(57)【要約】本発明は、集光された太陽光の電気への光起電力変換のための発電機である。本発明による発電機は、複数の太陽電池を組み込み、太陽に向けられた大型放物面反射器の焦点付近での動作を目的としている。発電機内では、入射する集光された光は、２次光学部によって、コンパクトな凹面アレイに配設された電池に中継される。光は、高い光起電力変換効率および単位電力出力あたりの低い電池費用に一致して、高集光度で電池に送達される。光は、好ましくは最初に密閉窓を通って発電機に入射し、好ましくは放物面焦点を中心にした完全球レンズまたはボールレンズの形で、対物レンズを通過する。このレンズは、１次反射器の同心で凹面の広角像を形成し、その場合、集光された光の強度は、発電機に入射する集光された光の位置の変化に対して安定させられる。
2011520295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
皿形反射器であって、焦点を有し、前記焦点において太陽放射を集光するように適合される、皿形反射器と、
前記皿形反射器の前記焦点に位置付けられる、実質的に球面のレンズと、
前記球面レンズを越えた光学経路に位置する受光面に位置付けられる、複数の太陽電池であって、前記太陽電池が太陽放射で照射されると、発電するように動作する、太陽電池と
を備えており、
前記皿形反射器は、太陽放射を前記球面レンズに反射させるように動作し、前記球面レンズは、前記太陽放射を前記太陽電池に伝達するように動作し、前記太陽電池は、前記太陽放射が前記皿形反射器および球面レンズによって前記太陽電池に集束されると、発電するように動作する、太陽放射から発電するための装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
気候の変化は、多大な注目を受けている重要な問題として認識されている。化石燃料からのエネルギーの世界的生成の結果として、大量の温室効果ガスが大気中に蓄積している。多くの専門家らは、この蓄積を減速させるか、または無効にするために、すぐに何かが行われなければ、気候および我々が暮らす世界が破滅的結末を被ると考えている。専門家らは、わずか数度の地球の温度の上昇が極氷を融解させ、多くの沿岸都市を水中に沈めるほどの海面の上昇をもたらすと予測している。植物および動物の多くの種の絶滅も、数人の科学者らによって予測されている。エネルギーを生成するために化石燃料を燃やすことによる、これらおよび他の有意な悪影響を考慮すると、有意な温室効果ガスを生成することなく費用効率的な方式でエネルギーを生成することができる、方法および装置の有意な必要性がある。
【０００２】
太陽エネルギーシステムは、化石燃料を燃やすことによって生成される電気に対抗する費用で太陽エネルギーを使用して、電気を生成することができるまで、大気中の温室効果ガスの削減に有意な影響を及ぼす可能性が低い。費用は、太陽エネルギーシステムにとって重要である。実際に、費用は、非常に重要であるので費用だけで成功と失敗との違いを生み出すため、強調し過ぎることはない。太陽光発電による電気が、化石燃料を燃やすことによって生成される電気よりも費用がかかる限り、太陽光電力が大気中の温室効果ガスの削減に有意な影響を及ぼす可能性はほとんどない。低い総システム費用を有し、化石燃料を燃やすことによって生成される電気に対抗する費用で電気を生成することができる、太陽光変換システムのための装置および製造方法の長年にわたる必要性がある。
【０００３】
過去には、太陽電池から直接太陽光電気を生成する取り組みは、特に代替的な発電方法と比較すると、比較的高い資本費用により、完全には満足できるものではなかった。太陽光エネルギーの実用規模の用途は大部分が、電磁発電機を駆動するエンジンの使用を通して電気に変換された熱を提供するように太陽光線が集光された、熱システムを使用してきた。熱システムは、一般的に、集光された太陽光で作動流体を加熱するために大型光反射器を使用してきた。変換効率は、太陽光がトラフ反射器によって１次元で中程度のレベルまでしか集光されないシステムにおいて、比較的低かった。
【０００４】
効率を改善する太陽光集光による配設を含む、多重接合電池による光起電力変換が、太陽光から発電するために使用されてきたが、完全集光光起電システムの費用が高すぎて商業的に競争できなかった。この高費用の基礎的理由として、集光光起電システムを使用したほとんどの以前の試行において、太陽光電力の集光および変換のためのユニットが、典型的に、電池に太陽光を集束させる１つの小型鏡またはレンズによって電力供給される１つの太陽電池から成り、小型であった。小型サイズにおいて、単純かつ受動的に冷却することができ、容易に単一の電池がトラッカーの指向誤差を感じないようにされるため、集光された太陽光を電気に変換するために小型ユニットが好まれたが、製造し、実用規模の電力に必要とされる巨大規模で配備するのが高価であった。集光光起電システムを使用した、そのような以前のデバイスの比較的高い費用により、そのようなデバイスは、ほとんど影響を及ぼさず、年間に生成された全電気のごくわずかの割合しか占めなかった。
【０００５】
単位電力あたり低費用で高電力の集光された太陽光を送達し、化石燃料を燃やすことによる代替的な従来の発電方法に対抗する費用で太陽光から発電することができる、光起電性発電機のシステムの長年にわたる必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（発明の目的および特徴）
単位電力あたり低費用で高電力の集光された太陽光を送達する、大きな太陽光反射器とともに効率的に稼働するように設計される、より高い電力定格の光起電性発電機を提供することによって、過去の制限を克服することが本発明の目標である。それぞれ多くの太陽電池を備える、そのような発電機は、１次反射器の屈曲および誤指向にもかかわらず、全ての太陽電池にわたって光を均等に広めておくために、能動冷却および内部光学部を利用する。
【０００７】
本発明の主な目的は、太陽光エネルギーの光起電力変換を使用する、単位エネルギーあたり低費用で発電を促進することである。本発明の一側面は、太陽に向けられた大型ディッシュ反射器によって、すでに２次元で集光されている太陽光の変換を伴う。本発明は、低費用であるが、典型的には２〜２０ｋＷの範囲である、比較的高い入力電力レベルで送達される、集光された太陽光エネルギーを提供する、装置による動作を目的としている。そのような電力レベルでの変換は、フィン付き構造への熱伝導によって単純に冷却することができるよりも多くの局所廃熱をもたらす。
【０００８】
本発明は、特に、Ｒｏｇｅｒ  Ｐ．  ＡｎｇｅｌおよびＷａｒｒｅｎ  Ｂ．Ｄａｖｉｓｏｎによる「Ｓｏｌａｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅ，Ｃｏ−Ａｘｉａｌ  Ｄｉｓｈ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ」と題された、本願と同時期に出願された出願第１２／４６３，００１号で開示されている、太陽光を強力に集光するための装置に関連して使用するために適合される。本発明で使用される大型ディッシュ反射器は、Ｒｏｇｅｒ  Ｐ．ＡｎｇｅｌおよびＢｌａｉｎ  Ｈ．Ｏｌｂｅｒｔによる「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｌａｒｇｅ  Ｄｉｓｈ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ａ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題された、本願と同時期に出願された出願第１２／４６３，０２６号で開示されている、製造方法を使用して有利に作製されてもよい。これらの発明はともに、各単一焦点に運ばれた太陽光電力が約８ｋＷである時に、集光された太陽光エネルギーの最低費用を提供する。この最小費用は、材料および製造の最低費用のために設計するステップを含む、システム最適化をもたらす。したがって、反射器を支持し、配列し、追跡する機能を統合する鋼鉄構造が使用され、焦点に運ばれる太陽光電力の１キロワットあたりの鋼鉄の最低質量について最適化される。反射器は、１年あたり約７ギガワット（ピーク電気）の発電容量を追加するのに十分である、１年あたり３０平方キロメートルの割合で生産される時の最低費用について特に最適化された製造工程によって作製される、薄いガラスモノリスである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、設計において明確に分離された、太陽光エネルギーを収集し、集光する追加機能とともに、完全システムのエネルギー変換機能のみを果たす、コンパクトな発電機ユニットの中に太陽電池を構成することである。そのような分離を設計することによって、最低資本費用で非常に大規模の生産を提供するように、製造費が各機能について独立して最小限化されてもよい。本発明による発電機ユニットは、大量生産、輸送、および交換を促進するように、かつ発電機が１次反射器の主焦点に位置する場合に封鎖を最小限化するように、小型サイズのパッケージに格納された関連光学、電気、および冷却要素を伴う、太陽電池のシステムを備える。
【００１０】
本発明の別の目的は、高度に集光された光とともに使用される太陽電池によって生成される電力の単位あたりの低い費用を活用することである。したがって、たとえ集光器太陽電池が、標準シリコン太陽電池よりも単位電池面積につき１００倍高価であっても、１０００という非常に高い太陽光集光係数で使用されると、電力出力の単位につき約１０倍の電池費用の削減を達成してもよい。したがって、最大１０００以上の非常に高い太陽光集高度で電池を操作するように適合される、実用的な装置を提供することが本発明の目的である。
【００１１】
集光および太陽の移動の追跡のための所要の費用効率的な装置からの集光された太陽光エネルギーの所与の入力から、可能な限り最大の電力を生成することが、本発明のさらなる目的である。本発明に従って、単位電力出力あたりの電池費用が効果的に削減されると、完全太陽光発電システムの主要な費用は、太陽電池の費用ではなく、完全システムにおける集光および追跡のための装置の費用となる可能性が高い。この費用体制では、本発明に従って使用される多重接合太陽電池によって達成される、約４０％の高い変換効率が特に重要である。達成することができる発電機効率が高いほど、所与の集光器システムによって寄与される電力の単位あたりの費用の割合が低くなる。
【００１２】
本発明の発電機が、低費用の軽構築集光器システムおよび支持構造とともに操作されると、一貫して高い全体変換効率で動作することが可能であるべきことが、さらなる目的である。そのようなシステムは、理想的に中央に集光されず、突風および機械的屈曲の結果として発電機の入射口に対して動き回る場合がある、太陽光を発電機に提供してもよい。したがって、そのような入力の不足にもかかわらず、太陽電池が実質的に平等な電流を個別に生成し、直列に接続されると、一貫して高い出力電力を維持するように、発電機は、実質的に等量の太陽放射で、個々の太陽電池またはグループ分けした電池を提供するものであることが目的である。
【００１３】
本発明の発電機に送達される、集光された光は、変換効率を最大限化するよう、電池上の非感光性母線またはそれらの間の任意の間隙ではなく、太陽電池の光起電性活動領域に方向付けられることが、さらなる目的である。
【００１４】
本発明の追加目的は、低い寿命エネルギーコストのために、高い信頼性の発電機を提供することである。したがって、本発明は、太陽電池内の照射における局所熱点を回避する光学システムを特色とし、熱サイクリングならびに動作温度を最小限化する効率的な冷却を特色とする。
【００１５】
本発明の重要な特徴は、上記の目的を満たすように、発電機内に新規の光学部を組み込むことである。本発明による光学部は、入射光線の不均一性にもかかわらず、かつ誤指向にもかかわらず、太陽電池の多くまたは全てにわたって照射の所望の均一性を提供する。本発明による内部発電機光学部は、発電機に入射する、本質的に全ての集光された太陽光が、太陽電池の活動領域に向かって方向付けられるように構成されてもよい。内部発電機光学部のさらなる特徴は、電池における光の非常に高い集光度にもかかわらず、電池照射の均一性および高いスループットを維持することである。一般に、高い集光度で複数の太陽電池を照射するように構築される、集光システムは、誤指向および屈曲に対して低い許容範囲を有する傾向がある。しかしながら、本発明の発電機は、低費用の送達装置を使用することができるように、誤指向および屈曲に対して比較的高い許容範囲を伴う、集光システムを特色とする。本発明で使用される内部発電機光学部は、全体的なシステム費用を削減する目標とともに、システムに入力エネルギーを供給するために使用される集光システムおよび支持構造に置かれる要件および製造公差を、可能な限り緩和するようにも設計される。内部構造は、どのような反射器サイズおよび形状であろうと、効率的な照射を確保するように、特定の１次反射器とともに使用するために調整することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、好ましくは放物面であり、好ましくはコンパクトな焦点領域に２〜２０ｋＷの太陽光を集光する、曲面コレクタまたは鏡の焦点で動作するために、電気光学発電機が提供される。発電機は、好ましくは、集光された太陽光から電気を生産するように、複数の能動冷却された太陽電池を組み込む。動作中、発電機は、提供されたコレクタまたは鏡の焦点に堅く載置され、この剛体アセンブリは、提供された２軸トラッカーによって太陽に向けられる。本発明に従って構成される、複数の複製発電機は、実用規模の電気生産に良く適している。
【００１７】
本発明によれば、発電機は、好ましくは、他の太陽電池設計と比較すると、比較的高い変換効率を有する、多重接合太陽電池を備える。本発明では、多重接合太陽電池は、単位電力出力あたりの電池費用を強力に削減するために、好ましくは、太陽光レベルの最大１０００倍またはそれ以上の集光度で照射される。
【００１８】
本発明の有意な側面は、集光された太陽光を供給する１次反射器の焦点を中心とする、完全球体またはボールの形の対物レンズの使用である。本発明によるボールレンズは、発電機に入射する不均等で可変の配光にもかかわらず、太陽電池の実質的に均一で安定した照射を提供する。照射の均一性および安定性は、発電機内で直列に電気に接続された多くの太陽電池を採用する、本発明の最も好ましい実施形態にとって再重要視される。この構成では、これらの電池が実質的に同じ太陽光電力入力を受容し、同じ電流出力を送達しなければ、効率が損なわれる。本発明の不均等で可変の入力配光に対する高い許容範囲は、不均等で可変の入力照射を引き起こす、屈曲、風の強打、不整列、および光学製造誤差を受ける、低費用送達装置によって電力供給される時に、太陽光発電機が極めて効率的となることを可能にする。
【００１９】
本発明では、ボールレンズによって提供される安定した照射の領域が、１次コレクタの凹面像において見出される。本発明によって提供されるこの像は、中程度の誤指向があっても発電機に対して移動しないため、照射は、「受光面」と呼ばれる、発電機内に固定され、かつ安定させられた像に対応する凹面の表面で実質的に安定させられる。発電機の中の太陽電池の構成が、発電機に電力供給するために使用される１次コレクタのレンズによって形成される像に整合させられることが望ましい。したがって、本発明による発電機は、好ましくは、コレクタの具体的な形状および焦点比の両方に対して、それとともに使用される１次コレクタに整合させられる。例えば、発電機に光を送達する１次コレクタが正方形である場合、集光された光は、ボールレンズによって表面上に形成された正方形のコレクタの凹面像として、受光面にわたって分布させられる。
【００２０】
本発明における球面レンズが広角度にわたって結像し、したがって、単焦点の１次コレクタとともに使用することができるため、本発明による発電機で使用されるレンズにとって極めて好ましい形状は球体である。加えて、球面レンズには、小口径および単焦点が提供されてもよく、それは、１次反射器の小さい像を作り、高集光度を達成する。球面レンズはまた、低費用で加工することができるため好まれる。太陽のスペクトルにわたって非常に低い吸光度を有するため、低ＯＨ含有量を伴う溶融石英ガラスが、球面またはボールレンズにとって極めて好ましい材料である。実践では、そのような材料のレンズは、高いスループットを達成することができる。太陽のスペクトルにわたる石英の屈折率に基づいて、光が安定させられる像は、典型的な条件（ｆ／０．５放物面による照射）下で、好ましくは、以下の式によって求められる、半径「ｂ」で半径「ａ」のボールレンズと同心状である、ほぼ球面の表面上に位置する。
【００２１】
ｂ〜１．５４６ａ                                                  （１）
本発明のいくつかの実施形態の有意な側面は、「２次反射器」の使用である。これらの実施形態では、電池は、ボールレンズによって提供される、安定させられた光を受光するように、受光面と直接一致して設定されないが、受光面と太陽電池との間に２次反射器を伴って、受光面の後ろに埋め込まれる（またはオフセットされる）。２次反射器の目的は、別個の電池の光起電気性活動領域のみを照射する離散領域の中へ、受光面における集光された太陽光の平滑で連続的な光束を向け直すことである。２次反射器の中へ受光面の所与の領域を通過する光は、直接とともに、受光面から電池の光起電性活動領域の周囲へ下方に延在する、内側に傾斜した鏡面壁からの反射によって、埋め込まれた太陽電池に到達する。２次反射器への入射口は、一式の２次反射器が、受光面の全照射領域で途切れなく張付けられるように構成される。埋め込まれ分離された太陽電池は、受光面の後ろの凹面アレイの中に担持される。本発明の２次反射器の動作は、各２次反射器にわたってボールレンズによって送達される光の垂直に近い入射に依存する。
【００２２】
本発明の２次反射器の機能および動作は両方とも、太陽電池と併せて以前に使用されていた光学ファネルとは明白に異なる。典型的には、そのような光学ファネルの機能は、ファネル入射口における広範囲の入射角度にわたって、不均等であるとともに可変的に分布させられ、広げられた光を均質化することであった。
【００２３】
本発明の２次反射器は、いくつかの利点を提供する。第１の利点は、ボールレンズによって安定させられる入射光の本質的に全てが、内側の複数の平坦な電池の光起電性活動領域に向かって方向付けられるため、太陽光エネルギー入力の効率的な使用である。２次反射器の第２の利点は、電池の単純化された製造である。２次反射器の凹面アレイの後ろに配設された電池は、凹面アレイの中にとどまるが、バイパスダイオードおよび配線の便宜的並列配置のために、離間している。そのような分離された電池を伴う発電機は、好ましくは、それぞれ１つの電池を携行する平坦な受容器アセンブリによって低費用で大量生産され、凹面アレイに適合するために必要とされる形状およびサイズで作製される。このようにして、標準の平坦な太陽電池が、成熟電子機器加工方法によって、かつ最小限の特殊要求で、標準の片側プリント回路上に組み立てられ得る。２次反射器の第３の利点は、冷却剤の強制流動による電池冷却の効率にある。電池の後ろの高熱集積の局所領域を冷却する効率的な流動は、（２次反射器の使用に起因する）これらの領域の間の間隙を排気マニホールドとして使用することによって得られる。したがって、効率的な連結が、より高い変換効率と、冷却ポンプモータを駆動する発電機出力のより少ない寄生損失とをもたらすため、より高い正味出力電力が達成される。
【００２４】
