JP2013545260A - 集束太陽光誘導モジュール - Google Patents

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Abstract

集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも１つのレンズを備える。太陽光線を受光し、集束する各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。光誘導プレートは、レンズアレイプレートの下方平坦面および下方微細構造面に平行な上方平坦面を有する。下方微細構造面は、少なくとも１つの凹領域および光誘導プレートの上方平坦面に平行な少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、凹点、第１の傾斜平面および第２の傾斜平面を有する隣接する凹領域の間に接続される。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、凹点と隣接する接続領域との間にそれぞれ接続される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、集束太陽光誘導モジュールに関し、特に、微細構造設計の光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールに関する。
産業の急速な発展に伴い、化石燃料が徐々に枯渇し、温室効果ガスを排出している問題が世界中でますます憂慮されており、安定したエネルギー資源の供給が明らかに世界規模の主要課題になっている。従来の石炭火力発電、ガス火力発電、または原子力発電と比較して、太陽電池は、光電変換または熱電変換効果により、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、二酸化炭素、窒素酸化物、および硫黄酸化物などの温室効果ガスまたは汚染ガスを産出することがないため、化石燃料への依存を軽減し、安全かつ独立した電力源を供給する。
多くの太陽電池技術においては、太陽電池材料によって変換される太陽放射光が、使用に便利な電力源になっている。結晶シリコン太陽電池を例に挙げると、結晶シリコン太陽電池は、光電変換効率が１２％から２０％であり、異なる結晶材料を用いて設計された太陽電池は、光電特性が異なる。一般に、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の変換効率は、約１４％または１６％であるため、寿命は長くなるが、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の発電コストは高い。したがって、政府の助成金が必要であり、この種の太陽電池は、発電所または交通信号灯の信号にしか適用できない。
その上、上記のシリコン材料のほか、太陽電池はさらに、例えば、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料など、他の材料から作製することができる。結晶シリコンを用いた太陽エネルギー技術とは異なり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でできた太陽電池は、より広い太陽スペクトルのエネルギーを吸収できるため、最大でほぼ６０％から７０％を上回るほどの最も高い光電変換効率を達成する。
しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でできた太陽電池の製造コストおよび価格も、全種類の太陽電池の中で最も高い。そのため、太陽電池の使用を減らして発電コストを削減するために、太陽光集光装置を具備して光吸収領域を縮小している。しかしながら、そのコストは、太陽光集光装置が広い領域に設置するように求められる場合にしか相殺されず、これによって適用に不便が生じ、太陽電池の適用が制限されている。そのため、太陽電池の発電コストをいかに効果的に削減するかが、実際に現時点で当業者が切に解決を迫られている１つの主要課題である。
本開示は、上記の問題を解決し、太陽電池の発電コストを削減するのに適した、集束太陽光誘導モジュールを提供する。
本開示は、太陽光線をエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。
集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも１つのレンズを備え、各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。レンズアレイプレートは、太陽光線を受光し、集束する。光誘導プレートは、上方平坦面および下方微細構造面を有する。光誘導プレートの上方平坦面は、レンズアレイプレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートの下方微細構造面は、少なくとも１つの凹領域および少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの上方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第１の傾斜平面、および第２の傾斜平面を備える。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートによって集束されたのち、太陽光線は、凹領域および接続領域に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導される。太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。
集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレートおよびレンズアレイプレートを備える。光誘導プレートは、上方微細構造面および下方平坦面を有する。上方微細構造面は、少なくとも１つの凹領域および少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの下方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第１の傾斜平面、および第２の傾斜平面を備える。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートは、少なくとも１つのレンズを備え、各レンズは、上方平坦面および下方湾曲面を有する。レンズの上方平坦面は、光誘導プレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートを通過し、下方湾曲面で反射した後、太陽光線は、光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域および接続領域に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。
本開示は、例示のみを目的としているため本開示を限定しない以下に記載した詳細説明から、さらに完全に理解されるであろう。
第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図１Ａの側面図である。 図１Ｂの部分拡大図である。 第２の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第３の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの構造側面図である。 第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図３Ａの側面図である。 図３Ｂの部分拡大図である。 第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図４Ａの側面図である。 図４Ｂの部分拡大図である。 第７の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図５Ａの側面図である。 図５Ｂの部分拡大図である。 図１Ｄの概略図である。 図６Ａによる光誘導効率を標準化した強度のグラフである。 図６Ａによる光誘導効率を標準化した強度のグラフである。 季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成するために可動式レンズとして設計される、図６Ａのレンズの概略図である。
以下の詳細説明では、説明目的で、開示した実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細事項を記載している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくとも１つ以上の実施形態を実施できることは明らかであろう。このほか、図面を簡易化するために、公知の構造および装置を概略的に示している。
図１Ａは、第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図１Ｂは、図１Ａの側面図である。図１Ｃは、図１Ｂの部分拡大図である。以下の説明には、図１Ａから図１Ｃを参照されたい。
第１の実施形態：
集束太陽光誘導モジュール１０００は、レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０を備える。エネルギー変換装置１４０が、光誘導プレート１２０の第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置１４０は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール１０００は、太陽光線１８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置１４０に誘導するのに適しており、太陽光線１８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート１１００は、太陽光線１８０を受光し、集束する。レンズアレイプレート１１００は、少なくとも１つのレンズ１１０を備え、各レンズ１１０は、上方湾曲面１１０ａおよび下方平坦面１１０ｂを有する。例えば、レンズアレイプレート１１００は、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂは、上方湾曲面１１０ａの２つの端点の間に動径間距離を有するように規定される。単一のレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さは、Ｗである。一実施形態では、各レンズ１１０は、半球筒状レンズである。上方湾曲面１１０ａは、互いに接続され、下方平坦面１１０ｂは、互いに接続されている。レンズ１１０は、平行に配列されてレンズアレイプレート１１００を形成する。
光誘導プレート１２０は、上方平坦面１２０ａおよび下方微細構造面１２０ｂを有する。光誘導プレート１２０の厚みｈは、上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間の距離である。光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａは、レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂと平行になるように構成される。本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、次の説明は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａがレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、他の実施形態では、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａは、レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂとの間に間隙があって離れ、かつこれと平行であってもよい。光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａとレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
