(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストでコンパクトな光学素子及び太陽電池システムを提供する。【解決手段】光学素子１は、第１面１ａ及び第１面１ａに対向する第２面１ｂを有し、第１面１ａに入射した光線は、第１面１ａから射出するよりも多く第２面１ｂから射出し、第２面１ｂに入射した光線は、第１面１ａから射出するよりも多く第２面１ｂから射出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及び第１面に対向する第２面を有し、
前記第１面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出し、
前記第２面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出する
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１面と前記第２面の間に膜部材を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記膜部材は、反射型ホログラムである
ことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記膜部材は、多層膜である
ことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記多層膜は、気体層を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１面又は前記第２面に金属周期構造を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
膜部材を有し、
前記膜部材に前記金属周期構造を形成する
ことを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記金属周期構造を前記第１金属周期構造とし、
前記第１面と前記第２面の間に前記第１金属周期構造と同じ周期の第２金属周期構造を対向して形成する
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第２面側に透明な支持体を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
第１面及び第１面に対向する第２面を有し、前記第１面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出し、前記第２面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出する光学素子と、
前記光学素子の前記第２面側に離間して設置される反射素子と、
前記光学素子と前記反射素子に挟持され気体に満たされた導光部と、
前記導光部に導光された光線が入射する太陽電池と、
を有する
ことを特徴とする太陽電池システム。
【請求項１１】
前記反射素子の反射面は傾斜している
ことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池システム。
【請求項１２】
前記反射素子は、フレネル素子であって、
前記フレネル反射面は、前記太陽電池に近いほど前記光学素子の前記第１面又は前記第２面に対する傾斜角が小さい
ことを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池システム。
【請求項１３】
前記光学素子と前記反射素子の間に設置され光線を偏向する偏向素子を有する
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の太陽電池システム。
【請求項１４】
前記太陽電池は、前記導光部の側方に設置され第１の波長の光線を入射する第１太陽電池であって、
前記第１太陽電池の他に前記第１の波長と異なり前記反射素子を透過する第２の波長の光線を入射する第２太陽電池を有する
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の太陽電池システム。
【請求項１５】
前記光学素子、前記反射素子及び前記導光部は、それぞれ第１光学素子、第１反射素子及び第１導光部であって、
前記第１反射素子の前記第１光学素子とは反対側に設置された第２反射素子と、
前記第１反射素子と前記第２反射素子に挟持され気体に満たされた第２導光部と、
を有し、
前記第２の波長の光線は、前記第２導光部に導光され前記第２太陽電池に入射する
ことを特徴とする請求項１４に記載の太陽電池システム。
【請求項１６】
前記導光部の側方の前記太陽電池が設置されていない箇所に反射面を有する
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項に記載の太陽電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光等の光を集光する集光素子及び太陽光等の光を集光する集光素子を用いる太陽電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽光発電の方式として、受光面に太陽電池を敷き詰めた平板方式が多く用いられている。平板方式の太陽光発電装置は、太陽の向きを追尾する必要がなく、設置が容易であるが、設置面積全体に太陽電池を敷き詰めるため、高価である。
【０００３】
そこで、近年、太陽光をレンズ等で集光して太陽電池の面積を減らして効率的に発電を行う集光型太陽電池が普及しつつある（特許文献１〜４参照）。
【０００４】
しかしながら、集光型太陽電池は、太陽光を追尾する大がかりな装置が必要となり、結局コストがかかってしまっていた。
【０００５】
また、太陽光をガラスのような透明体に入射して、該透明体内を導光させて、集光させる太陽電池が開示されている（特許文献５〜８参照）。
