(57)【要約】本発明は集光板を提供する。その集光板は、光を吸収および放射する濃度Ｃの染料分子を有する。染料分子は光透過媒体内に分散し、濃度Ｃは、染料分子の主放射波長範囲における再吸収あるいは散乱に起因する光の減衰を低減し、集光板の放射および吸収の総合効率が高められるように選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
染料分子濃度Ｃを有し、染料分子が光透過媒体内に分散されている集光板であって、前記染料分子濃度Ｃは、前記染料分子の主放射波長範囲における再吸収あるいは散乱に起因する光の減衰が低減され、集光板の放射吸収総合効率が向上するように、選択される集光板。
【請求項２】
染料分子濃度Ｃ有し、対応する蛍光Loutを出力する集光板であって、染料分子は光透過媒体内に分散されており、染料分子濃度Ｃは、５００ｐｐｍ未満であり、染料分子濃度Ｃは染料分子濃度Ｃ’より低く、蛍光Loutの出力は、染料分子濃度がＣ’の集光板から出力される蛍光の出力よりも大きい集光板。
【請求項３】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、３２０から２００ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項４】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、２００から１６０ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項５】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、１６０から１２０ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項６】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、１２０から８０ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項７】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、８０から４０ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項８】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、４０から２０ｐｐｍ＊ｍｍになるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項９】
厚さがｔの集光板において、染料分子濃度Ｃは、２０ｐｐｍ＊ｍｍ以下になるように選択される請求項１または２記載の集光板。
【請求項１０】
集光板の放射吸収総合効率が最適化されるように選択される染料分子濃度を有する請求項１ないし９のいずれか一項記載の集光板。
【請求項１１】
染料分子の少なくとも大部分が互いに直に接することのないように染料分子を分布させた、請求項１ないし１０のいずれか一項記載の集光板。
【請求項１２】
前記染料分子は、集光板の全体にわたって実質的に均一に分散された請求項１ないし請求項１１のいずれか一項記載の集光板。
【請求項１３】
使用中に、吸収波長範囲内の波長を有する光を吸収し、放射波長範囲内にある波長を有する光を放射する染料分子が添加される集光板の製造方法であって、
この製造方法は、前記主放射波長範囲まで及ぶ波長範囲内の再吸収あるいは散乱に起因して、放射された光に生じる減衰を考慮に入れ、さらに染料分子濃度が最適値以上になると蛍光出力Loutが低下することを考慮に入れて、染料分子の濃度を計算する工程を含む集光板の製造方法。
【請求項１４】
前記集光板の寸法を選択し、この選択された寸法の場合の前記染料濃度を計算するさらに別のステップを含む、請求項１３記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項１５】
前記染料濃度を計算するステップは、前記集光板に隣接して配置されることになる媒体の反射特性を考慮に入れる、請求項１３または１４に記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項１６】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、前記主放射波長範囲を超えて延長される、請求項１５ないし１７のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項１７】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、最大放射強度に対応する波長よりも少なくとも約５０ｎｍ長い波長まで延長される、請求項１３ないし１６のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項１８】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、３８０から