JP2009229581A - Light collecting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、太陽光の集光に好適な集光装置に関する。 The present invention relates to a light collecting device suitable for collecting sunlight, for example.
現在、太陽光発電(PV:photovoltaic power generation)の方式として、受光面に受光発電部(太陽電池)を敷き詰めた平板方式が多く用いられている。平板方式の太陽光発電装置(平板型PV装置)は、設置面積の形状で光を集光する機能を有するため、太陽の向きを追尾する必要がなく、設置が容易である。しかし、平板型PV装置は、設置面積全体に太陽電池を敷き詰めるため、高価である。 Currently, as a method of photovoltaic power generation (PV), a flat plate method in which a light receiving power generation unit (solar cell) is spread on a light receiving surface is often used. A flat panel solar power generation device (flat PV device) has a function of condensing light in the shape of an installation area, and therefore does not need to track the direction of the sun and is easy to install. However, the flat plate type PV device is expensive because a solar cell is spread over the entire installation area.
そこで、近年、太陽光発電の更なる普及のために、PV装置の低価格化が求められている。そのため、コストの大半を占める太陽電池の枚数を少なくすることが求められている。 Thus, in recent years, there has been a demand for lower prices of PV devices in order to further spread solar power generation. Therefore, it is required to reduce the number of solar cells that occupy most of the cost.
このような背景から、常に太陽方向へ向けた集光レンズなどによって比較的小径の太陽電池面に太陽光を集光して効率的な発電を行うようにした集光型PV装置が普及しつつある(例えば、特許文献1参照)。集光レンズとしてはフレネルレンズを使用することが多い。このように、集光型PV装置では、受光面をフレネルレンズで構成して太陽光を数百倍に集光することにより、太陽電池の枚数を少なくしている。これにより、集光型PV装置は、平板型PV装置に比べて、太陽電池の使用コストを数十分の一に削減することができる。
しかしながら、集光型PV装置にあっては、太陽光の向きを追尾する必要がない平板型PV装置と対照的に、集光レンズ(フレネルレンズ)の向きが僅かに太陽方向から外れると、太陽電池の受光面上の照度が急激に低下して発電量が大きく減少する。このため、集光型PV装置では、太陽光の向きを正確に検知し、その向きにフレネルレンズの法線面を合わせる必要がある。このときの角度のずれは、太陽電池のサイズと集光率に依存するが、例えば、±1度以内が要求される。このため、集光型PV装置では、正確な太陽光追尾機能が必須となっている。 However, in the condensing type PV device, in contrast to the flat plate type PV device that does not need to track the direction of sunlight, when the direction of the condensing lens (Fresnel lens) slightly deviates from the solar direction, The illuminance on the light-receiving surface of the battery is drastically reduced and the amount of power generation is greatly reduced. For this reason, in the concentrating PV device, it is necessary to accurately detect the direction of sunlight and to align the normal surface of the Fresnel lens with that direction. The angle deviation at this time depends on the size of the solar cell and the light collection rate, but is required to be within ± 1 degree, for example. For this reason, an accurate solar light tracking function is essential in the concentrating PV device.
ところが、例えば、家庭用の3kW程度の集光型PV装置の場合、太陽光追尾装置は、受光面だけで10m2程度あり、しかも屋外に設置され強風に耐える強度も要求される。このため、家庭用の集光型PV装置でさえも、大掛かりな装置となり、設置費用を含めると当初のコストメリットを危うくしている。 However, in the case of a concentrating PV device of about 3 kW for home use, for example, the solar light tracking device has only about 10 m 2 on the light receiving surface, and is required to be installed outdoors and to withstand strong winds. For this reason, even a concentrating PV device for home use becomes a large-scale device, and if the installation cost is included, the initial cost merit is jeopardized.
このような理由から、現在、太陽光追尾の必要がない集光型PV装置の開発が強く求められている。 For these reasons, there is a strong demand for the development of a concentrating PV device that does not require solar tracking.
本発明者は、鋭意努力の結果、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い、全く新しい集光装置および方法を編み出し、この集光装置および方法を利用すれば、軽量かつ安価に、太陽光追尾の必要がない集光型PV装置を実現できることを見出した。 As a result of diligent efforts, the present inventor can manufacture a large amount at a low cost with a simple configuration, and can efficiently collect light incident at a wide range of angles, and is convenient and versatile. It has been found that a completely new condensing device and method having high performance can be devised, and if this concentrating device and method are used, a concentrating PV device that is light and inexpensive and does not require solar tracking can be realized.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, can be manufactured inexpensively in a large amount with a simple configuration, and can efficiently collect light incident at a wide range of angles, Another object of the present invention is to provide a light collecting device and a light collecting method that are highly convenient and versatile.
本発明の集光装置は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、外部から照射される光を入射させて前記平面構造の法線方向に導く集光部と、前記集光部からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する配光部と、前記配光部からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く線状の導光部と、前記導光部からの光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する光圧縮制御部と、を有する構成を採る。 The light collecting device of the present invention is a sheet-type light collecting device having a planar structure, in which light irradiated from the outside is incident and guided in the normal direction of the planar structure; and the light collecting portion A light distribution part that makes light from the incident light incident and reflects and refracts the light in a predetermined direction, and a line that makes light from the light distribution part incident and totally reflects the light in a predetermined direction. And a light compression control unit that makes light from the light guide unit incident and compresses and distributes the light in a predetermined target direction.
本発明の集光方法は、平面構造を有するシート型の集光装置における集光方法であって、外部から照射される光を集光部に入射させて前記平面構造の法線方向に導く工程と、前記集光部からの光を配光部に入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する工程と、前記配光部からの光を線状の導光部に入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く工程と、前記導光部からの光を光圧縮制御部に入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する工程と、を有するようにした。 The condensing method of the present invention is a condensing method in a sheet-type condensing device having a planar structure, and is a step of introducing light irradiated from the outside into the condensing part and guiding it in the normal direction of the planar structure And the step of causing the light from the light collecting unit to enter the light distribution unit and distributing the light in a predetermined direction while reflecting and refracting the light inside, and the light from the light distribution unit to the linear light guide unit And guiding the light in a predetermined direction while totally reflecting the light inside, and making the light from the light guide unit enter the light compression control unit and compress it to distribute the light in a predetermined target direction. I did it.
具体的には、本発明では、例えば、地上に固定されたシート形状の集光装置(集光シート)により集光を行う。集光シートでは、当該シート表面に照射される太陽光および散乱光を集光部から当該シート内部に取り込む。集光部は、反射光を最小限に抑えて広範囲の角度の入射光を当該シート内部に取り込むことができる機能および形状を有する。当該シート内部に取り込まれた入射光は、配光部により、当該シート平面上の線状の導光部の方向に配光される。配光部は、集光部により取り込まれた入射光を線状導光部に効率的に配光するための立体構造および線状導光部との接触形状を有する。線状導光部は、好ましくは、複数の線状の導光路を有する。光圧縮制御部は、複数の線状導光路からの入射光を1つにまとめることによって入射光のエネルギー密度を高める。この光圧縮機能を繰り返すことにより更にエネルギー密度を増加させることもできる。 Specifically, in the present invention, for example, light is collected by a sheet-shaped light collecting device (light collecting sheet) fixed on the ground. In the light collecting sheet, sunlight and scattered light irradiated on the surface of the sheet are taken into the sheet from the light collecting unit. The condensing unit has a function and a shape capable of taking incident light in a wide range of angles into the sheet while minimizing reflected light. Incident light taken into the sheet is distributed by the light distribution unit in the direction of the linear light guide on the sheet plane. The light distribution unit has a three-dimensional structure for efficiently distributing incident light taken in by the light collecting unit to the linear light guide and a contact shape with the linear light guide. The linear light guide section preferably has a plurality of linear light guide paths. The optical compression control unit increases the energy density of incident light by combining incident light from a plurality of linear light guides into one. By repeating this optical compression function, the energy density can be further increased.
本発明の他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、前記表面形状部は、前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、構成を採る。 Another condensing device of the present invention is a sheet-like condensing device that condenses light emitted from one surface and emits it from the other surface, and is formed on at least the one surface, and the irradiation A surface shape portion having a surface shape that allows not only the incident light to be directly incident on the inside but also the external reflected light caused by the irradiated light to be incident on the inside. A configuration is adopted in which light irradiated at an arbitrary angle from one surface side is incident on the inside by repeating reflection and refraction at the boundary surface.
本発明のさらに他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第1の表面形状部と、前記他方の表面に形成され、前記第1の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第2の表面形状部と、を具備し、前記第1の表面形状部および前記第2の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、構成を採る。好ましくは、本集光装置は、平板状の平板部、をさらに具備し、前記第1の表面形状部および前記第2の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている。 Still another light collecting device of the present invention is a sheet-like light collecting device that collects light emitted from one surface and emits the light from the other surface, and is formed on the one surface, and the irradiation Formed on the other surface, the first surface shape portion having a surface shape that allows not only the incident light to be directly incident on the inside but also the external reflected light caused by the irradiated light to be incident on the inside. A second surface shape portion having the same or substantially the same surface shape as the first surface shape portion, and the first surface shape portion and the second surface shape portion are vertically symmetrical. Or the structure arrange | positioned substantially vertically is taken. Preferably, the light collecting device further includes a flat plate portion, and the first surface shape portion and the second surface shape portion are vertically symmetrical or substantially vertically symmetrical with respect to the flat plate portion. Is arranged.
