JP6844177B2 - 光給電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の発電部から外れて照射される光を有効に活用できる光給電システムに関する。

近年、二酸化炭素の排出量の低減のため、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入に注目が集まっている。これらの電気自動車の中には、ルーフに太陽電池を取り付け、走行中や停車中でも、二次電池への充電を可能としたものがある。

ルーフに太陽電池を備える電気自動車は、充電ステーションに立ち寄って二次電池を満充電する。充電ステーションでは、太陽電池に、充電ステーションが備える光照射装置から光を照射し、太陽電池が発生する電力によって二次電池を充電する。

一般的に、光照射装置は太陽電池に人工的な拡散光を照射する。このため、光照射装置と太陽電池との水平方向の位置のずれおよび垂直方向の間隔の広狭によって、拡散光の一部が太陽電池から外れて照射されることがある。

この場合、太陽電池から外れて照射される拡散光の光エネルギーは、電気エネルギーに変換されないため、拡散光の持っている光エネルギーの一部が無駄になる。

この無駄を回避する１つの方法としては、たとえば、下記特許文献１に記載されているような集光装置を用いることが考えられる。しかし、この集電装置を用いたとしても、上面から光を照射する際には、集光装置から拡散して照射される光が太陽電池から外れて照射される部分が生じる。このため、上記の光照射装置と同様、光エネルギーの一部が無駄になる。

特開２０１３−２００９６号公報

本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものである。光照射装置と太陽電池との水平方向の位置のずれおよび垂直方向の間隔の広狭が生じた場合、太陽電池の発電部から外れて照射される光を前記発電部に誘導しその光エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換できる光給電システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するための光給電システムは、光照射装置と光電変換装置とを有する。光照射装置は光電変換装置に向けて光を照射する。光電変換装置は、光照射装置が照射する光を入射して電力に変換する。光電変換装置は、光を入射して発電する発電部と、発電部を外れて照射される光を発電部に誘導する光誘導部と、を有し、光誘導部は、発電部の外周部に設けられ、発電部を外れて照射される光を集光する集光部と、集光部に接触して集光部に沿うように発電部方向に直線状に延び、集光部が集光した光の伝播方向を変えて発電部に入射させる導光部と、を有し、導光部は、光の伝播方向から見た断面積が発電部に向かって漸増している。

以上のような構成を有する光給電システムによれば、発電部から外れて照射される光を電力に変換することができ、光電変換装置の発電量を増加させることができる。

実施形態１−３のいずれかの光電変換システムを備える充電ステーションの概略構成図である。 実施形態１−３の光電変換システムの概略構成図である。 実施形態１の光電変換システムにおける図２のＡ領域の拡大図である。 実施形態１の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。 図３Ｂの光誘導部の拡大図である。 実施形態１における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態１における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態１における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態１における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態１の光電変換システムの動作説明に供する図である。 実施形態１の光電変換システムの動作説明に供する図である。 実施形態２の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。 図７Ａの回折部の拡大図である。 実施形態２における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態２における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態２における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態２における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態２の光電変換システムの動作説明に供する図である。 実施形態３の光電変換システムにおける図２のＡ領域の拡大図である。 実施形態３の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。 図１０Ｂの光誘導部の拡大図である。 実施形態３における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態３における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態３における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態３における光誘導部の製造過程を示す図である。 実施形態３の光電変換システムの動作説明に供する図である。 実施形態３における光誘導部の変形例１を示す断面図である。 図１３Ａの光誘導部の拡大図である。 実施形態３における光誘導部の変形例２を示す断面図である。 図１４Ａの光誘導部の拡大図である。

次に、図面を参照しながら本発明に係る光電変換システムの実施形態を、［実施形態１］から［実施形態３］に分けて説明する。図１は、実施形態１−３のいずれかの光電変換システムを備える充電ステーションの概略構成図である。

近年、ルーフに太陽電池を備える電気自動車の開発が進められている。この種の電気自動車の充電は、充電ステーションにおいて、ＬＥＤ照明から太陽電池に人工的な光を照射することによって行う。

図１に示すように、充電ステーション１００は電気自動車１１０を充電させるための充電スペース１２０を有する。充電スペース１２０には、光照射装置としてのＬＥＤ照明１３０を設置してある。電気自動車１１０のルーフには、光電変換装置としての太陽電池１４０が設けてある。ＬＥＤ照明１３０と太陽電池１４０とで光電変換システム２００が形成される。

図１のように、充電スペース１２０に電気自動車１１０を入庫し、充電を指示すると、ＬＥＤ照明１３０から太陽電池１４０に拡散光が入射され、電気自動車１１０への充電が開始される。

図２は、実施形態１−３の光電変換システムの概略構成図である。図１に示したように、光電変換システム２００は、光照射装置としてのＬＥＤ照明１３０と光電変換装置としての太陽電池１４０とを有する。ＬＥＤ照明１３０は太陽電池１４０に向けて、人工的な拡散光Ｌを照射する。太陽電池１４０は、ＬＥＤ照明１３０が照射する拡散光Ｌを入射して電力に変換する。変換された電力は電気自動車１１０が備える二次電池（図示せず）を充電する。

