(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光発電装置に好適に用いられ、小型かつ姿勢制御が容易な集光装置を提供する。【解決手段】複数の微小電極が配列されてなる第１の透明電極１１ａおよび第２の透明電極１１ｂと、透明電極の間に回転可能に保持され、正に帯電した第１部分と、負に帯電した第２部分とからなる透明ボール状部材１３と、を含む集光装置１０。第１の透明電極および第２の透明電極の少なくとも一方に電圧を印加することで、電極からの電界の作用により透明ボール状部材の姿勢を制御することで、集光装置全体を動作させるなくとも、異なる方向からの光線を任意の位置に集光することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光装置であって、
複数の微小電極が配列されてなる第１の透明電極および第２の透明電極と、
透明電極の間に回転可能に保持され、正に帯電した第１部分と、負に帯電した第２部分とからなる透明ボール状部材と、を含み
前記第１の透明電極および前記第２の少なくとも一方の透明電極に電圧を印加し、前記透明ボール状部材の姿勢を制御することで、異なる方向からの光線を任意の位置に集光することができる集光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の集光装置であって、前記第１部分と前記第２部分とが屈折率の異なる
透明樹脂からなることを特徴とする集光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の集光装置であって、前記透明ボール状部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に全反射面が形成されていることを特徴とする集光装置。
【請求項４】
請求項１に記載の集光装置であって、前記集光装置は太陽光を前記任意の位置に集光する装置であって、前記透明ボール状部材の姿勢が、太陽の位置に応じて制御されることを特徴とする集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光装置、より具体的には太陽光発電装置の集光機構として好適に用いられる集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の低い発電システムとして、太陽電池を用いた太陽光発電が注目されている。太陽光発電装置としては、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めた非集光固定型の平板式構造が一般的である。しかしながら、単に太陽電池素子を配置しただけでは、太陽の位置によっては、太陽電池素子の表面による太陽光の反射などにより太陽電池素子に取り込まれる光が少なくなってしまう。また、太陽電池素子は効率の高いものは非常に高価であり、さらに大型の太陽電池素子を製造することが困難であることから、太陽光を比較的小型の太陽電池素子に集光し、太陽電池素子の発電効率を高める技術が提案されている。
【０００３】
例えば、広い範囲に照射される太陽光を光学レンズや反射鏡などを用いて集光し、比較的小さな太陽電池素子に高エネルギー密度の太陽光を照射することで、太陽電池素子の単位面積あたりの発電電力を大きくすることが提案されている。これにより、太陽電池の効率を高めると共に、太陽電池素子を小型することで、太陽電池素子の使用量を減らし、太陽電池モジュールの低価格化を図ることが提案されている。
【０００４】
一方、太陽は時々刻々とその位置を変えるが、太陽光が太陽電池素子に効率的に集光されるためには、常に太陽光を正面で受光するように太陽を追尾する必要がある。このため、高集光倍率の太陽電池発電装置では、太陽を追尾する機構を備えているものが一般的である。（たとえば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５３９１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の高集光倍率の太陽電池発電装置は、集光レンズや反射鏡などの集光装置が非常に大形であり、また、太陽光発電に用いられる集光装置は、太陽が移動するにつれて、太陽光を集光する焦点が太陽電池パネルの位置となるように、集光装置の姿勢を制御する必要があるが、大形の集光装置の姿勢を制御するためには姿勢の制御装置も大形となり、また比較的大きな動力が必要であるという問題点があった。また、大形の集光装置全体を動かし、比較的小さな太陽電池素子に太陽光を集光させるためには、非常に精密な追尾機構が必要であり、さらに、太陽電池発電装置は屋外に設置されることが一般的であるが、風などの外的な力が太陽電池装置に働くことが多く、集光された太陽光を正確に太陽電池に集光し続けることが困難であるという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における集光装置は、複数の微小電極が配列されてなる第１の透明電極および第２の透明電極と、透明電極の間に回転可能に保持され、正に帯電した第１部分と、負に帯電した第２部分とからなる透明ボール状部材と、を含み、前記第１の透明電極および前記第２の透明電極の少なくとも一方に電圧を印加し、前記透明ボール状部材の姿勢を制御することで、異なる方向からの光線を任意の位置に集光することができるように構成したことを特徴とする。また、本発明の一能様においては、透明ボール状部材は第１部分と第２部分ごとに屈折率の異なる透明樹脂からなり、その界面に全反射面および／または光屈折面が構成される。本発明の別の能様では、第１部分と第２部分との界面に金属蒸着膜が形成される。
