JP2526153B2 - 光波長変換装置 - Google Patents
光波長変換装置Info
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- JP2526153B2 JP2526153B2 JP2072038A JP7203890A JP2526153B2 JP 2526153 B2 JP2526153 B2 JP 2526153B2 JP 2072038 A JP2072038 A JP 2072038A JP 7203890 A JP7203890 A JP 7203890A JP 2526153 B2 JP2526153 B2 JP 2526153B2
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、太陽光の波長を特定波長域に揃える波長変
換装置に係り、特に太陽光発電装置に組込まれる波長変
換装置に関する。
換装置に係り、特に太陽光発電装置に組込まれる波長変
換装置に関する。
「従来の技術」 従来より、石油若しくは原子力等の代替エネルギーと
して太陽光発電が注目されている。
して太陽光発電が注目されている。
確かに太陽エネルギーを利用した太陽光発電は単に太
陽電池表面に太陽光を受光するのみで光起電力を得る事
が出来るために、石油や原子力のように環境汚染の心配
もなく極めてクリーンであり而もメインテナンスや寿命
の面からも他の発電装置に比較して極めて大なる優位性
を有するにもかかわらず、尚離島や砂漠の極めて限定さ
れた地域にしか設置されていない。
陽電池表面に太陽光を受光するのみで光起電力を得る事
が出来るために、石油や原子力のように環境汚染の心配
もなく極めてクリーンであり而もメインテナンスや寿命
の面からも他の発電装置に比較して極めて大なる優位性
を有するにもかかわらず、尚離島や砂漠の極めて限定さ
れた地域にしか設置されていない。
この光電変換効率の低い主な理由に下記２点があると
考慮する。
考慮する。
即ちその第１は、太陽光は500nm付近に波長別エネル
ギー分布のピークがあり、一方太陽電池のスペクトル感
度は第２図に示すような分布特性を有するために、500n
m以下の波長の太陽光エネルギーの利用率が低い。
ギー分布のピークがあり、一方太陽電池のスペクトル感
度は第２図に示すような分布特性を有するために、500n
m以下の波長の太陽光エネルギーの利用率が低い。
この点を改善するために内部電界を印加したSi太陽電
池では500nm以下の短波長光の収集効率は大幅に向上す
るけれども950nmより長波長光の収集効率は、なお低
い。
池では500nm以下の短波長光の収集効率は大幅に向上す
るけれども950nmより長波長光の収集効率は、なお低
い。
その第２は太陽光のエネルギーがSi結晶のバンドギャ
ップ1.1電子ボルト（eV）に相当する光波長1127nmより
かなり短波長の領域に主として分布しているため、吸収
された光込エネルギーが電子エネルギーに変換される割
合が低いこと、及び1127nmより長波長の太陽光はSi太陽
電池に吸収されないので全く利用されない。
ップ1.1電子ボルト（eV）に相当する光波長1127nmより
かなり短波長の領域に主として分布しているため、吸収
された光込エネルギーが電子エネルギーに変換される割
合が低いこと、及び1127nmより長波長の太陽光はSi太陽
電池に吸収されないので全く利用されない。
そこで本発明者は先に、例えば第１図に示すように、
集光器１により集光した太陽光を波長変換器２によりSi
太陽電池のバンドギャップより短い波長領域、より具体
的には650nm〜950nmに波長を揃えた後、該波長変換後の
太陽光を拡大鏡３により所定集光倍率に拡大した後、太
陽電池４に入射させるようにした装置を提案し（特願平
１−278481号、以下基本技術という）、そして特に本基
本技術においては、太陽光を特定波長域に揃えるため
に、該特定波長域の短波長端を透過限界波長とするフィ
ルタガラス中の黒体から成る微粒子を均等分散させた構
造を持つ光スクリーン部材と、前記特定波長域の長波長
端より短波の光を透過させ、該端より長波の光を反射し
て、前記黒体微粒子含有フィルタガラスに還流させる作
用を持つ反射板とを対向配置して高温の密閉された容器