実施形態１−３では、光照射装置としてＬＥＤ照明１３０を例示しているが、ＬＥＤ（発光ダイオード）に替えて、白熱電球、蛍光灯、ＬＤ（レーザーダイオード）など、電気エネルギーを光エネルギーに変換する装置を用いることもできる。

また、実施形態１−３では、光電変換装置として太陽電池１４０を例示しているが、Ｓｉ、Ｇｅなどの元素半導体、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）などの化合物半導体、色素増感太陽電池、有機太陽電池など、光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置を用いることもできる。

太陽電池１４０は、発電部１５０と光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄとを有する。発電部１５０はＬＥＤ照明１３０から照射される光を入射して発電する。光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄは、図示されているように、発電部１５０の外周部を取り囲むように設けられている。光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄは、図示されているように発電部１５０から外れて照射される円弧状の光を、発電部１５０に誘導する。

通常、太陽電池１４０の発電部１５０の形状は四角形である。また、ＬＥＤ照明１３０から照射される光は、太陽電池１４０上では円形となる拡散光Ｌである。拡散光Ｌのすべてが発電部１５０上に収まるようにすると、発電部１５０上の拡散光Ｌが照射されない領域が大きくなり、発電部１５０の発電量が減少する。一方、図２のように、発電部１５０のほとんどの領域に拡散光Ｌが照射されるようにすると、発電部１５０の発電量は増加する。この場合、図示するように、発電部１５０から外れて照射される光が生じる。この光は発電には寄与しないため、光エネルギーが無駄になる。

発電部１５０から外れて照射される光が生じてしまうのは、発電部１５０と拡散光Ｌの形状の相違が原因となるばかりではない。たとえば、図１に示した充電ステーション１００において、ＬＥＤ照明１３０と太陽電池１４０との水平方向の位置ずれが生じた場合にも起こりうる。さらに、ＬＥＤ照明１３０と太陽電池１４０との垂直方向の間隔の広狭によっても起こりうる。たとえば、図２のような広がり角度の拡散光Ｌの場合、その間隔が１０％増加した場合には、太陽電池１４０上の拡散光Ｌの面積は２０％程度増加する。光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ上の拡散光Ｌの境界位置は５％程度外側にずれる。

光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄは、このような場合に、発電部１５０から外れて照射される光を発電部１５０に誘導して、発電部１５０の発電量を増加させる。

［実施形態１］
次に、実施形態１の光電変換システムについて説明する。図３Ａは、実施形態１の光電変換システムにおける図２のＡ領域の拡大図である。図３Ｂは、実施形態１の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。図３Ｃは、図３Ｂの光誘導部の拡大図である。実施形態１の光電変換システムでは、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄが、光の伝播方向を変更させる反射部を有している。

図３Ａに示すように、発電部１５０の外周部には光誘導部１６０Ｃ、１６０Ｄが位置する。光誘導部１６０Ｃは、発電部１５０を外れて照射される光の伝播方向を発電部１５０に向けて変更させる反射部１６２Ｃを有し、光誘導部１６０Ｄも同様の作用をする反射部１６２Ｄを有している。ＬＥＤ照明１３０から照射される拡散光Ｌは、発電部１５０を外れて反射部１６２Ｃ、１６２Ｄに入射される。したがって、発電部１５０を外れて照射される拡散光Ｌは、反射部１６２Ｃ、１６２Ｄによって、発電部１５０に入射され、発電に寄与される。

図３Ｂに示すように、発電部１５０は、発電に寄与する発電層１５５を有する。発電層１５５は、入射された光のエネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽電池１４０がＳｉ、ＣｄＴｅ等の半導体で構成されている場合、ｐｎ接合の近傍にできる空乏層が発電層１５５になる。

図３Ｂに示すように、光誘導部１６０Ｃの反射部１６２Ｃは、反射部１６２Ｃに入射される光を発電層１５５の方向に反射させることによって、発電部１５０から外れて照射される光を発電層１５５に入射させる。

図３Ｃに示すように、光誘導部１６０Ｃは、反射部１６２Ｃ、反射部１６２Ｃを支える支持部１６１Ｃとから構成される。反射部１６２Ｃは屈折率が支持部１６１Ｃに対して相対的に大きい部分であり、屈折率ｎ１６２Ｃを有する。支持部１６１Ｃは、反射部１６２Ｃに対して屈折率が相対的に小さい部分であり、屈折率ｎ１６１Ｃを有する。したがって、両屈折率の大小関係は、ｎ１６２Ｃ＞ｎ１６１Ｃとなっている。このため、反射部１６２Ｃに入射した光は支持部１６１Ｃとの境界面１６３Ｃで反射する。なお、境界面１６３Ｃの曲率は、拡散光Ｌの入射角を考慮して、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、反射される光が効率的に発電層１５５に入射されるように決定される。なお、以上では、光誘導部１６０Ｃの構成について説明したが、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｄの構成も光誘導部１６０Ｃの構成と同一である。