下方微細構造面１２０ｂは、少なくとも１つの凹領域１３０および少なくとも１つの接続領域１３２を備える。接続領域１３２は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａに平行であり、接続領域１３２は、隣接する凹領域１３０の間に接続されている。つまり、本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域１３０は、互いに離れ（すなわち、連続しておらず）、下方微細構造面１２０ｂに配置される。２つの凹領域１３０ごとに、接続領域１３２によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート１２０の下方微細構造面１２０ｂは、連続していない凹領域１３０を有する。一実施形態では、各凹領域１３０の位置は、レンズ１１０の１つの上方湾曲面１１０ａの位置と関係がある。その結果、半球筒状レンズ１１０の構造に対応して、凹領域１３０は、ストライプ構造に構成される。特に、半球筒状レンズ１１０の軸方向と凹領域１３０の軸方向との間の夾角は、０°である（つまり、半球筒状レンズ１１０の軸方向は、凹領域１３０の軸方向と平行である）。
図１Ｃを見ると、凹領域１３０は、凹点１３０ａ、第１の傾斜平面１３０ｂ、および第２の傾斜平面１３０ｃを備えている。第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃは、それぞれ凹点１３０ａの異なる側に位置している。両傾斜平面は、それぞれ凹点１３０ａおよび隣接する接続領域１３２との間に接続されている。第１の傾斜平面１３０ｂは、第１の側面１２の方を向いている。そのため、凹領域１３０の形状は、実質的に逆Ｖカットであり、凹点１３０ａおよびすぐ傍の２つの斜面（第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃ）を有する。凹点１３０ａは、接続領域１３２に対して垂直な垂直線を形成する。第１の傾斜平面１３０ｂと接続領域１３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第１の夾角）は、θ1である。第２の傾斜平面１３０ｃと接続領域１３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第２の夾角）は、θ2である。垂直線と傾斜平面１３０ｂおよび１３０ｃの隣接する接続領域１３２との間の、接続領域１３２の延長部分の長さは、それぞれｄ1およびｄ2である。
本開示の第１の実施形態によれば、夾角θ1およびθ2は、いずれも１５°から６０°までの間である。レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さＷは、長さｄ1とｄ2の和の２倍以上、つまりＷ≧２（ｄ1＋ｄ2）である。
レンズアレイプレート１１００によって集束された後、太陽光線１８０は、凹領域１３０および接続領域１３２に続けて２回反射する。次に、太陽光線１８０は、全内反射によって光誘導プレート１２０の中へ誘導される。最後に、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２を通過する。エネルギー変換装置１４０は、第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線１８０を受光し、この太陽光線１８０を電力に変換する。特に、図１Ｂおよび図１Ｃを見ると、レンズ１１０を通過する太陽光線１８０の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に位置している。太陽光線１８０がレンズアレイプレート１１００を通過し、レンズアレイプレート１１００によって集束された後、集束された太陽光線１８０の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に配置される。その後、集束された太陽光線１８０は、凹領域１３０の第１の傾斜平面１３０ｂに照射されてから、第１の傾斜平面１３０ｂで反射し（これによって第１の反射を形成）、隣接する接続領域１３２上へと進む。この実施形態では、レンズアレイプレート１１００の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に位置しているが、レンズアレイプレート１１００の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂに位置していてもよいし、第１の傾斜平面１３０ｂの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線１８０は、接続領域１３２で反射し（これによって第２の反射を形成）、その結果、太陽光線１８０は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線１８０は、全内反射によって光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間で反射し、その結果、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２に向かって誘導される。そのため、太陽光線１８０は、最終的に光誘導プレート１２０の第１の側面１２を通過する。第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置１４０は、第１の側面１２を通過する太陽光線１８０を受光でき、したがってこの太陽光線１８０を電力に変換できる。光誘導プレート１２０の屈折率を、ｎcと表記する。太陽光線１８０が接続領域１３２の上に入射して２回目の反射をする（第２の反射）とき、太陽光線１８０の入射角は、光誘導プレート１２０と空気との間の臨界角
Figure 2013545260
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射し、光誘導プレート１２０内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート１２０の厚みｈおよびレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さＷは、ｈ≧Ｗの関係にある。その上、レンズアレイプレート１１００がＮ個のレンズ１１０を有する場合、ｈ、Ｗ、およびＮは、Ｎ×Ｗ≦５０×ｈの関係にある。例えば、Ｎ、Ｗ、およびｈを、それぞれ７０個、３ｍｍ、および１０ｍｍに設計する。
太陽光線１８０を光誘導プレート１２０の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート１１００の屈折率ｎlは、光誘導プレート１２０の屈折率ｎcよりも小さくなっている。
第２の実施形態：
図１Ｄは、本開示の第２の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレート１１００、光誘導プレート１２０、およびインターフェース層１５０を備える。インターフェース層１５０は、レンズアレイプレート１１００（レンズ１１０）と光誘導プレート１２０との間に配置される。太陽光線１８０を光誘導プレートの中へ誘導できるように、インターフェース層１５０の屈折率ｎiは、光誘導プレート１２０の屈折率ｎcよりも小さく、インターフェース層１５０の屈折率ｎiは、同じくレンズアレイプレート１１００の屈折率ｎlよりも小さくなっている。
第３の実施形態：
図２Ａは、本開示の第３の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの側面図である。誘導される光の強度を増大するため、各レンズ１１０’は、断面輪郭が湾曲した鋸歯状であり、レンズ１１０’は、上方湾曲面１１０ａ’、下方平坦面１１０ｂ’、および接続面１１０ｃを備える。接続面１１０ｃは、互いに隣接する２つの上方湾曲面１１０ａ’を接続している。この実施形態では、上方湾曲面１１０ａ’は、第１の側面１２に相当する方向を向いており、その結果、太陽光線１８０は、レンズ１１０’に入ると光誘導プレート１２０上に集束され、上方湾曲面１１０ａ’の中心から第１の側面１２の方に傾斜した方向に屈折する。そのため、集束されレンズ１１０’を通過する太陽光線１８０は、より大きい入射角で第１の傾斜平面１３０ｂに入射し、第１の傾斜平面１３０ｂで反射する光の強度は増大する。この実施形態では、接続面１１０ｃは垂直面だが、他の実施形態では、接続面１１０ｃは、斜面であってもよい。本開示は、これに限定されない。
第４の実施形態：
図２Ｂは、本開示の第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０のほかに、集束太陽光誘導モジュールは、さらに集光レンズ１６０を備える。本開示の第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集光レンズ１６０は、第１の側面１２とエネルギー変換装置１４０’との間に配置され、その結果、エネルギー変換装置１４０’に入る前に、太陽光線１８０はまず集光レンズ１６０を通過し、光誘導プレート１２０を通過する太陽光線１８０の集光範囲を一層狭め、これによって、エネルギー変換装置１４０’の使用および占有面積を節約して小型化した設計を達成する。
第５の実施形態：
図３Ａは、本開示の第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図であり、図３Ｂは、図３Ａの側面図である。図３Ｃは、図３Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図３Ａから図３Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール２０００は、レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０を備える。光誘導プレート１２０は、２つの異なる側面、つまり第１の側面１２および第２の側面１２ａを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置１４０を有する。集束太陽光誘導モジュール２０００は、太陽光線１８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置１４０に誘導するのに適しており、太陽光線１８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート１１００は、太陽光線１８０を受光し、集束する。レンズアレイプレート１１００は、少なくとも１つのレンズ１１０、光誘導プレート１２０を備え、光誘導プレートは上方平坦面１２０ａおよび下方微細構造面１２０ｂを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第１の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図３Ｃに示すような本開示の第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズ１１０を通過する太陽光線１８０の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置する。特に、太陽光線１８０がレンズアレイプレート１１００によって集束された後、太陽光線１８０の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置する。次に、集束された太陽光線１８０は、第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃで反射し、凹点１３０ａの異なる側に進む。この実施形態では、レンズアレイプレート１１００の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置しているが、レンズアレイプレート１１００の焦点は、凹点１３０ａに位置していてもよいし、凹点１３０ａの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線１８０は、接続領域１３２で反射し、その結果、光線はより大きい角度で屈折する。太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間で全内反射する。そのため、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２と第２の側面１２ａとの両方に向かって誘導される。そのため、太陽光線１８０は、最終的に、凹点１３０ａの２つの異なる側に向かって進み、光誘導プレート１２０の第１の側面１２および第２の側面１２ａを通過する。第１の傾斜平面１３０ｂは、第１の側面１２の方を向き、第２の傾斜平面１３０ｃは、第２の側面１２ａの方を向いている。最後に、第１の側面１２および第２の側面１２ａに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置１４０は、光誘導プレート１２０を通過する太陽光線１８０を受光し、これに応じて、太陽光線１８０を電力に変換することができる。
第６の実施形態：
