(57)【要約】【課題】太陽エネルギーを利用した発電システムにおいて、太陽エネルギーを効率的に集積できる新規の装置を実現し、高い発電効率の得られる発電システムを安価に提供する。【解決手段】複数の分割部品を組み合わせてなる分割型フレネルレンズ２（またはプリズム）によって太陽エネルギーの集積装置を構成する。ここで分割型フレネルレンズ２（またはプリズム）は中央部に開口３を有し、この装置では分割型フレネルレンズ２（またはプリズム）によって集められた太陽エネルギーと中央部の開口３を通過した太陽エネルギーとを重畳して集積し、太陽電池６（または熱電モジュール）に照射するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なるエネルギー密度を持つ太陽エネルギーを重畳して集積する太陽エネルギーの集積装置であって、
複数の分割部品を組み合わせて構成され、中央部に開口を有する分割型レンズまたはプリズムを備え、
上記分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽エネルギーと上記開口を通過した太陽エネルギーとを重畳して集積するようにしたことを特徴とする太陽エネルギーの集積装置。
【請求項２】
複数の分割部品を組み合わせて構成され、中央部に開口を有する分割型レンズまたはプリズムと、
太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、を備え、
上記分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽光エネルギーと上記開口を通過した太陽光エネルギーとを重畳して集積し、上記太陽電池に照射する構造としたことを特徴とする光電エネルギー変換装置。
【請求項３】
複数の分割部品を組み合わせて構成され、中央部に開口を有する分割型レンズまたはプリズムと、
太陽熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電モジュールと、を備え、
上記分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽熱エネルギーと上記開口を通過した太陽熱エネルギーとを重畳して集積し、上記熱電モジュールに照射する構造としたことを特徴とする熱電エネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽エネルギーの集積装置及びこれを搭載した光電エネルギー変換装置並びに熱電エネルギー変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば宇宙空間における発電システムには、太陽エネルギーを利用する発電システムが好適に採用される。
この太陽エネルギーを利用する発電システムとしては、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を用いたものや、太陽光による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電モジュールを用いたものがある。
【０００３】
このような太陽エネルギーを利用した発電システムでは、太陽エネルギーを効率的に集積することにより高い発電効率が得られるが、現在これを実現できる装置は存在していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って現在の太陽エネルギーを利用した発電システムは発電効率が悪く、太陽エネルギーを有効に活用していないのが実情である。
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、太陽エネルギーを効率的に集積できる新規の装置を実現し、高い発電効率の得られる発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、複数の異なるエネルギー密度を持つ太陽エネルギーを重畳して集積する太陽エネルギーの集積装置を提供するものである。
即ちこの集積装置は、複数の分割部品を組み合わせて構成される分割型レンズまたはプリズムを備えて構成される。この分割型レンズまたはプリズムは中央部に開口を有し、本発明では分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽エネルギーと中央部の開口を通過した太陽エネルギーとを重畳して集積するようにする。
【０００６】
