新規な標的構造体とを含む。箱状筐体は、集光された太陽光が入口開口を介して内部空洞内に導かれ、それにより、箱状筐体は、適切な動作温度（すなわち、１０００°Ｋ超）まで加熱されるように、太陽光集光システム（例えば、地上のヘリオスタットより上方のタワー）に対して固定的に配設されて動作可能に配置されている。新規な標的構造体は、固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する高指向性で狭スペクトル幅の放射エネルギビームを放射する関連する固定格子周期に配設された同心円状リッジ構造体を含む。すなわち、メタマテリアル熱放射器は、固定格子周期を調整することによって選択的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」であるスペクトル応答を有する狭帯域フィルタ素子として効果的に機能する。ＰＶセルは、放射エネルギビームを受けるように配置され、それらの最適放射吸収／変換波長（吸収曲線）が放射エネルギビームのピーク放射波長に対応する（すなわち、等しいか又は重複する）という点で、メタマテリアル放射器に「整合」している。スペクトル選択的なメタマテリアル放射器を使用してＰＶセルのスペクトルを最適に「整合させる」ことにより、本発明の太陽光発電システムは、従来のシステムを使用して可能であるよりもはるかに高い効率で一次電気エネルギを生成することができる。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、太陽光集光システムは、日照時間中に最適な動作温度（すなわち、１０００°Ｋから１５００°Ｋの間）までメタマテリアル放射器を加熱するために箱状筐体の入口開口において十分な強度（例えば、１００ｓｕｎよりも大きい）を有する集光された太陽光を生成するように動作可能に配設された複数の光学素子（例えば、レンズ及び／又はミラー）を含む。さらに、全体のメタマテリアル熱放射器（すなわち、箱状筐体及び「標的」構造体の双方）は、全金属製構造体として実装される（すなわち、１つ以上の金属又は金属合金を使用して全体が形成される）。この全金属製構造体は、（１つ以上の誘電体が使用されるときに生じ得る）剥離がなく高い動作温度（すなわち、１０００°Ｋから１５００°Ｋ）に耐えるために、また、金属の表面は、高指向性で狭帯域の放射エネルギの効率的な放射を容易とするために必要とされて所望のピーク放射波長を有する表面プラズモン又はスプーフィング表面プラズモンを支持することから重要である。具体的な実施形態において、箱状筐体及び「標的」構造体は、双方とも、これらの金属が溶融又は変形することなくより高い動作温度（すなわち、１５００°Ｋに接近する）に耐えることができることから、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）を使用して全体が形成される。現在好ましい実施形態において、箱状筐体及び「標的」構造体は、双方とも、高温に耐えるためのこの金属／合金の能力が高性能ジェット及びロケットエンジンにおけるそれらの使用から周知であることから、レニウム又はレニウム合金を使用して全体が形成される。
【０００９】
ほとんどのＰＶセルに関連する帯域内光子は、０．５ミクロンから３ミクロンの範囲にあることから、これは、標的構造体が１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の固定格子周期を使用して製造されることを意味する。現在好ましい実施形態において、メタマテリアル放射器は、１．０から２．０ミクロンのセル固有の最適波長範囲を有する選択された低バンドギャップ（例えば、ＧａＳｂ）のＰＶセルの固有の吸収曲線を一致させるために、０．５ミクロンから３．０ミクロン（例えば、１．５ミクロン）の範囲の格子周期を有する標的構造体を有して製造される。
【００１０】
本発明の特定の実施形態によれば、メタマテリアル熱放射器は、広いスペクトル帯域幅の放射エネルギビームを生成し、それゆえに関連するＰＶセルによって効率的に電気に変換される帯域内光子数を増加させるために、箱状筐体の周壁のアレイに配設された複数の標的構造体を含むように構成されている。具体的な実施形態において、標的構造体は、そのセットの他の標的構造体の固定格子周期とは異なる隣接する同心円状リッジ間に対応する固定格子周期を有する各セットの各標的構造体を有する２つ以上のセットに配設されている。例示的な実施形態において、関連するＰＶセルは、約１．５ミクロンの最適波長範囲を有する低バンドギャップのＰＶセルであり、各セットは、１．３ミクロン、１．５ミクロン及び１．７ミクロンにそれぞれ等しい対応する固定格子周期を有して形成された同心円状リッジをそれぞれ有する３つの標的構造体を含む。各セットの異なる標的構造体は、異なる格子周期によって判定された様々な波長を有する光子の混合を生成し、それにより、関連するＰＶセルによる変換のために帯域内光子数を増加させる、関連するＰＶセルの最適波長範囲と重複する広帯域の放射スペクトルを生成する。
【００１１】
他の具体的な実施形態において、ＴＰＶ変換器のメタマテリアル熱放射器は、多重化（重複）パターンで配置された標的構造体のアレイを含むように構成されている（すなわち、各標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部が隣接する標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部に交差することにより、ＰＶセルの出力密度を増加させるように放射された放射エネルギを集中させるように）。さらに、上述したように、異なる固定格子周期を有するセットにおける標的構造体を配設することにより、メタマテリアル熱放射器は、例えば、使用可能なより広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成し、ターゲットＰＶセルによって変換される帯域内光子数を最大化するために、隣接する狭帯域スペクトルを集中して組み合わせることにより、ＰＶセルの出力密度を最大化する。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態によれば、ＴＰＶ変換器のメタマテリアル放射器は、周壁の少なくとも２つの外向き表面に上述したように配設された１つ以上の標的構造体を有する周壁によって形成された箱状筐体を含み（すなわち、少なくとも２つの放射エネルギビームがメタマテリアル放射器から少なくとも２つの方向（例えば、上方及び下方）に放射されるように）、ＴＰＶ変換器は、さらに、少なくとも２つの放射エネルギビームを受光するように配置された少なくとも２つのＰＶセルを含む。