以下の検討事項に基づく所与の放物面反射器に対して、発電機が本発明に従って設計され得る。焦点比ｆ≧０．５を伴う１次反射器とともに使用される、本発明による発電機に対するレイトレーシング計算は、最大において以下のとおりである、光線偏差角度δについて事実上不変のままである、受光面における強度を示す。
【００２５】
【数１】
2011520295.tif 000003
ここで、「Ｆ」は、１次放物面の焦点距離である。実践における光線偏差は、太陽の有限角サイズ（周縁においてδ＝０．００４ラジアン）または製造および指向における誤差等の、多数の原因から生じる。
【００２６】
ボールレンズによって提供される太陽光の集光度は、受光面を横断する場所に依存し、中心から離れて増加する。焦点距離Ｆの放物面による照射について、ボールレンズの中心に内在する角度θの任意の点における半径「ｂ」の球面受光面上の集光度Ｃ１は、以下の式によって求められる。
【００２７】
【数２】
2011520295.tif 000004
ボールレンズの設計および性質の例として、ｆ／０．５の円形１次反射器、すなわち、「Ｄ」が反射器の直径である、０．５Ｄに等しい焦点距離の１次反射器とともに稼働するように設計された、発電機を考慮されたい。球面受光面の縁において、縁角度θｅ＝５３．１°であり、集光度Ｃ１は、式（３）より、中心における（θ＝０）よりも１．５６高い係数である。１次反射器からの複合光線偏差が±１°（±０．０１７ラジアン）と同じくらい高いことが予期される場合には、発電機は、好ましくは、式（２）より、半径ａ＝０．０３５Ｆのシリカボールレンズを組み込む。式（１）からのｂ＝１．５４６ａ、およびＤ＝２Ｆ考慮すると、Ｆ／ｂ＝１８．５という結果となる。θ＝０である受光面の中心における集光度は、単純に（Ｆ／ｂ）２＝３４２によって求められ、式（３）より、縁（θｅ＝５３．１°）における５３３に等しい。
【００２８】
上記の検討事項は、本発明による発電機の受光面における集光度と誤指向公差との間の関係を実証する。本発明によるボールレンズを使用する発電機について、誤指向の制限角度は、
【００２９】
【数３】
2011520295.tif 000005
によって中心集光度に関係付けられる。したがって、例えば、受光面の中心でＣ１ｃｅｎｔｅｒ＝４００、縁でＣ１ｅｄｇｅ＝６２５の幾何学的集光度を生じるために、上記の反射器とともに使用されるように選択されるシリカボールは、最大δｍ＝０．０１６ｒａｄまたは０．９°の誤指向角δと無関係に照射を提供する。
【００３０】
２次反射器がボールレンズと併せて使用されると、ボールレンズから光起電性活動領域上に直接入射する光に縁反射光が追加され、電池における集光の平均レベルが、受光面におけるレベルと比較して増加させられる。増加した集光度の平均は、２次集光度Ｃ２と称される。電池が受ける全体的集光度「Ｃ」は、ボールレンズＣ１および２次反射器Ｃ２の幾何学的集光度と、総光学スループットηの積に等しく、Ｃ＝ηＣ１Ｃ２である。深い２次反射器を伴う実施形態は、より高い集光度Ｃ２を有し、したがって、所与の総集光度Ｃに対して、より小さい集光度Ｃ１を必要とする。重要な結果として、式（２）によって求められる、ボールレンズによる良好な結像の必要性によって設定される許容範囲が、ボール集光度Ｃ１のみに該当するため、深い２次反射器と、結果としてより高い２次集高度とを伴う発電機は、所要の全体的集光度について、誤指向および他の光線偏差に対する増加した許容範囲を有する。
【００３１】
本発明によれば、発電機の好ましい実施形態には、受光面の周囲で凹面アレイに組み立てられた複数の太陽電池が提供され得る。全ての太陽電池が個別に実質的に同じ屈折力を受容し、実質的に同じ電流を生成するならば、電池は、高効率で電力を送達するように、単純に直列に接続され得る。したがって、各太陽電池と関連する受光面の面積は、好ましくは、式（３）によって求められるような半径による集光度の予測可能な増加に反比例して、増加する半径とともに、より小さくなるように構成される。所与の１次反射器に対して構成される、本発明の具体的な実施形態について、等しい電力のための受光面の張付けパターンは、最初に（軸に対して垂直に投影されるような）１次反射器領域を等しい領域に分割することによって構築された。次いで、そのように分割された１次反射器の受光面上の像はまた、等しい電力を受容する領域にも分割される。例えば、正方形の１次反射器とともに使用される本発明の実施形態について、受光面は、１次反射器上に投影される規則的な正方形のグリッドで形成された表面上の像に従って分割されてもよい。
【００３２】
本発明の第１の最も単純な実施形態では、発電機における複数の個々の平坦な太陽電池が、ボールレンズからの集光された光によって直接照射され、電池は、像の周囲で湾曲受光面に張付けるように、異なる形状およびサイズで作製される。いくつかの実施形態では、平坦な電池は、受光面に近似する多面体のファセットとして成形される。これらの実施形態のうちのいくつかでは、電池は、上記で概説されるように、同一量の電力を受容するように個別に構成される。いくつかの実施形態では、受光面は、ボールレンズと同心状の球面曲率を有し、コレクタ光学部の光学誤指向特性の範囲にわたって１次コレクタの最も鮮明な像を生じるように選択される半径を伴う。他の実施形態では、受光面は、受光面上の１次反射器の改善した結像のために、非球面、例えば、偏球面であってもよい。そのような改善した結像は、特に深い皿状の１次反射器とともに使用される発電機の出力電力をより良好に安定させるため、または、特に大きい角度の誤指向に対して出力電力を安定させるために望ましい。
【００３３】
上記で説明されるような、密接して詰められ、直接照射された太陽電池を伴う、そのような単純な実施形態の制限は、いくらかの光が、電池の間の間隙と、電池面積の１０％以上を覆ってもよい非感光性縁母線とに失われることである。
【００３４】
本発明によれば、そのような制限は、２次反射器の使用によって他の実施形態で改善される。２次反射器の異なる深さが異なる実施形態で使用され、電池分離、追加集光度Ｃ２、および縁の増光によって引き起こされる電池にわたる集光度の変動において差異を提供する。増加した深さは、より大きい電池の分離、および増加した集光度を提供し、縁の増光によって導入される、太陽電池にわたる照射の不均一性を低減してもよい。いくつかの好ましい実施形態では、２次反射器は、太陽電池の周囲の鏡面フレームの形を成す。他の好ましい実施形態では、２次反射器の側壁における反射は、内側に傾斜した研磨縁壁を伴う固体ガラスのプリズム窓を、各電池の前に設置することによって達成される、全反射を活用する。全反射は、上記で説明される鏡面フレームとともに２次反射器で使用されると、外部反射に固有のわずかなエネルギー損失を回避する。
【００３５】
２次反射器を使用する、１つの好ましい実施形態（第２の種類と呼ばれる）では、反射器は浅く、隣接する活動電池領域の間に開けられた間隙は比較的狭い。この場合、２次集光度Ｃ２は、典型的には低く、約１．４のＣ２であり、いずれか１つの太陽電池にわたる照射は、強力な縁の増光によって特徴付けられる。明るい縁の付近の電池にわたる電流通過トレースの中の増加した電流が、明るい縁における短経路のみを越えて流れるため、ジュール損失が不均一な照射から有意に増加することは見込まれない。縁に沿った増光による、より高い温度は、いくつかの実施形態において、過熱による低減した変換効率および短縮した寿命を回避するように、熱伝導性電池の中への側方拡散によって最小限化される。
【００３６】
２型の具体的実施形態では、円形１次反射器とともに使用するために、２次反射器は、プリズム窓として実装され、電池のグループは、誤指向公差を改善するように並列に電気的に接続される。電池のグループは、全てのグループが同じ電力を生じ、同じ電流を送達するように、放射方向に配向され、軸対称である。放射方向グループ用のバイパスダイオードが、受光面の円周に設定される。１つの好ましい実施形態については、熱伝達の受動的な方法が好まれる。多くの太陽電池からの廃熱が、セラミック基板材料を通して、後ろの流体チャンバに伝導される。自然対流によって冷却されるフィン付きパイプの上方に蒸気を上昇させる、流体チャンバ中の沸騰によって電池を冷却するために、大型ヒートパイプまたは熱サイフォンが使用されてもよい。再凝縮された流体は、重力によってチャンバに戻る。１つの先進的な実装では、太陽電池およびバイパスダイオードは、セラミックカップにはんだ付けされ、セラミックカップ上の凹面銅プリント回路によって接続される。より容易に製造されてもよい。別の実施形態については、電池は、骨格支持材の中で載置される個々の平坦なセラミック基板にはんだ付けされ、冷却は、能動的に送出された冷却液によるものである。
【００３７】
発電機の特に好ましい実施形態（第３の種類と呼ばれる）は、正方形の１次反射器の焦点において使用するために、ボールレンズを組み込み、受光面において、深くほぼ正方形の２次反射器を使用する。これらは、電池の間に比較的大きい間隙を提供し、個々の太陽電池にわたる照射の不均一性を特に最小限化する深さで選択される。各鏡が電池のちょうど中心まで縁の光を反射させるように配向された、深さおよび傾斜角を伴って２次反射器の４縁鏡が選択されると、最高均一性が正方形の電池について達成される。結果は、比較的均一な照射であり、標準偏差がσＩ／＜Ｉ＞＝０．１２で、効果的に縁を増光せず、有意な２次集光度Ｃ２が約２．６である。上記の分析からの誤指向に対する角度公差δｍは、１０００もの高さの集光度でさえも１度に近い。
【００３８】
この極めて好ましい発電機の好ましい実装では、２次反射器は、銀めっきされたレプリカとして作製され、電池アセンブリとは別の液体で冷却されたカップ状の枠組みの中に載置される。各太陽電池は、密接な嵌合を可能にする突出バイパスダイオードおよび切り欠き側面を伴う小型受容器アセンブリ上に載置される。電池およびそれらの受容器アセンブリは、各電池を照射する２次反射器の真後ろに各電池を配置する凹面の載置面上で一緒に嵌合するよう、同じ一般形状であるが異なるサイズで作製される。受容器アセンブリは、ネジおよび熱グリースを介して、連続冷却銅カップの形を成す凹面の載置面に取り付けられる。受容器アセンブリは、チェッカー盤パターンで一緒に嵌合し、直列鎖を完成させるために、受容器の隣接横断角の間で非常に短い電気接続のみが必要とされる。各受容器アセンブリは、そのような短い接続を可能にするように、４つ全ての角で利用可能な出力を有する。
【００３９】
能動冷却が、この実装に好まれる。銅カップの凸側は、発電機から離れてラジエータに送出される液体によって冷却され、その場合、液体は、強制対流によって空冷される。銅カップの液体で冷却された凸側は、各電池の反対側の局所領域の中に提供され、ヒートシンク状のピンまたはフィンが、表面積を増加させるように短く高密度に密集している。これらの領域中で、冷却液は、改善した熱伝達のために、銅ピンの間の間隙またはチャネルの中へ噴流によって押し込められる。これらの局所ピン／フィン領域の側面に提供される即時脱出経路により、流動は低い圧力を必要とする。結果として、この能動冷却システムの冷却剤ポンプおよびファンの寄生動力損失は低い。
【００４０】
集光度の選択に多大な融通性を与える、第４の代替的実施形態の種類では、プリズム窓が、ライトパイプを形成するように、大いに深く延長させられてもよい。そのようなライトパイプは、好ましくは、等しい電力を受容するために、異なるサイズに決定された入射開口を伴い、かつ同一の長方形または正方形の太陽電池を照射するように同一の形状およびサイズの領域にされた出射開口を伴って構成される。そのようなライトパイプは、歪曲側面がある。この代替的実施形態では、ライトパイプにおける複数の反射が、出力光を再均質化させ、かつ均一にし、２次集光度係数は、ライトパイプの幾何学形状の選択によって調整することができる自由パラメータである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、放物面反射器の焦点に位置する発電機のボールレンズの場所を示す、好ましい実施形態の斜視図である。
【図２】図２は、冷却構造が示されている、本発明による発電機の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図３】図３は、放物面ディッシュによって発電機に方向付けられた太陽光線の経路を図示する概略図である。
【図４】図４ａは、発電機が設置される前のディッシュの焦点付近の光線を図示する概略図である。図４ｂは、ボールレンズを通過した後の同じ光線を図示する概略図である。
【図５】図５ａは、本発明による発電機のボールレンズの受光面に直接配置された、隣接する平坦な太陽電池を図示する概略図である。図５ｂは、本発明による発電機のボールレンズの受光面の周囲に構成された、１単位深い、３つの２次反射器の後ろに設定された太陽電池を図示する概略図である。図５ｃは、本発明による発電機のボールレンズの受光面の周囲に構成された、２単位深い、３つの２次反射器の後ろに設定された太陽電池を図示する概略図である。図５ｄは、本発明による発電機のボールレンズの受光面の周囲に構成された、３単位深い、３つの２次反射器の後ろに設定された太陽電池を図示する概略図である。図５ｅは、本発明による発電機のボールレンズの受光面の周囲に構成された、４単位深い、３つの２次反射器の後ろに設定された太陽電池を図示する概略図である。
【図６】図６ａは、図５ａによる電池のうちの１つにわたる照射の強度を図示する概略図である。図６ｂは、図５ｂによる電池のうちの１つにわたる照射の強度を図示する概略図である。図６ｃは、図５ｃによる電池のうちの１つにわたる照射の強度を図示する概略図である。図６ｄは、図５ｄによる電池のうちの１つにわたる照射の強度を図示する概略図である。図６ｅは、図５ｅによる電池のうちの１つにわたる照射の強度を図示する概略図である。
【図７】図７は、図５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、および５ｅ、ならびに図６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、および６ｅに図示されるような、異なる深さの２次反射器について、集光度の関数としての電池照射の正規化標準偏差を図示するプロットである。
【図８】図８は、入射瞳および受光面の対応する分割を図示する斜視図である。
【図９】図９ａは、リングおよびスポークによって等しい領域に分割された円形入射瞳を図示する概略図である。図９ｂは、台形の電池が等しい電力を受容している、図９ａの入射瞳に対応する受光面を図示する斜視図である。
【図１０】図１０ａは、等しい正方形の領域に分割された正方形の表面の平面図である。図１０ｂは、正方形の１次反射器とともに使用され、図８の構造によって等しい電力のほぼ正方形の領域に分割される、発電機のボールレンズおよび受光面を図示する斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明による発電機の中へ放物面鏡によって反射された光線を図示する、幾何学図である。
【図１２】図１２ａは、薄いプリズム窓の形である２次反射器を通過する軸上光線を示す、断面図である。図１２ｂは、薄いプリズム窓の形である２次反射器を通過する軸外光線を示す、断面図である。
【図１３】図１３ａは、出射面における強度が軸上照射のためのレイトレーシングによって計算された、薄いプリズム窓のリングを図示する概略図である。図１３ｂは、出射面における強度が軸外照射のためのレイトレーシングによって計算された、薄いプリズム窓のリングを図示する概略図である。
【図１４】図１４は、薄いプリズム窓、太陽電池、および太陽電池を支持する一体構造を伴うアセンブリの詳細を示す、断面図である。
【図１５】図１５は、単一のプリント回路を使用した集光器電池配線の詳細を示す、断面図である。
【図１６】図１６ａは、誤指向がない受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｂは、わずかな誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｃは、図１６ｂに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｄは、図１６ｃに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｅは、図１６ｄに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｆは、図１６ｅに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｇは、図１６ｆに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。図１６ｈは、図１６ｇに示された誤指向角よりも大きい誤指向角を伴う受光面への光線の経路を図示する、光路図である。
【図１７】図１７は、太陽に対する反射器の誤指向の許容範囲を改善する、太陽電池の電気的相互接続の構成を図示する概略図である。
【図１８】図１８ａは、誤指向がない、個々の太陽電池および太陽電池の並列グループにおける光起電性電流を示す略図である。図１８ｂは、わずかな誤指向角がある、個々の太陽電池および太陽電池の並列グループにおける光起電性電流を示す略図である。図１８ｃは、誤指向角が図１８ｂに示されたものと比較して増加させられた際の、個々の太陽電池および太陽電池の並列グループにおける光起電性電流を示す略図である。図１８ｄは、誤指向角が図１８ｃに示されたものと比較して増加させられた際の、個々の太陽電池および太陽電池の並列グループにおける光起電性電流を示す略図である。
【図１９】図１９は、太陽電池の好ましい配設および構成を示す、図２による好ましい実施形態の斜視図である。
【図２０】図２０は、光起電性活動領域にわたる周囲電池母線およびグリッドワイヤの好ましい配設を示す、台形太陽電池の平面図である。
【図２１】図２１は、均一な太陽電池照射を示す光線、および太陽電池を支持する複合構造を伴う、図５ｄおよび図６ｄの好ましい実施形態の内側の２次反射器を示す断面図である。
【図２２】図２２は、図２１による発電機の光学部、電池、およびバイパスダイオードのみを示す、斜視図である。
【図２３】図２３は、好ましい一式の２次反射器の平面図である。
【図２４】図２４は、反射器の基部から出射する照射の強度がドット密度で表されている、図２３の２次反射器のうちの１つの平面図である。
【図２５】図２５は、放物面反射器および冷却構造の焦点で使用中のボールレンズを伴う発電機を示す、本発明による好ましい実施形態の斜視図である。
【図２６】図２６は、いくつかの構成要素が明確にするために断面で示されている、図２５の発電機を詳細に示す斜視図である。
【図２７】図２７は、冷却された枠組みを支持するセクションの切断図を伴う、載置された２次反射器の斜視図である。
【図２８】図２８は、図２次反射器を支持する完全枠組みの斜視図である。
【図２９】図２９は、８０個の受容器アセンブリのアレイを概略的に示す、斜視図である。
【図３０】図３０は、受光面の全幅にわたる８個の２次反射器の列および８個の受容器アセンブリの列を示す、斜視図である。
【図３１】図３１は、単一の受容器アセンブリの斜視図である。
【図３２】図３２は、受容器アセンブリの分解図である。
【図３３】図３３は、受容器アセンブリの載置の詳細を示す、断面図である。
【図３４】図３４は、２次反射器および受容器アセンブリの詳細を示す、斜視図である。
【図３５】図３５は、８０個の受容器アセンブリの直列接続を示す、電気配線図である。
【図３６】図３６は、受容器アセンブリを支持する一体銅カップのいくつかのファセットを示すセクションの斜視図である。
