TW201326891A - 聚光裝置、光發電裝置及光熱轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種提高太陽光等光能之利用效率之聚光裝置。例示本發明之態樣之聚光裝置1係以如下方式構成：具備第1稜鏡構件10與第2稜鏡構件20，該第1稜鏡構件10使自表面入射之光自背面出射，該第2稜鏡構件20係與第1稜鏡構件之背面對向設置；第1稜鏡構件具有：複數個聚光構造，其等係形成於表面且使入射之光聚光；及複數個偏向構造，其等係與複數個聚光構造相對應地向背面突出且使由聚光構造聚光之光偏向而出射；第2稜鏡構件具有：入射面，其係與第1稜鏡構件之背面對向設置；反射構造，其與入射面呈銳角交叉；及出射面，其使光出射；且自第1稜鏡構件之偏向構造偏向而出射之光係自第2稜鏡構件之入射面入射至第2稜鏡構件，於第2稜鏡構件之內部由反射構造及入射面反射，藉此導向出射面，並自出射面出射。

Description

聚光裝置、光發電裝置及光熱轉換裝置
本發明係關於一種使自表面入射之光向側面方向聚光之聚光裝置、及使用有該聚光裝置之光發電裝置以及光熱轉換裝置。
作為使自表面入射之光於側面聚光之聚光裝置，已知有具備如下稜鏡構件之聚光裝置：具有太陽光所入射之入射面及相對於入射面呈銳角交叉之底面，且使自入射面入射之太陽光在底面與入射面之間反射複數次而聚光。
於圖22中表示此種聚光裝置之基本概念。聚光裝置9係具備稜鏡構件90而構成，該稜鏡構件90係由太陽光所入射之入射面91、與入射面91以頂角ε交叉且反射入射光之底面92、及與入射面91大致呈直角交叉之出射面95構成，且剖面觀察時形成為稜鏡狀或楔狀。光發電裝置係將對經聚光之光進行光電轉換之光電轉換元件(太陽電池)5設置於出射面95上而構成。
此時，於將稜鏡構件90之水平方向之長度設為L、將厚度方向之高度設為H，且將紙面正交方向之寬度設為固定時，該聚光裝置9之聚光倍率通常係以(入射面積)/(出射面積)=L/H來規定。如此，於本說明書中，將基於聚光裝置之幾何學上之形狀而規定之聚光倍率稱為「形狀聚光倍率」。根據上述式，為了提高形狀聚光倍率，而要求縮小頂角ε。
然而，若縮小頂角ε，則隨之自入射面91入射之光向底面92之入射角亦變小，因此若不增大圖22之紙面內之太陽光向入射面91之入射角θ，則入射光會透過底面92。另一方面，若增大該入射角θ，則入射至入射面91之太陽光之每單位面積之光強度(能量密度)會降低，故難以使太陽光之光能有效率地聚光。
因此，提出有以如下方式構成之聚光裝置：藉由在底面92上蒸鍍金屬膜、或接著反射鏡等而將底面92設為鏡面，且重複進行底面92中之鏡面反射與入射面91中之全反射，藉此使入射光於出射面95上聚光(例如，參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平6-275859號公報
然而，即使於如上所述般將底面設為鏡面之聚光裝置中，若縮小太陽光向入射面之入射角θ，則由底面反射(鏡面反射)之光亦會自入射面出射。因此，要求可使太陽光之光能更有效率地聚光之聚光裝置。本發明係鑒於此種情況而完成者，其目的在於提供一種提高太陽光等光能之利用效率之聚光裝置。又，本發明之目的在於提供一種可將太陽光等光能有效率地轉換成電能之光發電裝置、及可將太陽光等光能有效率地轉換成熱能之光熱轉換裝置。
為了達成上述目的，根據本發明之第1態樣，聚光裝置係以如下方式構成：具備第1稜鏡構件與第2稜鏡構件，該第1稜鏡構件使自表面入射之光自背面出射，該第2稜鏡構件係與第1稜鏡構件之背面對向設置；第1稜鏡構件具有：複數個聚光構造，其等係形成於表面且使入射之光聚光；及複數個偏向構造，其等係與複數個聚光構造相對應地向背面突出且使由聚光構造聚光之光偏向而出射；第2稜鏡構件具有：入射面，其係與第1稜鏡構件之背面對向設置；反射構造，其與入射面呈銳角交叉；及出射面，其使光出射；自第1稜鏡構件之偏向構造偏向而出射之光係自第2稜鏡構件之入射面入射至第2稜鏡構件，於第2稜鏡構件之內部由反射構造及入射面反射，藉此導向出射面，並自出射面出射。
根據本發明之第2態樣，其係如第1態樣之聚光裝置，其中較佳為第1稜鏡構件之偏向構造具有：第1面，其反射由聚光構造聚光之光；及第2面，其使由第1面反射之光透過且自第1稜鏡構件出射。
根據本發明之第3態樣，其係如第2態樣之聚光裝置，其中較佳為第2稜鏡構件之入射面由導光面及反射面構成，該導光面係與第1稜鏡構件之偏向構造之第2面大致平行地對向且使自第1稜鏡構件之第2面出射之光入射，該反射面係使由反射構造反射之光朝向第2稜鏡構件之內部反射。
根據本發明之第4態樣，其係如第3態樣之聚光裝置，其中較佳為於第1稜鏡構件之第2面與第2稜鏡構件之導光面之間配置接合部，該接合部具有與第1稜鏡構件之折射率及第2稜鏡構件之折射率大致相等之折射率。
根據本發明之第5態樣，其係如第3態樣之聚光裝置，其中較佳為於第1稜鏡構件與第2稜鏡構件之反射面之間配置介質，該介質具有低於第1稜鏡構件之折射率及第2稜鏡構件之折射率中之任一者之折射率。
根據本發明之第6態樣，其係如第2態樣至第5態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為以如下方式構成：由第1稜鏡構件之聚光構造聚光且由第1面反射而自第2面出射之光不會被第1稜鏡構件之鄰接之偏向構造遮蔽而入射至第2稜鏡構件之入射面。
根據本發明之第7態樣，其係如第2態樣至第6態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為第1稜鏡構件之複數個偏向構造形成為第1面及第2面交替地排列之重複構造。
根據本發明之第8態樣，其係如第1態樣至第7態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為第1稜鏡構件之聚光構造於光之入射側為凸狀之曲面，且第1面係以使由對應之聚光構造聚光之光整體進行全反射之方式構成。
根據本發明之第9態樣，其係如第1態樣至第7態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為第1稜鏡構件之聚光構造係以藉由複數個平面於光之入射側成為凸狀之方式構成，且第1面係以使由聚光構造聚光之光整體進行全反射 之方式構成。
根據本發明之第10態樣，其係如第1態樣至第9態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為以如下方式構成：第2稜鏡構件之反射構造係由一個平面構成，且自第1稜鏡構件入射至第2稜鏡構件之入射面之光於第2稜鏡構件之內部行進而到達至反射構造時，藉由反射構造而進行全反射。
根據本發明之第11態樣，其係如第1態樣至第9態樣中任一態樣之聚光裝置，其中較佳為以如下方式構成：第2稜鏡構件之反射構造面係由平面、及與該平面之間介隔空氣層而對向配置之鏡面構成，且自第1稜鏡構件入射至第2稜鏡構件之入射面之光於第2稜鏡構件之內部行進而到達至反射構造時，於透過平面後，由鏡面反射，並再次透過平面而於第2稜鏡構件之內部行進，進而，藉由入射面而於第2稜鏡構件之內部全反射。
根據本發明之第12態樣，光發電裝置具備：如第1態樣至第11態樣中任一態樣之聚光裝置；及光電轉換元件，其對導向第2稜鏡構件之出射面之光進行光電轉換。
根據本發明之第13態樣，光熱轉換裝置具備：如第1態樣至第11態樣中任一態樣之聚光裝置；及光熱轉換元件，其對導向第2稜鏡構件之出射面之光進行光熱轉換。
以下，一面參照圖式一面對用以實施本發明之形態進行說明。作為例示本發明之態樣之光發電裝置，於圖1中表示具備第1構成形態之聚光裝置1之光發電裝置PVS之 概要構成圖。光發電裝置PVS係具備使光聚光之聚光裝置1、及對經聚光之光進行光電轉換之光電轉換元件5而構成。
聚光裝置1係具備第1稜鏡構件10及第2稜鏡構件20而構成，該第1稜鏡構件10於使光入射之表面具有聚光構造，且使入射之光傾斜地偏向而自背面出射，該第2稜鏡構件20係與第1稜鏡構件10之背面對向設置且使自第1稜鏡構件10出射之光聚光而導向光電轉換元件5。第1稜鏡構件10、第2稜鏡構件20、及光電轉換元件5係於與紙面垂直之前後方向上延伸而形成。即，圖1係光發電裝置PVS之剖面圖。再者，以下，為了方便說明，保持圖1所示之姿勢而使用上下左右之方向，但光發電裝置PVS之配設姿勢可根據光之入射方向而任意設定。
第2稜鏡構件20係具有入射面21、反射構造22及出射面25而構成，該入射面21使自第1稜鏡構件10出射之光入射，該反射構造22與入射面21以頂角ε交叉且使藉由第1稜鏡構件10而進路發生偏向之光反射，該出射面25使由反射構造22及入射面21反射而導向左方之光出射。圖1表示於出射面25上設置有光電轉換元件5之構成例。
此處，如圖2(a)所示，若將入射面21之左右方向之長度設為L，將出射面25之上下方向之高度設為H，則與紙面垂直之前後方向之寬度一致之第2稜鏡構件20之形狀聚光倍率規定為L/H=1/tan ε。因此，為了提高形狀聚光倍率，只要儘可能地縮小頂角ε即可。然而，若縮小頂角ε，則自入射面21入射至第2稜鏡構件20內之光到達至反射 構造22時之入射角亦會變小。因此，若光向入射面21之入射角θ不大，則不滿足用以使入射光藉由反射構造22而進行全反射之條件。於不滿足全反射之條件之情形時，光會透過反射構造22。另一方面，於藉由蒸鍍等在第2稜鏡構件20之反射構造22上形成金屬膜而設為鏡面之情形時，自反射構造22之透過得到抑制。然而，於該情形時，亦必需滿足用以使由反射構造22反射之光於入射面21內進行全反射之條件。
