JPWO2012026572A1 - 集光装置、光発電装置及び光熱変換装置 - Google Patents

Abstract

集光装置は、集光レンズと、集光レンズにより集光された光が入射する入射面と、入射面に対向する裏面と、入射面と裏面との間で集光レンズの光軸と交差する第１端面と、入射面と裏面との間で第１端面に対向する第２端面とを有し、透明な媒質により形成される集光光学素子とを備える。第１端面は、入射面から集光光学素子の内部へ入射した光を反射し、入射面及び裏面は、第１端面により反射された光を全反射し、第１端面により反射された光、入射面により全反射された光及び裏面により全反射された光は、第２端面に入射する。

Description

本発明は、入射面に入射する光を端面の方向に集光する集光装置、並びにこれを用いた光発電装置及び光熱変換装置に関する。

光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルは、光電変換する材料分類上、シリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などの材料により構成される。一般的な太陽電池のセルは、電力への変換効率が概ね１０〜２０％程度である。これに対し、太陽光の放射スペクトル範囲を複数の波長帯域に分割し、各波長帯域の光を光電変換するのに最適なバンドギャップの半導体層を複数積層して、電力への変換効率を４０％程度まで高めた多接合型の太陽電池セルが開発されている。

しかし、上記のような高効率の太陽電池セルは極めて高価であり、航空宇宙などの特殊な用途以外では使用することが困難である。そこで、小型のセルに太陽光を集光して入射させることでコストを低減し、高効率で太陽光発電を行う集光型の太陽電池モジュールが考案されている。集光形式として、太陽光をフレネルレンズまたは反射鏡により集光して太陽電池セルに直接入射させるレンズ集光型（特許文献１及び特許文献２を参照）、蛍光粒子が分散された蛍光プレートに太陽光を入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に導出して集光する蛍光プレート集光型（特許文献３を参照）、ホログラムフィルム及び太陽電池セルが挟み込まれたプレートに太陽光を入射させ、ホログラムフィルムにより回折した光を太陽電池セルに導く分光集光型（特許文献４を参照）などが提案されている。

日本国特表２００５−１４２３７３号公報 日本国特開２００５−２１７２２４号公報 米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書 米国特許第６２７４８６０号明細書

しかしながら、従来のレンズ集光型の集光装置では、比較的大型のレンズ（または反射鏡）と各レンズ（または各反射鏡）に対応した太陽電池セルが設けられているため、各レンズ（または各反射鏡）の焦点距離に応じて装置が大型化する。蛍光プレート集光型の集光装置や分光集光型の集光装置においては、モジュールの光軸方向寸法（厚さ）を薄くできるが、波長依存性や変換効率の面で改善すべき余地がある。

本発明の第１の態様によると、集光装置は、集光レンズと、集光レンズにより集光された光が入射する入射面と、入射面に対向する裏面と、入射面と裏面との間で集光レンズの光軸と交差する第１端面と、入射面と裏面との間で第１端面に対向する第２端面とを有し、透明な媒質により形成される集光光学素子とを備える。第１端面は、入射面から集光光学素子の内部へ入射した光を反射し、入射面及び裏面は、第１端面により反射された光を全反射し、第１端面により反射された光、入射面により全反射された光及び裏面により全反射された光は、第２端面に入射する。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の集光装置において、入射面から集光光学素子の内部へ入射して第１端面に入射する光に含まれる光線の最小入射角が、第１端面における全反射臨界角以上となるように、第１端面の入射面に対する傾斜角が設定されても良い。
本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様の集光装置において、入射面から集光光学素子の内部へ入射して第１端面に入射する光に含まれる光線の最小入射角が、第１端面における全反射臨界角以上となるように、集光レンズの開口数が設定されても良い。
本発明の第４の態様によると、第１〜第３のいずれかの態様の集光装置において、入射面から集光光学素子の内部へ入射して第１端面に入射する光に含まれる光線の最小入射角が、第１端面における全反射臨界角以上となるように、集光光学素子の屈折率が設定されるても良い。
本発明の第５の態様によると、第１〜第４のいずれかの態様の集光装置において、集光レンズ及び集光光学素子は、入射面から集光光学素子の内部へ入射して第１端面に入射する光がほぼ第１端面に焦点を結ぶように配設されても良い。
本発明の第６の態様によると、第１〜第５のいずれかの態様の集光装置において、集光光学素子は、入射面と裏面とに接するとともに第１端面と第２端面との間で相互に対向する第１側面及び第２側面を有し、第１側面及び第２側面は、第１端面、入射面及び裏面により反射された光を全反射し、第１端面により反射された光、入射面により全反射された光、裏面により全反射された光、第１側面により全反射された光及び第２側面により全反射された光は、第２端面に入射しても良い。
本発明の第７の態様によると、第１〜第６のいずれかの態様の集光装置において、各々が集光レンズである複数の集光レンズが並べられ、集光光学素子は、各々が第１端面である複数の第１端面を有して一体に形成されても良い。
本発明の第８の態様によると、第６の態様の集光装置において、各々が集光レンズである複数の集光レンズが並べられ、集光光学素子は、各々が第１端面である複数の第１端面と、複数の第１端面に共通して対応する第１側面と、各々が第２側面である複数の第２側面とを有して一体に形成されても良い。
本発明の第９の態様によると、第７または第８の態様の集光装置において、複数の集光レンズが、複数行と複数列とから構成されるマトリクス状に配設され、集光光学素子は、複数の集光レンズのうち、複数行の各行の集光レンズに対応して複数の第１端面、第１側面、及び複数の第２側面とを有して、複数行に対応して一体成型されても良い。
本発明の第１０の態様によると、第９の態様の集光装置において、複数の第１端面の各々により反射された光は、複数の第１端面のうちの他の第１端面により遮られないように、各行の延伸方向に対して傾斜していても良い。
本発明の第１１の態様によると、第１〜第１０のいずれかの態様の集光装置において、第１端面と第２端面と間の距離が、入射面と裏面との間の距離よりも充分に大きくても良い。
本発明の第１２の態様によると、第１〜第１１のいずれかの態様の集光装置において、入射面に入射する光は、集光レンズが太陽光を集光することにより得られても良い。
本発明の第１３の態様によると、第１〜第１２のいずれかの態様の集光装置において、入射面と裏面とは互いにほぼ平行であっても良い。
本発明の第１４の態様によると、光発電装置は、第１〜第１３のいずれかの態様の集光装置と、第２端面に入射した光を光電変換する光電変換素子とを備える。
本発明の第１５の態様によると、光熱変換装置は、第１〜第１３のいずれかの態様の集光装置と、第２端面に入射した光を光熱変換する光熱変換素子とを備える。

