JP2010097973A - Light energy collecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は太陽等の光源から放射される赤外光と可視光を含む光からエネルギーを収集する装置に関し、太陽電池等の光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができ、しかも光電変換素子の温度上昇を抑制することができ、さらには入射光に含まれる熱エネルギーを有効利用できるようにしたものである。 The present invention relates to an apparatus for collecting energy from infrared light and visible light radiated from a light source such as the sun, and can extract a large photoelectric conversion output even if the installation area of a photoelectric conversion element such as a solar cell is small. In addition, the temperature rise of the photoelectric conversion element can be suppressed, and furthermore, the thermal energy contained in the incident light can be used effectively.
太陽光を受けて発電すると同時に温水を生成する従来の太陽光エネルギー収集装置として下記特許文献1〜4に記載されたものがあった。特許文献1記載の装置は太陽電池と温水器を横に並べて配置したものである。太陽電池側で受光した太陽光のうち発電に寄与しなかった長波長側の光は温水器側に反射されて利用される。 There existed what was described in the following patent documents 1-4 as a conventional solar energy collection apparatus which produces | generates warm water simultaneously with receiving sunlight. The device described in Patent Document 1 is a solar cell and a water heater arranged side by side. Of the sunlight received on the solar cell side, the light on the long wavelength side that did not contribute to power generation is reflected on the water heater side and used.
特許文献2記載の装置は温水器の上に太陽電池を重ねて配置したものである。太陽電池は太陽光に含まれる可視光を利用して発電し、赤外光を透過する。温水器は太陽電池を透過した赤外光を利用して温水を生成する。 The device described in Patent Document 2 is a solar battery stacked on a water heater. Solar cells generate power using visible light contained in sunlight and transmit infrared light. The water heater uses the infrared light that has passed through the solar cell to generate hot water.
特許文献3記載の装置は太陽光を集光レンズで集光して太陽電池に照射するものである。集光した太陽光を太陽電池に照射すると太陽電池の温度が上昇して発電効率が低下するので、冷媒を通した配管中に太陽電池の受光面を露出させ、該配管に形成した光透過窓を透過して太陽光を太陽電池の受光面に照射する。 The device described in Patent Document 3 collects sunlight with a condenser lens and irradiates the solar cell. When the solar cell is irradiated with the concentrated sunlight, the temperature of the solar cell rises and the power generation efficiency is lowered. Therefore, the light receiving surface of the solar cell is exposed in the pipe through which the refrigerant is passed, and the light transmission window formed in the pipe The sunlight is irradiated onto the light receiving surface of the solar cell.
特許文献4記載の装置は凹面状に配列された太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置したものである。波長選択反射透過膜を透過した波長の短い光は太陽電池で受光され、波長選択反射透過膜で反射され集光された波長の長い光は熱電発電素子で受光され、それぞれ発電が行われる。太陽電池および熱電発電素子はそれぞれ冷却水で冷却され、該冷却水は該冷却の過程で暖められて温水となり給湯に利用される。 The device described in Patent Document 4 has a wavelength selective reflection / transmission film disposed on the surface of a solar cell arranged in a concave shape. Light having a short wavelength that has passed through the wavelength selective reflection / transmission film is received by the solar cell, and light having a long wavelength reflected and collected by the wavelength selection reflection / transmission film is received by the thermoelectric power generation element, and power is generated. Each of the solar cell and the thermoelectric power generation element is cooled with cooling water, and the cooling water is heated in the cooling process to become hot water and used for hot water supply.
特許文献1記載の装置によれば太陽電池と温水器を並べて配置するので、設置スペースが限られている場合(例えば家屋の屋根上)には、それぞれを単独で設置する場合に比べて個々に割り当て可能な設置スペースが狭くなっていた。この場合太陽電池側で受光した太陽光のうち発電に寄与しなかった長波長側の光は温水器側に反射されて利用されるが、温水器側で受光した太陽光のうち水の加熱に寄与しなかった短波長側の光は発電に利用されないので太陽光エネルギーの利用効率が悪かった。 According to the device described in Patent Document 1, since solar cells and water heaters are arranged side by side, when the installation space is limited (for example, on the roof of a house), each is individually compared to the case where each is installed alone. Allocatable installation space was narrow. In this case, long-wavelength light that has not contributed to power generation among the sunlight received on the solar cell side is reflected and used on the water heater side, but it is used to heat water in the sunlight received on the water heater side. Since the light on the short wavelength side that did not contribute is not used for power generation, the utilization efficiency of solar energy was poor.
