(57)【要約】【課題】  光量損失を削減でき、高い位置精度を容易に実現することができる集光光学系の製造方法を提供する。【解決手段】  １列に配置された複数の集光光学素子部１０１と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部１０２と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部１０３を形成してなる列集光ユニット１０５を有する集光光学系の製造方法であって、列集光ユニットの形成において、第１の型と第２の型により少なくとも複数の受光部１０２と導光部１０３を一体成型する成型工程を有し、前記第１の型と前記第２の型は、前記複数の受光部１０２の頂部を通る面で型合わせされることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１列に配置された複数の集光光学素子部と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を形成してなる列集光ユニットを有する集光光学系であって、
前記列集光ユニットは、少なくとも前記複数の受光部と前記導光部が一体成形されており、前記受光部にはその頂部を通るパーティングラインが形成されていることを特徴とする集光光学系。
【請求項２】
前記列集光ユニットは、前記複数の集光光学素子部と前記複数の受光部と前記導光部が一体成形されており、前記集光光学素子部と前記受光部にはその頂部を通るパーティングラインが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
【請求項３】
複数の前記列集光ユニットの各集光光学素子部側面同士及び／又は各受光部側面同士が接合されて面集光ユニットを形成しており、該面集光ユニットには前記各列集光ユニットの各導光部から射出した光を合流させる合流射出体が接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光光学系。
【請求項４】
前記導光部の断面がそれぞれ矩形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集光光学系。
【請求項５】
１列に配置された複数の集光光学素子部と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を形成してなる列集光ユニットを有する集光光学系の製造方法であって、
前記列集光ユニットの形成において、第１の型と第２の型により少なくとも前記複数の受光部と前記導光部を一体成型する成型工程を有し、前記第１の型と前記第２の型は、前記複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされることを特徴とする集光光学系の製造方法。
【請求項６】
前記成型工程は、第１の型と第２の型により前記複数の集光光学素子部と前記複数の受光部と前記導光部を一体成型する工程であり、前記第１の型と前記第２の型は、前記複数の集光光学素子部の頂部を通る面と前記複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされることを特徴とする請求項５に記載の集光光学系の製造方法。
【請求項７】
前記列集光ユニットの形成後、複数の前記列集光ユニットの各集光光学素子部側面同士及び／又は各受光部側面同士を接合して面集光ユニットを形成する第１の接合工程と、各列集光ユニットの各導光部と合流射出体の入射口を接合する第２の接合工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の集光光学系の製造方法。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の集光光学系の導光部の射出面に光起電力素子を接合してなることを特徴とする集光型太陽電池。
【請求項９】
請求項３に記載の集光光学系の合流射出体の射出面に光起電力素子を接合してなることを特徴とする集光型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光線を集光する集光光学系及びその製造方法、さらには集光光学系を用いた集光型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、安全で環境に負荷をかけないエネルギー源として太陽光がクローズアップされつつある。太陽光の利用方法としては、半導体等を用いた光電変換（太陽電池等）や熱電変換（熱電変換素子等）あるいは熱機関（スターリングエンジン等）等の方法が各種提案されている。
【０００３】
しかしながら、太陽光の特性として総エネルギー量は大きいもののエネルギー密度が低いために、太陽光利用設備のコストが大きかったり（太陽電池の場合）、変換効率を高くすることができなかったり（熱電変換素子の場合）、あるいは動作が安定しなかったり（スターリングエンジンの場合）といった問題があった。
【０００４】
こうした問題を解決するためには、上記太陽光エネルギー密度を人工的に上げる方法、即ち集光を行う必要がある。
【０００５】
例えば、熱電変換の場合、集光によって熱電変換素子の高温端の温度を上げる（温度差を大きくする）ことによりゼーベック変換の効率を大きくすることができる。
【０００６】
また、スターリングエンジンの場合にも高温を得ることができるために動作が安定化し高い発電効率を得ることができる。
【０００７】
また、太陽電池の場合も、集光によって太陽光発電システムを構成する集光光学系の構成部品のうち最も高価である光起電力素子を大幅に節約できるため、極めて大きなコスト削減が可能となる。
