(57)【要約】      （修正有）【課題】構造が簡単で故障原因となる可動部分がなく、かつ設置場所を選ばない高効率光発電システムを提供する。【解決手段】外部光を入射する入射面と、外部光を出射する入射面と平行でない出射面とを有する導光体、及び、光電変換素子を少なくとも一つ有してなる光発電システムであって、導光体は、入射面及びその反対面の少なくともどちらかに、導光体内部に入射した光を反射させる複数の反射体を有してなる。【選択図】図１
2007027150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部光を入射する入射面と、
前記外部光を出射する入射面と平行でない出射面とを有する導光体、及び、
上記出射面に対向して設けられた光電変換素子を少なくとも一つ有してなる光発電システムであって、
前記導光体は、入射面及びその反対面の少なくともどちらかに、導光体内部に入射した光を反射させる複数の反射体を有してなる
光発電システム。
【請求項２】
外部光の方向を変換する光偏向シートを、上記入射面に対向して設けてなる請求項１に記載の光発電システム。
【請求項３】
導光体の出射面以外から出射した光を反射する反射板を、導光体の入射面の反対面に設けてなる請求項１又は２に記載の光発電システム。
【請求項４】
上記反射板は、上記入射面の法線方向に対して傾斜した面と、その面とは反対の方向に傾斜した面とを有してなる請求項３記載の光発電システム。
【請求項５】
上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して２°〜６０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に８０°〜８９°傾斜したＢ面とを有してなる請求項１〜４のいずれかに記載の光発電システム。
【請求項６】
上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して２°〜６０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に３０°〜５０°傾斜したＢ面とを有してなる請求項１〜４のいずれかに記載の光発電システム。
【請求項７】
上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して４０°〜５０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に４０°〜５０°傾斜したＢ面とを有してなる請求項１〜４のいずれかに記載の光発電システム。
【請求項８】
Ａ面とＢ面の間に、入射面と平行な面を有してなる請求項５〜７のいずれかに記載の光発電システム。
【請求項９】
上記導光体が複数の導光体の集合体であり、該複数の導光体は、隣接する２枚の導光体の相接する面に相補的な構造の反射体が設けられてなる請求項１〜８のいずれかに記載の光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、導光体およびこれを利用した光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光発電システムの発電効率を向上させるためには、できるだけ多くの光線を単位面積当たりの光電変換素子に集める必要がある。このように光線を光電変換素子に集めるシステムとして、レンズ、プリズム、集光鏡、光ファイバなどの集光装置を使用したシステムが知られている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
しかし、これらの集光装置を用いたシステムでは、光源がずれると集光点もまたずれるため、効率よく光線を集めるためには光源の移動を追尾して集光装置の向きを変化させる駆動装置が不可欠であり、制御が複雑で大きなシステムになってしまう。また、光発電システムを大型化すると、レンズ等の集光装置の焦点距離が増大するため、厚さが非常に大きく、重量も大きな設備になってしまう。このため、高効率光発電システムの設置場所や支持構造体に著しい制約が課せられてしまうことが、光発電システムの普及を妨げる要因の１つとなっている。
【０００４】
一方、上記の厚さ・重量の問題を解決するための手段として、光伝導層・光偏向層を組み合わせた層状の集光体を用いた光発電システムが提案されている（例えば、特許文献４）。
【０００５】
この場合の光偏向層は、反射膜を付けた鋸歯形状を下面に有するもので、光伝導層とは別に設けられている。このような形態では、入射光を光伝導層中に閉じこめる効率は極めて低く、大部分の光は光偏向層へ漏れて迷光となる。迷光は、光偏向層中で反射を繰り返し、一部は入射面から再出射されてしまう。また、反射膜による反射は必ず損失を伴う。例えば、可視領域近傍の反射率は、最も反射率の高い銀で９８％、アルミニウムで９２％、ニッケルで６０％程度である。これらの反射損失と再出射のため、当該集光体では端面の受光部への集光効率が極めて低い値となり、高々１％程度にとどまる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３７３４４号公報
