JP5281154B2 - 放物面太陽光反射器とともに使用するための球面結像レンズを伴う光起電性発電機 - Google Patents
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Description
単位電力あたり低費用で高電力の集光された太陽光を送達する、大きな太陽光反射器とともに効率的に稼働するように設計される、より高い電力定格の光起電性発電機を提供することによって、過去の制限を克服することが本発明の目標である。それぞれ多くの太陽電池を備える、そのような発電機は、1次反射器の屈曲および誤指向にもかかわらず、全ての太陽電池にわたって光を均等に広めておくために、能動冷却および内部光学部を利用する。
本発明のいくつかの実施形態の有意な側面は、「2次反射器」の使用である。これらの実施形態では、電池は、ボールレンズによって提供される、安定させられた光を受光するように、受光面と直接一致して設定されないが、受光面と太陽電池との間に2次反射器を伴って、受光面の後ろに埋め込まれる(またはオフセットされる)。2次反射器の目的は、別個の電池の光起電気性活動領域のみを照射する離散領域の中へ、受光面における集光された太陽光の平滑で連続的な光束を向け直すことである。2次反射器の中へ受光面の所与の領域を通過する光は、直接とともに、受光面から電池の光起電性活動領域の周囲へ下方に延在する、内側に傾斜した鏡面壁からの反射によって、埋め込まれた太陽電池に到達する。2次反射器への入射口は、一式の2次反射器が、受光面の全照射領域で途切れなく張付けられるように構成される。埋め込まれ分離された太陽電池は、受光面の後ろの凹面アレイの中に担持される。本発明の2次反射器の動作は、各2次反射器にわたってボールレンズによって送達される光の垂直に近い入射に依存する。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
(項目1)
皿形反射器であって、焦点を有し、前記焦点において太陽放射を集光するように適合される、皿形反射器と、
前記皿形反射器の前記焦点に位置付けられる、実質的に球面のレンズと、
前記球面レンズを越えた光学経路に位置する受光面に位置付けられる、複数の太陽電池であって、前記太陽電池が太陽放射で照射されると、発電するように動作する、太陽電池と
を備えており、
前記皿形反射器は、太陽放射を前記球面レンズに反射させるように動作し、前記球面レンズは、前記太陽放射を前記太陽電池に伝達するように動作し、前記太陽電池は、前記太陽放射が前記皿形反射器および球面レンズによって前記太陽電池に集束されると、発電するように動作する、太陽放射から発電するための装置。
これらの実施形態では、太陽電池15は、受光面9に接近した平坦なファセット上で密接して嵌合し、図5aおよび図6aに図示されるように、受光面9に直接位置する。領域47と一致した電池15は、各自によって受容される電力、したがって、それぞれの直接照射された電池15によって生成される電流が、本質的に同じになるようにサイズ決定され、直列の電気接続を促進してもよい。等しい電力のために、ファセットの面積は、以下の式(9)によって求められる集光度の逆数として拡大縮小される。
第2の種類の実施形態は、図5bおよび6bで概略的に図示されるように、浅い2次反射器を組み込んで、電池の非感光性縁から離れて光を方向付ける。各自の後ろにより小さい電池を伴う2次反射器45のアレイは、円形の1次反射器1とともに使用するための上記の図9bに図示された配設、および正方形の1次反射器1とともに使用するための図10bに図示された配設等の、各電池15に同じ電力を送達する張付け配設で構成されてもよい。代替として、異なる電力レベルを伴う電池15を送達する張付け構成が、並列電気接続ならびに直列接続が行われる時に好まれ得る。この実施形態における2次反射器は、軸上照射については図12a、軸外照射については図12bにおいて、プリズム窓11の詳細な断面で図示されるように、鏡面フレーム45またはプリズム窓11の形を成してもよい。これらの2次反射器11の入射口10は、図9bまたは図10bで置換する電池15と同じ形状およびサイズを有するが、出射面12の真後ろに位置するより小さい太陽電池15(図示せず)に結合する。2次反射器は、平面的な縁反射面13を伴って構成されてもよく、その場合、電池は、入射面10と同じコーナー角度および辺の数を有するが、サイズが縮小される。
