(57)【要約】【課題】太陽電池等の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができ、しかも光電変換素子の温度上昇を抑制することができ、さらには入射光に含まれる熱エネルギーを有効利用できる光エネルギー収集装置を提供する。【解決手段】凹面鏡１２は太陽光２２を反射して集光する。コールドミラー１４は集光された光２２を入射して該光２２に含まれる可視光２２ａを反射し、赤外光２２ｂを透過する。太陽電池１６は可視光２２ａを受光して光起電力を発生する。熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器、蒸気タービン発電機等の熱利用素子１８は赤外光２２ｂを受光して該赤外線２２ｂの熱エネルギーを利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光と可視光を含む光源からの光を反射して集光する凹面鏡と、
前記集光された光を入射して該光に含まれる可視光と赤外光とを分離する波長選択素子と、
前記分離された可視光を受光して光起電力を発生する光電変換素子と、
前記分離された赤外光を受光して該赤外線の熱エネルギーを利用する熱利用素子と
を具備してなる光エネルギー収集装置。
【請求項２】
前記波長選択素子が可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーであり、
前記光電変換素子が前記コールドミラーで反射された可視光を受光し、
前記熱利用素子が前記コールドミラーを透過した赤外光を受光する請求項１記載の光エネルギー収集装置。
【請求項３】
前記波長選択素子が可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルターであり、
前記光電変換素子が前記コールドフィルターを透過した可視光を受光し、
前記熱利用素子が前記コールドフィルターで反射された赤外光を受光する請求項１または２記載の光エネルギー収集装置。
【請求項４】
前記凹面鏡の鏡面形状が放物面、球面、楕円面のいずれかである請求項１から３のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【請求項５】
前記波長選択素子の入射面形状が凸面または平面である請求項１から４のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【請求項６】
前記凸面が双曲面または球面である請求項５記載の光エネルギー収集装置。
【請求項７】
前記凹面鏡の鏡面形状が半筒状凹面であり、前記波長選択素子が半筒状凸面または平面である請求項１から３のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【請求項８】
前記波長選択素子の凸面または半筒状凸面が連続面またはフレネル面で構成されている請求項５から７のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【請求項９】
前記凹面鏡の凹面が連続面またはフレネル面で構成されている請求項１から８のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【請求項１０】
前記熱利用素子が熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器、蒸気タービン発電機のいずれかである請求項１から９のいずれか１つに記載の光エネルギー収集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は太陽等の光源から放射される赤外光と可視光を含む光からエネルギーを収集する装置に関し、太陽電池等の光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができ、しかも光電変換素子の温度上昇を抑制することができ、さらには入射光に含まれる熱エネルギーを有効利用できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を受けて発電すると同時に温水を生成する従来の太陽光エネルギー収集装置として下記特許文献１〜４に記載されたものがあった。特許文献１記載の装置は太陽電池と温水器を横に並べて配置したものである。太陽電池側で受光した太陽光のうち発電に寄与しなかった長波長側の光は温水器側に反射されて利用される。
【０００３】
特許文献２記載の装置は温水器の上に太陽電池を重ねて配置したものである。太陽電池は太陽光に含まれる可視光を利用して発電し、赤外光を透過する。温水器は太陽電池を透過した赤外光を利用して温水を生成する。
【０００４】
特許文献３記載の装置は太陽光を集光レンズで集光して太陽電池に照射するものである。集光した太陽光を太陽電池に照射すると太陽電池の温度が上昇して発電効率が低下するので、冷媒を通した配管中に太陽電池の受光面を露出させ、該配管に形成した光透過窓を透過して太陽光を太陽電池の受光面に照射する。
【０００５】
