JP2009529791A - 太陽集光器 - Google Patents

Abstract

本発明は、ターゲット上の照明を均質化するための光システムを提供する。いくつかの実施形態は回転対称二重反射器太陽集光器を提供し、それは、受容角度内の遠視野角度の光放射を受光し、光放射を上向き方向で中心再指向してフラックス集光を生成するように太陽方向に指向された目標方向をもつ凹面一次反射器と、前記再指向された放射を受光し、放射を下向きで中心再指向してフラックス集光太陽光線を生成するように一次反射器と共軸に位置決めされた二次反射器と、集光された太陽光線を受け取る中心ターゲット区域とを含み、一次反射器及び二次反射器の断面は共に対のセグメント間の対応をなす多数のセグメントをさらに含み、一次反射器のセグメントの各々は、受容角度を二次反射器の対応するセグメントに結像してターゲット区域に結像する。

Description

本発明は、回転対称二重反射型太陽集光器（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｄｕａｌ−ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）に関し、ホモジナイザシステム（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）及び結合された非結像光集光器（ｎｏｎ−ｉｍａｇｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）を備えた多接合太陽電池（ｍｕｌｔｉ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）に関する。

また、非常に高い太陽フラックスを供給し、その結果、非常に効率的な電気出力を生成するシステムをもたらす光システムを使用する多接合太陽電池に関する。より詳細には、非結像光集光器、又はフラックスブースタをケーラーホモジナイザ（Ｋｏｈｌｅｒ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ）一次及び二次ミラーサブシステムと組み合わせる太陽エネルギーシステムに関し、多接合太陽電池への高強度光集光のために一様照射が達成されるように非結像集光器がミラーに効率的に結合される。

（優先権主張）
本出願は、２００６年３月８日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ ａ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｐｕｌｅｄ Ｎｏｎ−Ｉｍａｇｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ」という名称の米国特許仮出願第６０／７８０５２０号の利益を主張し、本出願は、２００６年７月２８日に出願された「Ｆｒｅｅ−Ｆｏｒｍ Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒｓ ａｎｄ Ｈｅａｄｌａｍｐｓ」という名称の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０６／２９４６４号に関係し、その国際出願は、２００５年７月２８日に出願された、「Ｆｒｅｅ−Ｆｏｒｍ Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒｓ ａｎｄ Ｈｅａｄｌａｍｐｓ」という名称の米国特許仮出願第６０／７０３６６７号の利益を主張し、２００６年２月２４日に出願された「Ｆｒｅｅ−Ｆｏｒｍ Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒｓ ａｎｄ Ｈｅａｄｌａｍｐｓ」という名称の米国特許仮出願第６０／７７６５９６号の利益をさらに主張し、それらの各々は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

電気エネルギー生成用の太陽電池は、非常によく知られているが、生成に関する非常に高いキロワット時（Ｋｗｈ）コストのために有用性が限定されている。かなりの研究が長年継続されているが、キロワット時当たりのコストは依然として従来の電力生成の約１０倍である。風力発電又は他の代替エネルギー源とさらに競争するために、太陽電池からの発電の効率を徹底的に改善しなければならない。

２つのミラー無収差システム（それはアッベ（Ａｂｂｅ）の正弦条件を満たしながらセル中心への垂直入射光線の鋭い結像を生成する）を考慮し、かつ非結像集光器と組み合わせることができる関連の従来技術が、非特許文献１に記載されている。

図１は、従来の固体誘電体無収差の２−ミラー構造を示す図で、非結像集光器をもたない２−ミラー無収差システムを示している。一次ミラー１０は、太陽電池１２を照明する二次ミラー１１上に光を集光する。このシステムが達成できる太陽電池への照明は極めて非一様であり、それがセル効率及びシステムの信頼性を低下させる点でこのシステムは明らかな限界がある。これは、セルが配置され、したがって、太陽がセルに結像されるターゲットの平面上に光学部品が無限遠の平面を結像するからである。この２−ミラー無収差集光器の角度受容（ａｎｇｕｌａｒ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）は、許容できる太陽の角度サイズよりも数倍（例えば、３倍）大きい。結像マッピングは、受容角度対太陽角度比をセル直径対太陽結像直径比と同じにする。したがって、円形ターゲットの面積は、太陽結像よりも３²倍大きいことになる。従来技術の設計の平均集光度が５００ｓｕｎ（５０Ｗ／ｃｍ²）である場合、局所集光度は３²×５００＝４５００ｓｕｎ（４５０Ｗ／ｃｍ²）にも達することがある。２０００〜３０００ｓｕｎ（２００〜３００Ｗ／ｃｍ²）を超えて作動する場合、効率の急激な低下を示す現在の高性能多接合セルはこの集光度値を許容することができない。