再結像が、図4bに図示されるように、ディッシュ1上の点からの光線と受光面9上の共役との間の1対1の対応をもたらすため、電池15上の集光された光の強度の安定化が光学設計に内蔵される。これらの光線がボールレンズ5の縁に向かって遠すぎる所に変位されなければ、全ての太陽電池15が均一に照射されたままである。しかしながら、この安定化は、縁の近くでボール5に入射する、放物面焦点28における球面レンズ5の中心から遠くに変位された光線については機能停止し始める。そのような大きな光線変位は、所望の放物面からのディッシュ表面1の形状の大きな逸脱により、かつ誤指向および太陽の有限角サイズ等の効果の組み合わせにより、発生する場合がある。
図示された場合の臨界角は、δc=1.65°である。湾曲受光面9における強度は、ボールレンズ5の結像性により、最大で臨界角の半分の指向誤差に対して極めて安定していることが分かるであろう。これらのより大きい角度において、照射の領域は、図16bから図16hにおいて右側に、受光面9に対して中心を外れて移行される。図16aから図16hに示された光線の密度によって生じる、受光面9における強度は、左側の縁付近でゼロになる。受光面9を覆う全ての太陽電池15が個別に直列で電気的に接続され、それぞれがバイパスダイオードを伴う場合は、この縁の周囲の電池15が十分な電流を失うと、バイパスダイオードの作用によって電流が完全に断絶される。
δc/2よりも大きい誤指向誤差に対して発電機の電力損失を最小限化するために、いくつかの好ましい実施形態は、図16a−16hに図示された照射の予測可能な変化を活用することによって、均一な高い電流を維持するための方法で、太陽電池15からの電気出力を組み合わせる。これらの好ましい実施形態では、並列に電気的に接続された放射方向グループで太陽電池15の出力が組み合わせられる電気的構成によって、そのような損失が回避される。これらの光学および電気的方策の目標は、個々の太陽電池15が電力を損失または獲得した時でさえも、太陽電池15のグループをI−V(電流−電圧)曲線における最大電力点の近くで動作させておくことである。理想的には、典型的な屈曲および誤指向に対する、電池15または電池15の並列グループにおける電流の最高対最低の差の広がりは、平均の10%未満となるべきである。この広がりで、直列に接続されたグループの電流不整合による電力の損失は、2.5%未満である可能性が高い。並列接続を行うことによって、そのような高い性能がより大きい誤指向角に維持されてもよい。
この実施形態では、誤指向公差を改善する放射方向平均化の原則が、切り取られた角を伴う正方形の形の突出した入射開口がある、図1に図示されるような1次反射器1とともに使用するための発電機4に適用される。この実施形態では、受光面9のより複雑な張付けが、並列接続のためのほぼ放射方向の配向の電池15のグループを提供する。図19は、そのような好ましい張付けを図示する。この場合、受光面9上に結像される1次鏡1は、全正方形領域の94%を残す切断角を伴う正方形である。図示された実施例では、焦点比は、正方形の辺から辺まで測定するとf/0.5であり、切り取られた角から切り取られた角まではf/0.4である。この受光面の例証的な張付けでは、整合した総屈折力の放射方向グループは、(正方形の辺の中心までの)より短い半径のグループの縦間隔を作ることによって達成される。図19を参照すると、タイル204、205、および206上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。タイル207、208、および209上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。同様に、タイル210、211、212、および213上の太陽電池は、並列に電気的に接続される電池のグループを形成する。したがって、等電力に対する太陽電池のグループ化は、204、205、206、207、208、209および210、211、212および213である。実質的に同じ電力は、電池に送達される太陽放射の量に基づいて、3つの八角形の電池201、202、および203によっても生成される(第4の中心の八角形領域200は含まれず、好ましくは、ヒートパイプアセンブリ45によって覆い隠され、総受容電力の約1%を失うため、いずれの太陽電池もその領域中で加工されない)。この非円形対称の構成の実施例では、図13aに示された円形幾何学形状よりも4倍多い、16個の異なるプリズム窓11および電池15の形状が製造されなければならない。非常に大規模の大量生産では、この追加多様性が価格を有意に増加させるべきではない。
