JPH04354378A - 光エネルギの波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広波長領域のスペクト
ル分布を持つ光を狭波長領域のスペクトル分布を持つ光
に高効率にて変換する光エネルギの波長変換方法及び装
置と、これを利用した太陽発電方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池は既に各種機器に適用され実用
化されてはいるが、その発電効率は１０〜１５％程度と
いわれている。そこで、この発電効率を理論効率まで高
めるための各種の改善がなされつつある。この発電効率
の改善案としては、太陽電池の素子自体の改良のみに止
まらず、この太陽電池に付帯する周辺構造の改善も行な
われている。この周辺構造に関する改善提案を大別する
と下記の３つに分けられる。

【０００３】■発電に寄与する有効波長の光のみを太陽
電池に取り入れるもの。

【０００４】太陽電池の組成材質としては、アモルファ
スシリコン，単結晶シリコンあるいは化合物半導体など
の種々のものがあるが、それぞれ発電に寄与する光の波
長領域は各太陽電池固有のものとなっており、図４に示
すような太陽光が含む各波長の光エネルギを全て電気エ
ネルギに変換できるものではない。逆に、発電に寄与し
ない波長領域の光を取り込むことで、熱の発生などに起
因して発電効率がかえって低下してしまう。この課題を
解決するために、特開昭６０−１４７６８１号公報では
、太陽電池周辺部の前面に、太陽電池の発電に寄与しな
い可視域の波長領域を反射する着色手段層を設けている
。また、特開昭６３−１４６０１６号公報では、発電に
寄与する赤外線を透過し、可視光を反射する反射鏡を、
太陽電池の前面に設けている。さらに、特開昭６１−５
９８８４，特開昭６２−８１７７７号公報では、太陽電
池の前面に光学的フィルターを設け、発電に寄与する波
長の光のみを太陽電池に入射するよう構成している。実
開昭６２−１９０２１４号公報には、ビームスプリッタ
ーにより太陽光を二つのビームに分割し、７７０ナノメ
ーター以上の波長の分割ビームを太陽電池に入射し、そ
れ以下の波長の分割ビームを照明装置に照射する構造が
示されている。

【０００５】■分光感度が異なる複数種の太陽電池を設
けるもの上述したように太陽光には広範囲に亘る波長が
含まれるので、それぞれ異なる波長領域の光に分光感度
を持つ複数種の太陽電池を設け、全体としての発電効率
を改善しようとするものである。この種の課題を解決す
るための提案として、実開昭６３−７１５５６，実開平
２−８８２５５号公報には、太陽光の各波長に対応して
太陽光エネルギを吸収する複数の太陽電池セルにより構
成される太陽電池パネルを積層した構造が示されている
。特開昭６３−６８８１号公報には、太陽光を、複数種
の螢光色素を含む螢光型集光板に入射させ、各螢光色素
より放射される螢光の波長領域に分光感度を持つ複数の
太陽電池を設け、太陽光を波長選別して電気エネルギに
変換する構造が示されている。

【０００６】■太陽電池の放熱性を向上させる構造上述
したように、発電に寄与しない波長の光により太陽電池
の温度が上昇すると発電効率が低下するので、太陽電池
の放熱性を改善することにより、発電効率の悪化を低減
できる。この種の課題に着目した提案としては、実開昭
６２−９６８６３号公報または特開平２−１４０５５６
号公報に、太陽電池を透過した光を熱として吸収し、か
つ、太陽電池からの発熱を吸収する熱コレクター、また
はヒートパイプ等を設ける構造が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】■および■の方式はい
ずれも、図４に示すような太陽光の持つ全てのエネルギ
を発電に寄与させることができない点で劣っている。す
なわち、■の方式によれば、発電に寄与しない波長の光
は予め反射され或いはフィルターで遮断されるのであり
、光エネルギの一部でしか発電できない。一方、■の方
式によれば、確かに発熱に伴う発電効率の悪化は防止で
きても、発電に寄与する波長領域は太陽電池の分光感度
に依存し、太陽光の一部のエネルギでしか発電できない
ことに変わりはない。