特許文献2記載の装置によれば温水器と太陽電池を重ねて配置するので特許文献1の装置に比べて個々の設置スペースを広くとることができる。しかし太陽電池で得られるエネルギーは該太陽電池の設置面積で決まるため、大きなエネルギーを得るには高価な太陽電池を多数設置する必要があった。また特許文献1,2のいずれの装置も太陽電池に直接太陽光が照射されるため、該太陽電池の温度上昇は避けられず、発電効率が低下する問題があった。 According to the device described in Patent Document 2, the water heater and the solar cell are arranged in an overlapping manner, so that each installation space can be increased compared to the device of Patent Document 1. However, since the energy obtained by the solar cell is determined by the installation area of the solar cell, it is necessary to install a large number of expensive solar cells in order to obtain large energy. Further, in any of the devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, since the solar cell is directly irradiated with sunlight, a temperature increase of the solar cell is unavoidable, and there is a problem that power generation efficiency is lowered.
特許文献3記載の装置によれば太陽光を集光レンズで集光して太陽電池に照射するので、小面積の太陽電池で大きな出力を取り出すことができる。しかし太陽電池の冷却によって加熱された冷媒の熱エネルギーは利用されないので太陽光エネルギーの利用効率が悪かった。 According to the apparatus described in Patent Document 3, sunlight is collected by the condenser lens and irradiated to the solar cell, so that a large output can be taken out by a small-area solar cell. However, since the heat energy of the refrigerant heated by the cooling of the solar cell is not used, the use efficiency of the solar energy is poor.
特許文献4記載の装置によれば太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置して波長の長い光(熱線)を反射するので、太陽電池の温度上昇を抑えることができる。しかし太陽電池で得られるエネルギーは該太陽電池の設置面積で決まるため、大きなエネルギーを得るには高価な太陽電池を多数設置する必要があった。特にこの装置では太陽電池を曲面状に配置するので、太陽電池を平面状に配置する場合に比べて、同じ断面積の太陽光を受けるのに要する太陽電池の設置面積が広くなり、その分高価な太陽電池を多く設置する必要があった。 According to the apparatus described in Patent Document 4, since the wavelength selective reflection / transmission film is disposed on the surface of the solar cell and the light (heat ray) having a long wavelength is reflected, the temperature increase of the solar cell can be suppressed. However, since the energy obtained by the solar cell is determined by the installation area of the solar cell, it is necessary to install a large number of expensive solar cells in order to obtain large energy. In particular, in this apparatus, the solar cells are arranged in a curved surface, so that the installation area of the solar cells required to receive sunlight with the same cross-sectional area is larger than that in the case where the solar cells are arranged in a flat shape, which is expensive. It was necessary to install many solar cells.
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、太陽電池等の光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができ、しかも光電変換素子の温度上昇を抑制することができ、さらには入射光に含まれる熱エネルギーを有効利用できる光エネルギー収集装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and can extract a large photoelectric conversion output even when the installation area of a photoelectric conversion element such as a solar cell is small, and can suppress an increase in temperature of the photoelectric conversion element. In addition, the present invention intends to provide a light energy collecting device that can effectively use thermal energy contained in incident light.
この発明は赤外光と可視光を含む光源からの光を反射して集光する凹面鏡と、前記集光された光を入射して該光に含まれる可視光と赤外光とを分離する波長選択素子と、前記分離された可視光を受光して光起電力を発生する光電変換素子と、前記分離された赤外光を受光して該赤外線の熱エネルギーを利用する熱利用素子とを具備してなるものである。 The present invention is a concave mirror that reflects and collects light from a light source including infrared light and visible light, and separates visible light and infrared light contained in the light by entering the collected light. A wavelength selection element; a photoelectric conversion element that receives the separated visible light to generate photovoltaic power; and a heat utilization element that receives the separated infrared light and uses thermal energy of the infrared light. It is provided.
この発明によれば、光源からの光を凹面鏡で集光して光電変換素子で受光するので、光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。しかも光源からの光に含まれる可視光と赤外光とを波長選択素子で分離して、光電変換素子は分離された可視光を受光するので、光電変換素子の温度上昇を抑制することができる。さらには熱利用素子は分離された赤外光で受光するので、光源からの光に含まれる熱エネルギーを有効利用することができる。 According to the present invention, since the light from the light source is collected by the concave mirror and received by the photoelectric conversion element, a large photoelectric conversion output can be taken out even if the installation area of the photoelectric conversion element is small. In addition, visible light and infrared light contained in the light from the light source are separated by the wavelength selection element, and the photoelectric conversion element receives the separated visible light, so that the temperature rise of the photoelectric conversion element can be suppressed. . Furthermore, since the heat utilization element receives the separated infrared light, the thermal energy contained in the light from the light source can be used effectively.
