(57)【要約】【課題】小型で効率よく太陽光を集光するとともに、光電素子の作動温度を抑制する。【解決手段】太陽光集光システムは、Ｖ字形に配置された一対のフレネル反射器１２を備える。各々のフレネル反射器１２は、焦点を有するフレネル表面１６と、反対側の放熱面２２と、フレネル表面１６に取り付けられ、かつ放熱面２２にパネルマウント１８を介して熱伝導する光電素子１４と、を備える。第１のフレネル反射器１２の焦点が第２のフレネル反射器１２上の光電素子１４を指向し、第２のフレネル反射器１２の焦点が第１のフレネル反射器１２上の光電素子１４を指向するように、両フレネル反射器１２が二面角を有する頂点２３で接続されている。【選択図】図１
2012019196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１フレネル反射器と第２フレネル反射器とを備えたシステムであって、
各々のフレネル反射器は、
焦点を有するフレネル表面と、
このフレネル表面の反対側となる放熱面と、
上記フレネル表面に取り付けられ、かつ上記放熱面に熱伝導するように熱的に接した光電素子と、
を備え、
第１フレネル反射器の焦点が第２フレネル反射器上の光電素子を指向し、第２フレネル反射器の焦点が第１フレネル反射器上の光電素子を指向するように、上記第１，第２フレネル反射器が二面角でもって頂点をなしていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記光電素子は、上記頂点とは反対側となるフレネル反射器の外側端縁に沿ってフレネル表面に取り付けられた光電デバイスの列からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記二面角が約１００°〜約１１０°の間であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
上記二面角が約１０４°〜約１０６°の間であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
上記光電素子は、上記フレネル反射器の外側端縁および上記頂点の双方から離れてフレネル表面の領域内に取り付けられた光電デバイスからなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記フレネル表面は、光源から焦点へ向けて光を反射するように傾いたファセットを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
上記第１フレネル反射器および上記第２フレネル反射器は、円錐皿の第１部分および第２部分を構成し、上記ファセットは実質的に円環状の形状をなすことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
上記第１フレネル反射器および上記第２フレネル反射器は、実質的に平面のパネル構造を構成し、上記ファセットは実質的に矩形の形状をなすことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
第１の組のファセットは、光源に向かうように整列したカットバックを有し、第２の組のファセットは、焦点に向かうように整列したカットバックを有することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
フレネル表面の焦点エリアが光電素子の感度領域に実質的に対応するように、ファセットの幅が焦点距離および光線の拡がりに基づいて変化していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
光電デバイスへの２方向集光を行うようにファセットが別々の２方向に傾いていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
第１フレネル反射器に接続された第３フレネル反射器をさらに備え、この第３フレネル反射器の焦点が第２フレネル反射器上の光電素子を指向していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
第２フレネル反射器に接続された第４フレネル反射器をさらに備え、この第４フレネル反射器の焦点が第１フレネル反射器上の光電素子を指向していることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
第１フレネル反射器と第２フレネル反射器とを備えた太陽光集光器であって、
各々のフレネル反射器は、
光源方向からの光を焦点へ向けて反射するように傾いたファセット角を有するファセットからなるフレネル表面と、
このフレネル表面の反対側となる放熱面と、
上記フレネル表面に取り付けられ、かつ上記放熱面に熱伝導するように熱的に接した光電デバイスと、
を備え、
第１フレネル反射器の焦点が第２フレネル反射器上の光電デバイスを指向し、第２フレネル反射器の焦点が第１フレネル反射器上の光電デバイスを指向するように、上記第１，第２フレネル反射器が二面角でもって頂点をなしていることを特徴とする太陽光集光器。
【請求項１５】
第１の組のファセットは、光源方向に沿って傾いたカットバックを有し、第２の組のファセットは、焦点に向かうように傾いたカットバックを有することを特徴とする請求項１４に記載の太陽光集光器。
【請求項１６】
上記光電デバイスはフレネル反射器の外側端縁に取り付けられており、上記二面角は、約１００°〜約１１０°の間にあることを特徴とする請求項１５に記載の太陽光集光器。
【請求項１７】