他の関連する従来技術が非特許文献２の論文に開示されている。この論文では、ケーラー積分器システムが光起電力集光器として使用される。

図２は、従来の光起電力ケーラー集光器を示す図である。ケーラー積分器は、正の焦点距離（すなわち、無限遠の物体の実像を生成する）をもつ２つの結像光学要素（一次及び二次）からなる。二次結像光学要素は、一次結像光学要素の焦点面に配置され、二次結像光学要素は、セル上に一次結像光学要素を結像する。非特許文献２の論文では、光起電力ケーラー集光器は、一次結像光学要素としてのフレネルレンズ２０と、図２に示すように、セル２２をカプセル化している二次結像光学要素としての単一表面結像レンズ２１とで構成されている。一次結像光学要素は、二次開口２３に太陽を結像する。一次結像光学要素が太陽によって一様に照明されるとき、セル２２上の照射分布も一様であり、太陽が受容角度内で移動するとき（同様の意味合いで太陽結像２４が二次開口内を移動するとき）照射分布は変化がないことになる。セル２２の開口数が小さいので、この構成で達することができる集光度−受容角度積は非常に制限される。さらに、光学部品が屈折式であり、単一のケーラー積分要素を使用するので、システムを小型にすることができない。

米国特許仮出願第６０／７０３６６７号明細書 Winston, Gordon, Optics Letters, 2005 L.W. James, "Use of imaging refractive secondaries in photovoltaic concentrators", SAND89-7029, Alburquerque, New Mexico, 1989

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ターゲット上への照明を均質化するためにケーラー積分を使用する回転対称二重反射型太陽集光器を提供することにある。

２−ミラーケーラーホモジナイザ光学設計が中程度の照射非一様性をもつ超小型太陽集光器を生成する。非常に高い効率で電気出力を生成するシステムを創出するために、ケーラー光学装置が多接合太陽電池システムと組み合わされる。他の実施形態では、複数の従来の太陽電池を多接合セルの代わりに使用することができる。

２つのミラーによって形成された様々なケーラーホモジナイザ及び平面光システムは、多接合太陽電池に光を届けるために必要な構成要素を提供することができる。ケーラーホモジナイザでは、一次ミラー及び二次ミラーの両方の半径方向対称ミラーセグメントが対で相互に関連しており、その結果、一次ミラーの各セグメントは対応する二次セグメントに視野を結像するが、次に、二次セグメントはターゲット上に一次セグメントを結像する。一実施形態では、二次ミラーは入口開口と共面であり、出口開口は一次ミラーの頂上と共面である。好ましい実施形態では、ミラー間空間は屈折率ｎの誘電体で充填され、その結果、開口数（「ＮＡ」）はｎ倍だけ増加する。非結像光集光器は一次ミラーの出口開口に配置することができ、非結像集光器は、２−ミラーシステムのＮＡ（ここでｓｉｎθ₁＝ＮＡ／ｎ）に適合するように選ばれたθ₁をもつθ₁／θ₂集光器であり、一方、θ₂は、全反射（ＴＩＲ）を維持するか又は多接合太陽電池上への照射の角度を制限することなどの補助条件を満たすように選ばれる。

本発明の目的及び利点は本明細書で次に説明される以下の詳細な説明及び図から明らかになるであろう。

本発明は、参照により全体が本明細書に組み込まれる、本発明者の何人かによって２００５年７月２８日に出願された「Ｆｒｅｅ−Ｆｏｒｍ Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒｓ ａｎｄ Ｈｅａｄｌａｍｐｓ」という名称の特許文献１に記載されている、実施形態及び設計方法を含む、発明を利用する。

