(57)【要約】【課題】本発明は、放射エネルギートラップに関する。この拡散および直接放射エネルギー集光器は、少なくとも１つの反射器と、実質的にプリズム状の形状の屈折器と、前記屈折器と相互作用する受光器とを備える。本発明は、フラットパネル型集熱器と同等の、放射エネルギーの固体受光角を有することが可能な一方、拡散光の集光率を比較的高く維持できる。本発明は、効果的なハイブリッド型太陽電気および太陽集熱器として、実施可能である。独自のかつ簡易な配置によって、光および熱効率性が比較的高くなる。本発明は、薄型の３次元拡散光集光器として実施可能であるが、反射、屈折および内部全反射を組み合わせるため、熱力学的限界に達することができる。本発明は、比較的高い効率を有する太陽電池を使って、材料コストをコスト削減の限界にまで最小化する。本発明は、利用可能な太陽エネルギーの利用効率を増加し、従来技術と比較して、格段と設置システムの資本回収期間を縮小することできる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射エネルギートラップであって、少なくとも１つの反射器と、屈折器と、受光器とを備え、前記屈折器は、前記少なくとも１つの反射器から反射される放射エネルギーが入射する位置に配置され、前記受光器は、前記屈折器によって屈折された放射エネルギーが入射する位置に配置され、前記受光器は、前記屈折器と相互作用する、放射エネルギートラップ、
前記屈折器は、実質的にプリズム状の形状を有し、前記屈折器は、外面と、透明な内部とを有し、前記屈折器の外面は、少なくとも３つの長手方向の辺を有し、前記少なくとも３つの長手方向の辺は、実質的に前記少なくとも１つの反射器と同一であって、前記少なくとも３つの長手方向の辺は、前記受光器に対して、長手方向に平行であって、前記少なくとも３つの長手方向の辺は、少なくとも２つの実質的に平坦な透明な辺を備え、前記屈折器は、横方向の断面を備え、前記屈折器の横方向の断面は、周囲を備え、前記少なくとも２つの実質的に平坦な透明の長手方向の辺は、前記周囲に対して横方向の距離を備え、前記受光器は、横方向の距離を備え、前記受光器の横方向の距離および前記少なくとも２つの実質的に平坦な透明な辺の周囲の横方向の距離は、位置関係および比例関係を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項２】
請求項１に記載の放射エネルギートラップであって、
前記少なくとも１つの反射器は、少なくとも１つの横方向の曲率を備え、前記少なくとも１つの反射器は、直線の長手方向の縁を効果的に備え、前記少なくとも３つの長手方向の辺は、前記屈折器の外面に沿って長手方向の曲げ線において近接する、少なくとも１対の隣接する長手方向の辺を備え、前記屈折器の少なくとも２つの実質的に平坦な透明な長手方向の辺の外面は、各々、長手方向の仮想中心線を備え、前記屈折器の外面は、長手方向の対称中心線を備え、前記屈折器の外面の対称中心線は、ａ）長手方向の曲げ線と、ｂ）長手方向の仮想中心線とを備え、
前記少なくとも１つの反射器の効果的な直線の長手方向の縁のうち、少なくとも１つは、少なくとも１つの前記屈折器の外面の長手方向の対称中心線に隣接することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項３】
請求項２に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の断面の、前記隣接する少なくとも１つの反射器は、１つ以上の曲率を備え、
前記少なくとも１つの反射器の曲率の各々は、連続する曲率を備え、横方向の断面の前記連続する曲率は、曲率変化点を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項４】
請求項３に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の断面では、横方向の周囲の、少なくとも１対の、隣接する２つの実質的に平坦で透明な長手方向の辺は、仮想三角形の辺を備え、前記仮想三角形は、仮想三角形の底辺を備え、前記仮想三角形の底辺および各透明な辺は、前記仮想三角形の角度を備え、前記仮想三角形の辺対底部角（ＳＢＡ）は、臨界角度以下の角度を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項５】
請求項４に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の断面において、前記屈折器は、少なくとも１つの入れ子層を備え、前記少なくとも１つの入れ子層は、各々、隣接する透明な辺の横方向の断面対を備え、前記隣接する透明な辺の入れ子層の横方向の断面対は、対応する仮想内部三角形の辺を備え、
前記対応する内部仮想三角形は、それぞれ内部仮想三角形の底辺を備え、前記内部仮想三角形の底辺およびそのそれぞれの辺は、各々、内部辺対底部角（ＩＳＢＡ）を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項６】
請求項５に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の横方向の断面の入れ子層は、少なくとも１つの外側が透明な固体層と、少なくとも１つの透明な内側流体屈折器層とを備え、
前記透明な内側流体は、伝熱媒体を備え、
前記透明な内側流体屈折器部は、容量を満たすよう前記伝熱流体を導入するための流体口手段を有する流体室を備え、前記流体室を通して前記伝熱流体を吸い上げることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項７】
請求項６に記載の放射エネルギートラップであって、