【図３７】図３７ａは、軸上照射のための薄い２次反射器による反射の幾何学形状を図示する、概略図である。図３７ｂは、軸外照射のための薄い２次反射器による反射の幾何学形状を図示する、概略図である。図３７ｃは、軸上照射のための厚い２次反射器による反射の幾何学形状を図示する、概略図である。図３７ｄは、軸外照射のための厚い２次反射器による反射の幾何学形状を図示する、概略図である。
【図３８】図３８ａは、軸上照射のための受光面における歪曲側面がある、ライトパイプを伴う代替的実施形態を図示する概略図である。図３８ｂは、図３８ａに示されたものによるが、軸外照射のための受光面における歪曲側面がある、ライトパイプを伴う代替的実施形態を図示する概略図である。
【図３９】図３９ａは、太陽のスペクトルにわたる電気溶融石英の吸収を示す、グラフである。図３９ｂは、図３９ａのグラフに対応する、太陽のスペクトルにわたる太陽放射の相対強度を示すグラフである。
【図４０】図４０は、ボールレンズ入射表面を保護する連接花弁の形のシャッターを図示する。
【図４１】図４１ａは、一体ファセット多面体セラミック支持材を示す、凹面の多重電池受容器アセンブリの分解斜視図の一部である。図４１ｂは、銅プリント回路層を示す、凹面の多重電池受容器アセンブリの分解斜視図の一部である。図４１ｃは、陽電池およびバイパスダイオードを示す、凹面の多重電池受容器アセンブリの分解斜視図の一部である。図４１ｄは、プリズム窓を示す、凹面の多重電池受容器アセンブリの分解斜視図の一部である。
【図４２】図４２は、図４１ｂのプリント回路銅層の詳細を示し、図１７で概略的に示された電気接続を提供する、斜視図である。
【図４３】図４３は、太陽電池、バイパスダイオード、および相互接続の場所を概略的に示す、図１５のプリント回路の部分上面図である。
【図４４】図４４は、１次反射器における反射の詳細を示す、光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、放物面反射器１の焦点において動作中である、本発明による発電機４の斜視図である。太陽光は、鏡１によって反射される放射または光線２として進入する。鏡１は、発電機４が位置する焦点２８に向かって、反射した太陽放射または光線３が方向付けられるように成形される。動作中、発電機４は、軸が２軸トラッカーによって太陽に向けられる、好ましくは放物面の反射器または鏡１の焦点２８で使用するために設計される。
【００４３】
本発明による発電機に太陽光電力を供給する鏡１は、好ましくは、太陽光の多くを可能な限り反射し、それを発電機４の場所で集光する、実質的に放物面の反射面を有する。平行な入射光線２を焦点２８へと反射するために、放物面状反射器１が好ましい。反射器１が実質的に放物面である好ましい実施形態では、所望の放物面形状からの反射面の形状の偏差は、１次放物面鏡１の反射面における表面傾斜誤差として特徴付けられてもよく、本発明の設計は、そのような誤差に対する何らかの許容範囲を提供する。これは、製造および操作において、ある程度の費用対効果を達成する際に望ましい特徴である。
【００４４】
放物面鏡１の焦点２８で使用される発電機４の詳細が、図２の断面図に示されている。本発明による好ましい実施形態は、ボール対物レンズ５と、図２に示されるように周囲に集光器太陽電池１５が配備される、同心円状に位置し、凹面でボウル状であり、かつ球状に湾曲した受光面９とを備える、実質的に球対称の発電機４である。複数の太陽電池１５が、太陽放射から直接発電するために使用される。これらの電池１５は、好ましくは、集光された太陽放射の環境中で機能するように設計される、集光太陽電池１５である。複数の太陽電池１５は、各電池１５によって生産された電力を発電機４からの電気の全体出力に組み入れるように、直列で電気的に一緒に接続される。電池１５は、個々に平坦であってもよく、それは従来の方法によって製造された集光太陽電池１５の使用を可能にする。図２を参照すると、ボール対物レンズ５が断面で示されている。ボールレンズ５の中心は、好ましくは、放物面反射器１の焦点２８に、または焦点２８の極めて近くに位置する。１次コレクタ１の優れた広角像を提供することに加えて、低費用で製造することもできるため、ボールレンズ５の好ましい形状は完全球体である。動作中、反射光線３はボールレンズ５を通過し、以下でより詳細に説明されるように、レンズ５に対する反射光線３の角度に応じて、光学レンズ５の効果によって屈折させられてもよい。図２の参照数字６および７によって示される、ボールレンズ５を通過する集光された太陽光は、球面レンズ５と同心円状の位置に位置する、凹球面のカップ状受光面９上に１次放物面反射器１の像を形成する。
【００４５】
本発明の重要な側面は、太陽放射６および７の強度が、受光面９にわたって円滑に分布し、トラッカーの誤指向および１次放物面鏡１の反射面における表面傾斜誤差に対して安定させられることである。ボールレンズ５は、トラッカーの指向誤差に対して表面９にわたる光強度の安定化を達成するように働く。たとえトラッカーが太陽に直接向けられていなくても、表面９における光強度は、指向誤差の有意な範囲にわたって比較的不変のままである。加えて、ボールレンズ５は、好ましくは密封された空洞８への透過型光学的開口としての機能を果たしてもよい。密閉空洞８は、受光面９において窓１１および太陽電池１５を保護する。
【００４６】
凹面受光面９において放物面反射器１からの光３の強度を滑らかに分布させ、安定させるボールレンズ５の光学設計および性質が、図３、図４ａ、および図４ｂによって図示されている。図３は、大型放物面鏡１によって発電機４に反射された光線３の概略図である。光線３は、１次反射器１を横断する対角線に沿って均等に離間した６つの点から反射されたものとして断面で示されている。
【００４７】
レンズ５の作用は、図４ａおよび図４ｂに示された焦点領域の詳細な描写で図示されている。放物面１からの光線３は、レンズ５がない場合に平坦な焦点面４０上に直接当たるものとして、図４ａに示されている。この場合、任意の点における強度は、平面４０内のその位置と、太陽の方向に対する反射器１の誤指向角との両方に強く依存する。放物面軸と平行に入射した、放物面１から反射された光線３は、細い線３として示されている。それらは、放物面１の焦点２８における点で交わる。軸外光源から放物面１によって反射された光線４１は、太い鎖線４１として示されている。これらの光線４１は、中心焦点２８からそらされ、色収差によって点２９まで半径が広げられる。
【００４８】
図４ｂに図示された詳細は、球面ボール対物レンズ５が放物面焦点２８を中心にして導入された時の同じ軸上光線３および軸外光線４１の経路を示す。レンズ５は、図４ａの光線４１全てを包含するために必要とされる半径２９まで延在する、平坦な軸対称円盤４０と同じ直径を有するように選択される。軸上光線３は、垂直入射でレンズ５に入射および出射し、偏位されず、すなわち、光線３は、レンズ５によって有意に屈折させられず、凹面の受光面にわたって滑らかに分布する。受光面９は、レンズ５によって形成される１次放物面１の凹面像とほぼ一致して位置するため、軸外光線４１は、レンズ５によって屈折させられ、軸上光線３とほぼ同じ位置で受光面９を衝打する。したがって、レンズ５の効果は、軸上光線３と同じ凹面の受光面９にわたる平滑な分布を維持するように、軸外光線４１を方向付けることである。任意の点における強度は、大部分が、入射平行光３および４１の方向、または１次反射器表面１の偏向と無関係である。そのような偏向は、反射光線３の角度をそらすが、１次反射器１上の反射点を有意に移動させない。ボールレンズ５の機能および動作を、以下でより詳細に説明する。
【００４９】
太陽電池１５を衝打する太陽放射は、電気の生成を妨害または低減し得る、電池１５のうちのいずれかの照射の低減を回避するよう、入射太陽放射に対する指向誤差の範囲にわたって実質的に安定させられ、一貫していることが望ましい。本明細書で説明される発電機４の種々の実施形態は全て、ボールレンズ５と、安定させられた光９の凹面の周囲で支持される複数の集光器電池１５とを備える。実施形態は、曲面９における集光された光６および７への集光器電池１５の光結合のモードが主に異なるが、また、受光面９の周囲の電池１５の張付けパターンと、発電機４から全出力を産生するように個々の太陽電池１５からの光起電性電流を組み合わせるための方策とが異なる。
【００５０】
ボールレンズ５からの集光された光を電池１５に光結合する異なる方法、およびそれらの違いの根拠は、図５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、および５ｅの概略図によって図示されている。５つ全ての概略図は、３つの正方形の電池に結合されている受光面における同じ例証的領域１１５からの集光された光を示すが、異なる方法であり、異なるサイズの電池への結合である。図５ａは、３つの正方形の電池１５が受光面９上の指定領域１１５を覆うように直接配置されている最も単純な結合を示す。電池は、光起電力変換のために、受光面の指定領域１１５を構成する３つのセクション４７のそれぞれに入射する集光された光の可能な限り最大の割合を受け取るように、可能な限り密接して配置される。領域４７のうちの１つの照射のパターンは、ランダムなドットの密度が強度または集光度に比例している図６ａによって図示されている。この場合、密度は均一である。以下の第１の実施形態は、そのような直接照射された電池を使用する発電機を備える。
【００５１】
光を太陽電池に結合する代替的な方法が、図５ｂ、５ｃ、５ｄ、および５ｅに図示されている。ここで、受光面からの光は、直接とともに、各電池を包囲する鏡面フレームの形の正方形の２次反射器４５からの反射によって、受光面から奥に設定された、より小型の正方形の電池に到達する。これら全ての図は、図５ａと同じ縮尺で描かれており、全て同じサイズの入射口領域４７を伴うが異なる深さの２次反射器４５の中へ、受光面の同じ領域１１５を通過する光と、次第に小型になるサイズで、かつ次第に増加した集光度を伴う給電電池とを示す。図６ｂ、６ｃ、６ｄ、および６ｅは、単一の２次反射器の鏡面フレーム４５と、それぞれ図５ｂ、５ｃ、５ｄ、および５ｅで使用された２次反射器の異なる構成による、反射器の出力４６にわたる照射の強度とを図示する、平面図である。それぞれの場合において、ランダムなドットの密度は、太陽放射の強度または集光度に比例している。太陽電池１５は、好ましくは、２次反射器出力４６の真後ろに位置する。
【００５２】
これらの実施例では、入射光４７の中心部分は、電池１５の光起電性活動領域に直接到達し、残りの部分は、電池の縁の周囲の張付け反射面を介して、そこに到達する。２次反射器の反射面は、図５ｂ、５ｃ、５ｄ、および５ｅに図示されるように、鏡面フレーム４５として配設された前面鏡の形を成してもよい。代替として、２次反射器は、プリズム窓の形を成してもよく、その場合、光は最初に、受光面またはその付近に位置する窓入射面４７に入射する。後者の場合の縁光は、面４６を通って電池１５の上に出射するように、プリズムの内側に傾斜した研磨縁において完全に内側で反射される。反射が内部であるか外部であるかにかかわらず、２次反射器の効果は、電池１５の活動領域上の平均集光を増加させることと、電池１５の間に電気接続または構成要素のための空間を提供することの両方である。図５ｂから図５ｅおよび図６ｂから図６ｅで順に示されるように、反射器４５がより深くなるにつれて、反射される全入射光の割合が増加させられ、反射器から出射する光の面積４６がより小さくなり、集光度がより高くなり、反射器の真後ろに位置する電池１５の間の間隙がより大きくなる。受光面９において入射する光の集光度に対する集光度の増加は、２次集光度Ｃ２と称される。図示された実施形態は、正方形の２次反射器４５を参照して説明されているが、他の形状も使用されてもよく、例えば、代替的実施形態に関連して以下で説明されるように、台形および多角形が使用されてもよい。
【００５３】
図５ｂでは、縁反射器は浅く、入射光４７の半分未満を遮断して反射し、電池の間に開いた空間は比較的浅く、受光面１１５における光の大部分は太陽電池１５に直接伝達される。図６ｂに図示されるような電池１５にわたる照射は、電池面積の大部分にわたって均一なままであるが、縁の付近でより明るく、側面の周囲でほぼ２倍の集光度と、角でさらに高い集光度とを伴う。以下で説明される第２の実施形態は、そのような結合を例証する。
【００５４】
図５ｃ、図５ｄ、および図５ｅでは、次第に深くなり、それぞれ図６ｃ、図６ｄ、および図６ｅの対応する強度マップに示されるように、受光面から次第に多くの光を遮断する、縁反射器が示されている。図５ｃでは、両側の鏡からの反射光は、電池１５の中心まで到達しない。図６ｃに示されるように、集光度は、中心における平均の約半分から角における平均の約２倍まで、電池１５にわたって顕著に変動する。図５ｅでは、両側からの反射光は、電池の中心を越えて到達し、集光度は、図６ｅに図示されるように、中心の十字形にわたって特に高く、角でより弱い。図５ｄは、各側壁から反射された光が中心に到達し、それ以上到達せず、正方形の電池１５に結合された正方形の反射器の場合には、図６ｄに図示されるように、電池１５のほぼ均一な照射をもたらす特別な好ましい場合を表す。
【００５５】
図６ｄに図示された好ましい実施例では、出射口４６において、かつ電池１５に送達される集光度Ｃ２の平均増加は、受光面９における入射口４７に入射する光束と比較して、約２．６である。２次反射器から出射する、集光された光４６の均一性は、反射器４６から出射する強度の正規化された標準偏差が、図６ａの場合のゼロから図６ｅの場合の最大値まで増加する２次深度の範囲について、平均出射強度に対してプロットされている図７の概略図で定量化されている。２次反射器は、正規化された標準偏差が１２％の最小値に到達する時に、２．６２に等しい２次集光度Ｃ２の最高の均一性を生じ（図７の参照数字３００によって示される）、その場合が図５ｄに図示されている。そのような集光された光の均一性は、太陽電池の効率および寿命を最大限化するために望ましい。以下の第３の実施形態は、図５ｄおよび図６ｄに図示されたボールレンズ５と組み合わせて使用される正方形の２次反射器のために、この好ましい幾何学形状または「良好点」を活用する。これは、比較的幅が広い電池の間隔、ならびに比較的均一な照射を提供する。
【００５６】
図６ｄに図示された具体的実施例について、縁鏡は、電池面に対する垂線から傾斜角ｓ＝１２．７°外れて傾転させられ、かつ入射口４７における幅の８７％に等しい深さを有し、入射口４７はボールレンズの中心からα＝１０°の角度に内在し、反射は外部である。図６ｂ、６ｃ、６ｄ、および６ｅ、ならびに図７は、図６ｄと同じ縁鏡傾斜角および入射光線角について計算され、図６ｅの入射口幅に等しい最大値まで増加する、異なる深さを伴う。異なる角度「ｓ」および角度「α」を伴う他の設計の探索は、２次反射器の構造の詳細にわずかしか依存せず、典型的には、図７で見られる平均集光度の２．６というほぼ同じ増加に対応する、集光度Ｃ２を有する集光度の均一性のために、同様に最適化された構成を示す。
【００５７】
複数の太陽電池１５を離間させるように構成される、本発明における２次反射器は、誤指向誤差がわずかである時に、特に典型的な条件下で広がる、受光面９における光の小さい入射角を活用する。小さい入射角は、非結像光学部よりもむしろボールレンズ５を伴う結像光学部の使用と、面対称よりもむしろ球対称の使用に基づいて、本発明の光学設計の基本的利点である。したがって、本発明のボールレンズ５による集光された光の安定化は、従来のシステムに比べて有意な改良を提供する。典型的には、従来の非結像ホモジナイザーは、指向誤差がない場合でさえも、固有の入射角の広範な広がりを示す。異なる実施形態で使用される２次反射器の特性のより定量的な分析を以下に挙げる。
【００５８】
（第１の種類の実施形態）
これらの実施形態では、太陽電池１５は、受光面９に接近した平坦なファセット上で密接して嵌合し、図５ａおよび図６ａに図示されるように、受光面９に直接位置する。領域４７と一致した電池１５は、各自によって受容される電力、したがって、それぞれの直接照射された電池１５によって生成される電流が、本質的に同じになるようにサイズ決定され、直列の電気接続を促進してもよい。等しい電力のために、ファセットの面積は、以下の式（９）によって求められる集光度の逆数として拡大縮小される。
【００５９】
受光面９における好ましいファセットの幾何学形状は、発電機４を照射するために使用される１次反射器１の形状、サイズ、および焦点比に依存する。１次反射器１と受光面９との間の対応は、正方形の１次反射器１とともに使用するために設計される発電機４を概略的に図示する図８に示されており、それにより、遠く離れた所から軸を見下ろした時に輪郭が正方形である、反射器を意味する。１次鏡１に向かった軸上光線２は、放物面の１次反射器１の軸に対して垂直であり、かつ端点３００、３０３、３１５、および３１２によって画定される大型の正方形によって境界が付される、平面６５を通過して図示されている。これらの点からの光線２は、１次反射器１に伝播し、反射器端点３２０、３２３、３３５、および３３２を画定する。正方形の１次反射器１の角から反射される光線３は、ボールレンズ５および焦点２８を通過して、点３４０、３４３、３５５（図から隠されている）、および３５２において受光面９の角を画定する。光線３は全て直線として、反射器１からボール中心点２８を通って受光面９の上へ通過する。図示された軸上光線３は、ボールレンズ５の正確に中心にある焦点２８に向かって反射され、したがって、偏差がないときは、垂直入射でボールレンズ５に入射および出射するため、ボールレンズ５によって屈曲されない。
【００６０】
任意の特定の１次反射器１の受光面は、図８に図示された以下の構造によって、等しい電力を受容する領域に便宜的に分割されてもよい。入射太陽光６５の広い領域は、多数のより小さい等しい領域に分割される。任意の数の等しい領域が、この構造で使用されてもよく、ここでは明確にするために少ない数が示されている。したがって、図８は、角３０２、３０３、３０７、および３０６によって画定されるもの等の、９つの同一のより小さい正方形への正方形の太陽光６５の分割を示す。等量の太陽光エネルギーが、画定された領域中の１次反射器１に当たる光線２によって示されるように、等面積のより小さい正方形のそれぞれを通過し、伝播する。例えば、角３０２、３０３、３０７、および３０６を伴う、より小さい正方形を最初に通過する光は、端点３２２、３２３、３２７、および３２６によって境界が付される領域中の１次反射器１に当たる。光線２は、ボールレンズ５および放物面の焦点２８を真っ直ぐ通過し、受光面９に到着する光線３として、１次反射器１によって反射される。例えば、端点３２２、３２３、３２７、および３２６によって境界が付される１次反射器１上の領域から反射される光は、角３４２、３４３、３４７、および３４６によって境界が付される領域中の受光面９に当たる。このようにして構築された受光面９上の各小領域は、等量の太陽光エネルギーを受容する。この幾何学的構造を単純に拡張して、１次反射器１に光を送達する平面６５上の全領域を、等しくより小さい領域に分割することによって、等電力の領域が任意の受光面９上に策定されてもよい。さらに、受光面９上で画定される小領域のうちのいずれかの形状が、入射光の画定面６５上の対応する点によって画定される領域の形状と同様であることは、この光学システムの性質（および有意な利点）である。例証的な実施例において、個々の入射瞳形状が正方形であるので、受光面上の等電力形状もほぼ正方形であるが、後者は全てが同じサイズであるとは限らない。たとえ反射光線３が１次反射器１によっていくらか誤った方向に向けられても、３２２、３２３、３２７、および３２８によって境界が付される領域等の、この構造によって輪郭が描かれる放物面反射器１上の領域から反射される太陽光エネルギーは、この実施例では角３４２、３４３、３４７、および３４６によって境界が付される領域である、受光面９上の等電力の対応する領域に依然として送達される。これは、受光面９が１次反射器１のボールレンズ５によって形成される像の表面であるためである。
