JP2009258371A - Light introducing device, light converging unit, and light converging device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、所定角度範囲内で入射する光を導入し集光する、光導入装置、集光ユニット、及び集光装置に関するものである。 The present invention relates to a light introducing device, a light collecting unit, and a light collecting device that introduce and collect light incident within a predetermined angle range.
太陽光をエネルギー源として利用する場合、集光倍率を高めた方が一般に利用価値は高まる。 When using sunlight as an energy source, the utility value generally increases when the concentration factor is increased.
集光倍率を高めるためにはレンズや曲面鏡を用いる必要があるが、太陽の位置は変化するため、常に太陽と対峙した位置にレンズあるいは曲面鏡がくるように装置全体を回転させるか、レンズや曲面鏡に対して常に同じ角度で太陽光が入射するように、プリズムや平面鏡を使って光路を制御する必要がある。 Although it is necessary to use a lens or curved mirror to increase the focusing magnification, the position of the sun changes, so the entire device is rotated so that the lens or curved mirror is always at the position facing the sun, or the lens It is necessary to control the optical path using a prism or plane mirror so that sunlight always enters the curved mirror at the same angle.
これらの方法のうち、プリズムを使って光路を制御する方法は、屋根と屋根裏のスペースを利用して設置できること、面積いっぱいに設置しても他の装置の影響を受けずにすべての入射方向からの光を使えることから、一般家庭での利用に適した方法といえる。 Among these methods, the method of controlling the optical path using a prism can be installed using the space between the roof and the attic, and even if it is installed over the entire area, it is not affected by other devices, and it can be viewed from all incident directions. It can be said that this method is suitable for use in ordinary households.
通常のプリズムは大きくなるほど重くなり、材料コストも高くなるので、平板プリズムがよい。
平板プリズムを利用したものとして、特許文献1には、採光プリズムを水平面から所定角度傾斜させて配置した太陽光採光装置が開示されている。この採光プリズムは水平面に対して所定角度傾斜させて配置しているため、太陽の仰角が小さい(高度が低い)ときにも太陽光を比較的効率よく室内に導くことができる。
A normal prism becomes heavier as it gets larger, and the material cost increases, so a flat prism is preferable.
As a device using a flat prism, Patent Document 1 discloses a sunlight lighting device in which a daylighting prism is disposed at a predetermined angle with respect to a horizontal plane. Since the daylighting prism is disposed at a predetermined angle with respect to the horizontal plane, sunlight can be guided into the room relatively efficiently even when the elevation angle of the sun is small (altitude is low).
しかし、特許文献1の太陽光採光装置では、1枚の採光プリズムを用いているだけであるので光の屈折角が小さく、太陽光を一定の方向に導くことができず、所定位置に太陽光を集光できないという問題があった。 However, since the solar light collecting device of Patent Document 1 uses only one daylighting prism, the refraction angle of light is small, and the sunlight cannot be guided in a certain direction, so that the sunlight is placed at a predetermined position. There was a problem that could not be condensed.
特許文献2には、2枚の平板プリズムを互いに平行に重ね、少なくとも一方の平板プリズムを平面内で回転させる太陽追尾装置が開示されている。この太陽追尾装置は、太陽光を一定方向に導くことができる。
図1は上記特許文献2に示されている太陽追尾装置の構成を示す図である。この太陽追尾装置は、図1(A)に示すように、平板プリズム1,2を平行に配置している。
しかし、特許文献2に記載の太陽追尾装置は、平面を平行にして2枚のプリズムを重ねているため、1枚目の平板プリズムから出射した光が大きな角度で2枚目の平板プリズムに入射してしまう。図1(B)は、その様子を平板プリズムの単位プリズムを取り出して表した図である。1枚目のプリズムP1に入射角φ1で入射した光は屈折角φ2で屈折し、作用面(出射面)から出射角φ3で出射するが、2枚目のプリズムP2の平板面(入射面)は1枚目のプリズムP1の作用面(出射面)に対して、作用面の傾斜方向とは反対方向にプリズムの頂角(以下「ウェッジ角」という。)α分傾いている。そのため、1枚目のプリズムP1の出射面からの出射角φ3より2枚目のプリズムP2の平板面(入射面)への入射角が(φ3+α)に大きくなってしてしまう。
However, since the solar tracking device described in
したがって2枚目の平板プリズムによる屈折効果が小さくなり、低仰角の太陽光に関しては、平板プリズムで任意の方向に導くことができない、という問題がある。 Therefore, the refraction effect by the second flat prism is reduced, and there is a problem that sunlight with a low elevation angle cannot be guided in an arbitrary direction by the flat prism.