この発明は例えば、前記波長選択素子を可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーで構成することができる。この場合前記光電変換素子は前記コールドミラーで反射された可視光を受光し、前記熱利用素子は前記コールドミラーを透過した赤外光を受光するように配置することができる。またこの発明は前記波長選択素子を可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルターで構成することもできる。この場合前記光電変換素子は前記コールドフィルターを透過した可視光を受光し、前記熱利用素子は前記コールドフィルターで反射された赤外光を受光するように配置することができる。 In the present invention, for example, the wavelength selection element can be constituted by a cold mirror that reflects visible light and transmits infrared light. In this case, the photoelectric conversion element receives visible light reflected by the cold mirror, and the heat utilization element can be arranged to receive infrared light transmitted through the cold mirror. In the present invention, the wavelength selection element may be a cold filter that transmits visible light and reflects infrared light. In this case, the photoelectric conversion element can be disposed so as to receive visible light transmitted through the cold filter, and the heat utilization element can receive infrared light reflected by the cold filter.
この発明は前記凹面鏡の鏡面形状を放物面、球面、楕円面等とすることができる。また前記波長選択素子の入射面形状を凸面(双曲面、球面等)、平面等とすることができる。また前記凹面鏡の鏡面形状を半筒状凹面とし、前記波長選択素子を半筒状凸面、平面等とすることができる。また前記波長選択素子の凸面または半筒状凸面は連続面またはフレネル面等で構成することができる。また前記凹面鏡の凹面は連続面またはフレネル面等で構成することができる。 In the present invention, the specular shape of the concave mirror can be a paraboloid, a spherical surface, an elliptical surface, or the like. Further, the shape of the incident surface of the wavelength selection element can be a convex surface (hyperboloid, spherical surface, etc.), a flat surface, or the like. Moreover, the mirror surface shape of the concave mirror may be a semi-cylindrical concave surface, and the wavelength selection element may be a semi-cylindrical convex surface, a flat surface, or the like. Further, the convex surface or the semi-cylindrical convex surface of the wavelength selection element can be constituted by a continuous surface or a Fresnel surface. Further, the concave surface of the concave mirror can be constituted by a continuous surface or a Fresnel surface.
この発明は前記熱利用素子を例えば熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器、蒸気タービン発電機等とすることができる。 In the present invention, the heat utilization element can be, for example, a thermoelectric conversion element, a Stirling engine, a water heater, a steam turbine generator, or the like.
《実施の形態1》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態1を図1に示す。光エネルギー収集装置10は凹面鏡12、波長選択素子14、光電変換素子16、熱利用素子18を具えている。凹面鏡12は鏡面形状が放物面に形成されている。放物面の軸20は入射される光22と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡12は図1(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が半円形に形成されている。凹面鏡12は赤外光と可視光を含む光源からの光22として太陽光を入射し、該太陽光22をそのまま(赤外光と可視光を含んだまま)反射して集光する。集光された光は凹面鏡12の焦点位置Aに焦点を結ぶ。
Embodiment 1
Embodiment 1 of the light energy collecting apparatus of the present invention is shown in FIG. The light
波長選択素子14は凹面鏡12から凹面鏡12の焦点位置Aに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子14は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸は凹面鏡12の軸20と同じ位置に配置されている。波長選択素子14は図1(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が半円形に形成されている。波長選択素子14はこの実施の形態ではコールドミラーで構成されている。凹面鏡12で反射され集光された太陽光22はコールドミラー14に入射される。コールドミラー14は入射した太陽光22に含まれる各波長領域の光のうち可視光22aを反射し、赤外光22bを透過する。コールドミラー14の透過率特性の一例を図2に示す。この特性例では可視光のほか可視光よりも波長が短い領域の光も反射される。