そしてさらに本発明では、上記の集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置を提供する。
即ち本発明による光電エネルギー変換装置では、分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽光エネルギーと中央部の開口を通過した太陽光エネルギーとを重畳して集積し、太陽電池に照射する構造とする。
また本発明による熱電エネルギー変換装置では、分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽熱エネルギーと中央部の開口を通過した太陽熱エネルギーとを重畳して集積し、熱電モジュールに照射する構造とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は分割型フレネルレンズを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置の実施例を示す。
ここで太陽エネルギーの集積装置１は、複数（本例では８つ）の分割レンズ部品２ａを組み合わせて構成され、中央部に開口３を有する分割型フレネルレンズ２を備えてなり、このフレネルレンズ２によって集められた太陽光エネルギーと開口３を通過した太陽光エネルギーとを重畳して集積する構成を有している。そしてこの集積装置１で集積された太陽光エネルギーは太陽電池６に照射され、この太陽電池６で太陽光エネルギーが電気エネルギーに変換されて発電が行なわれる。
この分割型フレネルレンズ２を用いた光電エネルギー変換装置の場合、太陽電池６に与えられる総集積エネルギーは、フレネルレンズ２を通して太陽電池６に集積される太陽光エネルギーと開口３を通して太陽電池６に直射される太陽光エネルギーとの重畳エネルギーと、残りの部分で開口３を通して太陽電池６に直射される太陽光エネルギーとの和として与えられる。
【０００８】
図２は分割型プリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置の実施例を示す。
ここで太陽エネルギーの集積装置１は、複数（本例では４つ）の分割プリズム部品４ａを組み合わせて構成され、中央部に開口５を有する分割型プリズム４を備えてなり、このプリズム４によって集められた太陽光エネルギーと開口５を通過した太陽光エネルギーとを重畳して集積する構成を有している。そしてこの集積装置１で集積された太陽光エネルギーが太陽電池６に照射され、この太陽電池６で太陽光エネルギーが電気エネルギーに変換されて発電が行なわれる。
この分割型プリズム４を用いた光電エネルギー変換装置の場合、太陽電池６に与えられる総集積エネルギーは、プリズム４を通して太陽電池６に集積される太陽光エネルギーと開口５を通して太陽電池６に直射される太陽光エネルギーとの和として与えられる。
【０００９】
この実施例の光電エネルギー変換装置に組み込まれる太陽電池６は、現在実用化されている一般的な太陽電池を用いることができる。そしてこの光電エネルギー変換装置では、分割型フレネルレンズ２またはプリズム４を備えてなる太陽エネルギーの集積装置１によって複数の異なるエネルギー密度を持つ太陽光エネルギーを重畳して集積し、これを太陽電池６に照射するようにしたので、太陽電池６に供給される太陽光エネルギーが増大して高い電気出力が得られるものである。
【００１０】
尚、この実施例に示した光電エネルギー変換装置では、フレネルレンズ２またはプリズム４及び太陽電池６は、何れも組立枠７に固定状態で支持される。この場合、フレネルレンズ２またはプリズム４と太陽電池６との間の距離は、太陽電池６の受光面積等の太陽光エネルギーの集積条件に応じて決定される。
また組立枠７の周辺には金属製薄板が取り付けられる。この金属製薄板は、フレネルレンズ２またはプリズム４及び太陽電池６から発生する熱エネルギーを外部空間に放出するための放熱機能を有する。
【００１１】
さらにこの実施例の光電エネルギー変換装置においては、太陽電池６の上方に設置されるフレネルレンズ２またはプリズム４の裏面側に赤外光遮断フィルター８が挿入されている。この赤外光遮断フィルター８は赤外光を遮断し可視光及び紫外光を透過するもので、フレネルレンズ２またはプリズム４の裏面側の全面及び中央部の開口３または５の全面を覆うように配置される。
この赤外光を遮断する赤外光遮断フィルター８としては、黄色または緑色の板ガラスまたは合成樹脂板を用いることができる。また黄色または緑色の塗料をフレネルレンズ２またはプリズム４に塗布したり、あるいは透明の板ガラスまたは合成樹脂板に塗料を塗布したものを用いてもよい。
