(57)【要約】      （修正有）【課題】長焦点距離であり、角度依存性がなく、集光倍率が数十倍以上でありつつも球面収差を減らした集光レンズ、及び厚みが薄く、中央部に機械機構がなくすことができるため美観性が良く、低コストでの実現が可能な集光型光電変換レンズ塊の球状層構造集光、ハニカム状に配置するには球状層構造集光装置を提供する。【解決手段】集光追尾光電変換装置は、球状レンズ塊、光電変換パネル４０、駆動装置、制御装置及び追尾機構１００を含み、球状レンズ塊は一つまたは多くの球状レンズからなり、屈折率の異なる多層構造からなり、球状内層透明部は、一つ外側の層より低誘電率であり、球状最内層透明部は低屈折率素材であり、屈折率条件に伴い球面収差を相殺する半径を持つように計算された厚みであり、集光追尾光電変換パネル３０として、集光レンズ、複数の太陽電池セル及び回路を備える。【選択図】図１４
2019204082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
９０％以上の電磁波を透過する球状最外層透明部と
９０％以上の電磁波を透過し、
前記球状最外層透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層透明部からなる
球状層構造集光レンズ。
【請求項２】
前記球状最外層透明部と前記球状最内層透明部の中間に
９０％以上の電磁波を透過する１層または複数層の球状中間層透明部を有することを特徴とする、
請求項１に記載の球状層構造集光レンズ。
【請求項３】
前記球状最外層透明部として９０％以上のミリ波を透過する球状最外層ミリ波透明部と
前記球状最内層透明部として９０％以上のミリ波を透過し、
前記球状最外層ミリ波透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層ミリ波透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層ミリ波透明部からなることを特徴とする、
請求項１に記載の球状層構造集光レンズ。
【請求項４】
前記球状最外層ミリ波透明部と前記球状最内層ミリ波透明部の中間に
９０％以上のミリ波を透過する1層または複数層の球状中間層ミリ波透明部を有することを特徴とする、
請求項３に記載の球状層構造集光レンズ。
【請求項５】
前記球状最外層透明部について９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過する球状最外層可視光透明部と
前記球状最内層透明部について
９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過し、
前記球状最外層可視光透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層可視光透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層可視光透明部からなることを特徴とする
請求項１に記載の球状層構造集光レンズ。
【請求項６】
前記球状最外層可視光透明部と前記球状最内層可視光透明部の中間に
９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過する１層または複数層の球状中間層可視光透明部を有することを特徴とする、
請求項５に記載の球状層構造集光レンズ。
【請求項７】
前記球状最内層透明部に
シリコーン樹脂、水、アルコール、カルボン酸類、ニトリル化合物、エーテル類、エステル類、フッ化アルカリ金属、フッ化アルカリ土類金属、フルオロカーボン液、フッ素樹脂、エアロゲルの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする、
請求項１〜６のいずれか一つに記載の球状層構造集光レンズ
【請求項８】
前記球状最内層透明部から
前記球状中間層透明部又は前記球状最外層透明部に向かって少なくとも１本以上の筒状空間を有することを特徴とする、
請求項１〜７のいずれか一つに記載の球状層構造集光レンズ
【請求項９】
前記筒状空間内に圧力吸収部品を有することを特徴とする、
請求項１〜８のいずれか１つに記載の球状層構造集光レンズ
【請求項１０】
前記球状層構造集光レンズを２つ以上用い、
前記球状層構造集光レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合されていることを特徴とする、
請求項１〜９のいずれか１つに記載の球状層構造レンズ塊
【請求項１１】
前記球状層構造集光レンズを６つ以上用い、
板状、かつ、ハニカム状に配置されていることを特徴とする、
請求項１０に記載の球状層構造レンズ塊
【請求項１２】
前記球状層構造集光レンズを４つ以上用い、
板状、かつ、格子状に配置されていることを特徴とする、
請求項１０に記載の球状層構造レンズ塊
【請求項１３】
ベース部と、
１つの球状集光レンズ、または、２つ以上の球状集光レンズを前記球状レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合した球状層構造レンズ塊と
追尾機構と、
光電変換パネルを備え、
前記光電変換パネルは、
単数、または複数の第１光電変換セルと、
光電変換セル支持台と、
前記光電変換セル支持台の表面の一部に設けられ、前記第１光電変換セルに電気的に接続可能な回路からなり、
前記追尾機構を介して前記光電変換パネルと前記球状レンズ塊が、
前記球状レンズ塊内の複数の球状レンズの焦点の位置に、前記複数の第１光電変換セルが配置されるように
相対的に動作することを特徴とする集光追尾光電変換装置。
【請求項１４】
前記球状層構造レンズ塊は、
請求項１０〜１２のいずれか一つに記載の前記球状層構造集光レンズ塊からなることを特徴とする、
請求項１３に記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項１５】
前記追尾機構は
前記ベース部の上に配置され、前記ベース部に設けられたＡ駆動機構と、
前記Ａ駆動機構によって前記ベース面の水平方向に移動可能なＡ移動部と、
前記ベース部の上に配置され、前記ベース部に設けられたＢ駆動機構と、
前記Ｂ駆動機構によって前記ベース部の垂直方向に移動可能なＢ移動部を備え、
前記Ａ駆動機構は、
前記Ａ移動部を前記ベース部の上に支持するための第１可動支持部及び第２可動支持部と、
前記第１可動支持部を第１方向に移動させる第１駆動部と、前記第２可動支持部を前記第１方向に対して垂直方向である第２方向に移動させる第２駆動部とを含み、
前記Ａ移動部の上には少なくとも１つ以上の前記光電変換パネルが配置され、
前記Ｂ移動部には前記球状層構造集光レンズ、または、前記球状層構造集光レンズ塊が配置されることを特徴とする、
請求項１３又は１４に記載の集光追尾光電変換装置
【請求項１６】
前記第１駆動部は、前記第１方向に延びる第１移動軸と、前記第１移動軸に沿って前記第１可動支持部を移動させるための駆動装置とを含み、
前記第２駆動部は、前記第１方向に延びる第２移動軸と、前記第２移動軸に沿って前記第２可動支持部を移動させるための駆動装置とを含むことを特徴とする、
請求項１５に記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項１７】
前記第１駆動部は、回転部材及び直線移動部材を有し且つ前記回転部材の回転動作を前記直線移動部材の第１方向の直線動作に変換する変換機構と、回転部材に回転入力を加えるモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記直線移動部材と共に移動するように該直線移動部材に取り付けられており、
前記第２駆動部は、回転部材及び直線移動部材を有し且つ前記回転部材の回転動作を前記直線移動部材の第２方向の直線動作に変換する変換機構と、回転部材に回転入力を加えるモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記直線移動部材と共に移動するように該直線移動部材に取り付けられていることを特徴とする、
請求項１５又は１６に記載の集光型光電変換装置。
【請求項１８】
前記第１駆動部は、前記変換機構である前記第１方向に延びるねじ軸、ナット及びボールからなる滑りねじと、前記ナットが前記ねじ軸に沿って移動するように該ねじ軸を回転させるためのギア部及び該ギア部に接続されたモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記ナットと共に移動するように該ナットに取り付けられており、
前記第２駆動部は、前記変換機構である前記第２方向に延びるねじ軸、ナット及びボールからなる滑りねじと、前記ナットが前記ねじ軸に沿って移動するように該ねじ軸を回転させるためのギア部及び該ギア部に接続されたモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記ナットと共に移動するように該ナットに取り付けられていることを特徴とする、
請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の集光型光電変換装置。
【請求項１９】
前記第１駆動部は、前記変換機構である前記第１方向に延びるラックギア及びピニオンギアからなるラックアンドピニオンと、前記ラックギアを前記第１方向に移動させるように前記ピニオンギアを回転させるためのモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記ラックギアと共に移動するように該ラックギアに取り付けられており、
前記第２駆動部は、前記変換機構である前記第２方向に延びるラックギア及びピニオンギアからなるラックアンドピニオンと、前記ラックギアを前記第２方向に移動させるように前記ピニオンギアを回転させるためのモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記ラックギアと共に移動するように該ラックギアに取り付けられていることを特徴とする、
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の集光型光電変換装置。
【請求項２０】
前記第１駆動部は、リニアモータＡを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記リニアモータＡと共に移動するように該リニアモータＡに取り付けられており、
前記第２駆動部は、リニアモータＢを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記リニアモータＢと共に移動するように該リニアモータＢに取り付けられていることを特徴とする、
請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項２１】
前記第１駆動部は、リニアモータＡを含み、
前記第１可動支持部として、前記第１駆動部における前記リニアモータＡと共に移動するように該リニアモータＡに取り付けられた別のリニアモータＣを含み、
前記第２駆動部は、リニアモータＢを含み、
前記第２可動支持部として、前記第２駆動部における前記リニアモータＢと共に移動するように該リニアモータＢに取り付けられた別のリニアモータＤを含むことを特徴とする、
請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項２２】
前記第１光電変換セルの各々は、前記光電変換セル支持台の表面上に分散的に配置され、
前記第１光電変換セルの総受光面積は、前記球状層構造レンズ塊の受光面面積の１０％以下である、
前記光電変換パネルパネルを有することを特徴とする、
請求項１３〜２１のいずれか１つに記載の集光追尾光電変換装置
【請求項２３】
少なくとも前記ベース部と、前記光電変換セル支持台について
前記散乱光を透過する高透過板からなり、
前記高透過板は前記球状層構造レンズ塊によって集光された太陽光を受光して、該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過することを特徴とする、
請求項１３〜２２のいずれか１つに記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項２４】
前記光電変換パネルについて、
前記第１光電変換セルの下部、又は周辺部に
前記第１光電変換セルより大きく、
前記第１光電変換セルと異なる光電変換素材からなる第２光電変換セルを備える
前記光電変換パネルを有することを特徴とする、
請求項１３〜２３のいずれか１つに記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項２５】
前記第１光電変換セルに接する形で直上部に、第１光電変換セルとほぼ同等の大きさの接触面積を有する補助集光部品を設けることを特徴とする、
請求項１３〜２４のいずれか１つに記載の集光追尾光電変換装置。
【請求項２６】
前記集光追尾光電変換装置について、
第１光電変換セル、第２光電変換セルとしてそれぞれ、太陽電池セルを用いた
請求項１３〜２５のいずれか１つに記載の集光追尾太陽光発電装置。
【請求項２７】
前記集光追尾光電変換装置について、
第１光電変換セルとして、センサを用いた
請求項１３〜２５のいずれか１つに記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項２８】
前記集光追尾光電変換装置について、
第１光電変換セルとして、光電変換受光器を用いた
請求項１３〜２５のいずれか１つに記載の光無線給電受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光追尾光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非集光型光電変換パネルや、レンズ、ミラー等の集光器を備えた集光型光電変換パネルが種々開発されている。また、予め設定された太陽軌道を追尾するようにこれら光電変換パネルを駆動する駆動装置と、該駆動装置の駆動量を予め設定された太陽軌道に合うように算出し、駆動装置を制御する制御装置とからなる追尾機構を備えた集光追尾光電変換装置も開発されている（特許文献２〜５）。
【０００３】
また、球状レンズは角度依存性がないが、球面収差が発生してしまう。この問題に対処するために、球内部の屈折率を変化させ、球表面に焦点が合い、かつ球面収差を発生させないレンズも開発されている（特許文献１，非特許文献１−３）。
【０００４】
さらに近年では、直達光を高倍率で光電変換セルに集光させることが可能なだけでなく、入射した散乱光を効率よく透過させ、多目的に利用することが可能な集光型光電変換パネルと、前記のごとき追尾機構とを備えた集光追尾光電変換装置も提案されている（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１０１５０２号広報
【特許文献２】特開２００３−３２４２１０号公報
【特許文献３】特開２０１２−０６９６１０号公報
【特許文献４】特開２０１３−０２１２８６号公報
【特許文献５】特開２０１４−０９５２８０号公報
【特許文献６】特開２０１６−０６２９３１号公報
