(57)【要約】      （修正有）【課題】光／電変換効率の高い集光型太陽光発電装置を提供する。【解決手段】焦点を有する樋形状の保持体１２と、この保持体の内面上に保持されるフィルム状の第１の太陽電池１１とから成る２次元反射鏡１０と、この２次元反射鏡の光軸を太陽の方向に向ける太陽追尾機構と、この２次元反射鏡の焦点に配置される熱の良導体のパイプ２０と、このパイプの外壁面に保持される第２の太陽電池２１と、このパイプの内部に冷却用の流体を流動させ、この流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯機その他の熱利用装置に供給する給熱機構とを備える。【選択図】図１
2008270577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点を有する樋形状の保持体と、
この保持体の内面上に保持されるフィルム状の第１の太陽電池とから成る２次元反射鏡と、
この２次元反射鏡の光軸を太陽の方向に向ける太陽追尾機構と、
この２次元反射鏡の焦点に配置される熱の良導体のパイプと、
この金属パイプの外壁面に保持される第２の太陽電池と、
この金属パイプの内部に冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯器その他の熱利用装置に供給する給熱機構とを備えたことを特徴とする集光型太陽光発電装置。
【請求項２】
焦点を有する樋形状の保持体と、
この保持体の内面上に保持されるフィルム状の第１の太陽電池とから成る２次元反射鏡と、
この２次元反射鏡の光軸を太陽の方向に向ける太陽追尾機構と、
この２次元反射鏡の焦点に配置される透明パイプと、
この透明パイプの内壁面に受光面を外向きにして保持される第２の太陽電池と、
この透明パイプの内部に冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯器その他の熱利用装置に供給する給熱機構とを備えたことを特徴とする集光型太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電装置に関するものであり、特に、入射太陽光の反射損失を減らすことにより、総合的な光／電変換効率の向上を図った集光型太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の進行に伴って、人類はもはや、人工的な温室効果ガスとしての二酸化炭素をまったく排出できないという危機的な状況に近づきつある。地球の温暖化がこのまま進行すると、温室効果ガスが、従来の限られた量の人工的な二酸化炭素から、自然界に無尽蔵に存在する水蒸気へと引き継がれ、地球の灼熱化に到る熱暴走が開始され、温暖化の速度がこれまでの数百倍も加速されるおそれがあるからである。
【０００３】
天体物理学者のジョン・グリビンは、この水蒸気を温室効果ガスとする危険な温室効果を、湿った温室効果と呼んだ（非特許文献１）。彼は、この湿った温室効果による熱暴走こそが、太古の金星を今日の表面温度が480 ℃の灼熱の惑星に変えてしまった原因であったと分析した。彼は、地球がこの湿った温室効果による熱暴走を免れたのは、太陽から受けるエネルギー密度が金星の半分ほどにすぎなかったせいであり、これがあと10％ほど大きかったら、地球でもこの湿った温室効果による熱暴走が起こったはずであるとも分析した。彼は、地球の現在の軌道があと５％ほど小さかったら、湿った温室効果による熱暴走が起きたはずだとするカスティング、トゥーン、ポーラックの計算結果についても言及した。
【０００４】
北海道大学の石渡正樹らは、簡単な水分過程を含んだ大気大循環モデル（ＧＣＭ）を用いて、３次元灰色大気で暴走温室状態が発生する太陽定数の決定と、暴走温室状態の数値計算を行った。この暴走温室状態は、ジョン・グリビンの言う湿った温室効果による熱暴走に該当する。石渡らが得た結果によれば、地球の太陽定数が1600Ｗ／ｍ2 を超えると、大気は熱的な暴走を始めた（非特許文献２）。この石渡らが得た熱暴走開始の臨界値は、今日の地球の太陽定数よりも16％ほど大きな値であった。
【０００５】
この湿った温室効果による熱暴走は、正帰還 ( Positive-feedback  ）の過程を経て進行し、地球の灼熱化によって終焉する。つまり、この熱暴走が開始されると、人類は、破滅を免れるため、地球を去って火星などの他の惑星に移住するしかない。ジョン・グリビンや、石渡らの見積もりによれば、地球が湿った温室効果による熱暴走の危機に直面するまで、まだ10％〜16％の太陽定数の安全率が保障されているように考えられる。しかし、この人類の運命を左右する重要な見積もりや、シミュレーションの精度が十分に信頼できるか否かという懸念も、当然残されている。
【０００６】
地球などの天体に実質的に入射する太陽の入射エネルギーは、天体の反射率（アルベド) をγとすると、反射成分を差し引いた実際の入射量の（１−γ）倍に減少する。今日の地球では、γは 0.3ほどであり、そのうちの2/3 は雲による反射率が占めるものと、見積もられている。雲量や、極北地帯の氷雪面の減少など、何らかの原因で、地球の反射率γが現状の0.3 ほどから0.2 前後に低下すると、反射成分を除外した実質的な太陽定数は、直ぐにでも、ジョン・グリビンが見積もった湿った温室効果による熱暴走の開始の臨界値に達する恐れがある。
【０００７】
本発明者は、現在の太陽定数のもとでも、単に地球が温暖化するだけで、この湿った温室効果による熱暴走の引金となり兼ねない危険な自然現象が存在することに気付いた。この危険な自然現象は、まず、二酸化炭素を温室効果ガスとする地球の温暖化が進行して、赤道付近の海面水温が上昇することによって開始される。この海面水温の上昇に伴い、この海面と接する低空の大気が高温多湿となり、その密度が増加する。すると、海面上空の大気の対流が弱まる。大気の対流が弱まると、大気の断熱冷却機能が弱まる。大気の断熱冷却機能が弱まると、高空の気温が上昇し、高空の大気の高温多湿化が進行する。
【０００８】
高空の大気の高温多湿化が進行すると、海洋上空に形成される水蒸気の層の厚みが上空に向けて拡大し、水蒸気を温室効果ガスとする湿った温室効果が強まる。同時に、高空に高温多湿の大気が停滞するため、低空の高温多湿の大気との密度差が減少し、対流の弱まりが一そう促進される。この結果、赤外線や遠赤外線の輻射による海面から大気圏外への放熱機能が弱まり、海面水温の上昇が一そう促進される。このような一連の正帰還の過程を経て、湿った温室効果による熱暴走が開始される臨界状態へと接近してゆく。これが、今回、本発明者が見い出した危険な自然現象である。以下、この自然現象について、少しだけ詳しく説明する。
【０００９】
〔高温多湿の空気の対流の弱まり〕
まず、海面水温が上昇すると、その上空に存在する高温多湿の空気の対流が弱まるという現象について説明する。図４の点線は、湿度０％の乾燥空気の密度と、気温との関係を示す曲線である。横軸は気温（℃）、縦軸は１ｍ3 の体積の空気の重量、あるいは、乾燥空気の密度（Ｋｇ／ｍ3 ）である。乾燥空気は、気温の上昇につれて膨張する。その結果、この乾燥空気の密度は、図４中に点線で示すように、気温の上昇と共にほぼ直線的に低下してゆく。
【００１０】
次に、図４に示す実線は、湿度100 ％の湿った空気の密度と、気温との関係を示す曲線である。この曲線は、図４の下方に点線で示した乾燥空気の密度に、各気温における周知の飽和水蒸気量を加算することによって得られる。この飽和水蒸気量（Ｋｇ／ｍ3 ）は、水面と接する体積１ｍ3 の空気が含むことのできる水蒸気の、各気温における最大量（Ｋｇ）である。空気自体の密度は、図４の点線で示した乾燥空気によって示されるように、気温の上昇につれて直線的に減少する。しかしながら, 水面から蒸発してこれと接する空気中に含まれ得る飽和水蒸気の密度が、気温の上昇につれて急激に増えはじめる。このため、気温の上昇に伴う空気の密度の減少分が、水蒸気の密度の増加分によって打ち消されてしまう。このため、気温の上昇に伴う湿った空気の密度の減少の仕方は、気温の上昇につれて次第に鈍ってゆく。そして、臨界値の46℃を超えると、高温多湿の空気の密度は気温の上昇と共に、逆に増加し始める。これは、水蒸気の密度の増加の速さが、空気の密度の減少の速さを上回るためである。
【００１１】
地球の内陸部の砂漠地帯など、水蒸気を供給可能な水面に乏しい場所では、空気の密度は、図４中の湿度０％の乾燥空気の状態に近い。これに対して、海洋の上空など、水蒸気を無制限に供給できる場所では、空気の密度は、図４中の実線のように、湿度100 ％の高温多湿の状態に近い。海洋の面積は、地球の表面積の3/4 を占める。また、湿った空気では、水の持つ大きな潜熱（気化熱、凝結熱、凝固熱）のため、対流による放熱の効果が乾燥空気よりも格段に強まる。このため、対流による地球表面からの放熱量のうち、海洋の上空において高温多湿の空気が引き起こす分が、内陸部や砂漠の上空で乾いた空気が引き起こす分に比べて、格段に大きい。そんな訳で、以下では、海面上の湿った空気の対流による海面からの放熱に着目する。