【００６１】
大型円形１次反射器とともに使用するのに好適である、発電機４の受光面９における等電力の領域の構造の例証的実施例が、図９ａに示されている。最初の平面６５は円形であり、リングおよびスポークによって等しいキーストーン状領域に分割される。このパターンの受光面９上の像は、図９ｂに示されるように、いずれか１つのリングにおいて全て同じサイズである、台形のリングによって極めて密接して接近させられてもよい。この説明図では、太陽電池１５の総数は、３３６である、各リングに１種類ずつ、１０個の異なるキーストーン状電池の種類が必要とされる。受光面９上の外側台形領域は、この実施形態ではほぼ正方形であるが、最も内側のリングは、より明確に台形である。受光面９上の等しい領域に張付けるために必要とされる、電池１５の長方形ではない形状は、大規模大量生産の場合に製造費用を有意に増加させるはずはなく、したがって、本発明の独自の光学および動作利点を活用することによる費用障害物になるはずはない。実際に、太陽電池１５がレーザスクライビングによる分離のために円形ウエハ上でごく接近して配置され、ウエハ上で最低限の無駄な面積をもたらし得る、台形電池１５の構成が製造されてもよい。レーザスクライビングの好適な方法は、参照することにより本明細書に組み込まれる、２００７年１１月２９日付けの米国特許出願公開第２００７／０２７２６６６Ａ１号である、「Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｗａｆｅｒ  Ｓｃｒｉｂｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｈｏｒｔ  Ｐｕｌｓｅｓ」と題された、Ｏ’Ｂｒｉｅｎ  ｅｔ  ａｌによる２００６年５月２５日出願の出願第１１／４４１，４５４号で開示されている。
【００６２】
正方形の１次反射器とともに使用するのに好適な張付けパターンを伴う、この種類の実施形態の受光面の第２の例証的実施例が、図１０ａおよび図１０ｂに図示されている。図１０ａは、角６６によって画定されるグリッドの正方形の全てに等しい面積がある、平面６５における光線の９×９個の電池の規則的な正方形のグリッドの平面図である。図１０ｂは、図８に図示された方法によって構築される受光面９における電池１５のパターンを示す。受光面９は、ここでは、図１０ｂに図示されるように、異なる面積を有するが、等電力を受容する８１個のほぼ正方形の形状に分割される。
【００６３】
図８の等面積構造のための光線幾何学形状が、図１１に図示されている。放物面軸に平行な光線２が、放物面軸ＶＣから測定された半径ｒにおける点Ｐで１次反射器１に衝突する。それは、放物面軸ＶＣから測定された角度θで光線３として反射される。角度θは、辺ＨＣがＶＣ−ＶＨに等しい長さを有する、直角三角形ＰＨＣを考慮することによって、ｒに関係付けられてもよい。ここで、ＶＣ＝Ｆ、放物面の焦点距離、およびＨＶ＝ＰＱ＝ｚ、点Ｐにおける放物面の矢状深度は、ｒ２／４Ｆ（焦点距離「Ｆ」の放物面の式による）に等しい。したがって、ＨＣ＝Ｆ−ｚ２／４Ｆである。角度θ＝ＨＣＰを考慮すると、以下の式によって所望の関係を決定することができる。
【００６４】
【数４】
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図１０ａを参照すると、入射瞳６５における任意の正方形に進入する太陽光電力は、透過面におけるわずかな損失およびボールレンズ５の内部吸収によるわずかな損失のみを除いて、全て受光面９上の正方形の像に送達される。入射瞳の正方形が全て同じ面積を有し、光学的損失が瞳にわたって本質的に一定であるために、受光面にわたる全ての電池は同じ電力を受容するが、集光度は半径とともに増加する。したがって、上記の構造によって決定される受光面開口は、集光度の増加を補うために、増加する半径とともにより小さくなる。したがって、この実施形態については、一連の異なるサイズを網羅するほぼ正方形の電池が必要とされ、図１０ｂに図示されるように、増加する半径とともに面積がより小さくなる。
【００６５】
この実施形態に対する太陽電池１５は、好ましくは、電池表面の最大光起電性活動部分を得るために、最小面積の電池の表面において光起電性電流を収集するオンチップ母線を伴って、異なる形状およびサイズで特別に製造される。太陽電池１５はまた、導体を接続するために割り当てられる最小空間を伴って載置される。不均等な照射において損傷を防止するように、各電池にわたって電気的に接続される、バイパスダイオードは、付加的な光の損失を回避するように、受光面の後ろに位置する。
【００６６】
上記の実施形態の弱点は、集光された光の中で直接、高密度に配列された電池を伴う全てのＣＰＶ発電機と同様に、電池の面積の全てが感光性ではないため、必然的な電力の損失である。集光器ＰＶ電池１５の面積の光起電性活動部分は、典型的には、わずか９０％であり、残りの面積は、電池の縁における不透明電気母線に失われる。したがって、典型的には、入射エネルギーの１０％以上が、そのような構成では無駄になる。
【００６７】
第２の弱点は、密接に詰められた電池１５の後ろから廃熱を除去することの困難である。電池１５と関連するバイパスダイオード３０、および電池１５の間の電気接続は、好ましくは、付加的な光の損失を回避するように、太陽電池１５の後ろに位置しなければならず、この場所では、これらが製造を複雑にする場合があり、かつ廃熱流を妨害する場合がある。そのような妨害はまた、不均一な温度を引き起こすことによって、非効率を生じる場合もある。
【００６８】
（第２の種類の実施形態）
第２の種類の実施形態は、図５ｂおよび６ｂで概略的に図示されるように、浅い２次反射器を組み込んで、電池の非感光性縁から離れて光を方向付ける。各自の後ろにより小さい電池を伴う２次反射器４５のアレイは、円形の１次反射器１とともに使用するための上記の図９ｂに図示された配設、および正方形の１次反射器１とともに使用するための図１０ｂに図示された配設等の、各電池１５に同じ電力を送達する張付け配設で構成されてもよい。代替として、異なる電力レベルを伴う電池１５を送達する張付け構成が、並列電気接続ならびに直列接続が行われる時に好まれ得る。この実施形態における２次反射器は、軸上照射については図１２ａ、軸外照射については図１２ｂにおいて、プリズム窓１１の詳細な断面で図示されるように、鏡面フレーム４５またはプリズム窓１１の形を成してもよい。これらの２次反射器１１の入射口１０は、図９ｂまたは図１０ｂで置換する電池１５と同じ形状およびサイズを有するが、出射面１２の真後ろに位置するより小さい太陽電池１５（図示せず）に結合する。２次反射器は、平面的な縁反射面１３を伴って構成されてもよく、その場合、電池は、入射面１０と同じコーナー角度および辺の数を有するが、サイズが縮小される。
【００６９】
特に好ましい実施形態は、プリズム窓の形の浅い２次反射器と、複合並列および直列電気接続のために構成された張付けパターンとを使用する。図１３ａは、円形受光面９のそのような張付けに好適であり、円形１次反射器１とともに使用するために適切である、薄いプリズム窓のリングの例証的な構成を図示し、陰影が集光器電池１５の光起電性活動領域への集光された光の出力を示している。図１３ａおよび図１３ｂでは、色が濃い陰影が、より高い集光度を示す。太陽電池１５および関連構造は、図１３ａに図示されるように、経度において等しく離間した点を中心とし、共通緯度のリングの中にある。図１３ａを参照すると、特定の太陽電池２５０から２７９に対するプリズム窓出力１２の場所が提供され、明確にする目的で、図１３ａの太陽電池の約半分のみが参照数字を伴って示されていると理解されたい。太陽電池２５０、２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、および２８０を含む外側リングが示されている。好ましい実施形態では、外側リングの中の電池２５０、２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、および２８０は、実質的に同じ形状を有する。太陽電池２６０、２６１、２６２、２６３、２６４、２６５、および２８１を含む中間リングが提供される。中間リングの電池２６０は、対応する外側リングの電池２５０と比較して、より大きい高さおよびより小さい基部を有する台形として成形されることに留意されたい。好ましい実施形態では、中間リングの中の電池２６０、２６１、２６２、２６３、２６４、２６５、および２８１のそれぞれは、実質的に同じ形状を有する。太陽電池２７０、２７１、２７２、２７３、２７４、２７５、および２８２の内側リングも提供される。内側リングの電池２７０は、対応する中間リングの電池２６０と比較して、より大きい高さおよびより小さい基部を有する台形として成形される。好ましい実施形態では、内側リングの中の電池２７０、２７１、２７２、２７３、２７４、２７５、および２８２のそれぞれは、実質的に同じ形状を有する。
【００７０】
浅いプリズム窓の形の２次反射器を伴う、この好ましい実施形態による発電機４の詳細が、図２の概略断面図に示されており、電池結合および冷却の詳細が、図１４および図１５の断面図に示されている。この発電機４の実施形態の実施例では、図１３ａの陰影によって示されたプリズム窓の出力は、集光太陽電池１５に結合される。カップ状受光面９は、実質的に安定した集光された太陽放射６および７で照射される。太陽放射は、プリズム窓１１を通して太陽電池１５に結合される。プリズム窓１１の目的は、太陽電池１５の縁上の母線３７から離れ、かつ電池１５の間の相互接続部１９および銅回路トレース１８から離れて、実質的に連続して分散した太陽放射６および７を方向付けることである（そうでなければ、この太陽放射は、母線３７および相互接続部１９に当たった場合に無駄になる）。このようにして、太陽放射６および７の実質的に全てが、太陽電池１５の光起電性表面５１上に方向付けられ、したがって、効率が最大限化される。各プリズム窓１１は、好ましくは、平面的で平行な入射面１０および出射面１２を有する。各プリズム窓１１は、平坦な研磨縁１３を有する。図１３ａに示されるように、窓１１の平坦な入射面１０は、受光面９を実質的に途切れなく張付けする多面体で嵌合するように成形される。多面体のファセット１０は、多角形であって、好ましくは、大部分が台形であり、集光器電池１５もまた、大部分が、入射面１０と同じコーナー角度および辺の数を伴うが、より小さい対応寸法である同様の多角形である。受光面９（図１３ａおよび図１３ｂでは図示せず）の中心付近の多面体のファセットは、典型的には、４つより多い辺を伴う多角形である。
【００７１】
プリズム窓１１の実質的に平坦な出射面１２は、電池１５の台形の光起電性活動領域５１に適合するように整合される。プリズム窓１１は、好ましくは、誘電体反射および全反射による損失を最小限化するように、光透過性材料１４の薄い層を伴って、電池１５に接着される。窓１１への入射口１０の縁の近くに入射する光線７は、研磨縁１３において全反射を受け、したがって、効果的に光起電性活動電池領域５１上に運ばれる。太陽電池１５に伝達され、反射される太陽放射の均一性および集光度は、上記で説明され、図５および図６に図示されるように、窓１１の幾何学形状に依存する。
【００７２】
プリズム窓１１は、好ましくは、太陽光束に対する高い透過率を伴うガラスの精密成形によって、低費用で大量生産される。金型は、より小さい出射面１２および傾斜面１３を形成するよう、抜き勾配で作製される。これらの面１２および１３が単一の成形操作で形成された後、より大きい平坦な入射面１０を研削および研磨することによって、部分的に形成されたプリズム窓１１が完成される。
【００７３】
電気に変換されていない太陽光エネルギーは、銅・セラミックサンドイッチ１７、２０、および２１を通した伝導によって電池１５から除去される熱をもたらす。過剰な熱を除去することによって、発電機４を冷却することが望ましい。外側銅層２１と直接接触している作動流体２２を使用する、冷却するための好ましい方法および装置が、図１、２、１４、および１５に図示されている。発電機４は、好ましくは、フィン付き冷却パイプ２４を組み込み、冷却するために受動ヒートパイプ原則を使用し、図示され、図２で最も良く示されるように、液体２２を沸騰させることによって熱が吸収される。図２を参照すると、蒸気２３はフィン付き冷却パイプ２４に移動し、凝縮液体２５として戻される。図２に示された例証的実施例では、樹状のフィン付きパイプ２４が使用され、各パイプ２４は放物面軸と平行に配向される。図示された実施例では、全ての有用な太陽高度について、吸い上げる必要性がなく、凝縮液体２５が受光面９の後ろの冷却剤２２の容器に戻るように、パイプ２４の軸の全てが受光面９の最上部を通り越す。この冷却方法は例証的にすぎず、液体２２を外部ラジエータに送出することによるもの等の、他の冷却する手段を使用することができることを理解されたい。図２における図示の目的で、発電機４は、支柱２６によって放物面焦点２８を中心とする球体を伴って担持され、電池１５によって生成される電気は、他の場所で使用するために電気を取り出し、伝達することができるように、支柱２６に取り付けられ得るワイヤまたは導体２７に結合される。発電機４のための代替的な好ましい支持は、図１に示されるような、羽根３８への軸柱３９によるものである。図１４および図１５によって図示された好ましい実施形態では、電池１５の間の間隙が小さく、熱伝導基板が、凹面のファセット多面体カップ２０の形である、連続的な薄いシェル２０として統一される。複数の太陽電池１５を携行する、そのような凹面受容器アセンブリの製造方法を以下で説明する。
【００７４】
電池１５の加熱は、光起電性活動領域５１のより高い集光度の縁および角領域において問題となる可能性が低いことに留意されたい。基板における追加局所熱が、太陽光照射または加熱がない間隙領域の中へ横方向に拡散する傾向があるように、基板の厚さは、縁増光の狭い領域の厚さに相当させられる。加えて、図１４および図１５に示されるような、銅張りセラミックを通る冷却液２２への直接短経路は、温度上昇を最小限化する。
【００７５】
セラミックボウル２０の裏側を冷却するために、ヒートシンクまたは熱サイフォン型沸騰が、図２および図１４に図示されるように使用されてもよいが、冷却技術に精通している者にとっては、代替的方法を使用できることが明確となるであろう。強制液体流が、１つのそのような代替案であり、それは、好ましくは、表面積を増加させるように、セラミック２０の裏面の一部として内蔵される密接に離間したフィンまたはロッドとともに実装される。この場合、液体流は、表面における液体２２の高温勾配、したがって液体２２への効率的な熱伝達を保つように、フィンまたはロッドの間に方向付けられる。加えて、以下の第３の実施形態について説明されるような熱伝達の代替案が、概して全ての実施形態に適用可能である。
【００７６】
ボールレンズ５の入射面は、図４０において開放位置で示されている、連接花弁状カバー４２によって保護されてもよい。このカバー４２は、雲が晴れた時にボールレンズ５の表面上で焼かれ得る埃および虫からボールレンズ５を保護するために、太陽が照っていない時に閉じられる。代替として、この実施形態のボールレンズ５は、図２６に図示されるように、透明窓１０１によって保護されてもよい。
【００７７】
（大きい誤指向角の効果）
再結像が、図４ｂに図示されるように、ディッシュ１上の点からの光線と受光面９上の共役との間の１対１の対応をもたらすため、電池１５上の集光された光の強度の安定化が光学設計に内蔵される。これらの光線がボールレンズ５の縁に向かって遠すぎる所に変位されなければ、全ての太陽電池１５が均一に照射されたままである。しかしながら、この安定化は、縁の近くでボール５に入射する、放物面焦点２８における球面レンズ５の中心から遠くに変位された光線については機能停止し始める。そのような大きな光線変位は、所望の放物面からのディッシュ表面１の形状の大きな逸脱により、かつ誤指向および太陽の有限角サイズ等の効果の組み合わせにより、発生する場合がある。
【００７８】
大きい誤指向角の効果は、誤指向角が増加させられる際の配光の詳細を考慮することによって、最も良く理解される。この目的を達成するために、軸外照射に対するボールレンズ５の応答は、特注のレイトレーシングコードでモデル化されている。コードは、１次放物面１、球面ボールレンズ５、および電池１５の前のプリズム窓１１による反射および屈折をモデル化する。モデルはまた、その中心より上側でボールレンズ５を支持し、ボールレンズ５を完全に外れる大きな誤指向角における光線を遮断する不透明な円盤も含む。コードは、ボール５による透過後に、どの光線がどのプリズム窓１１に入射するかを決定し、必要に応じて窓１１の中の複数の内部反射を含む、これらの光線は、電池１５まで辿られる。
【００７９】
誤指向誤差の特徴は、図１６ａから図１６ｈに図示されている。図１６ａから図１６ｈは、次第に大きくなる指向誤差に対応する断面図を描写する。図１６ａから図１６ｈで詳細に示されたボール５の光線の経路は、ｆ／０．５放物面反射器１の直径を横断する所与の点の線から反射された光線３のものである。経路は、示されるように、放物面軸に対する異なる角度（誤指向角）において放物面反射器１に入射する平行光線２についてモデル化される。
【００８０】
軸上照射については、図１６ａに示されるように、光線３は、垂直入射でボールレンズ５に入射および出射し、偏位されず、すなわち、反射器１からボールレンズ５を通って受光面９の上へと直線経路を辿る。図１６ｈに示された軸外照射の極端な場合では、光線のいずれもがボールレンズ５と交差したり、受光面９に到達したりせず、電力出力はゼロまで降下する。所与のボール半径「ａ」および１次放物面焦点距離「Ｆ」について、ゼロ出力に対応する臨界誤指向角δｃは、以下の式によって求められる。
【００８１】
δｃ＝ａ／Ｆ                                                          （５）
図示された場合の臨界角は、δｃ＝１．６５°である。湾曲受光面９における強度は、ボールレンズ５の結像性により、最大で臨界角の半分の指向誤差に対して極めて安定していることが分かるであろう。これらのより大きい角度において、照射の領域は、図１６ｂから図１６ｈにおいて右側に、受光面９に対して中心を外れて移行される。図１６ａから図１６ｈに示された光線の密度によって生じる、受光面９における強度は、左側の縁付近でゼロになる。受光面９を覆う全ての太陽電池１５が個別に直列で電気的に接続され、それぞれがバイパスダイオードを伴う場合は、この縁の周囲の電池１５が十分な電流を失うと、バイパスダイオードの作用によって電流が完全に断絶される。
【００８２】
（誤指向に対する許容範囲を増加させる最適化された電気接続を伴う第２の種類の実施形態）
δｃ／２よりも大きい誤指向誤差に対して発電機の電力損失を最小限化するために、いくつかの好ましい実施形態は、図１６ａ−１６ｈに図示された照射の予測可能な変化を活用することによって、均一な高い電流を維持するための方法で、太陽電池１５からの電気出力を組み合わせる。これらの好ましい実施形態では、並列に電気的に接続された放射方向グループで太陽電池１５の出力が組み合わせられる電気的構成によって、そのような損失が回避される。これらの光学および電気的方策の目標は、個々の太陽電池１５が電力を損失または獲得した時でさえも、太陽電池１５のグループをＩ−Ｖ（電流−電圧）曲線における最大電力点の近くで動作させておくことである。理想的には、典型的な屈曲および誤指向に対する、電池１５または電池１５の並列グループにおける電流の最高対最低の差の広がりは、平均の１０％未満となるべきである。この広がりで、直列に接続されたグループの電流不整合による電力の損失は、２．５％未満である可能性が高い。並列接続を行うことによって、そのような高い性能がより大きい誤指向角に維持されてもよい。
