JP2013088690A - Light collecting device and photovoltaic device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an apparatus for condensing light, and more specifically, includes a first surface on which received light is incident and a second surface that intersects the first surface at an acute angle. The present invention relates to a condensing device having a prism-like condensing unit that condenses light by reflecting a plurality of times with a first surface, and a photovoltaic device using such a condensing device.
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。 A condensing device having the prism-shaped condensing unit as described above is known as a condensing device that condenses sunlight, for example. A basic conceptual diagram of such a light collecting device 9 is shown in FIG. The condensing device 9 includes a first surface 91 on which sunlight is incident, a second surface 92 that intersects the first surface 91 at an apex angle α and returns incident light, and a third surface that intersects the first surface 91 at a substantially right angle. 93 and includes a light collecting member 90 having a light collecting portion 90a formed in a prismatic shape or a wedge shape in cross-sectional view. The photovoltaic device is configured such that a photoelectric conversion element (solar cell) that photoelectrically converts the collected light is provided on the third surface 93.
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。 Now, when the horizontal length of the light collecting unit 90a is L, the height in the vertical direction is H, and the width in the direction perpendicular to the paper surface is constant, the light collecting magnification of the light collecting device 9 is generally (Incident area) / (exit area) = L / H. In this specification, the light collecting magnification defined based on the geometric shape of the light collecting device is referred to as “shape light collecting magnification” in this specification. From the above formula, it is required to reduce the apex angle α in order to increase the shape condensing magnification.
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。 However, when the apex angle α is decreased, the incident angle of the light incident from the first surface 91 on the second surface 92 is also decreased, and the incident angle θ of sunlight on the first surface 91 is increased by a considerable amount. Otherwise, incident light will pass through the second surface 92. On the other hand, when the incident angle θ is increased, the light intensity (energy density) per unit area of the sunlight incident on the first surface 91 is lowered, so that it is difficult to efficiently collect the light energy of the sunlight.
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)。 Therefore, the reflective surface is formed by vapor-depositing a metal film on the second surface 92 or by attaching a mirror, and the like, and the reflection on the second surface 92 and the total reflection on the first surface 91 are repeated. A condensing device configured to condense light onto the third surface 93 has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
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。 Certainly, by forming a metal film or the like on the second surface 92 as a reflective surface, the light reflected by the second surface 92 is set so as to satisfy the total reflection condition when entering the first surface 91. For example, the light that has been diffracted and condensed a plurality of times between the first surface 91 and the second surface 92 can be guided to the third surface 93. Therefore, light can be efficiently incident into the light condensing unit 90a, and the shape condensing magnification can be increased.
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。 However, in such a configuration, since the reflection on the second surface 92 is caused by a metal film, a mirror, or the like, loss of light energy due to absorption of the reflection surface cannot be excluded. Since the light incident on the condensing device 9 is condensed by being diffracted a plurality of times between the first surface 91 and the second surface 92, the energy loss is a power of the number of reflections, and in the condensing process (light guiding process). There was a problem that the energy decrease of the large.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a condensing device capable of concentrating light energy such as sunlight more efficiently by suppressing energy loss in the condensing process. For the purpose. It is another object of the present invention to provide a photovoltaic device that can use light energy such as sunlight more efficiently.
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。 In order to achieve the above object, a first embodiment illustrating the present invention is a light collecting device. This condensing device has a first surface on which received light is incident and a second surface that intersects the first surface at an acute angle and is formed of a transparent material. A light-collecting member having a prism-like light-condensing portion that condenses light by being reflected a plurality of times with respect to one surface, and a reflective member provided with the reflective surface facing the second surface. The light converging part is incident on the first surface at an incident angle θ, passes through the second surface, is reflected by the reflecting surface, reenters the light converging part from the second surface, and the reincident light is incident on the first surface. And the intersection angle (vertical angle in the embodiment) α between the first surface and the second surface is the minimum in the angle range in which the re-incident light is totally reflected by the first surface. It is configured to be an angle near the value (an angle of about *% with respect to the minimum value).
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。 The incident angle θ and the crossing angle α are such that the energy condensing magnification of the light incident on the first surface and condensed by the condensing unit is near the maximum value (for example, the maximum energy in the embodiment shown in FIG. 6). It can be set so that the incident angle θ, which is the condensing magnification, is about ± 5 degrees with respect to 76 degrees. The received light is sunlight, and the intersection angle α can be set in consideration of the viewing diameter of sunlight.
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。 Furthermore, a condensing device may be configured by including a condensing lens that condenses received light on the second surface so as to face the first surface.
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。 A second aspect illustrating the present invention is a photovoltaic device. The photovoltaic device includes the above-described condensing device and a photoelectric conversion element that photoelectrically converts light collected by the condensing member.
