JP5016251B2 - 固体光学部品を使用した集光型光エネルギ収集器 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光等を受光して発電する装置、特にその集光型光エネルギ収集器に関する。
光電池を使用した発電用の光エネルギ収集器には平板型と集光型がある。平板型光エネルギ収集器は、通常、光電池セルアレイ及びそれに接続された電子回路を、半導体基板（例えば単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板）上に形成した構成を有している。平板型光エネルギ収集器から出力される電力エネルギは光電池セルアレイの面積に強く依存しているので、大きな出力を得るには大面積の半導体基板を使用しなければならないが、そのような半導体基板は高価である。これに対して、集光型光エネルギ収集器ではそのような大面積の半導体基板を使用する必要がない。それは、例えば放物面反射器やレンズ等の集光手段を用い太陽光等の光線を集めて強くし光電池セルに向ける構成であるため、光電池セルが小さくてよいからである。このように、集光型光エネルギ収集器には、平板型に比べ、使用半導体量がかなり少なくまた発電効率が高いという利点がある。
米国特許第４１７７０８３号明細書 米国特許第６６２３５７９号明細書 米国特許第６４７９３９５号明細書 米国特許第６４２０２６６号明細書 米国特許第６５２７９６４号明細書 米国特許第６２７４５０８号明細書 "Optical performance at the thermodynamic limit with tailored imagin desigins", by Jeffrey M. Gordon et al., 12/2004, 16 pages "A Flat-Plate Concentrator: Micro-Concentrator Design Overview", by W. P. Mulligan et al., pages 1495-1497, 0-7803-5772-8/00/$10.00 Copyright 2000 IEEE "The Promise of Concentrators", by Richard M. Swanson, Received 16 June 1999, Revised 3 October 1999, pages 93-111 (19 pages) "FLATCON(TM) and FLASHCON(TM) CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV", by A. W. Bett et al., Presented at the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conf., 7-11 June 2004, Paris, 4 pages "RXI Concentrator For 1000X Photovoltaic Energy Conversion", by Jose L. Alvarez et al. "Developement Of Chip-Size Silicon Solar Cells", by William P. Mulligan et al. "Wafer Level Packaging For Analog/Mixed Signal Applications", by Luu Nguyen; MEPTEC Int. Wafer Level Packaging Conference, Aug. 22, 2002
しかしながら、従来の集光型光エネルギ収集器には、製造、運用及び保守に要するコストが高いという問題点があった。即ち、従来の集光型光エネルギ収集器は、集光手段たる反射器やレンズを１個１個別々に製造してそれらを組み立てるという手法で製造されていたため、光線が集まる焦点位置と光線を集めるべき光電池セルの位置とをうまく合わせるのに多大な労苦を払わねばならなかった。更に、反射器やレンズには熱サイクル、振動等による経時的な位置ずれや外気乃至雰囲気への露出による経時的な汚濁も生じ得るので、反射器やレンズに位置調整や清掃を施すための保守作業を念入りに行わねばならなかった。特に、その反射器やレンズがでこぼこな形状や不規則な形状を有している場合は、清掃するのが面倒であった。
本発明の目的は、従来の集光型光エネルギ収集器にて問題とされていた高い組立コスト及び保守コストを発生させることなく製造、運用及び保守できる新規且つ非自明な集光型光エネルギ収集器及びそのアレイを提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明の集光型光エネルギ収集器は、突出部を有する第１の面及び開口を呈する略平坦な第２の面を有し第２の面の中央部には突出部より小さな陥入部がある透明固体光学部品と、突出部の表面沿いに配置された一次鏡と、陥入部の表面沿いに配置された二次鏡と、を備える集光型光エネルギ収集器であって、一次鏡は、凸面の第１領域上に配置された第１金属膜部と、凸面の第２領域上で、第１金属膜から間隙を介して配置された第２金属膜部とを含み、集光型光エネルギ収集器は、凸面の中央部上に配置された光電池セルであって、第１、第２金属膜部の少なくとも一方に形成された開口を通じて二次鏡からの光が到達する光電池セルを備え、光電池セルは、第１金属膜部と第２金属膜部との間に電気的に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の第１実施形態に係る集光型光エネルギ収集器は、突出部を有する第１の面及び開口を呈する略平坦な第２の面を有し第２の面の中央部には突出部より小さな陥入部がある透明固体光学部品と、突出部の表面沿いに配置された一次鏡と、陥入部の表面沿いに配置された二次鏡と、を備えることを特徴とする。