すなわち、特許文献2にも記述されているように、ウェッジ角αを30°としても、下部平板プリズムの垂直下方向へ送り出すことができる光は、上部平板プリズムへの入射角が45.1°までの光だけに限られる。
That is, as described in
ウェッジ角αを大きくすることや材料の屈折率を変えることで、すべての光をある方向に導くことができるが、これ以上ウェッジ角αを大きくしても、上部平板プリズムへ入射した光のうちプリズム非作用面に当たって所望の方向へ進めない光の割合が大きくなって、損失が大きくなる。また、平板プリズム用の材料として用いられる透明樹脂体の屈折率は1.5〜1.6程度までのものしか実用化されていないので、プリズムの屈折率をこれより大幅に高めることもできない。 By increasing the wedge angle α and changing the refractive index of the material, all the light can be guided in a certain direction. However, even if the wedge angle α is increased further, The ratio of the light that impinges on the non-acting surface of the prism and cannot travel in the desired direction increases, and the loss increases. Further, since the refractive index of the transparent resin body used as the material for the flat prism is only about 1.5 to 1.6, the refractive index of the prism cannot be significantly increased.
そこで、この発明の目的は、任意方位から大きな入射角で入射する太陽光をも効率よく導入できるようにした光導入装置、その導入した光を集光する集光ユニット、およびそれを備えた集光装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light introducing device that can efficiently introduce sunlight incident at a large incident angle from an arbitrary direction, a condensing unit that condenses the introduced light, and a collecting device including the same. It is to provide an optical device.
前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
(1)複数の平板プリズムを備えた光導入装置において、
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも2つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該2つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
(1) In a light introducing device provided with a plurality of flat plate prisms,
Among the plurality of flat plate prisms, at least two flat plate prisms on the front side and the back side have a prism surface of at least one flat plate prism facing the other flat plate prism, and the wedge angle of the one flat plate prism is increased. The other flat prism is disposed so as to be relatively open in the angular direction, and the two flat prisms are rotatably provided.
この構成により、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。そのため、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができる。 With this configuration, it is possible to guide sunlight incident at a large incident angle in a certain direction without increasing the wedge angle of the prism. Therefore, sunlight incident from a low elevation angle can also be introduced in a predetermined direction.
(2)前記2つの平板プリズムは、例えば双方に共通の第1の回転軸を有し、前記2つの平板プリズムの一方は、前記第1の回転軸とは独立した第2の回転軸を有するものとする。 (2) The two flat prisms have, for example, a common first rotation axis, and one of the two flat prisms has a second rotation axis independent of the first rotation axis. Shall.
これにより、独自の回転軸で回転することにより、複数の平板プリズムによる等価的なウェッジ角が変化し、広い範囲(大きな立体角の範囲)から入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。 Thereby, by rotating with an original rotation axis, an equivalent wedge angle by a plurality of flat prisms changes, and sunlight incident from a wide range (a large solid angle range) can be guided in a certain direction. .
(3)前記2つの平板プリズムの回転に関わらず、前記2つの平板プリズムの互いに対向する面は略平行な関係を維持するものとする。
これにより、前段の平板プリズムから出射する光の出射角と略等しい角度で、後段の平板プリズムに光が入射する。そのため、より大きな入射角の光についても所定方向へ導入できるようになる。
(3) Regardless of the rotation of the two flat prisms, the surfaces of the two flat prisms facing each other shall maintain a substantially parallel relationship.
As a result, light is incident on the rear plate prism at an angle substantially equal to the emission angle of the light emitted from the front plate prism. Therefore, light with a larger incident angle can be introduced in a predetermined direction.
(4)前記2つの平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムは、入射面に垂直な軸を回転軸として回転するものとする。 (4) Of the two flat prisms, at least one flat prism is rotated about an axis perpendicular to the incident surface as a rotation axis.
これにより、光の入射角を一定に保つことができるので、設計が容易になる。また、追尾の際の制御も容易となる。 Thereby, the incident angle of light can be kept constant, and the design becomes easy. In addition, control during tracking becomes easy.
(5)前記2つの平板プリズムを、それらの対向面を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、前記2つの平板プリズムのウェッジ角をそれぞれβで表した場合にβ<αの関係にあり、且つ、対向面を平行に配置した場合より、プリズム面が他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に、他方の平板プリズムが開角する関係に配置されたものとする。 (5) When the two flat prisms are arranged so that their opposing surfaces are arranged in parallel, a wedge angle necessary for the two flat prisms is represented by α, and when the wedge angles of the two flat prisms are represented by β, β <α. More than the case where the opposing surfaces are arranged in parallel, the prism surface is arranged so that the other plate prism opens in the opening angle direction of the wedge angle of one plate prism facing the other plate prism. It shall be assumed.
これにより、前段の平板プリズムから出射する角度よりも小さな角度または同等の角度で、後段の平板プリズムに入射させることができる。また、ウェッジ角が小さくなることから非作用面に入射する光の割合が小さくなり、全体に低損失化が図れる。 Thereby, it can be made to inject into a back | latter stage flat prism at an angle smaller than the angle radiate | emitted from a front | former stage flat prism, or an equivalent angle. Further, since the wedge angle becomes small, the proportion of light incident on the non-working surface becomes small, and the overall loss can be reduced.
(6)前記2つの平板プリズムは、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面が平板面である場合にはその平板面が、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面がプリズム面である場合には、当該プリズム面から前記一方の平板プリズムのウェッジ角βの開角方向に所定の角度開角した面が、前記2つの平板プリズムの回転に関わらず、平行な関係を維持するものとする。 (6) When the surface of one flat prism facing the other flat prism is a flat surface, the flat surface of the two flat prisms is the surface of the one flat prism facing the other flat prism. In the case of a prism surface, a surface that is opened at a predetermined angle from the prism surface in the opening angle direction of the wedge angle β of the one flat prism has a parallel relationship regardless of the rotation of the two flat prisms. Shall be maintained.
