(57)【要約】  入射光を収集する集束素子と、光を受け取り、その光を転送するために複数の増分段差を備えた転送部品と、レシーバに光を集めかつ集束させることができる複数のインクリメンタル部分を有する導波路とを備えたソーラー・コンセントレータが提供される。別のシステムでは、レシーバを光源に置き換え、システムの光学部が照明を提供する。
2010539428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を収集するコンセントレータ素子と、
前記入射光を受け取り、前記光を転送する複数の増分段差を有する転送部品と、
長さに沿って前記複数の増分段差に結合された形状の導波路と
を具備する、ソーラー・コンセントレータであって、
前記導波路が、前記入射光をレシーバが収集するように伝搬し、前記レシーバの幅が前記導波路の高さの関数である、ソーラー・コンセントレータ。
【請求項２】
前記コンセントレータ素子が、フレネルレンズ、対物レンズ及び複合形コンセントレータのグループから選択される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３】
前記導波路のアスペクト比Ｈ／Ａが集中度Ａ／Ｂの関数である請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４】
前記コンセントレータ素子が、出力角度θ２を前記導波路の臨界角内であるように確立することにより、前記導波路内の全反射が確実なものにされる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項５】
前記複合形コンセントレータが放物線形反射器、双曲線形反射器、複合放物線、複合双曲線及びテイラード形のグループから選択される請求項２に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項６】
前記コンセントレータ素子が、前記導波路の上側又は下側の少なくとも一方に配置されることができる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項７】
前記転送部品が前記導波路の一体部分である請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項８】
前記転送部品が前記導波路の外面に配置された別個の層を備える請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項９】
前記転送部品が所定の角度の傾斜を有する角度が付いた面を備える請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１０】
前記転送部品が少なくとも１つの反射面及び光パイプを備える請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１１】
前記コンセントレータ素子が反射部品をさらに備える請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１２】
前記複数の増分段差が、前記導波路の長さ方向に沿って同じ厚さを有するため、前記導波路に沿ってクリアな伝搬光路が提供される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのコンセントレータ素子が、前記導波路の前記増分段差の対応する１つに関係付けられる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１４】
前記コンセントレータ素子、転送素子及び導波路が回転対称システムを備える請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１５】
エネルギー密度がＡ／Ｂの２乗に比例し、Ａが前記導波路の長さであり、Ｂが前記導波路の厚さである請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１６】
前記集束素子、転送部品及び導波路が前記ソーラー・コンセントレータの寸法が隣接する部品に関連して変化する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１７】
前記レシーバに代えて光源をさらに含み、前記入射光が逆に伝わり、前記ソーラー・コンセントレータが光を出力するための光ディフューザとして動作する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２００８年９月９日に出願された米国特許出願第１２／２０７，３４６号に対する優先権を主張する。この３４６号特許出願は、２００７年９月１０日に出願された米国特許出願第１１／８５２，８５４号に対する優先権を主張しており、この８５４号特許出願は、参照することによってその全体が本願に組み込まれる。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、電気的、熱的及び放射エネルギーを発生するためのソーラー・コンセントレータに関する。より詳細には、本発明は、複数のコンセントレータ・システムから太陽光を集中及び集約するために、屈折光学素子及び反射光学素子及び／又は転送光学素子の組合せを用いるソーラー・コンセントレータに関する。他の応用例には、小型光学素子を用いるライティングやイルミネーションが含まれる。
【背景技術】
【０００３】
ソーラー・コレクタは、太陽光を収集及び集束するため、長期にわたって開発されてきた。周囲の太陽光のエネルギー密度を高めることにより、有用なエネルギー形態へのより効率的な変換が可能にされる。多数の形状とシステムが開発されてきたが、そのようなシステムは性能が平凡でありまた高額であるため、普及することができない。十分な性能と製造のし易さを実現するためには、太陽エネルギー・コレクタを改良する必要がある。
【発明の概要】
【０００４】
