JP2020525833A5 - - Google Patents

Description

本発明におけるフレネルレンズ層は、フレネル（Fresnel）レンズを光学素子として使用しており、各レンズ層は、少なくとも一つの集光型フレネルレンズを含む。フレネルレンズは、薄型レンズであり、このようなタイプのレンズは、軽くて薄く、且つ量産に便利であるという利点を有する。本明細書に記載の「集光型」（または「発散型」）フレネルレンズとは、機能的には、光線をレンズの光学中心に収束させるフレネルレンズのことであり、その歯面は、一般的には凸レンズ面（又は凹レンズ面）から発生したものである。本発明でいう「線状」フレネルレンズは、線状発散型フレネルレンズ及び線状集光型フレネルレンズを含み、レンズの合焦中心は一本の線であり、一つの点に集中するものではない。例えば、線状フレネルレンズの歯面が、凹状（または凸状）円柱面、凹状（または凸状）多項式柱面から構成されていてよい。フレネルレンズは、一つの面が歯面であり、もう一つの面が平面である単面フレネルレンズであってもよく、両面がいずれも歯面である両面フレネルレンズであってもよい。各フレネルレンズの各歯面は、一つのフレネルユニットのみを含む簡単なレンズ面であってもよく、複数のフレネルユニットからなる複合フレネルレンズであってもよい。

様々な光学設計を採用して、直筒形導光層の導光機能を実現してもよい。例えば、内壁の反射鏡面を介して導光してもよく、或いは、直筒形導光層の筒壁は、第１及び第２のフレネルレンズ層と共に、閉鎖された第１の空間を構成し、第１の空間には、高圧気体または光学気体が充填されており、これにより、入射された光線を下向きに偏向させる。前記光学気体は、１標準大気圧下で、屈折率が１より大きい気体である。また、直筒形導光層の内部空間内に光線を偏向させるための他の光学素子が配置されていてもよい。

本実施形態において、筒体内壁が反射鏡面である構造を採用し、閉鎖された第１の空間内に、光学気体１２１が充填されており、入射光線ＬＬは、頂部レンズ層の収束及び直筒形導光層の偏向により底部のレンズ層に導かれる。

３．直筒形導光層２２０は、さらに光発散筒２２２を含み、その筒壁は、線状発散型フレネルレンズにより形成されており、その光発散筒の長さ方向は直筒形導光層と一致している。光発散筒は、直筒形導光層の内部空間に配置されており、各線状発散型フレネルレンズの合焦中心線は、光発散筒の長さ方向に垂直である。

光発散筒２２２は、入射光を直筒の下端に向けて散乱させることにより、直筒形導光層の光軸から離れた入射光線に対する偏移能力を向上させることができ、後続の光学素子が光線ＬＬを最終的に光エネルギー利用装置に導くために有利である。光発散筒の横断面形状は、その外部を囲む直筒形導光層の筒壁の横断面と同じであってもよく、異なってもよく、本実施形態において、いずれも矩形を採用している。

テーパー状導光筒２４１の底部は、光エネルギー利用装置を配置するために閉鎖されていてよい。これにより、集光型太陽エネルギーシステムを形成し、または光エネルギー利用装置を用いてテーパー状導光筒の底部が閉鎖されていてもよい。テーパー状導光筒の底部は閉鎖された後、その筒壁は第２のフレネルレンズ層と共に閉鎖された第２の空間を構成する。ここで、高圧気体又は光学気体をさらに充填して、集光比を増大させてもよい。

本実施形態において、ソーラーパネル３５１及び熱電変換デバイス３５２は、分離して配置され、ソーラーパネル３５１はテーパー状導光筒の中に配置されており、熱伝導性支持部材３４２を介してテーパー状導光筒に固定されている。この場合、テーパー状導光筒の底部は、反射鏡面３４３によって閉鎖されていてもよい。熱電変換デバイス３５２は、テーパー状導光筒の底部の裏側に熱伝導可能に取り付けられている。この場合、光エネルギー利用率を向上させるため、ソーラーパネル３５１は両面受光タイプのソーラーパネルを採用することが好ましい。

光エネルギー利用装置の放熱速度を向上させるとともに、発散された熱を利用するために、好ましくは、本実施形態において、テーパー状導光層４４０の下方に配置された底トレイ４６０をさらに含み、テーパー状導光層と共に閉鎖された第３の空間を構成し、第３の空間には作動媒体が収容されてもよく、これらの作動媒体はソーラーパネル４５１とが熱伝導接続される。好ましくは、作動媒体は、比較的大きい熱容量を有する物質を選択し、固体または流体であってもよい。作動媒体によって吸収された熱量は、更なる熱伝導または作動媒体のサイクルを通じて外部に提供することができる。使用される流体作動媒体は、水、油、冷媒、圧縮気体等から選択されてよい。このような場合、底トレイに作動媒体を流入及び流出させるための入口及び出口がさらに配置されていてもよい。液体作動媒体のサイクルシステムは、オープン式であってもよく、クローズ式であってもよく、作動媒体の種類と所望の熱エネルギー利用形式に応じて選択してもよい。好ましくは、光電変換デバイスと作動媒体との間の熱伝導経路には、さらに熱電変換デバイス（不図示）が配置されていてもよく、例えば、熱電変換デバイスがテーパー状導光筒４４１の底部の背面に配置されていて作動媒体に浸漬されてもよい。