【００８３】
誤指向による電力損失を最小限化するように電気接続を最適化する実施形態は、本発明の結像光学部の照射の系統的で予測可能な変化を活用する。図１６ｄ、図１６ｅ、および図１６ｆに図示されるように、誤指向角がδｃ／２を超えると、（左側の）縁の電池１８０が電力を失う一方で、中心により近い、隣接する電池１８１および１８２における集光度の付随する増加がある。電池１８１および１８２について、強度は、軸上照射の強度さえも超えてもよい。したがって、並列グループの１８０、１８１、および１８２等の電池の放射方向に配向されたグループを接続することによって、電池電流差が空間的に平均化される。次いで、図１６ｅおよび１６ｆにおける左側の放射方向グループの平均電流は、図１６ｄ、図１６ｅ、および図１６ｆにおける受光面１８３、１８４、および１８５の反対の右側の電池の半径方向平均と同様であり、照射は縁へと（および縁を超えて）継続するが、図１６ａに示されるように、軸上照射よりも低いあらゆる場所にある。電池１５の放射方向グループに物理的に位置するこれらの（並列に電気的に接続された）電池１５のグループは、次に、誤指向に対して比較的非感受性である全電力出力のために、図１７に図示された方式で、方位角方向の周囲で直列に電気的に接続される。
【００８４】
図１７では、電池１５は、円によって概略的に表されている。明確にする目的で、図面では電池のうちのいくつかのみに参照数字が提供されている。そうでなければ照射されていない電池１５が発電機からの電流によって損傷される場合があるため、バイパスダイオード３０は、電池１５が十分に照射されていないときに伝導性を提供する。電池１５とバイパスダイオード３０との間の接続は、内側銅層に形成されたトレース１７および１８を伴うプリント回路によって行われてもよい。
【００８５】
本実施形態によれば、受光面９にわたる電池１５の好ましい張付けパターンは、誤指向の増加した範囲にわたって全て実質的に同じ電流を生じる、放射方向グループ化を提供するものである。太陽電池１５のそのような張付けは、円形放物面反射器１の場合については直接的であり、ボールレンズ５によって円形周囲を伴う受光面９に結像される。
【００８６】
電池電流差が空間的に平均化されるように、放射方向に配向されたグループで並列に太陽電池１５を接続するという原則は、図１３ａおよび図１３ｂの斜視図で示された照射強度の詳細を参照して、より良く説明され得る。図１３ａは、軸上照射に対するものであり、図１３ｂは、１度の軸外の照射に対するものである。図示されたシステムの臨界角は、θｃ＝１．６５°である。これらの図では、プリズム窓１１の面１２において２次反射器から出射する光は、黒いドットの分布として示されている。ドットは、均一で準無作為の空間分布を伴う面６５（図８）における光線２としてシステムに入射した、１次反射器１によって反射された光線３の出射点を表す。したがって、図１３ａおよび１３ｂのドット密度は、プリズム出射窓１２の真後ろに位置する光起電性電池領域５１を照射する、太陽放射の集光度を表す。
【００８７】
外側リングからの１つの電池２５０、中間リングからの１つの電池２６０、内側リングからの１つの電池２７０は、放射方向に配向されたグループを形成する。この放射方向に配向されたグループの電池２５０、２６０、および２７０は、電池電流差が空間的に平均化されるように、並列に電気的に接続される。同様に、太陽電池２５１、２６１、および２７１は、並列に電気的に接続される、放射方向に配向されたグループを形成する。同様に、太陽電池２５２、２６２、および２７２は、並列に電気的に接続される。同様に、外側リングの中の電池２８０は、中間リングの中の電池２８１および内側リングの中の電池２８２並列に接続される。これらの電池のグループは、順に、方位角方向の周囲で直列に電気的に接続される。例えば、電池２５０、２６０、および２７０の第１のグループは、電池２５１、２６１、および２７１の第２のグループと直列に電気的に接続され、第２のグループは順に、電池２５２、２６２、および２７２の第３のグループと直列に電気的に接続される、等である。
【００８８】
図１３ｂでは、外側リング上の電池２８０、およびそれに隣接する他の電池は、トラッカーによる１度の指向誤差により、完全には照射されない。同じ放射方向グループの中にある３つの電池２８０、２８１、および２８２に対する、この誤指向の効果を考慮すると、電池２８０が少ない照射を受光する一方で、電池２８１上の照射と、ある程度は電池２８２上の照射とは、図１３ａに図示された円周におけるそれぞれの電池によって受光される照射と比較して、より強力である。電池２８０、２８１、および２８２が並列に接続されるため、電池２８０、２８１、および２８２によって生成される電流が合計される。次いで、部分的に照射された電池２８０からの少ない電流は、電池２８１が受光する照射の増加した強度により、電池２８１からの増加した電流に追加され、ある程度、増加した電は電池２８２によっても産生される。したがって、電池２８０からの電流の低減は、電池２８１および電池２８２からの増加した電流によって相殺される。正味の効果は、電池の全体的な電気出力が、一連の指向誤差にわたって平均化または円滑化されることである。したがって、この太陽電池１５の配設は、反射器１を太陽に向けるために使用される２軸トラッカーによる指向誤差の拡張範囲にわたって機能し続ける、発電機４を提供する。
【００８９】
図１３ａは、明確にする目的で、配設の中心に位置し得る太陽電池１５を省略している。円対称の実施形態の太陽電池１５の電気接続は、図１７に図示された配線図で概略的に示されている。この実施例では、電池の２０個のグループが直列に接続されている、２０個の台形太陽電池の３つのリングがあり、各放射方向グループは、並列に接続された３つの電池を有する。直列鎖はまた、動作中に、発電機４、熱および構造２４および３９による中心掩蔽を可能にするようにサイズ決定される、図１３ａに示されていない５個の電池の中心グループも含み、並列に接続された中心グループは、放射方向電池グループと同じ電流を発生させる。
【００９０】
電気並列合計の平均が、図１８ａ、図１８ｂ、図１８ｃ、および図１８ｄで、円形１次鏡とともに使用するための特定の発電機の実施形態について定量的に図示されている。種々の軸外角度で入射する光線について、各電池１５によって受容された光起電性電流の依存性を導出するために、光線の統計値が使用された。モデル化されたシステムは、図１６ａ−図１６ｈにおいて断面で図示された具体的実施形態と同じパラメータである、円形ｆ／０．５放物面反射器１と、臨界角θｃ＝１．６５°とを有した。発電機は、図１３ａに示されるように、２０個ずつの電池の３つのリングとしてモデル化される。電池の３つのリングによって覆われる放射方向範囲は、図１６ａから図１６ｈに示される通りである。太陽は、１／２度の直径の均一な放射源としてモデル化された。６０個全ての電池の個々の電流は、軸上と、０．５°から１．２５°までの０．２５°間隔の軸外角度とに配置された、この放射源について計算された。
【００９１】
図１８ａ、図１８ｂ、図１８ｃ、および図１８ｄに示されたグラフでは、６０個の十字形が、６０個の電池のそれぞれからの電流（縦軸）を示す。電流は、方位角（横軸目盛）の関数としてプロットされている。図１７で概略的に示されるように、一緒に電気的に配線された電池１５の２０個のグループからの電流が、図１８ａ、図１８ｂ、図１８ｃ、および図１８ｄに図示されたヒストグラムグラフに示されている。全ての太陽電池１５について平均化された電力は、水平鎖線として示されている。全ての流束は、軸上値に正規化されている。
【００９２】
図１８ａ、図１８ｂ、図１８ｃ、および図１８ｄは、誤指向角が臨界角の半分を超えて増加させられる際の放射方向／並列電気接続の利点を図示する。例えば、全ての電流の平均（鎖線）が９４％に低減される、１°（０．６１θｃ）の誤指向角において、個々の電池電流は、それらの軸上レベルの４５％から１２０％まで幅広く広げられるが、放射方向に平均化された電流は、わずか約８５％から１００％までのはるかに小さい範囲にわたって変動する。従って、並列の３つの電池の放射方向グループの直列接続は、軸上電力の９０％以上であり、各太陽電池１５がその最大電力点で操作された場合には最大可能値の数パーセント以内である、システム電力を生じる。放射方向に合計された場合では、所与の誤指向角における強度の変動は、大部分が１次反射器のｆおよびθｃの焦点比の関数であり、電池１５のリングの数とは本質的に無関係であることに留意されたい。
【００９３】
（実質的に正方形の１次反射器とともに使用するための放射方向平均化を伴う第２の種類の実施形態）
この実施形態では、誤指向公差を改善する放射方向平均化の原則が、切り取られた角を伴う正方形の形の突出した入射開口がある、図１に図示されるような１次反射器１とともに使用するための発電機４に適用される。この実施形態では、受光面９のより複雑な張付けが、並列接続のためのほぼ放射方向の配向の電池１５のグループを提供する。図１９は、そのような好ましい張付けを図示する。この場合、受光面９上に結像される１次鏡１は、全正方形領域の９４％を残す切断角を伴う正方形である。図示された実施例では、焦点比は、正方形の辺から辺まで測定するとｆ／０．５であり、切り取られた角から切り取られた角まではｆ／０．４である。この受光面の例証的な張付けでは、整合した総屈折力の放射方向グループは、（正方形の辺の中心までの）より短い半径のグループの縦間隔を作ることによって達成される。図１９を参照すると、タイル２０４、２０５、および２０６上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。タイル２０７、２０８、および２０９上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。同様に、タイル２１０、２１１、２１２、および２１３上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。したがって、等電力に対する太陽電池のグループ化は、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９および２１０、２１１、２１２および２１３である。実質的に同じ電力は、電池に送達される太陽放射の量に基づいて、３つの八角形の電池２０１、２０２、および２０３によっても生成される（第４の中心の八角形領域２００は含まれず、好ましくは、ヒートパイプアセンブリ４５によって覆い隠され、総受容電力の約１％を失うため、いずれの太陽電池もその領域中で加工されない）。この非円形対称の構成の実施例では、図１３ａに示された円形幾何学形状よりも４倍多い、１６個の異なるプリズム窓１１および電池１５の形状が製造されなければならない。非常に大規模の大量生産では、この追加多様性が価格を有意に増加させるべきではない。
【００９４】
円形および正方形の切り取られた放物面に由来する、受光面９の張付けについて上記で挙げられた実施例は、単に例証的であることが明白となるべきである。満足できる性能を提供する、他の張付け幾何学形状が、任意の特定の集光器の幾何学形状によって生じる受光面の寸法に応じて、上記の実施例で例証される原則に従って考案されてもよい。発電機４は、球面レンズ５の半径、ならびに使用される太陽電池１５の最適サイズおよび集光度の好適な選択によって、サイズ、形状（例えば、六角形）、および放物面１の焦点比、ならびに放物面焦点距離の比Ｆ／ｂに関して異なる１次反射器１からの集光された光に適応するように構成されてもよい。任意の特定の場合において、上記で例証される実施例のように、同じ電流を産生する放射方向グループ化を提供する張付けが好まれる。
【００９５】
（２次反射器とともに使用するための多重接合電池の最適化）
２次反射器を使用する、本発明のこれらの実施形態の太陽電池１５は、好ましくは、電池１５の間の空間と、反射器によって提供される予測可能な非等方性照射との両方を活用することによって、非常に高い変換効率のために最適化される。最適化は、本発明の独自の照射および幾何学的特性を利用することによって、高い集光度にもかかわらず、抵抗またはジュール損失を最小限化する。電池１５はまた、好ましくは、２次反射器の台形出力面に正確に整合するように、異なるサイズの台形または多角形の形で特注される。
【００９６】
図２０は、抵抗損失を最小限化するように適切化された光起電性活動領域５１を伴う電池１５の特徴を図示する。抵抗損失は集光度Ｃの２乗として増加し、十分に冷却された太陽電池１５については、これらの損失は集光度に極限限界を設定する。隣接する電池１５の光起電性活動領域の全ての辺の周囲のプリズム窓１１によって作成される空間を活用して、電池１５の全周囲に延在する縁母線３７が使用される。光の損失をもたらすため、この実施形態（上記で説明される本発明の第１の実施形態に関して）のプリズム窓１１の便益を伴わずに構築される、密接に詰められたアレイで使用される電池１５では、全周母線３７は望ましくない。しかしながら、これは、電池１５の面にわたって光起電性電流を運ぶ細い接触ワイヤ７０が、示されるように角度を成し、太陽電池１５の全側縁の周囲の母線３７のうちの最も近いものに直角に接続するために、この実施形態の電池１５にとって極めて好ましい。この構成は、平均ワイヤ長、したがって、電池１５の光起電性活動領域５１にわたって概略的に示された接触ワイヤ７０を構成する細いワイヤ７０の抵抗および抵抗損失を最小限化する（実践では、グリッド線は説明図に示されるよりも密接に離間する）。図示された母線３７およびワイヤ構成は、光の強度が電池１５の光起電性活動領域の縁付近において強力であるこの実施形態において、ジュール損失を最小限化するために特に好ましい。縁の増光が、陰影ドットの密度によって、図６ｂおよび図２０において軸上照射について図示されている。薄い陰影は、縁から離れた最低集光度を示し、角における濃い陰影は、プリズム窓１１の両方の隣接辺から電池表面に光が反射された場合に生じる、最高集光度を示す。
【００９７】
縁の増光（および対応する中心調光）を伴う照射という、これらの条件下で、全てのより明るい領域からの電流は、より短距離で縁母線３７へと各ワイヤを流れる。その結果として、２乗された局所電流に比例する点ごとのジュールまたは抵抗損失は、電池の反対側の縁におけるわずか２本の母線の間に及ぶ平行ワイヤを伴う、典型的な電池配線と比較して、さらに低減される。したがって、そのような電池は、本発明に最適ではなく、本明細書で説明されるような新しい種類の太陽電池１５が好まれる。
【００９８】
抵抗損失のさらなる低減のために、活動電池面および縁母線３７にわたる、異なる細い電流通過ワイヤ７０の幅および高さ（厚さ）は、好ましくは、接触ワイヤ７０によるジュール加熱および光学的掩蔽による複合損失を最小限化するよう最適化される。ワイヤグリッド要素は、好ましくは、内側に傾斜した反射面によって反射された光による遮蔽を最小限化する一方で、同時に抵抗損失を最小限化するよう、幅が狭く、高さが拡張された、長方形の断面を伴って作製される。本発明によれば、縁から反射された光は、一般的に、周囲母線に電流を伝導する金属グリッドの細い指状部分の方向に沿って投影し、したがって、影をほとんど落とさないため、直接および縁反射光の両方により、母線３７付近のワイヤによって落とされる影が最小限化される。したがって、好ましい電池設計は、抵抗損失を増加させることなく、ワイヤ掩蔽および遮蔽による光学的損失の低減のために、ワイヤの太さの幅に対する通常より大きい比を含んでもよい。そのような設計最適化は、従来の非結像ホモジナイザーに典型的である、等方的に分布した入射角には可能ではない。
【００９９】
要約すれば、浅いプリズム窓１１の形の２次反射器を伴う、第２の種類の実施形態は、電池１５の間の非感光性間隙を排除することによって、第１の種類の実施形態よりも１０％以上多くの電力を生じる潜在能力がある。プリズム窓１１の全潜在能力は、好ましくは、誘電体境界損失を効果的に排除するよう、および出射面１２における全反射に失われる光を排除するよう、窓１２の裏と電池１５との間の結合媒体の使用によって実現される。出射面１２における全反射によって設定される幾何学的制約を以下に挙げる。
【０１００】
上記で説明されるような放射方向に配向された電池１５の並列ビニングには、誤指向公差を改善する潜在能力があるが、現在、多重接合電池については、各並列グループにおける全電流は、約２０アンペア以下までの絶縁破壊の可能性によって制限され得る。したがって、２０個の並列グループを伴う、図１３ａに示されるような実施形態については、全電力は、１ｋＷに制限され得る。これは、それぞれ２．５Ｖの電池電圧および２０Ａの電流で動作する、２０個の放射方向グループに対応する。したがって、この実施形態による発電機は、そのように制限された場合、３３％の全体的変換効率を想定した、３ｍ２より大きい収集領域の１次反射器１とともに使用するのに不適切となる。今後の製造改良が電池の絶縁破壊に対する電流制限を増加させれば、より大きい反射器領域が、図１３ａの実施形態に適応されてもよい。代替として、より多数のより狭い放射方向スポークを使用することによって、より高電力の発電機４が構築され得る。
【０１０１】
（第３の種類の実施形態）
正方形の放物面１次反射器１とともに使用するために極めて好まれる、この種類の実施形態は、正方形の電池１５上の集光度の均一性について最適化され、かつ図７に示されるように最高均一性の点３００付近で動作する、図５ｄおよび図６ｄに図示されるようなほぼ正方形の２次反射器を組み込む。正方形の１次反射器１の受光面における像に適合する２次反射器は、好ましくは、図９ｂに図示された張付けパターン等の、各タイルにおいて等電力を生じるｎ×ｎの正方形張付けパターンに従って配置される。
【０１０２】
この実施形態の最も重要な特徴は、深いプリズム窓１１の形の２次反射器による実装を示す、図２１によって図示されている。反射の幾何学的形状は、縁の反射光が太陽電池１５の全面積を本質的に覆うように選択される。これは、プリズム窓１１の４つの縁のそれぞれからの反射７が窓１１の出射面１２の中心に到達するように、側面の傾斜角１３の適切な選択と組み合わせられた、窓１１の厚さの大幅な増加によって達成される。結果は、比較的高い均一性、窓１１の入射面１０の寸法の半分よりもいくらか大きい窓１１の出射面１２、および約３倍の集光度の増加である。図２１の説明図では、電池１５は、支持骨格枠組み３５の中でセラミック基板２０上に載置され、沸騰液２２によって冷却される。
【０１０３】
この実施形態による発電機４の極めて好ましい実施形態の主要な光学および電気要素が、図２２の斜視図でより詳細に示されている。これは、ボールレンズ５と、ここでは鏡面フレーム４５の形で示された、ほぼ正方形の２次反射器の後ろに配置された複数の正方形の太陽電池１５と、バイパスダイオード３０とを示す。全ての他の構造は、図２２では明確にするために省略されている。受光面９の周囲に設定された２次集光反射器４５は、集光された太陽光３の光線を太陽電池１５に反射させる。太陽電池１５は、２次集光反射器４５の真後ろに位置付けられ、太陽放射３を電気に変換する。均一性のために必要とされる深い２次反射器は、隣接する太陽電池１５の間に大きな間隙を開け、その場合、この実施形態では、電池１５への光学入力または電気および熱出力のいずれか一方を妨害することなく、バイパスダイオード３０および相互接続配線がごく接近して位置する。複数の太陽電池１５は、各電池１５によって産生される電力を、発電機４からの電気の全出力に組み入れるように、電気的に接続される。２次集光反射器出力４６は、好ましくは、図示された実施例のように、平坦な太陽電池１５を受け取るように構成される。
【０１０４】