2次反射器を使用する、本発明のこれらの実施形態の太陽電池15は、好ましくは、電池15の間の空間と、反射器によって提供される予測可能な非等方性照射との両方を活用することによって、非常に高い変換効率のために最適化される。最適化は、本発明の独自の照射および幾何学的特性を利用することによって、高い集光度にもかかわらず、抵抗またはジュール損失を最小限化する。電池15はまた、好ましくは、2次反射器の台形出力面に正確に整合するように、異なるサイズの台形または多角形の形で特注される。
正方形の放物面1次反射器1とともに使用するために極めて好まれる、この種類の実施形態は、正方形の電池15上の集光度の均一性について最適化され、かつ図7に示されるように最高均一性の点300付近で動作する、図5dおよび図6dに図示されるようなほぼ正方形の2次反射器を組み込む。正方形の1次反射器1の受光面における像に適合する2次反射器は、好ましくは、図9bに図示された張付けパターン等の、各タイルにおいて等電力を生じるn×nの正方形張付けパターンに従って配置される。
図25および図26の斜視図は、図22による実施形態を包囲する主要な構造的構成要素を示す。図25は、正方形の放物面1次反射器1の焦点付近で動作するために位置付けられる、発電機4を示す。図26は、明確にするためにいくつかの構成要素が断面図で示されている、密閉エンクロージャ110内の図25の発電機4を詳細に示す。1次反射器1からの光線3は、発電機4、ボールレンズ5、2次集光反射器45、および太陽電池15の主要な要素が位置する、密閉空洞110内への窓101を通って発電機4に進入する。入射窓101の目的は、ボール5に入射する高度に集光された太陽光によって解離または着火され得る、汚染物質による汚染に対してボールレンズ5の表面を保護することである。入射窓101は、ボール5の中心から離れるように、放物面の焦点距離の1/10から1/3の距離を置いて位置付けられるため、窓表面における太陽光の集光度は、10〜100の範囲内である。密閉エンクロージャ110によって得られる保護を活用して、ボール5および入射窓101の内面は、好ましくは、漸減屈折率型の反射防止被覆で被覆される。そのような被覆は、全ての太陽のスペクトルにわたって極めて効率的であるが脆弱であり、露出されると、揮発物および繰り返しの清掃によって損傷される。図26に図示されたもの等の保護環境内では、被覆はきれいなままとなり、窓101およびボールレンズ5を横断する光線3が遭遇する3つの内面のそれぞれについて、太陽のスペクトルにわたって平均化された反射損失を約1%に制限する。
この第3の種類の好ましい実施形態は、図22に図示されるように、電池15に隣接してバイパスダイオード30を配置するように、比較的深い2次反射器45によって太陽電池15の間に開けられた比較的広い間隙を活用する。空間は、2つの方法で役立つために使用される。1つは、4つ全ての辺の上に母線37を提供し、それにより、以下で説明されるように高集光度での電池15内部の抵抗損失を最小限化することによって、性能を改善するために、電池15の全体的サイズを増加させることである。もう1つは、それぞれ電池15と、電池15のそばにあり、片側プリント回路によって接続される、最大で2つのバイパスダイオード30とを携行する、小型の事前に組み立てられた平面的な受容器アセンブリ78の使用によって、電気アセンブリを単純化するための空間を使用することである。個々の受容器アセンブリ78は、図29に図示されるように、2次反射器45の凹面アレイの後ろにある全凹面受容器アレイの中で密接して嵌合するように、バイパスダイオード30を携行する耳部と、隣接部の耳部を取り除く切り込みとを伴って、特別に成形される。受光面9の全幅にわたって8個の2次反射器45の列の後ろに位置する、8個の受容器アセンブリ78の斜視図が、図30に図示されている。単一の受容器アセンブリ78の詳細が、図31において斜視図で示されている。太陽電池15およびその隣接するバイパスダイオード30は、単純で平坦な熱伝導性片側回路基板80上に携行され、回路はセラミック基板上の直接接着銅17および18の中に形成されている。電池15、ダイオード30、および相互接続リンク85は、はんだによって回路基板80に取り付けられる。電池母線37からの電流は、相互接続部19によってトレース18に運ばれる。本発明のこの実施形態の受容器アセンブリ78は、好ましくは、いくつかの特殊な特徴を組み込む。
ブリ78は、それが携行する太陽電池15の活動領域のわずか3倍の活動領域を伴
って作製される。
を携行するように耳部81が提供されるため、それらの隣接部と密接して嵌合する
ことができる。