図４Ａから図４Ｄは、実施形態１における光誘導部の製造過程を示す図である。光誘導部の製造過程として光誘導部１６０Ｃの製造過程を例示して説明するが、この製造工程は、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｄについても同一である。光誘導部１６０Ｃは、ポリカーボネート、アクリルなどの透明の樹脂で角柱状に形成されている。まず、図４Ａに示すように、光誘導部１６０Ｃの角部を円弧状に削り取る。これによって、支持部１６１Ｃが形成される。図４Ａの形状は、削り取って成形する方法ではなく、射出成型によって形成しても良い。なお、削り取った部分の円弧状の境界面１６３Ｃの反射率を高めるために、境界面１６３Ｃ上にＡｌ、Ａｕなどの薄膜を、蒸着またはスパッタによって形成しても良い。

次に、図４Ｂに示すように、削り取った部分に、チタニア（ＴｉＯ_２）の微粒子を混ぜ合わせて屈折率を高めたポリカーボネート、アクリルを埋めて反射部１６２Ｃを形成する。チタニアは、基材となるポリカーボネート、アクリルよりも屈折率が大きく、その屈折率は２．５である。ポリカーボネート、アクリルは、可視光波長域では透明である。チタニアを１０％混ぜると屈折率が０．０５増大するため、チタニア粒子を５０％混ぜた場合には、屈折率が２５％高まり、境界面１６３Ｃでの反射率は５６％とすることができる。なお、支持部１６１Ｃの界面に反射率を高めるための薄膜を形成しない場合には、反射部１６２Ｃの円弧状の部分に、同様の蒸着層を加えることで反射率を高めても良い。

次に、図４Ｃに示すように、反射部１６２Ｃの角部を円弧状に削り取り、光誘導部１６０Ｃと反射部１６２Ｃの表面形状を整える。なお、この状態で境界面１６４Ｃの反射率を高めるために、境界面１６４Ｃに、Ａｌ、Ａｕなどの薄膜を、蒸着またはスパッタによって形成しても良い。その場合の反射率は９８％程度に増大し、境界面１６４Ｃの反射ロスを大幅に低減できる。

最後に、図４Ｄに示すように、反射部１６２Ｃの削り取った部分をポリカーボネート、アクリルなどの透明樹脂で埋めて表面を平坦にする。

以上のようにして光誘導部１６０Ｃを形成することによって、反射部１６２Ｃに入射された光は、反射部１６２Ｃの境界面１６３Ｃ、または、境界面１６３Ｃおよび１６４Ｃの間で反射し、効率的に、発電層１５５に入射させることができる。

図５および図６は、実施形態１の光電変換システムの動作説明に供する図である。ＬＥＤ照明１３０は人工光源であるため、発電部１５０には拡散光Ｌが照射される。ＬＥＤ照明１３０と発電部１５０との距離をＨ１、拡散光Ｌの広がり角度をＡ１とすると、拡散光Ｌの発電部１５０上での広がり幅Ｗ１は、Ｗ１＝２＊Ｈ１＊ｔａｎ（Ａ１／２）という式で表される。このため、広がり幅Ｗ１は、広がり角度Ａ１および距離Ｈ１の影響を受ける。

広がり角度Ａ１および距離Ｈ１が適切で、広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１以下で、かつ位置ずれがなければ、すなわち、Ｒ１≧Ｗ１の場合には、拡散光Ｌの光がすべて発電部１５０に入射されるので、光エネルギーがロスなく電気エネルギーに変換される。

一方、図５に示すように、広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１よりも大きい場合、すなわち、Ｒ１＜Ｗ１の場合には、発電部１５０から外れて照射される光が存在するため、拡散光Ｌの一部が直接には発電部１５０に入射されなくなる。このため、広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１よりも大きい場合には、光誘導部１６０Ａ、Ｃがなければ、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されなくなり、エネルギーの変換効率が低下する。

また、広がり角度Ａ１および距離Ｈ１が適切で、広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１以下であっても、図６に示すように位置ずれがあると、図５に示した場合と同様に、発電部１５０から外れて照射される光が存在する。つまり、拡散光Ｌの一部が直接には、発電部１５０に入射されなくなる。このため、図６に示すように位置ずれがある場合にも、光誘導部１６０Ａ、Ｃがなければ、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されなくなり、エネルギーの変換効率が低下する。

しかし、図５および図６に示すように、発電部１５０の周囲に光誘導部１６０Ａ、１６０Ｃを設けることで、発電部１５０を外れて照射される光を反射部１６２Ａ、１６２Ｃに入射させ、光の伝播方向を発電層１５５に向けて変更することができる。

