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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-01-15
(54)【発明の名称】太陽光収集システム
(51)【国際特許分類】
F24S 23/30 20180101AFI20240105BHJP
F24S 10/40 20180101ALI20240105BHJP
F24S 10/60 20180101ALI20240105BHJP
F24S 30/00 20180101ALI20240105BHJP
【ＦＩ】
F24S23/30
F24S10/40
F24S10/60
F24S30/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023563795
(86)(22)【出願日】2021-12-23
(85)【翻訳文提出日】2023-08-16
(86)【国際出願番号】 SG2021050823
(87)【国際公開番号】W WO2022139688
(87)【国際公開日】2022-06-30
(31)【優先権主張番号】63/130,187
(32)【優先日】2020-12-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523241209
【氏名又は名称】ニューマン， スティーヴン ディー．
【氏名又は名称原語表記】ＮＥＷＭＡＮ， Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｄ．
(71)【出願人】
【識別番号】523241210
【氏名又は名称】ニューマン， デイヴィド エル．
【氏名又は名称原語表記】ＮＥＷＭＡＮ， Ｄａｖｉｄ Ｌ．
(74)【代理人】
【識別番号】100083895
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100175983
【弁理士】
【氏名又は名称】海老 裕介
(72)【発明者】
【氏名】ニューマン， スティーヴン ディー．
(72)【発明者】
【氏名】ニューマン， デイヴィド エル．
(57)【要約】
集光装置が開示されている。集光装置は、受光部材と集光部材を備える。集光部材は、受光部材上の第１焦点及び受光部材上の第２焦点に向けての光の全方位集光のために配列されている。例えば、集光部材は、受光部材の第１焦点を有する第１集光レンズを備える。集光部材は、受光部材上に第２焦点を有する第２集光レンズを備えることができる。第１及び第２集光レンズは、受光部材の周りで間隔を開けられるようにできる。
【選択図】図１０
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
受光部材と、前記受光部材上の第１焦点と前記受光部材上の第２焦点に向けて光を全方位集光するようにされた集光部材と、
を備える、集光装置。
【請求項2】
前記集光部材が、前記第１焦点を生じさせる第１集光レンズと、
前記第２焦点を生じさせる第２集光レンズと、
を有する、請求項１に記載の集光装置。
【請求項3】
前記第１及び第２集光レンズが前記受光部材の周りで周方向に間隔を開けられている、請求項２に記載の集光装置。
【請求項4】
前記第１集光レンズの第１側面が、前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近い、請求項２に記載の集光装置。
【請求項5】
前記第２集光レンズの第１側面が、前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近い、請求項４に記載の集光装置。
【請求項6】
前記集光部材が、前記受光部材を少なくとも部分的に囲んでいる透明材料を有する、請求項１に記載の集光装置。
【請求項7】
前記受光部材が流体通路を画定するパイプを有し、前記透明材料が前記流体通路に沿って配置されている、請求項６に記載の集光装置。
【請求項8】
前記透明材料が前記パイプの周りに配置された複数の屈折面に関連付けられている、請求項７に記載の集光装置。
【請求項9】
前記透明材料が少なくとも１つの集光平面を画定し、前記少なくとも１つの集光平面が中点を有し、前記第１焦点と前記第２焦点との一方又は両方の焦点軸が前記少なくとも１つの集光平面の前記中点と直角でない角度をなすように、前記複数の屈折面が前記第１焦点及び前記第２焦点を協働して生じさせる、請求項８に記載の集光装置。
【請求項10】
流体通路を画定するパイプと、前記パイプに関連付けられ、複数の方位及び高度から受ける熱エネルギーを前記パイプ上に集中させて、前記流体通路の流体を加熱するようにされた、エネルギー収集システムと、
を備える、集光装置。
【請求項11】
前記エネルギー収集システムが透明材料を有し、前記透明材料が、
前記透明材料の受光面と、
前記受光面の反対側の前記透明材料の出光面と、
前記受光面と前記出光面とのうちの少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面と、
前記受光面と前記出光面とをつなぐ第１側面と、
前記第１側面の反対側で前記第１側面と整列し、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第２側面と、
を有する、請求項１０に記載の集光装置。
【請求項12】
前記複数の屈折面が前記透明材料を通過する光を集光焦点に指向させ、前記透明材料の前記第１側面は前記透明材料の前記第２側面よりも前記集光焦点に近い、請求項１１に記載の集光装置。
【請求項13】
前記透明材料が少なくとも半透明である、請求項１１に記載の集光装置。
【請求項14】
前記複数の屈折面の少なくとも１つのサブセットが、前記透明材料の前記第１側面から前記透明材料の前記第２側面に向かって徐々に変化する屈折角を有する、請求項１１に記載の集光装置。
【請求項15】
前記エネルギー収集システムが、前記パイプに対して移動可能な部分と、
前記複数の方位及び高度から受け取った前記熱エネルギーを前記パイプ上に集中させるようにされた、前記部分と前記パイプとの間の集光レンズの配列と、
を備える、請求項１０に記載の集光装置。
【請求項16】
前記部分の周りで前記パイプの反対側に配置され、前記第１部分を前記第２部分に対して動かすための機械的入力を受けるようにされた捕捉機構をさらに備える、請求項１５に記載の集光装置。
【請求項17】
前記第１及び第２部分が前記パイプの長手軸線と実質的に同軸である、請求項１５に記載の集光装置。
【請求項18】
風力タービンと、請求項１０に記載の集光装置と、
を備え、
前記集光装置が前記風力タービンに設置されている、システム。
【請求項19】
冷蔵トラックと、請求項１０に記載の集光装置と、
を備え、
前記集光装置が前記冷蔵トラックに設置されている、システム。
【請求項20】
輸送コンテナと、請求項１０に記載の集光装置と、
を備え、
前記集光装置が前記輸送コンテナに設置されている、システム。
【請求項21】
搬送媒体にエネルギーを供給するための方法であって、受光部材を通して流体を導くことと、
熱エネルギーを前記流体に移すことと、
を含み、
前記熱エネルギーを前記流体に移すことが、
第１方向からの光を受光部材上の第１焦点に集光することと、
前記光が前記第１方向から第２方向に変わったときに、前記第２方向からの光を前記受光部材上の第２焦点に集光することと、
によって行なわれる、方法。
【請求項22】
前記流体が熱搬送媒体を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記導くことが、ポンプを使用して前記受光部材を通る前記流体の圧力勾配をもたらすことを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記受光部材と関係する周囲環境から風力エネルギーを収集することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項25】
前記収集することが、前記風力エネルギーを利用してエネルギー収集システムの第１部分の動きを生じさせることを含む、請求項２４に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月２３日に出願された、「太陽光収集システム（SOLAR OPTICAL COLLECTION SYSTEM）」と題する米国仮特許出願第６３／１３０，１８７号の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体がここに組み込まれる。
本出願は、２０２０年１２月２３日に出願された、「太陽光収集システム（SOLAR OPTICAL COLLECTION SYSTEM）」と題する米国仮特許出願第６３／１３０，１８７号の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体がここに組み込まれる。
【0002】
ここに記載の実施形態は、概して太陽エネルギーを収集するためのシステム及び技術に関し、より詳細には放射集中システム及び熱収集システムに関する。
【背景技術】
【0003】
太陽熱システムは、搬送媒体にエネルギーを蓄えるために、太陽放射を収集することができる。従来の太陽熱システムは、かさばり、またミラーに大きく依存するものとなり、ミラーはミラーの劣化及びミラー上への汚染物質の堆積により反射及び屈折の効率を損失する虞がある。従来のシステムは、太陽が弧状軌道を通って動くときに、出力強度追跡装置（power-intensive tracking device）を使用することなく太陽放射を捕らえるのには適していなかった。また、そのようなシステムの大きさや重量は、システムの設置や適用を制限する虞がある。
【発明の概要】
【0004】
本願発明の例は、集光レンズの配列を有する集光装置を含む太陽光収集システム、並びにその組立体及びそれを製造する方法に関する。
【0005】
一例においては、集光装置が開示されている。集光装置は、受光部材を有する。前記集光装置はさらに、前記受光部材上の第１焦点と前記受光部材上の第２焦点に向けて光を全方位集光するようにされた集光部材を有することができる。
【0006】
別の例では、前記集光部材は、前記第１焦点を生じさせる第１集光レンズを有することができる。また、前記集光部材は、前記第２焦点を生じさせる第２集光レンズを有することができる。場合によっては、前記第１及び第２集光レンズが前記受光部材の周りで周方向に間隔を開けられているようにできる。前記第１集光レンズの第１側面が、前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近いようにできる。加えて、前記第２集光レンズの第１側面が、前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近いようにできる。