【００１２】
このような赤外光遮断フィルター８を設けたことにより実施例の光電エネルギー変換装置では、太陽電池６の光電エネルギー変換に殆ど寄与しない赤外光波長領域のエネルギーが太陽電池に集積されることはない。即ち、赤外光波長領域のエネルギーが太陽電池６に集積されると、赤外光波長領域のエネルギーは熱エネルギーとして太陽電池６を構成する光電素子の表面を加熱し、発電特性の劣化や素子の破壊を招くことになるが、実施例の光電エネルギー変換装置では上記の如く赤外光遮断フィルター８を設けたことにより赤外光波長領域のエネルギーが遮断されるので、そのような恐れはない。
【００１３】
図３は分割型フレネルレンズを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した熱電エネルギー変換装置の実施例を示す。
ここで太陽エネルギーの集積装置１は、図１の実施例と同様の構成を有する分割型フレネルレンズ２を備えてなり、この集積装置１で集積された太陽光による熱エネルギーが熱電モジュール１０に照射され、この熱電モジュール１０で熱エネルギーが電気エネルギーに変換されて発電が行なわれる。
この分割型フレネルレンズ２を用いた熱電エネルギー変換装置の場合、熱電モジュール１０に与えられる総集積エネルギーは、フレネルレンズ２を通して熱電モジュール１０に集積される太陽熱エネルギーと開口３を通して熱電モジュール１０に直射される太陽熱エネルギーとの重畳エネルギーと、残りの部分で開口３を通して熱電モジュール１０に直射される太陽熱エネルギーとの和として与えられる。
【００１４】
図４は分割型プリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した熱電エネルギー変換装置の実施例を示す。
ここで太陽エネルギーの集積装置は、図２の実施例と同様の構成を有する分割型プリズム４を備えると共に、この分割型プリズム４の中央部の開口５にフレネルレンズ９が組み込まれてなり、プリズム４によって集められた太陽光による熱エネルギーとフレネルレンズ９によって集められた太陽光による熱エネルギーとを重畳して集積する構成を有している。そしてこの集積装置で集積された太陽熱エネルギーが熱電モジュール１０に照射され、この熱電モジュール１０で太陽熱エネルギーが電気エネルギーに変換されて発電が行なわれる。
この分割型プリズム４を用いた熱電エネルギー変換装置の場合、熱電モジュール１０に与えられる総集積エネルギーは、プリズム４を通して熱電モジュール１０に集積される太陽熱エネルギーと、フレネルレンズ９を通して熱電モジュール１０に集積される太陽熱エネルギーとの和として与えられる。特にこの実施例の熱電エネルギー変換装置では、プリズム４の中央部の開口５にフレネルレンズ９を組み込んだことにより、熱電モジュール１０の中央部のエネルギー集積密度を高めることができる。
【００１５】
この実施例の熱電エネルギー変換装置に組み込まれる熱電モジュール１０は、現在実用化されている一般的な熱電モジュールを用いることができる。そしてこの熱電エネルギー変換装置では、分割型フレネルレンズ２またはプリズム４を備えてなる太陽エネルギーの集積装置によって複数の異なるエネルギー密度を持つ太陽熱エネルギーを重畳して集積し、これを熱電モジュール１０に照射するようにしたので、熱電モジュール１０に供給される太陽熱エネルギーが増大して高い電気出力が得られるものである。
【００１６】
尚、この実施例に示した熱電エネルギー変換装置では、フレネルレンズ２またはプリズム４及び熱電モジュール１０は、何れも組立枠７に固定状態で支持される。この場合、フレネルレンズ２またはプリズム４と熱電モジュール１０との間の距離は、熱電モジュール１０の受熱面積等の太陽熱エネルギーの集積条件に応じて決定される。
【００１７】
さらにこの実施例の熱電エネルギー変換装置では、熱電モジュール１０に多くの熱エネルギーが供給されるため、この熱を効率的に放出するための放熱手段が搭載される。この放熱手段は３次元箱型放熱装置１１であり、熱電モジュール１０の受熱面と反対側の面即ち下面側に連結固定されるものである。
【００１８】
図５はこの箱型放熱装置１１の構成を示す。