15のように、同じ一般形状であるが、異なるサイズで作製される。
態で、4つ全ての角83および84において利用可能な電気接続を伴って作製され
る。各アセンブリ78上で適切な2つの角を選択することによって、非常に低い抵
抗の非常に短い接続のみが、1つの電池15の角83および84のそれぞれを隣接
する電池15の隣接角に連結することによって、太陽電池15の間で直列接続を行
うために必要とされる。
所与の1次反射器1および太陽電池15における所与の集光度について、誤指向に対する許容範囲、または一般に、1次反射器1からの誤って方向付けられた光線3に対する許容範囲は、少なくとも深い2次反射器45を伴うこの第3の種類の発電機の実施形態にとって、浅い2次反射器45および放射方向に詰められた電池を伴う実施形態(第2の種類)と同じくらいであり得る。
この代替的実施形態では、受光面を太陽電池15に連結する窓11が、実際には、ライトパイプになるように厚さが拡張されることを除いて、発電機4は、上記で説明されるようなプリズム窓11を伴う好ましい実施形態と同様である。図38aおよび図38bは、大部分は複数の内部反射によって、光線3がライトパイプ11を通って伝播している、発電機4、ボールレンズ5、ライトパイプ11の主要な光学要素を示す光路図である。ライトパイプ11は、受光面9においてすでに均一な光を再形式化する。光は、必要に応じて受光面9で途切れなくタイル状になるように、ほぼ台形または他の多角形の形状を有する入射口10を通ってライトパイプ11に入射する。光は、長方形または正方形の出力窓12を通って出現する。出力は、出力窓12の真後ろに位置する長方形の電池15(図示せず)の光起電感受性領域に整合するように調整される。好ましくは、受光面9における入射開口10の形状は、全てのパイプ11が同じ電力を受容し、次いで、同じ電力が全て同じサイズおよび形状の出力開口12に伝播されるように、形式化される。好ましくは、出力開口12は、出力窓12にごく接近して配置される太陽電池15の製造および効率の便宜上、正方形または長方形である。そのような再形式化は、辺のうちのいくつかが歪曲した状態で、拡張窓11が構築されることを要求する。複数の反射を伴う拡張ライトパイプ11は、断熱光伝播を提供する。太陽電池15の出射面における入射角の範囲は、太陽軸上についてはθs√C/n、太陽軸外については(θs+θoff)√C/nにほぼ等しい。ここで、θsは、太陽円盤の半径であり、θoffは、太陽の軸外角度であり、「n」は、ライトパイプ11の屈折率である。
本発明による発電機4は、任意の特定の1次反射器1によって送達される集光された光とともに使用するために設計されてもよい。最適な動作のために、発電機4内のボールレンズ5、ならびに、太陽電池15およびもしあれば2次反射器45の構成は、所望の集光度が実現され、電池15がボールレンズ5によって形成された1次反射器1の像に一致するように選択されることが必要である。像の形状と、それにわたるエネルギーの分布との両方が整合されなければならない。この項では、そのような整合を最適化するために必要とされる関係を提供する。所与のボールレンズ用の受光面における集光された光の特徴は、1次反射器の性質に関係付けられる。加えて、2次反射器を最適化する関係を説明する。
ボールレンズ5によって提供される結像の広角度により、受光面9の中心からの距離によって変動する集光度は、半径によって一定ではない。受光面9上の所与の点において、集光度は、軸からの半径rにおける1次反射器1の小領域からの反射の詳細を示す、図44を考慮することによって計算され得る。軸上太陽光線2は、反射器1において入射し、反射器1の点「P」に中心がある軸に対して垂直であり、投影面積DAを有する領域57内に閉じ込められる。光線2は、光線3として焦点28に向かって反射される。焦点28から振り返って見ると、光線は、入射領域57の反射像である小領域58が起源であると思われる。この像は、点「P」における表面9内においえも中心に位置し、光線3に対して垂直であり、領域57と同じ面積DAを有する。
任意のプリズム窓11または鏡面フレーム45の性質は、その幾何学形状および屈折率「n」に依存し、レイトレーシングによって、任意の特定の場合および誤指向の角度について詳細に分かり得る。以下の近似解析式は、所与の1次反射器1のために、かつ平均集光度増加C2および出射時の集光度の空間的変動等の、鏡面フレーム45またはプリズム窓11によって集光される光の主要な特性を推定するために、好ましい設計方策を策定する際に有用である。それらはまた、誤指向公差が、所望の集光度および使用される2次反射器の種類にどのように依存するかを明らかにする働きもする。