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。 In the light condensing device according to the first aspect, the light condensing unit has the light incident on the first surface transmitted through the second surface, reflected by the reflecting surface, and reentered the light condensing unit from the second surface. The reflected light is configured to be totally reflected by the first surface. According to such a condensing device, the first second surface that is incident on the first surface is transmitted and reflected by the reflecting surface, but after reentering the condensing portion, the first surface and the first surface are reflected. The light is totally reflected by the two surfaces and collected. Therefore, the loss of light energy due to absorption of the reflecting surface can be suppressed more than the configuration in which the reflecting surface is formed on the second surface. Furthermore, the condensing device of this configuration is configured such that the intersection angle α between the first surface and the second surface is an angle near the minimum value in the angle range in which the re-incident light is totally reflected by the first surface. Is done. As will be described later, with respect to an arbitrary incident angle θ, the crossing angle α in the reflection state as described above has an angle range with a predetermined width. In the light collecting device of this aspect, the angle is set near the minimum value in the angle range. The angle in the vicinity of the minimum value is an angle in a range on the small angle side including the minimum value, and is set in consideration of the processing accuracy and assembly accuracy of the light collecting member, the angle width of the incident light with respect to the incident central axis, and the like. Therefore, according to the condensing device having such a configuration, it is possible to provide a condensing device that can condense light energy such as sunlight more efficiently by suppressing energy loss in the condensing process.
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。 In addition, according to the configuration in which the incident angle θ and the crossing angle α are set so that the energy condensing magnification is close to the maximum value, the energy loss in the condensing process is suppressed to the maximum, and light energy such as sunlight is reduced. Furthermore, the condensing apparatus which can condense efficiently can be provided.
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。 The photovoltaic device of the 2nd mode is provided with the above condensing devices and a photoelectric conversion element which carries out photoelectric conversion of the condensed light. For this reason, the photovoltaic device which can utilize light energy, such as sunlight, more efficiently can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, referring to FIG. 2, the light energy collected on the third surface 93 is based on the case where sunlight is collected by the light collecting device 9 having the prism-like light collecting portion 90a similar to FIG. While explaining. FIG. 2 is a cross-sectional view along a plane on which light traveling along the central optical axis of sunlight refractions.
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。 Now, let L (mm) be the length in the horizontal direction of the condensing unit 90a, H (mm) be the height in the vertical direction, and d (mm) be the width in the direction perpendicular to the paper surface. Further, the irradiation intensity (energy density) of sunlight is set to air mass AM = 1.5 to 1 sun (100 mW / cm 2 ) at latitude near Japan, and the first surface 91 of the central optical axis of sunlight is applied. Is the incident angle of θ.
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。
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。
(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。 The energy density X obtained by the equation (2) is a ratio of the collected light intensity to the irradiation intensity of sunlight, that is, a light collection magnification expressed with reference to the energy density. Thus, the light collection magnification X obtained with the energy density as a reference is referred to as “energy light collection magnification” in the present specification.
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)
When the crossing angle formed by the first surface 91 and the second surface 92, that is, the apex angle of the light collecting portion 90a is α, and the parallel portion 91p having a thickness h (mm) is provided on the first surface 91, the third surface The height H of 93 is represented by the following formula (3).
H = h + L * tan α (3)
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。 Inventors calculated the energy condensing magnification X obtained by each type of condensing device about the case where the second surface 92 of the condensing part is the three types shown in FIGS. 3 (1) to (3). . Here, FIG. 3 is a schematic view illustrating a state in which a cross-section similar to that of FIG. 2 is partially enlarged, and light incident from the first surface is guided toward the third surface. In FIG. 3, (1) is a light collecting device of the type in which the second surface 92 is a flat polished surface and the light incident from the first surface 91 is totally reflected by the second surface 92, and (2) is a surface polished first. A condensing device of the type in which the second surface 92 is used as a reflecting surface, for example, by depositing a metal film on the two surfaces 92, and (3) a reflecting member (mirror) in which the reflecting surface 96 faces the second surface 92 through an air layer. ) 95 is provided, and the light transmitted through the second surface 92 is reflected by the reflecting surface 96 of the reflecting member 95 so as to be incident again on the condensing member from the second surface 92.
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。 3 (1) to (3), the length of the condensing part is L = 30 (mm), the incident angle θ of the central optical axis of sunlight is 72 degrees, and the viewing diameter is 0.52 degrees. When the refractive index of the member is set to n = 1.5, the state where the energy collection magnification X is maximized is illustrated for each type. Hereinafter, for convenience of explanation, (1) is referred to as “total reflection type”, (2) is referred to as “mirror type”, and (3) is referred to as “total reflection + mirror type”.
(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。
(Energy condensing magnification of total reflection type condensing device)
First, taking a total reflection type condensing device as an example, sunlight incident from the first surface 91 is totally reflected and folded by the second surface 92, propagates inside the condensing member, and is totally reflected by the first surface 91. The conditions for this will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 2, and the same reference numerals as those in FIG. For simplicity of explanation, it is assumed that there is no wavelength dispersion and no absorption of the light collecting member 90.
