(57)【要約】【課題】太陽光受光装置の単位面積当たりの受光効率を向上させること。【解決手段】太陽光受光装置は、基板と、基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器とを有し、複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、太陽光のエネルギが取り出される。【選択図】図１
2014192617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光装置。
【請求項２】
鉛直方向における実質的に同じ高さに設けられた複数の太陽光受光装置を有する太陽光受光システムであって、
前記複数の太陽光受光装置の各々は、
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光システム。
【請求項３】
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向である偏波に対して共振するように配置され、
前記複数の太陽光受光装置のうち別の少なくとも１つにおける複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が前記第１の方向とは異なる第２の方向である偏波に対して共振するように配置されている、請求項２に記載の太陽光受光システム。
【請求項４】
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける複数の共振器の各々が、第１の波長の太陽光に対して共振するような長さを有し、
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける前記複数の共振器の各々が、前記第１の波長とは異なる第２の波長の太陽光に対して共振するような長さを有する、請求項２に記載の太陽光受光システム。
【請求項５】
鉛直方向における異なる高さに設けられた複数の太陽光受光装置を有する太陽光受光システムであって、
前記複数の太陽光受光装置の各々は、
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光システム。
【請求項６】
前記複数の太陽光受光装置のうち第１の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向である偏波に対して共振するように配置され、
前記複数の太陽光受光装置のうち前記第１の高さとは異なる第２の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向とは異なる第２の方向である偏波に対して共振するように配置されている、請求項５に記載の太陽光受光システム。
【請求項７】
前記複数の太陽光受光装置のうち第１の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる複数の共振器の各々は、第１の波長の太陽光に対して共振するような長さを有し、
前記複数の太陽光受光装置のうち前記第１の高さとは異なる第２の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の太陽光に対して共振するような長さを有する、請求項５に記載の太陽光受光システム。
【請求項８】
前記複数の太陽光受光装置に接続された複数の給電部が、ツリー状に枝分かれした導電性経路に接続されている、請求項５に記載の太陽光受光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される実施の形態は太陽光受光装置及び太陽光受光システム等に関連する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光受光装置又は太陽光受光システムは、受信又は受光した太陽光を電気的なエネルギとして取り出す。太陽光は粒子(すなわち、光子)としての性質と波(すなわち、電磁波)としての性質を有する。
【０００３】
太陽光の粒子としての性質を利用した太陽光パネルの電極に光子が衝突すると、光電効果によって電子が弾き飛ばされ、その電子を補うように太陽光パネル内の電子が移動し、分極が生じる。この分極により生じた電位差(すなわち、電池)を利用することで、太陽光から取り出したエネルギを利用できるようになる。装置や条件によっても異なるが、この種の太陽光パネルの単位面積当たりの受光効率は、約18％にすぎない。
【０００４】
太陽光の波としての性質を利用した従来技術の一例は、太陽光を受光する複数の共振器と1つの給電点とを線路で並列に接続することでアレイアンテナを形成し、共振器間の位相を調整することでアレイアンテナのビームに指向性を持たせている(この点については、例えば、特許文献1参照)。しかしながら、この例は、可視光領域の太陽光に対してアレイアンテナでビームに指向性を持たせてビームを絞り込んでいるに過ぎないので、幅広い波長範囲にわたる太陽光に対する単位面積当たりの受光効率が低いという問題が懸念される。
【０００５】
太陽光の波としての性質を利用した従来技術の別の例は、スパイラル線路で形成された共振器を複数個直列に線路で接続することで、所望の指向性を実現するアレイアンテナを形成している(この点については、例えば、非特許文献1参照)。この例では、赤外線領域の太陽光を対象として設計され、ビームを絞り込んでいるに過ぎないので、幅広い波長範囲にわたる太陽光に対する単位面積当たりの受光効率が低いという問題が懸念される。更に、アレイアンテナを形成する個々の共振器は全て線路で直列に接続されているので、導体損失に起因する発熱により受光効率が低下しまうことも懸念される。特に、安価な導体は抵抗率が大きいのでそのような導体が使用される場合、導体損失に起因する受光効率の低下が大きくなってしまうことが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2009−171533号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Proceedings  of  ES2008,  Energy  Sustainability  2008−54016,  Solar  antenna  electro  magnetic  collectors,（出願時のhttp://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?isit_id934544)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
開示される実施の形態の課題は、太陽光受光装置の単位面積当たりの受光効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示される実施の形態による太陽光受光装置は、
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光装置である。
【発明の効果】
【００１０】
開示される実施の形態によれば太陽光受光装置の単位面積当たりの受光効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態による太陽光受光装置1の構成を示す図。
【図２】図1におけるA−A線断面図。
【図３】共振器の並び方を説明するための図。
【図４】共振器の動作を説明するための図。
【図５】共振器の別の並べ方を示す図。
【図６】互いに接することなく2つのループが形成された場合の太陽光受光装置を示す図。
【図７】複数の太陽光受光装置を二次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図８】偏波方向が異なる2つの太陽光受光装置を二次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図９】共振波長が異なる2つの太陽光受光装置を二次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図１０】複数の太陽光受光装置を三次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図１１】図10に示す太陽光受光システムの側面図。
【図１２】偏波方向が異なる3つの太陽光受光装置を三次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図１３】偏波方向が異なる3つの太陽光受光装置を三次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図１４】図13に示す太陽光受光システムの側面図。
【図１５】図13に示す太陽光受光システムを鉛直上方から眺めた様子を示す図。
【図１６】共振波長が異なる3つの太陽光受光装置を三次元的に配置した太陽光受光システムを示す図。
【図１７】図16に示す太陽光受光システムの側面図。
【図１８】図16に示す太陽光受光システムを鉛直上方から眺めた様子を示す図。
【図１９】太陽光受光装置を複数個利用した応用例を示す図。