上記光電デバイスはフレネル表面の領域内に取り付けられており、フレネル反射器の外側端縁および上記頂点の双方から離れていることを特徴とする請求項１４に記載の太陽光集光器。
【請求項１８】
焦点までの距離に基づく光線の拡がりを考慮して、上記ファセットの幅がフレネル表面に沿って変化していることを特徴とする請求項１４に記載の太陽光集光器。
【請求項１９】
２方向集光を行うようにファセットが別々の２方向に傾いており、フレネル表面の焦点エリアの長さがフレネル反射器の長さよりも短くなっていることを特徴とする請求項１４に記載の太陽光集光器。
【請求項２０】
複数のフレネル反射器を備えた集光型光発電システムであって、
各々のフレネル反射器は、
光源方向からの光を焦点方向へ向けて反射するように傾いたファセットからなり、第１の組のファセットは、光源方向に沿って傾いたカットバックを有し、第２の組のファセットは、焦点方向に沿って傾いたカットバックを有してなるフレネル表面と、
このフレネル表面の反対側となる放熱面と、
上記フレネル表面に取り付けられ、かつ上記放熱面に熱伝導するように熱的に接した光電素子と、
を備え、
２つのフレネル反射器が二面角を有する頂点をなすように接続されており、各々のフレネル反射器は、その焦点方向が別のフレネル反射器上の光電素子を指向するように位置決めされていることを特徴とする集光型光発電システム。
【請求項２１】
上記光電素子はフレネル反射器の外側端縁においてフレネル表面に取り付けられており、上記二面角は、約１００°〜約１１０°の間にあることを特徴とする請求項２０に記載の集光型光発電システム。
【請求項２２】
上記二面角が約１０４°〜約１０６°の間であることを特徴とする請求項２１に記載の集光型光発電システム。
【請求項２３】
上記光電素子はフレネル表面の領域内に取り付けられており、フレネル反射器の外側端縁および上記頂点の双方から離れていることを特徴とする請求項２０に記載の集光型光発電システム。
【請求項２４】
上記ファセットは、別のフレネル反射器上の光電素子に向けて２方向集光を行うように、別々の２方向に傾いていることを特徴とする請求項２３に記載の集光型光発電システム。
【請求項２５】
光線の拡がりを考慮して、上記ファセットの幅がフレネル表面に沿って変化していることを特徴とする請求項２０に記載の集光型光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽エネルギ、特に太陽光集光器に関する。特に、本発明は、太陽光発電に適したフレネル型太陽光集光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
集光型太陽光パワー（Concentrated Solar Power: CSP）システムは、太陽光集光器を用いることで、比較的広い集光面積から小さな焦点エリアに太陽光を集め、光束および温度を高めて、変換効率を向上させる。レンズおよびミラーの双方が集光のために用いられるが、大規模システムにおいては、伝達時の損失を抑制するとともに全体の重量およびコストを低減するために、しばしば反射型集光器が用いられる。
【０００３】
反射器の幾何学的構成は、使用される技術の方式や、太陽光をどの程度のレベルに集光させるかの要求によって異なる。例えば、比較的低温の屋上型加熱システムにおいては、通常、１軸に沿った追尾を行うフラット型もしくは直線型の構成のものが用いられ、追尾を全く行わないものもある。蒸気タービン型の発電機を含む高集中型システムにおいては、直線的放物線型光学ジオメトリないし「発電タワー」型の設計が用いられ、その一部のものでは、多数のヘリオスタット列の焦点を中央レシーバ上に集めるために、高度に協調した２軸追尾システムを備えている。
【０００４】
集光型光発電（Concentrating Photvoltaic: CPV）システムは、光起電力反応によって太陽光を電力に直接に変換する光電池（PVセル）ないし同様の素子を用いる。なお本明細書においては、光電（PV）素子とは、直接的な光電放出によって電力が生成される光電デバイス（photoelectric device）や、高温陰極から電子が放出されて（低温）陽極に対するポテンシャル障壁を横切る電流が生成される熱電子デバイス（thermionic device）をも含むものである。
【０００５】
CPVシステムは、種々の反射器の幾何学的構成、例えば、直線的ジオメトリ、放物線型ジオメトリ、放物線トラフ型ジオメトリ、を含む。設計上の課題としては、集光効率、影やその他の損失がある。さらに、光電素子の損傷を防止するとともに抵抗を低減するために、ターゲットの熱を制御する必要がある。これらの課題は、特に、宇宙用途では問題となり、設計の単純さ、外形寸法や重量を考慮することが非常に重要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、集光型光発電システムに関する。このシステムは、複数のフレネル反射器を備え、各々のフレネル反射器は、焦点を有するフレネル表面と、このフレネル表面の反対側となる放熱面と、光電素子と、を備える。光電素子は、上記フレネル表面に取り付けられ、かつ上記放熱面に熱伝導するように熱的に接している。２つのフレネル反射器が二面角を有する頂点をなすように接続されており、各フレネル反射器の焦点が別のフレネル反射器に取り付けられた光電素子を指向するように、各々の平面が向けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】２つのフレネル反射器を備えた集光型光発電システムの断面図。
【図２】パネル取付型光電素子を備えたフレネル反射器におけるファセットジオメトリを示す説明図。
【図３】直線的放物線型フレネル反射器の焦点ジオメトリの説明図。