特許文献４記載の装置は凹面状に配列された太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置したものである。波長選択反射透過膜を透過した波長の短い光は太陽電池で受光され、波長選択反射透過膜で反射され集光された波長の長い光は熱電発電素子で受光され、それぞれ発電が行われる。太陽電池および熱電発電素子はそれぞれ冷却水で冷却され、該冷却水は該冷却の過程で暖められて温水となり給湯に利用される。
【０００６】
【特許文献１】実開平０５−６６４７３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７１２８号公報
【特許文献３】特開平９−２１３９８０号公報
【特許文献４】特開平１１−３１８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の装置によれば太陽電池と温水器を並べて配置するので、設置スペースが限られている場合（例えば家屋の屋根上）には、それぞれを単独で設置する場合に比べて個々に割り当て可能な設置スペースが狭くなっていた。この場合太陽電池側で受光した太陽光のうち発電に寄与しなかった長波長側の光は温水器側に反射されて利用されるが、温水器側で受光した太陽光のうち水の加熱に寄与しなかった短波長側の光は発電に利用されないので太陽光エネルギーの利用効率が悪かった。
【０００８】
特許文献２記載の装置によれば温水器と太陽電池を重ねて配置するので特許文献１の装置に比べて個々の設置スペースを広くとることができる。しかし太陽電池で得られるエネルギーは該太陽電池の設置面積で決まるため、大きなエネルギーを得るには高価な太陽電池を多数設置する必要があった。また特許文献１，２のいずれの装置も太陽電池に直接太陽光が照射されるため、該太陽電池の温度上昇は避けられず、発電効率が低下する問題があった。
【０００９】
特許文献３記載の装置によれば太陽光を集光レンズで集光して太陽電池に照射するので、小面積の太陽電池で大きな出力を取り出すことができる。しかし太陽電池の冷却によって加熱された冷媒の熱エネルギーは利用されないので太陽光エネルギーの利用効率が悪かった。
【００１０】
特許文献４記載の装置によれば太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置して波長の長い光（熱線）を反射するので、太陽電池の温度上昇を抑えることができる。しかし太陽電池で得られるエネルギーは該太陽電池の設置面積で決まるため、大きなエネルギーを得るには高価な太陽電池を多数設置する必要があった。特にこの装置では太陽電池を曲面状に配置するので、太陽電池を平面状に配置する場合に比べて、同じ断面積の太陽光を受けるのに要する太陽電池の設置面積が広くなり、その分高価な太陽電池を多く設置する必要があった。
【００１１】
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、太陽電池等の光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができ、しかも光電変換素子の温度上昇を抑制することができ、さらには入射光に含まれる熱エネルギーを有効利用できる光エネルギー収集装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は赤外光と可視光を含む光源からの光を反射して集光する凹面鏡と、前記集光された光を入射して該光に含まれる可視光と赤外光とを分離する波長選択素子と、前記分離された可視光を受光して光起電力を発生する光電変換素子と、前記分離された赤外光を受光して該赤外線の熱エネルギーを利用する熱利用素子とを具備してなるものである。
【００１３】
この発明によれば、光源からの光を凹面鏡で集光して光電変換素子で受光するので、光電変換素子の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。しかも光源からの光に含まれる可視光と赤外光とを波長選択素子で分離して、光電変換素子は分離された可視光を受光するので、光電変換素子の温度上昇を抑制することができる。さらには熱利用素子は分離された赤外光で受光するので、光源からの光に含まれる熱エネルギーを有効利用することができる。
【００１４】
この発明は例えば、前記波長選択素子を可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーで構成することができる。この場合前記光電変換素子は前記コールドミラーで反射された可視光を受光し、前記熱利用素子は前記コールドミラーを透過した赤外光を受光するように配置することができる。またこの発明は前記波長選択素子を可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルターで構成することもできる。この場合前記光電変換素子は前記コールドフィルターを透過した可視光を受光し、前記熱利用素子は前記コールドフィルターで反射された赤外光を受光するように配置することができる。
【００１５】