本発明によれば、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ高い利便性・汎用性を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a large amount at a low cost with a simple configuration, and it is possible to efficiently collect light incident at a wide range of angles, and realize high convenience and versatility. can do.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る集光装置の構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the light collecting apparatus according to
図1に示す集光装置100は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、例えば、太陽光などの自然光(散乱光など周囲に存在する周辺光を含む)をシート形状の平面上に集光し、特定の方向に配光する機能を有する。このシート型集光装置100は、各種の光応用システム(例えば、集光型PVや太陽光照明、バックライトなど)に対する太陽光利用の利便性を向上させ、安価な光応用システムを提供することを目的としている。
A
このシート型集光装置(以下「本装置」ともいう)100は、大別して、法線集光部110、法線配光部120、線状導光部130、および光圧縮制御部140で構成されている。
The sheet-type light collecting device (hereinafter also referred to as “this device”) 100 is roughly composed of a normal
法線集光部110は、外部から照射される光(太陽光その他周辺光)を入射させて本装置100の法線方向に導く機能を有する。具体的には、法線集光部110は、本装置100の法線方向から任意の角度で斜めから入射した光をその法線方向に取り込み(集光し)、法線配光部120の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。このように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえることにより、法線配光部120の構成(形状)を容易にすることができる。後で詳述するように、法線集光部110は、例えば、マイクロレンズをアレイ状に配列した構成を有する。なお、入射光が法線方向からずれるほど反射光が多くなり、例えば、空気中からの入射の場合、入射角が80°で透過率が50%程度になるため、斜めから入射する際に限界となる角度として、80°程度を想定することができる(ただし、上記のように完全になくなるわけではない)。
The normal
法線配光部120は、法線集光部110からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する機能を有する。具体的には、法線配光部120は、法線集光部110からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部130の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。後で詳述するように、法線配光部120は、複数の法線配光路によって構成されている。各法線配光路は、例えば、上記アレイ状の各マイクロレンズの位置に配置されている。なお、エネルギー効率の観点からは、入射光を法線配光部120の内部で全反射のみを利用して線状導光部130に配光することが好ましいが、実際問題として、全反射のみでは広範囲の入射光を線上導光部130に配光することは困難である。そこで、本実施の形態では、法線配光部120の形状をなるべく全反射になるような形状にしつつも、全反射だけではなく反射と屈折も利用するようにしている。
The normal
線状導光部130は、法線配光部120からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。具体的には、線状導光部130は、法線配光部120からの光を入射させて内部で全反射させつつ、所定の一方向に線状に圧縮集光し、光圧縮制御部140の内部に入光(転送)させる機能を有する。後で詳述するように、線状導光部130は、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路(以下「線状導光路」という)を有する。線状導光路は、例えば、透明のシート基板上に印刷して形成されている。また、線状導光路には、複数の法線配光路が接続されている。なお、本明細書において、光の「圧縮」とは、光を集めるなどして光のエネルギー密度を高めることをいう。
The linear
光圧縮制御部140は、線状導光部130の内部を進む光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する機能を有する。具体的には、光圧縮制御部140は、全反射を繰り返しながら線状導光部130(複数の線状導光路)の内部を進んで入射した光をまとめて高圧縮光(高圧縮された光)に変換し、光応用システム部200に入光(転送)させる機能を有する。後で詳述するように、光圧縮制御部140は、例えば、平面レンズの作用により圧縮光を細線化して更にエネルギー密度を高めるようにしている。
The light
なお、光応用システム部200は、用途に応じて各種のシステムが考えられる。例えば、光応用システム部200として、上記のように、集光型PVや太陽光照明、バックライトなどが考えられる。いずれにしろ、光応用システム部200は、シート型集光装置100(特に光圧縮制御部140)から入射した光を当該光応用システムに合わせて変換する機能を有する。具体的には、例えば、集光型PVの場合は、シート型集光装置100からの入射光(高圧縮光)を光発電素子(太陽電池)に照射する。また、太陽光照明に直接使用する場合は、例えば、シート型集光装置100からの入射光(高圧縮光)を光拡散シートに直接転送する。また、バックライトの光源として使用する場合は、例えば、2次元分光プリズムを平面シートに形成しておき、この2次元分光プリズムを用いてシート型集光装置100からの入射光(高圧縮光)を所定の色(RGB)に分光して出力する。
The optical
上記各構成要素のうち、少なくとも法線集光部110、法線配光部120、および線状導光部130の一部は、同一基板上に形成されている。具体的には、例えば、平面状のシート基板上に線状導光部130(複数の線状導光路)の一部が形成され、この一部の線状導光部130(各線状導光路)上に法線配光部120(複数の法線配光路)が配置され、この法線配光部120(各法線配光路)上に法線集光部110(各マイクロレンズ)が配置されている。後で詳述するように、少なくとも法線配光部120および線状導光部130は、透明のシート基板上に、好ましくは、スクリーン印刷により形成される。
Among the components described above, at least a part of the normal
また、好ましくは、シート基板上の法線集光部110、法線配光部120、および線状導光部130の一部は、所定の単位でユニット化されている。以下、このユニット化された単位構造の部分を「平面集光シート部」と呼ぶことにする。この平面集光シート部150は、外部の光を線状の特定方向に集光する機能を有する。また、法線集光部110および法線配光部120を持たず、専ら線状導光部130のみからなる単位構造の部分を「線状導光シート部」と呼ぶことにする。この線状導光シート部160は、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く(転送する)機能を有する。この場合、シート型集光装置100は、少なくとも平面集光シート部150と光圧縮制御部140で構成され、必要に応じて線状導光シート部160をさらに有する。もちろん、好ましくは、光圧縮制御部140も、平面状の基板上に形成されてユニット化されている。以下、特にこのユニット化された光圧縮制御部を「光圧縮シート部」と呼ぶことにする。したがって、このようにそれぞれユニット化された平面集光シート部150、線状導光シート部160、および光圧縮シート部170を適宜組み合わせることにより、高い自由度で、用途や環境に応じて、適当なサイズと形状のシート型集光装置100を容易に設置することができる。特に平面集光シート部150は、水平方向のみならず垂直方向にも組み合わせることができる。すなわち、平面集光シート部150は、同一平面上水平方向に複数配置したり、上下垂直方向に複数積層したりすることができる。
Preferably, a part of the normal
なお、上記のように、線状導光部130では、入射した光は内部を全反射しながら伝播する。全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると線状導光部130は透明に見える。これは、法線配光部120が全反射のみの形状を有する場合には、このような法線配光部120についても同様である。光の伝達において、外部から見えるということは、光エネルギーの損失を意味する。
As described above, in the linear
次いで、シート型集光装置100の具体的な構成例について、図面を用いて詳細に説明する。
Next, a specific configuration example of the sheet type
図2は、シート型集光装置100の構成の一例を示す概略要部斜視図である。特に、図2は、平面集光シート部150の要部の構成の一例を示している。
FIG. 2 is a schematic perspective view of an essential part showing an example of the configuration of the sheet type
図2に示すシート型集光装置100aは、平面集光シート部150aを有する。この平面集光シート部150aは、図2に示すように、シート基板151上に法線集光部110a、法線配光部120a、および線状導光部130aを形成して構成されている。
A sheet-
法線集光部110aは、例えば、透明のシート層111上にマイクロレンズ112をアレイ状に配列して構成されている。
For example, the normal
この構成では、各マイクロレンズ112は、上から見ると円形であるため、隣接するマイクロレンズ112間に隙間が生じる。そこで、好ましくは、法線集光部110aは多層化されている。
In this configuration, since each microlens 112 is circular when viewed from above, a gap is generated between
図3は、多層化された法線集光部110aの構成を示す概略断面図である。図3に示す例では、法線集光部110aは、2層構造を有し、第1の法線集光部層113−1と第2の法線集光部層113−2を積層して構成されている。法線集光部110aの上下2層(法線集光部層113−1、13−2)の位置関係は、図3に示す通りである。ただし、図3では、便宜上、同一の法線集光部層113におけるマイクロレンズ112間の隙間を無視して示している。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the multilayered normal
法線集光部層113は、例えば、上記のように、透明のシート層111上にマイクロレンズ112をアレイ状に配列して構成されている。このとき、法線集光部層113のマイクロレンズ112は、後述するように(例えば、特に図11(B)参照)、対応する各線状導光路の伸長方向と平行でかつその線状導光路から離れた(オフセットされた)直線上に一列に配列されている。ところが、各マイクロレンズ112は、上記のように、上から見ると円形であるため、同一の法線集光部層113では、隣接するマイクロレンズ112間に隙間が生じる。そこで、この例では、同じ構造の法線集光部層113を上下に配置して2層構造にしている。ただし、このとき、図3に示すように、上下の法線集光部層113−1、13−2は、互いに、同じ線状導光路に対応するマイクロレンズ列について、隣接するマイクロレンズ112間の隙間の中心位置に他の法線集光部層113のマイクロレンズ112の中心がくるように、マイクロレンズ112の配列が調整されている。
For example, the normal light concentrating portion layer 113 is configured by arranging the
法線集光部110aは、上記のように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえて、法線配光部120の構成を容易にするという機能を有する。したがって、この例のように、法線集光部110aを2層化(多層化)することにより、外部からの光がマイクロレンズ112に入射する割合が増大し、この機能の実現をより一層確実にすることができる。
As described above, the normal
さらには、図示しないが、平面集光シート部150a自体も2層構造(多層構造)にすることにより、更に集光率(外部からの光が線状導光部130に集光される割合)を向上することができる。
Furthermore, although not shown, the flat light collecting
法線集光部110a(多層構造を有する場合は各法線集光部層113)は、紫外線硬化樹脂をインクとして使用したインクジェット印刷技術を用いて、例えば、透明のシート層111上にマイクロレンズ112を印刷して形成されている。なお、マイクロレンズ112の製造方法は、インクジェット印刷技術に限定されるわけではなく、任意の適当な製造方法を適用することができる。例えば、インクジェット印刷技術に代えて、スクリーン印刷技術やプラスチック成形技術、光成形技術なども適用可能である。
The normal
法線集光部110aは、上記のように、入射光の中で法線方向から大きく外れた光をなるべく法線方向に近く屈折させて法線配光部120aに入光させる機能を有する。この機能を実現するためには、表面に角度をつけて反射光を少なくしつつ法線方向に配光する必要がある。このため、法線集光部110aの表面は、単なる平面でなく、図2および図3に示すように、円形のレンズの構造を持ち、このレンズの作用により、斜めからの光を有効に取り込む必要がある。しかも、このレンズは、法線配光部120aに入射光を導く機能を併せ持つことになる。しかし、レンズは円形であるため、すべての表面を覆うことはできない。そこで、図3に示す例では、法線集光部110aを2層構造にしている。図3において、破線は、入射した光を法線配光部120aの1点に集光するイメージを示し、上側の実線の矢印は、入射光の角度を示している。この場合、入射光は、平坦な面に入射する場合と比べて、局所的な面(レンズの表面)の法線方向に近い角度で入射するようになるため、透過率を高めた状態で集光することが可能になる。
As described above, the normal
法線集光部110は、広範囲の角度で入射する光を効率良く本装置100a内に取り込むことを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部110(多層構造を有する場合は各法線集光部層、以下同様)は、種々の適当な表面形状をとることができる。例えば、図2および図3に示すマイクロレンズアレイ状に代えて、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。
The normal
図4は、法線集光部110の他の構成(表面形状)を示す概略図であり、特に、図4(A)は、概略要部斜視図、図4(B)は、概略要部断面図である。
FIG. 4 is a schematic view showing another configuration (surface shape) of the normal
図4に示す例では、法線集光部110bは、長手方向(線状導光路131の伸長方向)の断面が略三角形である三角柱114をアレイ状に配列して構成されている。法線集光部110bは、表面のこの三角形状によって、三角プリズムの機能により、入射光を法線方向に導く機能を有する。この場合も、法線方向から入射する光(図4(A)の実線の矢印)はもちろん、法線方向から外れた角度で入射する光(図4(A)の破線の矢印)も、法線集光部110bによって法線方向に集光される。例えば、法線方向から外れた角度で入射する光については、図4(B)に示す経路をたどって、法線方向に集光される。具体的には、例えば、入射角が80°の入射光は、境界面を通過する度に曲がり、80°→76.35°→53°→47°と角度が変化する。
In the example illustrated in FIG. 4, the normal
なお、本発明者は、図4(A)に示すような表面形状(三角形の形状)を例にとって光線捕捉効率のシミュレーションを行った。この結果得られた新たな知見に基づく構成については、実施の形態2において詳細に説明する。
Note that the present inventor performed a simulation of the light beam capture efficiency by taking a surface shape (triangular shape) as shown in FIG. 4A as an example. The configuration based on the new knowledge obtained as a result will be described in detail in
図5は、法線配光部120aおよび線状導光部130aの構成の一例を示す概略斜視図である。図6は、図5を上から見た平面図、図7は、図6のVII−VII線に沿う断面図、図8は、図6のVIII−VIII線に沿う断面図である。さらに、図9は、図5の詳細を示す図であり、特に、図9(A)は、図6と同様の平面図、図9(B)は、図9(A)の要部を示す平面図、図9(C)は、図9(B)の要部拡大図である。なお、図5〜図8には、本装置100aを集光型PVに適用する場合を想定して、東西南北の方位を付している。
FIG. 5 is a schematic perspective view illustrating an example of the configuration of the normal
法線配光部120aは、上記のように、法線集光部110aからの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部130a(線状導光路131)の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。図5〜図9に示す例では、法線配光部120aは、法線集光部110aの各マイクロレンズ112に対応して複数の法線配光路121を有する。法線配光路121の入口122(光の入射口)は法線集光部110aのシート基板111に接続され、出口(光の出射口)は接続部123を介して線状導光部130aの対応する左右一対の線状導光路131に接続されている。すなわち、法線配光路121は、対応する左右一対の線状導光路131の中間位置上に配置されている。また、この例では、法線配光路121の入口122は楕円形状を有し、法線配光路121の本体部(接続部123を除く部分)は楕円錐台の形状をしている。すなわち、本体部の出口124も楕円形状を有する。
As described above, the normal
特に、好ましくは、入射光(太陽光)を有効に利用するため、図5〜図9に示すように、隣接する法線配光路121の入口(光の入射口)122は、法線配光路121の高さ、上面(入口)の形、および面積を考慮して、互いに重なるように構成されている。また、この例では、東西方向からの入射光を入射角の変化にかかわらず、効率的に集光するため(東西方向の集光性向上)、法線配光路121の入口122の形状を東西方向に長い楕円形状とし(特に図9参照)、かつ、入射した光を接続部123により左右一対の線状導光路131に導く構成としている。すなわち、この例では、接続部123を設けて、法線配光部120aの東西方向の入射光を方向によって左右一対の線状導光路131に振り分けるようにしている。
In particular, preferably, in order to effectively use incident light (sunlight), as shown in FIGS. 5 to 9, the entrance (light entrance) 122 of the adjacent normal
また、この例では、線状導光路131から法線配光路121への光の逆流を最小にするため、法線配光路121の接続部123の線状導光路131との接触点を、小さく、かつ、できるだけ線状導光路131に平行に接触させるようにしている。これにより、線状導光路131から法線配光路121に逆行する光の量を少なくすることができる。
In this example, in order to minimize the backflow of light from the linear