本発明によれば、正方形の放物面反射器１とともに使用される発電機４における２次反射器４５は、反射器上に投影される、ボールレンズ５によって形成された同一の正方形の像として、図１０ｂに図示された受光面９の分割として成形された入射開口４７を伴って作製される。このようにして、２次反射器の入射口４７が、それらの間にナイフエッジを形成しつつ、凹面の受光面９で途切れなくタイル状になり、そのため、表面９に到着する全ての光は、それらのうちのどれか１つに入射する。そのような張付けにおいて、入射口４７は、ほぼ正方形であるが正確には正方形ではない。各種類４つずつ、２０の異なる個々の反射器の種類が、９×９アレイ（中心の１つが欠落している）の中の８０個の２次反射器のアセンブリに必要とされる。図２３は、２０の異なる種類を平面図で詳細に示す。サイズの違い、および正方対称性からのわずかな逸脱を最も明確に図示するために、図２３では、反射器は、電池が同一平面上にあり、中心が規則的な正方形グリッド上にある状態で、分離されて面を上にして配置されているように見えるように、全て同じ縮尺で描かれている（完全な一式の８０個の反射器は、Ｏと印付けられた起点の周りに９０度の間隔を置いて、図２３に図示された一式を時計回りに置くことによって図示される）。左下に描かれた反射器５１０および５１１は、光軸に最も近いが、極限対角の反射器５４４は、右上に示されている。各反射器内の中心に示された、より小さい正方形は、出射開口４６を表す。これらは、好ましくは、出射開口４６のごくわずかに後ろで離間して設定される、照射された電池１５の正方形の光起電性活動領域に整合するよう、厳密な正方形に作製される。したがって、２次反射器の４つの鏡面のそれぞれは、図２３に図示された正方形の上方境界および厳密な正方形の下方境界からわずかに外れて、精密に一致するようにわずかに歪曲される。このわずかな歪曲により、電池１５に送達される照射のパターンは、図６ｄの説明図からわずかに修正される。図２４は、強度がドット密度によって表される、軸上照射に対する２次反射器５４３の出力束の計算を図示する。出射開口４６における出力束の標準偏差は１６％と計算され、図７で３００と印付けられた、正方形の入射口および正方形の出射口の理想的な場合についての１３％標準偏差よりもわずかに大きいだけである。
【０１０５】
（第３の種類の具体的実施形態の詳細）
図２５および図２６の斜視図は、図２２による実施形態を包囲する主要な構造的構成要素を示す。図２５は、正方形の放物面１次反射器１の焦点付近で動作するために位置付けられる、発電機４を示す。図２６は、明確にするためにいくつかの構成要素が断面図で示されている、密閉エンクロージャ１１０内の図２５の発電機４を詳細に示す。１次反射器１からの光線３は、発電機４、ボールレンズ５、２次集光反射器４５、および太陽電池１５の主要な要素が位置する、密閉空洞１１０内への窓１０１を通って発電機４に進入する。入射窓１０１の目的は、ボール５に入射する高度に集光された太陽光によって解離または着火され得る、汚染物質による汚染に対してボールレンズ５の表面を保護することである。入射窓１０１は、ボール５の中心から離れるように、放物面の焦点距離の１／１０から１／３の距離を置いて位置付けられるため、窓表面における太陽光の集光度は、１０〜１００の範囲内である。密閉エンクロージャ１１０によって得られる保護を活用して、ボール５および入射窓１０１の内面は、好ましくは、漸減屈折率型の反射防止被覆で被覆される。そのような被覆は、全ての太陽のスペクトルにわたって極めて効率的であるが脆弱であり、露出されると、揮発物および繰り返しの清掃によって損傷される。図２６に図示されたもの等の保護環境内では、被覆はきれいなままとなり、窓１０１およびボールレンズ５を横断する光線３が遭遇する３つの内面のそれぞれについて、太陽のスペクトルにわたって平均化された反射損失を約１％に制限する。
【０１０６】
窓１０１の外面は、好ましくは、繰り返しの清掃に耐えるように、硬質誘電材料の頑丈な反射防止被覆で被覆される。窓１０１は、好ましくは、Ｓｃｈｏｔｔ  Ｂ２７０等の低損失ガラスでできている。これらの措置により、窓１０１のみを通る透過率が約９７％になると見込まれてもよく、窓１０１とボールレンズ５とでは約９４％である。発電機４に送達される合計の約３％になる、窓１０１によって反射される太陽光エネルギーが、１次反射器１の頂点の近くの焦点に方向付けられるように、窓１０１は、好ましくは、双曲面形態で作られる。次いで、付加的な太陽電池１５を伴う発電機４の拡張が、この光から付加的な電気を作製するように頂点付近に位置する。
【０１０７】
入射窓１０１は、好ましくは、そうでなければ発電機出力に寄与し得る、軸上または軸外光線３を遮断しないように十分大きい、図２６に示されるような正方形の周囲形状を有する。好ましくは、第２の窓１０９が、発電機４を包囲する密閉エンクロージャの太陽に対面する側に含まれ、１次反射器１への経路で、入射太陽光線２が発電機４のそばを通り過ぎることを可能にする。密閉エンクロージャ１１０の構造は、太陽への任意のトラッカー配向における過熱を防止するように白く塗られる、２つの窓１０９および１０１を連結する実質的に正方形の側壁１０２を含む。エンクロージャ１１０の側壁１０２は、好ましくは、遮蔽を最小限化するように、薄く、光軸に一致している。図２２に示された発電機のコア要素は、上側でフランジ１０３から支持され、側壁１０２もまた、フランジ１０３からのブレード１０４によって支持される。フランジ１０３は、好ましくは、図２５に示されるように、上側から、軸方向圧縮管１０５から担持される。この実施例では、圧縮管１０５は、１次反射器１への光路の外側で、支持点１０７からの引っ張られた細いベーン１０６によって担持される。図１６ｇおよび図１６ｆで図示されるように、１次反射器１からの集光された太陽光が大いに誤った方向に向けられ、ボールレンズ５の片側を通る時に、加熱を最小限化するために、ボールレンズ５は、好ましくは、その赤道より上側の緯度の線の周囲でボールに切り込まれた溝１１２と一致する、銀めっきされた中空の水冷支柱１１３によって支持される。図２５では、１次光路の外側に載置されたラジエータ１０８に、強制対流で発電機から全ての熱を運び去るように、引っ張られた支柱１０６の陰になっているパイプ１１１に沿って送出される、冷却液が示されている。
【０１０８】
好ましい実施形態における２次反射器４５は、反射基板の反射率を増加させる薄い銀被覆を伴う、鏡面フレームとして作製される。この被覆は、シリカまたはチタニア等の誘電材料の薄膜によって保護されてもよい。銀被覆は、好ましくは、高度に研磨された表面を伴うマンドレルからの複製によって、好ましくは、平滑な基板上に携行される。マンドレルの材料は、好ましくは、歪曲ラップ盤の中心付近での回転を伴わない軽擦によって、ラッピングおよび研磨される。研磨ラップ盤のｘ−ｙ面にわたる表面は、好ましくは、式ｚ＝ｋ（ｘ２−ｙ２）によって求められ、「ｋ」は正しい歪曲偏角を求めるように適切に選択される。電鋳によって作製されるマンドレルの薄い金属レプリカは、その間の接着剤で２つを噛合させることによって、整合する雌型フランジ付き基板に移送されてもよい。典型的には、金属レプリカは、わずか数ミクロンの厚さとなり、接着剤の厚さは、基板とレプリカとの間の間隙を引き起こす、基板の寸法誤差に適応するのに十分である、約１０ミクロンとなる。接着剤が設定されると、レプリカが取り付けられた状態で基板が除去される。接着剤および基板の両方は、好ましくは、熱伝導性材料で作られている。
【０１０９】
図２７は、内蔵載置フランジ１２０を伴う２次反射器４５を詳細に示す、斜視図である。発電機４に対する２次反射器４５用の全アレイは、冷却パイプ１２３を伴う凹面枠組み１２２の中に設置される、個々の複製２次反射器から組み立てられる。２次反射器４５によって吸収される太陽光束からの熱は、フランジ１２０を通り、パイプ１２３を通して送出される冷却剤の中へ伝導される。反射器は、入射開口の周囲に斜面１２１を伴って作製され、光線７の損失を回避するように、隣接する反射器がナイフエッジで交わることを可能にする。反射器４５はまた、反射器４５と後方で密接して離間した電池１５との間で放電を回避するように、出射開口４６の周囲に丸みを帯びた縁を伴って作製される。反射器４５のフランジ１２０は、熱界面媒体（ＴＩＭ）を用いて、支持枠組み１２２のほぼ正方形の穴１２５の周囲に作製される座部１２４に一致するように作製される。発電機４用の２次反射器４５の凹面アレイを支持し、冷却する構造１２２が、図２８の斜視図に図示されている。冷却液は、穴１２５の中に載置される２次反射器４５を通り過ぎるパイプ１２３へと分岐するパイプ１２６を通って進入する。冷却液２２は、収集され、パイプ１２７を通って退出する。完全な２次反射器アセンブリは、好ましくは、出力４６が電池１５から１ｍｍ未満離間した状態で、冷却された電池の全凹面アレイから分離している構造として作製され、発電機４の残りの部分から電気的に絶縁され、太陽電池１５の平均電位に等しい電位で操作される。
【０１１０】
代替的な実装では、２次反射器４５は、好ましくは、非常に低い吸収度のガラスのプリズム窓１１として作製され、したがって、透過させ、反射させる光による加熱を回避する。ガラスも電気絶縁性であるため、入射面４７に触れるプリズム窓１１は、屈折率整合結合材によって電池１５の面に個別に取り付けられてもよい。このアプローチは、潜在的により高いスループットを有するが、歪曲した研磨側面を伴う、高度に透過性の反射材料のプリズム窓１１の製造および組立は、高価となり得る。また、屈折率整合結合剤には、所望の高い集光レベルで十分に長い寿命がない場合がある。
【０１１１】
（凹面張付けのための切り欠き受容器アセンブリ）
この第３の種類の好ましい実施形態は、図２２に図示されるように、電池１５に隣接してバイパスダイオード３０を配置するように、比較的深い２次反射器４５によって太陽電池１５の間に開けられた比較的広い間隙を活用する。空間は、２つの方法で役立つために使用される。１つは、４つ全ての辺の上に母線３７を提供し、それにより、以下で説明されるように高集光度での電池１５内部の抵抗損失を最小限化することによって、性能を改善するために、電池１５の全体的サイズを増加させることである。もう１つは、それぞれ電池１５と、電池１５のそばにあり、片側プリント回路によって接続される、最大で２つのバイパスダイオード３０とを携行する、小型の事前に組み立てられた平面的な受容器アセンブリ７８の使用によって、電気アセンブリを単純化するための空間を使用することである。個々の受容器アセンブリ７８は、図２９に図示されるように、２次反射器４５の凹面アレイの後ろにある全凹面受容器アレイの中で密接して嵌合するように、バイパスダイオード３０を携行する耳部と、隣接部の耳部を取り除く切り込みとを伴って、特別に成形される。受光面９の全幅にわたって８個の２次反射器４５の列の後ろに位置する、８個の受容器アセンブリ７８の斜視図が、図３０に図示されている。単一の受容器アセンブリ７８の詳細が、図３１において斜視図で示されている。太陽電池１５およびその隣接するバイパスダイオード３０は、単純で平坦な熱伝導性片側回路基板８０上に携行され、回路はセラミック基板上の直接接着銅１７および１８の中に形成されている。電池１５、ダイオード３０、および相互接続リンク８５は、はんだによって回路基板８０に取り付けられる。電池母線３７からの電流は、相互接続部１９によってトレース１８に運ばれる。本発明のこの実施形態の受容器アセンブリ７８は、好ましくは、いくつかの特殊な特徴を組み込む。
【０１１２】
＊２次反射器４５によって設定される幾何学的制約内で嵌合するために、各アセン
ブリ７８は、それが携行する太陽電池１５の活動領域のわずか３倍の活動領域を伴
って作製される。
【０１１３】
＊アセンブリ７８には、最大で２つのバイパスダイオード３０および切り込み８２
を携行するように耳部８１が提供されるため、それらの隣接部と密接して嵌合する
ことができる。
【０１１４】
＊湾曲凹面上で嵌合するために、受容器アセンブリ７８は、それらが携行する電池
１５のように、同じ一般形状であるが、異なるサイズで作製される。
【０１１５】
＊各アセンブリは、好ましくは、角が同じ電位において対角線上で対向している状
態で、４つ全ての角８３および８４において利用可能な電気接続を伴って作製され
る。各アセンブリ７８上で適切な２つの角を選択することによって、非常に低い抵
抗の非常に短い接続のみが、１つの電池１５の角８３および８４のそれぞれを隣接
する電池１５の隣接角に連結することによって、太陽電池１５の間で直列接続を行
うために必要とされる。
【０１１６】
＊各アセンブリ７８には、各角に１つずつ、４つの載置穴８６が提供される。
【０１１７】
受容器アセンブリ７８および製造順のさらなる詳細は、図３２に示された分解図を参照して理解されてもよい。下位レベルは、アルミナ、窒化アルミニウム、またはベリリア等のセラミックでできており、直接接着銅（ＤＢＣ）の中に作製されたトレースを伴う回路側に向いた、回路基板８０を示す。トレースにはんだ付けされる要素は、上位レベルに示された集光太陽電池１５およびバイパスダイオード３０と、中間レベルに示された電気接続８３、８４、および８８によって提供される架橋である。基板８０は、２つの対辺上で突出する長方形の耳部８１と、他方の２つの辺に切り込まれた長方形の切り込み８２とを伴う、四角として成形される。耳部８１および切り込み８２は、図２９に図示されるように、基板８０が凹面チェッカーボードパターンでジグソーパズルのピースのように嵌合するように構成される。正方形の中心が電池１５の下にある、ＤＢＣ銅トレース１７は、基板８０の２つの対向角８９の中へ延在する。２つのエッチングされた分割線８７は、基板８０の他の２つの角８８へと延在する２つのＬ字形縁トレース１８から、電池基部１７を電気的に分離する。２つのＬ字形縁トレース１８は、大部分が正方形の電池基部１７を包囲し、角８８を接続するように各端においてはんだ付けされる低抵抗ブリッジ８５によって電気的に接続される。バイパスダイオード３０は、基部１７およびＬ字形縁トレース１８を架橋するように基板にはんだ付けされる。銅タブ８３および８４は、太陽電池１５の間で直列接続を行うように、それぞれ、角８９および８８にはんだ付けされる。太陽電池１５の正および負の出力は両方とも、２つの対角線上で対向した角において利用可能である。穴８６は、機械的取付のために、基板８０の４つ全ての角を通して、かつはんだ付けされた電気接続８３、８４、および８８を通して提供される。好ましくは、図３２の分解図に示された受容器アセンブリ７８の全ての要素は、好ましくは、銀／スズ共晶はんだにより、１つの加熱サイクルの中で一緒にはんだ付けされる。後に、溶接された相互接続部１９が、受容器アセンブリ７８を完成させるように、電池母線３７とＬ字形トレース１８との間に作製される。
【０１１８】
ファセット銅カップ９０への受容器アセンブリ７８の取付、および２つのアセンブリ７８の間の電気的直列相互接続の詳細が、図３３の断面図および図３４の斜視図に示されている。各受容器アセンブリ７８は、角穴８６を通り、止まりネジ穴９５の中へ通過するネジ９２によって、支持ファセット凹面銅カップ９０に締結される。熱が基板８０とカップ９０との間の間隙を横断して伝導されるために、間隙は、銀装填グリース等の熱界面媒体（ＴＩＭ）９１で充填される。ネジ９２は、座金９３および柔軟エラストマー材料を通して、またはベルビル座金等の何らかの他の弾性要素を通して、受容器アセンブリ７８およびＴＩＭ９１に軸方向圧縮を印加する。エラストマーグロメット９４は、低い熱膨張係数の受容器アセンブリ７８と、より高い膨張係数を伴う銅カップ９０との間で、横方向の剪断移動を引き起こす、反復熱サイクリングに対して中心に位置したままとなるように、受容器アセンブリ７８を拘束する働きをする。いったん受容器アセンブリ７８がネジ留めされると、隣接する受容器アセンブリ７８の間の直列接続が、１対のタブ８３および８４の間のはんだによって行われる。はんだ付けされたタブ８３および８４の屈曲形状は、隣接する受容器カードの間の膨張差による疲労への耐性を提供する。図３５は、８０個の受容器アセンブリ７８の直列接続が、（欠落した中心アセンブリにわたる１本のワイヤの付加を伴って）隣接するタブを単にはんだ付けすることによって行われてもよい方法を示す、概略配線図である。
【０１１９】
受容器アセンブリ７８が取り付けられる凹面銅ボウル９０は、好ましくは、図３６に示されるように、個々のアセンブリ７８を受容するように成形される、平坦なファセット９７を伴って加工される。ファセット９７にはそれぞれ、受容器取付ネジ９２を受容する４つの止まりネジ穴が提供され、２次反射器４５の出射開口４６から送達される集光束を受光するように、正しい配向および位置で受容器アセンブリ７８を担持する。この実施形態においてボウル９０を冷却するための好ましい方法は、図２５に図示されるようなラジエータ１０８へポンプによって循環させられる液体２２への熱伝達によるものである。銅からの熱的結合を強化するために、太陽電池１５の真後ろの接触面の面積は、ヒートシンクの方式で、フィンまたはピン等の密接に離間した特徴の中へ形成することによって増加させられ、冷却液２２は、これらの特徴を通って強制的に流される。
【０１２０】
（誤指向に対する許容範囲）
所与の１次反射器１および太陽電池１５における所与の集光度について、誤指向に対する許容範囲、または一般に、１次反射器１からの誤って方向付けられた光線３に対する許容範囲は、少なくとも深い２次反射器４５を伴うこの第３の種類の発電機の実施形態にとって、浅い２次反射器４５および放射方向に詰められた電池を伴う実施形態（第２の種類）と同じくらいであり得る。
【０１２１】
２つの種類は、図３７ａ、図３７ｂ、図３７ｃ、および図３７ｄの光路図で比較される。全ては、同じｆ／０．５放物面１からの光線３を伴って、同じ縮尺で描かれている。図３７ｂおよび図３７ｄは、同じ軸外角度で入射し、１次反射器１上で所与の半径方向距離からの光線のほぼ同じ平均集光度で同じサイズの太陽電池１５に送達される、光を表す。深いプリズム窓１１として図３７ｃおよび図３７ｄに示された、より深い２次反射器４５の場合、２次反射器１１によって生じた集光度の増加Ｃ２がより大きいため、同じ全体的なシステム集光度が、ボールレンズ５の半径を増加させることによって達成される、窓入射１０における集光度を比例的に減少させることによって維持される。
【０１２２】
これらの２つの方策間のトレードオフの本質は、図３７ａ、図３７ｂ、図３７ｃ、および図３７ｄを参照して、より良く理解されてもよい。太陽電池１５における同じ総集光度について、より厚い窓１１を伴うシステムは、より大きい直径のボールレンズ５により、誤指向に対するより高い許容範囲を有し、臨界角θｃは、ボールレンズ５の直径に比例して増加させられる。したがって、説明図では、図３７ｃおよび図３７ｄのボールレンズ５の直径およびθｃは両方とも、図３７ａおよび図３７ｂよりも３０％大きく、θｃは比例して増加させられる。すでに記述されている、より厚い窓１１のさらなる利点は、太陽電池１５の間の接続のための追加空間、および電池１５にわたる集光度の高い均一性である。しかしながら、この改善した性能は、３０％大きく、したがって、より高価な球面ボールレンズ５の代償のもとに成り立つ。
【０１２３】
（第４の種類の実施形態）