内に保持すること、そして集光状態の太陽光を光スクリ
ーン部材に照射して該特定波長域の端波長端より長波の
光を透過する一方で、該端より短波長であるためにフィ
ルタガラスに吸収されて熱に変換しているエネルギーを
黒体微粒子群に伝達し、そこからの黒体輻射として再度
放射する過程、更に対向配置された反射板の持つ透過光
波長選択能、の組合せによる光波長変換技術を提案して
いる。
集光器１により集光した太陽光を波長変換器２によりSi
太陽電池のバンドギャップより短い波長領域、より具体
的には650nm〜950nmに波長を揃えた後、該波長変換後の
太陽光を拡大鏡３により所定集光倍率に拡大した後、太
陽電池４に入射させるようにした装置を提案し（特願平
１−278481号、以下基本技術という）、そして特に本基
本技術においては、太陽光を特定波長域に揃えるため
に、該特定波長域の短波長端を透過限界波長とするフィ
ルタガラス中の黒体から成る微粒子を均等分散させた構
造を持つ光スクリーン部材と、前記特定波長域の長波長
端より短波の光を透過させ、該端より長波の光を反射し
て、前記黒体微粒子含有フィルタガラスに還流させる作
用を持つ反射板とを対向配置して高温の密閉された容器
内に保持すること、そして集光状態の太陽光を光スクリ
ーン部材に照射して該特定波長域の端波長端より長波の
光を透過する一方で、該端より短波長であるためにフィ
ルタガラスに吸収されて熱に変換しているエネルギーを
黒体微粒子群に伝達し、そこからの黒体輻射として再度
放射する過程、更に対向配置された反射板の持つ透過光
波長選択能、の組合せによる光波長変換技術を提案して
いる。
しかしながら、かかる光波長変換技術による場合、フ
ィルタガラス中に分散状態で存在する黒体微粒子から、
上流側即ち集光太陽光の入射側に射出される輻射光量が
大きいために、フィルタガラス板を収納する真空密閉容
器の内壁面を高性能の熱線反射物質をもって被覆したと
しても尚、内壁面を透過して損失となるエネルギー量が
大きく、そのために太陽光の波長変換におけるエネルギ
ー効率が低下してしまうという問題点がある。
ィルタガラス中に分散状態で存在する黒体微粒子から、
上流側即ち集光太陽光の入射側に射出される輻射光量が
大きいために、フィルタガラス板を収納する真空密閉容
器の内壁面を高性能の熱線反射物質をもって被覆したと
しても尚、内壁面を透過して損失となるエネルギー量が
大きく、そのために太陽光の波長変換におけるエネルギ
ー効率が低下してしまうという問題点がある。
本発明は、かかる先願技術の欠点を解消し得る光波長
変換装置を提供する事を目的とする。
変換装置を提供する事を目的とする。
「課題を解決する為の技術手段」 かかる技術的課題を達成するための案出した本発明の
主要構成を下記に詳細に説明する。
主要構成を下記に詳細に説明する。
黒体輻射による輻射エネルギー全流量Ｑは、 Ｑ＝5.67×10-8T4 Watt m-2 であらわされ、また波長別の輻射エネルギー流量は であらわされる。
今Ｔ＝1400゜Kとして、光波長650nm〜1100nmの範囲内
の輻射エネルギー量Q650-1100を求めると、 一方、Ｑ＝217.8kwm-2であるから、 Q650-1100/Q＝0.0130 になる。この比の値が意味する処は、例えば、Q
650-1100＝1kwの光出力を得ようとするとき、第３図に
示すように、Ｑ＝77kwの輻射エネルギーが光スクリーン
部材14から反射板に向けて放射されるべき事、又同時に
77kwの輻射エネルギーが、該光スクリーン部材14から、
上流側即ち太陽光の入射側に向けて放射され、密閉容器
11の内壁面の熱線反射率を例えば99.0％としても、77×
0.01＝0.77kwの輻射エネルギーが、内壁面を透過して損
失になるということである。
の輻射エネルギー量Q650-1100を求めると、 一方、Ｑ＝217.8kwm-2であるから、 Q650-1100/Q＝0.0130 になる。この比の値が意味する処は、例えば、Q
650-1100＝1kwの光出力を得ようとするとき、第３図に
示すように、Ｑ＝77kwの輻射エネルギーが光スクリーン
部材14から反射板に向けて放射されるべき事、又同時に
77kwの輻射エネルギーが、該光スクリーン部材14から、
上流側即ち太陽光の入射側に向けて放射され、密閉容器
