JP2004504232A - 太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

ハニカムパネル（１）に取り付けられる軽量の反射板（３）に基づく宇宙空間太陽光集光装置が記載される。反射板（３）の一体化は高いモジュール性を可能にする。太陽電池パネルの展開は、二次元の展開の概念を用いる場合であっても、反射板（３）によって乱されることはない。各反射板（３）は、列（２）として配列される小型の鋸歯からなり、その間に太陽電池の列を有する。低い集光性が、高いレベルの熱制御と、高い光学的効率とを用いて達成される。小さな指向のずれが生じるとき、太陽光束分布は依然として各電池において同一である。それは、パネル全体における良好な電気的な制御および管理を保証する。反射板（３）は、発射後に展開される軽量で硬質のフレーム上に固定される薄いフィルムから形成されることが好ましい。別の実施形態では、反射板は展開式ではなく、パネル基板の一部である。収納された形状によって、太陽電池パネルは重なり合うことができるようになる。反射板の高い反射率は、優先的に銀で表面保護された真空蒸着アルミニウム用いることに起因する。

Description

【０００１】
本発明は太陽光集光装置に関し、詳細には太陽電池パネルを形成するための宇宙空間用の太陽光集光装置に関する。
【０００２】
宇宙船は典型的には主要エネルギー源として太陽電池を搭載する。太陽電池は、放射太陽光に曝露されるように配置され、その向きを定められる。
【０００３】
姿勢安定化制御の宇宙船において、太陽電池は典型的には平坦なアレイに配列され、宇宙船の船体の両側から延在する太陽電池翼に搭載される。太陽電池翼は、できる限り放射太陽光に直交するように姿勢を保持するために回転することが望ましい。太陽電池翼は、その展開された形状において非常に長くなる可能性があるので、一般には、宇宙船の発射時には、より小さな収納された形状に折りたたまれるように、蛇腹状の配列（一次元展開）あるいは敷石状の配列（二次元展開）に互いに結合される複数の平坦な太陽電池パネルから形成される。
【０００４】
宇宙船によって搭載されなければならない太陽電池の数は、想定される宇宙船電力需要と太陽電池の効率との関数である。効率の高い太陽電池は、ある特定の宇宙船によって必要とされる太陽電池の数を削減するが、非常にコストが高い。太陽電池の数とともに、重量および重量に関連するコストも増加するので、宇宙船が搭載しなければならない太陽電池の数を削減することには大きな動機がある。
【０００５】
したがって、太陽電池パネルに隣接して配置され、かつ太陽電池上にさらに多くの放射太陽光を反射するように向きを定められる反射表面を用いることにより、放射太陽光を太陽電池上に集光するための努力が続けられている。こうして、何もしなければ太陽電池翼を通過してしまう放射太陽光が、太陽電池に入射するように向きを変更される。このさらに多くの反射された放射太陽光を有用なエネルギーに変換する際の太陽電池の効率は典型的には、主に太陽電池の温度が高いことと入射角が傾斜することとに起因して、直接に入射する放射太陽光の場合よりも小さいが、太陽光を集光することにより、宇宙船の太陽電池の数を著しく低減できるようになり、結果として宇宙船の重量およびコストが削減される。放射太陽光を集光するための硬質および可撓性の反射板が提案されており、一般には可撓性反射板が重量に関して有利である。典型的な可撓性反射板システムは、米国特許第６，０１７，００２号および第６，０５０，５２６号に示される。典型的な硬質反射板システムは、米国特許第５，５２０，７４７号に示される。
【０００６】
これらの反射板システムは放射太陽光を集光するが、太陽電池パネルに隣接してこれらの反射板を位置決めすることは、いくつかの問題を生じる。太陽電池温度が上昇し、結果として光電変換効率が低下する。位置決め誤差は、太陽電池パネル上の光束を不均一にし、電力管理が複雑になり、結果としてパネルの電力収集が減少する。
【０００７】
展開可能な反射板の場合に、反射板の位置およびその展開は、太陽電池パネルの二次元の展開（敷石状のパネル）と適合させるのが容易ではなく、その一次元の展開（蛇腹状のパネル）とのみ適合する。米国特許第５，５２０，７４７号に記載される反射板は、別の関連する問題を提起する。太陽光反射板は、太陽電池パネルの太陽電池面上に収納される。したがって、太陽電池パネルが収納位置にあり、反射板の展開が妨げられる間（たとえば、移行軌道）には、反射板は太陽電池パネルの利用を妨げる。さらに、反射板の展開中に障害が発生する場合には、宇宙船の発電全体が停止する危険性がある。
【０００８】
反射板による別のタイプの集光は、太陽電池パネル上に小型の反射板を分散させることである。上記のものとは異なり、反射板は太陽電池の列間に配置される。それにより、上記の問題点のうちのいくつかが低減されるか、あるいは解消される。その第２の態様による本発明はこの種の構成に関連する。米国特許第６，１８８，０１２号およびＷＯ００／７９５９３Ａ１も、この幾何学的な概念に基づくいくつかの実施形態を記載している。
【０００９】
米国特許第６，１８８，０１２号は展開可能な集光装置にのみ当てはまる。反射板の展開は、数種類のばねによって確実に行われる。展開した後、そのばねを用いて、反射フィルムに張力をかけておく。そのような装置の主な問題点は、宇宙空間において長時間経過した後に（食毎に起こる熱サイクルによって）生じる機械的な疲労である。電気通信用の宇宙船の場合、太陽電池アレイは、静止軌道において１５年間動作し続けなければならない。毎日１回の食が生じる。５，０００日以上の食によって、５，０００回以上の熱サイクルが生じることになる。ばねの弛緩に起因して反射板の張力が次第に変更される場合には、光学特性および照度の均一性が劣化するであろう。実効的な集光係数がゼロになり、宇宙船の発電に関して著しい損失が生じる。そのため、展開した後に、さらに移動して張力に損失が生じないようにするために、その反射フィルムは固定装置を必要とする。この特許はさらに展開／収納の概念を提示しているが、その有効性は完全ではない。反射板が収納される場合には、その長さは、展開された形状よりも見かけ上短くなる。写実的な図面は確かに、収納された形状の場合に、反射板フィルムが太陽電池を部分的に遮蔽していることを示すであろう。反射板が展開し損ねた場合には、反射フィルムは太陽電池への光を遮ることになり、結果的な発電はゼロになっているであろう。これは、本発明の一態様が回避することを目的とする別の問題点である。