若求出用以使以入射角θ入射至第2稜鏡構件20之光不透過反射構造22及入射面21便被反射而導向出射面之最小頂角ε min，則如下。式中之n為第2稜鏡構件20之折射率。
由上述式(1)及(2)可知：光向第2稜鏡構件20之入射角θ越大(越接近於90度)則最小頂角ε min變得越小，從而可將第2稜鏡構件構成得較薄。關於頂角為ε min之第2稜鏡構件，將於橫軸取入射角θ，於縱軸取形狀聚光倍率，而對該等之關係進行作圖所得之圖表示於圖2(b)。由圖2(b)可知：於反射構造22為鏡面之情形時，自入射角θ為60度前後起，又，於反射構造22為全反射 面之情形時，自入射角θ為70度前後起，形狀聚光倍率分別急遽地升高。因此，若假定入射至入射面21之光能固定，則使入射角θ越大則能量密度越高之光於光電轉換元件5聚光。
然而，於使太陽光入射至第2稜鏡構件20之情形時，入射至入射面21之光能依存於入射角θ。於圖3中表示入射之光能與入射角θ之關係。如圖3(a)所示，入射至入射面21之光能係若太陽光之入射角為θa則與Lcos θa成比例，若太陽光之入射角為θb則與Lcos θb成比例。即，以入射角θ入射至入射面21之太陽光之光能與cos θ成比例。圖3(b)係於橫軸取太陽光之入射角θ，於縱軸取當入射角θ=0度時將入射至入射面21之光能設為100%之情形時之比例，而表示入射角θ與入射光能之關係的圖表。由圖3(b)而明確可知，入射角θ越大(越接近於90度)則入射至入射面21之光能越少。再者，對於圖3(b)中以點表示之實施例1及實施例2，將於下文進行詳細敍述。
如此，可知：為了提高形狀聚光倍率，只要增大入射至第2稜鏡構件20之光之入射角θ即可，但另一方面，為了提高形狀聚光倍率，而要求縮小入射角θ。發明者等人提出於第2稜鏡構件20之入射面側設置有第1稜鏡構件10之構成，作為同時滿足如此相反之兩個要求的機構。
第1稜鏡構件10為如下光學元件：以較小之入射角接收光，且使所接收之光以較大之出射角出射，從而使其以較大之入射角入射至第2稜鏡構件20。
此處，假定配置稜鏡構件80之情形，並參照圖4對光之偏向作用進行說明，該稜鏡構件80係設為與第2稜鏡構件之入射面21對向且於背面排列有複數個三角稜鏡之構成。再者，構成稜鏡構件之材料之折射率係設為約1.5。以自稜鏡構件80之表面以入射角0度入射之平行光線於背面之三角稜鏡之兩面86及87進行全反射而分別向斜下方出射之方式設定兩面86及87之角度。於所出射之光入射至第2稜鏡構件20之情形時，向第2稜鏡構件20之聚光面25之方向偏向而入射之光被導向出射面25側而聚光。然而，向與第2稜鏡構件20之聚光面25相反之方向偏向而入射之光係通過反射構造22及入射面21而出射。為了使自稜鏡構件80之出射方向為一方向，而必需僅入射至三角形之兩面86、87中之一者。即，為了向第2稜鏡構件20之聚光面25之方向偏向而入射，必需使光僅入射至例如平面86。
利用圖5說明第1稜鏡構件10之構成及作用。第1稜鏡構件10係構成為：為了使入射之光聚光，而於光之入射面具有複數個聚光構造11、11…，並且為了使由聚光構造聚光之光偏向，而與各聚光構造相對應地具有向光之出射面突出之複數個偏向構造15、15…。偏向構造15具有：第1面16，其反射由聚光構造11聚光之光；及第2面17，其使由第1面16反射後進路發生偏向之光透過；且藉由第1面16及第2面17之重複構造而構成為鋸齒狀。以如下方式構成：自第1稜鏡構件10之入射面入射之光藉由聚光構 造11及偏向構造15，而不被鄰接之偏向構造遮蔽便以偏向特定角度之狀態入射至第2稜鏡構件20之入射面21。
太陽之角度隨季節、時間而變動。因此，於聚光對象為太陽光、且欲使其如上所述般以固定之入射角度入射之情形時，必需追蹤太陽之追蹤裝置。追蹤裝置之價格根據聚光裝置1之設置精度或太陽之追蹤精度而有較大之變化。因此，為了以低成本實現太陽光之聚光系統，而期待設為如下構成：即使於太陽光之入射角偏離某種程度之角度範圍之情形時，亦不會使聚光效率大幅降低而向光電轉換元件5導光。
(第1構成形態之第1稜鏡構件)
圖5係用以對第1構成形態之第1稜鏡構件10之構成及作用進行說明的說明圖，且係將圖1之一部分放大而表示者。於以下說明中，為了易於理解，而將光線之方向、角度設為圖式之紙面內之記載。因此，例如，「入射角0度」係指紙面內之0度，而未必指相對於入射面垂直入射。於圖5中表示有兩組由對向之一對聚光構造11與偏向構造15構成之單位光學元件，圖5中，於左側之單位光學元件中以實線表示以入射角θ=0度入射至第1稜鏡構件10之聚光構造11之平行光線之聚光狀態。又，於右側之單位光學元件中以虛線表示相對於入射角為θ=0度傾斜+△θ度之光線之聚光狀態，又，以一點鏈線表示相對於入射角為θ=0度傾斜-△θ度之光線之聚光狀態，且以用星號表示的粗實線表示以角度範圍-△θ~+△θ入射之光到達至第 1面16之區域。
於本構成形態之第1稜鏡構件10中，聚光構造11於與紙面成直角之方向上成為一致之形狀，且於光之入射側由複數個凸構造、例如複數個柱狀透鏡(cylindrical lens)12構成。單位光學元件間之間距為a[mm]，柱狀透鏡12之焦點距離為f[mm]，聚光光線之收束角為β[度]。於偏向構造15中，第1面16係以使由柱狀透鏡12聚光之聚光光整體進行全反射之方式構成。又，以如下方式構成：透過第2面17之光不會被鄰接之偏向構造15遮蔽而入射至第2稜鏡構件20之入射面21。
如圖5所示，假定與上面(連結柱狀透鏡之頂線之平面)平行之下面18，將該下面18與第1面16所成之角度(稱為第1面16之傾斜角)設為α，將下面18與第2面17所成之角度(稱為第2面17之傾斜角)設為α'。第2面17之傾斜角α'係以由柱狀透鏡聚光之光藉由第1面16而全反射之反射光之中心相對於第2面17垂直之方式設定。
一面參照圖5，一面對自第1稜鏡構件10出射之出射光與垂直於下面18之面所成之角度進行考察。出射角之中央值Actr為以入射角0度入射至第1稜鏡構件10之光之出射角。最大出射角Amax係傾斜+△θ度而入射至第1稜鏡構件10之以虛線表示之光中以最小之入射角入射至第1面16之光之出射角。又，最小出射角Amin係傾斜-△θ度而入射至第1稜鏡構件10之以一點鏈線表示之光中以最大之 入射角入射至第1面16之光之出射角。
由於入射至第1面16之光線之收束角為β=arctan(a/2f)，故最大出射角Amax、出射角中央值Actr、最小出射角Amin係如下述般表示。
最大出射角：Amax=180-2 δ+β+△θ………(3)
中央值：Actr=180-2 α………(4)
最小出射角：Amin=180-2 α-β-△θ………(5)
為了使自偏向構造15出射之所有光線不被鄰接之偏向構造15遮蔽(不會入射至鄰接之偏向構造而通過其下方)，而必需滿足下式之條件。即，若將自偏向構造15出射之光線與下面18所成之角度設為γ，則tan γ>2f ＊ tan△θ ＊ tan α/(2f ＊ tan△θ+a)………(6)
如已記載般，第2稜鏡構件20係向入射面21之入射角越大(相對於入射面越傾斜地入射)則越能縮小入射面21與反射構造面22所成之頂角ε，藉此，可獲得較大之形狀聚光倍率。即，最小出射角Amin越大則越能縮小第2稜鏡構件20之頂角ε，從而可增大於光電轉換元件5聚光之光之能量密度。
因此，首先，設定最小出射角Amin，其次，決定對第1稜鏡構件10之厚度造成影響之單位光學元件之間距a。單位光學元件之間距a係若考慮加工精度等則可縮小至200[μm]左右，此係指可使第1稜鏡構件10之厚度薄至1[mm]左右。
於第1稜鏡構件10中，第1面16之傾斜角α、柱狀 透鏡12中之光線之收束角β、及自偏向構造15出射之光線與下面18所成之角度γ係以相對於入射至第1稜鏡構件10之光線之入射角0度之傾斜角度(以下，簡稱為傾斜角度)△θ、及柱狀透鏡12之焦點距離f之函數，如下式般表示。
α=(180-Amin-β-△θ)/2………(7)
β=arctan(a/2f)………(8)
γ=2 α-90-β-△θ………(9)
考慮將最小出射角Amin設為54.5度，將單位光學元件之間距a設為3[mm]之情形。若將入射至第1稜鏡構件10之光線之傾斜角度△θ設為聚光裝置1可容許之光線之傾斜角度、即容許角度，則容許角度△θ越大，則越能使聚光裝置低成本化。因此，若求出滿足(6)式之容許角度△θ之最大值(最大容許角)△θ max，則最大容許角△θ max=1.77度。此時，柱狀透鏡12之焦點距離f=11.2[mm]，第1面16之傾斜角α=58.1度，光線之收束角β=7.63度，最大出射角之光與下面18所成之角度γ=16.7度，最大出射角Amax=73.3度。
將最小出射角Amin=54.5度、單位光學元件之間距a=3[mm]之第1稜鏡構件10中之容許角度△θ與焦點距離f之關係示於圖6(a)，又，將容許角度△θ與最大出射角Amax之關係示於圖6(b)。如圖6(a)及圖6(b)所示，於上述條件之第1稜鏡構件10中，可於1.77度以下之範圍內設定容許角度△θ。例如，於將容許角度△θ設為1.4度 之情形時，可於f=7.1~23[mm]之範圍內適當地設定柱狀透鏡12之焦點距離。又，於將容許角度△θ設為1.2度之情形時，可於Amax=62.8~82.9度之範圍內適當地設定最大出射角。
其次，參照圖7對使最小出射角Amin於50度~80度之範圍內變化之情形進行說明。圖7(a)係對於使最小出射角Amin於上述角度範圍內變化之情形，算出最小出射角Amin與最大容許角△θ max之關係而表示之圖表。如圖7(a)所示，最小出射角Amin變得越大，則最大容許角△θ max變得越小。此係指越增大最小出射角Amin則越能提高形狀聚光倍率，另一方面，入射光之容許角度範圍變窄，而聚光裝置之設置或太陽之追蹤時必需較高之精度。根據圖7(a)，可求出使形狀聚光倍率與追蹤精度平衡之角度範圍。