少なくとも１つのＩＳＢＡは、臨界角度以下の角度を備え、
仮想三角形の辺の底辺の、少なくとも１対の層は、共直線性を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項８】
請求項７に記載の放射エネルギートラップであって、前記受光器は、対向面を備え、前記受光器は、両面性を効果的に備え、前記受光器は、横方向の断面が実質的に平坦であり、前記受光器および前記屈折器は、長手方向に効果的に同一であり、前記受光器の位置および臨界角度は、前記屈折器のための内部全反射手段を備える放射エネルギートラップ。
【請求項９】
請求項８に記載の放射エネルギートラップであって、前記ＳＢＡは、少なくとも１つのあるＩＳＢＡ最小規定角度に対して、臨界最大角度を規定する放射エネルギートラップ。
【請求項１０】
請求項９に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の断面の、前記隣接する少なくとも１つの反射器は、並列する凹状反射器の対称対を備え、
前記並列する凹状反射器は、それぞれ並列する効果的な直線の長手方向の縁を備え、前記それぞれ並列する効果的な直線の長手方向の縁は、中心線縁を備え、前記中心線縁は、前記屈折器の外面の長手方向の対称中心線の１つに近接することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の少なくとも３つの長手方向の辺は、実質的に４つの平坦な透明の辺を備え、前記屈折器の横方向の周囲は、ダイヤモンド形状を備え、前記屈折器の横方向のダイヤモンド形状の周囲は、第１および第２の仮想対角線を備え、前記屈折器の第１の仮想対角線と前記仮想三角形の底辺とが一致し、前記屈折器の第１の仮想対角線と横方向の断面の前記受光器とが効果的に一致し、前記並列する反射器の中心線縁は、前記屈折器の外面の長手方向の折曲線の１つに近接し、前記中心線縁は、並列する凹状反射器の対称対の、対応する円曲率部に連続し、前記各円曲率反射器部は、曲率変化点において、それぞれ曲率部に連続することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１２】
請求項９に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の少なくとも３つの長手方向の辺は、実質的に平坦な長手方向の透明な辺の隣接対と、少なくとも１つの横方向の湾曲した辺とを備え、前記少なくとも１つの横方向の湾曲した辺は、前記屈折器の内部に対して、凹状を形成し、前記少なくとも１つの横方向の凹状の湾曲した辺は、全体として半円の曲線を備え、前記全体として半円の曲線は、横方向の仮想線の直径を備え、前記全体として半円の曲線は、少なくとも１つの凹状の第二次反射器を備え、前記実質的に平坦な長手方向の透明な辺の隣接対および前記全体的に半円の横方向の辺は、長手方向の折曲線の対面対で、近接し、前記少なくとも１つの反射器は、長手方向の折曲線の対面対のうち、少なくとも片方に隣接することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の仮想線の直径は、前記仮想三角形の底辺と一致し、前記受光器の横方向の距離は、横方向の仮想線の直径の中心であり、効果的に一直線上であり、その半分の距離であり、前記少なくとも１つの第二次反射器は、並列する半円の凹状の反射器の、対称対を備え、前記並列する半円凹状の反射器の、対称対は、第二次中心線縁を備え、前記第二次中心線縁は、横方向の第二次縁点を備え、前記横方向の第二次縁点は、前記受光器の横方向の距離の中心に近接し、
前記少なくとも１つの反射器の１つと長手方向の折曲線の対面対の１つは、長手方向に隣接することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１４】
請求項１２に記載の放射エネルギートラップであって、
横方向の断面において、透明な流体内側屈折器部は、第二次複合屈折器を入れ子状にし、前記第二次複合屈折器は、固体外側屈折器部と、第二次流体内側屈折器部とを備え、第二次複合屈折器の各部は、横方向の断面に、ダイヤモンド形状を備え、各ダイヤモンド形状は、第二次対角線の直交対を備え、前記第二次直交対角線は、対応して一直線上であり、前記受光器の横方向の距離は、各直交対から、１つの一直線上の対角線の組と一直線上であり、前記受光器の横方向の距離は、第二次複合屈折器固体外側屈折器部の、２つの直交する対角線の１つと、効果的に同一であり、前記受光器は、全体的に半円凹状の第二次反射器の、横方向の仮想線の直径と、効果的に平行であり、
前記第二次反射器は、並列する円形の２つの曲率を各対が有する対称対であって、凹状の反射器は、前記並列する円形の２つの曲率を各対が有する対称対であって、凹状の反射器は、第二次長手方向の中心線縁を備え、前記第二次長手方向の中心線縁は、横方向の第二次縁点を備え、前記第二次複合屈折器の固体外側屈折器部の第２の対角線は、第１および第２の端部点を備え、前記第１端部点は、横方向の第二次縁点に近接し、前記第２端部点は、前記少なくとも１つの凹状の第二次反射器の、仮想線の直径に一致し、
前記受光器の横方向の距離は、前記第二次反射器の仮想線の直径の半分未満であって、前記第二次複合屈折器の固体外側屈折器の横方向のダイヤモンド形状のＩＳＢＡは、二次的なＳＢＡ以下の角度を備え、前記少なくとも１つの反射器の１つのうち、１つの効果的な直線の長手方向の縁は、長手方向の曲げ線の対面対のうち片方に隣接することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の放射エネルギートラップであって、