【０００８】
更に、太陽電池については、一般に言われているように、光強度が大きくなることによって発生電圧が高まるために、入射エネルギーに対する出力エネルギーの割合、即ち変換効率が向上し、同一面積に光起電力素子を敷き詰めた場合に比較すると大きな出力が得られることにもなる。
【０００９】
こうした様々なシステムのためには、太陽光線を効率よく集光する光学系が不可欠になる。そして、太陽光の集光倍率（受光部の面積と集光照射部の面積との比）が大きくなればなるほど、変換効率等の動作効率は向上し、コスト削減効果は大きくなる。
【００１０】
従来、太陽光線を集光する手段としては、例えば太陽電池の場合で示すと、図４に示すようにフレネルレンズ４０１を配置し、その略焦点距離の位置に、光起電力素子４０２をフレネルレンズ４０１に対し平行に設け、フレネルレンズ４０１に入射した太陽光線４０３を集光して光起電力素子４０２に入射させるようになっている。
【００１１】
しかしながら、この方法によればフレネルレンズ４０１のＦ値（＝焦点距離÷口径）を小さくしていくにつれて、フレネルレンズ４０１の球面収差や色収差等のために太陽光線４０３を一点に集光できず集光効率が低下する。従って、フレネルレンズ４０１の焦点距離をあまり短くすることはできなかった。
【００１２】
そのため、従来の集光光学系は、同一入射面積を有する平板型（非集光型）の太陽電池モジュールと比較した場合、厚みが増加し、重量増加及びコストアップにつながっていた。
【００１３】
更に、集光光学系を太陽方向に向けるための追尾装置にかかる費用も、上記重量増加に応じて増大していた。
【００１４】
また、フレネルレンズ４０１の球面収差及び色収差にも問題があり、例えば太陽電池に用いる場合、球面収差及び色収差のために、集光した太陽光線４０３を光起電力素子４０２上に均一に照射できず、光起電力素子４０２の効率低下や場合によっては局部的な温度上昇を招き、結果として光起電力素子４０２にダメージを与える場合があった。
【００１５】
更に、光起電力素子４０２に多重接合構造のもの（数個の異なる材料で作ったｐｎ接合を光の進行方向に重ねて配列したもの）を使用した場合には、色収差により光起電力素子４０２上の光の波長にばらつきが生じ、部分ごとの出力同士のバランスが崩れて、光起電力素子４０２のトータルでの変換効率が大幅に低下するという問題点があった。
【００１６】
更に、球面収差及び色収差によってスポットがぼやけ、加えて、焦点距離が長いことなどのために、太陽電池の場合に限らず許容入射角が小さくなってしまうという問題があった。ここで、許容入射角とは、照射すべき部分への太陽光の到達率を大きく下げることなく（一般に９０％以内）、直達太陽光の入射角度を設計からずらすことができる最大角度を意味する。
【００１７】
スポットがぼやけていたり、焦点距離が長かったりすると、入射角度が設計値からずれた場合に、太陽光の多くが照射すべき部分から比較的容易にはみ出してしまい、入射した太陽光を充分に利用できなくなる。
【００１８】
従来は、それを避けるために太陽追尾機構の精度を上げざるを得ないので、結果として製造コストの増大につながっていた。
【００１９】
また、特許文献１のように、複数の集光光学素子部及び複数の光ファイバを用いて、一つの光起電力素子へ太陽光線を導いた例もある。しかし、複数の光ファイバの射出面を直接、光起電力素子前面に配列した場合、個々の光ファイバの光量むらがそのまま光起電力素子上での光量むらとなり、上述のように光起電力素子の効率の低下を招いていた。この光ファイバ内の光量むら及び色収差を解消するためには、光ファイバを長くする必要があった。
【００２０】
また、光ファイバを用いた場合には受光部における太陽光線の入射許容角度が狭いため、集光光学素子部のＦ値を大きく（焦点距離を長く）する必要があった。
【００２１】
また、特許文献１には複数の光ファイバを一度筒状のライトパイプに導いて、ライトパイプ内面での反射により太陽光線を混和させた後に光起電力素子へ導く例も記載されているが、光ファイバとライトパイプの屈折率が大きく異なるため、その界面での反射ロスが無視できない。
【００２２】
また、ライトパイプ内においては鏡面反射により太陽光線を伝達しているため、反射損失に基づく伝達ロスが発生する。
【００２３】
すなわち、一般に内面鏡の反射材として用いられるアルミあるいは銀の反射率は８５〜９５％（可視領域）と比較的低く、従って太陽光線が内面鏡に数回反射して光起電力素子に導かれる際、太陽光線のエネルギーは内面鏡で反射されるたびに低下する。
【００２４】
従って結果的に太陽光線を効率良く光起電力素子に導けないといった問題があった。更に、長期使用を前提とした際には、反射材の酸化等の経年劣化に関しても課題が残っていた。
【００２５】
こうした問題を解決するために本発明者らは特許文献２において、集光光学系を提案しており、その中で中実体のライトパイプを用いて薄型、かつ高い光学効率を有し、加えて許容入射角を大きくできる高集光倍率の集光光学系を提案している。
【００２６】
それによれば、射出面を少なくとも一つ有し、かつ受光部を複数有する光導体と、該射出面の直後に少なくとも一つの光起電力素子を有する集光光学系において、該光導体は、透過性を有した中実かつ単一屈折率の媒質からなる光導体を配置することで、集光光学系に入射した特性（光量や波長分布）の異なる太陽光線を合成し、かつ光量むら及び色収差が低減した状態の光を目的とする領域へ導くことが可能となっている。
【００２７】
しかしながら、上記提案においては光路を形成する部材の形状が複雑であるため、個別の部材を細かく分割された状態で成型し、更にそれらの部材を互いに接合することにより所望の形態を構成する必要があった。従って、接合部分が多数にわたることになり、それにより接合部分での損失が大きくなると共に、接合の手間が多くなるために製造コストが増大するという問題があった。