また、太陽光の場合、その入射角は場所の緯度で変化する。そのため、法線配光路121の側面の傾斜角θ、γ(図8参照)は、法線配光部120aの高さならびに設置場所の緯度および傾きを考慮して、例えば、実測により、最適値に決定される。ここで、傾斜角θは、例えば、太陽の高さが最も低いとき(北半球の場合は冬至)でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。また、傾斜角γは、例えば、太陽の高さが最も高いとき(北半球の場合は夏至)でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。例えば、図8の例では、破線の円内に示すように、太陽の夏場の高度として80°を、冬場の高度として30°をそれぞれ暫定的に設定している。本装置100aを水平面上に配置すると仮定した場合でも、太陽光の高さは夏と冬で異なり、また、緯度によっても変化したりと、想定できる変数は多い。そのため、実際の設置に当たっては、多数の変数を考慮して、例えば、上記のように、実測により、傾斜角θ、γを最適値に設定することが好ましい。
In the case of sunlight, the incident angle varies with the latitude of the place. Therefore, the inclination angles θ and γ (see FIG. 8) of the side surface of the normal
線状導光部130aは、上記のように、法線配光部120aからの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。線状導光部130aは、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路(線状導光路131)を有する。線状導光路131は、全反射を用いて、法線配光部120aの法線配光路121から入射した光を一方向に導く機能を有する。線状導光路131は、例えば、透明のシート基板151上に印刷して形成されている。
As described above, the linear
法線配光路121および線状導光路131は、いずれも、全反射により内部を光が伝播することが好ましいため、可視光での屈折率が同一であることが理想的である。このため、基本的には、法線配光路121および線状導光路131は、例えば、同一成分の樹脂、好ましくは、紫外線硬化樹脂を用いて形成されている。紫外線硬化樹脂は、一般に、プレポリマー、モノマー、光開始剤、増感剤、着色剤、および各種添加剤をブレンドして構成されている。紫外線硬化樹脂は、紫外線(UV光)の照射を受けると、光開始剤が紫外線を吸入して光重合反応を開始し、モノマーやプレポリマーをポリマーに転換して網目状の架橋構造を生成する。紫外線硬化樹脂を用いる場合、法線配光路121および線状導光路131と接する周囲の物質(媒質)は、例えば、空気、または窒素などの不活性気体であることが好ましい。ただし、気体の種類はこれに限定されるわけではない。基本的には、気体であれば屈折率は1.0付近であるため、任意の気体を用いることができる。
Since both the normal
また、好ましくは、線状導光路131は、例えば、透明のシート基板151上に印刷により形成され、法線配光路121は、線状導光路131上に印刷により形成されている。線状導光路131および法線配光路121は、例えば、周知のスクリーン印刷法を用いて形成される。具体的な製造方法の一例は、後で詳述する。
Preferably, the linear
本装置100aにおいて、太陽光180は、法線集光部110aによって法線方向に取り込まれ(集光され)、法線配光路121に導かれる。法線集光部110aから法線配光路121に入射した光181は、法線配光路121の内部を全反射により伝播する。ここで、全反射とは、屈折率界面におけるエネルギー損失のない完璧な反射のことである(反射率=100%)。例えば、法線配光路121を紫外線硬化樹脂で形成し、周囲の媒質が空気である場合には、後で説明するように、入射光に対して屈折光がなくなる(反射光のみなる)臨界角は、約42°になる。したがって、法線配光路121の内部を全反射により伝播する光181は、境界面(接平面)に対して約±48°(=90°−42°)以内の傾斜角で伝播する。そして、法線配光路121の内部を伝播した光181は、接続部123を介して左右一対の線状導光路131のいずれか一方に入光する(振り分けられる)。法線配光路121から線状導光路131に入光した光182は、線状導光路131の内部を全反射により所定の一方向に伝播する。
In the
なお、上記のように、全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると少なくとも線状導光路131は透明に見える。
As described above, since light propagating by total reflection does not leak to the outside, at least the linear
図10(A)は、全反射の原理を説明するための図である。また、図10(B)は、具体的数値の一例を示す図である。 FIG. 10A is a diagram for explaining the principle of total reflection. FIG. 10B is a diagram illustrating an example of specific numerical values.
スネルの法則(屈折の法則)によれば、媒質Aから媒質Bへの入射角をθ1、媒質Aから媒質Bへの屈折角をθ3、媒質Aの絶対屈折率をnA、媒質Bの絶対屈折率をnBとすると、以下の関係が成り立つ。
sinθ1/sinθ3=nB/nA
ここで、絶対屈折率とは、光波における真空に対する物質固有の相対屈折率のことである。屈折が起こる最大の入射角である臨界角(θ3=90°となる)では、屈折光がなくなり、反射光のみとなる。上記の公式から、臨界角の大きさは、媒質の屈折率によって定まることがわかる。nA>nBで、光が媒質Aから媒質Bに入射するとき、臨界角θm(媒質Aから媒質Bへの入射角)は、次のようになる。
sinθm=sinθm/sin90°=nB/nA
したがって、媒質Aから媒質Bへの入射角θ1について、
θ1>θm
という関係を満たすことが、全反射の起こる条件となる。なお、反射の法則によれば、境界面(反射面)で反射する光の入射角θ1と反射角θ2は等しい(θ1=θ2)。
According to Snell's law (the law of refraction), the incident angle from the medium A to the medium B is θ 1 , the refraction angle from the medium A to the medium B is θ 3 , the absolute refractive index of the medium A is n A , and the medium B When the absolute refractive index of n is n B , the following relationship holds.
sin θ 1 / sin θ 3 = n B / n A
Here, the absolute refractive index is a relative refractive index specific to a substance with respect to vacuum in a light wave. At the critical angle (θ 3 = 90 °), which is the maximum incident angle at which refraction occurs, there is no refracted light and only reflected light. From the above formula, it can be seen that the magnitude of the critical angle is determined by the refractive index of the medium. When n A > n B and light enters the medium B from the medium A, the critical angle θ m (incident angle from the medium A to the medium B) is as follows.
sin θ m = sin θ m /
Therefore, for the incident angle θ 1 from the medium A to the medium B,
θ 1 > θ m
Satisfying this relationship is a condition for total reflection. Note that, according to the law of reflection, the incident angle θ 1 and the reflection angle θ 2 of the light reflected by the boundary surface (reflecting surface) are equal (θ 1 = θ 2 ).
例えば、媒質Aを紫外線硬化樹脂、媒質Bを空気とすると、紫外線硬化樹脂の絶対屈折率は約1.5、空気の絶対屈折率は約1.0であるため、臨界角θmは、sinθm=1.0/1.5から、θm=41.8103°となり、約42°となる。したがって、この臨界角(約42°)以上で入射する光、つまり、境界面に対して約48°以下の角度で入射する光は、すべて反射光となる(全反射)。 For example, if the medium A is an ultraviolet curable resin and the medium B is air, the absolute refractive index of the ultraviolet curable resin is about 1.5 and the absolute refractive index of air is about 1.0. Therefore, the critical angle θ m is sin θ From m = 1.0 / 1.5, θ m = 41.8103 °, which is about 42 °. Accordingly, light incident at a critical angle (about 42 °) or more, that is, light incident at an angle of about 48 ° or less with respect to the boundary surface is all reflected light (total reflection).
本実施の形態は、このような全反射の原理、具体的には、例えば、紫外線硬化樹脂から空気へ光が入射する場合に、境界面(接平面)に対して約±48°以内で入射する光はすべて境界面で全反射され進行方向に伝播するという原理を、平面上に印刷した導光路での光の伝播に利用したものである。 In this embodiment, the principle of such total reflection, specifically, for example, when light is incident on the air from an ultraviolet curable resin, is incident within about ± 48 ° with respect to the boundary surface (tangential plane). The principle that all the light to be reflected is totally reflected at the boundary surface and propagates in the traveling direction is utilized for the propagation of the light through the light guide printed on the plane.
なお、法線配光部120は、法線集光部110からの光を効率良く線状導光部130内に入光させることを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部120は、種々の適当な構成をとることができる。
The normal
図11は、法線配光部120の他の構成を示す概略図であり、特に、図11(A)は、要部概略図、図11(B)は、概略平面図である。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating another configuration of the normal
図11に示す例では、法線配光部120bの法線配光路121aは、1つの線状導光路131にのみ接続されている。法線配光路121aの入口122および出口125はそれぞれ楕円形状を有し、法線配光路121aは楕円錐台の形状をしている。法線配光路121aの出口125の面積は、入口122の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。これにより、線状導光路131から法線配光路121aに逆行する光の量を少なくすることができる。また、特に図11(B)によく示すように、平面上、法線配光路121aの入口122の中心点を線状導光路131の中心線からオフセットさせる(好ましくは、線状導光路131の外にオフセットさせる)こと、および、法線配光路121aと線状導光路131内の光伝播方向とのなす角度を鈍角にすることによって、線状導光路131から法線配光路121aに逆行する光の量を更に少なくすることができる。
In the example illustrated in FIG. 11, the normal
図12は、法線配光部120のさらに他の構成を示す概略図であり、特に、図12(A)は、法線配光路の概略斜視図、図12(B)は、法線配光路の概略側面図、図12(C)は、法線配光路の第1の形態例を示す概略背面図、図12(D)は、法線配光路の第2の形態例を示す概略背面図である。また、図13は、図12の法線配光路を有する法線配光部の構成を示す概略斜視図である。
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating still another configuration of the normal
図12および図13に示す例では、法線配光部120cの法線配光路121bは、1つの線状導光路131にのみ接続されている。法線配光路121bの入口および出口はそれぞれ四角形(この例では、長方形または正方形)の形状を有し、法線配光路121bは四角錐台の形状をしている。法線配光路121bについても、出口の面積は、入口の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。図12(C)は、法線配光路121bの入口と出口の中心線が一致している場合であり(第1の形態例)、図12(D)は、法線配光路121bの入口と出口の中心線がずれている場合である(第2の形態例)。線状導光路131から法線配光路121bに逆行する光の量を少なくするためには、図12(C)に示す第1の形態例よりも図12(D)に示す第2の形態例のほうが好ましい。なお、図12において、「111」は、法線配光路121bの入口が存在する、法線集光部110aのシート基板の一部を示し、「131」は、法線配光路121bの出口が存在する、線状導光路の一部を示している。
In the example shown in FIGS. 12 and 13, the normal
図14は、線状導光シート部160aおよび光圧縮シート部170aの構成の一例を示す概略図であり、図15は、図14に示す光高圧縮機能部の拡大図である。
FIG. 14 is a schematic view showing an example of the configuration of the linear light
図14に示す線状導光シート部160aは、上記のように、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く(転送する)機能を有する。この線状導光シート部160aは、図14に示すように、複数(ここでは3つ)の組の線状導光路群161を有する。図14に示す例では、線状導光路群161は、5つの線状導光路131で構成されている。各線状導光路群161において、5つの線状導光路131の出口はすべて、対応する1つの1次光圧縮レンズ部162に接続されている。1次光圧縮レンズ部162は、線状導光路131内を伝播した光(1次光)を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。したがって、各線状導光路群161において、5つの線状導光路131内をそれぞれ伝播した光(1次光)は、1次光圧縮レンズ部162で圧縮集光され、1本のビーム(1次圧縮光)163として出力される。一方、5つの線状導光路131の入口は、例えば、線状導光シート部160aの光入力接合部164および平面集光シート部150aの光出力接合部(図示せず)によって、平面集光シート部150aの対応する線状導光路131にそれぞれ接続可能となっている。
As described above, the linear
図14に示す光圧縮シート部170aは、上記のように、複数の線状導光路131内を進んで入射した光をまとめて高圧縮光(高圧縮された光)に変換し、出力する機能を有する。この光圧縮シート部170aは、図14に示すように、1次圧縮光集光レンズ部171および光高圧縮機能部172を有する。1次圧縮光集光レンズ部171は、線状導光シート部160aから出力された複数本(ここでは3本)のビーム(1次圧縮光)163を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。1次圧縮光集光レンズ部171で圧縮集光された光は、1本のビーム(2次圧縮光)173として光高圧縮機能部172に入射される。光高圧縮機能部172は、1次圧縮光集光レンズ部171で圧縮集光された光(2次圧縮光)173をさらに圧縮する機能を有する。光高圧縮機能部172は、例えば、複数組の平面レンズ(凹凸レンズ)を内蔵し、平面レンズの作用により2次圧縮光173を段階的に細線化して順次更にエネルギー密度を高めるように構成されている。
As described above, the light
より具体的には、光高圧縮機能部172は、図15に示すように、導光路174の中に凹凸レンズ175a、175bを組み合わせた構成を有し、この構成により、2次圧縮光173を更に細線化して2次圧縮光のエネルギー密度を高めて、圧縮光出力部176から外部に出力する機能を有する。図15において、例えば、白抜きの部分は、樹脂が充填されていないため、屈折率は1.0になる。一方、白抜きの部分以外の部分は、樹脂が充填されているため、屈折率は1.5程度である。そのため、白抜きの部分の形状が凹レンズの形状であれば、その部分は通常の凸レンズの機能を有する(凸レンズ175a)。逆に、白抜きの部分の形状が凸レンズの形状であれば、その部分は通常の凹レンズの機能を有する(凹レンズ175b)。したがって、この2種類のレンズ175a、175bの組合せにより、順次光を収束光とすることができる。
More specifically, as shown in FIG. 15, the light high
線状導光シート部160aと光圧縮シート部170aの接続は、例えば、線状導光シート部160aの光出力接合部165と光圧縮シート部170aの光入力接合部177を所定の位置で接合することによって行われる。ここで、「所定の位置で」とは、線状導光シート部160aの光出力接合部165に取り付けられた導光路(1次圧縮光出力部)166の位置と光圧縮シート部170aの光入力接合部177に取り付けられた導光路(1次圧縮光入力部)178の位置とが合うことを意味する。
The connection between the linear light
したがって、線状導光シート部160aと光圧縮シート部170aが接続された状態において、線状導光シート部160a内を伝播した光は、1次圧縮光出力部166および1次圧縮光入力部178により光圧縮シート部170a内に導かれる。具体的には、例えば、図14に示す例では、線状導光シート部160aの15(=5×3)個の線状導光路131に入射した光は、対応する線状導光路131内を全反射により伝播し、3個の1次光圧縮レンズ部162により3本のビーム(1次圧縮光)163にまとめられ、対応する一対の1次圧縮光出力部166および1次圧縮光入力部178により光圧縮シート部170a内にそれぞれ入光する。そして、光圧縮シート部170a内に入光した3本の1次圧縮光163は、1個の1次圧縮光集光レンズ部171により1本のビーム(2次圧縮光)173にまとめられ、光高圧縮機能部172に導かれる。そして、光高圧縮機能部172内に入光した1本の2次圧縮光は、平面レンズ(凹凸レンズ175a、175b)の作用により段階的に細線化して順次更にエネルギー密度が高められ、高圧縮光として圧縮光出力部176から出力される。
Therefore, in the state in which the linear light
図16は、図14の構成を組み合わせた全体構成の一例を示す概略図である。 FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an example of an overall configuration in which the configurations of FIG. 14 are combined.