この発明は前記凹面鏡の鏡面形状を放物面、球面、楕円面等とすることができる。また前記波長選択素子の入射面形状を凸面（双曲面、球面等）、平面等とすることができる。また前記凹面鏡の鏡面形状を半筒状凹面とし、前記波長選択素子を半筒状凸面、平面等とすることができる。また前記波長選択素子の凸面または半筒状凸面は連続面またはフレネル面等で構成することができる。また前記凹面鏡の凹面は連続面またはフレネル面等で構成することができる。
【００１６】
この発明は前記熱利用素子を例えば熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器、蒸気タービン発電機等とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
《実施の形態１》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態１を図１に示す。光エネルギー収集装置１０は凹面鏡１２、波長選択素子１４、光電変換素子１６、熱利用素子１８を具えている。凹面鏡１２は鏡面形状が放物面に形成されている。放物面の軸２０は入射される光２２と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡１２は図１（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が半円形に形成されている。凹面鏡１２は赤外光と可視光を含む光源からの光２２として太陽光を入射し、該太陽光２２をそのまま（赤外光と可視光を含んだまま）反射して集光する。集光された光は凹面鏡１２の焦点位置Ａに焦点を結ぶ。
【００１８】
波長選択素子１４は凹面鏡１２から凹面鏡１２の焦点位置Ａに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子１４は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸は凹面鏡１２の軸２０と同じ位置に配置されている。波長選択素子１４は図１（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が半円形に形成されている。波長選択素子１４はこの実施の形態ではコールドミラーで構成されている。凹面鏡１２で反射され集光された太陽光２２はコールドミラー１４に入射される。コールドミラー１４は入射した太陽光２２に含まれる各波長領域の光のうち可視光２２ａを反射し、赤外光２２ｂを透過する。コールドミラー１４の透過率特性の一例を図２に示す。この特性例では可視光のほか可視光よりも波長が短い領域の光も反射される。
【００１９】
コールドミラー１４で反射された可視光２２ａは軸２０上の位置Ｂ（凹面鏡１２に近接した位置）に焦点を結ぶ。光電変換素子１６は軸２０上の焦点位置Ｂまたはその近傍位置（可視光２２ａを受光できる位置）に、受光面を軸２０に直角に配してコールドミラー１４に向けて配置されている。光電変換素子１６は太陽電池で構成されている。この太陽電池１６は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、ＧａＡｓ系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドミラー１４で反射された可視光２２ａは太陽電池１６で受光される。これにより太陽電池１６は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
【００２０】
熱利用素子１８はコールドミラー１４を挟んで凹面鏡１２と反対側にある凹面鏡１２の焦点位置Ａまたはその近傍位置（赤外光２２ｂを受光できる位置）に配置されている。熱利用素子１８は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドミラー１４を透過した赤外光２２ｂは熱利用素子１８で受光される。これにより熱利用素子１８は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
【００２１】
以上の構成の光エネルギー収集装置１０によれば、太陽光２２を凹面鏡１２で集光して太陽電池１６に照射するので、太陽電池１６の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子１８についても、太陽光２２を凹面鏡１２で集光して熱利用素子１８に照射するので、熱利用素子１８が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池１６に入射される光２２ａはコールドミラー１４で赤外光を除去した光なので、太陽電池１６の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドミラー１４で分離された赤外光２２ｂは熱利用素子１８で利用されるので、太陽光２２のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光２２を凹面鏡１２で集光してから波長選択素子１４に照射するので、前記特許文献４記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子１４の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡１２を使用するので、特許文献３の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