本発明の第２実施形態に係る集光型光エネルギ収集器は、突出部を有する第１の面及び開口を呈する略平坦な第２の面を有し第２の面の中央部には突出部より小さな陥入部がある透明固体光学部品を備え、突出部及び陥入部の表面が共に光軸について略対称であり且つ開口が光軸に対し略垂直であることを特徴とする。
本発明の第３実施形態に係る集光型光エネルギ収集器アレイは、複数個の突出部を有する第１の面及び複数個の開口を呈する略平坦な第２の面を有し第２の面には対応する突出部より小さな陥入部が複数個ある透明固体光学パネルと、対応する突出部の表面沿いに１個ずつ配置された複数個の一次鏡と、対応する陥入部の表面沿いに１個ずつ配置された複数個の二次鏡と、を備えることを特徴とする。
本発明の第４実施形態に係る集光型光エネルギ収集器アレイは、光学パネルと、互いに間隙を隔てて行又は列をなすよう且つその反射面が光学パネル内を向くよう光学パネル上の複数箇所に配置された導電性の金属膜と、それぞれ隣り合う一対の金属膜双方に導電接続された複数個の光電池セルと、を備え、同じ行又は列に属する複数個の金属膜が金属膜間にある光電池セルを介して直列接続されたことを特徴とする。
なお、第１〜第３実施形態における一次鏡及び二次鏡は、その光軸が一致するように配置するのが望ましく、その光軸と略平行な方向から開口に入射した光線が一次鏡により反射され更に二次鏡により反射されて突出部の中央部に達するような形状（例えば円錐状）や素材（反射膜）とするのが望ましく、配置先の面（それぞれ突出部又は陥入部の表面）上に直に同一の又は別々の反射性素材、導電性素材乃至金属素材を被着させることによって反射膜、導電膜乃至金属膜として形成することができる。その際、突出部及び陥入部は第２実施形態の如くその表面が共に光軸について略対称になるように設けるのが望ましく、開口は第２実施形態の如く光軸に対し略垂直となるよう設けるのが望ましく、突出部により囲まれ光線が集まる中央部には例えば光電池セルを設けるのが望ましく、光電池セルにはヒートシンクを設けるのが望ましく、光電池セルと透明固体光学部品の間には誘電体層を配置するのが望ましい。一次鏡については、例えば第４実施形態の如く分離間隙により第１導電膜と第２導電膜とに仕切られた金属膜等の導電膜として形成するのが望ましく、突出部の中央部即ち光軸をよぎる部分を平坦にしておいて当該導電膜の一部をこの平坦部上に設けるのが望ましく、第１導電膜と第２導電膜との間に設けた光電池セル（及びバイパスダイオード）を第１及び第２導電膜双方に導電接続する構成とするのが望ましく、バイパスダイオードを設ける場合はそのアノード及びカソードのうち一方を第１導電膜にまた他方を第２導電膜に導電接続するのが望ましい。二次鏡については、二次鏡が透明固体光学部品と封止構造とにより挟まれ封止されるように封止構造を陥入部内に設けるのが望ましい。そして、第１及び第２実施形態は適宜組み合わせることができ、第３及び第４実施形態は適宜組み合わせることができ、第１又は第２実施形態を素子構造として用いて第３及び第４実施形態を実現することもできる。
図１に、本発明の参考例に係る集光型光エネルギ収集器１００の構成を分解斜視図により示す。この図に示す収集器１００はカセグレン型でありその内部に鏡面を有している。この素子１００の主要構成部材は光学部品１１０、光電池セル１２０、一次鏡１３０及び二次鏡１４０である。光学部品１１０は透明な円盤状固体構造物であり、表層１１１、表層１１１の背面（図中の下面；前掲の第１の面）から出っ張っている大きな突出部１１２、表層１１１の前面（図中の上面；前掲の第２の面）の大部分を占める略平坦な開口面１１５、並びに表層１１１の前面中央部にあり表層１１１内方へと湾曲陥入しており突出部１１２や開口面１１５よりも小さな陥入部１１７を有している。使用素材量、重量、厚み及び光吸収を最小限に抑えるため表層１１１を可能な限り薄くしてあるので、陥入部１１７及びこれに沿って配置される二次鏡１４０の前後方向寸法は表層１１１の厚みより厚く、その先端は表層１１１を貫いて奥まで延びている。また、光電池セル１２０は例えばフォトダイオードであり、突出部１１２に取り囲まれ且つ突出部１１２の中央に位置している平坦な部分（中央部）１１３に配置されている。そして、一次鏡１３０は突出部１１２の表面沿いに、また二次鏡１４０は陥入部１１７の表面沿いに、それぞれ配置されている。一次鏡１３０及び二次鏡１４０の形状及び位置は、後により詳細に説明するように、所定方向、例えば開口面１１５に垂直で光軸Ｘと平行な方向から到来して光学部品１１０に入射した光線例えば太陽光が、開口面１１５の特定の部位を通って一次鏡１３０上の対応する部位により反射され、更に二次鏡１４０上の対応する部位により反射されて光電池セル１２０に達するよう、設計及び設定されている。二次鏡１４０から光電池セル１２０に至る光路は、何らかの反射面や屈折部材が介在する光路であってもよいし、反射や屈折を挟まない直達光路であってもよい。また、本願における前後、上下等の方向表記は相対的な位置関係を表すものであり、位置乃至方向についての絶対的な基準を指定する趣旨のものではない。