本発明の集光装置、光発電装置及び光熱変換装置によれば、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能になる。

光発電装置の外観斜視図である。 集光装置の原理を説明するための概念図である。 集光レンズにより集光光学素子に集光入射した光の伝播状態を、光線追跡のシミュレーションにより示す図である。 集光反射面の近傍部分における光の伝播を拡大して示す図である。 集光光学素子の平面図及び側面図である。 集光光学素子の１つの素子ユニットを斜め上方から見た斜視図である。 ＰＭＭＡにおける波長と屈折率との関係を示す表である。 太陽光の放射スペクトル分布を表すグラフである。 集光装置を側方から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションを示す図である。 集光装置を斜め上方から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションを示す図である。 集光光学素子を上方から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションを示す図である。 集光光学素子のｙ軸方向の位置に対する出射面から出射する光線の本数をプロットしたグラフである。 集光光学素子からの光エネルギーの取り出し手法を例示する概念図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態における集光装置を含む光発電装置ＰＶＳの外観の斜視図を図１に例示し、光発電装置ＰＶＳに含まれる集光装置１の原理を説明するための概念図を図２に例示する。説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し、これを図１中に示す。ｚ軸は光発電装置ＰＶＳにおける集光装置１の厚さ方向に延びる軸、ｘ軸は集光装置１により集光されて導出される光の導出方向に延びる軸、ｙ軸はこれらの２軸と直交する方向に延びる軸である。説明の便宜上から、図２に示す姿勢をもって上下左右ということがあるが、光発電装置ＰＶＳの配設姿勢は光の入射方位に応じて任意であり、位置や姿勢は図２に規定されるものに限られない。

（光発電装置の概要）
光発電装置ＰＶＳの全体構成の概要について説明する。光発電装置ＰＶＳは、入射する光を集光する集光装置１と、集光装置１により集光されて端部に導かれてその端部に入射した光を光電変換する光電変換素子５とを含んで構成される。集光装置１は、上方から入射する光、例えば太陽光を集光する集光レンズ１０と、透明な媒質により形成され、集光レンズ１０により集光されてその透明な媒質の内部へ入射する入射光を導く集光光学素子２０とを含んで構成される。集光レンズ１０及び集光光学素子２０は、各々、例えば光学ガラス等の無機材料やＰＭＭＡ等の樹脂材料を用いて作製される。

図１に示す構成形態は、複数の集光レンズ１０_ｉｊ（１０₁₁，１０₁₂，…１０_ｍ1，１０_m2，…１０_mn）をｘ軸方向及びｙ軸方向に複数行×複数列（ｍ行×ｎ列、ｍ及びｎは自然数）並べてマトリクス状に配設し、レンズアレイを形成した構成を示す。第１行から第ｍ行までの複数行はｙ軸方向に並び、第１行から第ｍ行までの複数行の各行の延伸方向はｘ軸方向である。第１列から第ｎ列までの複数列はｘ軸方向に並び、第１列から第ｎ列までの複数列の各列の延伸方向はｙ軸方向である。レンズアレイは複数の集光レンズ１０を複数行と複数列とから構成されるマトリクス状に一体成型され、あるいは個々に形成した集光レンズ１０を枠体等にマトリクス状に配置して固定することにより構成される。

集光光学素子２０は、集光レンズ１０により集光されて入射する入射光を反射する集光反射面を有し、集光反射面での反射により、集光光学素子２０に入射した光がｘ軸方向に導かれるように構成される。図１は、複数の集光レンズ１０_ｉｊにより集光入射する各入射光に対応する複数（ｍ行×ｎ列）の集光反射面を有して一体のプレート状に形成された集光光学素子２０の例を示す。光電変換素子５は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述したシリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などの材料により構成される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。