コンセントレータ・システムは、屈折部品及び／又は反射部品などの集束素子からなる光学素子の組合せを含み、反射及び／又は屈折素子は太陽光を光導波路に転送し、光導波路はレシーバ・ユニット（サーマル・ユニット及び／又は光起電性ユニット）及び他の従来のエネルギー変換システムに太陽光を効率的に集約及び集中するために、複数の階段状の反射面で構成されている。光導波路のアスペクト比と共に反射面の形状を制御することにより、太陽電池装置、ライトパイプ用途、熱交換器、燃料生成システム、スペクトル・スプリッタ（spectrum splitter）及び種々の光学用途に対する他の光の２次操作を含む種々の市販用途に対して、好ましくは連続領域に太陽光を容易に操作、収集及び集中することができる。
【０００５】
本発明のこれらの及び他の目的、利点、及び応用例は、その動作の構成及び方法と共に添付した図面と合わせて考慮すれば、以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】全体的に本発明の実施形態に基づいて作られた太陽エネルギー・コンセントレータを例示する図である。
【図２】図１に概略的に示された光導波路の１つの実施形態の断面図である。
【図３】図１に概略的に示されている光導波路の直線形の実施形態の別の断面図である。
【図４】図１に概略的に示されている光導波路の回転形の実施形態の別の断面図である。
【図５】図５Ａは、導波路の第１のエッジ形状の反射素子を示す図である。  図５Ｂは、導波路の反射素子用の第２のエッジ形状を示す図である。  図５Ｃは、階段状の導波路の一部として光を転送するための第１の別個の素子を示す図である。  図５Ｄは、階段状の導波路の一部として光を転送するための第２の別個の素子を示す図である。  図５Ｅは、階段状の導波路に結合された複数のライトパイプを有するシステムを示す図である。  図５Ｆは、埋め込まれた転送部品が付いた導波路を示す図である。
【図６】曲面形集束素子と導波路に連結された曲面反射器を示す図である。
【図７】曲面形集束素子と導波路に連結された２つのプレーナ形反射器（planar reflector）を示す図である。
【図８】図８Ａは、導波路に連結された閉鎖形光学素子を示す図である。  図８Ｂは、図８Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図９】図９Ａは、導波路に連結された別の閉鎖形光学素子を示す図である。  図９Ｂは、図９Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１０】図１０Ａは、導波路に連結された別の閉鎖形光学素子を示す図である。  図１０Ｂは、図１０Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１１】図１１Ａは、導波路に連結されたさらに別の閉鎖形素子を示す図である。  図１１Ｂは、図１１Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１２】図２及び図６〜１１の光学系の光線トレーシング結果を示す図である。
【図１３】太陽エネルギーコンセントレータ又は発光体の実施形態の別の図である。
【図１４】従来のシステムに対する屈折式コンセントレータ部品を例示する図である。
【図１５】別の従来のシステムに対する反射式コンセントレータ部品を例示する図である。
【図１６】１次及び２次反射光学素子を有するカセグレン式コンセントレータを例示する図である。
【図１７】図１３と同様なシステムの光透過率対受光角を例示する図である。
【図１８】導波路が光をベース面に向けて転送するための反射器部品で終了する実施形態を例示する図である。
【図１９】コンセントレータが対称軸の周りでミラー化される、図１８の変形例を例示する図である。
【図２０】コンセントレータに対して傾斜した導波路及び転送素子を有する、図１３の実施形態の形状を例示する図である。
【図２１】コンセントレータ及び／又は転送素子の大きさを変えた実施形態を例示する図である。
【図２２】レシーバの代わりに光源を用いる、光を拡散するための実施形態を例示する図である。
【図２３】２つの軸にわたって光の集中を実現するために、図４の実施形態の別の変形例を例示する図である。
【図２４】２つの軸にわたって光の集中を実現するための、さらに別の実施形態を例示する図である。
【図２５】本発明のソーラー・コンセントレータの別の実施形態を例示する図である。
【図２６】本発明のソーラー・コンセントレータのさらに別の実施形態を例示する図である。
【図２７】本発明のソーラー・コンセントレータのさらに別の実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態に基づいて構成された太陽エネルギー・コンセントレータ・システムは、図１では概略的に番号１０で示されている。この太陽エネルギー・コンセントレータ・システム１０は、光学集束素子１２を備えている。この光学集束素子１２は、対物レンズ、フレネルレンズ、及び／又は放物線又は複合形反射器のような反射面素子などの任意の従来の光学コンセントレータとすることができる。この光学集束素子１２は、光１４を小さな焦点領域１６に集束させるように入射光１４に対して動作する。好ましい実施形態では、この小さい焦点領域１６は、反射部品又は転送部品１８、又は全反射を生じさせる他の従来の光転送素子の中に配置される。この転送部品１８は、集束光２０を導波路２２の中に転送する。導波路２２は、スネルの法則に基づいて導波路２２に沿って伝搬する光２０が全反射するように構成される。ここで、全反射は、導波路２２の表面２４に入射する光２０の角度が臨界角Φｃよりも大きい場合に発生する。
Φｃ＝ｓｉｎ（ηwaveguide／ηcladding）
ここで、Φｃ＝全反射に対する臨界角
ηwaveguide＝導波路材料の屈折率
ηcladding＝クラッド層の屈折率又は周囲／導波路インターフェースにおける指数
【０００８】
レシーバ２６が導波路２２の端部に配置され、光２０を受け入れて有用なエネルギー又は他の光学用途のために処理する。
【０００９】
