(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過型フレネルレンズと反射型フレネルレンズとの間に配置され、正面及び背面の２つの方向から入射した太陽光を吸収できる両面素子である少なくとも１つの光電変換素子と、
前記光電変換素子と熱伝導接続され、熱流入のために用いられる少なくとも１つの第１熱伝導端部、及び、熱流出のために用いられる少なくとも１つの第２熱伝導端部を含み、前記第１熱伝導端部の温度が前記第２熱伝導端部の温度より高い場合に電気エネルギーを出力する、温度差式発電素子である少なくとも１つの熱電変換素子と、
太陽光を収束して前記光電変換素子に提供するための透過型フレネルレンズ及び反射型フレネルレンズとを備え、
前記光電変換素子は、透過型フレネルレンズと反射型フレネルレンズとの間に配置され、前記熱電変換素子は、前記光電変換素子の支持体として形成され、前記熱電変換素子の第１熱伝導端部は、前記光電変換素子に対して固定され、前記熱電変換素子の第２熱伝導端部は、前記反射型フレネルレンズに対して固定されていることを特徴とする統合型太陽エネルギー利用装置式太陽エネルギー利用装置。
【請求項２】
前記光電変換素子は、少なくとも１つの第１熱伝導素子を介して前記第１熱伝導端部と熱伝導接続されており、
前記熱電変換素子の前記第１熱伝導端部に位置する部品間の導電性接続、又は、前記熱電変換素子と前記光電変換素子との間の導電性接続を提供するための第１接続回路をさらに備え、
少なくとも１つの第１熱伝導素子と第１接続電気回路は、同一の基板に統合されており、前記基板は、剛性を有するもの又はフレキシブルなものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第２熱伝導端部から流出した熱を伝達するための少なくとも１つの第２熱伝導素子と、
前記熱電変換素子の第２熱伝導端部に位置する部品間の導電性接続を提供するための第２接続回路とをさらに備え、
少なくとも１つの第２熱伝導素子と第２接続電気回路は、同一の基板に統合されており、前記基板は、剛性を有するもの又はフレキシブルなものであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１接続回路と前記第２接続回路とが導電性接続され、回路全体には、複数のスイッチが配置されており、
前記スイッチは、第１熱伝導端部の温度が低下し、第２熱伝導端部の温度が上昇するように、前記光電変換素子又は外部からの電流を送り込み、前記熱電変換素子に電気エネルギーを入力するために用いられ、或いは、
前記スイッチは、回路切替を行うために用いられ、これにより、第２熱伝導端部の温度が第１熱伝導端部の温度より高い場合、前記熱電変換素子が電気エネルギーを出力し、この場合、第２熱伝導端部は熱の流入にも用いられ、第１熱伝導端部は熱の流出にも用いられ、或いは、
前記スイッチは、第２熱伝導端部の温度が低下し、第１熱伝導端部の温度が上昇するように、前記光電変換素子又は外部からの電流を送り込み且つ回路切替を行い、前記熱電変換素子に電気エネルギーを入力するために用いられることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記熱電変換素子は、２つ以上あり、直列接続又は並列接続の方式で前記光電変換素子と熱伝導接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記光電変換素子及び前記熱電変換素子の少なくとも一方が配置されている密閉キャビティをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記熱電変換素子は、前記密閉キャビティ内に配置され、前記光電変換素子は、前記密閉キャビティの１つの外表面に配置され、第２熱伝導端部は、キャビティのもう１つの外表面を介して外部環境と熱交換を行うことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光電変換素子は、前記密閉キャビティの内壁に配置され、又は、前記密閉キャビティの内部空間内に配置されており、
前記熱電変換素子の第１熱伝導端部の少なくとも一部が前記密閉キャビティを取り囲んでおり、
前記密閉キャビティには、少なくとも１つの光入口が設けられ、前記装置は、少なくとも１つの導光素子をさらに備え、各前記導光素子は、太陽光を前記光入口を経て前記密閉キャビティ内に入るようにガイドするために、対応する前記光入口と緊密に協働していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記密閉キャビティが設けられている熱エネルギー貯蔵器をさらに備え、前記熱エネルギー貯蔵器内には、熱エネルギーを貯蔵するための蓄熱物質が充填されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記熱エネルギー貯蔵器は、少なくとも１つの熱電変換素子が配置され、熱流量制御可能な対外部熱交換経路を有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の統合型太陽エネルギー利用装置と、
オープン式又はクローズ式の循環システムである第１循環システムとを備え、前記第１循環システムは、
第１作動媒体を加熱するためであり、少なくとも１つの第１作動媒体入口及び少なくとも１つの第１生成物出口が設けられている容器と、
少なくとも前記第１生成物出口と接続され、又は、少なくとも前記第１作動媒体入口及び前記第１生成物出口と接続されている第１配管システムと、
前記第１配管システムにおける一部の配管の開閉を制御するための少なくとも１つのバルブと、
前記第１配管システム内に接続され、貯蔵、エネルギーの変換又はエネルギーの交換に用いられる少なくとも１つのノード装置とを含み、前記統合型太陽エネルギー利用装置における第２熱伝導端部と前記容器内の第１作動媒体とが熱伝導接続されていることを特徴とする太陽エネルギー利用システム。
【請求項１２】
前記統合型太陽エネルギー利用装置は、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の装置であり、
前記密閉キャビティは、前記容器内に設けられ、又は、前記熱エネルギー貯蔵器は、前記容器内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記統合型太陽エネルギー利用装置は、請求項９又は１０に記載の装置であり、
前記熱エネルギー貯蔵器が前記容器内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
第１作動媒体は淡水又は海水であり、第１生成物は水蒸気であり、
前記ノード装置は、生成物の流れ方向に従って順番に接続されている電解炉及び反応炉を含み、
前記電解炉は、前記水蒸気を受け取り且つそれを水素及び酸素に電気分解するために用いられ、
前記反応炉は、前記電解炉によって生成された水素、及び、外部からの二酸化炭素を含む気体を受け取って反応させてメタン及び水を生成するために用いられることを特徴とする請求項１２及び１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーンエネルギー技術分野に関し、特に太陽エネルギーを利用した統合型太陽エネルギー利用装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護がますます重要視されるにつれ、太陽エネルギーシステムはますます広範囲に使用されるようになっている。現在使用されている太陽エネルギーシステムは、基本的に給電及び給熱の２つに分類される。