【０００８】■の方式によれば、■および■の方式に比
べて、発電に寄与する波長領域は拡大するが、その為に
複数種の太陽電池素子を配設しなければならず、コスト
アップとなってしまう。特に、実開昭６３−７１５５６
，実開平２−８８２５５によれば、複数種の太陽電池素
子を積層しているが、各素子にて光の反射および発熱が
生じ、この構成に基づく新たな要因に伴う発電効率の悪
化が否めない。一方、特開昭６３−６８８１によれば、
螢光型集光板の複数の面に太陽電池を設けざるを得ず、
構造上薄型化を促進する技術に限度がある。

【０００９】さらに加えて、この様な従来技術において
共通する問題として、太陽光が有する光エネルギは最終
的に熱として消費されることを容認しており、この熱エ
ネルギをも発電に寄与させ得る構造が採用されていなか
った。

【００１０】そこで、本発明の第１の目的としては、太
陽光のように広波長領域のスペクトル分布を持つ光を、
光エネルギによる加熱作用をも利用して狭波長領域のス
ペクトル分布を持つ光に波長変換できる方法および装置
を提供することにある。

【００１１】本発明の第２の目的としては、上記のよう
な波長変換方法および装置を用いることで、太陽光の全
エネルギの利用により高効率にて太陽発電を行うことが
できる太陽発電方法および装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる光エネル
ギの波長変換方法及び装置は、広波長領域のスペクトル
分布を持つ光を断熱室内に入射し、この断熱室内にて発
熱体を加熱し、この発熱体から狭波長領域のスペクトル
分布を持つ光を放射する工程又はその手段を有すること
を特徴とする。

【００１３】本発明に係わる太陽発電方法および装置は
、上記の方法および装置によって変換された狭波長領域
に分光感度を有する光電変換手段にて、狭波長領域の光
のみを入射して発電することを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明の光エネルギの波長変換方法および装置
の原理は、太陽光のような広波長領域のスペクトル分布
を持つ光の熱エネルギによって発熱体を加熱し、この加
熱を断熱室内にて行なうことで、光の熱エネルギを有効
に利用して加熱作用を行ない、この発熱体から発熱体固
有の狭波長領域のスペクトル分布を持つ光を放射するこ
とにある。したがって、入射した光がいかなる波長を有
していたとしても、光エネルギは最終的に熱エネルギと
なるのであり、しかも発熱体の加熱作用は断熱室内にて
行われるので外部への放熱は少なく、太陽光の持つ光エ
ネルギを全て熱エネルギとして発熱体の加熱に寄与させ
ることができる。このように、本発明では理論的に広波
長領域の光の全てのエネルギを利用して発熱体を加熱で
き、この発熱体からは発熱体固有の狭波長領域の光のみ
が放射されることになる。断熱室内での発熱体の加熱作
用をより効率良く行うためには、直接入射光のみならず
発熱体等での反射光を効率良く発熱体の加熱に用いるこ
とが有効である。このためには、反射光が入射側より外
部に逃げることを低減るため入射光用開口を小さくし、
この小さな開口に入射光を効率欲導くために集光レンズ
を設けると良い。さらに、開口が形成される部材の裏面
に光反射層を設けるものが好ましい。同様な作用を一方
向通過性のミラーにより実現しても良い。さらに、発熱
体を真空雰囲気に置くことで、放熱をより低減させて発
熱体の発熱効率を向上でき、その結果として狭波長領域
への波長変換効率を向上できる。

【００１５】本発明の太陽発電方法および装置によれば
、上記のようにして効率良く波長変換された狭波長領域
のスペクトル分布を持つ光のみを光電変換手段に入射さ
せることができる。この光電変換手段として、得られた
狭波長領域に分光感度を有する特性を持たせておけば、
この狭波長領域の光エネルギの全てを発電に寄与する有
効エネルギとして作用させることが可能となり、高効率
の太陽発電を実現することが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明方法および装置を適用した太陽
発電装置の実施例について、図面を参照して具体的に説
明する。

【００１７】第１実施例 　　図１は、光エネルギの波長変換を行なう波長変換装
置１０と、変換された波長領域を持つ光により発電を行
なう光電変換手段としての太陽電池３０とを積層した構
造を示している。