【0007】
別の例では、前記集光部材が、前記受光部材を少なくとも部分的に囲んでいる透明材料を有するようにできる。前記受光部材が流体通路を画定するパイプを有するようにできる。前記透明材料が前記流体通路に沿って配置されているようにできる。前記透明材料が前記パイプの周りに配置された複数の屈折面に関連付けられているようにできる。場合によっては、前記透明材料が少なくとも１つの集光平面を画定することができる。前記少なくとも１つの集光平面が中点を有することができる。前記第１焦点と前記第２焦点との一方又は両方の焦点軸が前記少なくとも１つの集光平面の前記中点と直角でない角度をなすように、前記複数の屈折面が前記第１焦点及び前記第２焦点を協働して生じさせるようにできる。
【0008】
別の例では、集光装置が開示されている。前記集光装置は受光部材を備える。前記集光装置はさらに、前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを備える。前記集光装置はさらに、前記受光部材上の第２焦点を有する第２集光レンズを備える。前記第１及び第２集光レンズは、前記受光部材の周りで周方向に間隔を開けられている。
【0009】
別の例では、前記集光装置は、前記受光部材の周りで前記第１集光レンズ及び前記第２集光レンズを収容する透明材料を備える。前記透明材料は、前記受光部材と前記第１及び第２集光レンズとの間に部分真空空間を画定することができる。
【0010】
別の例では、前記集光装置は、前記受光部材上の第３焦点を有する第３集光レンズを備えることができる。前記第３集光レンズは、前記受光部材の周りで第１及び第２集光レンズとともに周方向に間隔を開けられているようにできる。場合によっては、前記第１、第２、及び第３集光レンズは、受光部材に向けての光の全方位集光のために協働する。
【0011】
別の例では、前記第１及び第２焦点は、前記受光部材の異なる位置にある。また、第１集光レンズと第２集光レンズとのうちの一方又は両方が、シリンドリカルロッドレンズを有するようにできる。例えば、前記受光部材は長手軸線を有するパイプを備えることができ、前記シリンドリカルロッドレンズは前記長手軸線に沿って延びている。ある場合には、前記シリンドリカルロッドレンズは、第１焦点と第２焦点とのうちの一方又は両方を共同で生じさせるようにされた複数の屈折面を備える。
【0012】
別の例では、集光装置が開示されている。前記集光装置は、流体通路を画定するパイプを備える。前記集光装置はさらに、前記パイプに関連付けられ、複数の方位及び高度から受ける熱エネルギーを前記パイプ上に集中させて、前記流体通路の流体を加熱するようにされた、エネルギー収集システムを備える。
【0013】
別の例では、エネルギー収集システムは、透明材料を備えることができる。前記透明材料は、前記透明材料の受光面を有することができる。前記透明材料はさらに、前記受光面の反対側の前記透明材料の出光面を有することができる。前記透明材料はさらに、前記受光面と前記出光面とのうちの少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面を有することができる。前記透明材料はさらに、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第１側面を有することができる。前記透明材料はさらに、前記第１側面の反対側で前記第１側面と整列し、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第２側面を有することができる。
【0014】
別の例では、前記複数の屈折面が前記透明材料を通過する光を集光焦点に指向させるようにできる。前記透明材料の前記第１側面は前記透明材料の前記第２側面よりも前記集光焦点に近いようにできる。前記透明材料が少なくとも半透明であるようにできる。場合によっては、前記複数の屈折面の少なくとも１つのサブセットが、前記透明材料の前記第１側面から前記透明材料の前記第２側面に向かって徐々に変化する屈折角を有するようにできる。
【0015】
別の例では、前記エネルギー収集システムは、前記パイプの周りに配置された第１部分を有することができる。前記エネルギー収集システムはさらに、前記第１部分に対して移動可能である第２部分を備えることができる。前記エネルギー収集システムはさらに、前記複数の方位及び高度から受け取った前記熱エネルギーを前記パイプ上に集中させるようにされた、前記第１部分と前記第２部分との間の集光レンズの配列を備えることができる。
【0016】
別の例では、前記エネルギー収集システムはさらに、前記第１部分の周りでパイプの反対側に配置された捕捉機構を備えることができる。前記捕捉機構は、前記第１部分を前記第２部分に対して動かすための機械的入力を受けるようにすることができる。ある場合には、前記捕捉機構は、複数の空力ブレードを備えることができる。前記第１及び第２部分は、パイプの長手軸線と実質的に同軸であるようにすることができる。
【0017】
別の例では、システムが開示されている。前記システムは、風力タービンを備える。前記システムはさらに、ここに開示された集光装置のいずれかのような集光装置を備える。前記集光装置が風力タービンに設置されている。
【0018】
別の例では、システムが開示されている。前記システムは、冷蔵トラックを備える。システムはさらに、ここに開示された集光装置のいずれかのような集光装置を備える。前記集光装置は前記冷蔵トラックに設置されている。
【0019】
別の例では、システムが開示されている。前記システムはさらに、ここに開示された集光装置のいずれかのような集光装置を備える。前記集光装置は、輸送コンテナに設置されている。
【0020】
別の例では、搬送媒体にエネルギーを供給するための方法が開示されている。前記方法は、受光部材を通して流体を導くことを含む。前記方法はさらに、（ｉ）第１方向からの光を受光部材上の第１焦点に集光すること、（ｉｉ）前記光が前記第１方向から第２方向に変わったときに前記第２方向からの光を前記受光部材上の第２焦点に集光することと、によって、熱エネルギーを前記流体に移すことを含むことができる。
【0021】
別の例では、前記流体は熱搬送媒体を有することができる。例えば、前記流体は、水、グリコール／水混合体、炭化水素油、冷却剤／相変化流体、シリコーン、溶融塩、分子太陽熱エネルギー貯蔵（molecular solar thermal energy storage）、又はゼオライトベース熱貯蔵（zeolite-based thermal storage）のうちの１つ又は複数を有することができる。
【0022】
別の例では、前記導くことが、ポンプを使用して前記受光部材を通る前記流体の圧力勾配をもたらすことを含むことができる。
【0023】
別の例では、前記第１焦点が第１集光レンズによってもたらされるようにできる。前記第２焦点が第２集光レンズによってもたらされるようにできる。前記第１及び第２集光レンズは、受光部材の周りで周方向に間隔を開けられているようにできる。
【0024】
別の例では、前記方法は、前記受光部材と関係する周囲環境から風力エネルギーを収集することを含むことができる。前記収集することが、前記風力エネルギーを利用してエネルギー収集システムの第１部分の動きを生じさせることを含むことができる。場合によっては、前記第１部分は、前記受光部材の周りに配置された透明材料を有することができる。光が透明材料を第１方向及び第２方向に通過することができ、それにより第１方向からの光を第１焦点に集光すること、及び第２方向からの光を第２焦点に集光することが可能となるようにできる。
【0025】
上述の例示的な態様及び実施形態に加えて、さらなる態様及び実施形態が、図面を参照することによって、及び以下の記載の検討によって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】従来技術のフレネルレンズの平面図を示している。
【0027】
【図2】本開示に係る集光レンズの一例の側面図を示している。
【0028】
【図3】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【0029】
【図4】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【0030】
【図5】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【0031】
【図6】本開示に係る集光レンズの一例の側面図を示している。
【0032】
【図7】本開示に係る集光レンズ装置の一例の側面図を示している。
【0033】
【図8】そこに形成されたメタオプティクスを有する表面の走査電子顕微鏡画像の例を示している。
【0034】
【図9】太陽光収集システムの集光装置を有する一例のシステムの等角図を示している。
【0035】
【0036】
【0037】
【図11B】集光レンズの一部及びレンズの関係する焦点の等角図を示している。
【0038】
【図12】熱搬送媒体を有する太陽光収集システムの一例の集光装置の断面図を示している。
【0039】
【図13】一例のエネルギー収集システムを示している。
【0040】
【図14】集光装置及び風力タービンを備える一例のシステムを示している。
【0041】
【図15】集光装置及びトラックを備える一例のシステムを示している。
【0042】
【図16】集光装置及び輸送コンテナを備える一例のシステムを示している。
【0043】
【図17】エネルギーを搬送媒体に供給するためのフロー図を示している。
【発明を実施するための形態】
【0044】
以下の記載は、本開示の様々な要素を具現化する、サンプルのシステム、方法、及び装置を含む。しかしながら、記載された開示は、ここに記載されたものに加えて、様々な形態で実施されるようにできる。
【0045】
以下の開示は、搬送媒体への太陽放射の収集及び集中を容易にするためのシステム及び技術を説明している。集光装置を備える太陽光収集システムは、太陽放射を収集して熱エネルギーを熱搬送媒体に移すために提供される。サンプルの熱搬送媒体は、水、グリコール／水の混合体、炭化水素油、冷却剤／相変化流体、シリコーン、溶融塩、分子態様熱エネルギー貯蔵、又はゼオライトベース熱貯蔵を含むことができる。集光装置は、熱搬送媒体の周りに配置された集光レンズの配列を有することができる。集光レンズは、太陽放射を収集し、放射を熱搬送媒体に向けて指向させて集中させるようにすることができる。熱搬送媒体は、集光された放射を受けて、放射を熱エネルギーとして蓄える。従来の太陽熱システムは、しばしば、太陽の位置によって制限されるか、さもなければ従来のシステムの全体を物理的に操作して動かすために使用されるかさばった出力強度追跡システムを有する。