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。 As shown in FIG. 4, the light incident on the condensing unit 90 a from the first surface 91 at the incident angle θ is directed toward the second surface 92 at the refraction angle θ 1 corresponding to the refractive index n of the condensing member 90. Advance inside the member. At this time, the incident angle θ 2 to the second surface 92 is θ 2 = θ 1 + α, where α is the angle formed by the first surface 91 and the second surface 92, that is, the apex angle of the light collecting portion 90a. is there. The light reflected by the second surface 92 travels toward the first surface 91 inside the member, and enters the first surface 91 at an incident angle θ 3 . At this time, the incident angle θ 3 to the first surface 91 is θ 3 = θ 2 + α = θ 1 + 2α. Thereafter, the incident angle on each surface is similarly increased by α.
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。 Therefore, in the total reflection type condensing device, the incident angle θ 2 = θ 1 + α when the sunlight incident on the condensing unit 90a from the first surface 91 first enters the second surface 92 is The condition is that the angle of reflection is not less than the total reflection angle in the optical member 90.
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。
The above conditions, that is, the length L of the condensing part 90a = 30 (mm), the incident angle θ of the central optical axis of sunlight to the first surface 91 = 72 degrees, the solar viewing diameter of 0.52 degrees, By applying the refractive index n = 1.5 or the like of the optical member 90 and determining the minimum apex angle α of the total reflection type condensing device, the apex angle α = 2.6 degrees. At this time, the shape condensing magnification L / H and the like are as follows.
L / H = 30 / (0.1 + 30 * tan 2.6 °) = 20.5
・ Cos72 ° = 0.309
・ R = 79.5%
The decrease in energy arrival efficiency R of 20.5% is due to loss (Fresnel loss) due to Fresnel reflection at the incident surface (first surface) 91.
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。 When these values are substituted into the equation (2) to obtain the energy collection magnification X, the energy collection magnification X 1 of the total reflection type light collecting device is X 1 = 5.0 (sun).
(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。
(Energy condensing magnification of mirror type condensing device)
Next, in the mirror type condensing device, referring again to FIG. 4 for the conditions for the sunlight incident from the first surface 91 to be reflected and condensed by the second surface 92 and the first surface 91. I will explain.
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。 In this type of condensing device, the second surface 92 itself is a reflective surface (mirror surface) by depositing a metal film such as aluminum on the second surface 92 or by bonding a mirror to the second surface 92. It has become. Therefore, the sunlight that has entered the light collecting unit 90 a from the first surface 91 is reflected even if the incident angle θ 2 when first incident on the second surface 92 is less than the total reflection angle of the light collecting member 90. The light is reflected at the reflection angle θ 2 by the second surface 92 which is a surface. Therefore, in the mirror type condensing device, the incident angle θ 3 = θ 1 + 2α of the light reflected by the second surface 92 and incident on the first surface 91 is equal to or larger than the total reflection angle of the condensing member 90. Is a condition.
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%
Therefore, the same conditions as described above, that is, the length L of the condensing part 90a = 30 (mm), the incident angle θ of the central optical axis of sunlight to the first surface 91 = 72 degrees, and the solar viewing diameter 0.52 When the minimum apex angle α of the mirror type condensing device is obtained by applying the refractive index n = 1.5 or the like of the condensing member 90, the apex angle α = 1.3 degrees. At this time, the shape condensing magnification L / H and the like are as follows.
L / H = 30 / (0.1 + 30 * tan1.3) = 38.4
・ Cos72 ° = 0.309
・ R = 34.4%
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。 The decrease 65.6% in the energy arrival efficiency R is due to the Fresnel loss at the incident surface (first surface) 91 and the absorption loss 10% at the reflecting surface (second surface) 92. The amount of decrease in energy arrival efficiency R is large because the Fresnel loss at the incident surface is only once when the sunlight is incident on the first surface 91, but the absorption loss at the reflecting surface is the second for sunlight. This is because it increases cumulatively every time it is reflected by the surface 92.
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。 When these values are substituted into the equation (2) to obtain the energy condensing magnification X, the energy condensing magnification X 2 of the mirror type condensing device is X 2 = 4.1 (sun).
(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。
(Total reflection + Energy collection magnification of mirror type condensing device)
Next, in the total reflection + mirror type condensing device, conditions for efficiently collecting sunlight incident from the first surface 91 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view similar to FIG. 4, and the same reference numerals as those in FIG.
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。 As shown in FIG. 5, the light incident on the condensing unit 90 a from the first surface 91 at the incident angle θ is refracted at the refraction angle θ 1 corresponding to the refractive index n of the condensing member 90, and the second surface 92. Is incident at an incident angle θ 2 = θ 1 + α. In this type, in order to improve the shape condensing magnification, the incident angle θ 2 is set to be less than the total reflection angle of the condensing member 90 so that the light incident on the second surface is emitted from the second surface 92 at the emission angle θ 21 . Is set. Second surface light emitted from the 92 is reflected by the reflecting surface 96 of mirror 95, in the case where the reflecting surface 96 and parallel to the second surface 92, second surface 92 from the condensed portion 90a at an incident angle theta 21 Re-incident on. At this time, the refraction angle of light when reentering the member from the second surface 92 is θ 2, which is the same as the incident angle from the first surface 91 to the second surface 92. The light re-entered from the second surface 92 travels inside the member toward the first surface 91 and enters the first surface 91 at an incident angle θ 3 . The incident angle θ 3 to the first surface 91 is θ 3 = θ 2 + α = θ 1 + 2α. The subsequent incident angles on each surface are the same as described above, and each time the light enters each surface, it sequentially increases by α.