【００１８】波長変換装置１０は、入射光３２の入射面
側より順に、凸レンズ板１２，光反射板１４，凸レンズ
板１６，断熱材１８に支持されたヒータ２０，強化ガラ
ス２２及びフィルター板２４を積層した構造を有してい
る。凸レンズ板１２は、複数の凸レンズ１２ａを横方向
に並べて一体化させた構造であり、入射光３２を各凸レ
ンズ１２ａの焦点位置に集光するようになっている。光
反射板１４は、前記凸レンズ板１２の隣接する凸レンズ
１２ａ，１２ａの間の位置に上部頂点を有し、各凸レン
ズ１２ａの焦点位置に下部頂点を有するような波型構造
を有しており、各凸レンズ１２ａの焦点位置近傍に開口
する光入射用開口１４ａをそれぞれ有している。また、
この光反射板１４は、少くともその裏面側を光反射面１
４ｂとしている。凹レンズ板１６は複数の凹レンズ１６
ａを横方向に並べて一体化した構造となっており、前記
凸レンズ板１２の各凸レンズ１２ａにより集光された光
を屈折させて、前記ヒータ２０上の広面積領域に拡散さ
せる。この凹レンズ板１６と強化ガラス２２とは、その
間に空間を形成するように離間配置され、両者間のスペ
ーサーとして前記断熱材１８が設けられている。また、
この断熱材１８は、凹レンズ板１６および強化ガラス２
２の間の空間内に、平行にヒータ２０を配設支持する機
能を有している。

【００１９】そして、本実施例では凹レンズ板１６およ
び強化ガラス２２で囲まれる空間を断熱室２８としてお
り、この断熱室２８内部を真空雰囲気に設定している。 ヒータ２０は、光によって加熱されて発熱するものであ
り、発熱によりヒータ２０固有の波長領域の光を放射す
るものである。このヒータ２０の材質は、太陽電池３０
の分光感度特性に応じて種々選択される。本実施例では
ヒータ２０としてセラミックヒータを採用しており、赤
外線領域の狭波長領域の光を放射するものであり、太陽
電池３０としては、赤外線領域に分光感度を有する例え
ば化合物半導体で構成されている。強化ガラス２２は、
断熱室２８を確保するための一構成部材であり、真空雰
囲気に設定される断熱室２８の壁面として外圧に耐え得
る厚さに設定されている。なお、真空雰囲気に設定され
る断熱室２８を形成する断熱性の側壁面（図示せず）は
気密構造が採用されている。

【００２０】さらに、本実施例では強化ガラス２２の裏
面と太陽電池３０の表面との間に、フィルター板２４を
介在配置している。このフィルター板２４は、ヒータ２
０より放射された光の波長領域のみを通過させ、他の波
長領域は遮断するものであり、光通過特性に選択性のあ
る材質により形成されている。

【００２１】次に、上記構造を有する太陽発電装置の作
用について説明する。

【００２２】太陽光である入射光３２はは広波長領域に
おいて、図４に示すようなスペクトル分布を有するもの
である。この入射光３２は、凸レンズ板１２の全面に向
けて入射し、凸レンズ板１２で多少は反射されるが、大
部分は凸レンズ板１２の各凸レンズ１２ａを通過するこ
とになる。各凸レンズ１２ａを通過する光は、各凸レン
ズ１２ａの焦点位置に向けて屈折集光された集束光３４
となる。そして、各凸レンズ１２ａの焦点位置近傍には
、光反射板１４の光入射用開口１４ａが形成されている
ので、この集束光３４は光入射用開口１４ａを介して凹
レンズ板１６に導かれることになる。