前記第二次反射器は、長手方向の隔壁を備え、前記隔壁は、対面する「逆Ｖ字型の」反射器部の横方向の対を備え、前記隔壁は、第二次反射器の区画の間に離間し、前記第二次反射器の隔壁と区画とは順次連続し、前記「逆Ｖ字型」の閉端部は、横方向のラインセグメントであって、前記横方向のラインセグメントは、前記第二次反射器の仮想線の直径と一致し、前記「逆Ｖ字型」の開端部は、長手方向のラインセグメントを備え、前記「逆Ｖ字型」の長手方向のラインセグメントは、第二次反射器の仮想底部線と一直線上であって、前記第二次反射器の仮想底部線は、横方向の断面において、並列する円形の凹状の対になった第二次反射器部の両方に対する、仮想接線を備え、前記第二次反射器の仮想底部線は、前記区画の底部長手方向の距離を備え、前記第二次複合屈折器と前記同一の受光器とは、屈折器―受光器の長手方向の部分を備え、前記屈折器―受光器の長手方向の部は、互いの第二次反射器区画内に入れ子状になることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器部―受光器部は、各々、長手方向の距離を備え、前記第二次反射器の区画の底部の長手方向の線の距離と前記屈折器−受光器の長手方向の距離とは同一であって、前記第二次反射器の区画の底部の長手方向の線の距離と前記「逆Ｖ字型」の長手方向のラインセグメントとは、比例関係を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の透明な固体外側部は、４５度のＳＢＡと、６２．９度のＩＳＢＡと、２４度の第二次ＳＢＡと、６２．５度の第二次ＩＳＢＡとを備え、前記固体屈折器部の名目上の屈折率がｎ＝１．５であって、前記流体屈折器部がｎ＝１．３３であって、前記ＩＳＢＡの内部辺が前記第二次反射器に直線的に延びており、前記屈折器の横方向の断面は、固体領域が約４０％を占めており、前記第二次反射器の区画の底部の長手方向の線の距離および前記「逆Ｖ字型」の長手方向のラインセグメントの距離は、２対１の比率を備え、前記屈折器は、反射器に対して非近接する隣接する長手方向の折曲線の対を備え、前記反射器に対して非近接する、隣接する折曲線の対は、横方向の断面において、隣接する折曲点の対を備え、前記隣接する折曲点の対は、仮想接線を備え、前記隣接する折曲点の仮想接線は、曲率変化点にて交差し、
前記反射器は、２つの連続する横方向の曲率部を備え、前記２つの連続する横方向の曲率部は、曲率変化点の接線が交差する点にて連続し、前記屈折器に隣接する曲率部は、円曲率を備え、前記円曲率は、パラボラ式曲率部にて連続することを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の対面する横方向の端部は、対応するエンドキャップを備え、前記各エンドキャップは、透明な辺の横方向の端部のための透明部と前記「逆Ｖ字型」の第二次反射器の半分の反射部とを備え、前記反射器は、対面する反射型エンドキャップを備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の放射エネルギートラップであって、
前記屈折器の透明な固体部は、ガラスやアクリルなどの透明な材料で形成され、前記屈折器の流体部は、水または不凍透明液などの透明な媒体で形成されることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の放射エネルギートラップであって、
前記反射面は、前部が銀またはアルミ製の不透明の保護板、または後部が銀またはアルミ製のアクリルまたは太陽光を通さない透明なプラスチック板のような材料で形成されることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の放射エネルギートラップであって、
ａ）前記屈折器の透明な外面を囲む透明管または管孤および／または非透明な表面のための熱絶縁部、
ｂ）アレイ状の構成、
ｃ）透明なカバー板および／またはフレーム、
ｄ）伝熱流体搬送構造、
ｅ）伝熱流体ポンプ、
ｆ）伝熱流体用貯蔵タンク、
ｇ）熱交換器、
ｈ）ヒートポンプ、
ｉ）ＤＣ―ＡＣインバータ、
ｊ）熱発電変換器、のいずれかを組み合わせとして備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の放射エネルギートラップであって、
前記受光器は、少なくとも１つの両面式太陽電池を備え、
前記エンドキャップは、前記少なくとも１つの両面式太陽電池用の電気的接続部に対してサイズを整えた封止可能な穴を備えることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の放射エネルギートラップであって、
前記反射器と前記屈折器の透明な辺は、閉じ込められた放射エネルギー用の開口手段を効果的に備え、前記隣接する折曲点の仮想接線は、前記開口の仮想辺を効果的に備え、
前記開口の少なくとも１つの仮想辺は、仮想局地的水平線を備え、前記仮想局地的水平線は、実質的に太陽の面の方向に、地球の表面の局地的水平線に対して平行であることを特徴とする放射エネルギートラップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射エネルギートラップである。本発明は、太陽エネルギーの分野に関し、特に、電熱混合型変換および拡散光集光型太陽熱集熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の使用に関連する様々な問題（地球温暖化、環境の悪化、エネルギー費用の高騰、石油資源のピーク、および地球的規模での対立など）が太陽エネルギーに基づいた経済の必要性を生み出した。コスト競争力がある太陽エネルギーの生産が可能となることで、はじめて当該目標が達成されることになるだろう。フラットパネル型太陽電気（太陽電池）集熱器は、比較的高価である。太陽エネルギーを経済化する試みとして、直射日光下のみで機能する集光型パラボラ反射器がある。霧や煙霧程度であっても集めた直射日光は、減少するものである。臨界的な反射器形状、支持構造、太陽追跡能力、および太陽光が弱い地域までの転送ロス、に対して多額の費用が必要である。フラットパネル型太陽電池用集熱器は、建設が容易、静止可能、および半球集光型の周囲放射エネルギーであるものの、「拡散のみ（ｄｉｆｆｕｓｅ  ｏｎｌｙ）」光で動作可能であるので効率が良いとは言えない。
