(57)【要約】マルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールは、マルチバンド太陽光集光装置およびエネルギー変換装置を備える。マルチバンド太陽光集光装置は、入射光を複数の光ビームに分割し、互いに分離した複数の１次スポットに複数の光ビームをそれぞれ集光させるために使用される。エネルギー変換装置は、複数のエネルギー変換部を備え、エネルギー変換部は、１つ１つが互いに分離した１次スポットに対応し、この１次スポットに配置される。それぞれのエネルギー変換部は、個別の吸収スペクトルピークを有し、このピークは、エネルギー変換部が配置されている１次スポットの光ビームの波長に対応する。【選択図】図１２
2013537004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールであって、
入射光を複数の光ビームに分割し、互いに分離した複数の１次スポットに前記複数の光ビームをそれぞれ集光させるマルチバンド太陽光集光装置と、
各々が互いに分離した前記複数の１次スポットに対応するように当該複数の１次スポットにそれぞれ配置されるとともに、各々が該当する１次スポットの光ビームの波長に対応するスペクトルピークを持つ光吸収特性を有する複数のエネルギー変換部を備えるエネルギー変換装置と、
を備えたことを特徴とするマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項２】
前記マルチバンド太陽光集光装置は、
前記複数の光ビームを形成するべく前記入射光を波長に応じて分割する回折格子と、
互いに分離した前記複数の１次スポットに前記複数の光ビームをそれぞれ集光するための集光部品と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項３】
前記回折格子は、互い違いに配列される複数の第２の回折格子を備えたことを特徴とする請求項２に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項４】
前記マルチバンド太陽光集光装置は、
前記入射光を集光するための集光部品と、
前記集光された入射光を、波長に応じて、互いに分離した前記複数の１次スポットの前記複数の光ビームにそれぞれ分割する回折格子と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項５】
前記回折格子は、前記集光された入射光を複数の２次スポットで分割する複数の第２の回折格子を備え、
前記複数の１次スポットの各々は、２つの２次スポットを伴う
ことを特徴とする請求項４に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項６】
前記マルチバンド太陽光集光装置と前記エネルギー変換装置との間に配置されて、前記分割され集光された入射光を、互いに分離した前記複数の１次スポットに案内する第２のレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項７】
集光部品と、当該集光部品の面に配置される回折格子とを備えるマルチバンド太陽光集光装置と、
前記集光部品の集光面の上に、側面どうしが互いに隣接し且つ各受光面が当該集光部品と対向するように配置される複数のエネルギー変換部を備えるエネルギー変換装置と、
を備えたことを特徴とするマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項８】
前記集光部品は、集光面が光軸に対しなす角度が６０°から１２０°の間であることを特徴とする請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項９】
前記集光部品は、前記エネルギー変換部に対し入射光が−３０°から３０°の間の入射角で入射するように当該入射光を集光するようになっていることを特徴とする請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１０】
前記集光部品の放光面は、その面積が前記エネルギー変換装置の受光面をカバー可能な寸法を有することを特徴とする請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１１】
前記エネルギー変換装置は、前記集光部品の幅の半分以下の幅を有することを特徴とする請求項１０に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１２】
前記エネルギー変換装置の受光面は、その面積が前記集光部品の放光面を水平面に対し垂直に射影した面積の半分以下であることを特徴とする請求項１０に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１３】
前記集光部品は、放光面および入射面を備え、前記回折格子は、前記集光部品の前記入射面または前記放光面に配置される、請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１４】