【００２８】
また、個別の部材を接合して光学系を構成するために位置精度が出しにくく、結局設計通りの性能が出ない場合があった。
【００２９】
また、特許文献３乃至５等にも光ファイバーや光導体を用いた類似の構成が開示されているが、いずれも導光のための部材を個別に準備して、それらを組み合わせることで集光あるいは照明の機能を実現している。
【００３０】
例えば、特許文献３においては複数のレンズ体と光ファイバーケーブルを単純に組み合わせており、特許文献４においては集光体と光ファイバーを別個に準備して組み合わせており、また特許文献５においては多数の光ファイバーを個別に準備して組み合わせている。
【００３１】
従って上記特許文献２と同様、接合の工程が極めて多くなり、製造コストが増大するため安価な製造方法を得るに至っておらず、また、位置精度や光量損失といった問題も解決されていない。
【００３２】
また、特許文献６においては、一列配置のレンズアレイが提案されているが、用途としては拡散（照明）用光学系であって、逆方向に使用して集光に用いる場合には射出部（特許文献６においては入射部）の合流構造が考慮されていないために、そのままでは集光用には用いることができない。
【００３３】
また二次元的な配置のみしか考慮されてないために、もし集光用に転用したとしても照射面の形状に大きな制約が発生する。更に、上記資料における拡散用透光部材は個別に用意されたものであって、部材相互間の位置精度が充分に出せないという問題もあった。
【００３４】
【特許文献１】米国特許第５０８９０５５号
【特許文献２】特開２００２−２８９９００号公報
【特許文献３】特開平７−３３５００４号公報
【特許文献４】特開平８−７６２６号公報
【特許文献５】特開平１０−２５７１８号公報
【特許文献６】特開平１１−１４６１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
従って、本発明の目的は、高い集光倍率の集光光学系であって、光量むら及び色収差が無くかつ高効率に光線を集光することのできる小型軽量な集光光学系及びその製造方法を実現することである。また、前記光学系の光量損失を削減でき、高い位置精度を容易に実現することができ、製造が容易であって製造コストの低減が可能な集光光学系及びその製造方法を提供することにある。更に、集光型太陽電池で問題となる照度不均一によるミスマッチ損失（同一の太陽電池上における照度ムラによって各部が最適動作点以外の動作点で動作することによる損失）を低減でき、且つ、極端な高照度が局部的に発生することによる太陽電池素子ダメージを低減できる集光型太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明者等は上記課題を鋭意検討した結果、以下のような構成が最良であるとの結論に達した。
【００３７】
すなわち、本発明は、
（１）１列に配置された複数の集光光学素子部と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を形成してなる列集光ユニットを有する集光光学系であって、
前記列集光ユニットは、少なくとも前記複数の受光部と前記導光部が一体成形されており、前記受光部にはその頂部を通るパーティングラインが形成されていることを特徴とする集光光学系である。
【００３８】
更に、本発明の集光光学系では、
（２）「前記列集光ユニットは、前記複数の集光光学素子部と前記複数の受光部と前記導光部が一体成形されており、前記集光光学素子部と前記受光部にはその頂部を通るパーティングラインが形成されていること」が好ましい。
（３）「複数の前記列集光ユニットの各集光光学素子部側面同士及び／又は各受光部側面同士が接合されて面集光ユニットを形成しており、該面集光ユニットには前記各列集光ユニットの各導光部から射出した光を合流させる合流射出体が接合されていること」が好ましい。
（４）「前記導光部の断面がそれぞれ矩形であること」が好ましい。
【００３９】
また、本発明は、
（５）１列に配置された複数の集光光学素子部と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を形成してなる列集光ユニットを有する集光光学系の製造方法であって、
前記列集光ユニットの形成において、第１の型と第２の型により少なくとも前記複数の受光部と前記導光部を一体成型する成型工程を有し、前記第１の型と前記第２の型は、前記複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされることを特徴とする集光光学系の製造方法である。
【００４０】
更に、本発明の集光光学系の製造方法では、
（６）「前記成型工程は、第１の型と第２の型により前記複数の集光光学素子部と前記複数の受光部と前記導光部を一体成型する工程であり、前記第１の型と前記第２の型は、前記複数の集光光学素子部の頂部を通る面と前記複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされること」が好ましい。
（７）「前記列集光ユニットの形成後、複数の前記列集光ユニットの各集光光学素子部側面同士及び／又は各受光部側面同士を接合して面集光ユニットを形成する第１の接合工程と、各列集光ユニットの各導光部と合流射出体の入射口を接合する第２の接合工程を有すること」が好ましい。
【００４１】
また、本発明は、
（８）前記手段（１）又は（２）の集光光学系の導光部の射出面に光起電力素子を接合してなることを特徴とする集光型太陽電池である。
