(57)【要約】【課題】集光過程でのエネルギー損失を抑制し、太陽光等の光エネルギーをより効率的に集光可能な集光装置を提供する。【解決手段】本発明を例示する態様の集光装置１は、第１面１１から入射した光を第２面１２と第１面１１との間で複数回反射させて集光するプリズム状の集光部１０ａを有する集光部材１０と、反射面１６が第２面１２に対向して設けられた反射部材１５とを備える。集光部１０ａは、第１面１１に入射した光が、第２面１２を透過し反射面１６により反射されて第２面１２から集光部に再入射し、この再入射した光が第１面１１で全反射されるように構成される。集光部の頂角αは、再入射した光が第１面１１で全反射される角度範囲における最小値近傍の角度であるように構成される。【選択図】図１
2013088690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光が入射する第１面及び前記第１面に鋭角で交差する第２面を有して透明材料により形成され、部材内部に入射した光を前記第２面と前記第１面との間で複数回反射させて集光するプリズム状の集光部を有する集光部材と、
反射面が前記第２面に対向して設けられた反射部材とを備え、
前記集光部は、前記第１面に入射角θで入射した光が、前記第２面を透過し前記反射面により反射されて前記第２面から前記集光部に再入射し、前記再入射した光が前記第１面で全反射されるように構成されるとともに、
前記第１面と前記第２面との交差角αは、前記再入射した光が前記第１面で全反射される角度範囲における、最小値近傍の角度であることを特徴とする集光装置。
【請求項２】
前記入射角θ及び前記交差角αは、前記第１面に入射して前記集光部により集光される光のエネルギー集光倍率が最大値近傍となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記受光した光は太陽光であり、
前記交差角αは、太陽光の視直径を加味して設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記第１面に対向して、前記受光した光を前記第２面に集光する集光レンズを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光装置と、
前記集光部材により集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を集光する装置に関し、なお詳細には、受光した光が入射する第１面及び第１面に鋭角で交差する第２面を有し、入射した光を第２面と第１面との間で複数回反射させて集光するプリズム状の集光部を有する集光装置、及びこのような集光装置を用いた光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなプリズム状の集光部を有する集光装置は、例えば、太陽光を集光する集光装置として知られている。このような集光装置９の基本的な概念図を図１１に示す。集光装置９は、太陽光が入射する第１面９１と、第１面９１と頂角αで交差し入射光を折り返す第２面９２と、第１面９１とほほ直角に交差する第３面９３とからなり、断面視プリズム状ないし楔状に形成された集光部９０ａを有する集光部材９０を備えて構成される。光発電装置は、集光された光を光電変換する光電変換素子(太陽電池)が第３面９３に設けられて構成される。
【０００３】
いま、集光部９０ａの水平方向の長さをＬ、鉛直方向の高さをＨとし、紙面直交方向の幅を一定としたときに、この集光装置９の集光倍率は、一般的に（入射面積）／（出射面積）＝Ｌ／Ｈで規定される。このように、集光装置の幾何学的な形状に基づいて規定される集光倍率を、本明細書においては「形状集光倍率」という。上記式から、形状集光倍率を高めるためには、頂角αを小さくすることが求められる。
【０００４】
ところが、頂角αを小さくすると、これに伴って第１面９１から入射した光の第２面９２への入射角も小さくなり、太陽光の第１面９１への入射角θを相当量大きくしないと入射光が第２面９２を透過してしまう。一方、入射角θを大きくすると第１面９１に入射する太陽光の単位面積当たりの光強度（エネルギー密度）が低くなるため、太陽光の光エネルギーを効率的に集光することが難しい。
【０００５】
そこで、第２面９２に金属膜を蒸着し、あるいはミラーを接着する等により反射面を形成して、第２面９２での反射と第１面９１での全反射とを繰り返すことにより、入射光を第３面９３に集光するように構成した集光装置が提案されている (例えば、特許文献１、特許文献２を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２７５８５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
確かに、第２面９２に金属膜等を形成して反射面とすることにより、第２面９２で反射された光が第１面９１に入射するときに全反射条件を満たすように設定すれば、以降、第１面９１と第２面９２との間で複数回折り返して集光した光を第３面９３に導光することができる。そのため、集光部９０ａ内に効率よく光を入射させて、形状集光倍率を高めることができる。
【０００８】