本参考例における一次鏡１３０及び二次鏡１４０は、例えば、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等の反射性鏡面素材を、スパッタリング等の手法を用い突出部１１２及び陥入部１１７の表面上に直に成長させることにより、被着形成されている。これによって、製造コストが抑えられるだけでなく、優れた光学特性も実現されている。即ち、本参考例では、所望の鏡面形状及び所望の鏡面間位置関係に相応した形状、相対位置及び寸法の突出部１１２及び陥入部１１７が得られるようモールド等の手法によって光学部品１１０を製造した上で、突出部１１２の形状とほぼ同じ形状の一次鏡１３０及び陥入部１１７の形状とほぼ同じ形状の二次鏡１４０が形成されるよう既知の鏡面形成技術を用いスパッタリング等を実行して突出部１１２及び陥入部１１７の表面上に鏡面膜を形成することによって、所望の鏡面形状及び所望の鏡面間位置関係にできるだけ近くなるよう一次鏡１３０及び二次鏡１４０を形成している。ここで重要なのは、突出部１１２及び陥入部１１７の形状、相対位置及び寸法が所望の形状、相対位置及び寸法であれば、一次鏡１３０及び二次鏡１４０の形状及び相対的位置関係が自ずと所望の形状及び位置関係になることである。従って、本参考例においては、従来発生していた高い組立コストや高い位置合わせコストが発生しない。更に、一次鏡１３０及び二次鏡１４０が光学部品１１０に固着しており、従って一次鏡１３０と二次鏡１４０の相対的位置関係が固定されているため、従来技術では必要であった位置調整や再位置合わせの必要がなくなる。また、一次鏡１３０及び二次鏡１４０は、同一素材（群）を使用して同時に形成されているため（例えば銀メッキによって形成されているため）、その製造コストは低い。更に、一次鏡１３０及び二次鏡１４０を実現するのに光学部品１１０の表面を利用しているため、光学部品１１０に入射した光線が経由する光学的不連続面は、空気／ガラス境界面たる開口面１１５、一次鏡１３０対突出部１１２境界面及び二次鏡１４０対陥入部１１７境界面のみとなり、それ以外に屈折率境界面を通らずに光電池セル１２０に到達することとなるため、従来の多部品からなる集光型光エネルギ収集器では避けられなかった損失の発生を回避し又はかなりの程度防ぐことができる。開口面１１５における損失は、図示しないが開口面１１５上に反射防止被膜が形成されているため、最小限に抑えられている。勿論、一次鏡１３０及び二次鏡１４０を別途製造しそれらを突出部１１２及び陥入部１１７のうち対応するものに取り付ける、という製造方法も採用できる。但し、そうした方法による構成では、突出部１１２及び陥入部１１７上に直に鏡面膜を形成する構成に比べて、製造コストがかなり増大しまた光学特性がかなり損なわれるであろう。
本参考例における光学部品１１０は、鉄含有量の少ないガラス（例えば英国Ｐｉｌｋｉｎｇｓｔｏｎ ＰＬＣ製ガラスＯｐｔｉｗｈｉｔｅ）組成物等を用い、既知のガラスモールド法によりモールド成形して製造する。こうした鉄欠損性ガラスによるモールド体は、優れた光透過率、優れた表面特性等、他の製造方法や素材では得られない幾つかの利点を有している。即ち、使用されるガラス材料が高粘度であるため、モールド型の表面欠陥内に材料が入り込んで成形されてしまう恐れが少なく、従ってほぼ完全な形状の光学部品１１０を製造することができる。優れた光学特性が得られるため光学部品１１０の製造方法としてここではガラスモールドによる光学部品１１０製造手法を推奨しているが、他種材料や他種製造方法を用いて光学部品１１０を製造した場合でも、光透過性を実現できる素材や方法である限り、本願で説明した効果のうち幾分かは実現することができよう。例えば、透明プラスチックの機械加工及び研磨により単体の光学部品を製造してもよいし、或いは何個かの片に分けて製造したものを接着等の方法で相互固着させることで光学部品１１０を製造してもよい。
図２に、図１に示した収集器１００の運用状態側断面を示す。収集器１００を運用する際には、従来と同様、光線ＬＢ例えば太陽光が開口面１１５に対し常に同じ方向例えば開口面１１５に垂直な方向から入射するように、図示しない収集器姿勢制御システムを使用して収集器１００の向きを経時制御する。例えば、米国カリフォルニア州トーレンスに所在の法人Ａｍｏｎｉｘが製造しているＭｅｇａＭｏｄｕｌｅ（商標）システムには太陽を追跡するシステムが組み込まれており、収集器１００の向きの制御にはこの太陽追跡システムを使用することができる。また、光電池セル１２０の本体が配置される中央部１１３は、従来から用いられているピックアンドプレース型プロセスやリソグラフィプロセスで光電池セル１２０及びこれに関連する配線を実装する都合上、平坦化されており、一次鏡１３０、二次鏡１４０及び各種の光学的介在物（例えば誘電体集束器）により光線ＬＢが集光される先即ち集光領域Ｆは、この図の例では当該平坦な中央部１１３内に形成されている。集光領域Ｆが中央部１１３内にくるようにするため、突出部１１２、一次鏡１３０、陥入部１１７及び二次鏡１４０は、それらの中心を共通の光軸Ｘが通り、それらが光軸Ｘについて実質的に対称となり、且つ光軸Ｘが開口面１１５に略直交することとなるよう、配置されている（即ち、光軸Ｘを中心として弧を回転させたとき得られる回転湾曲面乃至錐面を以て突出部１１２及び陥入部１１７の表面としている）。また、このような構成では、二次鏡１４０の直下になり二次鏡１４０の影になる中央部１１３に鏡面を設ける必要はなく、むしろ中央部１１３に到達した光が光電池セル１２０に到達するようにする必要がある。そのため、一次鏡１３０には開口１３９が形成されている。更に、本参考例における光学部品１１０は、その焦点深さ、即ち二次鏡１４０から光電池セル１２０までの距離が短めになるよう設計することも、長めになるよう設計することもできる。焦点深さを短めにする場合は中央部１１３を光学部品１１０の内部方向へと陥入させて光電池セル１２０を二次鏡１４０に近づける。逆に長めにする場合は中央部１１３を光学部品１１０の後方に台状に突出させて光電池セル１２０を二次鏡１４０から遠ざける。