【００４２】
また、本発明は、
（９）前記手段（３）の集光光学系の合流射出体の射出面に光起電力素子を接合してなることを特徴とする集光型太陽電池である。
【発明の効果】
【００４３】
前述した手段（１）及び（２）によれば、集光光学系において最も光量損失の大きい光路を横切る接合部分をなくすことが可能であり、光学系の光量損失を削減できる。これにより、高効率に光線を集光することのできる小型軽量な集光光学系を実現することができる。
また、集光光学系を構成するための成型工程数を少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができると共に、従来多大な手間を有した集光光学素子部、受光部、導光部の高精度の位置合わせが自動的にできるため、組み立て工程の簡素化が図れる。
更に、上記要素間の位置精度が高く維持できるので、より高い集光倍率の光学系でも容易に実現できると共に、追尾精度や取り付け精度を緩和でき、結果的に製造コストを削減できる。
なお、本発明における集光光学系は太陽光エネルギーの集光を目的とするため、通常の結像目的の光学系とは異なり、集光光学素子部や受光部の頂部を通るパーティングライン（型の合わせ線）で発生する歪等は問題にならない。
【００４４】
前述した手段（３）によれば、列方向だけでなく行方向にも広がりを有する集光光学系を、行及び列方向の接合による光量損失等の影響なく三次元的に展開できると共に、接合部を光路が横切る回数を１回のみにできるので光量損失を少なくでき、かつ組み立て工程を簡略化できる。
また、列集光ユニット同士を行方向に接合する際に、太陽光が上記複数の集光光学素子部を透過する際の太陽光の進行方向と一致する接合面を、集光光学素子側面と受光部側面に設けておくことで、容易に精度の高い接合を行えるようになるので、位置精度の誤差による太陽光のロスが最小にできる。
【００４５】
前述した手段（４）によれば、導光部が合流する部分の面積利用率を高めることができ、即ち稠密に配置できるために、最終的な射出光の密度を高めることができる。また、導光部が合流する部分の設計が容易となる。更に、光路断面が矩形であることによって、光の混和性能が向上し、短い距離でも充分に均一な照射状態を得ることができる。
【００４６】
前述した手段（５）及び（６）によれば、第１の型に、最も単純な２型で受光部と導光部、更には集光光学素子部の形成が可能となる。その結果、集光光学系において最も光量損失の大きい光路を横切る接合部分をなくすことが可能であり、また、金型を簡略にできると共に成型工程も短時間化でき製造コストを低減できる。
また、集光光学系を構成するための成型工程数を少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができると共に、従来多大な手間を有した集光光学素子部、受光部、導光部の高精度の位置合わせが自動的にできるため、組み立て工程の簡素化が図れる。
【００４７】
前述した手段（７）によれば、列方向だけでなく行方向にも広がりを有する集光光学系を、行及び列方向の接合による光量損失等の影響なく三次元的に展開できると共に、接合部を光路が横切る回数を１回のみにできるので光量損失を少なくでき、かつ組み立て工程を簡略化できる。
また、列集光ユニット同士を行方向に接合する際に、太陽光が上記複数の集光光学素子部を透過する際の太陽光の進行方向と一致する接合面を、集光光学素子側面と受光部側面に設けておくことで、容易に精度の高い接合を行えるようになるので、位置精度の誤差による太陽光のロスが最小にできる。
【００４８】
前述した手段（８）及び（９）によれば、極めて高い光の均一性を実現できるため、集光型太陽電池で問題となる照度不均一によるミスマッチ損失（同一の太陽電池上における照度ムラによって各部が最適動作点以外の動作点で動作することによる損失）を飛躍的に低減できる。更に、極端な高照度が局部的に発生することによる太陽電池素子ダメージを低減できるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下に本発明の集光光学系、集光光学系の製造方法および集光型太陽電池に関する実施の形態について説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限られるものではない。
【００５０】
本発明の集光光学系は、１列に配置された複数の集光光学素子部と、該複数の集光光学素子部それぞれに対応して設けられた複数の受光部と、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を形成してなる列集光ユニットを有するものであり、また、本発明の集光型太陽電池は、本発明の集光光学系と光起電力素子を組み合わせたものである。
以下に、本発明の構成要素に関して説明を加え、更に詳細な解説を加える。
【００５１】
〔列集光ユニット〕
列集光ユニットは、複数の集光光学素子部を１列に配置し、一定の距離を設けて、各集光光学素子部に対応する複数の受光部を１列に配置し、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を、備えた光学ユニットであって、少なくとも受光部と導光部は、金型により一体に成型することによって作成される。
【００５２】
集光光学素子部は、別の金型で作成して前記受光部と連結しても良いが、この場合、集光光学素子部と受光部には一定の距離が必要であるため、受光部と集光素子部の間には、入射光を遮らない位置に連結体を設けて固定する必要がある。
【００５３】