（集光装置の基本構成）
図２は、集光装置１の基本構成を説明するための模式図であり、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて集光光学素子２０の内部へ入射した光が、集光光学素子２０内を伝播する様子を模式的に描いた図である。集光装置１の基本構成とは、集光装置１に含まれる複数の構成単位の各々の構成のことをいう。集光装置１の構成単位は、集光レンズ１０_ｉｊと後述する集光反射面２３とを含む。

図２（ａ）に示すように、集光光学素子２０は、集光レンズ１０_ｉｊ（例えば集光レンズ１０_１１）により集光されて入射する入射光を透過する上面（入射面）２１と、上面に対向してほぼ平行に延びる下面（裏面）２２と、上面２１と下面２２との間を繋ぎ上下方向（ｚ軸方向、集光光学素子２０の厚さ方向）に延びる入射光の光軸ＬＡと交差する集光反射面（端面）２３と、集光反射面２３に対向する出射面（端面）２６とを有する。集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて上面２１から集光光学素子２０の内部へ入射して集光反射面２３により反射された光が、上面２１及び下面２２により全反射されてｘ軸方向（図２（ａ）及び図２（ｂ）における右方）に導かれ、出射面２６から導出される。すなわち、集光光学素子２０の内部を伝播し、集光光学素子２０の内部から空気との界面である上面２１または下面２２に入射する光が、集光光学素子２０を形成する透明な媒質と集光光学素子２０の外部の空気との屈折率差により全反射されるようになっている。

図３及び図４は、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて集光光学素子２０の内部へ入射した光が集光光学素子２０の内部をどのように伝播するかを、光線追跡（Ray-trace）のシミュレーションにより示す図である。図４は図３における集光反射面２３の近傍部分における光の伝播を拡大して示す図である。図４（ａ）は集光反射面２３の近傍をｙ軸方向に見た図であり、図４（ｂ）は集光反射面２３の近傍を斜め下方から見た図である。

図４（ｂ）に示すように、集光光学素子２０は、上面２１と下面２２とに接するとともに集光反射面２３と出射面２６との間を繋ぎ、相互に対向してほぼ平行に延びる側面２４及び側面２５を有しており、ｙ−ｚ断面においては方形に形成される。集光反射面２３を平面とした例を用いて本実施の形態を説明する。

図３及び図４に示すように、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて上面２１から集光光学素子２０の内部へ入射し、集光反射面２３により反射された光は、集光レンズ１０_ｉｊの形状に応じて円錐状または角錐状に拡がって集光光学素子２０内を伝播する。集光光学素子２０の内部を伝播する光が、上面２１、下面２２、側面２４、および側面２５において全反射されてｘ軸方向に導かれ、出射面２６から導出される。

集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて上面２１から入射し、集光反射面２３により反射された光が、集光光学素子２０の上面２１，下面２２、ならびに側面２４及び２５で全反射されて出射面２６に導出されるように集光光学素子２０が構成されている。そのため、集光光学素子２０の内部へ入射した光の閉じ込め効率が高く、集光した光を高効率で出射面２６に導出することができる。

加えて、集光光学素子２０は、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて上面２１から入射する入射光が集光反射面２３においても全反射されるように構成される。集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて上面２１から集光光学素子２０の内部へ入射し、集光反射面２３に入射する入射光に関して、集光レンズ１０_ｉｊの中心を通る集光レンズ１０_ｉｊの光軸ＬＡに沿って集光反射面２３に入射する光線の入射角（以下、「光軸入射角」という）θ_LAと、光軸ＬＡから離れた位置（集光レンズ１０の外周部）を通って集光反射面２３に入射する光線の入射角θ_LA±θ_NAとが、図２（ｂ）に示すように相異なった角度になる。なぜならば、集光反射面２３に入射する光線の、光軸ＬＡに対する最大角θ_NAが０ではないからである。図２（ｂ）から明らかなように、集光反射面２３により反射される光の進行方向（集光反射面２３から離れる方向）において最も端の方、すなわち図２（ｂ）において紙面に向かって最も右側の、レンズ外周部を通って集光反射面２３に入射する光線の入射角が最小入射角θ_min（＝θ_LA−θ_NA）となる。

集光光学素子２０では、集光反射面２３に集光入射する光線の最小入射角θ_minが、集光反射面２３の全反射臨界角以上となるように設定される。具体的には、集光光学素子２０の屈折率Ｎ及び集光レンズ１０の開口数ＮＡ（ＮＡ＝Ｎsinθ_NA）を所定値とした場合、上記最小入射角θ_minが集光反射面２３の全反射臨界角以上になるように、集光反射面２３の上面２１（下面２２）に対する傾斜角θ₂₃を設定することができる。図２（ｂ）に示す例においては、上面２１と下面２２とは互いに平行であり、光軸ＬＡは上面２１に垂直であるため、光軸入射角θ_LAは傾斜角θ₂₃に等しい。

集光光学素子２０の屈折率Ｎ及び集光反射面２３の傾斜角θ₂₃を所定値としてもよい。その場合は、最小入射角θ_minが集光反射面２３の全反射臨界角以上となるように、集光レンズ１０_ｉｊの開口数ＮＡまたは集光レンズ１０の焦点距離ｆを設定する。集光レンズ１０_ｉｊの開口数ＮＡ及び集光反射面２３の傾斜角θ₂₃を所定値としてもよい。その場合は、最小入射角θ_minが集光反射面２３の全反射臨界角以上となるように、集光光学素子２０の屈折率Ｎを設定する。具体的には、集光光学素子２０の材質やドープする添加物等を選択することにより、集光光学素子２０の屈折率Ｎを設定することができる。