放射器の箱状筐体の周壁は、実質的に矩形の内部空洞を囲み、熱エネルギ（例えば、集光した太陽光）が動作中に空洞内に供給される入口開口と、廃熱が空洞から出るのを可能とする出口開口とを含む。各標的構造体は、放射エネルギビームを受光するように配置された関連するＰＶセルに一致する放射エネルギビームを生成するように構成されている。この構成は、平坦／平面壁面が標的構造体の費用対効果の高い製造（すなわち、既存のフォトリソグラフィ製造技術の使用）を容易とすることから、最適なエネルギビームの生成を提供し、２つの対向する平坦周壁部間に画定された矩形状の内部空洞は、（例えば、内部空洞に沿って伝播するときに、集光された太陽光が対向する内面間において反射するのを可能とすることによって）熱エネルギの効率的な輸送を容易とする。１つの実施形態において、箱状筐体は、必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を生成するのを容易とするために且つ筐体の動作寿命を拡大するために、耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）から全体が形成されている。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、太陽光タワー発電回収システムは、タワー上にメタマテリアル放射器を搭載することによって実装され、上昇したメタマテリアル放射器上に太陽光線を反射するために複数のミラーを含むヘリオスタット（太陽光集光システム）を利用する。ヘリオスタットは、グラウンドレベルに配設され、太陽光が日照時間中に毎回上昇したメタマテリアル放射器上に反射されるように、太陽の方位角及び仰角を追跡する方法で制御される（例えば、回転及び傾斜される）ミラーのアレイを含む。さらに他の具体的な実施形態において、箱状筐体は、対向する周壁部の前端部にそれぞれ一体的に接続された複合放物面トラフ構造体を含み、複合放物面トラフ構造体は、関連するＰＶセルへの放射エネルギビームにおける放射される放射エネルギの量を順次最大化する周壁部への熱エネルギの伝達を最大化する方法で、太陽エネルギを内部空洞内に導くように構成されている。さらに、周壁部の後端部にそれぞれ一体的に接続された対応する金属構造体によって漏斗状の出口開口が形成される。具体的な実施形態において、箱状筐体は、内部空洞内への太陽エネルギの伝達を容易とし、また、内部空洞から漏斗状の出口開口を介して火力発電システムへと未変換の熱エネルギを移動させる対流空気流を自然に生じさせるために、（すなわち、出口開口が入口開口よりも高いように）所定の傾斜角度で維持される。他の具体的な実施形態において、溶融塩ベースの蓄熱システムは、内部空洞から渡された未変換の熱エネルギを蓄積するレシーバを含む箱状筐体の漏斗状の出口に動作可能に連結されており、対応する機構（例えば、ボイラー、タービン、発電機及び蒸気凝縮器）は、レシーバに接続され、蓄積された熱エネルギを前記二次電力に変換するように機能する。上述した様々な追加的な特徴は、効率をさらに最大化するために太陽光タワー発電回収システムにおいて利用される（例えば、多重化された標的構造体を利用し、全屈折金属製箱状構造を利用し、関連するＰＶセルの最適変換周波数に標的構造体の固定格子周期を一致させる）。
【００１４】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる簡略化された太陽光発電回収システムを示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態にかかる太陽光発電回収システムによって利用されるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３（Ａ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ａ−３Ａに沿った側断面図である。
【図３Ｂ】図３（Ｂ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｂ−３Ｂに沿った側断面図である。
【図３Ｃ】図３（Ｃ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｃ−３Ｃに沿った側断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態にかかる太陽光発電回収システムによって利用されるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施形態にかかる太陽光発電回収システムによって利用されるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施形態にかかる太陽光タワー発電回収システムを示す図である。
【図７Ａ】図７（Ａ）は、図６の太陽光タワー発電回収システムにおいて利用されるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図７Ｂ】図７（Ｂ）は、図６の太陽光タワー発電回収システムにおいて利用されるＴＰＶ変換器を示す側断面図である。
【図８】図８は、本発明の第６の実施形態にかかる部分的な太陽光発電回収システムを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、ＴＰＶ変換器を利用する改善された太陽光発電回収システムに関する。以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供されるように本発明を作製して使用するのを可能とするために提示される。本願明細書において使用される場合、「上側（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「下方（ｄｏｗｎｗａｒｄ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」及び「後（ｒｅａｒ）」などの方向を示す用語は、説明の目的のために相対的な位置を提供することを目的としており、基準の絶対的なフレームを指定することを目的とするものではない。さらに、表現「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｆｏｒｍｅｄ）」及び「一体的に接続された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、単一の製造又は機械加工された構造の２つの部分間の接続関係を記載するように本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動関節によって接合される２つの別個の構造を示す（修飾語「一体的に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」を有しない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好ましい実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義された一般的原理は、他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、図示及び説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１７】