【００１０】
ＷＯ００／７９５９３Ａ１は、自己展開式の反射板を用いる概念を提示している。それらは、収納された形状では明らかに電池への光を遮っている。展開した後には、結合用の機構は存在しない。格納中には、太陽電池パネルは従来どおりに、その間に少し隙間を残して積み重ねた状態で搭載される。収納された反射板はこの利用可能な空間を用いているが、収納された形状では固定機構が存在しないため、パネルｉの反射板は、隣接するパネル（ｉ＋１）からの反射板に抗して折りたたまれる。
【００１１】
この形状は、振動（たとえば、輸送中あるいは発射時）が反射フィルム上にかき傷を作り出し、光学特性を変更し、後に実効的な太陽光の集光を変更し、発電の損失を生じるようになるため問題である。
【００１２】
本発明の第１の態様による太陽光集光装置が請求項１に規定される。それは、コンパクトで頑強な構造を提供することを目的としており、その剛性は、楔形反射板と、ハニカムパネルとの組み合わせによって達成され、ハニカムパネルは冷却効率も高める。
【００１３】
この概念のさらに別の有利な実施形態が従属請求項に見られる。
【００１４】
硬質の反射板を用いる（一連の展開を用いない）場合、反射板の高さを著しく縮小するために（反射板の高さの４６％で、２：１の集光）、幾何学的な集中は１．６：１まで優先的（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ）に低減される。結果的な太陽電池アレイは、集光を行わない（反射板がない）場合のアレイに依然として非常に近い高さを有し、信頼性のない展開が行われず、その概念の信頼性は著しく高くなる。
【００１５】
本発明の第１の態様による太陽光集光装置は、太陽電池の列と反射板（鋸歯状）の列とが交互にパネルに取り付けられた、硬質の太陽電池パネルから構成される。その反射板は、２：１の集光係数で太陽光束を太陽電池に反射させるために、パネルの垂直線に対して３０°に向けられる場合がある。集光係数が２：１であるとき、幅は電池の幅と同じである。長さはパネル素子長と同じである。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、鋸歯（または楔形）反射板は展開可能であり、収納された位置では、反射板は電池の列と重なり合わない。
【００１７】
展開した後、反射板は太陽光束を収集し、それを電池に集光する。反射板を展開する前に、好ましい実施形態の１つは、パネル基板上に折りたたまれた反射板を用いて、折りたたまれた幾何学的形状を、集光装置を用いない従来の硬質パネルによって到達されるものと同程度にコンパクトに保持する。
【００１８】
本発明の第１および第２の態様によれば、反射板は、その上に金属を堆積した薄いフィルムから形成される場合がある。実施形態の１つでは、そのフィルムは、予め張力をかけた状態で、硬質で軽量のフレーム上に固定することができる。別の実施形態では、反射板の半分だけが硬質のフレームに固定されたフィルムから形成される。別の実施形態では、反射板は、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）あるいは薄いニッケル板のような硬質で軽量の材料から形成される。本発明の別の実施形態では、反射板は、硬質のフレームを用いることなく、縁部においてパネル基板に結合されるか、あるいはパネル構造に一体化される薄いフィルムから形成される。フィルムの形状は、パネルに結合され、鋸歯反射板の頂部に達するアーム（おそらく展開可能）による張力によって作り出される。
【００１９】
本発明では、反射板が太陽電池の列と置き換えられる。ＧａＡｓ太陽電池の重量は約０．８５ｋｇ／ｍ^２である。カバーガラス、接続子および配線を含むと、太陽電池の列の重量は約１．２ｋｇ／ｍ^２である。薄いフィルム製の反射板は劇的に軽量化される。たとえば、５０μｍ（２ミル）のカプトン（Ｋａｐｔｏｎ、登録商標）フィルムはわずか７１ｇ／ｍの重量しかなく、１０μｍのＮｉ合金シムはわずか８９ｇ／ｍ^２の重量しかない。収納固定、展開および最終的な結合用の構造的および機械的な部品をさらに含む場合でも、本発明の反射板を追加することにより、太陽電池パネルの重量が増加することは決してない。反射フィルムはカプトン以外の他の基板から形成されることができる。たとえば、マイラー（Ｍｙｌａｒ、登録商標）およびＬａＲＣ　ＣＰ−１フィルムが良好な代替材料である。
【００２０】
コストの観点から、太陽光反射板は等価な太陽電池面積よりもコストが低く、それは本発明のさらに別の改善形態を与える。
【００２１】
姿勢安定化制御の宇宙船は１軸追跡能力を装備されるため、その位置決めは東西面において比較的正確である（約±２°）。南北面において追跡は実行されない。その結果として、太陽に対するパネルの向きに季節変動が生じる。南北面において、約±２３．５°の変動が生じる。そのため、集光装置は多くの場合に直線的であり、追跡が実行された方向に太陽光を集光する。その目的を果たすために、本発明の反射板の列は南北軸に沿って向けられ、追跡軸においてのみ太陽光束を集光する。２：１の幾何学的集光を用いるトラフ型反射板タイプ、および太陽電池パネルに対して６０°に向けられた反射板は、追跡軸において±６．５°の指向のずれが生じるときに、収集効率の損失が１０％に達する。これは、姿勢制御が失われない場合には、決して生じない。他の軸において集光が実行されないため、集光を行わない太陽電池に比べて、季節変動は太陽光束の収集に大きな影響を及ぼさない。