【0046】
本開示の集光装置は、太陽の位置に実質的に依存しないで太陽放射を収集することができるシステムを提供することによって、そのような障害を軽減することができる。例えば、集光装置は、太陽が空を太陽の弧状軌道（day arc）又は他の経路に沿って進むときに太陽放射を収集するようにすることができる。太陽放射を収集するためのレンズ又は他の構造体を動かすことなく、太陽放射を収集することができる。
【0047】
上記を促すために、集光装置は、熱搬送媒体の周りに配置された集光レンズの配列を有するようにできる。場合によっては、集光レンズの配列は、熱搬送媒体の周りで周方向に間隔を開けて配置することができる。その配列により、太陽が第１位置にあるときに、集光レンズの第１サブセットが太陽放射を収集することを可能にする。その配列はさらに、太陽が太陽の弧状軌道に沿って進んで第２位置になったときに、集光レンズの第２サブセットが太陽放射を収集することを可能にする。したがって、レンズの配列は、熱搬送媒体に向かって光を全方位集光するようにすることができる。よって集光装置は、太陽放射を収集及び集中する装置の部品を動かすことなく、太陽を効率的に追跡することができる。よって、集光装置の大きさ及び電力消費を低減することができる。
【0048】
一実施形態においては、熱搬送媒体は、パイプ、チューブ、又は他の導管の中に保持されるようにできる。パイプは、実質的に冷たい搬送媒体が受け入れられる媒体入口と実質的に暖かい搬送媒体が排出される媒体出口との間を延びるような、熱搬送媒体のための流体通路を画定することができる。集光装置の流体通路は、装置による加熱のため及び熱交換器などのシステムの他の熱機器による熱除去のために熱搬送媒体が連続的に循環される流体循環システムの一部とすることができる。エネルギー収集システムは、熱エネルギーをパイプに集中させて流体通路内の流体を加熱するために、パイプに関連付けられる。エネルギー収集システムは、太陽の弧状軌道の複数の方位及び高度から受け取った太陽の熱エネルギーを集中させるために、レンズの配列を流体通路の周りに配置して保持することができる。例えば、エネルギー収集システムは、レンズの配列を流体通路の周りで実質的に同心円状に保持する第１部分及び第２部分を有するようにできる。レンズは、第１部分と第２部分との間の環状空間に保持されるようにできる。
【0049】
場合によっては、第１部分と第２部分の一方又は両方が、流体通路に対して動くようにすることができる。例えば、第２部分は、内側の第１部分に対して自由に回転することができる外側部分とすることができる。ブレード、フィン、及び／又は他の空力部品を第２部分の外面に取り付けることができる。ブレードは、風を受けたときに外側の第２部分の動きを促進することができる捕捉機構を集合的に画定することができる。風によって生じた外側の第２部分の動きは、エネルギーを捕捉して太陽エネルギーと共に貯蔵するために使用することができる。
【0050】
集光装置の実質的に軽量なデザインが容易になることの理由の一部は、太陽放射を収集して集中させるために光学レンズを使用することによるものである。光学レンズは、従来の太陽熱システムにおいて使用されるかさばるミラーよりも軽くし得る。光学レンズはまた、ミラーに比べて、所与の設置面積に対して太陽放射を熱搬送媒体により集中させて伝達することができる。これにより、集光装置の全体サイズを低減することが可能となる。本開示の集光装置は、集光装置を建物の屋根や既存の構造体の上に設置するなど、広範な様々な場所に設置するようにすることができ、これは既存のインフラとともに実施することを容易にする。集光装置はまた、風力タービン、トラック、及び／又は輸送コンテナに設置することを含む、様々な他の用途での設置に適したものとすることができる。
【0051】
集光装置とともに使用するための一例のレンズは、マドックスロッド（Maddox rod）／レンズを含む。レンズは、太陽エネルギーを捕捉して熱伝達媒体上へと集中させるために屈折光学デザインを実施することができる。後に詳細に説明するように、フレネルレンズ及びその変形形態も使用することができる。レンズは、受け入れた媒体内で焦点深度拡張（ＥＤＯ）効果を生じさせるために、両非球面凸／平面シリンダとして集中されるようにできる。場合によっては、レンズは、１５ｍｍから２５ｍｍの焦点距離を有するようにすることができる。さらに、焦点距離は、大気吸収の後の日光のスペクトルを使用して、様々な日光の入射角及び実質的に４００ｎｍから１，６００ｎｍの間の可視光からＩＲの範囲の波長に対して校正することができる。レンズは、所与の日光波長に対して所望の焦点距離を有するように調節することができ、例えば、５４３ｎｍの波長に対して１５．０ｍｍの有効焦点距離を有するように調節することができる。これは、集光装置が、ある波長値に校正されて、広い波長スペクトル及び入射角にわたって太陽エネルギーを捕捉するようにすることを可能とする。
【0052】
当然のことながら、様々な種々のレンズをここに記載の集光装置に使用することができる。一例として、フレネルレンズは、太陽熱収集器において、屈折によって光を集めるために使用することができる。従来のフレネルレンズは、おおよそ湾曲レンズに近似するが、材料がより少ない。よって、フレネルレンズは、それに相当する湾曲レンズよりも軽い。場合によっては、フレネルレンズは平行光を焦点に集中させる。概して、フレネルレンズは平らな側と傾斜した側とを含む。傾斜した側は屈折面を形成する傾斜したファセット（小平面）を含み、屈折面はレンズの湾曲を近似する。典型的には、ファセットが多いほど、湾曲レンズにより良く近似する。
【0053】
概して、フレネルレンズを通過する光の全てが一点に集光される。よって、フレネルレンズの表面積が大きいほど、より多くの光が一点に集光される。フレネルレンズの側部を通過する光線はフレネルレンズの中央部分を通過する光線が通る同じ焦点に集められるが、側部を通過する光線は中央を通過する光線よりも長い距離を伝播しなければならないので、より大きな表面積を有するフレネルレンズは、大抵はより長い焦点距離を有することになる。よって、一般に、フレネルレンズの表面積が大きいほど、焦点までの焦点距離はより長くなる。これは、フレネルレンズの対称性のせいでもある。この原則に基づいて、表面積が増加すると、フレネルレンズは焦点からより遠くに配置されて、より多くのスペースを取る。
【0054】
本開示の目的として、用語「整合」は、平行、実質的に平行、又は３５．０度未満の角度を形成することを意味している。本開示の目的として、用語「横断」は、垂直、実質的に垂直、又は５５．０から１２５．０度の間の角度を形成することを意味している。また、本開示の目的として、用語「長さ」は物体の最も長い寸法を意味する。また、本開示の目的として、用語「幅」は、物体の側面から側面までの寸法を意味する。大抵の場合、物体の幅は物体の長さを横断する。本明細書の目的として、集光平面は、概して、軸に平行な光線が焦点に集束するように偏向する平面をいう。本明細書の目的として、焦点軸は集光平面の中点と集光焦点とを通る軸である。
【0055】
ここで、本開示の様々な特徴を説明するのを助ける添付の図面を参照する。以下の記載は、例示及び説明を目的として示される。また、ここでの記載は、発明の形態をここに記載する形態に限定することを意図していない。よって、以下の技術、技能、及び関連技術分野の知識に見合う変形及び修正は、本発明の形態の範囲内にある。
【0056】
図１は、従来のフレネルレンズ１００の例を示している。ここで、フレネルレンズ１００は概して平らな受光面１０２を含む。フレネルレンズ１００の出光面１０４は、受光面１０２の反対側にあり受光面１０２に整合している。出光面１０４は、屈折面を形成する複数の傾斜面１０６を含む。平らな受光面１０２に概して垂直な光は、たとえあったとしても大きな屈折はなしに受光面に入る。出光面１０４上の屈折面は、光を焦点１１０に向かって屈折させる。フレネルレンズ１００は、焦点１１０まで実質的に同距離であるレンズの第１側面１１２及び第２側面１１４に対して概して対称である。フレネルレンズの側部領域１１６を通って伝播する屈折した光は、フレネルレンズ１００の中央領域１１８で屈折しない光よりも、焦点１１０に届くまでにより遠い距離を有する。
【0057】
フレネルレンズ１００の表面積は、フレネルレンズ１００の長さ及び幅によって決まる。従来のフレネルレンズのこの描写では、フレネルレンズ１００の幅１２０だけが描かれている。
【0058】
【0059】
集光レンズ２００は、受光面２０２及び出光面２０４を含む。受光面２０２は概して平らであり、出光面２０４は、レンズ２００から出ていく光線の方向に影響を与える屈折面を形成する複数の傾斜面２０６を含む。屈折面のそれぞれは、光を単一の焦点２１０に向けることに重点を置いている。
【0060】
集光レンズ２００の第１側面２１２は、受光面２０２を出光面２０４に接続する。集光レンズ２００の第２側面２１４は、第１側面２１２の反対側にあり、受光面２０２を出光面２０４に接続する。この例では、第１側面２１２は、第２側面２１４よりも焦点２１０に近い。この例では、集光レンズ２００は実質的に平らな受光面２０２を有する。よって、集光レンズ２００は、ある角度で傾いている。また、第１側面２１２は、集光レンズ２００の第２側面２１４よりも、焦点からより大きな垂直距離又はより上に離れて配置されている。
【0061】
集光レンズ２００は、水平に対して適切な如何なる角度で傾いているようにすることもできる。例えば、集光レンズ２００は、少なくとも５度、少なくとも１０度、少なくとも１５度、少なくとも２０度、少なくとも２５度、少なくとも３０度、少なくとも３５度、少なくとも４０度、少なくとも４５度、少なくとも５０度、少なくとも５５度、少なくとも６０度、少なくとも６５度、少なくとも７０度、少なくとも７５度、少なくとも８０度、少なくとも８５度、少なくとも他の適切な角度、又はそれらの組み合わせの角度で傾いていてもよい。
【0062】
集光レンズ２００は、少なくとも部分的に透明な材料から形成することができる。いくつかの例では、集光レンズ２００の材料は、少なくとも２０パーセントの全透過率、少なくとも３０パーセントの全透過率、少なくとも４０パーセントの全透過率、少なくとも５０パーセントの全透過率、少なくとも６０パーセントの全透過率、少なくとも７０パーセントの全透過率、少なくとも８０パーセントの全透過率、少なくとも８５パーセントの全透過率、少なくとも９０パーセントの全透過率、少なくとも９５パーセントの全透過率、他の適切な全透過率、又はこれらの組み合わせの特性を有することができる。いくつかの例では、集光材料は、ガラス、プラスチック、樹脂、ダイアモンド、サファイア、セラミックス、他のタイプの材料、又はこれらの組み合わせとすることができる。