図３Ｃで説明したように、反射部１６２Ｃは屈折率が相対的に大きい部分であり、屈折率ｎ１６２Ｃを有する。反射部１６２Ｃを支える支持部１６１Ｃは、屈折率が相対的に小さい部分であり、屈折率ｎ１６１Ｃを有する。したがって、両屈折率の大小関係は、ｎ１６２Ｃ＞ｎ１６１Ｃとなっている。このため、拡散光Ｌが反射部１６２Ａ、１６２Ｃに入射されると、境界面１６３Ａ、１６３Ｃで反射される。境界面１６３Ａ、１６３Ｃの反射率は、（ｎ１６２Ｃ／ｎ１６１Ｃ）^２で表すことができ、また、境界面１６３Ａ、１６３Ｃでの反射角は入射角と等しい。反射部１６２Ａ、１６２Ｃは、光が入射される面から発電層１５５に向けて曲面形状になっているので、反射部１６２Ａ、１６２Ｃ内を伝播する光は、反射する度に発電層１５５に向けて水平方向に伝播する。最終的には、反射部１６２Ａ、１６２Ｃに入射された光は発電層１５５に入射され、発電に寄与する。このように、発電部１５０を外れて照射される光を発電層１５５に入射させることができ、無駄に照射されていた光を有効に活用して、発電部１５０の発電量を増加させることができる。

図５および図６では、図２の左右方向に平行な方向（光誘導部１６０Ａ、１６０Ｃ側）に光の照射位置がずれている場合を例示したが、図２の左右方向に直角な方向（光誘導部１６０Ｂ、１６０Ｄ側）に光の照射位置がずれている場合も同じように作用する。

なお、実施形態１では、反射部１６２Ａ、１６２Ｂ、１６２Ｃ、１６２Ｄの発電層１５５に向かう方向の断面積は一定としているが、断面積は、発電層１５５に向かう方向に変化させるようにしても良い。

実施形態１に係る光給電システム２００によれば、太陽電池１４０の発電部１５０の周囲に光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄを設けたので、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄに照射された光を発電層１５５に入射させることができる。このため、太陽電池１４０の発電量を増加させることができる。

［実施形態２］
次に、本発明に係る光電変換システムの実施形態２を説明する。実施形態１では、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄが、光の伝播方向を変更させる反射部１６２Ａ、１６２Ｂ、１６２Ｃ、１６２Ｄを有していた。実施形態２では、光誘導部が、光の伝播方向を変更させる回折部を有している。実施形態２では、光誘導部に回折部を有していること以外、その他の構成は実施形態１に係る光電変換システム２００の構成と同一である。

図７Ａは、実施形態２の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。図７Ｂは、図７Ａの回折部の拡大図である。実施形態１では図２において光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄを例示したが、実施形態２では、光誘導部の符号を光誘導部１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄに変えて例示する。

図７Ａに示すように、光誘導部１７０Ｃは回折部１７２Ｃを有し、回折部１７２Ｃは発電部１５０に隣接して設けられる。発電部１５０は、発電に寄与する発電層１５５を有する。発電層１５５は、入射された光のエネルギーを電気エネルギーに変換する。発電層１５５の構成は実施形態１と同一である。

回折部１７２Ｃは、回折部１７２Ｃに入射される光の伝播方向を発電層１５５に向けて変更させる。つまり、実施形態１のように反射させるのではなく、回折格子によって光を回折させて発電層１５５に入射させる。

図７Ａ、７Ｂに示すように、光誘導部１７０Ｃは、回折部１７２Ｃ、回折部１７２Ｃを支える支持部１７１Ｃとから構成される。回折部１７２Ｃは、高屈折率層１７３Ｃと低屈折率層１７４Ｃとが交互に積層された回折格子を有する。高屈折率層１７３Ｃの屈折率をｎ１７３Ｃ、低屈折率層１７４Ｃの屈折率をｎ１７４Ｃとし、入射される光の波長をλ、回折格子への入射角をＦ、回折格子の間隔をＤとする。この場合、光を図の横方向に回折させるには、Ｄ＝（λ＊ｃｏｓ（Ｆ））＊（ｎ１７３Ｃ＋ｎ１７４Ｃ）／（４＊ｎ１７３Ｃ＊ｎ１７４Ｃ）が成り立つようにする。したがって、高屈折率層１７３Ｃと低屈折率層１７４Ｃは、入射される光の波長λを考慮して算出される間隔Ｄに基づいて積層する。

上記の条件で高屈折率層１７３Ｃと低屈折率層１７４Ｃとを積層し、回折部１７２Ｃを形成すると、実施形態１と同様に、回折部１７２Ｃに入射される光の伝播方向を、回折格子による回折現象を用いて、横方向に変更できる。このため、光誘導部１７０Ｃに入射される光を、発電層１５５に対して真横から入射できる。