前記集光部品は、両凸レンズ、平凸レンズ、フレネルレンズ、または反射光集光レンズであることを特徴とする請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１５】
前記マルチバンド太陽光集光装置と前記エネルギー変換装置との間に配置される第２のレンズを更に備えたことを特徴とする請求項７に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１６】
入射光を波長に応じて分割して集光して、互いに異なる波長帯域を有する複数の光ビームを形成するべく、前記入射光を集光面で集光するための集光部品と、前記入射光を波長帯域に応じて分割する回折格子とを備えるマルチバンド太陽光集光装置と、
前記集光部品の集光面の上に、各受光面が当該集光部品と対向するように配置される複数のエネルギー変換部を備え、前記マルチバンド太陽光集光装置に形成された互いに異なる波長帯域を有する複数の光ビームが入射されるエネルギー変換装置と、
を備えたことを特徴とするマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１７】
前記複数のエネルギー変換部の各受光面の中心軸と、対応する各光ビームの光軸との間の角度は０°から２０°の間であることを特徴とする請求項１６に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１８】
前記集光部品は放光面および入射面を備え、前記回折格子は当該入射面または当該放光面に配置されることを特徴とする請求項１６に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項１９】
互いに異なる前記波長帯域を有する複数の光ビームは、前記集光面の上の互いに分離した複数の１次スポットにそれぞれ集光され、
前記複数のエネルギー変換部は、互いに分離した前記複数の１次スポットにそれぞれ配置される
ことを特徴とする請求項１６に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項２０】
前記複数のエネルギー変換部は、
前記入射光に応じて異なる吸収スペクトルをそれぞれ有し、
当該吸収スペクトルに対応する互いに異なる波長帯域を有する前記複数の光ビームによる互いに分離した前記複数の１次スポットにそれぞれ配置される
ことを特徴とする請求項１９に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【請求項２１】
前記マルチバンド太陽光集光装置と前記エネルギー変換装置との間に配置される第２のレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１６に記載のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対応する波長に応じて集光され他のエネルギーに変換される、太陽光または周囲光に対するマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界には多くの太陽電池技術があるが、太陽放射スペクトルと一致させることができる吸収スペクトルを有する技術は１つもない。
【０００３】
図１は、太陽光（ＡＭ１．５Ｇ）の太陽放射スペクトルである。図２は、３つの太陽電池の吸収スペクトルである。図１および図２を参照すると、ほとんどの太陽電池は、太陽放射スペクトルの特定の波長帯域を有する光（つまり入射光または入射光と呼ばれる光）を吸収することができる。
【０００４】
したがって、現在利用可能な太陽電池の技術では、太陽光は、効率よく吸収されることができず、太陽光をより効率よく吸収するために、マルチバンド太陽光吸収技術が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルチバンド太陽光吸収技術は、多接合型太陽電池の技術に基づいていることが知られている。２つまたは３つの太陽電池を多接合型に積層する多接合型太陽電池の技術は、太陽電池の吸収スペクトルを拡大することができる。しかしながら、物質の透過率の限界のため、太陽光の入射強度は、下の方の太陽電池では低くなり、下の方の電池の吸収強度も減少する。
【０００６】
さらに、異なる太陽電池は異なる格子定数を有する。格子定数の不一致は、インターフェースで格子を増加させる傾向にあり、光電流密度は低下する。したがって、インターフェースにバッファ層を配置して抵抗および格子の不一致を減少させる必要があるが、同時に生産コストおよび生産の複雑性は増す。積層数の増加に伴い、生産コストおよび生産の複雑性も増す。しかしながら、改善された効率は線形的には増加せず、プロセスの歩留まりも低下する。
【０００７】
ソーラーグレードシリコン原料が不足しているため、集光装置の使用が重要である。集光比は、焦点における太陽電池の比率に対する集光装置の被照射面積の比率であると定義される。太陽光発電システムの集光比が高いほど、システムが使用する太陽電池の材料は少なくなる。