【００２２】
太陽電池パネルに一体化された太陽光反射板を用いることにより、反射板が太陽電池パネルに隣接する先に述べた発明（トラフタイプ集光装置）と比べて、展開された太陽電池パネルの設計を、より多目的に、かつモジュール式にできるようになる。実際には、後者の場合には、太陽電池パネルの展開は、一次元の動き、すなわち蛇腹タイプにおいてのみ、より容易に行われるであろう。結果として翼幅が広くなり、位置合わせおよび制御が複雑になる。本発明は依然として、二次元の敷石状のようなさらに複雑な展開方式に適合する。そのモジュール性は、先に述べた発明と比べて著しく改善される。
【００２３】
太陽電池パネルの熱特性は１つの重要なパラメータである。
【００２４】
従来技術のトラフタイプ集光装置（たとえば、図２を確認されたい）は、パネル上の太陽光束を増加するが、余分な熱を容易に除去することができない。電池温度は３０〜４０°だけ上昇し、その結果、望ましくない電池効率の低下が生じる。これは主に、光束の収集表面が反射板によって増加するが、冷却が依然として同じ領域、すなわち冷たい宇宙空間環境に面しているパネルの背面および前面から行われていることに起因する。
【００２５】
本発明では、反射板はパネル上に搭載され、太陽光束は依然として、太陽電池列において同じ量だけ集光される。しかしながら、収集表面は著しく拡大されることはない。それは、集光しない太陽電池表面と概ね同じままであり、その際冷却表面は、太陽光照射表面と同じである。わずかな温度上昇のみが予想される。光電変換効率は、トラフ集光装置に比べて良好である。
【００２６】
１軸で太陽光を追跡する場合、現時点では、１°もしくは２°の指向のずれが生じる。パネル上の太陽光束の分布は乱される。その分布はもはや均一ではない。
【００２７】
トラフタイプの集光パネルでは、指向のずれによって、露出が過大になる電池の列もあれば、露出が過少になる電池の列もあるであろう。太陽電池は光電変換を行う。誘起された電流は、吸収された太陽光束に比例する。ある太陽電池の列は、他の太陽電池の列よりも大きな電流を生成するものもあるであろう。電池の直列接続は、そのような電流の変動と適合しない。電力管理に関する大きな改善が導入されなければ、この不均一性によって、パネル全体の電力収集に損失が生じる。
【００２８】
本発明は、この均一性の欠如に関する問題点によって悪影響を及ぼされない。各反射板の対が１つの電池列に作用するので、指向のずれによって、各電池の幅に沿って分布し、各電池の場合に同一である不均一な光束が誘起される。電池の光電変換は各電池および各電池列に同じ影響を及ぼす。この誘起された電流は依然として各電池の場合に同じである。直列接続による電力収集はもはや影響を及ぼされない。電力管理は、非集光パネルと比べて変わりなく、指向のずれに起因する損失の増加も観測されない。
【００２９】
反射板の高い反射率は、真空蒸着アルミニウム（ＶＤＡ）あるいは優先的に表面を保護された銀コーティングを用いることに起因する。高い太陽光反射率が達成できるなら、他のコーティングを用いることもできる。電池の応答スペクトルでは、反射板の垂直線に対して６０°で入射する場合のアルミニウムフィルムの平均反射率は約８９％である。たとえば、ＳｉＯ_２の最適化された薄い層で保護された銀コーティングは、同じ条件の場合に、平均反射率を９７％まで高める。余分にかかるコストは、太陽光束の収集性を改善することにより容易に埋め合わされる。
【００３０】
本発明において用いられる反射板は細いテープ状である。その幅は電池幅と概ね同じサイズである（±４０ｍｍ）。微小粗さまたは形状の精度のようなフィルム品質は、トラフタイプの集光装置（典型的な幅、〜２ｍ）において用いられる大型の反射板よりも許容誤差が大きく、すなわち対応するのが容易である。これにより、フィルムおよび支持体の設計および製造が容易になる。またそれは、反射板の重量を低減することにもつながる。
【００３１】
本発明は、添付の図面に関連してさらに記載されるであろう。
【００３２】
図１を参照すると、本発明による太陽光集光装置が示される。２つの平坦な、あるいは湾曲した側面３_１および３_２を有する鋸歯反射板３の列と、太陽電池２の列とが交互に示される。それらは、ハニカムパネル構造１上に搭載される。このハニカム構造は、２枚のＣＦＲＰ（炭素繊維強化ポリマー）表面板間に挟まれるアルミニウムハニカムから形成されるベース１を含む。鋸歯形状３は、それぞれ太陽電池の列２を収容する平坦な領域によって分離される傾斜した側面３_１および３_２から構成される。傾斜した側面には反射コーティングが塗布される。放射太陽光は、パネルの前方に入射する。その放射太陽光は、直接に、あるいは鋸歯形状３の反射コーティング上で反射した後に太陽電池に達するであろう。１つの好ましい実施形態では、太陽電池２および鋸歯反射板３のための列の幅は同じである。反射板の側面の傾斜角は、ベースパネル１に対する垂直線に対して３０°に設定される場合がある。この場合に、幾何学的な集光係数は２：１である。それは、２平方メートルの放射太陽光が、１平方メートルの太陽電池上に集光されることを意味する。効率が高い太陽電池は非常にコストが高いため、コストを削減するための集光は大きな興味を引く。
【００３３】
傾斜した太陽光反射板３は、その上に反射コーティング（たとえば金属）が塗布された薄いフィルムから形成される。薄いフィルムには、マイラー（Ｍｙｌａｒ：登録商標）、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）、ＬａＲＣ　ＣＰ−１あるいは任意の軽量で、機械的に耐性がある材料が用いられる場合がある。フィルムの厚さは要求される機械的強度に依存する。典型的な厚さは約１３μｍ〜約１２５μｍであり、その厚さのフィルムは現在市販されている。好ましい実施形態の１つでは、その材料は、５０μｍの厚さを有し、反射フィルムの十分な自己剛性を確保するカプトン（登録商標）である。