【００２２】
なお実施の形態１では凹面鏡１２の鏡面形状を放物面とし、コールドミラー１４の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡１２の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドミラー１４の入射面形状を球面とすることもできる。双曲面形状は製造が難しいのに対し、球面にすると製造が容易になる。
【００２３】
また実施の形態１ではコールドミラー１４の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドミラー１４で反射された可視光２２ａが焦点を結ぶ位置Ｂは波長選択素子１４から離れた位置となり、太陽電池１６を波長選択素子１４から離して配置することができるため、太陽電池１６の配置が容易になる。
【００２４】
また実施の形態１では波長選択素子１４をコールドミラーで構成したがコールドフィルターで構成することもできる。コールドフィルターは入射した太陽光に含まれる各波長領域の光のうち赤外光を反射し、可視光を透過する。コールドフィルターの透過率特性の一例を図３に示す。波長選択素子１４をコールドミラーで構成する場合は図１（ａ）において太陽電池１６と熱利用素子１８の配置を入れ換える。
【００２５】
《実施の形態２》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態２を図４に示す。これは実施の形態１が凹面鏡１２と波長選択素子１４を軸２０の方向から見てそれぞれ半円形に形成したのに対しそれぞれ円形に形成したものである。実施の形態１と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置２４は凹面鏡２６、波長選択素子２８、光電変換素子１６、熱利用素子１８を具えている。凹面鏡２６は鏡面形状が放物面に形成されている。放物面の軸２０は入射される太陽光２２と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡２６は図４（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が円形に形成されている。凹面鏡２６は太陽光２２を入射し、該太陽光２２をそのまま反射して集光する。集光された光は凹面鏡２６の焦点位置Ａに焦点を結ぶ。
【００２６】
波長選択素子２８は凹面鏡２６から凹面鏡２６の焦点位置Ａに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子２８は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸は凹面鏡２６の軸２０と同じ位置に配置されている。波長選択素子２８は図４（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が円形に形成されている。波長選択素子２８はこの実施の形態ではコールドフィルターで構成されている。凹面鏡２６で反射され集光された太陽光２２はコールドフィルター２８に入射される。コールドフィルター２８は入射した太陽光２２に含まれる各波長領域の光のうち可視光２２ａを透過し、赤外光２２ｂを反射する。コールドフィルター２８の透過率特性は例えば前記図３と同様とすることができる。
【００２７】
光電変換素子１６はコールドフィルター２８を挟んで凹面鏡２６と反対側にある凹面鏡２６の焦点位置Ａまたはその近傍位置（可視光２２ａを受光できる位置）に、受光面を軸２０に直角に配してコールドフィルター２８に向けて配置されている。光電変換素子１６は太陽電池で構成されている。この太陽電池１６は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、ＧａＡｓ系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドフィルター２８を透過した可視光２２ａは太陽電池１６で受光される。これにより太陽電池１６は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
【００２８】
コールドフィルター２８で反射された赤外光２２ｂは軸２０上の位置Ｂ（凹面鏡２６の表面付近の位置）に焦点を結ぶ。熱利用素子１８は軸２０上の焦点位置Ｂまたはその近傍位置（赤外光２２ｂを受光できる位置）に配置されている。熱利用素子１８は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドフィルター２８で反射された赤外光２２ｂは熱利用素子１８で受光される。これにより熱利用素子１８は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
【００２９】