４８０ｎｍに及ぶ、請求項１３ないし１７のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項１９】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、４００から５８０ｎｍに及ぶ、請求項１３ないし１７のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項２０】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、４６０から７００ｎｍに及ぶ、請求項１３ないし１７のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項２１】
前記波長範囲は、減衰を考慮に入れると、５３０から７００ｎｍに及ぶ、請求項１３ないし１７のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項２２】
前記染料濃度を計算するステップは、最適な放射吸収総合効率のための染料濃度が得られるように行われる、請求項１３ないし２１のいずれか一項記載の染料分子が添加される集光板の製造方法。
【請求項２３】
請求項１３ないし２２のいずれか一項記載の方法によって製造される集光板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、概して、光収集および光輸送システムにおいて用いる集光板に関する。
【０００２】
［発明の背景］
電気照明装置は、多くの場合に非常に非効率的であり、通常は９０％を超える電気エネルギーが効率的に光電変換されない。しかしながら、太陽光は自由に利用可能であり、照明目的のために太陽光を集光するという試みがなされてきた。
【０００３】
米国特許第６０５９４３８号は、太陽光集光および伝送システムを開示している。この開示システムは、３つの集光シートを備える。３つのシートは互いに積み重ねられており、蛍光染料分子を添加した高分子材料からなる。染料分子は、特定波長の太陽光を吸収し、続いてわずかにより長い波長を有する蛍光を放出する。第１シートには青色染料分子が添加され、第２シートには緑色染料分子が添加され、第３シートには赤色染料分子が添加される。発生した蛍光は、集光シート内での内部反射によって導かれ、また、青色、緑色および赤色蛍光を組み合わせることによって、白色光を発生する。この太陽光集光および伝送システムの利点の１つは、蛍光の放出が任意の好都合な方向に起きるわけではなく、一方、吸収は、いかなる時にも入射光線の分布に対しわずかな感度しか有しないことである。すなわち、その集光板は散乱性およびビームあるいは正反射性の両方の太陽放射に良好に応答する。対照的に、集束型のコンセントレータは、拡散性の所々雲がある曇り空ではほとんど有用な出力を与えない。このシステムの効率は集光板に入る全太陽フラックスに大きく依存し、その効率は、到来する太陽光の平均入射方向が変わっても、わずかしか変わらない。
【０００４】
しかしながら、集光板が大きくなるほど、より多くの蛍光放射された光が、集光板から出射するまでに長い距離を移動する必要があり、そのため、実際に生じる種々の損失過程に起因して失われる可能性が大きくなるので、集光板の面積が増加する結果として、任意のエッジにおいて放射される、生成された蛍光の強度が、集光板に入射する太陽エネルギーの増加に正比例して増加しなくなる。染料分子は、集光板を形成する材料のマトリクス内に欠陥を導入する場合がある。これらの欠陥が導入される結果として、光が光学的に散乱し、結果として生じる強度の損失は、光が移動する距離とともに増加する。それに加えて、放射される光の再吸収に起因して損失が生じる。
【０００５】
一般的に、集光板シートの損失メカニズムは２つの成分に分類することができる。損失メカニズム「ｍ」は、染料分子が分散するマトリクス材料の構造的な欠陥において生じる散乱による減衰に起因して、導光が被ることになる損失に関係し、損失メカニズム「ｄ」は、分散した染料分子そのものにおける散乱および再吸収を含む。導光が被ることになる損失は、第１の位置において放射される蛍光の強度が、個々の損失が原因で５０％減少する距離である、半減衰距離ｈｍおよびｈｄによって定量化することができる。第３の半減衰距離ｈｍ＋ｄは、第１の位置において放射される蛍光の強度が両方の損失メカニズムが原因で５０％減少する距離と定義される。
【０００６】
［発明の概要］
本発明は、第一の局面において、染料分子濃度Ｃ有する集光板を提供する。染料分子濃度Ｃは、染料分子の主放射波長範囲における再吸収あるいは散乱に起因する光の減衰を低減し、集光板の放射および吸収の総合効率が向上するように選択される。
【０００７】
本発明は、第二の局面において、光透過媒体内に分散された染料分子による染料分子濃度Ｃ有し、対応する蛍光Loutを出力する集光板を提供する。染料分子濃度Ｃは、５００ｐｐｍ未満であり、染料分子濃度Ｃ’より低い。蛍光Loutの出力は、染料分子濃度がＣ’の集光板から出力される蛍光の出力よりも高い。
【０００８】