【０００６】
しかしながら、透明体は、広い波長域で光を吸収することなく導光する必要があり、材料が限られ、高価なものであった。
【０００７】
なお、気体中を導光させる太陽電池が開示されている（特許文献９参照）。
【０００８】
しかしながら、特許文献９に記載された太陽電池は、導光中の反射数が少ないので、利用できる面積が小さくなってしまうという問題がある。また、素子の数が多く、効率が低下してしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２５８２９１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３９４１８号公報
【特許文献３】特開２００９−２２９５８１号公報
【特許文献４】特開２０１０−５２５５８２号公報
【特許文献５】特開２００７−２１８５４０号公報
【特許文献６】国際公開２００６−０３５６９８号公報
【特許文献７】特表２００１−５１０９０２号公報
【特許文献８】特表２０１１−５０５５８７号公報
【特許文献９】特表２０１０−５２５５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来技術のこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストでコンパクトであり、効率の良い光学素子及び太陽電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の光学素子は、第１面及び第１面に対向する第２面を有し、前記第１面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出し、前記第２面に入射した光線は、前記第１面から射出するよりも多く前記第２面から射出することを特徴とする。
【００１２】
また、前記第１面と前記第２面の間に膜部材を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記膜部材は、反射型ホログラムであることを特徴とする。
【００１４】
また、前記膜部材は、多層膜であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記多層膜は、気体層を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１面又は前記第２面に金属周期構造を形成することを特徴とする。
【００１７】
また、膜部材を有し、前記膜部材に前記金属周期構造を形成することを特徴とする。
【００１８】
また、前記金属周期構造を第１金属周期構造とし、前記第１面と前記第２面の間に前記第１金属周期構造と同じ周期の第２金属周期構造を対向して形成することを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２面側に透明な支持体を有することを特徴とする。
【００２０】
さらに、太陽電池システムは、前記光学素子と、前記光学素子の前記第２面側に離間して設置される反射素子と、前記光学素子と前記反射素子に挟持され気体に満たされた導光部と、前記導光部で導光された光線が入射する太陽電池と、を有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記反射素子の反射面は傾斜していることを特徴とする。
【００２２】
また、前記反射素子は、フレネル素子であって、前記フレネル反射面は、前記太陽電池に近いほど前記光学素子の前記第１面又は前記第２面に対する傾斜角が小さいことを特徴とする。
【００２３】
また、前記光学素子と前記反射素子の間に設置され光線を偏向する偏向素子を有することを特徴とする。
【００２４】
また、前記太陽電池は、前記導光部の側方に設置され第１の波長の光線を入射する第１太陽電池であって、前記第１太陽電池の他に前記第１の波長と異なり前記反射素子を透過する第２の波長の光線を入射する第２太陽電池を有することを特徴とする。
【００２５】
また、前記光学素子、前記反射素子及び前記導光部は、それぞれ第１光学素子、第１反射素子及び第１導光部であって、前記第１反射素子の前記第１光学素子とは反対側に設置された第２反射素子と、前記第１反射素子と前記第２反射素子に挟持され気体に満たされた第２導光部と、を有し、前記第２の波長の光線は、前記第２導光部で導光され前記第２太陽電池に入射することを特徴とする。
【００２６】
また、前記導光部の側方の前記太陽電池が設置されていない箇所に反射面を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明においては、低コストでコンパクトであり、効率の良い光学素子及び太陽電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【図２】第１実施形態の太陽電池システムの平面図である。
【図３】実施例１の光学素子を示す図である。
【図４】実施例１の変形例の光学素子を示す図である。
【図５】実施例１の他の変形例の光学素子を示す図である。
【図６】図５に示した実施例における効率を示すグラフである。
【図７】実施例２の光学素子を示す図である。
【図８】図７の一部を拡大した図である。
【図９】実施例２における効率を示すグラフである。
【図１０】光学素子の膜部材として、気体層を含む多層膜を用いた実施例２の変形例の効率を示すグラフである。
【図１１】光学素子の膜部材として、気体層を含む多層膜を用いた実施例２の変形例の効率を示すグラフである。
【図１２】実施例３の光学素子を示す図である。
【図１３】実施例３の変形例の光学素子を示す図である。
【図１４】図１３に示した実施例３の変形例における効率を示すグラフである。
【図１５】実施例３の他の変形例の光学素子を示す図である。
【図１６】図１５に示した実施例３の他の変形例における効率を示すグラフである
【図１７】金属周期構造を複数層形成した例の光学素子を示す図である。