圖7(b)係對於使最小出射角Amin於上述角度範圍內變化之情形，算出最大容許角△θ max中之最小出射角Amin與焦點距離f之關係而表示之圖表。由圖7(b)可知：最小出射角Amin變得越大，則柱狀透鏡12之焦點距離f變得越大，從而必需使第1稜鏡構件10增厚。
圖7(c)係對於使最小出射角Amin於上述角度範圍內變化之情形，算出最大容許角△θ max中之最小出射角Amin與最大出射角Amax之關係而表示之圖表。由圖7(c)可知：最小出射角Amin變得越大，則最大出射角度Amax亦變得越大，但出射光線之角度範圍(Amax-Amin)變小。
如以上所說明般，以入射角0度入射至第1稜鏡構件10之太陽光藉由聚光構造11及偏向構造15而聚光及偏向，從而以較大之出射角A自第1稜鏡構件10出射，並以較大之入射角A入射至第2稜鏡構件20。
如參照圖1~圖3所說明般，第2稜鏡構件20係具有入射面21、反射構造22及出射面25而構成，該入射面21使自第1稜鏡構件10出射之光入射，該反射構造22與入射面21以頂角ε交叉且將藉由第1稜鏡構件10而進路發生偏向之光導向偏向方向，該出射面25使由反射構造22及入射面21反射而導向左方之光出射。
第2稜鏡構件20之頂角ε於光自入射面21入射而成之入射光最初到達至反射構造22時，根據設為使光藉由反射構造22而進行全反射之構成，或者使反射構造22為鏡面等而使入射光反射之情況而不同。上述兩種情形之各自之第2稜鏡構件之最小頂角ε min係以第2稜鏡構件之折射率n及向入射面21之入射角θ之函數來表示。使入射光藉由反射構造22而進行全反射之構成(為方便起見，稱為全反射型)之情形時之最小頂角ε min係以(1)式來表示，使入射光藉由設為鏡面等之反射構造22而反射之構成(為方便起見，稱為鏡型)之情形時之最小頂角ε min係以(2)式來表示。
若將(1)式與(2)式進行比較則明確可知，鏡型之最小頂角ε min為全反射型之最小頂角ε min的1/2。因此，藉由使第2稜鏡構件20為鏡型而可使形狀聚光倍率為2 倍。然而，於使反射構造22為鏡面之情形時，伴隨著鏡面上之反射而產生因光之吸收所致之損耗。即使廣泛用作反射膜之鋁蒸鍍膜之反射率亦為90%左右，且每次重複反射時會損耗約10%的光能。因此，於鏡型之導光稜鏡中，結果，光能之聚光效率降低。關於此方面，表示以下說明之第2稜鏡構件20。於圖8中表示該第2稜鏡構件20之模式性剖面圖。
第2稜鏡構件20係由稜鏡本體26與反射構造22構成。反射構造22係由形成於稜鏡本體26之下面之平面22a、及相對於該平面22a介隔空氣層23而平行地對向配置且將對向面設為鏡面22b之反射構件24構成。平面22a係平坦地進行光學研磨而形成。反射構件24例如可使用於玻璃基板之表面形成鋁蒸鍍膜而設為鏡面者。空氣層23係只要層之厚度大致為聚光對象之光之波長以上即可，於本構成例中，藉由以鏡面22b相對於平面22a平行之方式固定反射構件24，而形成空氣層23。
第2稜鏡構件20之頂角ε係基於設為鏡型之情形時所算出之最小頂角ε min(即(2)式)而設定。此時，自入射面21入射至稜鏡本體26之光到達至反射構造22，且於透過平面22a而自稜鏡本體26出射後，由鏡面22b反射，從而自平面22a再次入射至稜鏡本體26。自平面22a再次入射至稜鏡本體26之光之入射角與第1入射光向平面22a之入射角相同。
參照圖9對該情況進行說明。如圖9所示，以入射角 θ自入射面21入射至稜鏡本體26之光係以與構成稜鏡本體26之構件之折射率n相對應之折射角θ1發生折射，且以入射角θ2=θ1+ε入射至平面22a。入射角θ2未達全反射臨界角。入射至平面22a之光係以出射角θ21自平面22a出射，且由鏡面22b反射，而以入射角θ21、折射角θ2再次自平面22a入射至稜鏡本體26。該折射角θ2與入射至稜鏡本體26之光最初到達至平面22時之入射角θ2相同。
自平面22a再次入射之光於稜鏡本體26之內部朝向入射面21行進，並以入射角θ3入射至入射面21。入射至入射面21之光之入射角θ3為θ3=θ2+ε=θ1+2 ε。由於該入射角θ3大於全反射臨界角，故光由入射面21全反射，而再次於稜鏡本體26之內部朝向反射構造22行進，從而以入射角θ4(未圖示)入射至平面22a。該入射角θ4係以θ4=θ3+ε=θ1+3 ε來表示，且大於全反射臨界角。因此，光由平面22a全反射，而朝向入射面21於稜鏡本體26之內部行進。以下之向各面之入射角係於每次入射至各個面時入射角以ε為單位依序增加。經複數次全反射之光被導向出射面25。
如此，由稜鏡本體26之平面22a與介隔空氣層23而配設之鏡面22b構成第2稜鏡構件之反射構造面22，藉此使自入射面入射之光由鏡面22b反射，另一方面，於本說明書中，將以下之反射設為稜鏡內部之全反射之形態之第2稜鏡構件20稱為全反射+鏡型之第2稜鏡構件。
根據全反射+鏡型之第2稜鏡構件20，可使稜鏡之頂 角ε與鏡型之第2稜鏡構件同樣地縮小(為全反射型之導光稜鏡之1/2)，藉此可獲得較高之形狀聚光倍率。又，於本形態之第2稜鏡構件20中，由鏡面反射光之情況係僅於自入射面21入射之光最初到達至反射構造22時有1次，以後之入射面21及反射構造22中之反射全部為全反射。因此，與鏡型之導光稜鏡相比，損耗較少，從而能以較高之聚光效率使光能聚光。
於聚光裝置1中，以入射光之光能為最大之入射角0度使太陽光以入射角0度入射至第1稜鏡構件10，且使藉由聚光構造11及偏向構造15而偏向之光入射至第2稜鏡構件20。由於第2稜鏡構件20係由全反射+鏡型構成，故能以較高之聚光效率使光能於出射面25聚光。即，根據此種構成之聚光裝置1，可使太陽光等光能以極高之效率聚光，從而可提高光能之利用效率。
如對第1稜鏡構件10已詳細地說明般，可估計入射至第1稜鏡構件之光之容許角度△θ，而設定聚光構造11或偏向構造15之詳細構成，從而可提供使太陽光之聚光倍率與追蹤精度以較高之次元平衡之小型聚光裝置、光發電裝置。
(實施例1)
就對於聚光裝置1，使用下述條件之第1稜鏡構件10及第2稜鏡構件20，且使太陽光入射至第1稜鏡構件10之上面之情形，使用於光學技術領域中廣泛使用之光線追蹤程式進行模擬。再者，設為如下條件：將太陽光設為波長 350~1100[nm]、視直徑±0.26度，且太陽光之中心光軸以入射角θ=0度入射至第1稜鏡構件10之上面。
○第1稜鏡構件10
．單位光學元件之間距a×數量：3[mm]×10
．柱狀透鏡之焦點距離f：15.3[mm](收束角β=5.6度)
．第1面16之傾斜角α：56度(偏移幅度x=0.45[mm])
．第2面17之傾斜角α'：75度
．入射光之容許角度△θ：1.7度
．最小出射角Amin：55度
．最大出射角Amax：73度
○第2稜鏡構件20(全反射+鏡型)
．左右方向長度L：30[mm]
．頂角ε：4.05度
．鏡面22b之反射率：90%
將於上述條件下進行模擬所得之光線追蹤結果示於圖10。圖10(a)係將光線向各稜鏡構件之入射時及出射時之菲涅耳(Fresnel)損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗排除在外而進行模擬之情形時之光線追蹤結果，圖10(b)係考慮光線向各稜鏡構件之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗而進行模擬之情形時之光線追蹤結果。
於不考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，自上方以入射角0度入射至第1稜鏡構件之太陽光係所有光線向第1稜鏡構件10之下面側出射而入射至第2稜鏡構件 20。入射至第2稜鏡構件20之光之入射角為55~73度(平均入射角為64度)。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，以入射角0度入射至第1稜鏡構件10之太陽光之光能之92.8%自第1稜鏡構件10之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。
若考慮不使用第1稜鏡構件10之情形，則於使太陽光以入射角64度直接入射至第2稜鏡構件20之情形時，入射至入射面21之太陽光之光能為垂直入射時之43.4%(參照圖3)。由此可知：藉由設置第1稜鏡構件10，而可將入射至第2稜鏡構件20之太陽光之光能提高至2倍以上(約2.1倍)。
以入射角55~73度入射至第2稜鏡構件20之光係由反射構造22及入射面21反射並聚光，而到達至設置於出射面25之光電轉換元件5。於不考慮各面中之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，自上方垂直入射至第1稜鏡構件10之太陽光之光能之98%到達至光電轉換元件5。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，垂直入射至第1稜鏡構件10之太陽光之光能之74%到達至光電轉換元件5。
若將聚光裝置1之能量聚光倍率定義為能量聚光倍率=出射光之能量密度[W/cm2]÷入射光之能量密度[W/cm2]，則本實施例中之能量聚光倍率成為形狀聚光倍率14.1×74%=10.4倍。另一方面，若計算不使用第1稜鏡構件10而使 太陽光直接入射至第2稜鏡構件20之情形時之能量聚光倍率，則於形狀聚光倍率為最大之入射角66度時為5.0倍。
