(57)【要約】【課題】太陽光の集光スポットサイズの増大による光電変換効率の低下を抑制する。【解決手段】集光装置１０は、レンズアレイ１１と、集光光学素子１２と、第１追尾機構１３とを備え、レンズアレイ１１は、アナモフィック面を有する集光レンズを有する。集光光学素子１２は、光学ガラスやＰＭＭＡなどの透明な媒質で形成されている。そして、集光光学素子１２は、集光レンズを介して太陽光が入射される入射面１２０と、入射面１２０とその裏面との間で入射面１２０から入射した太陽光を反射する傾斜反射面と、傾斜反射面で反射された太陽光が集光される集光面１２１とを有する。第１追尾機構１３は、太陽の正中高度の変化を追尾するためのもので、集光光学素子１２をレンズアレイ１１に対して相対的に移動させる。この移動により傾斜反射面が集光レンズのサジタル方向の結像点と、メリディオナル方向の結像点との中点の軌跡の近傍に移動する。【選択図】図３
2013125784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナモフィック面を有し、太陽光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光が入射する入射面と、前記入射面に対向する裏面と、前記入射面と前記裏面との間で前記入射面から入射した太陽光を反射する傾斜反射面と、前記傾斜反射面で反射された太陽光が集光される集光面とを有し、透明な媒質により形成される集光光学素子と、
太陽の正中高度の変化を追尾するために前記集光光学素子と前記集光レンズとを相対的に移動させて、前記集光レンズにより集光された太陽光を前記傾斜反射面の近傍に結像させる第１追尾機構と、
を備えることを特徴とする集光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の集光装置において、
前記集光光学素子は、前記入射面と前記裏面との間で前記傾斜反射面に対向する位置に前記集光面を有し、
前記裏面は前記入射面と平行であり、
前記集光面は前記入射面に対して垂直であることを特徴とする集光装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集光装置において、
前記集光レンズは、太陽の正中高度の変化範囲を含む最大画角を有し、前記画角内において非点隔差が平均化されるように、非点隔差が零となる画角が設定されていることを特徴とする集光装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記第１追尾機構は、前記集光レンズの光軸方向と、前記集光レンズの光軸方向に垂直な方向とに前記集光光学素子を移動させ、前記集光レンズにより集光された太陽光を前記傾斜反射面の近傍に結像させることを特徴とする集光装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の集光装置において、
太陽の日周運動を追尾するために前記集光レンズと前記集光光学素子とを共に回転させる第２追尾機構をさらに備えることを特徴とする集光装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光光学素子は、前記傾斜反射面で反射された太陽光を前記入射面と前記裏面との間で全反射し、前記集光面へ導光することを特徴とする集光装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光光学素子は、前記傾斜反射面に対して空気層を介して向き合うようにミラー部材を有することを特徴とする集光装置。
【請求項８】
請求項２から７のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光レンズを複数有し、複数の前記集光レンズが２次元状に配列されたレンズアレイをさらに備え、
前記集光光学素子は、前記レンズアレイに備わる複数の前記集光レンズにそれぞれ対応する複数の前記傾斜反射面を離散的に有し、複数の前記傾斜反射面はそれぞれ前記集光面と対向することを特徴とする集光装置。
【請求項９】
請求項８に記載の集光装置において、
前記複数の傾斜反射面とそれぞれ対向する前記集光面は、共通の平面を成すことを特徴とする集光装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光光学素子は板状であることを特徴とする集光装置。