任意の2次反射器11によって生じる、平均集光度の増加C2は、出射面12の面積に対する入射面10の面積の比である。一般に、多角形の窓11の異なる辺の傾斜角は、間隙のサイズおよび集光係数を最適化するように異なる。しかし、例証目的で、角度「α」に内在する両方の入射面10を伴い、かつ両方の縁傾斜「s」を伴う、ほぼ正方形の窓11の場合、集光度の増加は、以下の式によって求められる。
そのようなプリズム窓11を伴うシステムの全幾何学的集光度は、式(9)または式(10)によって求められる、窓入射10におけるC2および集光度C1の積によって求められる。
θexitがsin−1(ngap/n)に等しい全反射の臨界角を超え、式中、ngapが窓11と電池15との間の小さい間隙における材料の屈折率である場合に、光が出射窓12における全反射に失われるため、この角度は、プリズム窓11の設計において特に重要である。この臨界角は、好ましくは、間隙における屈折率整合材料(ngap〜n)の使用によって増加させられる。好ましくは、この材料はまた、窓11を電池15に取り付ける働きもする光学接着剤にもなる。
1/2b.sinα=t.tan(2s+α/2n)
これは、入射面の幅αbに対する窓の厚さの比を得るように解くことができ、
t/αb=1/2tan(2s+α/2n)(均一な電池照射について) (15)
式(13)および(15)からの2次反射器による集光度の増加は、以下の通りである。
厚い窓または鏡面フレーム11に対する、1つのさらなる性能の考慮事項は、窓11にわたって縁反射され、出射面12および太陽電池15に到達する代わりに反対側の縁でプリズム窓11から屈折させられる、軸外光線の遮断損失である。図5の幾何学形状から、そのような損失は、極限窓縁における光線のθexit(式(14))が以下の式によって求められるθescapeを超える時に始まる。
以下は、プリズム窓または鏡面フレーム11の好ましい寸法を推定するための上記の分析の使用を例証する。これらの実施例では、2次反射器は、α=12°および角度s=16°で傾斜した縁を伴って、図21の外側リングの中で寸法決定される通りである。
凹面アレイに複数の太陽電池15を組み込む発電機4は、図41a、41b、41c、および41dによって形成される分解図に示されるように、熱伝導性セラミックでできた連続湾曲シェル20によって支持される電池15によって製造されてもよい。図示された実施例では、図41aは、図13aに図示されるような円形放射状張付けパターンで電池15を携行するために好適なパターンで切子面にカットされた、シェル20を示す。シェル20は、セラミックシェル20に接着された銅層17から形成される、図41bに示されるようなトレースを伴うプリント回路の湾曲基板としての役割を果たす。銅層17は、熱膨張係数が太陽電池15の熱膨張係数に一致し、形状が動作温度の範囲にわたって安定している、複合サンドイッチ構造を達成するよう、セラミックシェル20の凹面側および凸面側の両方に直接接着されてもよい。図41cに示された電池15およびバイパスダイオード30は、好ましくは、はんだ16等の熱伝導性材料によって銅層17に貼り付けられる。プリズム窓11の形の2次反射器が、図41dに示されるように発電機4の一部となる場合、これらは、好ましくは、光透過性材料14で電池15に接着され、したがって、電池15を介してセラミックシェル20によって支持される。図41a、41b、41c、および41d分解図に示された4つの層は、図15の切断図に示されるような、一体型の多重電池受容器アセンブリ78を一緒に形成する。ここで、プリズム窓11は、銅パッド17を介してセラミックシェル20に接続する太陽電池15に取り付けられていることが分かる。
Claims (16)
- 皿形反射器であって、前記皿形反射器は、焦点を有し、前記焦点において太陽放射を集光するように適合されている、皿形反射器と、
前記皿形反射器の前記焦点に位置付けられている実質的に球面のレンズと、
凹面アレイに組み立てられた複数の太陽電池であって、前記複数の太陽電池は、前記球面レンズを越えた光学経路に位置する受光面に位置付けられており、前記複数の太陽電池は、前記複数の太陽電池が太陽放射で照射されると、発電するように動作する、太陽電池と
を備えており、