如此，根據本實施例所示之聚光裝置1，可理解：藉由使用有與鏡型之第2稜鏡構件同樣為較小之頂角之第2稜鏡構件的小型之裝置構成而可使太陽光之光能以高效率聚光。
(實施例2)
其次，對在聚光裝置1中，使用下述條件之第1稜鏡構件10及第2稜鏡構件20，且使太陽光入射至第1稜鏡構件10之上面之情形時之模擬結果進行說明。
○第1稜鏡構件10
．單位光學元件之間距a×數量：3[mm]×10
．柱狀透鏡之焦點距離f：21.5[mm](收束角β=4度)
．第1面16之傾斜角α：56.5度(偏移幅度x=0.375[mm])
．第2面17之傾斜角α'：65度
．入射光之容許角度△θ：1度
．最小出射角Amin：62度
．最大出射角Amax：76度
○第2稜鏡構件20(全反射+鏡型)
．左右方向長度L：30[mm]
．頂角ε：4.05度
．鏡面22b之反射率：90%
將於上述條件下進行模擬所得之光線追蹤結果示於圖 11。圖11(a)係將光線向各稜鏡構件之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗排除在外而進行模擬之情形時之光線追蹤結果，圖11(b)係考慮光線向稜鏡之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗而進行模擬之情形時之光線追蹤結果。
於不考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，自上方垂直入射至第1稜鏡構件10之太陽光係所有光線向第1稜鏡構件10之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。入射至第2稜鏡構件20之光之入射角為62~76度(平均入射角為68度)。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，垂直入射至第1稜鏡構件10之太陽光之光能之92.4%自第1稜鏡構件10之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。
若考慮不使用第1稜鏡構件10之情形，則於使太陽光以入射角68度直接入射至第2稜鏡構件20之情形時，入射至入射面21之太陽光之光能為垂直入射時之37.5%(參照圖3)。由此可知：於本實施例中，藉由設置第1稜鏡構件10，亦可將入射至第2稜鏡構件20之太陽光之光能提高至2倍以上(約2.5倍)。
以入射角62~76度入射至第2稜鏡構件20之光係由反射構造22及入射面21反射並聚光，而到達至設置於出射面25之光電轉換元件。於不考慮各面中之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，自上方以入射角0度入射至第1稜鏡構件10之太陽 光之光能之99%到達至光電轉換元件5。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，垂直入射至第1稜鏡構件10之太陽光之光能之72%到達至光電轉換元件5。因此，整個聚光裝置中之能量聚光倍率成為形狀聚光倍率14.1×72%=10.2倍。另一方面，於不使用第1稜鏡構件10而使太陽光直接入射至第2稜鏡構件20之情形時之能量聚光倍率於形狀聚光倍率為最大之入射角66度時為5.0倍。
如此，可理解：於本實施例所示之聚光裝置1中，亦可藉由使用有與鏡型之第2稜鏡構件同樣為較小之頂角之第2稜鏡構件的小型之裝置構成，而使太陽光之光能以高效率聚光。
其次，就於聚光裝置1中，垂直入射至第1稜鏡構件10之上面之太陽光之入射角度產生有變動之情形，參照圖12對模擬其影響所得之結果進行說明。圖12(a)係表示入射至第1稜鏡構件10之太陽光之入射方向相對於垂直入射於圖1~5所示之各圖之紙面內，於左右±δ度之範圍內產生有變動之情形時(即，自垂直入射之狀態於第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向上於±δ度之範圍內產生有變動之情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。太陽光之變動方向之符號與圖5相同。圖12(b)係表示入射至第1稜鏡構件10之太陽光相對於垂直入射於圖1~圖5所示之各圖之與紙面正交之面內，於前後±ζ度之範 圍內產生有變動之情形時(即，自垂直入射之狀態於與第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向正交之面內於±ζ度之範圍內產生有變動之情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。於圖12(a)及圖12(b)中均將入射至第1稜鏡構件10之上面之太陽光之光能設為100%，且考慮入射面及出射面上之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗。
由圖12(a)可確認：於太陽光入射角之變動角δ處於實施例1之聚光裝置中之容許角度△θ=1.7度、實施例2之聚光裝置中之容許角度△θ=1度之範圍內之情形時，到達至光電轉換元件5之光能未產生較大之變化，而獲得較高之效率。可知：於實施例1之聚光裝置及實施例2之聚光裝置中均為於太陽光入射角之變動角δ超過容許角度△θ而增大之情形時，到達至光電轉換元件5之光能降低，但於變動角δ為-方向時、即太陽光向第2稜鏡構件20之出射面方向變動時急遽降低，於變動角δ為+方向、即太陽光向第2稜鏡構件20之頂點方向變動時相對平緩地降低。
另一方面，由圖12(b)可知：到達至光電轉換元件5之光能係於變動角ζ處於±30度左右之範圍內時未產生較大之變化，而可穩定地獲得較高之效率。即，可知：即使太陽光之入射方向相對於垂直入射於與第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向正交之面內相當大幅度地變動，對到達至光電轉換元件5之光能之影響亦較小。
如以上所說明般，可確認：於聚光裝置1中，於所設定之容許角度△θ之範圍內，可使太陽光之光能以較高之效率聚光。又，於聚光裝置1之第1稜鏡構件中，為重複排列複數個剖面形狀沿著一方向一致之由聚光構造及偏向構造所構成之單位光學元件的構造，且於與複數個單位光學元件之重複排列正交之面內，可放寬設定設置及追蹤時之角度誤差。
(變形例)
於以上說明中，對以入射至第1稜鏡構件10之光之入射角於-△θ度內且由柱狀透鏡12聚光之光於第1面16之下端(偏向構造15之頂部)附近聚光之方式構成之情形進行了說明(參照圖5)。然而，光於第1面16內聚光之位置並不限定於此。圖13係變更光於第1面16內聚光之位置之變形例。圖13(a)表示入射至第1稜鏡構件10之光之入射角為+△θ時之光之進路，圖13(b)表示入射至第1稜鏡構件10之光之入射角為-△θ時之光之進路。於圖示之變形例中，於入射至第1稜鏡構件10之光之入射角為容許角度即-△θ度時，以光於第1面16內聚光之位置較第1面16之下端略靠上方之方式構成。
以上說明為將第2稜鏡構件20設為全反射+鏡型之構成者，但亦可將第2稜鏡構件20設為全反射型或鏡型而構成聚光裝置。
(第2構成形態之第1稜鏡構件)
其次，參照圖14對第2構成形態之第1稜鏡構件進行 說明。圖14係用以對第2構成形態中之第1構成例之第1稜鏡構件110之構成及作用進行說明的說明圖、及將第1稜鏡構件110之一部分放大而表示之放大圖。於圖14中表示由第1稜鏡構件110中之成對之聚光構造111及偏向構造115所構成之單位光學元件。
第1稜鏡構件110係以使入射之光聚光之複數個聚光構造111、111…及與各聚光構造相對應地向背面突出之複數個偏向構造115、115…為主體而構成。
聚光構造111於由圖14中於與紙面呈直角之方向上延伸之複數個平面構成之光之入射側形成凸構造。若更詳細地進行說明，則聚光構造111係如圖14中之局部放大圖所示，表示由基於A面112a、與A面112a相接觸之B面112b、及與B面112b相接觸之C面112c之三面所構成之形態。第1稜鏡構件110之上面成為於紙面之左右方向上重複排列有複數個由該三面所構成之聚光構造111之構成。
C面112c為與光之入射方向正交之面，且於將單位光學元件之紙面之左右方向之寬度設為y時，形成為大致y/2之範圍。B面112b為相對於C面具有特定之傾斜角度之平面，與C面112c連接，且形成為大致y/4之範圍。A面112a為相對於C面具有大於B面112b之傾斜角度之平面，與C面112c連接，且形成為大致y/4之範圍。
偏向構造115具有：第1面116，其使由聚光構造111聚光之光反射；及第2面117，其使由第1面116反射而進路發生偏向之光透過；且藉由重複排列第1面116與第2 面117而構成為鋸齒狀。偏向構造115於假定有與上面(C面112c)平行之下面118時，由第1面116、第2面117、及下面118所包圍之區域之剖面呈正三角形，且形成為如構成於與紙面成直角之方向上一致之形狀之三角稜鏡。即，下面118與第1面116所成之角度即第1面之傾斜角α=60度，下面118與第2面117所成之角度即第2面之傾斜角α'=60度。
而且，第1稜鏡構件110之上面112c與下面118之間隔f'、聚光構造111中之A面112a及B面112b之傾斜角係以由聚光構造111聚光之光整體於第1面116內進行全反射之方式構成。又，以透過第2面117之光不被鄰接之偏向構造115遮蔽而入射至第2稜鏡構件之入射面21之方式構成。