上記のように作成することができる他、１列に配置した複数の集光光学素子部と、それに対応する複数の受光部と、受光部と集光光学素子部の間に所定の距離を設けて連結する連結部、各受光部に入射した光を集める枝状の導光部を、１回の成型で形成してもよい。このように形成することで、組み立て工数の削減、部材相互間の位置精度維持が容易となる。すなわち、集光光学系を構成する光学系から、一列に配列できる部分のみを区切って一体成型することによって、上記列集光ユニットの長手方向に対して垂直の方向に２種類の金型を配置して、これらを、二方向に型抜けさせることが可能となり、成型金型を単純・安価なものとすることができるのと同時に、成型工程を容易で安定的なものにできる。
【００５４】
〔集光光学素子部〕
集光光学素子部とは、前記列集光ユニットで太陽から放射された直達太陽光線を受光部に向かって集めることのできる機能を有する部分であって、フレネルレンズ、平凸レンズ、両凸レンズ、プリズム、複合レンズ等の屈折を利用して集光を行うレンズ、あるいは凹面鏡等の反射を利用して集光を行う反射鏡、あるいはこれらを組み合わせた形状が考えうるが、上に挙げたものには限定されず同様の機能を実現するものは全て含みうる。直達太陽光を、１次的にまず集光する機能を有するとから、一次光学系と呼ばれることもある。
【００５５】
なお、本発明のように、一つの照射すべき領域に対して、複数の集光光学素子部で太陽光線を集光するよう構成することより、従来型の１枚の集光光学素子で構成する集光光学系と比較して、光学系に占める集光部分の大きさを大幅に小さくできる。
【００５６】
その結果、従来の集光光学系では重量、コスト、大きさ、成形性の面で使用することが困難だった単純凸レンズも使用することができ、集光光学系の発電効率の向上を達成できる。
【００５７】
また、集光光学素子部の大きさが小さくなったことで、従来型の集光光学系と同じＦ値の集光光学素子部を使用した場合も焦点距離が短くできるため、集光光学系の小型化が図れる特徴がある。
【００５８】
また、屈折を利用した集光光学素子部においては、光学効率が高く、球面収差及びコマ収差が小さく、成形性の良い凸状の非球面からなる単純凸レンズ形状が最も好ましく使用できる。このような、球面収差及びコマ収差の小さい集光光学素子部は、集光光学系の許容入射角度の拡大（追尾装置の追尾精度の緩和、集光光学系の製造精度の緩和、太陽周辺光の有効利用等）につながり、集光特性の向上の面で極めて有効である。
【００５９】
集光光学素子部の開口形状としては、矩形、円形、正六角形等の多角形等様々な形状をとりうるが、単位面積当りの太陽光利用率を重視する集光光学系においては、矩形や正六角形等の隙間無く（稠密に）配列できる形状が好ましい。
【００６０】
集光光学素子部を構成する材料としては透過性有機樹脂、ガラス、ゴム、透過性結晶、あるいはこれらを組み合わせたもの、あるいは水やその他の液体等を利用した液体レンズも考えられるが、本発明の主旨からは、射出成型に適した有機樹脂あるいはガラスが好ましい。有機樹脂を用いる場合、光の透過率、耐候性、成形性、コスト、汚れの付着しにくさ、などの観点から、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリ３フッ化エチレン、ポリフッ化ビニルなどのフッ素樹脂、シリコーン樹脂等が好ましい。
【００６１】
ガラスの場合、種類は特に限定しないが、青色領域の光の透過率や強度などの観点から、白板ガラスが好ましい。
【００６２】
また、材料としては、外環境にさらされるため耐侯性に優れた材料が好ましく、特に紫外線による劣化及び雨や温室度による劣化の少ない材料が好ましい。
【００６３】
〔受光部〕
受光部とは、上記集光光学素子部で集光された太陽光を受容し、導光部に受け渡す機能を有する部分である。上述の集光光学素子部で１次的に集光された太陽光を再度集める機能も有することから二次光学系と呼ばれることもある。
【００６４】
具体的な受光部の形状として、受光面側に凸となる球面あるいは非球面とすることで、入射する太陽光の方向が光軸からずれて到達した場合でも屈折作用によって導光部の入り口に導くことができる。すなわち、集光光学素子部の収差、追尾装置の追尾誤差、集光光学系の成型誤差に対して鈍感な光学系を構成することができる（光学系の許容入射角を大きくすることができる）。
【００６５】
使用可能な材料としては、上記集光光学素子部と同様の要件を満たす必要があり、かつ本発明の主旨からは上記集光光学素子部と同一の材料が最も好ましい。
【００６６】
〔導光部〕
導光部は上記受光部の背面に引き続き形成され、上記受光部からの太陽光を目的とする位置まで導いていく部分である。列状に一体に形成された複数の受光部の背面に、それぞれの受光部から一つの射出面に向かって逆枝状に集まっていくように成型されている。
【００６７】
上記受光部からの太陽光は導光部内で全反射を繰り返しつつ進行しながら混和されて射出面に向かい、後述の合流射出体に入射する。
【００６８】
複数の受光部にそれぞれ対応して設けられた導光部のそれぞれの部分は、それぞれ受容した太陽光の進行方向を、内面全反射を利用して一方向に変えると共に、後述の合流射出体に向けて収束するよう形成されている。
【００６９】
上記導光部の断面形状は、円形、矩形を含む多角形、等が考えられるが、上記太陽光線の混和性の観点からは矩形が最もよく、次いで多角形（五角形以上）、円形の順となる。太陽光線の混和性以外の観点（成型性、合流射出体との整合性、等を考慮すれば、矩形が最も好ましい。
【００７０】
上記導光部に使用可能な材料としては、上記集光光学素子部と同様の要件を満たす必要があり、かつ本発明の主旨からは上記集光光学素子部、受光部と同一の材料が最も好ましい。
【００７１】