集光反射面２３で全反射した光全体を下面２２（及び上面２１）に入射させる場合、集光反射面２３に最小入射角で入射し反射された光線は下面２２（及び上面２１）に最大入射角で入射し、集光反射面２３に最大入射角で入射し反射された光線は下面２２（及び上面２１）に最小入射角で入射する。従って、集光反射面２３の傾斜角θ₂₃、集光レンズ１０_ｉｊの開口数ＮＡ、及び／または集光光学素子２０の屈折率Ｎが、集光反射面２３、上面２１、下面２２、ならびに側面２４及び２５の全ての界面において全反射の条件が満たされるように設定される。

このような構成によれば、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて集光光学素子２０の上面２１から入射した入射光が、集光光学素子２０内に入射して以降、集光光学素子２０と空気層との全ての界面（集光反射面２３、上面２１、下面２２、ならびに側面２４及び２５）で全反射され、出射面２６に導かれる。そのため、集光光学素子２０に入射した光の波長依存性が低く、かつ閉じ込め効率が高い。こうして、集光した光を高効率で出射面２６に導くことができる。

また、各図に示されるように、集光装置１においては、集光レンズ１０及び集光光学素子２０は、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて集光光学素子２０の内部に入射する入射光がほぼ集光反射面２３の面上に焦点を結ぶように構成される。

なお、物質の屈折率は透過する光の波長λによって変化する。そのため、集光しようとする光の波長λが変化幅を持つ場合に、短波長側の光の焦点位置と長波長側の光の焦点位置とは一般的に相異なる。したがって、焦点位置は、波長帯域の広さに応じた変化幅を持つ。集光装置１においては、入射光の波長を太陽光の放射スペクトルに応じてλ＝３５０〜１１００ｎｍとしたときに集光レンズ１０_ｉｊとして色収差の少ないレンズが用いられるとともに、集光反射面２３上でビームスポット径が最小となるように設定されている。

このような構成により、集光反射面２３の投影面積を最小化することができ、したがって、集光光学素子２０の厚さを最小化することができる。なお入射光の波長帯域が狭い場合や色収差を補償可能な場合には、入射光の焦点位置を集光反射面２３上に合わせて設定することができる。焦点位置における入射光のパワー密度等に応じて僅かにデフォーカスが行われるようにしても良い。

このようにして集光反射面２３に集光入射され、集光反射面で全反射された光が、上面２１、下面２２、側面２４、側面２５の各面で全反射されて集光光学素子２０内をｘ軸方向に伝播し、出射面２６から導出される。出射面２６はｙ−ｚ平面に沿って形成される。端面（出射面２６）が研磨されてＡＲコートが施されている。したがって、集光光学素子２０内を伝播して出射面２６に入射した光は、出射面２６で反射されることなく出射して光電変換素子５に入射する。

以上、集光装置１の基本構成（各構成単位の構成）について説明した。上述した説明では、集光反射面２３に入射した光を、屈折率差を利用した全反射で反射する集光反射面２３の構成について説明した。しかし、集光反射面２３を、例えばＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等の金属を蒸着したミラーで構成し、そのミラーが集光反射面２３に入射した光を反射してもよい。この場合、集光反射面２３において反射損失が発生するが、光軸入射角θ_LAを小さく（集光反射面２３の傾斜角θ₂₃を小さく）することができる。例えば、光軸入射角θ_LA（集光反射面２３の傾斜角θ₂₃）を４５度にすることができる。集光反射面２３の傾斜角θ₂₃を小さくすると、集光反射面２３で反射された光の、上面２１、下面２２、側面２４及び側面２５への最小入射角が大きくなる。集光反射面２３で反射された光の、上面２１、下面２２、側面２４及び側面２５への最小入射角は、全反射の臨界角まで小さくすることができるため、より開口数が大きい短焦点の集光レンズ１０_ｉｊを用いることができる。短焦点の集光レンズ１０_ｉｊを用いることができると、集光レンズ１０_ｉｊから集光反射面２３までの距離が短くなるため、これにより集光装置１の厚さを低減することができる。なお、説明簡明化のため、集光反射面２３を平面とした場合を例示したが、集光反射面２３を所定形状の凸面または凹面等としても良い。

上述したように、集光レンズ１０により集光される光は太陽光であっても良い。図２（ｂ）に示すように、太陽光が光軸ＬＡに対して平行に集光レンズ１０_ｉｊに入射することが、より好ましい。そのため、集光装置１は太陽を自動的に追尾することが好ましい。太陽光を集光する場合は、太陽光のスペクトルのうち少なくとも特定の波長範囲の光が集光されるように集光装置１を構成しても良い。波長範囲は光電変換素子５の分光感度特性に応じて決定することができる。例えば、光電変換素子５の変換効率が実質的に０でない波長範囲の光が集光されるように、集光装置１を構成することができる。また、少なくとも光電変換効率が最大となる波長の光が集光されるように集光装置１を構成しても良い。

