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KR20090015018A - 집광기용 하이브리드 일차 광 소자 - Google Patents

집광기용 하이브리드 일차 광 소자 Download PDF

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KR20090015018A
KR20090015018A KR1020087019837A KR20087019837A KR20090015018A KR 20090015018 A KR20090015018 A KR 20090015018A KR 1020087019837 A KR1020087019837 A KR 1020087019837A KR 20087019837 A KR20087019837 A KR 20087019837A KR 20090015018 A KR20090015018 A KR 20090015018A
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KR
South Korea
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light
aperture
refractive
condensing
hybrid
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Withdrawn
Application number
KR1020087019837A
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English (en)
Inventor
브랜든 이. 하인스
주니어. 리차드 엘. 존슨
Original Assignee
솔리안트 에너지, 아이엔씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 솔리안트 에너지, 아이엔씨 filed Critical 솔리안트 에너지, 아이엔씨
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Abstract

본 발명은 입사광을 수광하여 집광하는 하이브리드 광 소자에 관한 것이다. 이 하이브리드 광 소자는 굴절 소자와 반사 소자를 포함하고 있다. 바람직한 실시예에서, 굴절 소자와 반사 소자는 광선을 반사기의 바닥에 위치한 공통 집속 평면에 집속시킨다. 광 전지(태양 전지)와 같은 장치에 의해 광선이 반사기의 바닥에 흡수된다. 추가적으로, 광 소자는 충돌 및 비 충돌 광 소자를 단일장치에 결합하여 전체 성능을 향상시킨다.
집광기

Description

집광기용 하이브리드 일차 광 소자{A HYBRID PRIMARY OPTICAL COMPONENT FOR OPTICAL CONCENTRATORS}
본 발명은 입사광을 수집하여 목표물(들)에 그 입사광을 집광하는 선 집광기 및 점 집광기로서의 태양열 집열장치와 같은 집광 시스템에 이용되는 광 장치에 관한 것이다. 상기 목표물(들)은 광(태양) 전지(들))와 같은 장치(들)일 수 있다.
태양열 집열 장치와 같은 집광 시스템은 광을 광 시스템의 초점 쪽으로 집광시킨다. 집광 장치에는 두 개의 종류가 있다. 통상적으로, 선 집광기는 초점이 선이되도록 일차원으로 입사 광선을 집광시킨다. 점 집광기는 초점이 점이되도록 이차원으로 입사 광선을 집광한다. 이들 집광기는 입사 광선을 집광하는 하나 이상의 광소자를 포함한다.
어느 시스템은 일차 광 장치라고 하는 단일 집광 소자를 포함하며, 이 집광 소자는 광선을 (광기전성 전지와 같은 장치일 수 있는)바람직한 목표물에 직접 집광 한 후, 상기 광 장치에 의해 수집되어 집광 된다.
더 복잡한 집광기는 집광 능력을 더 제공하거나 목표물에서 빔 균일성을 향상시키기 위해 일차 광 장치 및 추가의 광 장치 모두를 포함할 수 있다. 집광기에 대한 일차 광 장치는 굴절 소자 및 반사 소자를 통상적으로 포함한다.
이용되는 가장 일반적인 굴절 소자는 DNeill의 미국특허 제 4,069,812에 기재된 프리넬 렌즈인 반면, 가장 일반적인 반사 소자는 포물면 렌즈이다.
굴절 소자에 대하여, 프리넬 렌즈의 소정의 구경이 얇기 때문에, 프리넬 렌즈가 표준 렌즈보다 통상 바람직하다.
이러한 이유 때문에, 프리넬 렌즈는 표준렌즈가 필요한 렌즈 재료 많 큼 렌즈 재료를 필요 없이 큰 수광 구경을 제공할 수 있다. 이들 집광기의 시스템 구경은 프리넬 렌즈의 구경에 의해 한정된다. 도2는 광축(24)를 갖는 통상의 프리넬 렌즈 집광기를 도시한 것으로, 이 프리넬 렌즈(18)는 광선(20)을 바람직한 초점(16)쪽으로 굴절시킨다.
그러나, 종래에 이용되듯이, 대형의 고 품질 프리넬 렌즈는 상업상 옥탑 장치와 같은 중간 크기 응용에 막대한 비용이 소모된다. 게다가. 프리넬 렌즈의 표면이 불연속성이기 때문에 표준렌즈 또는 반사 분해에 비하여 프리넬 렌즈의 손실(바람직하게 집광 된 광이 흡수되거나 초점이 벗어나 지향함)이 많이 발생하게 된다.
종래의 프리넬 집광기의 또 다른 단점은 자체 구동이 요구되는 관절운동 집광기에 적절하지 않다는 것이다.
