(57)【要約】放物状の一次ミラー（１０）は、太陽エネルギーを受け、太陽エネルギーを焦点の方に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面（１２）を有する。凸面の鏡面（１６）を有する二次ミラー（１４）は、一次ミラーから集束された太陽エネルギーを受け、太陽光エネルギーを環状の受容器（１８）に集束させるように組み立てられそして位置を決められる。環状の受容器（１８）は、二次鏡面（１４）からの太陽エネルギーを受け、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイ（１００）を含み得る。太陽光から電気への変換ユニットのリングは、別個の領域のリングに位置を決められる。正確な太陽追跡がミラーシステムを太陽に整列させる状態を保つことを可能にするソーラセンサ。
2010516048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを受け、該光エネルギーを焦点の方に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する一次ミラーと、
該一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、該光エネルギーを環状の受容器に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する二次ミラーと
を有する、光エネルギー収集システム。
【請求項２】
前記環状の受容器は、前記二次鏡面から受けた前記光エネルギーを、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイである、請求項１に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項３】
光から電気への変換ユニットのリングは、前記別個の領域のリングに位置を決められる、請求項２に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項４】
前記一次ミラーの前記凹面の鏡面は、実質的に放物状である、請求項１に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項５】
前記二次ミラーの前記凸面の鏡面は、概して双曲状である、請求項１に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項６】
前記光要素は、レンズを含む、請求項２に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項７】
前記光要素は、プリズムを含む、請求項２に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項８】
前記環状の受容器は、前記光エネルギーを熱に変換するように適合される本体である、請求項１に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項９】
前記環状の受容器は、前記光エネルギーを電気に変換するように適合される、請求項１に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項１０】
前記光から電気への変換ユニットは、光電池である、請求項３に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項１１】
前記光から電気への変換ユニットは、相互に接続されている、請求項３に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項１２】
フレームと、
該フレームによって支持される一次ミラーであって、該一次ミラーは、太陽エネルギーを受け、該太陽エネルギーを焦点の方に集束するように、組み立てられそして位置を決められた凹面鏡面を有する、一次ミラーと、
該フレームによって支持される二次ミラーであって、該二次ミラーは、該一次ミラーから集束された太陽エネルギーを受け、太陽エネルギーを環状の受容器に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有し、該環状の受容器は該フレームによって支持される、二次ミラーと
を備えている、太陽エネルギー収集システム。
【請求項１３】
前記環状の受容器は、前記二次鏡面から受けた前記太陽エネルギーを、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイである、請求項１２に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１４】
光から電気への変換ユニットのリングは、前記別個の領域のリングに位置を決められる、請求項１３に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１５】
前記一次ミラーの前記凹面の鏡面は、実質的に放物状である、請求項１２に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１６】
前記二次ミラーの前記凸面の鏡面は、ほぼ双曲状である、請求項１２に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１７】
前記環状の受容器は、前記太陽エネルギーを吸収し、該太陽エネルギーを熱に変換するように適合される本体である、請求項１２に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１８】
前記光要素は、レンズである、請求項１３に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項１９】
前記光要素は、プリズムである、請求項１３に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項２０】
前記一次ミラーを太陽に向かせ続けるように動かすためのフレームを調整可能に取り付ける手段を含む、請求項１２に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項２１】
前記フレーム位置決め手段は、アジマス調整手段と、高度調整手段とを含む、請求項２０に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項２２】
太陽に向いている前記一次ミラーを維持するために、太陽の位置に応答するセンサ手段を含む位置決め手段の制御を含む、請求項２０に記載の太陽エネルギー収集システム。
【請求項２３】
曲面を有する薄い金属本体と、
該曲面上のポリマー層と、
該ポリマー層上の反射金属層と、
該金属層上の薄いガラス層であって、該層は該ミラーに鏡面を提供する、薄いガラス層と
を備えている、ミラー。
【請求項２４】
前記薄い金属本体は、シートアルミニウム合金から形成される、請求項２３に記載のミラー。
【請求項２５】
前記薄い金属本体は、Ｔ−６条件に硬化されたアルミニウム合金６０６１のシートから形成される、請求項２３に記載のミラー。
【請求項２６】
前記曲面は、実質的に凹面である、請求項２３に記載のミラー。
【請求項２７】
前記曲面は、実質的に放物状の面である、請求項２６に記載のミラー。
【請求項２８】
前記曲面は、実質的に凸面である、請求項２６に記載のミラー。
【請求項２９】
前記曲面は、ほぼ双曲状の面である、請求項２６に記載のミラー。
【請求項３０】
一方の側が凸面であり、もう一方の側が凹面であるように形成されたシート金属本体であって、該本体は、その両側のうちの１つの側に形成される鏡面を有し、該鏡面は、該本体の１つの側上のポリマー層であって、該ポリマーに作用する遠心力が重力を打ち消すような回転速度で該シート金属本体がその幾何学軸の周りで回転している間、該ポリマーが該面に適用される、ポリマー層によって形成される、シート金属本体と、
該ポリマー層上の反射金属層と、
該金属層上の薄いガラス層と
を備えている、ミラー。
【請求項３１】
前記本体は、シートアルミニウム合金から形成される、請求項３０に記載のミラー。
【請求項３２】