【図４】二面角を備えた２枚パネル型の集光型光発電システムの断面説明図。
【図５】円錐皿形とした実施例の集光型光発電システムの斜視図。
【図６】２枚パネル型の直線的放物線型集光型光発電システムの斜視図（Ａ）およびこれを複数接続したアレイの斜視図（Ｂ）。
【図７】４枚パネル型の直線的放物線型集光型光発電システムの斜視図（Ａ）およびこれを複数接続したアレイの斜視図（Ｂ）。
【図８】２方向集光とした集光型光発電システムの斜視図（Ａ）およびこれを複数接続したアレイの斜視図（Ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本発明の集光型光発電（CPV）システム１０の断面図を示している。この実施例のCPVシステム１０は、２つのフレネル反射器１２を有し、各々、光電（PV）素子１４および反射用フレネル表面１６を備えている。光電素子１４は、パネルマウント１８を介してフレネル表面１６に取り付けられており、ミラー背部パネル２０および放熱面２２への直接的な熱伝達経路を構成している。
【０００９】
フレネル表面１６は、ミラー背部パネル２０の前面（第１面）に形成された複数のファセット２４からなり、このフレネル表面１６の反対側となる後面（第２面）が上記放熱面２２となっている。これらのファセット２４は、矢印Ｓの方向に沿った光源からの光（入射光）を光電素子１４へ向けて焦点方向Ｓ’に沿って集めるように、フレネル反射器１２に対し個々に傾いている。光電素子１４からの熱は、パネルマウント１８によってミラー背部パネル２０に直接的に伝達され、放熱面２２から赤外線放射として放散される。
【００１０】
光電素子１４は、光を電気エネルギに変換する太陽電池あるいは類似のデバイスからなる。半導体型の光電素子の実施例では、適当な光電素子１４としては、赤外線、可視光線、紫外線の領域に亘って種々の感度および光電効率を有する、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、テルル化ガリウム、セレン化銅インジウム、硫化銅インジウム、ゲルマニウム型ソリッドステートデバイス、が挙げられるが、これらに限定されるものではない。あるいは、光電素子１４は、上述したような光電デバイス（photoelectric device）や熱電子デバイス（thermionic device）からなり、あるいは、透明伝導フィルム（TCF）型デバイス、透明伝導酸化物（TCO）型デバイス、透明伝導ポリマ（TCP）型デバイス、カーボンナノチューブ型デバイス、カーボンナノアンテナ型デバイス、などからなる。これらの光電素子１４の実施例のいくつかは、特に赤外線および紫外線の領域で波長の関数として相対的に高いもしくは低い感度や効率を有している。
【００１１】
２つのフレネル反射器１２は、頂点２３を有するＶ字形構成となるように各々傾いており、例えば、ヒンジ機構２５によってミラー背部パネル２０同士を接続してある。これによって、保管時および輸送時には平坦に折り畳んだ状態とし、例えば宇宙空間における展開時に拡げた状態とすることができる。他の実施例としては、頂点２３を有するようにフレネル反射器１２を重ねたファン型の展開システムとしてもよく、あるいは地上設置用途では永久的な固定取付構成としてもよい。
【００１２】
図１の実施例においては、パネルマウント１８は、頂点２３とは反対側となるフレネル反射器１２の端縁に位置している。フレネル反射器１２が展開した状態では、各々の光電素子１４は、水平軸ｘに沿った横方向に互いに離間している。太陽（あるいは他の放射源）は、垂直軸ｙに沿って位置しており、入射光は、垂直軸ｙとは逆平行となる光源方向Ｓに沿って入射する。
【００１３】
図１に示すように、このCPVシステム１０は、２つのパネルからなる直線的放物線型焦点ジオメトリを有している。この構成では、左側の反射器１２のフレネル表面１６が光源方向Ｓからの光を右側の光電素子１４上に集め、右側の反射器１２のフレネル表面１６が光を左側の光電素子１４上に集める。しかし、従来の放物線型反射器の設計とは異なり、本発明では、フレネル反射器１２上のファセット２４の集合としてフレネル表面１６が形成されているので、放物線型の集光の光学的な利点に加えて、実質的に平面ないし直線的な反射器の設計による利点が得られる。
【００１４】
より詳しくは、放物線セクションＰ+，Ｐ-は、ｘ軸上の入力値（範囲：ドメイン）およびｙ軸上の関数（範囲：レンジ）を用いて、次式によって表される。
【００１５】
【数１】
2012019196.tif 000003
【００１６】
右側の放物線面Ｐ+（式１で正の符号）は、左側の放物線面Ｐ-上の（−ｃ，＋ｃ）に焦点Ｆ+を有し、左側の放物線面Ｐ-（式１で負の符号）は、右側の放物線面Ｐ+上の（＋ｃ，＋ｃ）に焦点Ｆ-を有する。
【００１７】
フレネル表面１６は、上記の放物線面Ｐ±を複数の部分に区分して図のフレネル反射器１２の方へ各々ずらすことで構成されており、各々の部分がミラー背部パネル２０の前面のファセット２４となっている。実施例によっては、個々のファセット２４が放物線面Ｐ±の曲線に沿った湾曲形状（非直線）をなす場合もあり、あるいは、放物線面Ｐ±の接線に沿った略直線のフレネル表面に各ファセット２４が形成される場合もある。また通常、各ファセット２４のフレネル表面は、焦点Ｆ+，Ｆ-が各々反対側のフレネル反射器１２上の光電素子１４を指向するように、ｙ軸に沿った変位（ずれ）を考慮して回転したものとなる。
【００１８】