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。 Therefore, in the total reflection + mirror type condensing device, the sunlight that is incident on the condensing unit 90a from the first surface 91 at the incident angle θ is most efficiently condensed to the first second surface. The incident angle θ 3 = θ 1 + 2α when light that is transmitted through the second surface 92 at the time of incidence and re-entered the second surface 92 is incident on the first surface 91 is equal to or greater than the total reflection angle at the light collecting member 90. This is the case.
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%
At this time, the same conditions as those described above, that is, the length L of the light condensing part 90a = 30 (mm), the incident angle θ of the central optical axis of sunlight to the first surface 91 = 72 degrees, If the apex angle α satisfying the above condition is determined by applying the refractive index n = 1.5 or the like of the light collecting member 90 at 52 degrees, the angle range is 1.3 degrees ≦ α. In the present technology, the apex angle α is set to an angle in the vicinity of the minimum value in this angle range, specifically, 1.27 degrees or more (about 3% with respect to the minimum value). In this configuration example, the apex angle α is set to 1.3 degrees. At this time, the shape condensing magnification L / H and the like are as follows.
L / H = 30 / (0.1 + 30 * tan1.3) = 38.4
・ Cos72 ° = 0.309
・ R = 71.7%
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。 The decrease 28.3% in the energy arrival efficiency R is due to the Fresnel loss at the incident surface (first surface 91 and second surface 92) and the absorption loss 10% at the reflecting surface 96 of the mirror. However, since the light re-entering the condensing unit 90a from the second surface 92 is then totally reflected and collected by the first surface 91 and the second surface 92, the energy loss due to absorption of the reflecting surface is once. Only.
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。 When these values are substituted into the equation (2) to determine the energy collection magnification X, the energy collection magnification X 3 of the total reflection + mirror type light collecting device is X 3 = 8.5 (sun). .
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。
From the above, when the incident angle θ of the central optical axis of sunlight is θ = 72 degrees, the energy condensing magnification X of the three types of condensing devices is compared as follows.
-Total reflection type condensing device: Energy condensing magnification X 1 = 5.0 (sun)
-Mirror type condensing device: Energy condensing magnification X 2 = 4.1 (sun)
-Total reflection + mirror type condensing device: energy condensing magnification X 3 = 8.5 (sun)
It can be seen that, under the condition where the incident angle θ of sunlight is 72 degrees, the energy collection magnification of total reflection + mirror type is the highest.
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。 The incident angle θ of the central optical axis of sunlight is changed in the range of θ = 64 to 84 degrees, and the energy condensing magnification X (X 1 , X 2 , X 3 ) is similarly calculated for each type of condensing device. FIG. 6 shows the result of summarizing the results into a graph. In the figure, in order from the left, a total reflection type, a mirror type, and a total reflection + mirror type are obtained, and each is obtained at each incident angle when the incident angle is changed at a pitch of 4 degrees in the range of θ = 64 to 84 degrees. The energy collection magnification is shown by a bar graph. As the apex angle α, a minimum incident angle is applied to each incident angle for each type.
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。 From FIG. 6, in the range of incident angle θ of sunlight = 64 to 84 degrees, the total reflection + mirror type condensing device has the highest energy collection magnification at any incident angle, and the total reflection + mirror type is compared. It can be seen that even when θ = 64 degrees and 84 degrees where the target energy collection magnification is low, it is higher than the maximum energy collection magnification obtained by other types. It can also be seen that in the total reflection + mirror type condensing device, the energy condensing magnification becomes maximum when the incident angle is θ = 76 degrees. The energy collection magnification calculated at this time is X 3 = 9.1.
(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。
(First configuration form)
Hereinafter, a more specific configuration form of the total reflection + mirror type condensing device will be described. The schematic block diagram of the condensing apparatus 1 of a 1st structure form is shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view along a plane along which light traveling along the central optical axis of sunlight refracts in the same manner as the above-described drawings.
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。 In the condensing device 1, a prism-shaped condensing portion 10 a is formed by a first surface 11 that is a light receiving surface, a second surface 12 that intersects the first surface at an apex angle α, and a third surface 13 that is orthogonal to the first surface. The light condensing member 10 and the reflecting member 15 disposed opposite to the second surface 12 via the separation layer 17, and the light transmitted through the second surface 12 out of the light incident from the first surface 11, It is configured to be reflected by the reflecting surface 16 of the reflecting member 15 and re-enter the light collecting unit 10a from the second surface 12. FIG. 1 shows a configuration in which a photoelectric conversion element (solar cell) 18 is disposed on the third surface 13 to form a photovoltaic device PVS1.