前記薄い金属本体は、Ｔ−６条件に硬化されたシートアルミニウム合金６０６１から形成される、請求項３０に記載のミラー。
【請求項３３】
前記鏡面は、前記本体の凹面側にある、請求項３０に記載のミラー。
【請求項３４】
前記鏡面は、実質的に放物状の面である、請求項３３に記載のミラー。
【請求項３５】
前記鏡面は、前記本体の凸面側に形成される、請求項３０に記載のミラー。
【請求項３６】
前記鏡面は、ほぼ双曲状の面である、請求項３５に記載のミラー。
【請求項３７】
前記ほぼ双曲状の面は、該双曲状の面が受ける光／熱エネルギーを反射し、環状の焦点領域に集束させるような形状である、請求項３６に記載のミラー。
【請求項３８】
光エネルギーを環状の領域に集束させるように適合された凸面の鏡面を有するミラーであって、該凸面の鏡面は、
軸の周りに対称的に形成され、凹面側と、凸面側と、該凹面側の虚焦点と、該凸面側の実焦点とを有する双曲状湾曲を提供することと、
該虚焦点の周りに、該軸と該双曲状湾曲とを傾けることであって、その結果、その傾けられた位置において、該軸は鋭角でその本来の位置から分離され、該双曲状湾曲がその本来の位置から傾けられる、ことと、
該傾けられた双曲状湾曲の部分を回転させることであって、該双曲状湾曲の部分は、本来の軸から該傾けられた軸まで、そして該傾けられた軸を超えて、該本来の軸の周りに延び、その結果、該傾けられた双曲状湾曲の該回転した部分は該本来の軸の周りに回転表面を形成する、ことと、
該ミラーの該凸面の鏡面に該回転表面の形状を提供することであって、その結果、該鏡面は環状の焦点を有する、ことと
によって形成される、ミラー。
【請求項３９】
ガラスのレンズ／プリズム要素の環状のアレイであって、該要素はそれぞれ該ガラスのレンズ／プリズム要素が実質的に相互に嵌合し得、実質的に環状の形状のアレイを形成し得るように放射状に延びる、凸面の上部と、凸面の下部と、平らな内側端部と、外側端部とを有する、環状のアレイを備えている、光学エネルギーコンセントレータ。
【請求項４０】
光エネルギーを受け、該光エネルギーを焦点の方に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する一次ミラーと、
該一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、該光エネルギーを環状の受容器に集束させるように、組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する二次ミラーであって、該凸面の鏡面は、
軸の周りに対称的に形成され、凹面側と、凸面側と、該凹面側の虚焦点と、該凸面側の実焦点とを有する双曲状湾曲を提供することと、
該虚焦点の周りに、該軸と該双曲状湾曲とを傾けることであって、その結果、その傾けられた位置において、該軸は鋭角でその本来の位置から分離され、該双曲状湾曲がその本来の位置から傾けられる、ことと、
該傾けられた双曲状湾曲の部分を回転させることであって、該双曲状湾曲の部分は、該本来の軸から該傾けられた軸にそして該傾けられた軸を超えて、該本来の軸の周りに延び、その結果、該傾けられた双曲状湾曲の該回転した部分は該本来の軸の周りに、回転表面を形成する、ことと、
該二次ミラーの該凸面の鏡面に該回転表面の形状を提供することであって、その結果、該鏡面は環状の焦点パターンを有する、ことと
によって形成される、二次ミラーと
を備えている、光エネルギー収集システム。
【請求項４１】
ガラスのレンズ／プリズム要素の環状のアレイであって、該要素の各々は、該ガラスのレンズ／プリズム要素が実質的に相互にフィットし得、実質的に環状の形状のアレイを形成し得るように放射状に延びる、凸面の上部と、凸面の下部と、平らな内側端部と、外側端部とを有する、環状のアレイを実質的に環状の焦点においてさらに備えている、請求項４０に記載の光エネルギー収集システム。
【請求項４２】
ベースと、
該ベースから上方に延びる円筒形のシャドウシールドであって、該シールドは、上端部と、円筒形の内部表面と、外部表面とを含む、円筒形のシャドウシールドと、
該シャドウシールド内部の該ベースに接続された下部と、先端を切った角錐の形状の上部とを有するセンササポートであって、該上部は、実質的に９０度（９０°）離れて位置を決められた４つの傾斜した側面を有する、センササポートと、
該サポートに取り付けられた４つの光電池であって、該先端を切られた角錐の該傾斜した側面上のそれぞれに１つ存在する、４つの光電池と、
該シャドウシールドの該外部表面に９０度（９０°）離れて取り付けられた４つの光電池と
を備えている、太陽位置センサ。
【請求項４３】
前記先端を切られた角錐の傾斜の前記４つの側面は、垂直から実質的に３０度（３０°）である、請求項４２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４４】
各光電池は、ガラスで覆われている、請求項４２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４５】
前記光電池の入射角に対する反射率／透過率の非線形の応答がある、請求項４２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４６】
前記ガラスで覆われた光電池の入射角に対する反射率／透過率の非線形の応答がある、請求項４４に記載のセンサアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、電気エネルギーおよび／または熱エネルギーへの太陽エネルギーの変換における改良に関する。より詳細には、本発明は、経済的に太陽エネルギーを集めそしてそれを電気エネルギーおよび／または熱エネルギーに変換するためのミラーおよびレンズ／プリズムのシステムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
太陽エネルギーは、３０年以上も前から望ましいエネルギー源である。しかしながら、コストが、常に、広範囲に及ぶその使用に対する障害であった。最もよく知られた太陽エネルギーシステムは、十分な面積をカバーするかまたは十分な入射光をさえぎり、１０〜１５パーセント（１０％〜１５％）の比較的低い変換効率で所望の量の電力を産出する太陽電池のアレイを備えている。このアプローチは、高価な半導体太陽電池の大面積を必要とする。現在までこれらのシステムは、ある種の費用補助金がないと競争力がなかった。概して、太陽エネルギーシステムの非常に高いコストは、主として、太陽電池と呼ばれる半導体変換デバイスに必要とするコストおよび量が原因である。コスト問題を軽減するいくつかのアプローチがあった。１つのアプローチは、最小限の量のみの半導体材料を用いる薄膜太陽電池を製作することである。残念ながら、このアプローチは６〜８パーセント（６％〜８％）のさらに低い効率を引き起こし、材料は問題があることが判明した。第２のアプローチは、フレネルレンズまたはフレネルの鏡などの様々な光学デバイスを用い、より高い強度に太陽エネルギーを集束し、次いで、より小さい面積の高価な太陽電池を用いて太陽エネルギーを変換することである。これらのアプローチの全ては、追求されてきたし、なおも追及されている。現在までこれらのどれもが、公益事業体または政府機関によって提供されるある種の財政上の報奨金なしでは、経済的な太陽エネルギーの生成という結果にはならなかった。太陽エネルギーを集め、それを電気エネルギーおよび／または熱エネルギーに変換する、より経済的な方法に対するニーズがある。本発明の主目的は、このニーズを満たすことである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（概要）
本発明の太陽エネルギー収集システムは一次ミラーと二次ミラーとを備えている。一次ミラーは、光エネルギーを受け、光エネルギーを焦点の方に集束させるように組み立てられそして位置を決められた凹面の鏡面を有する。二次ミラーは、一次ミラーから集束された光エネルギーを受け、光エネルギーを環状の受容器に再集束させるように組み立てられそして位置を決められた凸面の鏡面を有する。
【０００４】
一実施形態において、環状の受容器は、二次鏡面から受けた光エネルギーを、別個の領域のリングに集束させるように組み立てられた光要素の環状のアレイを含む。本発明の一使用において、太陽光から電気への変換ユニットのリングは、別個の領域のリングに位置を決められる。