【請求項１１】
請求項３から９のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光レンズは、前記最大画角が４７度以上５３度以下であることを特徴とする集光装置。
【請求項１２】
請求項３から１１のいずれか一項に記載の集光装置において、
前記集光レンズは、前記非点隔差が零となる画角が前記レンズの前記最大画角の略半分となることを特徴とする集光装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の集光装置と、
受光面を有し、前記受光面で受光した光束を光電変換する光電変換素子と、
を備え、
前記集光光学素子は、前記集光面に集光された太陽光を前記光電変換素子の前記受光面に向けて出射することを特徴とする光発電装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の集光装置と、
受光面を有し、前記受光面で受光した光束を光熱変換する光熱変換素子と、
を備え、
前記集光光学素子は、前記集光面に集光された太陽光を前記光熱変換素子の前記受光面に向けて出射することを特徴とする光熱変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光装置と、その集光装置を備えた光発電装置および光熱変換装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
集光レンズと光電変換素子とを備え、集光レンズによって得られる太陽光の集光スポットの位置に光電変換素子を移動させる光発電装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８０３５９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光発電装置では軸外光に対する諸収差が考慮されておらず、太陽高度の変化によりレンズ光軸に対して斜めに太陽光が入射する場合、太陽光の集光スポットサイズが光電変換素子の受光面よりも大きくなって光利用効率が大幅に落ちる虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様である集光装置は、アナモフィック面を有し、太陽光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光が入射する入射面と、入射面に対向する裏面と、入射面と裏面との間で入射面から入射した太陽光を反射する傾斜反射面と、傾斜反射面で反射された太陽光が集光される集光面とを有し、透明な媒質により形成される集光光学素子と、太陽の正中高度の変化を追尾するために集光光学素子と集光レンズとを相対的に移動させて、集光レンズにより集光された太陽光を傾斜反射面の近傍に結像させる第１追尾機構とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の一態様による集光装置では、アナモフィック面を有する集光レンズを用いて非点隔差を抑制した上で、太陽光を傾斜反射面の近傍に結像させるため、傾斜反射面における集光スポットサイズが傾斜反射面よりも大きくならない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一態様である光発電モジュールを複数個備える発電装置の模式図である。
【図２】発電装置に備わる複数の光発電モジュールの側面図である。
【図３】光発電モジュールの概略斜視図である。
【図４】集光レンズを複数備えるレンズアレイの斜視図である。
【図５】集光レンズの非点収差図である。
【図６】集光レンズの集光スポット形状の一例を示す図である。
【図７】集光光学素子の平面図である。
【図８】傾斜反射面の近傍部分における光の伝播を拡大した図である。
【図９】太陽の日周運動を追尾する方法について説明するための図である。
【図１０】集光レンズのメリディオナル方向の光路図である。
【図１１】太陽の正中高度の変化を追尾する方法について説明するための図である。
【図１２】太陽の正中高度の変化を追尾するための追尾機構の具体例を示す図である。
【図１３】太陽の正中高度の変化を追尾するための追尾機構の変形例を示す図である。
【図１４】太陽の正中高度の変化を追尾するための追尾機構の変形例を示す図である。
【図１５】太陽の正中高度の変化を追尾するための追尾機構の変形例を示す図である。