【非特許文献１】Ｈａｌ  Ｓｃｈｒａｎｋ  ａｎｄ  Ｊｏｈｎ  ＳａｎＦｏｒｄ  “Ａ  Ｌｕｎｅｂｕｒｇ−Ｌｅｎｓ  Ｕｐｄａｔｅ”，  ＩＥＥＥ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍａｇａｚｉｎｅ，  Ｖｏｌ，  ３７，  Ｎｏ  １，  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １９９５
【非特許文献２】Ｐａｎａｇｉｏｔｉｓ  Ｋｏｔｓｉｄａｓ，  Ｖｉｊａｙ  Ｍｏｄｉ，Ｊｅｆｆｅｒｙ  Ｍ  Ｇｏｒｄｏｎ  “Ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｈｉｇｈ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｏｐｔｉｃｓ  ｂｙ  ｇｒａｄｉｅｎｔ−ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓｅｓ．”  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＥＸＰＲＥＳＳ  ｖｏｌ    １９，  Ｎｏ  ３，（２０１１）
【非特許文献３】Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ｍ．Ｇｏｒｄｏｎ  “Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｇｒａｄｉｅｎｔ−ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓｅｓ  ａｓ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｄｅｖｉｃｅｓ．”  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ  ｖｏｌ  ３９，Ｎｏ  ２２  （２０００）
【非特許文献４】Ｍａｋｏｔｏ  Ｔａｂａｔａ，  ＥＴ  ＡＬ． “Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｓｉｌｉｃａ  ａｅｒｏｇｅｌ  ｏｖｅｒ  ａ  ｗｉｄｅ  ｒａｎｇｅ  ｏｆ  ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ“  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ６２３  （２０１０）  ３３９−３４１
【非特許文献５】Ｇ．ＴＯＲＡＬＤＯ  “Ｓｐｅｒｉｃａｌ  Ｌｅｎｓｅｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ３２，  ２０５１（１９６１）
【非特許文献６】ＴＯＭＯＳ  Ｌ．  ＡＰＲＨＹＳ  “Ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｒａｄｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｌｅｎｓｅｓ”，  ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＡＮＴＥＮＮＡＳ  ＡＮＤ  ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ，  ＪＵＬＹ  １９７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的な追尾装置は、耐風性に優れた構造を実現するために装置が大がかりであるが、その割には太陽電池の積載量が多くない。そのため、分散可動型の追尾装置も提案されているが、該追尾装置は、機構が複雑であり、コストが上昇してしまう。また、該追尾装置は、設置時や搬送時の不具合が大きい。
【０００７】
さらに、従来の一般的な追尾装置には、その構成部材として、光透過性がないか非常に低いものが用いられている。そうすると、例えば入射した散乱光を透過させることが可能な集光型光電変換パネルを、一般的な追尾機構で追尾制御した場合、該集光型光電変換パネルを透過した散乱光は、追尾機構を透過することができず、散乱光を透過させることが可能な集光型光電変換パネルの利用価値が低下してしまう。
【０００８】
また、集光型光電変換パネルと可動分散型の追尾機構について建築物につけるとなると、美観性、設置利便性の問題により、薄型であること、中央部に機構がないことが求められている。
【０００９】
以上の点に鑑み、本発明の目的は、集光型光電変換パネルと分散可動型の追尾機構とを備えており、直達光を高倍率で集光することが可能であると同時に、散乱光を効率よく透過させ、多目的に利用することも可能なだけでなく、薄型で設置時の利便性や搬送時の可搬性に優れ、中央に機構部を配さないことも可能な、低コストでの実現が可能な集光追尾光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は集光型光電変換装置の集光部分に係る球状層構造集光レンズ、球状層構造集光レンズ塊を内包する。
本発明の一実施形態に係る球状層構造集光レンズは、
９０％以上の電磁波を透過する球状最外層透明部と
９０％以上の電磁波を透過し、
前記球状最外層透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層透明部からなることを特徴とする。
【００１１】
本実施形態に係る球状層構造集光レンズによると、球状レンズであり角度依存性はないが、そのもとで長焦点距離かつ球面収差を排することができる。
【００１２】
集光追尾光電変換装置は太陽光を集光、追尾して、太陽電池セルを光電変換セルとして用いた集光追尾太陽光発電装置として用いることができる。集光追尾太陽光発電装置にとって角度依存性がないことは位置移動だけで集光がなせるということにつながる。長焦点距離は最大許容角の増大につながる。
【００１３】
集光追尾光電変換装置は外部環境を追尾し、入射光を集光して、センサを光電変換セルとして用いたＬＩＤＥＲ（ＬＩＧＨＴ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＲＡＮＧＩＮＧ）装置として用いることができる。
ＬＩＤＥＲ装置にとって角度依存性がないことは全方位レーダーを作りやすくなる。長焦点距離かつ球面収差がないことはセンサ受光器面積が同一として球レンズ表面から引き離したうえで回り込み電磁波が減りノイズが少ない測定が行えるということである。また、ＬＩＤＥＲ装置においては各センサにおける利得が課題となるが、該集光追尾光電変換装置は１光電変換セルであるセンサごとに球状集光レンズが対応し、球状集光レンズ塊がまとまって外部環境を追尾するため、入射光が少なくなる遠距離に対しての利得が向上し、遠方に対してのセンサ感度が向上する。
【００１４】
集光追尾光電変換装置は特定の方向から来た光を曲げて第１光電変換セルとして光電変換受光器を用いて電力に変換する光無線給電受信機として用いることができる。光無線給電は、直進度の高い伝達光を用いて電気を遠方に給電させる装置であるが、送信側、受信側の位置が給電のたびに異なる。そのため、光無線給電においては伝達光の向きを整え、かつ多方向からくる伝達光を光電変換受光器に誘導する必要がある。該集光追尾光電変換装置は光無線給電受信機として特定の方向から来た伝達光を位置移動で光電変換受光器に誘導する。これにより、光無線給電受信を多方向の送信機に対して行うことができる。伝達光としてはレーザーを用いることができる。エキシマレーザー（波長１９０ｎｍ紫外線）、半導体レーザー（波長９００ｎｍ近赤外線）ＣＯ２レーザー（波長１０７００ｎｍ遠赤外線）などがあげられるが、これに限られるものではない。
【００１５】
また、前記球状最外層透明部と前記球状最内層透明部の中間に
９０％以上の電磁波を透過する１層または複数層の球状中間層透明部を有してもよい。
【００１６】
このことにより、例えば中間層にガラスなどソルベントクラックに強い素材を用い、最内層透明部に安価な有機溶剤性の素材を用い、最外層に安価な透明樹脂を用いることにより、安価な有機溶剤性の素材と透明樹脂を用いつつもソルベントクラックの問題を起こさない構成を作ることができる。
【００１７】
また、前記球状最外層透明部として９０％以上のミリ波を透過する球状最外層ミリ波透明部と
前記球状最内層透明部として９０％以上のミリ波を透過し、
前記球状最外層ミリ波透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層ミリ波透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層ミリ波透明部からなってもよい。
【００１８】
また、前記球状最外層透明部として、ミリ波に対して透明な球状最外層ミリ波透明部、前記球状最内層透明部として、ミリ波に対して透明な球状最内層ミリ波透明部を用いてもよい。
【００１９】
このことによってＬＩＤＥＲ装置でよく使われる波長である、ミリ波に対する集光を為すことができる。
【００２０】
また、前記球状最外層透明部について９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過する球状最外層可視光透明部と
前記球状最内層透明部について
９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過し、
前記球状最外層可視光透明部より０．０２以上屈折率が低く、
屈折率が１．４８以下で、
前記球状最外層可視光透明部半径の６０％以上９０％以下の半径を持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層可視光透明部を有してもよい。
【００２１】
かつ、前記球状最外層可視光透明部と前記球状最内層可視光透明部の中間に
９０％以上の可視光、または赤外線、または紫外線を透過する１層または複数層の球状中間層可視光透明部を有してもよい。
【００２２】
このことにより、集光追尾光電変換装置が対象とする可視光、または赤外線、または紫外線について効率よく集光、発電することができる。
【００２３】
前記球状最内層透明部に
シリコーン樹脂、水、アルコール、カルボン酸類、ニトリル化合物、エーテル類、エステル類、フッ化アルカリ金属、フッ化アルカリ土類金属、フルオロカーボン液、フッ素樹脂、エアロゲルの少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
【００２４】
これらの素材には低屈折率であるものを含むため、球状最内層透明部の屈折率低下に寄与し、長焦点距離を為すこと、さらには最大許容角の増大につながる。
【００２５】
前記球状層構造集光レンズを２つ以上用い、
前記球状層構造集光レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合されていることが好ましい、また、前記球状層構造集光レンズを６つ以上用い、板状、かつ、ハニカム状に配置、あるいは、格子状に配置した球状層構造レンズ塊を用いてもよい。
【００２６】
このことにより、レンズ厚みを薄くしたうえで、同時に複数の第１光電変換セルに集光することができる。格子状に配置すると、分割した成型がしやすくなる。ハニカム状に配置すると、レンズを効率的に多く配置することができる。
【００２７】
上記球状層構造集光レンズについて
前記球状最内層透明部から前記球状中間層透明部及び前記球状最外層透明部に向かって少なくとも１本以上の筒状空間を有することが好ましい。
また、前記筒状空間内に圧力吸収部品を有してもよい。
【００２８】
このようにすると、温度上下が発生しても、筒状空間部内空間で圧力の上下を吸収できるため、長期耐久性に耐える構造がなせる。圧力吸収部品を筒状空間内に設置することにより、球レンズ本体の集光に対する影響をなくすことができる。
【００２９】
本発明の一実施形態にかかる球状層構造集光レンズ塊は
前記球状層構造集光レンズを、
２つ以上用い、
前記球状層構造集光レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合していることを特徴とする。
【００３０】
本発明の一実施形態にかかる集光追尾光電変換装置は
ベース部と、
１つの球状集光レンズ、または、２つ以上の球状集光レンズを前記球状レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合した球状層構造レンズ塊と
追尾機構と、
光電変換パネルからなり、
前記追尾機構を介して前記光電変換パネルと前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊が相対的に動作することを特徴とする。
【００３１】
このようにすると、太陽光発電として、簡便な動作で太陽動作に合わせた追尾機構の動作により、前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊の焦点位置に、光電変換パネル上に配置された第一光電変換セルを相対的に移動させ、太陽光を集光したうえで第一光電変換セルに入射することができる。
【００３２】
また、ＬＩＤＥＲ装置として、簡便な動作で観測したい方向に合わせた追尾機構の動作により、前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊の焦点位置に、光電変換パネル上に配置された第一光電変換セルであるセンサを相対的に移動させ、観測光を集光したうえで第一光電変換セルに入射することができる。
【００３３】
また、光無線給電受信機として、簡便な動作で伝達光を受信したい方向に合わせた追尾機構の動作により、前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊の焦点位置に、光電変換パネル上に配置された第一光電変換セルである光電変換受光器を相対的に移動させ、伝達光を集光したうえで第一光電変換セルに入射することができる。
【００３４】
よって、簡便な構造で、追尾機構の移動に対応して、光電変換パネル上の、単数、または、複数の光電変換セルに光入射をすることができる。
【００３５】
上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置について、
前記追尾機構は
前記ベース部の上に配置され、前記ベース部に設けられたＡ駆動機構と、
前記Ａ駆動機構によって前記ベース面の水平方向に移動可能なＡ移動部と、
前記ベース部の上に配置され、前記ベース部に設けられたＢ駆動機構と、
前記Ｂ駆動機構によって前記ベース部の垂直方向に移動可能なＢ移動部を備え、
前記Ａ駆動機構は、
前記Ａ移動部を前記ベース部上に支持するための第１可動支持部及び第２可動支持部と、
前記第１可動支持部を第１方向に移動させる第１駆動部と、前記第２可動支持部を前記第１方向に対して垂直方向である第２方向に移動させる第２駆動部とを含み、
前記Ａ移動部の上には少なくとも１つ以上の光電変換パネルが配置され、
前記Ｂ移動部には前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊が配置され、
