JP2009198524A - Solar lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、柱状に形成された太陽レンズの全面にあたる全方角からの太陽光線を出光面に集光するように構成した太陽レンズに関するものである。 The present invention relates to a solar lens configured to collect sunlight rays from all directions corresponding to the entire surface of a solar lens formed in a columnar shape on a light exit surface.
太陽光を集光する方法としては、一般的に凸レンズやその変形であるフレネルレンズ、凹面鏡などが用いられているが、光軸に光線が集まるこれらのレンズや反射鏡で移動する太陽光線を集光するには、太陽の位置に合わせて受光面の向きを絶えず調整する必要があった。このため、太陽の方位や高度に関係なく集光できる方法として光の屈折と全反射を組み合わせて集光する方法が提案されている。
しかし、前記提案の方法は、逆台形の集光レンズの上面に射し込む太陽光線のみを集光する方法であるため、より大量の太陽光を利用するには入光面積の大きな太陽レンズを必要とした。本発明はこの欠点を解決するものである。 However, since the proposed method is a method of condensing only the sunlight rays that enter the upper surface of the inverted trapezoidal condenser lens, a solar lens with a large light incident area is required to use a larger amount of sunlight. did. The present invention solves this drawback.
太陽レンズの上面に当たる太陽光線を集光するだけでなく、太陽レンズの側面に当たる太陽光線をも集光するように構成することで前期課題を解決するものである。 The present invention solves the previous problem by not only collecting the sunlight rays that hit the upper surface of the solar lens but also collecting the sunlight rays that hit the side surface of the solar lens.
太陽レンズに当たる全方角からの太陽光線をレンズ下面の出光面に集光できるので、平面的な太陽レンズに比べて太陽高度の変動による集光エネルギーの量的変動を少なくできることや、塔状に積み重ねることで大きな投影面積で集光できるから敷地面積に対して集光倍率を高められる利点がある。 Sunlight from all directions hitting the solar lens can be condensed on the light exit surface on the lower surface of the lens, so that it is possible to reduce the quantitative fluctuation of the condensing energy due to fluctuations in solar altitude compared to a flat solar lens and to stack in a tower shape In this way, the light can be condensed with a large projected area.
以下の説明において、集光レンズの入光面と縦集光レンズの外側面から素材の屈折率に応じて屈折して入射する光線を入射光線、集光レンズの集光斜面7で反射する光線を反射光線と称する。また、高度0度から90度の太陽光線のうち集光の対象とする最も高度の低い光線を最小入射角光線と称する。なお、前記特許文献の太陽レンズと区別するため、前記特許文献1や特許文献2の太陽レンズを平面太陽レンズと称呼する。
In the following description, a light beam that is refracted and incident according to the refractive index of the material from the light incident surface of the condenser lens and the outer surface of the vertical condenser lens is incident, and the light beam that is reflected by the
図1はガラスや合成樹脂など光線透過率の高い均質な透明材料からなる正方形の太陽レンズ1の平面図で、太陽光線の入光面2と集光された光線が放出される出光面3の関係を示したもので入光面2と出光面3の大きさは同じである。5は集光レンズに入射する光線を整流する整流レンズである。結像を目的としたレンズではないので平面形状は円形でも長方形でもよい。
FIG. 1 is a plan view of a square
図2は断面図で、太陽レンズ1は柱状の縦集光レンズ13に断面が逆台形の集光レンズ4を噛み合わせ、相互を微少な空隙(図示せず)で光学的に分離して形成されている。また、集光レンズは逆三角形の中空12になっており、この中空斜面が太陽光線の入光面2を形成している。更に集光レンズ4の出光面3には、二等辺三角形の整流ユニット10を無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズ5が微少な空隙を介して噛み合うように形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view, and the