図16に示す例では、6個の線状導光シート部160aと4個の光圧縮シート部170aが組み合わされている。具体的には、図16のシステムは、6個の線状導光シート部160aをそれぞれ3個ずつ前段と後段の2つに分けて、前段の線状導光シート部160aと後段の線状導光シート部160aを3列並列にそれぞれ接続し、後段の3列の線状導光シート部160aを3個の光圧縮シート部170にそれぞれ1対1で接続し、この3列の光圧縮シート部170を1個の光圧縮シート部170に接続して構成されている。また、この例では、前段の線状導光シート部160aの各線状導光路群161で圧縮集光した光を、後段の線状導光シート部160aの各線状導光路群161のうち1つの線状導光路131に入光させるようにしている。このとき、後段の線状導光シート部160aの各線状導光路群161に対応する1次光圧縮レンズ部162から出力される光(1次圧縮光)163は、新たに入光した光と前段からの1次圧縮光との和になる。この接続を複数回繰り返すことにより、更に大量の光を得ることができる。
In the example shown in FIG. 16, six linear light
次に、平面集光シート部150aにおける法線配光路121および線状導光路131の製造方法について、図面を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、例えば、スクリーン印刷を利用して、法線配光路121および線状導光路131を製造する場合について説明する。
Next, a method for manufacturing the normal
まず、図17〜図19を用いて、スクリーン印刷により透明のシート基板151上に線状導光路131を形成(印刷)する場合について説明する。ここで、図17は、線状導光路131の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図18は、図17に示すスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図19は、紫外線照射工程を説明するための概略図である。
First, the case where the linear
まず、図17(A)に示すように、線状導光路131のパターンを形成するためのスクリーン印刷原版300を用意する。この線状導光路パターン用のスクリーン印刷原版300は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材301に、紫外線(UV光)を透過させるパターン部(切り抜き部)302を形成してなる。具体的には、例えば、YAGレーザ機などにより、線状導光路131のパターン形状に合わせてシート材301を切り抜く。このスクリーン印刷原版300は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版300は、例えば、10μm厚のステンレスシートである。
First, as shown in FIG. 17A, a screen printing
そして、図17(B)に示すように、透明のシート基板151上に図17(A)のスクリーン印刷原版300を設置した後、スクリーン印刷原版300の切り抜き部302に液状の紫外線硬化樹脂303を充填塗布する。スクリーン印刷原版300の切り抜き部302に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂303は、紫外線の照射を受けない限り、硬化することはなく、非硬化の状態である。液状の紫外線硬化樹脂303は、ある程度粘性を持った樹脂を使用するため、液状ではあるものの、充填塗布された形を維持することができる。図18も参照。
17B, after the screen printing
そして、図17(C)に示すように、シート面に対し法線方向から紫外線(UV光)を照射する。これにより、切り抜き部302内の紫外線硬化樹脂303は硬化して線状導光路131のパターンが形成される。
Then, as shown in FIG. 17C, the sheet surface is irradiated with ultraviolet rays (UV light) from the normal direction. As a result, the ultraviolet
具体的には、この紫外線照射工程は、例えば、従来のスクリーン印刷における紫外線照射法によって実施することができる。すなわち、従来のスクリーン印刷では、シート面の法線方向から角度をずらして紫外線を照射することは考えられていなかった。むしろ、従来のスクリーン印刷では、完全に法線方向から照射することが重要であった。そのため、従来の紫外線照射法では、紫外線光源からの紫外線(UV光)をフレネルレンズなどの光学系を用いて平行光にしてシート面の法線方向から照射していた。例えば、図17(C)の紫外線照射工程では、図19(A)に示すように、紫外線光源400をシート面からから離れた位置に配置し、この紫外線光源400からの紫外線を、例えば、フレネルレンズ401を用いてシート面の法線方向からの平行光にして非硬化状態の紫外線硬化樹脂303に照射する。なお、紫外線光源400からの紫外線の有効利用を図るため、紫外線光源400の背面側(照射方向の後ろ側)に反射板402を設置して、紫外線光源400からの紫外線を反射して照射方向に向けるようにしている。
Specifically, this ultraviolet irradiation step can be performed, for example, by an ultraviolet irradiation method in conventional screen printing. That is, in conventional screen printing, it has not been considered to irradiate ultraviolet rays while shifting the angle from the normal direction of the sheet surface. Rather, in conventional screen printing, it was important to irradiate completely from the normal direction. Therefore, in the conventional ultraviolet irradiation method, ultraviolet rays (UV light) from an ultraviolet light source are converted into parallel light using an optical system such as a Fresnel lens and irradiated from the normal direction of the sheet surface. For example, in the ultraviolet irradiation process of FIG. 17C, as shown in FIG. 19A, the ultraviolet
そして、図17(D)に示すように、シート基板151上のスクリーン印刷原版300を除去する。これにより、シート基板151上に線状導光路131のパターンが印刷される(図19(B)参照)。
Then, as shown in FIG. 17D, the screen printing
なお、上記の例では、スクリーン印刷原版300を設置したまま紫外線を照射しているが、これに限定されない。例えば、スクリーン印刷原版300の切り抜き部302に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂303は、上記のように、樹脂の粘性により、充填塗布された形を保持することができ、スクリーン印刷原版300を除去しても形が崩れるおそれがないため、スクリーン印刷原版300を除去した後に紫外線を照射することも可能である。
In the above example, ultraviolet rays are irradiated while the screen printing
次に、図20〜図30を用いて、スクリーン印刷により線状導光路131上に法線配光路121を形成(印刷)する場合について説明する。なお、ここでは、法線配光路121の形状としていくつかの形状を例にとって、それぞれに応じた製造方法を説明する。
Next, the case where the normal
まず、図20および図21を用いて、法線配光路121が直方体の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図20は、法線配光路121が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図21(A)は、法線配光路121が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図21(B)は、図21(A)のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
First, a manufacturing method in the case where the normal
この場合、法線配光路121cが直方体の形状を有するため、線状導光路131と同様の製造方法を用いて線状導光路131上に法線配光路121cを形成(印刷)することができる。すなわち、直方体の法線配光路121cのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版310を用意する。このスクリーン印刷原版310は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材311に、紫外線(UV光)を透過させるパターン部(切り抜き部)312を形成してなる。具体的には、例えば、YAGレーザ機などにより、法線配光路121cのパターン形状に合わせてシート材311を切り抜く。このスクリーン印刷原版310は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版310は、例えば、10μm厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図17(B)〜図17(D)と同様であるため、その説明を省略する。
In this case, since the normal
次に、図22および図23を用いて、法線配光路121が四角錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図22は、四角錐台の形状を有する法線配光路121の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図23(A)は、図22に示すスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図23(B)は、図23(A)のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
Next, a manufacturing method when the normal
まず、図22(A)に示すように、四角錐台の法線配光路121bのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版320を用意する。このスクリーン印刷原版320は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材321に、紫外線(UV光)を透過させるパターン部(切り抜き部)322を形成してなる。具体的には、例えば、YAGレーザ機などにより、法線配光路121bのパターン形状に合わせてシート材321を切り抜く。このスクリーン印刷原版320は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版320は、例えば、10μm厚のステンレスシートである。
First, as shown in FIG. 22A, a screen printing
そして、図22(B)に示すように、線状導光路131のパターンが印刷されたシート基板151上に、液状の紫外線硬化樹脂323を所定の厚さで充填塗布する。このとき、液状の紫外線硬化樹脂323上には、図22(A)のスクリーン印刷原版320が設置されている。その後、この状態において、例えば、法線方向から60°傾斜した方向から、スクリーン印刷原版320の裏面の製造用透明基板シート325に向けて、紫外線(UV光)を照射する。この紫外線は、スクリーン印刷原版320の切り抜き部322を通過して液状の紫外線硬化樹脂323に到達する。これにより、液状の紫外線硬化樹脂323は、紫外線が照射された部分324のみが硬化する。
Then, as shown in FIG. 22B, a liquid ultraviolet
そして、図22(C)に示すように、今度は、紫外線の照射角度を変えて、例えば、法線方向から45°傾斜した方向から、同じくスクリーン印刷原版320の裏面の製造用透明基板シート325に向けて、紫外線(UV光)を照射する。この紫外線は、切り抜き部322を通過して別の領域の液状の紫外線硬化樹脂323に到達する。これにより、最終的に、法線配光路121bのパターンに相当する部分の紫外線硬化樹脂323が硬化して、法線配光路121bのパターンが形成される。
Then, as shown in FIG. 22C, this time, the ultraviolet ray irradiation angle is changed, for example, from the direction inclined by 45 ° from the normal direction, the
そして、図22(D)に示すように、スクリーン印刷原版320を除去し、さらに、非硬化樹脂、つまり、残存する液状の紫外線硬化樹脂323を洗浄して除去する。これにより、線状導光路131のパターン上に四角錐台の法線配光路121bのパターンが印刷される(図23(B)参照)。
Then, as shown in FIG. 22D, the screen printing
なお、スクリーン印刷では、何度も上塗りして厚さを高くすることにより立体的な構造を形成することができる。そのため、立体的な構造の場合、通常、スクリーン印刷の原版の厚さと実際に印刷された厚さとは異なる。また、スクリーン印刷原版を通して紫外線を法線方向からずれた角度で照射する場合、原版の厚さが薄いほど、照射角度を大きくとることができる、つまり、法線方向から大きくずれた角度で照射することができる。 In screen printing, a three-dimensional structure can be formed by overcoating many times to increase the thickness. Therefore, in the case of a three-dimensional structure, the thickness of the screen printing original plate and the actually printed thickness are usually different. In addition, when irradiating ultraviolet rays through the screen printing original plate at an angle deviated from the normal direction, the thinner the original plate, the larger the irradiation angle, that is, irradiating at an angle greatly deviated from the normal direction. be able to.