図８Ａから図８Ｄは、実施形態２における光誘導部の製造過程を示す図である。光誘導部１７０Ｃは、ポリカーボネート、アクリルなどの透明の樹脂で角柱状に形成されている。まず、図８Ａに示すように、光誘導部１７０Ｃの角部を三角形状に削り取る。これによって支持部１７１Ｃが形成される。なお、図８Ａの形状は、射出成型により形成しても良い。

次に、図８Ｂに示すように、削り取った部分に、チタニア（ＴｉＯ２）の微粒子を混ぜ合わせて屈折率を高めたポリカーボネート、アクリルから成る高屈折率層１７３Ｃを積層する。このときの高屈折率層１７３Ｃの厚みＤ１７３Ｃは、Ｄ１７３Ｃ＝（λ＊ｃｏｓ（Ｆ））／（４＊ｎ１７３Ｃ）とする。なお、チタニアは、基材となるポリカーボネート、アクリルよりも屈折率が大きく、その屈折率は２．５である。ポリカーボネート、アクリルは、可視光波長域では透明である。チタニアを１０％混ぜると屈折率が０．０５増大するため、チタニア粒子を５０％混ぜた場合には、屈折率が２５％高まり、高屈折率層１７３Ｃの界面での反射率は５６％とすることができる。

次に、図８Ｃに示すように、高屈折率層１７３Ｃの上に、ポリカーボネート、アクリルなどの低屈折率層１７４Ｃを積層する。このときの低屈折率層１７４Ｃの厚みＤ１７４Ｃは、Ｄ１７４Ｃ＝（λ＊ｃｏｓ（Ｆ））／（４＊ｎ１７４Ｃ）とする。

高屈折率層１７３Ｃと低屈折率層１７４Ｃを、それぞれの厚み、Ｄ１７３Ｃ、Ｄ１７４Ｃで、図８Ｄに示すように複数回繰り返して積層し、多層膜の回折格子を形成する。高屈折率層１７３Ｃと低屈折率層１７４Ｃは、薄い膜を貼り付けることによって積層させる方法でも良いし、射出形成後に削り出して積層させる方法でも良い。回折部１７２Ｃの反射率は積層数が多いほど高くなる。

最後に、図８Ｄに示すように、回折格子の三角形状の部分をポリカーボネート、アクリルなどの透明樹脂で埋めて表面を平坦にする。

以上のようにして光誘導部１７０Ｃを形成することによって、回折部１７２Ｃに入射された光は、回折部１７２Ｃの回折現象により、効率的に、発電層１５５に入射させることができる。

図９は、実施形態２の光電変換システムの動作説明に供する図である。図９に示すように、拡散光Ｌの広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１よりも大きい場合、すなわち、Ｒ１＜Ｗ１の場合には、発電部１５０から外れて照射される光が存在するため、拡散光Ｌの一部が発電部１５０に直接には入射されなくなる。このため、光誘導部１７０Ａ、１７０Ｃがなければ、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されなくなり、エネルギーの変換効率が低下する。

しかし、図９に示すように、発電部１５０の周囲に光誘導部１７０Ａ、１７０Ｃを設けることで、発電部１５０を外れて照射される光を回折部１７２Ａ、１７２Ｃに入射させ、光の伝播方向を発電層１５５に向けて変更することができる。このため、無駄に照射されている光を有効に活用して、発電部１５０の発電量を増加させることができる。

図９では、図２の左右方向に平行な方向（光誘導部１６０Ａ、１６０Ｃ側）に光の照射位置がずれている場合を例示したが、図２の左右方向に直角な方向（光誘導部部１６０Ｂ、１６０Ｄ側）に光の照射位置がずれている場合も同じように作用する。

実施形態２に係る光給電システム２００Ａによれば、実施形態１と同様に、発電部１５０の周囲に光誘導部１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄを設けたので、光誘導部１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄに照射された光を発電層１５５に入射させることができる。このため、発電部１５０の発電量を増加させることができ、太陽電池１４０の発電量を増加させることができる。

［実施形態３］
次に、本発明に係る光電変換システムの実施形態３を説明する。実施形態１および２では、光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ、１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄが、光の伝播方向を変更させた。実施形態３では、光誘導部が、発電部１５５を外れて照射される光を集光する集光部と、集光された光を発電部１５５へと導く導光部とを有している。実施形態３では、光誘導部に集光部と導光部とを有していること以外、その他の構成は実施形態１に係る光電変換システム２００の構成と同一である。

図１０Ａは、実施形態３の光電変換システムにおける図２のＡ領域の拡大図である。図１０Ｂは、実施形態３の光電変換システムにおける図２のＢ−Ｂ断面図である。図１０Ｃは、図１０Ｂの光誘導部の拡大図である。実施形態１では図２において光誘導部１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄを例示したが、実施形態３では、光誘導部の符号を光誘導部１８０Ａ、１８０Ｂ、１８０Ｃ、１８０Ｄに変えて例示する。