【０００３】
給電に用いられる太陽エネルギーシステムは、光電変換を採用して発電するシステム及び光熱変換を採用して発電するシステムにさらに分かれる。ここで、光電変換を採用して発電するシステムは主に、ソーラーパネルを利用して吸収した太陽エネルギー部分を直接に電気エネルギーに変換するものである。光熱変換を採用して発電するシステムは主に、太陽エネルギーを利用し、作動媒体を加熱して気化させ、次に気化した媒体によって蒸気タービン等の発電設備を駆動して発電するものである。また、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）発電機又は他の熱電直接変換装置を使用した太陽エネルギーシステムのような、熱エネルギーを直接利用して発電する太陽エネルギーシステムもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
どのようなタイプの太陽光発電システムであっても、現在のエネルギー変換効率に対して改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様として、本発明は、少なくとも１つの光電変換素子と、少なくとも１つの熱電変換素子とを備える統合型太陽エネルギー利用装置を提供する。前記熱電変換素子は、前記光電変換素子と熱伝導接続され、熱流入のために用いられる少なくとも１つの第１熱伝導端部を含む。前記熱電変換素子は、温度差式発電素子であってもよくエネルギー貯蔵式発電素子であってもよい。前記熱電変換素子は、温度差式発電素子である場合、熱流出のために用いられる少なくとも１つの第２熱伝導端部をさらに含む。前記第１熱伝導端部の温度が前記第２熱伝導端部の温度より高い場合、前記熱電変換素子は、電気エネルギーを出力する。前記熱電変換素子は、エネルギー貯蔵式発電素子である場合には、前記第１熱伝導端部から流入した熱を直接貯蔵し又は化学エネルギーに変換して貯蔵するため、及び、貯蔵しているエネルギーを電気エネルギーに変換して出力するための作動媒体をさらに含む。熱エネルギーの直接貯蔵は、液化及び気化のような、作動媒体の温度の上昇又は相転移を含む。化学エネルギーは、物質分子の化学変化（例えば、イオン化、電気分解、化合及び分解等）によって貯蔵されるエネルギーを含んでよい。
【０００６】
もう１つの態様として、本発明は、前記統合型太陽エネルギー利用装置と、第１循環システムとを含む太陽エネルギー利用システムを提供する。前記第１循環システムは、第１作動媒体を加熱するための容器、第１配管システム、少なくとも１つのバルブ及び少なくとも１つのノード装置を含み、オープン式又はクローズ式の循環システムである。前記容器には、少なくとも１つの第１作動媒体入口及び少なくとも１つの第１生成物出口が設けられている。前記統合型太陽エネルギー利用装置における少なくとも第２熱伝導端部と前記容器内の第１作動媒体とが熱伝導接続されている。前記第１配管システムは、少なくとも前記第１生成物出口と接続され、又は、少なくとも前記第１作動媒体入口及び前記第１生成物出口と接続されている。前記バルブは、前記第１配管システムにおける一部の配管の開閉を制御するために用いられる。前記ノード装置は、前記第１配管システム内に接続され、貯蔵、エネルギーの変換又はエネルギーの交換に用いられる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置によれば、光電変換素子と熱電変換素子とを一体化し、熱電変換素子を利用して光電変換素子によって生成された熱エネルギーに対して更なる電気エネルギー変換を行うことにより、光電変換素子によって利用されていない太陽エネルギーが再利用され、太陽エネルギーで発電するエネルギー変換効率が効果的に向上する。
【０００８】
本発明に係る太陽エネルギー利用システムによれば、統合型太陽エネルギー利用装置を熱源として循環システム内に配置して循環システムの作動媒体を加熱することにより、太陽光のエネルギーを十分に利用するだけでなく、例えば、循環システムを介して太陽エネルギーを利用可能な他の態様のエネルギー（例えば、蒸気によって提供される運動エネルギー、長期保存可能な熱エネルギー又は化学エネルギー等）に変換するような、より多くの機能を拡張することができる。
【０００９】
以下、図面と併せて本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置の構成概略図である。
【図２】本発明における、フレネル屈折面を生成するための２つの同軸面の概略図である。
【図３】本発明における、２つの歯面を有する集光素子の概略図である。
【図４】本発明に係る反射型フレネルレンズの構成概略図である。
【図５】本発明に係る複数の熱電変換素子の熱伝導接続方法の概略図である。
【図６】本発明に係る太陽エネルギー利用システムの構成概略図である。
【図７】実施形態１における統合型太陽エネルギー利用装置の概略図である。
【図８】実施形態１における熱電変換素子の等価回路の概略図である。
【図９】実施形態１における、接続回路と熱伝導素子とが統合されたプリント回路基板（ＰＣＢ）の概略図である。
【図１０】実施形態１における接続回路のスイッチの配置方法の概略図である。
【図１１】実施形態１における回路切替後の熱電変換素子の等価回路の概略図である。
【図１２】実施形態２における統合型太陽エネルギー利用装置の概略図である。
【図１３】実施形態３における太陽エネルギー利用システムの概略図である。
【図１４】実施形態４における太陽エネルギー利用システムの概略図である。
【図１５】実施形態５における太陽エネルギー利用システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に示すように、１つの基本構造として、本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置は、光電変換素子１１０と熱電変換素子１２０とを備えている。
【００１２】
光電変換素子１１０として、ソーラーパネルや光電変換膜等のような、光エネルギーを電気エネルギーに直接に変換することができる様々な手段を採用することができる。ここで、ソーラーパネルは、例えば、単結晶シリコンソーラーパネル、多結晶シリコンソーラーパネル、アモルファスシリコンソーラーパネル、又は複合半導体材料ソーラーパネル等であってよい。装置内の光電変換素子の数、種類及び配置方法について、例えば、直列接続、並列接続又は混合する方式を採用するなど、必要に応じて設計すればよい。
【００１３】
好ましくは、装置は、太陽光を光電変換素子に提供するために収束させるための少なくとも１つの集光素子（不図示）をさらに含む。集光素子は、より多くの太陽光を受けるための比較的大きい面積を有する少なくとも１つの集光屈折面を有する。また、集光屈折面（又は、当該屈折面が位置する光学素子の別の面）には、反射を防止し、透過率を向上させるためのフィルムをコーティングしてもよく、これにより、集光素子における太陽光の反射損失が低減され、集光効率が向上する。反射防止コーティングフィルムは、集光素子の耐食性をある程度高め、集光素子の寿命を延ばすことができる。また、装置の極限環境に対する適合性を高めるために、集光素子のレンズに、除雪又は除氷のための電熱線のような電気加熱素子を配置してもよい。
【００１４】