この構成により、平行な関係を維持した面をそれぞれの平板プリズムの出入射面と置き換えて考えることができるため、設計が容易となり、追尾の際の制御も容易となる。 With this configuration, the plane maintaining the parallel relationship can be considered by replacing it with the exit / incident surface of each flat prism, which facilitates the design and facilitates control during tracking.
(7)前記前段の平板プリズムと前記後段の平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムの入射面を平面とする。 (7) The incident surface of at least one of the front plate prism and the rear plate prism is a flat surface.
これにより、プリズム面の非作用面に光が入射することがないため、その分、損失が抑制できる。 Thereby, since light does not enter the non-working surface of the prism surface, the loss can be suppressed accordingly.
(8)前記のいずれかの構成からなる光導入装置と、前記複数の平板プリズムのうち最後段から出射される光を集光する集光レンズとを備えて集光ユニットを構成する。 (8) A condensing unit is configured by including the light introducing device having any one of the above-described configurations and a condensing lens that condenses light emitted from the last stage among the plurality of flat plate prisms.
この構成により、集光された光を例えば光ダクト、光ファイバなどを通じて容易に搬送でき、搬送先でエネルギーとして利用可能となる。 With this configuration, the collected light can be easily transported through, for example, an optical duct or an optical fiber, and can be used as energy at the transport destination.
(9)前記複数の平板プリズムのうち最後段に配置された平板プリズムは、その出射面が平面であり、当該平板プリズムの出射面に前記集光レンズを形成する。 (9) The flat prism arranged at the last stage among the plurality of flat prisms has a flat exit surface, and the condenser lens is formed on the exit surface of the flat prism.
この構成により、最後段に配置された平板プリズムの出射面に、フレネルレンズや片凸レンズ等のレンズを容易に密着形成することができる。これらのレンズを形成することで、平板プリズムから出射された光を一点に集めることができる。そのため、レンズを別途配置するよりも簡易な構造で形成でき、かつ損失が少ない。 With this configuration, a lens such as a Fresnel lens or a half-convex lens can be easily formed in close contact with the exit surface of the flat prism arranged at the last stage. By forming these lenses, the light emitted from the flat prism can be collected at one point. Therefore, the lens can be formed with a simpler structure than when a lens is separately provided, and the loss is small.
(10)前記集光ユニットを、前記複数の平板プリズムのうち初段の平板プリズムの入射面が略同一平面をなすように複数配置して集光装置を構成する。 (10) A condensing device is configured by arranging a plurality of the condensing units such that the incident surfaces of the first-stage flat prisms are substantially the same plane among the plurality of flat prisms.
これにより、各集光ユニットが他の集光ユニットへの入射光を遮蔽することなく、大面積の入射面を備えて、全体に高効率な集光装置が構成できる。 As a result, each light collecting unit is provided with a large-area incident surface without blocking incident light to other light collecting units, and a highly efficient light collecting device can be configured as a whole.
この発明によれば、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができ、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができ、追尾制御も容易となる。さらに全体に低損失化が図れる。 According to the present invention, sunlight incident at a large incident angle can be guided in a certain direction without increasing the prism wedge angle, and sunlight incident from a low elevation angle can also be introduced in a predetermined direction. Tracking control is also easy. Furthermore, the overall loss can be reduced.