また、光学部品１１０の寸法や形状を変えることによって、特定の機能を強化することができる。例えば、組立所要時間を短くするには、小径の光学部品１１０による収集器１００を用いてモジュールを構成するより、大径の光学部品１１０による収集器１００を用いてモジュールを構成する方が、所望電力を得るのに必要な収集器１００の個数が少ない分、有利である。逆に、吸収損失を抑えるには、大径の光学部品１１０による収集器１００を用いてモジュールを構成するより、小径の光学部品１１０による収集器１００を用いてモジュールを構成する方が、有利であろう。更に、先に示唆したように、一次鏡１３０及び二次鏡１４０の形状は、形成したい集光領域Ｆの形状、位置、寸法等に応じて様々に変えることができ、ひいては集光領域Ｆを望み通りに形成することができる。一例の形状を挙げると、光学部品１１０の外径は２８ｍｍ、厚みは７．５ｍｍ、突出部１１２の表面形状は回転双曲面、曲率半径は１５．０００ｍｍ、円錐定数は−１．０３０、陥入部１１７の外径は６．８ｍｍ、表面形状は回転双曲面、曲率半径は３．４３８ｍｍ、円錐定数は−２．７５２等々とする。或いは、突出部１１２を回転放物面、陥入部１１７を回転双曲面としてもよい。本件技術分野における習熟者（いわゆる当業者）であれば、光電池セル１２０にたどり着く内部反射光路が実現されるよう、本願による開示に基づき各種錐面、湾曲面等の中から適当なものを選択して使用することができよう。
更に、光電池セル１２０を光学部品１１０に密着させる方法として直接実装を採用するのかそれとも間接実装を採用するのかは、集光領域Ｆや中央部１１３の位置を勘案して決めればよい。例えば光電池セル１２０の位置は、図２に示す例では突出部１１２のほぼ頂点に位置する円形で平坦な中央部１１３の上であるが、突出部１１２の中央が光学部品１１０の内部方向へ即ち陥入部１１７に近づく方向へと窪んでいてこの窪んだ中央部１１３に光電池セル１２０が配置される構成もあり得るし、突出部１１２の中央が光学部品１１０の後方へ即ち陥入部１１７から遠ざかる方向へと出っ張っていてこの出っ張った中央部１１３に光電池セル１２０が配置される構成もあり得る。そうした様々な配置を考慮し光電池セル１２０を配置する際、光電池セル１２０とその実装先である中央部１１３の表面との間隙を埋める必要が生じた場合は、例えば、ポリジフェニルシロキサン（polydiphenylsiloxane）やポリメチルフェニルシロキサン（polymethylphenylsiloxane）等、シリコーン系の透明接着剤１２８を用いて隙間を埋めるとよい。こうした接着剤１２８であれば、中央部１１３の外面と光電池セル１２０との境界面における屈折率の乱れの影響を最小限に抑えることができる。更に、光電池セル１２０と外部配線との接続は、標準的なボンディングワイヤ１２４を用いたワイヤボンディングにより行うことができる。光電池セル１２０として好適に使用できるデバイスの例としては、米国カリフォルニア州シルマ所在のＳｐｅｃｔｒｏｌａｂ，Ｉｎｃ．製のものがある。
また、本参考例における光学部品１１０は一種のバックプレーン構造体として使用されている。即ち、本参考例では、光電池セル１２０並びに導体１２１及び１２２が、光学部品１１０により支持させれている。導体１２１及び１２２は、光電池セル１２０を外部と（アレイ化する場合は例えば他の光電池セル１２０と）接続する通電経路を形成するための導体である。光電池セル１２０と導体１２１及び１２２との接続は、従来から知られているワイヤボンディング技術を用いボンディングワイヤ１２４により行ってもよいし、やはり従来から知られている半田付け技術を用いて行ってもよいし、それらを併用して行ってもよい。導体１２１及び１２２それ自体は、例えば、一次鏡１３０上に誘電体層乃至絶縁体層を形成し更にその上に導電素材を印刷又はエッチングで被着させることによって、形成することができる。また、後述の通り、一次鏡１３０を形成している素材それ自体が通電経路となるよう、一次鏡１３０及びその周辺の部材を構成することもでき、そのようにすれば、導体１２１及び１２２を別途設ける必要がなくなる。
図３及び図４に、本発明の実施形態に係る集光型光エネルギ収集器２００を、前方から見た分解斜視図及び後方から見た組立状態斜視図により示す。先の参考例に係る収集器１００と同様、本実施形態に係る収集器２００の主要構成部品も光学部品２１０、光電池セル２２０、一次鏡２３０及び二次鏡２４０である。光学部品２１０も表層２１１、大きな突出部２１２、略平坦な開口面２１５並びに小さな陥入部２１７を有しているという点で光学部品１１０と形状的に似ており、また光電池セル２２０例えばフォトダイオードが中央部２１３内に配置されていること、一次鏡２３０及び二次鏡２４０がそれぞれ突出部２１２及び陥入部２１７のうち対応するものの表面に沿うよう配置されていることやその形態等、本実施形態の構成の大部分は前述の参考例と実質的に同一である。但し、本実施形態は前述の参考例に対し次のように特徴的な相違点を有している。
まず、図３に示されているように、光学部品２１０の表層２１１の外形は六角形であり、従ってその外縁部には６個の切り子面２１９が相連なって形成されている。このようにその表層２１１が六角形であることは、後に詳述するように、本実施形態に係る収集器２００を複数個（一般には多数）用いてアレイを形成した場合に、面積乃至空間利用効率が非常に高くなるという点で、好都合である。なお、面積乃至空間利用効率がより低くなるけれども、他の形状の収集器（例えば前述の参考例に係る円形の収集器１００）を複数個用いてアレイを形成することも可能である。