The
コールドミラー14で反射された可視光22aは軸20上の位置B(凹面鏡12に近接した位置)に焦点を結ぶ。光電変換素子16は軸20上の焦点位置Bまたはその近傍位置(可視光22aを受光できる位置)に、受光面を軸20に直角に配してコールドミラー14に向けて配置されている。光電変換素子16は太陽電池で構成されている。この太陽電池16は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、GaAs系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドミラー14で反射された可視光22aは太陽電池16で受光される。これにより太陽電池16は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
The
熱利用素子18はコールドミラー14を挟んで凹面鏡12と反対側にある凹面鏡12の焦点位置Aまたはその近傍位置(赤外光22bを受光できる位置)に配置されている。熱利用素子18は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドミラー14を透過した赤外光22bは熱利用素子18で受光される。これにより熱利用素子18は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
The
以上の構成の光エネルギー収集装置10によれば、太陽光22を凹面鏡12で集光して太陽電池16に照射するので、太陽電池16の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子18についても、太陽光22を凹面鏡12で集光して熱利用素子18に照射するので、熱利用素子18が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池16に入射される光22aはコールドミラー14で赤外光を除去した光なので、太陽電池16の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドミラー14で分離された赤外光22bは熱利用素子18で利用されるので、太陽光22のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光22を凹面鏡12で集光してから波長選択素子14に照射するので、前記特許文献4記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子14の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡12を使用するので、特許文献3の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
According to the light
なお実施の形態1では凹面鏡12の鏡面形状を放物面とし、コールドミラー14の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡12の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドミラー14の入射面形状を球面とすることもできる。双曲面形状は製造が難しいのに対し、球面にすると製造が容易になる。
In Embodiment 1, the mirror surface shape of the
また実施の形態1ではコールドミラー14の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドミラー14で反射された可視光22aが焦点を結ぶ位置Bは波長選択素子14から離れた位置となり、太陽電池16を波長選択素子14から離して配置することができるため、太陽電池16の配置が容易になる。
In the first embodiment, the shape of the incident surface of the
また実施の形態1では波長選択素子14をコールドミラーで構成したがコールドフィルターで構成することもできる。コールドフィルターは入射した太陽光に含まれる各波長領域の光のうち赤外光を反射し、可視光を透過する。コールドフィルターの透過率特性の一例を図3に示す。波長選択素子14をコールドミラーで構成する場合は図1(a)において太陽電池16と熱利用素子18の配置を入れ換える。
In the first embodiment, the
《実施の形態2》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態2を図4に示す。これは実施の形態1が凹面鏡12と波長選択素子14を軸20の方向から見てそれぞれ半円形に形成したのに対しそれぞれ円形に形成したものである。実施の形態1と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置24は凹面鏡26、波長選択素子28、光電変換素子16、熱利用素子18を具えている。凹面鏡26は鏡面形状が放物面に形成されている。放物面の軸20は入射される太陽光22と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡26は図4(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が円形に形成されている。凹面鏡26は太陽光22を入射し、該太陽光22をそのまま反射して集光する。集光された光は凹面鏡26の焦点位置Aに焦点を結ぶ。
<< Embodiment 2 >>
Embodiment 2 of the light energy collecting apparatus of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, the
波長選択素子28は凹面鏡26から凹面鏡26の焦点位置Aに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子28は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸は凹面鏡26の軸20と同じ位置に配置されている。波長選択素子28は図4(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が円形に形成されている。波長選択素子28はこの実施の形態ではコールドフィルターで構成されている。凹面鏡26で反射され集光された太陽光22はコールドフィルター28に入射される。コールドフィルター28は入射した太陽光22に含まれる各波長領域の光のうち可視光22aを透過し、赤外光22bを反射する。コールドフィルター28の透過率特性は例えば前記図3と同様とすることができる。