集光型光電変換素子と熱電変換素子とを統合することは非常に有利である。実際には、熱電変換効果の発見は、光電変換効果の発見よりも遥かに早く、熱エネルギーを利用して直接発電することも、光エネルギーを利用して発電することよりも早い。しかしながら、現在、光電変換についての利用は、熱電変換についての利用より遥かに多い。その重要な理由の１つは、熱エネルギーが低い場合に、直接熱電変換しか使用できず、一方、現在の光電変換効率が直接熱電変換の効率を遥かに超えており、さらに、同じ電力出力の場合において、ソーラーパネルのコストが熱電変換器のコストよりも遥かに低いことである。しかし、集光素子を使用して太陽光を広範囲から収束させたことにより、ソーラーパネルの使用量が大幅に減縮され、生成された熱エネルギーがより集中するようになる。この場合、少ない熱電変換素子だけで太陽エネルギーの直接発電効率を大幅に向上させ、熱電変換素子を使用するコストパフォーマンスが大幅に向上する。熱エネルギーが十分に強い（即ち、収束した太陽エネルギーが十分に強い）場合、例えば、よく知られているスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）発電機お及び蒸気発電機等のような、比較的高効率の熱エネルギー発電装置を利用することができる。それにより、太陽エネルギーの利用効率がさらに向上する。
【００１５】
好ましくは、集光屈折面として、フレネルレンズによって提供されたる歯面を採用してよい。理解を容易にするために、関連概念について以下に説明する。
【００１６】
フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズは、薄型のレンズである。通常のレンズの連続した原曲面を複数のセグメントに分割し、各セグメントの厚さを減少させた後に、各セグメントの曲面を同一の平面又は同一のほぼ平滑な曲面に設けることにより、フレネルレンズが形成される。原曲面から進化した不連続の屈折面は、通常段丘状又は歯状であり、フレネル屈折面と称されてよい。フレネル屈折面は、対応する原曲面と比較すれば、理論上では同様な光学性能を有するにも関わらず、厚さが大幅に減少する。１つの原曲面（又は原曲面の一部）から生成されたフレネル屈折面を１つのフレネルユニットと称してよい。
【００１７】
フレネル屈折面を生成するための従来の原曲面は、例えば、球面、回転放物面等の回転曲面のような、一般的に光軸を中心とした対称曲面である。従来の原曲面の焦点は、１つの点に位置するため、「同点面」と称されてよい。本発明において、原曲面は、用途に応じて具体的に設定可能な任意の形式の同軸面であってよい。ここでの同軸面とは、焦点が同一の直線上（必ずしも同一の点ではない）に位置する曲面であり、当該直線は、「同軸線」と称されてよい。従来の同点面は、同軸面の同軸線が１つの点に縮退したときの特例とみなされてよい。同軸であるが同点ではない原曲面を採用することにより、集束位置に配置された感知素子を比較的小さい面積（焦点に対応する）から長手形状（焦点から構成された同軸線に対応する）まで拡張させることができ、それにより、コストを大幅に増加させない場合において、信号収集能力が向上し、局所的な過熱問題の解決に資する。典型的な同軸面は、回転曲面（２次又は高次回転曲面を含む）、柱面、錐面等を含む。ここで、柱面は、等断面同軸面とも呼ばれる。このような曲面を、同軸線に垂直な方向に沿った任意の点で切断して得られた横断面の形状及び大きさは同じである。円柱面は、柱面の１つの特例である。同軸線に沿った錐面の横断面は、同様な形状を有するが、大きさが異なる。円錐面は、錐面の１つの特例である。図２は、上記の２つの同軸線を示している。図２（ａ）は、等断面同軸面であり、図２（ｂ）は、テーパー状同軸面であり、焦点Ｆは、それぞれの同軸線Ｌ上に位置している。
【００１８】
１つ又は複数のフレネルユニットからなる巨視的屈折面を歯面と称し、その反対側のほぼ平滑又は平坦な面を背面と称してよい。１つのフレネルユニットのみを有する歯面を「単純フレネルレンズ」と称し、２つ以上のフレネルユニットを有する歯面を「複合フレネル屈折面」と称してよい。一般的には、複合フレネル屈折面における各フレネルユニットの基本パラメータ（例えば、面積、焦点距離、対応する原曲面の形状、原曲面を分割するために使用される同心リングの数量等）のすべては、完全に同じ、部分的に同じ又は全く異なってもよく、柔軟に設定されてよい。１つの実施形態において、複合フレネル屈折面における各フレネルユニットは、それぞれの光学中心を有するが、焦点は、同一の点、同一の直線又は１つの限定されたエリア内にある。これは、当該複合フレネル屈折面を構成する各フレネルユニットに対する空間的配置により実現されてよい。これらのフレネルユニットは、例えば平面、２次曲面（球面、楕円面、円柱面、放物柱面及び双曲柱面を含む）、高次多項式曲面（非球面の通常実現方式）、並びに、複数の平面が接合されてなる多面型面及び台形台面等のような巨視的曲面に配置されているとみなしてよい。
【００１９】
歯面及び背面は、様々なタイプの素子を形成するように自由に組み合わされてよい。例えば、１つの歯面及び１つの背面を有するフレネルユニットを「単面フレネル屈折面」と称してよい。さらに、歯面が「単純フレネル屈折面」である場合、レンズは「単面単純フレネルレンズ」となり、歯面が「複合フレネル屈折面」である場合、レンズは「単面複合フレネルレンズ」となる。両面とも歯面であるフレネルレンズを「両面フレネルレンズ」と称してよい。同様に歯面のタイプによって「両面単純フレネルレンズ」及び「両面複合フレネルレンズ」にさらに分類することができる。両面フレネルレンズの１つの歯面が単純フレネル屈折面であり、もう１つの歯面が複合フレネル屈折面である場合、「両面混合フレネルレンズ」と称してよい。また、変形例として、両面フレネルレンズにおける歯面のうちの１つが「単純フレネル屈折面」である場合、当該歯面を従来の凸レンズ面又は凹レンズ面で代替することができる。
【００２０】
同一の光路に２つ又はより多くの歯面を設けることにより、集光素子がより良好な収束能力を有する。図３は、２つの歯面を有する集光素子を示しており、ここで、複合フレネル屈折面ｓ３及び単純フレネル屈折面ｓ４は、１つの両面フレネルレンズによって提供されてもよく、  ２つの単面フレネルレンズによってそれぞれ提供されてもよい。
【００２１】
システム内の２つの歯面は、反射面を設ける方式により同一の物理的界面で代替されてよい。図４に示すように、素子ＦＬ１は、反射型背面ｓ１（内表面は鏡面である）を有する。背面ｓ１は、例えば、単面フレネルレンズの平滑面に反射フィルムをメッキし、又は反射能力を有するパッチを貼り付ける等の方式で形成されてよい。反射のため、入射光路は、その物理的屈折界面ｓ２を２回通過する。従って、当該物理的界面は、２つの歯面と同等であり、素子ＦＬ１が反射型フレネルレンズと称されてもよく、さらに、当該２つの歯面の凹凸性質が同じである。反射型背面を設ける方式により、光路内の歯面の数を容易に増加させることができ、製作及び取付のコストが削減され、フレネルレンズの使用形態を大幅に充実させることができる。
【００２２】
本明細書における集光素子及び発散レンズは、凸レンズ若しくは凹レンズの光学特性を有するフレネルレンズ又はフレネルレンズ群で代替されてよい。フレネルレンズとして、ガラス、樹脂及び透明プラスチック等の材料で作ることができる。ガラスを採用する場合、その強度及び安全性を高めるために、ガラスに強化処理を行ってもよい。
【００２３】
熱電変換素子１２０は、光電変換素子と熱伝導接続され、熱流入のために用いられる少なくとも１つの第１熱伝導端部１２１を含む。現在、変換効率が２０％を超えず、大量の熱エネルギーを発生する光電変換素子が一般的である。本発明によれば、これらの熱エネルギーを熱電変換素子に伝導させてさらに利用することができる。