이러한 장치는 집광기의 광축이 태양과 일치하지 않을 때 전력을 발생하기 위해 하늘로부터의 확산 방사선에 의존하는 수단을 필요로 한다. 불행하게도, 종래의 프리넬 집광기는 렌즈의 초점에 위치한 태양전지를 타격하는 확산 방사선에 의해 불필요한 통로가 제공되어 태양과 일치하지 않을 때 자체 관절 운동하기에 충 분한 전력을 발생할 수 없다.
주요 반사 장치는 Winston의 미국 특허 제4, 003,639호의 복합 포물면 집광기(CPC)는 물론 여러 종류의 포물면 또는 유사 포물면 통 및 접시를 포함하는 것으로 알려져 있다. CPS는 집광 평면에서 양호한 빔 균일성을 제공한다. 통과 접시는 CPS의 두 개의 주요형태이다. 통과 접시는 광 목표물, 예를 들어, 태양전지에 대면하는 바닥 초점을 갖는다. 바닥 초점을 갖는 통과 접시는 반사기가 확산 광원에 직접 조준되지 않아도, 확산 광을 수광하여 집광한다. 이는 자체 전력으로 이용되는 확산 광을 수집하는데 적절하게 한다.
통과 접시는 또한 통상 반사기 위해 걸쳐진 광 목표물, 예를 들어 태양 전지가 아래로 마주하고 있는 반전된 초점을 갖는다. 그러나, 높은 집광비는 높이/폭 비가 큰 CPC를 필요로 하기 때문에, CPC를 포함하는 다수의 관절 운동 집광기에 대한 충전 밀도(packing density)가 제한될 수 있다. 예들 들어, 본원의 도 3은 일차원에서 10×의 기하학적 집광을 갖는 전형적인 바닥 초점 CPC(28)을 예시한다.
입사광(30)은 정규 폭이 1인 집속 평면(26)에 집광 된다. CPC(26)의 정규 높이는 17.8이므로 높이/폭의 비가 1.78이 된다. 이러한 높은 높이/폭 비율로 인해, 종래의 CPC를 다수의 관절 운동 집광기 시스템에 적용하는데 적절하지 않다.
그리고, 상기 집광기 시스템은 Hines의 2005년 6월 16일에 제출된 PLANAR CONCENTRATING PHYTOVOLTAIC SOLAR CELL PANEL WITH INDIVIDUALLY ARTICULATING CONCENTRATOR ELEMENT라는 제목의 양수인의 공통 계류 중인 미국 가특허출원 제 60/691/319호와 Hines의 2006년1월 17일에 제출된 CONCENTRATING SOLAR PANEL AND RELATED SYSTEM AND METHODS라는 제목의 양수인의 미국 가특허 제60/759,778호에 개시되어 있으며, 이를 본 명세서에 포함한다.
이러한 관절 운동 집광기 시스템은 광소자의 낮은 전체 높이를 이용하는 것이 바람직하여 집광기 자유롭게 관절운동을 할 수 있다.
또 다른 결점으로, 포물 면 통과 접시는 실질적으로 집광에 이용되지 않는 구경 영역을 갖는다. 이것은 바닥 초점 또는 반전 초점 어느 것을 갖는 통과 접시에서 그러하다. 이들 광소자의 구경의 부분은 바닥 및 반전 초점 구성이 목표물이 입사각의 제한에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 사용할 수 없다.
예를 들어, 스넬 법칙에 따라, 어느 각보다 큰 각에서 목표물을 타격하는 광선은 표면 밖으로 반사되고 흡수되지 않는다.
도 4는 바닥 집광 반사기(34)의 문제점을 개략적으로 도시한다. 입사 광선(36, 38, 40)은 반사기(34)에 의해 집속 평면(32)에 집광 된다. 집광된 광선의 집속 평면(32)에 대한 입사광은 반사기(34)의 수용 각보다 작은 각으로 집속 평면(32)과 충돌하여 흡수된다.
광선(40)은 집속 평면의 수용 각보다 큰 각으로 집속 평면(32)과 충돌하여 광선(42)으로 반사기(34) 밖으로 재반사된다. 광선(42)이 입사광이 되고 광선(40)이 반사광이 되면, 동일한 효과가 발생하게 될 것이다. 비 흡수 광선(44) 및 (42)과 관련된 영역(44) 및 (46)은 집광에 이용할 수 없는 반사기(34)의 부분을 형성한다. 실제 효과에 있어서, 시스템의 유효 구경이 감소하게 된다.
반전된 집광 반사기는 구경 결함이 반사기 주위에서 발생한다는 것을 제외하 고 유사한 효과를 받는다.