なお、本発明の導光部は均一な屈折率材料で形成されている。これは、光ファイバのように材料の屈折率が段階的あるいは連続的に変化する材料を用いることは可能であるが、光ファイバの様に媒質内の屈折率差によって全反射を引き起こす材料は、媒質間の屈折率差を大きく設定できないため臨界角が大きくなる。従って、受光部における入射角が大きい場合にも導光部側面での全反射条件が満足できるようにするには、Ｆ値の大きい（屈折角が小さい）集光光学素子部を必要とする。つまり、集光光学系も大型のものとなる。またＦ値が大きくなることで、集光光学素子部の法線方向からずれて入射した太陽光線が光導体の受光部に到達した際の受光部中心からのずれ量が大きくなるため、集光光学系の許容入射角度も小さくなる。そのため、追尾装置の追尾誤差、成型誤差の影響を受けやすくなり、結果として集光されたエネルギー量の低下を招く。また、臨界角の大きい光ファイバは光の混和性も低い欠点がある。また、このような材料は、型枠による一体成型で作成できず、生産性が悪いという欠点もある。
【００７２】
本発明は、導光部を少なくとも均一な屈折率材料で形成で形成することにより上記欠点を解消する。
【００７３】
また、透過波長に選択性のある材料を利用したり、同機能を有する添加剤を材料内に混ぜることで、材料劣化の原因となる短波長域をカットしたり、昇温の原因となる長波長域をカットしたりすることもできる。また、より高屈折率の材料を使用すれば、より短い光導体長で太陽光線を混和できるため、結果として集光光学系を小さくすることもできる。
【００７４】
〔面集光ユニット〕
面集光ユニットとは、上記複数の列集光ユニットを上記列集光ユニットの長手方向とは垂直の方向（行方向）に並べて、複数の前記列集光ユニットの各集光光学素子部側面同士及び／又は各受光部側面同士を接合したものである。
【００７５】
接合の方法としては、接着剤、重合接着剤を用いた接着方式や、超音波、熱、溶剤等を用いた溶着方式等が採用できる。また、ネジや嵌め合い等を用いた機械的な接合も勿論可能である。
【００７６】
また、成型金型の共通化や部品管理の容易性を考慮すると、上記複数の列集光ユニットは同一の金型を用いて成型された（従って製造上不可避の誤差を超える差異を有しない）同一形状を有することが好ましい。
【００７７】
〔合流射出体〕
合流射出体は、上記複数の列集光ユニットの導光部からの太陽光を受容して所定の射出位置に導くための導光体である。合流射出体は、各列集光ユニットの導光部にそれぞれ対応する入射部分を有し、それらは、それぞれ対応する各列集光ユニットの導光部に接合される。また、各導光部から入射した光をまとめ太陽光を射出すべき所定の射出部を有する。
【００７８】
上記合流射出体に入射された太陽光は、上記合流射出体内を全反射によって進行するにつれて合流し、更に進行につれて混和されて均一になる。最後に上記射出部から照射すべき所定の位置に射出される。
【００７９】
上記合流射出体に使用可能な材料としては、上記集光光学素子部と同様の要件を満たす必要があり、かつ本発明の主旨からは上記導光部と少なくとも接着や溶着等の方法によって接合可能な材料である必要があり、また少なくとも光路が横切る界面を形成する材料であるので、上記導光部と等しい屈折率を有するのが好ましい。更に、上述のように接合性、屈折率の点で共通の特性を有し、更に高信頼性の確保のために熱膨張率等の熱特性も共通であるのがより好ましく、そうした観点からは上記集光光学素子部、受光部、導光部と同一の材料が最も好ましい。
【００８０】
〔集光型太陽電池〕
前記構成要件を備える集光光学系の列集光ユニット導光部の射出面又は、合流射出体の射出面に光起電力素子を接着剤等により接合したものを集光型太陽電池と呼ぶ。
【００８１】
接着剤としては、公知の接着剤が使用できるが、高信頼性の確保のためには、導光部材又は合流射出部材と熱膨張率等の熱特性も共通であるのがより好ましく、更に同一屈折率を有する接着剤が好ましい。
【００８２】
〔光起電力素子〕
光起電力素子とは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、それらが単体あるいは複数で太陽光線を受けて電気出力を発生するよう構成された部材で、光電変換素子としてはシリコン、ガリウム砒素、カドミウムテルル、銅インジウムセレナイド、等の光電変換素子が用いうるが、上に挙げたものには限定されず、同様の機能を実現するものは全て含みうる。
【００８３】
〔集光光学系の製造〕
集光光学系を製造するにあたっては、以下のような工程により製造を行う。
（成型工程）  複数の受光部と導光部、好ましくは更に複数の集光光学素子部を一列に一体成型する。面集光ユニットを形成する場合には、同一形状の列集光ユニットを複数形成するのが好ましい。
（第１の接合工程）  上記列集光ユニットを行方向に複数個接合して面集光ユニットを形成する。
（第２の接合工程）  上記面集光ユニットの導光部に合流射出体を接合する。
以下、上記各工程に関して説明を加える。
【００８４】
〔成型工程〕
本工程は、複数の集光光学素子部、受光部、導光部とを一列に一体に成型する工程である。本工程を実施する具体的な方法としては、材料を溶融もしくはそれに近い状態に加熱軟化させて成型のための型に押圧して型形状を転写する、いわゆる射出成型や圧縮成型の手法を好適に使用できる。
【００８５】
射出成型においても圧縮成型においても、２つの金型を利用して、その２つの金型の間に形成される空間に材料を充填するようにして該空間と同一形状の成型物を形成する点は同じである。
【００８６】