図４Ａは、本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図４Ｂは、図４Ａの側面図である。図４Ｃは、図４Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図４Ａから図４Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール３０００は、光誘導プレート２１０およびレンズアレイプレート２２００を備える。エネルギー変換装置２４０が、光誘導プレート２１０の第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置２４０は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール３０００は、太陽光線２８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置２４０に誘導するのに適しており、太陽光線２８０は、理想の平行光線とみなされる。
光誘導プレート２１０は、上方微細構造面２１０ａおよび下方平坦面２１０ｂを有する。光誘導プレート２１０の厚みｈ’は、上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間の距離である。上方微細構造面２１０ａは、少なくとも１つの凹領域２３０および少なくとも１つの接続領域２３２を備える。接続領域２３２は、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行であり、接続領域２３２は、互いに隣接する凹領域２３０の間に接続される。つまり、本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域２３０は、互いに離れており（つまり、連続しておらず）、上方微細構造面２１０ａ上に配置される。２つの凹領域２３０ごとに、接続領域２３２によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａは、連続していない凹領域２３０を有する。
図４Ｃを見ると、凹領域２３０は、凹点２３０ａ、第１の傾斜平面２３０ｂ、および第２の傾斜平面２３０ｃを備えている。第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃは、それぞれ凹点２３０ａの異なる側に位置する。両傾斜平面は、それぞれ凹点２３０ａおよびこれに隣接する接続領域２３２との間に接続されている。第１の傾斜平面２３０ｂは、第１の側面１２の方を向いている。そのため、凹領域２３０の形状は、実質的にＶカットであり、凹点２３０ａおよびすぐ傍の２つの斜面（第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃ）を有する。凹点２３０ａは、接続領域２３２に対して垂直な垂直線を形成する。第１の傾斜平面２３０ｂと接続領域２３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第１の夾角）は、θ1’である。第２の傾斜平面２３０ｃと接続領域２３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第２の夾角）は、θ2’である。垂直線と傾斜平面２３０ｂおよびおよび２３０ｃの隣接する接続領域２３２との間で、接続領域２３２の延長部分の長さは、それぞれｄ1’およびｄ2’である。
本開示の第６の実施形態によれば、夾角θ1’およびθ2’のいずれも、１５°から６０°までの間である。レンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さＷ’は、長さｄ1’とｄ2’の和の２倍以上、つまりＷ’≧２（ｄ1’＋ｄ2’）である。
図４Ａおよび図４Ｂを見ると、レンズアレイプレート２２００は、少なくとも１つのレンズ２２０を備え、各レンズ２２０は、上方平坦面２２０ａおよび下方湾曲面２２０ｂを有する。例えば、レンズアレイプレート２２００は、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。１つのレンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さは、Ｗ’である。一実施形態では、各レンズ２２０は、半球筒状レンズである。上方平坦面２２０ａは、互いに接続され、下方湾曲面２２０ｂは、互いに接続されている。レンズ２２０は、平行に配列されてレンズアレイプレート２２００を形成する。
下方湾曲面２２０ｂは、反射層２８１で被覆されている。そのため、太陽光線２８０は、反射層２８１で反射して集束され、光誘導プレート２１０に進むことができる。反射層２８１は、金属、全反射多層、白色反射体などの反射材料で作製されることができる。
レンズ２２０の上方平坦面２２０ａは、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行になるように構成される。本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、以下の説明は、レンズ２２０の上方平坦面２２０ａが光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、レンズ２２０の上方平坦面２２０ａは、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂとの間に間隙があって離れて固定され、かつこれと平行であってもよい。レンズ２２０の上方平坦面２２０ａと光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
光誘導プレート２１０を通過した後、太陽光線２８０は、レンズアレイプレート２２００のレンズ２２０の下方湾曲面２２０ｂで反射して集束され、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａまで進む。次に、太陽光線２８０は、凹領域２３０および接続領域２３２に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレート２１０の中へ誘導される。最後に、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２を通過する。エネルギー変換装置２４０は、第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線２８０を受光し、この太陽光線２８０を電力に変換する。特に、図４Ｂおよび図４Ｃを見ると、レンズ２２０で反射し集束される太陽光線２８０の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂの下方に位置している。太陽光線２８０が光誘導プレート２１０を通過し、レンズアレイプレート２２００に入った後、太陽光線２８０は、反射層２８１を施された下方湾曲面２２０ｂで反射し、その後、凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂの下方に集束される。次に、集束された太陽光線２８０は、まず凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂの上に照射され、第１の傾斜平面２３０ｂで反射し（これによって第１の反射を形成し）、隣接する接続領域２３２上へ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート２２００の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂの下方に位置しているが、レンズアレイプレート２２００の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂに位置していてもよいし、第１の傾斜平面２３０ｂの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線２８０は、接続領域２３２で反射し（これによって第２の反射を形成し）、その結果、太陽光線２８０は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間で反射し、その結果、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２に向かって誘導される。そのため、太陽光線２８０は、最終的に光誘導プレート２１０の第１の側面１２を通過する。第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置２４０は、第１の側面１２を通過する太陽光線２８０を受光でき、これに応じて、この太陽光線２８０を電力に変換できる。光誘導プレート２１０の屈折率を、ｎc’と表記する。太陽光線２８０が接続領域２３２に入射して２回目の反射をする（第２の反射）とき、太陽光線２８０の入射角は、光誘導プレート２１０と空気との間の臨界角
Figure 2013545260
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射して、光誘導プレート２１０内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート２１０の厚みｈ’およびレンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さＷ’は、ｈ’≧Ｗ’の関係にある。その上、レンズアレイプレート２２００がＮ個のレンズ２２０を有する場合、ｈ’、Ｗ’、およびＮは、Ｎ×Ｗ’≦５０×ｈ’の関係にある。例えば、Ｎ、Ｗ’、およびｈ’を、それぞれ７０個、３ｍｍ、および１０ｍｍに設計する。
太陽光線２８０を光誘導プレート２１０の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート２２００の屈折率ｎl’は、光誘導プレート２１０の屈折率ｎc’よりも小さくなっている。
第７の実施形態：
図４Ｄは、本開示の第７の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレート２１０、レンズアレイプレート２２００、およびインターフェース層１５０を備える。インターフェース層１５０は、光誘導プレート２１０とレンズアレイプレート２２００（レンズ２２０）との間に配置されている。太陽光線２８０を光誘導プレート２１０の中へ誘導できるように、インターフェース層１５０の屈折率ｎi’は、光誘導プレート２１０の屈折率ｎc’よりも小さく、インターフェース層１５０の屈折率ｎi’は、同じくレンズアレイプレート２２００の屈折率ｎl’よりも小さくなっている。
第８の実施形態：
図５Ａは、本開示の第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図５Ｂは、図５Ａの側面図である。図５Ｃは、図５Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図５Ａから図５Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール４０００は、光誘導プレート２１０およびレンズアレイプレート２２００を備える。光誘導プレート２１０は、２つの異なる側面、つまり第１の側面１２および第２の側面１２ａを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置２４０を有する。集束太陽光誘導モジュール４０００は、太陽光線２８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置２４０に誘導するのに適しており、太陽光線２８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート２２００は、少なくとも１つのレンズ２２０および光誘導プレート２１０を備え、光誘導プレートは、上方微細構造面２１０ａおよび下方平坦面２１０ｂを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第６の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図５Ｃに示すような本開示の第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズアレイプレート２２００で反射し集束された太陽光線２８０の焦点は、凹点２３０ａの下方に位置する。反射層２８１で反射し集束された太陽光線２８０の焦点は、凹点２３０ａの下方に配置される。そのため、集束された太陽光線２８０は、凹点２３０ａの２つの異なる側の斜面に向かってそれぞれ進み、そこで凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃの上に照射され、第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃで反射して、この傾斜平面に隣接する接続領域２３２にそれぞれ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート２２００の焦点は、凹点２３０ａの下方に位置しているが、レンズアレイプレート２２００の焦点は、凹点２３０ａに位置していてもよいし、凹点２３０ａの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線２８０は、接続領域２３２で反射し、その結果、光はより大きい角度で屈折する。太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間で全内反射する。そのため、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２と第２の側面１２ａとの両方に向かって誘導される。太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２および第２の側面１２ａを通過する。第１の傾斜平面２３０ｂは、第１の側面１２の方を向き、第２の傾斜平面２３０ｃは、第２の側面１２ａの方を向いている。最後に、第１の側面１２および第２の側面１２ａに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置２４０は、光誘導プレート２２０を通過する太陽光線２８０を受光し、これに応じて、太陽光線２８０を電力に変換することができる。