【００３４】
１つの実施形態では、予め形成されたＣＦＲＰシートには、太陽電池の列２を収納する平坦な表面と、反射板３を形成するために反射層またはフィルムが形成された楔形領域とが設けられる。
【００３５】
太陽電池パネルに一体化された太陽光反射板を用いることにより、反射板が太陽電池パネルに隣接する先に述べた発明と比べて、展開された太陽電池パネルの設計を、より多目的に、かつモジュール式にできるようになる。実際には、後者の場合には、太陽電池パネルの展開は、一次元の動き、すなわち蛇腹タイプにおいてのみ、より容易に行われるであろう。比較のために、図２は、太陽電池パネルＳＰと太陽電池ＳＣとを有し、２：１の同じ集光係数を有する従来技術のトラフ型反射板の概念を示す。それは、米国特許第５，５２０，７４７号、第６，０１７，０２２号および第６，０５０，５２６号に記載される概念にしたがって展開可能である。
【００３６】
本発明は依然として、二次元の敷石状のようなさらに複雑な展開方式に適合する。そのモジュール性は、先に述べた発明と比べて著しく改善され、発電は様々なレベルに容易に適合されることができる。
【００３７】
本発明では、収集表面は著しく拡大されることはない。それは、集光しない太陽電池表面と概ね同じままである。冷却表面は、冷たい宇宙空間環境に面するパネルの背面である。太陽光照射表面および冷却表面は近い値を保持し、わずかな温度上昇のみが予想される。光電変換効率は、トラフ集光装置に比べて良好である。実際には、従来技術では、収集表面は概ね２倍になるが、冷却表面は同じままである。著しい温度上昇が観測される（３０〜４０℃）。電池効率は減少しており、発電が影響を受ける。
【００３８】
本発明の熱平衡は、パネルの背面側への効率的な放射による熱伝達を通して電池の冷却を最大にすることにより最適化される場合がある。これは、太陽電池パネルベース１のためにハニカムパネルを用いることにより達成することができる。このハニカムは、２つの表面板５と６との間に挟まれるハニカムセルのアレイ４から構成される。ハニカムセルは、放射率を増加するために黒色被覆されることが好ましい。その際、太陽電池パネルの背面側から冷たい宇宙空間への熱伝達が増加し、単にパネルの背面側に搭載され（図７Ａ）、冷たい宇宙空間に面し、放射型熱交換器のように機能する開放セルを有するハニカムのさらに別のアレイ８を用いることにより熱伝達をさらに増加させることができる。これらの開放セルは、マーティン・ブラック（Ｍａｒｔｉｎ　Ｂｌａｃｋ）（登録商標）と呼ばれる赤外線放射率の高いコーティングで被覆されることが好ましい。図７Ｂに示される別の実施形態では、たとえば、ＣＦＲＰから形成される背面板６が局部的に除去されて、開口部７を形成し、パネルサンドイッチ４、５、６のうちのハニカムセル４のある部分が冷たい宇宙空間に直に接するようにする。これらの開口部７、それゆえ開放ハニカムセルは、太陽電池２の列の下側に配置されて、赤外線放射率の高いコーティングで被覆されることが好ましい。当然、この実施形態の実装は、パネルの剛性を考慮に入れる必要がある。例として、図７Ｂは、ＣＦＲＰの背面側ストリップのパターンを利用し、冷たい宇宙空間へのより良好な熱伝達と、十分な剛性とを可能にする実施形態を示す。さらに、提示される実施形態の１つ（図５Ｄ）は、反射板３の構造的な剛直さがハニカムパネルの剛性を高めることを示す。したがって、パネルの機械的な要件は、下側のハニカム厚で達成することができ、かつ／または図７Ｂに示されるように、背面板６の一部の除去に対応することができる。これは、展開できない反射板あるいは展開可能な反射板の場合に当てはまり、展開可能な反射板は、その展開された位置において、太陽光集光装置の剛性に寄与し、展開機構も太陽光集光装置の剛性に寄与する。
【００３９】
重量が軽減され、太陽電池の冷却が、パネルベース１を形成する太陽電池パネルハニカムの前面側から背面側への良好な熱散逸の結果として改善される場合がある。
【００４０】
宇宙船の指向の精度は、太陽光集光装置の設計に直に影響を与える。反射板は、太陽電池パネルに対する放射太陽光の方向の変動の範囲に適合しなければならない。姿勢安定化制御の宇宙船は、南北追跡能力を装備しない。季節変動は±２３．５°である。そのため、集光装置は、その軸上で集光を実行するようには設計されない。太陽の追跡は、東西軸上で概ね±２°の精度で実行される。集光装置は、信頼性を確保するために、わずかに大きな追跡誤差に耐えることが想定される。
【００４１】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、指向誤差の結果が示される。そのシミュレーションは、２：１の幾何学的集光係数を有する、図１の鋸歯集光装置と、図２の従来技術のトラフ集光装置との両方の場合に当てはまる。指向のずれの軸は、宇宙船の東西方向への回転にのみ対応する。図３Ａは、収集効率Ｅに対する放射太陽光の入射角αを示す。効率の損失の第１の理由は余弦則に由来する。投影される面積は、入射角が大きくなるときに、余弦則で減少する。これは、太陽の方向に対して傾斜した全ての表面の場合に当てはまり、集光には関係しない。それが、任意の安定化制御の宇宙船において太陽を追跡する主な理由である。
【００４２】
第２の損失の要因は集光に直に関連する。それは、太陽光集光装置が太陽に対して３０°の指向ずれを生じるときに、５０％までの効率の減少を示す。６０°の指向ずれでは、全く収集が行われない。図３Ｂは、３°だけ指向ずれが生じる現実的な場合の、正規化された光束ＮＦ対指向ずれ軸に沿って正規化された縦座標ＮＯを示す。２つの反射板間の光の分布が示される。この領域は太陽電池によって占有される。本発明の場合には、図１を参照すると、この領域は太陽電池の列によって占有される。図３Ｂに示される正規化された縦座標ＮＯは、各個々の太陽電池の幅に相当する。従来技術の場合には、図２を参照すると、この領域は、いくつかの隣接する太陽電池を含む太陽電池パネル幅である。図３Ｂに示される正規化された縦座標ＮＯは、太陽電池パネルの幅に相当する。あらゆる分布不均一性が、隣接する太陽電池に反映される。いくつかの電池は、公称の光束ＮＦの約６５％を受光するであろう。光電変換はその量によって影響を及ぼされるであろう。それらの電池によって生成される電流は、公称電流の６５％になるであろう。電池の直列接続は、太陽電池パネル全体から電力を収集するために、均一性の高い生成電流を必要とする。光放射の不均一性は、宇宙船が利用可能な電力の著しい減少につながるであろう。