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る光導入装置について、図2〜図9を参照して説明する。
図2は第1の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す図である。図2(A)は2つの平板プリズム11,12の配置関係、図2(B)はその単位プリズムの配置関係をそれぞれ示している。
<< First Embodiment >>
The light introducing device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a main part of the light introducing device according to the first embodiment. 2A shows the arrangement relationship between the two
図2(A)において、太陽光は図における上方から入射し、下方へ導入される。前段側の平板プリズム11と後段側の平板プリズム12は、共に上面を平板面FS、下面をプリズム面PSとしている。そして、2つの平板プリズム11,12は、その全体の成す角度が、プリズムのウェッジ角αの開角方向に相対的に開角(傾斜)する関係となるように配置している。この例では前段側平板プリズム11のウェッジ角αの開角方向にウェッジ角αだけ、後段側平板プリズム12を前段側平板プリズム11に対して開角させている。すなわち、前段側平板プリズム11の平板面FSと後段側平板プリズム12の平板面FSとを傾斜させている。したがって、図2(A)(B)に示すように、対向する面である、前段側平板プリズム11の作用面ESと後段側平板プリズム12の平板面FSとは平行関係にある。
In FIG. 2 (A), sunlight is incident from above in the figure and introduced downward. Both the front-stage
そのため、図2(B)に示すように、前段側平板プリズムの単位プリズムP1の平板面FSに対して入射角φ1で入射した光は屈折角φ2で屈折し、作用面ESから出射角φ3で出射する。この光は後段側平板プリズム12の単位プリズムP2の平板面FSに対して入射角φ3で入射する。
Therefore, as shown in FIG. 2B, the light incident at the incident angle φ1 on the flat plate surface FS of the unit prism P1 of the front-side flat prism is refracted at the refraction angle φ2 and is emitted from the working surface ES at the output angle φ3. Exit. This light enters the flat plate surface FS of the unit prism P2 of the rear
図1(B)に示した例と比較すれば明らかなように、後段側の平板プリズム12による屈折効果が小さくならず、入射角φ1が大きな(低仰角)の入射光に対しても所定方向に導入できる。そのため、より広い角度範囲に亘って適応可能となる。
As is clear from the comparison with the example shown in FIG. 1B, the refraction effect by the
また、図2に示した平板プリズム12を、図2(A)において平板面FSに垂直な一点鎖線で示す回転軸で回転させれば、2つの平板プリズム11,12で偏向させる角度を広い範囲(立体角)に亘って任意に変化させることができる。この様子を図3に示す。
Further, if the
図3(A)は、2つの平板プリズムの単位プリズムP1,P2を重ねたときのウェッジ角が最も大きく(=2α)なる場合を示している。
図3(B)は、2つのプリズムP1,P2の合成によるウェッジ角が等価的に0になる場合について示している。
図3(C)は、図3(A)と図3(B)の中間状態であり、プリズムP1,P2の合成による等価的なウェッジ角は0〜2αの範囲をとり得る。
FIG. 3A shows a case where the wedge angle is maximized (= 2α) when the unit prisms P1 and P2 of two flat prisms are overlapped.
FIG. 3B shows a case where the wedge angle obtained by combining the two prisms P1 and P2 is equivalently zero.
FIG. 3C is an intermediate state between FIG. 3A and FIG. 3B, and an equivalent wedge angle by combining the prisms P1 and P2 can be in the range of 0 to 2α.
なお、この例では図2(B)に示したように、前段側平板プリズム11の下面と後段側平板プリズム12の上面とが平行であるので、プリズムを透過する光線の軌跡を考察する場合にはその空気層は等価的に無視でき、図3の各図の右側に示すように、上下の単位プリズムを重ね合わせたものとして取り扱うことができる。
In this example, as shown in FIG. 2B, the lower surface of the
平板プリズム11,12の具体的な設計例は次のとおりである。
屈折率:1.5(アクリル樹脂)
形状:直径300mmの円板形(板厚:2mm)
ウェッジ角α=21゜
単位プリズムのピッチ:1mm
単位プリズムの高低差:0.36mm
なお、上記プリズム面における非作用面NSと平板面FSとの成す角度γは、成形時の型離れを良好にするために、90°より小さい80°としている。
A specific design example of the
Refractive index: 1.5 (acrylic resin)
Shape: Disc shape with a diameter of 300mm (Thickness: 2mm)
Wedge angle α = 21 ° Unit prism pitch: 1 mm
Unit prism height difference: 0.36 mm
The angle γ formed between the non-working surface NS and the flat plate surface FS on the prism surface is set to 80 °, which is smaller than 90 °, in order to improve the mold separation during molding.
この条件でウェッジ角α=21°にすぎないにも関わらず、図2(B)に示した入射角φ1が0〜90°の範囲、すなわち全ての方向からの入射光について、後段側平板プリズム12の作用面ESの垂直軸方向へ導出することが可能となる。 Although the wedge angle α is only 21 ° under this condition, the rear-side flat prism is shown in FIG. 2B in which the incident angle φ1 is in the range of 0 to 90 °, that is, incident light from all directions. The twelve working surfaces ES can be derived in the vertical axis direction.
なお、平板プリズム11,12の界面での屈折率差に伴う反射や、屈折に有効に寄与しない非作用面NSに起因する損失は生じる。
In addition, the loss resulting from the reflection accompanying the difference in refractive index at the interface between the
図4は、2つの平板プリズム11,12を回転させる機構を備えた光導入装置101の断面図である。前段側平板プリズム11を回転枠体21に取り付けている。また、後段側平板プリズム12を回転枠体22に取り付けている。回転枠体21はギア31と噛合っていて、ギア31はモータ41によって回転する。同様に、回転枠体22はギア32と噛合っていて、ギア32はモータ42によって回転する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the light introducing
平板プリズム11,12は、モータ41の回転によって、前段側平板プリズム11の平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム12はモータ42の回転によって、その平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの2つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
The
これにより2つの平板プリズム11,12同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ2つの平板プリズム11,12の全体の角度によって入射光の偏向方向(方位)を制御する。
Thus, an equivalent wedge angle is controlled by the relative angle between the two
この第1の実施形態によれば、後段側平板プリズム12の回転軸が平板面の垂直軸と一致しているため、後段側平板プリズム12の回転機構部を薄く構成できる。そのため装置全体を薄くできる。また、どちらの回転軸も平板面の垂直軸となるので、回転機構部の作製時に、プリズムの取付け・調整が簡単で、正常動作しているか否かの確認も容易にできる。
According to the first embodiment, the rotation axis of the
また、平板プリズム11,12を通常の肉厚プリズムとして考えた場合に、両プリズムの向かい合う面が常に平行な状態を保つため、両プリズムをどの方向に回転させれば所望の光路に調整できるかを計算しやすい。
In addition, when the
なお、2つの平板プリズム11,12を後段側平板プリズム12の入射面である平板面の垂直軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム11をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図4に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
The two
図5は、図4に示した光導入装置101を用いるとともに、その入射面側の構造をより具体的に表したものである。図5において、光導入装置101の前段側平板プリズム11の平板面に対して平行にガラス(強化ガラス)板52を配置し、そのガラス板52と前段側平板プリズム11の平板面との間に整合層51を設けている。この整合層51は、例えばガラス板52と平板プリズム11のそれぞれの屈折率に近似する、またはその中間的な屈折率を有する油状の屈折率整合液である。
FIG. 5 shows the structure on the incident surface side in more detail while using the
このような構成により、前段側平板プリズム11の平板面とガラス板52との界面には常に整合層51が満たされて空気層が入らないため、光路に対して界面の数を増すことなく光導入装置101の保護を行うことができる。
With such a configuration, since the
次に、図2〜図5で示したように、平板プリズムの平板面を入射面として用いる場合と、平板プリズムのプリズム面を入射面として用いる場合とについて、損失の違いを示す。 Next, as shown in FIGS. 2 to 5, a difference in loss is shown between the case where the flat plate surface of the flat plate prism is used as the incident surface and the case where the prism surface of the flat plate prism is used as the incident surface.