【図２０】実施例と従来例の受光効率を比較した例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付図面を参照しながら以下の観点から実施の形態を説明する。
【００１３】
１．太陽光受光装置
１．１  基本構造
１．２  基本動作
２．二次元的な太陽光受光システム
２．１  二次元配置
２．２  偏波
２．３  波長/周波数
３．三次元的な太陽光受光システム
３．１  三次元配置
３．２  偏波
３．３  波長/周波数
４．応用例
４．１  ツリー構造
４．２  受光効率
以下の説明に関し、適宜図面を参照するが、図中、同様な要素には同じ参照番号又は参照符号が付されている。
【００１４】
＜１．太陽光受光装置＞
＜＜１．１  基本構造＞＞
図1は実施の形態による太陽光受光装置１の構成を示す。太陽光受光装置1は、基板10と、複数の共振器111−119、121−126、1301−1313、141−148とを少なくとも有する。複数の共振器111等は、部分的に接した複数のループ11−14を描くように、所定の間隔を空けて並べられている。複数の共振器111等は基板の表面上に物理的に存在するが、複数のループ11−14は物理的に存在する線路ではないことに留意を要する。このため、複数のループ11−14は破線で示されている。更に、太陽光受光装置１は、ループ13、14を形成する共振器のうちの共振器1310と給電部161との間で所定の間隔を空けて設けられた共振器151−153も基板10上に有する。給電部161には給電線162が接続されており、給電線162をなす2つの導体は例えば同軸ケーブルの内部導体及び外部導体に接続されていてもよい。太陽光から得られたエネルギは、給電部161及び給電線162を介して太陽光受光装置1の外部に出力され、不図示の整流器等に与えられる。
【００１５】
図2は図1におけるA−A線断面図を示す。この断面図は、一例として、共振器1307と基板10とを示しているが、基板10の表面上にある任意の共振器についても同様な構造が存在する。
【００１６】
基板10は絶縁性を示す任意の材料で形成されてもよい。また、一例として基板10は太陽光が透過する透明な誘電体基板により形成されていてもよい。基板10は、例えば、ポリカーボネート(polycarbonate)等のような透明なプラスチック材料により形成されていてもよい。後述するように、太陽光受光装置1を複数個重ねて使用する場合、基板10は透明でなければならないが、1つの太陽光受光装置1を単独で使用する場合、基板10が透明であることは必須でない。基板10は用途に応じた適切な如何なる厚みtを有してもよいが、一例として、約0．1mmないし数mmの範囲内の厚さを有する。従って、基板10は、例えば0．1mm程度の厚さを有する柔軟性のあるフレキシブル基板であってもよいし、或いは3mm程度の厚さを有する堅い基板であってもよい。一般に、太陽光受光装置１の軽量化等の観点からは、基板10の厚みtは薄い方が好ましい。逆に、太陽光受光装置１を剛直に又は堅く形成する等の観点からは、基板10の厚みtは厚い方が好ましいが、厚くなるほど太陽光受光装置1の重量も重くなってしまう。基板10の表面は、典型的には平面であるが、実施の形態は平面に限定されず、適切な任意の面であってよい。例えば、基板の表面は凹凸や起伏を有する面であってもよい。時間に応じて見える位置が異なる太陽からの光を受けて、基板10上にある共振器が共振できればよいからである。基板10上の共振器に太陽光を適切に当てる観点からは、図1に示す太陽光受光装置1を太陽が見える方向に合わせて移動又は回転させてもよい。
【００１７】
なお、図2に示す構造において、基板10の一方の表面(正面又は前面)には共振器1307が形成されているが、他方の表面(裏面又は背面)には地板(接地プレート、グランドプレート、GND等)のような導電性の層が設けられていない点に留意を要する。この点、実施の形態は、裏面に地板が設けられかつ表面に伝送路が形成されているマイクロストリップライン(micro  stripe  line)とは異なる。図1に示す実施の形態では基板10上の共振器111等が太陽光に対して共振すればよいので、そのような裏面の地板は不要だからである。
【００１８】
図1及び図2に示されているように、基板10の表面には共振器1307が設けられている。上述したように、共振器1307を例にとって説明するが、基板10の表面上にある任意の共振器についても同様な構造が存在する。言い換えれば、実施の形態による複数の共振器111等の各々は同一の形状、長さ、厚み及び幅を有する。
【００１９】
太陽光には任意の波長の任意の偏波の電磁波が含まれているが、太陽光受光装置1は、少なくとも特定の波長の太陽光からエネルギを取り出すように設計されている。具体的に言えば、共振器1307は、受光する対象の太陽光(電磁波)の波長(すなわち、基本共振波長)λの半分の長さ(λ/2)を有する。後述するように、特定の波長の太陽光だけでなく、特定の偏波の太陽光からエネルギを取り出すことも可能である(この点については、「2．2」及び「3．2」に説明されている)。従って、受光する対象の太陽光の波長λは適切な如何なる値であってもよく、例えば、紫外線(400nm以下)から赤外線(760nm以上)までの任意の波長であってもよいし、相対的にエネルギが強い可視光線の範囲内の波長(360nmないし830nm)であってもよい。後述の動作説明では、一例として、共振器の長さが300nm(λ/2＝600/2nm)に設計されている。
【００２０】
なお、共振器1307の長さは太陽光受光装置１の動作(具体的には、共振の仕方)を決定するパラメータであるが、共振器1307の幅及び厚みは共振の仕方を決定するパラメータではない。このため、図1等においては、共振器111等の幅及び厚みが相対的に重要でないので、共振器111等の各々が線分として描かれている。共振器1307の幅及び厚みは任意であるが、一例として、共振器1307は30nmの幅及び10μmないし40μmの厚みを有してもよい。
【００２１】
共振器1307は、太陽光を受光する際に、共振できればよいので、適切な如何なる導電性材料で形成されてもよい。共振器1307は、例えば、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、白金(Pt)等の材料で形成されてもよい。共振器1307は、例えば、基板10に蒸着された金属薄膜をエッチングすることで形成されてもよい。そのような成膜技術自体は当該技術分野で知られているので、本明細書においてはこれ以上説明しない。
【００２２】
図1を再び参照すると、複数の共振器111等が、部分的に接した複数のループ11−14を描くように所定の間隔を空けて並べられている。第1のループ11は9個の共振器111−119により形成されている。第2のループ12は8個の共振器121−126、115、114により形成されている。この場合において、共振器114及び115は、第1のループ11だけでなく第2のループ12をも形成している。このように複数のループを形成するために共有される共振器は、便宜上、「シェア共振器」と言及される。第3のループ13は13個の共振器1301−1313により形成されている。第4のループ14は14個の共振器141、1313、1312、1311、142−148、116、126、125により形成されている。共振器116は、第1のループ11及び第4のループ14に対するシェア共振器である。共振器125、126は、第2のループ12及び第4のループ14に対するシェア共振器である。共振器1313、1312、1311は、第3のループ13及び第4のループ14に対するシェア共振器である。
【００２３】
図3は、共振器の並び方を説明するための図を示す。説明の便宜上、図1における第1のループ11をなす3つの共振器111−113を例にとって説明するが、互いに隣接する他の共振器についても同様な関係が成り立つ。図3にはループ11の経路が破線で示されているが、そのような線路は物理的には存在しない。隣接する共振器は、所定の波長の太陽光に対して、互いにカップリング又は結合が生じるような位置関係で並んでいる。共振器111−113の各々は、一例として、対象とする太陽光の波長(又は基本共振波長)の半分の長さ(λ/2)を有する。より一般的に言えば、共振器の長さLが或る波長の半整数倍となっている場合(L=λ1/2、3/2λ2、5/2λ3、...となっている場合)、共振器はその波長(λ1，λ2，λ3，...)の太陽光に共振する。また、長さLがλ1/2である共振器に太陽光が入射する場合、その共振器は、λ1だけでなく、λ1/3、λ1/5、λ1/7、...の波長の太陽光にも共振する。すなわち、λ1/2の長さを有する共振器は波長がλ1/(2n+1)である太陽光に共振する(n＝0，1，2，...)。本明細書においては、そのようなλ1が「基本共振波長」、「対象とする(太陽光)の波長」又は混乱のおそれがなければ単に「波長」と言及されている。更に、長さLがλ1/2である共振器は、λ1付近の波長にも共振する。「付近」とは実施の形態では±20％をいうが(0．8λ1≦波長≦1．2λ1)、±10％のような他の範囲(0．9λ1≦波長≦1．1λ1)が使用されてもよい。以上を総合すると、長さLがλ1/2である共振器は、「基本共振波長」λ1の奇数分の1であるλ1/(2n+1)の波長とλ1付近の波長との双方に共振する。λ1/(2n+1)の波長及びλ1付近の波長の太陽光は、長さがλ1/2である共振器を共振させるので、「共振波長」と言及される。更に、「基本周波数λ1」に対応する周波数は「基本共振周波数f1」と言及される(f1＝c/λ1)。「共振波長」(λ1/(2n+1)及びλ1付近)に対応する周波数は「共振周波数」(c(2n+1)/λ1及びf1付近)と言及される。ただし、cは光速を表す。