図３は、固体誘電体の２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図である。本発明の一実施形態に従って構成された光システムが最も好ましい実施形態として図３に示されている。入口開口３０及び出口開口３６は平坦にすることができる。セグメント化された二次ミラー３２は、一次ミラー３１の入口開口３０と実質的に共面である。一次ミラーセグメント１ａ，２ａなどは、本質的に放物線であり、各々は、二次ミラー３２上で垂直軸（図示せず）に沿って関連する二次ミラーセグメント１ｂ，２ｂなどに焦点を有する。二次ミラーセグメント１ｂ，２ｂなどは、本質的に、関連する一次ミラーセグメント１ａ，２ａなど及びターゲットの場所に焦点を有する楕円である。二次ミラー３２及び一次ミラー３１は、共にプロファイルが連続であるが傾斜は不連続である。一次ミラー３１及び二次ミラー３２の組合せのターゲット面はセル３３にある。

この実施形態では、二次ミラー３２の所与のセグメントの縁部は、関連する一次セグメントによる無限遠の結像が設計受容角度と一致するように設計される。一方、一次ミラーの所与のセグメントの縁部は、関連する二次ミラーセグメント１ｂ，２ｂなどによるターゲット上への結像がセルサイズと一致するように設計される。一次ミラーセグメント１ａ，２ａなどは一様に照明されるので、セル上の照明も二次元において一様である。

ミラーセグメントは、さらに全体性能を最適化するように構成することができる。例えば、放物線又は楕円の焦点位置及び放物線軸をパラメータと考えることができ、マルチパラメータ最適化プログラムは全システムの受容角度を最適化することができる。あるいは、放物線軸は受容角度の縁部の１つ及び関連する二次ミラーの縁部の１つに配置された焦点に一致するように選ぶことができ、さらに楕円はセルの縁部及び関連する一次ミラーの縁部に一致する焦点を有することができる。なお、符号３ａ，４ａ，５ａは一次ミラーセグメントを示し、３ｂ，４ｂ，５ｂは二次ミラーセグメントを示している。

図４は、図３に示した２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムの３Ｄ図形を示す図である。実際の３次元デバイスは、好ましくは、図４に示されるように回転対称であり、その結果、一次ミラーセグメント及び二次ミラーセグメントはリングを形成する。ケーラー積分は子午線断面にのみ行われるので、矢状方向（ｓａｇｉｔｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に一様性は得られない。これは、受容角度が太陽面（ｓｏｌａｒ ｄｉｓｋ）の３倍である場合、局所集光度は平均のわずか３倍であることを意味する。したがって、５００ｓｕｎ（５０Ｗ／ｃｍ²）の平均集光度では、セル上の最大局所集光度は１５００である（それは許容可能である）。

二次ミラー３２上に生成された局所集光度に関して、太陽が軸上に中心を置くとき、二次ミラー３２の各環状セグメント１ｂ乃至５ｂ上の照射パターンは、ミラー耐久性にとって許容可能である約１００〜１５０ｓｕｎ（１０〜１５Ｗ／ｃｍ²）の集光度をもつ、セグメント上に中心がある薄いリングである。

太陽が中心から外れているが依然として設計受容角度内にある場合、二次ミラー３２の各環状セグメント１ｂ乃至５ｂ上の薄い照射リングは移動するが、依然としてセグメント内部にある。したがって、子午線断面では太陽結像は、図５に示されるように移動する。二次ミラー３２上及びセル３３上の最大照射レベルは変化がない。

図５は、太陽が中心から外れているが依然として設計受容角度内にある場合の２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムの動作を示す図である。使用される誘電材料（すなわち、ガラス又はアクリル）の屈折率の変化による分散は、良好に設計された平坦なフレネルレンズによる適度な受容角度（半角で＞１５ｍｒａｄ）をもつ太陽フラックス集光度を約１５０ｓｕｎ（１５Ｗ／ｃｍ²）に著しく制限する。単一屈折による角度分散は、