【００１２】
気象学の分野では、高度とともに気温が低下するという現象が知られている。この高度の増加に対する気温の低下の割合はほぼ一定で、これは気温減率と呼ばれている。通常、高度が1000メートル増すごとに、気温がほぼ６℃ずつ低下する。この関係は、高度11000 メートルの大気圏のほぼ最上部までの広い範囲にわたって成り立つ。まず、海面上や、海抜ゼロメートルの地面上に、Ｐという仮想的な点を想定し、この点の気温が図４中に示すｐであったとする。次に、このＰ点の上空1000メートルにＱという点を想定する。すると、このＱ点の気温は、ｐよりも図１の実線や点線に沿って６℃だけ低い気温ｑとなる。
【００１３】
２点Ｐ，Ｑ間の空気の密度の差は、図４中の２点ｐ，ｑ間の密度の差を縦軸から読み取った値Δρとなる。この高さ方向に生じる空気の密度の差Δρは、空気の対流の原動力である。つまり、この高さ方向に生じる空気の密度の差Δρが大きければ大きいほど、強い対流が引き起こされる。図４に例示した35℃前後の気温の範囲では、高温多湿の空気の対流の強さが、乾いた空気のそれの1/3 ほどに低下している。一般的には、任意の気温で、実線や点線に引いた接線の勾配が、湿った空気や乾いた空気の対流の強さを示す指標となる。このことは、高度と気温とが比例の関係を保つため、図４において、気温を示す横軸を、左側に向けて増加する高度を示す軸に置き換えることによっても、説明できる。海面上の高温多湿の空気では、気温が30℃を超える辺りから対流が急激に弱まり始め、臨界値の46℃でゼロとなる。これ以上の高温になると、低空と上空とで、高温多湿の空気の密度差が逆転するため、対流は完全に停止する。
【００１４】
〔対流の弱まりに伴う断熱冷却機能の弱まり〕
気温現率に関して前述したように、大気中では、高空ほど気温が低下する。この気象現象は、空気の断熱冷却に負うところが大きい。すなわち、正常な大気では、温まって軽くなった低空の空気が、強い上昇気流となって、短時間で高空に達する。上空に向かう空気は、高空ほど気圧が低下するため、膨張する。この膨張が、強い対流によって急激に行われると、膨張に必要な運動エネルギーを外部から奪う時間的な暇がない。このため、勢い良く上昇する空気は、自身の持つ熱エネルギーを、膨張に必要な運動エネルギーとして消費する。この結果、膨張後の気温は低下する。これは、気体の断熱膨張に伴う断熱冷却の現象として周知であり、これが冷房装置の動作原理であることも周知である。
【００１５】
上述の断熱膨張と断熱冷却の現象は、従来の正常な大気中で起こる現象である。ところが、低空の空気が高温多湿になり、対流が相当に弱まると、上述した断熱膨張に伴う断熱冷却の効果が急激に弱まり始める。何故ならば、低空の高温多湿の空気が、短時間では高空に到達しなくなり、典型的には、半日、一昼夜、あるいは何昼夜もかけてゆっくりと上昇して行くからである。この上昇の途中で、昼間の太陽光で温められた海面から昼夜を分かたずに放射され続ける赤外線や遠赤外線、あるいは、昼間の太陽光線に含まれる赤外線等によって上空から供給される熱エネルギーを受け取り続ける。
【００１６】
つまり、弱まった対流によってゆっくりと上昇して行く高温多湿の空気は、高度のゆるやかな増加に伴って気圧が緩慢に低下して行くと、ゆっくりと膨張し続ける。しかし、この膨張に必要な運動エネルギーを、上述のようにして、外部から受け取り続ける。この結果、断熱膨張も断熱冷却も起こらない。つまり、低空の温かい空気が、断熱冷却によって冷やされることなく、温いまま高空に到達する。図４を参照すると、実線と点線の間隔で示される大量の水蒸気が、実線の傾斜で示される弱まった対流によって、ゆっくりと上空に輸送されることになる。この高空に達した温かい空気は、大量の水蒸気を含むことができる。その結果、数キロメートル、あるいはそれ以上の高空まで、水蒸気が上昇する。
【００１７】
従来の正常な大気では、水蒸気は、低空の温かい空気中にだけ含まれることができる。このため、分厚い大気圏の底付近の高温の部分にだけ、薄い水蒸気の層が形成される。これとは対象的なのが、二酸化炭素である。この二酸化炭素は、温暖な低空の空気から寒冷な高空の空気にまで、気温に関係なく満遍なく空気中に含まれる。このため、空気中の含有量が0.035 ％という微小量でありながら、これまで、温室効果ガスとして水蒸気よりも大きな注意を引きつけて来た。従来、水蒸気が温室効果ガスとして、ほとんど注目されて来なかったのは、水蒸気が寒冷の上空まで達し得ないという点のほか、これが空気の対流による放熱の効果を格段に強めて温暖化を防ぐという善玉の機能が脚光を浴びてきたせいでもある。
【００１８】
〔水蒸気の層の厚みの拡大〕
ところが、上述したように、高温多湿の空気の対流が弱まって断熱冷却の作用が失われると、水蒸気の層は温まった高空に向けて拡がり始め、その厚みが増大し始める。その結果、水蒸気による温室効果が一そう強まり、海面水温は一そう上昇する。と同時に、高温多湿の軽い空気が上空に停滞し始めるため、低空の高温多湿の空気との密度差が減少し、大気の対流は一そう弱まる。このように、水蒸気を媒介とする海面からの放熱機能が対流と共に弱まる。と同時に、水蒸気の温室効果が強められて海面からの輻射による放熱機能が急激に弱まる。これら放熱機構の双方の弱体化が、それぞれ正帰還の過程を経て同時に際限なく進行し続けることにより、水蒸気の層の厚みが増加し続ける。この水蒸気の分厚い層を形成するのに必要な熱エネルギーは、放熱機能の弱まりに伴って大気圏外に閉じ込められる入射太陽エネルギーが充当される。
【００１９】
従来の正常な大気では、高空に達した湿った空気が、断熱冷却によって冷える。この冷えた空気中に含まれることのできなくなった水蒸気が、水滴として析出し、さらには、凝固熱を放出しながら氷粒となり、水滴や氷粒が集合して雲を形成する。この時、高空で放出される大量の凝結熱や凝固熱（潜熱）が、希薄な大気中に含まれる僅少の二酸化炭素に吸収されることなく、赤外線や遠赤外線として大気圏外に放出される。このようにして、高空において大気圏外に排出される大量の潜熱は、海面から蒸発した水蒸気が潜熱（気化熱）として高空に運んで来たものである。つまり、従来の正常な大気では、多量の水蒸気を含む湿った空気は、大気の対流による海面からの放熱効果を一段と強める。この水蒸気が海面から上空に運ぶ大量の潜熱は、対流の弱まりを補って余りあった。さらに、凝結熱の大気圏外への放出の結果として高空に形成される雲は、入射太陽光線を反射することで地球の反射率を高め、実質的な太陽定数を減少させた。さらに、水蒸気によって海面から上空に運ばれる大量の潜熱は、巨大な台風やハリケーンやサイクロンなどの運動エネルギーとなる。これらは、地上に破壊をもらすが、その反面、地球の放熱機構を活性化し、温暖化を防ぐという役目も果たしてきた。
【００２０】
ところが、図４に示すように、海面水温が30℃を超え、海面と接する低空の高温多湿の空気による対流が急激に弱まりはじめると、この放熱のシナリオが根底から崩れ始める。急激に弱まった対流によって、高温多湿の空気が何昼夜もかけてゆっくりと上昇して行く。その中に含まれる水蒸気は、夜間には、海面から放射される赤外線や遠赤外線による加熱を受けながらゆっくりと冷えていき、微小な水滴となる。この比較的低空でゆっくりと形成される水滴は、微小になればなるほど落下の速度が低下し、滞空時間が長くなる。この比較的低空における水滴の形成時に放出される凝結熱は、周囲に大量に存在する他の水滴に吸収され、これを水蒸気に戻すための気化熱の一部として消費される。
【００２１】
このように、水蒸気と水滴が、凝結熱と気化熱を授受しながら、気相と液相との間の相変態を繰り返す。大量の水滴が漂う低空で赤外線や遠赤外線として放射された凝結熱は、周囲の水滴に吸収されるため、大気圏外にはほとんど放出されない。最大の加熱源の太陽光が消滅する夜間には、水滴の比率が増えてゆく。この微小な水滴は、昼間には強い太陽光線を吸収して水蒸気に戻り、太陽光線の短い波長成分を海面まで通過させると共に、海面から放射される長い波長の赤外線や遠赤外線を大気中に閉じ込める温室効果の機能を発揮する。
【００２２】
低空の高温多湿の空気の温度が46℃に達して対流が完全に停止しても、水蒸気の上空への移動は続けられる。つまり、水蒸気の熱拡散と呼ばれる現象によって、低空の高密度の水蒸気が上空の低密度の領域に移動し続ける。この物質の熱運動に基づく熱拡散と呼ばれる現象は、半導体内部で荷電粒子の流れを生じさせたり、アルミニウムなどの不純物原子を半導体結晶の内部にドーピングする技術として周知である。この物質の熱拡散によれば、物質の空間的な濃度勾配に拡散定数Ｄを乗算した量の物質の移動が、単位時間内に生じる。この熱拡散の現象は、海面に近い低空から遠い高空へと水蒸気の濃度勾配が存在する限り、進行し続ける。
【００２３】