図１は、太陽光集光システム３１０と、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００及び関連するＰＶセル２１０を含むＴＰＶ変換器２００と、従来のアプローチを使用して可能であるよりもはるかに高い効率で電気エネルギＥＥ−ＴＯＴＡＬを生成するように結合する火力発電システム３２０とを含む本発明の簡略化された太陽光発電回収システム３００を示している。太陽光集光システム３１０は、集光された太陽光（太陽エネルギ）ＥＳをＴＰＶ変換器２００に提供するための以下に詳述する１つ以上の光学系を利用する。ＴＰＶ変換器２００は、従来のＴＰＶ変換アプローチによって達成されるよりも大幅に高く且つ以下に詳述する所定の動作条件のもとで２５％以上に達することができる効率で太陽エネルギＥＳを一次電気エネルギＥＥ１に変換するためにスペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００及び関連するＰＶセル２１０を利用する。火力発電システム３２０は、残留熱エネルギＥＷ（すなわち、「廃」熱の形態の未変換の太陽エネルギ）を二次電気エネルギＥＥ２に変換することにより、システム全体の効率を高める。高効率の火力発電システム３２０と高効率のＴＰＶ変換器２００を組み合わせることにより、太陽光発電回収システム３００は、４２％以上の効率で全電気エネルギＥＥ−ＴＯＴＡＬ（すなわち、一次電気エネルギＥＥ１及び二次電気エネルギＥＥ２の組み合わせ）を生成する。
【００１８】
太陽光発電回収システム３００の様々な要素がさらに詳細にここで記載される。
【００１９】
図１の左下隅を参照すると、太陽光集光システム３１０は、ＴＰＶ変換器２００が百（１００）ｓｕｎよりも大きい強度を有する集光された太陽光（太陽エネルギ）ＥＳを受光するように、集光された太陽光（太陽エネルギ）ＥＳを生成するために１つ以上の光学素子３１１を利用する。簡略化するために、太陽光ビームＳＬをＴＰＶ変換器２００上にフォーカスしてリダイレクトするレンズによって光学素子３１１が図１に示されている。現在好ましい実施形態において、太陽光集光システム３１０は、反射された太陽光がＴＰＶ変換器２００に向けられるように太陽の位置を追跡するために公知の技術を使用して制御される平面ミラー（光学素子）を含む地上のヘリオスタットである。他の可能な実施形態において、光学素子３１１は、集光されたＥＳを生成するために他の平面ミラー構造又は曲面ミラーを含むことができる。
【００２０】
（図１の中央に位置する）ＴＰＶ変換器２００を参照すると、メタマテリアル放射器１００は、後述するように放射エネルギビームＥＲを生成する少なくとも１つの標的構造体１２０が形成された箱状筐体１１０を含み、関連するＰＶセル２１０は、放射エネルギビームＥＲを受光するようにメタマテリアル放射器１００に隣接して固定的に配設されている。
【００２１】
箱状筐体１１０は、動作中において、集光された太陽光ＥＳが入口開口１１５に向けられ、それゆえに内部空洞１１４内に供給されるように、入口開口１１５を有する内部空洞１１４を画定する（囲む）周壁１１１を含み、太陽光集光システム３１０に対して固定的に配設されている。周壁１１１は、周壁部１１１−１及び１１１−２が対向して離隔された（例えば、平行な）関係で配設され、それにより、実質的に矩形状の内部空間１１４が壁部１１１−１及び１１１−２の間に画定されるように、各側壁部１１１−３及び１１１−４によって接続された上側（第１の）周壁部１１１−１及び下側（第２の）周壁部１１１−２を含む。周壁部１１１−１及び１１１−２は、それぞれ、内部空間１１４Ｃに面した内向き表面部１１２−１及び１１２−２と、内部空間１１４に背を向けた外向き表面１１３−１及び１１３−２とを含む（すなわち、箱状筐体１１０からそれぞれ上方及び下方）。周壁部１１１−１及び１１１−２はまた、箱状筐体１１０の入口端部１１０−１と出口端部１１０−２との間に延在しており、入口開口１１５は、周壁部１１１−１及び１１１−２の各前端部１１１−１Ｆ及び１１１−２Ｆの間に画定され、出口開口１１６は、周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各後端部１１１−１Ｒ及び１１１−２Ｒの間に画定されている。フォトリソグラフィを使用した標的構造体１２０の製造を容易とするために、上側壁部１１１−１は、下側（第１の）表面１１２−１及び対向する上側（第２の）表面１１３−１が平行な平坦表面であるように形成された平坦な固体（プレート状）基板である。さらに、以下に記載する理由のために、ベース基板１１１は、好ましくは、金属から全体が構成され、より好ましくは、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金（例えば、レニウム合金）を使用して全体が構成されている。例示的で実用的な例示的実施形態（例えば、ＴＰＶシステム２００の一部として使用される場合）において、ベース基板１１１−１は、（後述する）放射された放射エネルギＥＲの波長超のオーダの厚さＴを有するが、この制約外の任意の厚さを有してもよい。
【００２２】
箱状筐体１１０の上側部を参照すると、標的構造体１２０は、上側壁部（ベース基板）１１１−１の上側表面１１３−１上に一体的に形成され且つ上側壁部１１１−１（によってではなく）内に延在する介在円形溝１２２−１、１２２−２及び１２２−３によってそれぞれ分離された同心円状リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３を含む。特に、円形リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３は、上側壁部１１１−１と同じ材料から形成されているか（例えば、エッチングなどの減法プロセスを利用することによって）、又は、ベース基板材料に追加された材料を効果的に混合（溶解）するスパッタリングなどの加法プロセスによって形成されている。同心リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３は、リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期（ピッチ間隔）Λによって分離されるように形成されている。例えば、リッジ構造体１２１−１及び１２１−２は、リッジ構造体１２１−１の外側端縁とリッジ構造体１２１−２の外側端縁との間の距離が格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−１によって分離されている。同様に、リッジ構造体１２１−２及び１２１−３は、リッジ構造体１２１−２の外側端縁とリッジ構造体１２１−３の外側端縁との間の距離がリッジ構造体１２１−１及び１２１−２を分離するのと同じ格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−２によって分離されている。