この箱型放熱装置１１は、外筐体である金属製密閉箱１２の内部に熱伝達媒体１３が封入されてなる。この熱伝達媒体１３としては例えば水が用いられる。この熱伝達媒体１３は受け皿１４に貯留され、この受け皿１４から複数の熱伝達部品１５によって吸い上げられるようになっている。この熱伝達部品１５は狭間隙で対向する一対の板体により構成され、その間隙を通って熱伝達媒体１３が吸い上げられる。この熱伝達部品１５は固定管１６によって等間隔で固定支持されており、その上端部は何れも密閉箱１２の上面部裏面との間に狭間隙を有している。上記実施例の熱電エネルギー変換装置では、この箱型放熱装置１１の密閉箱１２の上に熱電モジュール１０が載置される構造となっている。
【００１９】
上記の如く構成される箱型放熱装置１１では、熱伝達部品１５の狭間隙に生ずる毛細管現象によって受け皿１４から熱伝達媒体１３が吸い上げられ、熱源（熱電モジュール１０）に接触している密閉箱１２の上面部裏面まで達する。そこで熱伝達媒体１３の液相分子は、熱源から熱エネルギーを得て気相分子に変態し、この気相分子は熱伝達部品１５の狭間隙から密閉箱１２内の空間に一定の運動エネルギーをもって放出される。上記の気相分子は、密閉箱１２内の熱伝達部品１５や密閉箱１２の内壁等での複雑な衝突運動を経て運動エネルギーを失い、再び凝固し液相に戻る。上記のような分子運動の中で、密閉箱１２の一面から供給される熱エネルギーは、熱伝達媒体１３の気相分子の衝突運動を通して、エネルギー供給面以外の５つの密閉箱内壁面に伝達され、夫々の外部面から大気中あるいは宇宙空間に放出される。熱源から供給される熱エネルギーが他の５つの放熱面に効率よく伝達されるためには、密閉箱の表面温度が可能な限り等しくなることが好ましい。
【００２０】
上記の箱型放熱装置１１は、基本放熱ユニットとしての機能を持ち、必要に応じて複数個の放熱装置１１を密閉箱１２の外部表面に設けられる接合螺子や磁石等によって有機的に結合した構成としてもよい。この場合夫々の放熱装置１１は全て同様な機構による放熱機能を持つ。また結合される放熱装置間の熱伝達をよりよくするために、熱伝達部品１５を支持する固定管１６にヒートパイプを挿入する構成としてもよい。
【００２１】
このような箱型放熱装置１１を搭載した実施例の熱電エネルギー変換装置では、熱電モジュール１０の受熱面で受けた熱をその反対側の面から効率的に放出することができ、その結果、熱電モジュール１０の受熱面とその反対側の面の間の温度差を大きくとることができるので、より効率的な発電が可能となる。
【００２２】
以上、本発明による太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置の構成について説明した。
ここで特に本発明では、太陽エネルギーの集積装置１を構成する分割型フレネルレンズ２またはプリズム４の構造に特徴を有する。
即ちこの装置において分割フレネルレンズ２またはプリズム４は、複数の分割部品を適当に組み合せることによって一体型レンズまたはプリズムと同様なエネルギー集積機能を保有することができる。この分割フレネルレンズ２またはプリズム４は合成樹脂を原料とし、適当な大きさに成形される金型を用いてプレス加工によって製造される。分割フレネルレンズ２またはプリズム４が上記のような成形方法によって製造されるとき、それらの大量生産が可能であるばかりでなく、製造価格も著しく低減させることができる。
【００２３】
このように本発明による太陽エネルギーの集積装置は、高度な技術を必要とすることなく大量生産が可能で安価に製造することができ、この太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置では太陽エネルギーを効率的に集積できて高い発電効率が得られるものである。
【００２４】
以下に上記実施例に示した光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置の発電能力の試算例を示す。
［試算例１］図１に示した分割型フレネルレンズを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置における太陽電池の発電能力
2004214491.tif 000003
【００２５】
上記の設計条件下で試算した太陽光エネルギーの重畳集積性能と光電発電特性は、下の表１に示すようになる。
【表１】
2004214491.tif 000004
【００２６】
［試算例２］図２に示した分割型プリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置における太陽電池の発電能力
2004214491.tif 000005
【００２７】