【０００５】
好ましい形態において、一次ミラーの凹面の鏡面は、実質的に放物状である。二次ミラーの凸面の鏡面は、太陽エネルギーを環状の受容器に再集束させるように修正された放物状面である。
【０００６】
好ましい形態において、環状の受容器は、太陽エネルギーをさらに集中させ、光電池の環状のアレイに太陽エネルギーを送達するように配置されたレンズ／プリズムのパターンを備えている。
【０００７】
本発明はまた、一次ミラーと二次ミラーとを作る方法を含む。本発明はまた、二次ミラーと光コンセントレータとの間、および光コンセントレータと光電池のシステムとの間の関係に関する。光電池は本システムにおいて二重の機能の働きをする。光電池は、集中させられた日光を吸収し、日光の一部を電気に一部を熱または熱エネルギーに変換する。従って、光電池は、発電機および熱生成器の両方としての働きをする。これらの」２つの役目を効率的に達成するために、光電池は、比較的高温において効率的な電気的変換を維持するために十分に広い禁止帯の幅を有する半導体材料から組み立てられる。概して、半導体材料の禁止帯の幅が広ければ広いほど、温度が上昇するのに伴い光電池の効率が劣化することが少なくなる。従って、電気生成と熱生成との相対的な重要性に従って、用途に対する交換条件が考慮されることが必要とされる。
【０００８】
本発明の局面は、曲面の鏡面を有する薄い金属から構成されるミラーであって、該金属本体面にポリマーと、ポリマー層上に反射金属層と、金属層上に薄いガラス層とを備えているミラーを提供することである。この構造は、一次ミラーおよび二次ミラーの両方に用いられ得る。
【０００９】
好ましい形態においてミラーの薄い金属本体は、シートアルミニウム合金から形成される。特に適切な合金は、Ｔ−６条件に硬化されたアルミニウム合金６０６１である。薄い金属本体は、所望の形状に形成され、次いで、ポリマー層と、反射金属層と、薄いガラス層とが薄い金属層本体に連続的に塗布されながら、回転させられる。
【００１０】
好ましい実施形態において、二次ミラーの鏡面は、それが受けた光／熱エネルギーを環状の焦点領域に反射させそして集束させるような形状である凸面である。
【００１１】
本発明のシステムは、単一の接合点と複数のタンデム接合点との両方を有する広い禁止帯の幅の光電池に十分に役立つ。今日まで、広い禁止帯の幅の材料から作られ、複数接合点構成の光電池のコストによって、陸上の用途におけるその使用は排除された。本発明のコンセントレータシステムは非常に高い光強度を生成し、光電池の小さく経済的な面積の使用が可能にする。
【００１２】
本発明は、高強度の光電池の独特の設計を含む。これらの電池は、２つの理由により最適である独特な長くて狭い作用面積を有する。第１に、電池パターンは、三次コンセントレータレンズによって提供される照度パターンに対応する。第２に電池パターンは、電池から離れるように光生成電流を伝導するための非常に短い通路を提供する。光電池は、高い光集中によって低電圧で非常に大きな電流を動作させる。従って、電池内の任意の直列抵抗は、電圧、および同様に電池の効率を降下させる。高強度電池からの電流は、集められ、電池の作用面積に重なる導電の金属グリッドのパターンによって電池から離れるように伝導される。グリッド内の直列の抵抗は、グリッドの長さに比例する。この理由により、長く狭い電池設計は、電池の長い長さに平行に走る電池の電気バスバーと共に、必要な短い導体グリッドを可能にする。
【００１３】
以下に説明されるように、本発明は、光電池の独特でかつ利益のある構造と、そのような電池のパターンとを含む
本発明の太陽光エネルギー変換システムは独特である。なぜなら該システムは、有用な温度で太陽光エネルギーを熱エネルギーに温水の形態で変換し、一方同時に、ソーラーパワーを電力に高い効率で変換する。本発明のシステムにおいて、集中された太陽光エネルギーは、まず光電池によって吸収される。光電池は吸収されたエネルギーの一部分を電気に変換し、光電池は、広い禁止帯の幅を有する半導体材料から組み立てられるので、光電池は、上昇した温度においてさえも高い効率性を維持し得る。
【００１４】
本発明は、太陽位置信号をマイクロコンピュータに供給する独特のソーラセンサから成り、該マイクロコンピュータは、情報を処理し、コンセントレータを駆動してコンセントレータを＋／−０．１°の精度で太陽に固定した状態に保持する歯車モータに制御信号を送信する。本発明のマイクロコンピュータはさらに、夜にシステムを停止し一次ミラーを地面の方に向くように位置を決めることと、朝にシステムを目覚めさせ太陽を得ることと、光電池の温度を監視し電池がオーバーヒートした場合コンセントレータを太陽から外れるように駆動することと、風速を監視し、風速が閾値を超えた場合コンセントレータミラーを下の方に向くように回転させること（風に対する縁の向き）との働きをする。
【００１５】
本発明の外の目的、利点および特徴は、下記に述べられる説明と、図面と、例示されかつ説明される特定の構造において具体化される原理とから明らかとなる。
【００１６】
同様な参照番号および文字は、図面のいくつかの図の全体を通して同様な部品を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施形態の断面概略図である。
【図２】図２は、図１のエッジ部分の拡大縮尺部分図であり、そのような図は、薄い金属ミラー本体と、本体上のポリマー層と、ポリマー層上の反射金属層と、金属層上の薄ガラス層とを示す。
【図３】図３は、本発明の太陽光線収集、電気、熱および制御の構成要素を具体化するトータルシステムのブロック図である。
【図４】図４は、６０６１アルミニウム合金を急冷する、時間／温度特性を提示する温度対時間のグラフである。
【図５】図５は、急冷パラメータの関数として６０６１アルミニウム合金の相対力を示す、産出力対冷却速度のグラフである。
【図６】図６は、一次ミラーの放物面に平滑化ポリマーコーティングを回転させることに関係する力の図である。
【図７】図７は、真空堆積チャンバおよびイオン支援堆積要素の概略図である。
【図８】図８は、双曲線の幾何学軸を示し、軸の一方の端部における実焦点と軸の反対の端部における虚焦点とを示す双曲線の図である。
【図９】図９は、図８に似ている図であるが、幾何学軸の本来の位置から角度ｘだけ傾いた双曲線とその幾何学軸とを示し、点ａから点ｂに延びる双曲線の一部分を示す。
【図１０】図１０は、図８と図９とを組み合せた図であり、円軌道で横方向に動く、回転した双曲線の部分ａ〜ｂの実焦点を示す。
【図１１】図１１は、双曲線の部分ａ〜ｂが新しい幾何学軸ｃ〜ｃの周りに回転することによって形成される三次元形状の図である。
【図１２】図１２は、二次ミラーの放物面に平滑化ポリマーコーティングを回転させることに関係する力の図である。
【図１３】図１３は、二次ミラーから間隔をおいて置かれたレンズ／プリズムアセンブリの断面図である。
【図１４】図１４は、ガラスレンズ／プリズム要素の円形のアレイであって、示された要素のうちの１つの要素がアレイにおけるその位置から上に動かされた、円形のアレイの絵画図である。
【図１５】図１５は、レンズ／プリズム要素のうちの１つの要素の拡大された側面図である。
【図１６】図１６は、図１４のレンズ／プリズム要素の端面図である。
【図１７】図１７は、図１４および図１５によって示されるレンズ／プリズム要素の上面図である。
【図１８】図１８は、図１に示される太陽光線収集システムを４つ含むシステムの電気的構成要素の概略図である。
【図１９】図１９は、非常に強い光の強さで効率的に動作する独自の光電池の平面図である。
【図２０】図２０は、電池相互接続と、保護ダイオードと、銅積層板にエッチングされた回路と、セラミック支持層と、セラミック支持層の下にある別の銅積層板と共に、図１９に示される光電池の円形アレイの組立分解絵画図である。
【図２１】図２１は、図２０に示される光電池アレイの電気的アレイ図である。
【図２２】図２２は、熱システムおよびシステム全体の他の構成要素と熱システムとの関係の概略図である。
【図２３】図２３は、光の入射角の関数としての、ガラスの典型的な反射曲線を示すグラフである。