【図１８】図１７に示した金属周期構造を複数層形成した例における効率を示すグラフである。
【図１９】第２実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【図２０】第３実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【図２１】第４実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【図２２】第４実施形態の太陽電池システムの光学素子として気体層を含む多層膜を用いた例の効率を示すグラフである。
【図２３】第５実施形態の太陽電池システムを示す図である。
【図２４】第６実施形態の太陽電池システムを示す図である。
【図２５】太陽電池の配置例を示す平面図である。
【図２６】太陽電池の配置例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の集光素子及び太陽電池システムについて説明する。
【００３０】
図１は、第１実施形態の太陽電池システムの断面図である。また、図２は、第１実施形態の太陽電池システムの平面図である。
【００３１】
太陽電池システム１００は、太陽光が入光する光学素子１と、光学素子１から入射した光線が反射する反射素子２と、反射素子２で反射した光線を電力に変換する太陽電池１０と、を備える。
【００３２】
光学素子１は、光線が入射する第１面１ａと、第１面１ａから入射し反射素子２で反射した光線が反射する第２面１ｂと、を有する。そして、第１面１ａに入射した光線は、第１面１ａから射出するよりも多く第２面１ｂから射出し、第２面１ｂに入射した光線は、第１面１ａから射出するよりも多く第２面１ｂから射出する構成となっている。
【００３３】
このような構成によって、光学素子１を、低コストでコンパクトであり、効率の良いものとすることが可能となる。
【００３４】
反射素子２は、光学素子１の第２面１ｂの側に導光部Ｓを挟んで配置される。また、太陽電池１０は、光学素子１と反射素子２の間の導光部Ｓの側方に配置される。導光部Ｓは、気体が満たされており、特に空気が好ましい。
【００３５】
光学素子１から入射する光線の一部は、光学素子１を透過し、反射素子２で反射して太陽電池１０に入射する。光学素子１から入射する光線の他の一部は、反射素子２及び光学素子１の第２面１ｂで、一度又は繰り返し反射して、太陽電池１０に入射する。
【００３６】
また、図示しない導光部Ｓの周囲のうち、太陽電池１０を配置しない箇所は、反射面にすると好ましい。
【００３７】
図３は、実施例１の光学素子１を示す図である。
【００３８】
実施例１の光学素子１は、フィルムまたはガラス等からなる支持体１１と、支持体１１に積層される膜部材１２と、を有する。膜部材１２としては、反射ホログラム等が好ましい。
【００３９】
実施例１の光学素子１の第１面１ａから入射した光は、支持体１１及び膜部材１２を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光は、膜部材１２で反射する。
【００４０】
このような構成によって、光学素子１を、低コストでコンパクトであり、効率の良いものとすることが可能となる。
【００４１】
図４は、実施例１の変形例の光学素子１を示す図である。
【００４２】
実施例１の変形例では、光学素子１は、光線が入射する第１面１ａ側に膜部材１２が配置され、光線が射出する第２面１ｂ側に支持体１１が配置される。膜部材１２としては、反射ホログラム等が好ましい。
【００４３】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、膜部材１２及び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから支持体１１を透過し、膜部材１２で反射し、再び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００４４】
このような構成によって、光学素子１を、さらにコンパクトで効率の良いものとすることが可能となる。
【００４５】
図５は、実施例１の他の変形例の光学素子１を示す図である。
【００４６】
実施例１の他の変形例では、光学素子１は、光線が入射する第１面１ａ側に第２の支持体１１’をさらに配置し、光線が射出する第２面１ｂ側に第１の支持体１１が配置され、第１の支持体１１と第２の支持体１１’との間に膜部材１２を配置する。
【００４７】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、第２の支持体１１’を透過して、膜部材１２及び第１の支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから第１の支持体１１を透過し、膜部材１２で反射し、再び第１の支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００４８】
次に、光学素子１の効率について説明する。
【００４９】
光学素子１は、反射時の各入射角θ（気体中換算）、各波長λのうち、以下の式（１）を満足する全θ、λの平均値が最小になるように設計した。
｛１−（入射角０°における透過０次回折効率）
×（入射角θにおける反射０次回折効率）p｝
【００５０】
具体的には、以下の式（２）の評価関数ｅで表される２乗平均平方根が最小になるようにした。ここで、平均効率η＝１−ｅは、１入射角１波長当たりの透過１回と反射ｐ回の効率を掛け合わせた平均を示す。
【００５１】
【数１】
2014013306.tif 000003
【００５２】
ただし、ｐは、自然数の他、１．５等の実数も可能である。例えば、ｐ＝１のときは透過１回と反射１回、ｐ＝２のときは透過１回と反射２回、ｐ＝１．５のときは透過１回と反射が１〜２回（入射位置によって反射が１回の場合と２回の場合が混在）を想定している。なお、太陽電池１０から遠い場合ｐ＝２、近い場合ｐ＝１のように、位置によって異なる設計としてもよい。