【００２４】
具体的な動作については後述するが、図3に示すように、基板10上に形成されている隣接する共振器111、112は、互いに半分の長さ(4分の1波長)λ/4の分だけずれた位置関係で平行に並んでいる。更に、隣接する共振器111、112は、互いに半分の長さ(4分の1波長)λ/4の分だけ距離を隔てて平行に並んでいる。隣接する共振器112、113についても同様な位置関係である。なお、最適にはλ/4であるが、多少のずれ(例えば、±20％)があったとしても隣接する共振器は有効に結合する。
【００２５】
図1を再び参照するに、太陽光受光装置1は、ループ13、14を形成する共振器1310と給電部161との間で所定の間隔を空けて設けられた共振器151−153も基板10上に有する。共振器151−153はループを形成しない点で共振器111等と異なるが、共振器151−153も共振器111等と同様に図3に示すような位置関係で並べられている。
【００２６】
＜＜１．２  基本動作＞＞
図1、図3、図4を参照しながら動作を説明する。説明の便宜上、太陽光受光装置1は、基本共振波長λが600nmであるように設計されているものとする。従って、個々の共振器111等の長さは、λ/2=300nmである。太陽光受光装置1に太陽光が入射すると、λ/(2n+1)の波長及びλ付近の波長の太陽光に対して共振器111等が共振する(n＝0，1，2，...)。
【００２７】
図4は共振器が基本モードで共振している場合の長さ方向における電流分布I及び電場Eのレベルを定性的に示している。便宜上、共振器の両端部がP及びRで示され、共振器の中央部がQで示されている。この共振状態の場合、電流分布Iは、共振器の中央部Qで最大となり、両端部P、Rで0になる。電場Eのレベルは、逆に、共振器の両端部P、Rで最大となり、中央部Qで0になる。従って、共振状態の共振器は、共振器の中央部Qに給電点が存在する場合のダイポールアンテナと等価である。より一般的に言えば、長さがλ/2である共振器は、λ/(2n+1)の波長及びλ付近の波長の太陽光に共振するので(n＝0，1，2，...)、基本モードだけでなく高次モードの共振状態もある。しかしながら、高次モードであっても、(1)共振器の中央部Qで電流分布Iが最大となり、両端部P、Rで電流分布Iが0になること、及び(2)共振器の両端部P、Rで電場Eが最大となり、中央部Qで電場E  が0になることに変わりはない。
【００２８】
図3を参照すると、基本モードの共振状態における電場Ｅのレベルが共振器111−113各々について定性的に示されている。図示されているように、隣接する共振器が互いにλ/4(共振器の長さの半分)だけずれた位置関係でλ/4(共振器の長さの半分)だけ距離を隔てて平行に設けられている。図4と同様に、共振器の両端部はPi、Riで示され、共振器の中央がQiで示されている(ただし、i=111、112又は113)。共振器112の端部P112において電場Eは最大であり、この端部P112から共振器111の中央部Q111まではλ/4(共振器の長さの半分)の距離しか隔たっていない。従って端部P111における大きな電場E(すなわち、電圧)が中央部Q111に強く影響を及ぼすので、中央部Q111は、よりいっそう給電点として機能しやすくなる。
【００２９】
上記の説明は端部P112から中央部Q111へ及ぶ影響しか論じていないが、同様に他の端部から中央部への影響も存在する。すなわち、端部R111から中央部Q112へ及ぶ影響、端部P113から中央部Q112へ及ぶ影響、そして端部R113から中央部Q112へ及ぶ影響等がある。理論的には、ある共振器に影響を及ぼす共振器は隣接する共振器に限られないが、隣接する共振器からの影響が最も強いので、隣接する共振器からの影響が考察されている。
【００３０】
なお、電場Eのレベルの観点からは、共振器同士の間の距離、すなわち端部P112と中央部Q111との間の距離が短いほど、中央部Q111に及ぶ電場Eの影響は強くなる。しかしながら、基本共振波長λに対して共振しつつ隣接する共振器同士の間でエネルギを伝送し合うためには、隣接する共振器は互いに所定の距離(図3、図5に示す例ではλ/4)を隔てて平行に設けられている必要がある。図3に示すように共振器を並べることは、隣接する共振器同士のカップリングを強める等の観点から好ましいが、共振器の並べ方は図3に示す位置関係に限定されない。
【００３１】
図5は共振器の別の並べ方の一例を示す。この例の場合、隣接する共振器は互いにずれてはおらず揃った状態で平行に設けられている。図示の例の場合、ループの経路をなす線と共振器とは90度の角度をなすように交わっている。これに対して、図3に示す例の場合、ループの経路をなす線と共振器とが45度の角度をなすように交わっている。図5に示す例の場合も、例えば、端部P2において最大の大きさを有する電場E(すなわち、電圧)は、中央部Q1に影響を及ぼし、中央部Q1が給電点として動作しやすくなるようにする。しかしながら、電場Eが最大である端部P2と、その電場Eの影響が及ぶ中央部Q1との間の距離は、共振器間の最短距離(図示の例では、λ/4)よりも長い。従って、図5に示すような共振器の並べ方は、隣接する共振器について可能な並べ方の1つではあるが、図3に示す場合と比較すると、カップリングが弱い。また、図5に示す例の場合も共振器の中央部は隣接する共振器の端部から影響を受けるが、端部P2から中央部Q1へ及ぶ影響だけではなく、他の影響も存在する。具体的には、端部P1から中央部Q2へ及ぶ影響、端部R1から中央部Q2へ及ぶ影響、端部P2から中央部Q1へ及ぶ影響(上述)、端部R2から中央部Q1へ及ぶ影響、端部P2から中央部Q3へ及ぶ影響、端部R2から中央部Q3へ及ぶ影響、端部P3から中央部Q2へ及ぶ影響、そして端部R3から中央部Q2へ及ぶ影響等が存在する。
【００３２】
図3や図5に示す並べ方或いはその他の並べ方の何れにせよ、2つの共振器が所定の間隔(例えば、λ/4)を空けて並ぶと、隣接する2つの共振器は結合状態(カップリングしている状態)になり、1つ目の共振器から2つ目の共振器へエネルギが伝達される。さらに、3つ目、4つ目それ以上の共振器が並んでいても共振波長(共振周波数)の太陽光のエネルギは、3つ目、4つ目それ以上の共振器へ順に伝達される。従って、複数の共振器が、所定の間隔(例えば、λ/4)を空けながら、一つのループ又は閉曲線をなすように並ぶと、そのループ内でエネルギが回り続け(隣接する共振器同士の間でエネルギが伝送され続け)、共振波長の太陽光のエネルギがループに蓄積される。
【００３３】
隣接する共振器同士のエネルギの伝達に関し、図1に示す太陽光受光装置1におけるシェア共振器の動作を考察する。図1に示す例の場合、シェア共振器は、共振器114、115、116、125、126、1311、1312、1313である。一例として、第1のループ11の中で回り続けるエネルギ(隣接する共振器同士の間で伝達され続けるエネルギ)は、シェア共振器114、115により第2のループ12にも伝達される。すなわち、第1のループ11を巡っていたエネルギの一部が、シェア共振器114、115を介して隣接する第2のループ12へ分散する。なお、シェア共振器のうち、シェア共振器でない共振器に隣接しているシェア共振器は、「分岐共振器」と言及されてもよい。図1に示す例の場合、分岐共振器は、共振器114、116、125、1313、1311である。
【００３４】
第1のループ11で回り続ける残りのエネルギは、１周して、再びシェア共振器から分岐共振器を経て第2のループ12に分散される。このような動作が反復されることで、第1のループ11で受光されたエネルギは、第2、第3及び第4のループ12、13、14へ遷移してゆく。図1に示す例の場合、4つのループが形成されているので、受光されたエネルギは、4つのループ11−14の間で回り続け、受光した太陽光のエネルギが蓄積される。
【００３５】
次に、ループを形成しない経路(非ループ経路)を考察する。非ループ経路に沿って共振器が所定の間隔(例えば、λ/4)を空けて並ぶ場合も、その経路に沿って共振器同士の間でエネルギが伝達される。しかしながら、エネルギは、経路の開放端(Open)の共振器まで伝達すると、開放端(Open)からエネルギの全部又は一部が放射される。したがって、受光したエネルギを損失なく蓄積する等の観点からは、複数の共振器は、閉ループ又は閉曲線を描くように並べられる必要がある。一方、ループを形成しない経路に沿って並んだ共振器は、エネルギを取り出す場合に利用できる。このため、図１に示す例では、共振器1310と給電部161との間に、ループを形成しないように、所定の間隔を空けて1つ以上(図示の例では3つ)の共振器が並べられている(例えば、図1に示す例では、図3に示すような並べ方で共振器が並んでいる)。なお、図1に示す例では、共振器151−153がループを描かないように設けられているが、エネルギを取り出す際に非ループ経路に沿って並ぶ共振器は必須ではない。例えば、図1の第3のループ13に属する共振器1307に隣接するように給電部161を設けることも可能である。