であり、ここで、ｎはインターフェイスでの相対屈折率であり、θは屈折角度である。

図３に示された本発明の太陽集光器には、２つの屈折表面、すなわち、入口表面３０及び出口表面３６がある。第１の屈折では、屈折入口開口３０が平坦である場合、入射角は受容角度に制限され、等式（１）は（正接関数を偏角で近似して）、屈折角度の相対分散が屈折率の相対分散に（絶対値で）等しく、それは大部分の光学誘電体で１％未満であることを示している。第２の屈折では、その表面での角度受容が非常に広い（±９０°に近い）のでその影響はさらに小さい。それがさらに小さいのは、相対屈折率δｎの分散がはるかに小さく（例えば、±４５°までの限定されたセル照明角度を仮定して）、かつ太陽集光器の誘電材料及びセルカプセル材料が第１の屈折の空気と比較した誘電体よりも波長による変化が類似しているからである。

したがって、図３における好ましい誘電体光システムは、実際上は色収差のないものである。実際には、等式（１）は設計での多少の柔軟性を示している。例えば、誘電体／空気インターフェイス（入口開口３０）はビームに厳密に垂直である必要がない。等式（１）によって決定されるような色収差の影響が適当に限度内に保たれている限りあまり大きくない傾きは許容される。入口表面が平坦でない場合、光線は設計においてそれらにより追跡されるべきである。例えば、入口表面が平坦であるとき一次ミラーセグメントが放物線である場合、それが平坦でないとき、その形状は、入射平行光線が平坦でない開口で屈折した後関連する二次ミラー上に集束され得るように計算されるべきである。この計算は一般化されたデカルトの卵形線（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ Ｏｖａｌ）と呼ばれ、それは一般に２つの所与の波面に垂直な光線を結合する光学表面（反射又は屈折の）を計算する逆問題を解く。同じ考察が出口表面の平坦からの変化に適用される。例えば、半球形状を規定することもできる。

図６は、受容角度の集光率を増加させるために、２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムに付加された非結像集光器を示す図である。集光度又は受容角度の増加が望ましい場合、図６に示されるような最終段階の非結像集光器を追加することが好ましい。この非結像集光器６０はθ₁／θ₂非結像集光器とすることができ、ここで、θ₁は２つのミラーシステムの出口で開口数（ＮＡ₁）に一致するように選ばれ、ここでｓｉｎθ₁＝ＮＡ₁／ｎである。θ₂の値は、非結像集光器側で全反射（ＴＩＲ）を維持するか又は多接合セル上への照射の角度を制限することなどの補助条件を満たすように選ばれる。末端段階の集光度又はフラックスブーストは基本限界の（ｓｉｎθ₂／ｓｉｎθ₁）²に近づく。総合集光度はエタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）限界の（ｎ／ｓｉｎθ₀）²に近づき、ここでｓｉｎθ₀＝ｎ×ｓｉｎθ₁である。他の実施形態では、非結像集光器は既知の特注の非結像集光器又は流れ線集光器（ｆｌｏｗ ｌｉｎｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）とすることができる。

ここで提示される平坦な全誘電体光システムは、（ａ）受容可能である非一様照射レベルをもつ太陽放射を集光する、（ｂ）極めて高い集光度でさえ色収差を無視できるようにする、（ｃ）セルの受動的な冷却を行う、（ｄ）十分な光学許容度を提供する、（ｅ）既存のガラス及び重合体成形方法による大量生産する、（ｆ）高度な小型化を可能にするべき安価な高性能形態を具現する。

図７は、異なる屈折率の容積で構成することができる２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図である。異なる屈折率の容積（ｖｏｌｕｍｅ）７０，７１，７２，７３で構成することができる２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示している。７２が空気で、７０及び７１が同じ誘電体材料である場合（したがって、インターフェイス７０２は存在しない）、図７に示すデバイスは、図３に示すデバイスに変わる。図７に示すデバイスの光学設計は、図３に示す設計のために説明されたものと実質的に同じ方法で行われる。