前記追尾機構を介して前記光電変換パネルと前記球状集光レンズ、または、前記球状集光レンズ塊が相対的に動作することを特徴とすることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、外部から第１方向、第２方向、第３方向の移動をなすことができ、多数の装置の同時駆動がなすことができる。また、第１駆動部と第２駆動部の干渉に配慮する範囲で薄型化をなすことができる。
【００３７】
上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置について、
前記第１駆動部は、回転部材及び直線移動部材を有し且つ前記回転部材の回転動作を前記直線移動部材の第１方向の直線動作に変換する変換機構と、回転部材に回転入力を加えるモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記直線移動部材と共に移動するように該直線移動部材に取り付けられており、
前記第２駆動部は、回転部材及び直線移動部材を有し且つ前記回転部材の回転動作を前記直線移動部材の第２方向の直線動作に変換する変換機構と、回転部材に回転入力を加えるモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記直線移動部材と共に移動するように該直線移動部材に取り付けられていることを特徴とすることが好ましい。
【００３８】
より具体的には、
前記第１駆動部は、前記変換機構である前記第１方向に延びるねじ軸、ナット及びボールからなる滑りねじと、前記ナットが前記ねじ軸に沿って移動するように該ねじ軸を回転させるためのギア部及び該ギア部に接続されたモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記ナットと共に移動するように該ナットに取り付けられており、
前記第２駆動部は、前記変換機構である前記第２方向に延びるねじ軸、ナット及びボールからなる滑りねじと、前記ナットが前記ねじ軸に沿って移動するように該ねじ軸を回転させるためのギア部及び該ギア部に接続されたモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記ナットと共に移動するように該ナットに取り付けられていることを特徴とすることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、上記第１可動支持部及び第２可動支持部の移動を簡便な構造で達成することができる。
【００４０】
上記各実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
前記第１駆動部は、前記第１方向に延びる第１移動軸と、前記第１移動軸に沿って前記第１可動支持部を移動させるための駆動装置とを含み、
前記第２駆動部は、前記第１方向に延びる第２移動軸と、前記第２移動軸に沿って前記第２可動支持部を移動させるための駆動装置とを含むことが好ましい。
【００４１】
このようにすると、第１可動支持部及び第２可動支持部が互いに垂直な方向に安定して移動でき、それにより移動部を円滑に移動できるので、光電変換パネルを円滑に駆動することが可能となる。
【００４２】
また、上記各実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
前記第１駆動部は、前記変換機構である前記第１方向に延びるラックギア及びピニオンギアからなるラックアンドピニオンと、前記ラックギアを前記第１方向に移動させるように前記ピニオンギアを回転させるためのモータとを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記ラックギアと共に移動するように該ラックギアに取り付けられており、
前記第２駆動部は、前記変換機構である前記第２方向に延びるラックギア及びピニオンギアからなるラックアンドピニオンと、前記ラックギアを前記第２方向に移動させるように前記ピニオンギアを回転させるためのモータとを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記ラックギアと共に移動するように該ラックギアに取り付けられていてもよい。
【００４３】
このようにしても、上記第１可動支持部及び第２可動支持部の移動を簡便な構造で達成することができる。
【００４４】
また、上記各実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
前記第１駆動部は、リニアモータＡを含み、
前記第１可動支持部は、前記第１駆動部における前記リニアモータＡと共に移動するように該リニアモータＡに取り付けられており、
前記第２駆動部は、リニアモータＢを含み、
前記第２可動支持部は、前記第２駆動部における前記リニアモータＢと共に移動するように該リニアモータＢに取り付けられていてもよい。
【００４５】
このようにしても、上記第１可動支持部及び第２可動支持部の移動を簡便な構造で達成することができる。
【００４６】
また、上記各実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
前記第１駆動部は、リニアモータＡを含み、
前記第１可動支持部として、前記第１駆動部における前記リニアモータＡと共に移動するように該リニアモータＡに取り付けられた別のリニアモータＣを含み、
前記第２駆動部は、リニアモータＢを含み、
前記第２可動支持部として、前記第２駆動部における前記リニアモータＢと共に移動するように該リニアモータＢに取り付けられた別のリニアモータＤを含んでもよい。
【００４７】
このようにしても、集光追尾光電変換装置について簡便な構成で為すことが可能である。
【００４８】
上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置について、
前記光電変換パネルは、
単数、または複数の第１光電変換セルと、
光電変換セル支持台と、
前記光電変換セル支持台の表面の一部に設けられ、前記第１光電変換セルに電気的に接続可能な回路を備え
前記第１光電変換セルの各々は、前記光電変換セル支持台の表面上に分散的に配置され、
前記第１光電変換セルの総受光面積は、前記球状集光レンズ、または、前記球状層構造集光レンズ塊の総レンズ面積の１０％以下である、
前記光電変換パネルで有ってもよい。
【００４９】
このようにすれば、光電変換セルとして、例えば、性能は非常に高いが高価な太陽電池の使用量を削減した末で、高性能発電をなすことができる。
【００５０】
また、上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
少なくとも前記ベース部と、前記光電変換セル支持台について
前記散乱光を透過する高透過板からなり、
前記高透過板は前記球状集光レンズ塊によって集光された太陽光を受光して、
該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過するようにしてもよい。
【００５１】
このようにすれば、集光太陽光発電に適した直達光を第１光電変換セルで発電し、散乱光成分を透過させることができる。直達光は快晴日において熱成分となるため、直達光のみを発電に用いて除去できるということは、真夏の暑い日射のみを遮り、柔らかな光となった散乱光のみを屋内に入れるという選択的太陽光フィルタとしての役割も果たすことができる。
【００５２】
また、上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置において、
前記光電変換パネルについて、
前記第１光電変換セルの下部、又は周辺部に
前記第１光電変換セルより大きく、
前記第１光電変換セルと異なる光電変換素材からなる第２光電変換セルを備える
前記光電変換パネルを有してもよい。
【００５３】
このようにすれば、集光太陽光発電に適した直達光を高性能だが高価な第１光電変換セルで発電し、集光太陽光発電に適さない散乱光成分を安価な第２光電変換セルで発電することができる。これは、高価な第１光電変換セルを用いつつもコストを抑えつつ、面積対高発電量をなすことができる。
【００５４】
また、上記実施形態に係る集光追尾光電変換装置において
前記第１光電変換セルに接する形で直上部に、第１光電変換セルとほぼ同等の大きさの接触面積を有する補助集光部品を設けてもよい。
【００５５】
このようにすれば、第１光電変換セルにおいて、入射がわずかにそれた光を第１光電変換セルに入射させることができる。また、第１光電変換セルにおいての光を第１光電変換セル表面全体に分散させることにより、過度な部分的な温度上昇による破損を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例１に係る、球状層構造集光レンズの２層における構造を示す図である。
【図２】実施例２に係る、球状層構造集光レンズの３層における構造を示す図である。
【図３】実施例３及び実施例４に係る、球状層構造集光レンズの筒状空間を有する構造を示す図である。（ａ）が筒状空間のみの構造（ｂ）が筒状空間内に圧力吸収部品を含んだ構造である。
【図４】実施例５に係る、球状層構造集光レンズ塊について格子状に球状層構造集光レンズを配置した条件下での構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜面図である。
【図５】実施例６に係る、球状層構造集光レンズ塊についてハニカム状に球状層構造集光レンズを配置した条件下での構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜面図である。
【図６】実施例７に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】実施例８に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】実施例９に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】実施例１０に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略断面図である。
【図１０】実施例１１及び実施例１２に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は集光型光電変換パネルの断面図、（ｂ）はセルパッケージの断面図、（ｃ）はセルパッケージの断面図である。
【図１１】実施例１３に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１２】実施例１４に係る、集光型光電変換パネルの構成例を示す概略説明図であり、（ａ）は集光型光電変換パネルの断面図、（ｂ）はセルパッケージの断面図である。
【図１３】実施例１５に係る、集光型光電変換パネルが太陽の動作に伴い動作する状況を示す概略説明図であり、（ａ）太陽が直上部にある場合の概略説明図（ｂ）太陽が斜め上部にある場合の概略図である。
【図１４】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置を示す斜視図である
【図１５】図１４の状態から球状層構造集光レンズ塊を除去した状況を示す斜視図である。
【図１６】図１５の状態から光電変換パネルを除去した状況を示す斜視図である。
【図１７】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置のＡ駆動機構を示す斜視図である。
【図１８】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置の第１可動支持部を示す斜視図である。
【図１９】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置の第２可動支持部を示す斜視図である。
【図２０】図１７の状態からＡ移動部が第１方向に移動された状態を示す斜視図である。
【図２１】図２０の状態からＡ移動部が第２方向に移動された状態を示す斜視図である。
【図２２】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置のＢ駆動機構を示す斜視図である。
【図２３】図２２の状態からＢ移動部が第３方向に移動された状態を示す斜視図である。
【図２４】実施例１６に係る、集光追尾光電変換装置を示す斜視図である。
【図２５】図２４の状態から球状層構造集光レンズ塊と、光電変換パネルを除去した状況を示す斜視図である。
【図２６】図２５の状態のＡ駆動装置を示す上面図である。
【図２７】図２６の状態から第１方向に移動された状態を表す上面図である。
【図２８】図２７の状態から第２方向に移動された状態を表す上面図である。
【図２９】設計理論１に係る、最大許容角の状態における、球状層構造集光レンズと光電変換セル支持台と第１光電変換セルの状態を示す概略説明図である。
【図３０】設計理論１に係る、球状層構造集光レンズ半径で正規化した焦点距離と、最大許容角との関連性を示すグラフである。
【図３１】設計理論１に係る、球状レンズの屈折率と、該屈折率における球レンズの焦点距離における、最大許容角の関連性を示すグラフである。
【図３２】光学シミュレーションにおける計算条件の概略説明図である。
【図３３】設計理論２に係る、球状最内層透明部の半径（以下最内層半径）を変化した場合において、最大光学効率を得る焦点距離を示す光学シミュレーションの結果である。
【図３４】設計理論２に係る、光学シミュレーションにおける光線のふるまいを示す。（ａ）全ＰＭＭＡ球（ｂ）最外層透明部：ＰＭＭＡ、最内層透明部：ｓｉｌｉｃｏｎｅにおける、球状最内層透明部最適化（ｃ）全ｓｉｌｉｃｏｎｅ球
【図３５】設計理論２に係る、光学シミュレーションにおける焦点面における光線の分散を示す。（ａ）全ＰＭＭＡ球（ｂ）最外層透明部：ＰＭＭＡ、最内層透明部：ｓｉｌｉｃｏｎｅにおける球状最内層透明部最適化（ｃ）全ｓｉｌｉｃｏｎｅ球
【図３６】設計理論３に係る、光学シミュレーションにおける、最外層透明部：ＰＭＭＡ、最内層透明部：ｓｉｌｉｃｏｎｅの構造で、最内層半径を最適化した条件においての、集光倍率と、最内層半径と光学効率との関係のグラフである。
【図３７】設計理論３に係る、光学シミュレーションにおける、最外層透明部：ＰＭＭＡ、最内層透明部：ｓｉｌｉｃｏｎｅの構造で、球状最内層透明部を最適化した条件においての、集光倍率と、焦点距離と光学効率の関係のグラフである。
【図３８】設計理論４に係る、光学シミュレーションにおける最外層透明部の屈折率１．５として、最内層透明部の屈折率（以下最内層屈折率）を変化させた際の、球状層構造集光レンズの半径で正規化された焦点距離（以下正規化焦点距離）と、光学効率の関係のグラフである。
【図３９】設計理論４に係る、光学シミュレーションにおける球状最外層可視光透明部の屈折率１．５として、最内層屈折率を変化させた際の、光学効率と、光学シミュレーションによる球状層構造集光レンズの正規化焦点距離と、球レンズの公式を用いた計算による単層球状レンズの正規化焦点距離の関係のグラフである。
【図４０】設計理論５に係る、光学シミュレーションにおける集光倍率１００倍、３層構造の条件における、球状最外層透明部の半径（以下最外層半径）で正規化された球状中間層透明部の半径（以下正規化中間層半径）と、最外層半径で正規化された球状最内層透明部の半径（以下正規化最内層半径）とを変化させた場合の、最適な正規化中間層半径と正規化最内層半径の関係のグラフである。