本実施形態における一次鏡２３０は、その反射面が光軸Ｘ方向を向くよう突出部２１２の第１半表面（図４で左側にある半分）上に形成された第１金属膜２３１と、その反射面が光軸Ｘ方向を向くよう同第２半表面（同右側にある半分）上に形成された第２金属膜２３４から、構成されている。第１金属膜２３１は、六角形を半分に切断した形状の外辺２３２と、突出部２１２の表面（球面等の回転二次曲面等）を略直線的に横断する内辺２３３とを有しており、第２金属膜２３４も同様の形状の外辺２３５及び内辺２３６を有している。また、内辺２３３と内辺２３６の間には幅の狭い間隙２３７がある。この間隙２３７は第１金属膜２３１と第２金属膜２３４とを電気的に絶縁分離するための間隙であり、光を反射しない部分ができるだけ少なくなるよう極力狭くされている。後により詳細に説明する通り、一次鏡２３０を形成する金属膜をこのように２個（又はそれ以上の個数）の部分に空間分離して形成することは、本実施形態に係る収集器２００を複数個用いて集光型光エネルギ収集器アレイを構成する上で、都合のよいことである。即ち、隣接収集器２００間でその光電池セル２２０同士を電気的に相互リンクさせるための導電経路を、一次鏡２３０によって兼用実現することができる。また、前述の収集器１００と同様、本実施形態においても、突出部２１２の表面に平坦な中央部２１３が形成されている。本実施形態における一次鏡２３０は、この中央部２１３に対応して、平板状に形成された部分を有している。即ち、一次鏡２３０は、第１金属膜２３１に一体接続されている第１平坦部２３８Ａと、第２金属膜２３４に一体接続されている第２平坦部２３８Ｂとを有している。図示の例では第１平坦部２３８Ａと第２平坦部２３８Ｂの間が間隙２３７によって分離されており、これら平坦部のうち一方（ここでは第１平坦部２３８Ａ）に開口２３９が形成されている。開口２３９は光軸Ｘをよぎる位置にあるので、二次鏡２４０から到来する反射光はこの開口２３９を通過して光電池セル２２０に到達する。なお、光電池セル２２０は、前述した実施形態とほぼ同様にしてまた図４に示されているように、平坦な中央部２１３に固着されている。
図５に本実施形態を用いた固体透明光学パネル３００の斜視外観を、また図６にこの光学パネル３００を用いた集光型光エネルギ収集器アレイ４００Ａの概略側断面を、それぞれ示す。
光学パネル３００は固体から形成された透明なプレートであり、図５に示す通り、このプレート内には、複数個の光学部品部分２１０−１〜２１０−７がアレイをなすよう一体形成されている。図中、便宜のために光学部品部分間を破線で区切ってあるが、この破線に沿って別体になっているわけではなく実際には一体である。光学パネル３００内に蜂の巣状に並んでいるこれらの光学部品部分２１０−１〜２１０−７は、何れも、先に図３及び図４に基づき説明した光学部品２１０と実質的に同じ構成を有している。即ち、まず、光学パネル３００の背面３０５には、図６に示す谷部３０７を境目として、複数個の大きな突出部２１２が形成されている。また、光学パネル３００の略平坦な開口面３１５には、より小さな複数個の陥入部２１７が、互いに間隔をおいて且つそれぞれ何れかの突出部２１２と対応して、形成されている。突出部２１２及びこれに対応する陥入部２１７は共通の光軸Ｘについて対称な形状であり、その光軸Ｘは突出部２１２及び陥入部２１７の対毎にあり（図中Ｘ−１〜Ｘ−７）、これらの光軸Ｘ−１〜Ｘ−７はそれぞれ対応する突出部陥入部対の中心を貫いている。例えば、光学部品部分２１０−１は突出部２１２−１及び陥入部２１７−１を有しており、これら突出部２１２−１及び陥入部２１７−１はそれらをよぎる光軸Ｘ−１について対称な形状を有している。また、図６に示されているように、開口面３１５は各光学部品部分２１０の開口面部分２１５を隣から隣へと寄せ集めた面であり、例えば光学部品部分２１０−１の開口面部分２１５−１とその隣の光学部品部分２１０−２の開口面部分２１５−２は一連なりになっていて、この図では開口面部分３１５−１として表されている。このようにして光学パネル３００を形成し、多数の小さな集光器部分２００からアレイを形成することは、良好な空間乃至面積利用効率が得られる点で有益なことである。空間乃至面積利用効率が高いということは、使用ガラス体積が同じでもより嵩張りにくいということであり、また能動冷却（強制放熱）無しで取り扱うことができる光電池セル１個あたり電力量が多いということである。更に、開口面３１５が基本的に平坦な面であるため清掃が容易であり、従って保守コストを最低限に抑えることができる。光学パネル３００は、例えばその厚みが５〜２０ｍｍ、各収集器部分２００の幅が２０〜８０ｍｍといった平坦で薄いものであるから、モールドによって割合に容易に製造することができる。
アレイ４００Ａは、図４に基づき前述した収集器２００と実質的に同様の構成を有する複数個の収集器部分同士（図６に示した断面では２００−１〜２００−３）を、電気的に直列接続した構成を有している。本実施形態においては、各収集器部分２００に設けられており間隙２３７を挟んで隣り合っている第１金属膜２３１と第２金属膜２３４とをその収集器部分２００の光電池セル２２０に電気的に接続するだけでなく、各収集器部分２００に設けられている金属膜のうち一方と、その隣の収集器部分２００に設けられており谷部３０７を挟んで当該一方の金属膜に隣り合っている金属膜とを、電気的に接続し或いははなから一体のものとして形成することにより、収集器部分２００から収集器部分２００へと連綿とつながる導電経路が形成されている。例えば、収集器部分２００−１の第１金属膜２３１−１と第２金属膜２３４−１は共にそれらの間にある光電池セル２２０−１に電気的に接続されている。収集器部分２００−１の第２金属膜２３４−１と、谷部３０７−１を挟んでその隣にある収集器部分２００−２の第１金属膜２３１−２は、一体の金属膜として形成する等して電気的に接続されている。そして、収集器部分２００−２と収集器部分２００−３も同様にして相互リンクされている。その結果、この図の例では、収集器部分２００−１〜２００−３を電気的に直列接続した「行」が、行に沿って収集器間に跨り連なる複数個の金属膜によって、形成されている。