このようにして、左・右の光電素子１４は右・左のフレネル表面１６の焦点にそれぞれ位置し、電力への変換に有効な光束が集中する。光電素子１４の温度を抑制するとともに効率を向上させるために、パネルマウント１８が、光電素子１４とミラー背部パネル２０との間での直接的な熱の伝達経路（熱伝導）を提供しており、余分な熱が放熱面２２から赤外線放射として放散されるようになっている。
【００１９】
図２は、パネル取付型光電素子１４とフレネル表面１６を備えてなるフレネル反射器１２のファセット２４のジオメトリを示している。フレネル表面１６はミラー背部パネル２０の前面（第１面ないし上面側）に構成され、このフレネル表面１６の反対側となる後面（第２面ないし底面側）には放熱面２２がある。光電素子１４は、パネルマウント１８によってフレネル反射器１２に直接的に取り付けられており、ミラー背部パネル２０および放熱面２２への直接的な接触による熱伝達経路を構成している。
【００２０】
フレネル表面１６は、多数の独立したフレネルファセット２４として構成されており、各ファセット２４は、フロントファセットセクション（フロントカットセクション）２６とバックカットセクション（カットバックセクション）２８とを有する。フロントセクション２６の各々は、光源方向Ｓからの光を、例えば、図３を用いて後述する直線的放物線集光ジオメトリを用いて、フレネル反射器１２の焦点に位置する光電素子１４（あるいは他のターゲット）上に集めるように、傾いている。
【００２１】
ファセット２４は、例えば、ミラー背部パネル２０の前面の型成形や切削加工、あるいはミラー背部パネル２０への機械的な取付、などによって形成される。アルミニウムや銀などの反射材料がフロントファセットセクション２６の反射面３０を構成するように適用されている。ある実施例においては、バックカットセクション２８にも反射コーティングが適用される。さらに、ある実施例においては、フレネル表面１６の酸化や摩耗ないし傷を抑制するとともに、フレネル表面１６の光学特性の改良のために、１つあるいは複数の保護コーティングも適用される。
【００２２】
個々のフレネルファセット２４は、ファセット高さｈ、フロントファセットセクションの長さｓ、バックカットセクションの長さｔ、によって特徴付けられる。フロントファセットセクション２６によって形成されるファセット角φは、隣接する変曲点３２の間として定義されるフレネル平面ＦPに対して測定される。これらの変曲点３２は、個々のファセット２４の間に位置し、頂点３４と交互に生じる。
【００２３】
ファセット高さｈおよびフロントファセットセクション長さｓを用いて、ファセット角φは、次式のように与えられる。
【００２４】
【数２】
2012019196.tif 000004
【００２５】
バックカット角θは、フレネル平面ＦPに対して垂直な垂直ベクトルＯから測定され、次式のように与えられる。
【００２６】
【数３】
2012019196.tif 000005
【００２７】
反射ジオメトリは、フロントファセットセクション２６の反射面３０に対して垂直な直交ベクトルＮに関して定義される。直交ベクトルＮは、垂直ベクトルＯに対してファセット角φを有し、垂直ベクトルＯは、光源方向Ｓに対して光源角αを有する。入射角γは、光源方向Ｓから直交ベクトルＮへと測定され、これは、次式のように、光源角αとファセット角φとの和に等しい。
【００２８】
γ＝α＋φ                                [４]
太陽光発電の用途では、光源までの距離は大きく、太陽の角度幅の範囲内で、光源方向Ｓはフレネル表面１６の全体に亘って実質的に一定である。例えば、地上用途あるいは高度の低い地球周回軌道の用途では、光源距離は１億５０００万キロメートルのオーダであり、光源の幅は、約１／２°つまり±１／４°である。深宇宙や太陽光以外の用途では、光源距離や角度幅は変化する。
【００２９】
実質的に平面の構成においては、垂直ベクトルＯはフレネル平面ＦPに対して固定され、光源角αは、フレネル反射器１２の各セクションの全体で、かつフレネル表面１６に亘って、実質的に一定である。湾曲した（つまり非直線的な）構成においては、垂直ベクトルＯおよび光源角αは、個々のファセット２４の各々に対して局部的に規定される。
【００３０】
フロントファセットセクション２６は、光を光源方向Ｓから焦点へ向けて反射するように個々に傾いており、従って、ファセット角φおよび直交ベクトルＮは、各ファセット２４で異なっている。
【００３１】
反射光（射出光）は、垂直ベクトルＯに対して標的角βを有する焦点方向Ｓ’に沿って案内される。直交ベクトルＮを中心として測った入射角γは反射角と等しいので、標的角βは、次式の通りである。
【００３２】
β＝φ＋γ                                [５]
これを上記の式４と組み合わせることにより、ファセット角φは、光源角α（垂直ベクトルＯから光源方向Ｓ（つまり入射光）までの角）と標的角β（垂直ベクトルＯから焦点方向Ｓ’（つまり反射光）までの角）とによって、次式のように与えられる。
【００３３】
【数４】
2012019196.tif 000006
【００３４】
なお、標的角βおよび光源角αは各々垂直ベクトルＯを基準として測ったものであり、その差分によってファセット角φが定義されるが、双方の角の基準が同じであれば、どこを基準としてもよい。
【００３５】
フレネル反射器１２の集光効率Ｅは、フレネル表面１６の中で集光に有効な部分的面積に依存する。この部分的面積は、ファセットジオメトリ、特に、フロントファセットセクション２６の長さｓおよびバックカットセクション２８の長さｔの両者のトータルの長さｓ＋ｔに対するフロントファセットセクション２６の長さｓによって定まる。従って、次式の通りである。
【００３６】
【数５】
2012019196.tif 000007
【００３７】