【０００３】
フラットパネルとパラボラ式集光器との最も良い部分を組み合わせる試みとして、複合型パラボラ式集光器（以下、ＣＰＣ）がある。該ＣＰＣでは、反射器を使って集光し（ＣＲ）、理想的な２次元関係に従って、限定された受光角（ＡＯＡ）に渡って周辺光を集める（この際、ＣＲ＝１／ｓｉｎ（ＡＯＡの半分）が成り立つ）。ＣＰＣ反射器の高さは、通常、平頭型であり、ＣＲの値が減り、かつＡＯＡの範囲外の光をも集める。ＣＰＣの派生例として、透明な屈折器がしばし使われる。これらの種類の集熱器は、さらに一般的には、放射エネルギートラップと呼ばれる。設計例として、エシェルマン（Ｅｓｈｅｌｍａｎ）、ノウルズ（Ｋｎｏｗｌｅｓ）、ウィンストン（Ｗｉｎｓｔｏｎ）、ジル（Ｇｉｌｌ）、ヴァシリエフ（Ｖａｓｙｌｙｅｖ）、イソフォトン社（Ｉｓｏｆｏｔｏｎ  Ｓ．Ａ．）、サイテックＵＳＡ社（Ｓｃｉ  Ｔｅｃｈ  Ｕ．Ｓ．Ａ）、特許文献１、特許文献２が含まれる。屈折器に関しては、ニューサウスウェールズ大学の、カパニー（Ｋａｐａｎｙ）、ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）、ウィンストン（Ｗｉｎｓｔｏｎ）、リー（Ｌｅｅ）、チャーニー（Ｃｈｅｒｎｅｙ）、フェレイドーニィ（Ｆｅｒｅｉｄｏｏｎｉ）、チェン（Ｃｈｅｎ）およびボーデン（Ｂｏｗｄｅｎの設計）の設計が使用される。先行技術の主な問題は、比較的ＡＯＡの値が小さく、拡散光のＣＲ対ＡＯＡの組み合わせが低すぎることである。材料費および製造費は、通常、屈折器の大きさまたは反射器の領域に対する開口（Ａ）の相対サイズに対して―反射器曲線の距離を（ＲＬ）または高さを（Ｈ）として、おのおのＲＬ／ＡまたはＨ／Ａという比率として表される―あまりにも高い。シュタイガーバルト（Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ、特許文献３）、ポール（Ｐｕａｌｌ、特許文献４）、リチー（Ｌｉｃｈｙ、特許文献５）、ボーデン（Ｂｏｗｄｅｎ）の理論、マーサ（Ｍｕｒｔｈａ、特許文献６）、マーサ（Ｍｕｒｔｈａ、特許文献７）に記載される３次元集光器も、本発明と比較して、ＣＲがＡＯＡに対して低すぎるし、不当に光学コストが高い。
【０００４】
太陽光発電に関連するその他の問題も解決する必要がある。設置システムの資本回収期間が長すぎるため一般に受け入れられないのである。季節変動する天候下では、大半の建物に熱電気的ニーズを提供するとなると、計り知れない大きさの日陰にならない太陽熱用の集熱器領域が必要になる。太陽電池の効率は、暑い太陽の下では下がるものである。冷却式電池であっても、電池に当たる放射エネルギーの約８０％は無駄になる。ハイブリッド型集熱器は、電気および熱的機能を組み合わす。多くのハイブリッド型システムが試みられた。例えば、ムラウスキ（Ｍｌａｕｓｋｙ）およびウィンストン（Ｗｉｎｓｔｏｎ、特許文献８）、ダムスカー（Ｄａｍｓｋｅｒ、特許文献９）、ゴールドマン（Ｇｏｌｄｍａｎ、特許文献１０）、オーストラリア国立大学（Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）の「チャップス（ＣＨＡＰＳ）」計画、スウェーデンのウップサラ大学（Ｕｐｐｓａｌａ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）のブログレン（Ｂｒｏｇｒｅｎ）のＣＰＣ設計、ポール（Ｐｕａｌｌ、特許文献１１）、ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ、特許文献１２）、ニコレッティ（Ｎｉｃｏｌｅｔｔｉ、特許文献１３）である。これらの設計は、ＣＲに対するＡＯＡは小さく、エネルギー利用性が悪く、太陽追跡装置が必要である。本発明に比べて、コストも格段と高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許番号ＥＰ００７０７４７
【特許文献２】ドイツ特許番号ＤＥ  ３２３３０８１
【特許文献３】ドイツ公開特許ＤＥ１００５９５５５  Ａ１
【特許文献４】米国特許出願第２００５００８１９０９
【特許文献５】米国特許出願第２００６００７２２２２
【特許文献６】米国特許番号６，０２１，００７
【特許文献７】米国特許番号６，６１９，２８２
【特許文献８】米国特許番号４，０４５，２４６
【特許文献９】米国特許番号４，３９５，５８２
【特許文献１０】米国特許番号４，４２７，８３８
【特許文献１１】米国特許出願第２００５００８１９０９
【特許文献１２】米国特許番号６，０８０，９２７