図１３は、この機構部の細部が付いた、システム１０の好ましい形態を例示している。複数のＮ個の集束素子１２と転送素子１８が示されている。集束素子１２のそれぞれは、領域Ａから半角θ１で入射光１４を取り込み、この光１４を集中度＝Ａ／Ｂとなるように半角θ２でより小さい領域Ｂに集束させる。転送素子１８のそれぞれは、集束素子１２の関連する１つからの集束光を受け取り、それをある角度ψで回転させ、かつそれを領域Ｂと半角θ２によって画定された集束レベルを維持しながら、導波路２２の部分に挿入する。導波路２２は、長さＡで互いに間隔を空けた、高さＢの増分段差（incremental step）を有する複数の部分から構成している。導波路２２の各部分は転送素子１８の関連する１つからの光を受け取り、導波路２２が複数の集束素子１４や転送素子１８からの光を全体として集合して、その光１４をレシーバ２３が収集するように長さ方向に沿って伝搬させる。導波路２２は与えられた集束レベルを変えないため、導波路２２のアスペクト比は、
＝導波路の高さ／導波路の長さ
＝ＮｘＢ／ＮｘＡ
＝Ｂ／Ａ
＝１／各素子内の集中度
【００１０】
小型であることは、ソーラー・コンセントレータ（及び発光体などの他の装置）に対する大きな実際的な利点である。特に、使用される材料が少ないこと、難しいシールが必要な光学素子とレシーバ２３との間の大きなエアギャップが除かれること、輸送や据付を安価にするために、装置がかさばらないこと、高価で危険を伴う習慣的な製造技術とは対照的に、従来の平坦なモジュール製造方法を利用できるという利点を有する。
【００１１】
導波路２２に関する小型化の限度は、レシーバ２３によって規定される。このため、導波路２２は、導波路が光を送るレシーバ２３と同じ程度に小型化できるに過ぎない。たいていのコンセントレータでは、コンセントレータ１２を小型化することは、レシーバ２３の幅よりも影響が遙かに大きい。しかしながら、この装置は導波路２２をそれぞれが送られた集束光の領域で規定される高さを有する部分から構成するため、集合された導波路２２の高さはレシーバ２３の高さに等しい。換言すると、導波路２２の小型化は限定される。
【００１２】
従って、本発明の構成に鑑みて、コンセントレータ・システム１０によって実現される光の収束は、アスペクト比Ａ／Ｂの関数であり、極めてコンパクトなコンセントレータ・システム１０をもたらすことになる。この装置は比較的広い領域からの光を集めて、それを連続した領域を有するが高いコンパクト性を維持している比較的小さいレシーバに集束させることができる。これにより、必要な材料の体積を減らすことによって製造が単純化され、１つのモールドから複数のユニットを作ることが可能にされ、また構体の複雑性が低減される。
【００１３】
図１２は、図２及び図６〜１１に示された設計に対して実行された光線トレーシングの結果を示している。各設計は、Ａ／Ｂの比率で示されるように、光を長さ寸法に集束させる能力に関して特定の性能を例示している。このデータは、±１度の入力された円錐状の半角、±２０度の出力された円錐状の半角、初期の屈折率がｎ＝１、そして最終的な屈折率がｎ＝１．５の光に対するものである。これらの入力パラメータを有する理論的な最大許容集中度は長さ寸法では３０ｘであるが、例えば図９では、２５ｘの集光係数が達成されている。長さ寸法の集光係数がアスペクト比に比例するため、図９に示されている設計は、長さ（Ａ）が２５０ミリメータで厚さ（Ｂ）がわずか１０ミリメータのコンセントレータ、又は長さ（Ａ）が５００ミリメータで厚さ（Ｂ）がわずか２０ミリメータのコンセントレータを与えることができる。これは比較的広い領域から集束光を効率的に集めて、それを１つのレシーバに与えることができる極めてコンパクトなコンセントレータ・システム１０を示している。
【００１４】
集束素子１２と転送素子１８の寸法と数は、コンセントレータ１２の任意の入力開口に対して変えることができる。例えば、図１３に示されているシステム１０は、寸法が半分（Ａ／２及びＢ／２）の２倍の数（２ｘＮ）の素子で実現することができる。集束素子１２と転送素子１８がより小さくかつ数が多くなるにつれて、コンセントレータ１２の全体のアスペクト比は、１／集中度で与えられる導波路２２のアスペクト比に近付く。言い換えると、集中度が１０の場合、コンセントレータ１２のアスペクト比を０．１にすることができる
【００１５】
コンセントレータ１２に対する代表的なアスペクト比は、およそ１の程度である。図１４は屈折式コンセントレータ１２を示しており、これは、例えば、対物レンズ又はフレネルレンズとすることができる。対物レンズの焦点距離が高さ２５を画定する。集中度がＡ／Ｂで与えられるのに対して、アスペクト比は高さ／Ａで与えられる。この値は、集中度よりも大きい。図１５は、反射形式のコンセントレータ１２に対する同様の状況を示している。
【００１６】
１つの集束素子に対する小型化の限界に到達することを目指した試みがなされてきた。図１６は、１次及び２次反射光学素子を有するカセグレン式コンセントレータを示している。高さ／Ａによって与えられたアスペクト比は０．２５である。Winstonは、「Planar Concentrators Near the Etendue Limit」、２００５年、の中で、「１／４アスペクト比に関する基本的な小型化の限界」について記載している。本発明との関連では、この小型化の限界は、集束素子１２の個々の１つに適用される。複数の集束素子１２から光を集める導波路２２を使用することにより、１／４よりも小さくするように、また１／集中度に近付くようにシステム１０を小型化することが可能にされる。
【００１７】
本発明は、入力部からの光エネルギーをレシーバ２３に配送する伝達効率にも利点がある。図１３では、θ２は集束素子１２によって制御される。θ２は導波路２２の表面に当たる光によって作られる角度になり、また９０−θ２は、導波路表面の法線に対して作られる角度である。上記のように、導波路２２の中で全反射が生じるようにθ２を設定して、表面吸収損失をゼロまで減少することができる。
【００１８】