【００４３】
本発明（図１）を参照すると、不均一性も存在しているが、電池幅のレベルにおいてのみである。指向ずれに起因する光収集の損失は約４．５％である。電池の発電の損失は同程度になるであろう。各電池は、同じ損失要因に影響を受けるであろう。生成される電力は依然として電池間で均一である。各列に沿った直列接続方式は依然として完全に有効であり、付加的な損失はないものと予想される。
【００４４】
指向ずれの間に生じる収集損失は、集光係数にも依存している。２：１未満の集光係数（たとえば、図５Ｄによって示される実施形態の１．６：１）の場合、その損失は指向ずれからより影響を受けにくい。
【００４５】
鋸歯（あるいは屋根状の）反射板上の反射コーティングは金属製であることが好ましく、アルミニウムあるいは銀の場合があるか、あるいは任意の効率的な太陽光反射コーティングまたはフィルムの場合がある。アルミニウムは、製造が容易であり、宇宙空間環境への耐性が良好である（主に放射線に対して）ため、一般的に用いられる。銀は放射線への耐性がないため、透明な層で表面を被覆する必要があり、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２およびＳｉＯ２がその層に対する良好な候補であり、ＳｉＯ２は３つの中で最も低コストであり、太陽光のスペクトル要件に完全に適合する。表面コーティングの要件に起因して、ＡｇはＡｌほど取り扱うのが簡単ではない。銀被覆された反射フィルムが対象になる理由は、可視光領域において反射率が良好であることによる。一般に、可視光スペクトル領域における垂直入射を条件として、ＶＤＡ（真空蒸着アルミニウム）フィルムは８９〜９１％の反射率を有し、銀フィルムは９６〜９８％の反射率に達することが認められている。スペクトル範囲は可視光には限定されない。多接合ＧａＡｓ／Ｇｅ太陽電池は３５０〜９００ｎｍの感度を有する。太陽光束はこのスペクトル領域にわたって平坦ではない。４５０〜５００ｎｍにおいて最大強度に達する。光束の減少は紫外領域において生じる。赤色領域および赤外領域では、減少がなだらかになることが観測される。
【００４６】
１つの応用形態では、対象となる値は、０°（垂直入射）ではなく、６０°の反射率である。図４を参照すると、アルミニウムの６０°（反射板の垂直線に対して）での反射率Ｒ_ＡＲと、保護された銀の反射率Ｒ_ＰＳとが示される（偏光されていない光）。銀の保護層は１６０ｎｍ厚のＳｉＯ２層から形成される。理解し、計算する目的を果たすために、太陽光束スペクトルおよび太陽電池応答も示される（任意の単位によって正規化される）。太陽光束スペクトルおよび太陽電池応答を重さ付け係数として用いて、金属製フィルムの平均反射率を求めるために、積分計算が行われた。その解析は、平均反射率がＡｌの場合の８９％であり、Ａｇ＋ＳｉＯ２の場合に９７％であることを立証する。その結果、太陽光エネルギーの収集利得は、太陽電池パネル全体の場合に４％になるものと推定される。これは、同じ反射コーティングを有する、本発明（図１）の場合と、従来技術（図２）によるパネルの場合とに当てはまる。
【００４７】
太陽電池パネル上にフィルムを取り付けるためにいくつかのオプションが可能である。それは、反射板を展開するための要件による。パネルの重量が直に影響を及ぼす。フィルムの取付けに関する詳細な説明は図５Ａ〜図５Ｅを参照しながら与えられる。
【００４８】
図５Ａでは、たとえば接着することにより、硬質のフレーム２２上に取り付けられる反射板フィルム２１から形成される鋸歯反射板（寸法通りではない）を１つだけ（簡略化するために）示される。このフレーム２２は、反射板フィルム２１の剛性および張力を確保する。反射板フィルム２１の満足のいく平坦性を生み出すために予荷重が必要とされる。フレーム材料には、たとえばアルミニウムあるいはニッケルを用いることができる。好ましい実施形態では、熱特性（熱膨張がカプトン（登録商標）フィルムによく適合する）のために、かつ軽量であるために（密度〜２．７ｇ／ｃｍ）、アルミニウムが用いられる。フィルム２１はフレーム２２に接着剤で接着される。アルミニウムフィルム２１を効果的に取り付けるために、２成分エポキシが非常に適している。予荷重は、接着中のフィルム２１と金属製フレーム２２との温度差によって生成される。フレーム２２はフィルム２１よりも低い温度に保持される。熱収縮の結果として、フレームサイズ２２はわずかに縮小される。接着剤の硬化が実行される際に、フレーム２２およびフィルム２１は室温に回復している。フレームサイズはわずかに増加し、それは、フィルム２１の弾性の結果として、フィルム２１の制御された状態の張力を生み出している。
【００４９】
図５Ｂは、一方の傾斜面だけに硬質のフレーム２２を備えられた同じ集光装置を用いる別の実施形態を示す。もう一方の傾斜面は反射板フィルム２１だけから形成される。その場合に、フィルムは、上側に硬質のフレーム２２が取り付けられ、下側に太陽電池パネルが取り付けられる結果として、張力がかけられた状態に保持される。効果的に接着するために、２成分エポキシのような接着剤が用いられることが好ましい。反射板は、公称開放位置（公称角度）に固定される。展開可能な集光装置の場合に、反射フィルムは、硬質の部分の下側において、収納された形状に折りたたまれる場合がある。
【００５０】