於圖15中表示使光以入射角0度入射至圖14所示之第1稜鏡構件110之上面(C面112c)之情形時之作用。圖15(a)表示入射至A面112a之光線之進路，圖15(b)表示入射至B面112b之光線之進路，圖15(c)表示入射至C面112c之光線之進路。
如圖15(a)所示，入射至A面112a之光、自A面112a入射至第1稜鏡構件110之光於A面112a發生折射而朝向右斜下方行進。A面112a之傾斜角係以入射至A面112a之左端之光到達至第1面116之下端之方式構成。以入射至A面112a之右端之光到達至第1面116之上下方向之中間部之方式構成。關於B面112b亦相同，以入射至B面之 左端之光到達至第1面116之下端，入射至B面之右端之光到達至第1面116之上下方向之中間部之方式構成。入射至C面112c之光不發生折射而入射至第1稜鏡構件110且於內部行進。以入射至C面112c之左端之光到達至第1面116之下端附近，入射至C面之右端之光到達至第1面116之上端附近之方式構成。
自A面112a、B面112b、及C面112c入射而於第1稜鏡構件110之內部行進且到達至第1面116之光由第1面116全反射，透過第2面117而自第1稜鏡構件110出射。此時，以不被鄰接之偏向構造115遮蔽之方式構成。於第1稜鏡構件之出射側配置有第2稜鏡構件，且自第1稜鏡構件出射之光入射至第2稜鏡構件20之入射面21。
第2稜鏡構件20之基本構成係如已說明般。即，第2稜鏡構件20係具有入射面21、反射構造22及出射面25而構成，該入射面21使自第1稜鏡構件110出射之光入射，該反射構造22與入射面21以頂角ε交叉且使藉由第1稜鏡構件110而進路發生偏向之光反射，該出射面25使由反射構造22及入射面21反射而導向之光出射(參照圖8等)。於本構成形態之具有第1稜鏡構件110之聚光裝置2中，使用已說明之全反射+鏡型之第2稜鏡構件(參照圖9)。
於如以上所說明般而構成之聚光裝置2中，使太陽光以入射光之光能為最大之入射角0度入射至第1稜鏡構件110，且使藉由聚光構造111及偏向構造115而偏向之光入射至第2稜鏡構件20。由於第2稜鏡構件20係由全反射+ 鏡型構成，故能以較高之聚光效率使光能於出射面25聚光。即，根據此種構成之聚光裝置2，可使太陽光等光能以極高之效率聚光，從而可提高光能之利用效率。
(實施例3)
就對於聚光裝置2，使用下述條件之第1稜鏡構件110及第2稜鏡構件20，且使太陽光入射至第1稜鏡構件110之上面之情形，使用於光學技術領域中廣泛使用之光線追蹤程式進行模擬。設為如下條件：太陽光之波長及視直徑與上述相同，且太陽光之中心光軸以入射角θ=0度入射至第1稜鏡構件110之上面。
○第1稜鏡構件110
．單位光學元件之間距a×數量：2[mm]×15
．上面與下面之間之距離f'：10[mm]
．A面112a之寬度及傾斜角：0.5[mm]、15度
．B面112b之寬度及傾斜角：0.5[mm]、8度
．C面112c之寬度及傾斜角：1[mm]、0度
．第1面116之傾斜角α：60度
．第2面117之傾斜角α'：60度
○第2稜鏡構件20(全反射+鏡型)
．左右方向長度L：30[mm]
．頂角ε：3.3度
．鏡面22b之反射率：90%
將於上述條件下進行模擬所得之光線追蹤結果示於圖16。圖16(a)係將光線向各稜鏡之入射時及出射時之菲涅 耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗排除在外而進行模擬之情形時之光線追蹤結果，圖16(b)係考慮光線向稜鏡之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗而進行模擬之情形時之光線追蹤結果。
於不考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，自上方以入射角0度入射至第1稜鏡構件110之太陽光之99.6%之光線向第1稜鏡構件110之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。入射至第2稜鏡構件20之光之入射角為55~73度(平均入射角為64度)。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，以入射角0度入射至第1稜鏡構件110之太陽光之光能之92%向第1稜鏡構件110之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。
若考慮不使用第1稜鏡構件110之情形，則於使太陽光以入射角64度直接入射至第2稜鏡構件20之情形時，入射至入射面21之太陽光之光能為以入射角0度入射之情形時之43.4%(參照圖3)。因此，可知：藉由設置第1稜鏡構件110，而可將入射至第2稜鏡構件20之太陽光之光能提高至2倍以上(約2.1倍)。
以入射角55~73度入射至第2稜鏡構件20之光係由反射構造22及入射面21反射並聚光，而到達至設置於出射面25之光電轉換元件5。於不考慮各面中之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，自上方以入射角0度入射至第1稜鏡構件110之太陽光之光能之98%到達至光電轉換元件5。於考慮入射時 及出射時之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，垂直入射至第1稜鏡構件110之太陽光之光能之73%到達至光電轉換元件5。因此，本實施例中之整個聚光裝置中之能量聚光倍率成為形狀聚光倍率17.3×73%=12.6倍。另一方面，於不使用第1稜鏡構件110而使太陽光直接入射至第2稜鏡構件20之情形時之能量聚光倍率於形狀聚光倍率為最大之入射角69度時為5.2倍。
如此，可理解：於本實施例所示之聚光裝置2中，亦可藉由使用有與鏡型之第2稜鏡構件同樣為較小之頂角之第2稜鏡構件的小型之裝置構成，而使太陽光之光能以高效率聚光。
將對於實施例3之聚光裝置2中，垂直入射至第1稜鏡構件110之上面之太陽光之入射角度產生有變動之情形時，到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況進行模擬所得之結果示於圖17。圖17(a)係表示入射至第1稜鏡構件110之太陽光之入射方向於圖14~16所示之各圖之紙面內，於左右±δ度之範圍內產生有變動之情形時(即，自垂直入射之狀態於第1稜鏡構件之複數個單位光學元件之重複排列方向上在±δ度之範圍內產生有變動之情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。太陽光入射角之變動方向之符號係與圖5相同。圖17(b)係表示入射至第1稜鏡構件110之太陽光相對於垂直入射於圖14~16所示之各圖之與紙面正交之面內，於前後±ζ度之範圍內產生有變動 之情形時(即，自垂直入射之狀態於與第1稜鏡構件之複數個單位光學元件之重複排列方向正交之面內於±ζ度之範圍內產生有變動之情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。於圖17(a)及圖17(b)中均將入射至第1稜鏡構件110之上面之太陽光之光能設為100%，且考慮入射面及出射面上之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗。
由圖17(a)可知：於入射至第1稜鏡構件110之太陽光之入射角度於複數個單位光學元件之重複排列方向上產生有變動之情形時，到達至光電轉換元件5之光能急遽地下降，此時，與於變動角δ為-方向時、即於太陽光之入射角度向第2稜鏡構件20之出射面方向變動時相比，於變動角δ為+方向、即於太陽光之入射角度向第2稜鏡構件20之頂點方向變動時，稍微平穩地下降。另一方面，由圖17(b)可知：於入射至第1稜鏡構件110之太陽光於與複數個單位光學元件之重複排列方向正交之面內變動±ζ度之情形時，到達至光電轉換元件5之光能係於變動角ζ處於±30度左右之範圍內時未產生較大之變化，可於相當廣之角度範圍內獲得較高之效率。
如以上所說明般，可確認：於聚光裝置2中，藉由使太陽光以入射角0度入射而可使太陽光之光能以高效率聚光。又，由於聚光裝置2係重複排列有複數個剖面形狀沿著一方向一致之由聚光構造及偏向構造所構成之單位光學 元件的構造，故對於與複數個單位光學元件之重複排列方向成直角之方向，可放寬設定設置及追蹤時之角度誤差。
其次，參照圖18對第2構成形態中之第2構成例之第1稜鏡構件210進行說明。圖18係用以對第2構成例之第1稜鏡構件210之構成及作用進行說明的說明圖、及將第1稜鏡構件210之一部分放大而表示之放大圖。於圖18中表示由第1稜鏡構件中之成對之聚光構造211及偏向構造215所構成之單位光學元件，並且表示將聚光構造211及偏向構造215之局部放大之局部放大圖、及入射至單位光學元件之光線之進路。
第1稜鏡構件210係以使入射之光聚光之複數個聚光構造211、211…、及與各聚光構造相對應地向背面突出之複數個偏向構造215、215…為主體而構成。
聚光構造211形成由圖18中於與紙面成直角之方向上延伸之複數個平面所構成之凸構造。若更詳細地進行說明，則聚光構造211係如圖18中之局部放大圖所示，表示由基於A面212a、與A面212a相接觸之B面212b、與B面212b相接觸之C面212c、及與C面212c相接觸之D面212d之四面所構成之形態。成為於紙面之左右方向上重複排列有複數個由該四面所構成之聚光構造211之構成。再者，於聚光構造之放大圖中，於右端側繪製A面212a，此係根據與偏向構造之位置上之關聯而以此方式繪製。