【特許文献２】特開平１０−２６４８９９号公報
【特許文献３】特開平５−２１１３４３号公報
【特許文献４】特開２０００−１４７２６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、既存の光発電システムが抱える上記問題点を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明に置いて解決されるべき第一の課題は、複雑で故障原因となりやすく重量が大きい追尾型集光装置を不要のものとし、光発電システムの設置場所と支持構造体の強度に関する制約を取り除くことである。第二の課題は、入射光の向きに依らずに光を効率よく光電変換素子に入射させ、さらに損失する光の量を減少させることにより発電効率を高めることである。本発明は、これらの課題を解決することにより、構造が簡単で故障原因となる可動部分がなく、かつ設置場所を選ばない高効率光発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による光発電システムは、外部光を入射する入射面と、入射面と平行でなく、前記外部光を出射する出射面とを有する導光体、及び、上記出射面に対向して設けられた光電変換素子を基本構成とし、導光体に反射体を設け、外部光を光電変換素子の存在する方向に導波させる機能を持たせることにより、より広い面積を有する入射面から入射した光を小面積の光電変換素子に集めることができる光発電システムを提供するものである。
【０００９】
さらに本発明は、入射光を臨界角以上の角度で受けて全反射するような反射体形状を策定するとともに、周辺部材と組み合わせて導光体の集光効果を高めることで、構造が簡単で設置場所を選ばない高効率光発電システムを提供するものである。
【００１０】
すなわち本発明は、外部光を入射する入射面と、前記外部光を出射する入射面と平行でない出射面とを有する導光体、及び、上記出射面に対向して設けられた光電変換素子を少なくとも一つ有してなる光発電システムであって、前記導光体は、入射面及びその反対面の少なくともどちらかに、導光体内部に入射した光を反射させる複数の反射体を有してなる光発電システムに関する。
【００１１】
また本発明は、外部光の方向を変換する光偏向シートを、上記入射面に対向して設けてなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、導光体の出射面以外から出射した光を反射する反射板を、導光体の入射面の反対面に設けてなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、上記反射板は、上記入射面の法線方向に対して傾斜した面と、その面とは反対の方向に傾斜した面とを有してなる上記光発電システムに関する。
【００１２】
また本発明は、上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して２°〜６０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に８０°〜８９°傾斜したＢ面とを有してなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して２°〜６０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に３０°〜５０°傾斜したＢ面とを有してなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、上記反射体は、上記入射面の法線方向に対して４０°〜５０°傾斜したＡ面と、上記入射面の法線方向に対してＡ面とは反対の方向に４０°〜５０°傾斜したＢ面とを有してなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、Ａ面とＢ面の間に、入射面と平行な面を有してなる上記光発電システムに関する。
また本発明は、上記導光体が複数の導光体の集合体であり、該複数の導光体は、隣接する２枚の導光体の相接する面に相補的な構造の反射体が設けられてなる上記光発電システムに関する。
【発明の実施の形態】
【００１３】
以下、本発明に関わる集光型光発電システムのより好適な形態と動作原理を添付図面に基づいて詳述する。但し、それぞれの図面は断面模式図であり、装置全体に対する各構成の寸法は発明の内容を理解しやすい大きさに書き直したもので、実際の寸法を反映したものではない。
【００１４】