しかしながら、このような構成では、第２面９２での反射が金属膜やミラー等によるものであるため、反射面の吸収による光エネルギーの損失を排除することができない。集光装置９に入射した光は第１面９１と第２面９２との間で複数回折り返して集光されるため、エネルギー損失は反射回数のべき乗となり、集光過程(導光過程)でのエネルギー低下が大きいという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、集光過程でのエネルギー損失を抑制し、太陽光等の光エネルギーをより効率的に集光可能な集光装置を提供することを目的とする。また、太陽光等の光エネルギーをより効率的に利用可能な光発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明を例示する第１の態様は集光装置である。この集光装置は、受光した光が入射する第１面及び前記第１面に鋭角で交差する第２面を有して透明材料により形成され、部材内部に入射した光を第２面と第１面との間で複数回反射させて集光するプリズム状の集光部を有する集光部材と、反射面が第２面に対向して設けられた反射部材とを備える。集光部は、第１面に入射角θで入射した光が、第２面を透過し反射面により反射されて第２面から集光部に再入射し、再入射した光が第１面で全反射されるように構成されるとともに、第１面と第２面との交差角（実施形態における頂角）αは、再入射した光が第１面で全反射される角度範囲における最小値近傍の角度（最小値に対して＊％程度の角度）であるように構成される。
【００１１】
なお、前記の入射角θ及び交差角αは、第１面に入射して集光部により集光される光のエネルギー集光倍率が最大値近傍（例えば、図６に示す実施形態において最大エネルギー集光倍率となる入射角θ＝７６度に対して±５度程度）となるように設定することができる。また、受光する光は太陽光であり、前記交差角αは、太陽光の視直径を加味して設定することができる。
【００１２】
さらに、前記第１面に対向して、受光した光を前記第２面に集光する集光レンズを備えて集光装置を構成しても良い。
【００１３】
本発明を例示する第２の態様は光発電装置である。この光発電装置は、上記のような集光装置と、前記集光部材により集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１４】
第１の態様の集光装置は、集光部は、第１面に入射した光が、第２面を透過し反射面により反射されて第２面から集光部に再入射し、再入射した光が第１面で全反射されるように構成される。このような集光装置によれば、第１面に入射して最初の第２面は透過して反射面で反射されるものの、集光部に再入射して以降は、第１面及び第２面により全反射されて集光される。そのため、第２面に反射面を形成した構成よりも反射面の吸収による光エネルギーの損失を抑制することができる。さらに、本構成の集光装置では、第１面と第２面との交差角αが、再入射した光が第１面で全反射される角度範囲における最小値近傍の角度であるように構成される。後述するように、任意の入射角θに対して、上記のような反射状態となる交差角αは所定幅の角度範囲をもつ。本態様の集光装置では、その角度範囲における最小値近傍の角度に設定される。最小値近傍の角度は、最小値を含む小角度側の範囲の角度であり、集光部材の加工精度や組み立て精度、入射する光の入射中心軸に対する角度幅などを考慮して設定される。従って、このような構成の集光装置によれば、集光過程でのエネルギー損失を抑制し、太陽光等の光エネルギーをより効率的に集光可能な集光装置を提供することができる。
【００１５】
なお、入射角θ及び交差角αを、エネルギー集光倍率が最大値近傍となるように設定する構成によれば、集光過程でのエネルギー損失を最大限抑制し、太陽光等の光エネルギーをさらに効率的に集光可能な集光装置を提供することができる。
【００１６】
第２の態様の光発電装置は、上記のような集光装置と、集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。このため、太陽光等の光エネルギーをより効率的に利用可能な光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１構成形態の集光装置（及び光発電装置）の概要図である。
【図２】プリズム状の集光部を有する集光装置により太陽光を集光する場合に、出射面に集光される光エネルギーについて説明するための説明図である。
【図３】プリズム状の集光部を有する３タイプの集光装置での導光状態の相違を説明するための説明図である。
【図４】全反射タイプの集光装置の成立条件を説明するための説明図である。
【図５】全反射＋ミラータイプの集光装置の成立条件を説明するための説明図である。
【図６】３タイプの集光装置について、入射角度θに対して頂角αを最小としたときのエネルギー集光倍率をまとめたグラフである。
【図７】日本付近での太陽光のスペクトル分布を示すグラフである。
【図８】第２構成形態の集光装置の概要構成及び集光部を拡大して示す説明図である。
【図９】３タイプの集光装置のうち、ミラータイプの集光装置と全反射＋ミラータイプの集光装置の第２面付近での光線の反射状態を拡大して比較した説明図である。
【図１０】図９に示す２つのタイプの集光装置について、集光レンズに入射する太陽光の中心光軸の傾き角γを変化させたときの、エネルギー到達効率の変化の様子を示したグラフである。