集光装置１で集光レンズ１０により集光される光の具体的な波長範囲としては、例えば、３５０〜１８００ｎｍであっても良いし、本実施の形態の説明にあるように３５０〜１１００ｎｍであっても良い。集光装置１で集光レンズ１０により集光される光の波長範囲が３５０〜１８００ｎｍであるとき、その集光された光を光電変換する光電変換素子５として、多接合型の光電変換素子を適用することができる。集光装置１で集光レンズ１０により集光される光の波長範囲が３５０〜１１００ｎｍであるとき、その集光された光を光電変換する光電変換素子５として、結晶シリコンの光電変換素子を適用することができる。

（集光装置の具体的構成）
集光装置１の具体的な構成について、図５及び図６を併せて参照しながら説明する。図５（ａ）は集光光学素子２０の側面図であり、図５（ｂ）は集光光学素子２０の平面図である。図６は集光光学素子２０に含まれる１つの素子ユニット２００を斜め上方から見た斜視図である。なお、図５及び図６においては、集光光学素子２０を上方から見たときの集光反射面２３を実線で示している。

図１を参照して最初に説明したように、集光装置１はｍ行×ｎ列の複数の集光レンズ１０_ｉｊ及び複数の集光反射面２３を有して構成される。換言すれば、図２〜図４を参照して説明した基本構成を有する構成単位がｍ行×ｎ列設けられて集光装置１が構成される。図５及び図６においては、集光光学素子２０における１行×ｎ列分を１つの素子ユニット２００（２０１，２０２，２０３…）とし、これをｍ個（ｍ行分）連結して、一体の集光光学素子２０を形成している。

図５（ａ）および図５（ｂ）は上記のように一体形成した集光光学素子２０の側面図及び平面図であり、図６はｎ個の集光反射面２３を含む１つの素子ユニット２００を斜め上方から見た斜視図である。各図には、ｍ＝ｎ＝１０、すなわち集光装置１が１０行×１０列の構成単位を含むとした場合の集光装置１に含まれる集光光学素子２０が例示されている。

各素子ユニット２００には、１０個の集光反射面２３がｘ軸に沿って所定間隔で並んで形成されている。これらの集光反射面２３は、各集光反射面で反射された光が他の集光反射面にかからないように、すなわち各集光反射面で反射された光が他の集光反射面により遮られないように、集光反射面２３、ならびに側面２４及び２５がｘ軸から僅かに傾斜して（図５（ｂ）においては数度程度傾斜して）形成されている。側面２４及び２５のうち、一方の側面（図５及び６においては側面２５）は連続する１枚の平面で形成され、他方の側面（図５及び６においては側面２４）は集光反射面２３を挟んで階段状に形成される。

すなわち、上下面２１、下面２２、集光反射面２３、側面２４、側面２５、及び出射面２６を有する角柱状の単位集光素子（図５（ａ）及び図６参照）を１０個並列に束ね、相互に接する側面２４及び２５を排して側面を共有化し、これにより１０個の単位集光素子を一体に集積したものが素子ユニット２００（図５（ｂ）参照）である。素子ユニット２００は、ｎ個の集光反射面２３、ｎ個の集光反射面２３にそれぞれ対応するｎ個の側面２４、ならびにｎ個の集光反射面２３に共通して対応する側面２５、上面２１、下面２２、及び出射面２６を有する。集光光学素子２０は、この素子ユニット２００を１０枚並列に並べて（１０行並べて）一体のプレート状に形成したものであり、１個１個が集光装置１の各構成単位（１行×１列分）に対応する１００個の単位集光素子を一体に集積した機能素子に相当する。

そのため、集光反射面２３に集光入射され、各集光反射面により全反射された光が、各素子ユニット２００（２０１，２０２，２０３…２０９，２１０）において、上面２１、下面２２、側面２４及び側面２５で全反射され、ｘ軸方向に導かれる過程で、ひとつの素子ユニット２００ごとに１行分の光（１０個の集光反射面２３により反射された１０個の光束）が集光される。各素子ユニット２００で集光された光は隣接する素子ユニットとの接合部で集合され、共通の出射面２６から導出される。出射面２６から導出された光は光電変換素子５に入射して光電変換される。

各集光レンズ１０_ｉｊの大きさを１０×１０ｍｍとし、集光レンズ１０_ｉｊが１０行×１０列に並べられて１００×１００ｍｍの大きさで形成されるレンズアレイにより集光された収束光が、厚さ１ｍｍ×幅１００ｍｍの出射面２６に集光されるとしたときの集光倍率は１００倍となる。

このような構成の集光装置１によれば、ｍ行×ｎ列の集光レンズ１０からなる１枚のレンズアレイと、これに対応した集光反射面２３を有する１枚の集光光学素子２０からなる極めて簡明かつ薄型の構成で、殆ど損失がなく集光効率が高い集光装置を提供することができる。従来の集光装置においては多数の太陽電池セルがレンズ等の焦点位置に分散配置されるために集光装置が複雑化するという問題があるが、本実施の形態における集光装置１においてはｚ軸方向（集光光学素子２０の厚さ方向）の長さが短い出射面２６に沿って光電変換素子５を一体配置するため、集光装置が複雑化しない。集光光学素子２０及び集光レンズ１０のレンズアレイは、例えば、低融点ガラスを用いたホットプレス成型や、ＰＭＭＡ等の樹脂を射出成型して構成することができ、良好な生産性で低価格に生産することができる。