【図１６】集光光学素子の変形例である。
【図１７】集光光学素子により集光された光のエネルギーを利用する構成の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。図１は、本発明の一態様である光発電装置２００の正面図である。光発電装置２００には、複数の光発電モジュール１がｙ軸方向に一列に並べられたユニット列１００がｘ軸方向に複数列並べられている。光発電装置２００では、複数の光発電モジュール１が太陽光を電気エネルギーに光電変換する。
【０００９】
図２は、光発電装置２００のユニット列１００を図１下側から見た側面図である。図２（ａ）に示すように、各ユニット列１００に含まれる複数の光発電モジュール１は回転軸１５１を有する。同一のユニット列１００に含まれる複数の光発電モジュール１は、それらの回転軸１５１が一体となって回転し、ユニット列１００単位で一様に回転する。
【００１０】
図３は、光発電モジュール１の概略斜視図である。光発電モジュール１は、集光装置１０と光電変換素子１４とを備える。集光装置１０は、レンズアレイ１１と集光光学素子１２と第１追尾機構１３と第２追尾機構１５とを有する。第１追尾機構１３は、集光光学素子１２に接続され、集光光学素子１２をｙ軸方向およびｚ軸方向に駆動する。また、第２追尾機構１５は回転軸１５１を備える架台を有する。第２追尾機構１５の架台にはレンズアレイ１１と集光光学素子１２と第１追尾機構１３と光電変換素子１４とが取り付けられており、回転軸１５１が回転すると、レンズアレイ１１と集光光学素子１２と第１追尾機構１３と光電変換素子１４とが一様に回転する。
【００１１】
集光光学素子１２は、光学ガラスやＰＭＭＡなどの透明な媒質で形成された板であり、その媒質の屈折率は空気の屈折率よりも大きい。集光光学素子１２は、入射面１２０と集光面１２１とを有する。集光光学素子１２の詳細な形状については後述する。集光光学素子１２は、入射面１２０がレンズアレイ１１と向かい合い、且つ、集光面１２１が光電変換素子１４と向かい合う位置に配置されている。
【００１２】
図４は、レンズアレイ１１の斜視図である。レンズアレイ１１には、ｘ軸方向およびｙ軸方向に複数の集光レンズ１１０が並べて配置されている。集光レンズ１１０は少なくとも一面がアナモフィック面である。アナモフィック面とは、サジタル方向の屈折力（パワー）とメリディオナル方向の屈折力（パワー）とが異なるレンズ面である。集光レンズ１１０は、ｙ方向の最大画角２ωが下記の条件式（１）を満たすように設計されている。
４７．０°≦２ω≦５３．０°  ・・・（１）
【００１３】
図５は、集光レンズ１１０の非点収差図である。図５の縦軸は、集光レンズ１１０のｙ方向の半画角であり、集光レンズ１１０の光軸を基準（０°）としている。図５の横軸は、非点収差の収差量を表す。図５には、集光レンズ１１０のサジタル方向の収差１１１ｓとメリディオナル方向の収差１１１ｍとが図示されている。サジタル方向の収差１１１ｓとメリディオナル方向の収差１１１ｍとの間のずれは集光レンズ１１０の非点隔差を表す。集光レンズ１１０は、非点隔差が零となる画角θが最大画角２ωの略半分（ｙ方向の最大画角２ωの０．３３〜０．６６倍）となるように設計されている。例えば、ｙ方向の最大画角が４７°のとき非点隔差が零となる画角θは１５．５°〜３１．０°の範囲内に設定される。設定された画角θは、図５中では半画角表示のため７．８°〜１５．５°の範囲に含まれる。
【００１４】
従来の球面レンズによる集光レンズでは、非点隔差は画角が０°のときに零となるが、最大画角２ωにおける非点隔差が大きくなり、最大画角２ω近傍の画角における集光スポットサイズが過度に大きくなる。図５のように非点隔差が零となる画角θを最大画角の略半分に設定すると、最大画角の範囲内における非点隔差が平均化され、最大画角内での集光スポットサイズを平均化することができる。
【００１５】
図６（ａ）〜（ｆ）は、集光レンズ１１０の集光スポット形状について、画角変化について形状変化の画角特性を説明するための図である。図６（ａ）〜（ｆ）にはそれぞれ画角が０°，５°，１０°，１５°，２０°，２３．５°のときの集光レンズ１１０の集光スポットが図示されている。
【００１６】