この代替的実施形態では、受光面を太陽電池１５に連結する窓１１が、実際には、ライトパイプになるように厚さが拡張されることを除いて、発電機４は、上記で説明されるようなプリズム窓１１を伴う好ましい実施形態と同様である。図３８ａおよび図３８ｂは、大部分は複数の内部反射によって、光線３がライトパイプ１１を通って伝播している、発電機４、ボールレンズ５、ライトパイプ１１の主要な光学要素を示す光路図である。ライトパイプ１１は、受光面９においてすでに均一な光を再形式化する。光は、必要に応じて受光面９で途切れなくタイル状になるように、ほぼ台形または他の多角形の形状を有する入射口１０を通ってライトパイプ１１に入射する。光は、長方形または正方形の出力窓１２を通って出現する。出力は、出力窓１２の真後ろに位置する長方形の電池１５（図示せず）の光起電感受性領域に整合するように調整される。好ましくは、受光面９における入射開口１０の形状は、全てのパイプ１１が同じ電力を受容し、次いで、同じ電力が全て同じサイズおよび形状の出力開口１２に伝播されるように、形式化される。好ましくは、出力開口１２は、出力窓１２にごく接近して配置される太陽電池１５の製造および効率の便宜上、正方形または長方形である。そのような再形式化は、辺のうちのいくつかが歪曲した状態で、拡張窓１１が構築されることを要求する。複数の反射を伴う拡張ライトパイプ１１は、断熱光伝播を提供する。太陽電池１５の出射面における入射角の範囲は、太陽軸上についてはθｓ√Ｃ／ｎ、太陽軸外については（θｓ＋θｏｆｆ）√Ｃ／ｎにほぼ等しい。ここで、θｓは、太陽円盤の半径であり、θｏｆｆは、太陽の軸外角度であり、「ｎ」は、ライトパイプ１１の屈折率である。
【０１２４】
図３８ａおよび図３８ｂは、１０００の集光度を達成し、非常に短い焦点距離ｆ／０．４の円形１次放物面反射器１とともに動作するための発電機４の設計の実施例を表す。受光面９は、図９ｂに示された張付けパターンに対応する、３３６個の等電力のほぼ台形のセグメントに分割される。均一な照射で同一の正方形の太陽電池１５（図示せず、１２の真後ろにある）を照射するように出射開口１２における光を再形式化する、細長いライトパイプ１１を伴う発電機４を通して得られた縦断面図が示されている。図３８ａは、システムを通って伝播する軸上光源からの光線３の詳細を示す。図３８ｂは、同じ図であるが、軸外光源からの入射光線３を伴う。システムは、臨界誤指向角θｃ＝１．９°を生じるボールレンズ５を伴って構成され、ボールレンズ５およびライトパイプ１１による再結像の組み合わせによる幾何学的集光度Ｃは、Ｃ＝Ｃ１Ｃ２＝１１８０によって求められる。これらの図において、太陽からシステムの１次放物面１に進入する光線３は、太陽の中心方向から外れて１／４°半径（θｓ）へ延在し、１次反射器１の全面積にわたってランダムに空間的に分布した、均一な「シルクハット型」角度部分から入射するものとしてモデル化される。図３８ａは、軸上照射に対するものであり、図３８ｂは、１°または０．５３θｃの角度における軸外太陽に対するものである。これらの図において、ライトパイプ１１からの光出力の強度は、ライトパイプ１１に反射して示された光線の数によって表される。この非常に短い焦点距離を有するシステムの実施例について、大部分のライトパイプ１１における照射は、０．５よりもいくらか大きい臨界角度での軸外照射に対して比較的不変である。例証の目的で、２つの特定のライトパイプが、図３８ｂにおいて参照数字１４０および１４２で識別される。図３８ｂで詳細に示されるように、照射は、最も右側のライトパイプ１４０については低く、照射は、ライトパイプ１４２については標準以上である。
【０１２５】
この実施形態の利点は、全ての太陽電池１５が同一のサイズで作製されてもよいことであり、ライトパイプ１１の長さにより、太陽電池１５が十分に離間され、電池載置における電気および熱的課題を単純化する。別の利点は、電池１５の均一な照射が、ライトパイプ１１への伝播に対する複数の反射の効果によって確保されることである。実践では、先述の実施形態における２次反射器４５と比較した長さのため、ライトパイプ１１は、電力損失および集光された光の吸収による過熱を最小限化するために、特に低い太陽吸収度の溶融石英またはガラスから作製されるべきである。
【０１２６】
図９ｂの張付け幾何学形状は、ライトパイプ１１とともに使用するために好適な一実施例にすぎない。代替的実施形態では、ライトパイプ１１の受光面９の外側部分を張付けることによって、図３７ｂに図示された不均一性が、大部分は軽減されてもよく、ライトパイプの入射開口は、図３８ｂのライトパイプ１４０に対応する受光面９の縁からの光の軸外光線を受け取るが、図３８ｂのライトパイプ１４２によって表されるような増加した光束の領域からの光も受け取るように、半径が十分に深い、狭い放射方向部分の形で成形される。このようにして、図１７に図示されるような複数の電池１５の並列接続によって達成される、誤指向公差を改善する放射方向平均化は、代わりに、ライトパイプ１１内の放射方向平均化によって達成される。ライトパイプ１２の出力は、太陽電池１５のよりコンパクトな形状、および受容器アセンブリ７８の使用の便宜性に対して再形式化され、リングの中のバイパスダイオード３０は、照射された受光面９の周囲の外側に位置する。受光面９のそのような張付けは、正方形および六角形ならびに円形の１次反射器１と連動する発電機４のために構成されてもよい。
【０１２７】
（発電機設計原理）
本発明による発電機４は、任意の特定の１次反射器１によって送達される集光された光とともに使用するために設計されてもよい。最適な動作のために、発電機４内のボールレンズ５、ならびに、太陽電池１５およびもしあれば２次反射器４５の構成は、所望の集光度が実現され、電池１５がボールレンズ５によって形成された１次反射器１の像に一致するように選択されることが必要である。像の形状と、それにわたるエネルギーの分布との両方が整合されなければならない。この項では、そのような整合を最適化するために必要とされる関係を提供する。所与のボールレンズ用の受光面における集光された光の特徴は、１次反射器の性質に関係付けられる。加えて、２次反射器を最適化する関係を説明する。
【０１２８】
（所与の１次反射器用のボールレンズの最適化および設計）
ボールレンズ５によって提供される結像の広角度により、受光面９の中心からの距離によって変動する集光度は、半径によって一定ではない。受光面９上の所与の点において、集光度は、軸からの半径ｒにおける１次反射器１の小領域からの反射の詳細を示す、図４４を考慮することによって計算され得る。軸上太陽光線２は、反射器１において入射し、反射器１の点「Ｐ」に中心がある軸に対して垂直であり、投影面積ＤＡを有する領域５７内に閉じ込められる。光線２は、光線３として焦点２８に向かって反射される。焦点２８から振り返って見ると、光線は、入射領域５７の反射像である小領域５８が起源であると思われる。この像は、点「Ｐ」における表面９内においえも中心に位置し、光線３に対して垂直であり、領域５７と同じ面積ＤＡを有する。
【０１２９】
図８および図１１を参照すると、ボールレンズ５によって受光面９上に形成される領域５７の像は、距離比ＰＣ／ＣＳによってサイズが縮小され、したがって、ＤＡｘ（ＰＣ／ＣＳ）２に等しい面積ｄＡを有する。集光度数Ｃ１は、単純にＤＡ／ｄＡ＝（ＰＣ／ＣＳ）２によって求められる。ピタゴラスの定理から、ＰＣ２＝ｒ２＋（Ｆ−ｒ２／４Ｆ）２、およびＣＳ＝ｂであり、したがって、
【０１３０】
【数５】
2011520295.tif 000007
であって、式中、「Ｆ」は、放物面１の焦点距離であり、「ｂ」は、放物面１の焦点２８の周りで同心円状である受光面９の半径である。その結果として、集光度は、表面の中心（ｒ＝０）において最も少なく、Ｃ＝（Ｆ／ｂ）２である。Ｆ／ｂは、受光面９において高い集光度を達成するように大きくなければならず、例えば、Ｆ／ｂ＝２５についてはＣ１ｃｅｎｔｅｒ＝６２５である。ｒ／Ｆ＝２ｔａｎ（θ／２）であるため、式（９）は、以下のように書き直され得ることに留意されたい。
【０１３１】
【数６】
2011520295.tif 000008
原理において、発電機４は、大きい半径の球面レンズ５の使用によって、大きい焦点比ｆ（ｆ＝Ｆ／Ｄ＞＞１）の長い放物面１の焦点２８において使用するために、高い集光度を伴って構築することができる。そのようなシステムは、実質的に平坦な受光面９にわたって均一に近い集光度を生じる。しかしながら、実用的なシステムについては、ボールレンズ５の直径は、好ましくは、ボールレンズ５の質量、したがって、システムの単位太陽光収集面積あたりの溶融石英の特定費用を最小限化するために、放物面１の幅または直径と比較して可能な限り小さい。比Ｆ／ｂが所望の集光度によって固定されることを考慮すると、放物面１の直径に対するレンズ５の直径の比は、小さい焦点比ｆ＝Ｆ／Ｄの放物面を使用することのみによって低減することができる。
【０１３２】
小さい焦点比の要件は、２つの重要な方法で発電機４の設計を動かす。第１に、式（１）から、中心に対する縁の集光度の比は、ｆのみに依存し、以下の式によって求められるので、受光面９にわたって集光度の有意差がある。   
【０１３３】
【数７】
2011520295.tif 000009
中心に対する縁の集光度の比は、表１の放物面焦点比ｆ／０．４−ｆ／０．６に対して求められる。第２に、焦点２８から見たときの拘束放物面１が広角度に内在するため、対物レンズ５は、広い視野にわたって結像しなければならない。この必要性は、本発明で採用される結像システムの選択によって有利に満たされ、この結像システムがｆ／０．４もの速さの焦点比で放物面１次コレクタ１に対する特異的に強力な結像解決を提供するため、ボールレンズ５は、深い皿状の同心円状球面９の上に集束する。好ましくは、１次放物面反射器１は、ｆ／０．４からｆ／０．６までの範囲の焦点比を有する。焦点２８における全視界角は、２ｔａｎ−１｛１／（２ｆ（１−１／１６ｆ２））に等しく、表１にも記載されている。図３および図４では、図示された放物面１は、焦点比ｆ／０．５を有し、それに対して、集光度は中心から縁まで係数１．５６で増加し、全視界角は、１０６°である。いくつかの実施形態における放物面１次反射器１は、図１および図２５に示されたもののように円形ではなく、集光率および視界角は、受光面の周囲で一定ではないが、方位角度の関数であることに留意されたい。
【０１３４】
【表１】
2011520295.tif 000010
ボール対物レンズ５における光吸収を最小限化するために、ボールレンズ５に使用される好ましい屈折性材料は、低ＯＨ含有量を伴う溶融石英、例えば、電気的に溶融された天然石英である。図３９ｂは、地球の大気を通過した後の太陽放射のスペクトル強度を示すグラフである。図３９ａは、電気的に溶融された天然石英の波長の関数としての吸収を図示するグラフである。これらの２つのプロットは、電気的に溶融された天然石英の吸収係数が、大気吸収によって遮断されない太陽放射に対する多重接合電池１５の感度の全範囲から１０−４／ｃｍ以下であることを実証する。この材料の吸収度は、本明細書で説明される好ましい実施形態で使用されるボールレンズ５の過熱を回避するように、全太陽スペクトルにわたって十分に低い。低い吸収度に加えて、溶融石英は、低い色分散を有し、それは、そうでなければ多重接合電池１５の効率を低減し得る、集光度の色差を回避するために望ましい。太陽光エネルギーの単位入力面積あたりのボールレンズ５の質量が比較的小さい時に、発電機４が高速焦点比および中程度の開口の１次反射器１とともに使用されるならば、溶融天然石英の使用は、低い全体的費用という最も重要な目標と一致する。
【０１３５】
溶融石英の屈折率は、４００ｎｍ波長における１．４７０から１５５０ｎｍにおける１．４４４まで、太陽のスペクトルにわたって変動する。この範囲を考慮すると、石英の球面ボールレンズ５について、およびボールレンズ５と同心円状の球状に湾曲した受光面９について、変数「ａ」によって表されるボールレンズ５の半径に対する、変数「ｂ」によって表される半径の好ましい比は、ｂ／ａ＝約１．５４６である。この比は、典型的な誤指向角および波長について平均化されると、同心円状の球面受光面９における１次放物面１の像の質を最適化する。
【０１３６】
例証的実施例として、焦点距離「Ｆ」を伴うｆ／０．５放物面１とともに使用される発電機４用の光学部を考慮されたい。半径ｂ＝Ｆ／２５の受光面９において、集光度は、式（９）より、Ｃ１ｃｅｎｔｅｒ＝６２５からＣ１ｅｄｇｅ＝９７６に増加する。石英ボールレンズ５によって受光面９上で結像するための最適な半径は、ａ＝Ｆ／２５／１．５４６＝０．０１２９Ｄによって求められる。例証的実施例として、直径３ｍのｆ／０．５円形１次反射器１とともに使用するための発電機４は、そのような集光度のために、直径７８ｍｍのボールレンズ５を必要とする。受光面９は、６０ｍｍの曲率半径と、９６ｍｍの周縁直径とを有する。実践において、２次反射器４５が使用されると、２次反射器４５によって提供される追加集光度Ｃ２のため、受光面９において必要とされる集光度は、太陽電池１５において必要とされる集光度よりも一般に少なくなる。
【０１３７】
（２次反射器の設計、最適化、および性質）
任意のプリズム窓１１または鏡面フレーム４５の性質は、その幾何学形状および屈折率「ｎ」に依存し、レイトレーシングによって、任意の特定の場合および誤指向の角度について詳細に分かり得る。以下の近似解析式は、所与の１次反射器１のために、かつ平均集光度増加Ｃ２および出射時の集光度の空間的変動等の、鏡面フレーム４５またはプリズム窓１１によって集光される光の主要な特性を推定するために、好ましい設計方策を策定する際に有用である。それらはまた、誤指向公差が、所望の集光度および使用される２次反射器の種類にどのように依存するかを明らかにする働きもする。
【０１３８】
図２１は、縁が傾斜角「ｓ」によって面に対する垂直から外れて傾転させられる、プリズム窓１１の縁において反射された軸上光線７の幾何学形状を示す。光線７は、距離「ｂ」を置き、かつボール５の中心から角度「α」に内在して、ボールレンズ５の中心を通り、窓またはフレーム１１の中へ通過する。出射面１２は、係数１−２ｔ．ｔａｎ（ｓ）／αｂによって入射面１０と比較して長さが縮小され、隣接する電池１５の活動領域の間の間隙「ｇ」は、以下の式によって求められる。
【０１３９】
ｇ＝２ｔ．ｔａｎ（ｓ＋α／２）                                  （１２）
任意の２次反射器１１によって生じる、平均集光度の増加Ｃ２は、出射面１２の面積に対する入射面１０の面積の比である。一般に、多角形の窓１１の異なる辺の傾斜角は、間隙のサイズおよび集光係数を最適化するように異なる。しかし、例証目的で、角度「α」に内在する両方の入射面１０を伴い、かつ両方の縁傾斜「ｓ」を伴う、ほぼ正方形の窓１１の場合、集光度の増加は、以下の式によって求められる。
【０１４０】
Ｃ２＝｛１−２ｔ．ｔａｎ（ｓ）／αｂ｝−２    （正方形の窓）        （１３）
そのようなプリズム窓１１を伴うシステムの全幾何学的集光度は、式（９）または式（１０）によって求められる、窓入射１０におけるＣ２および集光度Ｃ１の積によって求められる。
【０１４１】
式（１２）および（１３）は、プリズム窓１１または鏡面フレーム４５として作製された２次反射器に十分等しく該当する。式（１７）を介する以下の分析は、プリズム窓１１として作製された２次反射器について、および単独で反射された光線について導出される。それはまた、単位元に等しい屈折率「ｎ」を設定することによって、外部反射を伴う鏡面フレームとして作製される２次反射器にも適用されてもよい。
【０１４２】
図２１を参照すると、軸上光線については、窓の縁における入射角は、α／２であり、スネルの法則によって、窓１１の中への屈折角は、小さいαについてはα／２ｎに近く、式中、ｎは、プリズム窓の屈折率である。軸上光線は、グレージング角ｓ＋α／２ｎで傾斜側の縁１３から反射し、したがって、角度２ｓ＋α／２ｎで窓１１の出射面１２に入射する。
【０１４３】
軸外光線について、窓１１を通る経路は、面１０における入射角および位置に依存する。光のエテンデューが窓または鏡面フレーム１１に進入する光に対して保存されるため、軸外角度θｉで１次コレクタ１に入射する光線は、ボールレンズ５による屈折後、約θｉ√Ｃ１の角度によって、軸上光源からの光線から偏位され、式中、Ｃ１は、受光面９における局所集光度である。窓入射面１０上の軸外光線の最大入射角は、極めて縁で発生し、誤指向が反射面に対して垂直な方向にある時に、α／２＋約θｉ√Ｃ１である。そのような光線は、ほぼ（α／２＋θｉ√Ｃ）／ｎである、スネルの法則によって求められる屈折角で窓１１の中へ屈折させられる。傾斜縁１３における反射後、出射面１２における入射角は、以下の式によって求められる。
【０１４４】
θｅｘｉｔ＝２ｓ＋（α／２＋θｉ√Ｃ１）／ｎ                            （１４）
θｅｘｉｔがｓｉｎ−１（ｎｇａｐ／ｎ）に等しい全反射の臨界角を超え、式中、ｎｇａｐが窓１１と電池１５との間の小さい間隙における材料の屈折率である場合に、光が出射窓１２における全反射に失われるため、この角度は、プリズム窓１１の設計において特に重要である。この臨界角は、好ましくは、間隙における屈折率整合材料（ｎｇａｐ〜ｎ）の使用によって増加させられる。好ましくは、この材料はまた、窓１１を電池１５に取り付ける働きもする光学接着剤にもなる。
【０１４５】
均一な電池照射のために最適化された、より厚い窓１１を伴う、図２１に図示された具体的幾何学形状について、入射面幅に対する窓の厚さｔの好ましい比は、以下のように、ｓ、ｎ、およびαのみに依存することが示されてもよい。均一な照射は、図２１に図示されるように、極めて縁の光線が反射して出射面１２の中心に衝打する時に、軸上指向のために得られる。入射光線および屈折光線の幾何学形状によって求められる、入射面１０の半値幅を同等と見なすことにより、以下の式が生じ、
1/2ｂ．ｓｉｎα＝ｔ．ｔａｎ（２ｓ＋α／２ｎ）
これは、入射面の幅αｂに対する窓の厚さの比を得るように解くことができ、
ｔ／αｂ＝１／２ｔａｎ（２ｓ＋α／２ｎ）（均一な電池照射について）  （１５）
式（１３）および（１５）からの２次反射器による集光度の増加は、以下の通りである。
【０１４６】
Ｃ２＝｛１−ｔａｎ（ｓ）／ｔａｎ（２ｓ＋α／２ｎ）｝−２    （均一な電池照射について）                                                                （１６）
厚い窓または鏡面フレーム１１に対する、１つのさらなる性能の考慮事項は、窓１１にわたって縁反射され、出射面１２および太陽電池１５に到達する代わりに反対側の縁でプリズム窓１１から屈折させられる、軸外光線の遮断損失である。図５の幾何学形状から、そのような損失は、極限窓縁における光線のθｅｘｉｔ（式（１４））が以下の式によって求められるθｅｓｃａｐｅを超える時に始まる。
【０１４７】
θｅｓｃａｐｅ＝ｔａｎ−１｛（αｂ／ｔ．−ｔａｎ（ｓ））｝                  （１７）
以下は、プリズム窓または鏡面フレーム１１の好ましい寸法を推定するための上記の分析の使用を例証する。これらの実施例では、２次反射器は、α＝１２°および角度ｓ＝１６°で傾斜した縁を伴って、図２１の外側リングの中で寸法決定される通りである。
【０１４８】
薄いプリズム窓１１を伴い、活動電池幅の約１／４である太陽電池１５の間の間隙を開けるように選択される、第２の種類の実施形態については、αおよびｓという上記の値を使用する式（１２）および（１３）より、結果として、電池幅の０．３１である窓の厚さが必要とされ、正方形の電池の近似式において、集光度は、平均して係数Ｃ２＝１．３９で縁増光によって増加させられる。図１２ａは、光線３が傾斜側面１３によって出射面１２上に反射されている、この規定によるプリズム窓１１を断面図で示す。間隙は、示されていないが出射面１２と接触している（かつサイズが整合している）、太陽電池１５の幅の１／４を有する。図１２ｂは、入射面１０において屈折させられた軸外光線を示す、図１２ａと同じプリズム窓１１を図示する。屈折率は、溶融石英の屈折率ｎ＝１．４６とされるが、低い吸収度およびより高い屈折率を伴う他のガラスが、プリズム窓１１に好まれ得る。
【０１４９】
図５に図示されるように、均一な照射を生じるように選択される、第３の種類の代替的な好ましい実施形態では、式（１５）からの窓の厚さは、出射面または電池の幅（０．６８の前面幅）の１．１２倍である。この場合、窓が正方形であれば、式（１６）からの集光度の増加Ｃ２は、２．７１である。
【０１５０】