このような分厚い水蒸気の層の形成は、時として発生する台風やハリケーンやサイクロンなどによって妨げられる。従って、そのような水蒸気の層の形成は、北東貿易風と南東貿易風など互いに逆向きに吹く風の衝突によって渦などが発生し難く、コリオリの力も弱いため、台風等が発生しにくいとされてきた、赤道を中心とする北緯５度と南緯５度の間の海域において、真っ先に開始されることになろう。ジョン・グリビンが太古の金星について語った分析結果を当てはめると、この湿った温室効果による熱暴走は、地球が金星のように灼熱化して、高空に達した水分子が紫外線などの高エネルギーの光線によって分解され、軽い水素原子が地球外に飛び去ることで、地球に一滴の水も存在しなくなるまで続くことになろう。
【００２４】
上述したような、湿った温室効果による地球の熱暴走の危険性を考慮すると、人為的な二酸化炭素の排出をこれ以上続けることは、人類の破滅を招き兼ねない。人類は、この危険性を回避するため、化石燃料の消費を全面的に禁止するという大英断を下さなければならない時期にきている。煙突の内部で、排気から二酸化炭素を分離し、これを炭鉱の廃坑などに高圧状態で閉じ込めるという対策を、最近、ヨーッパ諸国が試み始めたようである。しかし、この対策よりは、エネルギー源の転換という対策の方が、コスト的に有利であるかもしれない。
【００２５】
その結果、火力発電所の運転や、車両の内燃機関の使用を禁止することも必要になるかだろう。残された主要なエネルギー供給源は、原子力発電と、自然エネルギーを利用した諸々の発電によって得た電力と、これら電力を利用して製造した蓄電池ということになろう。原子力発電にはある程度の危険が伴うが、地球の灼熱化の危険に比べれば、その比ではない。自然エネルギーの利用も、火力発電よりも発電コストはだいぶ高くつくが、地球の灼熱化の危険性には変えられない。自然エネルギーを利用する発電方式としては、太陽光発電、水力発電、風力発電、波浪・潮力発電、海水や湖水の温度差発電などが考えられる。
【００２６】
これら自然エネルギー利用の各種の発電方式のうち、太陽光発電は、長年にわたって地道な改良が熱心に続けられて来た。また、最近のアモルファス・シリコンの太陽電池などに見られるように、電池の製造費用の低廉化も進んでいる。これらの点で、太陽光発電は火力発電に変わるものとして有望である。中でも、集光型のものが太陽電池の表面積が少なくて済むという点で、有望である( 特許文献１，２）。
【非特許文献１】" HOTHOUS EARTH : THE GREENHOUS EFFECT & GAIA " John Gribbin,     BANTAM  PRESS ，London・NEW YORK・TORONTO ・SYDNEY・AUCKLAND（日本語訳「地球    が熱くなる─人為的温室効果の脅威」地人書館 1992 年６月20日発行）
【非特許文献２】“３次元灰色大気構造の暴走温室状態”と題する科学文献（http://w    ww.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/index_ja.htm
【特許文献１】特開２００５−２１７２２４
【特許文献２】特開２００６−３１３８１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、この太陽光発電装置については、反射光成分によって生ずる光／電変換効率の低下の防止などの解決課題がまだ残されている。今後、太陽光発電への依存度が強まり、人口密集地帯の家庭や、公共の空間、工場など限られた広さの空間で最大限の電力を得ることが必要になる。そのため、光／電変換効率の向上は、単に発電コストの点だけでなく、空間の有効利用の点からも重要な課題となろう。従って、本発明の解決課題は、集光型太陽光発電装置の反射成分による損失を防止して、光／電変換効率の改良を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記従来技術の課題を解決する本発明の集光型太陽光発電装置は、焦点を有する樋形状の保持体と、この保持体の内面上に保持されるフィルム状の第１の太陽電池とから成る２次元反射鏡と、この２次元反射鏡の光軸を太陽の方向に向ける太陽追尾機構と、この２次元反射鏡の焦点に配置される熱の良導体のパイプと、この熱の良導体のパイプの外壁面に保持される第２の太陽電池と、この熱の良導体のパイプの内部に冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯器その他の熱利用装置に伝達する熱交換機構とを備えている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の集光型太陽光発電装置によれば、反射鏡を構成するフィルム状の第１の太陽電池に入射して吸収された入射太陽光の成分は、この第１の太陽電池によって電気エネルギーに変換される。これに対して、この第１の太陽電池の表面で反射された反射光成分は、反射鏡の焦点に配置された金属などの熱の良導体のパイプの外壁面に保持された第２の太陽電池に入射し、吸収されて電力に変換される。反射鏡で反射されて第２の太陽電池に入射する太陽光線は、熱の良導体のパイプの中心に向う。さらに、この第２の太陽電池がこのパイプの外周面に沿って平行に配置されている。このため、この第２の太陽電池に入射する太陽光線はその受光面に対してほぼ垂直に入射し、反射成分を減少させる。
【００３０】
この第２の太陽電池の表面で発生したわずかな反射成分は、元の経路を逆向きにたどって再度、第１の太陽電池に入射し、ここに吸収される機会を発生させる。つまり、この集光型太陽光発電装置に入射した太陽光線は、第１，第２の太陽電池に吸収される機会がつごう３度にわたって与えられる。３度とも反射されたわずかな成分のみが、この集光型太陽光発電装置の外部に飛び去り、わずかな反射損失となる。
【００３１】
この太陽電池は、金属など熱の良導体のパイプの内部を流動せしめられる流体によって冷却され、この流体が得た熱エネルギーは、熱交換機構を介して発電機や暖房機や給湯機などの熱利用装置に供給される。このように、第１の太陽電池による光／電変換に利用されなかった反射光は、このパイプの外周面に保持された第２の太陽電池によって電力に変換され、さらに、この太陽電池の冷却に使用された流体の熱は、他の発電機や暖房機などの熱利用装置で利用される構成であるから、反射光による変換効率の低下を有効に回避することができる。
【実施例】
【００３２】
図１は、本発明の集光型太陽光発電装置の一実施例の構成を示す断面図である。この太陽光発電装置は、樹脂などを素材とする樋形状の保持体１２と、この保持体の内面上に保持されるフィルム状の第１の太陽電池１１とで構成される２次元反射鏡１０を備えている。さらに、この集光型太陽光発電装置は、２次元反射鏡１０の光軸を太陽の東西方向の方角に向ける太陽追尾機構（図示せず）と、この２次元反射鏡１０の焦点に配置される金属パイプ２０と、この金属パイプ２０の外壁面に、受光面を外側に向けて保持される第２の太陽電池２１と、金属パイプ２０の内部に冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯機などの熱利用装置に供給する給熱機構（図示せず）とを備えている。図中の直線Ｌは、入射太陽光線である。
【００３３】
２次元反射鏡１０は、紙面と垂直な長手方向に同一の断面形状を保ちながら所定の長さにわたって延長された樋形状を呈している。この２次元反射鏡１０の表面の上記長手方向に垂直な面で切断した断面形状は、放物線など、焦点を有する滑らかな曲線状を呈している。この反２次元射鏡１０の焦点に、保持脚２３を介して金属パイプ２０が保持されている。この金属パイプ２０の外壁面には、第２の太陽電池２１が保持されている。図示しない太陽追尾機構は、太陽の東西方向を検出し、２次元反射鏡１０の光軸をこの検出した太陽の東西方向に向ける。
【００３４】
図２は、フィルム状の太陽電池１１の一部分をその厚み方向に切断して示す部分断面図である。樹脂製の保護膜１１ｅの上に、下部金属電極層１１ｃが形成され、その上に、アモルファス・シリコン層の内部にＰＮ接合が形成された半導体・光／電変換膜１１ａが保持されている。この半導体・光／電変換膜１１ａの表面には、透明電極層１１ｂが形成され、この透明電極層の表面は、樹脂製の透明保護膜１１ｄによって被覆されている。この半導体・光／電変換膜１１ａの内部で発生した光起電力は、適宜な間隔で形成されている出力電極（図示省略）を通して、この半導体光／電変換膜１１の外部に、光起電力として出力される。
【００３５】
フィルム状の第１の太陽電池１１に吸収されることなく、その透明保護膜１１ｄや、透明電極層１１ｂや、半導体光／電変換膜１１ａの表面で正規反射された反射光成分は、２次元反射鏡１０の焦点に配置された金属パイプ２０の外壁面上に保持された第２の太陽電池２１の受光面に入射し、そこに吸収される。この第２の太陽電池２１は、ガリウム砒素等のIII −Ｖ族半導体や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）など広エネルギーギップの半導体材料で構成されている。