図６（ａ）〜（ｃ）では、画角が小さくコマ収差が小さい。図６（ａ）〜（ｃ）におけるスポット形状１１２は、非点収差や、球面収差、色収差により形成される。スポット形状１１２では、短波長以外の光線が主形状１１３を構成している。短波長の光線による点は、主形状１１３の周辺に広がっている。スポット形状１１２に含まれるすべての点（主形状１１３および短波長の光線による点）を内包する円の直径φが前述の集光スポットサイズである。
【００１７】
非点隔差が零となる画角θに向けて集光レンズ１１０の画角が拡大すると、集光レンズ１１０の非点隔差が零に近づく。図６（ａ）〜（ｄ）に図示されているように、主形状１１３は非点隔差が零に近づくにつれて縮小していく。非点隔差が零になる画角θに集光レンズ１１０の画角が近くなる図６（ｄ）では、主形状１１３の大きさが最小となっている。図６（ｄ）のスポット形状１１２には、主にコマ収差と色収差により形成される。
【００１８】
集光レンズ１１０の画角が画角θよりも大きくなると、非点隔差が再び増加する。そのため、図６（ｅ）および（ｆ）に見られるように、主形状１１３の大きさが拡大していく。このときのスポット形状には、主にコマ収差と非点収差と色収差により形成される。
【００１９】
図６（ａ）〜（ｆ）のスポット形状１１２の集光スポットサイズは、実際には直径０．８ｍｍ程度に平均化されており、直径１ｍｍを超えない。
【００２０】
図７は、集光光学素子１２の平面図である。図７に示されるように、集光光学素子１２は、複数の傾斜反射面１２２を離散的に有する。各傾斜反射面１２２は、レンズアレイ１１の各集光レンズ１１０と対を成す。集光面１２１は、離散的な傾斜反射面１２２のそれぞれに対向しており、共通の平面を成す。なお、「集光面１２１と傾斜反射面１２２とが対向する」とは、面平行の関係だけを指すものではない。たとえば、傾斜反射面１２２が集光レンズ１１０の光軸と交差する関係にあり、集光面１２１が入射面１２０に直交し集光レンズ１１０の光軸に平行な関係にある状態であっても、図７のように異なる端面を成していればよい。
【００２１】
図８は、傾斜反射面１２２の近傍を拡大した側面図である。傾斜反射面１２２は、入射面１２０とその裏面１２５との間に設けられている。傾斜反射面１２２は、たとえば長方形であり、ｘ軸方向の辺（不図示）が１ｍｍ程度であり、図８中に図示された辺が２ｍｍ程度である。入射面１２０と傾斜反射面１２２とは、たとえば６０°以下の所定角度（たとえば、３６°）を成しており、傾斜反射面１２２を入射面１２０に投影した長方形の２辺は１ｍｍ以上となる。すなわち、傾斜反射面１２２は、図６（ａ）〜（ｆ）のスポット形状１１２の集光スポットサイズよりも大きい。
【００２２】
集光光学素子１２はミラー部１２６を有し、傾斜反射面１２２とミラー部１２６とは空気層１２７を介して向かい合っている。ミラー部１２６は、たとえば金、銀、アルミニウム等の金属を蒸着したミラーであり、所定の反射率を有する。なお図８では、空気層１２７の存在を明確にするため空気層１２７の厚さが強調されている。以降の図では、傾斜反射面１２２として、ミラー部１２６と空気層１２７とを含めた形で図示する。
【００２３】
傾斜反射面１２２は、ミラー部１２６との間に空気層１２７を有するため、所定の臨界角以上の角度で傾斜反射面１２２に入射した光束を全反射する。すなわち、傾斜反射面１２２では、所定の臨界角以上の角度で傾斜反射面１２２に入射した光束については、反射損失がない。
【００２４】
入射面１２０から傾斜反射面１２２に所定の臨界角未満で入射した光束は、傾斜反射面１２２を通過してしまう。しかし、その傾斜反射面１２２を通過した光束は、ミラー部１２６により反射されて集光光学素子１２の内部へ戻される。
【００２５】
傾斜反射面１２２により全反射された光束およびミラー部１２６で反射された光束は、図７に図示した集光光学素子１２の第１側面１２３および第２側面１２４と、図８に図示した入射面１２０および裏面１２５とで繰り返し全反射され、反射損失無く集光面１２１側へと集光される。
【００２６】
集光面１２１に導かれ集光された光束は、光電変換素子１４の受光面１４０に向けて出射される。受光面１４０は集光面１２１に結合している。光電変換素子１４は、受光面１４０で受光した光を電気エネルギーに変換する。
【００２７】
光発電装置２００は、回転軸１５１を用いて太陽の日周運動を追尾し、第１追尾機構１３を用いて太陽の正中高度（太陽が正中したときの太陽高度）の変化を追尾する。以降の説明では、光発電装置２００は、回転軸１５１が地球の自転軸と平行であり、かつ太陽赤緯０°（春分および秋分）のときに集光レンズ１１０の光軸上に太陽が位置するように設置されるものとする。また、光発電装置２００は、地球の北半球に設置されるものとする。