【００５３】
図６は、図５に示した実施例における効率を示すグラフである。グラフの横軸は入射光の波長、縦軸は効率を示している。なお、縦軸の効率における透過は透過効率単体、反射は反射効率単体、を示している（以下、同様）。
【００５４】
図５に示した実施例の光学素子１の仕様を説明する。支持体１１及び別の支持体１１’の屈折率は、１．５とする。また、膜部材１２として、反射型ホログラムを用いる。反射型ホログラムは、平均屈折率１．５、Δｎ＝０．０６、膜厚１９４μｍである。干渉縞は、傾きが水平（アンスラスト）であり、ピッチが膜厚方向に徐々に変化するチャーピングの状態で線形に変化し、中心ピッチは２９２ｎｍ、チャーピングの度合いは、中心ピッチ周りに±２７％（２１２〜３７２ｎｍ）である。
【００５５】
光学素子１の膜部材１２として反射型ホログラム１２を用いることによって、図６に示すように、透過及び反射共に高い効率になることがわかる。特に、波長６００ｎｍ以上において高い反射効率を示している。平均効率ηは、０．５４である。
【００５６】
このような構成によって、光学素子１を、さらにコンパクトで効率の良いものとすることが可能となる。
【００５７】
図７は、実施例２の光学素子１を示す図である。図８は、図７の一部を拡大した図である。
【００５８】
実施例２の光学素子１は、膜部材１３として多層膜１３を用いている。実施例２の光学素子１は、光線が入射する第１面１ａ側に膜部材１３が配置され、光線が射出する第２面１ｂ側に支持体１１が配置される。なお、支持体１１と膜部材１３を逆に配置してもよい。
【００５９】
膜部材１３は、図８に示すように、第１層１３1、第２層１３2、…第ｎ層１３nを有する多層膜からなる。実施例２では、以下の表のように、奇数の層を硫化亜鉛ＺｎＳ、偶数の層をフッ化マグネシウムＭｇＦ2から形成し、１２層とする。
【００６０】
【表１】
2014013306.tif 000004
【００６１】
実施例２の光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、膜部材１３及び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから支持体１１を透過し、膜部材１３で反射し、再び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００６２】
具体的には、図８に示したように、実施例２の光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、膜部材１３の第１層１３1、第２層１３2、…第ｎ層１３n及び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから支持体１１を透過し、膜部材１３の第１層１３1、第２層１３2、…第ｎ層１３nのいずれかで、干渉効果で反射し、再び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００６３】
図９は、実施例２における効率を示すグラフである。
【００６４】
光学素子１の膜部材１３として多層膜１３を用いることによって、図９に示すように、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。特に、波長６００ｎｍ以上において高い反射効率を示している。平均効率ηは、０．４０である。
【００６５】
図１０及び図１１は、光学素子１の膜部材１３として、気体層を含む多層膜１３を用いた実施例２の変形例の効率を示すグラフである。
【００６６】
気体層は、ガラス、フィルム、樹脂またはプラスティック等の透明体による多層膜１３の積層時に自然にできる空気等の気体の層である。なお、透明体による多層膜１３に面積比としては少ないスペーサ等を挟んで気体層を意図的に作成してもよい。
【００６７】
図１０に示すような効率となる例は、屈折率が１．５の支持体及び透明体４層に、屈折率１の気体層を４層有する光学素子１である。この例では、図１０に示すように、波長によらず、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。また、反射効率は、入射角が大きいほど高くなる。平均効率ηは、０．５０である。
【００６８】
図１１に示すような効率となる例は、屈折率が１．３３の支持体及び透明体７層に、屈折率１の気体層を７層有する光学素子１である。この例では、図１１に示すように、波長によらず、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。また、反射効率は、入射角が大きいほど高くなる。平均効率ηは、０．５５である。
【００６９】
このような構成によって、光学素子１を、さらにコンパクトで効率の良いものとすることが可能となる。
【００７０】
図１２は、実施例３の光学素子１を示す図である。
【００７１】
実施例３の光学素子１は、支持体１１と、支持体１１の第１面１ａ側に設けられた金属周期構造部１４と、を有する。金属周期構造部１４は、支持体１１の第１面１ａに銀Ａｇをｘｙ平面上の２次元格子のドット状に配置したものであって、ｘ方向，ｙ方向ともにピッチは２００ｎｍであり、凸部の幅／ピッチであるデューティ比は０．１４、高さは２２５ｎｍである。
【００７２】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、金属周期構造部１４を通過し、支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから支持体１１を透過し、金属周期構造部１４で反射し、再び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００７３】
図１３は、実施例３の変形例の光学素子１を示す図である。