【００２４】
一部の実施形態では、第１熱伝導端部は、例えば通常、光電変換素子の太陽光に照射される表面（図中の矢印で示されるように）と相対する別の面に配置するなど、光電変換素子と直接接触して熱伝導を行うことができる。他の実施形態では、第１熱伝導端部は、熱伝導媒体（例えば、熱伝導性シリコン又は熱伝導性液体）又は熱伝導素子（例えば、金属板）を介して光電変換素子と間接的熱交換を行ってもよい。
【００２５】
熱電変換素子として、例えば、温度差式発電素子又はエネルギー貯蔵式発電素子のような、熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な様々な素子を採用してよい。図１を参照されたい。熱電変換素子は、温度差式発電素子である場合、熱流出のために用いられる少なくとも１つの第２熱伝導端部１２２をさらに含む。第１熱伝導端部の温度が第２熱伝導端部の温度より高い場合、温度差式発電素子は、電気エネルギーを出力する。温度差式発電素子は、具体的には、例えば半導体熱電変換機やアルカリ金属熱電変換機（Ａｌｋａｌｉ−ｍｅｔａｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等であってよい。熱電変換素子は、エネルギー貯蔵式発電素子である場合、例えば正負電極及び電解液のような、第１熱伝導端部から流入した熱を化学エネルギーに変換して貯蔵するため、及び、貯蔵しているエネルギーを電気エネルギーに変換して出力するための作動媒体をさらに含む。エネルギー貯蔵式発電素子は、具体的には、例えば加熱により賦活される溶融塩電池（ｍｅｌｔ  ｓａｌｔ  ｂａｔｔｅｒｙ）等であってよい。高温で生成された熱エネルギーは、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）発電機や蒸気発電機等を駆動するために用いられてもよく、これにより、ソーラーパネルよりも高い電気エネルギー変換効率が得られる。なお、溶融塩電池は、熱エネルギー又は電気エネルギーを貯蔵するためのエネルギー貯蔵素子として装置内に配置されてもよく、これにより、長期のエネルギー貯蔵能力を有する装置は、太陽エネルギーによる給電の不安定問題や過剰なエネルギーの浪費問題が克服され、太陽エネルギーの利用効率がさらに向上する。
【００２６】
熱エネルギーは、長期間（例えば半年）且つ高効率（例えば９９％）で保存可能なエネルギーの一形態であることが証明されている。熱エネルギーは、熱容量の大きい物質（例えば、パラフィンや硝酸塩）及びそれらの相転移によって高密度で貯蔵され得る。貯蔵された熱エネルギーを利用して、熱電池（例えば、溶融塩電池）や熱電変換装置を介して直接発電することもできれば、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）発電機や蒸気発電機を駆動することもでき、さらに、余熱を温水又は暖房システムの熱源として利用することもできる。
【００２７】
従って、太陽エネルギーによって生成された熱エネルギーを十分に利用することは、太陽エネルギーの利用率を高め、太陽エネルギーシステムのコストを削減するのに非常に重要且つ有効な方法であるが、現在の太陽光発電システムにおいて熱エネルギーがそれほど重視されていない。その重要な理由の１つは、従来の太陽エネルギー集光システムのコストが高すぎる一方で効率が良くないからである。本発明では、フレネルレンズ、特に少なくとも２層の集光屈折面及び／又は複数のフレネルレンズユニットを有するフレネルレンズ集光システムを使用することが好ましい。これにより、集光効率を高めつつ集光システムのコストを削減することで、太陽エネルギーによって生成された熱エネルギーの利用がより便利で且つ効果的となる。また、従来の太陽エネルギー熱電システム（例えば、スターリング太陽エネルギー発電機）と比較すれば、本発明はまず、光電変換素子を介して太陽エネルギーを受け取って、２０％又はさらに多くの太陽エネルギーを直接に電気エネルギーに変換させ、次に、電気エネルギーに変換されていない太陽熱エネルギー（７０％前後）を熱電変換素子、及び更なる保存又は利用装置を介して保存及び利用する。それにより、太陽エネルギーの利用効率が大幅に向上すると共に、エネルギーの長期保存及び発電量が不安定という問題が解決される。
【００２８】
装置内の熱電変換素子の数量、種類及び配置方式は、ニーズに応じて設計されればよい。２つ以上の熱電変換素子を使用する場合、同じ又は異なるタイプのものを採用し、直列接続又は並列接続の方式で光電変換素子と熱伝導接続させてよい。図５を参照されたい。熱源（光電変換素子又はそれのために熱エネルギーを伝導する熱伝導素子）２１０の周囲には、３つの熱電変換素子２２０ａ、２２０ｂ及び２２０ｃが配置されている。素子２２０ａ及び２２０ｂは、直列接続の方式で熱源と熱伝導接続されている。いわゆる直列接続とは、前方の素子の熱エネルギー流出端部と後方の素子の熱エネルギー流入端部とが接続されていることを示す。素子２２０ｃと素子２２０ａ／２２０ｂとが並列接続の方式で熱伝導接続されている。いわゆる並列接続とは、素子が互いに独立した熱伝導通路を介して同一の熱源と接続されていることを示す。一部の実施形態において、熱源に最も近い熱電変換素子２２０ａ及び２２０ｃは、例えば、アルカリ金属熱電変換機、溶融塩電池、蒸気発電機又はスターリング熱エネルギー発電機のような、動作温度が比較的高いタイプのものであってよい。熱源から離れた熱電変換素子２２０ｂは、例えば、半導体熱電変換機のような、動作温度が比較的低いタイプのものであってよい。
【００２９】
また、温度差式発電素子を採用する場合には、変換効率が向上するのに温度差を維持するために、第２熱伝導端部は、冷却媒体１３１と熱伝導接続されてよい。例えば、第２熱伝導端部（又はそれのために熱エネルギーを伝導する熱伝導素子）は、装置の底部に配置され、且つ液体プール内に浸されてよい。液体プールは、具体的には、水タンク、池、湖、河川又は海洋であってよい。装置底部の外表面に対して、適宜防水や防食処理を行ってよく、装置の外形についても、例えば、水面に配置しやすいためのたらい形状のように、適応的な設計を行ってよい。例えば、温水又は室内暖房の供給など、エネルギーの更なる回収及び利用を容易にするために、冷却媒体は、熱エネルギー貯蔵器の作動媒体としても使用されることが好ましい。
【００３０】
好ましくは、光電変換素子及び熱電変換素子の少なくとも一方が、密閉キャビティ内に配置されている、又は、両方が、互いに入れ子になっている２つの密閉キャビティ内にそれぞれ配置されている。内部に位置するキャビティは、光電変換素子を配置するために用いられることが好ましい。光電変換素子が密閉キャビティ内に配置される場合、当該密閉キャビティには、少なくとも１つの光入口が設けられている。太陽光が導光素子によってガイドされて光入口を経て密閉キャビティ内に入る。
【００３１】
太陽エネルギーの変換によって得られた電気エネルギーをより良好に保存及び利用するために、以下の追加素子（不図示）を配置するか、装置内においてさらに統合することができる。
【００３２】
電気エネルギー貯蔵器は、発電素子（例えば、光電及び熱電変換素子）と電気的に接続され、電気エネルギーを貯蔵するために用いられる。電気エネルギー貯蔵器は、スーパーキャパシタ、充電式電池、溶融塩電池及び空気圧縮機等から選択されてよく、接続されている直流電圧出力装置を介してユーザに様々な電圧の直流出力を提供することができる。