【００２８】
第２追尾機構１５が回転軸１５１を用いて太陽の日周運動を追尾する方法について図２および図９を用いて説明する。第２追尾機構１５は、レンズアレイ１１と、集光光学素子１２の入射面１２０側とが常に太陽に向くように、地球の自転速度に合わせて回転軸１５１を回転させ、地球の自転による太陽高度の変化を追尾する。図９には、図２の回転軸１５１を回転させた様子が例示されている。
【００２９】
次に光発電モジュール１が第１追尾機構１３を用いて太陽の正中高度の変化を追尾する方法について説明する。太陽は、夏至には北緯２３．５°の北回帰線上にあり、冬至には南緯２３．５°の南回帰線上にある。そして、太陽は、春分と秋分には赤道上（緯度０°）にある。したがって、太陽の正中高度は春分および秋分のときを基準として−２３．５°〜＋２３．５°の範囲で変化する。光発電装置２００が地球の北半球にある場合、夏至のときの太陽の正中高度は基準よりも−２３．５°変化している。また、冬至のときの太陽の正中高度は基準よりも＋２３．５°変化している。条件式（１）を満たす集光レンズ１１０のｙ方向の最大画角２ωは、１年間の正中高度の変化幅に対応している。
【００３０】
図１０は、集光レンズ１１０のメリディオナル方向の光路図である。図１０には、光発電装置２００が正中した太陽に向けられたときの集光レンズ１１０が図示されている。太陽の正中高度が−２３．５°〜＋２３．５°の範囲で変化したとき、正中した太陽から集光レンズ１１０に入射した太陽光のメリディオナル方向の結像点の軌跡は、結像線３００のようになる。結像線３５０は、メリディオナル方向の結像点とサジタル方向の結像点との中点の軌跡をメリディオナル方向の光路図上に図示したものである。
【００３１】
結像線３５０の中心点３５１は、春分および秋分に正中した太陽から集光レンズ１１０に入射した太陽光のサジタル方向の結像点とメリディオナル方向の結像点３０１との中点をメリディオナル方向の光路図上に図示したものである。結像線３５０の端点３５２は、夏至に正中した太陽から集光レンズ１１０に入射した太陽光のサジタル方向の結像点とメリディオナル方向の結像点３０２との中点をメリディオナル方向の光路図上に図示したものである。結像線３５０の端点３５３は、同様に冬至に正中した太陽から集光レンズ１１０に入射した太陽光のサジタル方向の結像点とメリディオナル方向の結像点３０３との中点をメリディオナル方向の光路図上に図示したものである。
【００３２】
図１１は、太陽の正中高度の変化の追尾を説明するための図である。図１１には、正中した太陽に向けられた光発電装置２００の集光レンズ１１０と、図１０に例示された結像線３５０と、集光光学素子１２とが図示されている。
【００３３】
太陽光の集光スポットサイズは、図１０の結像線３５０上では小さく、結像線３５０から離れるほど大きくなる。集光スポットサイズが傾斜反射面１２２よりも大きくなると、太陽光の集光効率を低下してしまう。光発電装置２００では、傾斜反射面１２２を結像線３５０の近傍に移動させることにより、集光スポットサイズの拡大を抑制する。図１０の結像線３５０はｚ軸方向に曲がっており、傾斜反射面１２２を結像線３５０の近傍に移動させるには、ｙ軸方向だけでなくｚ軸方向にも集光光学素子１２を移動させる必要がある。第１追尾機構１３は、集光光学素子１２をｙ軸方向とｚ軸方向の両方に駆動して傾斜反射面１２２を結像線３５０の近傍に移動させる。
【００３４】
第１追尾機構１３は、春分および秋分のとき傾斜反射面１２２が結像線３５０の中心点３５１の近傍に位置するように集光光学素子１２を移動させる。第１追尾機構１３は、夏至のとき傾斜反射面１２２が結像線３５０の端点３５２の近傍に位置するように集光光学素子１２を移動させる。第１追尾機構１３は、春分から夏至までの間および夏至から秋分までの間では傾斜反射面１２２が中心点３５１と端点３５２との間の結像線３５０上の一点の近傍に位置するように集光光学素子１２を移動させる。第１追尾機構１３は、冬至のとき傾斜反射面１２２が結像線３５０の端点３５３の近傍に位置するように集光光学素子１２を移動させる。第１追尾機構１３は、秋分から冬至までの間および冬至から春分までの間では傾斜反射面１２２が中心点３５１と端点３５３との間の結像線３５０上の一点の近傍に位置するように集光光学素子１２を移動させる。
【００３５】