ファセット角φおよびバックカット角θを用いて、修正効率は、次式で与えられる。
【００３８】
【数６】
2012019196.tif 000008
【００３９】
修正効率Ｅは、個々のフレネル反射器１２の姿勢に関係し、特に、図４を用いて後述する二面角に関係する。
【００４０】
ミラー背部パネル２０の構成は、実施例によって種々異なる。地上用途においては、適当な材料として、木、アルミニウムや鋼等の金属、あるいはこれらの組み合わせ、がある、これらの実施例では、フレネル反射器１２は、温度変化、雨、雪、他の気象悪条件、他の地球環境作用、などに耐えうるように設計される。宇宙航空用途においては、適当な材料として、軽量樹脂や他のポリマ、カーボンおよガラス繊維の複合材料、アルミニウムやチタンの合金、あるいはこれらの組み合わせ、がある。これらの実施例では、フレネル反射器１２は、通常、軽量構造として設計され、輸送時に折り畳みないし積み重ねができ、かつ宇宙環境で展開できるようになっている。
【００４１】
ミラー背部パネル２０のフレネル表面１６とは反対側となる後面には、放熱面２２が形成されている。一部の実施例では、放熱面２２はコーティングされていないが、それ以外の実施例では、１つあるいは複数の放熱性コーティングや保護コーティングが施されて放熱面２２が形成されており、例えば、ポリマコーティング、ペイント式コーティング、カーボンコーティング、これらの組み合わせ、などが施される。
【００４２】
光電素子１４の熱は、パネルマウント１８を介してミラー背部パネル２０へ伝達される。パネルマウント１８は、光電素子１４とミラー背部パネル２０との間での直接的な熱伝達接続を提供し、熱エネルギを放熱面２２に輸送して赤外線放射として放散させることで、光電素子１４の作動温度を抑制する。
【００４３】
ある実施例においては、１つあるいは複数の冷却チャネル３６がミラー背部パネル２０に設けられており、冷却流体の循環によって光電素子１４からの熱の流れを増大させる。特に、冷却チャネル３６は、パネルマウント１８に近いミラー背部パネル２０の領域からの熱の輸送を増大させ、この熱を放熱面２２のより広い領域に分配して、熱の放散の改善ならびに光電素子１４の作動温度の抑制に寄与する。
【００４４】
熱は、光電素子１４やパネルマウント１８の構造物からも直接に放散するが、これらの要素の表面積はミラー背部パネル２０に比べて比較的小さく、従って、赤外線放射は少ない。また、熱は、フレネル表面１６からも放熱される。
【００４５】
一般に、放射束密度（単位面積当たりの熱放散の割合）は、局部的な表面温度Ｔの４乗、表面の放射率ε、ステファン・ボルツマン定数σ、に、次式のように依存する。
【００４６】
ｊ＝εσＴ4                              [９]
表面温度Ｔは、光電素子１４の温度、パネルマウント１８の熱伝達率、ミラー背部パネル２０に亘る熱の分布、に依存する。放射率εは、フレネル表面１６および放熱面２２を構成するために使用されている材料に依存する。
【００４７】
可視光スペクトルにおいては、暗い、光学的に吸収性の材料は、高い（１に近い）放射率εを有し、明るい、光学的に反射性の材料は、低い（０に近い）放射率εを有する。熱エネルギの放散により影響する赤外範囲においては、放射率εと色や外観との相関は少ない。例えば、約１μｍ〜約１４μｍの赤外波長については、ゴム、プラスチック、殆どのペイント、の放射率εは、光学的な色に拘わらず、約０．９０〜約０．９５と比較的高い。
【００４８】
光学的に暗色のカーボンブラック、グラファイト、その他のカーボンベースのコーティングは、赤外範囲で約０．７０〜約０．９０の放射率εを有する。反射性の金属は実質的に低い赤外線放射率εを有し、例えば、アルミニウムは約０．２〜約０．４（研磨したアルミニウム表面では０．１０以下）、銀は約０．０２以下である。
【００４９】
従って、ある温度Ｔにおける熱の放散としては、ミラー背部パネル２０の放熱面２２からの放散の方がフレネル表面１６からの放散よりも大となる。コーティングしたバックカットセクション２８は熱的に多少の利点を有するが、コーティング材料として、赤外線放射率εと直接的な加熱を抑制するための光学的反射率との兼ね合いを考慮して選択する必要がある。それでも、光電素子１４からの熱の放散の能力は、主に、光電素子１４とミラー背部パネル２０との間の熱的接続に依存し、特に、パネルマウント１８と放熱面２２との間の熱的接続に依存する。
【００５０】
このパネルマウント１８の構成は、光電素子がフレネル表面１６（あるいは放物面鏡などの他の反射表面）上の中央焦点位置に位置するような他の設計とは異なっている。特に、光電素子１４はフレネル表面１６に直接的に接して取り付けられており、光電素子１４からフレネル表面１６までの距離は、焦点距離の数分の１よりも小さい（例えば焦点距離の１／１０未満）。一方、標的を吊り下げている設計では、光電素子と反射器との距離は、焦点距離にほぼ等しく、あるいは、少なくとも焦点距離のより大きな割合（例えば焦点距離の１／３以上）となる。
【００５１】
さらに、光電素子１４と放熱面２２との間の熱的接続は、直接的な熱伝導であり、非直接的な熱的接続ではない。他の設計では、本願のようなパネルマウントによる光電素子１４とフレネル反射器１２との間での直接的な熱伝達によらずに、光電素子１４から熱を除去するために、空気流の対流（例えば、陸上での太陽集光システム）や追加的な冷却システム（例えば放熱フィンや冷却液の循環）に依存したものとなる。
【００５２】