【０００８】
マルチバンド太陽光吸収技術によれば、入射光の強度を増大し、太陽光発電材料の使用を削減するために、太陽光は、湾曲したフレネルレンズを介して太陽電池に集光される。しかしながら、太陽電池の吸収スペクトルは、すべての太陽放射スペクトルをカバーしてはおらず、吸収されない太陽放射スペクトルは、熱に変換される。
そのため、太陽電池の基板の温度は上昇し、それによって太陽電池の変換効率は低下する。基板から熱を分散させるため、ヒートシンクを追加して配置するが、ヒートシンクの設計により、太陽光発電システムのコストおよび複雑性は増大する。
【０００９】
もう１つのマルチバンド太陽光吸収技術によれば、太陽電池に太陽光を集光するために、高分散材料でできた軸外のフレネルレンズが用いられる。しかしながら、軸外のフレネルレンズの特性に応じて、異なる波長を有する光は、光入射の軸方向上の異なる場所に集光される。
以下では、異なる吸収スペクトルを有する太陽電池が、光入射の軸方向上の近傍に設置されることで、異なる波長を有する光が異なる太陽電池に吸収されることができるようにする。しかしながら、このような設計では、太陽電池に対する入射光の入射角が大きすぎて良好な変換効率が得られないこと、および高波長分散材料は入手が容易ではないという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上に鑑みて、本開示は、上記の問題を解決するため、マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールを提供する。
【００１１】
１つの実施形態は、マルチバンド太陽光集光装置およびエネルギー変換装置を備えるマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールを開示する。マルチバンド太陽光集光装置は、入射光を複数の光ビームに分割し、互いに分離した複数の１次スポットに複数の光ビームをそれぞれ集光させるために使用される。エネルギー変換装置は、複数のエネルギー変換部を備え、これらのエネルギー変換部は、１つ１つが互いに分離した１次スポットに対応し、この１次スポットに配置される。それぞれのエネルギー変換部は、個別の吸収スペクトルピークを有し、このピークは、エネルギー変換部が配置されている１次スポットの光ビームの波長に対応する。
【００１２】
もう１つの実施形態は、マルチバンド太陽光集光装置およびエネルギー変換装置を備えるマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールを開示する。マルチバンド太陽光集光装置は、集光部品およびこの集光部品の表面に配置される回折格子を備える。エネルギー変換装置は、集光部品の集光面に配置された複数のエネルギー変換部を、互いに隣接した状態で備える。エネルギー変換部の受光面は、集光部品と対面する。
【００１３】
さらにもう１つの実施形態は、マルチバンド太陽光集光装置およびエネルギー変換装置を備えるマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールを開示する。マルチバンド太陽光集光装置は、波長に応じて入射光を分割して集光するために使用され、マルチバンド太陽光集光装置は、集光面に入射光を集光するための集光部品と、波長帯域に応じて入射光を分割するための回折格子とを備える。エネルギー変換装置は、集光部品の集光面に配置された複数のエネルギー変換部を備える。エネルギー変換装置の受光面は、集光部品と対面する。入射光がマルチバンド太陽光集光装置によって分割され集光されたのち、入射光は、複数の異なる波長帯域を有する光ビームを形成してエネルギー変換装置に入射する。
【００１４】
本実施形態のマルチバンド集光装置・エネルギー変換モジュールによれば、マルチバンド太陽光集光装置（集光部品および回折格子）を使用して、太陽光を異なる波長帯域を有する光ビームに分割し、この光を対応するエネルギー変換部に集光し、エネルギー変換部が良好な変換効率を持てるようにし、これによって総合的なエネルギー変換効率を向上させる。さらに、マルチバンド太陽光集光装置を使用することにより、エネルギー変換部の材料の使用をさらに削減することができる。
【００１５】
本開示は、例示のみを目的とし、したがって本開示を限定しない、以下に記載した詳細説明から完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】太陽光（ＡＭ１．５Ｇ）の太陽放射スペクトルを示す図である。
【図２】３つのエネルギー変換部の吸収スペクトルを示す図である。