縦集光レンズ13は集光レンズ4の外径と同じ大きさの柱状で、集光レンズと噛み合う集光斜面7の傾斜角度θを、外側面14から入射し集光斜面7で反射する最小入射角光線の反射光線と、外側面14に垂直な線との角度差αが構成素材の臨界屈折角度以上になるように設定し、外側面から射し込む太陽光線を外側面14と集光斜面7の間で反射を繰り返して出光面3に集光するものである。
The
整流斜面8の傾斜角度は、集光斜面7の傾斜角度θと基本的に同じ角度に設定されており、入射光線を集光斜面7や入光面2並びに整流斜面8で全反射または透過させて出光面3に集光させるものである。なお、集光斜面7での光線の反射に空隙との境界面での全反射を利用してもよいが、反射率の高い金属薄膜(図示せず)を蒸着処理してなる鏡面で強制的に反射させる方法でもよい。また、金属薄膜の代わりに同一斜面の反射鏡を密着させる方法でもよい。
The inclination angle of the rectifying
更に整流レンズ5の出光面側に、整流ユニット10と相似形でより微少な補助ユニット11を無数に並べてなる鋸歯状の補助レンズ6を微少な空隙を介して噛み合わせることで、出光面3から放出される光線の放出角度を射し込む太陽光線の角度(高度)と同範囲の光線に整流して放出させるものである。
Further, by fitting a sawtooth auxiliary lens 6 in which countless
図2においては集光斜面7を単一角度の斜面で形成し、外側面14や出光面3を平面に形成したが、集光性能を微細に調整するために、緩やかな凸面や凹面に湾曲させる方法が考えられる。同様に整流斜面8や補助斜面9は集光斜面7と同じ単一角度の相似斜面でよいが、微小な角度差を持たせたり、局部的に湾曲させたりして光線の進行角度を微細に調整することができる。例えば、整流斜面8とこれに接する補助斜面9の角度を違えて空隙の幅を部分的に増減させることで光線の反射角度や屈折角度を微細に加減することができる。
In FIG. 2, the
図2において光線経路を説明すると、上面から入射する光線p1は入光面2で屈折率に応じて屈折し入射光線として進行し、集光斜面7で反射光線となって入光面2に到達し、全反射で再び集光斜面7に達した後に整流レンズ5に到達する。また、縦集光レンズ13の外側面14から入射した光線p2は集光斜面7で反射光線となり、外側面14で全反射して縦集光レンズ13底面の出光面3に到達する。
Referring to FIG. 2, the light ray path p1 incident from the upper surface is refracted according to the refractive index on the
図3aから図3eは屈折率が1.7の透明材料を使った場合の光線経路図である。太陽光線が出光面3に達するまでの光線経路を、地点a1から地点e1に位置する光線について、光線角度を9段階に分割して示したものである。また、図4は集光レンズ4と整流レンズ5の境目付近に到達した後に辿る光線の経路を、地点a2から地点e2に位置する光線について、光線角度を7段階に分割して示したものである。光線の進行方角はほぼ実態に合わせて描かれている。これらの中間地点に位置する光線の光線経路や各段階以外の中間角度の光線経路は、例示した光線の経路に準じたものと考えることができる。なお、経路図では左方向から入射する光線についてのみ示しているが、右方向からの光線については左右を反転した経路で同様に進行する。
3a to 3e are ray path diagrams when a transparent material having a refractive index of 1.7 is used. The ray path until the sunlight reaches the
図3において、入光面2から入射して集光斜面7で反射する反射光線の傾斜角度は地点aから地点eに従って大きくなり下向きとなっている。このことから反射光線と入光面に垂直な線との角度差αを臨界屈折角度以上に保つには、地点aから入射した光線の反射光線が入光面2で全反射するように入光面2を形成すればよいことになり、その結果、入光面は湾曲した曲面となる。
In FIG. 3, the inclination angle of the reflected light incident from the
また、集光斜面7の傾斜角度θは外側面14から入射した光線が集光斜面で反射した後に外側面を透過して散逸しないように設定する必要がある。このため、外側面14から入射する最小入射角光線の反射光線と、外側面に垂直な線との角度差を臨界屈折角度以上に設定することで、対象となる入射光線の全てを出光面3に集光することができる。縦集光レンズ13の出光面3に到達する反射光線は入射光線の角度よりも傾きの大きな光線となるが、出光面3に設けた整流レンズ5は外側面14の下端部で集光斜面7から出光面3に到達する傾斜角度の少ない一部の反射光線を整流するものである。
In addition, the inclination angle θ of the
図4は、整流レンズ5に到達した光線が透過したり全反射をして補助レンズ6に到達し、補助レンズ内に到達した光線が下向きに全反射して出光面3から放出する状況を示している。補助レンズ6は整流レンズ5で整流しきれない漏れ光線を集光する働きをするものである。しかし、補助レンズ6を使っても整流レンズ5を形成している整流ユニット10相互の谷間sで漏れ光線が発生する。図4における光線q3や光線q4、q5のように補助ユニットに進入した後、反対側の斜面に当たらずに出光面に到達する光線は出光面で全反射して上向きの光線となって、破線で示す光線q6や光線q7、q8の経路で損失光線となる。
FIG. 4 shows a situation where the light beam reaching the rectifying
この損失を減らすには、整流ユニット10に比べて補助ユニット11を相対的に小さくする方法が有効である。補助ユニットを限りなく小さくすることで、整流ユニット相互の谷間sだけに漏れ光線を留めることができる。各レンズの斜面を透過する際の表面反射損失や鏡面反射鏡の反射損失、素材特有の光線透過損失を無視すれば、100%に近い集光効率が期待できる。
In order to reduce this loss, it is effective to make the
