JPWO2013058381A1 - 集光装置、光発電装置及び光熱変換装置 - Google Patents

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Abstract

本発明を例示する態様の集光装置１は、表面から入射した光を裏面から出射する第１プリズム部材１０と、第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた第２プリズム部材２０とを備え、第１プリズム部材は、表面に形成され入射した光を集光する複数の集光構造と、複数の集光構造に対応して裏面に突出し集光構造により集光された光を偏向して出射させる複数の偏向構造とを有し、第２プリズム部材は、第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた入射面と、入射面と鋭角に交差する反射構造と、光を出射させる出射面とを有し、第１プリズム部材の偏向構造から偏向して出射した光は、第２プリズム部材の入射面から第２プリズム部材に入射し、第２プリズム部材の内部において、反射構造及び入射面で反射されることで出射面に向けて導かれ、出射面から出射するように構成した集光装置。

Description

本発明は、表面から入射する光を側面方向に集光する集光装置、及びこの集光装置を用いた光発電装置並びに光熱変換装置に関する。
表面から入射した光を側面に集光する集光装置として、太陽光が入射する入射面及び入射面に対して鋭角に交差する底面を有し、入射面から入射した太陽光を底面と入射面との間で複数回反射させて集光するプリズム部材を備えた集光装置が知られている。
このような集光装置の基本的な概念を図２２に示す。集光装置９は、太陽光が入射する入射面９１と、入射面９１と頂角εで交差し入射光を反射する底面９２と、入射面９１とほほ直角に交差する出射面９５とからなり、断面視がプリズム状ないし楔状に形成されたプリズム部材９０を備えて構成される。光発電装置は、集光された光を光電変換する光電変換素子(太陽電池)５が出射面９５に設けられて構成される。
いま、プリズム部材９０の水平方向の長さをＬ、厚さ方向の高さをＨとし、紙面直交方向の幅を一定としたときに、この集光装置９の集光倍率は、一般的に（入射面積）／（出射面積）＝Ｌ／Ｈで規定される。このように、集光装置の幾何学的な形状に基づいて規定される集光倍率を、本明細書においては「形状集光倍率」という。上記式から、形状集光倍率を高めるためには、頂角εを小さくすることが求められる。
ところが、頂角εを小さくすると、これに伴って入射面９１から入射した光の底面９２への入射角も小さくなるため、図２２の紙面内における太陽光の入射面９１への入射角θを大きくしないと入射光が底面９２を透過してしまう。一方、この入射角θを大きくすると、入射面９１に入射する太陽光の単位面積当たりの光強度（エネルギー密度）が低くなるため、太陽光の光エネルギーを効率的に集光することが難しい。
そこで、底面９２に金属膜を蒸着し、あるいは反射鏡を接着する等により底面９２をミラー面とし、底面９２での鏡面反射と入射面９１での全反射とを繰り返すことにより、入射光を出射面９５に集光するように構成した集光装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
日本国特開平６−２７５８５９号公報
しかしながら、上記のように底面をミラー面とした集光装置においても、入射面への太陽光の入射角θを小さくすると、底面で反射（鏡面反射）された光が入射面から出射するようになる。そのため、太陽光の光エネルギーを、より効率的に集光可能な集光装置が求められていた。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、太陽光等の光エネルギーの利用効率を高めた集光装置を提供することを目的とする。また、太陽光等の光エネルギーを、効率的に電気エネルギーに変換可能な光発電装置、効率的に熱エネルギーに変換可能な光熱変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によると、集光装置は、表面から入射した光を裏面から出射する第１プリズム部材と、第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた第２プリズム部材とを備え、第１プリズム部材は、表面に形成され入射した光を集光する複数の集光構造と、複数の集光構造に対応して裏面に突出し集光構造により集光された光を偏向して出射させる複数の偏向構造とを有し、第２プリズム部材は、第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた入射面と、入射面と鋭角に交差する反射構造と、光を出射させる出射面とを有し、第１プリズム部材の偏向構造から偏向して出射した光は、第２プリズム部材の入射面から第２プリズム部材に入射し、第２プリズム部材の内部において、反射構造及び入射面で反射されることで出射面に向けて導かれ、出射面から出射するように構成される。
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、第１プリズム部材の偏向構造は、集光構造により集光された光を反射する第１面と、第１面で反射された光を透過して第１プリズム部材から出射する第２面と、を有することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第２の態様の集光装置において、第２プリズム部材の入射面は、第１プリズム部材の偏向構造の第２面と略平行に対向し第１プリズム部材の第２面から出射した光を入射させる導光面と、反射構造で反射された光を第２プリズム部材の内部に向けて反射させる反射面とを有することが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第３の態様の集光装置において、第１プリズム部材の第２面と第２プリズム部材の導光面との間に、第１プリズム部材の屈折率及び第２プリズム部材の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する接合部が配置されることが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第３の態様の集光装置において、第１プリズム部材と第２プリズムの反射面との間に、第１プリズム部材の屈折率及び第２プリズムの屈折率のいずれよりも低い屈折率を有する媒質が配置されることが好ましい。
本発明の第６の態様によると、第２〜５の態様のいずれか一つの集光装置において、第１プリズム部材の集光構造により集光され第１面により反射されて第２面から出射された光が、第１プリズム部材の隣接する偏向構造に遮られることなく第２プリズム部材の入射面に入射するように構成されることが好ましい。
本発明の第７の態様によると、第２〜６の態様のいずれか一つの集光装置において、第１プリズム部材の複数の偏向構造は、第１面及び第２面が交互に並ぶ繰り返し構造をなすことが好ましい。
本発明の第８の態様によると、第１〜７の態様のいずれか一つの集光装置において、第１プリズム部材の集光構造は、光の入射側に凸状の曲面であり、第１面は、対応する集光構造により集光された光全体が全反射されるように構成することが好ましい。
本発明の第９の態様によると、第１〜７の態様のいずれか一つの集光装置において、第１プリズム部材の集光構造は、複数の平面により光の入射側に凸状となるように構成され、第１面は、集光構造により集光された光全体が全反射されるように構成することが好ましい。
本発明の第１０の態様によると、第１〜９の態様のいずれか一つの集光装置において、第２プリズム部材の反射構造は、一つの平面により構成され、第１プリズム部材から第２プリズム部材の入射面に入射した光が、第２プリズム部材の内部を進行して反射構造に到達した際に、反射構造で全反射されるように構成することが好ましい。
本発明の第１１の態様によると、第１〜９の態様のいずれか一つの集光装置において、第２プリズム部材の反射構造面は、平面と、当該平面との間に空気層を介して対向配置されたミラー面とにより構成され、第１プリズム部材から第２プリズム部材の入射面に入射した光が、第２プリズム部材の内部を進行して反射構造に到達した際に、平面を透過した後、ミラー面で反射され、再び平面を透過して第２プリズム部材の内部を進行し、更に、入射面で第２プリズム部材の内部に全反射されるように構成することが好ましい。
本発明の第１２の態様によると、光発電装置は、第１〜１１の態様のいずれか一つの集光装置と、第２プリズム部材の出射面に導かれ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１３の態様によると、光熱変換装置は、第１〜１１の態様のいずれか一つの集光装置と、第２プリズム部材の出射面に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備える。
本発明の態様を例示する光発電装置の概要構成図である。 第２プリズム部材に太陽光が入射して集光する場合において、太陽光の入射角と形状集光倍率との関係を説明するための説明図である。 第２プリズム部材に太陽光が入射して集光する場合において、太陽光の入射角と第２プリズム部材の入射面に入射する光エネルギーとの関係を説明するための説明図である。 第１プリズム部材の基本的な概念を説明するための説明図である。 第１構成形態の第１プリズム部材について、構成及び作用を説明するための説明図である。 第１構成形態の第１プリズム部材について、最小出射角を５４．５度とした場合における、（ａ）許容角度と焦点距離との関係、（ｂ）許容角度と最大出射角との関係、を示すグラフである。 第１構成形態の第１プリズム部材について、最小出射角を５０度〜８０度の範囲で変化させた場合における、（ａ）最小出射角と最大許容角との関係、（ｂ）最小出射角と焦点距離との関係、（ｃ）最小出射角と最大出射角との関係、を示すグラフである。 第２プリズム部材の模式的な断面図である。 全反射＋ミラータイプの第２プリズム部材の作用を説明するための説明図である。 実施例１の集光装置について、（ａ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を除外してシミュレーションした光線追跡結果、（ｂ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を考慮してシミュレーションした光線追跡結果である。 実施例２の集光装置について、（ａ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を除外してシミュレーションした光線追跡結果、（ｂ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を考慮してシミュレーションした光線追跡結果である。 