【図３】第１の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図４】第２の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図５】第３の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図６】第４の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図７】第５の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図８】第６の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図９】一実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの一例の概略構造図である。
【図１０】一実施形態による回折格子の詳細な概略構造図である。
【図１１】一実施形態による２次スポットおよび総合スポットの概略図である。
【図１２】第１の実施形態による複数のマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【図１３】第７の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の詳細な説明では、開示した実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細事項を、説明を目的として記載している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくとも１つ以上の実施形態を実施できることは明らかであろう。また、図面を簡易化するために、公知の構造および装置を概略的に示している。
【００１８】
本開示では、マルチバンド太陽光集光装置を使用して、太陽光などの入射光またはその他の光を、異なる波長帯域を有する光ビームに分割し、光の入射の水平方向上の異なる位置に光ビームを集光して、異なるスポット（または集光スポットもしくは１次スポットと呼ぶ）を形成するようにする。
異なる波長帯域を有する光ビームは、光スペクトルまたは特定の光の波長の異なる範囲を指すことがある。以下では、説明しやすいように、太陽光を例に挙げるが、本実施形態はこれに限定されず、周囲光またはその他の光は他の例になる。
【００１９】
エネルギー変換部は、各スポットに対応するように配置される。ここで、エネルギー変換部は、光電変換部品（または光電部品と呼ぶ）または熱電変換部品とすることができるが、上記の部品または部に限定されない。上記のように対応している構成の間隔は、スポットの光ビームの帯域（波長）を備えるエネルギー変換部の吸収スペクトルピークに対応するものであってもよい（注意：エネルギー変換部は、異なる吸収スペクトルピークを有する）。
例えば、エネルギー変換部の吸収スペクトルピークが５００ナノメートル（ｎｍ）の場合、光ビームの波長帯域におけるピークをカバーするエネルギー変換部は、５００ｎｍをカバーしているまたはこれと重なる光ビームが集光されるスポットに配置されることができる。
この実施形態では、それぞれのエネルギー変換部は、良好な変換効率を有することができるため、全体のエネルギー変換効率は向上し、熱の発生も軽減される。マルチバンド太陽光集光装置は、集光が良いという特性を有するため、集光比を増大させることができ、エネルギー変換部の材料の使用を削減することができる。
【００２０】
一実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略図である図３を見ていただきたい。マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００は、マルチバンド太陽光集光装置１１０およびエネルギー変換装置１３０を備えている。マルチバンド太陽光集光装置１１０は、回折格子１１４および集光部品１１２を備えている。回折格子１１４は、集光部品１１２の表面に配置されている。マルチバンド太陽光集光装置１１０の集光部品１１２は、集光面Ａに入射光を集光するために使用される。
回折格子１１４は、入射光の入射を波長帯域に応じてマルチバンド太陽光集光装置１１０で分割し、複数の光ビームを形成する。例えば、入射する太陽光１０２は、３つの光ビームに分配され（または分割され）、この３つの光ビームの各々は、異なる波長λ１、λ２およびλ３に応じてそれぞれの波長帯域に対応する。
例えば、３つの波長帯域を有する光ビームは、それぞれ特定の波長を有するが、本実施形態に限定されない。他の実施形態では、３つの光ビームは、波長範囲の異なる３つの波長帯域をそれぞれ有することができ、例えば、中心波長を含む３つの波長帯域を有する光ビームは、λ１、λ２およびλ３である。マルチバンド太陽光集光装置１１０は、最初に太陽光１０２を分割してから集光することができる。
他の実施形態では、マルチバンド太陽光集光装置１１０は、最初に太陽光１０２を集光してから分割することができる。これらの実施形態の目的は、いずれも２種類の上記のプロセスによって達成することができる。この実施形態では、太陽光１０２は、最初に分割されてから集光される。
【００２１】
この実施形態では、集光面Ａは平坦だが、これに限定されない。集光面Ａの形状は、集光部品１１２の集光特性に応じて変化してよい。例えば、集光面Ａは、湾曲面または連続的に連結した複数の直線状の部分であってもよい。