The
光電変換素子16はコールドフィルター28を挟んで凹面鏡26と反対側にある凹面鏡26の焦点位置Aまたはその近傍位置(可視光22aを受光できる位置)に、受光面を軸20に直角に配してコールドフィルター28に向けて配置されている。光電変換素子16は太陽電池で構成されている。この太陽電池16は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、GaAs系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドフィルター28を透過した可視光22aは太陽電池16で受光される。これにより太陽電池16は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
The
コールドフィルター28で反射された赤外光22bは軸20上の位置B(凹面鏡26の表面付近の位置)に焦点を結ぶ。熱利用素子18は軸20上の焦点位置Bまたはその近傍位置(赤外光22bを受光できる位置)に配置されている。熱利用素子18は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドフィルター28で反射された赤外光22bは熱利用素子18で受光される。これにより熱利用素子18は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
The
以上の構成の光エネルギー収集装置24によれば、太陽光22を凹面鏡26で集光して太陽電池16に照射するので、太陽電池16の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子18についても、太陽光22を凹面鏡26で集光して熱利用素子18に照射するので、熱利用素子18が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池16に入射される光22aはコールドフィルター28で赤外光を除去した光なので、太陽電池16の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドフィルター28で分離された赤外光22bは熱利用素子18で利用されるので、太陽光22のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光22を凹面鏡26で集光してから波長選択素子28に照射するので、前記特許文献4記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子28の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡26を使用するので、特許文献3の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
According to the light
なお実施の形態2では凹面鏡26の鏡面形状を放物面とし、コールドフィルター28の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡26の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドフィルター28の入射面形状を球面とすることもできる。
In Embodiment 2, the mirror surface of the
また実施の形態2ではコールドフィルター28の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドフィルター28で反射された赤外光22bが焦点を結ぶ位置Bは波長選択素子28から離れた位置となり、熱利用素子18を波長選択素子28から離して配置することができるため、熱利用素子18の配置が容易になる。
In Embodiment 2, the shape of the incident surface of the
また実施の形態2では波長選択素子28をコールドフィルターで構成したがコールドミラーで構成することもできる。コールドミラーの透過率特性は例えば前記図2と同様とすることができる。波長選択素子28をコールドミラーで構成する場合は図4(a)において太陽電池16と熱利用素子18の配置を入れ換える。
In the second embodiment, the
〈実施の形態2の実施例〉
実施の形態2においてコールドフィルター28として波長が700nmよりも短い光(可視光)を透過し700nm以上の光(赤外光)を反射する特性のものを使用した。赤外光22bが焦点を結ぶ位置Bの温度は赤外光の集光による熱エネルギーで600℃に到達した。同位置Bに熱利用素子18としてスターリングエンジンの高温部を配置して該スターリングエンジン動作させ、クランク機構を使って該スターリングエンジンの出力ピストンの往復運動を回転運動に変換してモーターを駆動したところ約0.9mWの発電出力が得られた。このとき位置Aに配置した市販の太陽電池16の表面温度は45℃であり、同太陽電池16からは1.0mWの発電出力が得られた。
<Example of Embodiment 2>
In the second embodiment, a cold filter having a characteristic of transmitting light (visible light) having a wavelength shorter than 700 nm and reflecting light (infrared light) of 700 nm or more is used. The temperature at the position B at which the
〈比較例〉
比較例として上記実施例で使用した太陽電池16に太陽光を集光せずに直接照射した。このとき太陽電池16の表面温度は65℃であり、同太陽電池16からは0.1mWの発電出力が得られた。
<Comparative example>
As a comparative example, the
上記実施例と比較例によれば次のことが言える。
(a)太陽光22を凹面鏡26で集光して太陽電池16に照射することにより、太陽光22を集光せずに同じ面積の太陽電池16に照射する場合に比べて大きな光電変換出力を取り出すことができる。
(b)太陽電池16に入射される光22aはコールドフィルター28で赤外光を除去した光なので、集光しているにもかかわらず太陽電池16の温度上昇を抑制することができる。
(c)コールドフィルター28で分離された赤外光22bは熱利用素子18としてのスターリングエンジンの駆動に利用されるので、太陽光22のエネルギーの利用効率を高めることができる。
According to the examples and comparative examples, the following can be said.