以上の観点から、本開示の任意の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集束太陽光誘導モジュールのレンズを、図２Ａに示すような断面輪郭が湾曲した鋸歯状であるレンズに置換して、誘導された光の強度を増大させることができる。このようにする代わりに、図２Ｂに示すように、集光レンズ１６０を、光誘導プレートの第１の側面１２とエネルギー変換装置１４０’との間に配置し、第１の側面１２から出る太陽光線の集光範囲を一層狭めるようにする。そうすると、エネルギー変換装置１４０’の占有面積もさらに減らすことができる。当業者であれば、本開示の任意の実施形態に照らし合わせて太陽光線誘導モジュールの詳細部を設計できるであろう。上記の実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
さらに、図６Ａは、図１Ｄの概略図である。レンチキュラーレンズ１１０の軸方向は、太陽が昇り沈みする方向ＥＷと表記した東西方向に平行となるように構成される。図６Ｂおよび図６Ｃは、図６Ａによる光誘導の標準的な効率をシミュレーションした結果である。シミュレーションのパラメータは、以下の通りである：
Ｒ（レンチキュラーレンズの曲率半径）＝４．０９ｍｍ
ｎl＝１．５６
ｎi＝１．００
ｎc＝１．４９
ｈ＝１０ｍｍ
Ｗ＝３．４６ｍｍ
Ｎ×Ｗ＝２１０ｍｍ
θ1＝４０°
θ2＝２０°
ｄ1＝０．３０２ｍｍ
ｄ2＝０．１３１ｍｍ
正午に太陽光線１８０は、正常な角度（すなわち入射角０°）で集束太陽光誘導モジュールに入射し、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導をシミュレーションした効率は、およそ６０％である。
太陽光線１８０の入射角が±３０度の間であるとき（つまり、日中の午前１０：００から午後２：００）、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導の標準的な効率は、５５％を上回ることができる。レンチキュラーレンズ１１０の軸方向は、東西方向に平行であるため、日中に太陽が昇り沈みすることによって起きる入射角の変化は起こりにくい。したがって、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールは、正午前後に太陽を追尾するシステムを装備しなくとも、依然として５５％を上回る光誘導の相対効率を達成することができる。
図６Ｃに示すように、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールの季節による角度変化は、最大で±１度とすることができる。したがって、光誘導モジュールの季節変化に対する角度変化の感度を低減するようになっている場合は、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、図６Ｄに示すように、レンズアレイプレートも南北方向に動かすことができる（つまり、レンズアレイプレートは、可動式レンズのアレイとなるように設計される）。季節の変動要素が太陽光線１８０の入射角を変化させるため、レンズアレイプレートは、南北方向に動き、集束された太陽光線１８０も光誘導プレート１２０の凹領域１３０の近傍に落ちることができ、これによって、季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成する。
このほか、レンチキュラーレンズ１１０の軸方向が、図６Ａに示すように、方向ＥＷと表記した東西方向に平行となるように構成されるとき、東西方向を向いている光誘導プレート１２０の側面を反射層１２１（金属、全反射多層および白色反射体など）で被覆して、表面から光線が漏れる問題を解消する。
上記の観点から、本開示による集束太陽光誘導モジュールでは、入射する太陽光線は、レンズアレイプレートによって集束され、光誘導プレートの表面上の微細構造で反射し、光誘導プレートの中へ誘導されることができる。光誘導プレートの側面を通過した後、太陽光線は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置によって受光され、電力に変換される。したがって、本開示による集束太陽光誘導モジュールは、太陽電池の使用を軽減し、モジュールコストを削減し、太陽追尾システムなしに光誘導の高効率を維持する。
本開示は、集束太陽光誘導モジュールに関し、特に、微細構造設計の光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールに関する。
産業の急速な発展に伴い、化石燃料が徐々に枯渇し、温室効果ガスを排出している問題が世界中でますます憂慮されており、安定したエネルギー資源の供給が明らかに世界規模の主要課題になっている。従来の石炭火力発電、ガス火力発電、または原子力発電と比較して、太陽電池は、光電変換または熱電変換効果により、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、二酸化炭素、窒素酸化物、および硫黄酸化物などの温室効果ガスまたは汚染ガスを産出することがないため、化石燃料への依存を軽減し、安全かつ独立した電力源を供給する。
多くの太陽電池技術においては、太陽電池材料によって変換される太陽放射光が、使用に便利な電力源になっている。結晶シリコン太陽電池を例に挙げると、結晶シリコン太陽電池は、光電変換効率が１２％から２０％であり、異なる結晶材料を用いて設計された太陽電池は、光電特性が異なる。一般に、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の変換効率は、約１４％または１６％であるため、寿命は長くなるが、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の発電コストは高い。したがって、政府の助成金が必要であり、この種の太陽電池は、発電所または交通信号灯の信号にしか適用できない。
その上、上記のシリコン材料のほか、太陽電池はさらに、例えば、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料など、他の材料から作製することができる。結晶シリコンを用いた太陽エネルギー技術とは異なり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でできた太陽電池は、より広い太陽スペクトルのエネルギーを吸収できるため、最大でほぼ６０％から７０％を上回るほどの最も高い光電変換効率を達成する。
しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でできた太陽電池の製造コストおよび価格も、全種類の太陽電池の中で最も高い。そのため、太陽電池の使用を減らして発電コストを削減するために、太陽光集光装置を具備して光吸収領域を縮小している。しかしながら、そのコストは、太陽光集光装置が広い領域に設置するように求められる場合にしか相殺されず、これによって適用に不便が生じ、太陽電池の適用が制限されている。そのため、太陽電池の発電コストをいかに効果的に削減するかが、実際に現時点で当業者が切に解決を迫られている１つの主要課題である。
本開示は、上記の問題を解決し、太陽電池の発電コストを削減するのに適した、集束太陽光誘導モジュールを提供する。
本開示は、太陽光線をエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。
集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも１つのレンズを備え、各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。レンズアレイプレートは、太陽光線を受光し、集束する。光誘導プレートは、上方平坦面および下方微細構造面を有する。光誘導プレートの上方平坦面は、レンズアレイプレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートの下方微細構造面は、少なくとも１つの凹領域および少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの上方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第１の傾斜平面、および第２の傾斜平面を備える。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートによって集束されたのち、太陽光線は、凹領域および接続領域に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導される。太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。
集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレートおよびレンズアレイプレートを備える。光誘導プレートは、上方微細構造面および下方平坦面を有する。上方微細構造面は、少なくとも１つの凹領域および少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの下方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第１の傾斜平面、および第２の傾斜平面を備える。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートは、少なくとも１つのレンズを備え、各レンズは、上方平坦面および下方湾曲面を有する。レンズの上方平坦面は、光誘導プレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートを通過し、下方湾曲面で反射した後、太陽光線は、光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域および接続領域に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。
集束太陽光誘導モジュールは、レンズ光誘導プレートを備える。レンズ光誘導プレートは、レンズアレイおよび複数の微細構造を有する。レンズアレイは、レンズ光誘導プレートの一方の面に配置され、微細構造は、レンズ光誘導プレートのもう一方の反対側の面に配置される。レンズアレイは、湾曲面を有する少なくとも１つのレンズを備える。レンズアレイは、太陽光線を受光し、集束する。微細構造は、少なくとも１つの凹領域および少なくとも１つの接続領域を備える。接続領域は、少なくとも１つの凹部の各々の間に接続している。凹領域は、凹点、第１の傾斜平面、および第２の傾斜平面を備える。第１の傾斜平面および第２の傾斜平面は、それぞれ凹点の２つの異なる側に配置され、凹点と隣接する接続領域との間にそれぞれ接続している。太陽光線がレンズ光誘導プレートによって集束された後、太陽光線は、レンズ光誘導プレートの微細構造の凹領域および接続領域に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、レンズ光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、レンズ光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、レンズ光誘導プレートを通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力源に変換する。
本開示は、例示のみを目的としているため本開示を限定しない以下に記載した詳細説明から、さらに完全に理解されるであろう。