欠陥密度が非常に低い高品質の集光板を用いるとき、本発明人は、染料濃度に関係する損失が生じるスペクトル範囲が主放射帯域内にまで及ぶという驚くべき発見をした。また本発明人は、染料の存在に関係する、この延長された損失の端まで考慮に入れられる場合には、有用な寸法のシステムにおいて染料濃度を最適化することができ、効率が大幅に高くなるという発見もした。最適な染料濃度は、これまでに予想されたものよりも低く、そのような染料濃度を有する集光板の効率は、弱い損失の端が主放射範囲にまで及ぶことを考慮に入れない方法を用いて製造された集光板と比べて、大幅に改善される。
【０００９】
いずれの局面においても、集光板は厚さｔを有し、染料分子濃度Ｃは、２４０から２００ｐｐｍ＊ｍｍの間、２００から１６０ｐｐｍ＊ｍｍの間、１６０〜１２０ｐｐｍ＊ｍｍの間、１２０から８０ｐｐｍ＊ｍｍの間、８０から４０ｐｐｍ＊ｍｍの間、４０から２０ｐｐｍ＊ｍｍの間、または、２０ｐｐｍ＊ｍｍ以下の値をとる。
【００１０】
特定の形態では、染料分子濃度は、主放射波長範囲における再吸収や散乱により生じる光の減衰が低減され、集光板の放射吸収総合効率が最適化されるように選択される。
【００１１】
染料分子は、典型的には、少なくとも殆どの染料分子同士が直接的に接しないように分散される。染料分子は、典型的には、集光板全体にわたって概ね一様に分布させることが最も好ましい。
【００１２】
また本発明は、第三の局面において、使用時に、吸収波長範囲内の波長を有する光を吸収し、放射波長範囲内の波長を有する光を放射する染料分子を添加されている集光板の製造方法も提供し、その製造方法は、主放射波長範囲における再吸収あるいは散乱に起因して、放射された光に生じる減衰を考慮に入れ、さらに染料分子濃度が最適値以上になると蛍光出力Loutが低下することを考慮に入れて、染料分子の濃度を計算するステップを含む。
【００１３】
上述のように定義される製造方法は、集光板の寸法を選択する工程、及び、選択された寸法のための染料分子濃度を計算する工程を含んでも良い。染料分子濃度を計算する工程は、集光板に隣接して配設される媒体の反射特性を考慮に入れて計算するように構成してもよい。
【００１４】
再吸収あるいは染料に関連する散乱に起因する減衰を考慮に入れた波長範囲は、最大放射強度に対応する波長を超えて延長されることが好ましい。減衰を考慮に入れた波長範囲は、最大放射強度に対応する波長よりも約８０ｎｍ長い波長まで延長されることが最も好ましい。この計算のために、シートの厚さによる減衰が考慮されると共に、１０３分の１の精度で測定される。典型的には１０４分の１の精度で測定される。
【００１５】
再吸収および弱い散乱に起因する減衰を考慮に入れた波長範囲は、使用時に紫色蛍光を放射する染料分子が添加される集光板の場合には３８０ｎｍ〜４８０ｎｍにすることができる。使用時に、青色蛍光放射を放射する染料分子を添加された集光板の場合、再吸収あるいは弱い散乱に起因する減衰を考慮に入れた波長範囲は、４００ｎｍ〜５８０ｎｍにすることができる。使用時に、緑色蛍光放射を放射する染料分子を添加された集光板の場合、再吸収あるいは弱い散乱に起因する減衰を考慮に入れた波長範囲は、４６０ｎｍ〜７００ｎｍにすることができる。使用時に、赤色蛍光放射を放射する染料分子を添加された集光板の場合、再吸収による減衰を考慮に入れた波長範囲は５３０ｎｍ〜７００ｎｍにすることができる。
特定の実施の形態では、染料分子濃度を計算する工程は、最適な放射吸収総合効率のための染料濃度が得られるように行われることが好ましい。
本発明は、第四の局面において、上述の方法により製造される集光板を提供する。
この発明は、以下で説明する実施の形態により、より良く理解されるであろう。明細書には図面が添付してある。
【００１６】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
ここで、本発明の好ましい実施形態による集光板及びその製造方法を説明する。概して、その製造方法は、図１に示されるタイプの集光板の製造に関する。集光板１０は、使用時に、吸収波長範囲内の波長を有する光１２を吸収し、放射波長範囲内の波長を有する光１４を放射する染料分子を添加される。集光板１０を製造する方法は、例えば、放射波長範囲の大部分あるいは全てに及ぶ波長範囲における再吸収あるいは散乱に起因して、放射された光に生じる減衰を考慮に入れて、染料分子の最適な濃度を計算するステップを含む。
【００１７】
最初に、既知の濃度ｘ（ｘはｗｔ％あるいは単位体積当たりの染料分子のいずれかの単位である）の染料分子に直に起因することができると考えられる吸収あるいは吸光係数Ａ（λ）が、用いられる厚さにおいて散乱を無視することができることがわかっているホスト材料において、既知の厚さおよび濃度ｘにおける正透過率測定から測定される。任意の濃度ｘｃの場合に、α（λ）＝Ａ（λ）（ｘｃ／ｘ）から係数α（λ）を推定することができる。それは、最適化された染料濃度ｘｃである。係数α（λ）は、結果として蛍光が生じる染料吸収過程にのみ概ね依存するが、蛍光が相対的に非常に弱く、それゆえ、標準的な構成では正確に測定するのが難しい長い波長λでは、これらの波長において蛍光が０でない場合には、染料によって引き起こされる他の損失過程が生じ、α（λ）の重要な成分を構成する可能性がある。（染料濃度に関係するこれらの弱い長波長損失は、これらのシステムの出力に非常に大きな影響を及ぼす可能性がある。完全なシステムにおけるデータがそれらの重要性を示す。）