【0063】
光が受光面２０２に入ると、入った又は受けた光が受光面２０２に対して垂直でないときにはその光は屈折し得る。この場合には、概して焦点に向かって進んではいるが焦点に集中しない実質的に平行な光線は、入ってくる光と受光面２０２との間の相対角度のために屈折する。受光面２０２で生じるこの屈折は、自然の光線２１８を部分的に屈折した光線２２０へと曲げる、光線の第１屈折角２１６でありうる。部分的に屈折した光線２２０に対する傾斜面２０６の相対角度により、部分的に屈折した光線２２０は焦点上に集光する光線２２２へと曲げられる。よって、光はおおむね焦点に向かう方向に進みながら複数の点で屈折される。
【0064】
概して平行な光線が平らな受光面２０２に入るので、光は同じ角度で屈折して部分的に屈折した光線を形成する。部分的に屈折した光線は、透明材料を通って進み、透明材料内に含まれる。部分的に屈折した光線は、透明材料を出るときに、焦点に向けられる収束する光線へと屈折される。部分的に屈折した光線から収束する光線への移行が第２屈折角２２４を形成する。第２屈折角２２４は、透明材料の出光面上の傾斜面の角度に基づいて形成される。光透明材料の第１側面から光透明材料の第２側面にまで傾斜面は漸進的に角度が増加して、光線のそれぞれを集光レンズの長さに沿って焦点にまで集光する。よって、屈折角は、集光レンズの断面長さに対する光線の位置によって異なる。幾つかの傾斜面２０６では、第２屈折角２２４は概して部分的に屈折した光線２２０に垂直であり、ほんの僅かな屈折だけが生じて収束する光線２２２を形成するようになる。しかしながら、出光面２０４の他の部分では、傾斜面２０６と部分的に屈折した光線２２０との間の相対角度は、鋭角又は鈍角であり、より大きな屈折補正を引き起こして収束する光線２２２を形成する。加えて、水平に対する受光面２０２の全体的な所望角度位置に対して傾斜面２０６の相対角度を調整して、受光した光を所望の焦点２１０に向けるようにすることができる。
【0065】
図示の例では、集光レンズ２００の第１側面２１２に近接した第１傾斜面２２６は、小さい屈折調整をもたらして、収束する光線２２２を形成する。傾斜面２０６のそれぞれは第１側面２１２から第２側面２１４に向かう方向で漸進的に顕著になっていく角度を形成し、それにより部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間の角度変化が大きくなっていく。例えば、集光レンズ２００の第２側面２１４に近接した最も遠い傾斜面２２８は、部分的に屈折した光線２２０に対して急な鋭角２３０を形成し、より大きな第２屈折角２２４をもたらす。いくつかの例では、集光レンズの第１側面に近接した傾斜面は、集光レンズの第２側面の傾斜面とは異なる屈折面の角度を有するが、傾斜面のそれぞれが収束する光線を焦点２１０に向ける。
【0066】
第１屈折角２１６は、適当な如何なる角度にすることもできる。例えば、第１屈折角に対して互換性のある角度の包括的でないリストには、９０度未満、６０度未満、５０度未満、４５度未満、４０度未満、３５度未満、３０度未満、２５度未満、２０度未満、１５度未満、１０度未満、５度未満、又は他の適当な角度未満の角度が含まれうる。
【0067】
何れの個々の傾斜面の第２屈折角２２４も適当な如何なる角度にすることができる。例えば、傾斜面の屈折角に対して互換性のある角度の包括的でないリストには、９０度未満、６０度未満、５０度未満、４５度未満、４０度未満、３５度未満、３０度未満、２５度未満、２０度未満、１５度未満、１０度未満、５度未満、又は他の適当な角度未満の角度が含まれうる。
【0068】
第２屈折角２２４は第１屈折角２１６の影響を受け、傾斜面２０６のそれぞれの相対的な横方向長さは焦点に関係することが見込まれる。例えば、傾斜面の多くは部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間に負の角度を形成し得る。一方で、他の傾斜面は部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間に正の角度を形成するように向けられ得る。
【0069】
。
図示の例では、集光レンズ２００の第１側面２１２は、集光レンズ２００の第２側面２１４よりも、焦点２１０に近い。結果として、集光レンズ２００は、焦点の周りでオフセットしているか又は非対称に向けられている。よって、傾斜面２０６のそれぞれは、光線のそれぞれを中心からずれた焦点２１０に非対称に集光するように角度付けられている。
図示の例では、集光レンズ２００の第１側面２１２は、集光レンズ２００の第２側面２１４よりも、焦点２１０に近い。結果として、集光レンズ２００は、焦点の周りでオフセットしているか又は非対称に向けられている。よって、傾斜面２０６のそれぞれは、光線のそれぞれを中心からずれた焦点２１０に非対称に集光するように角度付けられている。
【0070】
焦点に対してある角度に向けられた集光レンズ２００を有することの一つの利点は、同じ表面積を有する集光レンズを同じ設置面積の中により多く収めることが可能になることである。例えば、傾斜した集光レンズは、追加の集光レンズを同じ設置面積の中に含めることができるので、集光するために使用される全体的な表面積を増加させることができる。増加した表面積を有することにより、より多くの光をより小さなエリアに集めることができ、それによりレンズの熱効率が向上する。
【0071】
図２において、線２３２は、線２３４によって表わされた図１のフレネルレンズの幅に対する集光レンズ２００の幅を表わしている。図に示すように、線２３４は２３２よりも短く、正味の幅の差分（Δ）をもたらす。この追加のスペースは追加の集光レンズを提供するために使うことができる。例えば、もし同じ量の収束した光をもたらす傾斜した集光レンズが結果として２０パーセントのスペースを削減するのであれば、従来は４つの集光レンズだけが収まっていた設置面積に５つめの集光レンズを収めることが可能となる。
【0072】
図２の例において、出光面２０４は傾斜面２０６を含み、受光面２０２は概して平らである。しかしながら、代替例においては、出光面が概して平らであり、受光面が傾斜面を含むようにすることができる。さらに別の代替例においては、受光面と出光面のそれぞれに傾斜面と概して平らな領域とが混在している。
【0073】
図３は集光装置３００の例を示している。この例では、集光装置３００は、受光部材３０２と、複数の集光レンズを備える集光部材３０４とを含む。明確にすることを目的として、各集光レンズの具体的なレンズの幾何学的細部は図３には示されていない。集光部材３０４は、受光部材３０２上の第１焦点３０８を有する第１集光レンズ３０６を含む。第１集光レンズ３０６の第１側面３１０は、第１集光レンズ３０６の第２側面３１２よりも第１焦点３０８に近い。よって、第１集光レンズ３０６は、オフセットされていて、光線を中心から外れた焦点に集光する。第１集光レンズ３０６は第１焦点３０８の周りで非対称に配置されているため、第１集光レンズの設置面積は焦点の周りで対称に向けられた従来のフレネルレンズよりも小さい。
【0074】
集光装置３００はまた、第２集光レンズ３１４を含む。この例では、第２集光レンズ３１４も第２焦点３１６の周りで非対称に向けられている。よって、第２集光レンズ３１４の第１側面３１８は、集光レンズ３１４の第２側面３２０よりも第２焦点３１６に近い。この例では、第２集光レンズ３１４は第１集光レンズ３０６に対して横断方向に向けられている。よって、第１及び第２集光レンズ３０６、３１４は１８０度でない角度を形成する。
【0075】
第１及び第２集光レンズ３０６、３１４の間に形成される角度は適当な如何なる角度とすることもできる。いくつかの例では、その角度は、５度よりも大きい、１０度よりも大きい、１５度よりも大きい、２０度よりも大きい、２５度よりも大きい、３０度よりも大きい、４０度よりも大きい、４５度よりも大きい、５０度よりも大きい、６０度よりも大きい、７０度よりも大きい、８０度よりも大きい、９０度よりも大きい、１００度よりも大きい、１０５度よりも大きい、１１０度よりも大きい、１２０度よりも大きい、１３０度よりも大きい、１４０度よりも大きい、１５０度よりも大きい、１６０度よりも大きい、１７０度よりも大きい、別の適当な角度よりも大きい、又はそれらの組み合わせの角度である。
【0076】
図３に示す例において、第１焦点３０８と第２焦点３１６は互いに距離をあけて離れている。第１焦点３０８と第２焦点３１６は、適当な如何なる距離をあけて離れていても良い。いくつかの例では、第１焦点３０８と第２焦点３１６は、１．０インチ（２．５４センチ）未満、２．０インチ（５．０８センチ）未満、３インチ（７．６２センチ）未満、５インチ（１２．７センチ）未満、７インチ（１７．７８センチ）未満、１０インチ（２５．４センチ）未満、１５インチ（３８．１センチ）未満、２０インチ（５０．８センチ）未満、２５インチ（６３．５センチ）未満、別の適当は距離、又はそれらの組み合わせの距離をあけて離れている。いくつかの例では、第１及び第２集光レンズ３０６、３１４は、受光部材３０２上の全く同じ点に光を集める。
【0077】
第１及び第２集光レンズ３０６、３１４の両方がオフセットしているこれらの例では、傾斜したレンズの設置面積の低減は加算的である。よって、より多くの量の光の恩恵が、受光部材３０２により小さなエリアで集められる。追加の集光レンズを受光部材３０２の周りの利用可能な空いたスペースに加えることができ、これにより受光部材３０２に集められる光の全体量が増加する。
【0078】
図示の例では、複数の集光レンズがジグザグの断面を形成する。図３の例は集光レンズのそれぞれが対称な断面を形成するように向けられて示されているが、少なくとも１つの集光レンズが複数の集光レンズのうちの少なくとも２つの他のレンズとは異なるオフセット角度で向けられていてもよい。また、図３の例は集光レンズのそれぞれが同じ長さ又は寸法を有するように示されているが、代替例においては、少なくとも１つの集光レンズが少なくとも１つの他の集光レンズとは異なる長さを有する。
【0079】
受光部材３０２は、適当は如何なる物体又は流体とすることもできる。一例では、受光部材３０２は光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池である。より多くの光をある面積内の太陽電池上に集めることによって、太陽電池は同じ面積でより多くの電気に変換することができる。よって、太陽電池や集光装置の設置面積を増加させることなく、太陽電池の生産性を増加させることが可能となる。集光装置がソーラーファームの一部であるこれらの例では、ソーラーファームはソーラーファームの設置面積を増加させることなく生産性をより高くすることが可能となる。