第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図１Ａの側面図である。 図１Ｂの部分拡大図である。 第２の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第３の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの構造側面図である。 第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図３Ａの側面図である。 図３Ｂの部分拡大図である。 第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図４Ａの側面図である。 図４Ｂの部分拡大図である。 第７の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図５Ａの側面図である。 図５Ｂの部分拡大図である。 第９の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図６Ａの部分拡大図である。 第１０の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。 図７Ａの部分拡大図である。 図１Ｄの概略図である。 図８Ａによる光誘導効率を標準化した強度のグラフである。 図８Ａによる光誘導効率を標準化した強度のグラフである。 季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成するために可動式レンズとして設計される、図８Ａのレンズの概略図である。
以下の詳細説明では、説明目的で、開示した実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細事項を記載している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくとも１つ以上の実施形態を実施できることは明らかであろう。このほか、図面を簡易化するために、公知の構造および装置を概略的に示している。
図１Ａは、第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図１Ｂは、図１Ａの側面図である。図１Ｃは、図１Ｂの部分拡大図である。以下の説明には、図１Ａから図１Ｃを参照されたい。
第１の実施形態：
集束太陽光誘導モジュール１０００は、レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０を備える。エネルギー変換装置１４０が、光誘導プレート１２０の第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置１４０は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール１０００は、太陽光線１８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置１４０に誘導するのに適しており、太陽光線１８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート１１００は、太陽光線１８０を受光し、集束する。レンズアレイプレート１１００は、少なくとも１つのレンズ１１０を備え、各レンズ１１０は、上方湾曲面１１０ａおよび下方平坦面１１０ｂを有する。例えば、レンズアレイプレート１１００は、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂは、上方湾曲面１１０ａの２つの端点の間に動径間距離を有するように規定される。単一のレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さは、Ｗである。一実施形態では、各レンズ１１０は、半球筒状レンズである。上方湾曲面１１０ａは、互いに接続され、下方平坦面１１０ｂは、互いに接続されている。レンズ１１０は、平行に配列されてレンズアレイプレート１１００を形成する。
光誘導プレート１２０は、上方平坦面１２０ａおよび下方微細構造面１２０ｂを有する。光誘導プレート１２０の厚みｈは、上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間の距離である。光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａは、レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂと平行になるように構成される。本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、次の説明は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａがレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、他の実施形態では、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａは、レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂとの間に間隙があって離れ、かつこれと平行であってもよい。光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａとレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
下方微細構造面１２０ｂは、少なくとも１つの凹領域１３０および少なくとも１つの接続領域１３２を備える。接続領域１３２は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａに平行であり、接続領域１３２は、隣接する凹領域１３０の間に接続されている。つまり、本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域１３０は、互いに離れ（すなわち、連続しておらず）、下方微細構造面１２０ｂに配置される。２つの凹領域１３０ごとに、接続領域１３２によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート１２０の下方微細構造面１２０ｂは、連続していない凹領域１３０を有する。一実施形態では、各凹領域１３０の位置は、レンズ１１０の１つの上方湾曲面１１０ａの位置と関係がある。その結果、半球筒状レンズ１１０の構造に対応して、凹領域１３０は、ストライプ構造に構成される。特に、半球筒状レンズ１１０の軸方向と凹領域１３０の軸方向との間の夾角は、０°である（つまり、半球筒状レンズ１１０の軸方向は、凹領域１３０の軸方向と平行である）。
図１Ｃを見ると、凹領域１３０は、凹点１３０ａ、第１の傾斜平面１３０ｂ、および第２の傾斜平面１３０ｃを備えている。第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃは、それぞれ凹点１３０ａの異なる側に位置している。両傾斜平面は、それぞれ凹点１３０ａおよび隣接する接続領域１３２との間に接続されている。第１の傾斜平面１３０ｂは、第１の側面１２の方を向いている。そのため、凹領域１３０の形状は、実質的に逆Ｖカットであり、凹点１３０ａおよびすぐ傍の２つの斜面（第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃ）を有する。凹点１３０ａは、接続領域１３２に対して垂直な垂直線を形成する。第１の傾斜平面１３０ｂと接続領域１３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第１の夾角）は、θ1である。第２の傾斜平面１３０ｃと接続領域１３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第２の夾角）は、θ2である。垂直線と傾斜平面１３０ｂおよび１３０ｃの隣接する接続領域１３２との間の、接続領域１３２の延長部分の長さは、それぞれｄ1およびｄ2である。
本開示の第１の実施形態によれば、夾角θ1およびθ2は、いずれも１５°から６０°までの間である。レンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さＷは、長さｄ1とｄ2の和の２倍以上、つまりＷ≧２（ｄ1＋ｄ2）である。
レンズアレイプレート１１００によって集束された後、太陽光線１８０は、凹領域１３０および接続領域１３２に続けて２回反射する。次に、太陽光線１８０は、全内反射によって光誘導プレート１２０の中へ誘導される。最後に、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２を通過する。エネルギー変換装置１４０は、第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線１８０を受光し、この太陽光線１８０を電力に変換する。特に、図１Ｂおよび図１Ｃを見ると、レンズ１１０を通過する太陽光線１８０の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に位置している。太陽光線１８０がレンズアレイプレート１１００を通過し、レンズアレイプレート１１００によって集束された後、集束された太陽光線１８０の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に配置される。その後、集束された太陽光線１８０は、凹領域１３０の第１の傾斜平面１３０ｂに照射されてから、第１の傾斜平面１３０ｂで反射し（これによって第１の反射を形成）、隣接する接続領域１３２上へと進む。この実施形態では、レンズアレイプレート１１００の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂの上方に位置しているが、レンズアレイプレート１１００の焦点は、第１の傾斜平面１３０ｂに位置していてもよいし、第１の傾斜平面１３０ｂの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線１８０は、接続領域１３２で反射し（これによって第２の反射を形成）、その結果、太陽光線１８０は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線１８０は、全内反射によって光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間で反射し、その結果、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２に向かって誘導される。そのため、太陽光線１８０は、最終的に光誘導プレート１２０の第１の側面１２を通過する。第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置１４０は、第１の側面１２を通過する太陽光線１８０を受光でき、したがってこの太陽光線１８０を電力に変換できる。光誘導プレート１２０の屈折率を、ｎcと表記する。太陽光線１８０が接続領域１３２の上に入射して２回目の反射をする（第２の反射）とき、太陽光線１８０の入射角は、光誘導プレート１２０と空気との間の臨界角
Figure 2013545260
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射し、光誘導プレート１２０内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
本開示の第１の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート１２０の厚みｈおよびレンズ１１０の下方平坦面１１０ｂの長さＷは、ｈ≧Ｗの関係にある。その上、レンズアレイプレート１１００がＮ個のレンズ１１０を有する場合、ｈ、Ｗ、およびＮは、Ｎ×Ｗ≦５０×ｈの関係にある。例えば、Ｎ、Ｗ、およびｈを、それぞれ７０個、３ｍｍ、および１０ｍｍに設計する。
太陽光線１８０を光誘導プレート１２０の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート１１００の屈折率ｎlは、光誘導プレート１２０の屈折率ｎcよりも小さくなっている。
第２の実施形態：
図１Ｄは、本開示の第２の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレート１１００、光誘導プレート１２０、およびインターフェース層１５０を備える。インターフェース層１５０は、レンズアレイプレート１１００（レンズ１１０）と光誘導プレート１２０との間に配置される。太陽光線１８０を光誘導プレートの中へ誘導できるように、インターフェース層１５０の屈折率ｎiは、光誘導プレート１２０の屈折率ｎcよりも小さく、インターフェース層１５０の屈折率ｎiは、同じくレンズアレイプレート１１００の屈折率ｎlよりも小さくなっている。
第３の実施形態：