【００２３】この凹レンズ板１６では各凹レンズ１６ａ
の作用により、ヒータ２０上の広面積領域に拡散させる
ように光を屈折させることになる。

【００２４】本実施例の特徴的作用の一つは、入射光３
２を広波長領域のスペクトル分布を持つ光エネルギとし
てそのまま太陽電池３０に導くのではなく、断熱室２８
内にて一旦熱エネルギに変換していることである。この
断熱室２８内には、ヒータ２０が設けられ、断熱室２８
に導かれた光は、熱エネルギとしてこのヒータ２０を加
熱することになる。特に、本実施例ではヒータ２０が真
空雰囲気に設定された断熱室２８内に配置されているた
め、熱エネルギが外部に放熱されることを十分に低減し
、得られた熱エネルギの殆ど全てをヒータ２０の加熱に
寄与させるようにしている。

【００２５】ヒータ２０に熱エネルギとして吸収されず
に反射される光も存在している。しかし、この光の一部
は凹レンズ板１６で反射され、再度ヒータ２０での発熱
作用に加わることになる。また、凹レンズ板１６を通過
する光もあるが、この凹レンズ板１６の上側に存在する
光反射板１４の光入射用開口１４ａの総面積は、光反射
板１４の全面積に対する比率が僅かであるので、この入
射用開口１４ａを介して外部に逃る光量を十分に低減す
ることが可能である。また、光反射板１４の開口１４ａ
以外の面に向かう光は、この光反射板１４の裏面側が光
反射面１４ｂとなっているので、この光反射面１４ｂで
反射され再度断熱室２８内に導かれ、ヒータ２０での発
熱作用に加わることになる。このような作用を繰り返す
ことで、結果として断熱室２８に導かれた光エネルギの
殆ど全てを熱エネルギとして利用して、ヒータ２０の発
熱に寄与させることができる。

【００２６】加熱されたヒータ２０からは、このヒータ
固有の狭波長領域を有する光のみが放射されることにな
る。この光は、ヒータ２０の表裏面双方より放射される
ことになる。図１に示すヒータ２０の上側の表面より放
射された光は、開口１４ａを介して外部に逃げる僅かな
光を除いて、凹レンズ板１６で反射されるか、或いはさ
らにその上側の光反射板１４で反射されて再度断熱室２
８内に導かれ、ヒータ２０の加熱作用に寄与することに
なる。一方、図１のヒータ２０の下側面より放射された
光は、強化ガラス２２を通過し、この光の波長領域のみ
を選択的に通過させるフィルター板２４を介して、太陽
電池３０の受光面に入射することになる。この太陽電池
３０はヒータ２０より放射された光の波長領域に分光感
度を有する特性となっており、ヒータ２０から放射され
た光エネルギの全てを、発電に寄与し得る光エネルギと
して取り込むことが可能となる。したがって、本実施例
装置によれば、従来技術の■の方式と同様に結果として
発電に寄与しうる有効波長の光エネルギを太陽電池３０
に取り込むことが可能となる。しかも、この有効波長の
光エネルギは、太陽光である入射光３２の一部の光エネ
ルギではなく、波長変換装置１０にて入射光３２の全波
長の光エネルギを高効率にて太陽電池３０の分光感度に
合った波長特性としているので、従来技術に述べた■の
方式に比べて大幅に発電効率を向上させることが可能と
なる。

【００２７】また、本実施例によれば、結果として有効
波長の光エネルギのみを太陽電池３０に取り込むことが
できるので、発電に寄与しない波長の光エネルギの入射
に起因して生ずる太陽電池３０の発熱をも低減すること
になり、この意味からも発電効率を向上させることがで
きる。さらに、本実施例の太陽発電装置によれば、従来
技術に述べた■の方式のように分光感度の異なる複数種
類の太陽電池を配設する必要がなく、さらに図１の積層
構造によれば、波長変換装置１０の全厚みを約６．５ｍ
ｍと薄型化することができ、各積層部材の形状の変更に
よりさらなる薄型化も達成可能である。

【００２８】第２実施例 　　図２に示す第２実施例装置は、図１に示す第１実施
例装置よりもさらに薄型化を実現できる実施例を示した
ものである。この第２実施例装置では、第１実施例にお
ける凹レンズ板１６を使用せず、凸レンズ板１２の機能
として、入射光３２の集光機能と、ヒータ２０上の広面
積領域に光を拡散させる拡散機能とを兼用させたもので
ある。なお、図２に示す部材のうち、図１に示す同一機
能を有する部材については同一符号を付してその説明を
省略する。