図6は、入射面側をプリズム面とした場合の入射角について示している。また図8は、入射面側を平板面とした場合の入射角について示している。ここで、破線で示す向きから入射する光については、平板プリズム14を回転させて、図中実線の矢印で示す方向から入射する状態で用いる。入射面から実線の矢印で示す方向を正方向とすると、入射角は常に正の値となる。
FIG. 6 shows the incident angle when the incident surface side is a prism surface. FIG. 8 shows the incident angle when the incident surface side is a flat surface. Here, light incident from the direction indicated by the broken line is used in a state where the
図7は、入射面側をプリズム面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図であり、図9は、入射面側を平板面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図である。図7・図9はウェッジ角α=20°、非作用面と平板面とのなす角度γを80°とした場合の光線透過率を表している。図7・図9において、(A)は作用面を通過する割合について示し、(B)は界面反射を考慮し、且つ入射角による光強度を加味した加重平均をとった場合について示している。図7・図9の(A)において、入射角が負の値の領域は太陽光の追尾には不要な(入射させない)角度範囲である。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship of the transmittance to the incident angle when the incident surface side is a prism surface, and FIG. 9 is the relationship of the transmittance to the incident angle when the incident surface side is a flat surface. It is a figure shown about. 7 and 9 show the light transmittance when the wedge angle α = 20 ° and the angle γ between the non-working surface and the flat plate surface is 80 °. 7 and 9, (A) shows the ratio of passing through the working surface, and (B) shows the case of taking a weighted average considering the interface reflection and taking into consideration the light intensity depending on the incident angle. In FIG. 7A and FIG. 9A, the region where the incident angle is negative is an angle range that is unnecessary (not incident) for tracking sunlight.
図6・図7に示したように入射面がプリズム面であると、入射角が大きくなる程プリズム面の非作用面に入射する光が多くなって光透過率が低下してしまう。図7に図示したように、入射面がプリズム面である場合に、作用面に垂直な回転軸で回転させても、平均透過率は75.6%である。 As shown in FIGS. 6 and 7, when the incident surface is a prism surface, the light incident on the non-working surface of the prism surface increases as the incident angle increases and the light transmittance decreases. As shown in FIG. 7, when the incident surface is a prism surface, the average transmittance is 75.6% even if the incident surface is rotated by a rotation axis perpendicular to the working surface.
ところで、入射面をプリズム面にした場合は、光の入射範囲の中心方向と、作用面の垂直軸方向が一致するように平板プリズムを設置すると、広い角度範囲について入射光を平板プリズムに透過させることができる。しかし、例えば、前段側平板プリズムの入射面がプリズム面である集光ユニットを複数配置して集光装置を構成する場合を考えると、隣接する集光ユニットの影ができてしまうので、実際の平均透過率は63.2%までにさらに低下してしまう。 By the way, when the incident surface is a prism surface, if the flat prism is installed so that the center direction of the incident range of light coincides with the vertical axis direction of the working surface, the incident light is transmitted through the flat prism over a wide angle range. be able to. However, for example, when considering a case where a condensing device is configured by arranging a plurality of condensing units in which the incident surface of the front-side flat prism is a prism surface, the shadow of the adjacent condensing unit is created. The average transmittance is further reduced to 63.2%.
これに対して、図8・図9に示したように入射面が平板面であると、広い角度範囲からの入射光が一旦平板プリズムを透過する。入射角の大きな入射光は非作用面を透過してしまう成分もあるが、作用面を透過する割合も比較的多い。そのため、入射面が平板面である場合の平均透過率は80.9%である。 On the other hand, when the incident surface is a flat plate surface as shown in FIGS. 8 and 9, incident light from a wide angle range is once transmitted through the flat plate prism. Although incident light having a large incident angle has a component that passes through the non-working surface, a relatively large proportion of light passes through the working surface. Therefore, the average transmittance when the incident surface is a flat surface is 80.9%.