【０００８】
このように構成された集光装置を用いると、従来の集光装置と比較して、非常に小型かつ太陽の追尾に要する電力が非常に小さくてすむ集光装置を提供することができる。また、追尾装置全体の姿勢を制御せずに、太陽光を集光することができるため従来の集光装置とは異なり風などの影響を受けにくく、安定的に太陽光を集光することができる集光装置を提供することができる。さらに、電極に印加する電圧を調整することで太陽光を集光する場所を変更することができるために、従来のように追尾システムと太陽光発電素子とを正確に位置合わせを行わなくとも、安定的に太陽光を集光できる集光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の集光装置を断面図である。
【図２】図２は、本発明の集光装置におけるツイストボールの断面図である。
【図３】図３は、本発明の集光装置における球体粒子の制御方法を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の集光装置による太陽光の集光方法を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の集光装置による太陽光の追尾方法を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の集光装置全体の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、添付の図面を参考にしながら、本発明の集光装置について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明に基づく集光装置１０は、第１の透明電極１１ａ、第２の透明電極１１ｂ、透明樹脂１２及び、透明電極１１ａと１１ｂの間に配列された複数のツイストボール１３を有している。複数のツイストボール１３は、後述の図４および図６に示されるように、マトリックス状に配列されていることが好ましい。透明電極１１ａ、１１ｂとしては、例えばノートパソコンや携帯電話などの液晶表示素子や電子ペーパーに用いられる、酸化インジウム系のＩＴＯ透明導電膜などの従来公知のものを用いても構わない。また、本発明の集光装置１０とともに用いられる太陽電池素子の種類に応じて、太陽電池素子の発電が効率的に行われる周波数帯の光を透過するような電極を用いても良い。透明電極１１ａ、１１ｂは、図１に示されるように、各ツイストボール１３に対応して、複数の電極が配列されて構成される。このような構成により、電圧を印加する電極を選択することで、後述するように各ツイストボール１３の姿勢を制御することができる。
【００１２】
透明電極１１ａと１１ｂとツイストボール１３の隙間には、透明樹脂１２が充填されており、当該透明樹脂１２がバインダとなってツイストボール１３を結合している。また、透明電極１１ａ、１１ｂの外側には、保護膜や保護板などの透明部材が配置されても構わない。透明樹脂１２、保護膜や保護板などの透明部材は、光の透過率が高い材料から構成されることが好ましく、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂が例示できる。特に、メタクリル樹脂が、光透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性に優れており、最適である。このようなメタクリル樹脂としては、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であるものが好ましい。
【００１３】
（ツイストボール）図２にあるように、ツイストボール１３は透明マイクロカプセル２５中に、回転可能に支持された透明のボール状部材が配置されている。ここでは、透明ボール状部材として球体粒子２０を内包した構造について説明する。マイクロカプセル２５と球体粒子２０との間にはシリコーンオイル等の透光性液体２４が満たされているおり、各球体粒子２０は当該マイクロカプセル２５内でそれぞれ自由に回転可能となっている。なお、透光性液体２４は、球体粒子を回転可能に支持できれるものであれば、シリコーンオイルに限定されるものではない。また、透光性液体２４としては、上述の透明樹脂１２や、保護膜・保護板などの透明部材と屈折率が近いものを用いることが好ましい。例えば、透明樹脂１２などにメタクリル樹脂を用いる場合、シリコーンオイルの屈折率がメタクリル樹脂の屈折率と比較的に近いため、透光性液体２４としてシリコーンオイルを用いることが好ましい。さらに、透光性液体２４の代わりに、透明の潤滑膜等を用いても構わない。
【００１４】
球体粒子２０は一方の半球部分（第１部分）が透明樹脂２１ａからなり、他方の半球部分（第２部分）が透明樹脂２１ｂからなる。図２（ａ）のように透明樹脂２１ａと透明樹脂２１ｂは異なる屈折率を有している場合、透明樹脂２１ａと透明樹脂２１ｂの界面では入射する太陽光４１を全反射もしくは屈折させることが可能である。また図２（ｂ）のように透明樹脂２１ａと透明樹脂２１ｂが同一樹脂である場合でも、その界面に金属蒸着面を設け、光を反射させることで本発明の目的を達成してもよい。
【００１５】