さらに、下記の特定の実施形態に示されているように、全反射を用いて光１４を操作するように、集束素子１２と転送素子１８を設計することができる。また、固体誘導性媒体の中に光１４のための連続した経路を設けるように、集束素子１２、転送素子１８及び導波路２２を設計することができる。言い換えると、入力領域からレシーバ２３に向かう光線は、反射コーティングや屈折率の変化のいずれにも遭遇しないことが必要である。反射コーティングは、約８％の吸収損失を引き起こす可能性がある。空気に対する屈折率１．５の光学材料（プラスチック又はガラス）の屈折率の変化は、約４％のフレネル反射による損失を発生する可能性がある。その結果、これらの損失の仕組みに対する伝達効率は、１００％に達することができる。
【００１９】
このことは、従来のコンセントレータ用光学素子とは著しく違っている。反射光学素子は、反射当たり８％の損失がある。このため、伝達効率は光学素子が１つの場合は約９２％であり、２次反射光学素子が使用される場合は、約８５％になる。屈折光学素子は、少なくとも１回の屈折率の変化が必要である。このため、伝達効率は光学素子が１つの場合は約９６％であり、２次屈折光学素子が使用される場合は、約９２％になる。
【００２０】
図１７は、図１３に示されている本発明の実施形態を通して、入力半角θ１の関数としての伝達効率を示している。この計算は、光線トレーシング用ソフトウェアに基づいている。この実施形態は、入力半角が±３度内で機能するように設計された。この効率は、フレネル反射とハード反射（hard reflection）による損失を考慮している。図示されているように、装置の効率は、θ１＝０度では１００％に近付き、±３度内ではほぼ１００％に留まるが、その後急速に落ち込む。
【００２１】
図２に示されているコンセントレータ・システム１０の別の好ましい形態では、入射光１４は、第１の段差では、前述された素子１２を用いて集束又は合焦される。集束光２０は、コンセントレータ・システム１０のセクションを反射器／導波路セクション２８に関連付けることによってさらに処理される。それぞれの反射器／導波路セクション２８は反射セクション２８を備えている。この反射セクション２８は集束光２０を受け取り、光３０を関連する導波路セクション２８の中に転送する。ここで、光３０は全導波路２２の長さに沿って全反射（ＴＩＲ）される。複数の反射器／導波路セクション２８は、階段状の構造の導波路２２を有している。
【００２２】
図１８は、システム１０の別の実施形態を示している。この実施形態では、導波路２２はレシーバ２３が配置されている、導波路２２のベース面に向けて光１４を転送する反射器２７で終端する。コンセントレータの光学素子を、レシーバ２３を組み入れる従来のレシーバ素子の面上に平坦に配置することは、製造上の利点がある。
【００２３】
この構成では、図１９に示されるように、コンセントレータ１２を対称軸の周りにミラー化して、１つの単独のレシーバ２３が配置されるように、両方の端部からの２つのレシーバ２３が１つの連続した領域を形成することができる。この場合、開口領域が２倍になるがコンセントレータ１２の厚さは変わらないため、小型化の限度は、１／（２ｘ集中度）で与えられる。
【００２４】
転送素子１８は、光の経路を角度φだけ回転させる。図１３では、φが９０度であるように示されている。図２０は、φ＜９０度であるように示している。これにより、１つの利点として、集束素子１２を同じ面上に配置し、また転送素子１８を同様に自身の面上に配置することができるため、製造を容易にすることができる。
【００２５】
集束素子１２、転送素子１８、及び関連する導波路２２は大きさを変えることができ、図２１はこの実施例を示している。ここで、Ａ１、Ａ２、及びＡ３は、Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３と同様に長さが異なっている。しかしながら、集中度は、Ａ１／Ｂ１＝Ａ２／Ｂ２などなどというように、各セクションで同じ状態のままである。導波路２２のアスペクト比は、このため、下記の式によって与えられる。
＝（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３）
＝１／集中度
【００２６】
図２２に示されている別の実施形態では、光３１を逆に通過させることによって、システム１０を光ディフューザとして使用することもできる。図２２では、当初はレシーバ２３であった光源３３からの入力光は、導波路２２を通って導かれ、転送素子１８によって集束素子１２に転送される。この集束素子１２は、出力光をシステム１０の上方に送る。応用例には、照明、バックライト、及び他の光拡散装置が含まれる。全体を通して、光を集束するために例示された光学素子は、光源に置き換えられる「レシーバ２３」を用いる照明用にも使用できることは理解されたい。
【００２７】
種々の反射器／導波路セクション２８の断面図は、コンセントレータ・システム１０の様々な構成に対して基本的な構成単位を提供する。１つの代表的な市販用の実施形態が図３に示されている。そのアスペクト比はＮｘＢ／ＮｘＡ、Ａ／Ｂであり、Ａ／Ｂに比例する領域集光係数（area concentration factor）又はエネルギー密度△Φを有している。ここで、ＮｘＡは導波路２２の長さであり、ＮｘＢは最大厚さ（図２及び図３を参照のこと）である。最も好ましい実施形態では、厚さＮｘＢは複数の増分段差高さＢから構成されており、これはそれぞれの反射器／導波路セクション３２からのＴＩＲ光に対してクリアな光経路を提供する。
【００２８】
図４は、コンセントレータ・システム１０’を有する回転（又は軸方向）対称形状のコンセントレータ・システム１０の別の実施例を例示している。このコンセントレータ・システム１０’は、導波路２２の反射器／導波路セクション２８に関連した集束素子１２を有している。コンセントレータ・システム１０’（すなわち、システム１０）のこの回転対称形状は、円全体の任意の部分とすることができ、入射光１４に対して三次元の径方向集束を可能にして、△Φにおいて（Ａ／Ｂ）２に比例する集中度を生じるため、収集及びコンセントレータの効率が著しく高められる。図４の最も好ましい実施形態では、図３の実施形態では１軸トラッキングが使用されているのに対して、２軸のソーラー・トラッキングが使用されていることである。