この場合には、複数の集光ユニットを近接配置しても、入射面が平板面であるので、各集光ユニットの前段側平板プリズムの入射面を平面状に配置することができる。そのため、隣接する集光ユニットの影ができることもなく、平均透過率の低下も少ない。 In this case, since the incident surface is a flat plate surface even if a plurality of light collecting units are arranged close to each other, the incident surface of the front-side flat prism of each light collecting unit can be arranged in a planar shape. Therefore, there is no shadow of adjacent light collecting units, and there is little decrease in average transmittance.
《第2の実施形態》
第2の実施形態に係る光導入装置について図10・図11を参照して説明する。
図10は第2の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す断面図である。第1の実施形態では後段側平板プリズム12の入射面が平板面側となるように配置したが、第2の実施形態では、図10に示すように後段側平板プリズム13のプリズム面PSが入射面となるように配置している。
<< Second Embodiment >>
The light introducing device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the light introducing device according to the second embodiment. In the first embodiment, the rear surface
そして、この例では、平板プリズム11,13のウェッジ角の開角方向に、対向する平板プリズムが相対的に開角するようにしている。すなわち、前段側平板プリズム11の平板面FSと後段側平板プリズム13の平板面FSとを傾斜させている。したがって、対向する面である、前段側平板プリズム11の作用面と後段側平板プリズムの作用面とを平行関係とすることができる。
In this example, the opposing flat prisms are relatively opened in the opening angle direction of the wedge angles of the
図10(B)は、前段側平板プリズム11と後段側平板プリズム13を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム11を回転枠体21に取り付けている。後段側平板プリズム13は回転枠体23に取り付けている。回転枠体21はギア31と噛合っていて、ギア31はモータ41によって回転する。同様に、回転枠体23はギア33と噛合っていて、ギア33はモータ43によって回転する。
FIG. 10B shows a structure for rotating the front-side
平板プリズム11,13は、モータ41の回転によって、前段側平板プリズムの平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム13はモータ43の回転によって、そのプリズム面の作用面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの2つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
The plate prisms 11 and 13 are rotated about the central axis perpendicular to the plate surface of the front plate prism by the rotation of the
これにより2つの平板プリズム11,13同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ2つの平板プリズム11,13の全体の角度によって入射光の偏向方向(方位)を制御する。
Thus, an equivalent wedge angle is controlled by the relative angle between the two
なお、2つの平板プリズム11,13を後段側平板プリズム13の入射面であるプリズム面の作用面に垂直な軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム11をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図10(B)に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
The two
図11は、図10に示した光導入装置102を備え、さらに集光手段を備えて構成した集光ユニット201の構成を示す断面図である。
図11において、後段側平板プリズム13の下面(平板面側)にはフレネルレンズ19を設けている。このフレネルレンズ19の焦点FPに光ファイバOFの受光部を配置している。光は後段側平板プリズム13の平板面に対して垂直方向に出射されるので、これらの光はフレネルレンズ19によって焦点FPに集光されることになる。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a
In FIG. 11, a
なお、界面の数を減らすために、後段側平板プリズム13の平板面とフレネルレンズ19の平板面との間には整合層を設けるか、両者を一体に成形して空気層を介在させない。
In order to reduce the number of interfaces, a matching layer is provided between the flat plate surface of the rear-stage
このようにして焦点FPに集光された光は光ファイバOFを通じて所定の箇所へ光エネルギーとして伝送される。 The light collected at the focal point FP in this way is transmitted as light energy to a predetermined location through the optical fiber OF.