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。 The condensing member 10 is formed of a transparent material having optical transparency with respect to the wavelength of the condensed light. In the condensing device of this configuration, a transparent material having light transmittance corresponding to the spectral distribution of sunlight (see FIG. 7) is used. Examples of such a transparent material include various optical glasses represented by BK7, and transparent resin materials such as PMMA (polymethyl methacrylate) and PC (polycarbonate). The first to third surfaces 11 to 13 are formed by optical polishing flat. Note that the length L of the light collecting unit 10a, the width d in the direction perpendicular to the paper surface, and the like can be arbitrarily set depending on the size of the photoelectric conversion element 18, the scale of the system in which the light collecting device 1 is used, and the like. In the present configuration, optical glass having a refractive index n = 1.5 is used, L = 30 (mm), and the apex angle α of the light collecting portion 10a is 0.8 °.
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。 The reflection member 15 includes a reflection surface 16 that faces the second surface 12 of the light collecting member. In the illustrated configuration example, aluminum is deposited on the upper surface of the base material formed in the same shape as the light collecting member 10 (the outer surface of the light collecting member 10 corresponding to the second surface 12) to form a reflective surface (mirror surface). The formed structure is illustrated. In addition, what is necessary is just to form a reflective surface with a high reflectance with respect to the wavelength band of sunlight, for example, silver, gold | metal | money, copper, etc. may be vapor-deposited and a reflective surface may be formed. An appropriate protective film or the like may be formed according to the material to be deposited. By forming the reflective surface 16 by aluminum vapor deposition, the manufacturing cost of the reflective member 15 can be reduced. On the other hand, by using the reflecting member 15 as a silver or gold coated mirror, the absorption loss on the reflecting surface can be reduced and the energy condensing magnification can be increased.
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。 The separation layer 17 optically separates the second surface 12 of the light collecting member 10 and the reflective surface 16 of the reflective member 15. The spacing layer 17 in this configuration example is an air layer, and an air gap is formed between the second surface 12 of the light collecting member and the reflecting surface 16 of the reflecting member. The separation layer 17 may be any layer as long as it has a lower refractive index than the light condensing member and can optically separate the second surface 12 and the reflection surface 16. What is necessary is just to be larger than the wavelength (for example, 420-800 nm) of a region with a high energy density.
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。 Considering general processing accuracy (waviness / roughness) of the second surface 12 of the condensing member and the reflecting surface 16 of the reflecting member, an air gap of at least about 1 μm is generated when the two are overlapped. This air gap is thick enough to optically separate the second surface 12 and the reflecting surface 16 for light in a wavelength band in which the energy density of sunlight is high. For this reason, the second surface 12 and the reflecting surface 16 are arranged to face each other via a required separation layer 17 only by placing and fixing the second surface 12 of the light collecting member 10 on the reflecting surface 16 of the reflecting member 15. Is done. Thereby, the condensing apparatus 1 can be comprised with a simple structure.
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。 In addition, a spacer having a thickness of about several μm or more is provided between the second surface 12 of the light collecting member and the reflecting surface 16 of the reflecting member (for example, the four corners of the opposing surface). 17 may be formed. According to such a structure, the 2nd surface 12 and the reflective surface 16 can be optically isolate | separated reliably about the whole wavelength band of sunlight.
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。 In the condensing device 1 configured in this manner, the light incident from the first surface 11 at the incident angle θ and transmitted through the second surface 12 is reflected by the reflecting member disposed via the separation layer 17. 16 and then re-enters the condensing part 10a from the second surface 12 at a refraction angle θ 2 = θ 1 + α (see FIG. 5). The light re-entered from the second surface travels through the condensing unit and enters the first surface 11 at an incident angle θ 3 = θ 1 + 2α. The incident angle θ 3 is equal to or greater than the total reflection angle of the light collecting member 10 having a refractive index n = 1.5, and this light is totally reflected by the first surface 11 toward the second surface 12, and the second surface. 12 is incident at an incident angle θ 4 = θ 1 + 3α (not shown).
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。 As a matter of course, the incident angle θ 4 exceeds the total reflection angle of the light collecting member 10, is totally reflected by the second surface 12, and goes toward the first surface 11 again. Thereafter, in the same manner, the first surface 11 and the second surface 12 are totally reflected and turned back, and the incident angle θ n to each surface gradually increases (that is, the light traveling direction gradually approaches the horizontal left). The light is condensed toward the third surface 13. The third surface 13 is an exit surface of the light collector 1, and the light that has been condensed and reaches the third surface 13 exits from the third surface 13. In the configuration example shown in the figure, light emitted from the light collecting device 1 enters the photoelectric conversion element 18 and is converted into electric power.
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。 The condensing device 1 configured as described above has a significantly higher energy condensing magnification X as compared with conventional total reflection type condensing devices and mirror type condensing devices. Even in the case of a general aluminum vapor deposition film, X reaches 9.1 (sun). Therefore, according to the condensing device 1 having such a configuration, it is possible to provide a condensing device that can condense light energy such as sunlight more efficiently by suppressing energy loss in the condensing process. . In addition, when the reflecting surface 16 of the reflecting member 15 is Ag coated or Au coated, the energy collection magnification can be further increased.