【００２２】
エネルギー変換装置１３０は、複数の光電変換部品または熱電変換部品を備え、エネルギー変換部は、光（光エネルギー）に対して異なる吸収スペクトルピークを有する。この実施形態では、エネルギー変換装置１３０は、３つのエネルギー変換部１３１、１３２、１３３を備え、このエネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、異なる吸収波長帯域（吸収スペクトルピーク）を有する。
エネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、互いに隣接するように配置される。エネルギー変換部１３２／１３３のそれぞれの吸収波長帯域は、エネルギー変換部１３１／１３２の吸収波長帯域に続く。つまり、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の吸収波長帯域は、互いに重複してはならない。エネルギー変換装置１３０は、集光部品１１２の集光面Ａに配置され、エネルギー変換装置１３０の受光面１３０ａ（つまり、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３のそれぞれの受光面１３０ａ）は、集光部品１１２と対面し、集光された光は、（光が集光部品１１２を通過した後）エネルギー変換部１３１、１３２、１３３に入射できる。
なお、エネルギー変換装置１３０のエネルギー変換部１３１、１３２、１３３が互いに隣接している構成は、例として挙げたものであり、この構成に限定されない。エネルギー変換装置１３０が集光部品１１２の集光面Ａに配置され、集光された光がエネルギー変換装置１３０に入射するかぎり、どのような形も可能である。さらに、集光面Ａは、集光部品１１２の光軸Ｌとともに角度を形成することができ、この角度は６０°から１２０°の間とすることができる。一実施形態では、集光面Ａは、集光部品１１２の光軸Ｌに対しておおよそ垂直にすることができる。
【００２３】
この実施形態によれば、太陽光が回折格子１１４および集光部品１１２を通過した後、異なる波長帯域を有する複数の光ビームが形成される。光ビームは、集光面Ａで互いに分離した１次スポットを形成し、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、吸収スペクトルピークに応じて光ビームによって形成される１次スポットの位置に対応するように配置される。
したがって、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の構成により、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の受光面１３０ａの中心軸（つまり、垂直な入射軸）は、光ビームの光軸と一致することができる。換言すれば、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の受光面１３０ａの中心軸と、対応する光ビームの光軸との間の角度は、０°から２０°の間（または１６０°から１８０°の間）である。その結果、良好な集光効果が達成され、これによってエネルギー変換効率がさらに向上する。
【００２４】
集光部品１１２は、放光面１１２ａおよび入射面１１２ｂを備える。入射面１１２ｂは、入射光源からの光を受けるために使用され、一方、放光面１１２ａは、受けた光を集光面Ａに放出して集光するために使用される。集光部品１１２の放光面１１２ａの面積は、エネルギー変換装置１３０の受光面１３０ａをカバーできるサイズである。換言すれば、放光面１１２ａは受光面１３０ａよりも大きいまたは等しい。
一実施形態では、エネルギー変換装置１３０の幅Ｄ’は、集光部品１１２の幅Ｄの半分よりも短くまたは等しくすることができる。もう１つの実施形態では、エネルギー変換装置１３０の受光面１３０ａは、集光部品１１２の放光面１１２ａによって水平面に垂直に照射される面積の半分よりも小さいかまたは等しい。
【００２５】
回折格子１１４は、集光部品１１２の片側の面に取り付けられるかまたは作製されることができる。換言すれば、集光部品１１２および回折格子１１４は、２つの独立した部品または一体形成された単一部分とすることができる。図３に示すように、この実施形態では、回折格子１１４は、集光部品１１２の入射面１１２ｂに取り付けられる。さらに、集光部品１１２は、レンズとすることができる。この実施形態では、集光部品１１２は両凸レンズだが、実施形態はこの種のレンズに限定されない。
【００２６】
太陽光１０２がマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００に入ると、太陽光１０２は、マルチバンド太陽光集光装置１１０を通過し、マルチバンド太陽光集光装置１１０によって分割され集光されたのち、異なる波長帯域を有する複数の光ビームを形成する。次に、分割され集光された太陽光１０２は、エネルギー変換装置１３０に入射する。