次に、図24を用いて、法線配光路121が楕円錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図24(A)は、法線配光路121が楕円錐台の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図24(B)は、図24(A)のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
Next, a manufacturing method in the case where the normal
この場合、法線配光路121aが楕円錐台の形状を有するため、四角錐台の形状を有する法線配光路121bと同様の製造方法を用いて線状導光路131上に法線配光路121aを形成(印刷)することができる。すなわち、楕円錐台の法線配光路121aのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版330を用意する。このスクリーン印刷原版330は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材331に、紫外線(UV光)を透過させるパターン部(切り抜き部)332を形成してなる。具体的には、例えば、YAGレーザ機などにより、法線配光路121aのパターン形状に合わせてシート材331を切り抜く。このスクリーン印刷原版330は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版330は、例えば、10μm厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図22(B)〜図22(D)と同様であるため、その説明を省略する。
In this case, since the normal
なお、法線配光路121が円錐台の形状を有する場合も、楕円錐台の形状を有する法線配光路121aと同様の製造方法を用いることができる。そこで、以下の説明では、便宜上、「楕円錐台」は円錐台を含むものとする。
Even when the normal
上記のように、法線配光路121の形状が楕円錐台(法線配光路121a)または四角錐台(法線配光路121b)の場合には、照射角度を変えて紫外線(UV光)の照射を行う必要がある(特に図22(B)および図22(C)参照)。上記した従来のスクリーン印刷では、法線方向からずれた角度で照射を行う方法として、例えば、光源全体を回転させるか、あるいは、フレネルレンズを傾けることが考えられる。しかし、この方法では、光源からシート面までの距離に差が発生し、シート面上の全領域に均一に照射できないという問題がある。そこで、照射角度を可変することができ、かつ、シート面上に一様に照射することができる方法が必要である。本発明者は、鋭意努力の結果、この2つの要件を満たす照射方法(以下「可変角ライン照射法」という)を見出した。
As described above, when the shape of the normal
図25は、可変角ライン照射法の概念を説明するための概略図、図26は、図25の可変角ライン照射法を実現する具体的手段の一例を示す概略図である。なお、ここでは、楕円錐台の形状を有する法線配光路121aを製造する場合を例にとって説明する。
FIG. 25 is a schematic diagram for explaining the concept of the variable angle line irradiation method, and FIG. 26 is a schematic diagram showing an example of specific means for realizing the variable angle line irradiation method of FIG. Here, the case where the normal
可変角ライン照射法では、図25に示すように、スクリーン印刷原版330を通して、印刷する法線配光路121aの反対側から、可変照射角近接光340を照射する。ここで、可変照射角近接光とは、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置から、近接の照射対象に照射される光(近接の照射光)のことである。具体的には、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、後述する内蔵のマイクロレンズが照射対象に近接(1mm程度以下)しており、このマイクロレンズの焦点距離を500ミクロン(μm)程度とした場合、このマイクロレンズと照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、例えば、2層のマイクロレンズの配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有する照射光が、可変照射角近接光である。そして、この可変照射角近接光340が照射された部分が硬化した後、非硬化部分を洗浄して除去する。
In the variable angle line irradiation method, as shown in FIG. 25, the variable irradiation
可変照射角近接光340は、図26に示すように、可動照射ライン部500から出射される。可動照射ライン部500は、例えば、線状導光路131の伸長方向(長手方向)と直角の方向に伸長するライン状の照射ユニットであって、線状導光路131の伸長方向に可動自在に構成されている。可動照射ライン部500は、スクリーン印刷原版330を挟んで、印刷する法線配光路121aの反対側に設置される。
The variable irradiation
図27は、可動照射ライン部500の構成の一例を示す概略図であり、特に図27(A)は断面図、図27(B)は平面図である。
FIG. 27 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the movable
図27に示す可動照射ライン部500は、線状の紫外線光源501と、紫外線光源501からの紫外線(UV光)の一部を反射させる線状の第1反射板502と、紫外線光源501からの紫外線および第1反射板502で反射された紫外線を出口方向に反射させる線状の第2反射板503と、第2反射板503で反射された紫外線を照射光として出射する線状の照射光出口部504とを有する。線状の紫外線光源501としては、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、複数の紫外線LED(Light Emitting Diode)を線状に並べた光源などを用いることができる。
A movable
第1反射板502は、好ましくは、伸長方向(長手方向)に垂直な断面が放物線の形状をしている。この場合、紫外線光源501は、放物線(第1反射板502)の焦点に配置される。これにより、特に図27(A)によく示すように、放物線の焦点(紫外線光源501)から出た同一の垂直断面上の光は、放物線の曲面で反射されると、すべての光が放物線の中心軸の方向に反射される。すなわち、紫外線光源501から出て第1反射板502で反射された紫外線は、第2反射板503の方向に向かう平行光となる。
The
第2反射板503は、角度を可変することができる板状の反射板であり、回転軸503aの回りに回転自在に構成されている。第2反射板503の角度を変化させることにより、被照射シート350への紫外線の照射角度を変えることができる。ここで、被照射シート350とは、紫外線を照射する対象となるシートを広く意味し、例えば、硬化させるべき紫外線硬化樹脂を含む任意の段階のシートを含んでいる。なお、被照射シート350への照射パターンは、照射パターン形成シートとして機能するスクリーン印刷原版330によって形成される。照射パターン形成シート(スクリーン印刷原版330)と被照射シート350とは、被照射シート350の上部の紫外線硬化部の平坦度を確保するため、微小な距離だけ離れており、密着していない。照射パターン形成シート(スクリーン印刷原版330)と被照射シート350とは、数十ミクロン(μm)程度の距離をとることが望ましい。
The second reflecting
照射光出口部504は、例えば、図27(A)に示すように、2層のマイクロレンズアレイ505、506を有する。このうち、照射対象に近いほうが近焦点マイクロレンズアレイである。ここで、近焦点マイクロレンズアレイとは、上記の可変照射角近接光340を形成するためのマイクロレンズアレイのことである。具体的には、上記のように、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、内蔵のマイクロレンズアレイ506が照射対象(照射パターン形成シート(スクリーン印刷原版330)および被照射シート350)に近接(1mm程度以下)しており、このマイクロレンズアレイ506の焦点距離を500ミクロン(μm)程度とした場合、このマイクロレンズアレイ506と照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、2層のマイクロレンズアレイ505、506の配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有するマイクロレンズアレイが、近焦点マイクロレンズアレイである。また、2層のマイクロレンズアレイ505、506において、第1層のマイクロレンズアレイ505のマイクロレンズの大きさは、第2層のマイクロレンズアレイ506のマイクロレンズの大きさよりも大きい。なぜなら、第1層のマイクロレンズアレイ505は、放物面を有する第1反射板502の作用と相俟って、第2層のマイクロレンズアレイ506に対し法線方向から一様に紫外線(UV光)を入射させるため、紫外線光源501の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有し、このためには、照射強度を一様にするため、第1層のマイクロレンズアレイ505のマイクロレンズを、第2層のマイクロレンズアレイの506のマイクロレンズよりも大きくする必要があるためである。
The irradiation
図28は、照射光出口部504の周辺の概略要部拡大図である。ここでは、図28に示す距離d(近焦点マイクロレンズアレイと照射対象との距離)を変化させて紫外線の放射パターンを調整する。ここで、紫外線の放射パターンの調整とは、照射光の広がり具合を焦点距離からのずれで調整することを意味する。すなわち、照射ポイントの大きさに合わせて、近焦点マイクロレンズアレイ506と被照射シート350上の照射パターン形成シート(スクリーン印刷原版330)との距離dを変化させる。また、照射光出口部504に装着するアレイユニット(マイクロレンズアレイの構成と組合せ)は、被照射シート350への照射パターンに応じて交換可能である。例えば、線状導光部130aのシートを作成する場合、本来UV光を照射する必要のある部分と照射する必要のない部分とがあり、照射する必要のある部分にのみUV光を照射できるようにマイクロレンズアレイのパターを最適化することができる。この最適化したマイクロレンズアレイの部分をユニット化して被照射シートごとに交換することにより、UV光のエネルギーを有効に利用することができる。なお、図28において、「351」は、被照射シート350のうち、紫外線が照射されずに非硬化状態の部分(紫外線非硬化部)を示し、「352」は、紫外線が照射されて硬化状態の部分(紫外線硬化部)を示している。
FIG. 28 is a schematic enlarged view of the main part around the irradiation
図29は、図27(B)に実線矢印で示す左右の斜め方向に向かう光線を可動方向に水平にする作用を説明するための概略図である。第1層のマイクロレンズアレイ505は、上記のように、放物面を有する第1反射板502の作用と相俟って、第2層のマイクロレンズアレイ506に対し法線方向から一様に紫外線(UV光)を入射させるため、紫外線光源501の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有する。これにより、左右方向に進行する光を進行方向にそろえることができる。
FIG. 29 is a schematic diagram for explaining the action of leveling the light beams in the left and right oblique directions indicated by solid arrows in FIG. 27B in the movable direction. As described above, the first-
図30は、可動照射ライン部500の更なる利用法を説明するための概略図である。ここでは、可動照射ライン部500を可動方向に対して回転させることにより、更に柔軟な可変角照射が可能になる。具体的には、可動照射ライン部500の上記の利用法では、可動方向に対して照射光の角度を変化させることはできるものの、このままでは可動方向に垂直な方向には照射角度を変化させることができない。そこで、可動照射ライン部500を可動方向にある角度だけ傾けることにより、可動方向に垂直な方向からも照射することが可能になる。その際、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整することも考えられるが、可動照射ライン部500を回転させて照射角度を調整するほうが、形成精度が良好となる。なぜなら、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整する方法では、被照射シートを可動方向に対して目的の角度に回転して配置し直す必要があるが、可動照射ライン部500を回転させて照射角度を調整する方法では、可動照射ライン部500を、例えば、1ミクロン(μm)のピッチでその位置を確認しながら高精度に進めることができ、可動照射ライン部500の両端の位置を検出し制御することで、高精度にその角度を調整することができるからである。
FIG. 30 is a schematic diagram for explaining a further usage of the movable
このように、可変角ライン照射法では、光源501から照射ポイントまでの距離が短く、かつ、ライン上の照射パターンであるため、効率良く強力な紫外線(UV光)を被照射シート350内の特定の場所に照射することができる。また、光源501の熱の発生を大きく減少することができる。すなわち、従来の照射法において平面上に1度に照射していた紫外線を、この可変角ライン照射法では、ライン上に順次照射し、しかも、必要な場所にのみ照射するため、紫外線のロスを大幅に低減することができ、その分、消費電力を抑え、熱の発生を減少することができる。
Thus, in the variable angle line irradiation method, since the distance from the
なお、線状の紫外線光源501としては、上記のように、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、紫外線LEDを線状に配列した光源などを用いることができる。LEDを用いる場合は、LEDの輝度をマイクロ秒(μs)オーダで動的に制御できるため、柔軟な照射システムを構成することができる。また、紫外線LEDを線状に配列する場合には、LEDの発光期間をLED素子ごとに細かく調整することにより、被照射シート350内の特定の場所の放射輝度を変えることができる。したがって、シート面内の紫外線の放射輝度を自由に制御することができる。
As described above, as the linear
なお、紫外線硬化樹脂を用いた印刷方法として、上記したスクリーン印刷技術のほかに、インクジェット印刷技術やオフセット印刷技術などを利用することもできる。すなわち、紫外線の照射角度を複数回変えて硬化させることによりシート上に微細な立体構造を形成することができる印刷技術であれば、どのような印刷技術を利用してもよい。印刷技術を用いた場合には、安価に大量に製造できるという利点があるが、それ以外にも、例えば、LSIなどの製造に用いられるフォトリソグラフィやスパッタリング、エッチングなどの技術を用いて、線状導光部130aを製造できるという利点がある。また、特に線状導光路131の形成方法については、上記の印刷技術のほかに、一般的なプラスチック成型技術を利用することも可能である。
In addition to the screen printing technique described above, an inkjet printing technique, an offset printing technique, or the like can be used as a printing method using an ultraviolet curable resin. That is, any printing technique may be used as long as it can form a fine three-dimensional structure on the sheet by changing the irradiation angle of the ultraviolet rays a plurality of times and curing it. When printing technology is used, there is an advantage that it can be manufactured in large quantities at a low cost, but in addition to this, for example, by using techniques such as photolithography, sputtering, etching, etc. used for manufacturing LSI etc. There exists an advantage that the
このように、本実施の形態によれば、法線集光部110、法線配光部120、および線状導光部130を設けて、外部から照射される光を集光して所望の方向に配光できるようにしたため、広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができる。
As described above, according to the present embodiment, the normal
また、特に法線配光部120および線状導光部130は、複数層の紫外線硬化樹脂を用いた印刷技術により製造できるため、光応用システム部200のLSI素子(例えば、PV装置の太陽電池など)とは物理的に独立して製造することができる。したがって、軽量でフレキシブル(折り曲げ可能)な機械特性を持つことができる。さらに、一般的な紫外線印刷技術により製造が可能であるため、大量に安価に製造することができる。
In particular, since the normal
また、所定の機能単位でユニット化できるため、高い利便性・汎用性を実現することができる。 Moreover, since it can be unitized by a predetermined functional unit, high convenience and versatility can be realized.