【００３６】
特に、シリコンカーバイドは、シリコンに比べて、熱伝導率が３倍、絶縁破壊電圧が10倍、電子の飽和速度が２倍と大きく、高温の動作環境下で高電圧・大電力を出力できる半導体材料として好適である。この第２の太陽電池２１は、フィルム状の、あるいは、円周方向に分割された複数の細長板状の形状を呈しており、反射防止膜を兼ねた透明保護膜で被覆されたその受光面を外側に向けた状態で、金属パイプ２０の外壁面上に接着などによって保持されている。
【００３７】
反射鏡１０の表面で反射され、第２の太陽電池２１に入射する太陽光線は、金属パイプ２０の中心に向う。さらに、この第２の太陽電池２１がこの金属パイプ２０の外周面に沿って平行に配置されている。このため、この第２の太陽電池２１に入射する太陽光線はその受光面に対してほぼ垂直に入射し、反射成分を減少させる。さらに、この第２の太陽電池２１の表面で発生した反射光成分は、元の入射経路を逆向きにたどって再度フィルム状の第１の太陽電池１１の受光面に入射し、ここに吸収される機会を生じさせる。つまり、反射鏡１０に入射した太陽光線のうち、第１，第２の太陽電池１１，２１の表面で連続３度にわたって反射されたわずかな成分のみが、この太陽光発電装置の外部に飛び去り、わずかな反射損失となる。金属パイプ２０の代わりに、熱の良導体の薄いセラミックのパイプなどを使用することもできる。
【００３８】
図３は、本発明の他の実施例の集光型太陽光発電装置の構成を示す断面図である。本図中、図１と同一の参照符号を付した構成要素は、図１に関して既に説明した構成要素と同一のものであり、それらについては重複する説明を省略する。この実施例の集光型太陽光発電装置が、図１の集光型太陽光発電装置と異なる点は、反射鏡１０の焦点に、金属などの熱の良導体のパイプを２０を配置する代わりに、透明パイプ２２を配置し、その内壁面上に、反射防止膜で覆われた受光面を外側に向けて、第２の太陽電池２１が保持された点である。給熱機構（図示せず）は、透明パイプ２２の内部に冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯機などの熱利用装置に供給する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例の集光型太陽光発電装置の一実施例の構成を示す断面ずである。
【図２】上記実施例のフィルム状の第１の太陽電池の構成を示す部分断面図である。
【図３】本発明の他の実施例の集光型太陽光発電装置の一実施例の構成を示す断面ずである。
【図４】太陽光発電装置の改良が必要な理由を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００４０】
10      反射鏡
11      フィルム状の第１の太陽電池
11a     半導体・光／電変換膜
11b     透明電極
11c     金属電極
11d     樹脂製の透明保護膜
12      保持体  
20      金属パイプ
21      第２の太陽電池
22      透明パイプ
23      保持脚
【図１】
2008270577.tif 000003
【図２】
2008270577.tif 000004
【図３】
2008270577.tif 000005
【図４】
2008270577.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月8日(2008.1.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】  天体物理学者のジョン・グリビンは、この水蒸気を温室効果ガスとする危険な温室効果を、湿った温室効果と呼んだ（非特許文献１）。彼は、この湿った温室効果による熱暴走こそが、太古の金星を今日の表面温度が４８０℃の灼熱の惑星に変えてしまった原因であったと解説した。彼は、地球がこの湿った温室効果による熱暴走を免れたのは、太陽から受けるエネルギー密度が金星の半分ほどにすぎなかったせいであり、これがあと１０％ほど大きかったら、地球でもこの湿った温室効果による熱暴走が起こったはずであるとも解析した。彼は、地球の現在の軌道があと５％ほど小さかったら、湿った温室効果による熱暴走が起きたはずだとするＮＡＳＡエームズ研究所の三人の科学者、ジェイムズ・カスティング、オーウェン・トゥーン、ジェイムズ・ポーラックの計算結果についても解説した。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】  この湿った温室効果による熱暴走は、正帰還（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ−ｆｅｅｄｂａｃｋ）の過程を経て進行し、地球の灼熱化によって終焉する。つまり、この熱暴走が開始されると、人類は、致命的な被害を免れるため、高価で危険な副作用を伴うおそれが濃厚な種々の対策を講じたり、最悪の場合、地球を去って火星などの他の惑星に避難するしかない。カスティングらの見積もりによれば、地球が湿った温室効果による熱暴走の危機に直面するまで、まだ１０％の太陽定数の安全率が保障されているように考えられる。しかし、この人類の運命を左右する重要な見積もりや、シミュレーションの精度が十分に信頼できるか否かという懸念も、当然残されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】  地球などの天体に実質的に入射する太陽の入射エネルギーは、天体の反射率（アルベド）をγとすると、反射成分を差し引いた実際の入射量の（１−γ）倍に減少する。今日の地球では、γは０．３ほどであり、そのうちの２／３は雲による反射率が占めるものと、見積もられている。雲量や、極北地帯の氷雪面の減少など、何らかの原因で、地球の反射率γが現状の０．３ほどから０．２前後に低下すると、反射成分を除外した実質的な太陽定数は、直ぐにでも、カスティングらが見積もった湿った温室効果による熱暴走の開始の臨界値に達する恐れがある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】  本発明者は、現在の太陽定数のもとでも、単に地球が温暖化するだけで、この湿った温室効果による熱暴走の引金となり兼ねない危険な自然現象が存在することに気付いた。この危険な自然現象は、まず、二酸化炭素を温室効果ガスとする地球の温暖化が進行して、赤道付近の海面水温が上昇することによって開始される。この海面水温の上昇に伴い、この海面と接する低空の大気が高温多湿となり、その密度が増加する。すると、海面上空の大気の対流、すなわち上昇気流が弱まる。すると、大気の断熱冷却機能が弱まり、高空の大気の高温多湿化が進行する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】  高空の大気の高温多湿化が進行すると、海洋上空に形成される水蒸気の層の厚みが上空に向けて拡大し、水蒸気を温室効果ガスとする湿った温室効果が強まる。同時に、上空に大量の水蒸気を含む湿って重い大気が滞留し始めるため、気圧が低下しなくなり、周辺の高気圧の海域との気圧差が縮小する。この結果、上昇気流の弱まりが一そう促進される。この結果、上昇気流による海面からの放熱機能が弱まり、海面水温の上昇が一そう促進される。このような一連の正帰還の過程を経て、湿った温室効果による熱暴走が開始される臨界状態に接近してゆく。これが、今回、本発明者が見い出した危険な自然現象である。以下、この自然現象について、少しだけ詳しく説明する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】まず、北半球の南方の高温の高度ゼロの海面上に、Ｐという仮想的な点を想定し、このＰ点の気温が図４中に示すＴｐ℃であったとする。次に、このＰ点から数百キロメートル離れた北半球の北方の低温の高度ゼロの海面上に、Ｑ点を想定する。すると、このＱ点の気温は、図１の実線に沿って数℃ほど低い気温Ｔｑ℃となる。２点Ｐ，Ｑのそれぞれにおける大気の密度をρｐ，ρｑとする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】海面上のＰ点の気圧Ｐｐは、このＰ点の上空に存在する１平方センチメートル当たりの大気の総重量（ほぼ１キログラム）に等しい。この気圧の算定は以下の手順で行われる。まず、上空の空気の総重量が算定される。これは、Ｐ点の空気の密度を基準値として、これに、高度の増加に伴う気圧の減少によって生じる密度の減少率（５０００メートルごとにほぼ半減）と、高度の増加に伴う気温の減少（１０００メートルごとにほぼ６℃の低下）によって生じる密度の増加率という、二つの因子を乗算しながら、各高度における空気の密度を算定し、このようにして得た各高度の空気の密度を十分な高度まで積算することにより、空気の総重量を算定する。次に、Ｐ点における水蒸気の密度を基準に、これに、高度の増加に伴う気温の減少による飽和水蒸気量の減少と、高度の増加に伴う密度の減少率を加味しながら各高度における水蒸気の密度を算定し、これを十分な高度まで積算することにより、上空の水蒸気の総重量を算定する。最後に、上空の空気の総重量と水蒸気の総重量を加算することにより、Ｐ点の上空の大気の総重量、つまり気圧Ｐｐを算定する。同様にして、Ｐ点の上空の大気の総重量、つまり気圧Ｐｐを算定する。