図３の実施形態では、太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０を通過するとき、太陽光１０２は、最初に回折格子１１４に入り、入射する太陽光１０２は、回折格子１１４によって波長の異なる３つの光ビームに分割される。次に、分割された光ビームは、入射面１１２ｂを通って集光部品１１２に入射し、集光部品１１２によって集光されたのち、分割され集光された光ビームは、放光面１１２ａから放出され（すなわち出て）、異なる波長（λ１、λ２およびλ３）に応じて互いに分離した集光面Ａ上の１次スポットに集光される。
エネルギー変換装置１３０のエネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、それぞれ互いに分離した１次スポットに配置される。特に、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、互いに分離した１次スポットに配置され、この場所に光ビームは集光され、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の吸収スペクトルピークに対応する異なる波長帯域を有する。
これはつまり、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の吸収スペクトルピークは、互いに分離した１次スポットの光の波長（λ１、λ２およびλ３）に対応するということである。換言すれば、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の吸収波長帯域は、対応する波長（λ１、λ２およびλ３）をカバーする。あるいは、対応する波長（λ１、λ２およびλ３）は、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３の吸収スペクトルの中心点にある。
【００２７】
このように、集光部品１１２は、太陽光１０２が小さい入射角で集光されたのちに、太陽光１０２（つまり入射光）をエネルギー変換部１３１、１３２、１３３に入射させることができる。一実施形態では、入射角は、−３０°から３０°の間とすることができる。ここでは、入射角は、入射する光ビームとエネルギー変換部１３１、１３２、１３３の受光面１３０ａの法線との間の角度である。
【００２８】
図４は、第２の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。この実施形態と図３の実施形態との相違点は、この実施形態における集光部品１１２が平凸レンズであるという点である。
同じように、太陽光１０２がマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００に入るとき、太陽光１０２は、最初にマルチバンド太陽光集光装置１１０を通過し、太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０によって分割され集光されたのち、異なる波長帯域を有する複数の光ビームを形成する。最後に、光ビームは、エネルギー変換装置１３０に入射する。
【００２９】
図５は、第３の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。この実施形態と図３および図４の実施形態との相違点は、この実施形態で使用される集光部品１１２がフレネルレンズであるという点である。
この実施形態では、フレネルレンズは、２次元集光のフレネルレンズである。さらに、他の実施形態では、フレネルレンズは、１次元集光タイプのものであってもよい。同じように、太陽光１０２がマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００に入るとき、太陽光１０２は、マルチバンド太陽光集光装置１１０を通過し、太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０によって分割され集光されたのち、異なる波長帯域を有する複数の光ビームを形成する。最後に、光ビームは、エネルギー変換装置１３０に入射する。
【００３０】
図６は、第４の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。この実施形態と図３の実施形態との相違点は、この実施形態では回折格子１１４が、集光部品１１２の放光面１１２ａに配置されるという点である。したがって、太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０に入るとき、太陽光１０２は、入射面１１２ｂを通って集光部品１１２に入射する。太陽光１０２が集光部品１１２によって集光されたのち、太陽光１０２は放光面１１２ａから出て、回折格子１１４に入る。
次に、回折格子１１４は、集光された太陽光１０２を波長の異なる３つの光ビームに分割される。光ビームは、集光面Ａ上の異なる波長（λ１、λ２およびλ３）に応じて互いに分離した異なる１次スポットに集光され、対応する位置に配置されたエネルギー変換部１３１、１３２、１３３によって受け取られる。上記の実施形態から、マルチバンド太陽光集光装置１１０、回折格子１１４は、集光部品１１２の入射面１１２ａまたは放光面１１２ｂに配置されてよいことがわかる。しかしながら、実施形態は、上記の構成に限定されない。