他の好ましい実施形態では、７１は空気であり、その媒体の吸収による光学損失は除去されると見なされる。この場合、平坦なカバー７０は、埃がシステムに蓄積しないようにし、ミラーを環境から保護する。さらに、媒体７３が空気である場合、セルはカプセル化されず、それにより、インターフェイス７０５のフレネル反射が除去されるのでシステム光学効率が増加する。しかし、湿度によるセル劣化を防止するために、シリコンゴムなどの誘電性高密度媒体７３内にセルをカプセル化することが好ましい場合がある。カプセル化誘電体材料の規定された表面７０５は、設計において光線が追跡される規定された表面と見なされることになる。付加的な表面をシステムで規定されるように含むことができ、本発明の同じ設計手順の応用は当業者には簡単である。例えば、カプセル式レンズはガラス又は透明プラスティックで製作することができ、セルがそれにゲル又はシリコンゴムで結合される。この場合、付加的なインターフェイス（特定の光学機能のない）が生じることになる。

２つのミラーの設計を確立する代わりに、図７に示す５つの表面７０１，７０２，７０３，７０４，７０５の任意の異なる２つの表面を設計することができる。したがって、９つの別の系統のデバイスが図８から図１６に示される。他の同様の構成も本発明の原理を利用することによる組合せ及び変更を使用して確立することができる。この全ての場合について、設計は以下の４つのステップで生成することができる。

（１）５つの表面のうちの３つが規定される。

（２）残りの２つの表面を２Ｄで計算して、受容角度によって構成された２つの平行入力波面をターゲット縁部によって構成された２つの球状出口波面に結合させる。代わりに、ターゲット及び受容角度はゼロに集束するように縮小することができ、それゆえにその結果得られた２つの表面は無収差であることになる（すなわち、無収差であり、アッベの正弦条件を満たす）。計算された表面が製造可能でない場合、ステップ（１）で規定された３つの表面の新しい選択が行われる。

（３）５つの表面のうちの２つが選択される。

（４）（３）で選択された２つの表面が先に開示されたようなケーラー積分器セグメントを含むように再計算され、規定された表面又は事前計算された表面によって光線追跡される。

出口表面を選択することができる場合、出口表面の両側にかなりの屈折率差があれば、太陽が軸上にあるときケーラー均質化デバイスの一様性をさらに改善するように出口表面を形作ることが可能である。後述する図１７Ａ及び図１７Ｂは、太陽が軸上にある場合にシステムの一様性を改善するための出口表面の整形を示す図である。一様性の改善を行うために、出口表面プロファイルは、セル側面１７３がそれぞれ高い屈折率又は低い屈折率を有する場合、中心に凹面１７１又は凸面１７２を有するべきである。これらのプロファイルにより、セル中心に進む光線１７４は偏向され、セルリムの近くに達する。

図８は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラーホモジナイザ光システムを示す図であり、ケーラー均質化は前面上部誘電体カバーの２つの表面間で行われる。異なる屈折率の容積８０，８１，８２，８３で構成することができるケーラーホモジナイザ光システムを示し、ケーラー均質化は前面上部誘電体カバー８０の２つの表面８０１と８０２との間で行われる。一実施形態では、媒体８２は空気であり、カバー８０のレンズは上部−下部対称である。ここで、ケーラー均質化は半径方向にのみ行われる。代わりに、ケーラー均質化は、長方形又は六角形パターンに変位させられた、レンズアレイの回転対称レンズユニットと共に使用して、半径方向及び矢状方向に行うことができる。この実施形態はレンズの照明均質性をさらに増加させることになる。なお、符号８０１は入口表面、８０３は一次ミラー、８０４は二次ミラー，８０５は出口表面を示している。

図９は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と一次ミラーとの間で行われる。異なる屈折率の容積９０，９１，９２，９３で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は入口表面９０１と一次ミラー９０３との間で行われる。この場合、レンズ及びミラーセグメントの焦点距離及びピッチは、ケーラー積分器対の次第に小さくなる離隔のために光軸からリムまで減少することになる。なお、符号９０２は表面，９０４は二次ミラー、９０５は出口表面を示している。

図１０は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と二次ミラーとの間で行われる。異なる屈折率の容積１００，１０１，１０２，１０３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は入口表面１００１と二次ミラー１００４との間で行われる。一実施形態では、材料１０１は空気であり、誘電体材料１００及び１０２は同一であり（したがって、インターフェイス１００２は存在しない）、したがって、それは単一片として製造することができる。なお、符号１００３は一次ミラー、１００６は出口表面を示している。