即ち、第１の型に、少なくとも複数の受光部の一部形状及び導光部の一部形状を設けておき、第２の型には、第１の型とあわせて複数の受光部の形状及び導光部の形状を構成する形状を設けておくことにより、最も単純な２型で受光部と導光部の形成が可能となる。この場合、第１の型と第２の型は、複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされる（複数の集光光学素子部も同時に一体成型する場合には、複数の集光光学素子部の頂部を通る面と複数の受光部の頂部を通る面で型合わせされる。）。
【００８７】
なお、上記金型によれば、パーティングライン（型の合わせ線）は上記複数の集光光学素子部ならびに上記複数の受光部の光入射面に形成されることになる。しかしながら、本発明における集光光学系は太陽光エネルギーの集光を目的とする。そのため、通常の結像目的の光学系とは異なり、パーティングラインで発生する歪等は問題にならない。そのため、パーティングラインの影響を無視できるという優れた特徴を有している。すなわち、本発明は、このような知見から、パワーロスの大きい光路を横切る接合部をできるだけ少なくなるように、かつ容易に型抜きがとれるように型枠形状を決定することにより達成されたものである。
【００８８】
〔第１の接合工程〕
本工程は、上記成型工程にて作成された列集光ユニットを行方向に複数個接合して、面集光ユニットを形成する工程である。
【００８９】
この工程によって、列集光ユニットを、組み合わせて、列方向のみならず行方向にも集光光学素子部を有する大きな面集光ユニットとして取り扱うことができると共に、照射すべきエリアに即した集光光束を形成することができる。
【００９０】
尚、列集光ユニット同士を行方向に接合する際に、太陽光が上記複数の集光光学素子部を透過する際の太陽光の進行方向と一致する接合面を、集光光学素子側面と受光部側面に設けておくことで、容易に精度の高い接合を行えるようになるので、位置精度の誤差による太陽光のロスが最小にできる。更に、上記要素間の位置精度が高く維持できるのでより高い集光倍率の光学系でも容易に実現できると共に、追尾精度や取り付け精度を緩和でき、結果的に製造コストを削減できる。
【００９１】
〔第２の接合工程〕
本工程は、上記接合工程によって形成された面集光ユニットの複数の導光部の射出面に上述の合流射出体の複数の入射面を接合する工程である。
【００９２】
接合の方法としては、後述の接着方式、もしくは溶着方式が好ましく用いられる。機械的な接合も不可能ではないが、太陽光が横切る界面である点を考慮すれば光量損失上好ましくはない。
【００９３】
また、機械的な接合を用いる場合には、界面での損失を極力低減するために、比較的耐久性が高く、屈折率が導光部ならびに合流射出体の材料の屈折率に近いシリコンオイル等の流動体、あるいは塑性体を接合面に用いることが好ましい。
【００９４】
接着方式では、一般に使用されている接着剤を用いることが可能であるが、接着強度や熱膨張に対する長期信頼性を確保するためには上記導光部、合流射出体と同一の材料を用いる方法が最も好適である。それが利用できない場合には他の材料を原料とした接着剤も利用可能である。
【００９５】
また、アクリル樹脂等ではモノマーの状態の接着剤を重合材とともに塗布し、加熱することで上記導光部、合流射出体そのものと同一の樹脂重合体を得る、いわゆる重合接着を使用することも可能である。
【００９６】
溶剤接着は、接着対象となる光導体の材料を溶解する溶剤を塗布し乾燥させることで相互に接着する方法である。例えば、樹脂の場合は四塩化メチレンや二塩化メチレン等の溶剤が好適に用い得る。
【００９７】
熱溶着はヒートシールとも呼ばれ、加熱によって溶融した光導体の材料を軟化状態のうちに相互に押し付けて接合する方法である。
【００９８】
超音波溶着は、光導体の材料を加圧しつつ超音波振動を与えて材料を軟化させ、相互に接合を行うものである。
【００９９】
これらの接合方法は上記光導体の導光部を相互に固定するのにいずれも好適に用い得る。
【実施例】
【０１００】
以下に本発明に好適な実施例について記載するが、本発明の実質的内容は下記実施例の具備する具体的な記述に限定されるものではない。
【０１０１】
図１に本実施例の集光光学系及び集光型太陽電池を示す。図中１０１は集光光学素子部、１０２は受光部、１０３は導光部、１０４は連結部材、１０５は列集光ユニット、１０６は面集光ユニット、１０７は合流射出体を表す。１０１〜１０３に示される構成要件は、一列に配置され、連結部材１０４を含め、複数の受光部１０２の凸部の頂点と複数の集光光学素子部１０１の凸部の頂点を結ぶ面で２つに分けられる２つの型枠により一体に射出成型することで一体成型されている。
【０１０２】
図２は上記集光光学素子部１０１、受光部１０２、導光部１０３の機能に関して説明する図である。同図は、図１におけるに集光光学素子部１０１、受光部１０２、導光部１０３を複数の受光部１０２の凸部の頂点と、複数の集光光学素子部１０１の凸部の頂点を結ぶ面で切断した場合の１断面図であって、集光光学素子部１０１に入射した太陽光２０１が、集光光学素子部１０１のレンズ効果によって収束され、次に受光部１０２に入射することで更に収束して、導光部１０３に入射する様子を模式的に表している。
【０１０３】
導光部１０３に入射した太陽光２０１は、導光部１０３と外気との界面で全反射しつつ導光部１０３内を、一列に並んだ他の集光光学素子部、受光部を通過してきた太陽光２０１’、２０１”と合流しながら進行する。
【０１０４】
ここで、受光部１０２が凸面を有することにより、入射する太陽光２０１の方向がずれた場合にも受光部１０２の後方での太陽光２０１の変動は小さく抑えることができる。即ち、許容できる入射角誤差（許容入射角）を大きくすることができている。この事情は前記特許文献２に詳述されている。
【０１０５】