本発明の光発電システムは、図１に示すように、外部光を入射する入射面７と、入射面と平行でなく、前記外部光を出射する出射面８とを有する導光体、及び、上記出射面に対向して設けられた光電変換素子を基本構成とする。
【００１５】
前記導光体は、入射面及びその反対面の少なくともどちらかに、導光体内部に入射した光を反射させる複数の反射体５が設けられており、これにより入射光の進行方向を導波可能な角度に変換することができる。図１では入射面の反対面に反射体を設けた例を示している。導光体中を導波した入射光は端面の光電変換素子に集光されるため、光電変換素子の単位面積当たりの発電効率を向上させることができる。
【００１６】
上記の反射体５としては、図１に示すような、入射面７の法線方向に対してある角度（α１）傾斜したＡ面と、上記入射面７の法線方向に対してＡ面と反対の方向にある角度（α２）傾斜したＢ面とを有してなる形状とすることが好ましい。このようにすることにより、入射光を臨界角以上の角度で受けて全反射させることが可能となり、特定形状の反射体を設ける方法は光のロスが少ないため、高い光収集効率を達成できる点で好ましい。
【００１７】
また、この他にも、例えば、金属蒸着膜等の反射膜を反射体表面に形成し反射体５とする方法等が挙げられる。この反射膜を設ける方法は、反射率は決して１００％に達することはないため、導光体中を導波する光が反射体で何度も反射される場合、わずかな反射ロスであっても最終的な集光効率を大きく低下させてしまうおそれがある点で前者の例より劣るものの、製造が容易であるメリットがある。どちらの方法を選択するかは用途や要求される光電変換能力に応じて決めることができる。
【００１８】
図１の例では、導光体１中に入射した光の一部は、反射体５の一方の反射面５Ａで全反射を受け、導光体の入射面の法線に対して臨界角以上の角度をなす方向へ偏向される。偏向された入射光は、導光体の上下面で全反射されながら導光体中を導波して出射面８に至る。入射する外部光６の角度が変わっても、集光特性はあまり影響されない。
【００１９】
本発明の光発電システムの第２の形態として、図１の構成にさらに光偏向シート３を設けることができる。図２は、光偏向シート３としてプリズムシートを採用した例を示す。
【００２０】
ただし、本発明に用いる光偏向シートの動作原理は、下向きプリズムによる屈折と全反射に限るものではない。他の原理を用いた光偏向シートとしては、例えば、回折格子など光の干渉効果を用いるものや、レンズアレイのような微小光学素子を配列したもの、上向きプリズムによる屈折を用いたもの等を挙げることができる。
【００２１】
また、図１及び２では、同一形状の反射体５が連続して設けられているが、形状の異なる反射体が混在して設けられていても良く、また、反射体間が離れていても良い。また、反射体は、導光板下側平面に対して凸状であってもよく、凹状であっても良い。
【００２２】
本発明の光発電システムにおいて、導光体の出射面８と光電変換素子２の受光面９の間は、導光体端面での反射を低減できる点で、導光体と光電変換素子の中間の屈折率を有する媒体で満たされている方が空間となっているよりも好ましい。
【００２３】
次に図２を用いて、導光体に入射した光が導波しうるための入射光角度と反射体形状の条件を述べ、導光体による集光の原理を解説する。
【００２４】
光偏向シートにより偏向され入射面７の法線方向に対してθ１の角度で入射した外部光６は入射面で屈折されて、法線方向に対してθ２の角度をもって進行する。
【００２５】
導光体の屈折率をｎとし、導光体の下面に設けた反射体一方の反射面５Ａが入射面７の法線方向となす角をαとすれば、入射角θ２は、次式で指定される角度範囲内にあることが好ましい。
【数１】
2007027150.tif 000003
（式中、θｃは当該導光体の材質の臨界角である。）
【００２６】
反射光がさらに導光体上面（すなわち入射面７）で全反射されて導光体中を導波するための条件は、反射波の進行方向が、入射面７の法線方向に対してなす角θ３が、
【数２】
2007027150.tif 000004
となることである。９０°−α  ＞  ０であるから、式（１）が成立すれば式（２）は自動的に満足される。
【００２７】
スネルの法則から、θ１とθ２には
【数３】
2007027150.tif 000005
の関係があるから、入射光が導光体中を導波するための条件は式（１）、（３）より
【数４】
2007027150.tif 000006
となる。
【００２８】
図２では、導光体の材質として屈折率１．５８のポリカーボネートを想定し、反射面５Ａの頂角αを８８°としている。ただし、本発明はこれらのパラメータに限定されるものではない。この場合、臨界角θｃは３９．２７°であるから、式（４）よりθ１  ＞  ７３．０８°であることが要求されることがわかる。本実施例の光発電システムに入射する光が主に法線方向から来る場合、光偏向フィルムを用いて導光板への入射角を７３．０８°以上に設定することで、効率的な集光と光電変換が可能である。