また、この図の例では、各収集器部分２００−１〜２００−３にバイパスダイオード２２５が設けられており、各バイパスダイオード２２５のアノードがその収集器部分２００の第１金属膜２３１にまたカソードが第２金属膜２３４にそれぞれ接続されている。例えば、収集器部分２００−１に設けられているバイパスダイオード２２５−１のアノードはその収集器部分２００−１の第１金属膜２３１−１に、またカソードもその収集器部分２００−１の第２金属膜２３４−１に、それぞれ接続されている。バイパスダイオード２２５を設けることによって、その収集器部分２００に設けられている光電池セル２２０が故障したときでも、不正常に動作しているその収集器部分２００をバイパスして直列接続状態での動作を確保すること、即ち直列接続回路の開放を防ぐことができる。なお、いわゆる当業者であれば、バイパスダイオード２２５が直列動作確保手段の一例に過ぎないことは理解できよう。
図７に、本実施形態における収集器部分２００の詳細断面を収集器部分２００−８として示す。収集器部分２００−８に係る図７は前述の収集器部分２００−１〜２００−７に共通する構成を描いたものであり、この図には更に次のような特徴的構成も描かれている。
図７に示されているように、本実施形態においては、収集器部分２００−８の金属膜２３１及び２３４上に光電池セル２２０及びバイパスダイオード２２５を実装する手段として、集積回路パッケージの表面実装技術が使用されている。即ち、本実施形態におけるバイパスダイオード２２５は表面実装型パッケージにくるまれたデバイスであり、半田バンプ等を用い、間隙２３７に跨るよう、またそのアノードが第１金属膜２３１につながる導体に接続され且つカソードが第２金属膜２３４につながる導体に接続されるよう、実装されている。同様に、光電池セル２２０も、その受光部が前方を向くよう表面実装型パッケージにくるまれたデバイスであり、その受光部が開口２３９上に位置することとなるよう第１金属膜２３１上に実装する上で、こうした外装形態は都合がよい。
また、本実施形態における収集器部分２００−８はヒートシンク７１０を有している。このヒートシンク７１０は光電池セル２２０の背面側に実装されており、そのアームのうち１個は第１金属膜２３１に、１個は第２金属膜２３４にそれぞれ接続されている。従って、光電池セル２２０にて動作時に発生する熱を、このヒートシンク７１０により、金属膜２３１及び２３４へと効率よく移送することができる。本実施形態では、更に、光電池セル２２０と金属膜２３１及び２３４の一方又は双方とを接続する導電経路の一部（全部でもよい）が、このヒートシンク７１０によって実現されている。例えば、光電池セル２２０のアノードと第２金属膜２３４とが、このヒートシンク７１０により接続されている。また、ヒートシンク７１０の構造を工夫して別の製造方法乃至組立方法を採ることも可能である。例えば、そのヒートシンク７１０を突出部２１２上に実装したとき、光電池セル２２０及びフォトダイオード２２５（並びにヒートシンク７１０）と一次鏡２３０に係る金属膜２３１及び２３４との接続が、全て一括して実現されるよう、ヒートシンク７１０上に光電池セル２２０及びフォトダイオード２２５を実装した構造とするとよい。そのような構造のヒートシンク７１０であれば、アレイ４００Ａへの実装に先立ち光電池セル２２０を検査するのにも、便利で都合がよい。また、図示しないが、光学パネル３００に窪みを設けてその中に光電池セル２２０を入れ、この窪みに蓋をするよう基板を設け、その基板をその窪みの両側にある金属膜２３１及び２３４の双方又は一方に接続する、というように、ヒートシンク７１０の機能を基板により実現することもできる。
本実施形態においては、更に、二次鏡２４０の表側にガラスやプラスチックによる封止構造物７２０が設けられている。この封止構造物７２０は、光学部品部分２１０−８の陥入部２１７の表面と、当該封止構造物７２０の背面７２２即ち陥入部２１７に倣って屈曲乃至湾曲している面との間に、二次鏡２４０を挟み込み、その状態で二次鏡２４０を封止する構造物である。封止構造物７２０の表面７２５は平坦であり、光学部品部分２１０−８／光学パネル３００の開口面２１５／３１５と同一平面上にある。封止構造物７２０を設けることによって、光学部品部分２１０−８／光学パネル３００の前面が完全に平坦になるため、保守・清掃プロセスが更に容易・単純になるだけでなく、外気乃至雰囲気への露出に伴う腐食から、二次鏡２４０が保護されることとなる。図示しないが、光学パネル３００の背面側にも同様の封止層乃至補強構造物を設けるとよい。そのようにすれば、一次鏡２３０を構成する金属膜２３１及び２３４を保護補強することができる。
図８に、本実施形態に係る収集器部分２００の背面中央部に施す加工乃至処置の手順の例を、その流れを追って（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順で示す。図中符号２００−９で表されている収集器部分の構成は、前述の収集器部分２００−１〜２００−７と基本的に同一であるが、次に示す点で相違している。