図１０Ａに示すように、発電部１５０の外周部には光誘導部１８０Ｃ、１８０Ｄが位置する。光誘導部１８０Ｃの発電部１５０側には、入射される光を集光する集光部１８２Ｃが設けられている。集光部１８２Ｃは、発電部１５０を外れて照射される光を集光する。光誘導部１８０Ｄの発電部１５０側には、集光部１８２Ｄが設けられている。集光部１８２Ｄも集光部１８２Ｃと同様の作用をする。また、光誘導部１８０Ｃと光誘導部１８０Ｄとの間には光誘導部１８０ｄが設けられている。光誘導部１８０ｄの発電部１５０側には、集光部１８２ｄが設けられている。集光部１８２ｄも集光部１８２Ｃ、１８２Ｄと同様の作用をする。ＬＥＤ照明１３０から照射される拡散光Ｌは、発電部１５０を外れて集光部１８２Ｃ、１８２Ｄ、場合によっては集光部１８０ｄにも入射される。したがって、発電部１５０を外れて照射される拡散光Ｌは、集光部１８２Ｃ、１８２Ｄ、１８２ｄによって集光される。

図１０Ｂに示すように、光誘導部１８０Ｃは、集光部１８２Ｃと導光部１８４Ｃとを有する。集光部１８２Ｃは、入射される光を集光して導光部１８４Ｃに伝播させる。導光部１８４Ｃは、集光部１８２Ｃが集光した光の伝播方向を変えて発電層１５５に入射させる。発電部１５０は、発電に寄与する発電層１５５を有する。発電層１５５は、入射された光のエネルギーを電気エネルギーに変換する。発電層１５５の構成は実施形態１と同一である。

図１０Ｃに示すように、光誘導部１８０Ｃは、集光部１８２Ｃと導光部１８４Ｃとを支持する支持部１８１Ｃを有する。集光部１８２Ｃは、台形状の集光片１８３ａと、集光片１８３ａと隣接し集光片１８３ａ間を埋める三角形状の保持片１８３ｂとを有する。集光片１８３ａは屈折率が支持部１８１Ｃおよび保持片１８３ｂに対して相対的に大きい部分であり、支持部１８１Ｃおよび保持片１８３ｂは屈折率が集光片１８３ａに対して相対的に小さい部分である。したがって、図１０Ｃに示すように、集光部１８２Ｃに入射した光は支持部１８１Ｃおよび保持片１８３ｂの界面で反射する。

また、図１０Ｃに示すように、集光部１８２Ｃに接触して、集光部１８２Ｃに沿うように発電部１５０（図１０Ｂ参照）方向に直線状に延びる導光部１８４Ｃが設けられている。導光部１８４Ｃの光の伝播方向の断面積は同一である。導光部１８４Ｃは支持部１８１Ｃに対して相対的に屈折率の大きい部分である。なお、集光部１８２Ｃの集光片１８３ａと導光部１８４Ｃの屈折率は同一である。

光はまず集光部１８２Ｃに入射され、集光部１８２Ｃの集光片１８３ａの界面で反射して導光部１８４Ｃに伝播する。集光片１８３ａの断面積は、光線が入射される側で大きく集光部１８４Ｃに接する部分で最小となるようにしてある。このため、集光片１８３ａの界面での反射回数が減少し、逆向きに伝播する確率を低減する。導光部１８４Ｃに入射した光は、導光部１８４Ｃの界面で反射を繰り返し、発電層１５５（図１０Ｂ参照）に到達し発電に寄与する。

集光部１８２Ｃを設ける領域は、実施形態１の反射部１６２Ｃ、実施形態２の回折部１７２Ｃと比較して広くとることができる。集光部１８２Ｃの集光片１８３ａは横方向に多重に設けることができるからである。集光部１８２Ｃで集めた光を導光部１８４Ｃで発電層１５５に伝播させる構成となっているので、集光部１８２Ｃの長さが長くなっても、集光部１８２Ｃでの光の減衰を考慮する必要はない。したがって、発電部１５０を大きく外れた光も集光して発電に寄与させることができる。

図１１Ａから図１１Ｄは、実施形態３における光誘導部の製造過程を示す図である。光誘導部１８０Ｃは、ポリカーボネート、アクリルなどの透明の樹脂で角柱状に形成されている。まず、図１１Ａに示すように、光誘導部１８０Ｃの一部を階段状に削り取る。これによって支持部１８１Ｃが形成される。なお、図１１Ａの形状は、射出成型によって形成しても良い。

次に、図１１Ｂに示すように、削り取った部分の一部に、チタニア（ＴｉＯ２）の微粒子を混ぜ合わせて屈折率を高めたポリカーボネート、アクリルから成る導光部１８４Ｃを積層する。チタニアは、基材となるポリカーボネート、アクリルよりも屈折率が大きい。ポリカーボネート、アクリルは、可視光波長域では透明である。

次に、図１１Ｃに示すように、導光部１８４Ｃ上、光誘導部１８０Ｃが階段状に削り取られた部分の壁面に隣接させて、台形状の集光片１８３ａを形成する。集光片１８３ａの材料の屈折率は導光部１８４Ｃの材料の屈折率と同一である。