【0080】
別の例では、受光部材３０２は、気体もしくは流体を保持したり搬送したりすることができるパイプ又は他のタイプの導管とすることができる。いくつかの例では、流体は気体である。他の例では、流体は水性液及び／又は油性液である。個人の家、建物、又は地域社会で、水を温めるために集光装置を使用することができる。そのような温められた水は、シャワー、食器洗い機、洗濯機、又は他の家庭用もしくは工業用の機器で使用することができる。さらに別の例では、水は、発電のためのタービンに動力を供給するために使用することが可能な蒸気に変換することができる。さらに別の例では、温められた水は、建物の冷暖房、発電、プールの温め、歩道の温め、道路の温め、建物内の環境の調整、他の物体の温め、他の物体の温度の調整、又はこれらの組み合わせ、に使用される熱交換器において使用することができる。
【0081】
別の実施形態においては、受光部材３０２は、そこでの熱エネルギーの変換が望まれる如何なる物品とすることもできる。例えば、受光部材は、衣料品；屋根、窓、又は壁のような建物の要素；テントの表面；自動車の表面；ボートの表面；又は他の構造要素とすることができる。加えて、集光装置は、熱エネルギーを所望の物品に効果的且つ効率的に伝達するために適当な如何なる大きさを想定することもできる。一実施形態においては、集光装置は複数の又はアレイ状の集光レンズを含む。集光レンズは、衣料品のような環境内に組み込むことが可能なレンズのマイクロアレイとすることができる。
【0082】
図４は、集光装置４００の例を示している。この例では、集光装置４００はオフセット角度が互いに交互になる集光レンズ４０２を含む。この例では、交互にオフセットしたレンズ４０２のそれぞれが、光を受光部材４０６上のオフセット焦点４０４に向ける。しかしながら、代替例においては、集光レンズ４０２は、少なくとも２つの焦点を同じ場所に向けることができる。
【0083】
図示の例では、集光レンズ４０２と受光部材４０６との間のスペースは囲まれている。いくつかの例では、この囲まれたスペース４０７は、光伝達環境を制御する不活性物質または他の気体で満たされている。これらの例では、囲いは、ほこり、破片、又は他の光干渉粒子によって集光レンズ４０２から受光部材４０６への光伝達の効率が低下することを防止することができる。この例は囲みとともに説明されているが、代替の実施形態では、集光装置は囲みを含んでおらず、空気又は他の気体が集光レンズと受光部材との間のスペースを通過するようにすることができる。
【0084】
別の例では、集光レンズ４０２と受光部材４０６との間のスペースは部分真空とすることができる。この例では、部分真空は、光の伝達に干渉し得る気体分子でできる限り妨げられない環境、又は少なくとも周囲条件の気体の量よりも低減された気体の量を有する環境を維持することができる。光は、固体、液体、又は気体透明媒質中よりも、真空中を速く伝播する。透明媒質を通る光の減速は、エネルギー輸送の一つ形態であり、物質の原子による光エネルギーの吸収及び再放出を含む。光のエネルギーのいくらかは、透明物質の分子による吸収及び再放出で失われる。場合によっては、このエネルギー損失は透明材料の温度上昇によって明らかにされる。
【0085】
完全な真空は、地球上で達成することが難しい。よって、場合によっては部分真空が使用される。少なくとも部分真空を作り出すために、少なくとも部分的に集光レンズと受光部材とによって形成された囲いの中の空気が、真空ポンプを使用して取り除かれて、外圧よりも小さい、一例においては１気圧未満の、減圧環境が得られる。囲いは、適切な如何なるタイプの材料からでも作ることができる。使用され得る材料の包括的でないリストには、ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、真ちゅう、高密度セラミックス、ガラス、アクリル、他のタイプの材料、又はそれらの組み合わせが含まれる。
【0086】
集光装置４００はまた、破片や集光レンズの透明性を低下させうる他の少なくとも部分的に不透明な材料から集光レンズ４０２を保護する保護透明バリア４０８を含む。一実施形態によると、保護透明バリア４０８は、ここに開示のシステムの何れにおいても含まれうるし、また対化学性、柔軟性、天候及びＵＶ安定性を追加するコーティングを含み得る。一実施形態においては、透明バリアは、脂肪族のコーティング、より詳細には、脂肪族ウレタンのコーティング又は脂肪族ポリウレタンのコーティングである。このコーティングは、集光装置４００の表面の耐候性能を増加させ、かすみ又は他の集光装置の効率及び光伝達性を減少させうる他の光を遮る要因を防止する。光は、屈折変化を伴うか又は伴うこと無く、保護透明バリア４０８を通過することができる。図４に示された例は実質的に平らなバリアであるが、バリアは適当な如何なる形状又は幾何学的配置を含むこともできる。
【0087】
図示の例において、受光部材４０６は動的な又は静的な流体を搬送するパイプとすることもできる。場合によっては、受光部材４０６は熱を保持する高い熱容量を有する材料とすることができる。受光部材４０６が流れる動的流体に熱を伝達するこれらの例では、流体はパイプの中を通って流れるときに温められる。温められた流体は、受光部材４０６を出た後に有用な用途のために使用することができる。場合によっては、受光部材は流体が通過できる多孔質材料である。多孔質材料は流体の表面積を増加させて熱伝達を向上させる。さらに別の実施形態においては、受光部材４０６は、熱伝達を向上させるために、受光部材４０６内に複数のパイプ及び／又は複数の流体通路を含む。
【0088】
受光部材４０６は適当な如何なる色とすることもできる。いくつかの例では、受光部材４０６は、光を吸収ように黒色又は少なくとも暗い色の表面を含む。代わりに、受光部材４０６は、集光レンズによって集められた熱エネルギーの全てがその中に収められた流体に送られるように透明とすることができる。
【0089】
受光部材４０６内にヒートスプレッダを組み込むことができる。ヒートスプレッダは、受光部材４０６上のホットスポットが最小となるように熱伝導材から作ることができる。熱が材料全体に広がるので、一般にヒートスプレッダ全体の温度は比較的に均一になる。場合によっては、ヒートスプレッダは金属又は熱伝達セラミックから作られる。さらに別の例では、受光部材４０６の全体が、熱エネルギーが焦点から受光部材の材料全体に広がることによってホットスポットを最小にする熱伝導材から作られる。
【0090】
受光部材を断熱層４１０で囲んで、熱を受光部材４０２に閉じ込めるようにすることができる。断熱層４１０は、適当な如何なる材料からでも作ることができ、また適当な如何なる厚さを有するようにすることもできる。場合によっては、断熱層は、熱を受光部材４０６内に戻すための反射表面を含む。
【0091】
場合によっては、断熱層４１０の中に熱交換器４１２及び／又は吸熱体を組み込むことができる。熱交換器４１２は、受光部材４０６の中の熱を生産的用途に伝達するために使用される。いくつかの例では、熱交換器４１２は、熱を伝導によって伝達する伝導熱交換器である。これらのタイプの熱交換器は、断熱層４１０の中に組み込まれた金属とすることができる。他の例では、熱交換器は熱を対流によって伝達する。
【0092】
図示の例は１つの受光部材を参照して説明されているが、集光レンズは集光装置内の複数の受光部材の上に焦点を映すようにできる。
【0093】
図５は、第１集光レンズ５０４と第２集光レンズ５０６の上側に透明な保護バリア５０２を有する集光装置５００の例を示している。第１及び第２集光レンズ５０４、５０６のそれぞれが、それらの各自の焦点を受光部材５１０上の同じ場所５０８に向けている。この例では、受光部材５１０は調理なべである。光からの熱は、調理鍋の中の食べ物を調理するために使用される。この例では、集光レンズ５０４、５０６と受光部材５１０との間に閉じた囲いはない。
【0094】
図６は、集光レンズ６００の代替例を示している。この例では、集光レンズ６００は受光面６０２と出光面６０４を含む。集光レンズ６００の第１側面６０６は、受光面６０２と出光面６０４を接続する。集光レンズ６００の第２側面６０８は、第１側面の反対側にあり、同様に受光面６０２と出光面６０４を接続する。出光面６０４は、屈折面を形成する傾斜面６１０を含む。
【0095】
受光面６０２は、隣接する第１平面６１２と第２平面６１４を分ける屈曲部６１１含むが、それでも一体の材料である。第１平面６１２は第１焦点面を部分的に画定し、第２平面６１４は第２焦点面を部分的に画定する。屈曲部６１１はある角度を形成する。結果として、平行な光線が受光面６０２に入ったときに、第１平面６１２に入った光線は第２平面６１４に入った光線とは異なる屈折変化を受ける。よって、全ての光線を単一の焦点に集めるように、第１平面６１２の反対側の傾斜面は、第２平面６１４の反対側の傾斜面とは異なるセットの屈折角を有する。
【0096】
屈曲部６１１は、適当な如何なる角度を形成することもできる。例えば屈曲部は、５度未満、１０度未満、１５度未満、２０度未満、２５度未満、３０度未満、３５度未満、４０度未満、４５度未満、５５度未満、６５度未満、７５度未満、９０度未満、他の適当な角度未満、又はそれらの組み合わせ、の角度を形成することができる。
【0097】
この実施形態は第１及び第２平面だけを備えるように描かれているが、ここに記載の原理に従って如何なる数の平面を使用することもできる。例えば、受光面は、受光面の相対的傾斜が徐々に急になるようにする第１屈曲部と第２屈曲部を含むことができる。
【0098】
図７は、別の集光装置７００の例を示している。この例では、集光装置７００は、上述のように、互いに対してオフセット角度が交互になる集光レンズ７０２を含む。この例では、交互オフセットレンズ７０２のそれぞれが、光を受光部材７０６上のオフセット焦点７０４に向ける。
【0099】
受光部材７０６は、光電池、衣料品、容器、建築部材などとすることができる。しかしながら、図７に示されるように、受光部材７０６は、流体の流れを収容するようにされた通路の一部を形成するパイプとすることができる。受光部材７０６は、オイル、水、気体、又は他のタイプの流体のような流体を適当な如何なる供給源から受けることもできる。通路は、流体を適当な如何なる通路を通して送ることもできる。図示の例では、通路の第１部分７０８は受光部材７０６に形成されている。通路の第２部分７１０は交互の集光レンズ７０２によって部分的に画定されている。通路の第２部分７１０は、透明材料によっても部分的に画定され、共同で流体通路を画定している。
【0100】