【図４１】設計理論５に係る、光学シミュレーションにおける集光倍率１００倍、３層構造の条件における、正規化中間透半径と、半径によって正規化された正規化最内層半径とを変化させた場合の、正規化球状最内層透明部と正規化焦点距離と光学効率の関係である。
【図４２】設計理論５に係る、光学シミュレーションにおける集光倍率１００倍、３層構造の条件における、正規化中間層半径を８０％に設定した条件の下での、正規化焦点距離と光学効率の関係のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示にすぎず、本発明、その適用方法あるいはその用途を制限することを意図するものではない。
【００５８】
＜球状層構造集光レンズ＞
本発明の一実施形態に係る球状層構造集光レンズは少なくとも
（１）９０％以上の電磁波を透過する球状最外層透明部と
（２）前記球状最外層透明部ｒｏｕｔの６０％以上９０％以下の半径ｒｃｏｒｅを持ち、
球面収差を相殺する屈折率と半径を持つ球状最内層透明部
を備えている。
【００５９】
＜集光追尾光電変換装置＞
本発明の一実施形態に係る集光追尾光電変換装置は少なくとも
（１）ベース部と、
（２）１つの球状集光レンズ、または、２つ以上の球状集光レンズを前記球状レンズ中心部の高さが同じになるように板状に接合した球状層構造レンズ塊と、
（３）追尾機構と、
（４）光電変換パネルを備えている。
【００６０】
［実施例１］
図１は、実施例１に係る球状層構造集光レンズの２層における構造を示す図である。
【００６１】
球状層構造集光レンズ１０は、図１に示すように、高い屈折率を持つ球状最外層透明部１１と、球状最内層透明部１２から構成されている。
【００６２】
球状最外層透明部１１について、ミリ波に対して９０％以上の透過率を有する物質、また、可視光、または赤外線、または紫外線に対して９０％以上の透過率を有する物質を用いてもよい。例としてはガラス、ポリスチレン、ＰＭＭＡ、ポリカーボネートなどがあげられるが、これに制約されるものではない。設計理論２で示すが、球状単層構造集光レンズの光学効率は、本発明の球状層構造集光レンズにおける光学効率の８８％程度である。逆を返せば、９０％程度以上透過率がないと本発明による効果を発揮しない。
【００６３】
球状最内層透明部１２について、ミリ波に対して９０％以上の透過率を有する物質、また、可視光、または赤外線、または紫外線に対して９０％以上の透過率を有する物質を用いてもよい。また、屈折率が低いと長焦点をなせるため好ましい。
【００６４】
球状最内層透明部１２に用いるのが好ましい屈折率が低い物質の例として、信越化学製ＦＥＲ−７１１０（屈折率１．３６）等シリコーン樹脂、水（屈折率１．３３）、メタノール（屈折率１．３２６）等アルコール類、酢酸（屈折率１．３７）等カルボン酸類、アセトニトリル（屈折率１．３４４）等ニトリル化合物、エチルエーテル（屈折率１．３５３）等エーテル類、酢酸メチル（屈折率１．３６１）等エステル類、フッ化ナトリウム（屈折率１．３４）等フッ化アルカリ金属、フッ化カルシウム（屈折率１．４３３）などアルカリ土類金属、３Ｍ製ＦＣ−７７０（屈折率１．２７）（登録商標）等フルオロカーボン液、三井化学デュポン製テフロン（登録商標）ＡＦ２４００（屈折率１．２９）等フッ素樹脂、エアロゲル（シリカにおいて、屈折率１．００２６−１．２６）等があげられる。
【００６５】
また、球状最内層透明部１２に用いるメタノール等アルコール類、水、酢酸等カルボン酸類については、水素結合により近赤外帯の吸収が発生するが、安価かつ低屈折率かつ安全な素材である。そのため、ほかの低屈折率で水素結合をなさない物質と混和することにより、価格を下げつつ、低屈折率であり、近赤外帯の吸収をするのを防いでもよい。
【００６６】
球状最内層透明部１２の半径（最内層半径）については、球面収差を相殺する半径を計算して設定する。具体的な最内層半径は後述図３３で示すように最外層半径の６０−９０％の範囲で計算された半径である。
【００６７】
特許文献１、非特許文献１として屈折率を外側が低屈折率、内側が高屈折率で屈折率が傾斜変化をおこなうＬＵＮＥＢＵＲＧレンズという球レンズがある。非特許文献２にてＧＲＡＤＩＥＮＴ−ＩＮＤＥＸ  ＬＥＮＳＥＳを用いた集光太陽光発電装置が提案されている。長焦点距離がメリットであることも触れられているが、ＧＲＡＤＩＥＮＴ−ＩＮＤＥＸ  ＬＥＮＳＥＳを使用することを想定しており、ほぼ理論計算のみである。非特許文献３にＧＲＡＤＩＥＮＴ−ＩＮＤＥＸ  ＬＥＮＳＥＳの中心の屈折率と焦点率の関係、並びに、長焦点距離のＧＲＡＤＩＥＮＴ−ＩＮＤＥＸの具体的な屈折率の例が示されている。焦点距離２．５５における屈折率の範囲は１．０−１．１４である。非特許文献２から使用候補の素材の例として非特許文献４があげられている。非特許文献４の素材はエアロゲルとして多孔質のシリカを使用しており、屈折率が１．００２６−１．２６である。あくまで均質な屈折率素材による物質を作成する手法であり、精密な屈折率制御は現実的なコストでできないと考えられる。本発明の球状層構造集光レンズは、それぞれの層の素材は均一でよく、細かい屈折率制御までは不要である。また、具体的にこの球レンズについての位置操作方法までは触れられていない。さらなる参考文献として非特許文献４、５にて最内層屈折率が低屈折率、最外層屈折率が高屈折率の２層構造の球レンズが示されている。いずれも球レンズ表面や表面から近距離位置に球面収差なく集光させるものである。２層構造球レンズについても屈折率は非特許文献４において、最外層誘電率３．４（推定屈折率１．８４）、最内層誘電率２．６６５（推定屈折率１．６３）、非特許文献５において、最外層誘電率３．２３６Ｒ０（Ｒ０＝最外層透明部半径で正規化された焦点距離。ＲＯは最低１以上）、最内層２．６１８（推定屈折率１．６１）と、汎用的な透明素材であるＰＭＭＡの屈折率１．４９１や、ガラスの屈折率１．４−２．０に比べて、非常に高屈折率な素材を想定している。近年の技術動向としても、もっぱらＬＵＮＥＢＵＲＧレンズばかりが用いられ、２層構造の球レンズは１９６１年以降特許においても論文においても出願、出版されたものは多くない。
【００６８】
[実施例２]
図２は、実施例２に係る、球状層構造集光レンズの３層における構造を示す図である。球状層構造集光レンズは球状最外層透明部１１と球状最内層透明部１２の中間に球状中間層透明部１３を設けるなど、３層以上球状透明層を設けてもよい。また、球状中間層透明層１３はさらに多層設けてもよい。球状層構造集光レンズは、球状レンズでありながら球の外側部分を通る光の進路を変えることにより球面収差を相殺するものである。中心部を通る光は単層球レンズでも比較的よく集光されるが、端部を通る光は球面収差により集光されない。そのため、後述図３６で示すように、最内層半径を最外層半径の６０％程度以上保つか、最内層半径を小さくして、中心から２層目の半径を６０％程度以上保った状態が好ましい。
【００６９】
球状中間層透明部１３の素材としては球状最外層透明部の素材と同様にガラス、ポリスチレン、ＰＭＭＡ、ポリカーボネートなどがあげられるが、これに限られるものではない。
【００７０】
ガラスはある程度厚みがある状態で、中空状態の厚み制御が困難ではあり、値段も比較的高いが、各種有機溶剤に対する耐性が高い。なので、中間層にガラスを使い外側に安価な透明樹脂、内側に低屈折率有機溶剤を用いてもよい。
【００７１】
[実施例３]
図３（ａ）は、実施例３に係る、球状層構造集光レンズの、球状最内層透明部から筒状空間を設けた構造を示す図である。球状最内層透明部１１から球状最外層透明部１２内に向けて、筒状空間１４が設けられている。球状層構造集光レンズの球状最内層は低屈折率であれば、長焦点距離をなせる。そのため、低屈折率素材であることが望ましいが、低屈折率素材はフルオロカーボン液や、水、アルコール類など室温で液体であることが多い。また、本発明品は太陽光発電設備としても用いるため、屋外に設置され、寒暖差が発生する。寒暖差に伴う素材の膨張縮小に対応するために、筒状空間として球状最内層透明部１１外部に一部空間を設けた状態で、低屈折率素材を充填するようにすれば、筒状空間１４内の圧縮縮小で熱膨張による圧力変化を吸収することができる。筒状空間１４を設けても、球状最内層透明部１１内が低屈折率素材で充填されていることが好ましいため、筒状空間１４は球状最内層透明部１１から見て、地平面から上部にあることが望ましい。
【００７２】
［実施例４］
図３（ｂ）は実施例４にかかわる球状層構造集光レンズ１０の筒状空間１４に圧力吸収部品１５を設けた構造を示す図である。圧力吸収部品１５は例えば中が中空のゴム状物質や、単なるゴム状物質からなる。圧力吸収部品１５は球状層構造レンズがどの方向を向いても位置は固定である。寒暖差に伴う素材の膨張縮小には圧力吸収部品１５で吸収することができる。実施例３では球状層構造レンズ１０の角度を変えると球状最内層透明部に気泡が流れていくが、実施例４においては気泡が流れていかないため、角度による集光の変化は起きない。
【００７３】
[実施例５]
図４において、球状層構造集光レンズ塊２０は球状層構造集光レンズ１０を格子状に連結して密集配置している。球状層構造集光レンズ塊は例えば射出成型などで成形する。また、射出成型を行う際に分割して成型し、後に結合することにより、低廉な射出成型を使い、コスト低減をなすことができる。図４（ａ）は格子状配置図の上面図、（ｂ）は格子状配置図の斜面図である。分解成形して後に結合する際には格子状のほうが好ましい。また、格子状に配置するには球が最低４個以上必要である。図５（ａ）はハニカム状配置の上面図、（ｂ）はハニカム状配置の斜面図である。
【００７４】
[実施例６]
図５に示すように、球状層構造集光レンズ塊２０は球状層構造集光レンズ１０をハニカム状に連結して密集配置している。球状層構造集光レンズ塊は例えば射出成型などで成形する。図５（ａ）はハニカム状配置の上面図、（ｂ）はハニカム状配置の斜面図である。また、ハニカム状に配置するには球状層構造集光レンズが６つ以上必要である。円をハニカム状に配置したときの充填率は９０．７％であり、面積対充填率を高くする際にはこちらのほうが好ましい。
【００７５】
ただし、球状層構造レンズ塊の球状層構造集光レンズの配置についてはハニカム、格子状に限られるものではない。
【００７６】
[実施例７]
図６（ａ）は、本発明の実施例６に係る光電変換パネル３０の平面図を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ’線で破断した実施例６に係る集光光電変換パネル３０ａの断面図を示す。
【００７７】
（実施例６のモジュール構造の概要）
この集光光電変換パネル３０ａは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、太陽光を集光する球状層構造集光レンズ塊２０と、光電変換セル支持台４１と、支持台の表面上に分散的に配置される第１光電変換セル４２と、金属膜４３と、第１光電変換セル４２同士を電気的に接続する金属ワイヤ４４と、第１光電変換セル４２の一群の発電電力を外部に取り出すリード線４５と、から構成されている。
【００７８】
光電変換セル支持台４１として、太陽光透過率が８０％以上の高透過板を用いてもよく、ガラス板のほか、アクリル、ポリカーボネート等の樹脂や、ガラスからなる板材を用いることができる。
【００７９】
また、金属膜４３は電気伝導率が高いものが望ましく、銅やアルミニウムや金等を用いることができる。また、金属膜に限らず電気伝導率が高い材料であれば用いることができる。なお、実施例６では、金属膜４３は光電変換セル支持台４１の球状層構造レンズ塊２０側の表面に密着して形成されており、１つの第１光電変換セル４２に対して２つの金属膜４３ａ，４３ｂを島状に形成し、一方の金属膜４３ａの球状層構造レンズ塊２０側の表面には光電変換セル４２の裏面電極（ここでは＋極）が密着して形成されている。ている。また、この第１光電変換セル４２の表面電極（ここでは−極）から、他方の金属膜４３ｂの表面に金属ワイヤ４４がボンディングされている。なお、本実施例では生産性を向上するために上述の回路接続構成を採用したが、必ずしもこれに限定されず、金属膜４３を上述のように分割せずに１つの第１光電変換セル４２に対して１つの金属膜４３を設置する構成を採用してもよい。
【００８０】
金属ワイヤ４４には電気伝導率の高い金属（例えば、銅やアルミニウムや金等）を用いることができる。実施例６では、第１光電変換セル４２が４直列及び４並列（４×４配列）に電気的に接続され、両端の細長い金属膜４３ｔ，４３ｔに取り付けられた正負極のリード線４５，４５から外部に発電電力を取り出すことができる。金属ワイヤ４４として、ワイヤーボンディングで使用される直径数十ミクロンの細線状のもの以外にも、薄い帯状の金属板などにもできる。直列及び並列の接続パターンは取り出したい電流および電圧のレベルに応じて任意に設定できる。
【００８１】
この光電変換セル支持台４１と、第１光電変換セル４２と、金属膜４３と、金属ワイヤ４４とで光電変換パネル４０を形成する。
【００８２】
このように構成した集光光電変換パネル３０ａを、太陽光発電架台に搭載し、太陽が直上部にあると、図６（ｂ）に示すように直達光Ｌ１は球状層構造集光レンズ塊２０内の球状層構造レンズ１０ａに入射する。球状層構造レンズ１０ａ入射した光は該レンズに対応し、焦点の位置に配置される第１光電変換セル４２ａに集光され、電気に変換される。同様に球状層構造レンズ１０ｂに入射する直達光も対応する第１光電変換セル４２ｂに集光され、電気に変換される。球状層構造レンズ１０ｃに入射する直達光は対応する第１光電変換セル４２ｃに集光され、電気に変換される。一方、全方位から入射する散乱光Ｌ２は第１光電変換セル４２には集光されない。光電変換セル支持台４１として高透過板４１を用いていると散乱光Ｌ２の大半が高透過板４１を通過（透過）する。
【００８３】
このとき、球状層構造集光レンズ塊２０のレンズ塊を形成するレンズ全ての平面上面積合計（総レンズ面積）に対して、前述の特許文献６の場合とは異なり、受光面２０ａの内側に配置（封止）された不透明な金属膜４３と金属ワイヤ４４とが占める総投影面積（つまり回路面積）の割合を１０％未満にするのが望ましい。これにより、第１光電変換セルの全受光面積を太陽光総入射面積の１０％以下の超高倍率集光に設定した場合に、高透過板４１の受光面積を太陽光総入射面積の８０％以上にすることができる。また、第１光電変換セル４２には化合物型多接合太陽電池などの集光時のセル変換効率が３５％以上であるものが望ましい。多接合太陽電池は中に複数のＰＮ接合があり、紫外線から赤外線まで幅広い波長を光電変換することができる。
【００８４】
第１光電変換セル４２は、出来るだけ小面積のものが望ましい。第１光電変換セル４２の受光面サイズが小さくなると、図６（ｂ）に示す焦点距離ＦＬが短くなり、集光光電変換パネル３０の全高を低く抑えられ、球状層構造集光レンズ塊２０内部での光吸収量が減少し、透過性が向上する。さらに、第１光電変換セル４２のサイズが小さくなると、熱源が分散される効果により、第１光電変換セル４２の到達温度が低下するため、変換効率と長期信頼性が向上する。この観点から好ましくは１ｍｍ×１ｍｍ以下（さらに好ましくは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以下）の第１光電変換セル４２を用いる。このサイズはＬＥＤチップと同程度であり、ＬＥＤの実装技術を適用（応用）できるメリットもある。
