(57)【要約】【課題】  太陽瓦システム（１０）を提供する。【解決手段】  該太陽瓦システム（１０）は、複数のエッジ（１６）を有しており、面（２８）を通る光（３０）を受光するように構成され、全内部反射によって光（３０）を該エッジ（１６）に向かって案内するように構成された蛍光集光装置（２６）を含む。該システム（１０）はまた、該エッジ（１６）の少なくとも１つに連結され、光（３０）を受光して、その光（３０）を電力に変換するように構成された光電池（２４）を含む。該システム（１０）はさらに、該蛍光集光装置（２６）と該少なくとも１つのエッジ（１６）の該光電池（２４）との間に配置された光学的整合界面層（３４）を含む。【選択図】  図１
2008133716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のエッジ（１６）を有しており、面（２８）を通る光を受光して、全内部反射によって該エッジ（１６）に向かって光（３０）を案内するように構成された蛍光集光装置（２６）と、
該エッジ（１６）の少なくとも１つに連結され、該光（３０）を受光して、該光（３０）を電力に変換するように構成された光電池（２４）と、
該蛍光集光装置（２６）と該少なくとも１つのエッジ（１６）の該光電池（２４）との間に配置された光学的整合界面層（３４）とからなる、
太陽瓦システム（１０）。
【請求項２】
該少なくとも１つのエッジ（１６）が太陽瓦（１２）の外側端である、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
該少なくとも１つのエッジ（１６）が該蛍光集光装置（２６）内のスリット（１１６）によって画定されたエッジ（１６）である、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
該光学的整合界面層（３４）が、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板または光学接着剤である、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
該光学的整合界面層（３４）が、該蛍光集光装置（２６）の屈折率と該光電池（２４）の屈折率の積の平方根とほぼ等しい屈折率を有する、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
複数のエッジ（１０２）および複数のスリット（１１６）を有し、面（１１２）を通る光（１１４）を受光して、全内部反射によって該エッジ（１０２）に向かって光（１１４）を案内するように構成されており、該複数のスリット（１１６）が隣接エッジの全長に満たない長さまで伸びる蛍光集光装置（１１０）と、
該エッジ（１０２）の１つに隣接する該スリット（１１６）の少なくとも１つの中に配置され、該光（１１４）を受光して、該光（１１４）を電力に変換するように構成された光電池（１１８）と、
該蛍光集光装置（１１０）と該少なくとも１つのスリット（１１６）の該光電池（１１８）との間に配置された光学的整合界面層（１２０）とからなる、
太陽瓦システム（１００）。
【請求項７】
該光学的整合界面層（１２０）が、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板または光学接着剤である、請求項６に記載のシステム（１００）。
【請求項８】
該光学的整合界面層（１２０）が、該蛍光集光装置（１１０）の屈折率と該光電池（１１８）の屈折率の積の平方根とほぼ等しい屈折率を有する、請求項６に記載のシステム（１００）。
【請求項９】
光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つの上に界面層を配置するステップ（１３８）を含み、該光起電屋根瓦は、面を通る光を受光して、全内部反射によって該エッジに向かって光を案内するように構成された蛍光集光装置を有し、該界面層は該蛍光集光装置と光学的に整合しており、
該界面層に隣接する該エッジに沿って光電池を配置するステップ（１４０）も含む、
太陽屋根瓦の組立方法（１３６）。
【請求項１０】
