JP5765608B2 - 集光光学素子、集光装置及び光発電装置 - Google Patents
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Description
装置全体の概要を把握するため、まず第1構成形態の集光光学素子10を利用した光発電装置1を主たる例として全体概要を説明する。光発電装置1は、厚さ方向に入射する光を集光する集光光学素子10(20)と、集光光学素子により集光されて端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子50とを備えて構成される。図示する構成形態は、集光光学素子10(20)をプレート状に形成した構成例を示す。光電変換素子50は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述した種々の形態の太陽電池セルを用いて構成することができる。
集光光学素子10(20)は、太陽光を透過するA部材11(21)と、このA部材中に分散された光透過性を有する粒子状のB部材12(22)とを主体として構成される。B部材の粒子径は、集光光学素子に入射する光の波長をλとしたときに円相当径dが0.1λ〜10λ程度に設定される。ここで、集光光学素子において集光しようとする光の波長λが幅を有する場合には、B部材の粒子径dは、その波長帯域における最短波長λminの1/10〜最長波長λmaxの10倍とすることができる。具体的に、太陽光を集光する場合には、太陽光の放射スペクトルは概ね400nm〜1800nm程度であり、B部材の粒子径dは、40nm〜1.8μmとすることができる。
第1構成形態の集光光学素子10においては、集光光学素子の上方から素子内に入射してA部材中を進む光のうち、y軸方向に進むp偏光の光(異常光)にはnax≠nbxであることからB部材12が媒質(A部材11)から識別されて粒子として存在する。一方、x軸方向に進むp偏光の光(常光)にはnay≒nbyであることからB部材12が粒子と識別されず、粒子が存在しない状態(均質媒質)と同じになる。
第2構成形態の集光光学素子20は、複屈折性を有するB部材22を、複屈折の主軸がy軸方向に沿うように配向して分布させた構成である(図4(a)を参照)。このような集光光学素子20においては、集光光学素子20の上方から素子内に入射してA部材中を進む光は、y軸方向に進むp偏光の光(常光)についてnax≠nbxであるとともに、y軸方向に進むs偏光の光(常光)についてもnaz≠nbzである。このため、y軸方向に進む光はp偏光及びs偏向の何れについてもB部材22が媒質(A部材21)から識別されて粒子として存在する。一方、x軸方向に進むp偏光の光(異常光)にはnay≒nbyであることからB部材22が粒子と識別されず、粒子が存在しない状態(均質媒質)と同じになる。
次に、A部材11,21及びB部材12,22の好適な構成形態について、ミーの散乱理論に基づいてより詳細に説明する。なお、ミーの散乱理論そのものについては、本明細書において詳細説明を省略するが、例えば、1995年発売(McGRAW-HILL, INC)の アメリカの光学学会 OSA(OPTICAL SOCIE TY OF AMERICA)監修の「HANDBOOK OF OPTICS」VolumeI Chapter6 にミー理論の散乱理論について記載されている。集光光学素子10,20では、B部材の粒子径dを入射光の波長λとほぼ同じオーダの0.1λ〜10λとすることで散乱を生じさせ、前方散乱を多重的に行わせて光を側方に導いている。このとき、後方散乱(損失)を抑制して前方散乱を支配的とし、また一定の厚さ内で効率的に集光することが望まれる。ミーの散乱理論では、その指標としてサイズパラメータαを用いる。
α=(π×d)/(λ/n)=(π×d×n)/λ・・・・・・・(1)
ここで、dは粒子径(直径)であり、本明細書においては、B部材の粒子径を、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径とし、頻度分布が最大の最頻粒子径(モード径)で規定している。また(λ/n)は媒質中を進む光の波長であり、nは媒質(A部材)の屈折率である。例示する集光光学素子10,20において、A部材11は複屈折性を有しておらず、媒質の屈折率はn=nax=nay=nazで一定である。
・粒子の屈折率nbx:1.88
・媒質の屈折率nax:1.64
・入射光の波長 λ:633nm
・図7の例のサイズパラメータα:1.22
・図8の例のサイズパラメータα:2.44
となる。図9は、図7の散乱分布と図8の散乱分布を、横軸が入射方向を0度とする左右180度の角度とし、縦軸が分布の割合として描きなおしたものである。
第1実施例は、既述した第1構成形態の集光光学素子10において、A部材11及びB部材12の条件として下記を適用した。
・A部材の屈折率 :nax=nay=naz=1.64
・B部材の屈折率 :nbx=1.88(異常光の屈折率)
nby=nbz=1.64(常光の屈折率)
・B部材の粒子径 :d=1.0μm(延伸後の粒子径)
・B部材の分布密度:0.1個/μm3
入射光の波長λを633nmとしたときのサイズパラメータはα=8.14である。
第2実施例は、既述した第2構成形態の集光光学素子20において、A部材21及びB部材22の条件として下記を適用した。
・A部材の屈折率 :nax=nay=naz=1.49
・B部材の屈折率 :nby=1.49(異常光の屈折率)
nbx=nbz=1.66(常光の屈折率)
・B部材の粒子径 :d=1.0μm
・B部材の分布密度:0.1個/μm3
入射光の波長λを633nmとしたときのサイズパラメータはα=7.40である。なお本実施例においては、第2構成形態の集光光学素子20において、B部材が負の複屈折性(異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性)を有する場合を例示する。
比較例として、何れも複屈折性を有しないA部材及びB部材で構成した場合について、同様のシミュレーションを行った。A部材及びB部材の条件として下記を適用した。
・A部材の屈折率 :nax=nay=naz=1.49
・B部材の屈折率 :nbx=nby=nbz=1.66
・B部材の粒子径 :d=1.0μm
・B部材の分布密度:0.1個/μm3
入射光の波長λを633nmとしたときのサイズパラメータはα=7.40である。