このようにして算定した気圧の差ΔＰ＝Ｐｑ−Ｐｐは、対流の強さ、すなわち、Ｐ点の上空で生じる上昇気流の強さ、Ｑ点の上空で生じる下降気流の強さ、さらには、高気圧のＱ点から低気圧のＰ点に向けて海面に平行に吹く風の強さの指標である。この気圧差ΔＰは、Δρ＝ρｑ−ρｐが、大きければ大きいほど大きくなり、強い対流が引き起こされる。つまり、図４中のΔρは対流（上昇気流）の大きさを示す指標である。
図４に例示した３５℃前後の気温の範囲では、高温多湿の空気の対流の強さが、乾いた空気のそれの１／３ほどに低下している。一般的には、任意の気温で、実線や点線に引いた接線の勾配が、湿った空気や乾いた空気の対流の強さを示す指標となる。海面上の高温多湿の空気では、気温が３０℃を超える辺りから対流が急激に弱まり始め、臨界値の４６℃でゼロとなる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】  このように、水蒸気と水滴が、凝結熱と気化熱を授受しながら、気相と液相との間の相変態を繰り返す。大量の水滴が漂う低空で赤外線や遠赤外線として放射された凝結熱は、周囲の水滴に吸収されるため、大気圏外にはほとんど放出されない。最大の加熱源の太陽光が消滅する夜間には、水滴の比率が増えてゆく。この微小な水滴は、昼間には強い太陽光線を吸収して水蒸気に戻り、太陽光線の短い波長成分を海面まで通過させると共に、海面から放射される長い波長の赤外線や遠赤外線を大気中に閉じ込める温室効果の機能を発揮する。断熱冷却機能の低下によって上空の大気は温暖になり、湿っていても雲が形成されにくくなる。この結果、海面への日差しを遮る機能が失われ、太陽光線による海面の加熱が加速される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2008270577.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月20日(2008.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダーと、このホルダーに保持され、入射太陽光線に対して一部吸収・一部反射の表面を形成するシート状の第１の太陽電池とから成り、長手方向に延長される焦点線と鏡軸面とを有する２次元反射鏡と、
太陽の方向を検出し、前記２次元反射鏡の姿勢を制御して前記光軸面を太陽に向ける太陽追尾ユニットと、
前記２次元反射鏡の焦点線に沿って延長される熱伝導性の管と、
前記熱伝導性の管の外部表面上に受光面を上にして保持される第２の太陽電池と、
前記熱伝導性の管の内部に流体を循環させ、この管の冷却によって得た熱を外部に供給する冷却・給熱手段とを備えたことを特徴とする太陽電池を利用した太陽光発電システム。
【請求項２】
ホルダーと、このホルダーに保持され、入射太陽光線に対して一部吸収・一部反射の表面を形成するシート状の第１の太陽電池とから成り、長手方向に延長される焦点線と鏡軸面とを有する２次元反射鏡と、
太陽の方向を検出し、前記２次元反射鏡の姿勢を制御して前記光軸面を太陽に向ける太陽追尾ユニットと、
前記２次元反射鏡の焦点線に沿って延長される透明な管と、
前記透明な管の内部に受光面を上にして保持される第２の太陽電池と、
前記透明な管の内部に流体を循環させ、この第２の太陽電池の冷却によって得た熱を外部に供給する冷却・給熱手段とを備えたことを特徴とする太陽電池を利用した太陽光発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、太陽電池を利用した太陽光発電システムに関するものであり、特に、入射太陽光の反射損失を減らすことにより、総合的な光／電変換効率の向上を図った集光・反射型の太陽電池を利用した太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】太陽光発電システムは、風力発電と共に、二酸化炭素を排出しないクリーンな発電システムである。しかしながら、この太陽光発電システムは、従来の火力発電システムに比べると発電効率が低く、また、天気による発電量の変動を平滑化するための高価な化学蓄電装置を必要とするなどの欠点がある。しかしながら、今や、大型の風車の建設が困難な過密な都市部などでは、採算上無理を押してでも、太陽光発電に転換しなければならない時期にさしかかっている。地球温暖化がこれ以上進むと、地球の熱暴走が開始されるおそれがあるからだ。少々遠回りになるかも知れないが、まず、この危険な現状を是非とも明確にしておくことが必要である。【０００３】２０年ほど前、天体物理学者のジョン・グリビンは、水蒸気を温室効果ガスとする危険な温室効果について解説し、これを「湿った温室効果」と呼んだ（非特許文献１）。彼は、この湿った温室効果による熱暴走こそが、太古の金星を今日の表面温度４８０℃の灼熱の惑星に変えてしまった原因であったと解説した。彼は、地球の軌道があと５％ほど太陽に近かったら、つまり、地球の太陽定数（太陽から受ける輻射熱の密度）があと１０％ほど大きかったとしたら、湿った温室効果による熱暴走が地球でも起きたであろうとするＮＡＳＡエームズ・リサーチ・センターの、ジェ−ムズ・カスティングら３人の科学者の数値計算結果についても紹介した。【０００４】金星は地球の２倍も強い密度の太陽熱を受ける。天文学者によれば、この太陽定数は太陽系の誕生以来、１億年に４％の割で増え続けている。つまり、地球の太陽定数は、金星のあとを１８億年遅れて追いかけている。太陽定数が増え続けた結果、太古の金星では、熱暴走の臨界状態を越え、水蒸気の温室効果による熱暴走が開始された。天体物理学の分野では、水蒸気が強力な温室効果ガスであることは、もう数十年も前から知られている。東京天文台編の理科年表にも、水蒸気の「構造化学・分子分光学的性質」として、赤外線の吸収帯のデータが掲載されている。人工衛星ニンバス４号が記録した地球の放射スペクトルにも、水蒸気の吸収帯が、二酸化炭素のそれと共にはっきりと現れている。【０００５】太古の金星では、温度が上がって水蒸気の大気中濃度が増加し、温室効果が強まった。すると、ますます温度が上がって水蒸気の大気中濃度が増加し、温室効果が強まった。その結果、水蒸気の大気中濃度と気温とが限りなく上昇しはじめた。この現象は、正帰還（ポジティブ・フィードバック）による温度の際限のない上昇で、「熱暴走」と言われる。太古の金星では、表面を覆う海水がすべて蒸発する「全球蒸発」が起きた。先程のカスティングらの計算結果が正しければ、地球では、熱暴走の開始までまだ２億５０００万年のマージンがあることになる。しかし、地球には、太陽定数が実質的に数％増えたと同じ結果を招く自然現象は多数存在する。例えば、北極海の氷山や、シベリアやアラスカの氷雪面は、正帰還のプロセスに従って加速度的に溶けつつある。すべて溶けると、太陽光線に対する地球の反射率が数％下がる。これは、太陽定数が実質的に数％増えたのと同じ結果を招く。カスティングらによる１０％のマージンの何分の１かを、この一事だけで食いつぶしてしまうことになる。【０００６】以下の説明では、海面と接する高度ゼロの大気の気温は、海面水温と等しいと近似する。海面水温が３０℃から４０℃に上昇すると、海面から赤外線の輻射で逃げ出す熱量は１４％増える。つまり、上がった海面水温を下げようとする負帰還が働くので熱暴走は起きない。ところが、同じ海面水温の増加で、大気中の水蒸気の濃度、従って温室効果の強さが６７％も増える。いずれは、ある海面水温を境に、輻射で逃げ出す熱量が、水蒸気の温室効果の増大によってかえって減りはじめる。すると、正帰還のプロセスに従って、表面温度は人手の介入なく自動的に、際限なく上昇し始める。それが、熱暴走の臨界状態である。【０００７】水蒸気は、二酸化炭素の弱い温室効果を数十倍強める「増幅機能」を果たす。二酸化炭素が増えると、その温室効果で海面水温がわずかに上る。すると、水蒸気が増えて温室効果が数十倍強まり、二酸化炭素単独の場合の数十倍も気温が上る。しかし、前述した輻射による負帰還のため、温度の上昇は、二酸化炭素の増加によって駆動される受動的な上昇に留まる。すると、発端となる最初のわずかな温度上昇は、二酸化炭素の温室効果に限らないということになる。二酸化炭素を排出しない原子力発電でも、人為的な発熱と水蒸気の増幅作用とにより、温暖化は進行する。エネルギー源を太陽光や、太陽熱から派生した風力や、波力や、あるいはバイオエタノールなどの種々の自然エネルギー源に転換しない限り、温暖化は進行する。ちなみに、二酸化炭素やメタンガスなどの微量の温室効果ガスについての最大の関心事は、湿った温室効果による熱暴走の起爆剤となり得るほどの量が存在するか否かという点に尽きる。