以上の構成の光エネルギー収集装置２４によれば、太陽光２２を凹面鏡２６で集光して太陽電池１６に照射するので、太陽電池１６の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子１８についても、太陽光２２を凹面鏡２６で集光して熱利用素子１８に照射するので、熱利用素子１８が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池１６に入射される光２２ａはコールドフィルター２８で赤外光を除去した光なので、太陽電池１６の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドフィルター２８で分離された赤外光２２ｂは熱利用素子１８で利用されるので、太陽光２２のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光２２を凹面鏡２６で集光してから波長選択素子２８に照射するので、前記特許文献４記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子２８の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡２６を使用するので、特許文献３の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
【００３０】
なお実施の形態２では凹面鏡２６の鏡面形状を放物面とし、コールドフィルター２８の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡２６の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドフィルター２８の入射面形状を球面とすることもできる。
【００３１】
また実施の形態２ではコールドフィルター２８の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドフィルター２８で反射された赤外光２２ｂが焦点を結ぶ位置Ｂは波長選択素子２８から離れた位置となり、熱利用素子１８を波長選択素子２８から離して配置することができるため、熱利用素子１８の配置が容易になる。
【００３２】
また実施の形態２では波長選択素子２８をコールドフィルターで構成したがコールドミラーで構成することもできる。コールドミラーの透過率特性は例えば前記図２と同様とすることができる。波長選択素子２８をコールドミラーで構成する場合は図４（ａ）において太陽電池１６と熱利用素子１８の配置を入れ換える。
【００３３】
〈実施の形態２の実施例〉
実施の形態２においてコールドフィルター２８として波長が７００ｎｍよりも短い光（可視光）を透過し７００ｎｍ以上の光（赤外光）を反射する特性のものを使用した。赤外光２２ｂが焦点を結ぶ位置Ｂの温度は赤外光の集光による熱エネルギーで６００℃に到達した。同位置Ｂに熱利用素子１８としてスターリングエンジンの高温部を配置して該スターリングエンジン動作させ、クランク機構を使って該スターリングエンジンの出力ピストンの往復運動を回転運動に変換してモーターを駆動したところ約０．９ｍＷの発電出力が得られた。このとき位置Ａに配置した市販の太陽電池１６の表面温度は４５℃であり、同太陽電池１６からは１．０ｍＷの発電出力が得られた。
【００３４】
〈比較例〉
比較例として上記実施例で使用した太陽電池１６に太陽光を集光せずに直接照射した。このとき太陽電池１６の表面温度は６５℃であり、同太陽電池１６からは０．１ｍＷの発電出力が得られた。
【００３５】
上記実施例と比較例によれば次のことが言える。
（ａ）太陽光２２を凹面鏡２６で集光して太陽電池１６に照射することにより、太陽光２２を集光せずに同じ面積の太陽電池１６に照射する場合に比べて大きな光電変換出力を取り出すことができる。
（ｂ）太陽電池１６に入射される光２２ａはコールドフィルター２８で赤外光を除去した光なので、集光しているにもかかわらず太陽電池１６の温度上昇を抑制することができる。
（ｃ）コールドフィルター２８で分離された赤外光２２ｂは熱利用素子１８としてのスターリングエンジンの駆動に利用されるので、太陽光２２のエネルギーの利用効率を高めることができる。
【００３６】
《実施の形態３》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態３を図５に示す。これは凹面鏡および波長選択素子を半筒状にそれぞれ構成して互いに所定の間隙を隔てて同一方向に延在するように対向配置し、太陽電池および熱利用素子を該半筒の延在方向に沿ってそれぞれ配列したものである。実施の形態１，２と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置３０は凹面鏡３２、波長選択素子３４、光電変換素子３６、熱利用素子３８を具えている。凹面鏡３２、波長選択素子３４はそれぞれ半筒状に形成されている。凹面鏡３２および波長選択素子３４は互いに所定の間隙を隔てて同一方向に延在配置されている。図５（ｂ）は光エネルギー収集装置３０を凹面鏡３２および波長選択素子３４の延在方向に直角な平面で切断した断面を示す。同断面における凹面鏡３２の鏡面形状は放物面に形成されている。また同断面における波長選択素子３４の入射面形状は凸状の双曲面に形成されている。凹面鏡３２の放物面の軸面（放物線の軸が半筒の延在方向に並んで構成される面）２０’と波長選択素子３４の双曲面の軸面２０’は互いに一致した位置にある。軸面２０’は入射される太陽光２２と平行またはほぼ平行に配置される。凹面鏡３２は太陽光２２を入射し、該太陽光２２をそのまま反射して集光する。集光された光は凹面鏡３２の焦線（放物線の焦点が半筒の延在方向に並んで構成される線）位置Ａ’に焦線を結ぶ。