【００３３】
交流インバータは、電気エネルギー貯蔵器と接続され、又は、発電素子と直接電気接続され、発電素子によって出力された直流電流を交流電流に変換するために用いられる。例えば、６０ヘルツの１２０Ｖ又は５０ヘルツの２２０Ｖの電流である場合、直接にユーザに交流出力を提供することもできれば、ネットワークスイッチキャビネットと接続して、電気エネルギーをパワーラインに返却することもできる。
【００３４】
状態センサ及び状態表示器は、それぞれ様々な動作パラメータを感知及び表示するために用いられる。これらの動作パラメータは、電圧、電流、パワー、冷却媒体又は他の作動媒体の残存量、圧力及び温度等の集合体から１つ又は複数選択されてよい。
【００３５】
制御器は、例えば、装置全体のオン・オフを制御し、動作モードを選択し、パラメータに異常が生じることを感知する際に自動警報を行う等、状態センサの感知結果に基づいて装置の作動状態を制御するために用いられる。
【００３６】
本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置は、太陽光から電気エネルギーへの直接変換効率を大幅に向上させるだけでなく、光電変換素子の温度を低下させて使用寿命を延長することができる。
【００３７】
図６は、本発明に係る太陽エネルギー利用システムの１つの構成概略図である。当該システムは、本発明に係る各種統合型太陽エネルギー利用装置及び第１循環システムを備えている。
【００３８】
第１循環システムは、オープン式又はクローズ式の循環システムであってよい。本明細書では、いわゆる「オープン式」とは、システム内の作動媒体がオープンサイクル式であり、作動媒体がシステムの外部へ流出し且つシステムの外部から補充されることができることを意味する。例えば、水を作動媒体とする場合、外部の給水システムから冷水を送り込み、次に加熱された水をユーザが使用しているシステムに提供することも、１種のオープン式循環システムであれば、水を水素及び酸素に電気分解して放出するシステムも１種のオープン式循環システムである。オープン式循環システムにおいて、配管は回路を構成する必要がない。いわゆる「クローズ式」とは、システム内の作動媒体がクローズドサイクル式であり、システム内において循環する作動媒体の損失がほぼ生じないことを意味する。例えば、冷媒が作動媒体として圧縮機内で圧縮されて放熱し、次に、熱交換器において膨張且つ吸熱するシステムが１種のクローズ式循環システムである。クローズ式循環システムにおいて、配管は回路を構成する必要がある。循環システムは、オープン式とクローズ式との間で切替可能である。例えば、配管が回路を形成する場合において、システムの外部に接続されているバルブを閉じることによってシステムがオープン式システムからクローズ式システムに変更される。
【００３９】
第１循環システムは、容器３３２、複数の配管３３３（完全に図示されておらず、図中の矢印が配管内の流体の流れ方向）から構成された第１配管システム、複数のバルブ３３４（完全に図示されていない）及び複数のノード装置３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ、３３５ｄを含む。
【００４０】
容器３３２は、第１作動媒体を加熱するために用いられる。容器３３２には、少なくとも１つの第１作動媒体入口３３２１及び少なくとも１つの第１生成物出口３３２２が設けられている。そして、統合型太陽エネルギー利用装置（不図示）における少なくとも第２熱伝導端部と容器３３２内の第１作動媒体とが熱伝導接続されている。例えば、第２熱伝導端部は容器内に浸漬されてよい。
【００４１】
一部の実施形態では、統合型太陽エネルギー利用装置の全体又は一部が容器内に浸漬されてよい。一部の実施形態では、容器は、統合型太陽エネルギー利用装置の一部でもあり、第１作動媒体が統合型太陽エネルギー利用装置を貫流する。オープン式循環システムにおいて、第１作動媒体は、水や空気等であってよい。クローズ式循環システムにおいて、ニーズに応じて、例えば、アルコール、冷媒（フレオン等）及び液体窒素のような、ほかのタイプの第１作動媒体を選択してもよい。
【００４２】
第１配管システムは、少なくとも第１生成物出口と接続され、又は、図６示すように、少なくとも第１作動媒体入口及び第１生成物出口と接続されている。
【００４３】
本実施形態では、バルブを採用して第１配管システムにおける配管の開閉を制御している。各バルブは一部の配管を制御するが、ニーズに応じて全部又は一部の配管にバルブを配置してよい。簡潔にするために、図において配管に配置されている一部のバルブが省略されている。バルブは、例えば、配管内の圧力によって開閉を制御するような自動バルブであってもよく、制御システムの指示に従って電気制御を行うバルブであってもよい。採用されるバルブは、流量を制御する機能を有してもよい。
【００４４】
ノード装置は、第１配管システム内に接続され、貯蔵、エネルギーの変換又はエネルギーの交換に用いられる。様々なノード装置を配置することによって豊富な機能を実現することができる。
【００４５】
図６において、第１作動媒体は淡水又は海水であり、第１生成物は水蒸気であると仮定する。ノード装置３３５ａは、水蒸気を利用して発電できる蒸気タービン発電機である。ノード装置３３５ｂは、エネルギーを貯蔵するために用いられ得る蒸気貯蔵タンク又は空気圧縮機である。ノード装置３３５ｃ及び３３５ｄのそれぞれは、生成物の流れ方向に従って順番に接続されている電解炉及び反応炉である。ここで、電解炉は、水蒸気を受け取り且つそれを水素Ｈ2及び酸素Ｏ2に電気分解するために用いられる。電気分解によって生成された酸素は、工業用又は医療用の酸素ボンベを形成するためにガスタンク（不図示）に送り込まれ得る。電気分解によって生成された水素は、水素燃料電池又は内燃機関の燃料として、圧縮機によって圧縮された後貯蔵され得るが、代替方法として、さらなる貯蔵可能なエネルギーを生成するためにも使用され得る。反応炉は、電解炉によって生成された水素、及び、外部からの二酸化炭素ＣＯ2を含む気体（例えば、空気）を受け取って反応させてメタンＣＨ4（Ｍｅｔｈａｎｅ）及び水Ｈ2Ｏを生成するために用いられる。反応炉に対して加熱する必要があり、例えば、反応に必要な高温を得るために太陽エネルギー集光による加熱方式を採用することができる。一部の実施形態では、完全電気加熱又は補助電気加熱の方式を採用してもよい。反応炉で生成されたメタンは、圧縮された後貯蔵されてもよく、発電及び冷却の二重効果を達成するために、安全な（火花が発生しない）蒸気タービン発電機を通過した後に圧縮及び貯蔵されてもよい。反応炉で生成された水は、容器３３２へ還流することができ、これにより、水の循環及び余熱の再利用が実現される。
【００４６】
一部の実施形態では、一つ又は複数の異なるノード装置を選択してよい。他の実施形態では、例えば、水蒸気生成量の大きさによって、複数の気体貯蔵装置及び蒸気タービン発電機を直列接続又は並列接続によって配置するなど、同一のノード装置を複数配置してもよい。様々なノード装置を導入することにより、太陽エネルギーを十分に利用できるだけでなく、エネルギーの短期や長期保存、海水淡水化及び工業用酸素生産を実現することもできる。
【００４７】
以下、本発明に係る装置及びシステムについて例を挙げて説明する。
【００４８】
＜実施形態１＞
図７〜図１１を参照されたい。１つの実施形態として、本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置は、光電変換素子４１０と熱電変換素子４２０とを備えている。