【図１１】従来のプリズム状の集光部を有する集光装置について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１１と同様のプリズム状の集光部９０ａを有する集光装置９によって太陽光を集光する場合を基礎として、第３面９３に集光される光エネルギーについて、図２を参照しながら説明する。なお、図２は太陽光の中心光軸を進む光が屈折進行する面に沿った断面図である。
【００１９】
いま、集光部９０ａの水平方向の長さをＬ（ｍｍ）、鉛直方向の高さをＨ（ｍｍ）、紙面直交方向の幅をｄ（ｍｍ）とする。また、太陽光の照射強度(エネルギー密度)は、日本付近の緯度のエアマス（air  mass）ＡＭ＝１．５から１ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ2）とし、太陽光の中心光軸の第１面９１への入射角をθとする。
【００２０】
このとき、集光部９０ａに入射する太陽光の第１面９１におけるエネルギー密度Ｅは、太陽光の照射強度を基準として、下記（１）式のように表される。
【数１】
2013088690.tif 000003
【００２１】
第１面９１に入射する太陽光の光エネルギーのうち、第３面９３に到達する光エネルギーの割合（本明細書において、便宜的に「エネルギー到達効率」という）をＲとすると、第３面に到達する光のエネルギー密度Ｘは、太陽光の照射強度を基準として、下記（２）式のようになる。
【数２】
2013088690.tif 000004
【００２２】
(２)式で求められるエネルギー密度Ｘは、太陽光の照射強度に対する集光された光強度の比、すなわち、エネルギー密度を基準として表した集光倍率である。このように、エネルギー密度を基準として求めた集光倍率Ｘを、本明細書において「エネルギー集光倍率」という。
【００２３】
第１面９１と第２面９２とがなす交差角、すなわち集光部９０ａの頂角をαとし、第１面９１に厚さｈ（ｍｍ）の平行部９１ｐを設けた場合、第３面９３の高さＨは、下記（３）式で表される。
Ｈ＝ｈ＋Ｌ＊tanα・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(３)
【００２４】
発明者らは、集光部の第２面９２を、図３（１）〜（３）に示す３種類とした場合について、各タイプの集光装置で得られるエネルギー集光倍率Ｘを算出した。ここで、図３は、図２と同様の断面を部分的に拡大し、第１面から入射した光が第３面に向けて導光される様子を描いた模式図である。そして、図３における（１）は第２面９２を平坦な研磨面とし第１面９１から入射した光を第２面９２で全反射させるタイプの集光装置、（２）は平面研磨した第２面９２に金属膜を蒸着する等により第２面９２を反射面としたタイプの集光装置、（３）は空気層を介して反射面９６が第２面９２と対向する反射部材（ミラー）９５を設け、第２面９２を透過した光が反射部材９５の反射面９６で反射されて第２面９２から集光部材に再入射させるようにしたタイプの集光装置である。
【００２５】
図３（１）〜（３）は、集光部の長さをＬ＝３０（ｍｍ）、太陽光の中心光軸の入射角θ＝７２度、視直径を０．５２度とし、集光部材の屈折率をｎ＝１．５とした場合に、各タイプについて、エネルギー集光倍率Ｘが最大となる状態を例示している。以降では、説明の便宜上から、（１）を「全反射タイプ」、（２）を「ミラータイプ」、（３）を「全反射＋ミラータイプ」と称して説明する。
【００２６】
（全反射タイプの集光装置のエネルギー集光倍率）
まず、全反射タイプの集光装置を例として、第１面９１から入射した太陽光が第２面９２で全反射されて折り返され、集光部材内部を伝播して第１面９１で全反射されるときの条件について、図４を参照して説明する。図４は図２と同様の断面図であり、同様構成の各部には図２と同一の符号を付している。なお、説明簡明化のため、波長分散及び集光部材９０の吸収はないものとして説明する。
【００２７】
図４に示されるように、入射角θで第１面９１から集光部９０ａに入射した光は、集光部材９０の屈折率ｎに応じた屈折角θ1で第２面９２に向けて部材内部を進行する。このとき、第２面９２への入射角θ2は、第１面９１と第２面９２とがなす角度すなわち集光部９０ａの頂角をαとしたときに、θ2＝θ1＋αである。第２面９２で反射した光は、部材内部を第１面９１に向けて進行し、第１面９１に入射角θ3で入射する。このとき、第１面９１への入射角θ3は、θ3＝θ2＋α＝θ1＋２αとなる。以降、同様に各面への入射角度がαずつ増加してゆく。
【００２８】
従って、全反射タイプの集光装置においては、第１面９１から集光部９０ａに入射した太陽光が、第２面９２に最初に入射するときの入射角θ2＝θ1＋αが、集光部材９０における全反射角以上であることが条件になる。
【００２９】
以上の条件、すなわち、集光部９０ａの長さＬ＝３０（ｍｍ）、第１面９１への太陽光の中心光軸の入射角θ＝７２度、太陽の視直径０．５２度、集光部材９０の屈折率ｎ＝１．５等を適用して、全反射タイプの集光装置の最小の頂角αを求めると、頂角α＝２．６度となる。このとき形状集光倍率Ｌ／Ｈ、等は以下のようになる。
・Ｌ／Ｈ＝３０／（０．１＋３０＊tan２．６°）＝２０．５
・cos７２°＝０．３０９
・Ｒ＝７９．５％