【図２４】図２４は、角度の関数としてガラスで覆われた太陽電池において生成される信号を示すグラフである。
【図２５】図２５は、わずかな角度変化に非常に敏感に反応するセンサのアレイの上面図である。
【図２６】図２６は、図２５によって示されるセンサのアレイの側面図である。
【図２７】図２７は、背面ソーラセンサセンブリと、粗センサアセンブリと、細センサアセンブリとを示すソーラセンサシステム全体の断面図である。
【図２８】図２８は、誤差角の関数としてソーラセンサによって生成される典型的な信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（詳細な説明）
図１は、本発明の例示的実施形態の光構成要素の概略図である。該光構成要素は、一次ミラー１０と、二次ミラー１４と、光コンセントレータ１８とを備えている。一次ミラー１０は、凹面／凸面の放物面反射器であり、該放物面反射器はその凹面側に鏡面１２を有する。二次ミラー１４は、凹面／凸面の放物面反射器の凸面側に鏡面１６を有する凹面／凸面の放物面反射器である。ミラー１４の凸面側１６は、ミラー１０の凹面側１２と向かい合う。凹面の鏡面１２は、好ましくは放物状であり、鏡面１６は、概して双曲線状である。実質的に放物状の面１２は、そのリム２０と共面である焦点に、軸方向に平行にされた太陽光を集束させる。この焦点は、二次ミラー１４の概して双曲線状の鏡面１６の虚焦点と一致する。鏡面１６は、それが一次ミラー面１２から受ける太陽エネルギーを集中させ、光コンセントレータ１８の１つの端部における環状の領域に太陽エネルギーを集中させるように組み立てられそして位置を決められる。以下に詳細に説明されるように、コンセトレータ１８は、分離した領域（ｄｉｓｃｒｅｅｔ  ａｒｅａ）のリングに太陽エネルギーをさらに集中させるレンズ／プリズム１００の環状のアレイから構成される。太陽電池ＰＶは、集中された太陽光領域を吸収しそれを電気および熱に変換する分離した領域に位置を決められる。
【００１９】
図３において、システムの太陽光収集部分はＳＣで示される。システムの電気的部分はＥＳで示される。システムの熱部分はＴＳで示される。システムの制御部分はＣＳで示される。
【００２０】
好ましくは、一次ミラー１０は、それを実質的に放物線状の凸面／凹面の形状にし、放射状で円筒形のフランジ２２、２４から成る円形のリム２０にするように形成されたアルミニウム合金のシートから組み立てられる。より詳細に以下に説明されるように、ポリマー層２６が凹面１２に蒸着させられる（図２）。その後、ポリマー層２６上に反射金属の薄膜２８の蒸着がなされる。次いで、腐食および酸化から金属層２８を保護するために、薄いガラス層３０が金属層２８に蒸着させられる。これは、金属層２８を天候、摩滅および洗浄から保護する。
【００２１】
二次ミラー１４はまた、好ましくは、二次ミラー１４に修正された放物線の鏡面を提供するような形状であるアルミニウム合金の薄いシートによって形成される。一次鏡面１２の場合のように、二次鏡面１６は、アルミニウムの形成されたシートの上にポリマーの層が提供される。次いで、反射金属層がポリマー層に塗布され、薄いガラス層が金属層に塗布される。
【００２２】
一次ミラー１０および二次ミラー１４は共通のフレームＦによって支持され、一次ミラー１０はプレート８６、８８および一連のファスナ（図示されていない）によって該フレームＦに接続される。このフレームＦは、２つのミラー１２、１６の共通の中心線軸と一致した、軸方向に延びる支柱Ｐを含む。コンセントレータ１８の一部を形成するレンズ／プリズム１００の環状のアレイは支柱Ｐを囲む。さらに詳細に以下に説明されるように、修正された双曲線面１６は、コンセントレータ１８の一部であるレンズ／プリズムの環状のリングに太陽エネルギーを集束させるように組み立てられそして位置を決められる。二次ミラー１４は、その凹面側に冷却流体を受けるように組み立てられたハウジングを含み得る。
【００２３】
一次ミラー１０は、所望の放物線形状に正確に機械加工されたダイの中にアルミニウムの加熱されたシートを形成するホットブロー（ｈｏｔ  ｂｌｏｗ）によって形成され得る。ホットブロー形成プロセスは、それが気体圧力を用い、加熱されたシートをダイの中に一致するように押し込むために、そのように命名された。高温でシートを形成することは、支持層在庫のための既製のロールのアルミニウムシートを用いることを可能にする。高い形成温度は、材料の引張り強さを低下させ、その結果、ダイからのスプリングバックを引き起こす内部応力が最小にされる。低下した引張り強さはまた、一群の材料間または種々の納入業者からの材料における差によるスプリングバックの変動を最小にする。気体圧力はシートのすべての部分に対して等しく圧し、材料のすべての領域がダイに正確に一致し、形成ダイの形状に非常に正確に一致したままとなることを確実にする。形成プロセス後、形成された部分は、柔らかい（Ｔ−Ｏ）焼きなまし条件にある。柔らかい状態は、望ましくなく、適した合金および適切な形成条件の選択によって回避され得、その結果、その部分がダイから取り外され冷却された後に、その部分において経時硬化またはテンパリングが起こり得る。
【００２４】
アルミニウム合金６０６１は、経時硬化プロセスを用いるのに適した材料である。形成されたアルミニウム部分をそのＴ−６条件に経時変化させることは、その部分がＴ−Ｏ（柔らかい焼きなましの）条件であるよりも、その部分を約５倍硬く（ｈａｒｄ）するかまたは堅く（ｓｔｉｆｆ）する。アルミニウム合金６０６１は、冷却中、比較的遅い不純物の発汗速度のために、経時硬化に対する非常に優れた選択である。図４は、４００〜２９０℃の臨海温度における平均冷却速度の関数としての材料の固体特性を例示する。概して、一次コンセントレータ（ミラー）をある温度で１５分間浸すことは、経時硬化条件を設定するのに十分である。不純物の必要な固溶体が一旦得られると、アルミニウムを十分に速く冷却または急冷することは、不純物が溶液から沈殿することを防ぎ、過飽和した合金を産出する。その部分が冷却された後に、不純物は、ゆっくり沈殿し、過飽和の条件を取り除く。結果として生じる非平衡で不安定な微細構造は、数時間から数週間（温度による）にわたり、多相システムに分解し、沈殿した不純物は、格子ひずみ（ｌａｔｔｉｃｅ  ｓｔｒａｉｎ）およびゆがみ（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を作り、それらは、堅くて強いＴ−６条件にアルミニウムを硬化させる。図５は、４００〜２９０℃の臨海温度における平均冷却速度の関数としての６０６１合金の相対強度を例示する。
【００２５】
加熱および冷却の条件は、６０６１アルミニウム合金がスプリングバックなしに正確に形成されかつ経時硬化を誘引するように確立される。形成および急冷の両方の条件は、形成ダイにおいて達成されなければならない。これは、形成チャンバにおいてアルミニウムシートブランクを熱的に隔離し、放射加熱を用い、アルミニウムシートを５３６Ｃ溶液温度に上げることによって達成される。該部分は、次いで、アルミニウム合金における沈殿の臨界温度より低い２２５℃の温度に維持されている鋼ダイの中に急速に吹き込まれる。アルミニウムシートは、その熱をダイに急速に与え、経時硬化に必要な点まで冷却される。
【００２６】
形成機は、一次ミラーを加熱、形成、次いで急冷するプロセスにおいて多数の機能を実行する。形成機は、放物面反射器ブランクを熱的に隔離し、加熱を可能にする。形成機は、ブランクとダイとの間の気体密閉シールを形成する。形成機は、ディスクの外縁の周りの硬化リングを形成し、ブランク材料をダイの中に押し込め、ダイが、形成された放物面反射器を冷却し、経時硬化条件を設定すると、ブランク材料を適切な位置に保持する。形成された一次ミラーは、形成機から取り除かれ、鏡面が形成される前に経時硬化のために貯蔵される。
【００２７】