【００４９】
実施形態１において、光電変換素子として、複数の光起電力モジュールから構成され得るソーラーパネルを採用する。熱電変換素子として、複数ペアのＰ型及びＮ型の電気アームを接続（例えば、直列接続、並列接続又は混合接続）することによって構成される半導体熱電変換器を採用する。接続回路は、熱電変換素子の設計ニーズに応じて構成されてよい。例えば、第１接続回路は、熱電変換素子の第１熱伝導端部に位置する部品間の導電性接続、又は、熱電変換素子と光電変換素子との間の導電性接続を提供するために配置されてよい。第２接続回路は、熱電変換素子の第２熱伝導端部に位置する部品間の導電性接続を提供するために配置されてもよい。もちろん、選択された熱電変換素子が第２熱伝導端部を有していない場合、第２接続回路を配置する必要はない。
【００５０】
半導体熱電変換器の等価回路の概略図は、図８に示されている。温度Ｔ１がＴ２より大きい場合、熱は矢印方向に沿って流動する。即ち、陽極Ｖ＋と陰極Ｖ−との間に電気エネルギーを出力することができる。各電気アームは、第１熱伝導端部４２１及び第２熱伝導端部４２２を有する。簡潔にするために、図７には、１ペアのＰ型及びＮ型電気アームのみ示されている。
【００５１】
実施形態１において、ソーラーパネル４１０は、第１熱伝導素子４４１ａを介して熱伝導端部４２１と熱伝導接続されている。また、図９に示すように、好ましい実施形態として、第１熱伝導素子及び第１接続回路４４２ａは、同一の基板４４０ａに統合されている。基板は、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）又はフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）のような、剛性を有するもの又はフレキシブルなものであってよい。なお、図９には、電気回路及び熱伝導素子の１つの簡単な統合方式、即ち、基板の異なる領域に互いに隔離されるように配置されているという方式のみ示されているが、他の実施形態では、基板（例えば、絶縁被覆付金属基板）自体は、良好な熱伝導性を有する場合、熱伝導素子とみなされてよい。
【００５２】
同様に、第２熱伝導端部４２２から流出した熱を伝達するための少なくとも１つの第２熱伝導素子４４１ｂをさらに含んでよい。同様に、第２熱伝導素子は、第２接続回路４４２ｂと同一の基板４４０ｂに統合されてもよい。また、第１接続回路と第２接続回路との間を電気的に接続する必要がある場合、２つの基板の間に追加の接続線４４２ｃを配置してもよい。
【００５３】
一部の使用環境に適応するために、装置は、密閉キャビティ４９０（説明を容易にするために、図示では透明となっているが、実際には透明でも不透明でもよい）をさらに含んでもよい。ソーラーパネルは、密閉キャビティの１つの外表面に配置され、当該キャビティの壁の一部となってもよい。熱電変換素子は、キャビティ内に配置されている。第２熱伝導端部は、キャビティの別の外表面を介して外部環境と熱交換を行う。例えば、第２熱伝導端部又は第２熱伝導素子は、外部環境と熱を交換するために、非導電性を有する熱伝導性液体４９１内に浸漬されてよい。熱電変換素子によって変換されていない熱エネルギーをさらに利用するために、密閉キャビティ４９０は、内部の水４３１を加熱するために、水タンク４３２内に配置されてもよく、これにより、余熱を利用して温水を提供することができる（給水配管について、不図示）。もちろん、水タンク４３２は、貯水池、湖又は海洋等であってもよい。
【００５４】
プリント回路基板（ＰＣＢ）を採用して接続回路と熱伝導素子とを一体化することは、特に有利である。統合型設計によって、一方で、装置の熱経路と電気経路との安定性及び信頼性を確保することができる。他方で、構造がより簡単でコンパクトになり、熱伝導により有益になる。さらに重要なのは、図９のスイッチ４４３のように所望の機能を実現するために、豊富で成熟した既存のプリント回路基板（ＰＣＢ）の回路設計及び生産技術に基づいて、基板上に様々な単層又は多層回路を設計し、様々な測定、制御、スイッチングデバイスを統合することが容易になる。
【００５５】
図１０は、スイッチの例示的配置方法を示している。第１接続回路と第２接続回路とが導電性接続され、回路全体には、複数のスイッチが配置されている。明らかに、スイッチのオン・オフを制御することにより、図８に示されている等価回路を容易に得ることができ、半導体熱電変換器が通常モード（即ち、Ｔ１＞Ｔ２）で動作し、電気エネルギーを出力することができる。
【００５６】
熱電変換素子の機能の可逆性に基づいて、例えば、第２熱伝導端部を加熱用の作業面として利用場合等、必要に応じて、陽極Ｖ＋及び陰極Ｖ−と外部電源とが繋がるスイッチ（不図示）を連通することにより、電気エネルギーを図８に示されている熱電変換素子に入力することができ、これにより、第１熱伝導端部の温度Ｔ１が低下するが、第２熱伝導端部の温度Ｔ２が上昇する。外部電源は、例えば、光電変換素子４１０又は他の外部電源であってよい。
【００５７】
また、図１０に示されているスイッチは、回路の切替に用いられてもよく、例えば、第１熱伝導端部と第２熱伝導端部との温度が逆転した場合に適用する、図１１に示されている等価回路を得ることができる。この場合において、第２熱伝導端部は、熱の流入にも用いられ、第１熱伝導端部は、熱の流出にも用いられる。第２熱伝導端部の温度Ｔ２が第１熱伝導端部の温度Ｔ１より高い場合、熱電変換素子は、電気エネルギーを出力する。このような逆転する発電モードの適用場面の１つとして、日中に加熱された温水４３１が夜間になっても使い切れていない場合は、当該モードに切り替えて、温水の熱を利用して発電を継続することができる。別の適用場面として、密閉キャビティ４９０が寒い地域の海水又は湖の中に浸漬されている状況において、日中はソーラーパネルの温度が水温よりも高く、装置は通常モードで動作するが、夜間は水温がソーラーパネルの温度よりも高くなる場合、逆転する発電モードに切り替えて発電を継続することができる。
【００５８】
もちろん、必要に応じて、第２熱伝導端部の温度が低下し、第１熱伝導端部の温度が上昇するように、図１１に示されている熱電変換素子にも電気エネルギーを入力することができ、例えば、ソーラーパネルを加熱して除氷又は除霜するために用いられ得る。
【００５９】
実施形態１における装置は、大規模な太陽光発電所の建設に使用される場合に、水面での設置に適している。太陽エネルギーシステムは通常、大面積を占用する必要があるため、水面に設置することで陸地の占用面積を効果的に節約し、装置を簡単に冷却することができ、エネルギー変換効率及び使用寿命を向上させることができる。
【００６０】
なお、実施形態１では、半導体熱電変換器のみを例として説明したが、他の温度差型熱電変換素子を用いてもよいことは当業者であれば理解できるはずであり、具体的な回路設計やスイッチ制御方法は、素子の実際のタイプ及び使用場面に応じて変更され得る。
【００６１】
＜実施形態２＞
図１２に示すように、別の実施形態として、本発明に係る統合型太陽エネルギー利用装置は、光電変換素子７１０、熱電変換素子７２０、集光素子としての透過型フレネルレンズ７５１及び反射型フレネルレンズ７５２を備えている。
【００６２】
光電変換素子７１０として、正面及び背面の２つの方向から入射した太陽光を吸収できる両面素子を採用する。例えば、両面二層ソーラーパネルを透過型フレネルレンズと反射型フレネルレンズとの間に配置することにより、両面のそれぞれは、対面するレンズを介して収束した太陽光を受け取ることができる。
【００６３】