なお、以上の説明では、ひとつの素子ユニット２００で１行×１０列の集束光が集光され、１０個の素子ユニットを一体化して用いて１０行×１０列の集束光を集光する集光光学素子２０を例示したが、素子ユニット２００の構成や複数の素子ユニットの統合形態は任意である。例えば、１つまたは複数の素子ユニットごとに出射面２６を設けて各出射面から出射された光を光電変換素子５に入射させても良い。集光レンズの配置に合わせて素子ユニットを星形に形成するなどしても良い。側面２４を階段状に形成した構成を例示したが、側面２４を１枚の平面とし側面２５を階段状に形成しても良い。複数の集光反射面２３をそれぞれｘ軸と数度程度傾斜した軸上に所定間隔で並んで形成するとともに、側面２４，２５をｘ軸に沿って形成しても良い。

（具体例）
太陽光を集光装置１によって集光する場合の具体例について図２及び図７〜図１１を参照しながら説明する。

集光レンズ１０_ｉｊにより集光され上面２１から集光光学素子２０内に入射した光を、集光反射面２３、上面２１、下面２２、側面２４、及び側面２５の全ての界面で全反射させる場合に、集光反射面２３の傾斜角θ₂₃は、集光レンズ１０_ｉｊの開口数ＮＡに応じて変化する。集光光学素子２０の屈折率Ｎを設定した場合には、集光反射面２３の傾斜角θ₂₃は、一般的に集光レンズ１０_ｉｊの焦点距離ｆに応じて変化する。

そこで、集光レンズ１０及び集光光学素子２０をＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いて構成し、波長３５０ｎｍ〜１１００ｎｍの太陽光を集光レンズ１０及び集光光学素子２０によって集光する場合のシミュレーションを行った。ＰＭＭＡの屈折率として、図７に示す表に記載された離散値を直線補間したものを用いる。入射光のスペクトル密度として、太陽光スペクトルに基づいて図８に示すものを用いる。集光光学素子２０の厚さは１ｍｍとした。この共通条件のもとで、集光レンズ１０の焦点距離ｆがｆ＝２０ｍｍの場合と、ｆ＝３０ｍｍの場合とについて、集光反射面２３で全ての光線を全反射させるための集光反射面２３の傾斜角θ₂₃を、次のように算出することができる。
・ｆ＝２０ｍｍの場合、傾斜角θ₂₃≧５１．２度
・ｆ＝３０ｍｍの場合、傾斜角θ₂₃≧４８．５度

太陽の見込み角や製造誤差等による光軸ＬＡの傾きを考慮すると、集光反射面２３は大きい方、すなわち集光反射面２３の傾斜角θ₂₃は小さい方が、光軸ＬＡの最大許容角度幅が大きくなり好ましい。

また、光軸ＬＡの角度幅が±αのとき、焦点位置のずれ幅δｘは、δｘ＝２・ｆ・ｔａｎαとなる。集光反射面２３のｘ軸方向の長さはＸ＝１／ｔａｎθ₂₃である。光線が１点に集光する場合を仮定すると、Ｘ＝δｘのときに光軸ＬＡの角度幅は最大許容角度幅±α_maxとなる。すなわち、集光レンズ１０の焦点距離ｆが短いほど、最大許容角度幅±α_maxが大きくなるので好ましい。上記具体例では次のように算出されるため、より角度幅の大きいｆ＝２０ｍｍの場合が好ましい。
・ｆ＝２０ｍｍの場合、最大許容角度幅±α_max＝±１．１５度
・ｆ＝３０ｍｍの場合、最大許容角度幅±α_max＝±０．８４度

上記共通条件に加えて、集光レンズ１０の焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、集光反射面２３の傾斜角θ₂₃＝５２度として、１０行×１０列の集光レンズ１０及び集光光学素子２０からなる集光装置１について光線追跡（Ray-trace）のシミュレーションを行った。図９は集光装置１をｙ軸方向（側方）から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションデータ、図１０は集光装置１を斜め上方から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションデータ、図１１は集光光学素子２０をｚ軸方向（上方）から見た姿勢位置における光線追跡のシミュレーションデータである。

これらの図面に示すシミュレーションデータから、複数の素子ユニット２００（２０１，２０２，２０３…２０９，２１０）のそれぞれに含まれる複数の集光反射面２３に集光入射した光線が、集光反射面２３、上面２１、下面２２、側面２４及び側面２５で全反射されてｘ軸方向に導かれ、複数の素子ユニット２００の基端側（出射面２６側）に至るにつれて、光線密度が高くなっていくことが分かる。つまり、図９、図１０及び図１１において、出射面２６からｘ軸方向に離れた位置では光線数が少なく、出射面２６付近では光線数が多い。図１１において、集光光学素子２０から外部に出射（漏出）しているように見える光線は、外部に漏出しているわけではなく、むしろ外部からの光が集光レンズ１０により集光反射面２３へ集光されて入射することを示す光線である。図１１によれば、集光反射面２３により集光光学素子２０の内部で反射された光線は、その後に集光光学素子２０から漏出することが殆どなく出射面２６から導出されている様子が理解される。