【００２３】
本発明の態様によれば、標的構造体１２０は、太陽エネルギＥＳが１０００°Ｋ超の温度まで箱状筐体１１０を加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲが固定格子周期Λにほぼ等しい（すなわち、２５％以内の）ピーク放射波長λｐｅａｋを有する上側表面１１３−１から放射されるように構成されている。本発明の他の態様によれば、標的構造体１２０は、放射された放射エネルギビームＥＲが、高指向性で（すなわち、放射された放射エネルギの９０％は、平坦な外向き表面１１３に対して垂直の０．５°以内である（角度θ））、狭帯域であり（すなわち、放射された放射エネルギの半値における全幅は、ピーク放射波長λｐｅａｋの１０％以内である）、同心円状リッジ構造体の各隣接対を分離する固定格子周期Λにほぼ等しいピーク放射波長λｐｅａｋを有する（すなわち、ピーク放射波長は、格子周期Λの２５％以内である）ように構成されている。したがって、メタマテリアル放射器１００は、同心円状リッジ構造体１２１−１から１２１−３を分離する固定格子周期Λを調整することによって選択的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」（調整可能（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ））である。
【００２４】
本発明の態様によれば、ＰＶセル２１０は、放射エネルギビームＥＲがＰＶセル２１０上に向けられ、それにより、ＰＶセル２１０が公知の光起電技術を使用して放射エネルギＥＲを一次電気エネルギＥＥ１に変換するように、メタマテリアル放射器１００に隣接して固定的に配設されている。本発明の実施形態によれば、標的構造体１２０は、ＰＶセル２１０の最適変換スペクトルに一致する放射波長を有する放射エネルギビームＥＲを生成するように構成されている。すなわち、標的構造体１２０は、ほとんど全ての大きさの格子周期を含むことができるものの、リッジ構造体１２１−１から１２１−３は、通常、商業的に利用可能なほとんどのＰＶセルの吸収曲線に対応する１０ナノメートルから５．０ミクロンの範囲（すなわち、０．５ミクロンから３ミクロンの範囲）の格子周期Λを有する。特に好ましい実施形態（例えば、ＰＶセル２１０が１．０ミクロンから２．０ミクロンである前記ＰＶセルの最適波長範囲を有するＧａＳｂのＰＶセルである場合）において、放射器１００は、０．５ミクロンから３．０ミクロンの範囲の格子周期Λを有して生成される。当該技術分野において知られているように、ＰＶセル２１０は、「帯域外」光子（すなわち、最適変換スペクトル外のエネルギを有する光子）よりも高効率で「帯域内」光子（すなわち、ＰＶセル２１０の特定の最適変換スペクトル内のエネルギを有する光子）を変換する。ＴＰＶ変換器２００の効率を改善するために、標的構造体１２０は、ＰＶセル２１０の最適吸収スペクトル内である「帯域内」光子の波長にほぼ等しい少なくとも１つの固定格子周期Λを有する標的構造体１２０を形成することによってＰＶセル２１０のＥＱＥ曲線に「一致する」よう構成される。したがって、メタマテリアル放射器１００が１０００°Ｋ超の温度まで加熱された場合、標的構造体１２０は、ＰＶセル２１０の最適変換スペクトル内のピーク放射波長λｐｅａｋを有する放射エネルギビームＥＲを生成し、それにより、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００は、放射エネルギビームＥＲを形成する高い割合の光子がＰＶセル２１０によって吸収可能／変換可能である意味において関連するＰＶセル２１０に「一致」する。さらに、メタマテリアル放射器１００が１４００°Ｋ超の温度まで加熱された場合、ＴＰＶ変換器２００の全体効率は、２５％以上まで増加する。
【００２５】
図１の右側を参照すると、出口開口１１６を介して箱状筐体１１０の内部空間１１４から渡された未変換の熱エネルギ（「廃」熱エネルギ）ＥＷを受けるように火力発電システム３２０が配置されており、熱エネルギＥＷを二次電力ＥＥ２に変換する適切な機構を含む。一般化された例示的な実施形態において、火力発電システム３２０は、熱エネルギＥＷを蒸気に変換する熱交換器と、公知の技術にしたがって蒸気を二次電力ＥＥ２に変換する発電機とを利用する。好ましい実施形態において、火力発電システム３２０は、高効率の火力発電システムを使用して（例えば、溶融塩ループレシーバを使用して）実装される。適切な高効率の火力発電システム３２０とＴＰＶ変換器２００を組み合わせることにより、太陽光発電回収システム３００の全体効率は、４２％以上に達する。
【００２６】
代替の実施形態によれば、ＴＰＶ変換器２００の性能は、図２から図５を参照しながら後述する具体的な実施形態において提示される１つ以上の特徴を使用して拡張される。
【００２７】
図２は、上述したものと同様にしてベース基板１１１Ａの「ターゲットに面した」表面１１３Ａに形成された複数の標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３及び１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を有するメタマテリアル放射器１００Ａを含む部分的なＴＰＶ変換器２００Ａを示す簡略化された斜視図である。図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、図２の切断線３Ａ−３Ａ、３Ｂ−３Ｂ及び３Ｃ−３Ｃに沿った断面図である。
【００２８】