熱電変換素子７２０は、光電変換素子の支持体として形成される。第１熱伝導端部７２１は、光電変換素子に対して固定され、第２熱伝導端部７２２は、反射型フレネルレンズに対して固定されている。例えば、図１２を参照すれば、第２熱伝導端部は、反射型フレネルレンズの下方に配置されてよい。他の実施形態では、第２熱伝導端部は、反射型フレネルレンズと熱伝導接続されてもよい。反射型フレネルレンズの反射面は通常、金属コーティングフィルムであるため、良好な伝熱効果を提供することができる。安全のため、反射面のコーティングフィルムは、酸化アルミニウムのような、熱伝導性及び非導電性を有する材質であってよい。
【００６４】
本発明に係る装置の第１熱伝導端部及び第２熱伝導端部として、実施形態１で説明した統合型基板を採用してよく、これにより、異なる環境条件に適用するように、例えばスイッチや作業モードを切り替える制御回路等を容易に配置することができる。
【００６５】
実施形態２における装置において、巧妙に組み合わせられた集光素子によって、収束能力を高めてソーラーパネルの面積を縮小し、さらに、熱電変換素子をソーラーパネルの支持体として使用することにより、構造が簡単になり、大規模使用ではコストパフォーマンスがより高く、特に水面設置に適している。実施形態２における熱電変換素子は、温度差方向が逆転したときに回路を切り替える機能を有しており、水面温度が大気温度よりも高い場合には、熱電変換素子も発電することができる。
【００６６】
実施形態２における装置は、街路灯の一部として使用されてもよく、駐車場に設置されて使用されてもよい。
【００６７】
＜実施形態３＞
図１３に示すように、１つの実施形態として、本発明に係る太陽エネルギー利用システムは、統合型太陽エネルギー利用装置と、第１循環システムとを備えている。
【００６８】
実施形態３におけるシステムにおいて、統合型太陽エネルギー利用装置は、光電変換素子５１０、熱電変換素子５２０、密閉キャビティ５９０、集光素子５５０及び導光素子５５３を含む。
【００６９】
密閉キャビティ５９０には、光入口が設けられている。ここでの「密閉」とは、キャビティ内に入射した太陽光及び／又はキャビティ内に存在する物質（ある場合）が自由に消散しないことを意味する。一方で、光入口を介してキャビティ内に入った太陽光は、キャビティの壁を通過してキャビティを出て消散することがない。例えば、反射材料を使用してキャビティを作ってよい。他方で、キャビティ内に存在する物質は、キャビティ内に完全に密封されている、又は、例えば、バルブを備えた配管を介して外部と連通されるように、制御可能な方式で外部と連通されている。連通が制御され得るため、キャビティの「密閉」の性質が損なわれることはない。
【００７０】
光電変換素子５１０（例えば、ソーラーパネル）は、密閉キャビティの内壁に配置されてもよく、密閉キャビティの内部空間内に配置されてもよい。好ましい実施形態として、密閉キャビティの内表面には、光反射素子が配置されてよい。例えば、密閉キャビティの内表面は、ソーラーパネル及び反射鏡によって敷き詰められてよく、これにより、キャビティに入った太陽光は、光電変換素子によって十分に利用され得る。
【００７１】
熱電変換素子５２０は、密閉キャビティの外壁に配置されている。具体的には、第１熱伝導端部は、密閉キャビティ内で生成された熱を十分に吸収するように、密閉キャビティの外部を密接に取り囲んでいる。他の実施形態では、熱電変換素子の第１熱伝導端部の少なくとも一部が密閉キャビティを取り囲んでいてもよい。
【００７２】
集光素子５５０は、太陽光を導光素子の光路入口まで収束させるために用いられる。実施形態３において、より強い収束効果を得るように、光路の方向に沿って配置された２つの集光屈折面５５１、５５２を有する。
【００７３】
導光素子５５３は、集光素子によって収集された太陽光を、光入口を経て密閉キャビティ内に入るようにガイドするために、対応する光入口と緊密に協働している。導光素子は、例えば、中実の透明材料又は中空の配管のように、既存の様々な光伝導技術に基づいて製作されてよい。太陽光が導光素子に入った後光入口へ進み且つキャビティ内に入射するほかないように、導光素子の外表面又は内表面には、反射膜がコーディングされている。
【００７４】
好ましくは、実施形態３において、光入口に配置されている発散レンズ５５４（例えば、凹状フレネルレンズ）がさらに含まれる。発散レンズを使用することにより、光入り口に入る太陽光は、光入口が面している壁（例えば、ソーラーパネル又は反射鏡）を照射した後反射されて、再び光入口を介してキャビティから出射ることをできるだけ回避するように分散される。他の実施形態では、発散レンズを使用せずに、他の方式によって太陽光が光入口から消散することを減少させ又は防止することも可能である。例えば、導光素子をキャビティ内の適切な深さまで挿入すること、導光素子の出光方向とそれが対面する内壁の法線方向とが角度を有すること、又は、キャビティ内において導光素子の出光方向と正対する位置に散乱素子等を配置することができる。これらの異なる方式は、相互に協働して使用されてよい。
【００７５】
実施形態３において、１つの光入口、対応する１つの導光素子及び１つの集光素子を概略的に示しているが、他の実施形態では、密閉キャビティに複数の光入口、対応する複数の導光素子及び複数の集光素子を配置してもよい。
【００７６】
前述した内容と同様に、第１循環システムは、容器５３２、複数の配管５３３から構成された第１配管システム、複数のバルブ（不図示）及びノード装置（不図示）を含む。容器５３２には、少なくとも１つの第１作動媒体入口５３２１及び少なくとも１つの第１生成物出口５３２２が設けられている。実施形態３において、統合型太陽エネルギー利用装置は、完全に容器５３２内に収容され、第１循環システムの作動媒体の作動媒体が水であり、第１生成物が水蒸気である。
【００７７】
動作中、冷水が矢印の方向に沿って入口５３２１を介して容器５３２に流入し、熱を受けて気化した後矢印の方向に沿って出口５３２２から流出し、且つノード装置において保存又は利用される。
【００７８】
他の実施形態では、容器５３２を省き、密閉キャビティ５９０で代替してもよい。
【００７９】
実施形態３におけるクローズ式太陽エネルギー利用装置において、一方で、太陽光が密閉されたキャビティ内に収束し、そのエネルギーがほぼ完全に熱エネルギー又は電気エネルギーに変換されるため、エネルギーの消散が回避される。他方で、熱電変換素子によって変換されていない残りの熱エネルギーは、作動媒体を加熱することで利用される。これにより、太陽エネルギーの利用効率をさらに向上させ、例えば、給湯、海水淡水化又は水蒸気による再発電等、より豊富な機能を得ることができる。また、ソーラーパネル及び反射鏡等の素子は、キャビティ内に密閉されているため、光汚染を生じさせないだけでなく、周囲の生態環境にも悪影響を及ぼさない。
【００８０】
実施形態３は、他の太陽光発電システム又は太陽熱エネルギー利用システムに対して、３つの明らかな相違点がある。その１、太陽エネルギーは、まず電気エネルギーに直接変換され、電気エネルギーに変換されていない太陽エネルギーを熱エネルギーに変換された後再利用される。その２、熱エネルギーが作動媒体まで伝導される熱経路（実施形態３において、  密閉キャビティ５９０の壁）には、熱電変換素子が配置されており、言い換えれば、熱エネルギーは、作動媒体を加熱するために用いられる前に、一部が電気エネルギーに直接変換されている。その３、光電変換素子及び熱電変換素子が両方とも比較的閉鎖されたキャビティ又は容器内に配置されているため、光エネルギーか熱エネルギーかにも関わらず、十分に利用され得る。