D面212d係相對於光之入射方向成直角之面，且於將單位光學元件之左右方向之寬度設為y時，形成為大致y/4 之範圍。C面212c係相對於D面具有特定之傾斜角度之平面，與D面212d連接，且形成為大致y/4之範圍。B面212b係相對於D面具有大於C面212c之傾斜角度之平面，與C面212c連接，且形成為大致y/4之範圍。A面212a係相對於D面具有較B面212b更大之傾斜角度之平面，連接於B面212b，且形成為大致y/4之範圍。
偏向構造215具有：第1面216，其使由聚光構造211聚光之光反射；及第2面217，其使由第1面216反射而進路發生偏向之光透過；且藉由重複排列第1面216與第2面217而構成為鋸齒狀。偏向構造215係於假定有與上面(C面212d)平行之下面218時，以由第1面216、第2面217、及下面218所包圍之區域之剖面呈三角形，且形成為如於與紙面成直角之方向上構成一致之形狀之三角稜鏡。即，下面218與第1面216所成之角度即第1面之傾斜角為α=60度，下面218與第2面217所成之角度即第2面之傾斜角為α'=60度。
第1稜鏡構件210之上面212d與下面218之間隔f'、聚光構造211中之A面212a、B面212b及C面212c之傾斜角、第1面216之傾斜角α、第2面217之傾斜角α'等係以如下方式構成：由聚光構造211聚光之光整體於第1面216內進行全反射，且透過第2面217而出射之光不會被鄰接之偏向構造215遮蔽而入射至第2稜鏡構件之入射面21。
具體而言，入射至A面212a~C面212c之光於各面發 生折射而入射至稜鏡內，且以與各面之傾斜角相對應之斜率朝向第1面216行進。A面212a之傾斜角係以入射至A面之左端之光到達至第1面216之下端附近之方式設定。此時，以入射至A面之右端之光到達至第1面216之上下中間部之方式構成。關於B面212b、C面212c亦相同，以入射至各面之左端之光到達至第1面216之下端附近，入射至各面之右端之光到達至第1面216之上下中間部之方式構成。以如下方式構成：入射至D面212d之光不發生折射便於第1稜鏡構件內向鉛垂下方行進，且入射至D面之左端之光到達至第1面216之下端，入射至D面之右端之光到達至第1面216之上下中間部。
如上述所說明般，自A面212a~D面212d之各面入射且於稜鏡內行進而到達至第1面216之光由第1面216全反射，且透過第2面217，不被鄰接之偏向構造215遮蔽而入射至第2稜鏡構件20之入射面21。
第2稜鏡構件20之基本構成係如已說明般。即，第2稜鏡構件20係具有入射面21、反射構造面22及出射面25而構成，該入射面21使自第1稜鏡構件210出射之光入射，該反射構造面22與入射面21以頂角ε交叉且使藉由第1稜鏡構件210而進路發生偏向之光反射，該出射面25使由反射構造面22及入射面21反射而導向之光出射(參照圖8等)。於本構成形態之具有第1稜鏡構件210之聚光裝置2'中，使用已說明之全反射+鏡型之第2稜鏡構件(參照圖9)。
於如以上所說明般而構成之聚光裝置2'中，使太陽光以入射光之光能為最大之入射角0度入射至第1稜鏡構件210，且使藉由聚光構造211及偏向構造215而偏向之光入射至第2稜鏡構件20。由於第2稜鏡構件20係由全反射+鏡型構成，故能以較高之聚光效率使光能於出射面25聚光。即，根據此種構成之聚光裝置2'，可使太陽光等光能以極高之效率聚光，從而可提高光能之利用效率。
(實施例4)
就對於聚光裝置2，使用下述條件之第1稜鏡構件210及第2稜鏡構件20，且使太陽光入射至第1稜鏡構件210之上面之情形，使用於光學技術領域中廣泛使用之光線追蹤程式進行模擬。設為如下條件：太陽光之波長及視直徑與上述相同，且太陽光之中心光軸以入射角θ=0度入射至第1稜鏡構件210之上面。
○第1稜鏡構件210
．單位光學元件之間距a×數量：1[mm]×30
．上面與下面之間之距離f'：15[mm]
．A面212a之寬度及傾斜角：0.25[mm]、8.1度
．B面212b之寬度及傾斜角：0.24[mm]、5.4度
．C面212c之寬度及傾斜角：0.25[mm]、2.8度
．D面212d之寬度及傾斜角：0.26[mm]、0度
．第1面216之傾斜角α：54度
．第2面217之傾斜角α'：74.8度
○第2稜鏡構件20(全反射+鏡型)
．左右方向長度L：30[mm]
．頂角ε：2.6度
．鏡面22b之反射率：90%
將於上述條件下進行模擬所得之光線追蹤結果示於圖19。圖19(a)係將光線向各稜鏡之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗排除在外而進行模擬之情形時之光線追蹤結果，圖19(b)係考慮光線向稜鏡之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收所導致之損耗而進行模擬之情形時之光線追蹤結果。
於不考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，自上方以入射角0度入射至第1稜鏡構件210之太陽光之98%之光線向第1稜鏡構件210之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。入射至第2稜鏡構件20之光之入射角為69~76度(平均入射角為71度)。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗之情形時，以入射角0度入射至第1稜鏡構件210之太陽光之光能之91%向第1稜鏡構件210之下面側出射而入射至第2稜鏡構件20。
若考慮不使用第1稜鏡構件210之情形，則於使太陽光以入射角71度直接入射至第2稜鏡構件20之情形時，入射至入射面21之太陽光之光能為以入射角0度入射時之33%(參照圖3)。因此，可知：藉由設置第1稜鏡構件210，可將入射至第2稜鏡構件20之太陽光之光能提高至2倍以上(約2.8倍)。
以入射角69~76度入射至第2稜鏡構件20之光由反 射構造22及入射面21反射並聚光，而到達至設置於出射面25之光電轉換元件5。於不考慮各面中之入射時及出射時之菲涅耳損耗、以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，自上方垂直入射至第1稜鏡構件210之太陽光之光能之96%到達至光電轉換元件5。於考慮入射時及出射時之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗之情形時，垂直入射至第1稜鏡構件210之太陽光之光能之69%到達至光電轉換元件5。因此，本實施例中之整個聚光裝置中之能量聚光倍率成為形狀聚光倍率22.0×69%=15.2倍。另一方面，於不使用第1稜鏡構件210而使太陽光直接入射至第2稜鏡構件20之情形時之能量聚光倍率於形狀聚光倍率為最大之入射角66度時為5.8倍。
如此，可理解：於本實施例所示之聚光裝置2'中，亦可藉由使用有與鏡型之第2稜鏡構件同樣為較小之頂角之第2稜鏡構件的小型之裝置構成，而使太陽光之光能以高效率聚光。
將對於實施例4之聚光裝置2'中，於垂直入射至第1稜鏡構件210之上面之太陽光之入射角度產生有變動之情形時，到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況進行模擬所得之結果示於圖20。圖20(a)係表示入射至第1稜鏡構件210之太陽光之入射方向於圖18及19所示之各圖之紙面內，於左右±δ度之範圍內產生有變動之情形時(即，自垂直入射之狀態於第1稜鏡構件之複數個單位光學元件之重複排列方向上在±δ度之範圍內產生有變動之 情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。太陽光入射角之變動方向之符號係與圖5相同。圖20(b)係表示入射至第1稜鏡構件210之太陽光之入射方向於圖18及19所示之各圖之與紙面正交之面內於前後±ζ度之範圍內傾斜之情形時(即，自垂直入射之狀態於與第1稜鏡構件之複數個單位光學元件之重複排列方向正交之面內於±ζ度之範圍內產生有變動之情形時)，對於到達至光電轉換元件5之光能如何變化之情況，模擬光能之到達比例所得之結果的圖表。於圖20(a)及圖20(b)中均將入射至第1稜鏡構件210之上面之太陽光之光能設為100%，且考慮入射面及出射面上之菲涅耳損耗以及因鏡面上之吸收而導致之損耗。
由圖20(a)可知：於入射至第1稜鏡構件210之太陽光於複數個單位光學元件之重複排列方向上產生有變動之情形時，到達至光電轉換元件5之光能急遽地下降，且降低之程度於變動角δ為+方向時與-方向時大致相同。另一方面，由圖20(b)可知：於入射至第1稜鏡構件210之太陽光之入射角於與複數個單位光學元件之重複排列方向正交之面內傾斜了±ζ度之情形時，到達至光電轉換元件5之光能係於變動角ζ處於±20度左右之範圍內時未產生較大之變化，而可於相當廣之角度範圍內獲得較高之效率。
如上述所說明般，可確認：於實施例4之聚光裝置2'中，亦可藉由使太陽光以入射角0度入射而使太陽光之光 能以高效率聚光。又，由於聚光裝置2'為重複排列有複數個剖面形狀沿著一方向一致之由聚光構造及偏向構造所構成之單位光學元件的構造，故對於與複數個單位光學元件之重複排列方向成直角之方向，可放寬設定設置及追蹤時之角度誤差。
以上，例示了將第2稜鏡構件20設為全反射+鏡型之構成，但亦可將第2稜鏡構件20設為全反射型或鏡型而構成聚光裝置。