図３は、直線的放物線型とした実施例のフレネル反射器１２における焦点ジオメトリを示している。反射器１２のフレネル表面１６は、ミラー背部パネル２０の第１面（前面）上に形成された複数のファセット２４からなり、ミラー背部パネル２０の第２面（後面）は放熱面２２となっている。各々のファセット２４は、光源方向Ｓからの光を光電素子１４へ向けて案内するように傾いた姿勢となっており、光電素子１４は、フレネル表面１６の焦点にほぼ位置している。
【００５３】
図３に示すように、フレネル反射器１２はｘ軸に対し角度αだけ傾いている。ここで、ｘ軸は、入射光が進んでくる方向である光源方向Ｓに対し直交している。垂直ベクトルＯは、フレネル平面ＦPに沿ったフレネル反射器１２に対し直交し、光源方向Ｓに対して角度αだけ傾いている。直交ベクトルＮは、ファセット２４の表面に対して直交し、焦点方向Ｓ’に対して角度βだけ傾いている。
【００５４】
ファセット２４は、ファセット角φが正か負あるいは０かによって、２つの異なる組に分けられる。式６によれば、標的角βが光源角αよりも大きいときにφ＞０であり、図３の上部右側に示されているファセット２４Ａのように、第１の向きつまり前進方向となる。この前進方向（ｆｆ）ファセット２４Ａにおいては、フロントファセットセクション２６は（焦点方向Ｓ’に沿って）焦点に向かう側に位置し、バックカットセクション２８の左下側となる。バックカットセクション２８は、焦点から離れた側に位置し、フロントファセットセクション２６の右上側となる。陰を少なくし、フレネル表面１６の有効面積を増大させるために、バックカット角θは、バックカットセクション２８の表面が焦点方向Ｓ’に沿った傾きとなるように選択され、つまり、下記のように標的角βにほぼ等しい。
【００５５】
θff＝β                                      [１０]
標的角βが光源角αよりも小さい場合にはファセット角φは０よりも小さくなり、図３の左下側に示すように、ファセット２４Ｂは逆進方向の向きとなる。この逆進方向（ｒｆ）ファセット２４Ｂにおいては、バックカットセクション２８が（焦点方向Ｓ’に沿って）焦点に向かう傾きとなり、フロントファセットセクション２６は、バックカットセクション２８の右上側に位置する。バックカット角θは、バックカットセクション２８の表面が光源方向Ｓに沿った傾きとなるように選択され、つまり、下記のように光源角αにほぼ等しい。
【００５６】
θrf＝α                                      [１１]
標的角βが光源角αに等しい場合に、ファセット角φはほぼ０となり、その表面は、フレネル平面ＦPにより規定されるフレネル反射器１２に沿ったもの（つまり平行）となる。この構成では、ファセット高さは実質的に０であり、フロントファセットセクション２６とバックカットセクション２８との間の実質的な差異はない。
【００５７】
なお、ファセット角φは、負ではない正の数として、しばしば逆の形で定義されることもある。ファセットの向きは、また、光源方向Ｓ（入射光）および焦点方向Ｓ’（反射光）の逆のもの、つまり光源角αおよび標的角βの逆のもの、と解釈することもできる。このような慣習の下でも、第１のファセットの向きと第２のファセットの向きとは、バックカット角θが焦点方向Ｓ’の反射光に沿ったもの（前進方向ファセット２４Ａ）であるか、あるいは光源方向Ｓの入射光に沿ったもの（つまり逆進方向ファセット２４Ｂ）であるか、によって識別することができる。同様に、前進方向ファセット２４Ａの組は、直交ベクトルＮが垂直ベクトルＯに対して反射光側（焦点方向Ｓ’側）に傾いており、逆進方向ファセット２４Ｂの組は、直交ベクトルＮが垂直ベクトルＯに対して反射光から離れる（光源方向Ｓに向かう）ように傾いている。
【００５８】
図４は、集光型光発電システム１０の模式的な断面図を示している。この実施例においては、集光型光発電システム１０は、Ｖ字形に接続された２つのフレネル反射器１２からなり、頂点２３は二面角δを有する。フレネル反射器１２の上面（前面）にフレネル表面１６があり、下面（後面）に放熱面２２がある。光電素子１４は、パネルマウント１８によってフレネル反射器１２に直接に取り付けられており、頂点２３とは反対側となる外側端縁にパネルマウント１８によって取り付けられた端縁取付構造となっている。
【００５９】
図４に示すように、２つのフレネル反射器１２は、光源方向Ｓ（入射光）に対し直交するｘ軸に対して、角度αでもって対称的に傾いている。またフレネル反射器１２の傾きは、フレネル反射器１２に直交する垂直ベクトルＯに対する光源角αを規定する。標的角βは標的つまり焦点方向Ｓ’（反射光）に対して規定され、二面角δは光源角αによって下記のように規定される。
【００６０】
δ＝π−２α                                  ［１２］
フレネル反射器１２の修正効率は、ファセット角φおよびバックカット角θに依存し、これらは、フレネル平面に沿ったファセット２４の位置および焦点方向Ｓ’に対するファセット２４の傾きに依存する。フレネル反射器１２の上部つまり外周端縁（頂点２３とは反対側）の付近のファセット２４は、一般に前進方向ファセット（φ＞０）であり、バックカット角θは標的角βにほぼ等しい。この構成では、バックカットセクションは反射光に沿いかつ焦点に向かうように傾いており、修正効率（式８）は下記のようになる。
【００６１】
【数７】
2012019196.tif 000009
【００６２】
一般に、ファセット角φは、標的角βと光源角αとの差の半分であり（式６）、図４のように、フレネル反射器１２の外周端縁付近においては、下記の通り、標的角βはほぼ光源角αの余角となる。
【００６３】
【数８】
2012019196.tif 000010
【００６４】