次に、以上説明したような集光光学素子を用いた集光装置について、集光光学素子10を用いた場合を代表例として説明する。既述したように、集光光学素子10は、y軸方向に進む光についてA部材11及びB部材12の屈折率がp偏光の光に対して異なり、x軸方向に進む光について実質的に等しくなるように設定することで、厚さ方向に入射するp偏光成分の光をx軸方向に導いて集光する。
次に、第2構成例の集光装置について簡潔に説明する。この構成例の集光装置(図示を省略するが、説明の便宜上、集光装置70とする)は、既述した集光光学素子を二つ用いて構成される。ここでは、集光光学素子10を二つ(101,102とする)用いる場合を例として説明する。
次に、第3構成例の集光装置80について、図23を参照して説明する。本構成例の集光装置80は、既述した集光光学素子二つと偏光面回転素子85により構成される。図23では集光光学素子10を二つ(101,102)用いた場合を例示する。
次に、以上説明した集光光学素子10,20において、x軸方向の+x側及び−x側の端部に集光された光の、エネルギー取り出し手法について、幾つかの代表的な概念を例示する図24(a)〜(e)を参照しながら簡明に説明する。
10(101,102) 第1構成形態の集光光学素子
11 A部材
12 B部材
20 第2構成形態の集光光学素子
21 A部材
22 B部材
50,50′ 光電変換素子
60 第1構成例の集光装置
62 反射鏡
65 偏光面回転素子
80 第3構成例の集光装置
85 偏光面回転素子
Claims (17)
- 光透過性を有するA部材と、前記A部材中に厚さ方向及びこれと相互に直交する第1方向、第2方向に分散された光透過性を有する粒子状のB部材とを有して構成され、
前記B部材の粒子径dは、前記厚さ方向に入射する光の波長をλとしたときに円相当径が0.1λ〜10λであり、
前記A部材における、電界振幅が前記第1方向に沿った光の屈折率をnax、電界振幅が前記第2方向に沿った光の屈折率をn az 、電界振幅が前記厚さ方向に沿った光の屈折率をnayとし、
前記B部材における、電界振幅が前記第1方向に沿った光の屈折率をnbx、電界振幅が前記第2方向に沿った光の屈折率をn bz 、電界振幅が前記厚さ方向に沿った光の屈折率をnbyとしたときに、
naxとnbx 、及びn az とn bz とが異なり、nayとnbyとが実質的に等しいことを特徴とする集光光学素子。 - 前記屈折率の関係が、nax<nbxであり、nbx>nbyであることを特徴とする請求項1に記載の集光光学素子。
- 前記屈折率の関係が、nax<nbxであり、nax<nayであることを特徴とする請求項1に記載の集光光学素子。
- 前記屈折率の関係が、nax>nbxであり、nbx<nbyであることを特徴とする請求項1に記載の集光光学素子。
- 前記屈折率の関係が、nax>nbxであり、nax>nayであることを特徴とする請求項1に記載の集光光学素子。
- 前記A部材及び前記B部材は、(π×d×n ax )/λで規定するサイズパラメータαが、1.5≦α≦40であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の集光光学素子。
- 前記A部材及び前記B部材は、(π×d×n ax )/λで規定するサイズパラメータαが、2≦α≦20であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の集光光学素子。
- 前記B部材の粒子径dが、20μm以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の集光光学素子。
- 前記A部材中に分散された前記B部材の密度は、前記集光光学素子の表面から前記厚さ方向に入射し、複数の前記B部材により多重散乱されて前記集光光学素子の裏面に向かう光が、前記裏面において全反射されるように設定されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の集光光学素子。
- 前記第1方向及び前記第2方向の大きさが前記厚さ方向の大きさに対して充分に大きく、プレート状またはシート状に形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の集光光学素子。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、
前記集光光学素子と前記反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を90度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の第1の集光光学素子と、
請求項1〜10のいずれかに記載の第2の集光光学素子とを備え、
前記第2の集光光学素子は、前記第1の集光光学素子の裏面側に、当該第2の集光光学素子の前記第1方向が前記第1の集光光学素子の前記第2方向と平行になるように配設されることを特徴とする集光装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の第1の集光光学素子と、
請求項1〜10のいずれかに記載の第2の集光光学素子とを備え、
前記第2の集光光学素子は、前記第1の集光光学素子の裏面側に、当該第2の集光光学素子の前記第1方向が前記第1の集光光学素子の前記第1方向と平行になるように配設されるとともに、前記第1の集光光学素子と前記第2の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を90度回転させる偏光面回転素子が設けられることを特徴とする集光装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子により前記第1方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子により前記第1方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
前記集光光学素子により前記第2方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。 - 請求項11に記載の集光装置と、
前記集光光学素子により前記第1方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。 - 請求項12または13に記載の集光装置と、
前記第1の集光光学素子における前記第1方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
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