集光レンズ１１０の非点隔差が最大画角２ωの範囲内で平均化されているため、結像線３５０の近傍では太陽光の集光スポットサイズは過度に大きくならない。したがって、結像線３５０の近傍に配置された傾斜反射面１２２上では太陽光の集光スポットサイズが過度に大きくならず、傾斜反射面１２２を過度に大きくすることなく入射面１２０側から入射した太陽光を反射することができる。
【００３６】
図１２は、第１追尾機構１３の一構成例である。図１２には、太陽の正中高度の変化を追尾する機構として、支持板１３０と、支持板１３０を集光レンズ１１０の光軸方向１３１（ｚ軸方向）に駆動する第１アクチュエータ１３２と、支持板１３０をｙ軸方向に駆動する第２アクチュエータ１３３と、第１アクチュエータ１３２および第２アクチュエータ１３３を制御する駆動制御部１３４とが例示されている。支持板１３０には、集光光学素子１２が取り付けられている。支持板１３０が第１アクチュエータ１３２および第２アクチュエータ１３３により駆動されると、集光レンズ１１０とその集光レンズ１１０と対を成す傾斜反射面１２２との位置が相対的に移動する。
【００３７】
駆動制御部１３４は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを有し、集光光学素子１２の傾斜反射面１２２がそれぞれ集光レンズ１１０の結像線３００の近傍に位置するような支持板１３０の位置を算出する。そして、支持板１３０が算出された位置に配置されるように第１アクチュエータ１３２および第２アクチュエータ１３３を制御する。
【００３８】
以上で説明した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
集光装置１０は、レンズアレイ１１と、集光光学素子１２と、第１追尾機構１３とを備える。レンズアレイ１１には、アナモフィック面を有する集光レンズ１１０が２次元状に配置されている。集光レンズ１１０がアナモフィック面を有することにより、集光装置１０は集光レンズ１１０の非点収差の制御が可能となる。集光レンズ１１０のアナモフィック面はその最大画角２ωが太陽の正中高度の変化幅に対応している。そして、集光レンズ１１０のアナモフィック面は、最大画角２ωの範囲内における非点隔差が平均化されるように設計されているため、結像線３５０近傍での太陽光の集光スポットサイズも平均化されている。集光光学素子１２は、光学ガラスやＰＭＭＡなどの透明な媒質で形成されている。そして、集光光学素子１２は、太陽光が入射される入射面１２０と、入射面１２０に対向する裏面１２５と、入射面１２０と裏面１２５との間で入射面１２０から入射した太陽光を反射する傾斜反射面１２２と、傾斜反射面１２２で反射された太陽光が集光される集光面１２１とを有する。第１追尾機構１３は、太陽の正中高度の変化を追尾するためのもので、傾斜反射面１２２が結像線３５０の近傍に位置するように集光光学素子１２を配置する。結像線３５０での太陽光の集光スポットサイズが平均化されており、第１追尾機構１３が集光光学素子１２の傾斜反射面１２２を太陽光の集光スポットサイズが小さくなる結像線３５０の近傍に配置するため、集光レンズ１１０を通過した太陽光の集光スポットサイズが傾斜反射面１２２よりも大きくならないように制御できる。
【００３９】
以上で説明した各実施形態は、以下のように変形して実施できる。
（変形例１）上記の実施形態では、集光光学素子１２の傾斜反射面１２２は、空気層１２７を介してミラー部１２６と向かい合うものとした。しかし、空気層１２７が無く傾斜反射面１２２にミラー部１２６が接触している形態や、ミラー部１２６を設けない形態も本発明に含まれる。
【００４０】
（変形例２）太陽の正中高度の変化を追尾する第１追尾機構１３は、図１２の構成だけに限定しない。図１３は、第１追尾機構１３の第１アクチュエータ１３２の代替となる直動カム構造２００を用いた機構を示す。図１３に例示する直動カム構造２００は、支持板１３０の底部に設けられたカムフォロア２０１（溝状のガイド）と、カムフォロア２０１に接する直動カム２０２と、直動カム２０２をｙ軸方向に駆動するアクチュエータ２０３と、アクチュエータ２０３を制御する駆動制御部２０４とを備える。カムフォロア２０１には、図１０の結像線３５０に基づいた溝状のガイドが設けられている。駆動制御部２０４は、アクチュエータ２０３を制御して、直動カム２０２をカムフォロア２０１のガイド範囲内で駆動する。図１３には春分または秋分のときの直動カム２０２の位置が図示されている。直動カム２０２が図１３に図示された位置からｙ軸方向に駆動されると、支持板１３０はカムフォロア２０１の形状に追従して直動カム２０２によりｚ軸方向に押し上げられる。支持板１３０が直動カム２０２により押し上げられると、支持板１３０に取り付けられた集光光学素子１２のｚ軸方向の位置も変化する。