【００１８】
これらの測定の場合、染料分子が十分に分散すること、すなわち単分子レベルにあることが重要である。吸収スペクトルが蛍光放射スペクトルと重なる領域、特に損失が小さく、疎らなサンプルにおいて相対的に無視することができる領域では、透過率データの比較的高い精度が非常に重要である。より密集したサンプルによる測定、さらには長いシート内の長さに沿った測定が理想的であるが、特殊な装置および光源を必要とする。
【００１９】
理想的な染料濃度は、集光板の長さＬと、幾分かは幅ｗおよび厚さｔに依存するであろう。したがって、これらの製造パラメータが最初に規定されなければならない。
【００２０】
対象の集光エッジにおける出力電力スペクトルε(λ,L)は、各染料濃度において式（１）から計算される。ただし、α（λ）は濃度に対して線形である。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
蛍光染料は電力スペクトルεo（λ）を有する（ただしＳＩ単位でＷ・ｍ−２・ｎｍ−１であり、下付文字「ｏ」は他の染料分子に遭遇する前の放射された放射スペクトルを示す）。単位領域当たりの吸収エネルギはEAである。図２は、上式（数１）に用いられる値を図式化した座標システムを示す。角度φおよびθは標準的な球座標であり、ｘは内部全反射を得るためのマトリクス材料の臨界角であり、αｍは染料分子に依存しない、それゆえ染料濃度に相関がない任意のマトリクスあるいは表面損失を表す。ここで、それは波長とは無関係であるものと仮定される。この形状の詳細な構造図が、［Swift P.D., Smith G.B. およびFranklin J. (1999) 鏑ight to light efficiencies in Luminescent Solar Concentrators   SPIE Conference on Solar Optical Materials, pp. 21-28, Denver, Colorado］に記述される。出力エッジに到達する前に、染料分子から放射される特定の光線が移動する距離はｌ／ｓｉｎφｃｏｓθである。ここで、ｌは染料分子から出力エッジまでの軸方向距離である。垂直な入射においてＬＳＣ（ただし面積ｗＬ）の上側表面にわたって太陽光が一様に分布する場合、単位面積当たりの吸収されるエネルギーＥＡは以下の通りである。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
ただしＲｃは集光板の１つの表面の反射率であり、ηｅは染料のエネルギー変換効率である。損失を最小限に抑えるために、濃度を最適化するためのＥＡを明白に知る必要はないが、ＥＡはα（λ）を介して濃度にも依存するので、全出力を得るために必要とされる。
【００２５】
最後に、照明のための有用な電力出力Ｐ（ワット単位）が、明所視関数ｙ（λ）によって与えられる目のスペクトル感度を考慮して、全ての波長にわたって加算することによって計算される。ルーメン単位のその相当量Ｆは、照明エネルギーからルーメンへの変換定数σによって与えられる。完全な式は以下の通りである。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
ここで、σは目のピーク応答における１ワット当たりのルーメンスを表す。フォトプティックな視野(Photoptic vision)の場合、σは６８３ルーメンス毎ワットである。
Ｆは染料濃度の関数として表にされるか、あるいはプロットされ、最適な濃度は、それが最大にされる濃度である。
【００２８】
染料コストはシステム全体のコストのうちのごくわずかな部分しか構成しないので、一般的にはあまり考慮されないが、最終的な最適条件を判定する際に所望により、染料コストを考慮に入れることもできる。
【００２９】
図２は、緑色染料分子を添加され、好ましい方法に従って製造された集光板のための透過率対波長のプロット（実線）を示す。
【００３０】
製造の以下の効果では、変形形態も考慮されるであろう。
【００３１】
これまでに用いられた最適な染料濃度手法は自己吸収を仮定しており、実際には全ての染料に関連する減衰は、光が数ｃｍ移動した後に、その作用を失っており、距離が長くなる場合のさらに別の吸収係数損失が、シート全体の、それゆえホストマトリクス散乱に起因する減衰測定において測定される。上述の改良された手法により、従来の手法を用いて計算された濃度よりも低い最適化された濃度が得られる。例えば、上述の改良された手法では、緑色出力集光シート（寸法が１３５ｍｍ×１２００ｍｍ×２ｍｍであって、１つの１３５ｍｍ幅のエッジにおいて出力を有し、サブシート及び一つのエッジ反射板を有する）は、シートの出力を増大させる緑色染料の濃度が従来の手法に比べて２０％改善された。