透明材料７１２と集光レンズ７０２は通路の第２部分７１０を構成するスペースを画定する。第１バルブ７１４は通路の第２部分７１０に入る流体の流れを制御し、第２バルブ７１６は通路の第２部分７１０から出ていく流体の流れを制御する。第２部分７１０内の流体圧は第２部分７１０内の満たされていないスペースを減らすのに適切にされ、集光装置７００の効率に影響し得る気泡や他の不純物を無くすことを目的とした排気口（図示しない）又は他の機構を含むことができる。第２部分７１０内の各光学的境界は少なくとも小さな屈折を生じさせうる。また、第２部分７１０に入ることによる液体の慣性によって表面角度が動的に変化するので、液体表面が通路の第２部分７１０に入った時に屈折が生じうる。満たされていない隙間がないように第２部分７１０内の流体圧を制御することによって、光学的境界の数を低減させ、それらの角度を制御して、液体が第２部分７１０内でレンズの一体となっている部分を形成する。
【0101】
透明材料７１２を通して送られた太陽エネルギーは、流体が通路の第２部分７１０内にある間に、その流体を温めることができる。太陽エネルギーは受光部材７０６の上に集められるので、流体が通路の第１部分７０８に到達したときにその流体の温度はさらにいっそう上昇する。このようにして、流体は少なくとも二段階で温められる。
【0102】
上述の例は傾斜面が集光レンズの出光面にあるものとして説明されているが、いくつかの例では、傾斜面が受光面に組み込まれる。このようなタイプの例では、傾斜面は受光面と出光面の両方に組み込まれる。他の例では、傾斜面は受光面だけに組み込まれる。
【0103】
代わりに、上述の例は傾斜した屈折面を使用して光をレンズを通して所望の物体上に制御して向けるという文脈で説明しているが、如何なる数の光屈折又は変更した幾何学的形状若しくは表面を、受光面で受けた光を予想どおりに向けるために使用することができる。１つの例示的な実施形態によると、メタオプティクスは、ここでの例示的なシステムによると、ソーラーパネルとともに使用するため、加熱のため、又は他の集光目的のために、制御可能に光を向けるために使用可能である。メタオプティクスは、それを通過するときに少なくとも可視光を曲げるメタサーフェス（meta-surfaces）として知られる１つ以上の微小導波路の極小アレイ（ultrathin arrays of waveguides）を含むことができる。図８は、例示的なメタオプティクスの走査電子顕微鏡画像を示している。図８に示されるように、メタオプティクスのレンズ８００は、上述のように、複数段階での加熱のためのチャンバーの構造を有するか又は有さないフラットパネルに形成することができる。導波路のメタサーフェスは、高い屈折率によって光を強く閉じ込めることができるさまざまな材料で作ることもでき、その材料には、これらに限定するわけではないが、二酸化チタン、二酸化銀、又はグラフェンが含まれる。加えて、メタサーフェスは、受光した光を所望の表面上に選択的にかつ精確に集光するように、形成、構造化、及び調整することができる。メタサーフェスは、これらに限定するわけではないが、パターニング、ドライエッチング、ウェットエッチング、電子ビームリソグラフィー、及び／又は３Ｄプリンティングを含むさまざまな相加法又減法を使用して形成することができる。したがって、従来のレンズシステムに比べて、効率を向上させながら、重量及び厚さを低減することが可能である。
【0104】
当該システムのさまざまな使用及び形態を個々に説明してきたが、システム及び形態のそれぞれはハイブリッドシステムを作り出すように組み合わせることができる。例えば、図７に示される流体で満たされた第２部分７１０は、単一システムにおいて、光電池の受光部材７０６に組み込むことができる。このシステムによれば、流体は、効率的に光を光電池の受光部材７０６に伝達及び集光しながら、流体が満たされた第２部分７１０の中で温められる。加えて、上述のコンポーネントは、限定するわけではないが、衣料品、建物及び建築部材、窓、乗り物、調理器具、ヒートポンプ、殺菌システム、並びに他の熱エネルギー消費システムの加熱を含むさまざまな環境及びターゲットに適用するために、さまざまな形態及び（マクロレベルからマイクロスケールまでの）サイズで組み合わせることができる。
【0105】
本開示の集光レンズは、様々な他の集光装置及びより一般的には太陽光収集システムに実装することができる。例えば、集光レンズは、複数の異なる入射角から受け取る太陽放射を集中させるようにされた集光装置に実装することができる。図９には、集光装置９２０を備える一例のシステム９００の等角図が示されている。集光装置９２０は、複数の異なる入射角からの太陽放射を受けて太陽放射を熱搬送媒体上に集中させるようにすることができる。複数の集光レンズが、レンズの少なくとも１つのサブセットが太陽放射を受けることができる集光装置９２０に配列を画定するようにできる。これは、太陽が太陽の弧状軌道に沿って動くときに、集光装置９２０が太陽エネルギーを受けることを可能にする。
【0106】
概略図として、図９は、集光装置９２０に対する太陽９０２を示している。太陽９０２は、概して、第１位置Ａと第２位置Ａ’の間の太陽の弧状軌道９０４に沿って動く。太陽９０２は、第１位置Ａにあるときには、方向Ｄ１に沿って太陽放射を放出する。太陽９０２は、第２位置Ａ’にあるときには、方向Ｄ２に沿って太陽放射を放射する。集光装置９２０は、太陽９０２からの太陽放射を第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２から受けて、太陽放射を集光装置９２０内に保持された熱搬送媒体に向けて集中させるようにすることができる。太陽放射が、レンズ及び集光装置の他の光学部品９２０を動かしたり操作したりすることなく、受け取られるようにできる。
【0107】
集光装置９２０は、実質的に円筒形の本体９２２を有するものとして図９の概略図に示されている。円筒形本体９２２は、集光装置９２０が集光装置９２０の入力端９２４ａと出力端９２４ｂの間に熱搬送媒体を向けることを可能とするパイプ、チューブ、導管、又は他の構造体を画定している。入力端９２４ａにおいて、集光装置９２０は入力流れ９９２ａを受け入れることができる。出力端９２４ｂにおいて、集光装置９２０は出力流れ９９２ｂを放出することができる。
【0108】
熱搬送媒体は、入力端９２４において入力流れ９９２ａにより集光装置９２０に導入することができる。熱搬送媒体は、太陽９０２からの熱エネルギーを集光装置９２０を介して受けることができる。熱搬送媒体は、太陽の弧状軌道９０４に沿った太陽９０２の位置にかかわらず、太陽９０２からの熱エネルギーを集中した形態で受けることができる。説明のために、熱搬送媒体は、太陽９０２が第１位置Ｄ１にあるときに太陽９０２からの熱エネルギーを受けることができる。熱搬送媒体はまた、太陽９０２が第２位置Ｄ２にあるときにも太陽９０２からの熱エネルギーを受けることができる。場合によっては、熱搬送媒体は、太陽の弧状軌道９０４に沿った実質的に如何なる位置にある太陽９０２からの熱エネルギーも受けることができる。したがって、集光装置９２０は、集光装置９２０のレンズ又は他の光学部品を動かしたり操作したりすることなく、日中を通して熱エネルギー伝達を受けるようにすることができる。
【0109】
上記を促すために、集光装置９２０は、図１０の断面図に示すように、外側部材９３０、内側部材９４０、及び集光レンズ９５０の配列を備える。外側部材９３０は、熱エネルギーを通して受けるようにされた集光装置９２０の第１部分とすることができる。外側部材９３０は、外側部材の第１面９３２と、外側部材の第２面９３４を有する。外側部材９３０は、外側部材の第１面９３２と外側部材の第２面９３４との間に画定される外側部材９３０の厚さ部分を通して光を受ける、透明な又は部分的に透明な構造体とすることができる。外側部材９３０は、実質的に円筒状の部材とすることができ、また集光装置９２０の軸線に沿って延びるチューブ又はパイプを画定するようにできる。
【0110】
内側部材９４０は、熱搬送媒体を囲むようにされた集光装置９２０の第２部分とすることができる。第２部分は、光学レンズの周囲からの太陽放射を受ける受光部材とすることができる。例えば、内側部材９４０は、容積９４６を画定するパイプ又はチューブを有するか、それを画定するか、又はそれに関連付けられたものである。内側部材９４０は、内側部材の第１面９４２と内側部材の第２面９４４とを有する。内側部材の第１面９４２と内側部材の第２面９４４は、例えば、その中に画定される容積を有するパイプの相互に反対側の面を画定することができる。
【0111】
一例においては、部材９４０は、少なくとも部分的に銅管から形成することができる。銅管は、一例として約３８６．０Ｗ／ｍ－Ｃの熱伝導率を有し、エネルギーを熱搬送媒体に伝達する熱吸収特性を提供しながら、システムの全体コストを低減することができる。銅管は、高温に対して設計された塗料でコーティングすることができる。一例の塗料は、マサチューセッツ州エバレットのＤａｍｐｎｅｙ社のＴｈｕｒｍａｌｏｘ（登録商標）シリーズのコーティングを含む。これに関連して、内側部材９４０は、華氏５００度（摂氏２６０度）又はそれ以上の温度に対する耐熱性のような、実質的に耐熱性とすることができる。コーティングはまた、所定の用途に対して適するように、外側部材９３０の選択部分に塗布することができる。
【0112】
図１０の例においては、外側部材９３０及び内側部材９４０は、実質的に同心状の部品として示されている。環状領域９３６が、実質的に外側部材９３０と内側部材９４０との間に画定されるようにできる。環状領域９３６は、任意に、真空又は部分真空とすることができる。環状領域９３６は、図１０において集光装置９２０の長手軸線の周りで実質的に対称に示されているが、ここでは他の形状及び配置も考えられる。例えば、内側部材９４０と外側部材９３０とのうちの一方又は両方を、ぴったりとしたコイルのような、コイルの形状にすることができる。コイルは、熱エネルギーの逃げを軽減するために、コイルの中心の周りで巻かれて該中心へと延びるようにできる。コイルは、一例としてプリント可能なステンレススチールを使用して、３Ｄプリントされたコイルとすることができる。一例の材料は、イリノイ州エルジンのＵｄｄｅｈｏｌｍ ＵＳＡによって流通されるＣｏｒｒａｘ（登録商標）製品を含む。これに関連して、環状領域９３６は、外側部材９３０と内側部材９４０との間に画定される如何なる適当な形状とすることができる。
【0113】