特定の集光度において特定の１次反射器１とともに使用するための集光器設計の例証として、焦点比ｆ／０．５の円形１次放物面１とともに使用される集光器を考慮されたい。集光器は、正方形の２次反射器４５のほぼ後ろにある太陽電池１５を伴って構成され、約１０００の集光度が最も外側の電池１５の標的とされる。この実施例について、遮断された光線、誘電体界面における吸収および反射、１次反射率、および誤指向遮断からの損失は、約２０％と推定され、したがって、実際の集光度１０００のためには、複合１次集光度（放物面１および球面対物レンズ５）および２次集光度（プリズム窓または鏡面フレーム１１）に対して、約１２００の幾何学的集光度Ｃ１Ｃ２が必要とされる。２つの集光器設計が考慮され、両方ともα＝１２°およびｓ＝１６°を伴って、第２の種類の実施形態は、２次集光度Ｃ２＝１．３９を提供するように薄い２次反射器を伴い、第３の種類の実施形態は、電池１５における均一な集光度および２次集光度Ｃ２＝２．７１のために厚い２次反射器を伴う。
【０１５１】
したがって、例証的な厚い窓および薄い窓１１の実施形態に対する、入射窓１０における集光度Ｃ１は、それぞれ、１２００／１．３９〜８６０および１２００／２．７１〜４４０となる必要があり、式（９）から、比Ｆ／ｂ＝２４．７および１７．５を必要とする。（ここで、ｒ／Ｆの平均値は０．９とされ、ｆ／０．５の１次反射器に整合した受光面の縁の周囲の２次反射器に適切である）。好ましい比ｂ／ａ＝１．５４６である、溶融石英のボールレンズ５について、放物面焦点距離ａ／Ｆに対するボールレンズ５の半径の好ましい比は、それぞれ、０．０２６３および０．０３７であり、式（５）より、受光面９に伝達される電力がゼロまで降下する誤指向の臨界角θｃは、それぞれ、１．５°および２．１２°である。
【０１５２】
プリズム窓の形の２次反射器については、以下の考慮事項が、一度全反射させられている光線に該当する。軸上照射については、入射開口１０の縁に入射する光が、θｅｘｉｔ＝３６°で出射面１２に入射する。軸外光線については、窓縁１３による反射後の出射面１２における入射角は、Ｃ１に依存し、式（１４）から導出され得る。薄い窓の例証におけるＣ１＝８６０に対して、θｅｘｉｔは、１°軸外に入射する光線については５０．５°、１．２°軸外に入射する光線については５３．４°の最大値まで増加させられる。石英から空気への全反射の臨界出射角が４３°であるため、これらの光線の反射損失を防止するために屈折率整合が必要とされる。例証的な厚い窓の実施例のＣ１＝４４０について、いくつかの極めて縁の光線７が太陽電池１５を外れて縁表面から出射し始める角度θｅｓｃａｐｅは、式（１７）から、４９．８°であり、式（１４）によって求められる、ちょうど１°以下で入射する軸外光線に対応する。
【０１５３】
２次反射器の角に入射する光線は、角を形成する傾斜面のそれぞれにおいて２回反射される。出射面における入射角は、第２の反射後により大きく、したがって、屈折率整合媒体が使用されなければ、全反射からの損失の影響をより受けやすい。二重に反射された光線の割合が深さとともに増加するため、全反射からの潜在的な損失は、プリズム窓として実装される厚い２次反射器に対してより大きい。
【０１５４】
上記の分析および式は、初期設計パラメータを推定するために有用である。本発明の任意の特定の実装について、局所集光度および遮断、全電力スループット、二重に反射された角光線の伝播、および歪曲反射器からの反射等の局面の詳細な性能分析は、好ましくは、レイトレーシングによって分析され、最適化される。この工程は、正方形、台形、または多面体の２次反射器およびライトパイプにおける単一および複数の反射の詳細なモデル化を可能にし、太陽面の幅、および誤指向による投影誤差または反射鏡形状誤差による、光線角の広がりを考慮する。そのようなレイトレーシングの実施例が、図１３ａおよび図１３ｂ、ならびに図３８ａおよび図３８ｂに図示されている。
【０１５５】
上記の例証的実施例は、代表的であるにすぎない。より効率的な太陽電池１５が利用可能となり、そのために、それぞれ、より高い集光度またはより低い集光度が最適な費用性能比のために好まれる場合に、本発明の光学設計は、１０００より大きいか、または小さい集光度を送達できることが明白となるであろう。特に好ましい集光度は、１０００より大きい。好ましい集光度は、８００から１０００までの範囲である。あまり好ましくない集光度は、５００から１０００までの範囲である。
【０１５６】
全反射または外部反射の間の選択もまた、費用、性能、および信頼性に行き着く。プリズム窓１１における全反射自体には損失がない。プリズム窓１１と太陽電池１５との間の界面における誘電体または全反射からの損失は、好ましくは、間隙での屈折率整合材料の使用を通して排除される。しかしながら、非常に高いレベルの太陽集光度で適切な寿命を伴う屈折率整合材料が利用可能ではない場合があり、光学的に安定し、高度に透過性の誘電体材料から作られた、より大型のプリズム窓１１の費用が高くなる場合がある。
【０１５７】
外部反射は、結合媒体の困難を回避するが、いくらかの損失を招く代替案を提供する。垂直入射から７０°の非偏光入射光の中の清潔な露出銀は、４００ｎｍにおいて９６．２％、９００ｎｍにおいて９７．５％、１４００ｎｍにおいて９６．５％の反射率を有し、したがって、平均して太陽のスペクトルのスペクトルにわたって約９７％となる。したがって、理想的な深い２次反射器の全損失（光の２／３が反射される）は、約２％となる。保護被覆が、この損失をいくらか増加させ得る。鏡面フレームにおける外部反射は、製造費用を最小限化するために、より大型の正方形の太陽電池１５を使用する発電機４におけるより大型の２次反射器に好まれる可能性が高い。
【０１５８】
（複数の太陽電池を携行する凹面受容器アセンブリの製造方法）
凹面アレイに複数の太陽電池１５を組み込む発電機４は、図４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、および４１ｄによって形成される分解図に示されるように、熱伝導性セラミックでできた連続湾曲シェル２０によって支持される電池１５によって製造されてもよい。図示された実施例では、図４１ａは、図１３ａに図示されるような円形放射状張付けパターンで電池１５を携行するために好適なパターンで切子面にカットされた、シェル２０を示す。シェル２０は、セラミックシェル２０に接着された銅層１７から形成される、図４１ｂに示されるようなトレースを伴うプリント回路の湾曲基板としての役割を果たす。銅層１７は、熱膨張係数が太陽電池１５の熱膨張係数に一致し、形状が動作温度の範囲にわたって安定している、複合サンドイッチ構造を達成するよう、セラミックシェル２０の凹面側および凸面側の両方に直接接着されてもよい。図４１ｃに示された電池１５およびバイパスダイオード３０は、好ましくは、はんだ１６等の熱伝導性材料によって銅層１７に貼り付けられる。プリズム窓１１の形の２次反射器が、図４１ｄに示されるように発電機４の一部となる場合、これらは、好ましくは、光透過性材料１４で電池１５に接着され、したがって、電池１５を介してセラミックシェル２０によって支持される。図４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、および４１ｄ分解図に示された４つの層は、図１５の切断図に示されるような、一体型の多重電池受容器アセンブリ７８を一緒に形成する。ここで、プリズム窓１１は、銅パッド１７を介してセラミックシェル２０に接続する太陽電池１５に取り付けられていることが分かる。
【０１５９】
連続湾曲シェル２０は、図２に図示されるように、２つの密閉チャンバの間に境界を形成する。凹面側は、好ましくは、図２６に図示されるように、球面ボールレンズ５によって、または外部窓１０１によって、外側雰囲気から密閉されるチャンバ８を形成する。凸面側は、冷却液２２を含有する第２の密閉チャンバの一部を形成する。セラミック２０と冷却液２２との間の化学相互作用を防止するため、および二金属型のゆがみを防止するため、凸面の多面体表面は、好ましくは、その上に銅層２１も有する。外側銅層２１は、好ましくは、冷却液２２の中への熱伝達を促進するように、テクスチャード加工されるか、または突出ピンに形成される。流体２２による冷却は、ヒートパイプのような沸騰によるもの、または送出された液体によるものであってもよい。
【０１６０】
銅およびセラミックの単一サンドイッチ構造に複数の太陽電池１５を取り付ける利点は、大量生産に役立つとともに、熱界面媒体の使用を回避する手段によって、密閉チャンバの中の冷却液への直接熱経路を提供することである。銅またはアルミニウム等の、高い熱伝導率の好適な金属には、高い電気伝導率および高い熱膨張係数もあるため、セラミック２０および銅１７のサンドイッチ構造として作製される連続支持構造が、バルク金属でできているものに好まれる。結果として、連続金属支持材は、一般に、熱膨張差を可能にするように、電気絶縁用のセラミックおよび可撓性熱界面媒体（ＴＩＭ）の両方の遷移層を介して電池１５が取り付けられることを要求する。そのような界面層は、構造の複雑性と、ＴＩＭからの潜在的な長期信頼性問題とを追加する。単一のセラミック支持材２０の上に複数の電池１５を載置する別の利点は、バイパスダイオード３０への電気接続および電池１５の間の電気接続を行うために、低費用のプリント回路技術が全体で使用され得ることである。両方の構成要素は、本発明による２次反射器４５の使用によって太陽電池１５の間に開けられた間隙により、片側プリント回路に単純に取り付けられ得る。
【０１６１】
支持セラミックシェル２０は、好ましくは、単一の一体部品として製造され、したがって、高い構造完全性を有し、電池１５を冷却するために使用される流体２２の漏出のない動作とともに長い寿命を提供するはずである。全ての電気構成要素および配線をカップ２０の周囲の内側に位置付けることによって、シェル２０の貫通が必要とされない。好ましい構築の方法は、セラミックシェル２０の両側上の直接接着銅層ＤＢＣによるものである。ＤＢＣ層は、高電力電気回路基板のため、ならびに単一多重接合太陽電池１５用の平坦な熱伝導性基板のための平坦なサンドイッチパネルを作製するために使用される、窒化アルミニウム、アルミナ、およびベリリアセラミック上で一般的である。本発明の凹面複合構造では、銅層の厚さは、好ましくは、複合シェルの膨張係数が多重接合太陽電池１５の膨張係数に一致するように選択される。銅１７の内層の厚さは、最小抵抗損失で光起電性電流を伝えるようにも選択される。凹面ファセット基板上に回路４６を製造するために、凹面銅カップ表面上のフォトレジストは、好ましくは、密着焼き付けによって、または特注の光リレーにより凹面マスターパターンをカップ上に再結像することによって、露出される。そのようなリレーの好ましい形態は、発電機対物レンズ５よりも小さい直径および／または高い屈折率を伴うが、同じ中心に配置される球面レンズであり、それは、凹面マスターを結像するために使用される。そのようなレンズは、好ましくは、赤道溝切断によって球体に形成される、同心円状の開口停止部を含む。
【０１６２】
図４２は、支持セラミックボウル２０の内面上に形成され、図１７の回路のために必要に応じて太陽電池１５の間に並列および直列相互接続を提供する、湾曲プリント回路４６の実施例をより詳細に図示する。トレース１７および１８は、図４２に示された、図示されたパターンを形成するように、黒で示された領域４７中のエッチングされた同じ単一銅層から形成される。エッチングされた領域４７は、太陽電池１５の基部パッドトレース１７を線引きする。基部パッドトレース１７は、太陽電池１５が基部パッドトレース１７上に載置された時に、電池１５の並列放射方向グループを形成するよう電池基部が電気的に接続されるように、放射方向に連結される。エッチングされた領域４７はまた、基部パッド１７の間に延在する伝導性銅トレース１８を形成し、銅層１７の中に提供されるエッチング線によって、パッドトレース１７から電気的に絶縁される。図１５に示された断面図は、トレース１８が、参照数字１８で示された伝導性接続をどのように提供するのかを図示する。したがって、太陽電池１５およびトレース１８の面の上の縁母線の間に相互接続部１９を提供することによって、並列接続された電池１５の放射方向グループが、相互に直列に接続され、すなわち、トレース１８は、所望の方位角度直列ルーティング接続を提供する。図４２に示された、このセラミックシェル２０上のエッチングされたプリント回路４６は、図１７で概略的に示された回路構成に所望される電気接続を利便的に提供することが、当業者によって理解されるであろう。
【０１６３】
図４２を参照すると、プリント回路４６はまた、セラミックシェル２０の周囲の並列バイパスダイオード３０用のパッド３１も備える。相互接続部は、バイパスダイオード３０から、各バイパスダイオードパッド３１に隣接する短い放射方向指部６０まで作製される。図１７の回路に対応する、図示された配置では、５つの中心電池１５がパッドトレース５０上に載置され、それは、中心電池１５の電気接続を並列で提供する。パッドトレース３０は、中心基部パッド５０および内側放射方向トレース６１のうちの１つ以上への相互接続部を有する、中心電池用のバイパスダイオード３０に提供される。第１の出力パッド３２および第２の出力パッド３３は、受容アセンブリへの外部接続に提供される。中心電池１５の出力は、中心パッド５０と第１の出力パッド３２との間に電気接続を提供するワイヤまたは導体（図示せず）によって周囲にルート指定される。窓１１の傾斜面１３の間のＶ字形間隙のうちの１つの中を走るワイヤが提供されてもよい。このワイヤは、そうでなければ、単一の多角形銅シート１７および１８からトレースにエッチングされる、プリント回路４６への相互接続部のはんだによって全て作製される回路を完成させる。次いで、アレイの中の太陽電池１５の全ての出力は、図４３に示された、それぞれ、出力パッド３２および３３にルート指定される導体５４および５３に利用可能となる。
【０１６４】
電池１５の縁母線３７は、図４３および図２０を参照してより良く理解されるように、相互接続部１９によってプリント回路４６上の指部１８に電気的に接続される。各太陽電池１５は、太陽放射に反応して発電する光起電性活動面５１を有する。各太陽電池１５は、活動面５１にわたる細い接触グリッドワイヤ７０を介して光電流を受容する周囲母線３７を、その縁の周囲に含む。相互接続部は、好ましくは、電池の縁の周囲に取り付けられた伝導性リボンまたは細いワイヤの形を成す。相互接続部１９は、プリント回路に低抵抗経路を提供して、ジュール損失を最小限化する。図４３に示された実施例は、例証的にすぎない。したがって、台形電池１５の左側に付着し、電池１５の上下に延在する指部１８の周囲まで延在する、ドッグレッグ相互接続部が、実践において、電池１５の右側相互接続部をすぐ左側に重ねてもよい。この場合、重複する相互接続部を分離するために、絶縁が使用されてもよい。相互接続部１９は、代替として、図３１に図示されるように、複数の細いワイヤの形であってもよい。
【０１６５】
凹面の多重電池受容器アセンブリを伴って構築される発電機の利点は、構造の単純性および長い寿命である。この種類の構造は、上記の実施形態で説明される、浅型および深型といった、２次反射器を伴う発電機の両方の種類に適用可能である。この構築方法には、非常に大量に構築される時に低費用の可能性があり、いったん開発されると、エンジニアリングおよび工具費用が償却される。直接接着銅を伴うセラミックの成熟した製造能力が、現在は平坦な板に限定されているため、これらの経常外費用は高くなる可能性がある。非常な大量に圧倒される可能性が高い、この構築方法に対する別の課題は、完成したアセンブリの高収率を達成するのに十分高い信頼性で、電池１５を作製し、取り付けることである。
【０１６６】
あまり先進的ではない開発を必要とするが、電池１５からＤＢＣセラミックを通って冷却液への直接熱伝達の利点を維持する、代替的な構造が図２１に図示されている。ここで、個々の受容器アセンブリは、電池および受容器アセンブリの熱膨張係数に一致するように、低い熱膨張係数の金属の骨格フレームの中で接着される。熱流量の大部分が金属骨格を通過しないため、そのような合金の不良な熱伝導性にもかかわらず、受容器アセンブリの膨張係数に一致する膨張係数を伴うニッケル合金が骨格に使用されてもよい。電池１５の間の電気接続は、個々の受容器アセンブリを連結するはんだ付け導体によって行われる。この種類の構造は、図１および図１９に示された実施形態等の、非円形１次反射器１とともに使用するための発電機４を含む、上記の実施形態で説明される２次反射器を伴う発電機４の両方の種類に適用可能である。
【０１６７】
当業者であれば、本開示の便益を有した後に、全て本発明の範囲および説明から逸脱することなく、本明細書で説明される実施形態に修正および変更が行われてもよく、異なる材料が置換されてもよく、同等の特徴が使用されてもよく、変更が製造工程のステップに行われてもよく、追加要素およびステップが追加されてもよいことを理解するであろう。本開示は、ある現在好ましい実施形態および実施例のみを記載しており、本発明の範囲内に包含される全ての変化例および実施形態を説明する試行は行われていない。したがって、本発明の範囲は、本明細書に添付の請求項によって定義され、上記の説明で記載される具体的実施例に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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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１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６ａ−１６ｈ】
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【図１７】
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【図１８ａ−１８ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７ａ】
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【図３７ｂ】
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【図３７ｃ】
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【図３７ｄ】
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【図３８ａ】
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【図３８ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１ａ】
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【図４１ｂ】
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【図４１ｃ】
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【図４１ｄ】
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【図４２】
2011520295.tif 000072
【図４３】
2011520295.tif 000073
【図４４】
2011520295.tif 000074
【国際調査報告】
2011520295.tif 000075
2011520295.tif 000076
2011520295.tif 000077