도 5에 개략 도시되어 있듯이, 입사 광선(52, 56, 60)은 반사기(50)에 의해 집속 평면(48)에 집광 된다. 바닥 집광 반사기와는 달리, 반사기(50)의 집속 평면에 대한 입사각은 광선이 반사기의 중간을 통해 연장한 광 축(도시되지 않음)으로부터 더 멀리 반사기(50)와 충돌하기 때문에 증가하게 된다. 광선(52, 60)은 집속 평면(48)의 수용 각보다 작은 각으로 집속 평면(48)과 충돌하여 흡수된다. 광선(56)은 집속 평면(48)의 수용각 보다 작은 각으로 집속 평면(48)과 충돌하여 광선(58)로 반사기(50) 밖으로 재반사된다. 광선(58)이 입사광선이 되고 광선(56)이 반사 광선이면, 동일한 효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.
비 흡수 광선(54) 및 (62)의 영역(54) 및 (62)은 집광에 이용할 수 없는 반사기의 구경의 부분을 형성한다. 실제 효과에서, 이는 반사기의 구경의 폭을 제한한다. 게다가, 반전된 수광 구성을 나타내기 때문에, 반사기(50)는 자체 샤도잉(self-shadowing)을 받게 되어 영역(64)에서 광축에 가장 가까운 광선이 집속 평면(46)의 목표물에 의해 차단되게 되어 시스템의 수광 효율이 더 감소하게 된다.
게다가, 관절 운동 집광 시스템은 바람직하기로는, 자체 장치로 발생한 전력을 이용하여 관절운동 소자를 구동시키는 수단을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
종래의 광 디지인은 자체 구동 관절 운동을 이용하여 수광 소자를 입사 광원, 즉 태양에 향하게 하는 광 장치에 문제가 있을 수 있다. 집광 소자가 적절히 조준되지 않는 경우, 전력을 제공하기 위해서는 확산 광을 포착하여 집광하는 것이 중요하다. 이러한 장치는 집속 평면에 위치한 태양 전지를 타격하기 위한 확산 방 사선 용 충분한 광 통로를 제공하도록 바닥 집광 반사기를 사용할 수 있다. 종래대로 실행하면, 이 디자인 선택은 언급된 바닥 집광 반사기의 제한의 비용으로 발생한다. 한편, 대신 반전된 집광 반사기를 이용하는 장치는 목표물, 즉, 태양전지가 확산 방사 원으로부터 멀리 마주하기 때문에, 확산 방사선이 목표물에 도달되는 매우 제한된 광 통로만을 일반적으로 제공한다. 일차거울에서의 반전된 시야는 매우 좁은 경향이 있다. 따라서, 반전된 집광 반사기는 적은 확산 광을 수광하는 경향이 있다. 이들 종래의 바닥 집광 및 반전된 집속 반사기는 자체 구동 시스템에 적절하지 않다.
Vasylvev에 기재되어 있듯이, 제 3형태의 집광 일차 반사 렌즈는 입사광이 렌즈와 같이 집광하도록 배치된 동심원 형 또는 평행 슬레이트(slat)형의 반사 소자를 포함한다. 이들 렌즈는 높은 집광률을 제공할 수 있으며, 포물면 통 및 접시의 입사 문제를 극복할 수 있다.
그러나, 이들은 중간 크기 응용에 상당한 비용의 다수의 정밀 배열 면을 통상적으로 포함하고 있다. 추가 적으로, 긴 평행 슬레이트 형의 경우, 바람직하지 않은 광의 희미함을 발생하게 하는 추가적인 지지구조가 요구된다.
더구나, 상술한 굴절 프리넬 렌즈의 제한과 유사한 방식으로, 이러한 디자인은 자체 구동을 제공하기 위해 확산 광을 수집하여 집광하는 능력이 제한된다.
Habraker의 미국특허 공보 제 2004/0134531과 Cobert의 미국특허 공보 제 2005/0067008호에 기재되어 있듯이, 다수의 광소자는 단일의 집광기에 결합함으로써 이들 문제를 해결하는 시도가 있었다. 그러나, 이 어프로치의 모두는 다수의 광 소자를 직렬로 배열했기 때문에, 광이 초점에 도달하기 전에 다수의 소자에 의해 재지향된다.
이들 어프로치는 두 개의 개별 전체 구경 광소자의 비용과 광 손실을 야기하는 큰 단점을 지니고 있다.