エネルギー到達効率Ｒの低下分２０．５％は、入射面（第１面）９１でのフレネル反射による損失（フレネル損失）によるものである。
【００３０】
これらの値を(２)式に代入してエネルギー集光倍率Ｘを求めると、全反射タイプの集光装置のエネルギー集光倍率Ｘ1は、Ｘ1＝５．０（ｓｕｎ）となる。
【００３１】
（ミラータイプの集光装置のエネルギー集光倍率）
次に、ミラータイプの集光装置において、第１面９１から入射した太陽光が、第２面９２及び第１面９１で折り返されて集光されるための条件について、再び図４を参照して説明する。
【００３２】
このタイプの集光装置では、第２面９２にアルミニウム等の金属膜が蒸着されることにより、あるいはミラーを第２面９２に接着することなどにより、第２面９２自体が反射面（鏡面）になっている。そのため、第１面９１から集光部９０ａに入射した太陽光は、仮に第２面９２に最初に入射するときの入射角θ2が集光部材９０の全反射角未満であっても、反射面である第２面９２によって反射角θ2で反射される。従って、ミラータイプの集光装置においては、第２面９２により反射されて第１面９１に入射する光の入射角度θ3＝θ1＋２αが、集光部材９０における全反射角以上であることが条件になる。
【００３３】
そこで、前記同様の条件、すなわち、集光部９０ａの長さＬ＝３０（ｍｍ）、第１面９１への太陽光の中心光軸の入射角θ＝７２度、太陽の視直径０．５２度、集光部材９０の屈折率ｎ＝１．５等を適用して、ミラータイプの集光装置の最小の頂角αを求めると、頂角α＝１．３度となる。このとき形状集光倍率Ｌ／Ｈ、等は以下のようになる。
・Ｌ／Ｈ＝３０／（０．１＋３０＊tan１．３）＝３８．４
・cos７２°＝０．３０９
・Ｒ＝３４．４％
【００３４】
エネルギー到達効率Ｒの低下分６５．６％は、入射面（第１面）９１でのフレネル損失、及び反射面（第２面）９２での吸収損失１０％によるものである。なお、エネルギー到達効率Ｒの低下量が大きいのは、入射面でのフレネル損失は太陽光が第１面９１に入射する一回限りであるが、反射面での吸収損失は太陽光が第２面９２で反射されるたびに累積的に増大するためである。
【００３５】
これらの値を(２)式に代入してエネルギー集光倍率Ｘを求めると、ミラータイプの集光装置のエネルギー集光倍率Ｘ2は、Ｘ2＝４．１（ｓｕｎ）となる。
【００３６】
（全反射＋ミラータイプの集光装置のエネルギー集光倍率）
次に、全反射＋ミラータイプの集光装置において、第１面９１から入射した太陽光が効率的に集光されるための条件について、図５を参照して説明する。図５は図４と同様の断面図であり、同様構成の各部には図４と同一の符号を付している。
【００３７】
図５に示されるように、入射角θで第１面９１から集光部９０ａに入射した光は、集光部材９０の屈折率ｎに応じた屈折角θ1で屈折し、第２面９２に入射角θ2＝θ1＋αで入射する。本タイプでは、形状集光倍率を向上させるため入射角θ2は集光部材９０の全反射角未満とし、第２面に入射した光が出射角θ21で第２面９２から出射するように設定される。第２面９２から出射した光はミラー９５の反射面９６によって反射され、反射面９６を第２面９２と平行に配置した場合には、入射角θ21で第２面９２から集光部９０ａに再入射する。このとき、第２面９２から部材内部に再入射する際の光の屈折角はθ2であり、第１面９１から第２面９２への入射角と同一である。第２面９２から再入射した光は、部材内部を第１面９１に向けて進行し、第１面９１に入射角θ3で入射する。第１面９１への入射角θ3は、θ3＝θ2＋α＝θ1＋２αとなる。以降の各面への入射角は前述同様であり、各面に入射するたびに順次αずつ増加してゆく。
【００３８】
従って、全反射＋ミラータイプの集光装置において、入射角θで第１面９１から集光部９０ａに入射した太陽光が最も効率的に集光されるのは、最初の第２面への入射時に第２面９２を透過し、且つ、第２面９２に再入射した光が第１面９１に入射するときの入射角θ3＝θ1＋２αが、集光部材９０における全反射角以上になる場合である。
【００３９】
このとき、前記同様の条件、すなわち、集光部９０ａの長さＬ＝３０（ｍｍ）、第１面９１への太陽光の中心光軸の入射角θ＝７２度、太陽の視直径０．５２度、集光部材９０の屈折率ｎ＝１．５等を適用して、上記条件を満たす頂角αを求めると、１．３度≦αの角度範囲となる。本技術において、頂角αは、この角度範囲における最小値近傍の角度に設定され、具体的には１．２７度以上（最小値に対して３％程度）に設定される。本構成例では頂角αを１．３度に設定した場合を示す。このとき、形状集光倍率Ｌ／Ｈ、等は以下のようになる。
・Ｌ／Ｈ＝３０／（０．１＋３０＊tan１．３）＝３８．４
・cos７２°＝０．３０９
・Ｒ＝７１．７％
【００４０】
エネルギー到達効率Ｒの低下分２８．３％は、入射面（第１面９１及び第２面９２）でのフレネル損失、及びミラーの反射面９６での吸収損失１０％によるものである。但し、第２面９２から集光部９０ａに再入射した光は、その後は第１面９１及び第２面９２で全反射されて集光されるため、反射面の吸収によるエネルギー損失は一回のみである。
【００４１】
これらの値を(２)式に代入してエネルギー集光倍率Ｘを求めると、全反射＋ミラータイプの集光装置のエネルギー集光倍率Ｘ3は、Ｘ3＝８．５（ｓｕｎ）となる。