次に、図１１Ｄに示すように、導光部１８４Ｃ上、集光片１８３ａに隣接させて、三角形状の保持片１８３ｂを形成する。保持片１８３ｂの材料の屈折率は支持部１８１Ｃの屈折率と同一である。

導光部１８４Ｃ上に、台形状の集光片１８３ａと三角形状の保持片１８３ｂを順次並べて形成し、最後に、誘導部１８０Ｃの外形形状を成形し、表面を平坦にして、図１０Ｃに示す光誘導部１８０Ｃを形成する。

以上のようにして光誘導部１８０Ｃを形成することによって、集光部１８２Ｃに入射された光は集光され、導光部１８４Ｃによって、効率的に、発電層１５５に入射させることができる。

図１２は、実施形態３の光電変換システムの動作説明に供する図である。図１２に示すように、拡散光Ｌの広がり幅Ｗ１が発電部１５０の長さＲ１よりも大きい場合、すなわち、Ｒ１＜Ｗ１の場合には、発電部１５０から外れて照射される光が存在するため、拡散光Ｌの一部が直接には発電部１５０に入射されなくなる。このため、光誘導部１８０Ａ、１８０Ｃがなければ、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されなくなり、エネルギーの変換効率が低下する。

しかし、図１２に示すように、発電部１５０の周囲に光誘導部１８０Ａ、１８０Ｃを設けることで、発電部１５０を外れて照射される光を集光部１８２Ａ、１８２Ｃに入射させ、導光部１８４Ａ、１８４Ｃによって、光の伝播方向を発電層１５５に向けて変更できる。このため、無駄に照射されている光を有効に活用して、発電部１５０の発電量を増加させることができる。

図１２では、図２の左右方向に平行な方向（光誘導部１６０Ａ、１６０Ｃ側）に光の照射位置がずれている場合を例示したが、図２の左右方向に直角な方向（光誘導部部１６０Ｂ、１６０Ｄ側）に光の照射位置がずれている場合も同じように作用する。

実施形態３に係る光給電システム２００Ｂによれば、光誘導部１８０Ａ、１８０Ｃに集光部１８２Ａ、１８２Ｃおよび導光部１８４Ａ、１８４Ｃが設けられているので、発電部１５０を外れて照射される光を、広範囲にわたって、発電層１５５に入射させることができる。このため、発電部１５０の発電量を増加させることができ、太陽電池１４０の発電量を増加させることができる。

［実施形態３の変形例１］
図１３Ａは、実施形態３における光誘導部の変形例１を示す断面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの光誘導部の拡大図である。この変形例１は、実施形態３の導光部１８４Ｃの断面積を発電部１５５に向けて大きくしたものである。

図１３Ａに示すように、光誘導部１８０Ｃは、集光部１８２Ｃと導光部１８４Ｃ−１とを有する。集光部１８２Ｃは、入射される光を導光部１８４Ｃ−１に伝播させる。導光部１８４Ｃ−１は、集光部１８２Ｃが伝播した光の伝播方向を変えて発電層１５５に入射させる。集光部１８２Ｃの構成は、実施形態３と同一である。

図１３Ｂに示すように、集光部１８２Ｃに接触し集光部１８２Ｃに沿うように導光部１８４Ｃ−１が設けられている。導光部１８４Ｃ−１は、その断面積が、発電部１５０に向かって漸増している。導光部１８４Ｃ−１は支持部１８１Ｃに対して相対的に屈折率の大きい部分である。

光はまず集光部１８２Ｃに入射され、集光部１８２Ｃおよび集光片１８３ａの界面で反射して導光部１８４Ｃ−１に伝播する。集光片１８３ａの断面積は、光線が入射される側で大きく集光部１８４Ｃ−１に接する部分で最小となっているので、界面での反射回数が減少し、逆向きに伝播する確率を低減する。導光部１８４Ｃ−１に入射した光は、導光部１８４Ｃ−１の界面で反射を繰り返し、発電層１５５（図１０Ｂ参照））に到達し発電に寄与する。導光部１８４Ｃ−１の断面積は、発電層１５５に向けて漸増しているので、界面での反射回数を減少させ、逆向きに伝播する確率を低減させる。

変形例１の光誘導部１８０Ｃによれば、導光部１８４Ｃ−１の断面積が光の伝播方向に漸増しているので、逆方向への光の伝播を抑制できる。また、反射回数を減少させることができる。このため、集光部１８２Ｃからの光を減衰させることなく発電部１５０に入射させることができ、発電部１５０の発電量を増加させることができる。

［実施形態３の変形例２］
図１４Ａは、実施形態３における光誘導部の変形例２を示す断面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの光誘導部の拡大図である。この変形例２は、実施形態３の導光部１８４Ｃの断面積の一部だけを発電層１５５に向けて大きくしたものである。