【００８５】
直並列の組み合わせによって発電電圧が高くなる場合には、金属膜４３と光電変換セル支持台４１との間に電気絶縁性の高い材料を挿入しても良い。また、金属ワイヤ４４に電気絶縁性の高い材料をコーティングする場合がある。金属膜４３と光電変換セル支持台４１との密着には高導電性接着剤を用いる他、めっき法、ろう付け法、固相接合法、溶接法、溶湯接合法など各種の接合を用いることができる。
【００８６】
地上に降り注ぐ太陽光は主に直達光Ｌ１と散乱光Ｌ２とに分類できる。直達光Ｌ１は太陽の光球とその近傍から直接入射するほぼ平行な太陽光線（視野角±０．２５６°±５°）であり、散乱光Ｌ２は大気中の微粒子やガスによって散乱され、天空の全体から入射する太陽光線である。直達光Ｌ１はレンズやミラーで高倍率集光することが可能だが、散乱光Ｌ２は熱力学的制限により弱い集光しかできないという特性がある。
【００８７】
日本においては、年間日射量の約６割を直達光Ｌ１が占め、約４割を散乱光Ｌ２が占める。本実施例では、年間日射量の約６割を占める直達光Ｌ１をセル変換効率が約４０％（将来的に５０％超）の超高効率ＰＶセルに集光して発電する一方、年間日射量の約４割を占める散乱光Ｌ２の大半を透過する。従来ＰＶモジュールとは異なり、散乱光Ｌ２はＰＶセルに当たらず透過してしまうが、第１光電変換セル４２の変換効率が高い上に、太陽追尾機構を設ければより直達光の受光量が増えるため、直達光Ｌ１だけからでも従来ＰＶモジュール以上の発電量が得られる。しかも、光電変換セル支持台４１として高透過板４１を用いた場合散乱光Ｌ２の大半が高透過板４１を透過するので、設置スペースは太陽光を必要とする他用途にも使える。つまり、本発明は、貴重な太陽光を発電と他の用途にムダ無く振り分ける新たな集光追尾光電変換モジュールであると言える。
【００８８】
［実施例８］
次に、実施例８について図５を用いて説明する。
【００８９】
図７（ａ）は、本発明の実施例８に係る集光型光電変換パネル３０ｂの平面図を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ’線で破断した実施例８に係る集光光電変換パネル３０ｂの断面図を示す。
【００９０】
（実施例８のモジュール構造の概要）
この集光光電変換パネル３０ｂは、前記の実施例６の集光光電変換パネル３０ａと同じ部材から構成されるが、第１光電変換セル４２，４２同士の電気的接続において金属ワイヤ４４の長さを短くし、その代わりに金属膜４３を長くしたものである。この実施例８では実施例６よりも不透明な部分の面積は若干増えるが、接続回路の直列抵抗を減らすことが容易であり、高電流の場合において変換効率を維持することができる。また、実施例６及び実施例８のような３次元集光（点集光）ではなく、２次元集光（線集光）した場合において細長い光電変換セルを設置するのに適する。
【００９１】
［実施例９］
次に、実施例９について図８を用いて説明する。
【００９２】
図８（ａ）は、本発明の実施例９に係る集光光電変換パネル３０ｃの平面図を示す。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＣ−Ｃ’線で破断した実施例９に係る集光光電変換パネル３０の断面図を示す。
【００９３】
（実施例９のモジュール構造の概要）
この集光光電変換パネル３０ｃは、前述の実施例６および実施例８とでは、第１光電変換セル４２，４２同士の電気的接続方法が異なる。
実施例６及び実施例８とは異なり、本実施例では電気接続の大部分を透明電極膜（例えば、ＩＴＯ膜）４７が担う構成となっている。実施例８と同様に、１つの第１光電変換セル４２に対して、２つの金属膜４３ａ，４３ｂが島状に形成されているが、金属膜４３ａ，４３ｂと光電変換セル支持台４１との間には透明電極膜４７がスパッタリング等によってパターニングされており、実施例６のワイヤの代わりに第１光電変換セル４２，４２同士を電気的に接続している。
【００９４】
この方式ではパターニングによって複雑な直並列接続回路を比較的容易に形成することが可能であり、また他の実施例よりも透過率を向上することができる。なお、金属膜４３ａ，４３ｂは無く、セル４２が直接透明導電膜４７上に設置されていても良い。なお、透明電極膜４７と金属膜４３、又は透明電極膜４７とセル４２との接合を容易にするために、両部材の間に他の材料で構成された層を挿入しても良い。
【００９５】
［実施例１０］
次に、実施例１０について図９を用いて説明する。
【００９６】
図６は、本発明の実施例８に係る集光光電変換パネル３０ｄの設置構成例を示す。この実施例８では、前述の実施例９の集光光電変換パネル３０ｂの光電変換セル支持台４１として高透過板４１を用い、高透過板４１の下面側に低コストである第２光電変換セル４８を設置することにより、本モジュール３０ｄの高透過板４１を透過した散乱光Ｌ２を電気に変換することができる。つまり、前述の実施例６の場合とは異なり、実施例１０では、透過した散乱光Ｌ２を他用途面に入射するのではなく、集光追尾光電変換装置を太陽光発電システムとして利用した場合の総発電量をさらに向上するために利用することができる。
【００９７】
［実施例１１］
次に、実施例１１のモジュール３０ｅについて図１０を用いて説明する。実施例１１では、「第１光電変換セル４２への集光太陽光の焦点の位置ズレ」の技術的課題を解消するための一例である。
【００９８】
第１光電変換セル４２を金属膜回路に実装する方法として、図１０（ａ）及び（ｂ）のようにセル４２を、受光ガイド５１、導電性のセル取付部材（ダイアタッチ部材）５２、絶縁体５３、導電製のブリッジ５４等の部材とを予め（別工程で）一体化したセルパッケージ５０を複数用意し、パッケージ下面（本実施例では、ブリッジ５４の下面）に正負の電極平面が接続される構造としておく。受光ガイド５１と導電性ブリッジ５４との間も絶縁体によって絶縁されてある。このセルパッケージ５０を、予め接続箇所にハンダ５５を塗布しておいた金属膜４３上にマウントし、リフロー炉等で加熱することによって接着が完了する。前述の実装方式を採用すると、多数のセルパッケージ５０の実装をロボット等で高速に行えるため大量生産に適する。
【００９９】
また、セルパッケージ５０内の受光ガイド５１は、球状層構造集光レンズ塊２０によって集光された太陽光を反射させて第１光電変換セル４２の受光面へ案内する反射面５１ａをさらに備える。図示の反射面５１ａは、第１光電変換セル４２に向かって狭まりながら傾斜した傾斜面である。この傾斜面の形状はセル４２の形状が四角形の場合は四角錐形状、円形の場合は円錐形状が好ましい。また回転複合放物面形状などでも良い。また反射面５１ａはアルミニウムや銀等の蒸着や高反射率のめっきなどの処理によって鏡面反射率を８０％以上にすることが望ましい。これにより、球状層構造集光レンズ塊２０によって集められた太陽光の焦点がセル４２の発電有効面よりも若干ずれた場合でも受光ガイド５１の反射面５１での反射作用によって一定割合の光を捕捉してセル４２に入射させることが可能となる。  
【０１００】
[実施例１２]
次に、実施例１２について図１０（ｃ）を用いて説明する。実施例１２では、前述した「太陽光の焦点の位置ズレ」の課題だけでなく、「放熱性能の促進・向上」の課題を解決するための一例である。
【０１０１】
実施例１２に係るセルパッケージ５０は、実施例１１と同様の構成を採用するが、セル温度の低減のために受光ガイド５１（好ましくは、アルミニウム製）の一部を突起させた放熱フィン５６を設けていることを特徴とする。なお、透過率を維持しつつ放熱性能を向上するために、セルパッケージ５０を真上から見たときの放熱フィン５６の投影面が、金属膜４３上にほぼ重なるになるように配置することが望ましい。
【０１０２】
［実施例１３］
次に、実施例１３について図１１を用いて説明する。前述の実施例１２と同様に更なるセル温度の低減を目的とするが、実施例１３のモジュール３０ｆでは、光電変換セル支持台４１として高透過板４１を用い、厚さを薄くして熱抵抗を低減し、その剛性を維持するためにハニカム構造材５７を光電変換セル支持台４１の下面に貼り付ける。なお、ハニカム構造材５７の材料にはアルミニウム等の金属の他、透明樹脂を用いても良い。金属の場合は不透明となるのでハニカム構造材５６の高さ（厚さ）を抑える必要がある。また、ハニカム構造材５７の設置によって放熱面積も増加できる。
【０１０３】
［実施例１４］
次に、実施例１４について図１２を用いて説明する。実施例１４も、実施例１２，実施例１３と同様の作用効果（放熱性能の向上）を得ることを目的に創作されたものである。
【０１０４】
ガラス板等を用いた場合、光電変換セル支持台４１の板厚は、モジュール４０の剛性を確保するためには３〜５ｍｍが必要であり、光電変換セル支持台４１の上側に第１光電変換セル４２を配置すると、第１光電変換セル４２と光電変換セル支持台４１と外気との間の熱抵抗が高いため、セル４２が高温になりやすい。
【０１０５】
そこで実施例１４のように、第１光電変換セル４２と光電変換セル支持台４１と外気との間の熱抵抗を格段に軽減するために、光電変換セル支持台４１の下側に金属膜４３と第１光電変換セル４２とを配置する構成を創作した。つまり、実施例１４では、受光ガイド５１等の部材と第１光電変換セル４２とを予め一体化したセルパッケージ５０が複数構成され、封止材５８によって該セルパッケージ５０が光電変換セル支持台４１の受光面とは反対側の面上に分散的に封止される。なお、符号５４ｂは、導電性ブリッジ５４と金属膜４３との間を接続する導電体である。
【０１０６】
この実施例１４の構成によると、モジュール剛性を気にせずに封止材の厚さを任意に調整することができるため、図１２（ｂ）のようにセル位置から外気までの距離ＬＡを、光電変換セル支持台４１の上側に第１光電変換セル４２を配置した場合の距離ＬＢ（図１０（ｂ）参照）よりも、格段に短くできる。これにより放熱量を増大させることができ、セル温度が低減する。
【０１０７】
また、セルパッケージ５０の近傍に図示しない放熱フィンやヒートスプレッダー等を付与することも可能である。ヒートスプレッダーにはグラフェンシートなど面方向の熱伝導率が高い薄膜等を使用するのが好ましい。封止材の外気側表面には防汚コーティングや傷に強いハードコート等の処理も行える。
【０１０８】
［実施例１５］
次に、実施例１５について図１３を用いて説明する。実施例１５は集光光電変換パネル３０が太陽の動作に伴い動作し、また、補助集光部品４６を用いるケースである。
【０１０９】
図１３（ａ）は太陽が直上部にある場合であり、図１３（ｂ）は太陽が左斜上部にある場合である。
【０１１０】
球状層構造集光レンズ塊２０と光電変換パネル４０の相互作用として、太陽（図示せず）が図１３（ａ）のように直上部にある場合は、球状層構造集光レンズ塊２０に含まれる球状層構造集光レンズ１０の中心部の鉛直下に光電変換パネル４０に含まれる第１光電変換セル４２が来るように追尾機構で制御する。また、この時球状層構造集光レンズ１０の中心から、第１光電変換セル４２までの間隔は追尾機構により球状層構造集光レンズ１０の焦点距離となる。
【０１１１】
図１３（ｂ）のように太陽（図示せず）が左斜上部にある場合には球状層構造集光レンズ塊２０からみて、光電変換パネル４０は図１３（ａ）の状態から右上部へ移動する。球状層構造集光レンズ１０は球構造であるために移動だけで太陽の入射光を収差なしで焦点位置に集光させることができる。ここで、第１光電変換セル４２に太陽光は斜めに入射することになる。
【０１１２】
第１光電変換セルに斜めに太陽光が入射すると表面で反射する懸念がある。補助集光部品４６は、一度補助集光部品に入射させた光について、内部で光が反射させ、最終的に第１光電変換セル４２に太陽光が入射するように誘導する。そのため、斜め入射による反射によるロスを減らすことができる。また、補助集光部品４６は第１光電変換セルからわずかに角度がそれた光を第１光電変換セル４２に誘導させ、第１光電変換セル４２に入射する光を第１光電変換セル上で分散させることにより、特定部分だけ高温になるのを防止する役割もある。
【０１１３】
［実施例１６］
次に、集光光電変換パネル３０を、追尾機構１００に積載した集光追尾光電変換装置について図１４〜図２３を参照しながら説明する。
【０１１４】
図１４〜図１６が集光追尾光電変換装置の斜面図であり、図１４が省略部品なしの斜面図。図１４が球状層構造集光レンズ塊２０を省略した場合の斜面図。図１５が球状層構造集光レンズ塊２０と光電変換パネル４０からなる集光光電変換パネル３０を省略した場合の斜面図である。
【０１１５】
球状層構造集光レンズ塊２０と光電変換パネル４０を相対的に動かすものであるが、その際に用いる方向は図１４に示すように、ベース部１０１ａの面に対し水平方向に第１方向、ベース部１０１ａの面に対し水平方向かつ第１方向に垂直な方向に第２方向、ベース部１０１ａと垂直な方向に第３方向とする。
【０１１６】
図１４に示すように、実施例１６の集光追尾光電変換装置は大きく分けて、集光光電変換パネル３０、ベース部１０１ａ、Ａ駆動機構を動かすための部品１０２〜１０９、Ａ駆動機構１１０ａ、Ｂ駆動機構１３０からなる。この説明においてＡ駆動機構を動かすための部品は第１モータ１０２、第２モータ１０３、第１伝導ベルト１０４（図１６にて図示）、第２伝導ベルト１０５、第１プーリ１０６（図１６にて図示，１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ）、第２プーリ１０７（１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ）、第２外部シャフト１０８（図示せず）、第２歯車１０９（図示せず）からなる。
【０１１７】
図１６に示すように、Ａ駆動装置１１０は水平方向である第１方向、第２方向へＡ移動部１２９（１２９ａ，１２９ｂ，１２９ｃ，１２９ｄ）を駆動させる装置である。Ｂ駆動装置１３０は垂直方向である第３方向へＢ移動部１３９（１３９ａ，１３９ｂ，１３９ｃ，１３９ｄ）を駆動させる装置である。Ａ移動部１２９は光電変換セル支持台４１（図１４で図示）と固着されている。Ｂ移動部１３９は球状層構造集光レンズ塊２０（図１４で図示）と固着されている。なお、本発明ではＡ駆動装置１１０ａが第１方向、第２方向移動の駆動、Ｂ駆動装置１３０が第３方向の駆動を担っているが、球状層構造集光レンズ塊２０内の複数の球状層構造レンズ１０と、光電変換セル支持台４１上の第１光電変換セル４２との間で相対的に位置制御がなせればよいため、光電変換セル支持台４１を第１方向、第２方向、第３方向に駆動する装置を用いてもよいし、球状層構造集光レンズ塊２０を第１方向、第２方向、第３方向に駆動する装置を用いてもよい。
【０１１８】
Ａ駆動装置１１０は光電変換セル支持台４１を水平に駆動し、光電変換セル支持台４１を支えるため、光電変換セル支持台４１直下に配置され、ベース部１０１ａに固定される。Ｂ駆動装置１３０はＡ駆動装置と干渉しないように、Ａ駆動装置１１０、光電変換セル支持台４１の外周に配置され、ベース部１０１ａに固定される。
【０１１９】