【００４１】
また、第１追尾機構１３が支持板１３０を移動させる方法は、図１４に示すような振り子構造３００でもよい。振り子構造３００は、振り子３０１を備える。振り子３０１の一方の端部は支持板１３０の側面に接続されている。振り子３０１のもう一方の端部には不図示の回転制御機構により回転が制御される回転軸３０２が接続されている。振り子３０１は、回転軸３０２の回転に基づいて、支持板１３０を移動させる。支持板１３０に取り付けられた集光光学素子１２の傾斜反射面１２２は、支持板１３０の移動に伴って、結像線３５０の近傍に配置される。
【００４２】
また、支持板１３０の位置決めは、図１５に示すような構成を用いてもよい。図１５に示される位置決め機構４００では、水槽４０１に水が入っており、水面４０２の上に支持板１３０が浮かべられている。水槽４０１に入っている水は、たとえば光発電モジュール１の冷却用の水である。位置決め機構４００は、不図示の水制御装置により、水槽４０１の水面４０２を増減させたり、ｙ軸方向に支持板１３０が流れるような水流を発生させたりする。支持板１３０のｚ軸方向の位置は、水面４０２の増減により調整される。支持板１３０のｙ軸方向の位置は、水流により調整される。
【００４３】
（変形例３）上記の実施形態では、光発電モジュール１は、それぞれ一の光電変換素子１４を有していたが、集光光学素子１２と光電変換素子１４を複数の光発電モジュール１で共通としてもよい。たとえば、集光光学素子１２を図１６に示すような階段状の集光光学素子４００に置き換えて、その各段を各光電変換素子のレンズアレイ１１に対応させることにしてもよい。このようにすると、ユニット列１００に含まれる光電変換素子１４の数を減少させることができる。
【００４４】
（変形例４）上記の実施形態では、光電変換素子１４の受光面１４０が集光光学素子１２の集光面１２１に結合しているものとしたが、集光面１２１から出射される光のエネルギーを利用する構成はそれだけに限定されない。たとえば、図１７（ａ）〜（ｅ）のような構成でもよい。
【００４５】
図１７(ａ)は、集光光学素子１２の集光面１２１に集光された太陽光を集光面１２１からそのまま取り出し、光として利用する構成例の概念図である。図１７（ａ）には、集光光学素子１２の集光面１２１から出射する光をシリンドリカルレンズ９１や集光ロッド９２等を介して集光し、集光された光を光ファイバー９３により所望位置に導光するような構成が例示される。
【００４６】
図１７（ｂ）は、集光光学素子１２の集光面１２１に集光された光を、熱エネルギーに変換して利用する構成例の概念図である。図１７（ｂ）では、光電変換素子１４の代わりに光熱変換素子９４が集光光学素子１２の集光面１２１に結合されている。光熱変換素子９４は、光吸収体付きのヒートパイプ等であって、集光面１２１に集光された光を受光し、熱エネルギーに光熱変換する。
【００４７】
図１７（ｃ）は、集光光学素子１２の端部に集光された光を、電気エネルギーに変換して利用する別の構成例の概念図である。図１７（ｃ）の構成例では、集光光学素子１２の端部の入射面１２０側（または裏面１２５側）に光電変換素子１４が設けられている。図１７（ｃ）の構成例では、集光光学素子１２の集光面１２１側の端部は斜めにカットされて、カットにより形成された傾斜面９５にミラー部９６が配設されている。ミラー部９６により反射された光束は、図１７（ｃ）の構成例における光電変換素子１４に向けて出射される。図１７（ｃ）のような位置に光電変換素子１４を配置することにより、集光光学素子１２が薄いシート状の場合であっても、所定面積の光電変換素子１４を安定的に取り付けることができる。なお、傾斜面９５にミラー部９６を配置せず傾斜面９５で全反射することにより、集光光学素子１２の端部に集光された光を光電変換素子１４へ導いてもよい。また、傾斜面９５とミラー部９６との間には傾斜反射面１２２のように空気層を有してもよい。さらに図１７（ｃ）の光電変換素子１４を図１７（ｂ）の光熱変換素子９４に置き換え、集光された光を熱エネルギーとして取り出すことにしてもよい。
【００４８】