본 발명은 하이브리드 반사/굴절 광소자를 이용하여 종래의 집광기의 하나 이상의 문제를 극복하기 위해 여러 해결책을 제공한다. 바람직한 실시 예에서, 본 발명은 굴절 소자와 반사 소자 모두를 포함하는 수광 및 집광 소자를 제공한다. 이 소자는 수광을 처리하여 광소자의 구경의 상이한 부분에 대하여 집광한다는 의미에서 하이브리드이다. 구경의 적어도 일부는 굴절 소자를 사용하는 반면, 일차 구경의 다른 부분은 반사소자로 사용된다. 반사 소자와 굴절 소자는 충돌 및 비 충돌 할 수 있다. 이에 이해 종래의 결점을 극복하면서도, 굴절 소자 및 반사 소자의 모두의 이점이 실현될 수 있다.
본 발명의 광소자는 특히, 자체 구동 또는 관절 운동하는 통 또는 접시 형 집광기용 컴펙트 한 일차 광소자로서 역할을 할 수 있다.
본 발명은 선 및 점 집광기 시스템 모두에 적용할 수 있다. 선 집광기인 경우, 굴절 소자와 반사소자는 하나의 방향으로 대칭인 구조를 지닐 수 있다. 점 집광기인 경우, 굴절 소자와 반사 소자는 두 방향으로 대칭인 구조를 지닐 수 있다. 모두의 경우에, 대칭 방향은 집광기의 구경을 가로지른다.
본 발명의 특히 바람직한 실시 예에서, 하이브리드 광소자의 굴절 소자는 방사 소자의 수광 단 위에 고정된 투명 커버에 포함되어 있다. 이러한 구성은 전체 집광 시스템이 보호 커버 밑에 그리고 반사기의 벽(예를 들어, 반사 접시)내에 보호할 수 있게 포위된다는 중요한 장점을 제공한다.
일 태양에서, 본 발명은 하이브리드 집광 소자에 관한 것으로, 이 소자는 구경, 광을 수광하여 구경의 제 1 부분에 대한 제 1 목표물에 집광하는 반사 광소자 및 광을 수집하여 구경의 제 2 부분에 대한 제 2 목표물에 집광하는 굴절 광소자를 구비한다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 집광 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 광 반사 소자는 그 광을 목표물에 집광하기 위해 제공되어 있다. 굴절 소자는 구경의 제 2 부분으로부터 입사광을 포착하여 그 광을 목표물에 집광하기 위해 제공되어 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 입사 광을 수집하여 집광하는 방법에 관한 것이다. 광은 구경의 제 1 부분으로부터 수집하여 상기 제 1 부분으로부터의 광을 목표물에 반사한다. 또한, 광은 구경이 제 2 부분으로부터 수집하여 상기 제 2 부분으로부터의 광을 목표물에 굴절시킨다.
도 1a는 본 발명의 하이브리드 광소자의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 하이브리드 광소자의 사시도이다.
도 2는 선행기술의 프리넬 렌즈 굴절 집광기의 단면도이다.
도 3은 선행기술의 복합 포물면 반사기의 단면도이다.
도 4는 선행 기술의 바닥 집속 포물면 반사기의 단면도이다.
도 5는 선행기술의 반전된 집속 포물면 반사기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 광소자의 각면이 있는 통의 단면도이다.
도 7은 도 1a의 하이브리드 광 소자의 학산 광용 광 통로를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 하이브리드 광소자를 포함하는 점 집광기의 사시도이다.
아래에서 설명된 본 발명의 실시 예는 다음 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정하지 않는다. 선택된 실시 예의 목적은 본 발명의 실행 또는 원리의 이해를 용이하게 할 수 있게 하기 위해서다.
도1a, 도1b 및 도7은 본 발명의 하이브리드 일차 광소자(1)의 하나의 바람직한 실시 예이다. 예시를 위해, 하이브리드 일차 광소자(1)는 집광기형이다. 하이브리드 일차 소자(1)의 전체 구경(15)은 바닥 집광 포물면 반사기(6) 형의 반사 소자의 광 단(11)의 폭(선 집광기의 경우) 또는 직경(점 집광기의 경우)를 포함한다. 하이브리드 1차 광소자(1)는 수광단(11)에 고정된 커버(8)를 포함한다. 커버(8)와 바닥 집광 포물면 반사기(6)는 내부 공간(16)에 수용된 디바이스용 보호 하우징을 제공한다.
바람직한 실시 예의 포물면 반사기(6)의 형상은 주로 포물선이다. 그러나, 이러한 대안으로, 반사소자는 선형, 포물선, 각면, 및 구, 타원 또는 쌍곡선인 표면을 포함하지만, 이들로 제한하지 않는 적절한 반사 면을 사용할 수 있다.
커버(8)는 평 볼록 렌즈(4)를 커버(8) 및 투명한 광 투과 외부 영역(17) 및 (18)의 중앙 영역을 포함한다.
렌즈(4)와 포물 면 반사기(6)는 공통 접속 평면(2)과 공통 광축(14)을 공유한다. 렌즈(4)가 하이브리드 일차 광 소자(1)의 광축(14) 주위에 센터링하도록 렌즈(4)가 위치되어 있다.