上記の設計条件下で試算した太陽光エネルギーの重畳集積性能と光電発電特性は、下の表２に示すようになる。
【表２】
2004214491.tif 000006
【００２８】
［試算例３］図４に示した分割型フレネルレンズ及びプリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した熱電エネルギー変換装置における熱電モジュールの発電能力
試算条件：
太陽エネルギー密度  ρ＝１ｋＷ／ｍ２  
熱電モジュールの受熱面積  Ｓ＝ｒ０２π（ｍ２）；  ｒ０  ≡１ｍ
温度差ΔＴ０  ＝１００Ｋのときエネルギー変換効率  η０  ＝３％
１ｍ２  当たりの従来のモジュールの素子数と新方式のモジュールの素子との比
Ｎ／Ｎ０  ≡１
発電能力  Ｐ＝Ｓρη０  （ΔＴ／ΔＴ０）２（Ｎ／Ｎ０  ）
【００２９】
上記の設計条件下で試算した結果、熱電発電特性の従来方式と本発明による新方式の差異は、下の表３に示すようになる。
【表３】
2004214491.tif 000007
【００３０】
また熱電エネルギー変換装置に搭載される図５の３次元箱型放熱装置に関する試算例を以下に示す。
［試算例４］宇宙空間において５０ｋＷのエネルギーを放出するために必要な３次元箱型放熱装置の個数
試算条件：
放熱箱の形状      ２×２×２ｍ３  
放熱箱の個数      Ｎ
供給エネルギー    Ｑ＝５０ｋＷ
放射面温度        Ｔ＝３２３ｋ（５０℃）
放射面積          Ｓ＝２２  ×（４Ｎ＋１）
５．６７×Ｓ（Ｔ／１００）４≧Ｑ
５．６７×２２  ×（４Ｎ＋１）（３２３／１００）４≧５００００
５．６７×４（４Ｎ＋１）×１０８．８５≧５００００
（４Ｎ＋１）≧２０．３
Ｎ≧５
【００３１】
【発明の効果】
以上の実施例の説明で明らかな如く本発明による太陽エネルギーの集積装置では、分割型レンズまたはプリズムによって集められた太陽エネルギーと中央部の開口を通過した太陽エネルギーとを重畳することで効率的にエネルギーを集積することができ、この太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置では高い発電効率を得ることができる。
【００３２】
そして特に本発明による太陽エネルギーの集積装置においては、レンズまたはプリズムは複数の分割部品を組み合わせて構成されるものであるため、高度な技術を必要とすることなく大量生産が可能で安価に製造することができるので、高い発電効率を有する光電エネルギー変換装置及び熱電エネルギー変換装置を容易に実施できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】分割型フレネルレンズを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置の実施例を示す図で、（Ａ）は分割型フレネルレンズの平面図、（Ｂ）は光電エネルギー変換装置の縦断正面図である。
【図２】分割型プリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した光電エネルギー変換装置の実施例を示す図で、（Ａ）は分割型プリズムの平面図、（Ｂ）は光電エネルギー変換装置の縦断正面図である。
【図３】分割型フレネルレンズを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した熱電エネルギー変換装置の実施例を示す縦断正面図である。
【図４】分割型プリズムを用いて構成される太陽エネルギーの集積装置を搭載した熱電エネルギー変換装置の実施例を示す縦断正面図である。
【図５】熱電エネルギー変換装置に搭載される３次元箱型放熱装置の構成を示す図で、（Ａ）は縦断正面図、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１・・・・太陽エネルギーの集積装置、２・・・・分割型フレネルレンズ、３・・・・開口、４・・・・分割型プリズム、５・・・・開口、６・・・・太陽電池、１０・・・・熱電モジュール
【図１】
2004214491.tif 000008
【図２】
2004214491.tif 000009
【図３】
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【図４】
2004214491.tif 000011
【図５】
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