【特許文献１３】米国特許番号７，１７３，１７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、放射エネルギートラップである。該放射エネルギートラップは、少なくとも１つの反射器から反射される放射エネルギーが入射される位置に配置される屈折器を備える。該屈折器は、放射エネルギーを受光器へ向けるように形状されかつ配置される。該屈折器は、実質的にプリズム状の形状を有する。該受光器は、該屈折器と相互作用する。本発明は、周辺の放射エネルギーの受光立体角（ＡＯＡ）―フラットパネル型太陽熱用集熱器のそれと同等の―を有すことができる、拡散および直接放射エネルギー集光器である。該ＡＯＡは、受光器のサイズを著しく減少する、拡散光の比較的高い集光率（ＣＲ）を維持しながら、達成される。該屈折器は、異なった屈折率（Ｉ−ｏｆ−Ｒ）材の組み合わせを用いることができ、かつ内部全反射（ＴＩＲ）を利用できる。該屈折器は、固体または入れ子状層の複合物でよい。屈折層は、集光率を上げることができ、かつ熱損失を減少できる。内部流動屈折層は、本発明を流れる伝熱流体でよい。該屈折器は、対称的または非対称的であり、かつ透明の複数の反射面を有することができる。該受光器は、熱受光器、検出器、または変換器などの機能を有することができる。該受光器は、両面式光電子電池（太陽電池）の使用を支持する、平面な対向面を有することができる。該反射器（複数個でもよい）は、単体または、対称的または非対称的な、異なる曲率を有する複合物でよい。集熱器が単純な配置であるので、光および熱効率を高めることが可能になる。本発明は、比較的薄型であることができ、ＲＬ／Ａが低く、かつより高いＣＲを有する３次元集光器でよいが、ＡＯＡまたは集熱器配列パッキング密度は下げない。設置システムの資本回収期間を最小にできる。異なる実施形態では、費用対効果の最適化が可能である。本発明は、設置式フラットパネル型太陽熱用集熱器またはいくつかの既存のパラボラ式集光器に取って代わることができ、また一次ＣＲを増大できまた太陽追跡条件を簡易化できる二次的集光器でよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態の断面図である。
【図２】図２ａ〜ｄは、屈折器の対称的な実施形態の断面図である。
【図３】本発明の実施形態の断面図である。
【図４】図３の斜視図である。
【図５】本発明の実施形態の断面図である。
【図６】図２ｄの屈折器を使った、本発明の実施形態の断面図である。
【図７】図７ａ、ｂ、ｃは、屈折器の非対称的な実施形態の断面図である。
【図８】本発明の実施形態の断面図である。
【図９】図８の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態の斜視図である。
【図１２】図８の断面図を２つ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、放射エネルギートラップである。該放射エネルギートラップは、少なくとも１つの反射器から反射される放射エネルギーが入射される位置に配置される屈折器を備える。該屈折器は、直射放射エネルギーを受光器へ向けるように形状されかつ配置される。該屈折器は、実質的にプリズム状の形状を有する。該受光器は、該屈折器と相互作用する。該受光器は、該屈折器と相互作用する。該反射器（複数個の場合もある）は、前部が銀またはアルミ金属板、または後部が銀またはアルミ製のアクリルまたは太陽光を通さない透明なプラスチック板のような材料で形成され、適切な方法で形成される。屈折器は、１つの屈折率（Ｉ−ｏｆ−Ｒ）を有することができ、または、ガラス、アクリルまたは内部流体媒体などのＩ−ｏｆ−Ｒ媒体の複合物でよい。２つの名目上のＩ−ｏｆ−Ｒ値（ｎ（  ）＝で示す）が、図面にて使われる。図面では、対称的および非対称的な実施形態を含むが、位相空およびＴＩＲは保持される。ここで、反射器の形状は当業者には周知である。図中、受光器は、両面を有し、一体としてまたは複数部分に分けて屈折器内部にて説明される。受光器は、選択的にコーティングされた板、検出器、変換器、または両面式太陽電池などである。両面式受光器が図示される。太陽電池は、集熱器内を流れる伝熱流体に熱接触可能であり、こうすることによって、ハイブリッド型太陽熱用集熱器が形成される。屈折流体部は、水、塩水、不凍液などである。屈折器層によって、熱分離が高められ、吸収／反射に関する特徴が変更され、かつ光トラッピングおよび集光が高められる。反射器および透明な屈折器の構成要素は、従来手段によって形成および確保され、互いに支持し合い、または尺度が適切な支持部材を使用する。集熱器の構成要素は、透明なカバー板、エンドキャップ、フレーム、配管、電気的接続部、適正な熱分離および補助要素などを含む。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態の横方向の断面図である。受光器１は、固体の透明な「ダイヤモンド」形状で、かつ対称的に向けられた側面を有する屈折器２の内側に、対角線として、縁上に示される。屈折器２は、対称的な隣接する反射器３の曲率内に入れ子状に配置される。反射器３の各々対称的な半分は、２つの近接する円弧部３ａおよび３ｂ（内側小径部３ａおよび外側大径部３ｂを備える）から形成される。反射器は、全体として半円の曲線を作成する、対応点４に端部を有する。図１では、小径円曲率である、反射器部３ａは、屈折器２の底部中央部６において、中央線縁点５から始まる。屈折器の底部中央部６は、対応する最近傍側角７を有し、各角７は、各小円曲率反射器部３ａの対応する半径の焦点である。小円曲率反射器部３ａの終点は、曲率点変化点３ａｂであるが、この点は、屈折器２の対応する上部辺８に一致する。屈折器２の最上点９は、対応する大径円曲率反射器部３ｂ（曲率変化点３ａｂから始まる）の焦点である。大径反射器部３ｂの対応する端部４は、屈折器の最上点９に一致する。固体の屈折器２は、近接する対向する三角柱２の対として、図示されが、図中、受光器１が底辺として、そして２つの対応する辺８が屈折器２の三角形の半分として描かれる。底辺および各辺は、辺対底部角（ＳＢＡ）３３を形成する。
【００１０】