렌즈(4)는 프레넬 렌즈 또는 기존 형태를 포함하는 어는 적적한 형태를 할 수도 있다.
프리넬 렌즈가 고가이고 부품 손실이 많지만, 요구된 직경의 표준렌즈가 매우 두꺼울 수 있고 비용이 과도하고 중량의 광학재료를 이용하는 경향이 있기 때문에 프리넬 렌즈가 통사적으로 사용된다. 이와는 달리, 본 발명의 굴절 소자는 시스템 구경(15)의 일부에 대해서만 집광을 제공하게 되어, 매우 두꺼운 전체 구경 렌즈(full aperture lens)에 비교하여 동일한 집광 비율을 제공하면서, 작은 직경 및 이로 인한 얇은 렌즈를 허여한다.
이와 같이, 본 발명은 프리넬 렌즈를 전통적으로 필요로 하는 시스템 구경의 범위에 대해 대안적으로 표준 렌즈를 이용할 수 있다. 예시를 위해, 렌즈(4)는 표준 렌즈로 도시되어 있다.
도 1과 도 2의 비교는 예를 들어, 일차원에서 10×기하 집광을 갖는 소정의 집광기의 장점을 도시한다. 양 일차 광 장치(도2의 프리넬 렌즈 광 장치(18)과 렌즈(4) 및 포물면 반사기(6)를 포함하는 도 1의 하이브리드 일차 광소자(1)는 10단위의 정규화 구경을 지니어, 입사광선(10 및 20)을 집속 평면(2) 및 (6)에 집광하 며, 각각의 광학 장치는 1단위의 정규화 폭을 지니고 있다.
도 1의 하이브리드 광 장치의 표준 렌즈 소자(4)는 전체 구경을 집광하는 도 2의 프리넬 렌즈(18)와는 달리, 전체 구경(15)의 일부를 집광시킨다. 도 1의 하이브리드 광소자에 있어서, 렌즈(4)에 의해 집광되지 않은 구경의 부분은 포물면 반사기(6)에 의해 집광된다. 따라서, 구경(15)의 일부만을 집광하기 위해 얇은 표준 렌즈(40)를 이용하는 본 발명의 실시 예는 시스템 비용을 줄일 수 있다. 이와 관련해, Cobert의 미국 특허 출원 제2005/0067008의 상당히 두꺼운 전체 구경과 도 1의 소혀이면서 얇은 렌즈(4)를 비교한다. 도 1의 하이브리드 광 어프로시는 전체 구경 프리넬 렌즈에 존재하는 불연속성과 관련한 손실을 제거함으로써 광 처리량을 증대 시킨다. 도 2에는 부적절한 굴절 광선(22)에 의한 이러한 손실이 도시되어 있다.
하이브리드 광소자(1)의 각각이 광소자, 즉, 본 실시 예에서의 렌즈(4) 및 포물면 반사기(6)는 수광 구경(15)의 각각의 부분에 대한 일차 광 장치의 역할을 한다. 이는 소자(1)를 시리즈로만 굴절 소자와 반사소자를 포함하는 다단 집광기와 분리하여 이를 향상시킨다.
이용시, 예를 들어, 수광 구경(15)의 중앙 부분에 입사한 입사 광선(12)은 커버(8)의 렌즈(4)를 통과함으로써 렌즈(4)에 의해 집광되어 공통 집속 평면(2)에 집광된다. 한편, 수광 구경(15)의 외부 부분(17) 및 (18)에 의해 입사한 입사 광선(15)은 커버(8)를 통해 포물면 반사기(6)에 의해 공통 집속 평면(2)에 집광된다. 다시 말해, 입사 광선(12)은 렌즈(14)에 의해 집광되고 포물면 반사기(6)에 의해서는 집광되지 않는 반면, 입사 광선(10)은 포물면 반사기(6)에 의해 집광되지 만, 렌즈(4)에 의해서는 집광되지 않는다.
하이브리드 어프로치는 여러 장점을 제공한다. 첫째로, CPC 반사기 집광기에서는 반사기만이 도 3에 도시되어 있듯이, 전체 구경 역할을 하는데, 이 집광기는 이 집광기가 서로 인접한 곳에서 구분되어야 하는 응용에서는 매우 긴 치수를 갖기 때문에 적절하지 않다. 이와는 달리, 본 발명은 낮은 높이 폭의 비, 예를 들어, 1의 높이/폭 비율에서 CPC 설계와 비교할 만한 집속 파워를 갖는 집광기를 설계할 수 있기 때문에, 하이브리드 어프로치는 집광 장치의 어레이가 서로 근접한 곳에서 구분해야하는 응용에 적당하다.