【００７４】
実施例３の変形例の光学素子１は、第１面１ａ側に配置された支持体１１と、第２面１ｂ側に設けられた金属周期構造部１４と、支持体１１と金属周期構造部１４との間に挟持された膜部材１５と、を有する。膜部材１５及び金属周期構造部１４は、図１２に示した実施例３と同様の構造である。
【００７５】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、支持体１１及び膜部材１５を透過し、金属周期構造部１４を通過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、金属周期構造部１４で反射する。
【００７６】
図１４は、図１３に示した実施例３の変形例における効率を示すグラフである。
【００７７】
支持体１１に膜部材１５及び金属周期構造部１４を積層した光学素子１を用いることによって、図１４に示すように、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。特に、特定の波長によらず、ほぼ全ての波長、特に７００ｎｍ以上の波長において高い反射効率を示している。平均効率ηは、０．５５である。
【００７８】
このような構成によって、光学素子１を、さらにコンパクトで効率の良いものとすることが可能となる。
【００７９】
図１５は、実施例３の他の変形例の光学素子１を示す図である。
【００８０】
実施例３の他の変形例の光学素子１は、図１３に示した光学素子１の第１面１ａ側と第２面１ｂ側を逆に配置した例であり、第２面１ｂ側に配置された支持体１１と、支持体１１の第１面１ａ側に設けられた膜部材１５と、膜部材１５の第１面１ａに設けられた金属周期構造部１４と、を有する。本実施例では、膜部材１５は、硫化亜鉛ＺｎＳからなり、膜厚は、５６５ｎｍである。金属周期構造部１４は、図１２に示した実施例３と同様の構造である。
【００８１】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、金属周期構造部１４を通過し、膜部材１５及び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから支持体１１及び膜部材１５を透過し、金属周期構造部１４で反射し、再び膜部材１５及び支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。
【００８２】
図１６は、図１５に示した実施例３の他の変形例における効率を示すグラフである。
【００８３】
図１３に示した支持体１１に膜部材１５及び金属周期構造部１４を積層した光学素子１を、図１５に示すように逆に用いても、図１６に示すように、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。特に、特定の波長によらず、ほぼ全ての波長において高い反射効率を示している。平均効率ηは、０．５８である。
【００８４】
このような構成によって、光学素子１を、さらにコンパクトで効率の良いものとすることが可能となる。
【００８５】
図１７は、金属周期構造を複数層形成した例の光学素子１を示す図である。
【００８６】
金属周期構造を複数層形成した例の光学素子１は、支持体１１と、支持体１１の第１面１ａ側に設けられた第１金属周期構造部１４ａと、支持体１１に積層され、第１金属周期構造部１４ａを覆うように配置された膜部材１５と、膜部材１５の第１面側１ａに設けられた第２金属周期構造部１４ｂと、を有する。膜部材１５及び金属周期構造部１４は、図１３に示した実施例３と同様の構造である。
【００８７】
光学素子１の第１面１ａから入射した光線は、第２金属周期構造部１４ｂを通過し、膜部材１５を透過し、第１金属周期構造部１４ａを通過し、支持体１１を透過して、第２面１ｂから射出する。また、図１に示した反射素子２で反射した光線は、第２面１ｂから入射し、支持体１１を透過する。そして、一部は第１金属周期構造部１４ａで反射し、支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。他の一部は膜部材１５を透過し、第２金属周期構造部１４ｂで反射し、再び膜部材１５を透過し、支持体１１を透過して第２面１ｂから射出する。すなわち、第１金属周期構造部１４ａ又は第２金属周期構造部１４ｂのいずれかで反射することで、効率をあげるものであり、金属周期構造部１４は、２つに限らず、複数設けてもよい。
【００８８】
図１８は、図１７に示した金属周期構造を複数層形成した例における効率を示すグラフである。
【００８９】
図１８に示すように、金属周期構造を複数層形成した例では、透過及び反射共に高い効率で行われることがわかる。特に、特定の波長によらず、ほぼ全ての波長において高い反射効率を示している。平均効率ηは、０．５７である。
【００９０】
このような構成によって、光学素子１を、さらに効率の良いものとすることが可能となる。
【００９１】
次に、第２実施形態の太陽電池システム１００について説明する。
【００９２】
図１９は第２実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【００９３】
第２実施形態の太陽電池システム１００は、反射素子２として、フレネル反射板２１を用いる。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００９４】
フレネル反射板２１は、光学素子１の第２面１ｂの側に導光部Ｓを挟んで配置される。また、フレネル反射板２１は、太陽電池１０側に傾斜面２１ａを向けて配置される。傾斜面２１ａは、この場合高さは一定で太陽電池１０に近づくほど長くなると共に、光学素子１の第１面１ａ又は第２面１ｂに対する傾斜角が小さくなる。
【００９５】
光学素子１の第１面１ａから入射した一部の光線は、光学素子１を透過し、反射素子２としてのフレネル反射板２１の傾斜面２１ａで反射して太陽電池１０に入射する。また、光学素子１の第１面１ａから入射した他の一部の光線は、光学素子１を透過し、反射素子２としてのフレネル反射板２１の傾斜面２１ａで反射して、光学素子１の第２面１ｂで反射する。