図１４Ａに示すように、光誘導部１８０Ｃは、集光部１８２Ｃと導光部１８４Ｃ−２とを有する。集光部１８２Ｃは、入射される光を導光部１８４Ｃ−２に伝播させる。導光部１８４Ｃ−２は、集光部１８２Ｃが伝播した光の伝播方向を変えて発電層１５５に入射させる。集光部１８２Ｃの構成は、実施形態３と同一である。

図１４Ｂに示すように、集光部１８２Ｃに接触し集光部１８２Ｃに沿うように導光部１８４Ｃ−２が設けられている。導光部１８４Ｃ−２は、集光部１８２Ｃに重なる一部分がテーパー状になっていて断面積が漸増し、それ以外の部分では断面積が一定となっている。つまり、導光部１８４Ｃ−２の断面積が、変形例１と比較して、大きくなりすぎない構成になっている。このため、発電層１５５の厚みが小さい場合であっても、テーパーの角度とテーパー状に形成する部分の距離を適切にすることで、厚みの薄い太陽電池でも、無理なく、光誘導部１８０Ｃを設けることができる。導光部１８４Ｃ−２は支持部１８３Ｃに対して相対的に屈折率の大きい部分である。

光はまず集光部１８２Ｃに入射され、集光片１８３ａの界面で反射して導光部１８４Ｃ−２に伝播する。集光片１８３ａの断面積は、光線が入射される側で大きく集光部１８４Ｃ−１に接する部分で最小となっているので、界面での反射回数が減少し、逆向きに伝播する確率を低減する。導光部１８４Ｃ−２に入射した光は、導光部１８４Ｃ−２の界面で反射を繰り返し、発電層１５５（図１０Ｂ参照））に到達し発電に寄与する。導光部１８４Ｃ−２の一部分の断面積は、発電層１５５に向けて漸増しているので、界面での反射回数を減少させ、逆向きに伝播する確率を低減させる。

変形例２の光誘導部１８０Ｃによれば、導光部１８４Ｃ−２の一部の断面積が光の伝播方向に漸増しているので、逆方向への光の伝播を抑制できる。また、反射回数を減少させることができる。このため、集光部１８２Ｃからの光を減衰させることなく発電部１５０に入射させることができ、発電量を増加させることができる。さらに、断面積の増加は途中までとしているので、光誘導部１８０Ｃの厚みが小さくて済む。

なお、変形例２では、導光部１８４Ｃ−２の断面積を導光部１８４Ｃ−２の全体に亘って漸増させるのではなく、導光部１８４Ｃ−２の途中まで断面積を漸増させ残りの部分の断面積を同一としている。これ以外にも、導光部１８４Ｃ−２の途中まで断面積を漸増させ残りの部分の断面積を漸減させるようにしても良い。このようにすれば、光誘導部１８０Ｃの厚みを抑えつつ反射の回数を低減させて発電部１５０の発電量を増加させることができる。

１００ 充電ステーション、
１１０ 電気自動車、
１２０ 充電スペース、
１３０ ＬＥＤ照明、
１４０ 太陽電池、
１５０ 発電部、
１５５ 発電層、
１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ 光誘導部、
１６１Ｃ 支持部、
１６２Ａ、１６２Ｂ、１６２Ｃ、１６２Ｄ 反射部、
１６３Ａ、１６３Ｃ 境界面、
１６４Ｃ 境界面、
１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄ 光誘導部、
１７１Ｃ 支持部、
１７２Ａ、１７２Ｃ 回折部、
１７３Ｃ 高屈折率層、
１７４Ｃ 低屈折率層、
１８０Ａ、１８０Ｂ、１８０Ｃ、１８０Ｄ、１８０ｄ 光誘導部、
１８１Ｃ 支持部、
１８２Ａ、１８２Ｂ、１８２Ｃ、１８２Ｄ、１８２ｄ 集光部、
１８３ａ 集光片、
１８３ｂ 保持片、
１８４Ａ、１８４Ｃ、１８４−１、１８４−２ 導光部、
２００、２００Ａ、２００Ｂ 光給電システム。

Claims (2)

1. 光を照射する光照射装置と、
   照射された光を電力に変換する光電変換装置と、
   を有する光給電システムであって、
   前記光電変換装置は、
   前記光を入射して発電する発電部と、
   前記発電部を外れて照射される光を前記発電部に誘導する光誘導部と、
   を有し、
   前記光誘導部は、前記発電部の外周部に設けられ、
   前記光誘導部は、
   前記発電部を外れて照射される光を集光する集光部と、
   前記集光部に接触して前記集光部に沿うように前記発電部方向に直線状に延び、前記集光部が集光した光の伝播方向を変えて前記発電部に入射させる導光部と、を有し、
   前記導光部は、前記光の伝播方向から見た断面積が前記発電部に向かって漸増していることを特徴とする光給電システム。
2. 前記導光部は、
   前記光の伝播方向から見た断面積が前記導光部の一部分において前記発電部に向けて漸増していることを特徴とする請求項１に記載の光給電システム。