図１７（ｄ）は、集光光学素子１２の端部に集光された光を、電気エネルギーに変換して利用する別の構成例の概念図である。図１７（ｄ）の構成例では、図１７（ｃ）と同様に集光光学素子１２の集光面１２１側の端部がカットされて傾斜面９５が形成されており、傾斜面９５にダイクロイックミラー９７が配設されている。集光光学素子１２の端部に集光された光は、ダイクロックミラー９７に入射し、二つに分光される。ダイクロックミラー９７に分光された一方の光束は、集光光学素子１２の端部の入射面１２０側（または裏面１２５側）に配設された光電変換素子１４ａに入射する。他方の光束は、ダイクロックミラー９７を通過して、集光光学素子１２の側方に設けられた光電変換素子１４ｂに入射する。なお、ダイクロックミラー９７の代わりに傾斜面９５へ波長選択性のある反射膜を形成してもよい。図１７（ｄ）の構成によれば、分割された各波長帯域について高効率な光電変換素子を用いるこができるため、比較的低コストで変換効率の高い光発電装置を構成することが可能となる。また、分割した光のうち一方（例えば赤外領域の光）を光図１７（ｂ）の光熱変換素子９４などに入射して熱エネルギーとして利用し、他方（例えば可視領域及び紫外領域の光）を光電変換素子５に入射して電気エネルギーとして利用するような構成も好適な適用例である。
【００４９】
図１７（ｅ）は、集光光学素子１２の端部に集光された光を、集光光学素子１２の厚さ方向に集光して取り出す構成例の概念図である。本構成の集光光学素子１２は、集光面１２１の近傍領域で厚さが徐々に薄くなるパラボリック状に形成されている。集光光学素子１２の内部をｙ軸方向に進む光は、集光光学素子１２の上面あるいは下面で全反射され、集光光学素子１２の厚さ方向に集光される。このようなパラボリック状の形状を有することにより、例えば光をそのまま利用する場合にシリンドリカルレンズ９１等を用いずに構成することができ、また光電変換素子１４や光熱変換素子９４に入射させる場合に、簡明な構成で入射光のパワー密度を高めることができる。
【００５０】
（変形例５）上記の実施形態では、第１追尾機構１３は、傾斜反射面１２２が結像線３５０の近傍に位置するように集光光学素子１２を駆動した。しかし、集光レンズ１１０の集光スポットが集光光学素子１２の傾斜反射面１２２上に位置するように、レンズアレイ１１をｙ軸方向とｚ軸方向に駆動させて太陽の正中高度の変化を追尾してもよい。
【００５１】
（変形例６）レンズアレイ１１に含まれる集光レンズ１１０の数は、図４に図示した集光レンズ１１０の数に限定されない。また、レンズアレイ１１を、アナモフィック面を有する単レンズに置き換えた集光装置も本発明の範囲に含まれる。
【００５２】
（変形例７）上記の実施形態では、第２追尾機構１５の回転軸１５１が地球の自転軸と平行であるものとした。これは、太陽光が光発電装置２００へ入射する角度が太陽の正中高度の変化よりも太陽の日周運動の方が大きく変化するためである。しかし、光発電装置２００へ太陽光を入射させる時刻を制限する場合にあっては、太陽の日周運動よりも太陽の正中高度の変化の方が変化幅が大きくなることが考えられる。このような場合には回転軸１５１を東西に向けることにしてもよい。
【００５３】
以上で説明した実施の形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限りこれらの内容に限定されない。また、以上で説明した実施の形態や各種の変形例は発明の特徴が損なわれない範囲で組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  光発電装置
１０  集光装置
１１  レンズアレイ
１２，４００  集光光学素子
１３  第１追尾機構
１４  光電変換素子
１５  第２追尾機構
１００  ユニット列
１１０  集光レンズ
１２０  入射面
１２１  集光面
１２２  傾斜反射面
１２３  第１側面
１２４  第２側面
１２５  裏面
１２６  ミラー部
１２７  空気層
１３０  支持板
１３２  第１アクチュエータ
１３３  第２アクチュエータ
１３４  駆動制御部
１４０  受光面
１５１  回転軸
２００  発電機
３００  結像線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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