外側部材及び内側部材９３０、９４０は、それらの間にレンズ９５０の配列を保持するようにすることができる。例えば、外側部材及び内側部材９３０、９４０は、環状領域９３６内にレンズ９５０の配列を保持するようにすることができる。図１０には、例示的な第１集光レンズ９５０ａがレンズの第１面９５２ａとレンズの第２面９５４ｂを有するものとして示されている。レンズの第１面９５２ａは、外側部材９３０に関連付けられるようにできる。例えば、レンズの第１面９５２ａは、外側部材９３０に隣接して又は外側部材９３０に実質的に面して配置されるようにできる。レンズの第２面９５４ａは、内側部材９４０に関連付けられるようにできる。例えば、レンズの第２面９５４ａは、内側部材９４０に隣接して又は内側部材９４０に実質的に面して配置されるようにできる。
【0114】
第１集光レンズ９５０ａは、外側部材９３０を通った太陽放射をレンズの第１面９５２ａにおいて受けるように幅広く構成することができる。第１集光レンズ９５０ａは、ここに説明されたレンズのいずれかのような屈折レンズとすることができる。第１集光レンズ９５０ａは、より一般的には、太陽放射を受けてその太陽放射をレンズの第２面９５４ａに向け、レンズの第２面９５４ａにおいてその太陽放射が内側部材９４０に向かって放出されるように構成することができる。太陽放射は、第１集光レンズ９５０ａを通る伝播によって集中されるようにできる。一例として、レンズの第２面９５４ａは、太陽放射が第１集光レンズ９５０ａから放出されたときにその太陽放射を共通の焦点に向ける複数の屈折面を画定することができる。他の場合には、レンズの第２面９５４ａは、実質的に内側部材９４０上での集中のために、光を共通の焦点に向かって移行する１つ又は複数の滑らかな又は連続している起伏面を含むことができる。当該実施形態においては、太陽放射は、レンズの第２面９５４ａから第１焦点９５６ａに向かって伝播される。第１焦点９５６ａは、図１０に示すように、実質的に内側部材９４０上に画定することができる。他の場合には、第１焦点９５６ａは、実質的に内側部材９４０の本体の中に画定することができ、これには容積９４６の中であることも含まれる。第１焦点９５６ａは、第１集光レンズ９５０ａの有効焦点距離に基づいて調節することができる。約１５ｍｍから２５ｍｍの焦点距離を用いることができる。
【0115】
集光レンズ９５０の配列は、内側部材９４０すなわち受光部材上での光の全方位集光を容易にするために、如何なる適切な数の集光レンズを有することもできる。例えば、集光レンズ９５０は、内側部材９４０の外周の周りなどの、内側部材９４０の周りに配置することができる。場合によっては、集光レンズ９５０は、内側部材９４０の周りで周方向に実質的に均等に間隔を開けられているようにすることができる。この配列は、太陽の弧状軌道９０４に沿った太陽９０２の所与の位置に対して集光レンズ９５０のうちの少なくとも１つ又は複数が太陽９０２に実質的に直接的に面するようにして、太陽の弧状軌道９０４を通って太陽が移動するときに、集光レンズ９５０のサブセットが太陽９０２からの太陽放射を受けることを可能にする。これに関連して、当然のことながら、太陽９０２の様々な異なる方位及び高度からの太陽放射を捕捉するために、如何なる適当な数の集光レンズ９５０を集光装置９２０に統合することもできる。この図示の例では、２０個の集光レンズが設けられている。しかしながら、他の場合においては、少なくとも３０個のレンズ、少なくとも５０個のレンズ、少なくとも７０個のレンズ、少なくとも１００個のレンズ、又はそれ以上の数のレンズなどの、より多いか又はより少ないレンズを内側部材９４０の周りに設けることができる。
【0116】
集光レンズの配列の各レンズは、光を内側部材９４０上の又は内側部材９４０に近接した焦点に向かって集中させるようにすることができる。配列の各集光レンズは、それぞれの焦点を有することができる。説明目的のために、第２集光レンズ９５０ｂは、レンズの第１面９５２ｂ及びレンズの第２面９５４ｂを有するものとして示されている。第３集光レンズ９５０ｃは、レンズの第２面９５２ｃ及びレンズの第２面９５４ｃを有するものとして示されている。第２及び第３集光レンズ９５０ｂ、９５０ｃは、実質的に第１集光レンズ９５０ａと同様なものとすることができる。第２集光レンズ９５０ｂは、光を集中させて第２焦点９５６ｂに向けるようにすることができる。第３集光レンズ９５０ｃは、光を集中させて第３焦点９５６ｃに向けるようにすることができる。
【0117】
第１、第２、及び第３焦点９５６ａ、９５６ｂ、９５６ｃは、それぞれ、受光部材すなわち内側部材９４０上の異なる位置とすることができる。例えば、第１、第２、及び第３焦点９５６ａ、９５６ｂ、９５６ｃは、集光レンズの周方向の間隔に概して対応する、内側部材９４０の周りでの周方向の間隔が開けられているようにできる。他の場合においては、集光レンズの１つ又は複数が、集光レンズの焦点の１つ、いくつか、又は全てが互いに重なるようにして、配置されているようにすることができる。
【0118】
図１１Ａは、集光レンズ９５０ａの１１Ａ－１１Ａでの詳細図を示している。集光レンズ９５０ａは、レンズ本体９５１ａを有している。レンズ本体９５１ａは、実質的にシリンドリカルロッドレンズを画定している。ロッドレンズは、レンズの第１面９５２ａ上に画定された表面輪郭Ｓ１を有する。ロッドレンズは、レンズの第２面９５４ａ上に画定された表面輪郭Ｓ２を有する。第１及び第２表面輪郭Ｓ１、Ｓ２は、ロッドレンズをバイコーニック（biconic）又は類似のタイプの表面としてモデリングすることによって、太陽放射集中に最適化することができる。回転対称な円錐表面に比べて、バイコーニック面は、異なる曲率とＸ方向及びＹ方向の円錐パラメータとともに、更に２つの自由度を有する。表面輪郭Ｓ１、Ｓ２は、よって、球面収差、コマ収差、及び一次非点収差などの一次収差並びに二次非点収差の補正と同様な方法で、調整することができる。場合によっては、半マドックス（half Maddox）光学構造を利用することができる。追加的に又は代替的に、表面輪郭Ｓ１、Ｓ２の一方又は両方が、図１－８の集光レンズについて説明したように複数の屈折面を有するようにできる。
【0119】
シリンドリカルロッドレンズの一例に関して、図１１Ｂは別の集光レンズ９５０’の等角図を示している。図１１Ｂの例においては、第１表面輪郭Ｓ１は、実質的に円筒部分９５３によって画定されている。また、第２表面輪郭Ｓ２は、実質的に円筒部分９５３の反対側の突出部分９５５によって画定されている。場合によっては、突出部分９５５は、焦点軸９５６に向かって放射を放出するように調整することができる。例えば、突出部分９５５は、光を収束のために焦点軸９５６上に向ける１つ又は複数の屈折面を画定することができる。
【0120】
図１１Ｂはさらに、軸方向面９５９を有するものとして集光レンズ９５０’を示している。複数の集光レンズは、集光装置の軸線に沿って互いに配列されるようにできる。場合によっては、集光レンズは、集光レンズ９５０’の軸方向面９５９が別の集光レンズの軸方向面に係合した状態で、端と端が接続されているようにできる。これは、パイプ又は熱搬送媒体を包含する他の受光部材の長さ全体に沿って焦点軸の軸方向長さを画定するのに有益となり得る。集光レンズ９５０’はまた、周方向面９５８を有することができる。説明されているように、集光レンズは、受光部材の周りに周方向に配列することができる。これに関連して、集光レンズ９５０’は、周方向面が別の集光レンズの周方向面と係合した状態で、他のレンズと横に並んで接続されているようにできる。
【0121】
図１２には、集光装置１２２０の断面図を含む、システム１２００が示されている。システムは、第１位置Ａ及び第２位置Ａ’にある太陽１２０２を含む。第１及び第２位置Ａ、Ａ’は、太陽の弧状軌道１２０４に沿って配置されている。太陽１２０２は、に第１位置Ａで第１方向Ｄ１に太陽放射を放出する。太陽は、第２位置Ａ’で第２方向Ｄ２に太陽放射を放出する。集光装置１２２０は、図９－１１Ｂに関連して上述した集光装置９２０と実質的に同様なものとすることができ、以下を備えることができる：外側部材１２３０、外側部材の第１面１２３２、外側部材の第２面１２３４、真空１２３６、内側部材１２４０、内側部材の第１面１２４２、内側部材の第２面１２４４、流体容積１２４６、集光レンズ１２５０、レンズの第１面１２５２、レンズの第２面１２５４、及び焦点１２５６。これらの冗長な説明は明確性のために省略する。
【0122】
図１２は、内側部材１２４０の流体容積１２４６内に搬送媒体１２６０を含んでいる集光装置を示している。搬送媒体１２６０は、熱エネルギーを集光装置１２２０を通して受けてその熱エネルギーをその後の使用のために蓄える如何なる適当な流体とすることもできる。例えば、搬送媒体１２６０は、集光装置１２２０に入れられたときに、最初は低温であるようにできる。搬送媒体１２６０は、熱エネルギーを流体容積１２４６内で受けることができる。熱搬送媒体１２６０は、太陽の弧状軌道１２０４に沿った太陽１２０２の位置にかかわらず、熱エネルギーを受けることができる。例えば、太陽１２０２が第１位置Ａにあるときに、集光レンズの配列は、協働して、エネルギーを受けて流体容積１２４６及びその中に保持された搬送媒体１２６０に向かって集中させる。また、太陽１２０２が第２位置Ａ’にあるときに、集光レンズの配列は、協働して、エネルギーを受けて流体容積１２４６及び搬送媒体１２６０に向かって集中させる。次いで、搬送媒体１２６０は、集光装置１２２０に入ったときの搬送媒体の温度から増加又は実質的に増加した温度のような、上昇した温度を有して、集光装置１２２０から出ることができる。熱搬送媒体１２６０は、続いて熱システムの他の部品に回されて、搬送媒体１２６０からエネルギーが抽出されるようにできる。一例として、搬送媒体１２６０は、搬送媒体１２６０からのエネルギーが家庭用給水を加熱するために使用される熱交換器に回されるようにできる。ここでは多くの流体が可能であり想定できるが、実例の搬送媒体には、水、グリコール／水混合体、炭化水素油、冷却剤／相変化流体、シリコーン、溶融塩、分子太陽熱エネルギー貯蔵、又はゼオライトベース熱貯蔵のうちの１つ又は複数が含まれる。
【0123】
いくつかの例では、本開示の様々な集光装置は、複数の異なるエネルギー源からのエネルギーを収集するように動作可能なエネルギー収集システムに組み込むことができる。例えば、集光装置は、太陽エネルギーと風力エネルギーの両方を収集するようにされたエネルギー収集システムに組み込むことができる。太陽エネルギーと風力エネルギーは、同じ装置を使って実質的に同時に捕捉されるようにできる。これは、システム全体の設置面積を低減させながら、システムのエネルギー収集密度を向上させることを可能にする。
【0124】