超音波はんだ付けあるいはレーザ溶接のような他の結合手段を用いることもできる。いずれの場合でも、フレーム材料および反射フィルム基板２１は、はんだ付け条件（局部温度勾配、接着性等）と一致させるために選択されなければならない。
【００５１】
図５Ｃは第３の実施形態を示しており、反射フィルム３１は、たとえば米国特許第５，２４４，５０８号に示されるような硬質のアーム３０（おそらく、展開可能／テレスコピックアーム）により正確な平坦性要件の範囲内の張力下で保持されるが、完全に伸びきった平坦な状態にある。反射板フィルムの縁部は太陽電池パネルに結合される。軽量で硬質のアームあるいは湾曲したアーチが、フィルム幅の中間部において、予め十分な張力を生成している。この機構は、展開した後に、長い寿命期間にわたって反射フィルム張力を確保するために（緩むことなく）固定される。図６Ｂは、この実施形態に関連する収納された形状を示す。フィルムは、適当に折りたたむことにより、太陽電池パネル上に存在している。固定機構（図示せず）によって、フィルムが太陽電池上で滑動するのを防ぐ。展開し損ねた場合でも、太陽電池に影が生じることはない。展開する場合には、固定装置が解除され、硬質のアーム（あるいは湾曲したアーチ）が、垂直な位置に、好ましくは太陽電池パネルの展開の流れと連動して完全に展開される。
【００５２】
図５Ｄは、展開能力を持たない硬質の鋸歯反射板３を用いる実施形態に関連する。硬質の反射板３は、太陽電池パネルのハニカム前面板のために好ましい材料であるＣＦＲＰから優先的に形成される。典型的な厚さは１００μｍである。５０〜２００μｍ厚の範囲のＣＦＲＰ反射板フィルムが想定される。それは非常に軽量であり、剛性がある。金属コーティングされた２５μｍ厚のカプトン（登録商標）のような反射フィルムが、鋸歯反射板に結合される場合がある。本発明のこの実施形態の特徴は、高い剛性、良好な材料適合性および高い信頼性（展開しない）である。反射板の重量は、先に記載された実施形態の場合よりもわずかに重いが、展開および固定装置は必要とされないため、全重量は依然として大きな興味を引く。それは、同等の太陽電池の列の重量よりも容易に軽量にしておくことができる。
【００５３】
図５Ｅを参照すると、本発明の新たな実施形態は膨張式の構造体４０を用いて展開し、膨張しながら反射板を正確な形状にする。膨張式構造体上に反射コーティングが堆積される。反射板形状は、小さな指向ずれが生じるときでも、より良好な照射均一性を生成するように最適化することができる。
【００５４】
反射板の側面３_１および３_２は平坦な場合があるか、曲面をなす場合がある。形状の最適化は、小さな指向ずれが生じるときの（２°の太陽追跡誤差に直面する場合がある）照射均一性および集光効率に関連付けられる。正確な形状は、展開可能な反射板よりも、硬質の反射板の場合に達成するのが容易である。
【００５５】
太陽電池パネル厚は硬質の反射板の一体化によって増加するため、図５Ｄに示される好ましい実施形態は、上記の実施形態の場合の２：１ではなく、１．６：１の太陽光集光を生成する。集光の減少によって、アスペクト比をより小さくすることができる。４０ｍｍ幅の太陽電池の列の場合に、反射板の高さは、その幅の４１％（１６．４ｍｍ）まで縮小される。２：１の集光係数を生成する場合には８７％（３４．７ｍｍ）であった。反射板の角度も、その幾何学的形状に適合する（太陽電池パネルに対する垂直線に対して、３０°ではなく３６．３°）。
【００５６】
集光装置を用いない場合、全太陽電池パネル厚は典型的には２０ｍｍである。この好ましい実施形態（図５Ｄ）は、全体の厚さを３６ｍｍまで大きくする。
【００５７】
太陽電池パネルが収納された位置では、パネルｉは、その間に典型的には１０〜１５ｍｍの自由空間を残して、隣接するパネル（ｉ＋１）に抗して折りたたまれる。２つの収納されたパネルの全厚は、展開可能あるいは膨張式反射板（たとえば、図５Ｅに示される反射板４０）を用いるパネルの場合に、たとえば５０ｍｍ（＝２０＋１０＋２０ｍｍ）である。ダンピングスペーサ（図示せず）を用いて、振動負荷が高い間（たとえば、発射時）に自由空間を保持する。それは、折りたたまれたパネル間の衝撃を防ぎ、太陽電池を破壊しないようにすることができる。
【００５８】
収納形状は、好ましくは硬質の（展開できない）反射板を用いる太陽電池パネルの厚さの増加を考慮に入れるように適合される場合がある。図６Ｃは収納された形状を示しており、反射板３が組み合わされている、２つの接合された（４５において）硬質パネルＳＰ１およびＳＰ２が対面している。全厚はわずかに増加することになるが、反射板３が交互に並んでいるため著しくは増加しない。安全を確保するために、反射板頂部と隣接する太陽電池パネルとの間に５ｍｍの自由空間を保持する場合には、２つの収納されたパネルの全厚は、たとえば６１ｍｍ（＝２０＋１６＋５＋２０ｍｍ）である。２つの収納されたパネルが必要とする厚さの増加は、わずかに１１ｍｍ（２２％）である。
【００５９】
さらに、反射板３は太陽電池パネルの補剛部品として機能する。そのパネル構造設計が変更される場合でも（たとえば、下側ハニカム厚）、再び、収納されるパネルの全厚は元の場合（集光装置を用いない場合）に近いままにすることができる。たとえば、ハニカム厚が２０ｍｍではなく、１８ｍｍまで縮小される場合には、ここで、図６Ｃからの２つの収納された集光装置パネルの全厚は５７ｍｍ（＝１８＋１６＋５＋１８ｍｍ）である。この場合には、２つの収納されたパネルが必要とする厚さの増加は、わずかに７ｍｍ（１４％）である。
【００６０】
その形状では、反射板は、電池をより効率的に冷却するであろう。ハニカム厚が低減されるので、太陽電池パネルの背面側と前面側との間の熱伝導率は高められる。太陽電池の温度を下げることにより、電池の良好な光電変換が保証される。
【００６１】