【００４２】
以上から、太陽光の中心光軸の入射角θをθ＝７２度とした場合について、３つのタイプの集光装置のエネルギー集光倍率Ｘを比較すると、次のようになる。
・全反射タイプの集光装置：エネルギー集光倍率Ｘ1＝５．０（ｓｕｎ）
・ミラータイプの集光装置：エネルギー集光倍率Ｘ2＝４．１（ｓｕｎ）
・全反射＋ミラータイプの集光装置：エネルギー集光倍率Ｘ3＝８．５（ｓｕｎ）
太陽光の入射角θが７２度の条件では、全反射＋ミラータイプのエネルギー集光倍率が最も高いことがわかる。
【００４３】
太陽光の中心光軸の入射角θを、θ＝６４〜８４度の範囲で変化させて各タイプの集光装置についてエネルギー集光倍率Ｘ（Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3）を同様に算出し、これをグラフにまとめた結果を図６に示す。図では左側から順に、全反射タイプ、ミラータイプ、全反射＋ミラータイプとし、各々について入射角をθ＝６４〜８４度の範囲で４度ピッチで変化させたときの、各入射角で得られるエネルギー集光倍率を棒グラフで示している。なお、頂角αはタイプごとに各入射角に対して最小の入射角度を適用している。
【００４４】
図６から、太陽光の入射角θ＝６４〜８４度の範囲では、どの入射角においても全反射＋ミラータイプの集光装置のエネルギー集光倍率が最も高いこと、全反射＋ミラータイプで比較的エネルギー集光倍率が低いθ＝６４度、８４度でも、他のタイプで得られる最大エネルギー集光倍率よりも高いことが分かる。また、全反射＋ミラータイプの集光装置では、入射角がθ＝７６度のときにエネルギー集光倍率が最大となることが分かる。このとき算出されたエネルギー集光倍率はＸ3＝９．１になっている。
【００４５】
（第１構成形態）
以下、全反射＋ミラータイプの集光装置のより具体的な構成形態について説明する。第１構成形態の集光装置１の概要構成図を図１に示す。図１は、これまで説明してきた各図と同様に、太陽光の中心光軸を進む光が屈折進行する面に沿った断面図である。
【００４６】
集光装置１は、受光面である第１面１１及び第１面に頂角αで交差する第２面１２並びに第１面と直交する第３面１３によりプリズム状の集光部１０ａが形成された集光部材１０と、第２面１２と離間層１７を介して対向配置された反射部材１５とを備え、第１面１１から入射した光のうち第２面１２を透過した光が、反射部材１５の反射面１６により反射されて第２面１２から集光部１０ａに再入射するように構成される。図１では、第３面１３に光電変換素子（太陽電池）１８を配設して光発電装置ＰＶＳ１とした構成を示す。
【００４７】
集光部材１０は、集光する光の波長に対して光透過性を有する透明材料により形成される。本構成形態の集光装置では、太陽光のスペクトル分布（図７を参照）に対応して光透過性を有する透明材料が用いられる。このような透明材料として、例えばＢＫ７に代表される各種の光学ガラス、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＰＣ（ポリカーボネート）等の透明樹脂材料が例示される。第１〜第３面１１〜１３は平坦に光学研磨されて形成される。なお、集光部１０ａの長さＬ、紙面直交方向の幅ｄ等は、光電変換素子１８のサイズや集光装置１が用いられるシステムの規模等によって任意に設定することができる。本構成麗では、屈折率ｎ＝１．５の光学ガラスを用い、Ｌ＝３０（ｍｍ）、集光部１０ａの頂角α＝０．８度とした。
【００４８】
反射部材１５は、集光部材の第２面１２に対向する反射面１６を有して構成される。図示する構成例は、集光部材１０と同一形状に形成した基材の上面（集光部材１０における第２面１２に対応する面の外面）にアルミニウムを蒸着して反射面（ミラー面）を形成した構成を例示する。なお、太陽光の波長帯域に対して反射率が高い反射面を形成するものであれば良く、例えば、銀や金、銅などを蒸着して反射面を形成しても良い。また蒸着する材料に応じて適宜な保護皮膜等を形成しても良い。反射面１６をアルミニウム蒸着で形成することにより、反射部材１５の製造コストを低廉化することができる。一方、反射部材１５を銀または金コートのミラーとすることにより、反射面での吸収損失を低減しエネルギー集光倍率を高めることができる。
【００４９】
離間層１７は、集光部材１０の第２面１２と、反射部材１５の反射面１６とを光学的に分離するものである。本構成例における離間層１７は空気層であり、集光部材の第２面１２と反射部材の反射面１６との間にエアギャップが形成されるようにしている。離間層１７は、集光部材よりも低屈折率で厚さが第２面１２と反射面１６とを光学的に分離可能なものであれば良く、具体的には、太陽光の波長分布におけるエネルギー密度が高い領域の波長（例えば４２０〜８００ｎｍ）よりも大きければよい。
【００５０】
集光部材の第２面１２及び反射部材の反射面１６の一般的な加工精度（うねり・粗さ）を考慮すると、両者を重ね合わせたときに少なくとも１μｍ程度のエアギャップが生じる。このエアギャップは、太陽光のエネルギー密度が高い波長帯域の光について、第２面１２と反射面１６とを光学的に分離するのに十分な厚さである。このため、反射部材１５の反射面１６に集光部材１０の第２面１２を重ねて載置固定するだけで、第２面１２と反射面１６とが所要の離間層１７を介して対向配置される。これにより、簡明な構成で集光装置１を構成することができる。