界面層を配置するステップ（１３８）は、該光起電屋根瓦の該複数のエッジの少なくとも１つに隣接する複数のスリットの少なくとも１つの中に界面層を配置することである、請求項９に記載の方法（１３６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して光すなわち太陽電池に関し、より詳細には、光電池を屋根瓦および外観要素等の建築要素に組み込んだシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電エネルギーは、電力の重要な源になりつつある。単体の太陽電池発電装置の使用に加えて、住居用および商業用建築の屋根は光起電装置を取り付けるのに大変都合よくできている。屋上での光起電装置の幅広い支持と使用を達成するために、美的要求を満たさなければならず、ひいては従来の屋根と外見や形状を一体化させなければならない。さらに、風雨密や局所的に予測される気候条件への耐性など、従来の屋根材のすべての要件を満たすと同時に、現地の法典や慣習に合わせることも必要である。従来の屋根製品に対する要件の枠を超えて、光起電屋根材はユニットからユニットへの電気的接続、さらには最終的に建物内への接続用の手段を提供しなければならない。
【０００３】
光起電力変換器等の太陽エネルギー変換器は一般的に、材料費が高く、設置費が高く、ひいては生産されるエネルギーのコスト（すなわち、１ｋＷｈ当たりのコスト）が高い。材料費を削減するための取り組みの１つは、複雑な光学面構造によって光電池上に太陽放射を集中させること（集光）である。新しい技術では光起電屋根システム上に蛍光集光装置を採用して、吸収光を光電池上に集中させて案内する。
【特許文献１】米国特許第４，１１０，１２３号公報
【特許文献２】米国特許第４，１５３，８１３号公報
【特許文献３】米国特許第４，１５９，２１２号公報
【特許文献４】米国特許第４，１７３，４９５号公報
【特許文献５】米国特許第４，２６８，７０９号公報
【特許文献６】米国特許第４，６４４，７１６号公報
【特許文献７】米国特許第６，０５９，４３８号公報
【特許文献８】米国特許第６，４７６，３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、相当量の光が光電池上に案内されずに蛍光集光装置から漏れて、最終的な収集エネルギーが減少してしまうことがよく見られた。これにより、光起電屋根システムの効率が低下する。
【０００５】
したがって、上述の問題に対処すべく改善された技術の設計が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様にしたがって、複数のエッジを有しており、面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を含む太陽屋根瓦システムが提供される。該システムはまた、該エッジの少なくとも１つに連結され、光を受光して、その光を電力に変換するように構成された光電池を含む。該システムはさらに、該蛍光集光装置と該少なくとも１つのエッジの該光電池との間に配置された光学的整合界面層を含む。
【０００７】
本発明の別の態様にしたがって、複数のエッジおよび複数のスリットを有し、面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を含む太陽瓦システムが提供される。該複数のスリットは、隣接エッジの全長に満たない長さまで伸びる。該システムはまた、該スリットの少なくとも１つの中に配置され、光を受光して、その光を電力に変換するように構成された光電池を含む。該システムはさらに、該蛍光集光装置と該スリット内の該光電池との間に配置された光学的整合界面層を含む。
【０００８】
本発明の別の態様にしたがって、太陽屋根瓦の組立方法が提供される。該方法は、光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つの上に界面層を配置するステップを含み、該光起電屋根瓦は面を通る光を受光して、全内部反射によって光を該エッジに向かって案内するように構成された蛍光集光装置を有する。該界面層は、該蛍光集光装置と光学的に整合する。該方法はまた、該界面層に隣接するエッジに沿って光電池を配置するステップを含む。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に詳細に記述するように、本発明の実施形態は光起電屋根瓦システムとその組立方法を提供する。該光起電屋根瓦システムは、屋根瓦上の蛍光集光装置に取り付けられた少なくとも１つの光電池を含む。本発明の実施形態は、該光電池を該屋根瓦に取り付けるさまざまな様式を開示する。この明細書において、「蛍光集光装置」は基板と該基板内に分散する少なくとも１つの粒子を含み、複数の方向から光を吸収する吸収スペクトルを有する。一例では、１００ナノメートルを超える吸収スペクトルを含み得る。吸収光は、一般的に該少なくとも１つの粒子から該蛍光集光装置の少なくとも１つのエッジに放射される。適切な蛍光集光装置のさらなる詳細は、２００４年１１月１９日出願され、本発明と同じ譲受人に譲渡された「蛍光集光装置を備えた光起電屋根瓦構造の屋根要素および外観要素」という名称の米国特許公開公報第２００６／０１０７９９３Ａ１号で見ることができ、そのすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