【００２９】
図４は、２軸にわたって集束を実現する１つの方法を示しており、図２３は別の方法を示している。ここで、直線対称の１次コンセントレータ１２は、１つの軸に沿って集束された光をコンセントレータ１２の側部にあるレシーバ２３に送る。そこでは、第２の直線対称コンセントレータ３７が、垂直軸に沿って配置されている。この２次コンセントレータ３７は、第２の軸に沿って光を集束して、この光を末尾のレシーバ２３に送る。
【００３０】
図２４は、２軸にわたって集束を実現する第３の方法を示している。ここで、示されているコンセントレータ１２は、図１９で説明されたようにミラー対称である。この場合も前と同様に、直線対称の１次コンセントレータ１２は１つの軸に沿って集束された光１４を、コンセントレータ１２のベースにあるレシーバ２３に送る。そこでは、第２の直線対称コンセントレータ３７が、垂直軸に沿って配置されている。この２次コンセントレータ３７は、第２の軸に沿って光１４を集束して、この光を末尾のレシーバ２３に送る。
【００３１】
図３及び図４の直線形及び回転形の実施形態に加えて、コンセントレータ・システム１０’は、入射光１４の方向に関連して導波路２２の上及び／又は下に配置されることができる。そのような実施形態では、いくらかの光１４は導波路２２を通過し、コンセントレータ・システム１０’によって導波路２２の後方に転送される。これらのシステムの形態により、光のリサイクリングが可能にされるため、最終的な効率が向上され、また本願で説明された、集束用に反射形システムを使用することにより、従来の屈折形システムに対して光を集束する効率が増加される。
【００３２】
別の実施形態では、ＴＩＲを生じさせるために、反射素子１８を導波路２２に関して角度的に調整することができる。反射素子１８は、種々の角度形状を有する導波路２２の一体部分とすることができる（図５Ａ及び図５Ｂを参照されたい）。素子１８は、別個の素子３８及び３９とすることもできる（図５Ｃ及び図５Ｄを参照のこと）。さらに、反射素子１８と関連する導波路２２は、それぞれ図５Ｅと図５Ｆに示されているように、入り組んだ光コレクタ・パイプ４２及び光転送部品４３の形態を取ることもできる。
【００３３】
前述されたコンセントレータ・システム１０及び１０’の形態は、節領域（nodal area）ではなく連続領域に集束光２０を提供するため、太陽電池、さらに処理するためのライトパイプ、熱交換器、２次コンセントレータ及び光スペクトル・スプリッタ（light spectrum splitter）などの、様々な下流のレシーバ２６に集束された太陽エネルギーを送ることが可能にされる。
【００３４】
図６〜図１１Ｂに示されているさらに別の一連の実施形態では、集束及び収集効率をさらに著しく高めるために、種々の構成部品を組み合わせて使用することができる。図６は、最も好ましい実施形態の中で、光５２を曲面反射器（curved reflector）５４に向ける曲面形集束素子（curved concentrating element）５０を示している。この曲面反射器５４は、光５２を導波路２２に送る。図７は、別の最も好ましい実施形態の中で、別の曲面形集束素子５６を示している。この曲面形集束素子５６は、光５２をＴＩＲによって導波路２２の中に向ける２つのプレーナ面（planar surface）５９及び６０を有している。図８Ａは、界面６６で光５２を転送し、曲面反射器６８で光５２を反射し、光５２を光学部品６４の下側反射面７２間の界面７０に集束させる、部分的に閉じた光学素子６４を示している。図８Ｂの拡大図で最も良く分かるように、導波路２２は反射面７２にほぼ相補的に角度適合している。
【００３５】
別の最も好ましい実施形態の中の図９Ａは、図８Ａと同様のシステムであるが、光学部品６５が閉じており、（光パイプの形式で）拡張導波路７４に接続されている。この拡張導波路７４は、光５２を集めて、それを導波路２２の中に転送する（図９Ｂに最も良く示されている）。
【００３６】
図１０Ａでは、光学素子７６は閉じており、図１０Ｂに最も良く示されているように、入射光５２は個別の角度交差セクション（angular cross section）を有する反射面７７から全反射で反射される。この角度交差セクションは、全反射した光を収集し、面８０、８１及び８２で反射させて導波路２２に入力することができる。
【００３７】
図１１Ａでは、光学部品８２は別の反射器８４と協同して、光５２を２つの異なる光源８２及び８４から導波路２２に向けることにより、光学部品８２の面８６に入射する全ての光をさらに確実に収集できるようにする。この実施形態では、光学部品８２及び８４は、集束素子と反射素子の両方の役割を演じる。
【００３８】
図２５では、曲面集束素子（curved concentrating element）１２は、光１４を転送素子１８に向け、この転送素子１８は光１４を導波路２２に送る。集束素子１２と転送素子１８は同じ物理的部分の２つの異なる構造体として示されているが、導波路２２は、第１の部分に結合された第２の物理的部分として示されている。図２６では、曲面集束素子１２は、光１４を次々に動作する２つの反射器（転送素子１８）に向け、これらの反射器は光１４を導波路２２に送る。集束素子１２、転送素子１８、及び導波路２２は、一緒に連結された別個の物理的部分として示されている。図２７は、光１４を図２６と同様に導波路２２に向ける。しかしながら、転送素子１８と導波路２２は１つの構成の中に組み合わされている。
【００３９】
本発明の実施形態に関する前述の説明は、例示及び説明するために行われたものである。その説明は完全なものではなく、本発明を開示された詳細な形態に限定するものではない。修正及び変更は上記の教義に照らして可能であるか、又は本発明を実行することから得ることができる。当業者が本発明を種々の実施形態の中で、また考えられた特定の使用に適合するように種々の変形例を用いて使用できるように、本発明の原理及びその実際的な応用例を説明するため、これらの実施形態が選択されて記述されている。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月10日(2010.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学素子のそれぞれと互いに隣接して配置された、複数の光学素子と、