鏡面は、形成されたアルミニウム本体１０の凹面側に形成される。これは、薄い金属本体１０を回転させ、それにポリマーの層を塗布することによって行なわれる。液体ポリマーは放物面反射器の中心に置かれ、放物面反射器は、遠心力によって液体が放物面放射器１０の表面に沿って外側にかつ上方に放物面放射器１０の外側リム２０に流れるような回転速度で、放物面放射器の幾何学軸の周りに回転させられる。一次ミラー１０の凹面１２の全体が液体ポリマーの膜で覆われているとき、放物面放射器の回転速度は、遠心力が重力を正確に打ち消すように調整される。この時点において、液体に正味の力はなく、液体の表面張力が液体を鏡面のように平滑化して、液体は事務用放物線シート２６となる。流体に正味の力がない条件は、図６に示される。流体のための必要とされる回転条件は、以下に示されるように計算され得る。
【００２８】
図６は、放物線の放物面反射器の湾曲に対して満たされる条件を例示する。原点は、放物面放射器の中心であると仮定され、軸は、原点と直角である場合、半径Ｒｍａｘは２８インチであり、リム高さＨｍａｘは１４インチである。従って、放物状湾曲は、
ｈ＝１／５６ｒ２                                          （１）
および
ｄｈ／ｄｒ＝ｒ／２８＝ｔａｎΘ                            （２）
によって説明され、ここで、ｈは原点の上の高さであり、ｒは原点からの半径距離である。ついで、接線重力（求心力）は、
Ｆｇｔ＝Ｆｇｓｉｎ０＝ｍｇｓｉｎΘ                          （３）
であり、ここで、Ｆｇｔは重力の接線成分であり、Ｆｇは総重力であり、Θは水平に対する曲線に接する接線の角度であり、ｍは流体の増加質量であり、ｇは重力定数である。次いで接線求心力は、
Ｆｃｔ＝ｍｒｗ２ｃｏｓΘ                                    （４）
であり、ここで、Ｆｃｔは求心力であり、ｗは回転する放物面放射器の角速度である。
【００２９】
等式（３）と（４）を均等化し、ｗを解くと、
ｗ＝√８／２８ラジアンまたはｒｐｍ＝６０／π√ｇ／２８    （５）
が得られる。
【００３０】
この回転速度条件が満たされると、流体は支持層面のすべての点において静止のままであり、流れる性向を有しない。同様に、誘導は放物状湾曲の開始前提に基づくので、流体は、放物状曲線を満たすように努め、実際に開始支持層における小さな形成傷を訂正し得る。
【００３１】
液体ポリマーはまた、上記の用途において適切に機能するために満たされなければならない特定の要件を有する。ポリマー特性要件は、（１）粘性が放物面反射器の上を容易に流れることを可能にするほど十分に低くなければならないこと、（２)動作時間時に泡除去のための真空ガス放出および放物面反射器の上で材料を回転することが可能でなければならないこと、（３)動作時間時に熱的に活性化された硬化が可能でなければならないこと、（４)硬化した材料が真空と共存できなければならないこと、（５)硬化した材料が金属層および誘電層の真空蒸着の熱に耐えなければならないこと、（６)硬化した材料がしわになることなくこれらの蒸着された層を支持しなければならないこと、および（７)硬化した材料が通常の使用中に湿度および熱循環に抵抗力がなければならないことである。
【００３２】
完全な製造プロセスは、耐久性があり、経済的であり、正確に形成され、そして光学的により優れている一次ミラー１０を生産する。製造プロセスの主要なステップは、形状を形成することと、表面を平滑化することと、高い反射性の金属層および保護ガラス層の蒸着とである。反射性の金属層は、高真空蒸着プロセス中に、硬化したポリマーの平滑化層に蒸着される。単一の真空ポンプダウンプロセス中に、高い反射性の金属表面および保護ガラス層の両方が蒸着される。金属およびガラス層の蒸着の重大な局面は、層がミラー支持層上に蒸着されているときに、層に追加のエネルギーを送ることである。追加されたエネルギーは、蒸着されている材料の一部分をイオン化し、次いで膜が成長している表面の方にこれらのイオンを加速させることによって、表面に送られる。これらのイオンは、その運動エネルギーを成長する膜に放出し、蒸着された材料の横の移動を可能にし、成長する膜の密度を上げ、ピンホールの形成を最小限にし、膜の付着を強め、隔壁様の層を形成する。
【００３３】
金属層およびガラス層の蒸着は、図７によって概略的に示される高真空チャンバにおいて成し遂げられる。プロセスは、平滑化された一次ミラー１０が真空チャンバ７０の中に導入され、十分な気体がチャンバ７０から除去され、４．０×１０−６トルの圧力をもたらすことから始まる。反射層は、るつぼに入っている金属アルミニウムまたは銀を金属の蒸発点まで加熱することによって、蒸発させられる。金属蒸発物は、高エネルギーの電子の流れを通過することが可能であり、それによって金属蒸発物を部分的にイオン化する。イオン化されない金属蒸気は、一次コンセントレータ支持層に進み、そこで該金属蒸気は濃縮する。チャンバ７０に存在する電界は、イオン化された蒸発物を一次コンセントレータ支持層のほうに加速し、イオンが一旦その目的地に到着すると、加速のこの余分のエネルギーは、表面に蒸着される。
【００３４】
イオンボンバードメントは、蒸着された薄膜を改良するために長い間用いられてきた。しかしながら、公知のプロセスは、典型的には、ボンバードメントのためにイオン化された気体、原子または分子のビームを用いる。放物状の一次ミラーなどの大面積をボンバードすることが非常に高価であり、ビームのアプローチはあまり実用的ではない。この理由により、本発明者は、蒸発物ビームの一部分をイオン化し、該蒸発物のビームの一部分を標的膜の方に加速し、同じ結果を達成する独自のシステムを考案した。イオン化蒸着システムの概略図は、図７に示される。システムは、一次ミラー１０がチャンバ内に収納されることが可能であるほど十分に大きな真空チャンバ７０から構成される。金属蒸発物供給源７２およびガラス蒸発物供給源７４の両方が、提供されそして用いられる。電子がフィラメント７６から放出されるように、フィラメント７６が電流によって加熱される。アノード７８は、フィラメントの向かい側に配置され、フィラメントから放出された電子を引きつけるために電荷が与えられる。電子の流れ８０は、金属またはガラスの蒸発供給源のいずれかから発する蒸発物の流れを通過することが可能である。典型的には、１００〜５００ｍＡの電流は、供給源から出る蒸発物を部分的にイオン化するのに十分である。イオン化された蒸発物およびイオン化されない蒸発物の両方が、支持層の方に移動する。プレート８２は、供給源／フィラメントと支持層との間に位置を定められる。このプレート８２は、高電圧に帯電され、イオン化された蒸発物を加速し、それによって余分のエネルギーを蒸発物の流れに与える。接地されたさらなるプレート８４は、電荷プレート８２とフィラメントとの間に位置を定められ、蒸発供給源から離れるように逸れる電子の数を減少させる。支持層１０は、安全上の理由から大地電位に保たれる。
【００３５】
ガラス層３０は、一酸化シリコン物質が蒸発させられる初期原料物質に用いられることを除いて、類似の方法で蒸着される。酸素が真空チャンバ７０の中に注入され、蒸着チャンバに制御された酸素分圧を作る一方、一酸化シリコンは原料から蒸発させられる。一酸化シリコンを安定した透明の溶解したシリカ膜を蒸着面に形成する二酸化シリコンに変換するために、酸素は、原料から標的面までの途中と標的面おける両方において一酸化シリコンと結合する。蒸発中、電子の流れは、チャンバ内の一酸化シリコン物質および帯電したプレートを部分的にイオン化し、イオン化された一酸化シリコンを支持層１０の方に加速する。加速されたイオンからのこの追加されたエネルギーは、標的面上の成長するＳｉＯ２層に蒸着され、ガラス膜の密度および付着を向上させるより多くの移動度および反応度を産出し、一方、膜ピンホールの数を減少させ、膜の耐候性を向上させる。ガラス蒸着の後に、一次ミラーは、次いで蒸着チャンバ７０から除去され、太陽エネルギー変換システムの中に挿入される。
【００３６】
二次ミラー１４はまた、一次ミラー１０とほぼ同じ方法でアルミニウム合金のシートから形成され得る。すなわち、アルミニウム合金のシートは、鏡面の所望の形状に正確に機械加工されたダイに形成された高温のブローであり得る。次いで二次ミラーの凸面は、形成されたアルミニウム部材に塗布されたポリマー層が備えられる。次いで反射金属層がポリマー層に塗布され、薄いガラス層が金属層に形成される。
【００３７】