最初に、図８（Ａ）に示すように、第１金属膜２３１及びこれと一体の第１平坦部２３８Ａ、並びに第２金属膜２３４及びこれと一体の第２平坦部２３８Ｂを、前述の如く形成する。本実施形態においては、第１金属膜２３１側の平坦部２３８Ａには半島部８０４を設け、この半島部８０４に開口２３９を形成する。その向かい側、即ち第２金属膜２３４側の平坦部２３８Ｂには、この半島部８０４を受け入れられるように湾部８０８を設ける。勿論、この部分においても、内辺２３３と内辺２３６の間に設けるべき分離用の間隙２３７は確保する。次に、図８（Ｂ）に示すように、金属膜２３１及び２３４と一体の平坦部２３８Ａ及び２３８Ｂ並びにその間の間隙２３７の上に、例えばソルダーマスク等による誘電体層８１０を形成する。この誘電体層８１０にはビア８２０及び８２５を設け、その下にある平坦部２３８Ａ及び２３８Ｂの表面が部分的に露出されるようにする。誘電体層８１０の形成には既知の手法、例えばジェット印刷やスクリーン印刷を使用できる。そして、図８（Ｃ）に示すように、高速ピックアンドプレース装置を用いて光電池セル２２０及びバイパスダイオード２２５を配置する。このとき、例えば、光電池セル２２０及びバイパスダイオード２２５のパッケージ又はベアダイの下面にある半田バンプの位置が、それぞれ、誘電体層８１０に形成されている対応するビア上になるようにする。この状態で半田リフロープロセスに投入すれば、光電池セル２２０及びバイパスダイオード２２５が金属膜２３１及び２３４の平坦部２３８Ａ及び２３８Ｂにしっかりと固定されることとなる。また、図示の例ではビア８２０を介した半田バンプ接続により光電池セル２２０を半島部８０４の周縁部に接続しているので（図８（Ｂ）参照）、光電池セル２２０と第２金属膜２３４との接続は別途形成してやる必要がある。そのため、本実施形態では、ボンディングワイヤ８１５をボンディングするプロセスを実施することによって、例えば光電池セル２２０のアノード又はカソードを第２金属膜２３４の平坦部２３８Ｂに接続している。
図９に、本発明の一実施形態に係る集光型光エネルギ収集器アレイ４００Ｂを背面斜視図により示す。このアレイ４００Ｂは、それぞれ図８に示した収集器２００−９と実質的に同一の構成を有する多数の収集器部分２００を有しており、それらは複数行に亘って配置されている。例えば第１行は収集器２００−１１〜２００−１４を含む収集器群から構成されており、第２行は収集器２００−２１〜２００−２５を含む収集器群から構成されており、第３行は収集器２００−３１〜２００−３４を含む収集器群から構成されている。前述したように、各収集器部分２００の金属膜２３１及び２３４は互いに対応する光電池セル２２０（及び設けるのであればバイパスダイオード２２５）を介し電気的に接続されている。例えば、第１金属膜２３１−１１と第２金属膜２３４−１１は、間隙２３７−１１により分離される一方で、光電池セル２２０−１１及びバイパスダイオード２２５−１１を介し前記同様の形態で電気的に接続されている。加えて、同じ行内の隣接収集器部分の隣接金属膜同士も、互いに電気的に接続されるよう、例えば一体の金属膜として形成されている。例えば収集器部分２００−１１の第２金属膜２３４−１１と、収集器部分２００−１２の第１金属膜２３１−１２は、ちょうど砂時計を唐竹割りにしたような形状の金属膜９００−１１が形成されるように、継ぎ目９０１に沿って接続・連結され或いは一体形成されている。同様に、収集器部分２００−１２の第２金属膜２３４−１２と、収集器部分２００−１３の第１金属膜２３１−１３も継ぎ目９０１に沿って接続・連結され或いは一体形成されており、それによって金属膜９００−１２が形成されている。以下同様にして、収集器２００−１１〜２００−１４を含む行においては金属膜９００−１１〜９００−１４を含む金属膜群によって導電経路が形成されており、収集器２００−２１〜２００−２５を含む行においては金属膜９００−２１〜９００−２５を含む金属膜群によって導電経路が形成されており、収集器２００−３１〜２００−３４を含む行においては金属膜９００−３１〜９００−３４を含む金属膜群によって導電経路が形成されている。
同一収集器内隣接金属膜間電気絶縁や隣接行金属膜間電気絶縁は、何れも、それら金属膜間に細長い間隙２３７又は９３７をエッチング等の手法により形成することによって、実現されている。例えば、金属膜９００−１１〜９００−１４を含む第１行の金属膜群と、金属膜９００−２１〜９００−２５を含む第２行の金属膜群との絶縁分離は、その間に形成された細長い間隙９３７−１２によって行われており、同様に、金属膜９００−２１〜９００−２５を含む第２行の金属膜群と、金属膜９００−３１〜９００−３４を含む第３行の金属膜群との絶縁分離は、その間に形成された細長い間隙９３７−２３によって行われている。後に金属膜９００−１１〜９００−３４になる被膜を形成する工程として、光学パネル３００上に鏡面形成用金属素材例えば銀をスパッタリングするという工程を使用する場合、間隙２３７及び９３７を形成する工程の詳細は、例えば次のようになる。即ち、間隙２３７及び９３７を形成する際には、スパッタリング後にまずその光学パネル３００上にワックス印刷技術等でメッキ用マスクを形成する。後の工程で光学パネル３００の両面を同時に処理し必要な被膜、間隙等を形成するには、マスク形成の際に両面印刷技術を用いればよい。メッキ用マスク形成後は、その光学パネル３００をメッキ漕に浸漬する。メッキ漕への浸漬は、十分な厚みのメッキ金属層が得られるよう、即ち強靱且つ途切れのない配線を得るのに十分な金属厚となるよう、適当な回数繰り返して行う（それに必要な個数のメッキ漕を使用する）。この工程は例えば銅やニッケルの電解メッキ工程として実施できる。そうした場合、鏡面形成用金属被膜（例えば銀）のうちメッキ用マスクに覆われていない部分に、銅やニッケルによるメッキ金属層が形成されることとなる（メッキ用マスクに覆われている部分はメッキされない）。メッキ金属層（例えば銅層）は、その層の導電性が十分良好になる厚みに形成する必要がある。例えば１μｍオーダの銅厚が得られれば、その層における電力損失は、光エネルギの変換によって得られた電力の１％未満になるであろう。メッキ終了後は、メッキ用マスクを剥がして鏡面形成用金属被膜をエッチングする。その際はメッキ金属層がエッチング用マスクとなるので、このエッチングによって、光学パネル３００の前面には鏡面形成用金属被膜のない清浄な開口２１５／３１５が形成され（それに伴い開口２１５／３１５にて反射防止被膜が露わになり）、背面には間隙２３７及び９３７が形成されて背面の鏡面形成用金属被膜が必要な金属膜群に区分される。この工程を実施した後は、例えば光電池セル２２０を実装する工程等を、前述した手法によって実施すればよい。