【０００８】近い将来、地球の熱暴走が起こるとすれば、その引金を引くのは、「湿った大気の対流の弱まり」という現象である。以下、これについて説明する。図４を参照すると、左側の（Ａ）中の点線は、水蒸気をまったく含まない湿度ゼロの１気圧の乾燥空気の密度（Ｋｇ／ｃｍ３）と気温（℃）との関係を示している。次に、（Ａ）中の実線は、相対湿度１００％の完全に湿った空気の密度を示している。つまり、下方の点線で示す乾燥空気の密度に飽和水蒸気量と称される１気圧の水蒸気の各気温における密度（Ｋｇ／ｃｍ３）を加算した値である。【０００９】乾燥空気自体の密度は、気温の上昇につれて下方の点線で示すように、ほぼ直線的に減少する。膨張して希薄になったぶん軽くなるからだ。しかし、湿った空気では、乾燥空気自体の密度の減少した分が、気温の上昇につれて急増する水蒸気の密度によって打ち消されてしまう。特に、気温が、４５℃付近を超えると、水蒸気の密度の増分のほうが上回るため、全体の密度は逆に増加しはじめる。乾燥しているか湿っているか、つまり、内陸部か海洋上かで、気温の上昇に伴う空気の密度の変化の様子が大きく異なる。【００１０】ある点の気圧は、その上空に存在する１ｃｍ２あたりの大気の密度の総和（ほぼ、１キログラム／ｃｍ２）だ。この気圧の算定は、概ね以下のようにして行われる。まず、高度が増すと気圧が下がるので、空気の密度は減少する。同時に、気温も下がるので、空気の密度はわずかに増える。気圧は高度が５０００メートル増すごとにほぼ半減する。気温は、高度が１０００メートル増すごとにほぼ６℃〜８℃ずつ低下する。この値は、気温減率と呼ばれている。まず、海抜ゼロで１気圧の任意の点について、そこの気温における乾燥空気の密度を（Ａ）の点線から読み取り、これを出発点とする。【００１１】この密度に、高度の増加に伴う密度の増減を反映させる上述の係数を乗算することにより、各高度の空気の密度を計算する。こうして算定した各高度における空気の密度を高度ゼロから十分な高度まで積算してゆくと、その点の上空の空気の密度の総和が得られる。まったく同様に、同じ点の高度ゼロ、１気圧の水蒸気の密度を（Ａ）中の実線と点線との縦軸方向の間隔から読み取り、これを出発点として、上空の水蒸気の密度の総和を算定する。この値は、通常、空気の密度の総和の数％、つまり、数十ヘクトパスカル（ｈＰａ）となる。最後に、上空の空気の密度の総和（空気の分圧）と水蒸気の密度の総和（水蒸気の分圧）とを加算すれば、その点の気圧（全圧）が得られる。【００１２】上記計算結果を図４の（Ｂ）に示す。パラメータは気温減率（℃／ｋｍ）である。点線は相対湿度０％、気温減率−６℃／Ｋｍの乾燥空気の気圧である。３本の実線は、相対湿度１００％、気温減率−６℃／Ｋｍ〜−１℃／Ｋｍの完全に湿った空気の気圧である。この気圧は、対流が発生して気圧差が縮小されることがないと仮定した場合の、例えば、大気と海面との摩擦抵抗を無限大と仮定した場合の、仮想的な静的状態のもとでの気圧であるが、対流の強さの気温依存性を分析するには十分な精度である。２点間の気圧差ΔＰは、２点間に発生する対流の原動力である。南北方向に想定した２点間の地理上の距離ΔＬが増加すると、横軸の気温の差ΔＴも増加する。従って、（Ｂ）の横軸上の距離ΔＴは、南北方向に想定した地理上の距離ΔＬの尺度である。【００１３】横軸上の距離ΔＴが増すと、対流の原動力である気圧差ΔＰも増加する。しかし、同時に地理上の距離ΔＬも増加するので、低空の湿って重い大気を高気圧の点から低気圧の点まで運搬する際に、海面などから受ける摩擦力も増大する。結局、ΔＰ／ΔＬ、従って、ΔＰ／ΔＴ、すなわち、任意の気温で実線や点線に引いた接線の勾配は、湿ったあるいは乾いた空気の対流の活発さ（強さ）を示す指標である。高温多湿の大気の対流の弱まりは、一定の距離対流の駆動力（ΔＰ／ΔＴ）の弱まりにより、気温が上昇するにつれて顕著になる。陸上の乾燥した空気では、その傾向がほとんど見られない。【００１４】初夏の日本に梅雨空けと猛暑をもたらすのは、南東の太平洋上に発生する強い高気圧である。フィリピン東方海上で発生した上昇気流が、１０００ｋｍほど北上したのち下降し、下降時の断熱圧縮で高温になった強い高気圧をそこに発生させるせいだ。最近、梅雨明けの遅れが目立ちはじめた。気象庁は、「原因は温暖化の進行に伴うフィリピン東方海上の上昇気流の不活発化であるが、その原因は不明」と長年にわたって、公表し続けてきた。上述したように、海面水温が高まって湿った大気が重くなりすぎたことで、この現象を説明できる。これは、フィリピン近海の海面水温が例年より２℃ほど高まるラ・ニーニャの年に限って、この遅れが顕在化するという事実とも符合��る。【００１５】湿った大気は、重くなって上昇気流が弱まると、長時間かけて高空に達しはじめる。大気中の水蒸気や二酸化炭素は、高温の海面から昼も夜も放射される赤外線や、昼間の太陽光線中の赤外線や、水蒸気が凝結熱として空中に放射した赤外線を、上昇中に吸収して高温になり、分子どうしの衝突の際のエネルギーの授受を通じて周辺の空気を暖める。つまり、大気は、上昇中に外界から赤外線の熱を受取り、膨張に必要な運動エネルギーに変換しながら緩慢に膨張する。すると、従来、高空を寒冷化させてきた断熱膨張と断熱冷却の機能が弱まり、気温減率の絶対値が減少する。図４の（Ｂ）において、通常起こり得ない小さな気温減率を想定したのはこのためである。つまり、水蒸気が断熱冷却を受けない暖い大気とともに結露せずに上空に達し、その層が上空に厚くなり、温室効果が一段と強まる。この上空の温暖化と気温減率の平坦化は正帰還のプロセスに従って加速的に進行する。【００１６】高空では、気温の低下が鈍った場合でも、気圧が急減するので、水蒸気の密度が急減する。すると、低空の場合とは異なり、太陽光線を強く反射・吸収するぶ厚い雲は形成されない。最近、ヒマラヤなどの高山で目立ちはじめた氷河の急激な融解は、高空の雲量の減少と高空の高温化によるものであろう。高空が温暖化して湿った重い大気が海洋の上空に滞留しはじめると、対流と上昇気流、従って断熱冷却機能がますます弱まる。海面は太陽光で加熱され続け、正帰還の連鎖が持続される。熱暴走の引金を引く深刻な正帰還は、枚挙に暇がないほど存在する。上昇気流が弱まると、雲形成の核となるエアロゾルが上空に運ばれなくなり、雲量はますます減少し、海面の加熱は進む。海面水温が上がると、海中に溶け込む二酸化炭素の量が減って温室効果が強まり、海面水温が一層上昇する。大気の上昇気流が弱まると、塩分の濃度差による海水の対流が弱まって海面水温が上がり、上昇気流が一層弱まる。北極周辺が温暖化すると、溶けた凍土から二酸化炭素やメタンガスが放出され、温室効果が強まり一層温暖化する。【００１７】そんな熱暴走が、局所的・一時的とは言え、真っ先に開始されるのは、赤道近辺の海域であろう。そこは、常夏のため海面水温が高く、しかも地球の自転によって発生する大気の流れを偏向させるコリオリの力（転向力）が弱過ぎるため、台風やハリケーンなどの暴風が発生しないとされてきた緯度５度以下の海域だからである。【００１８】以上、やや詳細に立ち至って説明した。要するに、これ以上温暖化が進むと、熱暴走開始の危険が増す。原子力発電は、化石燃料よりは多少ましだが、前述したように、温暖化の防止策とはならない。早急に、太陽光発電や、風力発電や、波力発電や、バイオエタノールなどの太陽エネルギーから派生する自然エネルギー源に転換する必要がある。とりわけ、太陽光発電は風力発電と共に、長きにわたって地道な改良が積み重ねられて来た。
【非特許文献１】“ＨＯＴＨＯＵＳ  ＥＡＲＴＨ：ＴＨＥ  ＧＲＥＥＮＨＯＵＳ  ＥＦＦＥＣＴ  ＆  ＧＡＩＡ”Ｊｏｈｎ  Ｇｒｉｂｂｉｎ，ＢＡＮＴＡＭ  ＰＲＥＳＳ，Ｌｏｎｄｏｎ・ＮＥＷ  ＹＯＲＫ・ＴＯＲＯＮＴＯ・ＳＹＤＮＥＹ・ＡＵＣＫＬＡＮＤ（日本語訳「地球が熱くなる−人為的温室効果の脅威」地人書館１９９２年６月２０日発行）
【特許文献１】特開２００５−２１７２２４