なお、集光レンズの厚みは、集光斜面からの反射光線が反対側の集光斜面を透過して損失しないように、図3cや図3dに示すように反射光線が反対側の集光斜面に届かない範囲の厚みに設定する必要がある。 The thickness of the condensing lens is such that the reflected light from the converging slope does not pass through the condensing slope on the opposite side and is lost as shown in FIGS. 3c and 3d. It is necessary to set the thickness within a range that does not reach.
集光レンズ4は入光面から入射する太陽光線をより狭い範囲に集光する作用をなし、整流レンズ5は出光面3に対して臨界屈折角度以上の傾斜角度で進行する光線を臨界屈折角度以下の角度の光線に整流する作用をなし、補助レンズ6は整流レンズで処理できない漏れ光線を同様に整流する作用をなし、縦集光レンズ13は側面から入射する太陽光線を下向きに変換し集光する作用をなすもの考えることができる。
The condensing
本発明の太陽レンズでは、入光面2と出光面3の面積比が1であるから、入光面2からの入射光線に対する集光倍率は1となるが、縦集光レンズに入射する光線も集光できるから積層した太陽レンズでは集光倍率を高めることができる。また、積層した太陽レンズの最下段に平面太陽レンズを組み合わせることで集光倍率を飛躍的に増大させることができる。
In the solar lens of the present invention, since the area ratio between the
なお、出光面から放出される光線は点光源のように四方に広がりを持つ光線となるから、凸レンズなどによって放出する光線の方角を絞り込むことができると考えられる。その結果、太陽レンズを積層する場合、次段太陽レンズでは入射光線の処理範囲を狭く設定できるから、出光面に凸レンズを配置することで次段太陽レンズの集光倍率をより高められる可能性がある。 In addition, since the light ray emitted from the light exit surface becomes a light ray spreading in four directions like a point light source, it is considered that the direction of the light ray emitted by a convex lens or the like can be narrowed down. As a result, when stacking solar lenses, the processing range of incident light can be set narrow in the next-stage solar lens, so there is a possibility that the condensing magnification of the next-stage solar lens can be further increased by arranging a convex lens on the light exit surface. is there.
1、太陽レンズ
2、入光面
3、出光面
4、集光レンズ
5、整流レンズ
6、補助レンズ
7、集光斜面
8、整流斜面
9、補助斜面
10、整流ユニット
11、補助ユニット
12、集光レンズの中空
13、縦集光レンズ
14、外側面
1,
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008036746A JP2009198524A (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Solar lens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008036746A JP2009198524A (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Solar lens |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009198524A true JP2009198524A (en) | 2009-09-03 |
Family
ID=41142116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008036746A Pending JP2009198524A (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Solar lens |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009198524A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12299828B2 (en) | 2017-12-22 | 2025-05-13 | Magic Leap, Inc. | Viewpoint dependent brick selection for fast volumetric reconstruction |
-
2008
- 2008-02-19 JP JP2008036746A patent/JP2009198524A/en active Pending
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| US12299828B2 (en) | 2017-12-22 | 2025-05-13 | Magic Leap, Inc. | Viewpoint dependent brick selection for fast volumetric reconstruction |
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