図８〜図１１を参照すると、二次ミラーの鏡面１６は、以下の方法で決定され得る。まず第１に、幾何学中心線軸４０と、凹側面と、凸側面と、凹側面において軸４０と交わる虚焦点ＩＦＰと、凸側面において軸４０と交わる実焦点ＲＦＰとを有する双曲線ｈｃが形成される。この軸４０および双曲線ｈｃは、図９に示される方法で虚焦点ＩＦＰの周りに所定の位置に旋回される。双曲線ｈｃがこの位置にあるとき、軸４０の本来の位置ｚ−ｚと交わる曲線上に点ａがある。双曲線ｈｃの線分ａ−ｂは、次いで軸ｚ−ｚの周りに所定の位置に回転され、実焦点ＲＦＰがここで本来の軸ｚ−ｚを囲む円４２上に存在する範囲まで線分ａ−ｂが修正されたことを除いて、概して双曲状である回転の表面を形成する。この円４２は図１０に示される。従って、傾いた双曲線の回転した部分は、ここで光エネルギーを環状の領域に集束させる表面を形成する。
【００３８】
図１０は、図８を図９に重ねて、太陽エネルギーが集束される環形４２を示す。従って、虚焦点ＩＦＰの周りに双曲線９０を傾け、次いで本来の軸ｚ−ｚの周りに傾けられた曲線を回転させることによって形成される回転の表面ｈｃは、ダイの凹面に対してアルミニウム合金シートが高温の気体を用いることによって動かされるダイの凹面を作ることの基礎として用いられる。金属本体が形作られた後に、反射面が鏡面の質にまで平滑化される。再び、一次平滑化技術と類似して、十分な表面張力と低粘性とを有するポリマーが表面に塗布される。表面張力が表面を平滑化するのに十分な時間に気体を放出することが可能である。ポリマーが流れることなく平らになることを可能にするように注意が払われる。このことは、毛管付着力がその部分の表面上にポリマーの膜を保持しながら、遠心力が重力を打ち消すような回転速度でミラー１４を下に向けるように回転させることによってなされ得る。この技術は、毛管付着が滴下することなく薄い層を逆さまに保持することを可能にするほど十分に平滑化ポリマー層が薄いことを必要とする。付着力は、重力の成分および遠心力の成分の両方を減殺する必要がある。図１２は、双曲面ｈｃを回転させる概略図を示し、動くことなくポリマーを維持するように平衡を保たれなければならない力を示す。平滑化ポリマー層が硬化した後に、反射面は、一次ミラー鏡面１２に関する上記の技術を用いて、蒸着される。金属反射層はまず、さらなるエネルギーを蒸着するために高エネルギーオンを用いて蒸着される。ガラス保護層は次に、さらなるエネルギーを成長する膜に供給するために、再び、ガラス蒸発物の高エネルギーオンを用いて蒸着される。これにより二次ミラー面１６の製作が完成する。
【００３９】
本発明の局面に従って、環状のレンズ／プリズムアセンブリは、実焦点ＲＥＰを回転させることによって形成される環状領域に位置を決められる。図１３において、光学要素５０のリングが、部材１８における下方に集中する環状の開口部の下端に示される。レンズ／プリズム要素５０のこのアレイは、一次ミラーおよび二次ミラーから別個の長方形の領域にリング焦点を再び導くように機能する。直角の各々は、原集束されたリングに対して放射状の線に沿い、互いに対して等しい角度で向けられた長軸を有する。この配置の利点は、高強度の集中したエネルギーがここで光電池または他のエネルギー変換要素の作用面積のみに向けられることである。図２における光電池ＰＶＣを参照されたい。このことは、相互連結のワイヤ、通路、および他の構造が高強度エネルギーに曝されないで、これらの領域に対する損傷を防ぐための特別な設計の考慮を必要としないという追加の利点を有する。
【００４０】
レンズ／プリズム要素５０は、入射光ビームを集中させ、それを細い線に分割するために、２つの成分に入射光ビームを分割する方法において独特である。各レンズ／プリズム要素５０の光軸は、要素５０の中心を通って上部から下部に垂直に延びる垂直線である。半径方向の様相において、要素５０は、図１４〜図１７に示される形状を有するプリズムとして働く。要素５０は、要素の中に入り、全内反射によって要素５０の平らな端部から反射される、半径方向に偏軸角で入射する光線に対してプリズムとして働く。プリズムの光学的性能は、図１５および図１６において光線トレースによって例示される。要素５０は、円周方向に偏軸角で入射する光線に対して両凸レンズとして働く。図１６は、両凸レンズの形状を例示する。レンズの光学性能は、図１６において光線トレースによって示される。要素５０の中に入る周囲方向の偏軸光線は、屈折させられ、要素５０の下に焦点が合う。両凸レンズの厚さは、良好な設計においてその性能を最適化するために変化され得る。例えば最も単純な形態は、２つの凸面が完全な円レンズまたは円柱レンズを形成する場合である。この場合、最も実用的なガラスとして、ビームはレンズの下部面の間の、ある距離に焦点を合わせられる。レンズの厚さが増加すると、光線はガラス材料内に焦点を合わせられ得る。図１６によって示される例において、光線はレンズの下部面に焦点を合わせられる。このようにして、レンズの性能は特定のシステムのために最適化され得る。プリズムおよびレンズの機能の独特の組み合せによって、レンズの上部面上に集中された太陽光の連続リングは、レンズのすぐ下に形成される狭い長方形の焦点の中に形成される。最後にレンズ／プリズム要素５０の側面は、図１７に示されるように先細にされ、その結果、該要素は、図１４に示される環状のアレイの中にフィットするようにされ得る。
【００４１】
入射光線を２つの成分、すなわち１つ半径方向の成分で１つは周囲方向の成分に割ることによって、プリズムおよびレンズが個々に動作する角度の広がりは、はるかに小さい範囲に限定され、ＣＨＰシステムの非常に高い集中レベルにおいてでさえもシステムに対する指向誤差の許容を可能にする。
【００４２】
図１８は、電気システムの概略図である。例示された特定のシステムは、顧客組み立てＣＨに導く電気コンジットに並列に接続された４つの太陽エネルギー収集システムＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶを含む。４つの太陽エネルギー収集システムＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶの各々は、負荷なしで２６ボルトと１０アンペアで２４ボルトとを生成するように適合された２４シリーズ接続／並列のＧａＡｓ光電池のアレイを含む。回路は８つの１５アンペアのサーキットブレーカＢと１つの接地線ＧＷとを含む。正および負の導線は、サーキットブレーカからユーザの電気的負荷に導く。システムは、追跡駆動および制御のためのマイクロコンピュータと始動のための小さい蓄電池とを含む。
【００４３】
光電池ＰＶＣは、システムにおいて二重機能を果たす。光電池は、集中した日光を吸収し、該日光の一部分を電気に、そしてその一部分を熱または熱エネルギーに変換する。従って、光電池は、システムにおいて発電機および熱生成器の両方として働く。これらの２つの役目を効率的に成し遂げるために、光電池ＰＶＣは、比較的高温において効率的な電気的変換を維持するために十分に広い禁止帯の幅を有する半導体材料から組み立てられなければならない。概して、半導体材料の禁止帯の幅が広ければ広いほど、温度が上昇するのに伴い光電池が劣化することが少なくなる。従って、電気生成と熱生成との相対的な重要性に従って、用途に対する交換条件が考慮されることが必要とされる。例えば、ＧａＡｓ光電池ＰＶＣが用いられる場合、システムは、２５℃での電気変換効率の約９５％である電気変換効率をなおも維持しながら、約１００℃までの温度で熱を生成し得る。従って、システムは、単一の接合点と複数のタンデム接合点との両方を有する広い禁止帯の幅の光電池に十分に役立つ。本発明以前は、広い禁止帯の幅の材料から作られ、複数接合点構成の光電池のコストによって、陸上の用途におけるその使用は排除された。この理由により、本明細書において開示されるコンセントレータシステムによって生成される非常に高い強度によって、光電池の小さく経済的な面積の使用が可能になる。光電池ＰＶＣが非常に高い光強度で効率的に動作するために、独特の設計が必要になる。図１９は、非常に高い強度の太陽電池設計を例示する。電池ＰＶＣは、２つの理由により最適である長くて狭い作用面積を有する。第１に、電池ＰＶＣは、図１４に示される三次コンセントレータレンズ５０によって提供される照度パターンに対応する。第２に電池ＰＶＣは、電池ＰＶＣから離れるように光生成電流を伝導するための非常に短い通路を提供する。光電池ＰＶＣは、高い光集中によって低電圧で非常に大きな電流を生成し、従って、電池内の任意の直列抵抗は、電圧、および同様に電池の効率を降下させる。高強度電池からの電流は、集められ、電池の作用面積に重なる導電の金属グリッドＧのパターンによって電池から離れるように伝導される。グリッドＧ内の直列の抵抗は、グリッドの長さに比例する。この理由により、長く狭い電池設計は、電池ＰＶＣの長い長さに対応して走る電池の電気バスバーＢＢと共に、必要な短い導体グリッドＧを可能にする。