また図３にあるように球体粒子２０は一方の半球部分がたとえば負の電荷を持ち、他方の半球部分が正の電荷をもち、双極子状態に帯電している。このため、ツイストボール１３を挟み込むように設置される透明電極１１ａ、１１ｂの間に電圧を印加させることにより、発生させた電界の方向によって球体粒子２０の向きをさまざまな方向に制御することができる。球体粒子２０を構成する材料としては、透明性の高く、屈折率の異なる２種以上の材料を用いることが好ましく、従来公知の透明の導電性樹脂などを用いることができる。例えば４級アンモニウム塩由来のアミノ基をもつ正帯電性を示す透明樹脂材料から半球部分を構成し、他方の半球部分をカルボン酸やフッ素原子をもつ負帯電性を示す樹脂材料から構成することで、球体粒子２０を構成しても構わない。また、透明樹脂に磁石粉や金属粉などを混入して、それぞれの半球部分が電荷を持つように構成しても構わない。なお、球体粒子２０は完全な球形である必要はなく、略球形のもの、ラグビーボール状や紡錘状などの略楕円球状のもの、多面体のものなどであっても構わない。
【００１６】
以下に、本発明に基づく集光装置の集光作用について説明する。図３（ａ）にあるように電圧をまったく印加しない場合、各球体粒子２０はマイクロカプセル２５内を自由に回転可能な状態であるが、たとえば図３（ｂ）にあるように球体粒子２０の直上から直下に向かう方向に電界が発生するよう電圧を印加とすると、球体粒子２０はその正に帯電した半球側が電界と同じ向きを向くように、すなわち正に帯電した半球側が下を向き、負に帯電した半球側が上を向くような状態に回転し固定される。また図３（ｃ）にあるように球体粒子２０の中心を通り、装置平面に対して垂直な方向より傾いた方向に電界が発生するよう電圧を印加すると、球体粒子２０はその正に帯電した半球側が電界と同じ向きを向くように回転し固定される。
【００１７】
各透明電極１１ａ、１１ｂの間に電圧を印加することにより、球状粒子２０の向きを任意の方向に固定すると、同時に各球体粒子２０内に形成された光反射面２２、又は光屈折面２３の向きも回転し、所定の方向をもって固定することが可能となる。
【００１８】
所定の方向に固定された光反射面２２、又は光屈折面２３に太陽光が入射すると、その光反射面２２、又は光屈折面２３の向きによって光の進行方向が所定の方向に曲げられる。このように電圧印加により球体粒子２０の向きを制御することで、球体粒子に入射された太陽光の進行方向を任意に制御することができる。
【００１９】
この集光装置１０では、各球体粒子２０を各々互いに向かい合う透明電極１１ａ、１１ｂ間に配置しているため、各透明電極間に発生させる電界を制御することにより、各球体粒子２０の向きを任意に制御することができる。
【００２０】
すなわち、各球体粒子２０の向きを最適に制御することによって、集光装置１０全体として太陽光４１を任意の位置に集光することが可能である。また上記球体粒子２０は、電圧の印加を停止した後も、電圧印加時の向きを長時間保持する特性を有しているため、上記太陽光４１を一定の位置に集光し続けることができる。
【００２１】
また、再度電圧を印加することで、各球体粒子２０の向き、すなわち集光位置を変更可能であり、各球体粒子２０の向きを時々刻々と変化する太陽６０の位置に対応させることによって、太陽６０を正確に追尾することが可能となる。
【００２２】
図４は、集光装置１０によって太陽光が集光される様子を表した概略図である。各球体粒子２０の向きは、各球体粒子２０に入射される太陽光が全反射又は屈折により太陽電池セル４０に向かうよう、それぞれの位置によって決定される。各球体粒子２０によってその進行方向を曲げられた太陽光４１は、全体として太陽電池セル４０上に集光される。
【００２３】
図５（ａ）は、集光装置１０に対して太陽光４１が４５°の角度をもって入射したときの、球体粒子２０の向きと光の進行方向を示す概念図である。太陽光４１はそれぞれの位置において各球体粒子２０の光反射面２２によって全反射され、集光装置１０を通過し太陽電池セル４０上に集光される。
【００２４】
また図５（ｂ）は、集光装置１０に対して太陽光４１が９０°の角度をもって入射したときの、球体粒子２０の向きと光の進行方向を示す概念図である。太陽光４１はそれぞれの位置において各球体粒子２０の光屈折面２３によって屈折され、集光装置１０を通過し太陽電池セル４０上に集光される。
【００２５】
図６にあるように、各球体粒子２０の向きの制御、すなわち各透明電極１１ａ、１１ｂ間の印加電圧の制御は制御装置６２によって行う。各球体粒子２０の向きは、太陽光センサ等６３により太陽６０の位置を検出することで決定してもよく、また太陽電池の設置位置（緯度、経度）や日時から算出される太陽の位置から決定してもよい。
【００２６】
なお、本発明に係る集光装置は、上述の説明に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で種々の変更が加えられても構わない。
【符号の説明】
【００２７】
１０  集光装置
１１ａ  透明電極
１１ｂ  透明電極
１２  透明樹脂
１３  ツイストボール
２０  球体粒子
２１ａ  透明樹脂（ｎ１）
２１ｂ  透明樹脂（ｎ２）
２２  光反射面
２３  光屈折面
２４  シリコーンオイル等透光性液体
２５  マイクロカプセル
４０  セル
４１  太陽光
６０  太陽
６１  集光された光
６２  制御装置
６３  太陽光センサ
７０  従来の追尾集光装置
【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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