【００９６】
したがって、光学素子１から入射した他の一部の光線は、フレネル反射板２１及び光学素子１で一度又は繰り返し反射して、導光部Ｓを通過して、最終的に太陽電池１０に入射する。
【００９７】
このような構成によって、集光率が良くなり、太陽電池の量及び面積を少なくすることができ、コンパクトで効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【００９８】
次に、第３実施形態の太陽電池システム１００について説明する。
【００９９】
図２０は第３実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【０１００】
第３実施形態の太陽電池システム１００は、光学素子１の反射素子２側に偏向素子３を積層すると共に、反射素子２としての反射板２２を光学素子１と平行に配置したものである。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。偏向素子３としては、透過ホログラム３等を用いる。
【０１０１】
光学素子１の第１面１ａから入射した一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、太陽電池１０に入射する。また、光学素子１の第１面１ａから入射した他の一部の光線は、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、反射素子２としての反射板２２で反射し、太陽電池１０に入射する。さらに、光学素子１から入射したさらに他の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、反射素子２としての反射板２２で反射し、透過ホログラム３を通過し光学素子１の第２面１ｂで反射する。
【０１０２】
したがって、光学素子１から入射した光線は、反射板２２及び光学素子１で一度又は繰り返し反射をして、導光部Ｓを通過して、最終的に太陽電池１０に入射する。
【０１０３】
このような構成によって、集光率が良くなり、太陽電池の量及び面積を少なくすることができ、コンパクトで効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１０４】
次に、第４実施形態の太陽電池システム１００について説明する。
【０１０５】
図２１は第４実施形態の太陽電池システムの断面図である。
【０１０６】
第４実施形態の太陽電池システム１００は、反射素子２としての反射板２２を光学素子１と平行に配置し、反射板２２の光学素子１側に偏光素子４を積層したものである。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。偏向素子４としては、反射ホログラム４等を用いる。
【０１０７】
光学素子１の第１面１ａから入射した一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子４としての反射ホログラム４で偏向及び反射され、太陽電池１０に入射する。また、光学素子１の第１面１ａから入射した他の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子４としての反射ホログラム４で偏向及び反射され、光学素子１の第２面１ｂで反射して、太陽電池１０に入射する。
【０１０８】
さらに、光学素子１から入射したさらに他の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子４としての反射ホログラム４で偏向及び反射され、光学素子１の第２面１ｂで反射して、反射ホログラム４を透過して、反射板２２で反射する。したがって、光学素子１から入射した光さらに他の一部の光線は、その後反射板２２及び光学素子１で一度又は繰り返し反射して、導光部Ｓを通過して、最終的に太陽電池１０に入射する。
【０１０９】
ここで、第４実施形態の太陽電池システム１００の一例について説明する。
【０１１０】
太陽電池システム１００を太陽電池１０の幅ｄと偏向角θに対して１つの領域の幅がｄtanθとなる４つの領域Ａ〜Ｄに分割する。本例の光学素子１は、集光率が高くなるように、各領域ごとに異なる性能の素子を用いている。各領域の集光率は、以下の式（１）〜式（４）ように示すことができる。
【０１１１】
領域Ａ：ＴAηtanθ                                 （１）
領域Ｂ：ＴBＲAηtanθ                              （２）
領域Ｃ：ＴCＲBηη’tanθ                           （３）
領域Ｄ：ＴDＲCＲAηη’tanθ                        （４）
ただし、
Ｔは、光学素子１を透過する透過率であって、
ＴAは、領域Ａでの透過率、
ＴBは、領域Ｂでの透過率、
ＴCは、領域Ｃでの透過率、
ＴDは、領域Ｄでの透過率、
Ｒは、光学素子１の第２面１ｂで反射する反射率であって、
ＲAは、領域Ａでの反射率、
ＲBは、領域Ｂでの反射率、
ＲCは、領域Ｃでの反射率、
ＲDは、領域Ｄでの反射率、
ηは、反射ホログラム４に垂直に入射した光を反射及び偏向する際の効率、
η’は、反射ホログラム４に斜めに入射した光を透過し、反射板２２で反射し、反射ホログラム４を透過する際の効率、
である。
【０１１２】
例えば、領域Ｄに入射する光線が太陽電池１０に到達する効率は、ＴDηＲCη’ＲAであって、領域Ｄ内では効率は同じなので、領域Ｄに入射した全光線が、太陽電池に集まる集光率は、面積比＝（領域Ｄの面積／太陽電池の面積）＝ｄtanθ／ｄ＝tanθを掛けて、ＴDηＲCη’ＲAtanθ＝ＴDＲCＲAηη’tanθとなる。このような集光率を領域Ａ〜Ｄについて考えたものが、式（１）〜式（４）である。