実施例１及び実施例２の集光装置について、（ａ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に変動した場合の、太陽光入射各の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフ、（ｂ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で変動した場合の、太陽光の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフである。 第１構成形態における変形例の第１プリズム部材について、構成及び作用を説明するための説明図である。 第２構成形態における第１構成例の第１プリズム部材について、集光構造及び偏向構造の構成を説明するための説明図である。 第２構成形態における第１構成例の第１プリズム部材について、集光構造及び偏向構造の作用を説明するための説明図である。 実施例３の集光装置について、（ａ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を除外してシミュレーションした光線追跡結果、（ｂ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を考慮してシミュレーションした光線追跡結果である。 実施例３の集光装置について、（ａ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に変動した場合の、太陽光の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフ、（ｂ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で変動した場合の、太陽光の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフである。 第２構成形態における第２構成例の第１プリズム部材について、集光構造及び偏向構造の構成及び作用を説明するための説明図である。 実施例４の集光装置について、（ａ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を除外してシミュレーションした光線追跡結果、（ｂ）入出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収損失を考慮してシミュレーションした光線追跡結果である。 実施例４の集光装置について、（ａ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に変動した場合の、太陽光の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフ、（ｂ）太陽光の入射方向が第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で変動した場合の、太陽光の変動角と光電変換素子に到達する光エネルギーの到達割合との関係をシミュレーションした結果を表すグラフである。 集光装置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。 従来の集光装置の基本的な概念図である。 第３構成形態における第１プリズム部材及び第２プリズム部材について、集光構造及び偏向構造の作用を説明するための説明図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様を例示する光発電装置として、第１構成形態の集光装置１を備えた光発電装置ＰＶＳの概要構成図を図１に示す。光発電装置ＰＶＳは、光を集光する集光装置１と、集光された光を光電変換する光電変換素子５とを備えて構成される。
集光装置１は、光を入射させる表面に集光構造を有し、入射した光を斜めに偏向させて裏面からに出射させる第１プリズム部材１０と、第１プリズム部材１０の裏面に対向して設けられ第１プリズム１０から出射した光を集光して光電変換素子５に導く第２プリズム部材２０とを備えて構成される。第１プリズム部材１０、第２プリズム部材２０、及び光電変換素子５は、紙面に垂直な前後方向に延びて形成されている。すなわち、図１は光発電装置ＰＶＳの断面図である。なお、以降では、説明の便宜上から図１に示す姿勢をもって上下左右の方向を用いるが、光発電装置ＰＶＳの配設姿勢は光の入射方向に応じて任意に設定することができる。
第２プリズム部材２０は、第１プリズム部材１０から出射した光が入射する入射面２１と、入射面２１と頂角εで交差して第１プリズム部材１０により進路が偏向された光を反射させる反射構造２２と、反射構造２２及び入射面２１により反射されて左方に導かれた光が出射する出射面２５とを有して構成される。図１は、出射面２５に光電変換素子５を設けた構成例を示している。
ここで、図２（ａ）に示すように、入射面２１の左右方向の長さをＬ、出射面２５の上下方向の高さをＨとすると、紙面に垂直な前後方向の幅が一様な第２プリズム部材２０の形状集光倍率はＬ／Ｈ＝１／tanεと規定される。従って、形状集光倍率を高めるためには、頂角εをできるだけ小さくすればよい。しかし、頂角εを小さくすると、入射面２１から第２プリズム部材２０内に入射した光が反射構造２２に到達する際の入射角も小さくなる。そのため、入射面２１への光の入射角θが大きくないと、入射光が反射構造２２で全反射するための条件を満たさない。全反射の条件を満たさない場合には、光が反射構造２２を透過してしまう。一方、第２プリズム部材２０の反射構造２２に蒸着等により金属膜を形成してミラー面とした場合には、反射構造２２からの透過は抑止される。ただし、この場合においても、反射構造２２で反射された光が入射面２１において全反射するための条件を満たす必要がある。
第２プリズム部材２０に入射角θで入射した光が、反射構造２２及び入射面２１を透過することなく反射されて出射面に導かれるための最小の頂角εminを求めると、下記のようになる。式中のｎは第２プリズム部材２０の屈折率である。
上記式（１）及び（２）から、第２プリズム部材２０への光の入射角θが大きいほど（９０度に近いほど）最小頂角εminが小さくなり、第２プリズム部材を薄く構成できることがわかる。頂角がεminの第２プリズム部材に関して、横軸に入射角θ、縦軸に形状集光倍率をとり、これらの関係をプロットしたグラフを図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）から、反射構造２２がミラー面の場合には、入射角θが６０度前後から、また、反射構造２２が全反射面の場合には入射角θが７０度前後から、それぞれ形状集光倍率が急激に高くなることが分かる。従って、入射面２１に入射する光エネルギーが一定であると仮定するなら、入射角θが大きいほどエネルギー密度が高い光を光電変換素子５に集光することになる。
しかし、第２プリズム部材２０に太陽光を入射させた場合、入射面２１に入射する光エネルギーは入射角θに依存する。図３に、入射する光エネルギーと入射角θの関係を示す。図３（ａ）に示すように、入射面２１に入射する光エネルギーは、太陽光の入射角がθaであればＬcosθaに比例し、太陽光の入射角がθbであればＬcosθbに比例する。すなわち、入射角θで入射面２１に入射する太陽光の光エネルギーはcosθに比例する。図３（ｂ）は、横軸に太陽光の入射角θ、縦軸に入射角θ＝０度のときに入射面２１に入射する光エネルギーを１００％とした場合の割合をとり、入射角θと入射光エネルギーとの関係を示したグラフである。図３（ｂ）から明らかなように、入射面２１に入射する光エネルギーは、入射角θが大きいほど（９０度に近いほど）減少する。なお、図３（ｂ）中にドットで示す実施例１及び実施例２については後に詳述する。
このように、形状集光倍率を高めるためには、第２プリズム部材２０に入射する光の入射角θを大きくすればよいことがわかるが、一方、形状集光倍率を高くするには、入射角θを小さくすることが求められる。発明者らは、このように相反する要求を両立させる手段として、第２プリズム部材２０の入射面側に、第１プリズム部材１０を設けた構成を提案する。
第１プリズム部材１０は、小さい入射角で光を受光し、受光した光を大きな出射角で出射して、第２プリズム部材２０に大きな入射角で入射させる光学素子である。
ここで、光の偏向作用について、第２プリズム部材の入射面２１に対向させて、裏面に三角プリズムが複数並べた構成としたプリズム部材８０を配置する場合を想定し、図４を参照して説明する。なお、プリズム部材を構成する材料の屈折率は約１．５とする。プリズム部材８０の表面から入射角０度で入射した平行光線は、裏面の三角プリズムの二面８６及び８７で全反射して各々斜め下方に出射するように二面８６及び８７の角度は設定されている。出射された光が第２プリズム部材２０に入射した場合、第２プリズム部材２０の集光面２５の方向に偏向して入射した光は出射面２５側に導光されて集光される。しかし、第２プリズム部材２０の集光面２５とは反対方向に偏向して入射した光は反射構造２２及び入射面２１を通して出射してしまう。プリズム部材８０からの出射方向を一方向にするためには、三角形の二面８６，８７のうち一方にのみ入射させる必要がある。即ち、第２プリズム部材２０の集光面２５の方向に偏向して入射させるには、例えば平面８６にのみ光を入射させる必要がある。
図５により、第１プリズム部材１０の構成と作用を説明する。第１プリズム部材１０は、入射した光を集光するために、光の入射面に複数の集光構造１１，１１…を有するとともに、集光構造により集光された光を偏向させるために、各集光構造に対応して、光の出射面に突出した複数の偏向構造１５，１５…とを有して構成される。偏向構造１５は、集光構造１１により集光された光を反射する第１面１６と、第１面１６により反射されて進路が偏向された光を透過する第２面１７とを有し、第１面１６及び第２面１７の繰り返し構造により鋸歯状に構成される。第１プリズム部材１０の入射面から入射した光は、集光構造１１及び偏向構造１５によって、隣接する偏向構造に遮られることなく、所定角度偏向された状態で第２プリズム部材２０の入射面２１に入射するように構成される。
太陽の角度は季節・時間と共に変動する。そのため、集光対象が太陽光であり、かつ上記のように一定の入射角度で入射させようとする場合には、太陽を追尾する追尾装置が必要になる。追尾装置の価格は、集光装置１の設置精度や太陽の追尾精度によって大きく変化する。従って、太陽光の集光システムを低コストで実現するためには、太陽光の入射角がある程度の角度範囲ずれた場合であっても、集光効率を大きく低下させることなく光電変換素子５に導光する構成とすることが望まれる。
（第１構成形態の第１プリズム部材）