【００４４】
グリッド線Ｇに対する別の制約は、グリッド線Ｇが電池ＰＶＣの作用面積を影にしないようにそして光が電池ＰＶＣに入るのを妨げないように、作用面積のできるだけ小さい部分をカバーことである。グリッドＧの電気抵抗はまた、グリッドＧの幅および高さに比例する。この理由により、電池ＰＶＣを先細にすること、電池ＰＶＣがバスバーに近づくにつれ広くなること、および電池ＰＶＣからの電流が増加することとは、低い陰影の必要性に対する低抵抗を最適化することに役立ち得る。グリッドＧをできるだけ厚くすることはまた、グリッドＧの必要とする幅を減少させ得る。当業者にとって、抵抗を最小化し作用面積を最大にするための多くの他のグリッドバス設計は明らかである。グリッドおよびバスバーに用いられる典型的な金属は、金、銀または銅である。
【００４５】
光電池ＰＶＣは、特別の電気的に絶縁の熱伝導支持層１２０に取り付けられる。支持層１２０は、金メッキされた銅クラッディング１２４が各側に接着された薄いアルミナシート１２２から成る。支持層の上側において、クラッディング１２４は、エッチングされ、図２０に示されるように、エッチングされた銅回路パターンに接着された光電池ＰＶＣ間の電気的相互接続１２６を行うための回路パターンを形成する。直列接続されたストリングにおいて、ストリングの部分がコンセントレータの部分的シェーディングにより照明されている場合、光電池ＰＶＣは逆バイアス破壊による損傷を受けやすい。２４個のセルの直列ストリングにおける２つごとの光電池ＰＶＣは、２つの光電池ＰＶＣに逆極性で接続されたダイオードＤによって、逆バイアス破壊から保護される。
【００４６】
図２１は、光電池およびダイオードアレイの電気的接続を例示する。電力は、図２０に示されるように、環状の基板の中心に取り付けられた２つの銅リード線によってアレイから離れるように伝導される。電池ＰＶＣは、セラミック回路基板の背面の金メッキされた銅クラッディングの背面に接触する循環水の流れによって冷却される。このようにして、熱エネルギーは、電池から抽出され、コンセントレータのベースに位置を定められた熱交換器に送達される。
【００４７】
図２２は、熱の収集および制御システムの全体を例示する。
【００４８】
図２２は、循環ポンプ１３０から「入力」コンジット１３２に流れる液体によって冷却される二次ミラー１４を示し、「入力」コンジット１３２は、コンセントレータ１８のベースの中に導き、そこからポストＰを通って、二次ミラー１４の空洞の内部に導く。加熱された冷却水は、二次ミラー１４の空洞の内部から「出力」コンジット１３４を通って流れ出て、「出力」コンジット１３４は、ポストＰを通って戻り、二方セレクタソレノイド弁３６に延びる。熱エネルギーが外部負荷に送達される場合、弁１３６は加熱された冷却水を液冷式液体熱交換器１３８に送達するように動作される。熱エネルギーは、所望の熱負荷への移送のためにユーザの流体に移動される。外部熱負荷が熱エネルギーのどの部分も必要としない場合、弁１３６は液冷式空気熱交換器１４０に冷却水を導くように動作され、冷却水はそこで外気に移動される。光電池ＰＶＣのための支持層に取り付けられた熱電対センサＴＳは、光電池ＰＶＣの温度を監視する。電池温度が所定の閾値前に上昇した場合、コンセントレータアレイは、システムに対する損傷を防ぐために、搭載のマイクロコンピュータによって導かれ、太陽から離れるように太陽エネルギー収集器を追跡する。コンピュータ故障に対するバックアップとして、熱スイッチＳが受容器ベースのハウジングに取り付けられる。この通常開の熱スイッチＳは、垂直駆動歯車モータと並列に接続される。温度があまりに高く上昇した場合、熱問題が分析されそして訂正され得るまで、スイッチＳは、閉じ、適切な極性によって連続ｄｃ電力をモータに提供し、コンセントレータアレイを地上に面する位置に駆動する。
【００４９】
図２３〜図２８は、図３においてＣＳと印をつけられた要素から構成される制御システムに関する。このシステムは、太陽位置信号をマイクロコンピュータに供給するソーラセンサを備え、該マイクロコンピュータは、情報を処理し、コンセントレータを駆動してコンセントレータを＋／−０．１°の精度で太陽に固定した状態に保持する歯車モータに制御信号を送信する。マイクロコンピュータはまた、水温度を監視し、冷却水ループにおける流量を調整し、所望の動作温度を達成する。マイクロコンピュータはさらに、夜にシステムを停止しコンセントレータ放物面反射器を地面の方に向くように位置を決めることと、朝にシステムを目覚めさせ太陽を得ることと、光電池の温度を監視し電池がオーバーヒートした場合コンセントレータを太陽から外れるように駆動することと、風速を監視し
風速が閾値を超えた場合コンセントレータ放物面反射器を下の方に向くように回転させること（風に対する縁の向き）との働きをする。センサおよび制御システムの主要な機能は、より詳細に以下に説明される。
【００５０】
ＣＨＰ太陽コンセントレータシステムは、その太陽感知システムからいくつかの特定の機能を必要とする。まず第１に、追跡システムは、太陽の２軸能動閉ループ連続感知を用い、太陽を見つけそして追跡するためのクロックおよびタイミングアルゴリズムには頼らない。追跡システムはタイミングアルゴリズムを用いないので、センサは１８０°の立体角または半球におけるどこからでも太陽の位置を感知することが可能でなければならない。太陽が一旦見つけられると、太陽位置センサＳＰＳは十分な感度の信号を提供し、＋／−０．１°の精度で太陽に指向することを可能にしなければならない。センサはまた、直接の太陽の照度と明るい雲の縁からの光とを区別することが可能でなければならず、センサはまた、迷反射光または地上の光源による干渉を受けてはならない。最後に、センサおよび追跡システムは、商業的販売になるほど十分に経済的でなければならない。本発明以前は、上記の基準のすべてを満たすシステムは存在しなかった。
【００５１】
本発明のセンサＳＰＳは、従来のセンサの物理的現象とは異なる物理的現象に基づく。本発明のセンサＳＰＳは、迷光からの保護により良く役立ち、指向精度において小さな角度オフセットのより感度のある検出を提供する。入手可能なセンサのほとんどは、光センサが高い柱の４つの側面に取り付けられたある種の高い柱を用い得る。柱が太陽に直接に指向すると、電池は縁を太陽に向け、信号は生成されない。電池が太陽から離れるように向くと、柱の一側面上の電池は照明され、信号を産出し、一方、反対側の電池は影となり信号を産出しない。別のタイプのセンサは、平行する管の底部に平らに取り付けられた電池を用いる。これらの設計の問題は、生成される信号が非常に非線形であり、センサが迷光による照明を非常に受けやすい傾向がある（円柱タイプ）かまたは大きな誤り角度で太陽を感知することに適しない（平行する管タイプ）かのいずれかである。
【００５２】
本発明のセンサＳＰＳは、上記の困難を克服するために、光電池の表面およびガラスなどの誘電材料における光の反射および透過の入射角に対する非線形の依存に基づく。図２３は、入射光の入射角の関数としてのガラスの典型的な反射曲線を示す。図２４は、光電池への光の透過において表される同じ効果を示す。光電池において生成される電流は、光電池の中に透過される光量に正比例する。図２４に提示されるデータを生成するために、ガラスで覆われた光電池が、平行にされた光のビームの下に置かれ、−９０°（一方向に向いている光ビームに対する縁の向き）から始まり、０度（正常入射）を通って、＋９０度（反対の方向に面する縁の向き）までの１８０度（１８０°）回転させられた。見られ得るように、生成された信号は、変化率が偏軸の角度におけるよりも正常から外れたより大きな角度においてはるかに大きい非線形である。入射角に対するこの非線形電池電流応答は、正常入射からの角度誤差に非常に感度のあるソーラセンサを生成するために用いられ得、偏軸誤差角の増加と共に増加する線形信号を生成する。