【００５１】
なお、集光部材の第２面１２と反射部材の反射面１６との間（例えば対向面の四隅部分等）に、厚さが数μｍ程度、あるいはそれ以上のスペーサを配設して離間層１７を形成しても良い。このような構成によれば、太陽光の波長帯域全体について確実に第２面１２と反射面１６とを光学的に分離することができる。
【００５２】
このようにして構成される集光装置１では、入射角θで第１面１１から入射して第２面１２を透過した光は、離間層１７を介して配設された反射部材の反射面１６で反射され、第２面１２から屈折角θ2＝θ1＋αで集光部１０ａに再入射する（図５を参照）。第２面から再入射した光は、集光部を進行して第１面１１に入射角θ3＝θ1＋２αで入射する。入射角θ3は、屈折率ｎ＝１．５の集光部材１０の全反射角以上になっており、この光は第１面１１で全反射されて第２面１２に向かい、第２面１２に入射角θ4＝θ1＋３α（不図示）で入射する。
【００５３】
入射角θ4は、当然のことながら集光部材１０の全反射角を超えており、第２面１２で全反射されて再び第１面１１に向かう。以降同様にして、第１面１１と第２面１２とに全反射されて折り返され、次第に各面への入射角θnが増大しながら（すなわち光の進行方向が徐々に水平左方に近づくように変化しながら）第３面１３に向けて集光される。第３面１３は集光装置１の出射面であり、集光されて第３面１３に到達した光が第３面１３から出射する。図示する構成例においては、集光装置１から出射した光が光電変換素子１８に入射して電力に変換される。
【００５４】
以上のような構成の集光装置１は、従来の全反射タイプの集光装置やミラータイプの集光装置と比較してエネルギー集光倍率Ｘが大幅に高く、その値は、反射面１６が一般的なアルミニウム蒸着膜の場合であってもＸ＝９．１（ｓｕｎ）に達する。従って、このような構成の集光装置１によれば、集光過程でのエネルギー損失を抑制し、太陽光等の光エネルギーをより効率的に集光可能な集光装置を提供することができる。なお、反射部材１５の反射面１６をＡｇコート、Ａｕコートにした場合には、エネルギー集光倍率を更に高めることができる。
【００５５】
（第２構成形態）
次に、第２構成形態の集光装置２について、図８〜図１０を参照して説明する。ここで、図８は集光装置２の概要構成及び集光部を拡大して示す説明図である。図９は（１）ミラータイプの集光装置と（２）全反射＋ミラータイプの集光装置の第２面付近での光線の反射状態を比較した説明図である。図１０は、ミラータイプの集光装置と全反射＋ミラータイプの集光装置２について、集光レンズ２９に入射する太陽光の中心光軸の傾き角γを変化させたときの、エネルギー到達効率Ｒの変化の様子を示したグラフである。
【００５６】
集光装置２は、大別的には、全反射＋ミラータイプの集光部２０ａ及び集光部により各面への入射角が増大された光を導光する導光部２０ｂを備えた集光部材２０と、集光部２０ａの第１面２１に対向して設けられ第２面２２に太陽光を集光する集光レンズ２９と、反射面２６が離間層（空気層）２７を介して第２面２２に対向して配置された反射部材２５とを主体とする。そして、集光レンズ２９を介して第１面２１から入射した光が、第２面２２を透過して反射面２６により反射され、第２面２２から集光部２０ａに再入射して第１面２１で全反射されるように構成される。
【００５７】
本構成形態の集光装置２は、端的には、入射面である第１面２１に対する太陽光の中心光軸の入射角θが基本的には０度である点、及び太陽光が集光レンズ２９を介して第２面２２に集光入射する点が第１構成形態の集光装置１と異なっている。図８は、導光部２０ｂの端部に光電変換素子（太陽電池）２８を配設して光発電装置ＰＶＳ２とした構成例を示す。
【００５８】
本構成形態の集光部材２０は、全反射＋ミラータイプの集光部２０ａと、集光部２０ａにより入射角が増大された光を導光する導光部２０ｂとから構成される。集光部２０ａは、受光面である第１面２１と、第１面２１に頂角αで交差する第２面２２とによって断面視三角形のプリズム状ないし楔状に構成される。導光部２０ｂは、集光部２０ａから延設されて右方に延びる第１面２１と、第２面２２と鈍角で交差して第１面２１と平行に延びる第４面２４、及び紙面に平行な前後の側面（不図視）とから構成される。出射面である第３面２３は、導光部２０ｂが設けられたことによって右方に移動し、集光部２０ａと反対側の導光部２０ｂの端部（図において右端）に形成される。
【００５９】
集光レンズ２９は、第１面２１の上方に第１面に対向して設けられ、中心光軸が第１面２１に略垂直に照射される太陽光を、第１面２１を通して第２面２２に集光入射させる。図示する構成例において、集光レンズ２９は、大きさが１０（ｍｍ）×１０（ｍｍ）の矩形で、焦点距離ｆ＝２０（ｍｍ）、屈折率が１．５の非球面レンズを用い、この集光レンズ２９に中心光軸が垂直に入射した場合を例示する。このとき、集光レンズ２９の中心を通って第１面２１に入射する太陽光の中心光軸の入射角θは０度である。
【００６０】
集光レンズ２９に対する太陽光の中心光軸の傾きγ（図８を参照）の正負は、図８において太陽が相対的に左方に傾いたときを＋（プラス）、右方に傾いたときを−（マイナス）とする。また、図８及び図１１では、太陽の視直径を０．５２度（中心光軸に対して±０．２６度）として光線追跡を行っている。