転送素子の少なくとも１つの部分からの光を受け取る導波路と
を具備する、ソーラー・コンセントレータであって、
前記複数の光学素子が、
（ａ）入射光を収集及び転送するコンセントレータ素子と、
（ｂ）前記コンセントレータ素子からの光を受け取る転送素子と
を含み、前記複数の光学素子のそれぞれの集束素子が、前記転送素子の少なくとも１つから層によって分離され、前記層の中では、光は方向を変える動作は受けず、前記層は前記転送素子のそれぞれの少なくとも一部の間で連続しており、前記転送素子が、蓄積するために光を前記導波路に送るように構成される、ソーラー・コンセントレータ。
【請求項２】
前記転送素子が前記コンセントレータ素子の反対側に配置され、集束素子が入射光エッジ光線に対してほぼ垂直な角度に入射光エッジ光線の位置を変えるように成形され、転送素子が前記光エッジ光線を前記集束素子から受け取り、前記光エッジ光線を第２のほぼ垂直な角度で位置を変えるように成形される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３】
前記光転送素子によって最初に移動された前記光エッジ光線が、さらに別のほぼ垂直な角度で前記転送素子の少なくとも１つの部分によってさらに移動される請求項２に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４】
前記転送素子の少なくとも一部が不連続面を含む請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項５】
前記転送素子の少なくとも一部が、前記コンセントレータ素子から離して物理的に不連続に配置され、前記コンセントレータ素子を関連した前記転送素子の少なくとも一部から分離して製造できるようにされる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項６】
前記複数の光学素子及び前記導波路が、物理的に分離した部品の垂直スタックの中に配置され、前記ソーラー・コンセントレータを含む分離した部品を直接組み立てることが可能にされる請求項５に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項７】
前記転送素子の少なくとも１つの部分が前記導波路への入射素子を含む請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項８】
前記転送素子の少なくとも１つの部分が前記導波路から分離している請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項９】
前記導波路が増分段差セクションから構成され、集束光の高さに対する段差高さがそのセクションで前記導波路に入力される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１０】
前記段差高さが約、そのセクションで前記導波路に入射する光の高さである請求項９に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１１】
前記段差高さが、垂直ステップアップ及び垂直ステップダウンのグループから選択されることができる請求項１０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１２】
前記導波路が、ほぼ水平の上側及び下側の水平面を有する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１３】
前記複数の光学素子が集合光を提供するために光を前記導波路に入射し、前記コンセントレータが前記集合光を収集するレシーバをさらに含む請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１４】
前記コンセントレータ素子が、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、テイラード形レンズ、放物線面、楕円面、双曲線面、円弧及びテイラード形反射面から構成するグループから選択される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１５】
前記コンセントレータ素子が、前記導波路の上側及び前記導波路の下側の少なくとも一方に配置される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１６】
前記コンセントレータ素子が前記複数の光学素子の１つとは互いに異なることができる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの転送素子が、前記導波路の上側及び前記導波路の下側の少なくとも一方に位置付けられる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１８】
前記転送素子が、平坦な反射面、放物線状面、楕円形面、双曲線形面、円弧のグループから選択され、また屈折素子が球形部品、非球形部品、フレネルレンズ及びテイラード形部品のグループから選択される請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項１９】
前記転送素子が前記複数の光学素子の１つとは互いに異なることができる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２０】
前記コンセントレータ素子が非対称屈折レンズ素子から構成して、光が転送素子によって全反射を実現する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２１】