【００３７】
波長選択素子３４は凹面鏡３２からその焦線位置Ａ’に至る光路の途中に配置されている。波長選択素子３４はこの実施の形態ではコールドミラーで構成されている。凹面鏡３２で反射され集光された太陽光２２はコールドミラー３４に入射される。コールドミラー３４は入射した太陽光２２に含まれる各波長領域の光のうち可視光２２ａを反射し、赤外光２２ｂを透過する。コールドミラー３４の透過率特性は例えば前記図２と同様とすることができる。
【００３８】
コールドミラー３４で反射された可視光２２ａは軸面２０’上の位置Ｂ’（凹面鏡３２の表面付近の位置）に焦線を結ぶ。光電変換素子３６は軸面２０’上の焦線位置Ｂ’またはその近傍位置（可視光２２ａを受光できる位置）に沿って、受光面を軸面２０’に直角に配してコールドミラー３４に向けて配置されている。光電変換素子３６は太陽電池で（太陽電池セルを焦線位置Ｂ’に沿って並べて）構成されている。この太陽電池３６は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、ＧａＡｓ系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドミラー３４で反射された可視光２２ａは太陽電池３６で受光される。これにより太陽電池３６は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
【００３９】
熱利用素子３８はコールドミラー３４を挟んで凹面鏡３２と反対側にある凹面鏡３２の焦線位置Ａ’またはその近傍位置（赤外光２２ｂを受光できる位置）に沿って配置されている。熱利用素子３８は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドミラー３４を透過した赤外光２２ｂは熱利用素子３８で受光される。これにより熱利用素子３８は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。熱利用素子３８を焦線位置Ａ’に沿って敷設したパイプで構成し、該パイプ中に水等の液体を供給し、該パイプの出口側にタービンを接続することにより、焦点位置Ａ’を通る間に加熱された液体で蒸気タービン発電を行うこともできる。
【００４０】
以上の構成の光エネルギー収集装置３０によれば、太陽光２２を凹面鏡３２で集光して太陽電池３６に照射するので、太陽電池３６の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子３８についても、太陽光２２を凹面鏡３２で集光して熱利用素子３８に照射するので、熱利用素子３８が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池３６に入射される光２２ａはコールドミラー３４で赤外光を除去した光なので、太陽電池３６の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドミラー３４で分離された赤外光２２ｂは熱利用素子３８で利用されるので、太陽光２２のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光２２を凹面鏡３２で集光してから波長選択素子３４に照射するので、前記特許文献４記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子３４の設置面積を小さくすることができる。また集光に凹面鏡３２を使用するので、特許文献３の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
【００４１】
なお実施の形態３では凹面鏡３２の鏡面形状を放物面とし、コールドミラー３４の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するものの凹面鏡３２の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドミラー３４の入射面形状を球面とすることもできる。
【００４２】
また実施の形態３ではコールドミラー３４の入射面形状を凸面としたが平面とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドミラー３４で反射された可視光２２ａが焦線を結ぶ位置Ｂ’は波長選択素子３４から離れた位置となり、太陽電池３６を波長選択素子３４から離して配置することができるため、太陽電池３６の配置が容易になる。
【００４３】