式１３および式１４によれば、フレネル反射器１２の外周端縁付近のファセット２４について最高効率となる二面角は、約９０°（つまり約π／２）である。
【００６５】
フレネル反射器１２の底部（頂点２３付近）におけるファセット２４は、一般に逆進方向ファセット（φ＜０）であり、バックカット角θは光源角αにほぼ等しい。この構成では、バックカットセクションは光源方向Ｓ（入射光）に沿い、効率は下記のようになる。
【００６６】
【数９】
2012019196.tif 000011
【００６７】
頂点２３付近においては、入射角／反射角γは、下記によって与えられる。
【００６８】
【数１０】
2012019196.tif 000012
【００６９】
これは、式４および式５（図２に関して上述した）から、下記のようになる。
【００７０】
【数１１】
2012019196.tif 000013
【００７１】
この構成では、標的角βと光源角αとの間の関係は下記の通りであり、頂点２３付近のファセット２４について最高効率となる二面角は、約１２０°（つまり約２π／３）である。
【００７２】
【数１２】
2012019196.tif 000014
【００７３】
従って、典型的な実施例において、Ｖ字形の２枚パネル型の直線的放物線型システムにおける最適な二面角は、約９０°〜約１２０°の間となり、ファセット２４が頂点２３付近にあるか外周端縁付近にあるかに依存する。フレネル反射器１２全面での平均的な最適二面角は、約１００°〜約１１０°の間となる。いくつかの実施例では、最適な二面角は、相乗平均である約１０５°あるいは約１０４°〜約１０６°の間となる。あるいは、フレネル反射器１２の全幅に亘り実行した数値計算によれば、最適な二面角は約１０４°である。
【００７４】
図５は、円錐皿形の集光型光発電（CPV）システム５０の斜視図である。この実施例においては、フレネル反射器１２は、光源方向Ｓを中心とした連続した回転体をなしており、フレネル表面１６を頂点２３における垂直軸ｙを中心として回転することにより、Ｖ字形の円錐皿形集光器５２を構成している。
【００７５】
フレネル表面１６はミラー背部パネル２０の前面（上面）に形成され、フレネル表面１６とは反対側となる後面（底面）には放熱面２２を備えている。フレネル反射器１２の個々のセクションは、水平方向の基準軸ｘに対して角度α傾いており、上述した二面角δ（π−２α）を構成している。複数のファセット２４は、光源方向Ｓからフレネル表面１６に入射した光を光電素子１４に集めるように傾いている。
【００７６】
光電素子１４は、円錐皿形集光器５２の上部周縁に沿った円環状配置の形で配置されており、フレネル表面１６の環状焦点領域内にあり、かつパネルマウント１８によって皿形集光器５２の外縁（リム）に取り付けられている。パネルマウント１８は、光電素子１４からミラー背部パネル２０への直接的な熱エネルギ伝達経路を提供し、熱を放熱面２２から赤外線放射として放散させる。
【００７７】
図５に示した実施例では、個々のファセット２４は、実質的に環状に連続したものとなっており、適宜な数のフレネル平面ＦPが存在し、各々のフレネル平面ＦPがフレネル反射器１２の個々の部分を規定する。他の実施例においては、別々の多数の三角形状のフレネル反射器１２によって円錐皿集光器５２が構成され、フレネル表面１６およびファセット２４が、対応する個数に分割された形となっている。
【００７８】
図６（Ａ）は、２枚パネル型の直線的放物線型CPVシステム６０の斜視図を示している。この実施例においては、個々の集光器パネル６２は、直線的放物線型フレネル反射器１２をｚ軸方向に延ばすことで構成されており、上記ｚ軸は、光源方向Ｓに直交し、フレネル表面１６に沿っている。集光器パネル６２は、実質的に長方形の構造に構成され、かつ頂点２３において、上述したような折りたたみヒンジや他のジョイント構造を用いて互いに接続されている。
【００７９】
個々のファセット２４は、実質的に長方形ないし直線的な形状をなし、光源方向Ｓからの光を、集光器パネル６２の頂点２３とは逆の外側端縁に沿った光電素子１４に集めるように、個々に傾いている。この実施例においては、光電素子１４は、各集光器パネル６２の上部端縁に沿って配列された多数の光電デバイスの列からなり、パネルマウント１８によってフレネル表面１６に取り付けられている。そして、２方向の直線的放物線型集光によって、光源方向Ｓからの光が光電素子１４の双方の列の上に集められる。
【００８０】
図６（Ｂ）は、上記の２枚パネル型の直線的放物線型CPVシステム６０を複数個並べたCPVアレイ６４の斜視図を示している。個々の集光器パネル６２は、その上部端縁、つまり頂点２３と交互に生じる内側頂点６３において互いに接続されている。この実施例においては、各内側頂点６３では、光電素子１４が２列になって取り付けられており、それぞれ右側および左側のフレネル表面１６から光を受ける向きとなっている。外側の端縁６５においては、対応するフレネル表面１６に向いた１列の光電素子１４のみが設けられている。
【００８１】
図７（Ａ）は、４枚パネル型の直線的放物線型CPVシステム６６の斜視図を示している。この実施例においては、第１集光器パネル６２Ａと第２集光器パネル６２Ｂとが中央頂点２３において接続されており、第３集光器パネル６２Ｃが第１集光器パネル６２Ａの左側端縁に接続され、かつ第４集光器パネル６２Ｄが第２集光器パネル６２Ｂの右側端縁に接続されている。光電素子１４は、２つの列として配列されている。光電素子１４の第１の列は、第１集光器パネル６２Ａと第３集光器パネル６２Ｃとの間に位置し、第２集光器パネル６２Ｂおよび第４集光器パネル６２Ｄのフレネル表面１６の焦点に沿っている。光電素子１４の第２の列は、第２集光器パネル６２Ｂと第４集光器パネル６２Ｄとの間に位置し、第１集光器パネル６２Ａおよび第３集光器パネル６２Ｃのフレネル表面１６の焦点に沿っている。第１集光器パネル６２Ａと第２集光器パネル６２Ｂとの間の中央頂点２３には光電素子１４は設けられていない。