또 다른 장점으로는, 본 발명은 차광 지지 구조(obscuring support structure)를 추가적으로 필요하지 않다는 것이다. 반면, Vasylyer의 미국특허 제 6,971,756호의 반사 렌즈는 다층 정밀 각면과 지지구조를 필요로 한다.
또한, 본 발명의 하이브리드 광 장치는 사용시 자체 구동 관절 집광기와 매우 양립적 일 수 있는데, 이러한 이유는 본 발명이 방사선을 확산하여 집속 평면(2)에 도달하게 하는 경로가 충분하기 때문이다. 이는 도 7에 상세히 도시되어 있다.
본 발명의 하이브리드 소자의 전체 구경(15)이 렌즈 구경보다 크기 때문에, 굴절 소자(4)나 포물면 반사기(6) 어느 것과도 충돌하지 않는 커버 소자(8)를 통해 광축(14)에 평행하지 않은 광축이 존재한다.
이들 광 통로 때문에, 방사선(72)이 집속 평면(2)에 위치한 태양 전지에 의해 직접 흡수되게 된다. 이것은 태양을 향하지 않아도 충분한 자체 파워를 발생하 여 자체적으로 관절 운동(articulate)하도록 하는 하이브리드 광소자를 포함하는 관절운동 집광기에 도움을 준다.
전체 프리넬 반사기에 있어서, 소량의 확산 광이 집속 평면에 도달하기 때문에, 전체 구경 프리넬 반사기 시스템은 자체 구동에 통상 적절하지 않다.
본 발명에 의한 하이브리드 광학 장치를 이용하게 되면, 전체 굴절 소자와 관련한 종래의 문제점을 방지할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시되어 있듯이, 전체 구경을 제공하는 반사 소자가 전체 구경을 제공하도록 자체적으로 이용되는 경우, 그 구경은 비 흡수 영역과 관련된 영역을 포함할 수 있다. 이들 영역은 종래의 시스템에서 집광에 이용되지 않는 구경의 부분에 해당한다. 특히, 종래의 바닥 집광 및 반전 집광 반사기는 구경의 어느 영역에서 입사 광선에 대한 수용각도가 불량하여 자체 구동 응용에 적절하지 않다.
이와는 달리, 본 발명은 반사기가 적절하지 않은 시스템의 구성의 부분에 대 굴절 집광을 이용함으로 바닥 및 반전 집광 반사기의 모두의 상기 제한을 극복한다. 따라서, 본 발명의 하이브리드 광소자의 렌즈(4)가 4구경(15)의 영역 내에 위치되어 이용하지 않을 수 있는 대응하는 입사 광을 수집하여 집광한다.
전체 구경(15)은 수집하여 집광(자체 이용되는 전체 구경 반사 소자로 성취되지 않는 특성)하는데 이용될 뿐 아니라, 광 장치는 자기 구동(렌즈와 같은 전체 구경 굴절 소자로는 성취될 수 없는 특성)에 대한 확산 광을 더 포착할 수 있다. 전체 구경을 이용하여 광을 포착하여 집광하는 능력은 자체 구동 성능에 도움을 제 공한다. 실질적인 효과로는, 하이브리드 어프로치는 굴절기와 반사기의 결점 없이, 이 굴절기와 반사기 모두의 장점을 제공할 수 있다는 것이다. 하나의 바람직한 실시 예에서, 커버(8)와 렌즈(4, 5)는 폭이 5인치이고, 아크릴 또는 매타크릴로 조성될 수 있고, 통(trough)은 폭이 5인치, 길이가 5인치이며, (Andrew sabel, Inc, Ketchun, Idaho)가 시판하는) 상표면 MIRO의 Alando)가 제조한 고 반사성 알루미늄 시트 금속으로 제조될 수 있다. 도 1a, 도 1b, 및 도 7에 도시된 광소자(1)의 바람직한 실시 예에서, 하이브리드 광 소자는 집광기 시스템에 대하여 일차 광 장치를 형성하고, 하이브리드 광 소자(1)에 의해 재지향된 광은 집속 평면(2)에 있는 목표물 표면에 직접 충돌한다. 본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 일차 광 장치에 의해 재지향된 광은 추가적인 광 장치에 의해 더 지향될 수 있거나,이 일차 광 장치에 도달하기 전에 하나 이상의 예비 일차 광 장치에 의해 재지향될 수도 있다.