【特許文献２】特開２００６−３１３８１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】最近のアモルファス・シリコンの太陽電池などに見られるように、電池の製造費用の低廉化も進んでいる。これらの点で、太陽光発電は、従来の火力発電の代替システムとして有望である。発電に必要な入射太陽熱量は十分存在する。しかしながら、この太陽熱発電はエネルギー変換効率が低いため、高コストになるという欠点がある。しかし、前述したように、今後、地球温暖化が進行すると、上空の温暖化に伴って低空の雲量が減少し、日差しが強まると予想される。その点、太陽光発電は、風力発電に比べて優位に立つ可能性を秘めている。【００２０】太陽光発電を大別すると、太陽光線をそのまま太陽電池に受光して電力に変換する直接変換式のものと、レンズや反射鏡を使用して太陽光線を一旦濃縮してから電力に変換する濃縮変換式のものとがある。濃縮変換式のものは、製造費用の大きな部分を占める太陽電池の表面積が小さくて済むという点で、低コストを実現できる可能性を秘めている（特許文献１，２）。【００２１】従来の太陽光発電システムについては、光／電変換効率の向上、特に、反射光成分によって生ずる光／電変換効率の低下の防止という大きな課題が残されている。今後、太陽光発電システムの普及に伴い、人口密集地帯の家屋の屋根や、公共の空間、工場など限られた広さの空間で最大限の電力を得ることが必要になる。そのため、光／電変換効率の向上は、単に発電コストの軽減という点だけでなく、空間の有効利用の点からも、また、製造に必要な電力も含めた資源の有効利用という点からも重要な課題である。従って、本発明の第１の解決課題は、太陽光発電システムで生じる太陽光線の反射損失を減少させて、光／電変換効率の改良を図ることにある。【００２２】太陽光線を反射鏡やレンズで一旦濃縮し、電力に変換する濃縮変換式では、製造費用のかさむ太陽電池の面積が少なくて済むため、製造費用が安価になるという利点がある。この利点は、濃縮倍率を高めるほど、顕著になる。しかしながら、濃縮倍率を高め過ぎると、太陽電池の冷却が困難になるという問題が生じる。また、冷却の問題が解決できたとしても、太陽光線の密度が過大になると、入出力特性が飽和して変換効率が低下するというおそれもある。従って、本発明の第２の解決課題は、直接変換式と濃縮変換式の双方の利点を活かすことにより、高い光／電変換効率を維持したまま製造費用の低廉化を可能にしたハイブリッド方式の太陽光発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】上記従来技術の課題を解決する本第１の発明の太陽電池を使用した太陽光発電システムは、ホルダーと、このホルダーに保持され、入射太陽光線に対して一部吸収・一部反射の表面を形成するシート状の第１の太陽電池とから成り、長手方向に延長される焦点線と鏡軸面とを有する２次元反射鏡と、太陽の方向を検出し、前記２次元反射鏡の姿勢を制御して前記光軸面を太陽に向ける太陽追尾ユニットと、前記２次元反射鏡の焦点線に沿って延長される熱伝導性の管と、前記管の外部表面上に受光面を上向きにして保持される第２の太陽電池と、前記管に流体を循環させ、この管の冷却によって得た熱を外部に供給する冷却・給熱ユニットとを備えている。【００２４】上記従来技術の課題を解決する本第２の発明の太陽電池を使用した太陽光発電システムは、ホルダーと、このホルダーに保持され、入射太陽光線に対して一部吸収・一部反射の表面を形成するシート状の第１の太陽電池とから成り、長手方向に延長される焦点線と鏡軸面とを有する２次元反射鏡と、太陽の方向を検出し、前記２次元反射鏡の姿勢を制御して前記光軸面を太陽に向ける太陽追尾ユニットと、前記２次元反射鏡の焦点線に沿って延長される透明な管と、前記透明な管の内部に受光面を上向きにして保持される第２の太陽電池と、前記管に流体を循環させ、第２の太陽電池の冷却によって得た熱を外部に供給する冷却・給熱手段とを備えている。
【発明の効果】
【００２５】本第１の発明の太陽光発電システムによれば、２次元反射鏡の反射面を構成するシート状の第１の太陽電池に入射し、そこに吸収された太陽光の成分は、この第１の太陽電池によって電気エネルギーに変換される。これに対して、この第１の太陽電池の表面で反射された反射光成分は、この２次元反射鏡の焦点線に沿って配置された金属などの熱の良導体のパイプの外壁面に保持された第２の太陽電池に入射し、それに吸収され、電力に変換される。２次元反射鏡の反射面で正規反射されて第２の太陽電池に入射する太陽光線は、熱の良導体のパイプの中心に向う。この第２の太陽電池は、このパイプの外周面に沿って平行に配置されている。その結果、第１の太陽電池の表面で正規反射された太陽光線は、第２の太陽電池の受光面にほぼ垂直に入射する。このため、入射角が臨界角を超えたことによって全反射などを受けることがなくなり、入射成分が増大する。【００２６】この第２の太陽電池の表面で発生した正規反射成分は、入射経路を逆向きにたどって再度、シート状の第１の太陽電池に入射し、ここに吸収される機会を生じさせる。つまり、この太陽光発電装置に入射した太陽光線は、第１，第２の太陽電池のいずれかに吸収される機会が全部で３度にわたって与えられる。３度とも反射されたわずかな成分のみが、この太陽電池を利用した太陽光発電装置の外部に飛び去り、わずかな反射損失を生じる。【００２７】第２の太陽電池の内部で発生した熱は、金属など熱の良導体の管を介してその内部を流動せしめられる水などの流体に伝達され、この流体が得た熱エネルギーは、熱交換機構などを介して発電機や、暖房機や、給湯機などの熱利用装置に供給される。このように、第１の太陽電池による光／電変換に利用されなかった反射光は、この管の外周面に保持された第２の太陽電池によって電力に変換され、さらに、この第２の太陽電池の冷却に使用された流体の熱は、他の発電機や冷暖房機や給湯機などの熱利用装置で利用される。このような構成であるから、反射光によるエネルギー変換効率の低下を実質的に回避することができる。【００２８】シート状の第１の太陽電池の表面は、２次元反射鏡に入射した太陽光線の多くを吸収して電力に変換する直接変換式の太陽光発電システムの光／電変換機能を果たす。この第１の太陽電池の表面は、同時に、入射太陽光線の一部を反射して濃縮する濃縮変換式の太陽光発電システムの反射鏡の機能を兼ねる。この第１の太陽電池の表面の反射率を適宜な範囲に設定することによって、高いエネルギー変換効率を保ったまま第２の太陽電池の過熱や入出力特性の飽和を有効に防止できるハイブリッド式の太陽光発電システムを提供できる。【００２９】本第２の発明によれば、上記第１の発明とほぼ同様の動作が行われ、ほぼ同様の効果が発揮される。最近、日本では、温水貯蔵型の給電システムが普及しつつある。このシステムでは、大規模な商用発電所の夜間の安価な余剰電力を利用して、家庭で温水が作られる。この温水を家庭内の保温容器の中に貯蔵しておき、風呂や、冷暖房に利用するというものである。本第１，第２の集光型太陽光発電装置は、熱の良導体や透明な管内で暖められた水を、そのような温水貯蔵型の給電システムに供給できる。本発明の太陽電池を利用した太陽光発電装置は、そのような点で、既存のエネルギー供給装置との整合性が良いという大きな利点がある。【００３０】従来、この種の太陽光発電システムを構成する太陽電池や、保持体などの各種の構成部品は、火力発電所や原子力発電所で発生させた安価な電力を利用して製造・加工されてきた。このため、これまでは、構造が簡単で受光面が広めの太陽電池を安価な電力を消費して余裕を持たせて大きめ、あるいは多めに製造してきた。つまり、光／電変換効率よりも経済性を重視してきた。しかしながら、今後は、前述した理由から、従来の火力発電や、原子力発電そのものが継続できなくなるおそれがある。このため、自然エネルギーを利用した比較的高価な電力を節約しながら利用することにより、なるべく小型、あるいは限られた数の部品や、装置や、システムを製造し、これらをいかに高いエネルギー変換効率の下で運用して従来と同量の電力を確保するかが焦点になる。この観点に立脚すると、従来、コスト低減の見地から適用の可能性が薄かった太陽追尾ユニットなども、資源や空間の利用効率を高めるという観点から適用可能になる。
【実施例】
【００３１】図１は、本発明の太陽電池を利用した太陽光発電装置の一実施例の構成を示す断面図である。この実施例の太陽光発電装置は、樹脂製の保持体１２と、この保持体の内面上に接着固定によって貼着され保持されるシート状の第１の太陽電池１１とで構成される２次元反射鏡１０を備えている。さらに、この太陽電池を利用した太陽光発電装置は、２次元反射鏡１０の光軸面（ｍｉｒｒｏｒ  ａｘｉｓ  ｐｌａｎｅ）を太陽の東西方向に向ける太陽追尾機構（図示せず）を備えている。【００３２】さらに、この太陽光発電システムは、この２次元反射鏡１０の焦点線（ｆｏｃａｌ  ｌｉｎｅ）に沿って延長され、２次元反射鏡１０と一体に保持される金属パイプ２０と、この金属パイプ２０の外壁面に、受光面を上向にして保持される第２の太陽電池２１と、金属パイプ２０の内部に水などの冷却用の流体を流動させ、流体が得た熱を発電機、暖房機、給湯機などの熱利用装置に供給する給熱機構（図示せず）とを備えている。図中に描いた直線Ｌは、入射太陽光線である。【００３３】２次元反射鏡１０は、紙面と垂直な長手方向に同一の断面形状を保ちながら所定の長さにわたって延長された樋形状を呈している。この２次元反射鏡１０の表面の上記長手方向に垂直な面で切断した断面形状は、放物線など、焦点を有する滑らかな曲線状を呈している。この各断面内の焦点と光軸をそれぞれ連結することにより、紙面への鉛直方向に延長される焦点線と光軸面が、定義される。【００３４】この２次元反射鏡１０の焦点線に沿って、金属チューブ２０が延長され、保持脚２３を介して保持されている。この金属管２０の外壁面上に、第２の太陽電池２１が熱的に良好な導通状態を保ちながら、かつ受光面を上向きにして保持されている。図示しない太陽追尾機構は、太陽の方向を検出し、この検出した太陽の方向に、光軸面を向けるよう、２次元反射鏡１０の姿勢を制御する。