(A) Condensing the
(B) Since the light 22a incident on the
(C) Since the
《実施の形態3》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態3を図5に示す。これは凹面鏡および波長選択素子を半筒状にそれぞれ構成して互いに所定の間隙を隔てて同一方向に延在するように対向配置し、太陽電池および熱利用素子を該半筒の延在方向に沿ってそれぞれ配列したものである。実施の形態1,2と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置30は凹面鏡32、波長選択素子34、光電変換素子36、熱利用素子38を具えている。凹面鏡32、波長選択素子34はそれぞれ半筒状に形成されている。凹面鏡32および波長選択素子34は互いに所定の間隙を隔てて同一方向に延在配置されている。図5(b)は光エネルギー収集装置30を凹面鏡32および波長選択素子34の延在方向に直角な平面で切断した断面を示す。同断面における凹面鏡32の鏡面形状は放物面に形成されている。また同断面における波長選択素子34の入射面形状は凸状の双曲面に形成されている。凹面鏡32の放物面の軸面(放物線の軸が半筒の延在方向に並んで構成される面)20’と波長選択素子34の双曲面の軸面20’は互いに一致した位置にある。軸面20’は入射される太陽光22と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡32は太陽光22を入射し、該太陽光22をそのまま反射して集光する。集光された光は凹面鏡32の焦線(放物線の焦点が半筒の延在方向に並んで構成される線)位置A’に焦線を結ぶ。
<< Embodiment 3 >>
A third embodiment of the light energy collecting device of the present invention is shown in FIG. This is because the concave mirror and the wavelength selection element are each configured in a semi-cylinder shape, and are arranged so as to extend in the same direction with a predetermined gap therebetween, and the solar cell and the heat utilization element are arranged in the extending direction of the half cylinder. They are arranged along each other. The same code | symbol is used for the part which is common in Embodiment 1,2. The light
波長選択素子34は凹面鏡32からその焦線位置A’に至る光路の途中に配置されている。波長選択素子34はこの実施の形態ではコールドミラーで構成されている。凹面鏡32で反射され集光された太陽光22はコールドミラー34に入射される。コールドミラー34は入射した太陽光22に含まれる各波長領域の光のうち可視光22aを反射し、赤外光22bを透過する。コールドミラー34の透過率特性は例えば前記図2と同様とすることができる。
The
コールドミラー34で反射された可視光22aは軸面20’上の位置B’(凹面鏡32の表面付近の位置)に焦線を結ぶ。光電変換素子36は軸面20’上の焦線位置B’またはその近傍位置(可視光22aを受光できる位置)に沿って、受光面を軸面20’に直角に配してコールドミラー34に向けて配置されている。光電変換素子36は太陽電池で(太陽電池セルを焦線位置B’に沿って並べて)構成されている。この太陽電池36は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、GaAs系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドミラー34で反射された可視光22aは太陽電池36で受光される。これにより太陽電池36は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
The
熱利用素子38はコールドミラー34を挟んで凹面鏡32と反対側にある凹面鏡32の焦線位置A’またはその近傍位置(赤外光22bを受光できる位置)に沿って配置されている。熱利用素子38は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドミラー34を透過した赤外光22bは熱利用素子38で受光される。これにより熱利用素子38は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。熱利用素子38を焦線位置A’に沿って敷設したパイプで構成し、該パイプ中に水等の液体を供給し、該パイプの出口側にタービンを接続することにより、焦点位置A’を通る間に加熱された液体で蒸気タービン発電を行うこともできる。
The
以上の構成の光エネルギー収集装置30によれば、太陽光22を凹面鏡32で集光して太陽電池36に照射するので、太陽電池36の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子38についても、太陽光22を凹面鏡32で集光して熱利用素子38に照射するので、熱利用素子38が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池36に入射される光22aはコールドミラー34で赤外光を除去した光なので、太陽電池36の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドミラー34で分離された赤外光22bは熱利用素子38で利用されるので、太陽光22のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光22を凹面鏡32で集光してから波長選択素子34に照射するので、前記特許文献4記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子34の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡32を使用するので、特許文献3の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
According to the light
なお実施の形態3では凹面鏡32の鏡面形状を放物面とし、コールドミラー34の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡32の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドミラー34の入射面形状を球面とすることもできる。
In Embodiment 3, the mirror surface shape of the
また実施の形態3ではコールドミラー34の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドミラー34で反射された可視光22aが焦線を結ぶ位置B’は波長選択素子34から離れた位置となり、太陽電池36を波長選択素子34から離して配置することができるため、太陽電池36の配置が容易になる。
In the third embodiment, the shape of the incident surface of the
また実施の形態3では波長選択素子34をコールドミラーで構成したがコールドフィルターで構成することもできる。コールドフィルターの透過率特性は例えば前記図3と同様とすることができる。波長選択素子34をコールドミラーで構成する場合は図5において太陽電池36と熱利用素子38の配置を入れ換える。