예를 들어, 대안적인 실시 예는 커버(8)의 클리어 영역(clear region)을 통해 확산 방사선(72)을 조정을 돕도록 된 추가의 광소자(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또 다른 옵션으로는, 커버(8)의 클리어 영역을 통해 집속 평면(2)에 확산 방사선을 지향시키는 것을 돕도록 집광기 모듈의 밀폐 공간의 외 측에 추가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 하이브리드 광소자의 개별 반사 또는 굴절 소자는 다수의 고유 개별 소자와 대체될 수 있는데, 각각의 소자는 포물면 각면을 갖는 포물면 반사기를 구비한 반사 렌즈를 사용하여 입력 구경의 자신의 부분을 집광한다. 예를 들어, 본 발명의 광 소자(65)의 또 다른 형태는 두 개의 각면이 있 지만 모놀리식 반사기(66 및 68)(도6에 도시)를 사용한다. 각각의 반사기(66, 68)는 다수의 각면(70)을 포함하며, 각각은 선형, 구형, 포물형, 타원형 또는 쌍곡선형 단면을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 연속 단면을 갖는다. 각면을 갖는 반사기는 이미지가 없고 집속 평면(2)을 가로질러 광을 매우 균일하게 집광하도록 되어 있다는 점에서 바람직하다. 반사 소자가 두 개의 디조인트(disjont)로 구성되어 있기 때문에 이는 굴절 소자(4)에 의해 집광된 소자 구경의 부분에서 반사기 재료를 제공하는데 기여한다. 실제의 바람직한 형태에 따라, 각면 좌표는 다음 계수를 이용하는 방법에 의해 결정될 수 있다.
Ycell - 목표물 셀 또는 집속 평면의 1/2 폭
Φ - 1/2 수용각(레디언) 이것은 입사광이 목표물에 아직 집광하는 광축에 대한 각도이다.
Ymax - 반사기의 1/2 폭
Zmax - 목표물 표면에 대한 반사기의 높이
각각의 각면 좌표의 해는 ( Ymax , Zmax)에 의해 정해진 최외측 좌표로 시작하는 반복과정이다.
광축으로부터 +Φ의의 각도로 각면의 상부에 충돌하는 입사광이 위치-Ycell
에서 셀과 충돌하는 반사광이 야기되도록 각면 경사를 계산한다.
제2 단계는 광축으로부터 각 Φ으로 각면 바닥에 충돌하는 입사광이 위치 +Ycell 에서 셀과 충돌하는 반사된 광을 야기하도록 전에 산출된 각면 경사를 사용하는 각면 바닥의 (y, z) 좌표에 대한 해를 구하는 것이다.
이들 두 개의 단계는 다음 각면의 상부 좌료로 전의 각면의 바닥(y, z)좌표를 사용하여 각각의 각면에 대해 반복한다.
이들 두개의 단계의 식은 다음과 같다.
Figure 112008057886118-PCT00001
여기서, y- i=-Ycell 및 mi 는 상부 좌표가 (yi , zi)인 각면의 경사이다.
Figure 112008057886118-PCT00002
여기서 , y+ i=-Ycall
대표적인 각면이 있는 반사기에 대한 다음 좌표는 다음과 같이 주어 진다.
Ycell=0.25"
Φ=2.1°
(y0 , z0)=(2.5", 5")
Figure 112008057886118-PCT00003
도 8은 점 집광기(point concentrator)형의 본 발명의 하이브리드 광 소자(80)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 하이브리드 광 소자(80)는 수광단(84)을 갖는 포물면 반사기(82)를 포함한다. 광 투과 커버(86)는 수광단(89)에 고정되어 있으며,렌즈(88)형의 중간 영역에 광 굴절 소자를 포함하고 있다. 렌즈(88)는 커버(86)와 일체가되어 있다. 포물면 반사기(82)와 렌즈(88)는 공통 집광 점(90)을 공유한다. 사용이, 렌즈(88)와 충돌하는 입사 광선(92)이 굴절되어 집광점 (90)에 집속된다. 한편, 입사 광선(94)이 커버(86)를 통과한 다음, 포물면 반사기(82)에 의해 공통 집광 점(90)에 반사적으로 반사된다. 따라서, 포물면 반사기(82)와 렌즈(88)는 하이브리드 광 소자(80)의 전체 구경의 다른 부분을 이용한다.
인용발명 및 특허공보가 본명세서에 편입되어 있다.
본 발명의 기타 실시 예는 본 발명의 명세서 및 실행으로부터 당업자는 분명히 알 수 있을 것이다. 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어 나지 않는다면, 본 실시예의 원리의 변경, 수정 및 제거가 가능하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.