図２Ａは、本開示の第３の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの側面図である。誘導される光の強度を増大するため、各レンズ１１０’は、断面輪郭が湾曲した鋸歯状であり、レンズ１１０’は、上方湾曲面１１０ａ’、下方平坦面１１０ｂ’、および接続面１１０ｃを備える。接続面１１０ｃは、互いに隣接する２つの上方湾曲面１１０ａ’を接続している。この実施形態では、上方湾曲面１１０ａ’は、第１の側面１２に相当する方向を向いており、その結果、太陽光線１８０は、レンズ１１０’に入ると光誘導プレート１２０上に集束され、上方湾曲面１１０ａ’の中心から第１の側面１２の方に傾斜した方向に屈折する。そのため、集束されレンズ１１０’を通過する太陽光線１８０は、より大きい入射角で第１の傾斜平面１３０ｂに入射し、第１の傾斜平面１３０ｂで反射する光の強度は増大する。この実施形態では、接続面１１０ｃは垂直面だが、他の実施形態では、接続面１１０ｃは、斜面であってもよい。本開示は、これに限定されない。
第４の実施形態：
図２Ｂは、本開示の第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０のほかに、集束太陽光誘導モジュールは、さらに集光レンズ１６０を備える。本開示の第４の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集光レンズ１６０は、第１の側面１２とエネルギー変換装置１４０’との間に配置され、その結果、エネルギー変換装置１４０’に入る前に、太陽光線１８０はまず集光レンズ１６０を通過し、光誘導プレート１２０を通過する太陽光線１８０の集光範囲を一層狭め、これによって、エネルギー変換装置１４０’の使用および占有面積を節約して小型化した設計を達成する。
第５の実施形態：
図３Ａは、本開示の第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図であり、図３Ｂは、図３Ａの側面図である。図３Ｃは、図３Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図３Ａから図３Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール２０００は、レンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０を備える。光誘導プレート１２０は、２つの異なる側面、つまり第１の側面１２および第２の側面１２ａを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置１４０を有する。集束太陽光誘導モジュール２０００は、太陽光線１８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置１４０に誘導するのに適しており、太陽光線１８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート１１００は、太陽光線１８０を受光し、集束する。レンズアレイプレート１１００は、少なくとも１つのレンズ１１０、光誘導プレート１２０を備え、光誘導プレートは上方平坦面１２０ａおよび下方微細構造面１２０ｂを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第１の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図３Ｃに示すような本開示の第５の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズ１１０を通過する太陽光線１８０の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置する。特に、太陽光線１８０がレンズアレイプレート１１００によって集束された後、太陽光線１８０の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置する。次に、集束された太陽光線１８０は、第１の傾斜平面１３０ｂおよび第２の傾斜平面１３０ｃで反射し、凹点１３０ａの異なる側に進む。この実施形態では、レンズアレイプレート１１００の焦点は、凹点１３０ａの上方に位置しているが、レンズアレイプレート１１００の焦点は、凹点１３０ａに位置していてもよいし、凹点１３０ａの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線１８０は、接続領域１３２で反射し、その結果、光線はより大きい角度で屈折する。太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の上方平坦面１２０ａと下方微細構造面１２０ｂとの間で全内反射する。そのため、太陽光線１８０は、光誘導プレート１２０の第１の側面１２と第２の側面１２ａとの両方に向かって誘導される。そのため、太陽光線１８０は、最終的に、凹点１３０ａの２つの異なる側に向かって進み、光誘導プレート１２０の第１の側面１２および第２の側面１２ａを通過する。第１の傾斜平面１３０ｂは、第１の側面１２の方を向き、第２の傾斜平面１３０ｃは、第２の側面１２ａの方を向いている。最後に、第１の側面１２および第２の側面１２ａに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置１４０は、光誘導プレート１２０を通過する太陽光線１８０を受光し、これに応じて、太陽光線１８０を電力に変換することができる。
第６の実施形態：
図４Ａは、本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図４Ｂは、図４Ａの側面図である。図４Ｃは、図４Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図４Ａから図４Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール３０００は、光誘導プレート２１０およびレンズアレイプレート２２００を備える。エネルギー変換装置２４０が、光誘導プレート２１０の第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置２４０は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール３０００は、太陽光線２８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置２４０に誘導するのに適しており、太陽光線２８０は、理想の平行光線とみなされる。
光誘導プレート２１０は、上方微細構造面２１０ａおよび下方平坦面２１０ｂを有する。光誘導プレート２１０の厚みｈ’は、上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間の距離である。上方微細構造面２１０ａは、少なくとも１つの凹領域２３０および少なくとも１つの接続領域２３２を備える。接続領域２３２は、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行であり、接続領域２３２は、互いに隣接する凹領域２３０の間に接続される。つまり、本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域２３０は、互いに離れており（つまり、連続しておらず）、上方微細構造面２１０ａ上に配置される。２つの凹領域２３０ごとに、接続領域２３２によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａは、連続していない凹領域２３０を有する。
図４Ｃを見ると、凹領域２３０は、凹点２３０ａ、第１の傾斜平面２３０ｂ、および第２の傾斜平面２３０ｃを備えている。第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃは、それぞれ凹点２３０ａの異なる側に位置する。両傾斜平面は、それぞれ凹点２３０ａおよびこれに隣接する接続領域２３２との間に接続されている。第１の傾斜平面２３０ｂは、第１の側面１２の方を向いている。そのため、凹領域２３０の形状は、実質的にＶカットであり、凹点２３０ａおよびすぐ傍の２つの斜面（第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃ）を有する。凹点２３０ａは、接続領域２３２に対して垂直な垂直線を形成する。第１の傾斜平面２３０ｂと接続領域２３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第１の夾角）は、θ1’である。第２の傾斜平面２３０ｃと接続領域２３２の垂直線との間の夾角（すなわち、第２の夾角）は、θ2’である。垂直線と傾斜平面２３０ｂおよびおよび２３０ｃの隣接する接続領域２３２との間で、接続領域２３２の延長部分の長さは、それぞれｄ1’およびｄ2’である。
本開示の第６の実施形態によれば、夾角θ1’およびθ2’のいずれも、１５°から６０°までの間である。レンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さＷ’は、長さｄ1’とｄ2’の和の２倍以上、つまりＷ’≧２（ｄ1’＋ｄ2’）である。
図４Ａおよび図４Ｂを見ると、レンズアレイプレート２２００は、少なくとも１つのレンズ２２０を備え、各レンズ２２０は、上方平坦面２２０ａおよび下方湾曲面２２０ｂを有する。例えば、レンズアレイプレート２２００は、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。１つのレンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さは、Ｗ’である。一実施形態では、各レンズ２２０は、半球筒状レンズである。上方平坦面２２０ａは、互いに接続され、下方湾曲面２２０ｂは、互いに接続されている。レンズ２２０は、平行に配列されてレンズアレイプレート２２００を形成する。
下方湾曲面２２０ｂは、反射層２８１で被覆されている。そのため、太陽光線２８０は、反射層２８１で反射して集束され、光誘導プレート２１０に進むことができる。反射層２８１は、金属、全反射多層、白色反射体などの反射材料で作製されることができる。
レンズ２２０の上方平坦面２２０ａは、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行になるように構成される。本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、以下の説明は、レンズ２２０の上方平坦面２２０ａが光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、レンズ２２０の上方平坦面２２０ａは、光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂとの間に間隙があって離れて固定され、かつこれと平行であってもよい。レンズ２２０の上方平坦面２２０ａと光誘導プレート２１０の下方平坦面２１０ｂとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
光誘導プレート２１０を通過した後、太陽光線２８０は、レンズアレイプレート２２００のレンズ２２０の下方湾曲面２２０ｂで反射して集束され、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａまで進む。次に、太陽光線２８０は、凹領域２３０および接続領域２３２に続けて２回反射し、全内反射によって光誘導プレート２１０の中へ誘導される。最後に、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２を通過する。エネルギー変換装置２４０は、第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線２８０を受光し、この太陽光線２８０を電力に変換する。特に、図４Ｂおよび図４Ｃを見ると、レンズ２２０で反射し集束される太陽光線２８０の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂの下方に位置している。太陽光線２８０が光誘導プレート２１０を通過し、レンズアレイプレート２２００に入った後、太陽光線２８０は、反射層２８１を施された下方湾曲面２２０ｂで反射し、その後、凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂの下方に集束される。次に、集束された太陽光線２８０は、まず凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂの上に照射され、第１の傾斜平面２３０ｂで反射し（これによって第１の反射を形成し）、隣接する接続領域２３２上へ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート２２００の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂの下方に位置しているが、レンズアレイプレート２２００の焦点は、第１の傾斜平面２３０ｂに位置していてもよいし、第１の傾斜平面２３０ｂの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線２８０は、接続領域２３２で反射し（これによって第２の反射を形成し）、その結果、太陽光線２８０は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間で反射し、その結果、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２に向かって誘導される。そのため、太陽光線２８０は、最終的に光誘導プレート２１０の第１の側面１２を通過する。第１の側面１２に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置２４０は、第１の側面１２を通過する太陽光線２８０を受光でき、これに応じて、この太陽光線２８０を電力に変換できる。光誘導プレート２１０の屈折率を、ｎc’と表記する。太陽光線２８０が接続領域２３２に入射して２回目の反射をする（第２の反射）とき、太陽光線２８０の入射角は、光誘導プレート２１０と空気との間の臨界角