【００３１】
図７は、第５の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。この実施形態と図６の実施形態との相違点は、この実施形態では集光部品１１２が、平凸レンズであるという点である。回折格子１１４は、集光部品１１２の放光面１１２ａ（平凸レンズの平面）に配置される。この実施形態では、回折格子１１４は、等間隔回折格子である、つまり、平凸レンズの湾曲面の接線ＴＬにおける回折格子１１４の照射間隔（ピッチ）は、すべて同じである。
図６の実施形態に関して言えば、回折格子１１４は、集光部品１１２の放光面１１２ａ（つまり両凸レンズの凸状面）に配置され、回折格子１１４は、等間隔回折格子とすることができる。つまり、両凸レンズの接線ＴＬにおける回折格子１１４の照射間隔（ピッチ）は、すべて同じである。なお、接線ＴＬにおける回折格子１１４の照射間隔を等間隔にするという設計は、例示にすぎず、回折格子１１４の間隔が異なる設計による変形例があってもよく、これに限定されないことが当業者にはわかるであろう。
【００３２】
図８は、第６の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図であり、マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００を示す。太陽光１０２がエネルギー変換装置１３０の受光面１３０ａに入る上記の実施形態と比較して、この実施形態では、太陽光１０２は、（マルチバンド太陽光集光装置１１０に入ることで、）エネルギー変換装置１３０の受光面１３０ａに対応する方向とは逆の方向から入る。したがって、この実施形態では、集光部品１１２は、集光反射レンズとすることができ、このレンズでは、集光部品１１２の放光面１１２ａまたは入射面１１２ｂが、反射面を形成し、回折格子１１４が集光部品１１２の放光面１１２ａ上にある。
太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０に入るとき、太陽光１０２は、回折格子１１４によって分割され、その後、分割された光は、集光部品１１２に入って集光される。放光面１１２ａまたは入射面１１２ｂは、反射面であるため、分割された光ビームは、集光部品１１２からエネルギー変換装置１３０に向かって反射し、集光面Ａで集光される。その後、集光された光は、集光面Ａ上のエネルギー変換装置１３０に入る。
他の実施形態では、マルチバンド太陽光集光装置は、一体に形成されてもよい、つまり、集光部品１１２および回折格子１１４は、１つの部品に形成される。この実施形態における一体型の集光装置では、回折格子１１４の面に反射層を配置してもよく、例えばこの面に金属コーティングを配置してもよい。太陽光１０２がマルチバンド太陽光集光装置１１０に入るとき、太陽光１０２は、回折格子１１４で直接反射し、集光され、分割され、分割され集光された太陽光１０２は、同じ方法で集光面Ａに集光される。
【００３３】
例えば、マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００の１つの設計を図９に見ることができる。この図は、一実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの一例の概略構造図である。
この実施形態では、両凸レンズを集光部品１１２とし、回折格子１１４が入射光を波長に応じて３つの波長帯域λ１、λ２およびλ３に分割し、λ１＝５００ｎｍ、λ２＝６００ｎｍ、およびλ３＝７００ｎｍである。集光面Ａの１次スポットの位置に対応するように配置されたエネルギー変換部１３１、１３２、１３３は、５００ｎｍ、６００ｎｍおよび７００ｎｍの波長を有する波長帯域の光に対して良好な吸収効率を有する。
太陽光１０２が垂直に入射するとき、集光部品１１２の幅Ｄおよび厚みＴは、それぞれ８ｃｍおよび１ｃｍであり、集光部品１１２に使用される材料の屈折指数は、１．４９であり、集光部品１１２の曲率半径（Ｒ）は、１２．８ｃｍであり、接線ＴＬ上の回折格子の照射間隔ｄは、５ｍｍであり、回折格子１１４の回折次数は、−１であり、エネルギー変換装置１３０の全長幅Ｄ’は、１．５ｃｍであり、集光部品１１２の入射面１１２ｂの中心点からエネルギー変換部１３１、１３２、１３３の受光面１３０ａの中心点までの接続線の長さＨ１、Ｈ２、およびＨ３は、それぞれ２７．６０ｃｍ、２７．６３ｃｍおよび２７．６６ｃｍであり、接続線Ｈ１、Ｈ２、およびＨ３と受光面１３０ａの法線との間の角度は、それぞれ５．７４°、６．８９°、および８．０５°である。
【００３４】
さらに、一実施形態による回折格子の詳細な概略構造図である図１０を見ていただきたい。回折格子１１４は、第２の回折格子１１５および１１６を３つ以上備えることができる。第２の回折格子１１５および１１６は、互い違いに配列される。なお、第２の回折格子１１５および１１６は、実際の要件に応じて、同じ間隔または異なる間隔を有することができ、異なる設計を有することができる。