【００２９】この第２実施例装置では、凸レンズ板１２
と強化ガラス２２との間の空間を断熱室２８としており
、上下の部材を連結するスペーサーとして断熱材４０を
用いている。また、この断熱材４０は、平板状の光反射
板４２とヒータ２０とを平行に支持する機能をも有して
いる。前記光反射板４２は凸レンズ板１２の各凸レンズ
１２ａの焦点位置に開口する光入射用開口４２ａを有し
、少くともその裏面側に光反射面４２ｂを有している。

【００３０】この第２実施例装置によれば、入射光３２
は第１実施例と同様に凸レンズ板１２の各凸レンズ１２
ａにて集光されて集束光３４となり、その焦点位置にお
いて光束径が最小となって反射板４２の光入射用開口４
２ａを通過する。さらに、この焦点位置を境として、拡
散光３６となってヒータ２０上の広面積領域に向けて入
射することになる。

【００３１】断熱室２８内におけるヒータ２０の加熱作
用は第１実施例と同様であり、ヒータ２０の加熱に直接
寄与せず、ヒータ２０において反射された光は、光入射
用開口４２ａが狭いために外部への拡散が防止され、そ
の大部分は光反射面４２ｂにて反射され、ヒータ２０の
発熱作用に加わることになり、第１実施例と同様に高効
率にて光エネルギを熱エネルギとして利用しながら、ヒ
ータ２０の発熱作用を行なうことができる。このヒータ
２０より放射される光により、高効率にて太陽電池３０
の太陽発電を行ない得ることは、第１実施例装置と同様
である。この第２実施例装置では、第１実施例と同様に
高効率の太陽発電を行いながらも、部材点数を減少させ
ることで、波長変換装置１０の厚みを約５．５ｍｍに薄
型化することが可能となった。

【００３２】第３実施例 　　この第３実施例装置は、波長変換装置１０をさらに
薄型化できる実施例を示したものである。この第３実施
例装置では、一方向通過性ミラーであるダイクロイック
ミラー５０と強化ガラス２２とを、断熱材５２をスペー
サーとして平行に離間配置し、この両者間の空間を真空
雰囲気とした断熱室２８として利用している。ヒータ２
０は前記断熱材５２によって平行に配設支持されている
。 ダイクロイックミラー５０はその表面５０ａ側から入射
する光は通過させるが、裏面５０ｂ側から入射する光は
高効率にて反射させることが可能となる。したがって、
この第３実施例装置によれば、入射光３２は一部反射さ
れる光を除いてダイクロイックミラー５０を介して断熱
室２８に導かれ、この断熱室２８内にてヒータ２０の効
率的な発熱作用を実現することができる。ヒータ２０で
反射される光は、ダイクロイックミラー５０の裏面５０
ｂで効率よく反射されて再度ヒータ２０の発熱作用に加
わることができるので、第１実施例および第２実施例に
おける凸レンズ板１２，光反射板１４，凹レンズ板１６
または、凸レンズ板１２および光反射板４２の機能を１
つの部材で実現することが可能となる。この第３実施例
では波長変換装置１０のさらなる薄型化が達成でき、例
えば３ｍｍ以下の薄さも可能となる。

【００３３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可
能である。ヒータ２０および太陽電池３０の材質として
は、太陽電池３０の分光感度のある波長領域の光を放射
し得るヒータ２０の条件を備える組み合わせを採用すれ
ばよく、必ずしも赤外線領域の光を放射するヒータ２０
および赤外線領域を有効波長とする太陽電池３０の組み
合わせに限らない。ヒータ２０の発熱作用を行うための
断熱室２８としては、上記各実施例のように真空雰囲気
に設定するものが最も効率が良いが、これに限定される
ものではない。