(実施の形態2)
実施の形態2は、実施の形態1における法線集光部110の構成(特に表面形状)を最適化した場合である。ここでは、例えば、一例として、太陽光を集光する場合を例にとって説明する。そのため、本実施の形態における法線集光部110を「太陽光集光シート」と呼ぶことにする。
(Embodiment 2)
The second embodiment is a case where the configuration (particularly the surface shape) of the normal
本発明者は、例えば、図4(A)に示すような表面形状(三角形の形状)を例にとって光線捕捉率のシミュレーションを行った。 For example, the inventor performed a simulation of the light capture rate by taking a surface shape (triangular shape) as shown in FIG. 4A as an example.
図31は、本実施の形態における光線捕捉率のシミュレーションの条件を説明するための概略図である。 FIG. 31 is a schematic diagram for explaining the conditions for simulation of the light capture rate in the present embodiment.
本シミュレーションでは、図31に示すように、断面が三角形(具体的には二等辺三角形)の形状を持つ太陽光集光シート600を想定し、三角形の底角(以下「形状角度」という)をα°、入射する光線の角度(以下「光線角度」という)をβ°、三角形のピッチをP、太陽光集光シート600を構成する媒質(例えば、樹脂)601の屈折率をnとした。光線角度βは、水平方向に対する光線の入射方向の角度と定義した。本シミュレーションでは、ピッチPの範囲内に所定の数(角度:−6〜−174°の範囲で4°刻みで43箇所、座標:−0.05P〜―0.95Pの0.1P刻みの10箇所、の合計430本)の光線を、光線角度を43ステップで変化させつつ、始点座標を等間隔で10個所から入射し、光線を計算により1本1本追跡して、光線捕捉率を計算した。ここで、光線捕捉率は、入射光量に対する透過光量の割合(%)と定義した。すなわち、光線捕捉率(%)は、次の式、
光線捕捉率=(透過光量/入射光量)×100
で表される。この式からも明らかなように、光線捕捉率は、光線の透過率と同義である。入射光量は、1本の入射光線の光量を1として、1ピッチP当たり、430とした。例えば、1本の入射光線に着目すると、この入射光線は、媒質の境界面で反射と屈折を繰り返し、最終的に、太陽光集光シート600に対して上方への反射光と下方への透過光とに分かれる。このとき、全反射の場合を除いて、反射光も屈折光も減衰する。1ピッチ当たりの入射光量および透過光量は、1本1本の入射光線に基づく最終的な反射光および透過光の光量をそれぞれ総計したものとなる。なお、1本1本の入射光線に対する光線追跡は、反射光と屈折光のすべてに対して、光量が1万分の1以下になるまで行った。
In this simulation, as shown in FIG. 31, a solar
Light capture rate = (transmitted light amount / incident light amount) × 100
It is represented by As is apparent from this equation, the light beam capture rate is synonymous with the light transmittance. The amount of incident light is 430 per pitch P, where the amount of light of one incident light beam is 1. For example, paying attention to one incident light beam, this incident light beam is repeatedly reflected and refracted at the boundary surface of the medium, and finally reflected light upward and transmitted downward with respect to the solar
図32は、図31の表面形状に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図33は、図32の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°の10通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、媒質601の屈折率nを1.5に設定した。 FIG. 32 is a diagram illustrating an example of a simulation result of a light beam capture rate with respect to a light beam angle for each shape angle with respect to the surface shape in FIG. 31. 33 is an enlarged view of a main part of FIG. Here, simulation was performed for 10 cases where the shape angle α is 30 °, 40 °, 45 °, 50 °, 55 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 °, and 80 °. Further, in order to compare with the case of a triangular shape, the same simulation was performed for the case of a flat plate shape. In this simulation, for example, the refractive index n of the medium 601 is set to 1.5.
図32および図33に示すように、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが40°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが30°の場合であっても、光線角度βが約−67°〜−113°(つまり、法線方向から23°以内)の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。すなわち、図32および図33からは、一般に、表面形状が三角形の場合のほうが平板の場合よりも光線捕捉率が高く、特に、表面形状が三角形の場合は、形状角度αが大きいほど光線捕捉率が高いことがわかる。したがって、表面形状が三角形の場合には、上記10通りの中で、形状角度αが80°の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。 As shown in FIGS. 32 and 33, the larger the shape angle α, the higher the light beam capture rate over almost the entire range of the light beam angle β. Moreover, when the shape angle α is 40 ° or more, the light beam capture rate is higher than that in the case of the flat plate shape over almost the entire range of the light beam angle β. However, even when the shape angle α is 30 °, in a region other than the range where the light ray angle β is about −67 ° to −113 ° (that is, within 23 ° from the normal direction), the light ray capture rate is It is higher than the flat plate shape. That is, from FIG. 32 and FIG. 33, generally, when the surface shape is a triangle, the light beam capture rate is higher than when it is a flat plate. In particular, when the surface shape is a triangle, the light beam capture rate increases as the shape angle α increases. Is high. Therefore, when the surface shape is a triangle, the light beam capture rate is the highest over almost the entire range of the light beam angle β when the shape angle α is 80 ° among the above 10 patterns.
なお、図31の表面形状が持つ効果、つまり、光線角度のほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高いという効果を、太陽が如何なる方位・高さにあろうとも高い集光効果を得ることができるという意味で、「全方位集光効果」と呼ぶことにする。この全方位集光効果は、表面形状が平板の場合と比較して図31の表面形状が持つ顕著な効果である。 It should be noted that the effect of the surface shape of FIG. 31, that is, the effect that the light ray capture rate is high over almost the entire range of the light ray angle, can obtain a high light collecting effect regardless of the orientation and height of the sun. In a sense, it will be called “omnidirectional light collection effect”. This omnidirectional light condensing effect is a remarkable effect which the surface shape of FIG. 31 has compared with the case where the surface shape is a flat plate.
この全方位集光効果は、後で詳述するが、図31の表面形状が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用(入射)できる形状を有するためである。換言すれば、図31の表面形状は、入射光を直接入光する仕組みと反射光を入光する仕組みの両方を有する、つまり、直射光のみならず周辺光を効率的に入光する仕組みを有する。 This omnidirectional light condensing effect will be described in detail later. This is because the surface shape of FIG. 31 has a shape that allows reflected light to be efficiently used (incident) by repeating reflection and refraction at the boundary surface. In other words, the surface shape of FIG. 31 has both a mechanism for directly incident light and a mechanism for incident reflected light, that is, a mechanism for efficiently receiving not only direct light but also ambient light. Have.
図34は、図31の表面形状に対する、媒質の屈折率別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。ここでは、表面形状が三角形の場合と平板の場合のそれぞれに対して、媒質の屈折率が1.3、1.4、1.5、1.6の4通りの場合についてシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションでは、例えば、形状角度αを80°に設定した。 FIG. 34 is a diagram illustrating an example of a simulation result of a light beam capture rate with respect to a light beam angle, for each refractive index of the medium, with respect to the surface shape of FIG. Here, the simulation was performed for four cases where the refractive index of the medium is 1.3, 1.4, 1.5, and 1.6 for each of the case where the surface shape is a triangle and the case of a flat plate. In this simulation, for example, the shape angle α is set to 80 °.
図34に示すように、表面形状が三角形の場合も平板の場合も、媒質の屈折率が小さいほど、つまり、空気(屈折率は約1.0)との屈折率の差が小さいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。すなわち、表面形状が三角形の場合には、上記4通りの中で、媒質の屈折率が1.3の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。ただし、屈折率の差による光線捕捉率の差はあまり顕著ではない。 As shown in FIG. 34, in both cases where the surface shape is a triangle or a flat plate, the smaller the refractive index of the medium, that is, the smaller the difference in refractive index from air (refractive index is about 1.0), the smaller the light beam. The light capture rate is high over almost the entire range of the angle β. That is, when the surface shape is a triangle, among the above four methods, when the refractive index of the medium is 1.3, the light beam capture rate is the highest over almost the entire range of the light beam angle β. However, the difference in light capture rate due to the difference in refractive index is not so significant.
このように、屈折率の変化に対して全方位集光効果にあまり変化が見られないのは、この全方位集光効果が、幾何学的な反射の効果と、屈折の法則(スネルの法則)のみによって得られるためであると考えられる。この意味で、原理は、非常にシンプルである。 In this way, the omnidirectional light condensing effect does not change much with respect to the change in the refractive index. This omnidirectional light condensing effect has the effect of geometric reflection and the law of refraction (Snell's law). ). In this sense, the principle is very simple.
上記のシミュレーションにより、表面形状が三角形の場合の光線捕捉率の傾向が判明し、最適な形状に関する知見が得られた。しかし、実際の製造を考慮した場合、厚みのある平板上に三角形の形状を持つ部分を形成する必要がある。そこで、本発明者は、次に、図35に示す構成を有する太陽光集光シート610を想定し、上記と同様のシミュレーションを行った。
The above simulation revealed the tendency of the light beam capture rate when the surface shape is a triangle, and the knowledge about the optimum shape was obtained. However, in consideration of actual manufacturing, it is necessary to form a triangular portion on a thick flat plate. Then, this inventor assumed the sunlight condensing sheet |
図35は、本実施の形態における光線捕捉率の他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図である。 FIG. 35 is a schematic diagram showing a configuration that is another simulation target of the light beam capture rate in the present embodiment.
図35に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート610は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部611と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部612とで構成されている。シミュレーションの条件は、図31に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部611と平板部612を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を1.5に設定した。また、形状角度αは、60°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、平板部612から下方へ透過した光量となる。
In the example shown in FIG. 35, the solar
図36は、図35の太陽光集光シート610に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
FIG. 36 is a diagram illustrating an example of a simulation result of the light beam capture rate with respect to the light beam angle with respect to the
図36に示すように、表面形状が平板の場合と比較して、法線方向からの角度が大きい領域(例えば、法線方向からの角度が約54°以上の領域)613では、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率が高く、より多くの光を透過させている。一方、法線方向からの角度が小さい領域(例えば、法線方向からの角度が約54°以下の領域)614では、表面形状が平板の場合と比べて、平板部612への入射角が大きくなるため、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率(透過率)が劣っている。すなわち、この場合は、せっかく上部の三角形状部611で集光した光が、あまり下部の平板部612を通過しない結果となっている。換言すれば、上部の三角形状部611が有する全方位集光効果が、下部の平板部612の存在によって、一部の角度領域で大幅に阻害される結果となっている。
As shown in FIG. 36, in a
図37および図38は、図36のシミュレーション結果を説明するための図である。特に、図37は、上部の三角形状部611による集光原理(全方位集光効果)を説明するための図であり、図38は、上部の三角形状部611に加えて下部の平板部612をも考慮した場合の集光原理を説明するための図である。ここでは、三角形状部611の対向する2面のうち、一方の面を「面A」と呼び、他方の面を「面B」と呼ぶことにする。
37 and 38 are diagrams for explaining the simulation results of FIG. In particular, FIG. 37 is a diagram for explaining the light collection principle (omnidirectional light collection effect) by the upper
まず、上部の三角形状部611のみを考慮した場合において、例えば、光線が法線方向から入射した場合、この光線(入射光)は、図37に示すような経路をたどって境界面で反射と屈折を繰り返し、その結果、99.2%程度以上の光線を捕捉することができる。具体的には、例えば、図37に示すように、法線方向から面Bに入射した光線は、その80%程度が屈折して面Aで全反射して平板部612に入射し、残り20%程度が反射して隣の三角形状部611の面Aに垂直に入射し、そのほとんど全部(19.2%程度)が屈折して平板部612に入射する。残りの再反射光(0.8%程度)の一部は、再び元の面Bで屈折して面Aで全反射して平板部612に入射する。したがって、この場合、合計99.2%以上の光線が平板部612に捕捉されることになる。
First, when only the upper
また、図38の真ん中の光線のように、法線方向から60°傾いた光線は、三角形の斜面(面A)に垂直に入射し(この時、96%の光が入射する)、入射した屈折光は、次の斜面(面B)で全反射する。この結果、最初の斜面(面A)の反射光以外は、三角形状部611内に捕捉されるため、96%の外光捕捉率となる。
Further, like the middle ray in FIG. 38, the ray inclined by 60 ° from the normal direction is incident perpendicularly to the triangular slope (surface A) (96% light is incident at this time) and is incident. The refracted light is totally reflected at the next slope (surface B). As a result, since the light other than the reflected light from the first slope (surface A) is captured in the
したがって、この場合、法線方向から60°以内の入射光は、この原理により、ほとんど(99%以上)集光する(図32、図33参照)。 Therefore, in this case, incident light within 60 ° from the normal direction is mostly collected (99% or more) by this principle (see FIGS. 32 and 33).