第１モータ１０２、第２モータ１０３、第３モータ１３４は一か所に配置され、それぞれ第１方向、第２方向、第３方向への移動を担う。これによりメンテナンスのしやすさ、集光光電変換パネル３０の配置しやすさをなす。しかし、Ａ駆動機構１１０に含まれる第１駆動部１１１（図１７にて図示、１１１ａ，１１１ｂ）、第２駆動部１２１（図１７にて図示、１２１ａ，１２１ｂ）、Ｂ駆動機構１３０に含まれる第３駆動部１３１（図２３にて図示、１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ）にリニアモータを使用することにより、これらの回転モータ、滑りねじなどの機構を使わない構成も可能である。
【０１２０】
なお、モータ１０２、１０３、１３４は、外部の制御装置に接続されており、そのＯＮ／ＯＦＦや回転方向が制御されている。制御装置は、人がマニュアル操作することによりモータのＯＮ／ＯＦＦや回転方向を制御するような構成であってもよく、また、太陽軌道のデータに基づいて、自動的に光電変換パネルが太陽軌道を追尾するように、モータのＯＮ／ＯＦＦや回転方向を制御するようにプログラムされていてもよい。
【０１２１】
第１方向の駆動には第１モータ１０２から、第１伝導ベルト１０４に回転が伝えられ、Ａ駆動機構１１０内の第１駆動部１１１である第１滑りねじ１１１ａ，１１１ｂに取り付けられた第１プーリ１０６ａ、１０６ｂに回転が伝えられる。Ａ駆動機構に伝えられた回転についてはのちのＡ駆動機構についての部分で動作を説明する。第１プーリ１０６ａ、１０６ｂは同じ歯数を持つプーリであるため、同量だけ回転することができる。
【０１２２】
第２方向の駆動には第２モータ１０３から、第２歯車１０９、第２シャフト１０８（図示せず）を伝わり、第２プーリ１０７ａに動力を伝える。第２プーリ１０７ａから、第２伝導ベルト１０５を伝い、第２駆動機構部１２１ａ、１２１ｂに取り付けられた第２プーリ１０７ｂ、１０７ｄに回転が伝えられる。Ａ駆動機構に伝えられた回転についてはのちのＡ駆動機構についての部分で動作を説明する。第１プーリ１０７ｂ、１０７ｄは同じ歯数を持つプーリであるため、同量だけ回転することができる。
【０１２３】
第３方向の駆動には、第３モータ１３４から、Ｂ駆動機構１３１によって行う。Ｂ駆動機構についてはのちのＢ駆動機構についての部分で動作を説明する。
【０１２４】
次に図１７〜図２１を用いてＡ駆動機構について説明する。
【０１２５】
図１７で示すように、ベース部１０１ａの上には、第１方向に延びる第１駆動部１１１としての第１滑りねじ軸１１１ａと、１１１ｂが配置されている。第１滑りねじ軸１１１ａ，１１１ｂには、ねじ軸に沿って移動可能な第１可動支持部ジョイントナット１１３ａａ（図１８にて図示），１１３ａｂ（図１８にて図示）を含む第１可動支持部１１２ａが取り付けられている。第１滑りねじ軸１１１ａ、１１１ｂには前述のとおり、第１プーリ１０６ａ、１０６ｂ、第１伝導ベルト１０４、ギア部（図示せず）を介して第１滑りねじ軸１１１ａ、１１１ｂを回転させるためのモータ１０２がベース部１０１ａ上に設けられている（図１４〜図１６の追尾機構１００ａ−１００ｃを参照）。モータ１０２ａにより滑りねじ軸１１１ａ、１１１ｂが回転すると、第１可動支持部１１２ａ上の第１可動支持部ジョイント１１３ａａ，１１３ａｂは第１方向に移動する。第１可動支持部１１２ａは第１可動支持部ジョイント１１３ａｂ，１１３ａｂの移動に伴って移動する。
【０１２６】
また、ベース部１０１ａの上には、第２方向に延びる第２駆動部１２１としての第２滑りねじ軸１２１ａ、１２１ｂが配置されている。第２滑りねじ軸１２１ａ、１２１ｂはねじ軸に沿って移動可能な第２駆動支持部ジョイントのナット１２６ａａ（図１９にて図示），１２６ａｂ（図１９にて図示）が取り付けられている。第２滑りねじ軸１２１ａ、１２１ｂの一端部には、前述のとおり、第２プーリ１０７ｂ、１０７ｄ、第２伝導ベルト１０５ａ、ギア部（図示せず）を介してねじ軸１２１ａ、１２１ｂを回転させるためのモータ１０３がベース部１０１ａ上に設けられている（図１４〜図１６を参照）。モータ１０３によりねじ軸１２１ａ、１２１ｂが回転すると、ナット１２６ａａ，１２６ａｂは第２方向に移動する。ナット１２６ａａ，１２６ａは、後に説明する移動部を支持する第２可動支持部１２２ａの一部であり、第２可動支持部１２２ａはナット１２６ａａ，１２６ａｂの移動に伴って移動する。なお、第２可動支持部１９は第１方向に延びている。
【０１２７】
なお、図１８で示すように第１可動支持部１１２ａは、第１可動支持部ジョイント１１３ａａ，１１３ａｂと、第１可動支持部シャフト１１４ａからなる。第１可動支持部ジョイント１１３ａａ，１１３ａｂは下部に滑りねじ軸１１１ａ，１１１ｂの回転に伴い第１方向に駆動するナット１１６ａａ、１１６ａｂと、第１可動支持部シャフト１１４ａ上を自由に動くブッシュ１１７ａａ、１１７ａｂからなる。第１可動支持部シャフト１１４ａは第２方向に延びているため、第２方向に自在に動く。また、第１可動支持部１１２ｂも同じ構成である。
【０１２８】
同様に、第１可動部１１２ｂは、第１可動部ジョイント１１３ｂａ、１１３ｂｂと、第１可動部シャフト１１４ｂ，ナット１１６ｂａ，１１６ｂｂ，ブッシュ１１７ｂａ，１１７ｂｂからなり（いずれも図示せず）、同様の構成である。
【０１２９】
なお、図１９で示すように第２可動支持部１２２ａは、第２可動支持部ジョイント１２３ａａ，１２３ａｂと、第２可動支持部シャフト１２４ａからなる。第２可動部シャフトには図１７で示すように、Ａ移動部１２９ａａ、１２９ａｂのブッシュ１２７ａａ、１２７ａｂが取り付けられている。第２可動支持部ジョイント１２３ａａ，１２３ａｂは下部に滑りねじ軸１２１ａａ，１２１ａｂの回転に伴い第１方向に駆動するナット１２６ａａ、１２６ａｂを含む。第２動支持部シャフト１２４ａは第１方向に延びているため、図１７のＡ移動部１２９ａａ，１２９ａｂは第１方向に自在に動く。
第２可動部１２２ｂは、第２可動支持部ジョイント１２３ｂａ，１２３ｂｂと、第２可動支持部シャフト１２４ｂ、ナット１２６ｂａ，１２６ｂｂ，ブッシュ１２７ｂａ，１２７ｂｂからなり（いずれも図示せず）、同様の構成である。
【０１３０】
このような構成により、Ａ移動部１２９ａ，１２９ｂ，１２９ｃ，１２９ｄは、上記第１駆動部及び第２駆動部の駆動によって、第１方向及び第２方向に移動する。
【０１３１】
具体的に、図２０に示すように、第１滑りねじ軸１１１ａ、１１１ｂがモータ１０２（図２０では図示せず）により回転されると第１可動支持部１１２ａ上のナット１１６ａａ，１１６ａｂ、第１可動支持部１１２ｂ上のナット１１６ｂａ（図示せず），１１６ｂｂ（図示せず）が第１方向に移動し、その結果、第１可動支持部１１２ａ，１１２ｂ及び第１可動支持部１１２ａ，１１２ｂが取り付けられたＡ移動部１２９ａ，１２９ｂ，１２９ｃ，１２９ｄが第１方向に移動する。
【０１３２】
また、図２１に示すように、第２滑りねじ軸１２１ａ、１２１ｂがモータ１０３（図２１では図示せず）により回転されると第２可動支持部１２２ａ上のナット１２６ａａ，１２６ａｂ及び第２可動支持部１２２ｂ上のナット１２６ｂａ（図示せず），１２６ｂｂ（図示せず）が第２方向に移動し、その結果、第２可動支持部１２２ａ，１２２ｂ及び第２可動支持部１２２ａ，１２２ｂが取り付けられたＡ移動部１２９ａ，１２９ｂ，１２９ｃ，１２９ｄが第２方向に移動する。従って、Ａ移動部１２９ａ，１２９ｂ，１２９ｃ，１２９ｄは、第１滑りねじ１１１ａ，１１１ｂ及び第２滑りねじ１２１ａ，１２２ｂにより水平方向に自在に移動可能である。
【０１３３】
なお、滑りねじ以外にも、ボールねじ、台形ねじ、ラック＆ピニオン、ジャッキ、リニアモータなど、外部からの入力に基づいて線形動作を行う部品を用いて第１駆動部、第２駆動部を構成することもできる。
【０１３４】
次に図２２、図２３を用いてＢ駆動機構について説明する。
【０１３５】
図２２で示すように、ベース部１０１ａの上に、第３駆動部台１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、第３モータプーリ台１４１、第３ガイドプーリ台１４２が配置されている。
【０１３６】
第３駆動部台１４０ａには、第３駆動部１３１ａが取り付けられている。第３駆動部１３１ａは  第３駆動プーリ１３６ａ、第３駆動プーリ１３６ａに固定された、第３滑りねじナット１３３ａ、第３滑りねじナット１３３ａによって上下する第３滑りねじ軸１３２ａ（各部材に隠れている）、第３滑りねじ軸に取り付けられたＢ移動部１３９ａからなる。
第３駆動部台１４０ｂには、第３駆動部１３１ｂが取り付けられている。第３駆動部１３１ｂは  第３駆動プーリ１３６ｂ、第３駆動プーリ１３６ｂに固定された、第３滑りねじナット１３３ｂ、第３滑りねじナット１３３ｂによって上下する第３滑りねじ軸１３２ｂ（各部材に隠れている）、第３滑りねじ軸に取り付けられたＢ移動部１３９ｂからなる。
第３駆動部台１４０ｃには、第３駆動部１３１ｃが取り付けられている。第３駆動部１３１ｃは  第３駆動プーリ１３６ｃ、第３駆動プーリ１３６ｃに固定された、第３滑りねじナット１３３ｃ、第３滑りねじナット１３３ｃによって上下する第３滑りねじ軸１３２ｃ（各部材に隠れている）、第３滑りねじ軸に取り付けられたＢ移動部１３９ｃからなる。
第３駆動部台１４０ｄには、第３駆動部１３１ｄが取り付けられている。第３駆動部１３１ｄは  第３駆動プーリ１３６ｄ、第３駆動プーリ１３６ｄに固定された、第３滑りねじナット１３３ｄ、第３滑りねじナット１３３ｄによって上下する第３滑りねじ軸１３２ｄ（各部材に隠れている）、第３滑りねじ軸に取り付けられたＢ移動部１３９ｄからなる。
【０１３７】
第３モータプーリ台には第３シャフト１３７、第３歯車１３８、第３モータプーリ１４４が取り付けられている。第３ガイドプーリ台１４２には第３ガイドプーリ１３５が取り付けられている。
【０１３８】
第３駆動プーリ１３６ａ、１３６ｂ，１３６ｃ，１３６ｄ、第３モータプーリ１４４ａ，第３ガイドプーリ１３５ａはベース部１０１ａから見て同じ高さにあり、第３伝導ベルト１４３ａが取り付けられて、第３モータプーリ１４４ａの動作に伴い、第３駆動プーリ１３６ａ、１３６ｂ，１３６ｃ，１３６ｄが回転するようにしている。
【０１３９】
第３モータ１３４が回転した場合、第３歯車１３８、第３シャフト１３７を通じて第３モータプーリ１４４が回転する。第３モータプーリ１４４の回転は第３伝導ベルト１４３を通じて、第３駆動プーリ１３６ａ、１３６ｂ，１３６ｃ，１３６ｄを回転させ、第３滑りねじナット１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄを回転させ、第３駆動部１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄの上下動作に変換させ、Ｂ移動部１３９ａ，１３９ｂ，１３９ｃ，１３９ｄを上下させる。Ｂ移動部１３９ａ，１３９ｄ，１３９ｄ，１３９ｄには球状層構造集光レンズ２０（図１４にて示す）が取り付けられており、第３モータの回転により、球状層構造集光レンズ２０の上下動作に変換させることができる。
【０１４０】
なお、滑りねじ以外にも、ボールねじ、台形ねじ、ラック＆ピニオン、ジャッキ、リニアモータなど、外部からの入力に基づいて線形動作を行う部品を用いて第３駆動部を構成することもできる。
【０１４１】
［実施例１６］
次に、さらに大型化した集光光電変換パネル３０を、追尾機構１００に積載した集光追尾光電変換装置について図２４〜２８を参照しながら説明する。
【０１４２】
図２４〜２５が大型化した集光追尾光電変換装置の斜面図である。図２４が省略部品なしの斜面図である。図２５が集光光電変換パネル３０を省略した場合の斜面図である。図２６は図２５のうちＡ駆動機構１１０ｈを拡大したものである。図２７は図２６から第１方向に移動された状態を示す。図２８は図２７から第２方向に移動された状態を示す。
【０１４３】
動作機構自体は実施例１５と同じである。Ａ駆動機構１１０で、光電変換パネル４０（球状層構造集光レンズ塊２０下）で動かす。Ｂ駆動機構１３０で球状層構造集光レンズ塊２０を動かす。相対的な方向、距離を第１光電変換セル４２で太陽光が焦点をなすように動かすものである。用いる方向は実施例１５と同じで、図２５に示すように、ベース部１０１ｅから水平方向に第１方向、ベース部１０１ｅから水平方向かつ第１方向に垂直な方向に第２方向、ベース部１０１ｅと垂直な方向に第３方向とする。大型化に伴い、Ａ駆動機構１１０は光電変換パネル４０の下４隅に、Ａ駆動部１２９ｅを含んだＡ駆動機構１１０ｅ、Ａ駆動部１２９ｆを含んだＡ駆動機構１１０ｆ、Ａ駆動部１２９ｇを含んだＡ駆動機構１１０ｇ、Ａ駆動部１２９ｈを含んだＡ駆動機構１１０ｈを配置する。
【０１４４】
実施例１６においてのＡ駆動機構についての説明について行う。
【０１４５】
Ａ駆動機構１１０ｇについて、モータ１０２ｅ、モータ１０３ｅからの駆動を用いる。Ａ駆動機構１１０ｇを図２６で示す。第１方向への移動はモータ１０２ｅからの回転をＡ駆動機構１１０ｅ、第１駆動部延伸シャフト１１８ｅを経由して、第１滑りねじ１１１ｇを回転させる。第１滑りねじ１１１ｇの回転に伴って、第１可動支持部ジョイント１１３ｇが動くが、それに伴い、第２可動部シャフト１２２ｇ上をＡ移動部１２９ｇが第１方向に動く。第１方向に動いた後を図２７にて示す。第２方向への移動はモータ１０３ｅからの回転駆動を、第２伝導ベルト１０５ｅを経由して、第２滑りねじ１２１ｇを回転させる。第２滑りねじの回転に伴って、第２可動支持部ジョイント１２３ｇが第２方向へ動くが、それにともない、第１可動支持部ジョイント１１３ｇ上をＡ移動部１２９ｇに取り付けられた第１可動支持部シャフト１１４ｇが動くことにより、Ａ移動部１２９ｇが第２方向に動く。第２方向に動いた後を図２８にて示す。これらの機構によりＡ駆動部１２８ｇを駆動させる。
【０１４６】
Ａ駆動機構１１０ｅについて、モータ１０２ｅ、モータ１０３ｅからの駆動を用いる。実施例１５、１１０ｇにおいての駆動と同様に、駆動軸が第１滑りねじ１１１ｅ（図示せず）、第２滑りねじ１２１ｅ（図示せず）、第１可動支持部１１２ｅ（図示せず）、第２可動支持部１２２ｅ（図示せず）を通じてＡ駆動部１２９ｅを駆動させる。
【０１４７】
Ａ駆動機構１１０ｆについて、モータ１０２ｆ、モータ１０３ｆからの駆動を用いる。実施例１５，１１０ｆにおいての駆動と同様に、駆動軸が第１滑りねじ１１１ｆ（図示せず）、第２滑りねじ１２１ｆ（図示せず）、第１可動支持部１１２ｆ（図示せず）、第２可動支持部１２２ｆ（図示せず）を通じてＡ駆動部１２９ｆを駆動させる。
１１０ｅと同様の駆動を行う。
【０１４８】
Ａ駆動機構１１０ｈについて、モータ１０２ｆ、モータ１０３ｆからの駆動を用いる。駆動内容はＡ駆動機構１１０ｇと同様に駆動軸が第１滑りねじ１１１ｇ（図示せず）、第２滑りねじ１２１ｇ（図示せず）、第１可動支持部１１２ｇ（図示せず）、第２可動支持部１２２ｇ（図示せず）を通じてＡ駆動部１２９ｈを駆動させる。
【０１４９】
このようにして、Ａ移動部１２９ｅ，１２９ｆ，１２９ｇ，１２９ｈを駆動し、その上に配置された光電変換パネル４０を駆動させる。
【０１５０】
第３方向への移動は、実施例１６と同様に光電変換パネル４０Ｂ駆動機構１３０を用いて、Ｂ移動部１３９を動かして、球状層構造集光レンズ塊２０を動かす。
【０１５１】