【００３４】さらに、本発明の光エネルギの波長変換装
置は、太陽電池の駆動に用いるものに限らず、発熱体か
らの狭波長領域のスペクトル分布を持つ放射光により、
冷水を温水化する太陽熱利用の温水化装置を構成するこ
ともできる。なお、このような温水化装置を実現するに
あたり、第１図〜第３図の断熱室内のヒータを除去し、
この断熱室内に水を循環させるようにしても、直接入射
光及び反射層からの反射光を利用して効率的な加熱が実
現できるものである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光エネ
ルギの波長変換方法および装置によれば、光波長領域の
スペクトル分布を持つ光の全エネルギを一旦熱エネルギ
として利用し、断熱室内にてこの熱エネルギにより発熱
体を加熱し、この発熱体から狭波長領域のスペクトル分
布を持つ発熱体固有の光を放射することで、高効率にて
光エネルギの波長変換を実現できる。

【００３６】本発明に係る太陽発電方法および装置によ
れば、上記の光エネルギの波長変換方法および装置によ
り得られた狭波長領域のスペクトル分布を持つ光のみを
、その狭波長領域に対して分光感度を有する光電変換手
段に入射させることで、太陽光の持つ全波長の光エネル
ギを効率良く利用して太陽発電を行うことが可能となり
、本発明を太陽電池に利用することで、その発電効率を
従来より格段に向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法および装置を適用した太陽発電装置
の第１実施例装置を示す断面図である。

【図２】本発明方法および装置を利用した太陽発電装置
の第２実施例装置の断面図である。

【図３】本発明方法および装置を適用した太陽発電装置
の第３実施例装置の断面図である。

【図４】太陽光のスペクトル分布を示す概略説明図であ
る。

【符号の説明】

１０　　波長変換装置 １２　　凸レンズ板 １４，４２　　光反射板 １６　　凹レンズ板 １８，４０，５２　　断熱材 ２０　　ヒータ ２２　　強化ガラス ２４　　フィルター板 ２８　　断熱室 ３０　　太陽電池 ３２　　入射光 ３４　　集束光 ３６　　拡散光 ３８　　狭波長領域のスペクトル分布を持つ光５０　　
一方向通過性ミラー　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　ＩＫ０１２００１

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　広波長領域のスペクトル分布を持つ光
   を断熱室内に入射し、この断熱室内にて光により発熱体
   を加熱し、この発熱体から狭波長領域のスペクトル分布
   を持つ光を放射することを特徴とする光エネルギの波長
   変換方法。
2. 【請求項２】　　広波長領域のスペクトル分布を持つ光
   が入射される断熱室と、　　この断熱室内に臨んで配置
   され、発熱により狭波長領域のスペクトル分布を持つ光
   を放射する発熱体と、を有することを特徴とする光エネ
   ルギの波長変換装置。
3. 【請求項３】　　請求項２において、広波長領域のスペ
   クトル分布を持つ光を集光するレンズと、このレンズの
   焦点近傍に光入射用開口を有し、かつ、裏面に光の反射
   層を有する光反射部材と、を設け、前記断熱室を前記光
   反射部材の裏面側に配設したことを特徴とする光エネル
   ギの波長変換装置。
4. 【請求項４】　　請求項２において、広波長領域のスペ
   クトル分布を持つ光を入射光とし、表面側からの入射光
   は通過させ、裏面側からの光を反射させる一方向通過性
   ミラーを有し、前記断熱室を前記一方向通過性ミラーの
   裏面側に配設したことを特徴とする光エネルギの波長変
   換装置。
5. 【請求項５】　　請求項２乃至請求項４のいずれか１項
   において、前記断熱室は真空雰囲気に設定されたもので
   ある光エネルギの波長変換装置。
6. 【請求項６】　　広波長領域のスペクトル分布を持つ太
   陽光を断熱室内に入射し、この断熱室内にて発熱体を加
   熱し、この発熱体から狭波長領域のスペクトル分布を持
   つ光を放射し、この狭波長領域に分光感度を有する光電
   変換手段により発電することを特徴とする太陽発電方法
   。
7. 【請求項７】　　請求項２乃至請求項４のいずれか１項
   に記載の光エネルギの波長変換装置と、この変換装置の
   発熱体より放射された狭波長領域のスペクトル分布を持
   つ光を入射し、かつ、前記狭波長領域に分光感度を有す
   る光電変換手段と、を有することを特徴とする太陽発電
   装置。