【００８２】
この４枚パネル型の直線的放物線型CPVシステム６６は、２直線放物線型集光構成を採用しており、左側の第１，第３集光器パネル６２Ａ，６２Ｃのフレネル表面１６が右側の第２，第４集光器パネル６２Ｂ，６２Ｄ間の光電素子１４の列に光を集め、右側の第２，第４集光器パネル６２Ｂ，６２Ｄのフレネル表面１６が左側の第１，第３集光器パネル６２Ａ，６２Ｃ間の光電素子１４の列に光を集める。各集光器パネルの非接続部（自由端）側の端縁ではなく各集光器パネルの接続部に光電素子１４が設けられているので、熱は、放熱面２２のより広い範囲に亘って伝導し、熱の移動が向上して光電素子１４の作動温度が低減する。
【００８３】
この特定の実施例においては、光電素子１４への集光を改善するために、個々のファセット２４が異なる幅を有している。光源の角度幅によって、ファセット２４から反射した光は、焦点距離Ｄ（ファセットから焦点までの距離）に沿って拡がっていき、従って、光電素子１４までの反射経路が長いファセット２４は焦点エリアが広くなる。例えば直線的放物線型実施例では、これにより、矩形の焦点エリアの幅が拡がることになり、光電素子１４の上方および下方へと拡がってしまう。円錐皿形集光器の場合は、焦点エリアは環状であるが、同様の現象が生じる。
【００８４】
このような光線の拡がりを考慮して焦点エリアを光電素子１４の感度領域に対応させるために、ファセット２４の幅を可変寸法とすることがある。つまり、フレネル平面ＦPに沿ったファセット２４の幅ＷFを、光電素子１４における反射光の所望の幅ＷPVに基づいて定義する。直線的な光の拡がりの場合、ファセット２４の幅ＷFは、下記の通りである。
【００８５】
ＷF＝ＷPV−ＡＤ                            ［１９］
太陽光発電では、Ａは１／２°であり、つまり太陽の角度幅である。
【００８６】
図７（Ｂ）は、４枚パネル型の直線的放物線型CPVシステム６６を複数個備えたCPVアレイ６４の斜視図を示している。頂点２３と交互に生じる内側頂点６３において、第４集光器パネル６２Ｄと第３集光器パネル６２Ｃとが接続されている。図６（Ｂ）に示した２枚パネル型アレイ６４とは異なり、内側頂点６３は光電素子１４を備えていない。これは、４枚パネル型のCPVシステム６６では、光電素子１４の各列の一方の側のみに光を集めるためであり、図６（Ｂ）のように逆向きとなった２列の光電素子１４は必要ない。
【００８７】
次に、図８（Ａ）は、２方向での集光を用いたCPVシステム６８の斜視図を示している。第１，第２集光器パネル６２が、頂点２３において、例えば上述したようなヒンジ機構２５によって接続されている。しかし、この実施例においては、中央の光電素子１４に向かって光を集める２方向での集光となるように、ファセット２４は別の２つの方向に沿って傾いている。
【００８８】
この２方向集光は、光電素子１４に太陽光をより集中して集めることができ、かつ光電素子の配置の自由度が高くなる。特に、焦点エリアの長さ（および対応する光電素子１４の直線的な長さ）が、フレネル平面自体の長さよりも実質的に短くなる。従って、光電素子１４を集光器パネル６２の全長に亘って設ける必要がなく、フレネル反射器１２の領域内、つまり対応するフレネル表面１６による比較的狭い範囲の焦点エリアに光電素子１４が配置される。
【００８９】
図８（Ａ）は、フレネル表面１６の領域内での一般的な光電素子１４の配置を示しており、光電素子１４は、集光器パネル６２の外側端縁および頂点２３の双方から離れて位置している。このような設計の自由度は、１方向の集光でも２方向の集光でも同様であるが、１方向の集光では、端縁であるか否かに拘わらず一般に光電素子１４の列が集光器パネル６２の全長に亘って延びた形となる。
【００９０】
２方向集光の実施例では、２方向での集光をより改善するために、個々のファセット２４の寸法は、長さ方向および幅方向の双方について変化している。特に、フレネル平面ＦPに沿った（幅と直交する方向の）ファセット２４の長さＬFは、対応する光電素子１４の感度領域に対する焦点エリアの幅ＬPVを狭めるために、光線拡がり角Ａおよび焦点距離Ｄに応じて下記のように変化する。
【００９１】
ＬF＝ＬPV−ＡＤ                          ［２０］
図８（Ｂ）は、上記の２方向集光CPVシステム６８を複数個備えたCPVアレイ６４の斜視図を示している。この実施例においては、光電素子１４を端縁に備えた前述した各実施例と同様に、集光器パネル６２が内側頂点６３に沿って接続されている。しかしながら、内側頂点６３および頂点２３のいずれも光電素子１４を備えておらず、光電素子１４は、フレネル表面１６の内側領域内に取り付けられている。
【００９２】
以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、種々の状況や材料等に応じて種々の変更、修正が可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０…集光型光発電システム
１２…フレネル反射器
１４…光電素子
１６…フレネル表面
１８…パネルマウント
２０…ミラー背部パネル
２２…放熱面
２４…ファセット
【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１】
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