Figure 2013545260
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射して、光誘導プレート２１０内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
本開示の第６の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート２１０の厚みｈ’およびレンズ２２０の上方平坦面２２０ａの長さＷ’は、ｈ’≧Ｗ’の関係にある。その上、レンズアレイプレート２２００がＮ個のレンズ２２０を有する場合、ｈ’、Ｗ’、およびＮは、Ｎ×Ｗ’≦５０×ｈ’の関係にある。例えば、Ｎ、Ｗ’、およびｈ’を、それぞれ７０個、３ｍｍ、および１０ｍｍに設計する。
太陽光線２８０を光誘導プレート２１０の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート２２００の屈折率ｎl’は、光誘導プレート２１０の屈折率ｎc’よりも小さくなっている。
第７の実施形態：
図４Ｄは、本開示の第７の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレート２１０、レンズアレイプレート２２００、およびインターフェース層１５０を備える。インターフェース層１５０は、光誘導プレート２１０とレンズアレイプレート２２００（レンズ２２０）との間に配置されている。太陽光線２８０を光誘導プレート２１０の中へ誘導できるように、インターフェース層１５０の屈折率ｎi’は、光誘導プレート２１０の屈折率ｎc’よりも小さく、インターフェース層１５０の屈折率ｎi’は、同じくレンズアレイプレート２２００の屈折率ｎl’よりも小さくなっている。
第８の実施形態：
図５Ａは、本開示の第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図５Ｂは、図５Ａの側面図である。図５Ｃは、図５Ｂの部分拡大図である。以下の説明には図５Ａから図５Ｃを参照のこと。
集束太陽光誘導モジュール４０００は、光誘導プレート２１０およびレンズアレイプレート２２００を備える。光誘導プレート２１０は、２つの異なる側面、つまり第１の側面１２および第２の側面１２ａを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置２４０を有する。集束太陽光誘導モジュール４０００は、太陽光線２８０を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置２４０に誘導するのに適しており、太陽光線２８０は、理想の平行光線とみなされる。
レンズアレイプレート２２００は、少なくとも１つのレンズ２２０および光誘導プレート２１０を備え、光誘導プレートは、上方微細構造面２１０ａおよび下方平坦面２１０ｂを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第６の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図５Ｃに示すような本開示の第８の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズアレイプレート２２００で反射し集束された太陽光線２８０の焦点は、凹点２３０ａの下方に位置する。反射層２８１で反射し集束された太陽光線２８０の焦点は、凹点２３０ａの下方に配置される。そのため、集束された太陽光線２８０は、凹点２３０ａの２つの異なる側の斜面に向かってそれぞれ進み、そこで凹領域２３０の第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃの上に照射され、第１の傾斜平面２３０ｂおよび第２の傾斜平面２３０ｃで反射して、この傾斜平面に隣接する接続領域２３２にそれぞれ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート２２００の焦点は、凹点２３０ａの下方に位置しているが、レンズアレイプレート２２００の焦点は、凹点２３０ａに位置していてもよいし、凹点２３０ａの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
次に、太陽光線２８０は、接続領域２３２で反射し、その結果、光はより大きい角度で屈折する。太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の上方微細構造面２１０ａと下方平坦面２１０ｂとの間で全内反射する。そのため、太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２と第２の側面１２ａとの両方に向かって誘導される。太陽光線２８０は、光誘導プレート２１０の第１の側面１２および第２の側面１２ａを通過する。第１の傾斜平面２３０ｂは、第１の側面１２の方を向き、第２の傾斜平面２３０ｃは、第２の側面１２ａの方を向いている。最後に、第１の側面１２および第２の側面１２ａに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置２４０は、光誘導プレート２２０を通過する太陽光線２８０を受光し、これに応じて、太陽光線２８０を電力に変換することができる。
第９の実施形態：
図６Ａは、第９の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。以下の説明には図１Ｂおよび図６Ａを一緒に参照されたい。
集束太陽光誘導モジュール５０００の構造は、集束太陽光誘導モジュール１０００の構造とほぼ同じである。集束太陽光誘導モジュール５０００と集束太陽光誘導モジュール１０００との相違点は、集束太陽光誘導モジュール１０００のレンズアレイプレート１１００および光誘導プレート１２０が、図６Ａでは１つの部品に一体化されている、つまり、レンズ光誘導プレートと呼ぶものになっている点である。そのため、集束太陽光誘導モジュール５０００は、レンズ光誘導プレート３２０を備える。レンズ光誘導プレート３２０は、レンズアレイ３０２および複数の微細構造３３０を有する。レンズアレイ３０２および微細構造３３０は、レンズ光誘導プレート３２０の２つの異なる反対側の面に配置される。この実施形態では、レンズアレイ３０２は、レンズ光誘導プレート３２０の上面５１０に配置され、微細構造３３０は、レンズ光誘導プレート３２０の下面５２０に配置され、上面５１０および下面５２０は、互いに対面している。
レンズアレイ３０２は、少なくとも１つのレンズ３１０を有する。各レンズ３１０は、湾曲面３１０ａを有する。レンズアレイ３０２は、太陽光線１８０を受光し、集束する。微細構造３３０は、複数の凹領域３３２および複数の接続領域３３４を有する（図６Ａの微細構造の部分拡大図である図６Ｂを参照）。凹領域３３２および接続領域３３４の設計は、本開示の第１の実施形態および第５の実施形態に示した下方微細構造面１２０ｂの凹領域１３０および接続領域１３２と同じである。そのため、ここでは再度繰り返さない。
このほか、凹領域３３２とレンズ３１０の焦点との相対位置は、図１Ｃおよび図３Ｃに示すものと同じにすることができる。そのため、太陽光線１８０は、反射し、レンズ光誘導プレート３２０の１つの側面または２つの異なる側面に誘導されることができる。
第１０の実施形態：
図７Ａは、第１０の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。以下の説明には図４Ｂおよび図７Ａを一緒に参照されたい。
集束太陽光誘導モジュール６０００の構造は、集束太陽光誘導モジュール３０００の構造とほぼ同じである。集束太陽光誘導モジュール６０００と集束太陽光誘導モジュール３０００との相違点は、集束太陽光誘導モジュール３０００のレンズアレイプレート２２００および光誘導プレート１２０が、１つの部品に一体化されている、つまり、レンズ光誘導プレートと呼ぶものになっている点である。そのため、集束太陽光誘導モジュール６０００は、レンズ光誘導プレート４２０を備える。レンズ光誘導プレート４２０は、レンズアレイ４０２および複数の微細構造４３０を有する。レンズアレイ４０２および微細構造４３０は、レンズ光誘導プレート４２０の２つの異なる反対側の面に配置される。この実施形態では、微細構造４３０は、レンズ光誘導プレート４２０の上面７１０に配置され、レンズアレイ４０２は、レンズ光誘導プレート４２０の下面７２０に配置され、上面７１０および下面７２０は、互いに対面している。
レンズアレイ４０２は、少なくとも１つのレンズ４１０を有する。各レンズ４１０は、湾曲面４１０ａを有する。レンズアレイ４０２は、太陽光線２８０を受光し、集束する。湾曲面４１０ａは、反射層２８１で被覆される。そのため、太陽光線２８０は、反射層２８１で反射し、レンズ光誘導プレート４２０の微細構造４３０に集束されることができる。微細構造４３０は、複数の凹領域４３２および複数の接続領域４３４を有する（図７Ａの微細構造の部分拡大図である図７Ｂを参照）。凹領域４３２および接続領域４３４の設計は、本開示の第６の実施形態および第８の実施形態に示した上方微細構造面２１０ａの凹領域２３０および接続領域２３２と同じである。そのため、ここでは再度繰り返さない。
このほか、凹領域４３２とレンズ４１０の焦点との相対位置は、図４Ｃおよび図５Ｃに示すものと同じにすることができる。そのため、太陽光線２８０は、反射し、レンズ光誘導プレート４２０の１つの側面または２つの異なる側面に誘導されることができる。
以上の観点から、本開示の任意の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集束太陽光誘導モジュールのレンズを、図２Ａに示すような断面輪郭が湾曲した鋸歯状であるレンズに置換して、誘導された光の強度を増大させることができる。このようにする代わりに、図２Ｂに示すように、集光レンズ１６０を、光誘導プレートの第１の側面１２とエネルギー変換装置１４０’との間に配置し、第１の側面１２から出る太陽光線の集光範囲を一層狭めるようにする。そうすると、エネルギー変換装置１４０’の占有面積もさらに減らすことができる。当業者であれば、本開示の任意の実施形態に照らし合わせて太陽光線誘導モジュールの詳細部を設計できるであろう。上記の実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
さらに、図８Ａは、図１Ｄの概略図である。レンチキュラーレンズ１１０の軸方向は、太陽が昇り沈みする方向ＥＷと表記した東西方向に平行となるように構成される。図８Ｂおよび図８Ｃは、図８Ａによる光誘導の標準的な効率をシミュレーションした結果である。シミュレーションのパラメータは、以下の通りである：
Ｒ（レンチキュラーレンズの曲率半径）＝４．０９ｍｍ
ｎl＝１．５６
ｎi＝１．００
ｎc＝１．４９
ｈ＝１０ｍｍ
Ｗ＝３．４６ｍｍ
Ｎ×Ｗ＝２１０ｍｍ
θ1＝４０°
θ2＝２０°
ｄ1＝０．３０２ｍｍ
ｄ2＝０．１３１ｍｍ
正午に太陽光線１８０は、正常な角度（すなわち入射角０°）で集束太陽光誘導モジュールに入射し、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導をシミュレーションした効率は、およそ６０％である。
太陽光線１８０の入射角が±３０度の間であるとき（つまり、日中の午前１０：００から午後２：００）、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導の標準的な効率は、５５％を上回ることができる。レンチキュラーレンズ１１０の軸方向は、東西方向に平行であるため、日中に太陽が昇り沈みすることによって起きる入射角の変化は起こりにくい。したがって、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールは、正午前後に太陽を追尾するシステムを装備しなくとも、依然として５５％を上回る光誘導の相対効率を達成することができる。