図５は、第１の構成形態の第１プリズム部材１０について、構成及び作用を説明するための説明図であり、図１の一部を拡大して示したものである。以降の説明では、理解を容易にするために、光線の方向、角度に関しては、図面の紙面内における記載とする。従って、例えば、「入射角０度」は、紙面内における０度を意味するものであって、必ずしも入射面に対して垂直入射することを意味するものではない。図５には、対向する一対の集光構造１１と偏向構造１５とからなる単位光学セルを二組示しており、図５において、左側の単位光学セルには、第１プリズム部材１０の集光構造１１に入射角θ＝０度でした平行光線の集光状態を実線で示されている。また、右側の単位光学セルには、入射角がθ＝０度に対して＋Δθ度傾斜した光線の集光状態が点線で、また、入射角がθ＝０度に対して−Δθ度傾斜した光線の集光状態が一点鎖線で示されており、角度範囲−Δθ〜＋Δθで入射する光が第１面１６に到達する領域を星印で示す太い実線で示している。
本構成形態の第１プリズム部材１０において、集光構造１１は、紙面に直角方向に一様な形状となっており、光の入射側に複数の凸構造、例えば複数のシリンドリカルレンズ１２により構成される。単位光学セル間のピッチはａ[mm]、シリンドリカルレンズ１２の焦点距離はｆ[mm]、集光光線の収束角はβ[度]である。偏向構造１５において、第１面１６は、シリンドリカルレンズ１２により集光された集光光全体が全反射されるように構成される。また、第２面１７を透過した光が隣接する偏向構造１５に遮られることなく、第２プリズム部材２０の入射面２１に入射するように構成される。
図５に示すように、上面（シリンドリカルレンズの頂線を結んだ平面）と平行な下面１８を想定し、この下面１８と第１面１６とがなす角度（第１面１６の傾斜角という）をα、下面１８と第２面１７とがなす角度（第２面１７の傾斜角という）をα’とする。第２面１７の傾斜角α’は、シリンドリカルレンズにより集光された光が第１面１６により全反射される反射光の中心が、第２面１７に対して垂直となるように設定される。
第１プリズム部材１０から出射される出射光と下面１８に垂直な面とがなす角度について図５を参照しながら考察する。出射角の中央値Ａctrは、第１プリズム部材１０に入射角０度で入射した光出射角である。最大出射角Ａmaxは、第１プリズム部材１０に＋Δθ度傾斜して入射した点線で示す光のうち、第１面１６に最も小さい入射角で入射した光の出射角である。また、最小出射角Ａminは、第１プリズム部材１０に−Δθ度傾斜して入射した一点鎖線で示す光のうち、第１面１６に最も大きな入射角で入射した光の出射角である。
最大出射角Ａmax、出射角中央値Ａctr、最小出射角Ａminは、第１面１６に入射する光線の収束角がβ＝arctan（ａ／２ｆ）であることから、下記のように表される。
最大出射角：Ａmax＝１８０−２α＋β＋Δθ ・・・・・・・・（３）
中央値 ：Ａctr＝１８０−２α ・・・・・・・・・・・・・（４）
最小出射角：Ａmin＝１８０−２α−β−Δθ ・・・・・・・・（５）
偏向構造１５から出射した全ての光線が、隣接する偏向構造１５に遮られない（隣接する偏向構造に入射することなく、その下方を通過する）ようにするためには、次式の条件を満たすことが必要である。すなわち、偏向構造１５から出射した光線と下面１８とがなす角度をγとすると、
tanγ＞２ｆ＊tanΔθ＊tanα／（２ｆ＊tanΔθ＋ａ） ・・・・（６）
既に記載したように、第２プリズム部材２０は、入射面２１への入射角が大きいほど（入射面に対して斜めに入射するほど）入射面２１と反射構造面２２とがなす頂角εを小さくすることができ、それにより、大きな形状集光倍率を得ることができる。すなわち最小出射角Ａminが大きいほど第２プリズム部材２０の頂角εを小さくでき、光電変換素子５に集光する光のエネルギー密度を増大することができる。
そこで、まず、最小出射角Ａminを設定し、次に、第１プリズム部材１０の厚さに影響を与える単位光学セルのピッチａを定める。単位光学セルのピッチａは、加工精度などを考慮すると２００[μm]程度まで小さくすることが可能であり、これは、第１プリズム部材１０の厚さを１[mm]程度まで薄くすることができることを意味する。
第１プリズム部材１０において、第１面１６の傾斜角α、シリンドリカルレンズ１２における光線の収束角β、及び偏向構造１５から出射した光線と下面１８とがなす角度γは、第１プリズム部材１０に入射する光線の入射角０度に対する傾き角度（以下、単に傾き角度という）Δθ、及びシリンドリカルレンズ１２の焦点距離ｆの関数で、以下の式のように表せる。
α＝（１８０−Ａmin−β−Δθ）／２ ・・・・・・・・・・・（７）
β＝arctan（ａ／２ｆ） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
γ＝２α−９０−β−Δθ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
最小出射角Ａminを５４．５度とし、単位光学セルのピッチａを３[mm]とした場合を考える。第１プリズム部材１０に入射する光線の傾き角度Δθを、集光装置１が許容し得る光線の傾き角度、すなわち許容角度とすれば、許容角度Δθが大きいほど、集光装置を低コスト化できる。そこで、（６）式を満たす許容角度Δθの最大値（最大許容角）Δθmaxを求めると、最大許容角Δθmax＝１．７７度となる。このとき、シリンドリカルレンズ１２の焦点距離ｆ＝１１．２[mm]、第１面１６の傾斜角α＝５８．１度、光線の収束角β＝７．６３度、最大出射角の光と下面１８とがなす角度γ＝１６．７度、最大出射角Ａmax＝７３．３度となる。
最小出射角Ａmin＝５４．５度、単位光学セルのピッチａ＝３[mm]の第１プリズム部材１０における、許容角度Δθと焦点距離ｆとの関係を図６（ａ）に、また、許容角度Δθと最大出射角Ａmaxとの関係を図６（ｂ）に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、上記条件の第１プリズム部材１０では、許容角度Δθは１．７７度以下の範囲で設定可能である。例えば、許容角度Δθを１．４度とした場合には、シリンドリカルレンズ１２の焦点距離をｆ＝７．１〜２３[mm]の範囲で適宜に設定することができる。また、許容角度Δθを１．２度とした場合には、最大出射角をＡmax＝６２．８〜８２．９度の範囲で適宜に設定することができる。
次に、最小出射角Ａminを５０度〜８０度の範囲で変化させた場合について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、上記角度範囲で最小出射角Ａminを変化させた場合について、最小出射角Ａminと最大許容角Δθmaxとの関係を算出して示したグラフである。図７（ａ）に示したように、最小出射角Ａminが大きくなるほど、最大許容角Δθmaxは小さくなる。これは、最小出射角Ａminを大きくするほど形状集光倍率を高くできる一方で、入射光の許容角度範囲が狭くなり、集光装置の設置や太陽の追尾に高い精度が必要になることを意味する。図７（ａ）から、形状集光倍率と追尾精度とをバランスさせた角度範囲を求めることができる。
図７（ｂ）は、最大許容角Δθmaxにおける、最小出射角Ａminと焦点距離ｆとの関係を、最小出射角Ａminを上記角度範囲で変化させた場合について算出して示したグラフである。図７（ｂ）から、最小出射角Ａminが大きくなるほど、シリンドリカルレンズ１２の焦点距離ｆは大きくなり、第１プリズム部材１０が厚くする必要があることが分かる。
図７（ｃ）は、最大許容角Δθmaxにおける、最小出射角Ａminと最大出射角Ａmaxとの関係を、最小出射角Ａminを上記角度範囲で変化させた場合について算出して示したグラフである。図７（ｃ）から、最小出射角Ａminが大きくなるほど、最大出射角度Ａmaxも大きくなるが、出射光線の角度範囲（Ａmax−Ａmin）は小さくなることが分かる。
以上説明した通り、第１プリズム部材１０に入射角０度で入射した太陽光は、集光構造１１及び偏向構造１５により集光及び偏向されて、大きな出射角Ａで第１プリズム部材１０から出射し、第２プリズム部材２０に大きな入射角Ａで入射する。
図１〜図３を参照して説明したように、第２プリズム部材２０は、第１プリズム部材１０から出射した光が入射する入射面２１と、入射面２１と頂角εで交差して第１プリズム部材１０により進路が偏向された光を偏向方向に導く反射構造２２と、反射構造２２及び入射面２１により反射されて左方に導かれた光が出射する出射面２５とを有して構成される。
第２プリズム部材２０の頂角εは、光が入射面２１から入射した入射光が反射構造２２に最初に到達した際に、光を反射構造２２で全反射する構成にするか、あるいは、反射構造２２をミラー面等にして入射光を反射させるかによって異なる。上記二つの場合におけるそれぞれの第２プリズム部材の最小頂角εminは、第２プリズム部材の屈折率ｎ及び入射面２１への入射角θの関数で表される。入射光を反射構造２２で全反射させる構成（便宜的に全反射タイプという）の場合の最小頂角εminは（１）式、入射光をミラー面等とした反射構造２２で反射させる構成（便宜的にミラータイプという）の場合の最小頂角εminは（２）式で表される。
（１）式と（２）式とを比較すると明らかなように、ミラータイプの最小頂角εminは全反射タイプの最小頂角εminの１／２となる。従って、第２プリズム部材２０をミラータイプにすることによって形状集光倍率を２倍にすることができる。しかしながら、反射構造２２をミラー面にした場合には、ミラー面における反射に伴って光の吸収による損失が発生する。反射膜として広く用いられているアルミニウム蒸着膜の反射率でも９０％程度であり、反射を繰り返す度に約１０％ずつ光エネルギーが損失する。そのため、ミラータイプの第２プリズム部材では、結果的には光エネルギーの集光効率が低くなる。この点に関して、次に説明する第２プリズム部材２０を示す。図８に、この第２プリズム２０の模式的な断面図を示す。
第２プリズム部材２０は、プリズム本体２６と反射構造２２により構成される。反射構造２２は、プリズム本体２６の下面に形成された平面２２ａと、当該平面２２ａに対して空気層２３を介して平行に対向配置され、対向面をミラー面２２ｂとした反射部材２４とにより構成される。平面２２ａは平坦に光学研磨して形成される。反射部材２４は、例えば、ガラス基板の表面にアルミニウム蒸着膜が形成しミラー面としたものを用いることができる。空気層２３は、層の厚さが概ね集光対象の光の波長以上であれば良く、本構成例においては、平面２２ａに対してミラー面２２ｂが平行となるように反射部材２４を固定することにより、空気層２３を形成している。
第２プリズム部材２０の頂角εは、ミラータイプとした場合に算出される最小頂角εmin（すなわち（２）式）に基づいて設定される。このとき、入射面２１からプリズム本体２６に入射した光は反射構造２２に到達し、平面２２ａを透過してプリズム本体２６から出射した後、ミラー面２２ｂで反射され、平面２２ａからプリズム本体２６に再び入射する。平面２２ａからプリズム本体２６に再び入射する光の入射角は、平面２２ａへの第１入射光の入射角と同一になる。