光レシーバをさらに備えて、前記導波路の端部が光を前記導波路から前記レシーバに転送する別の光学機能を有する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２２】
前記複数の光学素子及び前記導波路が、中心軸の周りにミラー化されて２つのシステムを形成して、前記２つのシステムからのレシーバが組み合わされて１つの連続したレシーバを形成し、前記ソーラー・コンセントレータが高さは変わらずに幅が２倍になる請求項２１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２３】
前記導波路が、前記ソーラー・コンセントレータの上側収集面に平行な上部及び底部壁を含む請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２４】
前記導波路が、前記ソーラー・コンセントレータの上側収集面にある角度で配置される上部及び底部壁を含む請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２５】
前記複数の集束素子の全体にわたってほぼ同じ大きさの前記集束素子及び転送素子が、前記複数の転送素子の全体にわたってほぼ同じ大きさである請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２６】
前記集束素子が前記複数の集束素子の全体にわたってほぼ同じ大きさであり、前記転送素子が複数の転送素子の全体にわたって大きさが異なる請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２７】
光レシーバをさらに含み、前記レシーバが光源に置き換えられて、前記ソーラー・コンセントレータが光ディフューザとして逆方向に動作する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２８】
前記ソーラー・コンセントレータが直線対称であり、１つの軸に沿って集束された光を前記導波路の端部に送り、この点で第２のソーラー・コンセントレータが第２の軸に配置され、前記第１のコンセントレータからの光を収集し、前記第２の軸に沿って光を集束する請求項１に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項２９】
前記ソーラー・コンセントレータが直線対称であり、１つの軸に沿って集束された光を前記レシーバに送り、この点で第２のソーラー・コンセントレータが第２の軸に配置され、前記第１のコンセントレータからの光を収集し、前記第２の軸に沿って光を集束し、このように２つの軸で集束された光を前記レシーバに送る請求項２２に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３０】
複数の光学素子であって、
（ａ）入射光を収集し、移動するコンセントレータ素子と、
（ｂ）（１）第１の転送素子部分と、（２）第２の転送素子部分から構成される転送素子と
を含む、それぞれの光学素子と互いに隣接して配置された、複数の光学素子と、
前記コンセントレータ素子から物理的に分離されている導波路と
を具備する、ソーラー・コンセントレータであって、
前記（１）第１の転送素子部分が、前記コンセントレータから移動された光を受け取り、不連続空間面を有し、前記コンセントレータ素子のほぼ反対側に配置され、光をさらに移動し、
前記（２）第２の転送素子部分が、前記第１の転送素子から移動された光を受け取り、光をさらに移動し、前記転送素子が隣接する転送素子のそれぞれの少なくとも一部の間に接触接続部を含んで、光が前記接触接続部の中で移動するのを防ぎ、
前記導波路が前記第２の転送素子部分から移動された光を受け取り、前記ソーラー・コンセントレータの別個に製造された部分を垂直に積み重ねることが可能にされる、ソーラー・コンセントレータ。
【請求項３１】
前記転送素子の少なくとも一部が前記コンセントレータ素子の反対側に配置され、集束素子が入射光エッジ光線に対してほぼ垂直な角度に入射光エッジ光線の位置を変えるように成形され、前記転送素子の少なくとも一部が前記光エッジ光線を前記集束素子から受け取り、前記光エッジ光線を第２のほぼ垂直な角度で位置を変えるように成形される請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３２】
前記光転送素子によって最初に移動された前記光エッジ光線が、さらに別のほぼ垂直な角度で前記転送素子の少なくとも１つの部分によってさらに移動される請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３３】
前記第２の転送素子が前記導波路への入射素子を含む請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３４】
前記導波路が増分段差セクションから構成され、集束光の高さに対する段差高さがその入力セクションで前記導波路に入力される請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３５】
前記段差高さが約、前記第２の転送素子に入射する光の高さである請求項３４に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３６】
前記複数の光学素子のそれぞれのコンセントレータ素子が層によって前記第２の転送素子から分離され、前記層の中では移動された光は方向変化を受けない請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３７】
前記コンセントレータ素子の下側面、前記第１の転送素子、前記導波路の上側面が互いにほぼ平行である請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３８】
前記複数の光学素子と前記導波路が物理的に分離した部品の垂直スタックの中に配置され、前記ソーラー・コンセントレータを含む分離した部品を直接組み立てることが可能にされる請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項３９】