図８Ｃに示すように、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールの季節による角度変化は、最大で±１度とすることができる。したがって、光誘導モジュールの季節変化に対する角度変化の感度を低減するようになっている場合は、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、図８Ｄに示すように、レンズアレイプレートも南北方向に動かすことができる（つまり、レンズアレイプレートは、可動式レンズのアレイとなるように設計される）。季節の変動要素が太陽光線１８０の入射角を変化させるため、レンズアレイプレートは、南北方向に動き、集束された太陽光線１８０も光誘導プレート１２０の凹領域１３０の近傍に落ちることができ、これによって、季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成する。
このほか、レンチキュラーレンズ１１０の軸方向が、図８Ａに示すように、方向ＥＷと表記した東西方向に平行となるように構成されるとき、東西方向を向いている光誘導プレート１２０の側面を反射層１２１（金属、全反射多層および白色反射体など）で被覆して、表面から光線が漏れる問題を解消する。
上記の観点から、本開示による集束太陽光誘導モジュールでは、入射する太陽光線は、レンズアレイプレートによって集束され、光誘導プレートの表面上の微細構造で反射し、光誘導プレートの中へ誘導されることができる。光誘導プレートの側面を通過した後、太陽光線は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置によって受光され、電力に変換される。したがって、本開示による集束太陽光誘導モジュールは、太陽電池の使用を軽減し、モジュールコストを削減し、太陽追尾システムなしに光誘導の高効率を維持する。
上記のような本開示によれば、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートで太陽光線を小さな領域に集め、太陽光線を微細構造で反射させ、その後、太陽光線を全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導する。本発明が提供するモジュールの場合、光電変換または熱電変換によるエネルギー変換装置を、光誘導プレートの側面に配置する必要があり、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を電力に変換することができる。このようにすると、太陽電池の使用および発電コストを大幅に削減することができる。

Claims (26)

  1. 太陽光線のエネルギー変換装置への誘導に適用される集束太陽光誘導モジュールであって、
    各々が上方湾曲面および下方平坦面を有して前記太陽光線を受光し集束する少なくとも１つのレンズを有するレンズアレイプレートと、
    上方平坦面および下方微細構造面を有する光誘導プレートであって、前記上方平坦面は前記レンズアレイプレートの下方平坦面と平行であり、前記下方微細構造面は少なくとも１つの接続領域および少なくとも１つの凹領域を有し、前記接続領域は、当該光誘導プレートの上方平坦面に平行であるとともに、互いに隣接する前記凹領域の間を接続し、前記凹領域は、凹点と、当該凹点の異なる側にそれぞれ位置し且つ当該凹点と当該凹点に隣接する前記接続領域との間をそれぞれ接続する第１の傾斜平面および第２の傾斜平面と、を有する光誘導プレートと、
    を備え、
    前記太陽光線は、
    前記レンズアレイプレートによって集束された後、
    前記光誘導プレートの下方微細構造面の凹領域と接続領域とに続けて２回反射され、全内反射によって当該光誘導プレートの中へ誘導され、
    前記光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過し、
    当該側面上または当該側面近傍に配置された前記エネルギー変換装置に受光されて、電力に変換される
    ことを特徴とする集束太陽光誘導モジュール。
  2. 前記レンズを通過する前記太陽光線の焦点は、前記第１の傾斜平面、前記第１の傾斜平面の上方、または前記第１の傾斜平面の下方に位置し、前記第１の傾斜平面は、前記側面の方を向いていることを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  3. 前記レンズを通過する前記太陽光線の前記焦点は、前記凹点、前記凹点の上方、または前記凹点の下方に位置することを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  4. 前記光誘導プレートの前記下方微細構造面の前記凹点から前記接続領域に対し垂直な垂直線を形成した場合、前記第１の傾斜平面と前記接続領域に対する前記垂直線との間の第１の夾角と、前記第２の傾斜平面と前記接続領域に対する前記垂直線との間の第２の夾角と、はそれぞれ１５°から６０°の間であることを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  5. 前記光誘導プレートの前記下方微細構造面の前記凹点から前記接続領域に対し垂直な垂直線を形成した場合、前記凹点に関し、前記垂直線と当該垂直線に隣接する前記接続領域との間に第１の動径間距離ｄ1および第２の動径間距離ｄ2がそれぞれ形成され、前記少なくとも１つのレンズの各々の前記下方平坦面の長さをＷとした場合、前記集束太陽光誘導モジュールは、Ｗ≧ ２（ｄ1＋ｄ2）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  6. 前記レンズアレイプレートが各々の前記下方平坦面の長さがＷであるＮ個のレンズを有するとともに、前記光誘導プレートの厚みがｈである場合、前記集束太陽光誘導モジュールは、ｈ≧ Ｗ、且つ、Ｎ×Ｗ≦ ５０×ｈを満たすことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  7. 前記レンズアレイプレートの前記レンズの屈折率は、前記光誘導プレートの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  8. 前記レンズアレイプレートと前記光誘導プレートとの間に配置され、当該レンズアレイプレートのレンズおよび当該光誘導プレートの双方の屈折率より小さい屈折率を有するインターフェース層をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  9. 前記光誘導プレートの前記側面と前記エネルギー変換装置との間に配置される集光レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  10. 前記レンズは、各々が前記側面に対応する方向を向いた隣接する２つの前記上方湾曲面どうしを接続する接続面をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  11. 前記レンズの軸方向が東西方向に平行になるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  12. 前記レンズアレイプレートが南北方向に沿って可動式であることを特徴とする請求項１１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  13. 前記東西方向を向いている前記光誘導プレートの前記少なくとも１つの側面には、さらに、反射層がめっきされていることを特徴とする請求項１１に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  14. 太陽光線のエネルギー変換装置への誘導に適用される集束太陽光誘導モジュールであって、
    上方微細構造面および下方平坦面を有する光誘導プレートであって、前記上方微細構造面は少なくとも１つの接続領域および少なくとも１つの凹領域を有し、前記接続領域は、当該光誘導プレートの下方平坦面に平行であるとともに、互いに隣接する前記凹領域の間を接続し、前記凹領域は、凹点と、当該凹点の異なる側にそれぞれ位置し且つ当該凹点に隣接する前記接続領域との間をそれぞれ接続する第１の傾斜平面および第２の傾斜平面と、を有する光誘導プレートと、
    各々が上方平坦面および下方湾曲面を有し、前記上方平坦面が前記光誘導プレートの前記下方平坦面と平行であるレンズアレイプレートと、
    を備え、
    前記太陽光線は、
    前記光誘導プレートを通過して前記下方湾曲面で反射された後、
    前記光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域と接続領域とに続けて２回反射され、全内反射によって当該光誘導プレートの中へ誘導され、
    前記光誘導プレートの少なくとも１つの側面を通過し、
    当該側面上または当該側面近傍に配置された前記エネルギー変換装置に受光されて、電力に変換される
    ことを特徴とする集束太陽光誘導モジュール。
  15. 前記レンズによって反射され集束される前記太陽光線の焦点は、前記第１の傾斜平面、前記第１の傾斜平面の上方、または前記第１の傾斜平面の下方に位置し、前記第１の傾斜平面は、前記側面の方を向いていることを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  16. 前記レンズによって反射され集束される前記太陽光線の焦点は、前記凹点、前記凹点の上方、または前記凹点の下方に位置することを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  17. 前記光誘導プレートの前記上方微細構造面の前記凹点から前記接続領域に対し垂直な垂直線を形成した場合、前記第１の傾斜平面と前記接続領域に対する前記垂直線との間の第１の夾角と、前記第２の傾斜平面と前記接続領域に対する前記垂直線との間の第２の夾角と、はそれぞれ１５°から６０°の間であることを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  18. 前記光誘導プレートの前記上方微細構造面の前記凹点から前記接続領域に対し垂直な垂直線を形成した場合、前記凹点に関し、前記垂直線と当該垂直線に隣接する前記接続領域との間に第１の動径間距離ｄ1および第２の動径間距離ｄ2がそれぞれ形成され、前記少なくとも１つのレンズの各々の前記上方平坦面の長さをＷとした場合、前記集束太陽光誘導モジュールは、Ｗ≧ ２（ｄ1＋ｄ2）を満たすことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  19. 前記レンズアレイプレートが各々の前記上方平坦面の長さがＷ’であるＮ個のレンズを有するとともに、前記光誘導プレートの厚みがｈ’である場合、前記集束太陽光誘導モジュールは、ｈ’ ≧ Ｗ’、且つ、Ｎ×Ｗ’≦ ５０×ｈ’を満たすことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  20. 前記レンズの前記下方湾曲面は、反射層で被覆されていることを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  21. 前記レンズアレイプレートの前記レンズの屈折率は、前記光誘導プレートの屈折率より小さいことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  22. 前記光誘導プレートと前記レンズアレイプレートとの間に配置され、当該光誘導プレートおよび当該レンズアレイプレートのレンズの双方の屈折率より小さい屈折率を有するインターフェース層をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  23. 前記光誘導プレートの前記側面と前記エネルギー変換装置との間に配置される集光レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  24. 前記レンズの軸方向が東西方向に平行になるように構成されたことを特徴とする請求項１４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  25. 前記レンズアレイプレートが南北方向に沿って可動式であることを特徴とする請求項２４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
  26. 前記東西方向を向いている前記光誘導プレートの前記少なくとも１つの側面には、さらに、反射層がめっきされていることを特徴とする請求項２４に記載の集束太陽光誘導モジュール。
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