【００６１】
集光部材２０は、既述した集光部材１０と同様に、集光する光の波長に対して光透過性を有する透明材料により形成される。本構成例では、屈折率ｎ＝１．５のＰＭＭＡを用い、集光部２０ａ及び導光部２０ｂの高さＨ×紙面直交方向の幅ｄを１（ｍｍ）×１（ｍｍ）、集光部２０ａを含む導光部２０ｂの長さを１００（ｍｍ）とした。
【００６２】
反射部材２５は、集光部材の第２面２２に対向する反射面２６を有して構成される。図では、反射面２６が第２面と同一またはこれより幾分大きめのアルミニウム蒸着ミラーを用いた構成を例示する。なお、前述同様に、銀コードミラーや金コートミラー等を用いても良い。
【００６３】
離間層２７は、集光部材２０の第２面２２と、反射部材２５の反射面２６とを光学的に分離するものである。本構成例では離間層２７を空気層とし、集光部材の第２面２２と反射部材の反射面２６との間にエアギャップが形成されるようにしている。離間層２７の厚さは、第２面２２と反射面２６とを光学的に分離可能なものであれば良く、具体的には、太陽光の波長分布におけるエネルギー密度が高い領域の波長（例えば４２０〜８００ｎｍ）よりも大きければよい。このため、集光部材２０の第２面２２に反射部材２５の反射面２６を重ねて固定するだけで、第２面２２と反射面２６とが所要の離間層２７を介して対向配置される。これにより、簡明な構成で集光装置２を構成することができる。
【００６４】
なお、集光部材の第２面２２と反射部材の反射面２６との間（例えば対向面の四隅部分等）に、厚さが数μｍ程度あるいはそれ以上のスペーサを配設して離間層２７を形成しても良い。このような構成によれば、太陽光の波長帯域全体について確実に第２面２２と反射面２６とを光学的に分離することができる。
【００６５】
ここで、本構成形態の集光装置２では、太陽光が集光レンズ２９により集光されて第１面２１から入射する。このとき、レンズの中心を通って第１面２１に入射する中心光軸上の光は、第１面への入射角θ＝０度であり、第２面２２には集光部２０ａの頂角αで入射する。また、第２面２２への入射角はレンズ中心を通る光と中心から離れた縁部を通る光とで異なり、図において左端側を通る光の入射角が最も大きく、右端側を通る光の入射角が最も小さくなる。そのため、全反射タイプ、ミラータイプ、及び全反射＋ミラータイプの集光装置において、集光部２０ａの頂角αは、前述した第１構成形態の集光装置１と異なった角度になる。
【００６６】
まず、全反射タイプでは、第１面２１から入射した光が最初に第２面２２に入射するときの入射角が、集光部材２０の全反射角以上であることが条件となる。この条件を満たす最小の頂角αを求めるとα＝５２度となる。一方、ミラータイプでは、第２面２２で反射された光が第１面２１に入射するときの入射角が集光部材２０の全反射角以上であることが条件となる。この条件を満たす最小の頂角αを求めるとα＝２６度となる。また、全反射＋ミラータイプでは、第２面２２を透過して、反射面２６で反射された光が第１面２１に入射するときの入射角が集光部材２０の全反射角以上であることが条件となる。この条件を満たす頂角の角度範囲は２６〜５１度となり、最小の頂角はα＝２６度である。
【００６７】
太陽は時間とともに方位と高度が変化するため、このような３タイプの集光装置では、太陽を追尾する追尾装置が必要である。このとき、集光レンズ２９で集光した光を第２面２２に確実に入射させるためには、集光レンズ２９側から見た第２面２２の面積が大きいこと、具体的には集光部２０ａの頂角αが小さいことが望まれる。そこで、以下では、相対的に頂角αが小さいミラータイプと全反射＋ミラータイプとを比較する。なお、ミラータイプの集光装置は、全反射＋ミラータイプの集光装置２における集光部材の第２面２２にアルミニウムを蒸着し、第２面自体を鏡面とした集光装置である。全反射＋ミラータイプの集光装置２と相違するミラータイプの集光装置の第２面は、符号「′」を付して第２面２２′と表記する。
【００６８】
図９は、（１）ミラータイプの集光装置と（２）全反射＋ミラータイプの集光装置の第２面付近での光線の反射状態を比較したものである。図中に、枠囲みしてａ，ｂ，ｃ，ｄの符号を付した各部分の部分拡大図を示す。（１）図のａ及びｂは、ミラータイプの集光装置における第２面付近での光線の反射状態であり、ａは第１面２１から入射した光の第２面２２′での最初の反射状態、ｂは第２面２２′での２度目の反射状態である。（２）図のｃ及びｄは、全反射＋ミラータイプの集光装置２における第２面付近での光線の反射状態であり、ｃは第１面から入射した光の第２面付近での最初の反射状態、ｄは第２面付近での２度目の反射状態である。なお、両タイプとも集光レンズ２９に対する太陽光の中心光軸の傾き角γ（図８を参照）が−２度の状態を示している。
【００６９】
図９（１）のミラータイプの集光装置では、第１面２１から集光部２０ａ内に入射した光の第２面付近での反射は、１度目及び２度目とも第２面２２′すなわちアルミニウム蒸着膜が形成された反射面による反射である。以降、導光部２０ｂでは第１面２１及び第４面２４により全反射されて第３面２３に到達する。この形態の集光装置においては、第１面２１から入射した光は、第２面２２′で反射されるたびに反射面での吸収損失が発生する。この条件下で算出されたミラータイプの集光装置のエネルギー到達効率Ｒは６４％であった。