図１２は、集光光学素子２０のｙ軸方向の位置を横軸、出射面２６から出射する光線の本数を縦軸として、集光光学素子のｙ軸方向の位置に対する出射面から出射する光線の本数をプロットしたグラフである。このグラフから、個々の素子ユニット２０１，２０２，２０３…２０９，２１０において、ユニット単位で集光される光のｙ軸方向の光線分布が均一であること、及び、集光光学素子２０全体において、出射面２６から出射する光の光線分布が均一であることが分かる。出射面２６から出射する光の光線分布が均一であるというのは、出射面２６の面内において、出射光の光線数分布が一様であるということであり、したがって、出射面２６の面内における出射光の強度分布は一様である。

このシミュレーションによる解析結果を、数値に基づいてまとめると、以下のようになる。光軸ＬＡの角度幅をゼロとすると、集光レンズ１０_ｉｊには完全な平行光束が到来していることとなる。その完全な平行光束で構成される太陽光が、集光レンズ１０_ｉｊにより集光されて集光光学素子２０に入射した際の太陽光の全光線量を１００としたとき、出射面２６から出射される光の全光量は９９．７であり、集光効率は９９．７％となる。光軸ＬＡの角度幅を±０．５度としたとき、すなわち光軸ＬＡの周りに０．５度の幅を持つ均等な入射角分布で光が集光レンズ１０_ｉｊに到来するとき、集光光学素子２０に入射した際の太陽光の全光線量１００に対して出射面２６から出射される光の全光量は９９．５であり、集光効率は９９．５％となる。このシミュレーション結果から、集光装置１によれば、極めて高い集光効率で太陽光を集光できることが確認された。

（集光光学素子の端部における光エネルギーの取り出し手法）
以上で説明した集光装置１において、集光レンズ１０及び集光光学素子２０により集光されて出射面２６から出射する光のエネルギーの取り出し手法について、幾つかの代表的な手法の概念を例示する図１３(ａ)〜(ｅ)を参照しながら簡明に説明する。

図１３(ａ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を出射面２６からそのまま取り出し、光として利用するための構成例の概念図である。図１３(ａ)には、集光光学素子２０の出射面２６から出射する光をシリンドリカルレンズ９１や集光ロッド９２等を介して集光し、集光された光を光ファイバー９３により所望位置に導光する構成が例示される。

図１３(ｂ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用するための一つの構成例の概念図である。図１３(ｂ)は、光電変換素子５を集光光学素子２０の出射面２６に結合し、集光された光のエネルギーを光電変換素子５による光電変換を介して電気エネルギーとして取り出す構成例を示す。こうして、集光装置１と光電変換素子５とを含む光発電装置が得られる。光電変換素子５の代わりに、集光された光のエネルギーを熱エネルギーとして取り出す光熱変換素子を集光光学素子２０の出射面２６に結合することにより、集光装置１と光熱変換素子とを含む光熱変換装置が得られる。集光された光を熱エネルギーに光熱変換する光熱変換素子として、光吸収体付きのヒートパイプ等が用いられるのが好ましい。

図１３(ｃ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用するための一つの構成例の概念図である。図１３(ｃ)は、集光光学素子２０の端部を上面２１及び下面２２に対して斜めにカットして得られる出射面２６にミラー９４を配設して（あるいは出射面２６に反射膜を形成して）得られる構成の一例を示す図である。図１３(ｃ)に示すように、集光光学素子２０の端部に集光された光を、集光光学素子２０の上面２１側（または下面２２側）に設けた光電変換素子５に集光させる。これにより、集光光学素子２０が薄いシート状の場合であっても、所定面積を占める光電変換素子５を安定的に取り付けることができる。こうして、集光装置１と光電変換素子５とを含む光発電装置が得られる。集光された光のエネルギーを熱エネルギーとして取り出す場合には、上記と同様に光電変換素子５の代わりに光吸収体付きのヒートパイプ等が用いられるのが好ましい。こうして、集光装置１と光熱変換素子とを含む光熱変換装置が得られる。

図１３(ｄ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光のエネルギーを、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用するための一つの構成例の概念図である。図１３(ｄ)は、集光光学素子２０の端部を上面２１及び下面２２に対して斜めにカットして得られる出射面２６にダイクロイックミラー９５を配設して（あるいは出射面２６に波長選択性のある反射膜を形成して）得られる構成の一例を示す図である。図１３(ｄ)に示すように、集光光学素子２０の端部に集光された光を分割して、集光光学素子２０の上面２１側（または下面２２側）に設けた光電変換素子５ａと、集光光学素子２０の側方に設けた光電変換素子５ｂとにそれぞれ集光させる。このような構成によれば、分割された光の各波長帯域に応じて高効率な光電変換素子を光電変換素子５ａ及び５ｂとして用いることができるため、集光装置１と光電変換素子５ａ及び５ｂとを含む、比較的低コストで変換効率の高い光発電装置が得られる。

分割した光のうちの一方（例えば赤外領域の光）を光吸収体付きのヒートパイプ等に入射して光熱変換により得られる熱エネルギーを利用し、分割した光のうちの他方（例えば可視領域及び紫外領域の光）を光電変換素子５に入射して光電変換により得られる電気エネルギーを利用するような構成も、好適な構成の一例である。