熱平衡は本発明の重要な観点である。太陽電池パネルの前面、すなわち太陽に面する側の温度を均等にすることにより、電池の冷却をさらに改善することができる。電池の温度は、反射板の列の背後にあるパネルの温度よりも高いので、前面板５および／または背面板６のために高い伝導率のＣＦＲＰを用いることができる。通常のＣＦＲＰの熱伝導率は概ね３５Ｗ／ｍ．Ｋである。高伝導率のＣＦＲＰは、３７０〜７００Ｗ／ｍ．Ｋに達することができ、非常に高い剛性、すなわち通常のＣＦＲＰの場合の９３Ｇｐａに対して、４９０〜５６０Ｇｐａを示す。これにより、この材料は、より高い全パネル剛性を達成するためにも好ましくなる。太陽電池パネル前面の横方向の熱伝導率の改善はこのようにして達成されるであろう。高伝導率のＣＦＲＰの層は、伝導率を増加し、かつ良好な熱膨張整合の利益を得るために、通常のＣＦＲＰ板に簡単に追加することができる。別の態様は、通常のＣＦＲＰ内あるいは上に、太陽電池の列に垂直な方向に高熱伝導率フィラメントを追加し、電池の下側の高温の領域と反射板の下側の低温の領域との間のある種の熱架橋を形成することである。これらのフィラメントは、製造中にあるいは製造後に、ＣＦＲＰに混合されることができる。一例として、太陽電池パネルの前面に銅フィラメントあるいは他の伝導性材料を追加することにより、図８に示されるように、太陽電池の効率を改善することができる。図８では、電池の下側の表面板の最大温度と、反射板の下側の表面板の最大温度とが、全表面板伝導率の関数として計算される。この改善は、小さい場合であっても、著しく重量を追加することなく達成することができる。一例として、かつ図８によれば、高い伝導率のＣＦＲＰを用いることにより、電池温度を５°以上下げることができる。
【００６２】
収納された形状では、反射板の素子は、太陽電池パネル表面上で互いに上に重なっている。発射後の第１段階中に、あるいは展開し損ねた場合に発電できるようにするために、反射板は太陽電池上には格納されない。これは、本発明が解決することができる従来技術の問題点である。
【００６３】
反射板の展開を含む本発明の第２の態様によれば、太陽電池が影になることが回避される（図６Ａを参照）。従来技術において見られるようなばねの弛緩を防ぐために、結合機構（図示せず）が必要とされる。フィルムは非常に軽くすることができる（典型的には、５０μｍ厚：７１ｇ／ｃｍ^２）。図６Ａの実施形態では、主に重量を有する部分は、収納固定、展開および最終的な結合のために必要とされる硬質のフレーム２２および任意の機械的な要素である。この第２の実施形態の場合に、１つのみのフレーム２２（図５Ｂの場合のように）と、非常に簡単な展開とを用いることにより軽量にされる。展開機構として、従来技術（ＷＯ　００／７９５９３　Ａ１）に記載されるように、収納された形状において固定することのないばねを用いることができる。しかしながら、好ましい実施形態では、固定装置が追加される。反射板はもはや自己展開式ではない。それらは、固定を解除し、展開を開始するために、外部の力（おそらく、太陽電池パネル展開機構と結合される）を必要とする。そのような機構の信頼性は、特にパネルの展開の流れと結合されるときには、非常に高くすることができる。アルミニウムのような低密度で、宇宙空間に適した材料を用いることにより、追加される重量は少なくて済むであろう。従来技術と比較した場合の主な利点は、収納された太陽電池パネル位置において、反射板が互いに接触せず、反射コーティングに掻き傷が生じないようにできることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
反射板が、その間にある太陽電池の列とともに列をなす鋸歯（あるいはテント）状であり、また集光係数が２：１である、本発明の第１の態様による太陽光集光装置の概念図である。
【図２】
米国特許第５，５２０，７４７号、第６，０１７，００２号あるいは第６，０５０，５２６号による従来技術の装置、すなわち太陽電池パネルに隣接して反射板を備え、集光係数が２：１であるトラフ集光装置を示す図である。
【図３Ａ】
図１に示される集光タイプの追跡誤差と、３°の指向のずれから生じる太陽電池パネル上の光の分布とに起因する収集効率ＣＥを示し、効率Ｅが収集効率ＣＥの曲線を与える入射角αに対してプロットされた（ＣＬは余弦則を示し、ＣＦは補正された光束を示す）図である。
【図３Ｂ】
図２に示される集光タイプの追跡誤差と、３°の指向のずれから生じる太陽電池パネル上の光の分布とに起因する収集効率ＣＥを示し、正規化された光束ＮＦが、指向ずれの軸に沿って正規化された縦座標ＮＯに対してプロットされた図である。
【図４】
偏光されない光の場合の、反射板の垂直線に対して６０°の入射角を有する反射板フィルムの反射率Ｒを波長ＷＬの関数として示し、多接合形のＧａＡｓ／Ｇｅ太陽電池の典型的な応答ＣＲと、放射太陽光スペクトルＳＳＰも示されており、真空蒸着アルミニウムの反射率ＲＥＦおよび表面を保護された（１６０ｎｍの厚さのＳｉＯ_２）銀の反射率ＰＲＥＦが比較のために示される図である。
【図５Ａ】
硬質で軽量のＡｌフレーム上にある薄いフィルムから形成される鋸歯反射板を示す、展開された形状の本発明の実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】
半分が図５Ａと同じ鋸歯反射板であり、残りの半分が固定された薄いフィルムのみから形成される、展開された形状の本発明の実施形態を示す図である。
【図５Ｃ】
鋸歯が薄いフィルムのみから形成され、頂部において固定された硬質のアームによって張力が生成される、展開された形状の本発明の実施形態を示す図である。
【図５Ｄ】
展開能力を持たない鋸歯反射板を含み、集光係数が１．６：１である硬質のパネルを示す、展開された形状の本発明の実施形態を示す図である。
【図５Ｅ】
鋸歯が膨張可能な構造から形成され、正確な形状への展開が膜反射板の膨張により生じ、反射コーティングが膜材料上に堆積される、展開された形状の本発明の実施形態を示す図である。
【図６Ａ】
収納された形状（発射時）の本発明の実施形態を示す図であり、収納位置に固定された反射板を示す図５Ｂの実施形態の図である。
【図６Ｂ】