この様子について図９を参照して説明する。図９に示すように、入射角θで入射面２１からプリズム本体２６に入射した光は、プリズム本体２６を構成する部材の屈折率ｎに応じた屈折角θ1で屈折して、平面２２ａに入射角θ2＝θ1＋εで入射する。入射角θ2は全反射臨界角未満である。平面２２ａに入射した光は出射角θ21で平面２２ａから出射し、ミラー面２２ｂで反射され、入射角θ21、屈折角θ2で平面２２ａからプリズム本体２６に再び入射する。この屈折角はθ2は、プリズム本体２６に入射した光が最初に平面２２に到達した際の入射角θ2と同一である。
平面２２ａから再び入射した光は、プリズム本体２６の内部を入射面２１に向けて進行し、入射面２１に入射角θ3で入射する。入射面２１に入射する光の入射角θ3は、θ3＝θ2＋ε＝θ1＋２εである。この入射角θ3は、全反射臨界角より大きいので、光は入射面２１で全反射され、再びプリズム本体２６の内部を反射構造２２に向けて進行し、平面２２ａに入射角θ4（不図示）で入射する。この入射角θ4は、θ4＝θ3＋ε＝θ1＋３εで表され、全反射臨界角より大きい。このため、光は平面２２ａで全反射され、入射面２１に向けてプリズム本体２６の内部を進行する。以降の各面への入射角は、それぞれの面に入射するたびに入射角がεずつ順次増加する。複数回全反射された光は出射面２５に導かれる。
このように、第２プリズム部材の反射構造面２２を、プリズム本体２６の平面２２ａと空気層２３を介して配設したミラー面２２ｂとにより構成することで、入射面から入射した光をミラー面２２ｂで反射させる一方、以降の反射をプリズム内部の全反射とした形態の第２プリズム部材２０を、本明細書においては、全反射＋ミラータイプの第２プリズム部材という。
全反射＋ミラータイプの第２プリズム部材２０によれば、プリズムの頂角εをミラータイプの第２プリズム部材と同様に小さく（全反射タイプの第２プリズム部材の１／２に）することができ、これにより高い形状集光倍率を得ることができる。また、本形態の第２プリズム部材２０では、ミラー面で光が反射するのは、入射面２１から入射した光が最初に反射構造２２に到達した際の１回のみであり、以降の入射面２１及び反射構造２２における反射は全て全反射である。このため、ミラータイプの第２プリズム部材に比べて存質が少なく、高い集光効率で光エネルギーを集光することができる。
集光装置１においては、入射光の光エネルギーが最大となる入射角０度で第１プリズム部材１０に太陽光を入射角０度で入射させ、集光構造１１及び偏向構造１５により偏向させた光を第２プリズム部材２０に入射させる。第２プリズム部材２０は全反射＋ミラータイプにより構成されているので、高い集光効率で光エネルギーを出射面２５に集光できる。すなわち、このような構成の集光装置１によれば、太陽光等の光エネルギーを極めて高い効率で集光することができ、光エネルギーの利用効率を高めることができる。
第１プリズム部材１０については既に詳しく説明したように、第１プリズム部材に入射する光の許容角度Δθを見込んで、集光構造１１や偏向構造１５の詳細構成を設定することができ、太陽光の集光倍率と追尾精度とを高い次元でバランスさせた小型の集光装置、光発電装置を提供することが可能となる。
（実施例１）
集光装置１について、下記条件の第１プリズム部材１０及び第２プリズム部材２０を用いて、第１プリズム部材１０の上面に太陽光を入射させた場合について、光学技術分野で広く用いられている光線追跡プログラムを用いてシミュレーションを行った。なお、太陽光は、波長３５０〜１１００ [nm]、視直径±０．２６度とし、太陽光の中心光軸が第１プリズム部材１０の上面に入射角θ＝０度で入射する条件とした。
○第１プリズム部材１０
・単位光学セルのピッチａ×数 ：３[mm]×１０
・シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ：１５．３[mm]（収束角β＝５．６度）
・第１面１６の傾斜角α ：５６度（ずらし幅ｘ＝０．４５[mm]）
・第２面１７の傾斜角α’ ：７５度
・入射光の許容角度Δθ ：１．７度
・最小出射角Ａmin ：５５度
・最大出射角Ａmax ：７３度
○第２プリズム部材２０（全反射＋ミラータイプ）
・左右方向長さＬ ：３０[mm]
・頂角ε ：４．０５度
・ミラー面２２ｂの反射率 ：９０％
上記条件でシミュレーションした光線追跡結果を図１０に示す。図１０（ａ）は、各プリズム部材への光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を除外してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果、図１０（ｂ）は、各プリズム部材への光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果である。
入射時及び出射時のフレネル損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材に入射角０度で入射した太陽光は、全ての光線が第１プリズム部材１０の下面側に出射して第２プリズム部材２０に入射する。第２プリズム部材２０に入射する光の入射角は５５〜７３度（平均入射角６４度）となる。入射時及び出射時のフレネル損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１０に入射角０度で入射した太陽光の光エネルギーの９２．８％が第１プリズム部材１０の下面側から出射して第２プリズム２０に入射する。
もし、第１プリズム部材１０を用いない場合を考えると、第２プリズム部材２０に入射角６４度で太陽光を直接入射させた場合には、入射面２１に入射する太陽光の光エネルギーは垂直入射時の４３．４％である（図３を参照）。このことから、第１プリズム部材１０を設けることにより、第２プリズム部材２０に入射する太陽光の光エネルギーを２倍以上（約２．１倍）に高められることが分かる。
第２プリズム部材２０に入射角５５〜７３度で入射した光は、反射構造２２及び入射面２１で反射されて集光され、出射面２５に設けられた光電変換素子５に到達する。各面での入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの９８％が光電変換素子５に到達する。入射時及び出射時におけるフレネル損失及びミラー面での吸収による損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの７４％が光電変換素子５に到達する。
集光装置１のエネルギー集光倍率を、エネルギー集光倍率＝出射光のエネルギー密度[W/cm2]÷入射光のエネルギー密度[W/cm2]と定義すれば、本実施例におけるエネルギー集光倍率は、形状集光倍率１４．１×７４％＝１０．４倍となる。一方、第１プリズム部材１０を用いずに第２プリズム部材２０に太陽光を直接入射させた場合のエネルギー集光倍率を計算すると、形状集光倍率が最大となる入射角６６度のときで５．０倍であった。
このように、本実施例に示す集光装置１によれば、ミラータイプの第２プリズム部材と同様に小さい頂角の第２プリズム部材を用いた小型の装置構成で、太陽光の光エネルギーを高効率で集光可能なことが理解できる。
（実施例２）
次に、集光装置１において、下記条件の第１プリズム部材１０及び第２プリズム部材２０を用いて、第１プリズム部材１０の上面に太陽光を入射させた場合のシミュレーション結果について説明する。
○第１プリズム部材１０
・単位光学セルのピッチａ×数 ：３[mm]×１０
・シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ：２１．５[mm]（収束角β＝４度）
・第１面１６の傾斜角α ：５６．５度（ずらし幅ｘ＝０．３７５[mm]）
・第２面１７の傾斜角α’ ：６５度
・入射光の許容角度Δθ ：１度
・最小出射角Ａmin ：６２度
・最大出射角Ａmax ：７６度
○第２プリズム部材２０（全反射＋ミラータイプ）
・左右方向長さＬ ：３０[mm]
・頂角ε ：４．０５度
・ミラー面２２ｂの反射率 ：９０％
上記条件でシミュレーションした光線追跡結果を図１１に示す。図１１（ａ）は、各プリズム部材への光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を除外してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果、図１１（ｂ）は、プリズムへの光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果である。
入射時及び出射時のフレネル損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材１０に垂直入射した太陽光は、全ての光線が第１プリズム部材１０の下面側に出射して第２プリズム部材２０に入射する。第２プリズム部材２０に入射する光の入射角は６２〜７６度（平均入射角６８度）となる。入射時及び出射時のフレネル損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの９２．４％が第１プリズム部材１０の下面側から出射して第２プリズム部材２０に入射する。
第１プリズム部材１０を用いない場合を考えると、第２プリズム部材２０に入射角６８度で太陽光を直接入射させた場合には、入射面２１に入射する太陽光の光エネルギーは垂直入射時の３７．５％である（図３を参照）。このことから、本実施例においても、第１プリズム部材１０を設けることにより、第２プリズム部材２０に入射する太陽光の光エネルギーを２倍以上（約２．５倍）に高められることが分かる。
第２プリズム部材２０に入射角６２〜７６度で入射した光は、反射構造２２及び入射面２１で反射されて集光され、出射面２５に設けられた光電変換素子に到達する。各面での入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材１０に入射角０度で入射した太陽光の光エネルギーの９９％が光電変換素子５に到達する。入射時及び出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収による損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの７２％が光電変換素子５に到達する。従って、集光装置全体でのエネルギー集光倍率は、形状集光倍率１４．１×７２％＝１０．２倍となる。一方、第１プリズム部材１０を用いずに第２プリズム部材２０に太陽光を直接入射させた場合のエネルギー集光倍率は、形状集光倍率が最大となる入射角６６度のときで５．０倍であった。
このように、本実施例に示す集光装置１においても、ミラータイプの第２プリズムと同様に小さい頂角の第２プリズム部材を用いた小型の装置構成で、太陽光の光エネルギーを高効率で集光可能なことが理解される。