また、このように駆動部が端のみにある構成でベース部１０１、光電変換セル支持台４１を透明構造のものを用いれば中央部に駆動機構がなく、開放感に優れた集光追尾光電変換装置をなすことが可能である。
【０１５２】
また、本実施形態に係る集光追尾光電変換装置には、架台の全体（追尾機構の全体）を覆う、透明部材からなるカバー（矩形状のケース）を設けることができる。
【０１５３】
[設計理論１]
＜背景＞
球状レンズは角度依存性がない。角度依存性がないため、位置制御のみで太陽光追尾動作をなすことができる。太陽の位置は日時により変動するため、最大許容角が大きいと、太陽を追尾できる日時が増え、通年での発電電力量増大につながる。球状レンズの焦点距離は屈折率で決まり、屈折率が低いと長焦点距離がなせる。
【０１５４】
＜目的＞
本発明の一実施形態に係る球状レンズを用いた集光追尾光電変換装置における焦点距離と最大許容角、並びに球状レンズにおける屈折率と最大許容角の関連をしめし、長焦点距離をなす低屈折率素材を用いることによる、球状層構造集光レンズの優位性を示す。
【０１５５】
＜方法及び結果＞
図２９は、集光光電変換パネル３０により機械的に許容される最大入射角の条件を示す。ここで、ｒｏｕｔは球状レンズ１０の半径、ｆは球状層構造集光レンズの焦点距離、Θは光電変換パネル板の上端面が球状層構造レンズの下端面に接したときの最大許容角。図２９に示す空間条件によれば、Θは９０°-ｓｉｎ^（−１）（ｒｏｕｔ／ｆ）であらわされる。また、ｎを屈折率として、単層球状レンズの焦点ｆはｆ  =  ２＊ｎ＊ｒｏｕｔ  /（４＊（ｎ−１））であらわされる。
【０１５６】
図３０は最大許容角Θと正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔとの間の計算された関係を示す。正規化焦点距離は、球状レンズの半径によって正規化されている。焦点距離が長いほど最大許容角が大きくなる。
【０１５７】
図３１は正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔと屈折率ｎとの間の計算された関係をしめす。屈折率ｎが低いほど最大許容角が大きくなる。
【０１５８】
＜結論＞
焦点距離ｆが長いほど最大許容角Θが大きくなる。つまり、集光追尾光電変換装置として用いるのであれば、ただ収差がないだけでは不足であり、さらに焦点距離ｆが長い必要がある。また、焦点距離ｆを伸ばすためには屈折率ｎを下げることが有効であり、従来のレンズ素材では用いられていない低屈折率素材が必要である。
【０１５９】
[設計理論２]
＜背景＞
通常の球状レンズにおいては球面収差が発生するため、集光した際の光学効率が落ちる。最外層に当たる外側部分が低屈折率、最内層に当たる内側部分が高屈折率で、界面構造を持たず、傾斜的に屈折をなすことにより球面収差を相殺する球状レンズはＬＵＮＥＢＥＲＧレンズという。しかし、あくまで球表面に焦点をなす。集光追尾光電変換装置として用いるには球面収差をなくして高い光学効率で、かつ長焦点距離である必要がある。
【０１６０】
＜目的＞
集光追尾光電変換装置として用いるには球面収差をなくしつつ、かつ長焦点距離である必要がある。本発明の一実施形態に係る球状層構造集光レンズが球面収差を相殺して高い光学効率をなし、かつ、長焦点距離をなす優れた特性を有することを確認するために、本光学シミュレーションを実施した。
【０１６１】
＜方法及び結果＞
図３２に２層球状層構造集光レンズの光学シミュレーションに用いた球状層構造レンズ１０と第１光電変換セルに相当する受光器３０２の位置を表す模式図を示す。
また、光学シミュレーション条件を下記に示す。
球状最外層透明部屈折率（以下最外層屈折率）（ｎｏｕｔ）：１．４９５６＠５５０ｎｍ（ＰＭＭＡ）
最内層屈折率（ｎｃｏｒｅ）：１．４２１５＠５５０ｎｍ（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）
最外層半径（ｒｃｏｒｅ）：５ｍｍ
最内層半径（ｒｏｕｔ）：０−５ｍｍ
受光器半径（ｒｒｅｃｅｉｖｅ）：０．５ｍｍ
集光倍率（Ｃ）：１００倍
光線スペクトル：エアマス１．５Ｄ（２８０−４０００ｎｍ）
【０１６２】
このモデルは、ＰＭＭＡ製の球状最外層透明部とｓｉｌｉｃｏｎｅ製の球状最内層透明部を備えている。フレネル反射損失及び、屈折率の波長依存性が太陽スペクトル範囲全体について考慮されている市販のソフトウェア（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製  ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ８．５．０）を使用して３次元光線追跡を行った。最外層半径ｒｏｕｔは５ｍｍに固定され、最内層半径ｒｃｏｒｅは０〜５ｍｍの間で変化させた。このモデルにおいて、光源３０１の対面に受光器３０２と、焦平面３０３を配置した。焦点距離ｆ、すなわち受光器と球状層構造レンズ１０と受光器３０２の間の距離について、受光器３０２を動かすことにより最も高い光学効率を示す受光器３０２位置の探索を行い、焦点距離を求めた。また、光線のふるまいを確かめるために受光器３０２と同じ距離の位置に焦平面３０３を配置している。設計理論１で示したように本発明の一つの形態に係る集光追尾光電変換装置のコンセプトには高い光学効率ηｏｐｔと長い焦点距離ｆが望ましい。したがって、光学効率ηｏｐｔと焦点距離ｆについて分析した。
【０１６３】
図３３に各最内層半径ｒｃｏｒｅに対する最も高い光学効率値ηｏｐｔ及び焦点距離ｆを示す。  ｒｃｏｒｅ＝０及び５ｍｍは、レンズがそれぞれＰＭＭＡおよびｓｉｌｉｃｏｎｅからなる単一構造の球状レンズであることを示す。この結果は、ｒｃｏｒｅ＝３．４１ｍｍで最も高い光学効率（７６％）及び、より長い焦点距離（ｆ／ｒｏｕｔ＝６．９９／５＝１．４）を実行する最良の設計点が得られることを示す。図３０によれば、この設計構成によってΘ＝４４°を達成することができる。対して、ｒｃｏｒｅ＝０ｍｍ、すなわち、全球がＰＭＭＡの際に光学効率は７３％であり、ｒｃｏｒｅ＝３．４１ｍｍの性能に対してｒｃｏｒｅ＝５ｍｍ、すなわち、全球がシリコーン製の際には光学効率は６７％である。ｒｃｏｒｅ＝３．４１ｍｍに対して８８％である。このことは、電磁波を９０％程度通過させないと、物質によるロスが大きくなるため光学効率が低下し、発明の効果が薄れることを示す。これらの結果は単一構造の球状レンズと比べて、本発明の球状層構造集光レンズの利点を示している。
【０１６４】
図３４はｒｃｏｒｅ＝０，３．４１，５ｍｍの３つの設計における光線の挙動を示す。図３４（ａ）及び（ｃ）の単一構造の球状レンズの場合、レシーバーの外側に球面収差を示す多くの光線が漏れている。対照的に図３４（ｂ）の最良の設計ケースでは球面収差が著しく減少している。この傾向は図３５によっても明確に示されている。図３５は焦平面３０３における光線の広がりである。焦点は図３５（ｂ）の最良の設計ケースの場合、最も鮮明である。
【０１６５】
＜結果＞
球状最内層透明部に低い屈折率材料を使用した２層における球状層構造集光レンズにおいて、２層の下位面でのフレネル反射損失は増加するが、焦点位置での光学効率が良く、焦点距離は長くなり、最大許容角は広がることが示された。長焦点距離と広い最大許容角は、集光追尾光電変換装置をなすうえで優れた特性である。
【０１６６】
[設計理論３]
＜背景＞
設計理論２で示したように、２層球状層構造集光レンズにおいて、集光倍率Ｃが１００倍の条件において、最外層半径ｒｏｕｔ５ｍｍに対して、最内層半径ｒｃｏｒｅ３．４１ｍｍの地点において、球面収差を相殺する特異点が存在することが示された。
【０１６７】
＜目的＞
本発明の実施形態の一つに係る球状層構造集光レンズの目的は光の集光であり、集光倍率Ｃがどのように設定できるのは重要な要素である。設計理論３において、どのような集光倍率Ｃの場合に球面収差を相殺する特異点が発生するのかを確かめる。
【０１６８】
＜方法及び結果＞
光学シミュレーション条件はほぼ設計理論２と同じで、受光器半径を走査する。
光学シミュレーション条件を下記に示す。
最外層屈折率（ｎｏｕｔ）：１．４９５６＠５５０ｎｍ（ＰＭＭＡ）
最内層屈折率（ｎｃｏｒｅ）：１．４２１５＠５５０ｎｍ（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）
最外層半径（ｒｃｏｒｅ）：５ｍｍ
最内層半径（ｒｏｕｔ）：０−５ｍｍ
受光器半径：（ｒｒｅｃｅｉｖｅ）０．１−４ｍｍ
集光倍率（Ｃ）：１．６−１００００倍
光線スペクトル：エアマス１．５Ｄ（２８０−４０００ｎｍ）
【０１６９】
このモデルは、ＰＭＭＡ製の球状最外層透明部とｓｉｌｉｃｏｎｅ製の球状最内層透明部を備えている。フレネル反射損失及び、屈折率の波長依存性が太陽スペクトル範囲全体について考慮されている市販のソフトウェア（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製  ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ８．５．０）を使用して３次元光線追跡を行った。最外層半径ｒｏｕｔは５ｍｍに固定され、最内層半径ｒｃｏｒｅは０〜５ｍｍの間で変化させた。このモデルにおいて、最良の焦点距離ｆ、すなわち受光器半径位置について、受光器位置を動かし、最も高い光学効率を示す受光器位置の探索を行った。実験２に加えて、受光器半径ｒｒｅｃｅｉｖｅを走査し、各受光器半径ｒｒｅｃｅｉｖｅにおいて、最も高い光学効率ηｏｐｔをなす焦点距離ｆと最内層半径ｒｃｏｒｅの探索を行った。集光倍率Ｃは（最外層半径ｒｏｕｔ／最内層半径ｒｒｅｃｅｉｖｅ）＾２の式で求めた。また、最内層半径ｒｃｏｒｅの結果は、最外層半径ｒｏｕｔで正規化した正規化最内層半径（ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔ）で示した。
【０１７０】
図３６に各集光倍率Ｃにおける最も高い光学効率値ηｏｐｔ及び正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔを示す。集光倍率Ｃが２５倍以下の場合は、正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔが１００％の地点が最も高い性能をなしている。すなわち、１層構造が最も高い光学効率をなすということである。集光倍率Ｃが２５倍を超えるとおおよそ正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔが７０％程度の２層球層構造レンズが最も高い光学効率ηｏｐｔを示す。また、集光倍率Ｃが２７７．８倍以上の場合では光学効率ηｏｐｔが７０％を切るようになってくる。ここから言えるのは球状層構造集光レンズが適切なのは数百倍以下の集光倍率の場合であり、集光倍率が高くなると収差の相殺が追い付かなくなってきて光学効率ηｏｐｔが低下するということである。
【０１７１】
図３７に各集光倍率ｃにおける最も高い光学効率ηｏｐｔ及び正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔを示す。正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔは焦点距離ｆを最外層半径ｒｏｕｔで割った値である。正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔが１であるということは、球表面に最も光学効率が高い点が来るということである。図３７のグラフによると集光倍率Ｃが２５倍以下の場合は、図３６で示したように１層構造球状レンズが高い光学効率ηｏｐｔを示すため、正規化焦点距離が１．０８と球表面に近い。２５倍を超えると図３６で示したように２層固有層構造レンズのほうが光学効率で有利になってきており、かつ、正規化焦点距離も１．２を超え、集光倍率Ｃが増えるにしたがって正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔも伸びてくる。光学効率ηｏｐｔが７０％を切る集光倍率Ｃが２７７.８倍地点では正規化焦点距離は１．５７８まで伸びる。
【０１７２】
＜結果＞
２層における球状層構造集光レンズにおいて、集光倍率は数十倍―数百倍において単層球状レンズに比べて高い性能を示す。集光追尾光電変換装置における光の集光倍率もこの集光倍率範囲であり、集光追尾光電変換装置に適した集光系であることを示す。
【０１７３】
[設計理論４]
＜背景＞
設計理論２で示したように、２層球状層構造集光レンズにおいて、集光倍率Ｃが１００倍の条件において、最外層半径ｒｏｕｔ５ｍｍに対して、最内層半径ｒｃｏｒｅ３．４１ｍｍの地点において、球面収差を相殺する特異点が存在することが示された。また、設計理論３で示したように、２層球層構造レンズは数十倍―数百倍において単層球状レンズより高い光学効率ηｏｐｔかつ、長い正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔを示すことを示した。
【０１７４】
＜目的＞
本発明においてさらに適切な素材を探索するにあたって、最外層屈折率を１．５の架空の物質を用い、球状最内層透明部の屈折を架空の低屈折率物質を用いた場合に光学効率ηｏｐｔと正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔがどのようなふるまいをするかを確かめる。
【０１７５】
＜方法及び結果＞
光学シミュレーション条件はほぼ設計理論２、３と同じで、架空の屈折率物質を用いた場合の変化を確かめる。
光学シミュレーション条件を下記に示す。
最外層屈折率（ｎｏｕｔ）：１．５
最内層屈折率（ｎｃｏｒｅ）：１．１−１．５
最外層半径（ｒｃｏｒｅ）：５ｍｍ
最内層半径（ｒｏｕｔ）：０−５ｍｍ
受光器半径：（ｒｒｅｃｅｉｖｅ）：０．５ｍｍ
集光倍率（Ｃ）：１００倍
光線スペクトル：５８９．３ｎｍ（ナトリウムＤ線）
【０１７６】
設計理論２，３と同様に市販のソフトウェア（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製  ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ８．５．０）を使用して３次元光線追跡を行った。架空の屈折率物質を用いているためにフレネル反射損失は考慮しているが、物質自体の吸収、波長ごとの屈折率の変化は考慮しない。最外層半径ｒｏｕｔは５ｍｍに固定され、最内層半径ｒｃｏｒｅは０〜５ｍｍの間で変化させた。このモデルにおいて、最良の焦点距離ｆ、すなわち受光器半径位置について、受光器位置を動かし、最も高い光学効率を示す受光器位置の探索を行った。実験２に加えて、最内層屈折率を走査し、各最内層屈折率ｎｃｏｒｅにおいて、最も高い光学効率ηｏｐｔをなす焦点距離ｆと球状最内層透明部ｒｃｏｒｅの探索を行った。集光倍率Ｃは１００倍で固定した。また、最内層半径ｒｃｏｒｅの結果は、最外層半径ｒｏｕｔで正規化した正規化最内層半径（ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔ）で示した。
【０１７７】