(第3構成形態之第1稜鏡構件及第2稜鏡構件)
其次，參照圖23對第3構成形態之第1稜鏡構件310及第2稜鏡構件320之偏向構造進行說明。圖23係用以對第3構成形態之第1稜鏡構件310及第2稜鏡構件320之構成及作用進行說明的說明圖。
第1稜鏡構件310之聚光構造311與圖5所示之聚光構造11相同。與複數個聚光構造311相對應地於光之出射面側設置有複數個偏向構造315。由對向之一對聚光構造311與偏向構造315構成單位光學元件。偏向構造315具有：第1面316，其反射由聚光構造311聚光之光；第2面317，其使由第1面反射而進路發生偏向之光透過；及第3面318，其連接第1面316與第2面317；且藉由第1面、第2面、及第3面之重複構造而構成為鋸齒狀。
第2稜鏡構件320具有：入射面321，其係與第1稜鏡構件310之出射側對向設置；反射構造322，其與入射面321呈銳角交叉；及出射面325，其使由反射構造322及入 射面321反射而導向側方之光出射。入射面321係由導光面3211、反射面3212及連接面3213構成，該導光面3211使自第1稜鏡構件310出射之光入射而導向反射構造322，該反射面3212使由反射構造322反射之光朝向上述第2稜鏡構件320之內部全反射，該連接面3213連接導光面3211與反射面3212。較佳為使反射面3212與反射構造322平行。藉此，可於反射面3212與反射構造322之間確實地實現全反射。
於聚光裝置3中，第2稜鏡構件320之導光面3211較佳為以與第1稜鏡構件310之第2面317平行之方式設定，且較佳為於導光面3211、第1稜鏡構件310之第2面317及第2稜鏡構件320之間，配置與第1稜鏡構件310及第2稜鏡構件之折射率為相同之折射率、或折射率接近於該等之折射率的接合部319。藉此，可抑制第1稜鏡構件之第2面317與第2稜鏡構件320之導光面3211中之反射，從而可實現更高之聚光效率。作為接合劑，可使用香膠(balsam)或紫外線硬化樹脂。
於聚光裝置3中，第1稜鏡構件310之第3面318與第2稜鏡構件320之反射面3212之間之介質之折射率必需小於第1稜鏡構件310及第2稜鏡構件之折射率中之任一者。此係由於必需於第1稜鏡構件310之第3面318與第2稜鏡構件320之反射面3212之間進行全反射。介質較佳為空氣，但根據情況亦可插入低折射率之材料。
入射至第1稜鏡構件310之光由聚光構造311聚光， 而到達至第1面316。由第1面316全反射之光自第2面317出射，並自第2稜鏡構件320之導光面3211入射至第2稜鏡構件320，且於第2稜鏡構件320之內部行進。到達至反射構造322之光被反射，且由反射面3212全反射，一面重複該動作一面最終於出射面325聚光。根據第3構成形態之具備第1稜鏡構件310及第2稜鏡構件320之聚光裝置3，可使太陽光等光能以極高之效率聚光，從而可提高光能之利用效率。
第2稜鏡構件320之反射構造322既可為全反射+鏡型，或者亦可為全反射型。
(自聚光裝置之光能之提取方法)
上述說明係對在第2稜鏡構件20之出射面25設置光電轉換元件5，且使由聚光裝置1、2、2'聚光後之光入射至光電轉換元件5而進行光電轉換，藉此作為電能提取之光電轉換裝置PVS進行了說明。本揭示之聚光裝置亦能應用於其他能量提取方法、或利用方法。以下，對於將聚光裝置1、2、2'用於其他能量提取方法之若干情形，一面參照例示其等之概念之圖21(a)~(e)一面進行說明。
圖21(a)係自出射面25提取於第2稜鏡構件20之端部聚光之光並直接用作光之應用例的概念圖。於該情形時，例示如下構成：使自第2稜鏡構件20之出射面25出射之光經由柱狀透鏡81或聚光柱82等而進一步聚光，並藉由光纖83將經聚光之光導向所期望之位置。
圖21(b)係將於第2稜鏡構件20之出射面25聚光之 光轉換成電能或熱能而利用之情形時之第1構成例(於圖14、15中亦有該慣稱)的概念圖。圖21(b)表示使光電轉換元件5與第2稜鏡構件20之出射面25結合而作為電能提取之構成例。再者，於設為將經聚光之光作為熱能而提取之光熱轉換裝置之情形時，作為將經聚光之光光熱轉換成熱能之光熱轉換元件，較佳地使用附有光吸收體之熱管等。
圖21(c)係將於第2稜鏡構件20之出射面25聚光之光轉換成電能或熱能而利用之情形時之第2應用例的概念圖。本應用例係將傾斜地切割第2稜鏡構件20之端部所得之面設為出射面25，且於出射面25上配設鏡84(或於出射面25形成反射膜)，從而於設置於第2稜鏡構件20之上面側(或下面側)之光電轉換元件5聚光之應用例。藉此，即使於第2稜鏡構件20之厚度方向之尺寸較小之情形時，亦可安裝相對較大之面積之光電轉換元件5。再者，於將經聚光之光作為熱能而提取之情形時，較佳地使用附有光吸收體之熱管等。
圖21(d)係將於第2稜鏡構件20之出射面25聚光之光轉換成電能或熱能而利用之情形時之第3應用例的概念圖。本應用例係將傾斜地切割第2稜鏡構件20之端部所得之面設為出射面25，且於出射面25上配設雙向色鏡(dichroic mirror)85(或於出射面25形成具有波長選擇性之反射膜)，從而分割為設置於第2稜鏡構件20之上面側(或下面側)、與第2稜鏡構件20之側方的光電轉換元件 5、5'而聚光之應用例。根據此種構成，由於可對經分割之各波長頻帶使用高效率之光電轉換元件，故能以相對低成本構成轉換效率較高之光發電裝置。
再者，如下之構成亦為較佳之應用例：使所分割之光中之一者(例如紅外線區域之光)入射至附有光吸收體之熱管等而作為熱能加以利用，使另一者(例如可見光區域及紫外線區域之光)入射至光電轉換元件5而作為電能加以利用。
圖21(e)係使於第2稜鏡構件20之出射面25聚光之光進而於厚度方向上聚光而提取之應用例的概念圖。本構成之第2稜鏡構件20係形成為於出射面25之附近區域厚度逐漸變薄之抛物面(parabolic)狀，且於第2稜鏡構件之內部向出射面25之方向行進之光由上方之曲面或下方之曲面全反射而於厚度方向上聚光。藉此，例如，於如直接利用經聚光之光之情形時，不使用如(a)所示之柱狀透鏡等便可構成，又，於入射至光電轉換元件5或熱管之情形時，能以簡單之構成提高入射光之功率密度(能量聚光倍率)。
如以上所說明般，於例示本發明之態樣之聚光裝置1、2、2'中，設置有具有使入射至第2稜鏡構件20之光聚光之聚光構造11、111、211及使經聚光之光偏向而出射之偏向構造15、115、215的第1稜鏡構件10、110、210。而且，以自第1稜鏡構件出射之光不被鄰接之偏向構造遮蔽而入射至第2稜鏡構件20之入射面之方式構成。因此，根據該等態樣之聚光裝置，可使太陽光等光能有效率地聚光，從 而可提供一種提高光能之利用效率之聚光裝置。
又，具備此種聚光裝置1、2、2'之光發電裝置或光熱轉換裝置由於聚光裝置之上下方向之厚度較薄且小型輕量，且光能之能量聚光效率較高，故可提供一種小型且能量轉換效率較高之光發電裝置、光熱轉換裝置。
再者，於使太陽光於聚光裝置1、2、2'中聚光之情形時，亦可以使太陽光之光譜中之至少特定波長範圍之光聚光之方式構成聚光裝置。波長範圍可根據光電轉換元件5之分光感度特性或光熱轉換元件之吸收特性而決定。又，亦可以至少使光電轉換效率為最大之波長之光聚光之方式構成聚光裝置。作為由聚光裝置聚光之光之具體波長範圍，例如，既可為350~1800 nm，亦可如實施例中所例示般為350 nm~1100 nm。使前者之波長範圍之光聚光之聚光裝置可較佳地應用於使用多接合型之光電轉換元件之情形，使後者之波長範圍之光聚光之聚光裝置可較佳地應用於使用結晶矽之光電轉換元件之情形。
以下之基於優先權之申請案之揭示內容係作為引用文而併入本文中。
日本專利申請案2011年第230125號(2011年10月19日)
1、2、2'、3、9‧‧‧聚光裝置
5、5'‧‧‧光電轉換元件
10、110、210、310‧‧‧第1稜鏡構件
11、111、211、311‧‧‧聚光構造
12、81‧‧‧柱狀透鏡
15、115、215、315‧‧‧偏向構造
16、116、216、316‧‧‧第1面
17、117、217、317‧‧‧第2面
18、118、218‧‧‧下面
20、320‧‧‧第2稜鏡構件
21、91、321‧‧‧入射面
22、322‧‧‧反射構造
22a‧‧‧平面
22b‧‧‧鏡面
23‧‧‧空氣層
24‧‧‧反射構件
25、95、325‧‧‧出射面
26‧‧‧稜鏡本體
80、90‧‧‧稜鏡構件
82‧‧‧聚光柱
83‧‧‧光纖
84‧‧‧鏡
85‧‧‧雙向色鏡
86、87‧‧‧三角稜鏡之面
92‧‧‧底面
112a、212a‧‧‧A面
112b、212b‧‧‧B面
112c、212c‧‧‧C面
212d‧‧‧D面
318‧‧‧第3面
319‧‧‧接合部
3211‧‧‧導光面
3212‧‧‧反射面
3213‧‧‧連接面
PVS‧‧‧光發電裝置
F‧‧‧柱狀透鏡之焦點距離
f'‧‧‧上面與下面之間之距離
L‧‧‧長度
θ、θa、θb、θ3‧‧‧入射角
θ2‧‧‧入射角(折射角)
θ21‧‧‧入射角(出射角)
△θ‧‧‧傾斜角度
θ1‧‧‧折射角
ε‧‧‧頂角
H‧‧‧高度
α、α'‧‧‧傾斜角
β‧‧‧收束角
γ‧‧‧最大出射角之光與下面所成之角度
Amax‧‧‧最大出射角
Amin‧‧‧最小出射角
Actr‧‧‧出射角之中央值
Y‧‧‧單位光學元件之紙面之左右方向之寬度
圖1係例示本發明之態樣之光發電裝置之概要構成圖。
圖2(a)、(b)係用以說明於太陽光入射至第2稜鏡構件並聚光之情形時，太陽光之入射角與形狀聚光倍率之關係 的說明圖。