【００３６】
図1には図示されていないが、給電部161に一端が接続されている給電線162の他端には、高周波の交流エネルギを直流エネルギに変換する整流器が接続されており、これにより、太陽エネルギを直流エネルギとして取り出すことができる。ただし、整流器は必須ではなく、エネルギは交流のまま他の装置に供給されてもよい。
【００３７】
ところで、所定の波長の太陽光を受光し、エネルギを蓄積して取り出す等の観点からは、複数の経路が描くループは１つであってもよい。しかしながら、より多くの太陽光を受光する等の観点からは、共振器を多数ならべることが好ましく、例えば、小さなループを密集させるように共振器を並べることが好ましい。すなわち、互いに接する複数のループが網目状、格子状又は葉脈状に並べられ、そのループに沿って共振器が所定の間隔を空けて並べられることが好ましい。更に、基板10上に形成される複数のループを、互いに接しないように形成することも技術的には可能である。
【００３８】
図6は、図1に示す4つのループのうち第1のループ11及び第3のループ13の2つのループしか存在しない様子を示す。図6に示す例の場合、第1のループ11は第3のループ13と全く接していない。この場合、第1のループ11で受光して蓄えているエネルギを給電部161まで伝達するには、ループを形成しない共振器126、125と、第3のループ13と、ループを形成しない共振器151、152、153とを経由する必要がある。太陽光受光装置1においては、ループを形成する共振器がループにエネルギを蓄えるので、ループを形成する共振器が太陽光の単位面積当たりの受光効率に寄与する。これに対して、ループを形成しない共振器126、125、151、152、153は、エネルギの伝達に関与するに過ぎず、単位面積当たりの受光効率には寄与しない。従って、単位面積当たりの受光効率を改善する等の観点からは、基板上の共振器のうちループを形成しない共振器の割合が少ないことが望ましい。図6に示す例の場合、全部で28個の共振器のうち、ループを形成しない共振器は5つもある(17．9％)。これに対して図1に示す例の場合、全部で39個もある共振器のうち、ループを形成しない共振器は僅か3つしかない(7．69％)。単位面積当たりの受光効率を向上させる等の観点からは、図6に示す例よりも、図1に示す例のように、複数のループが互いに接するように共振器を並べ、ループを形成しない共振器がなるべく少なくなるようにすることが望ましい。また、複数のループを互いに接するように形成することで、ループ間でエネルギを伝達するためだけの共振器(ループを形成しない共振器)を形成しなくてよいようにできる。隣接するループと接している部分にある共振器は上記の「シェア共振器」であり、これはエネルギの蓄積と伝達の双方の機能を発揮できるからである。
【００３９】
＜２．二次元的な太陽光受光システム＞
＜＜２．１  二次元配置＞＞
図1に示すような太陽光受光装置は、単独で使用されてもよいし、或いは複数の太陽光受光装置が組み合わされてもよい。以下、そのような組み合わせについての様々な実施の形態を説明する。複数の太陽光受光装置は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００４０】
図7は、図1に示されるような太陽光受光装置を2つ組み合わせた太陽光受光システムを示す。便宜上、それら2つの太陽光受光装置は第1の太陽光受光装置(A)及び第2の太陽光受光装置(B)と言及される。図示の例では、2つの太陽光受光装置(A)、(B)が同一平面上に配置されている。共振器は基板上に設けられるので、「同一平面上」は「同一の基板上」と表現されてもよい。或いは、鉛直方向において実質的に等しい高さに2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が存在している、とも言える。
【００４１】
先ず、図7の上側左右に描かれているように、2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が全く重ならずに併存し、それぞれから取得された電力が合成されてもよい。しかし、その場合、太陽光受光システム全体が占める面積は広くなるので、単位面積当たりの受光効率を向上させる等の観点からは好ましくない。一方、図1に示すような太陽光受光装置1に含まれている複数のループの各々により囲まれている領域の中には共振器等は形成されていない。従ってループで囲まれる領域に入射した太陽光を受光してエネルギを取り出すことはできない。そこで、第1の太陽光受光装置(A)における少なくとも１つのループが囲む領域の中に、第2の太陽光受光装置(B)の少なくとも1つのループの全部又は一部が含まれるようにすることが考えられる。これにより、ループを形成する共振器の密度を向上させ、単位面積当たりの受光効率を向上させることができる。
【００４２】
図7の下側に示す例では、第1の太陽光受光装置(A)の第2のループ12Aが第2の太陽光受光装置(B)の第1のループ11Bとほぼ重なるように配置されている。更に、図7の下側に示す例では、第2の太陽光受光装置(B)の第4のループ14Bが第1の太陽光受光装置(A)の第3及び第4のループ13A、14Aと部分的に重なるように配置されている。図示の例では、第1及び第2の太陽光受光装置(A)及び(B)が部分的にしか重なっていないが、全体的に重なっていてもよい。上述したように、第1の太陽光受光装置(A)に含まれる隣接する共振器(例えば、111A、112A、113A等)は、互いのカップリングが大きくなるように並べられている(例えば、図3に示すような並べ方が使用されている)。同様に、第2の太陽光受光装置(B)に含まれる隣接する共振器(例えば、111B、119B等)も、互いのカップリングが大きくなるように並べられている(例えば、図3に示すような並べ方が使用されている)。図7の下側に示す例の場合、第2の太陽光受光装置(B)の隣接する共振器111B及び119Bの間に、第1の太陽光受光装置(A)の共振器113Aが存在している。共振器113Aは、共振器111B及び119Bに最も接近した共振器となるが、共振器111Bとのカップリングは0である或いはあったとしても小さい。カップリングは、共振器111B及び119Bのように所定の間隔(例えば、λ/4)を空けて並べられた場合に大きくなり、そのように共振器を並べた場合に共振器同士の間でエネルギが伝達される。逆にそのような間隔で共振器が並んでいなければ、たとえ共振器同士の間隔が短かったとしてもエネルギを伝達し合うことはできない。すなわち、共振器113Aと共振器111Bとの間でエネルギの伝達は実質的にはなされない。同様に、共振器113Aと共振器119Bとの間でもエネルギの伝達は実質的にはなされない。ここでは共振器111B、119B、113Aについて説明されているが、この説明は、複数の太陽光受光装置を重ねた場合に近接することになる任意の共振器についても成り立つ。
【００４３】
従って、太陽光からのエネルギは第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)の間ではやりとりされず、各自の中でのみ伝達され、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)それぞれからの電力は結合器71に別々に与えられ合成される。これにより、第1又は第2の太陽光受光装置(A)、(B)が単独で存在する場合よりも高い電力を結合器71から取り出すことができる。この例の場合、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)が重ならずに併存する場合よりも狭い面積の中に全ての共振器が存在するので、これは単位面積当たりの受光効率を改善する等の観点から好ましい。
【００４４】
図7には図示されていないが、給電部161A、161Bに接続されている結合器71には、高周波の交流エネルギを直流エネルギに変換する整流器が接続されており、これにより、太陽エネルギを直流エネルギとして取り出すことができる。ただし、整流器は必須ではなく、エネルギは交流のまま他の装置に供給されてもよい。
【００４５】
なお、図7に示す例では説明の簡明化のため太陽光受光装置が2つしか組み合わせられていないが、組み合わせる個数は任意である。
【００４６】
特許文献1及び非特許文献1には開示されていないが、上記の実施の形態にならって、特許文献1に示されるような複数の共振器が並列に接続されたアレイアンテナを2つ重ねることで、受光効率を向上させることが考えられる。しかしながら、特許文献1に示す例の場合、複数の共振器を並列に接続する有線線路が共振器の数だけ存在し、一方のアレイアンテナの有線線路が、他方のアレイアンテナを隠してしまうので、少なくともそのように隠された分だけ受光効率は向上しないことが懸念される。
【００４７】