【００８１】
＜実施形態４＞
図１４に示すように、別の実施形態として、本発明に係る太陽エネルギー利用システムは、統合型太陽エネルギー利用装置と、第１循環システムとを備えている。
【００８２】
実施形態４のシステムにおける統合型太陽エネルギー利用装置は、実施形態３と同様に、光電変換素子６１０、熱電変換素子６２０、密閉キャビティ６９０、集光素子６５０及び導光素子６５３を含む。以下の特別に説明する部分以外に、実施形態３の内容を参照されたい。密閉キャビティ６９０内には、例えば、パラフィン、シリコンゴム又は透明液体等のような、透明性が良好で、熱容量の大きい蓄熱物質が充填されてもよい。
【００８３】
光電変換素子６１０は、密閉キャビティの頂部の内表面に配置されたソーラーパネルである。熱電変換素子６２０における第１熱伝導端部６２１は、密閉キャビティの頂部の外表面に密着している。第２熱伝導端部６２２によって形成された平面は、作業面として用いられる。実施形態４における熱電変換素子は、可逆的な機能を有する温度差式熱電変換素子であり、温度差を利用して発電することもできれば、外部の電気エネルギーを入力して冷却／加熱することもできる。
【００８４】
簡潔にするために、図１４には、第１循環システムの容器６３２（容器のために熱エネルギーを伝達する熱伝導素子であってもよい）のみ示されており、他の詳細な説明については、本明細書のこれよりも前の内容を参照されたい。容器６３２は、移動式温水タンクであってよい。
【００８５】
作業面が使用されていない場合、温水タンク６３２は、熱電変換素子６２０によって変換されていない熱を吸収するために、作業面上に配置されてよい。作業面が使用されている（例えば、作業面を加熱面として使用して調理する）場合、操作しやすいように温水タンク６３２を移動させればよい。太陽光不足や作業面の温度が使用要件を満たしていない場合には、熱電変換素子の機能を逆にしてもよい。即ち、熱電変換素子に電気エネルギーを入力して作業面を加熱することもできる。一部の実施形態では、作業面上に電気加熱を補助するための回線を直接配置して、必要に応じて電気炉にすることもできる。
【００８６】
また、保温及び安全保護の作用を果たすために、密閉キャビティの外表面には、断熱保護板（又は追加の熱電変換素子）６３６が設けられてもよい。図１４では、２つの保護板（又は追加の熱電変換素子）のみが例示されているが、実際の使用においては、保護板で密閉キャビティの周囲を被覆することができる。
【００８７】
実施形態４におけるシステムは、向上した光エネルギーの直接発電効率を有するだけでなく、変換されていない余熱を十分に利用することもできる。このようシステムは、寒い北方や野外での作業に適している。
【００８８】
＜実施形態５＞
本発明に係る太陽エネルギー利用システムの別の実施形態について、図１５を参照されたい。実施形態５は、高効率で高エネルギー密度の太陽エネルギー利用システムであり、エネルギー貯蔵及び給熱機能をさらに有し、特にホテル、工場、オフィスビル、戸建住宅、発電所等の場所に適している。
【００８９】
実施形態５におけるシステムは、統合型太陽エネルギー利用装置と、第１循環システムとを備えている。統合型太陽エネルギー利用装置は、光電変換素子（ソーラーパネル）８１０、熱電変換素子８２０、密閉キャビティ８９０、集光素子８５０、導光素子８５３及び熱エネルギー貯蔵器８９１を含む。
【００９０】
密閉キャビティ８９０の内表面は、ソーラーパネル及び反射鏡によって敷き詰められ、熱電変換素子８２０は、その外表面に配置されている。入射光が光入口から反射されないようにその方向を変更するために、密閉キャビティ内の光入口に正対する箇所には、円錐形反射体８５５が配置されてよい。太陽エネルギーは、２つのフレネル集光レンズ８５１及び８５２から構成された集光素子８５０及び導光素子８５３を介して密閉キャビティの内部にガイドされる。使用されているフレネル集光レンズは、単純フレネルレンズであってもよく、複合フレネルレンズであってもよい。
【００９１】
熱エネルギー貯蔵器８９１は、密閉キャビティの周囲に被覆されている。キャビティの内部には、例えば、溶融塩、パラフィン、低融点金属化合物等のような、熱容量の大きい蓄熱物質が充填されている。熱エネルギー貯蔵器内部の熱エネルギーは、熱流量制御可能な熱交換経路を介して外部と熱伝導接続されてよい。
【００９２】
例示的に、実施形態５における熱流量制御可能な熱交換経路は、移動可能な断熱板８９２である。断熱板が移動されて導熱経路が大きくなると、熱エネルギー貯蔵器の外部へ放出する熱流量も大きくなる。他の実施形態では、熱交換経路は、バルブを有する熱交換配管や電磁制御の金属導熱スイッチ等であってもよい
【００９３】
簡潔にするために、図１５には、第１循環システムの容器８３２のみ示されており、他の詳細な説明については、本明細書のこれより前の内容を参照されたい。容器８３２は、熱エネルギー貯蔵器を内部に取り囲んでいる。第１作動媒体は、入口８３２１から入り、第１生成物は、出口８３２２から流出する。熱エネルギー貯蔵器に使用される蓄熱物質が一般的に高価で危険性を有するため、実施形態５において、それを熱エネルギー貯蔵器内に封入し、それと第１循環システムの作動媒体とが容器８３２内での熱交換によって熱エネルギーの利用が実現される。好ましくは、熱エネルギー発電を十分に利用するために、熱エネルギー貯蔵器と容器との間の熱交換経路には、熱電変換素子８９３がさらに配置されてもよい。例えば、熱エネルギーの発電率を向上させるために、すべての熱交換経路に熱電変換素子を配置してよい。
【００９４】
実際の用途のニーズに応じて、出口８３２２は、蒸気発電機と接続されてもよく、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）発電機又は他の熱エネルギー利用システムと接続されてもよい。
【００９５】
十分な日照がある地域では、実施形態５のシステムを新しく建築された建物の設備に適用すれば、建物のエネルギー自給及びエネルギーの季節的な蓄積（例えば、夏季のエネルギーを冬季に使用）が実現され得る。
【００９６】
以上、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について詳述したが、上記の実施形態は、本発明の理解を深めるためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の思想に基づいて、上記の具体的な実施形態を変更することができる。
【図１】
0006502580.tif 000002
【図２（ａ）】
0006502580.tif 000003
【図２（ｂ）】
0006502580.tif 000004
【図３】
0006502580.tif 000005
【図４】
0006502580.tif 000006
【図５】
0006502580.tif 000007
【図６】
0006502580.tif 000008
【図７】
0006502580.tif 000009
【図８】
0006502580.tif 000010
【図９】
0006502580.tif 000011
【図１０】
0006502580.tif 000012
【図１１】
0006502580.tif 000013
【図１２】
0006502580.tif 000014
【図１３】
0006502580.tif 000015
【図１４】
0006502580.tif 000016
【図１５】
0006502580.tif 000017