図１３には、一例のエネルギー収集システム１３００が示されている。エネルギー収集システム１３００は、太陽エネルギーと風力エネルギーを捕捉するようにされている。太陽エネルギーの捕捉に関して、エネルギー収集システム１３００は集光装置１３２０を備える。集光装置１３２０は、集光装置９２０及び１２２０と実質的に同様なものとすることができ、外側部材１３３０、外側部材の第１面１３３２、外側部材の第２面１３３４、容積１３３６、内側部材１３４０、内側部材の第１面１３４２、内側部材の第２面１３４４、流体容積１３４６、レンズ１３５０、レンズの第１面１３５２、レンズの第２面１３５４、焦点１３５６、及び搬送媒体１３６０を備えるが、これらの冗長な説明は明確性のために省略する。
【0125】
上述の類似性にかかわらず、システム１３００はさらに、風力エネルギー１３０２を収集するようにされた捕捉機構１３１０を備える。捕捉機構１３１０は、集光装置１３２０の外側部材１３３０に関連付けられ、概して風１３０２の動きとともに回転することができる。例えば、集光装置１３２０は、外側部材１３３０が内側部材１３４０に対して可動であるように構成することができる。場合によっては、外側部材１３３０は、内側部材１３４０に対して浮いている。これに関連して、捕捉機構１３１０は、外側部材１３３０と一体とされて、風力エネルギー１３０２を収集して外側部材１３３０の動きを促進するようにできる。外側部材１３３０の動きは、電力貯蔵のための電流を発生させるために使用することができる。
【0126】
上記を促進するために、捕捉機構１３１０は、図１３に示す第１ブレード１３１２ａ及び第２ブレード１３１２ｂなどの、複数のブレード１３１２を備える。複数のブレード１３１２は、外側部材１３３０の周りで周方向に間隔を開けられているようにできる。ブレード１３１２の１つ又はいくつか又は全てを、それらを横切る空気流を受けたときに揚力を発生させるようにされた空力ブレードとすることができる。図１３の例においては、第１ブレード１３１２ａは、ブレード遠位端１３１６とブレード近位端１３１４との間を延びるブレード本体１３１８を有する。ブレード本体１３１８は、空気力学的形状を画定することができる。ブレード近位端１３１４は、外側部材１３３０から延びているようにできる。ブレード遠位端１３１６は、ブレード１３１２ａの自由端とすることができる。ブレード近位端１３１４は、外側部材１３３０にしっかりと固定されているようにできる。これに関連して、ブレード１３１２の動きにより外側部材１３３０の動きが生じるようにできる。外側部材１３３０の動きは、その後の電力消費のために蓄電される電流を発生させるために使用することができる。集光レンズの配列は、捕捉機構１３１０が風力エネルギー１３０２を収集している間に、受光部材上での光の全方位集光を行い続けるようにすることができる。
【0127】
本開示の集光装置の実質的に軽量で小型な設計により、様々な場所への設置に対する集光装置の適用性を向上させることが可能となる。例えば、集光装置は、十分な太陽放射を受ける場所への設置において既存の設備を利用することができる。これは、集光装置を支持するための新たな独立型施設の建設を避けることによって、設置コストを減らすことを可能にする。
【0128】
図１４には、風力タービン１４０１に設置された集光装置１４２０を備える一例のシステム１４００が示されている。集光装置１４２０は、ここに記載の集光装置９２０及び１２２０と実質的に同様なものとすることができる。例えば、集光装置１４２０は、集光レンズの配列を利用して受光部材に向けての光の全方位集光を容易にすることができる。これに関連して、搬送媒体は、搬送媒体入口１４２２において集光装置１４２０に導入されるようにできる。搬送媒体は、集光レンズの配列を介して熱エネルギーを受けることができる。搬送媒体は、搬送媒体出口１４２４において、上昇した温度を有して、集光装置１４２０から排出されるようにできる。
【0129】
風力タービン１４０１は、風力エネルギーを捕捉するために使用されるシステムとすることができる。集光装置は、風力タービン１４０１の構造体に設置され、それにより太陽エネルギーの捕捉のために風力タービンの設置面積と構造体を利用することができる。図１４の例においては、風力タービンは、ベース１４０２と、ベース１４０２から延びるタワー１４０４とを備える。タワー１４０４は、タワー表面部１４０６を有することができる。集光装置１４２０は、タワー表面部１４０６において風力タービン１４０１に設置することができる。一例として、集光装置１４２０はタワー１４０４の高さに沿って延びるようにできるが、他の構成も可能である。風力タービン１４０１はさらに、モータ組立体１４０８及びブレード組立体１４１０を有するものとして図１４には示されている。
【0130】
図１５には、トラック１５０１に設置された集光装置１５２０を備える一例のシステム１５００が示されている。集光装置１５２０は、ここに説明された集光装置９２０及び１２２０と実質的に同様なものとすることができる。例えば、集光装置１５２０は、集光レンズの配列を利用して受光部材に向けての光の全方位集光を容易にすることができる。これに関連して、搬送媒体は、搬送媒体入口１５２２において集光装置１５２０に導入されるようにできる。搬送媒体は、集光レンズの配列を介して熱エネルギーを受けることができる。搬送媒体は、搬送媒体出口１５２４において、上昇した温度を有して、集光装置１５２０から排出されるようにできる。
【0131】
トラック１５０１は、運転室１５０２とトレーラ１５０４を備える。場合によっては、トラック１５０１は、冷蔵ユニット１５０８を有する冷蔵トラックとすることができる。集光装置１５２０は、トレーラ１５０４のトレーラ上面１５０６に設置することができる。場合によっては、集光装置１５２０は、熱電冷却システムの駆動を支援するために、冷蔵ユニット１５０８と一体にすることができる。例えば、集光装置１５２０は、ペルチェ効果を用いて２つの異なるタイプの材料の接合部で熱流束を生成する熱電冷却システムを駆動するために使用することができる。例えば、固体アクティブヒートポンプ（solid-state active heat pump）が、電気エネルギーを消費しながら、電流の方向に応じて、熱をデバイスの一方の側から他方の側に伝達するペルチェ冷却器を使用することができる。また、トレーラ上面１５０６の実質的に平らな輪郭は、集光装置の適した設置台を提供することができる。
【0132】
図１６には、輸送コンテナ１６０２に設置された集光装置１６２０を備える一例のシステム１６００が示されている。集光装置１６２０は、ここに説明された集光装置９２０及び１２２０と実質的に同様なものとすることができる。例えば、集光装置１６２０は、集光レンズの配列を利用して受光部材に向けての光の全方位集光を容易にすることができる。これに関連して、搬送媒体は、搬送媒体入口１６２２において集光装置１６２０に導入されるようにすることができる。搬送媒体は、集光レンズの配列を介して熱エネルギーを受けることができる。搬送媒体は、搬送媒体出口１６２４において、上昇した温度を有して、集光装置１６２０から排出されるようにできる。集光装置１６２０はコンテナ上面１６０４上に設置されて示されている。
【0133】
ここに説明された実施形態の様々な効果について読み手の理解を助けるために、ここでプロセス１７００が示されている図１７のフロー図を参照する。ここに示した方法の具体的なステップ（及びステップの順番）が示されており以下に説明するが、ここに提示された教示に一致する他の方法（示されたステップよりも多くのステップ、少ないステップ、又は異なるステップを含む）も想定され、またそれらは本開示に包含される。
【0134】
動作１７０４において、流体が受光部材を通して導かれる。例えば、図１２を参照して、搬送媒体１２６０は内側部材１２４０を通して導かれる。内側部材１２４０は、集中された太陽放射を受ける受光部材とすることができる。搬送媒体１２６０は、水、グリコール／水混合体、炭化水素油、冷却剤／相変化流体、シリコーン、溶融塩、分子太陽熱エネルギー貯蔵、又はゼオライトベース熱貯蔵のうちの１つ又は複数を含むことができる。搬送媒体１２６０は、循環ポンプによって内側部材を通して導かれるようにできる。
【0135】
動作１７０８において、第１方向からの光が、受光部材上の第１焦点に向かって集光される。例えば、図９及び図１２を参照して、第１方向Ｄ１からの光が、第１焦点９５６ａに向かって導かれる。光又は太陽放射は、第１方向Ｄ１に沿って伝播されるようにできる。太陽放射は、集光装置９２０によって受け取られるようにできる。太陽放射は、第１集光レンズ９５０ａを含む集光レンズのサブセットにより指向される。第１集光レンズ９５０ａは、放射を第１焦点９５６ａに向けるための１つ又は複数の屈折面及び／又は起伏面を有することができる。第１焦点９５６ａは、容積９４６内の搬送媒体の加熱を促すために内側部材９４０上にあるか又は内側部材９４０に近接している。
【0136】
動作１７１２において、第２方向からの光が、受光部材上の第２焦点に向かって集光される。例えば、図９及び図１２を参照して、第２方向Ｄ２からの光が、第２焦点９５６ｂに向かって導かれる。光又は太陽放射は、第２方向Ｄ２に沿って伝播されるようにできる。太陽放射は、集光装置９２０によって受け取られるようにできる。太陽放射は、第２集光レンズ９５０ｂを含む集光レンズのサブセットにより指向される。第２集光レンズ９５０ｂは、放射を第２焦点９５６ｂに向けるための１つ又は複数の反射面及び／又は起伏面を有することができる。第２焦点９５６ｂは、容積９４６内の搬送媒体の加熱を促すために内側部材９４０上にあるか又は内側部材９４０に近接している。
【0137】
他の例及び実施が、明細書及び添付の請求項の範囲及び精神の中にある。例えば、機能を実現するための特徴は、機能部が異なる物理的位置で実装されるように分散することを含む、さまざまな位置で物理的に配置することもできる。また、特許請求の範囲を含むここでの使用において、「少なくとも１つの」で始まるアイテムのリストにおける「又は」は、例えば、「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」が、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ（すなわちＡとＢとＣ）を意味するように、選言的なリストを示している。さらに、「例示」との用語は、説明した例が好ましいか又は他の例よりも良いことを意味するわけではない。
【0138】
説明目的のための上述の記載は、説明した実施形態の完全な理解を提供するために具体的な名称を使用している。しかしながら、説明した実施形態を実施するために具体的詳細が要求されないことは当業者にとって明らかである。よって、ここに説明した具体的な実施形態の上記説明は、例示および説明の目的で提示されている。それらは、網羅的であることや、実施形態を説明した正確な形態に限定することを目的とはしていない。上記教示を考慮して多くの変更や変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【国際調査報告】