また、上記の実施の形態にならって、非特許文献1に示されるような複数の共振器が直列に接続されたアレイアンテナを2つ重なることで、受光効率を向上させることも考えられる。しかしながら、非特許文献1に示す例の場合、スパイラル状の複雑な形状を有する共振器の1つ1つが、単なる線分よりも広い面積を占めることに加えて、直列に接続するための有線線路が存在する。従って、非特許文献1に示されるアレイアンテナを2つ重ねる場合も、一方のアレイアンテナの共振器及び有線線路が、他方のアレイアンテナを隠してしまうので、少なくともそのように隠された分だけ受光効率は向上しないことが懸念される。更に、非特許文献1に記載のアレイアンテナの場合、複数の共振器は直列に有線線路で接続されるので、導体損失が大きくなり、せっかく受光した太陽光の一部が導体損失の発熱に浪費されてしまうので、この点も受光効率を向上させる等の観点からは好ましくない。
【００４８】
＜＜２．２  偏波＞＞
太陽光には様々な偏波方向の電磁波(偏波)がランダムに含まれている。図1や図7等に示されているような線分の形状を有する共振器は、共振波長を有しかつ偏波方向がその線分の長さ方向と平行であるような直線偏波に対して共振する。一般に、直線偏波は電場又は磁場の振幅方向が一定の方向であるような電磁波である。従って、そのような共振器は、偏波方向が長さ方向とは異なる太陽光(電磁波)からエネルギを完全には取得することができない。そこで、共振器の偏波方向が異なる複数の太陽光受光装置を組み合わせることで、様々な偏波の太陽光からエネルギを取り出すことが考えられる。
【００４９】
図8は、偏波方向が異なる2つの太陽光受光装置を組み合わせた太陽光受光システムを示す。図示の例では、偏波方向が第1の方向である電磁波成分に共振する第1の太陽光受光装置(A)と、偏波方向が第2の方向である電磁波成分に共振する第2の太陽光受光装置(B)とが同一平面上に配置されている。共振器は基板上に設けられるので、「同一平面上」は「同一の基板上」と表現されてもよい。或いは、鉛直方向において実質的に等しい高さに2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が存在している、とも言える。図示の例では、第1及び第2の方向は直交していているが、一般的には直交していなくてもよい。第1の太陽光受光装置(A)は、偏波方向が第1の方向である電磁波に共振し、エネルギを取得することができる。しかしながら、偏波方向が第1の方向に直交しているような電磁波からはエネルギを取得することができない。これに対して、第2の太陽光受光装置(B)は、偏波方向が第1の方向とは異なる第2の方向である電磁波に共振し、エネルギを取り出すことができる。従って、第1の太陽光受光装置(A)では取り出すことができないエネルギの一部を、第2の太陽光受光装置(B)が取り出すことができる。
【００５０】
先ず、図8の上側左右に描かれているように、偏波方向が異なる2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が全く重ならずに併存し、それぞれから取得された電力が合成されてもよい。しかし、その場合、太陽光受光システム全体が占める面積は広くなるので、単位面積当たりの受光効率を向上させる等の観点からは好ましくない。一方、図1に示すような太陽光受光装置に含まれている複数のループの各々により囲まれている領域の中には共振器等は形成されていない。従ってループで囲まれる領域に入射した太陽光を受光してエネルギを取り出すことはできない。そこで、第1の太陽光受光装置(A)における少なくとも1つのループが囲む領域の中に、第2の太陽光受光装置(B)の少なくとも1つのループの全部又は一部が含まれるようにすることが考えられる。これにより、ループを形成する共振器の密度を向上させ、単位面積当たりの受光効率を向上させることができる。
【００５１】
説明の便宜上、第1の太陽光受光装置(A)に含まれている複数の共振器は、第1のループ81A、第2のループ82A及び第3のループ83Aの各々に沿って所定の間隔を空けて基板上に設けられているものとする。第2の太陽光受光装置(B)は、第1の太陽光受光装置(A)を左に90度回転させ、かつ第1のループ81B及び第3のループ83Bに属する分岐共振器からエネルギが外部に取り出されるように、変更されている。これにより、共振する偏波方向は互いに90度異なることになる。
【００５２】
図8の下側に示す例では、第1の太陽光受光装置(A)の第2のループ82Aが第2の太陽光受光装置(B)の第1のループ81B及び第2のループ82Bと部分的に重なっている。更に、第1の太陽光受光装置(A)の第3のループ83Aが第2の太陽光受光装置(B)の第1のループ81Bと部分的に重なっている。第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)各々が共振する偏波方向は異っている。従って、太陽光からのエネルギは第1及び第2の太陽光受光装置(A)、(B)の間ではやりとりされず、各自の中でのみ伝達され、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)それぞれからの電力が結合器71に別々に与えられ合成される。これにより、第1又は第2の太陽光受光装置(A)、(B)が単独で存在する場合よりも高い電力を結合器71から取り出すことができる。この例の場合、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)が重ならずに併存する場合よりも狭い面積の中に全ての共振器が存在するので、これは単位面積当たりの受光効率を改善する等の観点から好ましい。
【００５３】
なお、図8に示す例では説明の簡明化のため太陽光受光装置が２つしか組み合わせられていないが、組み合わせる個数は任意である。偏波方向が互いに120度異なっている3つの太陽光受光装置が組み合わせられてもよい。また、偏波方向は、互いに直交する2つの方向でもよいし、直交していない2つの方向でもよいし、3つ以上の異なる方向であってもよい。
【００５４】
＜＜２．３  波長/周波数＞＞
太陽光には様々な波長又は周波数の電磁波が含まれている。具体的には、200nmないし2500nmの波長の電磁波が含まれている。図1、図7、図8等に示されているような共振器は基本共振波長λの半分の長さλ/2を有し、共振波長(λ/(2n+1)及びλ付近)の電磁波に対して共振する。従って、そのような共振器は、それ以外の波長の電磁波からエネルギを取得することはできない。そこで、共振器の長さが異なる複数の太陽光受光装置を組み合わせることで、幅広い波長範囲にわたる太陽光からエネルギを取り出すことが考えられる。
【００５５】
図9は、共振波長が異なる2つの太陽光受光装置を組み合わせた太陽光受光システムを示す。図示の例では、長い波長λAを基本共振波長とする第1の太陽光受光装置(A)と、短い波長λBを基本共振波長とする第2の太陽光受光装置(B)とが同一平面上に配置されている。共振器は基板上に設けられるので、「同一平面上」は「同一の基板上」と表現されてもよい。或いは、鉛直方向において実質的に等しい高さに2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が存在している、とも言える。第1の太陽光受光装置(A)は、波長が共振波長(λA/(2n+1)及びλA付近)である電磁波に共振し、エネルギを取得することができる。ある波長の「付近」とは、実施の形態では、その波長から±20％の範囲をいうが、±10％のような他の範囲が使用されてもよい。しかしながら、それ以外の波長の電磁波からはエネルギを取得することができない。これに対して、第2の太陽光受光装置(B)は、別の共振波長(λB/(2n+1)及びλB付近)である電磁波に共振し、エネルギを取り出すことができる。従って、第1の太陽光受光装置(A)では取り出すことができないエネルギの一部を、第2の太陽光受光装置(B)が取り出すことができる。
【００５６】
先ず、図9の上側左右に描かれているように、共振波長が異なる2つの太陽光受光装置(A)及び(B)が全く重ならずに併存し、それぞれから取得された電力が合成されてもよい。しかし、その場合、太陽光受光システム全体が占める面積は広くなるので、単位面積当たりの受光効率を向上させる等の観点からは好ましくない。一方、図1に示すような太陽光受光装置に含まれている複数のループの各々により囲まれている領域の中には共振器等は形成されていない。従ってループで囲まれる領域に入射した太陽光を受光してエネルギを取り出すことはできない。そこで、第1の太陽光受光装置(A)における少なくとも1つのループが囲む領域の中に、第2の太陽光受光装置(B)の少なくとも1つのループの全部又は一部が含まれるようにすることが考えられる。これにより、ループを形成する共振器の密度を向上させ、単位面積当たりの受光効率を向上させることができる。
【００５７】