次に、集光装置１において、第１プリズム部材１０の上面に垂直入射する太陽光の入射角度が変動した場合について、その影響をシミュレーションした結果について図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、第１プリズム部材１０に入射する太陽光の入射方向が、垂直入射に対して図１〜５に示す各図の紙面内において、左右に±δ度の範囲で変動した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に±δ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどのように変化するかについて、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。太陽光の変動方向の符号は図５と同様である。図１２（ｂ）は、第１プリズム部材１０に入射する太陽光が、垂直入射に対して図１〜図５に示す各図の紙面に直交する面内において、前後に±ζ度の範囲で変動した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で±ζ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどのように変化するかについて、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）ともに、第１プリズム部材１０の上面に入射する太陽光の光エネルギーを１００％とし、入射面及び出射面でのフレネル損失並びにミラー面での吸収による損失を考慮している。
図１２（ａ）から、太陽光入射角の変動角δが、実施例１の集光装置における許容角度Δθ＝１．７度、実施例２の集光装置における許容角度Δθ＝１．７度の範囲内にある場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーは大きく変化せず、高い効率が得られることが確認できる。実施例１の集光装置及び実施例２の集光装置ともに、太陽光入射角の変動角δが許容角度Δθを超えて増大した場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーが低下するが、変動角δが−方向であるとき、すなわち太陽光が第２プリズム部材２０の出射面方向に変動したときには急激に低下し、変動角δが＋方向、すなわち太陽光が第２プリズム部材２０の頂点方向に変動したときには比較的緩やかに低下することがわかる。
一方、図１２（ｂ）からは、光電変換素子５に到達する光エネルギーは変動角ζが±３０度程度の範囲では大きく変化せず、高い効率が安定的に得られることがわかる。すなわち、太陽光の入射方向が、垂直入射に対して第１プリズム部材の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内でかなり大きく変動しても、光電変換素子５に到達する光エネルギーへの影響は小さいことが分かる。
以上説明したように、集光装置１においては、設定された許容角度Δθの範囲内において、高い効率で太陽光の光エネルギーを集光可能であることが確認できる。また、集光装置１の第１プリズム部材においては、断面形状が一方向に沿って一様な集光構造および偏向構造からなる単位光学セルが、複数繰り返し配列する構造であり、複数の単位光学セルの繰り返し配列に直交する面内に関しては、設置及び追尾における角度誤差を緩めに設定することができる。
（変形例）
以上の説明においては、第１プリズム部材１０に入射する光の入射角が−Δθ度においてシリンドリカルレンズ１２により集光された光が、第１面１６の下端（偏向構造１５の頂部）近傍に集光されるようにした構成した場合について説明した（図５を参照）。しかし、光が第１面１６において集光される位置はこれに限らない。図１３は、光が第１面１６において集光される位置を変更した変形例である。図１３（ａ）は、第１プリズム部材１０に入射する光の入射角が＋Δθのときの光の進路を、図１３（ｂ）は、第１プリズム部材１０に入射する光の入射角が−Δθのときの光の進路を示す。図示する変形例では、第１プリズム部材１０に入射する光の入射角が許容角度である−Δθ度のときに、光が第１面１６において集光する位置が、第１面１６の下端よりも幾分上方となるようにした構成されている。
以上の説明は、第２プリズム部材２０を全反射＋ミラータイプとした構成におけるものであるが、第２プリズム部材２０を全反射タイプあるいはミラータイプとして集光装置を構成することも可能である。
（第２構成形態の第１プリズム部材）
次に、第２構成形態の第１プリズム部材について、図１４を参照して説明する。図１４は、第２構成形態における第１構成例の第１プリズム部材１１０について、その構成及び作用を説明するための説明図、及び第１プリズム部材１１０の一部を拡大して示した拡大図である。図１４では、第１プリズム部材１１０における集光構造１１１及び偏向構造１１５の対からなる単位光学セルを示している。
第１プリズム部材１１０は、入射した光を集光する複数の集光構造１１１，１１１…と、各集光構造に対応して裏面に突出した複数の偏向構造１１５，１１５…とを主体として構成される。
集光構造１１１は、図１４において紙面に直角方向に延びる複数の平面により構成された光の入射側に凸構造をなしている。より詳しく説明すると、集光構造１１１は、図１４中の部分拡大図に示すように、Ａ面１１２ａと、Ａ面１１２ａに接するＢ面１１２ｂと、Ｂ面１１２ｂに接するＣ面１１２ｃとによる三面からなる形態を示している。第１プリズム部材１１０の上面は、この三面からなる複数の集光構造１１１が紙面の左右方向に繰り返して配列された構成となっている。
Ｃ面１１２ｃは光の入射方向に直交する面であり、単位光学セルの紙面の左右方向の幅をｙとしたときに、概ねｙ／２の範囲に形成される。Ｂ面１１２ｂは、Ｃ面に対して所定の傾斜角度を有する平面であり、Ｃ面１１２ｃと接続されて、概ねｙ／４の範囲に形成される。Ａ面１１２ａは、Ｃ面に対してＢ面１１２ｂより大きな傾斜角度を有する平面であり、Ｃ面１１２ｃと接続されたて、概ねｙ／４の範囲に形成される。
偏向構造１１５は、集光構造１１１により集光された光を反射する第１面１１６と、第１面１１６により反射されて進路が偏向された光を透過する第２面１１７とを有し、第１面１１６と第２面１１７がり返して配列されることで鋸歯状に構成される。偏向構造１１５は、上面（Ｃ面１１２ｃ）と平行な下面１１８を想定したときに、第１面１１６、第２面１１７、及び下面１１８に囲まれた領域の断面が正三角形をなし、紙面に直角な方向に一様な形状をなすような三角プリズムに形成されている。すなわち、下面１１８と第１面１１６とがなす角度である第１面の傾斜角α＝６０度、下面１１８と第２面１１７とがなす角度である第２面の傾斜角α’＝６０度である。
そして、第１プリズム部材１１０の上面１１２ｃと下面１１８との間隔ｆ’、集光構造１１１におけるＡ面１１２ａ及びＢ面１１２ｂの傾斜角は、集光構造１１１により集光された光全体が第１面１１６において全反射されるように構成される。また第２面１１７を透過した光が隣接する偏向構造１１５に遮られることなく、第２プリズム部材の入射面２１に入射するように構成される。
図１５に、図１４に示した第１プリズム部材１１０の上面（Ｃ面１１２ｃ）に光を入射角０度で入射させた場合の作用を示す。図１５（ａ）はＡ面１１２ａに入射した光線の進路、図１５（ｂ）はＢ面１１２ｂに入射した光線の進路、図１５（ｃ）はＣ面１１２ｃに入射した光線の進路を示す。
図１５（ａ）に示すように、Ａ面１１２ａに入射した光は、Ａ面１１２ａから第１プリズム部材１１０に入射した光はＡ面１１２ａで屈折して右斜め下方に向けて進行する。Ａ面１１２ａの傾斜角は、Ａ面１１２ａの左端に入射した光が第１面１１６の下端に到達するように構成されている。Ａ面１１２ａの右端に入射した光は、第１面１１６の上下方向の中間部に到達するように構成される。Ｂ面１１２ｂについても同様であり、Ｂ面の左端に入射した光が第１面１１６の下端に到達し、Ｂ面の右端に入射した光は第１面１１６の上下方向の中間部に到達するように構成されている。Ｃ面１１２ｃに入射した光は屈折することなく第１プリズム部材１１０に入射して内部を進行する。Ｃ面１１２ｃの左端に入射した光が第１面１１６の下端近傍に到達し、Ｃ面の右端に入射した光は第１面１１６の上端近傍に到達するように構成されている。
Ａ面１１２ａ、Ｂ面１１２ｂ、及びＣ面１１２ｃから入射して第１プリズム部材１１０の内部を進行し、第１面１１６に到達した光は、第１面１１６で全反射され、第２面１１７を透過して第１プリズム部材１１０から出射される。その際、隣接する偏向構造１１５に遮られることはないように構成されている。第１プリズム部材の出射側には第２プリズム部材が配置されており、第１プリズム部材から出射した光は、第２プリズム部材２０の入射面２１に入射する。
第２プリズム部材２０の基本的な構成は、既に説明した通りである。すなわち、第２プリズム部材２０は、第１プリズム部材１１０から出射した光が入射する入射面２１と、入射面２１と頂角εで交差して第１プリズム部材１１０により進路が偏向された光を反射させる反射構造２２と、反射構造２２及び入射面２１により反射されて導かれた光が出射する出射面２５とを有して構成される（図８等を参照）。本構成形態の第１プリズム部材１１０を有する集光装置２では、既に説明した全反射＋ミラータイプの第２プリズム部材が用いられている（図９を参照）。
以上説明したように構成された集光装置２においては、入射光の光エネルギーが最大となる入射角０度で第１プリズム部材１１０に太陽光を入射させ、集光構造１１１及び偏向構造１１５により偏向させた光を第２プリズム部材２０に入射させる。第２プリズム部材２０は全反射＋ミラータイプにより構成されているので、高い集光効率で光エネルギーを出射面２５に集光できる。すなわち、このような構成の集光装置２によれば、太陽光等の光エネルギーを極めて高い効率で集光することができ、光エネルギーの利用効率を高めることができる。
（実施例３）
集光装置２について、下記条件の第１プリズム部材１１０及び第２プリズム部材２０を用いて、第１プリズム部材１１０の上面に太陽光を入射させた場合について、光学技術分野で広く用いられている光線追跡プログラムを用いてシミュレーションを行った。太陽光の波長及び視直径は前述同様であり、太陽光の中心光軸が第１プリズム部材１１０の上面に入射角θ＝０度で入射する条件とした。
○第１プリズム部材１１０
・単位光学セルのピッチａ×数 ：２[mm]×１５
・上面と下面との間の距離ｆ’ ：１０[mm]
・Ａ面１１２ａの幅及び傾斜角 ：０．５[mm]，１５度
・Ｂ面１１２ｂの幅及び傾斜角 ：０．５[mm]，８度
・Ｃ面１１２ｃの幅及び傾斜角 ：１[mm]，０度
・第１面１１６の傾斜角α ：６０度
・第２面１１７の傾斜角α’ ：６０度
○第２プリズム部材２０（全反射＋ミラータイプ）
・左右方向長さＬ ：３０[mm]
・頂角ε ：３．３度
・ミラー面２２ｂの反射率 ：９０％
上記条件でシミュレーションした光線追跡結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、各プリズムへの光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を除外してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果、図１６（ｂ）は、プリズムへの光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果である。