【０１１３】
また、図２１に示した領域Ｄの左に領域Ｅ、領域Ｅの左に領域Ｆがあるとすると、領域Ｅ及び領域Ｆの集光率は、以下の式（５）及び式（６）のように示すことができる。
【０１１４】
領域Ｅ：ＴEＲDＲBηη’2tanθ                       （５）
領域Ｆ：ＴFＲEＲCＲAηη’2tanθ                    （６）
ただし、
ＴEは、領域Ｅでの透過率、
ＴFは、領域Ｆでの透過率、
ＲEは、領域Ｅでの反射率、
である。
【０１１５】
ここで、η＝１、η’＝１とすると、θ＝６０°、７０°、８０°の場合の各領域Ａ〜Ｆの集光率は、以下の表２のようになる。なお、光学素子１として、気体層を含む多層膜で構成されるものを用いた場合の表２に示す層数は、支持体を含む透明体の層数である。
【０１１６】
【表２】
2014013306.tif 000005
【０１１７】
図２２は、第４実施形態の太陽電池システムの光学素子として気体層を含む多層膜を用いた例の効率を示すグラフである。
【０１１８】
図８に示したような光学素子１の透明体及び支持体の屈折率を１．３３とすると、図２２に示すように、層数が多いほど反射効率は高くなり、透過効率は低くなる。なお、入射角が垂直付近の０°〜３０°の光学素子１の透過率は、ほとんど変化しないので、偏光素子としての反射ホログラム４の負担を低減するために、太陽光の入射を多少傾斜させてもよい。
【０１１９】
このような構成によって、集光率が良くなり、太陽電池の量及び面積を少なくすることができ、コンパクトで効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１２０】
図２３は、第５実施形態の太陽電池システムを示す図である。
【０１２１】
第５実施形態の太陽電池システムは、第１太陽電池１０と第２太陽電池１０’とを用いるものである。具体的には、光学素子１の第２面１ｂに偏向素子３を積層すると共に、偏向素子３と離間して反射素子２’を光学素子１と平行に配置し、反射素子２’の偏光素子３とは反対側に第２太陽電池１０’を配置したものである。偏向素子３としては、透過ホログラム３等を用いる。また、反射素子２’の構造は、光学素子１と同様である。導光部Ｓは、気体が満たされており、特に空気が好ましい。
【０１２２】
光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、第１太陽電池１０に入射する。また、光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域の他の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、反射素子２’で反射して、第１太陽電池１０に入射する。
【０１２３】
さらに、光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域のさらに他の一部の光線は、光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３で偏向され、反射素子２’で反射して、透過ホログラム３を透過し、光学素子１の第２面１ｂで反射する。したがって、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域の他の一部の光線は、反射素子２’及び光学素子１で一度又は繰り返し反射して、導光部Ｓを通過して、最終的に第１太陽電池１０に入射する。
【０１２４】
また、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第２波長域の光は、第１光学素子１を透過し、偏向素子３としての透過ホログラム３も透過し、反射素子２’としての第２光学素子２’も透過し、第２太陽電池１０’に入射する。
【０１２５】
このような構成によって、異なる波長域の光線によって複数の太陽電池がそれぞれ作用するので、集光率がさらに良くなり、さらに効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１２６】
図２４は、第６実施形態の太陽電池システムを示す図である。
【０１２７】
第６実施形態の太陽電池システムは、第１太陽電池１０と第２太陽電池１０’とを用いるものである。具体的には、第１光学素子１の第２面１ｂに第１偏向素子３を積層すると共に、第１偏向素子３と離間して反射素子としても機能する第２光学素子２’を第１光学素子１と平行に配置し、第２光学素子２’の第１偏向素子３とは反対側に第２偏向素子３’を積層すると共に、第２偏向素子３’と離間して第２反射素子２２としての反射板２２をそれぞれ平行に配置する。また、第１光学素子１と第２光学素子２’の間の第１導光部Ｓの側方に第１太陽電池１０が配置され、第２光学素子２’と反射板２２の間の第２導光部Ｓ’の側方に第２太陽電池１０’が配置される。第１偏向素子３及び第２偏向素子３’としては、透過ホログラム３等を用いる。第１導光部Ｓ及び第２導光部Ｓ’は、気体が満たされており、特に空気が好ましい。
【０１２８】
第１光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３で偏向され、第１太陽電池１０に入射する。また、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域の他の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３で偏向され、第２光学素子２’で反射して第１太陽電池１０に入射する。
【０１２９】