図9の下側に示す例では、第1の太陽光受光装置(A)の第3のループ13Aが、第2の太陽光受光装置(B)の第1のループ11B及び第2のループ12Bとほぼ重なり、かつ第4のグループ14Bと部分的に重なるように配置されている。第1及び第2の太陽光受光装置各々の共振波長(又は共振周波数)は異なる。従って、太陽光からのエネルギは第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)の間ではやりとりされず、各自の中でのみ伝達され、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)それぞれからの電力が結合器71に別々に与えられ合成される。これにより、第1又は第2の太陽光受光装置(A)、(B)が単独で存在する場合よりも高い電力を結合器71から取り出すことができる。この例の場合、第1、第2の太陽光受光装置(A)、(B)が重ならずに併存する場合よりも狭い面積の中に全ての共振器が存在するので、これは単位面積当たりの受光効率を改善する等の観点から好ましい。
【００５８】
なお、図9に示す例では説明の簡明化のため太陽光受光装置が２つしか組み合わせられていないが、組み合わせる個数は任意である。
【００５９】
＜３．三次元的な太陽光受光システム＞
＜＜３．１  三次元配置＞＞
上記の「2．二次元的な太陽光受光システム」においては、図1に示すような太陽光受光装置を複数個平面的又は二次元的に組み合わせていたが、平面的に組み合わせるだけでなく、立体的又は三次元的に組み合わせられてもよい。「立体的に組み合わせる」とは、複数の太陽光受光装置が鉛直方向に異なる位置(すなわち、異なる高さ)に設けられるようにして太陽光受光システムを形成することをいう。複数の太陽光受光装置を立体的に組み合わせた太陽光受光システムは、「3．2」おいて説明するように偏波方向が異なる複数の太陽光受光装置を含んでもよいし、「3．3」において説明するように共振波長が異なる複数の太陽光受光装置を含んでもよい。複数の太陽光受光装置は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００６０】
図10は、図1に示されるような太陽光受光装置を複数個立体的に組み合わせた太陽光受光システム100の一例を示す。太陽光受光システム100は、第1、第2、第3の太陽光受光装置(A)、(B)、(C)と、給電線162A、162B、162Cと、結合器105と、サポート部材102、103、104とを有する。
【００６１】
第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)の各々は、図1に示すような太陽光受光装置であり、かつそれらは鉛直方向に異なる位置に設けられている。第1の太陽光受光装置(A)は、第1のループ11A、第2のループ12A、第3のループ13A及び第4のループ14Aを描くように複数の共振器が基板10  A上に設けられている。第2の太陽光受光装置(B)は、第1のループ11B、第2のループ12B、第3のループ13B及び第4のループ14Bを描くように複数の共振器が基板10B上に設けられている。第3の太陽光受光装置(C)は、第1のループ11C、第2のループ12C、第3のループ13C及び第4のループ14Cを描くように複数の共振器が基板10C上に設けられている。
【００６２】
給電線162A−Cの各々は、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)の各々から取り出された電力を結合器105へ伝達する。
【００６３】
結合器105は、給電線162A−Cの各々から伝達されてきた電力を合成し、合成後の電力を不図示の整流器等へ送る。
【００６４】
サポート部材102、103、104は、第1−3の太陽光受光装置(A)、(B)、(C)間の相対的な位置関係を弾力的又は固定的に保持する。サポート部材102−104は太陽光受光システムの機械的な強度を補強するためのものであるので、必須ではない。例えば、第1−3の太陽光受光装置(A)、(B)、(C)の各々が薄いフレキシブル基板上に形成されていた場合には、サポート部材102−104により位置関係を維持することが好ましい。逆に、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)の各々が厚い基板上に形成されていた場合には、それらの位置関係は既に維持されているので、サポート部材102−104は省略されてもよい。
【００６５】
更に、給電線162A−Cが比較的堅い同軸ケーブル(例えば、セミリジッドケーブル)であった場合に、給電線162A−Cが、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)間の相対的な位置関係を維持するサポート部材としての機能を発揮してもよい。
【００６６】
図11は、太陽光受光システム100の側面図を示す。図11には結合器105が描かれておらず、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)が鉛直方向に異なる位置に設けられている様子を示す。第1の太陽光受光装置(A)は基板10Aと基板上に設けられた複数の共振器109Aとを少なくとも有する。第2の太陽光受光装置(B)は基板10Bと基板上に設けられた複数の共振器109Bとを少なくとも有する。第3の太陽光受光装置(C)は基板10Cと基板上に設けられた複数の共振器109Cとを少なくとも有する。更に、第1の太陽光受光装置(A)において太陽光から得られた電力は給電線162Aを介して結合器105(図10)へ伝送される。第2の太陽光受光装置(B)において太陽光から得られた電力は給電線162Bを介して結合器105(図10)へ伝送される。第3の太陽光受光装置(C)において太陽光から得られた電力は給電線162Cを介して結合器105(図10)へ伝送される。
【００６７】
図示の実施の形態では、第1の太陽光受光装置(A)及び第2の太陽光受光装置(C)の間M1に隙間又は空気層(エア層)が形成されている。しかしながらM1の部分に空気層があることは必須ではない。例えば、M1の部分が透明な誘電体層で形成されていてもよい。同様に、第2の太陽光受光装置(B)及び第3の太陽光受光装置(C)の間M2にも隙間又は空気層(エア層)がある。しかしながらM2の部分に空気層があることは必須ではない。例えば、M2の部分が透明な誘電体層で形成されていてもよい。
【００６８】
図10及び図11に示す実施の形態では、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)が等間隔に設けられているが、等間隔であることは必須でなく、不等間隔に設けられていてもよい。また、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)は、図12に示されているように、鉛直方向(例えばz軸)に垂直な方向(例えば、x軸及びy軸)に揃って並んでいるが、このことも必須ではない。鉛直方向に垂直な方向に互いにずれた位置関係でそれらが鉛直方向に並んでいてもよい。共振器が受ける太陽光は鉛直上方から垂直に入射するだけでなく、斜めに入射する場合もあるからである。
【００６９】
図10、図11、図12に示すような太陽光受光システム100に鉛直上方から太陽光が入射する場合を考える。先ず、第1の太陽光受光装置(A)に太陽光が入射し、第1の太陽光受光装置(A)の共振器109Aが共振し、取り出された電力が給電線162Aを介して結合器105へ送られる。第1の太陽光受光装置(A)によっては受光されずに下方に漏れた太陽光は、第2の太陽光受光装置(B)に入射し、第2の太陽光受光装置(B)の共振器109Bが共振し、取り出された電力が給電線162Bを介して結合器105へ送られる。更に、第2の太陽光受光装置(B)によっても受光されずに下方に漏れた太陽光は、第3の太陽光受光装置(C)に入射し、第3の太陽光受光装置(C)の共振器109Cが共振し、取り出された電力が給電線162Cを介して結合器105へ送られる。図示の例では、第1−3の3つの太陽光受光装置(A)−(C)が使用されているが、このことは必須ではなく、2つの太陽光受光装置が使用されてもよいし、或いは4つ以上の太陽光受光装置が使用されてもよい。鉛直方向に並べる太陽光受光装置の数が多いほど、下方に漏れた太陽光をより多く受光することができる。この点については、図20を参照しながら説明する。
【００７０】
なお、本明細書において、「上方」は鉛直方向に平行な方向だけでなく、鉛直方向に対して斜めに交わる方向(0でない角度をなす方向)も含むものとする。同様に、「下方」は鉛直方向に平行な方向だけでなく、鉛直方向に対して斜めに交わる方向(0でない角度をなす方向)も含むものとする。
【００７１】
「2．二次元的な太陽光受光システム」で説明されている太陽光受光システムは、同一平面内に複数の太陽光受光装置を互いに重なるように設けることによって、単位面積当たりの受光効率を向上させている。この場合、1つの太陽光受光装置における少なくとも１つのループが囲む領域の中に、別の太陽光受光装置の少なくとも1つのループの全部又は一部が含まれるようにしていた。これは、単位面積当たりの受光効率の向上等の観点からは好ましいが、単位面積当たりの共振器の個数が増えるので、共振器のパターンを形成する際の微細加工精度によっては、製造が困難になってしまうおそれがある。
【００７２】