図２ａ〜ｄは、屈折器を対称的に示す、複数の実施形態の横方向の断面図である。図１からの屈折器を示す実施形態は、図２ａである。図２ａにおいて、臨界の辺対底部角（ＳＢＡ）３３によって、ＴＩＲが確保されるが、これは、縁光線４３（屈折器２に入射し、受光器１に付き当たるように示される）を描いて示される。図２ｂは、複合屈折器であって、透明な、外側の固体屈折器部２ａと、内部の屈折器部２ｂ（対称的なダイヤモンド形状で、透明で、Ｉ−ｏｆ−Ｒが低い）とを有する。内部の屈折器部２ｂは、内部の辺対底部角（ＩＳＢＡ）６３を有する。ある特定のＩ−ｏｆ−Ｒに対するＴＩＲは、角度対が必要であるが、ＳＢＡ以下でありかつＩＳＢＡ以上である。臨界最小角度より大きなＩＳＢＡであっても、屈折器の外部の固体屈折器領域２ａを最小限化するわけではない。図２ｂでは、ＳＢＡ５３は、あるＩＳＢＡ６３の最小値に対して、ＴＩＲに対する臨界最大値を規定する。図２ｂでは、各屈折器部２ａおよび２ｂの断面積は等しい。図中、縁光線７３ａが描かれているが、屈折器部２ａに入射しているところであって、やがて屈折され、最終的に、受光器１に付き当たる。第２の光線７３ｂは、受光器１までのもう一つの屈折路を示す。
【００１１】
図２ｃでは、対称的な屈折器のＳＢＡ８３は、約４３度まで減少され、対応する臨界ＩＳＢＡ９３は約５０度まで減少されている。その結果、釣り合った状態が生まれる。ガラスまたはアクリルなどの外側固形物２ａａが約２０％、そして、水などの内部屈折媒体２ｂが約８０％になるので、ＴＩＲを維持でき、かつ，選択されたＳＢＡ８３に対するガラスまたはアクリルの使用が最小限化される。これは、縁光線１０３によって示される。
【００１２】
図２ｄでは、外側屈折器２ａｂは、内側流体屈折器部２ｂを囲む。ＳＢＡ１１３およびＩＳＢＡ１２３は、全て、約４１．４度の、同じサイズの角度を既定する。これは、縁光線１３３によって示されるように、水など、名目値ｎ＝１．３３である流体を囲む、ガラスパネルやアクリル板などの、名目値がｎ＝ｌ．５である材料の平行面にとっては、ＴＩＲを維持するための最大角サイズである。外側屈折器２ａｂの「ガラスパネル」（妥当な厚さを有するガラスを備える）を使えば、図２ｃに示す、同じような２０％対８０％の断面比率が可能になるだろうし、恐らく、ガラス梁よりも安価である。
【００１３】
図３は、図２ｂの（「四角形」に傾いた）屈折器を使った本発明の実施形態の横方向の断面図である。受光器１は、透明で、四角形の周囲を有する屈折器２の対角線の縁の上に示される。屈折器２は、全体に半円を描く対称的な、隣接する反射器３内に対称的に入れ子状に配置される。各対称的な反射器３の半分は、小径３ａおよび大径３ｂの２つの近接する円弧部で形成される。半径は、曲率点３ａｂが変わる点で変化する。図３では、隣接する反射器３の、対応する小径円曲率部３ａは、屈折器２の底部中央部６１での、中心線縁５から始まる。屈折器２の対応する底部コーナ７１は、小径円曲率部３ａの焦点である。反射器の曲率は、小径から大径にかけて、曲率点３ａｂが変化するところで変化するが、この変化点は、屈折器２の対応する辺８１に一致する。対応する大径円曲率反射器部３ｂの焦点は、屈折器２の対応する上部コーナ１０である。大径円曲率反射器３ｂの対応する端部４は、屈折器２の上部コーナ１０に対する仮想線として、直径１１を形成する。
【００１４】
図４は、長手方向の溝状集熱器としての、図３の斜視図であって、対角線上の位置された受光器１が透明な複合屈折器２ａ、２ｂ内に設けられているが、反射器３に隣接している。横方向の平坦な反射型エンドキャップ４１は、反射器３および屈折器２の終点となる。反射器の直径１１は、反射型エンドキャップ４１の上縁に対応する。屈折器流体口６２は、反射型エンドキャップ４１を貫通する。電気線７２は、所望の場所において、両面式太陽電池から形成される受光器から、平坦な反射器エンドキャップ４１内の穴を通して外側に現れる。反射器３の上端部４から延びる点線８２は、図３の横方向の断面の面を示す。隣接する反射器３および反射型エンドキャップ４１の各々の周囲としての、上縁線４および１１は、本実施形態の開口の外周を表す。
【００１５】
本実施形態では、横方向に１８０度、長手方向に１８０度のＡＯＡであり、ＣＲは約３である。高さ（Ｈ）対開口（Ａ）比率（Ｈ／Ａ）は、約０．３８であり、反射器曲率の距離さ（ＲＬ）対（Ａ）比率（ＲＬ／Ａ）は、約１．５である。光学効率は最大で約０．９５まで上げることが可能である。ウィンストン（Ｗｉｎｓｔｏｎ、米国特許番号４、００２、４９９）およびジル（Ｇｉｌｌ、米国特許番号４、５６１、４２４）に同様な古典型ＣＰＣでは、（５０％が平頭化された）反射器であって、ＣＲが約２．７であり、ＡＯＡは約３８度しかない。そのＨ／Ａ比率は、約０．８８であるので、図３の倍以上であり、ＲＬ／Ａ比率は約２．５（反射器が多い）である。さらに臨界反射器を整列させる必要がある。さらに直接的なＨ／ＡおよびＲＬ／Ａ比較がウィンストン（Ｗｉｎｓｔｏｎ、米国特許番号５、９７１、５５１および６、２４４、２６４）から行われる。結果、該特許では、ＡＯＡは５５度であり、ＣＲは１．４５である。つまり、図３の半分未満である。開口のサイズに関する特許である、リー（Ｌｅｅ、米国特許番号５、６９９、２０１）、チャーニー（Ｃｈｅｒｎｅｙ、米国特許番号６、７００、０５４）、フェレイドーニィ（Ｆｅｒｅｉｄｏｏｎｉ、米国特許番号６、７００、０５４）は、比較的大がかりで、単一、球形または平坦面な、平頭式Ｖ字谷型屈折器であり、ＡＯＡとＣＲとが比較的小さな値の組み合わせになる。フェレイドーニィ（Ｆｅｒｅｉｄｏｏｎｉ、米国特許番号６、７００、０５４）では、光が複数の屈折境界線を通過するため、光学効率が低くなる。
【００１６】