11の内壁面の熱線反射率を例えば99.0％としても、77×
0.01＝0.77kwの輻射エネルギーが、内壁面を透過して損
失になるということである。
以上に対して、輻射黒体粒子14aの表層を、２μｍ
を境として、これより長波長の光を反射し、これより短
波長の光を透過する材料により被覆する場合を考える
と、 ａ）黒体から放射される輻射光のうち、２μｍより短波
長域に有る光は被覆を透過して輻射黒体粒子14aの外へ
射出される。
を境として、これより長波長の光を反射し、これより短
波長の光を透過する材料により被覆する場合を考える
と、 ａ）黒体から放射される輻射光のうち、２μｍより短波
長域に有る光は被覆を透過して輻射黒体粒子14aの外へ
射出される。
ｂ）輻射黒体粒子14aから射出された２μｍ迄の波長域
に在る輻射光は、光スクリーン部材14の媒質であるフィ
ルタガラスを通過する間に650nm以下の光を吸収され、
結局650nm〜２μｍの波長域にわたる光となって、光ス
クリーン部材14を出て、対向する反射板13に至る。
に在る輻射光は、光スクリーン部材14の媒質であるフィ
ルタガラスを通過する間に650nm以下の光を吸収され、
結局650nm〜２μｍの波長域にわたる光となって、光ス
クリーン部材14を出て、対向する反射板13に至る。
ｃ）反射板13は1.1μｍ以下の波長の光を透過し、1.1μ
ｍ以上の波長の光を反射するように作られている。
ｍ以上の波長の光を反射するように作られている。
従って、光スクリーン部材14から射出される光のう
ち、反射板13を透過する割合は1400゜Kで、 となる。
ち、反射板13を透過する割合は1400゜Kで、 となる。
即ち、反射板13の出力光量を1kwとするためには、光
スクリーン部材14の出力光量が、 1/0.0593＝17kw であることを必要とする。
スクリーン部材14の出力光量が、 1/0.0593＝17kw であることを必要とする。
ｄ）光スクリーン部材14の上流側に向けて、やはり17kw
の輻射エネルギーが放射される。このうち99％は、光ス
クリーン部材14の収納容器内壁面で反射されて光スクリ
ーン部材14に還流するが、１％は損失となり、その量は
0.17kwである。
の輻射エネルギーが放射される。このうち99％は、光ス
クリーン部材14の収納容器内壁面で反射されて光スクリ
ーン部材14に還流するが、１％は損失となり、その量は
0.17kwである。
これは、輻射粒子を黒体のみとした場合の値0.77kwに
比較して、大幅に改善されたエネルギー効率を実現する
ものである。
比較して、大幅に改善されたエネルギー効率を実現する
ものである。
尚、ここで輻射黒体粒子14aの表層を構成する材料
を、透光と光反射との境界が２μｍに位置している材料
にする理由は、入射する太陽光のうち1100nm〜２μｍの
波長域にある光、及び反射板13から還流する1100nm〜２
μｍ波長域の光を、当該表層を透過して黒体に供給し、
650nm〜２μｍ波長域の輻射光として再放出するためで
ある。
を、透光と光反射との境界が２μｍに位置している材料
にする理由は、入射する太陽光のうち1100nm〜２μｍの
波長域にある光、及び反射板13から還流する1100nm〜２
μｍ波長域の光を、当該表層を透過して黒体に供給し、
650nm〜２μｍ波長域の輻射光として再放出するためで
ある。
「作用」 1400゜Kにおける黒体輻射エネルギー流量は、前出の
ようにＱ＝217.8kwm-2である。これを波長域別に見れ
ば、 ０〜650nm域 Q0-650 ＝ 0.01 650〜1100nm域 Q650-1100 ＝ 2.84 1100nm〜２μｍ域 Q1100-2000＝ 45.0 ２μｍ以上域 Q2000- ＝169.9 （単位kwm-2） このように、1400゜Kの黒体輻射においては、輻射エ
ネルギーの大部分が２μｍ以上の波長域に在り、従っ
て、光スクリーン部材14から反射板13に向う輻射エネル
ギー流量をQE、反射板13を透過して出力される650nm〜1
100nm波長域の光エネルギー流量をQTとするとき、 ａ）QEが全波長域にわたる場合には、 QT/QE＝2.84/217.8＝0.0130 従って出力光Ｑ＝1kwm-2にするには、 QE＝77kwm-2 ｂ）QEが０〜２μｍの波長域の光である場合には、 QT/QE＝2.84/（2.84＋45.0）＝0.0593 従って、出力光QT＝1kwm-2にするには、 QE＝17kwm-2 このQEの相違が前出のように損失エネルギー量に大き