【００１１】
次に図面を見ると、図１は本発明にしたがった例示的な光起電屋根瓦システム１０の斜視図である。光起電屋根瓦システム１０は、複数のエッジ１６、１８、２０および２２を備える重なった波形の光起電瓦１２および１４を含む。本明細書において「エッジ」という用語は、光起電瓦１２および１４それぞれの外側端を示す。光起電屋根瓦システム１０はまた、エッジ１６、１８、２０および２２の少なくとも１つに連結された少なくとも１つの光電池２４を含む。本発明の例示的実施形態では、光電池２４は１つのエッジ１６上に配置してもよい。光起電屋根瓦システム１０はまた、入射光３０を受光して、全内部反射によってエッジ１６、１８、２０および２２に向かってその光を案内するように構成された蛍光集光装置２６を上面２８上に含む。光電池２４は、電気パネル、集電および配電システム等（図示せず）への電気的接続用の手段を提供するために導線３２を含み得る。例示的実施形態では、波形瓦１２および１４は、光電池２４を有するエッジが覆われて光起電屋根瓦システム１０に魅力的な美的外観を与えるように重なっていてもよい。光電池２４で使用される半導体材料の非限定的ないくつかの例は、シリコン、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、硫化銅インジウム、２セレン化銅インジウムガリウム、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンを含み得る。エッジ１６の光電池２４に到達する入射光３０の強度を向上させるために、ミラー（図示せず）を光電池に連結されていない他のエッジ１８、２０および２２の少なくとも１つに連結してもよい（例えば、そのようなミラーエッジからの光を光電池に到達するまで装置の内部に再び反射させる）。
【００１２】
図２は、図１に示される波形の光起電瓦１２の斜視図であって、本発明の態様にしたがったエッジ１６に連結される光電池２４を示す。光電池２４は、図１で参照されたように、入射光３０からの全内部反射によって伝達される光を受光するように構成される。光電池２４上の内部反射光線の強度を向上させるため、光学的整合界面層３４がエッジ１６と光電池２４の間に配置される。界面層３４は、エッジ１６に入射する光線が界面層３４内で屈折し、さらに光電池２４内で屈折するように光学的に整合する。これにより、光から電力への変換効率が向上する。
【００１３】
図３は、図１の光起電瓦１２の部分断面図である。エッジ１６は、図１で参照された蛍光集光装置２６と光電池２４の間に配置された図２で参照された光学的整合界面層３４を含む。光学的整合は、蛍光集光装置２６と界面層３４の間の界面３６で、さらに界面層３４と光電池２４の間の界面３８で生じる。特定の実施形態では、光学的整合界面層３４の屈折率は、蛍光集光装置２６の屈折率と光電池２４の屈折率の積の平方根とほぼ等しくなり得る。蛍光集光装置２６の材料の非制限的ないくつかの例は、ポリメチルメタクリレートおよびポリスチロールで使用されるポリカーボネートやセラミックを含み得る。光学的整合界面層３４の非制限的ないくつかの例は、光学ゲル、光学オイル、光学接着フィルム、光学透明板および光学接着剤であり得る。光学的整合界面層３４の厚さは、一般的に約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍの間で変化し得る。現在考えられる実施形態では、光電池２４の層の厚さは約５μｍ〜約１ｍｍの間で変化し得る。
【００１４】
図４は、図１の光起電瓦１２の部分断面図であって、図１で参照された入射光３０の全内部反射と図２の光学的整合界面層３４を介した光学的整合を示す。例示された実施形態では、図１で示される入射光３０が、図１で参照された蛍光集光装置２６の底面４０と、蛍光集光装置２６の図１で参照された上面２８との間の全内部反射によって、光線４２で示されるように伝達される。光線４２はさらに、光線４４で示されるように、最終的にエッジ１６に入射するまで上面２８で反射する。光線４４は、屈折のスネルの法則にしたがって、蛍光集光装置２６と光学的整合界面層３４の間の図３で参照された界面３６で光線４６のように屈折する。屈折光線４６はさらに、光線４８で示されるように、光学的整合界面層３４と光電池２４の間の図３で参照された界面３８に入射する。光線４８は、法線５０から界面３８への入射角が光学的整合による法線からの反射角とほぼ等しくなるように屈折する。同様に、別の実施形態では、入射光線５４は、光線５６で示されるように、界面３６に入射するように全体的に内部反射させてもよい。光線５６は、光線５８のように光学的整合界面層３４を通して屈折させ、さらに光線６０のように光電池２４を通して屈折させてもよい。