前記皿形反射器は、太陽放射を前記球面レンズに反射させるように動作し、前記球面レンズは、前記太陽放射を前記複数の太陽電池に広げるように動作し、前記複数の太陽電池は、前記太陽放射が前記皿形反射器および球面レンズによって前記複数の太陽電池に集束されると、発電するように動作する、太陽放射から発電するための装置。 - 2次反射器をさらに備え、前記2次反射器は、前記太陽電池を包囲し、前記受光面における集光された太陽光を前記太陽電池の光起電性活動領域の中へ向け直す、請求項1に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器は、プリズム窓である、請求項2に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記プリズム窓は、前記太陽電池の前記光起電性活動領域に適合するように整合されている実質的に平坦な出射面を有している、請求項3に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器は、前記受光面から対応する太陽電池の前記光起電性活動領域の周囲へ下方に延在する内側に傾斜した鏡面壁を有している、請求項2に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器は、ライトパイプである、請求項2に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記複数の太陽電池のうちの少なくともいくつかは、直列に電気的に接続されている、請求項2に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 複数のバイパスダイオードをさらに備え、1つのバイパスダイオードは、対応する太陽電池と並列に電気的に接続されている、請求項7に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 太陽放射から発電するための装置であって、
1次放物面反射器を有し、前記1次放物面反射器は、焦点を有し、前記焦点において太陽放射を集光するように適合されており、前記装置は、
完全球体の形状のボールレンズが、前記1次放物面反射器の焦点に位置付けられ、前記ボールレンズを通過する集光された太陽光が、前記ボールレンズと同心円状の位置に位置する凹球面の受光面上に前記1次放物面反射器の像を形成し、
複数の太陽電池が、前記ボールレンズを越えた光学経路に位置する前記受光面の周りで凹面アレイに組み立てられており、前記太陽電池は、前記太陽電池が太陽放射で照射されると、発電するように動作し、
前記1次放物面反射器は、太陽放射を前記ボールレンズに反射させるように動作し、前記ボールレンズは、前記太陽放射を前記太陽電池に広げるように動作し、前記太陽電池は、太陽放射が前記1次放物面反射器およびボールレンズによって前記太陽電池に集束されると、発電するように動作することを特徴とする、太陽放射から発電するための装置。 - 2次反射器が、前記太陽電池を包囲して提供され、前記受光面における集光された太陽光を前記太陽電池の光起電性活動領域の中へ向け直すことをさらに特徴とする、請求項9に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器が、プリズム窓であることをさらに特徴とする、請求項10に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記プリズム窓が、前記太陽電池の前記光起電性活動領域に適合するように整合されている実質的に平坦な出射面を有していることをさらに特徴とする、請求項11に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器が、前記受光面から対応する太陽電池の前記光起電性活動領域の周囲へ下方に延在する内側に傾斜した鏡面壁を有していることをさらに特徴とする、請求項10に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記2次反射器が、ライトパイプであることをさらに特徴とする、請求項10に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 前記複数の太陽電池のうちの少なくともいくつかが、直列に電気的に接続されていることをさらに特徴とする、請求項10に記載の太陽放射から発電するための装置。
- 複数のバイパスダイオードが提供されており、1つのバイパスダイオードが、対応する太陽電池と並列に電気的に接続されていることをさらに特徴とする、請求項15に記載の太陽放射から発電するための装置。
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