メタマテリアル放射器１００Ａは、３つのセットに配置された複数の標的構造体を利用し、各セットの各標的構造体は、メタマテリアル放射器１００Ａによって放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬを効果的に広くするために異なる固定格子周期を有することを特徴としている。図２を参照すると、複数の標的構造体は、２つのセット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２に配置されており、各セットは、３つの標的構造体を含む（すなわち、セット１２０Ａ−１は、標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３を含み、セット１２０Ａ−２は、標的構造体１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を含む）。各セット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２は、格子周期Λ１を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ２を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ３を有する１つの標的構造体とを含む。具体的には、図３（Ａ）に示されているように、セット１２０Ａ−１は、固定格子周期Λ１で離隔された同心円状リッジ構造体を有する構造体１２０Ａ−１１を含む（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１１１と１２１Ａ−１１２との間の距離が格子周期Λ１に等しい）。図３（Ａ）はまた、隣接する構造体１２１Ａ−１１１及び１２１Ａ−１１２によって示されたのと同様の方法で形成された固定格子周期Λ１を有するリッジ構造体を含むセット１２０Ａ−２の標的構造体２１０Ａ−２２を表している。同様に、図３（Ｂ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１２及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２２が、双方とも、格子周期Λ２を有する旨を示しており（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１２１及び１２１Ａ−１２２によって示されるように、格子周期Λ２によって分離される）、図３（Ｃ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１３及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２３が、双方とも、格子周期Λ３を有する旨を示している（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１３１及び１２１Ａ−１３２によって示されるように、格子周期Λ３によって分離される）。
【００２９】
３つの異なる格子周期によってメタマテリアル放射器１００Ａを形成することの利点は、このアプローチがメタマテリアル放射器１００Ａによって関連するＰＶセル２１０Ａに放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを選択的に広くするために使用可能であるということである。すなわち、特定の標的構造体によって生成された放射エネルギがその固定格子周期に関連していることから、３つの異なる格子周期Λ１、Λ２及びΛ３を利用することにより、広げられた全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬが（図２に示される）放射器１００Ａによって生成される。例えば、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きく、固定格子周期Λ２が固定格子周期Λ１よりも大きいと仮定する。図３（Ａ）から図３（Ｃ）に示されるように、これらの異なる格子周期は、異なるピーク放射波長を有するように要素放射エネルギビームを生成する。すなわち、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きいことから、標的構造体１２０−１３及び１２０−２３から放射される要素放射エネルギビームＥＲ３は、標的構造体１２０−１２及び１２０−２２によって生成される放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２よりも大きいピーク放射波長λｐｅａｋ３を有する。同様に、放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２は、標的構造体１２０−１１及び１２０−２１によって生成される放射エネルギビームＥＲ１のピーク放射波長λｐｅａｋ１よりも大きい。再度図２を参照すると、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬは、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の組み合わせであり、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の隣接する狭帯域スペクトルを組み合わせる効果は、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを広くすることである。このアプローチは、例えば、関連するＰＶセル２１０Ａに対してより多くの帯域内光子を提供するために使用可能であり、その結果、ＴＰＶ変換器２００Ａの出力密度を増加させる。
【００３０】
図２及び図３（Ａ）から図３（Ｃ）を参照して上述したアプローチは、全放射エネルギビームの全体スペクトルを選択的に広げるために、任意数の固定格子周期に拡張可能である。すなわち、本アプローチが３つの異なる格子周期を利用する３つのうちの２つのセットに配設された６つの標的構造体を参照しながら説明されているものの、本アプローチは、２つ以上の標的構造体の任意数のセットに配設された任意数の標的構造体に拡張可能であることが理解される。例えば、メタマテリアル放射器は、比較的狭い放射スペクトル又は２つの別個の「ピーク」放射波長を有するスペクトルの放射を容易とするために２つの格子周期のみを含むことができる。あるいは、多数の格子周期の使用は、比較的広い放射スペクトルの放射を容易とする。全ての標的構造体が固有の固定格子周期を有するメタマテリアル放射器を製造することも可能である（すなわち、２つの標的構造体は、同じ格子周期を有しない）。特に断りのない限り、添付された特許請求の範囲は、異なる格子周期の上記組み合わせの全てを包含することを意図している。
【００３１】