い差をもたらし、エネルギー効率の改善に貢献する。
ようにＱ＝217.8kwm-2である。これを波長域別に見れ
ば、 ０〜650nm域 Q0-650 ＝ 0.01 650〜1100nm域 Q650-1100 ＝ 2.84 1100nm〜２μｍ域 Q1100-2000＝ 45.0 ２μｍ以上域 Q2000- ＝169.9 （単位kwm-2） このように、1400゜Kの黒体輻射においては、輻射エ
ネルギーの大部分が２μｍ以上の波長域に在り、従っ
て、光スクリーン部材14から反射板13に向う輻射エネル
ギー流量をQE、反射板13を透過して出力される650nm〜1
100nm波長域の光エネルギー流量をQTとするとき、 ａ）QEが全波長域にわたる場合には、 QT/QE＝2.84/217.8＝0.0130 従って出力光Ｑ＝1kwm-2にするには、 QE＝77kwm-2 ｂ）QEが０〜２μｍの波長域の光である場合には、 QT/QE＝2.84/（2.84＋45.0）＝0.0593 従って、出力光QT＝1kwm-2にするには、 QE＝17kwm-2 このQEの相違が前出のように損失エネルギー量に大き
い差をもたらし、エネルギー効率の改善に貢献する。
「実施例」 以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示的に詳し
く説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品
の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な
記載がない限りは、この発明の範囲をこれのみに限定す
る趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
く説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品
の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な
記載がない限りは、この発明の範囲をこれのみに限定す
る趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
先ず、本発明を円滑に達成する為にはその主要構成要
素の材料の選択が極めて重要な要素を占める。
素の材料の選択が極めて重要な要素を占める。
従って前記各部材の材料について先ず検討する。
（１）選択された波長域の長波長端、より具体的には２
μｍに対応する特性振動数を有する微粒子被覆層142と
して好適な材料を検討する。
μｍに対応する特性振動数を有する微粒子被覆層142と
して好適な材料を検討する。
一般に、導電性物質における自由電子密度をNm-3、対
応する特性振動数をνps-1とする場合、光の振動数をν
s-1として、ν＞νｐの光は当該物質を透過し、νｐ＞
ν＞ντの光は当該物質により反射されることが知られ
ている。ここでντは緩和振動数である。自由電子論に
よれば、νｐは次の式により算出される。
応する特性振動数をνps-1とする場合、光の振動数をν
s-1として、ν＞νｐの光は当該物質を透過し、νｐ＞
ν＞ντの光は当該物質により反射されることが知られ
ている。ここでντは緩和振動数である。自由電子論に
よれば、νｐは次の式により算出される。
νｐ＝（1/2π）｛Ne2/εｏ▲ｍ* e▼）｝1/2 ＝（1/2π）｛e2/εome）｝1/2 （N/Z）1/2 ここで、 εo:真空の誘電率8.854×10-12Fm-1 ▲ｍ* e▼：電子の有効質量 e:電子の電荷1.6021892×10-19C Ｍｅ：電子の静止質量9.109534×10-31kg Z:▲ｍ* e▼/mｅ λｐ＝C/νp:特性振動数に対応する波長ｍ C:光速度、新空中で2.99792458×108ms-1 特性振動数を、光波長200nmに対応させるには νｐ＝C/（2000×10-9）＝1.50×1014s-1 また、対応する自由電子密度は、 N(2000)＝2.787×1026Zm-3 Ｚの値は物質に依って異なり、例えば黒鉛ではＺ＝0.