これに対して、図10、図11、図12に示されているように複数の太陽光受光装置が鉛直方向に異なる位置に設けられる場合、1つ1つの太陽光受光装置における単位面積当たりの共振器の個数を増やさなくても、受光効率を向上させることができる。ある太陽光受光装置で受光されずに下方に漏れた太陽光は、下方に位置する太陽光受光装置により少なくとも部分的に受光されるからである。図10、図11、図12では、第1の太陽光受光装置(A)のループ11A−14Aが囲む領域内の鉛直下方に、第2の太陽光受光装置(B)のループの全部又は一部が存在している。また、第2の太陽光受光装置(B)のループが囲む領域内の鉛直上方に第1の太陽光受光装置(A)のループの全部又は一部が存在し、鉛直下方に第3の太陽光受光装置(C)のループの全部又は一部が存在している。そして、第3の太陽光受光装置(C)のループが囲む領域内の鉛直上方に第2の太陽光受光装置(B)のループの全部又は一部が存在している。
【００７３】
＜＜３．２  偏波＞＞
上記の「2．2」において説明したのと同様に、複数の太陽光受光装置の少なくとも2つが異なる偏波方向に対応していてもよい。
【００７４】
図13は、偏波方向が異なる第1−3の3つの太陽光受光装置(A)−(C)を組み合わせた太陽光受光システム100を示す。図14は、図13に示す太陽光受光システム100の側面図を示す。図15は図13に示す太陽光受光システム100を上方から眺めた様子を示す。
【００７５】
概して図10、図11及び図12に示す例と同様であるが、第1の太陽光受光装置(A)を所定の角度(例えば、120度)だけ鉛直方向の軸の周りに回転させたものが第2の太陽光受光装置(B)である点が強調されている。また、第1の太陽光受光装置(A)を別の所定の角度(例えば、240度)だけ鉛直方向の軸の周りに回転させたものが第3の太陽光受光装置(C)である点も強調されている。
【００７６】
図13、図14、図15に示すような太陽光受光システム100に鉛直上方から太陽光が入射する場合を考える。先ず、第1の太陽光受光装置(A)に太陽光が入射し、偏波方向が第1の方向である太陽光により、第1の太陽光受光装置(A)の共振器109Aが共振し、取り出された電力が給電線162Aを介して結合器105へ送られる。第1の太陽光受光装置(A)によっては受光されずに下方に漏れた太陽光のうち、偏波方向が第2の方向である太陽光により、第2の太陽光受光装置(B)の共振器109Bが共振し、取り出された電力が給電線162Bを介して結合器105へ送られる。更に、第2の太陽光受光装置(B)によっても受光されずに下方に漏れた太陽光のうち、偏波方向が第3の方向である太陽光により、第3の太陽光受光装置(C)の共振器109Cが共振し、取り出された電力が給電線162Cを介して結合器105へ送られる。
【００７７】
＜＜３．３  波長/周波数＞＞
上記の「2．3」において説明したのと同様に、複数の太陽光受光装置の少なくとも2つが異なる共振波長(又は共振周波数)に対応していてもよい。
【００７８】
図16は、共振波長が異なる第1−3の3つの太陽光受光装置(A)−(C)を組み合わせた太陽光受光システム100を示す。図17は、図16に示す太陽光受光システム100の側面図を示す。図18は図16に示す太陽光受光システム100を上方から眺めた様子を示す。
【００７９】
概して図10、図11及び図12に示す例と同様であるが、第1−3の太陽光受光装置(A)−(C)の基本共振波長がそれぞれ第1−3の波長λA、λB、λCである点が強調されている(λA＞λB＞λC)。
【００８０】
図16、図17、図18に示すような太陽光受光システム100に鉛直上方から太陽光が入射する場合を考える。先ず、第1の太陽光受光装置(A)に太陽光が入射し、第1の共振波長(λA/(2n+1)及びλA付近)の太陽光により、第1の太陽光受光装置(A)の共振器109Aが共振し、取り出された電力が給電線162Aを介して結合器105へ送られる。第1の太陽光受光装置(A)によっては受光されずに下方に漏れた太陽光のうち、第2の共振波長(λB/(2n+1)及びλB付近)の太陽光により、第2の太陽光受光装置(B)の共振器109Bが共振し、取り出された電力が給電線162Bを介して結合器105へ送られる。更に、第2の太陽光受光装置(B)によっても受光されずに下方に漏れた太陽光のうち、第3の共振波長(λC/(2n+1)及びλC付近)の太陽光により、第3の太陽光受光装置(C)の共振器109Cが共振し、取り出された電力が給電線162Cを介して結合器105へ送られる。
【００８１】
＜４．応用例＞
＜＜４．１  ツリー構造＞＞
図1に示すような太陽光受光装置や、図7ないし図18に示すような太陽光受光システムをそれぞれ単独で使用することも可能であるし、或いはそれらを組み合わせることも可能である。
【００８２】
図19は、複数の太陽光受光装置又は太陽光受光システム(以下、必要に応じて「要素」と略す)191に接続された複数の給電部(例えば、図1における161)が、ツリー状に枝分かれした導電性経路192に接続されている受光システム190を示す。図19において木の葉のように描かれている多数の要素191は、図1に示すような太陽光受光装置又は図7ないし図18に示すような太陽光受光システムを含んでいる。例えば、太陽光受光装置や太陽光受光システムに使用される基板が、約0．1mmの厚みを有する透明なフレキシブル基板であった場合、要素191を木の葉のように形成することができる。このような要素191は、「リーフ(leaf)」又は「リーブズ(leaves)」と言及される。すなわち、「要素」と「リーフ」と「リーブズ」とは同義語として使用されてよい。図示されているように、ツリー状に「幹」から枝分かれした「枝」の部分にはリーフ191が結合されており、リーフ191で受光して得られた電力は、「枝」を経由して流れ、多数の「枝」からの電力が「幹」で合流し、整流器193に与えられる。従って「枝」や「幹」の部分は電力を合成する結合器の機能を有する。整流器193により、太陽光からの交流エネルギを直流エネルギとして取り出すことができる。取り出されたエネルギは、蓄電池等に与えられてもよいし、或いは何らかの負荷機器に与えられてもよい。なお、整流器193は必須ではなく、交流エネルギが他の装置に与えられてもよい。
【００８３】
なお、図示の実施の形態では、樹木の形状をした「幹」及び「枝」に「葉」の形状をしたリーフ191が接続されているが、そのような形状であることは必須ではない。太陽光を受光するための適切な如何なる形状が受光システムに使用されてもよい。ただし、図19に示すような形状であれば、家屋の屋根や庭に設けられても違和感がない等の点で有利である。受光システムは、屋外だけでなく、太陽光を受光できる適切な如何なる場所に設けられてもよい。
【００８４】
＜＜４．２  受光効率＞＞
図20は上記の「リーフ」(又は「要素」又は「リーブズ」)を用いて太陽光を受光した場合の受光効率と従来の太陽光パネルによる受光効率との比較例を示す。図中、横軸は波長[nm]を示し、縦軸はエネルギ強度を示す。実線は太陽光のスペクトラムを表す。従って、リーフや太陽光パネルで受光した際のエネルギ強度が実線の太陽光スペクトルに近づくほど受光効率は良いことを示す一方、受光したエネルギ強度が実線の太陽光スペクトルからずれているほど受光効率は悪いことを示す。
【００８５】
可視光領域の太陽光による光電効果を利用している従来の太陽光パネルは、図示されているように、可視光領域の波長(360nmないし830nm)のうち特に500nmないし750nmの波長に対して高いエネルギ強度を示している。しかしながら、太陽光に含まれているそれ以外の波長の太陽光は、適切に受信できていない。このため、従来の太陽光パネルの受光効率は18％程度に留まっている。
【００８６】
図中、「リーフ1枚」とあるのは、上記の「4．1  ツリー構造」で説明した「リーフ」を1枚利用することで太陽光を受光した場合のエネルギ強度を示す。このリーフに含まれている太陽光受光装置(図1、図7)又は太陽光受光システム(図10−18)の共振器の各々は、約438nm(875nm÷2)の長さを有するように設計されている。この共振器が共振する際の共振波長は、基本共振波長λ付近の波長を含む。「付近」とは実施の形態では±約20％であるが、例えば±10％のような他の数値が使用されてもよい。従って、共振器の基本共振波長が875nmであった場合、共振器は、700(＝850×0．8)nmないし1050(＝875×1．2)nmの範囲内の波長に対して共振し、その範囲内の波長の太陽光を受光できる。図示されているように、「リーフ1枚」の場合、受光した太陽光のエネルギ強度はかなり低く、受光効率は約15％に過ぎない。
【００８７】
図中、「リーフ2枚」とあるのは、上記の「リーフ1枚」の場合の「リーフ」を2枚組み合わせることで太陽光を受光した場合のエネルギ強度を示す。2枚の組み合わせ方は、「3．」で説明したように三次元的であるが、「2．」で説明したように二次元的であってもよい。図示されているように、「リーフ2枚」の場合に受光できる太陽光のエネルギ強度は、「リーフ1枚」の場合よりも高くなっているが、それでも受光効率は約30％に過ぎない。
【００８８】
図中、「リーフ9枚」とあるのは、上記の「リーフ1枚」の場合の「リーフ」を9枚組み合わせることで太陽光を受光した場合のエネルギ強度を示す。9枚の組み合わせ方も、「3．」で説明したように三次元的であるが、「2．」で説明したように二次元的であってもよい。図示されているように、「リーフ9枚」の場合に受光できる太陽光のエネルギ強度は、かなり高くなっており、受光効率は約75％に及んでいる。