図１１は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と出口表面との間で行われる。異なる屈折率の容積１１０，１１１，１１２，１１３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は入口表面１１０１と出口表面１１０５との間で行われる。一実施形態では、材料１１２は空気であり、したがって、出口表面１１０５のレンズセグメントは凹面である。他の実施形態では、材料１１２は誘電体であり、１１３は空気であり、したがって、出口表面１１０５のレンズセグメントは凸面である。なお、符号１１０２は表面、１１０３は一次ミラー、１１０４は二次ミラーを示している。

図１２は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と一次ミラーとの間で行われる。異なる屈折率の容積１２０，１２１，１２２，１２３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面１２０２と一次ミラー１２０３との間で行われる。さらにこの場合、レンズ及びミラーセグメントの焦点距離及びピッチは、ケーラー積分器対の次第に小さくなる離隔のために光軸からリムまで減少することになる。なお、符号１２０１は入口表面、１２０４は二次ミラー、１２０６は出口表面を示している。

図１３は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と二次ミラーとの間で行われる。異なる屈折率の容積１３０，１３１，１３２，１３３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面１３０２と二次ミラー１３０４との間で行われる。一実施形態では、材料１３１は空気であり、誘電体材料１３０及び１３２は同一であり（したがって、インターフェイス１３０２は存在しない）、その結果、それは単一片として製造することができる。なお、符号１３０１は入口表面、１３０３は一次ミラー、１３０５は出口表面を示している。

図１４は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と出口表面との間で行われる。異なる屈折率の容積１４０，１４１，１４２，１４３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面１４０２と出口表面１４０５との間で行われる。一実施形態では、材料１４１は空気であり、誘電体材料１４０及び１４２は同一であり（したがって、インターフェイス１４０２は存在しない）、したがって、それは単一片として製造することができる。一実施形態では、材料１４２は空気であり、したがって、出口表面１４０５のレンズセグメントは凹面である。他の実施形態では、材料１４２は誘電体であり、１４３は空気であり、したがって、出口表面１４０５のレンズセグメントは凸面である。なお、符号１４０３は一次ミラー、１４０４は二次ミラーを示している。

ケーラー積分器セグメントを割り付けるためにカバーの外側表面の代わりに内側表面（例えば、図９に示した９０１の代わりに図１２に示した１２０２）を使用すると、システムが戸外で使用される場合（それは通常光起電力応用における場合であるので）有利であるが、それは、上部表面のセグメント間の傾斜不連続部が埃を蓄積し、したがって、より高度な清浄維持管理を必要とすることになるからである。

図１５は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は一次ミラーと出口表面との間で行われる。異なる屈折率の容積１５０，１５１，１５２，１５３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は一次ミラー１５０３と出口表面１５０５との間で行われる。一実施形態では、材料１５２は空気であり、したがって、出口表面１５０５のレンズセグメントは凹面である。他の実施形態では、材料１５２は誘電体であり、１５３は空気であり、したがって、出口表面１５０５のレンズセグメントは凸面である。なお、符号１５０１は入口表面、１５０２は表面、１５０４は二次ミラーを示している。

図１６は、異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は二次ミラーと出口表面との間で行われる。異なる屈折率の容積１６０，１６１，１６２，１６３で構成されるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示し、ケーラー半径方向均質化は二次ミラー１６０４と出口表面１６０５との間で行われる。一実施形態では、材料１６２は空気であり、したがって、出口表面１６０５のレンズセグメントは凹面である。なお、符号１６０１は入口表面、１６０２は表面、１６０３は一次ミラーを示している。

他の実施形態では、材料１６２は誘電体であり、１６３は空気であり、したがって、出口表面１６０５のレンズセグメントは凸面である。出口表面を選択することができる場合、出口表面の両側にかなりの屈折率差があれば、太陽が軸上にあるときケーラー均質化デバイスの一様性をさらに一層改善するように出口表面を形作ることが可能である。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、太陽が軸上にある場合にシステムの一様性を改善するための出口表面の整形を示す図で、一様性改善を行う方法を示している。出口表面プロファイルは、セル側面１７３がそれぞれ高い屈折率又は低い屈折率を有する場合、中心に凹面１７１又は凸面１７２を有するべきである。このプロファイルにより、セル中心に進む光線１７４はセル縁部の近くに偏向される。