In the third embodiment, the
《実施の形態4》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態4を図6に示す。これは凹面鏡をフレネルミラーで構成したものである。実施の形態1〜3と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置40はフレネル凹面鏡42、波長選択素子44、光電変換素子16、熱利用素子18を具えている。フレネル凹面鏡42は鏡面が、放物面を同心円に輪切りにして階段状に配列した形状のフレネル面で構成されている。放物面の軸20は入射される太陽光22と平行またはほぼ平行に配置される。フレネル凹面鏡42は図6(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が円形に形成されている。フレネル凹面鏡42は太陽光22を入射し、該太陽光22をそのまま反射して集光する。集光された光はフレネル凹面鏡42の焦点位置Aに焦点を結ぶ。
<< Embodiment 4 >>
Embodiment 4 of the light energy collecting apparatus of the present invention is shown in FIG. This is a concave mirror made up of Fresnel mirrors. The same code | symbol is used for the part which is common in Embodiment 1-3. The light
波長選択素子44はフレネル凹面鏡42からフレネル凹面鏡42の焦点位置Aに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子44は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸はフレネル凹面鏡42の軸20と同じ位置に配置されている。波長選択素子44は図6(b)に示すように、軸20の方向から見た形状が円形に形成されている。波長選択素子44はこの実施の形態ではコールドフィルターで構成されている。フレネル凹面鏡42で反射され集光された太陽光22はコールドフィルター44に入射される。コールドフィルター44は入射した太陽光22に含まれる各波長領域の光のうち可視光22aを透過し、赤外光22bを反射する。コールドフィルター44の透過率特性は例えば前記図3と同様とすることができる。
The
光電変換素子16はコールドフィルター44を挟んでフレネル凹面鏡42と反対側にあるフレネル凹面鏡42の焦点位置Aまたはその近傍位置(可視光22aを受光できる位置)に、受光面を軸20に直角に配してコールドフィルター44に向けて配置されている。光電変換素子16は太陽電池で構成されている。この太陽電池16は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、GaAs系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドフィルター44を透過した可視光22aは太陽電池16で受光される。これにより太陽電池16は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
The
コールドフィルター44で反射された赤外光22bは軸20上の位置B(フレネル凹面鏡42の表面付近の位置)に焦点を結ぶ。熱利用素子18は軸20上の焦点位置Bまたはその近傍位置(赤外光22bを受光できる位置)に配置されている。熱利用素子18は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドフィルター44で反射された赤外光22bは熱利用素子18で受光される。これにより熱利用素子18は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
The
以上の構成の光エネルギー収集装置40によれば、太陽光22をフレネル凹面鏡42で集光して太陽電池16に照射するので、太陽電池16の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子18についても、太陽光22をフレネル凹面鏡42で集光して熱利用素子18に照射するので、熱利用素子18が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池16に入射される光22aはコールドフィルター44で赤外光を除去した光なので、太陽電池16の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドフィルター44で分離された赤外光22bは熱利用素子18で利用されるので、太陽光22のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光22をフレネル凹面鏡42で集光してから波長選択素子44に照射するので、前記特許文献4記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子44の設置面積を小さくすることができる。また集光にフレネル凹面鏡42を使用するので、特許文献3の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
According to the light
また図6の光エネルギー収集装置40によれば図4の実施の形態2の光エネルギー収集装置24に比べて次のような効果が得られる。図7は図4の光エネルギー収集装置24と図6の光エネルギー収集装置40を凹面鏡26,42を同一直径に形成して対比して示したものである。これによれば光エネルギー収集装置40は平板状のフレネル凹面鏡42で太陽光22を収集するため、光エネルギー収集装置24に比べて波長選択素子44を小面積(小径)に形成でき、結果として、使用できる太陽光22の面積が広くなり、高い集光能力が得られる。またフレネル凹面鏡42は平板状であるため、設置が容易である。またフレネル凹面鏡42のフレネル形状は成型加工でき、また波長選択素子44は小面積(小径)に形成できるので製造コストを低くできる。
Further, according to the light
なお実施の形態4ではフレネル凹面鏡42の鏡面形状を放物面とし、コールドフィルター44の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するもののフレネル凹面鏡42の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドフィルター44の入射面形状を球面とすることもできる。
In the fourth embodiment, the mirror surface shape of the Fresnel
また実施の形態4ではコールドフィルター44の入射面の凸面形状を連続面で構成したがフレネル面で構成することもできる。すなわちコールドフィルタ44の基板をフレネル凹面鏡42と同様に平板状に構成し、その入射面(フレネル凹面鏡42との対向面)を双曲面、球面等によるフレネル面で構成し、該フレネル面の表面にコールドフィルターを構成する光学多層膜を成膜する。これによりコールドフィルター44で反射された赤外光22bは位置Bに焦点を結び、コールドフィルター44を透過した可視光22aは大部分がそのまま直進して位置Aに焦点を結ぶ。なお実施の形態1(図1)、実施の形態2(図4)の波長選択素子14,28についても入射面の凸面形状を連続面に代えてフレネル面で構成することができる。同様に実施の形態3(図5)について、半筒状凹面鏡32、半筒状波長選択素子34の基板をそれぞれ平板状に構成し、半筒状凹面鏡32の鏡面の凹面形状を連続面に代えてフレネル面(フレネルの縞が筒の軸方向に直線状に延在するフレネル面)で構成し、半筒状波長選択素子34の入射面の凸面形状を連続面に代えてフレネル面(フレネルの縞が筒の軸方向に直線状に延在するフレネル面)で構成することもできる。