【００７０】
図９（２）の全反射＋ミラータイプの集光装置２では、第１面２１から集光部内に入射した光の第２面付近での反射は、最初の反射が反射部材２５の反射面２６による反射、２度目の反射が第２面２２による全反射である。以降、導光部２０ｂでは第１面２１及び第４面２４により全反射されて第３面２３に到達する。そのため、第１面２１から入射した光は、最初の反射時に反射面２６での吸収損失が生じ、第２面２２に再入射する時にフレネル損失が発生する。但し、第２面２２による２度目の反射以降は全反射であり、エネルギー損失は発生しない。本条件下で算出された全反射＋ミラータイプの集光装置２のエネルギー到達効率Ｒは７１％であった。
【００７１】
図１０は、ミラータイプの集光装置と全反射＋ミラータイプの集光装置２について、集光レンズ２９に入射する太陽光の中心光軸の傾き角γを−３度〜＋３度の範囲でを変化させたときの、エネルギー到達効率Ｒの変化の様子を示したグラフである。図中横軸は集光レンズ２９に入射する太陽光の中心光軸の傾き角γ、左側の縦軸はエネルギー到達効率Ｒ、右側の縦軸は全反射＋ミラータイプの集光装置２のエネルギー到達効率からミラータイプの集光装置のエネルギー到達効率を差し引いたエネルギー到達効率の差ΔＲである。
【００７２】
この図から、実質的な使用範囲となる太陽光の傾き角γ＝−２度〜＋２度の全範囲で全反射＋ミラータイプの集光装置２の方がエネルギー到達効率が高いか同等になっている。特に、傾き角γ＝−２度〜−１度の範囲では全反射＋ミラータイプの集光装置２の方が明らかにエネルギー到達効率Ｒが高く、その差ΔＲは最大７％に達することが分かる。
【００７３】
なお、太陽光の傾き角γが０度〜＋２度の範囲では、エネルギー到達効率Ｒがほぼ同等になっている。これは、例示した構成例では第２面近傍での反射回数が２回と少なく、全反射＋ミラータイプで第２面２２への再入射時に発生するフレネル損失と、ミラータイプで第２回目の第２面２２′での反射時に発生する吸収損失とがほぼ同等になったこと、すなわち、第２面２２での全反射による損失ゼロの効果が十分に発揮されなかったことによると考えられる。換言すれば、第２面近傍での反射回数が３回以上の構成では、より広い角度範囲でエネルギー到達効率の差ΔＲが大きくなり、全反射＋ミラータイプの集光装置の優位性が発揮されるものと考えられる。
【００７４】
従って、このような構成の集光装置２によれば、集光過程でのエネルギー損失を抑制し、太陽光等の光エネルギーをより効率的に集光可能な集光装置を提供することができる。
【００７５】
そして、以上説明したような集光装置１，２の第３面（出射面）１３，２３に光電変換素子１８，２８を設けた光発電装置ＰＶＳ１，ＰＶＳ２によれば、太陽光の光エネルギーを高効率で利用可能な光発電装置を提供することができる。
【００７６】
なお、集光装置１，２は、集光した太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電装置のみならず、他の形態のエネルギー、例えば熱エネルギーに変換する装置にも適用できる。この場合、集光部材の第３面１３，２３から出射した光を光吸収体付きのヒートパイプに入射する等によって、集光された光エネルギーを熱エネルギーに光熱変換することができる。
【符号の説明】
【００７７】
ＰＶＳ１  光発電装置
ＰＶＳ２  光発電装置
１  第１構成形態の集光装置
１０  集光部材（１０ａ  集光部）                  １１  第１面
１２  第２面                                      １３  第３面
１５  反射部材                                    １６  反射面
１８  光電変換素子（太陽電池）
２  第２構成形態の集光装置
２０  集光部材（２０ａ  集光部、２０ｂ  導光部）  ２１  第１面
２２  第２面                                      ２３  第３面
２４  第４面                                      ２５  反射部材
２６  反射面                                      ２８  光電変換素子（太陽電池）
２９  集光レンズ
Ｌ  集光部の長さ                                  Ｈ  集光部の高さ
α  集光部の頂角（第１面と第２面との交差角）
γ  集光レンズに対する太陽光の中心光軸の傾き
θ  第１面への入射角
【図１】
2013088690.tif 000005
【図２】
2013088690.tif 000006
【図３】
2013088690.tif 000007
【図４】
2013088690.tif 000008
【図５】
2013088690.tif 000009
【図７】
2013088690.tif 000010
【図８】
2013088690.tif 000011
【図１０】
2013088690.tif 000012
【図１１】
2013088690.tif 000013
【図６】
2013088690.tif 000014
【図９】
2013088690.tif 000015