図４は、緑色蛍光分子が注入された集光シートの出力の理論値（計算値）を示す。この出力は、上述した改良された方法を用いて計算された。計算のために用いたシートの寸法は、１３５ｍｍ×１２００ｍｍ×２ｍｍである。この特性から分かるように、出力のルーメンス値は最大化され、染料分子濃度は約１０５ｐｐｍとなった。
【００３２】
最適な濃度および関連する計算の変形形態は、付加的な、あるいは改善された製造上の特徴に由来することができる。最も有望な付加的な作用は、シートの真下に配置される、白色散乱性あるいは正反射性いずれかの金属製の強力な反射板の作用であり、次いで、出力エッジの反対側のエッジにあるエッジ反射板の作用であり、それらがいずれも上記の計算において用いられた。最初の通過で吸収されない光が反射後に概ね吸収されることができるので、染料の少ないシート下反射板手段を用いて、同じか、それよりも高いＥＡ値を得ることができる。染料が少ないことによって、輸送損失も低減されるので、この反射板の効果は２つの態様において性能の改善に寄与し、最適な濃度を大幅に変化させることができる。シート下の反射板の効果に対する簡略化された手法は、ＥＡを求めるための式においてｔを２ｔに変更することである。別法では、シート下の反射板の反射率を含む十分に正確な計算を行うことができるが、実際には、これによる変化は小さい（ミラーあるいはシートの反射率の波長依存性はいずれも小さいはずであり、含めることも、無視することもできる）。完全なエッジ反射板を仮定すると、エッジ反射板によって、式（１）の積分に対して項を追加する必要があり、１が（２Ｌ−１）によって置き換えられる。この項は、第１の項の場合よりも出力光が長い距離を移動する必要があるので、放射帯域における減衰を下げる場合にも改善される。
【００３３】
上記の考察は単一のシートの計算に関連した。濃度の最適化は、所望により、スタック内に通常３つ、場合によっては２つの、染料を添加されたシートを用いることになる完成した集光板内のその位置に基づいて、染料を添加された種々のシート毎にさらに精緻化することもできる。たとえば、その順序が紫色、緑色および赤色であり、反射板がスタック全体の真下に配置される。この場合、任意のシートを上あるいは下から通過することによって変更された後に、通過する度に各シートに（すなわち、反射後に下方および上方に）衝突している電力スペクトルを計算する必要がある。これは、任意のシートを通過する前に吸収されない光、およびシートのいずれかの側から蛍光放射される光を含む。この場合、シート毎に上記の式（２）において、Ｓ（λ）が入射電力スペクトルＳｖ，ｇ，（λ）によって置き換えられる。ただし、下付文字ｖ、ｇおよびｒなどは、もしあるなら、太陽エネルギーが以前に通過した種々の有色の染料を有するシートに応じたラベルである。これらのスペクトルは、上記のシート内の入射スペクトルと、そのスペクトル透過率とを乗算することによって決定される。たとえば、上側の紫色シートを横切った後に、３層スタックにおいてその下にある緑色シートに入射するスペクトルは以下の式によって表される。
【００３４】
【数４】
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【００３５】
ただし、Ｔｖ（λ）は紫色シートのスペクトル透過率である。このように入射スペクトルを変更することにより最適な濃度が変化するが、再び、それは副次的な効果であるので、多層、多染料のシステムの場合であっても、多くの場合にベース反射板によって変更された最初の簡単な手法で十分であろう。上あるいは下からの蛍光出力を追加することができる。それはわずかな変化を引き起こす。
染料分子濃度が計算されると、集光シートは周知の製造方法により製造される。例えば、米国特許第６０５９４３８号に記載されている製造方法を用いることができる。
【００３６】
米国特許第６０５９４３８号およびSwift他による公開を参照することは、これらの書類がオーストラリアまたはいずれの他の国における当該技術の普通の一般的な知識の一部を形成するということを認めるものではないことを理解されたい。
【００３７】
本発明が特定の例を参照しながら説明されてきたが、本発明が数多くの他の形態において具現できることは当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による集光板を示す図である。
【図２】図１に示す集光板の染料分子濃度の計算に用いる座標システムを示す図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態に従って製造された集光板のための透過率対波長のプロット図である。
【図４】特定の実施の形態における蛍光出力と染料分子濃度の関係を示す特性図である。
【図１】
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【図２】
2006504999.tif 000008
【図３】
2006504999.tif 000009
【図４】
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【国際調査報告】
2006504999.tif 000011
2006504999.tif 000012
2006504999.tif 000013