(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。
(Second configuration form)
Next, the condensing device 2 of a 2nd structure form is demonstrated with reference to FIGS. Here, FIG. 8 is an explanatory diagram showing the schematic configuration of the condensing device 2 and the condensing unit in an enlarged manner. FIG. 9 is an explanatory diagram comparing the reflection state of light rays in the vicinity of the second surface of the (1) mirror type condensing device and (2) total reflection + mirror type condensing device. FIG. 10 shows the energy arrival efficiency when the tilt angle γ of the central optical axis of sunlight incident on the condensing lens 29 is changed for the mirror type condensing device and the total reflection + mirror type condensing device 2. 6 is a graph showing how R changes.
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。 The condensing device 2 is broadly classified into a total reflection + mirror type condensing unit 20a and a condensing unit 20b that guides light whose incident angle to each surface is increased by the condensing unit. The optical member 20, the condensing lens 29 that condenses the sunlight on the second surface 22 that is provided opposite to the first surface 21 of the condensing unit 20 a, and the reflecting surface 26 are interposed via a separation layer (air layer) 27. And the reflecting member 25 disposed opposite to the second surface 22 as a main component. Then, the light incident from the first surface 21 through the condensing lens 29 is transmitted through the second surface 22 and reflected by the reflecting surface 26, and reenters the condensing unit 20a from the second surface 22. The surface 21 is configured to be totally reflected.
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。 The condensing device 2 of this configuration form is basically the point that the incident angle θ of the central optical axis of sunlight with respect to the first surface 21 that is the incident surface is basically 0 degrees, and the sunlight is condensed. The light collecting and incident on the second surface 22 through the lens 29 is different from the light collecting device 1 of the first configuration form. FIG. 8 shows a configuration example in which a photoelectric conversion element (solar cell) 28 is disposed at the end of the light guide 20b to form the photovoltaic device PVS2.
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。 The condensing member 20 of this configuration form includes a total reflection + mirror type condensing unit 20a and a light guide unit 20b that guides light whose incident angle is increased by the condensing unit 20a. The condensing unit 20a is configured in a prismatic shape or wedge shape having a triangular cross-sectional view by a first surface 21 that is a light receiving surface and a second surface 22 that intersects the first surface 21 at an apex angle α. The light guide portion 20b includes a first surface 21 extending from the light collecting portion 20a and extending rightward, a fourth surface 24 that intersects the second surface 22 at an obtuse angle and extends parallel to the first surface 21, and a paper surface. And front and rear side surfaces (not shown). The third surface 23, which is the exit surface, moves to the right due to the provision of the light guide portion 20b, and is formed at the end portion (right end in the drawing) of the light guide portion 20b opposite to the light condensing portion 20a. .
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。 The condensing lens 29 is provided above the first surface 21 so as to face the first surface, and the second surface passes through the first surface 21 with sunlight whose central optical axis is irradiated substantially perpendicularly to the first surface 21. 22 is focused and incident. In the illustrated configuration example, the condensing lens 29 is an aspherical lens having a rectangular size of 10 (mm) × 10 (mm), a focal length f = 20 (mm), and a refractive index of 1.5. A case where the central optical axis is perpendicularly incident on the condenser lens 29 will be illustrated. At this time, the incident angle θ of the central optical axis of sunlight entering the first surface 21 through the center of the condenser lens 29 is 0 degree.
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。 The positive / negative of the inclination γ (see FIG. 8) of the central optical axis of sunlight with respect to the condenser lens 29 is + (plus) when the sun is inclined to the left in FIG. Let-(minus). In FIGS. 8 and 11, ray tracing is performed by setting the sun's viewing diameter to 0.52 degrees (± 0.26 degrees with respect to the central optical axis).
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。 The condensing member 20 is formed of a transparent material having optical transparency with respect to the wavelength of the light to be condensed, like the condensing member 10 described above. In this configuration example, PMMA having a refractive index n = 1.5 is used, the height H of the light collecting unit 20a and the light guide unit 20b × the width d in the direction perpendicular to the paper surface is 1 (mm) × 1 (mm) The length of the light guide part 20b including the part 20a was set to 100 (mm).
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。 The reflecting member 25 is configured to have a reflecting surface 26 that faces the second surface 22 of the light collecting member. In the figure, a configuration using an aluminum vapor deposition mirror in which the reflecting surface 26 is the same as or slightly larger than the second surface is illustrated. As described above, a silver cord mirror, a gold coat mirror, or the like may be used.
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。 The separation layer 27 optically separates the second surface 22 of the light collecting member 20 and the reflection surface 26 of the reflection member 25. In this configuration example, the separation layer 27 is an air layer, and an air gap is formed between the second surface 22 of the light collecting member and the reflection surface 26 of the reflection member. The thickness of the separation layer 27 is not particularly limited as long as the second surface 22 and the reflection surface 26 can be optically separated. Specifically, the wavelength of a region having a high energy density in the wavelength distribution of sunlight (for example, Larger than 420 to 800 nm). For this reason, the second surface 22 and the reflecting surface 26 are disposed to face each other with a required separation layer 27 only by overlapping the reflecting surface 26 of the reflecting member 25 on the second surface 22 of the light collecting member 20 and fixing it. . Thereby, the condensing apparatus 2 can be comprised with a simple structure.