収納された形状（発射時）の本発明の実施形態を示す図であり、収納位置に固定された反射板を示す図５Ｃの実施形態の図である。
【図６Ｃ】
収納された形状（発射時）の本発明の実施形態を示す図であり、収納位置にある２つの隣接する太陽電池パネルを有する図５Ｄの実施形態の図である。
【図７Ａ】
太陽電池パネルのサンドイッチハニカム構造内部の熱伝達の改善を示す図であり、太陽電池パネルの背面板に搭載される、開放された黒色塗装された（すなわち黒色被覆された）セルを有する薄い付加的なハニカムを示す図である。
【図７Ｂ】
太陽電池パネルのサンドイッチハニカム構造内部の熱伝達の改善を示す図であり、ハニカムセルが冷たい宇宙空間環境に直に面するようにするために、太陽電池の列の下に開放された（切り取られた）領域を有する背面板の図である。
【図８】
炭素繊維表面構造、あるいはある特定の「高伝導率」ＣＦＲＰに含まれる銅フィラメントに起因して伝導率が改善された、太陽電池パネルが静止軌道環境で完全に太陽光を照射されるときの、太陽電池の下側の前面板の最大温度（Ｔ_ＭＡＸ℃）対ＣＦＲＰ表面板の平均伝導率Ｃと、反射板の下側の前面板の最大温度（Ｔ’_ＭＡＸ℃）対ＣＦＲＰ表面板の平均伝導率Ｃとを示す図である。

Claims (19)

1. 太陽電池の列を有し、前記列に沿って延在する楔形の反射板が前記太陽電池の列と交互に配置される太陽光集光装置であって、前記反射板（３）及び前記太陽電池の列（２）が取り付けられる前面板（５）と、背面板（６）と、その間に挟まれる電池のハニカムアレイ（４）とを有する少なくとも１つのハニカムパネル（１）を備えることを特徴とする太陽光集光装置。
2. 前記ハニカムアレイ（４）のセルは黒色被覆されることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光装置。
3. 前記ハニカムパネル（１）の表面の少なくとも一部において、前記ハニカムセルは前記背面上に開放端を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の太陽光集光装置。
4. 前記背面板（６）は開口部（７）を有し、前記電池の前記ハニカムアレイ（４）のセルは、前記開口部（７）内に前記開放端を有するようになることを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光装置。
5. 前記開口部（７）は、前記太陽電池の列（２）の下側に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光装置。
6. 前記背面板（６）に固定されるハニカムセルの第２のアレイ（８）を含むことを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光装置。
7. 前記ハニカムセルの少なくとも１つのアレイ（４）はアルミニウムから形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
8. 少なくとも１つの表面板（５、６）は、炭素繊維強化ポリマーからなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
9. 前記楔形反射板（３）を形成するために反射層が形成された楔形領域と、前記太陽電池の列（２）が取り付けられる平坦な領域とを交互に有するように予め形成されたシートを含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
10. 前記予め形成されたシートは、炭素繊維強化ポリマーからなることを特徴とする請求項９に記載の太陽光集光装置。
11. 前記楔形反射板（３）は、金属、好ましくは放射線保護透過層を表面に形成した銀によって被覆されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
12. 前記予め形成されたシートおよび／または前記少なくとも１つの表面板（５、６）は、少なくとも３７０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を有する炭素繊維強化ポリマーから形成されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
13. 前記予め形成されたシートおよび／または前記少なくとも１つの表面板（５、６）は、前記太陽電池の列（２）の縦軸に垂直な平均方向に向けられる熱伝導性のフィラメントを含むポリマーから形成されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
14. 幾何学的集光は１．４／１と２／１との間にあり、好ましくは１．６／１に等しいことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
15. 前記反射板（３）のうちの少なくともいくつかは、その側面の少なくとも１つにおいてフレームで強化されたフィルムで形成される請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
16. 前記反射板（３）は展開不可能であることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
17. 前記反射板（３）は展開可能であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
18. 前記反射板（３）は前記太陽電池の列（２）と重なり合わないことを特徴とする請求項１７に記載の太陽光集光装置。
19. 収納された形状を有する、少なくとも２つの接合された前記ハニカムパネル（ＳＰ１、ＳＰ２）を含み、前記収納された形状において、前記２つの接合されたパネル（ＳＰ１、ＳＰ２）は互いに折り重ねられ、その位置において前記反射板（３）が組み合わされることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。