【００１５】
図５は、光電池６６の保護を行う光起電エッジ外枠６４を含む、本発明にしたがった例示的な光起電瓦６２の断面図である。光起電瓦６２は、対向するそれぞれのエッジ６８および７０を含む。光起電瓦６２はまた、入射光７４をエッジ６８および７０に向かって全体的に内部反射させるように構成された蛍光集光装置７２を含む。光電池６６は、光学的整合界面層７６を介してエッジ６８で蛍光集光装置７２に連結することができる。上述したように、光学的整合界面層７６は、図４を参照して説明したように、蛍光集光装置７２と光電池６６の間で光学的整合を行う。光起電瓦６２はまた、エッジ７０に連結されたミラー７８を含み得る。ミラー７８は、入射光７４をさらに反射させて、光起電瓦６２の効率を向上させる。
【００１６】
一例として、入射光７４を底面８０と上面８２で全体的に内部反射させ、各々のミラーエッジ７０によって再び反射させて、一連の全内部反射光線８４をもたらし、最終的にエッジ６８の光電池６６に入射する光線８６を得ることができる。光起電エッジ外枠６４は光電池６６を取り囲むことができ、光電池６６を極端な気象条件や他の環境影響から保護することができる。光起電エッジ外枠６４はまた、光電池６６の機械的保護を行う。同様に、ミラーエッジ外枠８８はミラー７８を取り囲んで保護することができる。光電池６６は、電気的接続用の手段として、接続箱９２を通過する導線９０を含み得る。有害な紫外線から光起電瓦６２を保護するために、底面８０と上面８２上にコーティング９４を設けてもよい。光起電エッジ外枠６４は、クランプ９６を介して蛍光集光装置７２の上面８２と蛍光集光装置７２の底面８０に固定することができる。同様に、ミラーエッジ外枠はクランプ９８を介して蛍光集光装置７２の上面８２と底面８０に固定することができる。
【００１７】
図６は、複数のエッジ１０２、１０４、１０６および１０８を有する光起電瓦１００の別の例示的実施形態の斜視図である。光起電瓦１００は上面１１２上に蛍光集光装置１１０を含むことができ、上面１１２を通る入射光線１１４を受光して、全内部反射によって入射光線１１４をエッジ１０２、１０４、１０６および１０８に向かって案内するように構成されている。光起電瓦１００はさらに、エッジ１０２、１０４、１０６および１０８に隣接する蛍光集光装置１１０の上面１１２に複数のスリット１１６を含む。一例では、スリット１１６はエッジ１０２とエッジ１０６に隣接している。現在考えられる実施形態では、スリット１１６の長さはエッジ１０２、１０４、１０６および１０８のどの長さよりも短い。別の実施形態では、エッジ１０６に隣接する第１列のスリット１１６の間の隙間と重なるように、第２列のスリット１１６を配置してもよい。これにより、スリット１１６の間の隙間を通る光の損失が減少する。さらに、これによって光起電瓦１００の機械的強度が向上する。光電池１１８は、光学的整合界面層１２０に隣接するスリット１１６の少なくとも１つの中に配置することができる。
【００１８】
光学的整合界面層１２０は光電池１１８と蛍光集光装置１１０の間で光学的整合を行って、光起電瓦１００の全体効率を向上させる。特定の実施形態では、光学的整合界面層１２０の屈折率は、ほぼ蛍光集光装置１１０の屈折率と光電池１１８の屈折率の積の平方根になる。さらに、光学的整合界面層１２０は、光電池１１４をスリット１１２に接着するための接着剤の役割を果たすことができる。光電池１１８は、電気的接続用の手段として導線１２２を含み得る。
【００１９】
図７は、図６の光起電瓦１００の部分断面図である。光起電瓦１００は図６で参照された蛍光集光装置１００を含んでおり、エッジ１０２に隣接する光学的整合界面層１２０に向かって図６に示される入射光１１４を案内するように構成されている。入射光１１４は底面１２４と上面１２６で全体的に内部反射されて、一連の光線１２８をもたらし、最終的に光線１３０のように光学的整合界面層１２０に入射することができる。図６で参照されたように、光電池１１８は光学的整合界面層１２０に隣接して配置される。光学的整合界面層１２０は、蛍光集光装置１１０と光電池１１８の間に配置される。極端な気象条件や他の環境影響から保護するために、光起電エッジ外枠１３２を光電池１１８の周囲に配置してもよい。光起電エッジ外枠１３２は、光電池１１８に機械的保護を与えることもできる。光起電エッジ外枠１３２は、蛍光集光装置１１０の底面１２４と蛍光集光装置１１０のエッジ１０２にクランプ１３４を介して固定することができる。これは、入射光１１４の全内部反射に対するあらゆる干渉を回避するのに役立つ。