【００２９】
図３に、反射面が入射面７の法線方向に対してなす角度αを変えた時に、導光体中を入射光が導波するために要求される入射角の下限がどのように変化するかを例示した。導光体の屈折率は１．５８とした。図から直ちに分かるように、反射面の角度αに対して入射角下限は単調増加している。すなわち、反射面の角度αが大きいほど、導光体によって集光される光の角度範囲は強い制限を受ける。従って、反射面の角度αはある程度小さい方が好ましい。また、図中矢印で示したように、垂直入射光すなわち入射角が０°の光を導波するためには、反射面の傾きは約５０°以下でなければならない。
【００３０】
導光体の反射面で全反射しなかった入射光は、導光体の下面を抜けて漏れ光となる。このような漏れ光を回収する方法として、図４から図５に示すような形態にすることが好ましい。これらの図面は、導光体がいずれも屈折率１．５８と想定した場合の模式図を示しているが、本発明の効果はこの屈折率値に限定されるものではない。また、図中では導光体に対して凸形状の、同一形状の反射体が描かれているが、反射体は導光体に対して凹形状であっても良く、異なる形状の反射体が混在していても良い。
【００３１】
図４に示す本発明の光発電システムの第３の形態は、導光体と、導光体の出射面以外から出射した光を反射する反射板と、導光体の出射面に対向して設けられた光電変換素子を有してなる。上記反射板は、平板状反射面でも良いが、図４に示すような、上記入射面の法線方向に対して傾斜した面と、その面とは反対の方向に傾斜した面とを有してなる形状を有する反射板を用いることが好ましい。
【００３２】
図４に示す第３の形態は、α１及びα２をそれぞれ５０°と７０°とした模式図である。経路ａで導光体に直接入射した光は、傾きα１の反射面５Ａで反射され、水平から上向き１０°に進行方向を変えて導光体中を導波し、出射面８から出射し、光電変換素子に至る。経路ｂで入射した光は、傾きα１の反射面５Ａと傾きα２の反射面５Ｂで連続して反射された後、水平方向に対して上向き５０°に進行方向を変えて導光体中を導波する。経路ｃ及びｄで導光体中に入射した光は、反射面を透過して一旦漏れ光となるが、傾斜面をもつ反射板により水平方向へ進行方向を変更され、導光体中へ回収されて導波し、端面に至る。
【００３３】
反射体５を構成する反射面５Ａと５Ｂのそれぞれが入射面７の法線方向となす角度α１及びα２の値には特に制限はなく種々の組み合わせをとることができるが、光電変換システム全体の構成をどのようにするかによって、好ましい値が存在する。例えば、第３の形態に示す光の経路を達成するためには、導光体の材質の屈折率が１．５８である場合、α１は４５°〜５０°であり、α２は１２０°−α１以下すなわち７５°〜７０°であることが好ましい。この角度範囲であれば、図４の経路ａ、ｂにおいて、反射面５Ａと５Ｂおよび導光体上面で全反射が起こり、光のロスを低減することができる。
【００３４】
また、整列させて一方光に導くためには、α１が２°〜６０°、α２が８０°〜８９°の範囲であることが好ましい。α１の範囲が６０°を超えると導光板中の光を全反射して導光板外へ散乱してしまう傾向があり、２°未満であると光が反射面を透過して導光板外へ逃散する傾向がある。また、α２の範囲が８９°を超えると、式(4)で示される入射角度の制限が厳しくなりすぎ、８０°未満であると集光性が低下する傾向がある。
【００３５】
また、広い角度範囲の入射光を集光するためには、α１が２°〜６０°、α２が３０°〜５０°の範囲であることが好ましい。α１の範囲が６０°を超えると導光板中の光を全反射して導光板外へ散乱してしまう傾向があり、２°未満であると光が反射面を透過して導光板外へ逃散する傾向がある。また、α２の範囲が５０°を超えると、入射光のうち全反射されずに導光体下面へ逃散するものの割合が増加し、３０°未満であると反射面に入射しない光の割合が大きくなる。
【００３６】
図５に、複数の導光体で漏れ光を回収することのできる本発明の第４の形態の光発電システムを示した。第４の形態は、プリズムによる光偏向シートと、下面に反射体を設けた第一の導光体と、当該導光体の下側に隣接して設けられた第二の導光体と、これらの導光体の左右の出射面に対向するように設けられた光電変換素子からなり、第１の導光体１は入射面と反対側の面だけに反射体５が掲載され、第２の導光体１′は上下両面に反射体５が形成されている。光偏向シート３が図示するようなプリズムシートに制限されないことや、反射体５の形状が図示した形状に限定されない点は前述の通りである。
【００３７】
第４の形態において、２つの導光体１及び１′の位置関係は特に限定されるものではない。例えば、部分的にまたは全体が接していても良いし、または完全に離れていても良い。またそれぞれの反射体の形状は、１及び１′の対向する面で合わさる形状であってもよく、そうでなくても良い。また、導光体１及び１′はそれぞれ屈折率の異なる導光体であっても良い。しかし、製造のしやすさや光の収集効率等の点で、図５に示すように反射体の形状が１及び１′の対向する面で合わさる形状でることが好ましい。