ところが、上部の三角形状部611に加えて下部の平板部612をも考慮した場合、次の原理により、図36に示すような結果となる。
However, when the lower
まず、図38の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合には、面Aからの入射光のうち、面Bで反射する光が多く存在し、そのうち、面Bで全反射する光は大きく法線方向に反射するため、平板部612への入射角が法線方向に近くなり、平板部612を透過する光量が多くなる。この結果、図36の両端部(領域613)の透過率は、比較的良くなっている。
First, in the case where the angle from the normal direction is large, as in the example of the middle ray in FIG. 38, among the incident light from the surface A, there is a lot of light reflected by the surface B, of which the surface B The light that is totally reflected at 1 is largely reflected in the normal direction, so that the incident angle to the
しかし、図38の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合、面Aに入射した光線のほとんどは面Bで反射することなく直接下部の平板部612へ入射する。この間、面Aに入射した光は、面Aで屈折したとき、法線方向から外れることになり、平板部612への入射角が法線方向から外れるため、平板部612で反射する割合が大きくなる。これが、法線方向からの角度が小さい領域614のうち、特に法線方向に非常に近い領域(例えば、法線方向からの角度が約24°以下の領域)614aにおいて、入射光の透過率低下の原因になっている。
However, as in the example of the light beam on the left side of FIG. 38, when the incident light is originally very close to the normal direction, most of the light beam incident on the surface A directly reflects to the lower
さらに、図38の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い、つまり、法線方向からの角度が約24〜54°の場合には、面Aに入射した光線の多くは面Bで反射することなく直接下部の平板部612へ入射する。この間、面Aに入射した光は、面Aでの屈折時に、より法線方向から外れることになり、平板部612への入射角がより法線方向から外れるため、平板部612で反射する割合がより大きくなり、透過率が大きく低下する。しかも、平板部612に対してある一定以上の入射角を持つ光は、平板部612で全反射され、平板部612を全く通過できない。これが、法線方向からの角度が小さい領域614のうち、特に法線方向に比較的近い領域(例えば、法線方向からの角度が約24〜54°の領域)614bにおいて、入射光の大きな透過率低下の原因になっている。
Further, as in the example of the right ray in FIG. 38, when the incident light is relatively close to the normal direction, that is, when the angle from the normal direction is about 24 to 54 °, the ray incident on the surface A Most of the light directly enters the lower
要するに、法線方向からの角度が小さい領域614では、上部の三角形状部611により集光された光が下部の平板部612により反射されるため、光の透過率(光線捕捉率)が低下している。
In short, in the
上記の考察を踏まえて、本発明者は、図36に示すような透過率低下のない構成を考案した。 Based on the above consideration, the present inventor has devised a configuration that does not cause a decrease in transmittance as shown in FIG.
図39は、本実施の形態における光線捕捉率のさらに他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図であって、本実施の形態に係る太陽光集光シートの2次元的形状の一例を示す概略図である。 FIG. 39 is a schematic diagram showing a configuration to be subjected to another simulation of the light beam capture rate in the present embodiment, and shows an example of the two-dimensional shape of the solar light collecting sheet according to the present embodiment. FIG.
図39に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート620は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部621と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部622と、上部の三角形状部621と同一の形状を有する下部の三角形状部623とで構成されている。いわば、太陽光集光シート620は、同一形状の三角形状部621と三角形状部623を、平板部622を挟んで最中合わせにした、つまり、平板部622を挟んで上下対称に配置した構成を有する。このように、太陽光集光シート620は、平板部622を上下から上下対称に同一形状の三角形状部621、623で挟んだ形状を有する。シミュレーションの条件は、図31および図35に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部621、623と平板部622を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を1.5に設定した。また、形状角度αは、60°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、下部の三角形状部623から下方へ透過した光量となる。
In the example shown in FIG. 39, the solar
図40は、図39の太陽光集光シート620に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
FIG. 40 is a diagram illustrating an example of a simulation result of the light beam capture rate with respect to the light beam angle with respect to the
図40に示すように、この太陽光集光シート620では、図36のシミュレーション結果との比較において、図36の領域614における光線捕捉率の低下が解消されている。すなわち、この場合、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。しかも、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が90%以上になっている。
As shown in FIG. 40, in this
この原理は、次のように考えることができる。なお、図39において、下部の三角形状部623の対向する2面のうち、上部の対応する三角形状部621の面Aに対応する面を「面A’」と呼び、三角形状部621の面Bに対応する面を「面B’」と呼ぶことにする。
This principle can be considered as follows. In FIG. 39, the surface corresponding to the surface A of the upper
まず、図39の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合(図36の領域613参照)、面Aからの入射光は、最終的に、下部の三角形状部623の面A’にほぼ垂直に入射するため(光線624参照)、三角形状部623を透過する光量が多くなる。この結果、この領域の透過率は、依然として、比較的良好である。
First, when the angle from the normal direction is large (see the
また、図39の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合(図36の領域614a参照)、面Aから入射した屈折光は、下部の三角形状部623の面B’から、面Aへの入射角と同一の角度で出射する(光線625参照)、つまり、透過する。また、面Aおよび面B’における反射光は、それぞれ、面Bおよび面A’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部623を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率は、著しく改善される。
Further, as in the example of the light beam on the left side of FIG. 39, when the incident light is originally very close to the normal direction (see the
また、これと同様に、図39の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い場合にも(図36の領域614b参照)、面Aから入射した屈折光は、下部の三角形状部623の面B’から、面Aへの入射角と同一の角度で出射する(光線626参照)、つまり、透過する。また、面Aおよび面B’における反射光は、それぞれ、面Bおよび面A’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部623を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率も、著しく改善される。
Similarly, when the incident light is relatively close to the normal direction (see the
このように、本実施の形態に係る太陽光集光シート620では、平板部622の表面上に形成された上部の三角形状部621と同一形状の三角形状部623を平板部622の裏面上に上下対称に形成することによって、光の透過率(光線捕捉率)が大幅に改善されている。
As described above, in the solar
図41は、図39の太陽光集光シート620に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図42は、図41の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが40°、45°、50°、60°、70°、75°、80°の7通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、太陽光集光シート620を構成する媒質(三角形状部621、623および平板部622)の屈折率nを1.5に設定した。
FIG. 41 is a diagram illustrating an example of a simulation result of a light beam capture rate with respect to a light beam angle for each shape angle with respect to the
図41および図42に示すように、基本的には、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが45°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが40°の場合であっても、光線角度βが約−60°〜−120°(つまり、法線方向から30°以内)の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。特に、上記7通りの中で、形状角度βが75°の場合には、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が94.5%以上になっている。 As shown in FIGS. 41 and 42, basically, the larger the shape angle α, the higher the light beam capture rate over almost the entire range of the light beam angle β. Moreover, when the shape angle α is 45 ° or more, the light beam capture rate is higher than that of the flat plate shape over almost the entire range of the light beam angle β. However, even when the shape angle α is 40 °, in a region other than the range where the light ray angle β is approximately −60 ° to −120 ° (that is, within 30 ° from the normal direction), the light capture rate is It is higher than the flat plate shape. In particular, among the above seven patterns, when the shape angle β is 75 °, the light beam capture rate is 94.5% or more over the entire range of the light beam angle β.
したがって、図39の太陽光集光シート620は、表面形状が平板の場合と比較して、光線捕捉率が光線角度βのほぼ全範囲にわたって高く、周辺の全範囲の角度の光線を効率良く捕捉することができる機能を有する。これは、上記のように、図39の太陽光集光シート620が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用(入射)できる形状を有するためである。すなわち、図39の太陽光集光シート620は、反射光を放出させずに他の三角形状部に入射させる機能を有する。
Therefore, the
また、図39の太陽光集光シート620の製造方法としては、1つの平板部622の上下にそれぞれ別工程で三角形状部621、623を形成する方法のほかに、図35の太陽光集光シート610を上下対称な形状となるように2枚合わせて形成する方法が考えられる。
In addition to the method of forming the
なお、図39に示す例では、上下の三角形状部621、623が平板部622を挟んで完全に上下対称に配置されているが、本発明はこれに限定されない。上下の三角形状部621、623が完全に対称に配置されていなくても、効果はほとんど変わらない。例えば、上下の三角形状部621、623の間で、形状角度αを変えたり、位置をずらしたりしてもよい。
In the example shown in FIG. 39, the upper and lower
また、図39に示す例では、形状は2次元的であるが、3次元的な形状としては、図4(A)に示すような長手方向の形状のほかに、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。どの形状でも、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる機能を有することが要件となる。ただし、図4(A)に示すような長手方向の形状の場合に比べて、角錐の形状の場合のほうが、方位による3次元の光線角度の変化が少なく、より高い効果を得ることができる。例えば、図43は、四角錐の表面形状を有する太陽光集光シートの平面図である。図43の太陽光集光シート650は、断面が図39の2次元形状を有する四角錐形状部651で構成されている。
In addition, in the example shown in FIG. 39, the shape is two-dimensional. However, as the three-dimensional shape, in addition to the shape in the longitudinal direction as shown in FIG. It may be a pyramid shape. In any shape, it is necessary to have a function of entering the other shape portion without emitting the reflected light. However, compared to the case of the shape in the longitudinal direction as shown in FIG. 4A, the shape of the pyramid has less change in the three-dimensional ray angle due to the orientation, and a higher effect can be obtained. For example, FIG. 43 is a plan view of a sunlight collecting sheet having a quadrangular pyramid surface shape. The solar
3次元形状の場合、3次元の光線角度での全方位集光効果の死角をなくすため、図43に示すように、列ごとに半ピッチだけずらした配列が好ましい。また、角錐の形状の中でも、特に、例えば三角錐や四角錐、六角錐などの、平面上の充填構造(図43参照)を形成できる3次元形状が好ましい。 In the case of a three-dimensional shape, in order to eliminate the blind spot of the omnidirectional light collecting effect at a three-dimensional ray angle, as shown in FIG. 43, an arrangement shifted by a half pitch for each column is preferable. Among the pyramid shapes, a three-dimensional shape that can form a planar filling structure (see FIG. 43) such as a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, and a hexagonal pyramid is particularly preferable.