In the fourth embodiment, the convex shape of the incident surface of the
また実施の形態4ではコールドフィルター44の入射面形状を凸面としたが平面(フレネル面でなく連続面)とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドフィルター44で反射された赤外光22bが焦点を結ぶ位置Bは波長選択素子44から離れた位置となり、熱利用素子18を波長選択素子44から離して配置することができるため、熱利用素子18の配置が容易になる。
In the fourth embodiment, the incident surface shape of the
また実施の形態4では波長選択素子44をコールドフィルターで構成したがコールドミラーで構成することもできる。コールドミラーの透過率特性は例えば前記図2と同様とすることができる。波長選択素子44をコールドミラーで構成する場合は図6(a)において太陽電池16と熱利用素子18の配置を入れ換える。
In the fourth embodiment, the
また前記各実施の形態では赤外光と可視光を含む光源からの光として太陽光を使用した場合について説明したが、太陽光以外の光を使用することもできる。例えば昼間に太陽光発電で蓄えた電力を用いて夜間人工光源を駆動するシステムにおいて、人工光源からの光をこの発明の光エネルギー収集装置の光源として使用して再発電することができる。 Moreover, although each said embodiment demonstrated the case where sunlight was used as the light from the light source containing infrared light and visible light, light other than sunlight can also be used. For example, in a system that drives an artificial light source at night using power stored by solar power generation in the daytime, light from the artificial light source can be used as a light source of the light energy collecting device of the present invention to regenerate power.
10,24,30,40…光エネルギー収集装置、12,26,32…凹面鏡(凹面が連続面で構成されている凹面鏡)、14,34…コールドミラー(波長選択素子)、16,36…光電変換素子、18,38…熱利用素子、22…太陽光(赤外光と可視光を含む光源からの光)、28,44…コールドフィルター(波長選択素子)、42…凹面鏡(凹面がフレネル面で構成されている凹面鏡) 10, 24, 30, 40 ... optical energy collecting device, 12, 26, 32 ... concave mirror (concave mirror in which the concave surface is a continuous surface), 14, 34 ... cold mirror (wavelength selection element), 16, 36 ... photoelectric Conversion element, 18, 38 ... Heat utilization element, 22 ... Sunlight (light from a light source including infrared light and visible light), 28, 44 ... Cold filter (wavelength selection element), 42 ... Concave mirror (concave surface is Fresnel surface) Concave mirror made up of
Claims (10)
前記集光された光を入射して該光に含まれる可視光と赤外光とを分離する波長選択素子と、
前記分離された可視光を受光して光起電力を発生する光電変換素子と、
前記分離された赤外光を受光して該赤外線の熱エネルギーを利用する熱利用素子と
を具備してなる光エネルギー収集装置。 A concave mirror that reflects and collects light from a light source including infrared light and visible light;
A wavelength selection element that enters the collected light and separates visible light and infrared light contained in the light;
A photoelectric conversion element that receives the separated visible light and generates photovoltaic power; and
A light energy collecting apparatus comprising: a heat utilization element that receives the separated infrared light and uses the thermal energy of the infrared light.
前記光電変換素子が前記コールドミラーで反射された可視光を受光し、
前記熱利用素子が前記コールドミラーを透過した赤外光を受光する請求項1記載の光エネルギー収集装置。 The wavelength selection element is a cold mirror that reflects visible light and transmits infrared light;
The photoelectric conversion element receives visible light reflected by the cold mirror,
The light energy collecting apparatus according to claim 1, wherein the heat utilization element receives infrared light transmitted through the cold mirror.
前記光電変換素子が前記コールドフィルターを透過した可視光を受光し、
前記熱利用素子が前記コールドフィルターで反射された赤外光を受光する請求項1または2記載の光エネルギー収集装置。 The wavelength selection element is a cold filter that transmits visible light and reflects infrared light;
The photoelectric conversion element receives visible light transmitted through the cold filter,
The light energy collecting apparatus according to claim 1, wherein the heat utilization element receives infrared light reflected by the cold filter.
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