また実施の形態３では波長選択素子３４をコールドミラーで構成したがコールドフィルターで構成することもできる。コールドフィルターの透過率特性は例えば前記図３と同様とすることができる。波長選択素子３４をコールドミラーで構成する場合は図５において太陽電池３６と熱利用素子３８の配置を入れ換える。
【００４４】
《実施の形態４》
この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態４を図６に示す。これは凹面鏡をフレネルミラーで構成したものである。実施の形態１〜３と共通する部分には同一の符号を用いる。光エネルギー収集装置４０はフレネル凹面鏡４２、波長選択素子４４、光電変換素子１６、熱利用素子１８を具えている。フレネル凹面鏡４２は鏡面が、放物面を同心円に輪切りにして階段状に配列した形状のフレネル面で構成されている。放物面の軸２０は入射される太陽光２２と平行またはほぼ平行に配置される。フレネル凹面鏡４２は図６（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が円形に形成されている。フレネル凹面鏡４２は太陽光２２を入射し、該太陽光２２をそのまま反射して集光する。集光された光はフレネル凹面鏡４２の焦点位置Ａに焦点を結ぶ。
【００４５】
波長選択素子４４はフレネル凹面鏡４２からフレネル凹面鏡４２の焦点位置Ａに至る光路の途中に配置されている。波長選択素子４４は入射面形状が凸状の双曲面に形成されている。双曲面の軸はフレネル凹面鏡４２の軸２０と同じ位置に配置されている。波長選択素子４４は図６（ｂ）に示すように、軸２０の方向から見た形状が円形に形成されている。波長選択素子４４はこの実施の形態ではコールドフィルターで構成されている。フレネル凹面鏡４２で反射され集光された太陽光２２はコールドフィルター４４に入射される。コールドフィルター４４は入射した太陽光２２に含まれる各波長領域の光のうち可視光２２ａを透過し、赤外光２２ｂを反射する。コールドフィルター４４の透過率特性は例えば前記図３と同様とすることができる。
【００４６】
光電変換素子１６はコールドフィルター４４を挟んでフレネル凹面鏡４２と反対側にあるフレネル凹面鏡４２の焦点位置Ａまたはその近傍位置（可視光２２ａを受光できる位置）に、受光面を軸２０に直角に配してコールドフィルター４４に向けて配置されている。光電変換素子１６は太陽電池で構成されている。この太陽電池１６は可視光に対して高い変換効率が得られる結晶シリコン太陽電池、ＧａＡｓ系等の化合物系太陽電池等が使用される。コールドフィルター４４を透過した可視光２２ａは太陽電池１６で受光される。これにより太陽電池１６は光起電力を発生する。発生された光起電力は適宜の電源用途に利用される。
【００４７】
コールドフィルター４４で反射された赤外光２２ｂは軸２０上の位置Ｂ（フレネル凹面鏡４２の表面付近の位置）に焦点を結ぶ。熱利用素子１８は軸２０上の焦点位置Ｂまたはその近傍位置（赤外光２２ｂを受光できる位置）に配置されている。熱利用素子１８は熱電変換素子、スターリングエンジン、温水器等の熱エネルギーで動作する装置で構成される。コールドフィルター４４で反射された赤外光２２ｂは熱利用素子１８で受光される。これにより熱利用素子１８は、熱電変換素子であれば発電し、スターリングエンジンであれば回転し、温水器であれば水を加熱する。
【００４８】
以上の構成の光エネルギー収集装置４０によれば、太陽光２２をフレネル凹面鏡４２で集光して太陽電池１６に照射するので、太陽電池１６の設置面積が小さくても大きな光電変換出力を取り出すことができる。同様に熱利用素子１８についても、太陽光２２をフレネル凹面鏡４２で集光して熱利用素子１８に照射するので、熱利用素子１８が小型でも大きな出力を取り出すことができる。しかも太陽電池１６に入射される光２２ａはコールドフィルター４４で赤外光を除去した光なので、太陽電池１６の温度上昇を抑制して光変換出力の低下を抑制することができる。さらにはコールドフィルター４４で分離された赤外光２２ｂは熱利用素子１８で利用されるので、太陽光２２のエネルギーの利用効率を高めることができる。また太陽光２２をフレネル凹面鏡４２で集光してから波長選択素子４４に照射するので、前記特許文献４記載の装置のように太陽電池の表面に波長選択反射透過膜を配置する場合に比べて波長選択素子４４の設置面積を小さくすることができる。また集光にフレネル凹面鏡４２を使用するので、特許文献３の集光レンズを使用するものに比べて低コスト化が可能である。
【００４９】
また図６の光エネルギー収集装置４０によれば図４の実施の形態２の光エネルギー収集装置２４に比べて次のような効果が得られる。図７は図４の光エネルギー収集装置２４と図６の光エネルギー収集装置４０を凹面鏡２６，４２を同一直径に形成して対比して示したものである。これによれば光エネルギー収集装置４０は平板状のフレネル凹面鏡４２で太陽光２２を収集するため、光エネルギー収集装置２４に比べて波長選択素子４４を小面積（小径）に形成でき、結果として、使用できる太陽光２２の面積が広くなり、高い集光能力が得られる。またフレネル凹面鏡４２は平板状であるため、設置が容易である。またフレネル凹面鏡４２のフレネル形状は成型加工でき、また波長選択素子４４は小面積（小径）に形成できるので製造コストを低くできる。