【００８９】
図中、「リーフ10枚」とあるのは、上記の「リーフ1枚」の場合の「リーフ」を10枚組み合わせることで太陽光を受光した場合のエネルギ強度を示す。9枚の組み合わせ方は、「3．」で説明したように三次元的であるが、「2．」で説明したように二次元的であってもよい。図示されているように、700nmないし1050nmの波長範囲に対して受光できる太陽光のエネルギ強度は、太陽光スペクトラムのエネルギ強度に接近できる程度に高い。更に、他の波長に共振する受光システムを作成するため、太陽光に含まれる波長を10個の範囲に分割し、分割された個々の波長範囲毎に、太陽光受光装置又は太陽光受光システムを作成することで、1枚の「リーフ」が作成される。そのような「リーフ」を二次元的又は三次元的に10枚組み合わせた受光システムが波長範囲毎に作成され、波長範囲各々についてエネルギ強度が測定された。図中、「リーフ10枚」に示されているように、何れの波長範囲についても、受光できた太陽光のエネルギ密度は太陽光スペクトラムに接近しており、約80％もの高い受光効率を達成できている。理論的には、組み合わせる「リーフ」の枚数を多くすることで、100％に近づくように受光効率を高めることができる。
【００９０】
このように実施の形態によれば、太陽光受光装置又は太陽光受光システム、更にはそれらを組み合わせた受光システムを利用することで、様々な波長及び様々な偏波成分を有する多くの電磁波(太陽光)を効率的に受光できるようになる。そのような受光システムの構造は簡易でありかつ受光効率が高い等の点で有利である。
【００９１】
以上、特定の波長及び/又は偏波の太陽光を受光する実施の形態を説明してきたが、開示される内容はそのような実施の形態に限定されず、当業者は様々な変形例、修正例、代替例、置換例等を理解できるであろう。開示される実施の形態は、太陽光を受光する適切な如何なる装置又はシステムに適用されてもよい。実施の形態の理解を促すため具体的な数値例を用いて説明がなされたが、特に断りのない限り、それらの数値は単なる一例に過ぎず適切な如何なる値が使用されてもよい。例えば、基板の厚み、共振器の数、ループの数、共振器の寸法、太陽光受光装置の数等は適切な如何なる数値であってもよい。上記の説明における項目の区分けは開示される実施の形態に本質的ではなく、2つ以上の項目に記載された事項が必要に応じて組み合わせて使用されてもよいし、或いは或る項目に記載された事項が、別の項目に記載された事項に(矛盾しない限り)適用されてよい。
【００９２】
以下、開示される内容に関する具体的な実施の形態を例示的に列挙する。
（付記１）
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光装置。
（付記２）
鉛直方向における実質的に同じ高さに設けられた複数の太陽光受光装置を有する太陽光受光システムであって、
前記複数の太陽光受光装置の各々は、
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光システム。
（付記３）
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向である偏波に対して共振するように配置され、
前記複数の太陽光受光装置のうち別の少なくとも１つにおける複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が前記第１の方向とは異なる第２の方向である偏波に対して共振するように配置されている、付記項２に記載の太陽光受光システム。
（付記４）
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける複数の共振器の各々が、第１の波長の太陽光に対して共振するような長さを有し、
前記複数の太陽光受光装置のうち少なくとも１つにおける前記複数の共振器の各々が、前記第１の波長とは異なる第２の波長の太陽光に対して共振するような長さを有する、付記項２に記載の太陽光受光システム。
（付記５）
鉛直方向における異なる高さに設けられた複数の太陽光受光装置を有する太陽光受光システムであって、
前記複数の太陽光受光装置の各々は、
基板と、
前記基板の表面において、部分的に接した複数のループを描くように所定の間隔を空けて並べられた複数の共振器と
を有し、前記複数の共振器の各々は、所定の波長の太陽光に共振するような長さを有し、
前記複数のループのうちの１つ以上のループに属する所定の共振器を介して、前記太陽光のエネルギが取り出される、太陽光受光システム。
（付記６）
前記複数の太陽光受光装置のうち第１の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向である偏波に対して共振するように配置され、
前記複数の太陽光受光装置のうち前記第１の高さとは異なる第２の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、電場又は磁場の振幅方向が第１の方向とは異なる第２の方向である偏波に対して共振するように配置されている、付記項５に記載の太陽光受光システム。
（付記７）
前記複数の太陽光受光装置のうち第１の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる複数の共振器の各々は、第１の波長の太陽光に対して共振するような長さを有し、
前記複数の太陽光受光装置のうち前記第１の高さとは異なる第２の高さに設けられた太陽光受光装置に含まれる前記複数の共振器の各々は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の太陽光に対して共振するような長さを有する、付記項５に記載の太陽光受光システム。
（付記８）
前記複数の太陽光受光装置に接続された複数の給電部が、ツリー状に枝分かれした導電性経路に接続されている、付記項５に記載の太陽光受光システム。
（付記９）
前記基板は、前記太陽光が透過するような透明な誘電体基板である、付記項１に記載の太陽光受光装置。
（付記１０）
前記基板の表面は、平面を規定している、付記項１に記載の太陽光受光装置。
（付記１１）
前記複数の共振器の各々の前記長さが、前記所定の波長の半分の長さに等しい、付記項１に記載の太陽光受光装置。
（付記１２）
前記複数のループのうちの１つ以上のループにおいて隣接している共振器が、前記波長の４分の１の長さだけずれた位置関係で平行に並んでいる、付記項１に記載の太陽光受光装置。
（付記１３）
前記隣接している共振器が、前記波長の半分の長さだけずれた位置関係で、前記波長の４分の１の距離を隔てて平行に並んでいる、付記項１２に記載の太陽光受光装置。
（付記１４）
前記所定の共振器と給電部との間でループを描かないように前記所定の間隔を空けて並べられた１つ以上の共振器も、前記基板の表面に設けられている、付記項１に記載の太陽光受光装置。
（付記１５）
前記複数の太陽光受光装置が少なくとも第１及び第２の太陽光受光装置を含み、前記第１の太陽光受光装置における少なくとも１つのループが囲む領域の中に、前記第２の太陽光受光装置における少なくとも１つのループの全部又は一部が含まれている、付記項２−４、８の何れか１項に記載の太陽光受光システム。
（付記１６）
前記複数の太陽光受光装置が少なくとも第１及び第２の太陽光受光装置を含み、前記第１の太陽光受光装置における少なくとも１つのループが囲む領域内の鉛直上方又は鉛直下方に、前記第２の太陽光受光装置における少なくとも１つのループの全部又は一部が存在する、付記項５−８の何れか１項に記載の太陽光受光システム。
【符号の説明】
【００９３】
1  太陽光受光装置
10  基板
11−14  第1ないし第4のループ
111−119、121−126、1301−1313、141−148  ループを描くように並べられた共振器
151−153  ループを描かないように並べられた共振器
161  給電部
162  給電線
【図１】
2014192617.tif 000003
【図２】
2014192617.tif 000004
【図３】
2014192617.tif 000005
【図４】
2014192617.tif 000006
【図５】
2014192617.tif 000007
【図６】
2014192617.tif 000008
【図７】
2014192617.tif 000009
【図８】
2014192617.tif 000010
【図９】
2014192617.tif 000011
【図１０】
2014192617.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2014192617.tif 000016
【図１５】
2014192617.tif 000017
【図１６】
2014192617.tif 000018
【図１７】
2014192617.tif 000019
【図１８】
2014192617.tif 000020
【図１９】
2014192617.tif 000021
【図２０】
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