図３８に各最内層屈折率ｎｃｏｒｅにおける最も高い光学効率値ηｏｐｔ及び正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔを示す。最内層屈折率ｎｃｏｒｅと最外層屈折率ｎｏｕｔとの差である屈折率差分ｎｄｉｆｆが０．０２以下の部分については光学効率ηｏｐｔが０．７４，０．７６３とやや低い。屈折率差分ｎｄｉｆｆが０．０２である１．４８になると、光学効率ηｏｐｔが０．８０６と程々高くなる。屈折率差分ｎｄｉｆｆが０．０４−０．０７である１．４６−１．４３のときに、最も高い光学効率ηｏｐｔ０．８０９を示す。屈折率差分ｎｄｉｆｆが０．０７をこえる１．４３を超えてさらに低屈折率側の最内層屈折率ｎｃｏｒｅにおいて、光学効率ηｏｐｔは低下していく。しかし、最内層屈折率ｎｃｏｒｅが１．１２における光学効率ηｏｐｔは７１．３％と、幅広い最内層屈折率において高い光学効率ηｏｐｔが得られる。屈折率差分ｎｄｉｆｆが大きいとフレネル反射損失が大きくなるため、光学効率ηｏｐｔが低下していることが考えられる。
【０１７８】
また、最内層屈折率ｎｃｏｒｅと正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔとは比例関係にある。正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔは６０％から９０％の範囲にある。
【０１７９】
図３９に各最内層屈折率ｎｃｏｒｅにおける最も高い光学効率値ηｏｐｔ及び正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔ、単球状レンズ焦点距離について、球半径で正規化した正規化単球状レンズ焦点距離ｆｓｉｎｇｌｅ／ｒｏｕｔとの関係を示す。
【０１８０】
このことが示すのは、正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔは球状最内層透明部の屈折率が低いと焦点が伸びるということである。また、傾向として、単球状レンズ焦点距離の焦点距離と二層球状層構造集光レンズの焦点距離は比較的傾向が似ている。ここからも、２層球層構造レンズは単層球状レンズの焦点距離をベースとして球面収差を相殺することにより光学効率ηｏｐｔを向上させていることが言える。
【０１８１】
＜結果＞
２層における球状層構造集光レンズにおいて、比較的屈折率差分ｎｄｉｆｆが低いほうが高い光学効率ηｏｐｔが得られる。また、傾向として球状レンズの焦点距離と似たような傾向を示し、最内層屈折率ｎｃｏｒｅが低いほど長い焦点距離を示す。
【０１８２】
[設計理論５]
＜背景＞
設計理論２で示したように、２層球状層構造集光レンズにおいて、集光倍率Ｃが１００倍の条件において、最外層半径ｒｏｕｔ５ｍｍに対して、最内層半径ｒｃｏｒｅ３．４１ｍｍの地点において、球面収差を相殺する特異点が存在することが示された。さらに多層にすることにより性能が向上するかを図る。
【０１８３】
＜目的＞
本発明において３層以上の構造を探索する。最外層半径と、中間層半径がどのようなふるまいをするかを確かめる。
【０１８４】
＜方法及び結果＞
光学シミュレーション条件はほぼ設計理論２、３と同じで、球状最外層透明部にｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、中間層透明部にＰＭＭＡ、球状最内層透明部にｓｉｌｉｃｏｎｅの３層構造用いた際の各半径と、焦点距離、光学効率の変化を確かめる。
光学シミュレーション条件を下記に示す。
最外層屈折率（ｎｏｕｔ）：１．５９５９＠５５０ｎｍ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）
球状中間層透明部屈折率（以下中間層屈折率）（ｎｍｉｄ）：１．４９５６＠５５０ｎｍ（ＰＭＭＡ）
最内層屈折率（ｎｃｏｒｅ）：１．４２１５＠５５０ｎｍ（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）
最外層半径（ｒｃｏｒｅ）：５ｍｍ
中間層半径（ｒｍｉｄ）：０−５ｍｍ
最内層半径（ｒｏｕｔ）：０−ｒｍｉｄｍｍ
受光器半径（ｒｒｅｃｅｉｖｅ）：０．５ｍｍ
集光倍率（Ｃ）：１００倍
光線スペクトル：エアマス１．５Ｄ（２８０−４０００ｎｍ）
【０１８５】
このモデルは、ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ製の球状最外層透明部とＰＭＭＡ製の球状中間層透明部とｓｉｌｉｃｏｎｅ製の球状最内層透明部を備えている。フレネル反射損失及び、屈折率の波長依存性が太陽スペクトル範囲全体について考慮されている市販のソフトウェア（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製  ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ８．５．０）を使用して３次元光線追跡を行った。最外層半径ｒｏｕｔは５ｍｍに固定され、中間層半径ｒｍｉｄを０〜５ｍｍの間で変化させ、さらに球状最内層透明部ｒｃｏｒｅを０ｍｍから中間層半径ｒｍｉｄまでの範囲で変化させた。このモデルにおいて、最良の焦点距離ｆ、すなわち受光器半径位置について、受光器位置を動かすことにより最も高い光学効率を示す受光器位置の探索を行った。また、結果については中間層半径ｒｍｉｄも、最内層半径ｒｃｏｒｅも正規化して示している。
【０１８６】
図４０に各正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔにおける最も高い光学効率ηｏｐｔ及び正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔを示す。この結果は４つの部分に分かれているが、おおむね２層球層構造レンズに近しい結果が望ましいというものである。
【０１８７】
（ｉ）まず、正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが、１〜０．７の範囲においては、正規化球状最内層中間部半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔがほぼ０．６８２−０．６９８の間で一定である。これは、正規化中間層半径が１〜０．７の範囲において球状中間層透明部と球状最内層透明部の境界部分が球面収差を相殺する役割をしており、球状最外層透明部と球状中間層透明部の境界部分ではほぼ光学効率ηｏｐｔに影響を及ぼさないということである。
【０１８８】
（ｉｉ）次に、正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが、０．６８〜０．５８の範囲においては、正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔが０−０．０２の間である。この結果は、正規化中間層半径が０．６８〜０．５８の範囲においては、球状最外層透明部と球状中間層透明部の境界部分が球面収差を相殺する役割をしており、球状中間層透明部と球状最内層透明部の境界部分ではほぼ光学効率ηｏｐｔに影響を及ぼさないということである。
【０１８９】
（ｉｉｉ）次に、正規化球状中間層部半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが、０．５６〜０．２６の範囲においては、正規化球状最内層中間部半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔが正規化球状中間層部屈折率ｎｍｉｄ／ｒｏｕｔと同一値を取る。この結果は球面収差を相殺する半径より正規化中間層半径が小さくなっているため、球面収差を相殺する働きがないこと。また、球状中間層透明部が事実上ない状態を示していることである。
【０１９０】
（ｉｖ）最後に、正規化球状中間層部半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが、０〜０．２４の範囲においては、正規化球状最内層中間部半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔが０−０．０２の間である。この結果は（ｉｉｉ）と同様に球面収差を相殺する半径より正規化中間層半径が小さくなっているため、球面収差を相殺する働きがないこと。また、球状最内層透明部が事実上ない状態を示していることである。
【０１９１】
図４１に各正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔにおける最も高い光学効率値ηｏｐｔ及び正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔを示す。各正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが０．５８−１の範囲で正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔが１．２５４以上の高い値と光学効率ηｏｐｔが６３％以上の結果が得られる。この結果は、（ｉ），（ｉｉ）において球面収差を相殺する構造がなせていることを示す。
【０１９２】
図４２に、各正規化中間層半径ｒｍｉｄ／ｒｏｕｔが０．８の時の、正規化最内層半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔと、正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔと、光学効率ηｏｐｔの結果を示す。この結果によると、最内層透明部半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔ＝０．６８８において、光学効率ηｏｐｔ＝７５．５％、正規化焦点距離ｆ／ｒｏｕｔ＝１．４５が得られている。また、最内層透明部半径ｒｃｏｒｅ／ｒｏｕｔ＝０．６８８近辺においても光学効率が高い部分が広がっている。
【０１９３】
＜結論＞
３層球状層構造集光レンズについても球面収差を相殺する構造がなせることが示された。さらに多層においてもおおよそ似たような形になることが見込まれる。低屈折率素材は液体であることが多いため、別途液体低屈折率素材をくるむ球状中間層透明部を設け、その外に球状最外層透明部を設ける構造にすることも可能だと思われる。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
本発明は、限られた土地面積において太陽光発電と農地などの他の太陽光利用を両立する手段、および、面積対高発電量をなす手段として有望である。散乱光は透過しながらも、直達光を集光して高効率に電気に変換でき、従来ＰＶモジュールと比較して、日射透過量に対する発電量の比率が高い。従来集光追尾光電変換装置に対しても薄型構造がなせるためため、窓や壁面など開放感がありつつ適度な光のカットができるという特性があり、産業上の利用価値及び産業上利用できる可能性が非常に高い。
【符号の説明】
【０１９５】
１０（１０ａ〜１０ｃ）    球状層構造集光レンズ
１１    球状最外層透明部
１２    球状最内層透明部
１３    球状中間層透明部
１４    筒状空間
２０（２０ａ〜２０ｄ）    球状層構造集光レンズ塊
３０（３０ａ〜３０ｊ）    集光光電変換パネル
４０  光電変換パネル
５０  セルパッケージ
１００（１００ａ〜１００ｄ）  追尾機構
１１０（１１０ａ〜１１０ｆ）Ａ駆動機構
１１１  第１滑りねじ（第１駆動部）
１１２（１１２ａ，１１２ｂ）第１可動支持部
１２１  第２滑りねじ（第２駆動部）
１２２（１２２ａ，１２２ｂ）第２可動支持部
１２９  Ａ移動部
１３０（１３０ａ，１３１ｂ）  Ｂ駆動機構
１３１  第３滑りねじ（第３駆動部）
１３９  Ｂ移動部
【図１】
2019204082.tif 000003
【図２】
2019204082.tif 000004
【図３（ａ）】
2019204082.tif 000005
【図３（ｂ）】
2019204082.tif 000006
【図４（ａ）】
2019204082.tif 000007
【図４（ｂ）】
2019204082.tif 000008
【図５（ａ）】
2019204082.tif 000009
【図５（ｂ）】
2019204082.tif 000010
【図６（ａ）】
2019204082.tif 000011
【図６（ｂ）】
2019204082.tif 000012
【図７（ａ）】
2019204082.tif 000013
【図７（ｂ）】
2019204082.tif 000014
【図８（ａ）】
2019204082.tif 000015
【図８（ｂ）】
2019204082.tif 000016
【図９】
2019204082.tif 000017
【図１０（ａ）】
2019204082.tif 000018
【図１０（ｂ）】
2019204082.tif 000019
【図１０（ｃ）】
2019204082.tif 000020
【図１１（ａ）】
2019204082.tif 000021
【図１１（ｂ）】
2019204082.tif 000022
【図１２（ａ）】
2019204082.tif 000023
【図１２（ｂ）】
2019204082.tif 000024
【図１３（ａ）】
2019204082.tif 000025
【図１３（ｂ）】
2019204082.tif 000026
【図１４】
2019204082.tif 000027
【図１５】
2019204082.tif 000028
【図１６】
2019204082.tif 000029
【図１７】
2019204082.tif 000030
【図１８】
2019204082.tif 000031
【図１９】
2019204082.tif 000032
【図２０】
2019204082.tif 000033
【図２１】
2019204082.tif 000034
【図２２】
2019204082.tif 000035
【図２３】
2019204082.tif 000036
【図２４】
2019204082.tif 000037
【図２５】
2019204082.tif 000038
【図２６】
2019204082.tif 000039
【図２７】
2019204082.tif 000040
【図２８】
2019204082.tif 000041
【図２９】
2019204082.tif 000042
【図３０】
2019204082.tif 000043
【図３１】
2019204082.tif 000044
【図３２】
2019204082.tif 000045
【図３３】
2019204082.tif 000046
【図３４】
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【図３５】
2019204082.tif 000048
【図３６】
2019204082.tif 000049
【図３７】
2019204082.tif 000050
【図３８】
2019204082.tif 000051
【図３９】
2019204082.tif 000052
【図４０】
2019204082.tif 000053
【図４１】
2019204082.tif 000054
【図４２】
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