【００３５】図２は、シート状の太陽電池１１の一部分をその厚み方向に切断して示す部分断面図である。樹脂製の保護膜１１ｅの上に、下部金属電極層１１ｃが形成され、その上に、アモルファス・シリコン層の内部にＰＮ接合が形成された半導体・光／電変換膜１１ａが保持されている。この半導体・光／電変換膜１１ａの表面には、透明電極層１１ｂが形成され、この透明電極層の表面は、樹脂製の透明保護膜１１ｄによって被覆されている。この半導体・光／電変換膜１１ａの内部で発生した光起電力は、適宜な間隔で形成されている出力電極（図示省略）を通して、この半導体光／電変換膜１１の外部に、光起電力として出力される。【００３６】シート状の第１の太陽電池１１は、入射太陽光線の入射角が臨界角（ブリュスター角）を超えないように、反射鏡１０の形状や、太陽電池１１の表面の誘電率などが配慮されている。第１の太陽電池１１の表面に入射した太陽光線は、大部分が吸収されて電力に変換され、残りの一部が反射されて金属チューブ２０上に保持された第２の太陽電池２１の受光面に向かう。つまり、シート状の第２の太陽電池の表面は、入射太陽光線に対して、一部吸収・一部反射面として機能する。【００３７】第１の太陽電池１１に吸収されることなく、その透明保護膜１１ｄや、透明電極層１１ｂや、あるいは、半導体光／電変換膜１１ａの表面で正規反射された反射光成分は、２次元反射鏡１０の焦点に配置された金属パイプ２０の外壁面上に保持された第２の太陽電池２１の受光面に入射し、そこに吸収される。第２の太陽電池２１は、濃縮された太陽光線の照射を受けて素子内部の動作温度が高くなることを想定して、ガリウム砒素等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等のＩＶ−ＩＶ族化合物半導体の広バンドギップの半導体材料で構成されている。【００３８】第１の太陽電池シート１１の表面における入射太陽光線の反射率を０．３と見積もり、その表面積の第２の太陽電池２１の表面積に対する倍率、つまり太陽光線の濃縮倍率を２０倍と見積もる。すると、第２の太陽電池２１の表面に形成された受光面に入射する太陽光線の密度は、第１の太陽電池シート１１の表面に入射する太陽光線の密度の６倍と見積もられる。金属チューブ２０と、その内部を循環される冷却水による冷却機能を考慮しても、素子内部の動作温度はかなり高まることが予想される。そこで、第２の太陽電池としては、シリコンの代わりに、高温のもとでも動作可能な広バンドギップの半導体材料を使用する。【００３９】特に、半導体素材としてのシリコンカーバイドは、シリコンに比べると、熱伝導率が３倍程度、絶縁破壊電圧が１０倍程度、そして電子の飽和ドリフト速度が２倍程度と大きく、高温の動作環境のもとで高電圧・大電力を出力できる半導体材料として好適である。この第２の太陽電池２１は、焦点線方向に沿って分割されたリング形状の、あるいは、円周方向に沿って分割された細長板状の形状を呈している。この第２の太陽電池２１は、反射防止膜を兼ねた透明保護膜で被覆されたその受光面を外側に向けた状態で、金属パイプ２０の外壁面上にハンダ付け層や、ロウ付け層など熱伝導性の良好な結合手段を介在させながら保持されている。【００４０】２次元反射鏡１０の表面で反射され、第２の太陽電池２１に向かう太陽光線は、焦点線に沿って配置される金属チューブ２０の中心に向う。この第２の太陽電池２１は、この金属チューブ２０の中心軸に平行に配置されている。このため、この第２の太陽電池２１に入射する太陽光線は、この第２の太陽電池２１の受光面に対してほぼ垂直に入射する。このため、入射角がブリュスター角を超えることで全反射を受け、大きな反射損失を生ずるという問題を生じない。【００４１】さらに、この第２の太陽電池２１のシート状の表面で発生したわずかな反射光成分が、元の入射経路をほぼ逆向きにたどって、再度シート状の第１の太陽電池１１の受光面に入射する。この第１の太陽電池１１に再度入射した太陽光線は、この太陽電池１１に吸収される機会を再び与えられる。つまり、２次元反射鏡１０に入射した太陽光線のうち、第１，第２の太陽電池１１，２１の表面において、連続３度にわたって反射を受けたごくわずかな成分のみが、２次元反射鏡１０の外部、すなわち、この太陽光発電システムの外部に飛び去る。その結果、システム全体の反射損失は、わずかな値にとどまる。焦点線に沿って金属チューブ２０を配置する代わりに、金属粉の混合などによって熱伝導性を高めたセラミックを素材とする薄いパイプなどを使用することもできる。【００４２】図３は、本第２の発明の一実施例の集光型太陽光発電装置の構成を示す断面図である。本図中、図１と同一の参照符号を付した構成要素は、図１に関して既に説明した構成要素と同一のものである。それらについては重複する説明を省略する。【００４３】この実施例の集光型太陽光発電装置が、図１の集光型太陽光発電装置と異なる点は、反射鏡１０の焦点線に沿って、金属などの熱の良導体のパイプを２０を配置する代わりに、ソーダ・ガラスやシリカ・ガラスなどの透明素材から成る透明チューブ２２を配置し、その内壁面上に、反射防止膜で覆われた受光面を外側に向けて、第２の太陽電池２１を保持している点である。また、チューブの内部を循環せしめられる熱媒体としては、高温で動作する第２の太陽電池２１の表面の酸化を防止するために、水に替えて、窒素などの不活性ガスを圧縮状態で利用される。【００４４】シート状の第１の太陽電池１１に吸収されることなく、その表面で正規反射された反射光成分は、２次元反射鏡１０の焦点線に沿って配置された透明チューブ２２を通過し、その内壁面上に保持された第２の太陽電池２１の受光面に入射し、そこに吸収される。この透明チューブ２２と、その内側の第２の太陽電池２１に入射する太陽光線は、その受光面に対してほぼ垂直に入射し、ブリュスター角による制約などを受けることなく、反射成分を最小にする。【００４５】この第２の太陽電池２１は、前述した第１の発明の場合と同様に、濃縮された高密度の太陽光線の照射によって素子内部が高温になることを想定して、ガリウム砒素等のＩＩＩ−Ｖ族半導体や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等のＩＶ−ＩＶ族半導体などの広エネルギーギップの半導体材料で構成されている。【００４６】透明チューブ２２の表面や、第２の太陽電池２１の受光面で反射された太陽光線の反射成分は、第１の太陽電池１１の表面に戻り、そこに吸収される機会が再び与えられる。太陽電池１１、又は２１に吸収される機会を３度にもわたって逸したわずかな反射光成分のみが、この反射鏡の外部、すなわちこの太陽光発電システムの外部に飛び去る。このため、反射損失は低減され、光／電変換効率が大幅に向上する。【００４７】以上説明した第２の実施例では、第２の太陽電池２１を透明チューブ２２の内壁面上に保持させる構成を例示した。しかしながら、第２の太陽電池２１の受光面を透明チューブ２２の内壁面から離した状態で保持させることもできる。この構成では、第２の太陽電池２１の上下両面が冷却媒体に接触せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本第１の発明の一実施例の太陽電池を利用した太陽光発電システムの一実施例の構成を示す断面図である。
【図２】上記実施例のシート状の第１の太陽電池の構成を示す部分断面図である。
【図３】本第２の発明の一実施例の太陽電池を利用した太陽光発電システムの一実施例の構成を示す断面ずである。
【図４】本発明の太陽電池を利用した太陽光発電システムの改良が必要な理由を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００４９】１０      ２次元反射鏡
１１      シート状の第１の太陽電池
１１ａ    半導体・光／電変換膜
１１ｂ    透明電極
１１ｃ    金属電極
１１ｄ    樹脂製の透明保護膜
１２      保持体
２０      金属チューブ
２１      第２の太陽電池
２２      透明チューブ
２３      保持脚
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008270577.tif 000008
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2008270577.tif 000009
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2008270577.tif 000010
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2008270577.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月21日(2008.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2008270577.tif 000012