【００２０】
図８は、光起電屋根瓦システムの例示的な組立方法１３６のステップを表すフローチャートである。方法１３６は、ステップ１３８において、光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つの上に界面層を配置することを含む。例示的実施形態では、界面層は光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つに隣接するスリットの少なくとも１つの中に配置することができる。光電池は、ステップ１４０において、界面層に隣接するエッジに沿って配置することができる。特定の実施形態では、界面層と光電池は光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つに隣接する複数のスリットの少なくとも１つの中に配置することができる。別の実施形態では、機械的保護と極端な気象条件からの保護を行うために光電池の周囲に光起電エッジ外枠を配置してもよい。さらに別の実施形態では、光電池に連結していないエッジの少なくとも１つの上にミラーを配置してもよい。
【００２１】
本明細書では本発明の特定の特徴のみが例示され、説明されたが、多くの修正および変更が当業者には考えられるであろう。したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神に含まれるそのようなすべての修正および変更の保護を意図するものだと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の態様にしたがった波形の光起電屋根瓦システムの斜視図である。
【図２】本発明にしたがった光学的整合界面層を有する図１の光起電屋根瓦の斜視図である。
【図３】本発明にしたがった図１の光起電屋根瓦の部分断面図である。
【図４】本発明にしたがった光起電屋根瓦への入射光路を示す、図１の光起電瓦の部分断面図である。
【図５】本発明にしたがった光起電エッジ外枠を有する例示的な光起電屋根瓦の断面図である。
【図６】本発明にしたがった光起電屋根瓦の代替的実施形態の斜視図である。
【図７】本発明にしたがった光起電エッジ外枠を有する図６の光起電屋根瓦の断面図である。
【図８】本発明にしたがった光起電屋根瓦システムの例示的な組立方法のステップを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２３】
１０  光起電屋根瓦システム
１２  光起電屋根瓦
１４  光起電屋根瓦
１６  外側エッジ
１８  外側エッジ
２０  外側エッジ
２２  外側エッジ
２４  光電池
２６  蛍光集光装置
２８  上面
３０  入射光
３２  導線
３４  光学的整合界面層
３６  界面
３８  界面
４０  底面
４２  入射光線
４４  光線
４６  屈折光線
４８  屈折光線
５０  法線
５４  入射光線
５６  屈折光線
５８  屈折光線
６０  屈折光線
６２  光起電屋根瓦
６４  光起電エッジ外枠
６６  光電池
６８  エッジ
７０  エッジ
７２  蛍光集光装置
７４  入射光
７６  光学的整合界面層
７８  ミラー
８０  底面
８２  上面
８４  全内部反射光線
８６  入射光線
８８  ミラーエッジ外枠
９０  導線
９２  接続箱
９４  コーティング
９６  クランプ
９８  クランプ
１００  光起電瓦
１０２  外側エッジ
１０４  外側エッジ
１０６  外側エッジ
１０８  外側エッジ
１１０  蛍光集光装置
１１２  上面
１１４  入射光線
１１６  スリット
１１８  光電池
１２０  光学的整合界面層
１２２  導線
１２４  底面
１２６  上面
１２８  一連の全内部反射光線
１３０  光線
１３２  光起電エッジ外枠
１３４  クランプ
１３６  組立方法
１３８  光起電屋根瓦の複数のエッジの少なくとも１つの上に界面層を配置する
１４０  界面層に隣接するエッジに沿って光電池を配置する
【図１】
2008133716.tif 000003
【図２】
2008133716.tif 000004
【図３】
2008133716.tif 000005
【図４】
2008133716.tif 000006
【図５】
2008133716.tif 000007
【図６】
2008133716.tif 000008
【図７】
2008133716.tif 000009
【図８】
2008133716.tif 000010