【００５３】
図２５および図２６は、本発明のソーラセンサの物理的な実施形態を示す。小さな、ガラスで覆われた光電池１５０が、先端の切り取られた角錐１６０の斜めの側面１５２、１５４、１５６、１５８に取り付けられる。センサが「太陽に向かって」追跡しているとき、太陽はセンサの先端の切り取られた角錐１５２、１５４、１５６、１５８のちょうど上に整列され、該センサの軸は角錐の中心を通る垂直線によって定義される。この線は図２６において光軸とラベル付けされる。センサが太陽から離れるように傾くと、ガラスの色づけされたセンサ１５０に入る入射光の角度は、変化し、太陽から離れる側面においてより急になり、太陽に最も近い側面がより急でなくなる。電池が非線形反射の開始（約６０°）の近くで動作するように側面角度が選ばれる場合、太陽に面する電池に入る光は急速に増加し、一方、太陽から離れるように面する電池に入る光は急速に減少する。側面の角度は、最大でかつ最も線形のエラー信号を産出するように最適化される。図２８は、典型的に生成されるエラー信号を例示する。信号は、すぐれた振幅を有し、小さな角度変化に非常に感度があり、正常近くの大きな角度範囲にわたり非常に線形であり、正常から離れた角度に比例して振幅が増加する。
【００５４】
非線形反射ベースのソーラセンサは、その正常に関して小さな角度誤差に対して非常に感度があり、このことは、該ソーラセンサが典型には＋／−０．１°である非常に厳しい許容範囲にコンセントレータを太陽に固定した状態を保持することを可能にする。センサの低い側面は、シャドウシールドｓｓの使用を可能にし、迷反射光または局所光源からセンサを保護する。図２７は、典型的なシールドの実施形態の軸状の断面図である。細センサアセンブリは、円柱形シャドウシールドｓｓの下部に位置を定められる。シールドｓｓは、導入角のかなり狭い円錐にセンサを制限し、その結果、センサはシステムの「細かい」センサとなる。方向（ｃｏｕｒｓｅ）感知に関して、４つの光電池１６２がシャドウシールドｓｓの外部に位置を定められる。これらの４つの電池は、シャドウシールドの周囲の周りに９０度（９０°）離れて配置される。この構成は、北−南および東−西のそれぞれの感知のための向かい合う２つの対の電池を提供する。太陽がコンセトレータアレイの後に位置を定められる場合のために、２つの後方に面する光電池センサＲＦＣもある。
【００５５】
細センサ、粗センサおよび後方に面するセンサは、制御マイクロコンピュータによって処理される。細センサおよび粗センサ上にはほとんどまたは全く信号がないが、後方に面するセンサ上に信号がある場合、コンピュータは、粗センサが信号をピックアップするまで、歯車モータにシステムを西方に駆動するよう命令する。この時点において、コンピュータは、制御を粗信号に転送し、コンセントレータ駆動システムは、水平および上昇方向の両方に太陽を捜す。コンピュータが細センサから十分な信号を検出したとき、コンピュータは太陽に固定するためにセンサに制御を転送し、各軸における所望の追跡許容範囲を維持する。このようにして、迷光信号の影響を受けない、高感度、高精度の追跡システムが達成される。明るい雲の縁からの散乱光による、残りの問題「雲追跡」はソフトウェアによって解決される。コンピュータは、直接の日光に典型的な閾値に匹敵しない信号を無視するように命令される。
【００５６】
搭載コンピュータは制御システムの心臓部である。追跡信号を処理することおよび追跡モータを制御することに加えて、コンピュータは、その内部クロック、リミットスイッチ、熱電対および風センサからの様々な他の信号を処理し、システムが安全にかつ効率的に動作するように保つ。リミットスイッチは、モータ駆動トレインに位置を定められ、コンセントレータの動作がどちらかの方向および両方の軸における走行の極限に達したとき、作動させられる。例えば、一日の最後に、水平駆動システムは、その西方の日没位置から東に戻るように回転する。水平駆動システムは、翌朝その日の走行を開始するために、コンセントレータを探す東リミットスイッチを作動させる。通常（夏至のときを除いて）夜に、システムは極限の西方位置に駆動しない場合、内部クロックは、その日のエネルギー収集が終了したときのプログラム時間に、システムの東方の「ホーム」位置に駆動して戻るようにコンピュータに信号を送るために用いられる。同様に夜のプログラム時間に、システムがその東方の「ホーム」位置に到着後、コンピュータはコンセントレータが下に面するように駆動する。コンピュータはまた、風センサから信号をサンプリングし、風速がプログラムされた閾値を超える場合、風信号が閾値未満に降下するまで、コンセントレータに地面に面する位置、すなわち風に対して水平位置になるよう命令する。
【００５７】
コンピュータはまた、各光電池アレイに位置を定められる熱電対を監視し、アレイがプログラムされた閾値を超える温度を示す場合、コンセントレータは、必要に応じ問題が評価されそして訂正されるまで、東に面する位置に駆動される。バックアップとして、コンピュータがうまく機能しない場合のために、熱機械式スイッチが光電池受容器本体に位置を定められる。受容器本体が熱機械式スイッチを作動させるのに十分に高い温度に達した場合、受容器本体はコンピュータに優先して、上昇駆動モータに直接に電力を供給し、コンセントレータを地面に面する位置に駆動する。
【００５８】
通常の動作に関して、コンピュータは、冷却水流体温度を監視し、ポンプ流量を制御し、流体温度をプログラム値に調整する。温度が上昇し、流体流量が最大である場合、外部の熱負荷が生成されている熱エネルギーのすべてを受け入れ得るわけではなく、流体の流れが、ソレノイド弁によって液冷式空気熱交換器の方にそらされ、流体温度を制御することが想定される。
【００５９】
本発明の別の実施形態において、光電池アレイは、光吸収器によって置き換えられ、集中された日光を吸収し、該日光を直接に熱に変換し所望の用途に転送する。所望の用途は、家庭の温水、浄水、商業的処理、または吸収空気調節など様々で得る。熱はまた、直接に（１）Ｓｔｉｒｌｉｎｇなどの熱エンジンを駆動すること、（２）蒸気機関またはタービンを駆動するためのスーパー熱スチーム、（３）熱発電機に燃料を供給すること、または（４）任意の他のタイプの熱エンジンまたは熱応用機器を駆動することのために用いられ得る。
【００６０】
放物状の放物面反射器の中にその光軸に平行の方向にレーザビームを導き、次いでレーザ光子に感度のある光電池を用い、レーザビームを電力に変換することは本発明の範囲内である。この方法で、電力は電線を用いることなく長距離を伝送され得る。コントレータシステムの中にその光軸に平行に変調されたレーザビームを導き、レーザ光子に感度のある検出器を用い、変調された信号を検出し、分析することもまた本発明の範囲内である。このようにして、システムは、レーザ送信の通信システムにおける受信器として用いられ得る。本明細書において「光エネルギー」は、日光（ソーラ（ｓｏａｒ）エネルギー）、レーザビームおよび他の光ビームの総称である。
【００６１】
例示されかつ／または説明された実施形態は、本発明の例にすぎなく、従って、非限定的である。本発明の特定の構造、材料および特徴における多くの変更は本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることは理解されるべきである。従って、特許権は、本明細書に例示され説明される特定の実施形態に限定されないで、それどころか、均等物の理論の使用を含む特許請求の範囲の解釈の許容される理論に従って解釈される以下の特許請求の範囲によって決定されるべきであることが出願人の意図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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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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【国際調査報告】
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