さらに、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域のさらに他の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３で偏向され、第２光学素子２’で反射して、第１透過ホログラム３を透過し、第１光学素子１の第２面１ｂで反射して、第１太陽電池１０に入射する。したがって、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第１波長域のさらに他の光線は、第２光学素子２’及び第１光学素子１で一度又は繰り返し反射して、第１導光部Ｓを通過して、最終的に第１太陽電池１０に入射する。
【０１３０】
第１光学素子１の第１面１ａから入射した第２波長域の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３も透過し、第２光学素子２’も透過し、第２偏向素子３’としての第２透過ホログラム３’ で偏向され、第１太陽電池１０に入射する。また、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第２波長域の他の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３も透過し、第２光学素子２’も透過し、第２偏向素子３’としての第２透過ホログラム３’ で偏向され、反射板２２で反射して、第２太陽電池１０’に入射する。
【０１３１】
さらに、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第２波長域のさらに他の一部の光線は、第１光学素子１を透過し、第１偏向素子３としての第１透過ホログラム３も透過し、第２光学素子２’も透過し、第２偏向素子３’としての第２透過ホログラム３’ で偏向され、反射板２２で反射して、第２透過ホログラム３’を透過し、第２光学素子２’で反射して、第２太陽電池１０’に入射する。したがって、第１光学素子１の第１面１ａから入射した第２波長域のさらに他の一部の光線は、第２光学素子２’及び反射板２２で一度又は繰り返し反射して、第２導光部Ｓ’を通過して、最終的に第２太陽電池１０’に入射する。
【０１３２】
このような構成によって、異なる波長域の光線によって複数の太陽電池がそれぞれ作用するので、集光率がさらに良くなり、さらに効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１３３】
なお、第６実施形態の太陽電池システム１００では、第１太陽電池１０と第２太陽電池１０’の２段の構成としたが、さらに３段、４段の構成としてもよい。
【０１３４】
図２５及び図２６は、太陽電池１０の配置例を示す平面図である。
【０１３５】
太陽電池１０は、図２５及び図２６に示すように、光学素子１の中央部に配置してもよい。この場合、図示しない偏向素子３の偏向方向を太陽電池１０の配置してある中央部に向かう方向となるように調整する。
【０１３６】
また、図示しない導光部Ｓの周囲は、反射面にすると好ましい。このような構成によって、集光率がさらに良くなり、さらに効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１３７】
なお、太陽電池１０の形状は、平面、曲面、円形、立体等どのような形状でも良い。このような構成によって、設計や設置箇所の自由度が増すので、好ましい。
【０１３８】
また、太陽電池１０の入射面の形状は、凹凸形状が好ましい。このような構成によって、集光率がさらに良くなり、さらに効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１３９】
また、太陽電池システム１００は、太陽追尾装置によって、太陽に追尾させることが好ましい。このような構成によって、集光率がさらに良くなり、さらに効率の良い太陽電池システム１００とすることが可能となる。
【０１４０】
追尾装置は、日中の時間変化に応じて一つの軸に対して移動し、導光部の導光方向が、軸に対して直交する方向であることが好ましい。簡単な構成で低コストに、効率の良い太陽電池システム１００を実現することが可能となる。
【０１４１】
以上、本発明の光学素子１及び太陽電池システム１００をいくつかの実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施形態に限定されず種々の変形が可能である。可能であれば、各実施形態の個々の部分を入れ替えて組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１４２】
１…光学素子
２…反射素子
２２…反射板
３…透過型ホログラム（偏向素子）
４…反射型ホログラム（偏向素子）
１０…太陽電池
１００…太陽電池システム
【図１】
2014013306.tif 000006
【図２】
2014013306.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014013306.tif 000010
【図６】
2014013306.tif 000011
【図７】
2014013306.tif 000012
【図８】
2014013306.tif 000013
【図９】
2014013306.tif 000014
【図１０】
2014013306.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
2014013306.tif 000017
【図１３】
2014013306.tif 000018
【図１４】
2014013306.tif 000019
【図１５】
2014013306.tif 000020
【図１６】
2014013306.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
2014013306.tif 000023
【図１９】
2014013306.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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