入射時及び出射時のフレネル損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材１１０に入射角０度で入射した太陽光は、９９．６％の光線が第１プリズム部材１１０の下面側に出射して第２プリズム部材２０に入射する。第２プリズム部材２０に入射する光の入射角は５５〜７３度（平均入射角６４度）となる。入射時及び出射時のフレネル損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１１０に入射角０度で入射した太陽光の光エネルギーの９２％が第１プリズム部材１１０の下面側に出射して第２プリズム部材２０に入射する。
第１プリズム部材１１０を用いない場合を考えると、第２プリズム部材２０に太陽光を入射角６４度で直接入射させた場合には、入射面２１に入射する太陽光の光エネルギーは入射角０度で入射した場合の４３．４％であった（図３を参照）。従って、第１プリズム部材１１０を設けることにより、第２プリズム部材２０に入射する太陽光の光エネルギーを２倍以上（約２．１倍）に高められることがわかる。
第２プリズム部材２０に入射角５５〜７３度で入射した光は、反射構造２２及び入射面２１で反射されて集光され、出射面２５に設けられた光電変換素子５に到達する。各面での入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材１１０に入射角０度で入射した太陽光の光エネルギーの９８％が光電変換素子５に到達する。入射時及び出射時のフレネル損失及びミラー面での吸収による損失を考慮した場合には、第１プリズム部材１１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの７３％が光電変換素子５に到達する。従って、本実施例における集光装置全体でのエネルギー集光倍率は、形状集光倍率１７．３×７３％＝１２．６倍となる。一方、第１プリズム部材１１０を用いずに第２プリズム部材２０に太陽光を直接入射させた場合のエネルギー集光倍率は、形状集光倍率が最大となる入射角６９度のときで５．２倍であった。
このように、本実施例に示す集光装置２においても、ミラータイプの第２プリズム部材と同様に小さい頂角の第２プリズム部材を用いた小型の装置構成で、太陽光の光エネルギーを高効率で集光可能なことが理解される。
実施例３の集光装置２において、第１プリズム部材１１０の上面に垂直入射する太陽光の入射角度が変動した場合について、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどの様に変化するかについてシミュレーションした結果を図１７に示す。図１７（ａ）は、第１プリズム部材１１０に入射する太陽光の入射方向が、図１４〜１６に示す各図の紙面内において、左右に±δ度の範囲で変動した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の複数の単位光学セルの繰り返し配列方向±δ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどのように変化するかについて、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。太陽光入射角の変動方向の符号は図５と同様である。図１７（ｂ）は、第１プリズム部材１１０に入射する太陽光が、垂直入射に対して図１４〜１６に示す各図の紙面に直交する面内において、前後に±ζ度の範囲で変動した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の複数の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で±ζ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどの様に変化するか、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）共に、第１プリズム部材１１０の上面に入射する太陽光の光エネルギーを１００％とし、入射面及び出射面でのフレネル損失並びにミラー面での吸収による損失を考慮している。
図１７（ａ）から、第１プリズム部材１１０に入射する太陽光の入射角度が、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向に変動した場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーは急激に低下するその際、変動角δが−方向であるとき、すなわち太陽光の入射角度が第２プリズム部材２０の出射面方向に変動したときに比べて、変動角δが＋方向、すなわち太陽光の入射角度が第２プリズム部材２０の頂点方向に変動したときには、やや穏やかに低下することがわかる。一方、図１７（ｂ）から、第１プリズム部材１１０に入射する太陽光が、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向と直交する面内で±ζ度変動した場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーは、変動角ζが±３０度程度の範囲では大きく変化せず、かなり広い角度範囲で高い効率が得られることがわかる。
以上説明したように、集光装置２では、太陽光を入射角０度で入射させることにより高効率で太陽光の光エネルギーを集光可能であることが確認できる。また、集光装置２は、断面形状が一方向に沿って一様な、集光構造および偏向構造からなる単位光学セルが複数繰り返し配列する構造であるため、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向とは直角の方向に対しては、設置及び追尾における角度誤差を緩めに設定することができる。
次に、第２構成形態における第２構成例の第１プリズム部材２１０について、図１８を参照して説明する。図１８は、第２構成例の第１プリズム部材２１０について、その構成及び作用を説明するための説明図、及び第１プリズム部材２１０の一部を拡大して示した拡大図である。図１８では、第１プリズム部材における集光構造２１１及び偏向構造２１５の対からなる単位光学セルを示すとともに、集光構造２１１、及び偏向構造２１５の部分を拡大した部分拡大図、及び単位光学セルに入射した光線の進路を示している。
第１プリズム部材２１０は、入射した光を集光する複数の集光構造２１１，２１１…と、各集光構造に対応して裏面に突出した複数の偏向構造２１５，２１５…とを主体として構成される。
集光構造２１１は、図１８において紙面に直角方向に延びる複数の平面により構成された凸構造をなしている。より詳しく説明すると、集光構造２１１は、図１８中の部分拡大図に示すように、Ａ面２１２ａと、Ａ面２１２ａに接するＢ面２１２ｂ、Ｂ面２１２ｂに接するＣ面２１２ｃと、Ｃ面２１２ｃに接するＤ面２１２ｄとによる四面からなる形態を示している。この四面からなる複数の集光構造２１１が紙面の左右方向に繰り返し配列された構成となっている。なお、集光構造の拡大図では、Ａ面２１２ａが右端側に描かれているが、これは偏向構造との位置的な関連によりこのように描かれたものである。
Ｄ面２１２ｄは光の入射方向に対して直角な面であり、単位光学セルの左右方向の幅をｙとしたときに、概ねｙ／４の範囲に形成される。Ｃ面２１２ｃは、Ｄ面に対して所定の傾斜角度を有する平面であり、Ｄ面２１２ｄと接続されて、概ねｙ／４の範囲に形成される。Ｂ面２１２ｂは、Ｄ面に対してＣ面２１２ｃよりも大きな傾斜角度を有する平面であり、Ｃ面２１２ｃと接続されて概ねｙ／４の範囲に形成される。Ａ面２１２ａは、Ｄ面に対してＢ面２１２ｂよりも更に大きな傾斜角度を有する平面であり、Ｂ面２１２ｂに接続されて概ねｙ／４の範囲に形成される。
偏向構造２１５は、集光構造２１１により集光された光を反射する第１面２１６と、第１面２１６により反射されて進路が偏向された光を透過する第２面２１７とを有し、第１面２１６と第２面２１７が繰り返して配列されることで鋸歯状に構成される。偏向構造２１５は、上面（Ｃ面２１２ｄ）と平行な下面２１８を想定したときに、第１面２１６、第２面２１７、及び下面２１８に囲まれた領域の断面が三角形をなし、紙面に直角な方向に一様な形状をなすような三角プリズムに形成されている。すなわち、下面２１８と第１面２１６とがなす角度である第１面の傾斜角はα＝６０度、下面２１８と第２面２１７とがなす角度である第２面の傾斜角はα’＝６０度である。
第１プリズム部材２１０の上面２１２ｄと下面２１８との間隔ｆ’、集光構造２１１におけるＡ面２１２ａ、Ｂ面２１２ｂ、及びＣ面２１２ｃの傾斜角、第１面２１６の傾斜角α、第２面２１７の傾斜角α’等は、集光構造２１１により集光された光全体が第１面２１６において全反射され、かつ、第２面２１７を透過して出射した光が隣接する偏向構造２１５に遮られることなく、第２プリズム部材の入射面２１に入射するように構成される。
具体的には、Ａ面２１２ａ〜Ｃ面２１２ｃに入射した光は、各面で屈折してプリズム内に入射し、各面の傾斜角に応じた傾きで第１面２１６に向かって進行する。Ａ面２１２ａの傾斜角は、Ａ面の左端に入射した光が第１面２１６の下端近傍に到達するように設定される。このとき、Ａ面の右端に入射した光は第１面２１６の上下中間部に到達するように構成されている。Ｂ面２１２ｂ、Ｃ面２１２ｃについても同様であり、各面の左端に入射した光が第１面２１６の下端近傍に到達し、各面の右端に入射した光は第１面２１６の上下中間部に到達するように構成されている。Ｄ面２１２ｄに入射した光は屈折することなく第１プリズム部材内を鉛直下方に進行し、Ｄ面の左端に入射した光は第１面２１６の下端に到達し、Ｄ面の右端に入射した光は第１面２１６の上下中間部に到達するように構成されている。
上記説明のように、Ａ面２１２ａ〜びＤ面２１２ｄの各面から入射しプリズム内を進行して第１面２１６に到達した光は、第１面２１６で全反射され、第２面２１７を透過し、隣接する偏向構造２１５に遮られることなく、第２プリズム部材２０の入射面２１に入射する。
第２プリズム部材２０の基本的な構成は、既に説明した通りである。すなわち、第２プリズム部材２０は、第１プリズム部材２１０から出射した光が入射する入射面２１と、入射面２１と頂角εで交差して第１プリズム部材２１０により進路が偏向された光を反射させる反射構造面２２と、反射構造面２２及び入射面２１により反射されて導かれた光が出射する出射面２５とを有して構成される（図８等を参照）。本構成形態の第１プリズム部材２１０を有する集光装置２’では、既に説明した全反射＋ミラータイプの第２プリズム部材が用いられている（図９を参照）。