図４は、上述したものと同様にベース基板１１１Ｂの「ターゲットに面した」表面１１３Ｂに形成された複数の標的構造体を含むメタマテリアル放射器１００Ｂ及びＰＶセル２１０Ｂを有するＴＰＶ変換器２００Ｂを示す斜視図である。メタマテリアル放射器１００Ｂは、複数の標的構造体が「多重化」（重複）パターンで形成されているという点で（すなわち、標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部が少なくとも１つの隣接する標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部と交差するように）、前の実施形態とは異なる。例えば、図４の左上隅を参照すると、標的構造体１２０Ｂ−１１は、同心円状リッジ構造体１２１Ｂ−１１の第１のグループを含み、隣接する標的構造体１２０Ｂ−１２は、同心円状リッジ構造体１２１−１２の第２のグループを含む。標的構造体１２０Ｂ−１１及び１２０Ｂ−１２は、標的構造１２０Ｂ−１１の円形リッジ構造体１２１Ｂ−１１の少なくとも一部が標的構造体１２０Ｂ−１２の円形リッジ構造体１２１Ｂ−１２の少なくとも一部と交差（重複）する多重化パターンを形成する。この多重化パターンは、例えば、ＰＶセル２１０Ｂに対してより多くの帯域内光子を提供するのに使用可能なメタマテリアル放射器１００Ｂによって放射される放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを集光するのに役立ち、結果としてＴＰＶ変換器２００Ｂの出力密度を増加させる。
【００３２】
本発明の現在好ましい実施形態によれば、多重化パターンに加えて、メタマテリアル放射器１００Ｂはまた、図２を参照して上述した複数の回折格子周期のアプローチを採用するように（すなわち、少なくとも１つの標的構造体が他の標的構造体の固定格子周期とは異なる（例えば、より大きい）固定格子周期を有するように）製造される。一例として、メタマテリアル放射器１００Ｂの様々な多重化された標的構造体は、以下の３つのセットに配置されているように示されている：標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−１２及び１２０Ｂ−１３を含む第１のセット１２０Ｂ−１、標的構造体１２０Ｂ−２１、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−２３を含む第２のセット１２０Ｂ−２、及び、標的構造体１２０Ｂ−３１、１２０Ｂ−３２及び１２０Ｂ−３３を含む第３のセット１２０Ｂ−３。各セットは、共通の第１の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−２１及び１２０Ｂ−３１は、図３（Ａ）を参照して上述した方法で同じ格子周期を使用して製造される）と、第２の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１２、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−３２は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）と、第３の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１３、１２０Ｂ−２３及び１２０Ｂ−３３は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）とを含む。この構造により、メタマテリアル放射器１００Ｂは、ＰＶセル２１０Ｂに供給される帯域内光子数を最大化する広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成することにより、ＰＶセル２１０Ｂの出力密度を最大化するために、隣接する狭帯域スペクトルを集光して組み合わせた全放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを生成する。
【００３３】
図５は、メタマテリアル放射器１００Ｃ及び２つのＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２を含むＴＰＶ変換器２００Ｃを示す斜視図である。この実施形態において、ＴＰＶ変換器２００Ｃの「ベース基板」は、最適な高い動作温度（すなわち、１０００°Ｋから１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする箱状筐体１１０Ｃの一部として形成されている。箱状筐体１１０Ｃは、実質的に矩形の内部空洞１１４Ｃが壁部１１１Ｃ−１と１１１Ｃ−２との間に画定されるように、対向して離間された（すなわち、平行な）関係の各側壁部によって接続された上側（第１の）周壁部１１１Ｃ−１及び下側（第２の）周壁部１１１Ｃ−２を有する周壁部１１１Ｃを含む。周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２は、それぞれ、内部空洞１１４Ｃに面した内向き表面部１１２Ｃ−１及び１１２Ｃ−２と、内部空洞１１４Ｃに背を向けた外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２（すなわち、箱状筐体１１０Ｃからそれぞれ上方及び下方）とを含む。周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２は、入口開口１１５Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各前端部１１１Ｃ−１Ｒ及び１１１Ｃ−２Ｒの間に画定され、出口開口１１６Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各後端部１１１Ｃ−１Ｆ及び１１１Ｃ−２Ｒの間に画定されるように、箱状筐体１１０Ｃの入口端部１１０Ｃ−１と出口端部１１０Ｃ−２との間に延在している。動作中において、「ソース」熱エネルギＥＳは、入口開口１１５Ｃを介して内部空洞１１４Ｃ内に供給され、「廃」熱エネルギは、出口開口１１６Ｃを介して排気される。
【００３４】