図５は、本発明の実施形態の断面図（図２ｃの屈折器が反射器３に入れ子状に配置される）である。隣接する反射器３の各対称的な半分は、３つの近接する部分から形成される。つまり、（最内部の）小径円曲率部３ａ、２番目の、大径円曲率部３ｂ、３番目の、パラボラ式曲率部３ｃである。小径円曲率反射器部３ａは、屈折器２の底部６の中心線５から始まる。屈折器２の対応する側部コーナ７は、外側屈折領域２ａａおよび内側屈折領域２ｂから形成されるが、小径円曲率反射器部３ａの焦点である。小径円曲率反射器部３ａは、曲率点３ａｂが変化するところで終点となるが、屈折器２の対応する上部辺８に一致する位置である。屈折器最上点９は、対応する大径円曲率反射器部３ｂの焦点である。対応する大径円曲率反射器部は、曲率点３ｂｃの２番目の変化点で終点となるが、横方向のＡＯＡ１３の仮想辺１２に一致する。仮想辺１２は、屈折器最上点９で交差するが、この点は、対応するパラボラ式曲率反射器部３ｃの焦点である。仮想辺１２は、おのおのパラボラ式曲率反射器部３ｃの対応する端部４を横切るように延びる。ＡＯＡ１３が１３０度と低いので、ＣＲがより高くなる。
【００１７】
図６は、本発明の実施形態の断面図である。反射器３の横方向のＡＯＡ１３は、８３度である。屈折器２は、図２ｄからのものであり、対称的な入れ子状態の反射器３内に位置している。受光器１は、垂直型であり、反射器中心線縁５上で一致するが、この一致した点は、屈折器底部６に結合される。透明な屈折器２は、外側固体部２ａｂおよび屈折器２の断面の約８０％を占める内側流体部２ｂから形成される。横方向のＡＯＡ１３は、受光器１によって２等分される屈折器２の隣接する辺８の角度を規定する。隣接する反射器３は、内側円曲率部３ａの対称対（対応する屈折器側部コーナ７を焦点とする）および外側の対応するように近接する、パラボラ式曲率部３ｃの対称対（屈折器最上点９を焦点とする）から成る。曲率点３ａｃの対応する変化点は、横方向のＡＯＡ１３のおのおの仮想線または辺１２によって横切られる。対称的なパラボラ式曲率反射器部３ｃは、完全なパラボラ形ではなく、切断型パラボラである。対称的な反射器端部４は、断面開口Ａの輪郭を描く。ＣＲは約３．７５である。さらなる拡散光は、反射器の切断部（横方向に「見て」約１４０度）にて集熱される。
【００１８】
図７ａ、ｂ、ｃは、屈折器の非対称的な実施形態の横方向の図である。図７ａ、７ｂは、図２ｄの屈折器の非対称的な実施形態である。図７ａ、７ｂでは、固体の、透明な「ガラスパネル」である屈折器部２ａｂは、効果的に連続しているが、各々、全体的に見て半円形状凹鏡面である、第二次反射器３４または３４１を、固体の屈折器の対応する端部４４に、有する。外側固体透明屈折器部２ａｂおよび第二次反射器部３４または３４１は、内側が透明な流体屈折器部２ｂを取り囲む。
【００１９】
図７ａでは、効果的に連続する第二次反射器３４は、半円の反射器部３４ａおよび３４ｂ（中央線縁点３４ａｂを有する）の対称対で形成される。受光器１は、屈折器端部４４の線に沿って、中心に配置される。受光器１の対応する受光器端部１ａおよび１ｂは、各半円の曲率反射器部３４ａおよび３４ｂのおのおの焦点である。縁光線５４も図示されるが、屈折器２７に入射し、受光器１で終端する。
【００２０】
図７ｂは、図７ａと同様であるが、透明で、対称的なダイヤモンド形状の第二次複合屈折器部２ｃおよび２ｄを備える点が異なる。第一次流体屈折器部２ｂは、第二次固体屈折器部２ｃを囲み、今度は、第二次流体屈折器部２ｄを包囲する。第二次固体屈折器部２ｃは、受光器１を取り囲む。第二次屈折器最上点の頂点１５は、第二次反射器端部４４と一致する。対称的な第二次反射器３４１の各半分は、内側小円曲率部３４１ａおよび近接する外側大円曲率部３４１ｂを有する。図１と同じく、円曲線が設けられ、対応する第二次複合屈折器上部側１６に一致し、両者の間の対応する曲率点９４の変化点と、第二次屈折器底部８４から始まる中心線３４１ａａとを含む。図中の縁光線８５は、屈折器２８に入射し、受光器１に付き当たる。対称的な第二次屈折器のＳＢＡ６４は、約２４度を規定し、ＩＳＢＡ７４は約６２．５度を規定する。ＴＩＲの条件が満たされるのは、流体屈折器部２ｂおよび２ｄが、Ｉ−ｏｆ−Ｒ  ｎ＝１．３３のとき（水などの場合）、そして固体屈折器部２ａｂおよび２ｃのＩ−ｏｆ−Ｒ  ｎ＝ｌ．５のとき（ガラスなどの場合）である。第二次流体屈折器部２ｄは、第二次複合屈折器２ｃおよび２ｄの横方向の面積の約２５％を占める。
【００２１】
図７ｃは、図２ｂに示す屈折器２の非対称的なものを示す。図７ｃには、図７ｂに示すものと同じ第二次複合屈折器部２ｃおよび２ｄが備えられる。効果的に連続する第二次反射器３４２は、図７ｂに示した形状と同じ形状を有する。第一次屈折器の透明な外側固体部２ａｃは、第二次反射器３４２の対応する第二次反射器部３４２ｂまで延びる。第二次反射器３４２は、第一次流体屈折器部２ｂに近接する、対応する部３４２ａを有する。図中の縁光線９６は、屈折器２９に入射し、受光器１に付き当たる。図７ｃ中の、固体の屈折器領域は、約４０％である（図７ｂは、約２０％である）。図７ｃの屈折器の実施形態を使用すれば、あるＩ−ｏｆ−Ｒの組に対して、図７ｂより高いＣＲを達成できる。
【００２２】
図８は、非対称的な本発明の実施形態の横方向の断面図である。屈折器２８は図７ｂからのものであるが、図６の反射器の半分の、１つの隣接する対称的な反射器３８を備える。横方向のＡＯＡ１３が、非対称的に位置される。ＡＯＡの第１側１２ａは、図６と同じく位置される。ＡＯＡの第２側１２ｂは、反射器縁４で終端する、開口Ａの線である。本実施形態では、屈折器２８の平坦な透明の辺を効果的に使って、断面角度約１８０度に渡って光を受光する。横方向のＡＯＡ１３は、図５と同じ（約１３０度）であるが、図８では、ＣＲは図５以上である。図８のＣＲは、図６とほぼ同じである（約３．７５）であるが、図８では、ＡＯＡ１３は図６以上である。
【００２３】