《第3の実施形態》
図12(A)は第3の実施形態に係る光導入装置103の主要部の断面図である。図12(B)は、前段側平板プリズム14と後段側平板プリズム13を回転させるための構造について示している。
<< Third Embodiment >>
FIG. 12A is a cross-sectional view of the main part of the light introducing
この第3の実施形態は、前段側平板プリズム14及び後段側平板プリズム13の両方について、入射面側をプリズム面とした例である。
図12(B)に示すように、前段側平板プリズム14を回転枠体24に取り付けている。後段側平板プリズム13は回転枠体23に取り付けている。回転枠体24はギア34と噛合っていて、ギア34はモータ44によって回転する。同様に、回転枠体23はギア33と噛合っていて、ギア33はモータ43によって回転する。
The third embodiment is an example in which the incident surface side is a prism surface for both the front-side
As shown in FIG. 12B, the front-stage
この構成により、前段側平板プリズム14はその出射面である平板面に対して垂直な軸を回転軸として回転し、後段側平板プリズム13はそのプリズム面の作用面ESに対して垂直な軸を回転軸として回転する。
With this configuration, the front-side
なお、第1・第2の実施形態と同様に、前段側平板プリズム14の入射面であるプリズム面の作用面ESに垂直な軸で前段側平板プリズム14及び後段側平板プリズム13を回転させ、後段側平板プリズム13の入射面であるプリズム面の作用面ESに垂直な軸で後段側平板プリズム13を回転させてもよい。
As in the first and second embodiments, the front
これにより2つの平板プリズム14,13同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ2つの平板プリズム14,13の全体の角度によって入射光の偏向方向(方位)を制御する。
Thus, an equivalent wedge angle is controlled by the relative angle between the two
《第4の実施形態》
図13は第4の実施形態に係る光導入装置104の主要部の構成を示す断面図である。この例では、それぞれウェッジ角がβ1の前段側平板プリズム15と後段側平板プリズム16を用いている。前段側平板プリズム15は出射面をプリズム面とし、後段側平板プリズム16は入射面をプリズム面とし、2つの平板プリズム15,16は、対向する平板プリズム15,16のウェッジ角β1の傾斜方向に、角度2×(β1+β2)だけ開角した構造としている。
<< Fourth Embodiment >>
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the light introducing
換言すると、2つのプリズムの作用面同士を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、た場合に、β1<αであり、且つ、2つの平板プリズムの作用面同士を平行に配置した場合より、平板プリズムのウェッジ角β1の開角方向に、対向するプリズムが角度2×β2だけさらに開角するようにしている。
In other words, the wedge angle required when the working surfaces of the two prisms are arranged in parallel is represented by α, where β1 <α, and the working surfaces of the two flat prisms are arranged in parallel. Therefore, the opposing prism is further opened by an
そして、それぞれの平板プリズム15,16は、それぞれウェッジ角β1のプリズムとウェッジ角β2の空気プリズムの合成プリズムと見なし、それらの空気プリズムの作用面同士を平行に対向させている。すなわち、平板プリズム15,16のプリズム面から、平板プリズム15,16のウェッジ角β1の開角方向に平板プリズム15,16がそれぞれ角度β2開角した面が平行となるようにしている。そして、両者は前段側平板プリズムの平板面の垂直軸を回転軸として回転し、且つ、後段側平板プリズム16は、前記空気プリズム同士の対向する面(すなわち平板プリズム16の作用面から、平板プリズム16の開角方向にさらに角度β2だけ傾いた面)に垂直な軸を回転軸として回転する構造とする。
Each of the
図13(B)は、前段側平板プリズム15と後段側平板プリズム16を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム15を回転枠体25に取り付けている。後段側平板プリズム16は回転枠体26に取り付けている。回転枠体25はギア35と噛合っていて、ギア35はモータ45によって回転する。同様に、回転枠体26はギア36と噛合っていて、ギア36はモータ46によって回転する。
FIG. 13B shows a structure for rotating the front-side
平板プリズム15,16は、モータ45の回転によって回転し、後段側平板プリズム16はモータ46の回転によっても回転する。一点鎖線で示すこの2つの回転軸は合成プリズムのウェッジ角(β1+β2)と等しい角度をなす。
The plate prisms 15 and 16 are rotated by the rotation of the
これにより2つの平板プリズム15,16同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ2つの平板プリズム15,16の全体の角度によって入射光の偏向方向(方位)を制御する。
Thus, the equivalent wedge angle is controlled by the relative angle between the two
第1〜第3の実施形態で示した2つの平板プリズムを用いて、対向する作用面同士が平行となるように配置した場合、全ての入射角の光を後段側平板プリズムの出射面の垂直方向に導出するためには、既に述べたように、プリズムのウェッジ角は21゜必要であった。しかし、第4の実施形態では、後段側の平板プリズムの入射面が、出射面の傾斜方向に傾くように配置されているので、2つのプリズム15,16のウェッジ角β1は20.4゜あれば、すべての方向からの入射光に対し(すなわち前段側平板プリズムに対する入射角が0〜90°の範囲について)、後段側平板プリズムの出射面の垂直軸方向へ送り出すことが可能となる。但し、前記空気プリズムとの合成プリズムが占める角度β1+β2=21.4゜となるので、後段側平板プリズムの回転機構部は、図10に示した例よりもわずかに厚くなる。
When the two flat prisms shown in the first to third embodiments are used so that the working surfaces facing each other are parallel to each other, all incident angles of light are perpendicular to the exit surface of the rear flat plate prism. In order to derive in the direction, as described above, the wedge angle of the prism was 21 °. However, in the fourth embodiment, since the incident surface of the flat plate prism on the rear stage is arranged so as to be inclined in the inclination direction of the output surface, the wedge angle β1 of the two
このようにして平板プリズムのウェッジ角を小さくすれば、平板プリズムによる透過損失が少なくなる。 If the wedge angle of the flat prism is thus reduced, the transmission loss due to the flat prism is reduced.