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。 Note that a spacer having a thickness of about several μm or more is provided between the second surface 22 of the light condensing member and the reflecting surface 26 of the reflecting member (for example, the four corners of the opposing surface), and the separation layer 27. May be formed. According to such a structure, the 2nd surface 22 and the reflective surface 26 can be optically isolate | separated reliably about the whole wavelength band of sunlight.
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。 Here, in the condensing device 2 of this configuration form, sunlight is collected by the condensing lens 29 and enters from the first surface 21. At this time, the light on the central optical axis that enters the first surface 21 through the center of the lens has an incident angle θ = 0 ° to the first surface, and the second surface 22 has the top of the condensing unit 20a. Incident at an angle α. Also, the incident angle to the second surface 22 differs between the light passing through the center of the lens and the light passing through the edge away from the center. In the figure, the incident angle of the light passing through the left end side is the largest, and the light passing through the right end side The incident angle is the smallest. Therefore, in the total reflection type, the mirror type, and the total reflection + mirror type condensing device, the apex angle α of the condensing unit 20a is different from that of the condensing device 1 of the first configuration described above.
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。 First, in the total reflection type, the condition is that the incident angle when the light incident from the first surface 21 first enters the second surface 22 is equal to or greater than the total reflection angle of the light collecting member 20. When the minimum apex angle α satisfying this condition is obtained, α = 52 degrees. On the other hand, in the mirror type, the condition is that the incident angle when the light reflected by the second surface 22 enters the first surface 21 is equal to or greater than the total reflection angle of the light collecting member 20. When the minimum apex angle α satisfying this condition is obtained, α = 26 degrees. Further, in the total reflection + mirror type, the incident angle when the light transmitted through the second surface 22 and reflected by the reflection surface 26 is incident on the first surface 21 is equal to or greater than the total reflection angle of the light collecting member 20. It is a condition. The angle range of the apex angle that satisfies this condition is 26 to 51 degrees, and the minimum apex angle is α = 26 degrees.
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。 Since the azimuth and altitude of the sun change with time, such three types of light collecting devices require a tracking device that tracks the sun. At this time, in order to make the light condensed by the condensing lens 29 surely enter the second surface 22, the area of the second surface 22 viewed from the condensing lens 29 side is large. It is desirable that the apex angle α of the portion 20a is small. Therefore, in the following, a mirror type having a relatively small apex angle α and a total reflection + mirror type will be compared. The mirror-type condensing device is a condensing device in which aluminum is deposited on the second surface 22 of the condensing member in the total reflection + mirror-type condensing device 2 and the second surface itself is a mirror surface. The second surface of the mirror type light condensing device different from the total reflection + mirror type light condensing device 2 is denoted by the symbol “′” and represented as a second surface 22 ′.
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。 FIG. 9 is a comparison of the reflected state of light rays in the vicinity of the second surface of the (1) mirror type condensing device and (2) total reflection + mirror type condensing device. In the figure, a partial enlarged view of each part surrounded by a frame and denoted by a, b, c, d is shown. (1) a and b in the figure are the reflection states of light rays in the vicinity of the second surface in the mirror type condensing device, and a is the first state of the light incident from the first surface 21 on the second surface 22 '. The reflection state, b is the second reflection state on the second surface 22 '. (2) c and d in the figure are the total reflection + the reflection state of the light beam near the second surface in the mirror type condensing device 2, and c is the vicinity of the second surface of the light incident from the first surface. The first reflection state, d is the second reflection state near the second surface. In both types, the inclination angle γ (see FIG. 8) of the central optical axis of sunlight with respect to the condenser lens 29 is −2 degrees.
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。 In the mirror type condensing device of FIG. 9 (1), the reflection of the light incident from the first surface 21 into the condensing unit 20a near the second surface is the second surface 22 ′, that is, the first and second times. It is reflection by the reflective surface in which the aluminum vapor deposition film was formed. Thereafter, the light guide 20 b is totally reflected by the first surface 21 and the fourth surface 24 and reaches the third surface 23. In the condensing device of this form, the light incident from the first surface 21 causes an absorption loss at the reflecting surface every time it is reflected by the second surface 22 '. The energy reaching efficiency R of the mirror type condensing device calculated under these conditions was 64%.
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。 In the total reflection + mirror type condensing device 2 in FIG. 9B, the first reflection of the light incident from the first surface 21 into the condensing unit is reflected on the reflecting surface of the reflecting member 25. The reflection by 26 and the second reflection are total reflection by the second surface 22. Thereafter, the light guide 20 b is totally reflected by the first surface 21 and the fourth surface 24 and reaches the third surface 23. Therefore, the light incident from the first surface 21 has an absorption loss at the reflection surface 26 at the first reflection, and a Fresnel loss occurs at the second surface 22 again. However, the second and subsequent reflections by the second surface 22 are total reflection, and no energy loss occurs. The energy arrival efficiency R of the total reflection + mirror type condensing device 2 calculated under these conditions was 71%.