さて、図１にもどって説明を続ける。図１に示すように、本実施例では、列集光ユニット１０５が、５つの集光光学素子部１０１と５つの受光部１０２と導光部１０３が一列に形成されており、上記集光光学素子部１０１、受光部１０２が分離しないように連結部材１０４で上記集光光学素子部１０１ならびに受光部１０２を連結するようになっている。
【０１０６】
面集光ユニット１０６は、上記列集光ユニット１０５を行方向に５個接合して形成される。上記列集光ユニットは５つとも全く同一の形状をしているため、同一の成型金型を用いて製造される。
【０１０７】
図３を使って、上記列集光ユニット１０５を成型するための成型金型とその使用方法を示す。尚、図３は、図２中のＸ−Ｘ面における断面図である。
【０１０８】
図中３０１は第１の金型、３０２は第２の金型である。第１の金型３０１には、前記集光ユニット１０５を複数の受光部１０２の凸部の頂点と複数の集光光学素子部１０１の凸部の頂点を結ぶ面で２つに分けられる際に得られる形状に対応する窪みを有し、第２の金型３０２には、第１の金型と対称形状の窪みが形成されている。そして、上記第１の金型３０１と第２の金型３０２とを合わせたときに生じる空洞部に、溶融したアクリル樹脂を充填することによって、上記列集光ユニット１０５の形状を一体成型する。しかる後に、上記第１の金型３０１と第２の金型３０２とを逆方向（図３中の矢印方向）に離間させることで上記列集光ユニット１０５を取り出す。
【０１０９】
上記列集光ユニット１０５が列方向のみに連続した形態であって、上記集光光学素子部１０１、受光部１０２、連結部材１０４が凸面ならびに型分離方向（図３中の矢印方向）と平行な平面とで形成されているため、上記列集光ユニット１０５は、製造上必要な抜き勾配は必要であるが、基本的には、第１の金型と第２の金型、２種類の金型にて容易に形成が可能である。
【０１１０】
このような列集光ユニット１０５を、列集光ユニットの長手方向と垂直な方向（行方向）に５つ並べ、隣接する列集光ユニットの集光光学素子部の側面同士と受光部の側面同士を、接着剤を用いて相互に接合し、面集光ユニット１０６を形成する。尚、このときに形成された接合面は基本的に入射する太陽光の進路を妨害することはなく、従って太陽光エネルギーの損失は発生しない。
【０１１１】
上記接合工程によって形成された面集光ユニット１０６に合流射出体１０７を接合する。合流射出体１０７は上記導光部１０３内を列方向（図１中の矢印Ａ方向）に進行してきた太陽光を、列方向に対して垂直な方向（図１中の矢印Ｂ方向）に合流させるための部材である。
【０１１２】
従って、上記導光部１０３を通過してきた太陽光は上記導光部１０３の端部１０３ａを出ると同時に上記合流射出体１０７の入射口１０７ａに入射する。
【０１１３】
この時、上記導光部１０３と上記合流射出体１０７とは共にアクリル樹脂で作成されており、またその両者の接合はアクリル系接着剤を用いて行っているので、上記接合界面での屈折率はほぼ同一であって、従って屈折率差に起因する光量損失（界面での反射損失）は小さい。
【０１１４】
以上によって、目的とする集光光学系を得ることができ、集光光学素子部１０１に入射した太陽光は、所定の集光倍率で集光された後、合流射出体１０７の射出面１０７ｂより射出される。
【０１１５】
更に、上記集光光学系における合流射出体１０７の射出面１０７ｂの背面に光起電力素子１０８を配置し、具体的にはシリコーン接着剤で接着することによって、上記集光された太陽光は無駄なく上記光起電力素子１０８に照射することができる好適な集光型太陽電池モジュールを形成できた。
【０１１６】
上記太陽光による上記光起電力素子１０８からの電気出力は、取り出し端子１０８ａの通じて外部に取り出され利用される。
【０１１７】
尚、上記シリコーン接着剤の屈折率を上記合流射出体１０７の材料であるアクリル樹脂の屈折率（約１．５）と略合致させることによって、上記接着界面における損失も最小に抑えることができる。
【０１１８】
尚、本実施例においては、集光光学系の照射領域に光起電力素子を配置して太陽電池として使用する例を挙げたが、上記光起電力素子の代わりに、熱電変換素子やスターリングエンジン等の熱機関を配置することも可能である。
【０１１９】
また、単に水配管を配置して温水生成を行わせるよう構成することも可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の実施例にかかる集光光学系及び集光型太陽電池を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例にかかる集光光学系の集光光学素子部、受光部、導光部の機能を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例にかかる集光光学系の列集光ユニットを成型するための成型金型とその使用方法を説明するための図である。
【図４】従来例の説明図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１  集光光学素子部
１０２  受光部
１０３  導光部
１０４  連結部材
１０５  列集光ユニット
１０６  面集光ユニット
１０７  合流射出体
１０８  光起電力素子
１０８ａ  取り出し端子
２０１、２０１’、２０１”  太陽光
３０１  第１の金型
３０２  第２の金型
４０１  フレネルレンズ
４０２  光起電力素子
４０３  太陽光線
【図１】
2005164631.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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