メタマテリアル放射器１００Ｃは、外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２上にそれぞれ配設された、上述したように形成された２つの標的構造体１２０Ｃ−１及び１２０Ｃ−２を含む。具体的には、標的構造体１２０Ｃ−１は、上側部周壁部１１１Ｃ−１の上向き表面１１３Ｃ−１上に配設されており、介在円形溝１２２Ｃ−１によって分離され且つ固定格子周期Λ１によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−１を含み、標的構造体１２０Ｃ−２は、下側周壁部１１１Ｃ−２の下向き表面１１３Ｃ−２上に配設されており、介在円形溝１２２Ｃ−２によって分離され且つ固定格子周期Λ２によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−２を含む。１つの具体的な実施形態において、ＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２は、本質的に同一であり（すなわち、同一のスペクトル応答を有する）、そのため、固定格子周期Λ２は、固定格子周期Λ１と同じである。代替の実施形態において、ＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２は、異なるスペクトル応答を有し、そのため、固定格子周期Λ２は、固定格子周期Λ１とは異なる（例えば、より大きいか又はより小さい）。この構成により、熱エネルギＥＳが内部空洞１１４Ｃ内に供給され、１０００°Ｋ超の温度まで周壁１１１Ｃを加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲ１は、ＰＶセル２１０Ｃ−１による電気への変換のために固定格子周期Λ１にほぼ等しいピーク放射波長を有する箱状筐体１１０Ｃから上方に放射される。これと同時に、熱エネルギＥＳは、標的構造体１２０Ｃ−２に固定格子周期Λ２にほぼ等しいピーク放射波長を有する放射エネルギＥＲ２を箱状筐体１１０Ｃから下方に放射させる。
【００３５】
メタマテリアル放射器１００Ｃの箱状筐体の構成は、平坦／平面周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２が（例えば、既存のフォトリソグラフィ製造技術を使用して）標的構造体の費用対効果の高い製造を容易とすることから、また、矩形状の内部空洞１１４Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２によって形成された「ベース基板」上に熱エネルギの効率的な輸送を容易とすることから、最適なエネルギビーム生成を提供する。１つの実施形態において、矩形箱状の構成は、対向する上側及び下側内面１１２Ｃ−１及び１１２Ｃ−２の間において反射する集光された太陽光の形態で熱エネルギの輸送を容易とし、それにより、周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２を加熱し、関連する廃熱が出口開口１１６Ｃを介して内部空洞１１４Ｃから除去されるのを可能とする。さらに、（上述した一般化された実施形態におけるように）ただ１つの代わりに２つのＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２によって電気が生成されることから、この構成は、ＴＰＶ変換器２００Ｃが単一のＰＶセルアプローチに対して増加した発電を提供するのを可能とする。さらに他の実施形態（図示しない）において、このアプローチの要点は、発電を潜在的にさらに増加させるために追加の標的構造体及び（例えば、箱状筐体１１０Ｃの側に沿って又は非矩形状の箱状筐体の複数の表面に沿って配設された）追加のＰＶセルを使用するようにさらに拡張される。
【００３６】
本発明の態様によれば、箱状筐体１１０Ｃは、全金属製の構造体として構成されている（例えば、単一の金属ブロックから、又は、溶接することによって若しくは４つの金属板をともに固定することによって構成されている）。全金属製の構造体は、メタマテリアル放射器１００Ｃの適切な動作寿命にわたって必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする。特定の実施形態において、全金属製の箱状筐体１１０Ｃは、筐体の動作寿命をさらに向上させるために、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金を使用して全体が形成される。
【００３７】
図６は、タワー３０５Ｄ上に配設されたＴＰＶ変換器２００Ｄと、ヘリオスタットタイプの太陽光集光システム３１０Ｄと、従来の蒸気生成タイプの火力発電システム３２０Ｄとの双方を利用する太陽光タワー発電回収システム３００Ｄを示す簡略化された図である。以下にさらに詳細に記載されるＴＰＶ変換器２００Ｄは、タワー３０５Ｄの上部に搭載された箱状筐体１１０Ｄを備え且つ対応する標的構造体１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２を含むメタマテリアル放射器１００Ｄと、一次電気エネルギＥＥ１を生成するために本願明細書において記載されたように機能する対応するＰＶセル２１０Ｄ−１及び２１０Ｄ−２とを含む。ヘリオスタットタイプの太陽光集光システム３１０Ｄは、タワー３０５Ｄの隣に指定された（例えば、１００メートル×１００メートル）領域においてグラウンドレベルに配設されたミラーのアレイ３１１Ｄ（説明のために３つのみが示されている）と、反射された太陽光を箱状筐体１１０Ｄの入口開口１１５Ｄを通すために、公知の技術を使用して日照時間中に太陽の移動を追跡するためにミラー３１１Ｄを制御する制御システム（図示しない）とを含む。火力発電システム３２０Ｄは、第１の導管３２２Ｄによって関連するレシーバ３２３Ｄに接続された一次熱交換ユニット３２１Ｄと、レシーバ／ポンプ３２３Ｄに接続された蒸気生成（二次熱交換）ユニット３２４Ｄと、蒸気生成ユニット３２４Ｄからの蒸気を受けるように導管３２５Ｄによって連結されたタービン３２６Ｄと、蒸気凝縮器３２７Ｄと、二次電気エネルギＥＥ２を生成するためにタービン３２６Ｄによって駆動される発電機３２８Ｄとを含む。熱伝達流体は、箱状筐体１１０Ｄから出る廃熱によって一次熱交換ユニット３２１Ｄにおいて加熱されるように導管３２２Ｄによって循環される。加熱された流体は、必要に応じて、レシーバ３２３Ｄにおいて蓄積され、適切な温度（例えば、５５０）で蒸気を生成するために蒸気生成ユニット３２４Ｄを介して循環される。そして、蒸気は、発電機３２８Ｄを順次駆動するタービン３２６Ｄを駆動するために導管３２５Ｄによって渡される。
【００３８】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、さらに詳細にＴＰＶ変換器２００Ｄのメタマテリアル放射器１００Ｄを示す斜視図及び側断面図である。メタマテリアル放射器１００Ｄは、標的構造体のアレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２が壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の外向き表面１１３Ｄ−１及び１１３Ｄ−２上にそれぞれ形成されるように、箱状筐体１１０Ｄが対向して離間された（例えば、平行な）関係で各側壁部によって接続された対向する上側（第１の）及び下側（第２の）周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２を含む点で、図５を参照して上述したものと同様である。標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２は、上述した様々な構成のいずれかを使用して実装されるが、好ましくは、放射された放射エネルギビームＥＲ１及びＥＲ２において伝送されるエネルギの量を最大化するために図４に示されるような多重化された構成を含む。