圖3(a)、(b)係用以說明太陽光入射至第2稜鏡構件並聚光之情形時，太陽光之入射角與入射至第2稜鏡構件之入射面之光能之關係的說明圖。
圖4係用以說明第1稜鏡構件之基本概念之說明圖。
圖5係用以對第1構成形態之第1稜鏡構件之構成及作用進行說明的說明圖。
圖6係對於第1構成形態之第1稜鏡構件，表示於將最小出射角設為54.5度之情形時之(a)容許角度與焦點距離之關係、(b)容許角度與最大出射角之關係的圖表。
圖7係對於第1構成形態之第1稜鏡構件，表示於使最小出射角於50度~80度之範圍內變化之情形時之(a)最小出射角與最大容許角之關係、(b)最小出射角與焦點距離之關係、(c)最小出射角與最大出射角之關係的圖表。
圖8係第2稜鏡構件之模式性剖面圖。
圖9係用以說明全反射+鏡型之第2稜鏡構件之作用之說明圖。
圖10係對於實施例1之聚光裝置，(a)將入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗排除在外而進行模擬之光線追蹤結果，(b)考慮入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面上之吸收損耗而進行模擬之光線追蹤結果。
圖11係對於實施例2之聚光裝置，(a)將入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗排除在外而進行模擬之光線追蹤結果，(b)考慮入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面 上之吸收損耗而進行模擬之光線追蹤結果。
圖12係對於實施例1及實施例2之聚光裝置，(a)表示模擬太陽光之入射方向於第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向上產生有變動之情形時之太陽光入射角之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表，(b)表示模擬太陽光之入射方向於與第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向正交之面內產生有變動之情形時之太陽光之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表。
圖13(a)、(b)係用以對第1構成形態中之變形例之第1稜鏡構件之構成及作用進行說明的說明圖。
圖14係用以對第2構成形態中之第1構成例之第1稜鏡構件之聚光構造及偏向構造之構成進行說明的說明圖。
圖15(a)~(c)係用以對第2構成形態中之第1構成例之第1稜鏡構件之聚光構造及偏向構造之作用進行說明的說明圖。
圖16係對於實施例3之聚光裝置，(a)將入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗排除在外而進行模擬之光線追蹤結果，(b)考慮入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗而進行模擬之光線追蹤結果。
圖17係對於實施例3之聚光裝置，(a)表示模擬太陽光之入射方向於第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向上產生有變動之情形時之太陽光之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表， (b)表示模擬太陽光之入射方向於與第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向正交之面內產生有變動之情形時之太陽光之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表。
圖18係用以對第2構成形態中之第2構成例之第1稜鏡構件之聚光構造及偏向構造之構成及作用進行說明的說明圖。
圖19係對於實施例4之聚光裝置，(a)將入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗排除在外而進行模擬之光線追蹤結果，(b)考慮入射出射時之菲涅耳損耗及鏡面內之吸收損耗而進行模擬之光線追蹤結果。
圖20係對於實施例4之聚光裝置，(a)表示模擬太陽光之入射方向於第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向上產生有變動之情形時之太陽光之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表，(b)表示模擬太陽光之入射方向於與第1稜鏡構件之單位光學元件之重複排列方向正交之面內產生有變動之情形時之太陽光之變動角與到達至光電轉換元件之光能之到達比例之關係所得之結果的圖表。
圖21(a)~(e)係例示來自聚光裝置之光能之提取方法之概念圖。
圖22係先前之聚光裝置之基本概念圖。
圖23係用以對第3構成形態中之第1稜鏡構件及第2稜鏡構件之聚光構造及偏向構造之作用進行說明的說明 圖。
1、2、2'、3‧‧‧聚光裝置
5‧‧‧光電轉換元件
10、110、210‧‧‧第1稜鏡構件
11‧‧‧聚光構造
12‧‧‧柱狀透鏡
15‧‧‧偏向構造
16‧‧‧第1面
17‧‧‧第2面
20‧‧‧第2稜鏡構件
21‧‧‧入射面
22‧‧‧反射構造
25‧‧‧出射面
PVS‧‧‧光發電裝置

Claims (13)

  1. 一種聚光裝置，其係以如下方式構成：具備第1稜鏡構件與第2稜鏡構件，該第1稜鏡構件使自表面入射之光自背面出射，該第2稜鏡構件係與該第1稜鏡構件之背面對向設置；該第1稜鏡構件具有：複數個聚光構造，其等係形成於該表面且使入射之光聚光；及複數個偏向構造，其等係與該複數個聚光構造相對應地向該背面突出且使由該聚光構造聚光之光偏向而出射；該第2稜鏡構件具有：入射面，其係與該第1稜鏡構件之背面對向設置；反射構造，其與該入射面呈銳角交叉；及出射面，其使光出射；自該第1稜鏡構件之該偏向構造偏向而出射之光係自該第2稜鏡構件之該入射面入射至該第2稜鏡構件，且於該第2稜鏡構件之內部由該反射構造及該入射面反射，藉此導向該出射面，並自該出射面出射。
  2. 如申請專利範圍第1項之聚光裝置，其中該第1稜鏡構件之該偏向構造具有：第1面，其反射由該聚光構造聚光之光；及第2面，其使由該第1面反射之光透過並自該第1稜鏡構件出射。
  3. 如申請專利範圍第2項之聚光裝置，其中該第2稜鏡構件之該入射面具有：導光面，其與該第1稜鏡構件之該偏向構造之第2面大致平行地對向且使自該第1稜鏡構件之該第2面出射之光入射；及反射面，其使由該反射構造 反射之光朝向該第2稜鏡構件之內部反射。
  4. 如申請專利範圍第3項之聚光裝置，其中於該第1稜鏡構件之該第2面與該第2稜鏡構件之導光面之間配置有接合部，該接合部具有與該第1稜鏡構件之折射率及該第2稜鏡構件之折射率大致相等之折射率。
  5. 如申請專利範圍第3項之聚光裝置，其中於該第1稜鏡構件與該第2稜鏡構件之該反射面之間配置有介質，該介質具有低於該第1稜鏡構件之折射率及該第2稜鏡構件之折射率中之任一者之折射率。
  6. 如申請專利範圍第2至5項中任一項之聚光裝置，其係以如下方式構成：由該第1稜鏡構件之該聚光構造聚光且由該第1面反射而自該第2面出射之光不被該第1稜鏡構件之鄰接之該偏向構造遮蔽而入射至該第2稜鏡構件之入射面。
  7. 如申請專利範圍第2至6項中任一項之聚光裝置，其中該第1稜鏡構件之該複數個偏向構造形成為該第1面及該第2面交替地排列之重複構造。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之聚光裝置，其中該第1稜鏡構件之該聚光構造於光之入射側為凸狀之曲面；該第1面係以使由對應之該聚光構造聚光之光整體進行全反射之方式構成。
  9. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之聚光裝置，其中該第1稜鏡構件之該聚光構造係以藉由複數個平面於光 之入射側成為凸狀之方式構成；該第1面係以使由該聚光構造聚光之光整體進行全反射之方式構成。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之聚光裝置，其係以如下方式構成：該第2稜鏡構件之該反射構造係由一個平面構成，自該第1稜鏡構件入射至該第2稜鏡構件之該入射面之光於該第2稜鏡構件之內部行進而到達至該反射構造時，藉由該反射構造而進行全反射。
  11. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之聚光裝置，其係以如下方式構成：該第2稜鏡構件之該反射構造面係由該平面、及與該平面之間介隔空氣層而對向配置之鏡面所構成，自該第1稜鏡構件入射至該第2稜鏡構件之該入射面之光於該第2稜鏡構件之內部行進而到達至該反射構造時，於透過該平面後，由該鏡面反射，並再次透過該平面而於該第2稜鏡構件之內部行進，進而，藉由該入射面而向該第2稜鏡構件之內部全反射。
  12. 一種光發電裝置，其具備：申請專利範圍第1至11項中任一項之聚光裝置；及光電轉換元件，其對導向該第2稜鏡構件之出射面之光進行光電轉換。
  13. 一種光熱轉換裝置，其具備：申請專利範圍第1至11項中任一項之聚光裝置；及光熱轉換元件，其對導向該第2稜鏡構件之出射面之光進行光熱轉換。
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