様々な改変及び変更が本明細書で説明された実施形態に属することが当業者には明らかであることを理解されたい。そのような改変及び変更を本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく行うことができる。

従来の固体誘電体無収差の２−ミラー構造を示す図である。 従来の光起電力ケーラー集光器を示す図である。 固体誘電体の２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図である。 図３の２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムの３Ｄ図形を示す図である。 太陽が中心から外れているが依然として設計受容角度内にある場合の２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムの動作を示す図である。 受容角度の集光率を増加させるために、２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムに付加された非結像集光器を示す図である。 異なる屈折率の容積で構成することができる２−ミラーケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラーホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー均質化は前面上部誘電体カバーの２つの表面間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と一次ミラーとの間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と二次ミラーとの間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は入口表面と出口表面との間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と一次ミラーとの間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と二次ミラーとの間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は上部カバーの内部表面と出口表面との間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は一次ミラーと出口表面との間で行われる図である。 異なる屈折率の容積で構成することができるケーラー半径方向ホモジナイザ光システムを示す図で、ケーラー半径方向均質化は二次ミラーと出口表面との間で行われる図である。 太陽が軸上にある場合にシステムの一様性を改善するための出口表面の整形を示す図である。 太陽が軸上にある場合にシステムの一様性を改善するための出口表面の整形を示す図である。

Claims (27)