【００３９】
メタマテリアル放射器１００Ｄは、箱状筐体１１０Ｄの入口端部に配設された複合放物面トラフ１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図７（Ｂ）に示されるように、複合放物面トラフは、上側周壁部１１１Ｄ−１の前端部１１１Ｄ−１Ｆに一体的に接続された上側（第１の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の前端部１１１Ｄ−２Ｆに一体的に接続された下側（第２の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−２とを含む。図７（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２からＰＶセル２１０Ｄ−１及び２１０Ｄ−２へとそれぞれ放射されるビームＥＲ１及びＥＲ２において放射される放射エネルギの量を順次最大化する、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２への熱エネルギの輸送を最大化する方法で周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の内面１１２Ｄ−２１２及び１１２Ｄ−２２２の間の太陽光が反射するように、入口開口１１５Ｄを介して周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の間の内部空洞１１４Ｄ内に集光された太陽光ＥＳを導くように動作可能に成形される。
【００４０】
メタマテリアル放射器１００Ｄはまた、内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱の放出を制御するのに役立つ箱状筐体１１０Ｄの出口端部に配設された漏斗状の出口１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図７（Ｂ）に示されるように、漏斗状の出口は、上側周壁部１１１Ｄ−１の後端部１１１Ｄ−１Ｒに一体的に接続された上側（第１の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の後端部１１１Ｄ−２Ｒに一体的に接続された下側（第２の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−２とを含む。図７（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２へのエネルギ輸送を最適化する速度で出口開口１１６Ｄを介した内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱エネルギＥＷを導くように動作可能に成形されている。
【００４１】
上記のものと同様の理由で（例えば、熱サイクル応力を最小化するとともに動作寿命を最大化するために）、全金属製の箱状筐体１１０Ｄの全体（すなわち、周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２並びに漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２を含む）は、金属を使用して、より好ましくは単一の耐熱性金属（例えば、レニウム、レニウム合金、タンタル又はタングステン）を使用して構成される。
【００４２】
図７（Ｂ）を参照すると、具体的な実施形態によれば、箱状筐体１１０Ｄは、内部空間１１４Ｄへの太陽光エネルギの伝達を容易とするために、また、内部空洞１１４Ｄから出口開口１１６Ｄを介して火力発電システム３２０Ｄ（図示しない）へと未変換の熱エネルギＥＷを移動させる対流空気流を自然に生じさせるために、グラウンドレベルＧＬに対して傾斜角度αで維持される。特に、箱状筐体１１０Ｄは、出口開口１１６Ｄ及び漏斗状の出口構造体１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２が入口開口１１５Ｄ及び複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２よりも（すなわち、グラウンドレベルからさらに）高いように維持される。
【００４３】
図８は、他の具体的な実施形態にかかる太陽光発電システム３００Ｅの一部を示している。太陽光発電システム３００Ｅは、一次電気エネルギを生成するためにＴＰＶ変換器２００Ｄ（すなわち、上述したメタマテリアル放射器１００Ｄ及び整合するＰＶセル２１０Ｄ−１及び２１０Ｄ−２）を利用する点で、先の実施形態と同様である。太陽光発電システム３００Ｅは、溶融塩が導管３２２Ｄによってレシーバ３２３Ｄと熱交換器３２１Ｄとの間にポンピングされる米国カリフォルニア州のリバーモアにおけるＳａｎｄｉａ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓによって使用されるものなどの溶融塩ループシステムを使用して実装された火力発電システム３２０Ｅを含む点で、先の実施形態とは異なる。熱交換器３２１Ｄは、出口開口１１６Ｄを介して出る廃熱が循環溶融塩に輸送されるように、メタマテリアル放射器１１０Ｄに動作可能に熱的に結合される。溶融塩は、高効率で二次電気エネルギを生成するために、後の使用のために大規模蓄積容器において後で収集されることができる優秀なエネルギ蓄積媒体である。
【００４４】
本発明は、所定の実施形態に関して説明されたが、その全てが本発明の範囲内にあることが意図されている本発明の発明的特徴が他の実施形態に同様に適用可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、図６に示された太陽光タワー発電回収システムは、図２から図５を参照して説明されたアプローチのいずれかにかかる標的構造体アレイを利用するように変更されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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