このように、本実施の形態によれば、二次元の断面形状として、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる構成、具体的には、例えば、平板部を挟んで同一形状の三角形状部を上下対称に配置した構成を有するため、光線の入射角にかかわらず反射光を効率的に利用(入射)することができ、極めて広範囲の入射光を極めて効率的に捕捉(集光)することができる。したがって、実施の形態1における法線集光部110に適用した場合、その構成の最適化を図ることができる。
Thus, according to the present embodiment, the two-dimensional cross-sectional shape has a configuration in which the reflected light is incident on another shape portion without emitting the light, specifically, for example, the same shape with the flat plate portion interposed therebetween. Because it has a configuration in which the triangular parts are arranged vertically symmetrically, the reflected light can be used (incident) efficiently regardless of the incident angle of the light beam, and a very wide range of incident light can be captured (condensed) very efficiently. )can do. Therefore, when applied to the normal
なお、本実施の形態では、実施の形態1における法線集光部110の最適化を例にとって説明したが、用途はこれに限定されない。すなわち、本実施の形態に係る太陽光集光シートは、実施の形態1に係る集光装置の一要素としてのみならず、独立の集光装置としても利用することができる。
In the present embodiment, the optimization of the normal
例えば、本実施の形態に係る太陽光集光シート620(図39参照)を、平板型PV装置に適用することができる。この場合、図39の太陽光集光シート620は、上記のように、従来の平板型の表面(光線捕捉率は平均81%、図32参照)と比較して、極めて広範囲の入射光を極めて効率良く捕捉することができるため(例えば、形状角度が60°の場合、光線捕捉率は光線角度の全範囲で94.5%以上)、太陽光発電のLSI素子(太陽電池)の表面に配置することにより、太陽直射光のみならず周辺光を効率的に利用することができ、発電効率を大きく改善することができる。しかも、表面形状を図39の表面形状にするだけで済むため、安価に製造することができる。
For example, the sunlight collecting sheet 620 (see FIG. 39) according to the present embodiment can be applied to a flat plate PV device. In this case, as described above, the
また、太陽光発電のLSI素子は、全領域が発電するのではなく、その一部の領域に到達した光を利用することを考慮すると、その一部の領域に光が集中するように、図39の太陽光集光シート620の下部の三角形状部623の形状を最適化することにより、発電効率をさらに改善することができる。
In addition, when considering that the LSI elements for photovoltaic power generation do not generate power in the entire area but use the light that reaches the partial area, the light is concentrated in the partial area. The power generation efficiency can be further improved by optimizing the shape of the
また、他の用途としては、例えば、ビルなど建物(広くは建造物)への適用も考えられる。すなわち、図39の太陽光集光シート620は、上記のように、従来の平板型の表面と比較して、光線角度の全範囲で平板型の光線捕捉率(集光率)の最大値以上の光線捕捉率(集光率)を有するため、特に従来効率が悪かった時間帯(朝夕)や曇りの時などに大きな効果が期待できる。このような特徴から、この太陽光集光シート620は、必ずしも太陽光の方向に設置する必要はない。例えば、この太陽光集光シート620をビルの壁面などに設置しても、大量の光を捕捉することができる。したがって、本実施の形態に係る太陽光集光シートによれば、従来利用できなかった分野に適用する柔軟性の高い集光システムを構築することが可能になる。さらには、実施の形態1に係るシート型集光装置(集光シート)と併用して、先に集光した光をさらに集光し、照明や集光型PV装置など多様な用途に利用することができる。
Further, as other uses, for example, application to buildings such as buildings (widely buildings) is also conceivable. That is, as described above, the
一例として、例えば、図44に示すようなビルの多い地域において、各ビルの側面に本実施の形態に係る太陽光集光シート670(例えば、図39の太陽光集光シート620で構成されている)を使用した場合、次のような著しい効果を期待することができる。
As an example, for example, in an area with many buildings as shown in FIG. 44, the solar
第1に、太陽光を含む周辺光を集光して利用するため、そのエネルギーがビルの内部に進入することがなくなり、大きな断熱効果が得られる。特に、熱エネルギーを反射することがないため、照り返しが解消され、夏に大きな効果を期待することができる。 First, since ambient light including sunlight is collected and used, the energy does not enter the inside of the building, and a large heat insulating effect is obtained. In particular, since heat energy is not reflected, the reflection is eliminated and a great effect can be expected in summer.
第2に、従来用いられていた断熱材のように太陽光の熱エネルギーを反射することもなく、他の建造物と共存する 良好な環境を実現することができる。 Secondly, it does not reflect the heat energy of sunlight unlike the conventional heat insulating material, and can realize a good environment coexisting with other buildings.
第3に、太陽光のエネルギーは約1kW/m2あり、大きなビルは表面積が数万m2程度ある。したがって、周辺光のエネルギーを吸収して電気エネルギーに変換した場合、条件にもよるが、数千kW程度の電気エネルギーを期待することができる。これにより、通常のビルが使用する昼間の使用電気エネルギーを大きく削減することができる。 Third, the energy of sunlight is about 1 kW / m 2, and a large building has a surface area of about tens of thousands m 2 . Therefore, when energy of ambient light is absorbed and converted into electric energy, electric energy of about several thousand kW can be expected depending on conditions. Thereby, the electric energy used in the daytime which a normal building uses can be reduced significantly.
第4に、集光型発電システムと照明用配光システムにより、本実施の形態に係る太陽光集光シート670のみをビルの壁面に使用することで、高価な太陽光発電設備に対する大きなコストメリットを実現することができる。
Fourth, by using only the
本発明に係る集光装置および集光方法は、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法として有用である。 The light condensing device and the light condensing method according to the present invention can be manufactured with a simple configuration and in a large amount at low cost, and can efficiently collect light incident at a wide range of angles, and is convenient. It is useful as a light collecting device and a light collecting method that are highly versatile and versatile.
100、100a シート型集光装置
110、110a、110b 法線集光部
111 シート層
112 マイクロレンズ
113 法線集光部層
120、120a、120b、120c 法線配光部
121、121a、121b、121c 法線配光路
123 接続部
130、130a 線状導光部
131 線状導光路
140 光圧縮制御部
150、150a 平面集光シート部
151 シート基板
160、160a 線状導光シート部
161 線状導光路群
162 1次光圧縮レンズ部
163 1次圧縮光
164 光入力接合部
165 光出力接合部
166 1次圧縮光出力部
170、170a 光圧縮シート部
171 1次圧縮光集光レンズ部
172 光高圧縮機能部
173 2次圧縮光
174 導光路
175a 凸レンズ
175b 凹レンズ
176 圧縮光出力部
177 光入力接合部
178 1次圧縮光入力部
200 光応用システム部
300、310、320、330 スクリーン印刷原版
301、311、321、331 シート材
302、312、322、332 切り抜き部
303 紫外線硬化樹脂
325 製造用透明基板シート
340 可変照射角近接光
350 被照射シート
400 紫外線光源
401 フレネルレンズ
402 反射板
500 可動照射ライン部
501 線状の紫外線光源
502 第1反射板
503 第2反射板
504 照射光出口部
505、506 マイクロレンズアレイ
600、610、620、650、670 太陽光集光シート
611、621、623、651 三角形状部
612、622 平板部
100, 100a Sheet type condensing device 110, 110a, 110b Normal condensing part 111 Sheet layer 112 Micro lens 113 Normal condensing part layer 120, 120a, 120b, 120c Normal light distributing part 121, 121a, 121b, 121c Normal light distribution path 123 Connection section 130, 130a Linear light guide section 131 Linear light guide path 140 Optical compression controller 150, 150a Planar light collection sheet section 151 Sheet substrate 160, 160a Linear light guide sheet section 161 Linear light guide path Group 162 Primary light compression lens portion 163 Primary compression light 164 Light input joint portion 165 Light output joint portion 166 Primary compression light output portion 170, 170a Light compression sheet portion 171 Primary compression light condensing lens portion 172 Light high compression Functional part 173 Secondary compressed light 174 Light guide 175a Convex lens 175b Concave lens 176 Compressed light Output unit 177 Optical input joint 178 Primary compressed light input unit 200 Optical application system unit 300, 310, 320, 330 Screen printing original plate 301, 311, 321, 331 Sheet material 302, 312, 322, 332 Cutout unit 303 UV curing Resin 325 Manufacturing transparent substrate sheet 340 Variable irradiation angle proximity light 350 Irradiated sheet 400 Ultraviolet light source 401 Fresnel lens 402 Reflecting plate 500 Movable irradiation line section 501 Linear ultraviolet light source 502 First reflecting plate 503 Second reflecting plate 504 Irradiation light Outlet portion 505, 506 Micro lens array 600, 610, 620, 650, 670 Sunlight collecting sheet 611, 621, 623, 651 Triangular portion 612, 622 Flat plate portion
Claims (11)
少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、
前記表面形状部は、
前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、
集光装置。 A sheet-like condensing device that condenses light emitted from one surface and emits it from the other surface,
A surface shape portion that is formed on at least one of the surfaces and has a surface shape that not only allows the irradiated light to directly enter the inside, but also allows external reflected light to be incident on the inside due to the irradiated light; Comprising
The surface shape portion is
The light irradiated at an arbitrary angle from the one surface side is incident on the inside by repeating reflection and refraction at the boundary surface,
Concentrator.
請求項1記載の集光装置。 The surface shape is a triangular shape in cross section,
The light collecting device according to claim 1.
請求項2記載の集光装置。 The surface shape is a shape of an isosceles triangle in cross section and the base angle is 45 degrees or more.
The light collecting device according to claim 2.
請求項3記載の集光装置。 The surface shape is a pyramid shape with a cross section of an isosceles triangle,
The light collecting device according to claim 3.
請求項4記載の集光装置。 The shape of the pyramid is arranged shifted by a half pitch for each row,
The light collecting device according to claim 4.
請求項5記載の集光装置。 The shape of the pyramid is a shape that can be filled on a plane.
The light collecting device according to claim 5.
前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第1の表面形状部と、
前記他方の表面に形成され、前記第1の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第2の表面形状部と、を具備し、
前記第1の表面形状部および前記第2の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
集光装置。 A sheet-like condensing device that condenses light emitted from one surface and emits it from the other surface,
A first surface shape that is formed on the one surface and has a surface shape that not only directly causes the irradiated light to enter the inside but also causes external reflected light to be incident on the inside due to the irradiated light. And
A second surface shape portion formed on the other surface and having the same or substantially the same surface shape as the first surface shape portion,
The first surface shape portion and the second surface shape portion are arranged vertically symmetrically or substantially symmetrically vertically.
Concentrator.
請求項7記載の集光装置。 The first surface shape portion and the second surface shape portion are formed of the same material,
The light collecting device according to claim 7.
前記第1の表面形状部および前記第2の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
請求項7記載の集光装置。 Further comprising a flat plate portion,
The first surface shape portion and the second surface shape portion are arranged vertically symmetrically or substantially vertically symmetrically across the flat plate portion,
The light collecting device according to claim 7.
請求項9記載の集光装置。 The first surface shape portion, the second surface shape portion, and the planar portion are formed of the same material.
The light collecting device according to claim 9.
請求項1から請求項10のいずれかに記載の集光装置。
The light is sunlight;
The condensing device according to any one of claims 1 to 10.
Priority Applications (1)
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JP2008072200A JP2009229581A (en) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Light collecting device |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013047827A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | ダイキン工業株式会社 | Light-condensing film, solar cell module, and transfer mold |
US8628858B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-01-14 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Silicone rubber composition for optical sheet, and optical sheet |
WO2014061719A1 (en) * | 2012-10-19 | 2014-04-24 | 国立大学法人北海道大学 | Photoelectric conversion device, built structure, and electronic instrument |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0444001A (en) * | 1990-06-12 | 1992-02-13 | Shizen Kagaku Kenkyusho:Kk | Convergence system for light from whole sky |
JPH04147019A (en) * | 1990-10-11 | 1992-05-20 | Nippon Arefu:Kk | Optical sensor |
JP2003215314A (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Antireflection article |
JP2005510751A (en) * | 2001-11-28 | 2005-04-21 | サン−ゴバン グラス フランス | Transparent panel with high light transmittance pattern |
JP2007518055A (en) * | 2004-01-08 | 2007-07-05 | アグロテクノロジー アンド フード イノベーションズ ビー.ブイ. | Covering objects that use sunlight |
-
2008
- 2008-03-19 JP JP2008072200A patent/JP2009229581A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0444001A (en) * | 1990-06-12 | 1992-02-13 | Shizen Kagaku Kenkyusho:Kk | Convergence system for light from whole sky |
JPH04147019A (en) * | 1990-10-11 | 1992-05-20 | Nippon Arefu:Kk | Optical sensor |
JP2005510751A (en) * | 2001-11-28 | 2005-04-21 | サン−ゴバン グラス フランス | Transparent panel with high light transmittance pattern |
JP2003215314A (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Antireflection article |
JP2007518055A (en) * | 2004-01-08 | 2007-07-05 | アグロテクノロジー アンド フード イノベーションズ ビー.ブイ. | Covering objects that use sunlight |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8628858B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-01-14 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Silicone rubber composition for optical sheet, and optical sheet |
WO2013047827A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | ダイキン工業株式会社 | Light-condensing film, solar cell module, and transfer mold |
JP2014029450A (en) * | 2011-09-30 | 2014-02-13 | Daikin Ind Ltd | Light condensing film, solar battery module, and transfer mold |
US10454411B2 (en) | 2011-09-30 | 2019-10-22 | Daikin Industries, Ltd. | Light-condensing film, solar cell module, and transfer mold |
WO2014061719A1 (en) * | 2012-10-19 | 2014-04-24 | 国立大学法人北海道大学 | Photoelectric conversion device, built structure, and electronic instrument |
JPWO2014061719A1 (en) * | 2012-10-19 | 2016-09-05 | 国立大学法人北海道大学 | Photoelectric conversion device, building and electronic equipment |
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