図９は、第３寸法に長手方向に延びる図８の斜視図である。同図では、溝状集熱器の一部として示され、図７ｂの非対称的な屈折器の実施形態２８と、その第二次複合屈折器２ｃおよび２ｄとを備える。屈折器２８は、非対称的な反射器３８に隣接する。反射器３８および屈折器２８は、平坦な反射器エンドキャップ４２（自由縁１８を有する）で終端する。屈折器の流体口６２は、エンドキャップ４２を貫通する。図９では、平坦な反射器エンドキャップ４２は、図８の横方向の断面に対して平行に、横方向の断面内に位置する。
【００２４】
図１０は、非対称的な反射器３９を有する、本発明の実施形態の横方向の断面図である。図１０にて使われるのは、図７ｃからの屈折器の変形である、屈折器の実施形態３０である。開口（Ａ）対受光器（１）の割合に関して、ＣＲは約４に相当する。横方向のＡＯＡ１３は約１３０度である。熱効率を向上するため、透明な、薄壁の、半円型の管３１が屈折器の透明な外側部２ａｅを囲む。円弧部３１と透明な固体外側屈折器部２ａｅ間のギャップ３２は、低伝導性ガスで満たしてもよく、または実質的に真空排気してもよい。絶縁材３５は、第二次反射器３４２を取り囲むことができる。比例的に、屈折器３０は、固体の屈折器領域２ａｅおよび２ｃの約４０％である。固体の屈折器２ａｅの内部頂上部２ｅは、実質的に真空排気されたギャップ３２をより良く支持するために、曲線を施される。
【００２５】
図１１は、本発明の実施形態の、ＣＲがより高い３次元拡散光集光器を示す図である。図１１は、図１０を簡略した斜視図であって、円弧管部、熱絶縁部または固体の屈折器内部面曲線部を備えない。第二次反射器は、長手方向に周期的な、横方向に向けられた、逆Ｖ字型の反射器３１０によって、分割される。隔壁３１０は、第二次反射器区画３４２（どちらの区画も第二次反射器３４２の連続する部分である）によって離間される。逆Ｖ字型の反射器３１０は、屈折器２９に対向する。第二次複合屈折器および受光器（同等の距離の組み合わせ２ｃｄおよび１として）は、部分２１０に対して、長手方向に切り離されている。各逆Ｖ字型の反射器部３１０の開放底の長手方向の距離７６は、第二次反射器部３４２の底部の距離７８の約半分である。第二次反射器底部の距離７８は、第二次屈折器−受光器の長手方向の部分２１０（対応する第二次反射器底部の距離７８に対して平行およびその内部で中心点となる）としての距離８０と略同じである。屈折器は、エンドキャップ（対向する透明な、第二次屈折器の横方向の端部３１１と、内側に対向する半分である、対応する逆Ｖ字型の反射器３１０ａ、３１０ｂとを備える）を有する。反射器３９の平坦な反射型エンドキャップ４２と、その対応する自由縁１８（流体口６２を有する）とが図１１に示される。図１１でのＣＲは約６であって、横方向のＡＯＡが１３０度であって、長手方向のＡＯＡが１８０度である。
【００２６】
図１２は、図８の横方向の断面図に示したものの２つを示す。２つ並べることによって、対応する隣接する反射器３８および屈折器−受光器部２８とアレイを成すが、水平１２ａから約４５度の角度１５で傾けられている。この傾きによって、横方向のＡＯＡ１３の第１辺１２ａが水平配置される。太陽面に対向するように傾けられると、水平線下には光がないと仮定して、このＡＯＡがフラットパネル型集熱器を模倣することになる。アレイは、他の構成を有することができ、傾き角度もこれに限らない。
【００２７】
図１１の集熱器のＡＯＡは、約１３０度対１８０度であって、ＣＲは約６である。特許文献３の３次元集光器では、ＡＯＡが８０度対１８０度であって、複雑な光学素子を使ってＣＲは３．６に過ぎない。ローゼンベルク（Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ、＃７１６４８３９）では、ＡＯＡは４５対１６０度であって、言及されたＣＲは記載されていないが、約３と推定される。特許文献４は、３次元集光器であって、ダブル曲率ＣＰＣに対してＣＲが３であって、組み合わせたＡＯＡが７０．５度に過ぎない。特許文献５は、３次元ＣＰＣであって、第二次屈折器ＣＰＣ（と言えるもの）を備え、ＡＯＡは、７０度対１０６度であり、言及されたＣＲは記載されていないが、２．５と推定される。チェン（Ｃｈｅｎ、米国特許番号６、６５３、５５１および６、７１７、０４５）では、ＣＰＣを有するフレネルレンズが使用されている。特許文献１３では、流体が充満され、太陽電池が並んだコンテイナを備えるパラボラ式円盤が記載される。これらのＣＲとＡＯＡとの組み合わせはすべて、本発明のそれより格段と低い。特許文献６の光導体では、幾何学的なＣＲが比較的高く、ＡＯＡも妥当であるが、光および熱効率が低く、光学装置が複雑で高価である。後者では、水の容量が大きく、水平に配置する必要があるので、コストのロスが計りしれないほど大きい。高ＣＲ光学コストが控えめに上昇したとしても、フラットパネル型同等のＡＯＡ太陽電池用集熱器にとれば、収益が減少すれば、設置集光器システムのコストになる。例示の目的のために示した実施形態以外にも、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、その他の追加的な要素および付随する構成要素を含めて、その他の可能な本発明の実施形態が可能である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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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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【国際調査報告】
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