【００５０】
なお実施の形態４ではフレネル凹面鏡４２の鏡面形状を放物面とし、コールドフィルター４４の入射面形状を双曲面としたが、これに代えて、若干の収差は発生するもののフレネル凹面鏡４２の鏡面形状を球面または楕円面とし、コールドフィルター４４の入射面形状を球面とすることもできる。
【００５１】
また実施の形態４ではコールドフィルター４４の入射面の凸面形状を連続面で構成したがフレネル面で構成することもできる。すなわちコールドフィルタ４４の基板をフレネル凹面鏡４２と同様に平板状に構成し、その入射面（フレネル凹面鏡４２との対向面）を双曲面、球面等によるフレネル面で構成し、該フレネル面の表面にコールドフィルターを構成する光学多層膜を成膜する。これによりコールドフィルター４４で反射された赤外光２２ｂは位置Ｂに焦点を結び、コールドフィルター４４を透過した可視光２２ａは大部分がそのまま直進して位置Ａに焦点を結ぶ。なお実施の形態１（図１）、実施の形態２（図４）の波長選択素子１４，２８についても入射面の凸面形状を連続面に代えてフレネル面で構成することができる。同様に実施の形態３（図５）について、半筒状凹面鏡３２、半筒状波長選択素子３４の基板をそれぞれ平板状に構成し、半筒状凹面鏡３２の鏡面の凹面形状を連続面に代えてフレネル面（フレネルの縞が筒の軸方向に直線状に延在するフレネル面）で構成し、半筒状波長選択素子３４の入射面の凸面形状を連続面に代えてフレネル面（フレネルの縞が筒の軸方向に直線状に延在するフレネル面）で構成することもできる。
【００５２】
また実施の形態４ではコールドフィルター４４の入射面形状を凸面としたが平面（フレネル面でなく連続面）とすることもできる。ただし凸面とした方がコールドフィルター４４で反射された赤外光２２ｂが焦点を結ぶ位置Ｂは波長選択素子４４から離れた位置となり、熱利用素子１８を波長選択素子４４から離して配置することができるため、熱利用素子１８の配置が容易になる。
【００５３】
また実施の形態４では波長選択素子４４をコールドフィルターで構成したがコールドミラーで構成することもできる。コールドミラーの透過率特性は例えば前記図２と同様とすることができる。波長選択素子４４をコールドミラーで構成する場合は図６（ａ）において太陽電池１６と熱利用素子１８の配置を入れ換える。
【００５４】
また前記各実施の形態では赤外光と可視光を含む光源からの光として太陽光を使用した場合について説明したが、太陽光以外の光を使用することもできる。例えば昼間に太陽光発電で蓄えた電力を用いて夜間人工光源を駆動するシステムにおいて、人工光源からの光をこの発明の光エネルギー収集装置の光源として使用して再発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態１を示す図で、（ａ）は凹面鏡１２の軸２０を通る平面で切断した断面図（（ｂ）のＸ−Ｘ矢視断面図）、（ｂ）は平面図（軸２０の方向から見た図）である。
【図２】図１のコールドミラー１４の透過率特性の一例を示す線図である。
【図３】図１のコールドミラー１４をコールドフィルターに置き換えた場合のコールドフィルターの透過率特性の一例を示す線図である。
【図４】この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態２を示す図で、（ａ）は凹面鏡２６の軸２０を通る平面で切断した断面図（（ｂ）のＹ−Ｙ矢視断面図）、（ｂ）は平面図（軸２０の方向から見た図）である。
【図５】この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態３を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光エネルギー収集装置３０を凹面鏡３２および波長選択素子３４の半筒の延在方向に直角な平面で切断した断面図である。
【図６】この発明の光エネルギー収集装置の実施の形態４を示す図で、（ａ）はフレネル凹面鏡４２の軸２０を通る平面で切断した断面図（（ｂ）のＺ−Ｚ矢視断面図）、（ｂ）は平面図（軸２０の方向から見た図）である。
【図７】図４の光エネルギー収集装置２４と図６の光エネルギー収集装置４０を凹面鏡２６，４２を同一直径に形成して対比して示した図で、それぞれ集光鏡の軸を通る平面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，２４，３０，４０…光エネルギー収集装置、１２，２６，３２…凹面鏡（凹面が連続面で構成されている凹面鏡）、１４，３４…コールドミラー（波長選択素子）、１６，３６…光電変換素子、１８，３８…熱利用素子、２２…太陽光（赤外光と可視光を含む光源からの光）、２８，４４…コールドフィルター（波長選択素子）、４２…凹面鏡（凹面がフレネル面で構成されている凹面鏡）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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