Claims (12)

1. 第１のフレネルレンズ層と、第２のフレネルレンズ層と、外形が直筒形である直筒形導光層とを含み、各レンズ層は、少なくとも１つの集光型フレネルレンズを含み、前記第１及び第２のフレネルレンズ層は、それぞれ前記直筒形導光層の両端に配置され、前記直筒形導光層は、前記第１のフレネルレンズ層からの光線を下向きに前記第２のフレネルレンズ層まで導くために用いられ、
   前記直筒形導光層の内壁は反射鏡面であり、
   前記直筒形導光層は、さらに光発散筒を含み、その筒壁は、線状発散型フレネルレンズにより形成されており、前記光発散筒の長さ方向は前記直筒形導光層と一致しており、前記光発散筒が前記直筒形導光層の内部空間に配置されており、前記線状発散型フレネルレンズの合焦中心線は、前記長さ方向に垂直であることを特徴とするフレネル集光装置。
2. 前記第１または第２のフレネルレンズ層の少なくとも１つの集光型フレネルレンズは、多焦点距離フレネルレンズ、両面フレネルレンズまたは複合フレネルレンズであり、
   前記多焦点距離フレネルレンズは、中心光軸との距離に応じて、複数のエリアに分けられており、中心光軸から距離が遠いエリアは、より短い焦点距離を有し、中心光軸から距離が近いエリアは、より長い焦点距離を有し、前記より長い焦点距離は、焦点距離が無限大の場合を含むことを特徴とする請求項１に記載のフレネル集光装置。
3. 前記第１または第２のフレネルレンズ層の少なくとも１つの集光型フレネルレンズは、線状集光型フレネルレンズであり、異なる層の前記線状集光型フレネルレンズの合焦中心線は互いに垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載のフレネル集光装置。
4. 前記第１のフレネルレンズ層が、アレイ状に配列された複数の集光型フレネルレンズを含んでいること、
   前記第２のフレネルレンズ層が、アレイ状に配列された複数の集光型フレネルレンズを含んでいること、
   前記直筒形導光層が、アレイ状に配列された複数の直筒形導光筒を含んでいること、及び、
   前記直筒形導光筒の横断面形状が、四角形、六角形、円形から選ばれたものであることのいずれか少なくとも一つの特徴を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフレネル集光装置。
5. 前記第２のフレネルレンズ層の下方に配置されたテーパー状導光層をさらに含み、前記テーパー状導光層は、少なくとも１つの反射型テーパー状導光筒を含み、その内壁は、少なくとも一部が反射鏡面であり、且つ頂部開口が大きく、底部開口が小さく、前記第２のフレネルレンズ層を介して収束された光線は、前記反射型テーパー状導光筒の頂部から入射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のフレネル集光装置。
6. 前記反射型テーパー状導光筒の底部が閉鎖されており、その筒壁は、前記第２のフレネルレンズ層と共に閉鎖された第２の空間を構成していることを特徴とする請求項５に記載のフレネル集光装置。
7. 圧電振動片及びその駆動回路を含む圧電振動子をさらに含み、前記第１のフレネルレンズ層を振動させるため、前記圧電振動片が、前記第１のフレネルレンズ層と機械的に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のフレネル集光装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のフレネル集光装置を含み、さらに、
   少なくとも１つの光エネルギー利用装置の受光面が前記フレネル集光装置の後の光路に配置されていることを特徴とする集光型太陽エネルギーシステム。
9. 前記フレネル集光装置が、請求項５〜７のいずれか一項に記載されたものであり、
   前記光エネルギー利用装置は、前記反射型テーパー状導光筒の底部または前記反射型テーパー状導光筒の中に配置され、前記光エネルギー利用装置は、光電変換デバイスを含むことを特徴とする請求項８に記載の集光型太陽エネルギーシステム。
10. 前記光電変換デバイスが、片面受光タイプのソーラーパネルであり、前記反射型テーパー状導光筒の底部に配置され、且つ受光面は、前記反射型テーパー状導光筒の頂部に対向している、または、
    前記光電変換デバイスが、両面受光タイプのソーラーパネルであり、前記反射型テーパー状導光筒の中に配置され、熱伝導性支持部材を介して前記反射型テーパー状導光筒に固定され、前記反射型テーパー状導光筒の底部は、反射鏡面によって閉鎖されていることを特徴とする請求項９に記載の集光型太陽エネルギーシステム。
11. 前記テーパー状導光層の下方に配置された底トレイをさらに含み、底トレイは、前記テーパー状導光層と共に閉鎖された第３の空間を構成し、第３の空間に作動媒体が収容され、前記作動媒体は、光電変換デバイスと熱伝導接続され、前記作動媒体は、水、油、冷媒、圧縮気体等から選択されたものであることを特徴とする請求項９または１０に記載の集光型太陽エネルギーシステム。
12. 前記光エネルギー利用装置は、前記光電変換デバイスが放熱するための熱伝導経路に配置された熱電変換デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の集光型太陽エネルギーシステム。