以上説明したように構成された集光装置２’においては、入射光の光エネルギーが最大となる入射角０度で第１プリズム２１０に太陽光を入射させ、集光構造２１１及び偏向構造２１５により偏向させた光を第２プリズム部材２０に入射させる。第２プリズム部材２０は全反射＋ミラータイプにより構成されているので、高い集光効率で光エネルギーを出射面２５に集光できる。すなわち、このような構成の集光装置２’によれば、太陽光等の光エネルギーを極めて高い効率で集光することができ、光エネルギーの利用効率を高めることができる。
（実施例４）
集光装置２について、下記条件の第１プリズム部材２１０及び第２プリズム部材２０を用いて、第１プリズム部材２１０の上面に太陽光を入射させた場合について、光学技術分野で広く用いられている光線追跡プログラムを用いてシミュレーションを行った。太陽光の波長及び視直径は前述同様であり、太陽光の中心光軸が第１プリズム部材２１０の上面に入射角θ＝０度で入射する条件とした。
○第１プリズム部材２１０
・単位光学セルのピッチａ×数 ： １[mm]×３０
・上面と下面との間の距離ｆ’ ： １５[mm]
・Ａ面２１２ａの幅及び傾斜角 ：０．２５[mm]，８．１度
・Ｂ面２１２ｂの幅及び傾斜角 ：０．２４[mm]，５．４度
・Ｃ面２１２ｃの幅及び傾斜角 ：０．２５[mm]，２．８度
・Ｄ面２１２ｄの幅及び傾斜角 ：０．２６[mm]，０度
・第１面２１６の傾斜角α ： ５４度
・第２面２１７の傾斜角α’ ： ７４．８度
○第２プリズム部材２０（全反射＋ミラータイプ）
・左右方向長さＬ ： ３０[mm]
・頂角ε ： ２．６度
・ミラー面２２ｂの反射率 ： ９０％
上記条件でシミュレーションした光線追跡結果を図１９に示す。図１９（ａ）は、各プリズムへの光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を除外してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果、図１９（ｂ）は、プリズムへの光線の入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮してシミュレーションを行った場合の光線追跡結果である。
入射時及び出射時のフレネル損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材２１０に入射角０度で入射した太陽光は、９８％の光線が第１プリズム部材２１０の下面側に出射して第２プリズム部材２０に入射する。第２プリズム部材２０に入射する光の入射角は６９〜７６度（平均入射角７１度）となる。入射時及び出射時のフレネル損失を考慮した場合には、第１プリズム部材２１０に入射角０度で入射した太陽光の光エネルギーの９１％が第１プリズム部材２１０の下面側に出射して第２プリズム２０部材に入射する。
第１プリズム部材２１０を用いない場合を考えると、第２プリズム部材２０に太陽光を入射角７１度で直接入射させた場合には、入射面２１に入射する太陽光の光エネルギーは入射角０度で入射時の３３％であった（図３を参照）。従って、第１プリズム部材２１０を設けることにより、第２プリズム部材２０に入射する太陽光の光エネルギーを２倍以上（約２．８倍）に高められることがわかる。
第２プリズム部材２０に入射角６９〜７６度で入射した光は、反射構造２２及び入射面２１で反射されて集光され、出射面２５に設けられた光電変換素子５に到達する。各面での入射時及び出射時のフレネル損失、並びにミラー面での吸収による損失を考慮しない場合、上方から第１プリズム部材２１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの９６％が光電変換素子５に到達する。入射時及び出のフレネル損失及びミラー面での吸収による損失を考慮した場合には、第１プリズム部材２１０に垂直入射した太陽光の光エネルギーの６９％が光電変換素子５に到達する。従って、本実施例における集光装置全体でのエネルギー集光倍率は、形状集光倍率２２．０×６９％＝１５．２倍となる。一方、第１プリズム部材２１０を用いずに第２プリズム部材２０に太陽光を直接入射させた場合のエネルギー集光倍率は、形状集光倍率が最大となる入射角６６度のときで５．８倍であった。
このように、本実施例に示す集光装置２’においても、ミラータイプの第２プリズムと同様に小さい頂角の第２プリズム部材を用いた小型の装置構成で、太陽光の光エネルギーを高効率で集光可能なことが理解される。
実施例４の集光装置２’において、第１プリズム部材２１０の上面に垂直入射する太陽光の入射角度が変動した場合について、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどの様に変化するかについてシミュレーションを行った結果を図２０に示す。図２０（ａ）は、第１プリズム部材２１０に入射する太陽光の入射方向が、図１８及び１９に示す各図の紙面内において、左右に±δ度の範囲で変動した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の複数の単位光学セルの繰り返し配列方向±δ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどの様に変化するか、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。太陽光入射角の変動方向の符号は図５と同様である。図２０（ｂ）は、第１プリズム部材２１０に入射する太陽光の入射方向が、図１８及び１９に示す各図の紙面に直交する面内において前後に±ζ度の範囲で傾斜した場合（すなわち、垂直入射の状態から第１プリズム部材の複数の単位光学セルの繰り返し配列方向に直交する面内で±ζ度の範囲で変動した場合）に、光電変換素子５に到達する光エネルギーがどの様に変化するか、光エネルギーの到達割合をシミュレーションした結果を示すグラフである。図２０（ａ）及び図２０（ｂ）共に、第１プリズム部材２１０の上面に入射する太陽光の光エネルギーを１００％とし、入射面及び出射面でのフレネル損失並びにミラー面での吸収による損失を考慮している。
図２０（ａ）から、第１プリズム部材２１０に入射する太陽光が、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向に変動した場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーは急激に低下し、低下の程度は、変動角δが＋方向のときと−方向のときとでほぼ同様であることがわかる。一方、図２０（ｂ）から、第１プリズム部材２１０に入射する太陽光の入射角が、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向と直交する面内で±ζ度傾斜した場合には、光電変換素子５に到達する光エネルギーは、変動角δθが±２０度程度の範囲では大きく変化せず、かなり広い角度範囲で高い効率が得られることがわかる。
上記説明の通り、実施例４の集光装置２’においても、太陽光を入射角０度で入射させることにより高効率で太陽光の光エネルギーを集光可能であることが確認できる。また、集光装置２’は、断面形状が一方向に沿って一様な、集光構造および偏向構造からなる単位光学セルが複数繰り返し配列する構造であるため、複数の単位光学セルの繰り返し配列方向とは直角の方向に対しては、設置及び追尾における角度誤差を緩めに設定することができる。
以上では、第２プリズム部材２０を全反射＋ミラータイプとした構成を例示したが、第２プリズム部材２０を全反射タイプあるいはミラータイプとして集光装置を構成することも可能である。
（第３構成形態の第１プリズム部材及び第２プリズム部材）
次に、第３構成形態の第１プリズム部材３１０及び第２プリズム部材３２０の偏向構造について、図２３を参照して説明する。図２３は、第３構成形態の第１プリズム部材３１０及び第２プリズム部材３２０について、その構成及び作用を説明するための説明図である。
第１プリズム部材３１０の集光構造３１１は図５に示された集光構造１１と同様である。複数の集光構造３１１に対応して、光の出射面側には、複数の偏向構造３１５が設けられている。対向する一対の集光構造３１１と偏向構造３１５により単位光学セルを構成している。偏向構造３１５は、集光構造３１１により集光された光を反射する第１面３１６と、第１面により反射されて進路が偏向された光を透過する第２面３１７と、第１面３１６と第２面３１７を繋ぐ第３面３１８とを有し、第１面、第２面、及び第３面の繰り返し構造により鋸歯状に構成される。
第２プリズム部材３２０は、第１プリズム部材３１０の出射側に対向して設けられた入射面３２１と、入射面３２１と鋭角に交差する反射構造３２２と、反射構造３２２及び入射面３２１により反射されて側方に導かれた光が出射する出射面３２５とを有する。入射面３２１は、第１プリズム部材３１０から出射した光を入射させて反射構造３２２に導く導光面３２１１と、反射構造３２２で反射された光を前記第２プリズム部材３２０の内部に向けて全反射させる反射面３２１２と、導光面３２１１と反射面３２１２とを繋ぐ連絡面３２１３により構成される。反射面３２１２は反射構造３２２と平行にすることが好ましい。これにより、反射面３２１２と反射構造３２２との間で全反射が確実に実現することができる。
集光装置３においては、第２プリズム部材３２０の導光面３２１１は、第１プリズム部材３１０の第２面３１７と平行になるように設定されることが好ましく、導光面３２１１と第１プリズム部材３１０の第２面３１７と第２プリズム部材３２０の間には、第１プリズム部材３１０及び第２プリズム部材の屈折率と同じ屈折率、または、これらの屈折率に近い屈折率の接合部３１９を配置することが好ましい。これにより、第１プリズム部材の第２面３１７と第２プリズム部材３２０の導光面３２１１における反射が抑えられ、より高い集光効率を実現することが可能となる。接合剤としては、バルサムや紫外線硬化樹脂を用いることができる。
集光装置３においては、第１プリズム部材３１０の第３面３１８と第２プリズム部材３２０の反射面３２１２との間の媒質の屈折率は、第１プリズム部材３１０及び第２プリズム部材の屈折率のいずれよりも小さくする必要がある。これは、第１プリズム部材３１０の第３面３１８と第２プリズム部材３２０の反射面３２１２との間で全反射が行われる必要があることによる。媒質は空気であることが好ましいが、場合によっては低屈折率の材料が介在してもよい。
第１プリズム部材３１０に入射した光は、集光構造３１１により集光され、第１面３１６に到達する。第１面３１６で全反射された光は第２面３１７から出射し、第２プリズム部材３２０の導光面３２１１から第２プリズム部材３２０に入射し、第２プリズム部材３２０の内部を進行する。反射構造３２２に到達した光は反射されて反射面３２１２により全反射され、この動作を繰り返しながら最終的に出射面３２５に集光される。第３構成形態の第１プリズム部材３１０及び第２プリズム部材３２０を備えた集光装置３によれば、太陽光等の光エネルギーを極めて高い効率で集光することができ、光エネルギーの利用効率を高めることができる。