03〜0.04であり、III〜Ｖ族化合物半導体であるGaPで
は、0.25である。
03〜0.04であり、III〜Ｖ族化合物半導体であるGaPで
は、0.25である。
ａ）金属の場合には、自由電子密度は1028m-3の大きさ
であり、1025〜1026m-3が得られない。
であり、1025〜1026m-3が得られない。
ｂ）半導体の場合には、ｎ型ドーパントを高濃度にドー
プして、熱励起により電子をドナーレベルから伝導帯に
上げることにより、1026m-3台の自由電子密度が得られ
る。
プして、熱励起により電子をドナーレベルから伝導帯に
上げることにより、1026m-3台の自由電子密度が得られ
る。
ただし、半導体の場合には、透過すべき光である650n
mの光（1.91eVに相当）を吸収することの無いよう、バ
ンドギャップが2eV以上の物質であることを必要とす
る。
mの光（1.91eVに相当）を吸収することの無いよう、バ
ンドギャップが2eV以上の物質であることを必要とす
る。
幾かの物質について比較したのが第１表である。
第１表から、耐熱性、ドーパント濃度所要値、及びマ
トリックスであるシリカガラスとの非反応性を考慮して
好適な被覆物質を選択するとSiC、GaPが得られる。
トリックスであるシリカガラスとの非反応性を考慮して
好適な被覆物質を選択するとSiC、GaPが得られる。
（２）さて輻射黒体粒子14aの核材料141としては、熱輻
射率が大きくかつ耐熱性に優れているSiCが好適である
事は容易に理解できる。
射率が大きくかつ耐熱性に優れているSiCが好適である
事は容易に理解できる。
次にこのような材料を用いて構成した波長変換器につ
いて第１図及び第３図に基づいて説明する。
いて第１図及び第３図に基づいて説明する。
ａ）入射窓部12より断熱箱11内に導入された太陽光は、
光スクリーン部材14と反射板13により波長650nm以下の
及び波長1100nm以上の光をカットされた後、650〜1100n
m波長域の光として反射板13から拡大鏡３側に出力され
る。
光スクリーン部材14と反射板13により波長650nm以下の
及び波長1100nm以上の光をカットされた後、650〜1100n
m波長域の光として反射板13から拡大鏡３側に出力され
る。
ｂ）反射板13の温度を700゜Kに保ち、かつ反射板13から
の650〜1100nm波長域光出力密度を200kwm-2に設定し
て、伴われる熱輻射損失Q3をQAの１％以下に抑制した。
の650〜1100nm波長域光出力密度を200kwm-2に設定し
て、伴われる熱輻射損失Q3をQAの１％以下に抑制した。
一方、光スクリーン部材14の構成を、透過限界波長が
650nmであるフィルターガラス中に、粒径が0.1μｍ（直
径）のSiC粒子表層にGaP被膜を着けて作った輻射粒子14
aを、その密度が3.4×1014個m-3になるように分散含有
させた形にして、フィルタガラスの厚さを0.10mにし
た。
650nmであるフィルターガラス中に、粒径が0.1μｍ（直
径）のSiC粒子表層にGaP被膜を着けて作った輻射粒子14
aを、その密度が3.4×1014個m-3になるように分散含有
させた形にして、フィルタガラスの厚さを0.10mにし
た。
更に断熱箱の内壁面を熱線反射率が99％以上である反
射膜で被覆し、光スクリーン部材14の温度を1400゜Kに
保持して、1.17kwの太陽光を入射窓部12より導入した。
射膜で被覆し、光スクリーン部材14の温度を1400゜Kに
保持して、1.17kwの太陽光を入射窓部12より導入した。
その結果、光スクリーン部材14から上流側及び下流側
に向けて波長域０〜２μｍの輻射が夫々Q1＝Q5＝17kw放
射され、更に、Q1のなかの5.8％にあたる0.99kwが所望
波長域にある光として反射板13から出力され、一方、残
りの94.2％は反射板13から光スクリーン部材14に還流す
る。
に向けて波長域０〜２μｍの輻射が夫々Q1＝Q5＝17kw放
射され、更に、Q1のなかの5.8％にあたる0.99kwが所望
波長域にある光として反射板13から出力され、一方、残
りの94.2％は反射板13から光スクリーン部材14に還流す
る。
次に上流側に向った17kwのうち１％の0.17kwが内壁面