1. ターゲット上への照明を均質化するためにケーラー積分を使用する回転対称二重反射型太陽集光器であって、
   太陽方向に指向することによって上向き方向を規定する目標方向を有し、該目標方向の周りの太陽光線の受容角度内に境界のある遠視野角度に太陽からの光放射を受光し、前記光放射を上向き方向で中心再指向し、該中心再指向がフラックス集光を行なう凹面の一次反射器と、
   前記中心再指向された光放射を受光するために前記一次反射器と共軸に位置決めされ、前記一次反射器よりも小さく、該一次反射器からの前記中心再指向された太陽放射を受光し、該太陽放射を下向き方向で中心再指向し、該中心再指向が前記太陽放射の集光を行なう二次反射器と、
   前記集光された太陽放射を受光する中心ターゲット区域とを備え、
   前記太陽光線が前記受容角度内にある場合、前記太陽放射が、前記中心ターゲット区域に指向されるように前記一次反射器及び前記二次反射器が形成され、
   前記一次反射器及び前記二次反射器の断面は、共に前記断面を細分する多数の湾曲したセグメントを含み、前記細分は、前記一次反射器及び前記二次反射器の対のセグメント間の対応をなし、前記一次反射器の前記セグメントの各々は、前記受容角度を前記二次反射器の前記対応するセグメントに結像するように構成され、前記二次反射器の前記対応するセグメントは、前記一次反射器の前記対応するセグメントを前記中心ターゲット区域に結像するように構成されていることを特徴とする太陽集光器。
2. 前記中心ターゲット区域は、前記一次反射器の頂部の近くに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
3. 前記受容角度は、前記目標方向から４度未満であることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
4. 前記一次反射器に形成された中心開口をさらに備え、該中心開口は、前記中心ターゲット区域に集光される前記太陽放射の通る通路を可能にし、前記中心ターゲット区域が、前記一次反射器の頂部より下に位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
5. 前記一次反射器及び前記二次反射器は、一定の距離だけ隔てられ、前記距離内及び前記一次反射器と前記二次反射器との間に空気を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
6. 前記中心ターゲット区域に整列して位置決めされた誘電体レンズをさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の太陽集光器。
7. 前記一次反射器に形成された中心開口をさらに備え、該中心開口は、前記中心ターゲット区域に集光される前記太陽放射の通る通路を可能にし、透明カバーが、前記一次反射器の前記中心開口上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の太陽集光器。
8. 前記透明カバーは、前記二次反射器を支持していることを特徴とする請求項７に記載の太陽集光器。
9. 前記一次反射器と前記二次反射器との間、及び前記二次反射器と前記中心ターゲット区域との間に少なくとも１つの光学的透明誘電体媒体をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
10. 前記集光された太陽放射の少なくとも一部を受光し、前記集光された太陽放射の少なくとも前記一部を電気信号に変換するように前記中心ターゲット区域内に配置された少なくとも１つの光起電力セルをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光器。
11. ターゲット上への照明を均質化するためにケーラー積分を使用する回転対称二重反射型太陽集光器であって、
    空気中の太陽放射を受光するように方位を決められた透明な誘電体材料の屈折性の第１の表面と、
    該第１の表面からの前記放射を受光する屈折性の第２の表面と、
    太陽方向に指向することによって上向き方向を規定する目標方向を有し、前記第１の表面及び前記第２の表面は、上方に位置決めされ、太陽光線の受容遠視野角度からの放射を受光し、前記受容遠視野角度は、前記目標方向の周りの太陽光線の受容角度内に制限され、前記放射を上向き方向で中心再指向し、該中心再指向が前記太陽光線の集光を行なう一次反射器と、
    該一次反射器上にそれと共軸に位置決めされ、前記一次反射器よりも小さく、該一次反射器からの前記中心再指向された太陽放射を受光し、前記太陽放射を下向き方向で中心再指向し、該中心再指向が太陽放射集光を生成する二次反射器と、
    前記集光された太陽光線を受光し、該太陽光線を通過させる屈折性の出口表面と、
    該出口表面からの前記集光された太陽光線を受光する中心ターゲット区域とを備え、
    前記第１の屈折表面及び前記第２の屈折表面、前記一次反射器及び前記二次反射器、並びに前記出口表面は５つの連続表面であり、前記太陽光線が前記受容角度内にある場合、前記太陽放射が前記中心ターゲット区域に指向されるように前記５つの表面が形成され、
    該５つの表面のうちの３つは固定され、残りの２つは設計可能であり、第１及び第２の設計可能な表面として指定され、
    前記設計可能な表面の各々は、前記第１及び第２の設計可能な表面の断面を対応する対のセグメントに細分するセグメント化を含み、前記細分は前記第１及び第２の設計可能な表面の断面の対のセグメント間の対応をなし、前記第１の設計可能な表面の前記セグメントの各々は、前記受容角度を前記第２の設計可能な表面の前記対応するセグメントに結像するように構成され、前記第２の設計可能な表面の前記対応するセグメントは、前記第１の設計可能な表面の前記対応するセグメントを前記ターゲット区域に結像するように構成されていることを特徴とする太陽集光器。
12. 前記中心ターゲット区域は、前記一次反射器の頂部に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
13. 前記受容角度は、前記目標方向から４度未満の全ての光線を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
14. 前記一次反射器内に構成された中心開口をさらに備え、該中心開口は、前記中心ターゲット区域に集光される前記光線の通る通路を可能にし、前記中心ターゲット区域は、前記一次反射器の頂部より下に位置決めされていることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
15. 前記集光された太陽放射の少なくとも一部を受光し、前記集光された太陽光線の少なくとも前記一部を電気信号に変換するように前記中心ターゲット区域内に配置された少なくとも１つの光起電力セルをさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
16. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第１の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記屈折性の第２の表面であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
17. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第１の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記一次反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
18. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第１の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記二次反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
19. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第１の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記屈折性の出口表面であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
20. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第２の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記一次反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
21. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第２の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記二次反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
22. 前記第１の設計可能な表面は、前記屈折性の第２の表面であり、前記第２の設計可能な表面は、前記屈折性の出口表面であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
23. 前記第１の設計可能な表面は、前記一次反射器であり、前記第２の設計可能な表面は、前記屈折性の出口表面であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
24. 前記第１の設計可能な表面は、前記二次反射器であり、前記第２の設計可能な表面は、前記屈折性の出口表面であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
25. 前記第１の設計可能な表面は、前記一次反射器であり、前記第２の設計可能な表面は、前記二次反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の太陽集光器。
26. 前記屈折性の出口表面は、中心凸面を有していることを特徴とする請求項２５に記載の太陽集光器。
27. 前記屈折性の出口表面は、中心凹面を有していることを特徴とする請求項２５に記載の太陽集光器。

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