前記複数の光学素子のそれぞれの集束素子が垂直の層によって前記転送素子の少なくとも一部から分離され、前記層の中では光は方向を変える指示は受けない請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４０】
前記複数の光学素子が前記導波路に集合光を提供し、前記コンセントレータが前記集合光を収集するレシーバをさらに含む請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４１】
前記コンセントレータ素子が、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、テイラード形レンズ、放物線面、楕円面、双曲線面、円弧及びテイラード形反射面から構成するグループから選択される請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４２】
前記転送素子が、平坦な反射面、放物線状面、楕円形面、双曲線形面、円弧のグループから選択され、屈折素子が球形部品、非球形部品、フレネルレンズ及びテイラード形部品のグループから選択される請求項３０に記載のソーラー・コンセントレータ。
【請求項４３】
集束素子を含む複数の光学素子のそれぞれと互いに隣接して配置された複数の光学素子と、
それぞれの部分が対応する集束素子の１つに関連付けられた複数の部分から構成する導波路と
を具備する、ソーラー・コンセントレータであって、
前記集束素子が、（１）入射光の屈折を可能にする高い指数の材料と低い指数の材料との間の面と、（２）放物線状反射面によって光を２回以上移動させずに出力する組合せを用いて前記入射光を移動する前記放物線状反射面との組合せから構成され、前記導波路部分のそれぞれが、前記集束素子からの出力光を受け取ることに関係する段差構造をさらに有し、前記導波路が互いにほぼ平行な上部及び底部壁を含み、レシーバに送るために集光を保存する、ソーラー・コンセントレータ。
【請求項４４】
（ａ）入射光を収集しかつ移動するコンセントレータ素子と、（ｂ）前記コンセントレータ素子から光を受け取るための転送素子とを含む複数の光学素子のそれぞれと互いに隣接して配置された複数の光学素子を提供するステップと、
連続した層が各隣接した転送素子の間に存在するように、前記転送素子の１つの部分と前記転送素子の別の部分との間に接続層を位置付けるステップと、
前記転送素子から光を受け取るために導波路を設けるステップと、
複数の光学素子のそれぞれに関連した少なくとも１つの転送素子と、前記複数の光学素子の関連した１つから受け取った光を移動する少なくとも１つの関連した転送素子と、前記導波路に転送される光を提供するステップと、
前記コンセントレータ素子、前記転送素子及び前記導波路を組み立てるステップと
を含む、ソーラー・コンセントレータを製造する方法。
【請求項４５】
前記コンセントレータ素子が、ほぼ平坦な上面を用いて作られ、複数の放物線状反射面を有して光を集束し、前記放物線状反射面からの光エッジ光線がほぼ水平になるようにして、ソーラー・コンセントレータの外形を縦方向にコンパクトにできるようにする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記組み立てるステップが、前記隣接するコンセントレータ素子及び前記導波路のそれぞれを前記転送素子に互いに貫通させ合うステップを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記転送素子が、１つのモールドから複数のユニットを作ることを可能にする上側部及び下側部を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記上側部が複数の反射面を含み、前記複数の反射面が、放物線状面からほぼ水平の光エッジ光線を受け入れて、ほぼ垂直の光エッジ光線を出力するように成形される請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記下側部が複数の反射面を含み、前記複数の反射面が、ほぼ垂直な光エッジ光線を受け入れ、前記導波路に入射するため、ほぼ水平な方向に光エッジ光線を転送する請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
複数の光学素子であって、
（ａ）入射光を収集し、移動するコンセントレータ素子と、
（ｂ）（１）第１の転送素子と、（２）第２の転送素子とから構成される転送素子と
を含むそれぞれの光学素子と互いに隣接して配置された、複数の光学素子と、
前記第２の転送素子からの、ほぼ水平の光エッジ光線を含む移動された光を受け取る導波路と、
前記複数の光学素子に沿ってまた前記第１及び第２の転送素子の間に連続して配置された接続層と、
を具備する、ソーラー・コンセントレータであって、
前記光学素子が、光エッジ光線の方向を画定するベクトルがほぼ水平な形状を有し、前記（１）第１の転送素子が、前記コンセントレータから移動された、ほぼ水平の光エッジ光線を含む光を受け取り、不連続空間面を有し、前記コンセントレータ素子のほぼ反対側に配置され、前記光エッジ光線のベクトルがほぼ垂直になるように光をさらに移動するために選択された形状をしており、前記（２）第２の転送素子が、ほぼ垂直な光エッジ光線を含む、前記第１の転送素子からの移動された光を受け取る特定の面形状を有し、光エッジ光線のベクトルがほぼ水平であるように光をさらに移動し、前記コンセントレータ素子と前記第１の転送素子から分離されており、
前記接続層が、前記転送素子のそれぞれの少なくとも一部を、前記各隣接した転送素子にさらに連続して接続し、前記コンセントレータ素子、前記接続層が付いた転送素子及び前記導波路が別個に製造された部品として積み重ねられて、前記ソーラー・コンセントレータの外形を低くする、ソーラー・コンセントレータ。
【国際調査報告】
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