第２プリズム部材３２０の反射構造３２２は、全反射＋ミラータイプであってもよいし、あるいは、全反射タイプであってもよい。
（集光装置からの光エネルギーの取り出し手法）
上記説明は、第２プリズム部材２０の出射面２５に光電変換素子５を設け、集光装置１，２，２’により集光された光を光電変換素子５に入射させて光電変換することで、電気エネルギーとして取り出す光電変換装置ＰＶＳを説明した。本開示の集光装置は、他のエネルギー取り出し手法や、利用手法に適用することもできる。以下、集光装置１，２，２’を、他のエネルギー取り出し手法に用いた幾つかの場合について、それらの概念を例示する図２１(ａ)〜(ｅ)を参照しながら説明する。
図２１(ａ)は、第２プリズム部材２０の端部に集光された光を出射面２５から取り出し、そのまま光として利用する応用例の概念図である。この場合において、第２プリズム部材２０の出射面２５から出射する光をシリンドリカルレンズ８１や集光ロッド８２等を介して更に集光し、集光された光を光ファイバー８３により所望の位置に導く構成が例示される。
図２１(ｂ)は、第２プリズム部材２０の出射面２５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場合の第１構成例（図１４、１５にもこの呼び名がある）の概念図である。図２１(ｂ)は、光電変換素子５を第２プリズム部材２０の出射面２５に結合し、電気エネルギーとして取り出す構成例を示している。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す光熱変換装置とする場合には、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好適に用いられる。
図２１(ｃ)は、第２プリズム部材２０の出射面２５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場合の第２応用例の概念図である。本応用例では、第２プリズム部材２０の端部を斜めにカットした面を出射面２５とし、出射面２５にミラー８４を配設し（あるいは出射面２５に反射膜を形成し）、第２プリズム部材２０の上面側（または下面側）に設けた光電変換素子５に集光させる応用例である。これにより、第２プリズム部材２０の厚さ方向の寸法が小さい場合であっても、比較的大きな面積の光電変換素子５を取り付けることができる。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。
図２１(ｄ)は、第２プリズム部材２０の出射面２５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場合の第３応用例の概念図である。本応用例では、第２プリズム部材２０の端部を斜めにカットした面を出射面２５とし、出射面２５にダイクロイックミラー８５を配設し（あるいは出射面２５に波長選択性のある反射膜を形成し）、第２プリズム部材２０の上面側（または下面側）と、第２プリズム部材２０の側方とに設けた光電変換素子５，５’に分割して集光させる応用例である。このような構成によれば、分割された各波長帯域について高効率な光電変換素子を用いることが可能となるため、比較的低コストで変換効率の高い光発電装置を構成することが可能となる。
なお、分割した光のうち一方（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熱エネルギーとして利用し、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に入射して電気エネルギーとして利用するような構成も好適な応用例である。
図２１(ｅ)は、第２プリズム部材２０の出射面２５に集光された光を、さらに厚さ方向に集光して取り出す応用例の概念図である。本構成の第２プリズム部材２０は、出射面２５の近傍領域で厚さが徐々に薄くなるパラボリック状に形成されており、第２プリズム部材の内部を出射面２５の方向に進行する光が、上方の曲面あるいは下方の曲面で全反射されて厚さ方向に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ような場合に、（ａ）に示すような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（エネルギー集光倍率）を高めることができる。
以上説明したように、本発明を例示する態様の集光装置１，２，２’においては、第２プリズム部材２０に入射した光を集光する集光構造１１，１１１，２１１と、集光された光を偏向して出射させる偏向構造１５，１１５，２１５とを有する第１プリズム部材１０，１１０，２１０が設けられている。そして、第１プリズム部材から出射する光が、隣接する偏向構造に遮られることなく、第２プリズム部材２０の入射面に入射するように構成される。そのため、これらの態様の集光装置によれば、太陽光等の光エネルギーを効率的に集光することができ、光エネルギーの利用効率を高めた集光装置を提供することができる。
また、このような集光装置１，２，２’を備えた光発電装置や光熱変換装置は、集光装置の上下方向の厚さが薄くて小型軽量であり、且つ光エネルギーのエネルギー集光効率が高いことから、小型でエネルギー換効率が高い光発電装置、光熱変換装置を提供することが可能となる。
なお、集光装置１，２，２’において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の分光感度特性や光熱変換素子の吸収特性に応じて決定することができる。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を構成しても良い。集光装置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、実施例で例示したように３５０ｎｍ〜１１００ｎｍであっても良い。前者の波長範囲の光を集光する集光装置は、多接合型の光電変換素子を用いる場合に好適に適用することができ、後者の波長範囲の光を集光する集光装置は、結晶シリコンの光電変換素子を用いる場合に好適に適用することができる。
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。
日本国出願２０１１年第２３０１２５号（２０１１年１０月１９日）

Claims (13)

  1. 表面から入射した光を裏面から出射する第１プリズム部材と、前記第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた第２プリズム部材とを備え、
    前記第１プリズム部材は、前記表面に形成され入射した光を集光する複数の集光構造と、前記複数の集光構造に対応して前記裏面に突出し前記集光構造により集光された光を偏向して出射させる複数の偏向構造とを有し、
    前記第２プリズム部材は、前記第１プリズム部材の裏面に対向して設けられた入射面と、前記入射面と鋭角に交差する反射構造と、光を出射させる出射面とを有し、
    前記第１プリズム部材の前記偏向構造から偏向して出射した光は、前記第２プリズム部材の前記入射面から前記第２プリズム部材に入射し、前記第２プリズム部材の内部において、前記反射構造及び前記入射面で反射されることで前記出射面に向けて導かれ、前記出射面から出射するように構成した集光装置。
  2. 前記第１プリズム部材の前記偏向構造は、前記集光構造により集光された光を反射する第１面と、前記第１面で反射された光を透過して前記第１プリズム部材から出射する第２面と、を有する請求項１に記載の集光装置。
  3. 前記第２プリズム部材の前記入射面は、前記第１プリズム部材の前記偏向構造の第２面と略平行に対向し前記第１プリズム部材の前記第２面から出射した光を入射させる導光面と、前記反射構造で反射された光を前記第２プリズム部材の内部に向けて反射させる反射面とを有する請求項２に記載の集光装置。
  4. 前記第１プリズム部材の前記第２面と前記第２プリズム部材の導光面との間に、前記第１プリズム部材の屈折率及び前記第２プリズム部材の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する接合部が配置された請求項３に記載の集光装置。
  5. 前記第１プリズム部材と前記第２プリズムの前記反射面との間に、前記第１プリズム部材の屈折率及び前記第２プリズムの屈折率のいずれよりも低い屈折率を有する媒質が配置された請求項３に記載の集光装置。
  6. 前記第１プリズム部材の前記集光構造により集光され前記第１面により反射されて前記第２面から出射された光が、前記第１プリズム部材の隣接する前記偏向構造に遮られることなく前記第２プリズム部材の入射面に入射するように構成された請求項２〜５に記載の集光装置。
  7. 前記第１プリズム部材の前記複数の偏向構造は、前記第１面及び前記第２面が交互に並ぶ繰り返し構造をなす請求項２〜６のいずれか一項に記載の集光装置。
  8. 前記第１プリズム部材の前記集光構造は、光の入射側に凸状の曲面であり、
    前記第１面は、対応する前記集光構造により集光された光全体が全反射されるように構成した請求項１〜７のいずれか一項に記載の集光装置。
  9. 前記第１プリズム部材の前記集光構造は、複数の平面により光の入射側に凸状となるように構成され、
    前記第１面は、前記集光構造により集光された光全体が全反射されるように構成した請求項１〜７のいずれか一項に記載の集光装置。
  10. 前記第２プリズム部材の前記反射構造は、一つの平面により構成され、前記第１プリズム部材から前記第２プリズム部材の前記入射面に入射した光が、前記第２プリズム部材の内部を進行して前記反射構造に到達した際に、前記反射構造で全反射されるように構成した請求項１〜９のいずれか一項に記載の集光装置。
  11. 前記第２プリズム部材の前記反射構造面は、前記平面と、当該平面との間に空気層を介して対向配置されたミラー面とにより構成され、前記第１プリズム部材から前記第２プリズム部材の前記入射面に入射した光が、前記第２プリズム部材の内部を進行して前記反射構造に到達した際に、前記平面を透過した後、前記ミラー面で反射され、再び前記平面を透過して前記第２プリズム部材の内部を進行し、更に、前記入射面で前記第２プリズム部材の内部に全反射されるように構成した請求項１〜９のいずれか一項に記載の集光装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集光装置と、
    前記第２プリズム部材の出射面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。
  13. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集光装置と、
    前記第２プリズム部材の出射面に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。
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