この実施形態では、第２の回折格子１１５および１１６によって、入射光は、集光面Ａで入射光の２次スポットを形成することができ、その結果、複数の２次スポットの重複部分を範囲に含める平坦な中心部を有する総合スポットが得られ、さらに、エネルギーが過剰に集光されるのを回避することができる。換言すれば、エネルギー変換部１３１、１３２、１３３に対応するそれぞれの１次スポットは、過剰に集光されたエネルギーによって引き起こされるエネルギー変換装置１３０の温度上昇を避けるために、３つ以上の２次スポットを備えることができる。
２次スポットおよび総合スポットの概略図として、図１１を参照する（図１１は、一実施形態による２次スポットおよび総合スポットの概略図である）。この図では、水平軸は、集光面Ａの水平位置であり、垂直軸は、相対強度である。図のように、互いに隣接する複数の２次スポットは、集光されて１次スポットになる（またはこれを総合スポットと呼び、図では２次スポット１および２のみが示されているが、この実施形態に限定されない）。
【００３５】
図１２は、第１の実施形態による複数のマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図である。太陽光発電システム１０では、３つ以上のマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００−１、１００−２、および１００−３が配置されている。
【００３６】
マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００−１、１００−２、および１００−３は、平行に配置されることができる。つまり、マルチバンド集光装置のマルチバンド太陽光集光装置１１０−１、１１０−２、および１１０−３ならびにエネルギー変換モジュール１００−１、１００−２、および１００−３は、互いに隣接して連続的に配置される。
異なるマルチバンド集光装置のエネルギー変換装置１３０−１、１３０−２、および１３０−３ならびにエネルギー変換モジュール１００−１、１００−２、および１００−３は、互いに隣接しておらず、換言すれば、互いに分離している。
【００３７】
本実施形態のマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールによれば、マルチバンド太陽光集光装置（集光部品および回折格子）を使用して、異なる波長帯域を有する光ビームに太陽光を分割し、この光を対応するエネルギー変換部に集光し、エネルギー変換部が良好な変換効率を有することができるようにし、これによって全体のエネルギー変換効率が向上する。さらに、マルチバンド太陽光集光装置の使用により、エネルギー変換部の材料の使用をさらに削減できる。
【００３８】
最後に、図１３は、第７の実施形態によるマルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュールの概略構造図を示す。マルチバンド集光装置およびエネルギー変換モジュール１００は、マルチバンド太陽光集光装置１１０、エネルギー変換装置１３０、およびマルチバンド太陽光集光装置１１０とエネルギー変換装置１３０との間に配置される第２のレンズ１４０を備える。
マルチバンド太陽光集光装置１１０は、回折格子１１４および集光部品１１２を備える。回折格子１１４は、入射光１０２を光ビームに分割する。マルチバンド太陽光集光装置１１０の集光部品１１２は、集光面Ａで光ビームを集光する。第２のレンズ１４０は、分割され集光された光ビームを複数のスポットに案内するために使用される。したがって、集光されたのち、光ビームは、第２のレンズ１４０を通過し、光ビームがエネルギー変換装置１３０に入射する入射角の反れが軽減され、これによってエネルギー変換装置１３０からスポットが反れるのを回避する。
したがって、エネルギー変換装置１３０は、吸収波長帯域に応じて、入射光に対してエネルギー変換を行う。
【００３９】
前述の本開示の例示的実施形態の説明は、説明および記載を目的として示したにすぎず、これを完全とする意図または開示した厳密な形態に本開示を限定する意図はない。上記の教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。
【００４０】
本実施形態は、本開示ならびに様々な実施形態および様々な修正を加えた実施形態を、構想される特定の使用に適合するように他の当業者が使用するために、本開示およびその実際の使用の原理を説明するために選択され記載されたものである。本開示の精神および範囲を逸脱しないかぎり、本開示に関連する当業者には、代替実施形態が明らかになるであろう。したがって、本開示の範囲は、前述の記載および本明細書に記載した例示的実施形態ではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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