【００３８】
光偏向シートにより斜め光となった垂直入射光は、経路ａ及びｂで導光体中に入射する。経路ａで入射した光は、上側の導光体中で全反射を繰り返しながら導波し、右側の光電変換素子へ至る。一方、経路ｂで入射した光は、上側の導光体の反射面で全反射できないため、下側の第二の導光体へ入射する。下側の導光体は、上面と下面のそれぞれに反射体が設けられている。そのうち上面の反射体は、相接する上側の導光体の反射体と相補的な形状となっている。相接する反射体を相補的な形状とすることにより、漏れ光の向きを変えることなく下側の導光体で回収し、効果的に導波させることができる。下側の導光体中に入射した漏れ光は、上下面の反射体で全反射を繰り返して、左側の光電変換素子へ至る。
【００３９】
図６には、垂直入射光を導波させうる複数の導光体と、導光体の右側端面に設けられた光電変換素子からなる光発電システムの第５の形態を示した。
【００４０】
導光体の相接する面には、互いに相補的な形状の反射体が設けられている。各導光体の素材は１．５８の屈折率を有すると想定したが、本発明の効果はこの屈折率の値に限られるものではない。また、図中では同一形状の反射体が等間隔で設けられているが、形状の異なる反射体が混在していても良く、反射体の間隔が不均等であっても良い。
【００４１】
第５の形態において、右側に傾斜した反射面のみが垂直入射光を全反射できる角度に設定されている。経路ａで入射した光は、最上部の導光体で全反射を受け、水平から上向き１０°に進行方向を変更されて、最上部の導光体中を導波して右端端面の光電変換素子へ至る。経路ｂで入射した光は、左側へ傾斜した反射面を透過して、第二の導光体中へ入射する。第一の導光体と第二の導光体の相接する反射体は相補的な形状となっているため、ｂの入射光は進行方向を変えずに第二の導光体の反射面へ入射する。漏れ光を効率的に捕捉できるように、それぞれの導光体の下面に設けられた反射体の位置が図中の左右方向へずれていることが好ましい。経路ｃで入射した光は、第一の導光体の下側水平面と、第二の導光体の左側へ傾斜した反射面を透過して、第三の導光体へ至る。経路ｃの光は、第三の導光体中で初めて全反射され、第三の導光体中を導波して右側端面に達する。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に関わる集光型光発電システムでは、入射された光の大部分を導光体の端面に集めることで、導光体の端面に設けられた光電変換素子の発電効率を高めることができる。また、光線の入射角に関係なく高効率の集光と発電が行えるため、発電装置を入射光方向に向ける追尾装置が不要となり、装置が小形化される。このため、より多彩な場所に光発電装置を設けることが可能となると共に、携帯用途などへの応用も容易になる。また、光線の集光比率が約３倍で、高価な光電変換素子の必要面積を１／３に抑えることができるとともに、設備コストも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導光体を含む光発電システムの第１の形態を示す断面模式図である。
【図２】導光体とプリズムによる光偏向シートを含む、本発明に関わる光発電システムの第２の形態およびその集光の原理を説明する断面模式図である。破線は入射光のたどる経路を表す。
【図３】導光体への入射光が、導光体中を全反射により導波するために要求される、導光体の反射面の角度と入射角度の関係を例示した図である。導光体素材の屈折率は１．５８として計算した。
【図４】導光体と反射板を含む、本発明に関わる第３の形態の光発電システムの実施例とその集光の原理を説明する断面模式図である。破線は入射光のたどる経路を表す。
【図５】隣接面が相補的構造を持つ２枚の導光体とプリズムによる光偏向シートを用いた、本発明に関わる第４の形態の光発電システムとその集光の原理を示す断面模式図である。破線は入射光のたどる経路を表す。
【図６】隣接面が相補的構造を持つ複数の導光体を用いた、本発明に関わる第５の形態の光発電システムとその集光の原理を示す断面模式図である。破線は入射光のたどる経路を表す。
【符号の説明】
１、１′、１′′  導光体
２  光電変換素子
３  光偏向シート
４  反射板
５  反射体
５Ａ、５Ｂ  反射面
６  外部光
７  入射面
８  出射面
９  光電変換素子の受光面
【図１】
2007027150.tif 000007
【図２】
2007027150.tif 000008
【図３】
2007027150.tif 000009
【図４】
2007027150.tif 000010
【図５】
2007027150.tif 000011
【図６】
2007027150.tif 000012