図１３(ｅ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を、さらに集光光学素子２０の厚さ方向（集光レンズ１０_ｉｊの光軸方向）の厚みを薄くするように集光して取り出すための一つの構成例の概念図である。図１３(ｅ)において、集光光学素子２０は、出射面２６の近傍領域で集光光学素子２０の厚さが出射面２６も向かって徐々に薄くなるパラボリック状に形成されている。したがって、集光光学素子２０の内部をｘ軸方向に進む光が、上面２１あるいは下面２２で全反射されながら、集光光学素子２０の厚さ方向（集光レンズ１０_ｉｊの光軸方向）において狭められて集光されるようになっている。これにより、例えば集光された光をそのまま利用する場合にシリンドリカルレンズ等を用いずに構成することができ、また集光された光を光電変換素子５やヒートパイプに入射させる場合に、簡明な構成で入射光のパワー密度を高めることができる。

以上で説明したように、集光装置１においては、集光レンズ１０により集光され、集光光学素子２０の上面２１から集光光学素子２０の内部へ入射した入射光が、集光光学素子２０内に入射して以降、出射面２６を除く全ての界面（集光反射面２３、上面２１、下面２２、ならびに側面２４及び２５）で全反射され、出射面２６から出射する。従って、以上で説明した集光装置１によれば、比較的薄型かつ簡明な構成で、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光装置を提供することができる。このような集光装置１を含む光発電装置ＰＶＳや光熱変換装置は、光軸方向の厚さが薄く、小型でかつ軽量であり、新たな太陽光発電装置または太陽光集熱装置として好適に適用することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１０年第１８９３８６号（２０１０年８月２６日出願）

Claims (15)

1. 集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された光が入射する入射面と、前記入射面に対向する裏面と、前記入射面と前記裏面との間で前記集光レンズの光軸と交差する第１端面と、前記入射面と前記裏面との間で前記第１端面に対向する第２端面とを有し、透明な媒質により形成される集光光学素子とを備え、
   前記第１端面は、前記入射面から前記集光光学素子の内部へ入射した前記光を反射し、
   前記入射面及び前記裏面は、前記第１端面により反射された前記光を全反射し、
   前記第１端面により反射された前記光、前記入射面により全反射された前記光及び前記裏面により全反射された前記光は、前記第２端面に入射する集光装置。
2. 請求項１に記載の集光装置において、
   前記入射面から前記集光光学素子の内部へ入射して前記第１端面に入射する前記光に含まれる光線の最小入射角が、前記第１端面における全反射臨界角以上となるように、前記第１端面の前記入射面に対する傾斜角が設定される集光装置。
3. 請求項１または２に記載の集光装置において、
   前記入射面から前記集光光学素子の内部へ入射して前記第１端面に入射する前記光に含まれる光線の最小入射角が、前記第１端面における全反射臨界角以上となるように、前記集光レンズの開口数が設定される集光装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光装置において、
   前記入射面から前記集光光学素子の内部へ入射して前記第１端面に入射する前記光に含まれる光線の最小入射角が、前記第１端面における全反射臨界角以上となるように、前記集光光学素子の屈折率が設定される集光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の集光装置において、
   前記集光レンズ及び前記集光光学素子は、前記入射面から前記集光光学素子の内部へ入射して前記第１端面に入射する前記光がほぼ前記第１端面に焦点を結ぶように配設される集光装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集光装置において、
   前記集光光学素子は、前記入射面と前記裏面とに接するとともに前記第１端面と前記第２端面との間で相互に対向する第１側面及び第２側面を有し、
   前記第１側面及び前記第２側面は、前記第１端面、前記入射面及び前記裏面により反射された前記光を全反射し、
   前記第１端面により反射された前記光、前記入射面により全反射された前記光、前記裏面により全反射された前記光、前記第１側面により全反射された前記光及び前記第２側面により全反射された前記光は、前記第２端面に入射する集光装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の集光装置において、
   各々が前記集光レンズである複数の集光レンズが並べられ、
   前記集光光学素子は、各々が前記第１端面である複数の第１端面を有して一体に形成される集光装置。
8. 請求項６に記載の集光装置において、
   各々が前記集光レンズである複数の集光レンズが並べられ、
   前記集光光学素子は、各々が前記第１端面である複数の第１端面と、前記複数の第１端面に共通して対応する前記第１側面と、各々が前記第２側面である複数の第２側面とを有して一体に形成される集光装置。
9. 請求項７または８に記載の集光装置において、
   前記複数の集光レンズが、複数行と複数列とから構成されるマトリクス状に配設され、
   前記集光光学素子は、前記複数の集光レンズのうち、前記複数行の各行の集光レンズに対応して前記複数の第１端面、前記第１側面、及び前記複数の第２側面とを有して、前記複数行に対応して一体成型される集光装置。
10. 請求項９に記載の集光装置において、
    前記複数の第１端面の各々により反射された前記光は、前記複数の第１端面のうちの他の第１端面により遮られないように、前記各行の延伸方向に対して傾斜している集光装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集光装置において、
    前記第１端面と前記第２端面と間の距離が、前記入射面と前記裏面との間の距離よりも充分に大きい集光装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の集光装置において、
    前記入射面に入射する前記光は、前記集光レンズが太陽光を集光することにより得られる集光装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の集光装置において、
    前記入射面と前記裏面とは互いにほぼ平行である集光装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の集光装置と、
    前記第２端面に入射した前記光を光電変換する光電変換素子とを備える光発電装置。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の集光装置と、
    前記第２端面に入射した前記光を光熱変換する光熱変換素子とを備える光熱変換装置。

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