図１０に、本発明の一実施形態に係る集光型光エネルギ収集ユニット４００Ｃの概略平面構造を示す。このユニット４００Ｃは、前述の手法乃至形態で形成された光学パネル３００Ｃと、この光学パネル３００Ｃを支持及び保護する金属支持フレーム４１０例えばアルミニウム製又は鋼製のフレームと、このユニット４００Ｃを図示しない収集器アレイネットワーク内に組み込むためのソケットコネクタ４２０とを有している。光学パネル３００Ｃは多数の収集器部分から構成されており、それら収集器部分は多数の列が形成されるように並べられており、更に同一列に属する収集器部分同士は金属膜９００−１１〜９００−８７のうちの対応するものにより前述の手法乃至形態にて相互にリンクされている。端部にある金属膜９１０−１２、９１０−２３、９１０−３４、９１０−４５、９１０−５６、９１０−６７及び９１０−７８は、図示の通り隣接列間を接続するのに使用されており、また他の金属膜の略半分の大きさしかない金属膜９１０−１及び９１０−８は、金属膜９１０−８１と共に、収集器部分群をソケットコネクタ４２０に接続するのに使用されている。なお、図示した金属膜配置パターンはかなりの程度簡略化したものであり、説明のために示したものである。いわゆる当業者であれば、このパターンの詳細やこれに代わる幾通りかのパターンを、本願による開示に基づき認識できるであろう。また、隣接する金属膜間の分離部に描かれている円内には、誘電体層や各種回路部品等が配置乃至形成されている。例えば、図示の通り、金属膜９００−１１と金属膜９００−１２との分離部上には光電池セル２２０−１１が配置されている。図示した例では、ユニット４００Ｃ内で８列に分け配置されている収集器部分群が、端部の金属膜による列間接続を介して皆１本の信号経路に連なるように接続されているが、単一ユニット内に複数本の信号経路を形成することもでき、またその際にも本質的には上記同様の形態乃至手法を使用できることは、理解できるであろう。
以上、本発明につき幾つかの実施形態を参照して説明を行った。いわゆる当業者にとっては明白なことであるが、本発明に係る特徴的構成は他の形態でも実施可能である。本発明の技術的範囲にはそうした実施形態も含まれる。例えば、本発明に係る構造を、二次鏡（群）が形成される前方ペインと、一次鏡（群）が形成される後方ペインとに分けた２ペイン構造とし、一次鏡や二次鏡についてはそれぞれ前述の方法乃至形態で実現した場合も、前述の効果のうち幾つか、例えば一次鏡を形成する金属膜を前述の如く利用して一連の信号経路を形成すること等による効果を、得ることができる。但し、この構成では、組立時にペイン同士の位置合わせが必要になる他、保守コストも高くなる。また、一次鏡及び二次鏡を光学部品とは別体に形成しておき、適当な接着剤を用いて光学部品に実装する構成としてもよい。但し、この構成では、製造コストがかなり増大する。また、本発明をグレゴリアン系として実施することもできる。それには、二次鏡を形成するための曲面を前述の実施形態における陥入面から突出面に変えればよい。また、一次鏡や二次鏡を形成するための曲面は、回転楕円面、楕円体、球面等、様々な曲面とすることができる。
本発明の参考例に係る集光型光エネルギ収集器の例を示す分解斜視図である。 図１に示した収集器の運用状態側断面図である。 本発明に係る集光型光エネルギ収集器の他の例を示す分解斜視図である。 図３に示した収集器の背面斜視図である。 図３に示した収集器を素子構造として用いた光学パネルの斜視図である。 図５に示した光学パネルを用いた集光型光エネルギ収集器アレイの例を示す概略側断面図である。 図６に示したアレイにおける収集器の詳細側断面図である。 図３に示した収集器における光電池セル及びバイパスダイオードの実装方法の例を示す拡大背面斜視図である。 図３に示した収集器を素子構造として用いたアレイの他の例を示す背面斜視図である。 図９に示したアレイを用いた集光型光エネルギ収集ユニットの概略平面図である。
符号の説明
１００，２００ 集光型光エネルギ収集器（部分）、１１０，２１０ 光学部品（部分）、１１２，２１２ 突出部、１１５，２１５，３１５ 開口面（部分）、１１７，２１７ 陥入部、１２０，２２０ 光電池セル、１３０，２３０ 一次鏡、１３９，２３９ 開口、１４０，２４０ 二次鏡、２３１，２３４，９００，９１０ 金属膜、２３７，９３７ 間隙、３００，３００Ｃ 光学パネル、４００Ａ，４００Ｂ 集光型光エネルギ収集器アレイ、４００Ｃ 集光型光エネルギ収集ユニット、ＬＢ 光線、Ｘ 光軸。

Claims (1)

  1. 突出部を有する第１の面及び開口を呈する略平坦な第２の面を有し第２の面の中央部には突出部より小さな陥入部がある透明固体光学部品と、
    突出部の表面沿いに配置された一次鏡と、
    陥入部の表面沿いに配置された二次鏡と、を備える集光型光エネルギ収集器であって、
    一次鏡は、凸面の第１領域上に配置された第１金属膜部と、凸面の第２領域上で、第１金属膜から間隙を介して配置された第２金属膜部とを含み、
    集光型光エネルギ収集器は、凸面の中央部上に配置された光電池セルであって、第１、第２金属膜部の少なくとも一方に形成された開口を通じて二次鏡からの光が到達する光電池セルを備え、
    光電池セルは、第１金属膜部と第２金属膜部との間に電気的に接続されている集光型光エネルギ収集器。
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