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。 FIG. 10 shows the inclination angle γ of the central optical axis of sunlight incident on the condensing lens 29 in the range of −3 degrees to +3 degrees for the mirror type condensing device and the total reflection + mirror type condensing device 2. It is the graph which showed the mode of the change of the energy arrival efficiency R when changing. In the figure, the horizontal axis represents the inclination angle γ of the central optical axis of sunlight incident on the condensing lens 29, the left vertical axis represents energy arrival efficiency R, and the right vertical axis represents total reflection + energy of the mirror type condensing device 2. It is a difference ΔR in energy arrival efficiency obtained by subtracting the energy arrival efficiency of the mirror type light collecting device from the arrival efficiency.
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。 From this figure, the total reflection + mirror type condensing device 2 has higher energy efficiency or equivalent in the entire range of sunlight inclination angle γ = −2 degrees to +2 degrees, which is a substantial use range. ing. In particular, in the range of the inclination angle γ = −2 degrees to −1 degree, the total reflection + mirror type condensing device 2 clearly has higher energy arrival efficiency R, and the difference ΔR reaches a maximum of 7%. .
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。 In addition, in the range where the inclination | tilt angle (gamma) of sunlight is 0 degree-+2 degree, energy arrival efficiency R is substantially equivalent. This is because the number of reflections in the vicinity of the second surface is as small as two in the illustrated configuration example, the total reflection + Fresnel loss that occurs when re-entering the second surface 22 in the mirror type, and the second time in the mirror type. It is considered that the absorption loss generated at the time of reflection on the second surface 22 ′ is almost equal, that is, the effect of zero loss due to total reflection on the second surface 22 is not sufficiently exhibited. In other words, in the configuration in which the number of reflections in the vicinity of the second surface is 3 or more, the difference ΔR in energy arrival efficiency becomes larger in a wider angle range, and the superiority of the total reflection + mirror type condensing device is exhibited. It is thought that.
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。 Therefore, according to the condensing device 2 having such a configuration, it is possible to provide a condensing device that can condense light energy such as sunlight more efficiently by suppressing energy loss in the condensing process. .
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。 And according to the photovoltaic devices PVS1 and PVS2 in which the photoelectric conversion elements 18 and 28 are provided on the third surfaces (outgoing surfaces) 13 and 23 of the light collecting devices 1 and 2 as described above, the light energy of sunlight is increased. A photovoltaic device that can be used with high efficiency can be provided.
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。 The condensing devices 1 and 2 can be applied not only to a photovoltaic device that converts the light energy of the collected sunlight into electric energy, but also to other forms of energy, for example, devices that convert it into thermal energy. In this case, the light energy collected from the third surfaces 13 and 23 of the light collecting member is incident on a heat pipe with a light absorber, and the collected light energy can be photothermally converted into heat energy.
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
PVS1 Photovoltaic device PVS2 Photovoltaic device 1 Condensing device 10 of the first configuration form Condensing member (10a condensing part) 11 First surface 12 Second surface 13 Third surface 15 Reflecting member 16 Reflecting surface 18 Photoelectric conversion element ( Solar cell)
2 Condensing device 20 of 2nd composition form Condensing member (20a Condensing part, 20b Light guide part) 21 1st surface 22 2nd surface 23 3rd surface 24 4th surface 25 Reflective member 26 Reflective surface 28 Photoelectric conversion element (Solar cell)
29 Condensing lens L Length of the condensing portion H Height of the condensing portion α Vertex angle of the condensing portion (intersection angle between the first surface and the second surface)
γ Inclination of the central optical axis of sunlight relative to the condenser lens θ Incident angle on the first surface
Claims (5)
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。 A first surface on which received light is incident and a second surface that intersects the first surface at an acute angle are formed of a transparent material, and light incident on the inside of the member is transmitted between the second surface and the first surface. A condensing member having a prism-like condensing part that condenses light by being reflected multiple times between,
A reflective member provided with a reflective surface facing the second surface,
The light converging unit receives light incident on the first surface at an incident angle θ, passes through the second surface, is reflected by the reflecting surface, and reenters the light condensing unit from the second surface. The incident light is configured to be totally reflected by the first surface, and
The intersection angle α between the first surface and the second surface is an angle near a minimum value in an angle range in which the re-incident light is totally reflected by the first surface. .
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。 The received light is sunlight,
3. The light collecting device according to claim 1, wherein the intersection angle α is set in consideration of a visual diameter of sunlight.
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。 The light collecting device according to any one of claims 1 to 4,
The photovoltaic device provided with the photoelectric conversion element which photoelectrically converts the light condensed by the said condensing member.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2015130389A (en) * | 2014-01-07 | 2015-07-16 | 株式会社ニコン | Light condensing device, photovoltaic power generator, and method for manufacturing light condensing device |
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