なお、同じ入射角の光を送り出す条件で、かつ平板プリズムの面積が同じである場合、β2が大きくなると、前段側平板プリズム15は通るが後段側平板プリズム16は通らない、ということによる損失は増えるが、上述のように平板プリズムのウェッジ角β1が小さくなる分だけ、光がプリズム面の非作用面に当たって所望の方向へ進まない割合は減る。β2がある程度の値までは、前者の損失増よりも後者の損失減の方が勝るため、総合効率は改善される。この理由により、第4の実施形態で示した光導入装置104の方が第2の実施形態で示した光導入装置102に比べてわずかに改善が見込まれる。
In the case where light of the same incident angle is transmitted and the area of the flat prism is the same, if β2 increases, the loss due to the fact that the front-side
なお、第1の実施形態として図2に示したように、2つの平板プリズム11,12のプリズム面をともに出射面側にしたものに適用することもできる。この場合には、2つの対向面を平行に配置した場合より、平板プリズム11のウェッジ角β1の開角方向に、平板プリズム12が角度β2開角する。そして、平板プリズム11のプリズム面の作用面から平板プリズム11のウェッジ角β1の開角方向に角度β2開角した面と平板プリズム12の平板面が平行となるように回転する。これによれば、β1=18〜15゜,β2=5〜10゜の範囲で総合効率が1%程度の改善が見込まれる。その理由は、第2の実施形態のように、プリズム面同士が対向していて、2つの平板プリズム11,13が大きな角度を成している場合、その角度をさらに広げると、前段側平板プリズムは通るが後段側平板プリズムは通らない、ということによる損失が大きく増えるが、第1の実施形態のように、対向する2つの平板プリズムのうち一方の面のみがプリズム面であれば、2つの平板プリズムが成す角度がもともと大きくなく、その角度を広げても損失増加は少ないためである。
Note that, as shown in FIG. 2 as the first embodiment, the two
《第5の実施形態》
図14は第5の実施形態に係る集光装置301の構成を示す断面図である。この集光装置301は住宅の南側に面した傾斜屋根に設けたものである。屋根の入射面にはガラス板52を設け、その内側に図11に示したものと同様の集光ユニット201A〜201Dを設けている。但しこの図では断面内に4つの集光ユニット201A〜201Dが現れているが、紙面に対して垂直方向(奥行き方向)にも配列形成されている。
<< Fifth Embodiment >>
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a
このようにして複数の集光ユニットのそれぞれの複数の平板プリズムのうち初段の(前段の)平板プリズムの入射面がほぼ同一平面をなすように複数配置することによって、隣接する他の集光ユニットが入射光を遮蔽することなく、全体に高効率な集光装置が構成できる。 In this way, by arranging a plurality of the incident surfaces of the first (previous) plate prisms among the plurality of plate prisms of the plurality of light collecting units so as to form substantially the same plane, other adjacent light collecting units are arranged. Therefore, a highly efficient condensing device can be constructed as a whole without blocking incident light.
なお、図4に示したように、後段側平板プリズム12の出射面がプリズム面である場合には、その平板面側(入射面側)にフレネルレンズを配置するか、両者を一体成形してもよい。さらには平板プリズムのプリズムパターンとフレネルレンズのパターンとの合成パターンを同一面に設けることによって両者を一体化してもよい。
As shown in FIG. 4, when the exit surface of the latter-stage
また、以上に示した各実施形態ではいずれも2つの平板プリズムを備えたが、3つ以上の平板プリズムを備える場合には、対向する2つの平板プリズムについて本発明を同様に適用すればよい。 In each of the embodiments described above, two flat prisms are provided. However, when three or more flat prisms are provided, the present invention may be similarly applied to two opposing flat prisms.
また、以上に示した各実施形態では、平板プリズムの対向する面または空気プリズムの対向する面が略平行になるように配置しているが、これに限られず、2つの平板プリズムの平板面が平行ではなく、ウェッジ角の開角方向に相対的に開角するように2つの平板プリズムが傾斜していればよい。 Moreover, in each embodiment shown above, it has arrange | positioned so that the surface which a flat prism opposes, or the surface which an air prism opposes may become substantially parallel, However, It is not restricted to this, The flat plate surface of two flat prisms is It is only necessary that the two flat prisms be inclined so that they are not parallel but are relatively opened in the opening angle direction of the wedge angle.
11…前段側平板プリズム
12…後段側平板プリズム
13…後段側平板プリズム
14…前段側平板プリズム
15…前段側平板プリズム
16…後段側平板プリズム
19…フレネルレンズ
21〜26…回転枠体
31〜36…ギア
41〜46…モータ
51…整合層
52…ガラス板
101〜104…光導入装置
201…集光ユニット
301…集光装置
ES…作用面
FP…焦点
FS…平板面
NS…非作用面
OF…光ファイバ
P1,P2…単位プリズム
PS…プリズム面
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも2つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該2つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする光導入装置。 In the light introducing device provided with a plurality of flat plate prisms,
Among the plurality of flat plate prisms, at least two flat plate prisms on the front side and the back side have a prism surface of at least one flat plate prism facing the other flat plate prism, and the wedge angle of the one flat plate prism is increased. A light introducing device characterized in that the other flat prism is disposed so as to be relatively open in the angular direction, and the two flat prisms are rotatably provided.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008106999A JP2009258371A (en) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | Light introducing device, light converging unit, and light converging device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017174110A1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | Marcelo Ymbern | Active sunlight redirection system |
-
2008
- 2008-04-16 JP JP2008106999A patent/JP2009258371A/en active Pending
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WO2017174110A1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | Marcelo Ymbern | Active sunlight redirection system |
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