を透過してエネルギー損失になった。斯くして、入射太
陽光を85％のエネルギー効率に於いて、650〜1100nm波
長域の光に変換できた。
を透過してエネルギー損失になった。斯くして、入射太
陽光を85％のエネルギー効率に於いて、650〜1100nm波
長域の光に変換できた。
従って、この実施例により、前記した本発明の効果を
円滑に達成し得る事が容易に理解できる。
円滑に達成し得る事が容易に理解できる。
第１図は該変換器が組込まれた太陽光発電装置の概略を
示す全体ブロック図、第２図は太陽電池のスペクトル感
度を示す分布特性図、第３図は本発明の実施例に係る波
長変換器の内部構成を示す概略図である。
示す全体ブロック図、第２図は太陽電池のスペクトル感
度を示す分布特性図、第３図は本発明の実施例に係る波
長変換器の内部構成を示す概略図である。
Claims (5)
- 【請求項１】太陽光の波長を特定波長域に揃える波長変
換装置において、光スクリーン部材と反射板とを高温雰
囲気下で対向配置させ、前記反射板から特定波長域の光
を取り出せるように構成したことを特徴とする交波長変
換装置 - 【請求項２】前記光スクリーン部材が、前記特定波長域
の短波長端を透過限界波長とするフィルタガラスの中
に、選択された波長域の輻射を放射する特性を持つ微粒
子群を分散状態で含有することにより、入射太陽光を、
前記波長域の短波長端から、前記選択された波長域の長
波長端にわたる波長域の輻射として放射するものである
事を特徴とする請求項１）記載の光波長変換装置 - 【請求項３】前記反射板が、前記特定波長域の長波長端
より短波長の光を透過し、該端より長波長の光を反射す
るものである請求項１）記載の光波長変換装置 - 【請求項４】前記光スクリーン部材を構成する微粒子
が、高い熱輻射率を有する材料を核にして、その表層
に、前記選択された波長域の長波長端を境としてそれよ
り短波長の光を透過しそれより長波長の光を反射する特
性を持つ材料による被覆層を形成した微粒子である請求
項２）記載の光波長変換装置 - 【請求項５】太陽光を略600nm〜1100nmの波長域の光に
変換する請求項４）記載の光波長変換装置において、前
記スクリーン部材中に分散状態で含有される微粒子が、
ｎ型GaP被覆層を有するSiC微粒子である事を特徴とする
光波長変換装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2072038A JP2526153B2 (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 光波長変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2072038A JP2526153B2 (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 光波長変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03273219A JPH03273219A (ja) | 1991-12-04 |
| JP2526153B2 true JP2526153B2 (ja) | 1996-08-21 |
Family
ID=13477833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2072038A Expired - Fee Related JP2526153B2 (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 光波長変換装置 |
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-
1990
- 1990-03-23 JP JP2072038A patent/JP2526153B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03273219A (ja) | 1991-12-04 |
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