Claims (40)

  1. i. 구경과:
    ii. 광을 수광하여 이 광을 상기 구경의 제 1 부분에 대한 제 1 목표물에 집광하는 반사 광 소자와;
    iii. 광을 수광하여 광을 상기 구경의 제 2 부분에 대한 제 2 목표물에 집광하는 굴절 광 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 목표물은 동일한 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 목표물은 공통 집속 평면의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    공통 집속 평면은 광 시스템의 바닥 집속에 근접한 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    공통 집속 평면은 하나 이상의 이차 광학 장치에 대한 구경을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    하나 이상의 제 1 및 제 2 목표물은 하나 이상의 제 2 차 광학장치의 구경인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    소자는 광을 선에 집광시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    소자는 광을 점에 집광시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    소자는 자기 구동하는 시스템의 구성요소인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    소자는 다수의 관절 운동 모듈을 포함하는 시스템의 구성요소이며, 상기 광소자는 하나 이상의 상기 모듈에 대해 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 하이브리 드 집광 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    반사 소자는 바닥 집속 반사 접시인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    반사 소자는 바닥 집광 굴절 통인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    굴절 소자는 프리넬 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    프리넬 렌즈는 광을 선에 집광시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  15. 제 13항에 있어서,
    프리넬 렌즈는 광을 점에 집광시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  16. 제 1항에 있어서,
    반사광 소자와 굴절 광 소자는 공통 광축을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  17. 제 16항에 있어서,
    굴절 소자는 공통 광축에 센터링되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  18. 제 2항에 있어서,
    소자는 상기 구경 영을 통과하고 목표물에 의해 흡수되지 않는 반사광과 관련된 구경 영역을 포함하고, 그 굴절 광 소자는 상기 구경 영역을 통과하는 반사광을 목표물에 의해 흡수되게 효과적인 방법으로 위치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  19. 제 1항에 있어서,
    커버는 굴절 광 소자의 수광 단위에 고정되어 있으며, 상기 커버는 굴절 광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  20. 제 1항에 있어서,
    굴절소자는 집광을 위해 굴절 소자에 의해 이용할 수 없는 구경의 부분에 배치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  21. 제 1항에 있어서,
    굴절 소자는 렌즈인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  22. 제 1항에 있어서,
    굴절 소자는 프리넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  23. 제 1항에 있어서,
    반사소자는 선형, 포물형, 구형, 타원형 및 쌍곡선형의 단면으로부터 선택된 구성을 갖는 반사면인 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  24. 제 1항에 있어서,
    제 1 및 제 2 반사 소자를 포함하며, 각각 소자는 구경의 각각의 부분에 대해 입사광을 수광하여 집광하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  25. 제 1항에 있어서,
    반사 소자는 다수의 각면을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  26. 제 1항에 있어서,
    목표물 표면에 도달하기 위한 확산 방사선용 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  27. 제 26항에 있어서,
    확산 방사선 용 광 통로는 목표물 표면에 반사되지 않고 목표물 표면과 충돌하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  28. 제 27항에 있어서,
    확산 방사선용 광 통로는 목표물 표면에 굴절하지 않고 목표물 표면과 충돌하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 집광 소자.
  29. i. 구경의 제 1 부분으로부터 입사광을 수광하여 그 광을 목표물에 집광하는 광 반사 소자를 제공하는 단계와;
    ii. 구경의 제 2 부분으로부터 입사광을 포착하여 그 광을 목표물에 집광하는 굴절 소자를 제공하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  30. 제 29항에 있어서,
    구경은 반사소자에 의해 집광하는데 이용할 수 없는 영역을 지니며, 굴절 소자는 상기 영역에 대해 광을 수광하여 집광하는 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  31. 제 29항에 있어서,
    구경의 제3 부분으로부터 광을 목표물에 수광하여 집광하는 추가적인 반사 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  32. 제 29항에 있어서,
    굴절소자는 렌즈인 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  33. 제 29항에 있어서,
    굴절 소자는 굴절 소자의 수광 단위에 고정된 커버에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  34. 반사 소자는 바닥 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 집광 소자를 제조하는 방법.
  35. i. 구경의 제 1 단으로부터 광을 수광하여 상기 제 1 부분으로부터의 광을 목표물에 반사시키는 단계와;
    ii. 구경의 제 2 부분으로부터 광을 수광하여 상기 제 2 부분으로 부터의 광을 목표물에 굴절시키는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    구경은 반사 소자에 의해 집광에 이용할 수 없는 영역을 지니며, 굴절 소자는 상기 영역에 대해 광을 수광하여 집광하도록 위치된 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
  37. 제35항에 있어서,
    구경의 제 3부분으로부터 광을 목표물에 수광시켜 집광하는 추가적인 반사 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
  38. 제35항에 있어서,
    굴절 소자는 렌즈인 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
  39. 제35항에 있어서,
    굴절소자는 반사 소자의 수광단위에 고정된 커버에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
  40. 제 35항에 있어서,
    반사 소자는 바닥 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 입사광을 수광하여 집광하는 방법.
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