JP2012167921A - 集光装置及びその集光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュール等で、光線が極めて理想的な状況で進入可能な集光装置及びその集光方法を提供する。
【解決手段】集光装置及びその集光方法は、組み立てが簡単で、光線は比較的垂直に近い角度でレシーバー５０に入射し、光線レシーバー５０の吸收効率を拡大でき、焦(点)区１５を備えるコンデンサー１０と光線レシーバー５０を組み合わせた全反射集光器２０で、集光器２０は入光口径２２と出光口径２４を定義し、しかも集光器２０の入光口径２２はコンデンサー１０焦点区の位置に接近、或いは位置し、コンデンサー１０が受け取る光源の少なくとも一部の光線は、焦(点)区１５を通過後、そのまま前方へと集光器２０へ射出し、集光器２０の全反射光学作用を経て、光線はレシーバー５０に入射し、光線の入射角度が大きすぎ、或いは理想的でなく、光学照度が不均一で、光電変換性能に悪影響を及ぼすという従来の構造の欠点を解決することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は集光システムと集光方法に関し、特に太陽電池モジュール(photovoltaic module)或いは太陽エネルギー転換メカニズムに応用される集光システムの組み立て構造の複合設計で、これにより光線は集光装置に極めて理想的な状況で進入可能な集光装置及びその集光方法に関する。

光学レンズ(Fresnel lensなど)と太陽電池モジュール或いはチップを組合せ、入射光を大量に収集する集光システム或いは集光モジュールは、従来の技術である。
従来の集光システムは、光学レンズ或いは一次光学部品(別名、コンデンサー)、二次光学部品、光学カバー、底板等部分(或いは、枠フレームを用い底板と光学カバーとの間に設置)を備え、上記したコンポーネントを固定して組合せる形態である。
例として、特許文献１の「SHIELD FOR SOLAR RADIATION COLLECTOR」、及び特許文献２の「PHOTOVOLTAIC CONCENTRATING APPARATUS」があり、典型的な実施例を開示している。

当該技術の習熟者は熟知のように、もし太陽光線の入射或いは光線ルートが、チップ(或いは電池モジュール)の中心区域に当たるなら、チップの局部区域は熱応力集中の状況を生じ、チップの使用寿命を縮め、光電変換性能に悪影響を及ぼしてしまう。
そのため、従来の集光構造設計では、比較的大きい許容角度と均光効果を持たせることで、上記した問題を解決している。
例えば、特許文献３の「NONIMAGING LIGHT CONCENTRATOR WITH UNIFORM IRRADIANCE」では、これに関する実施例を開示している。

上記した許容角度とは、以下の通りである。
誤差のない理想的な状況下では、太陽光線は集光システムに100％入射する。
しかし、外的要因により入射光角度は偏差を生じる。
集光効率が90％に達する時、該入射角度偏差を、許容角度と定義する。

集光装置の応用面における課題は、比較的大きい許容角度と均光効果を獲得すると、通常は光線がレシーバー或いは電池モジュール(或いはチップ)に入射する角度が拡大し、光線レシーバーの集光効率に損失を生じてしまうことである。
例えば、TIRにより組成される集光装置は、高集光倍率と超短焦点設計を達成することができるが、もし光線レシーバーが入射光を高効率で吸收可能という条件において、大部分の光が、TIR集光装置のレシーバー(或いはチップ)に大角度で入射するなら、レシーバーの光電効率を高めることはできない。
もちろん、この種の状況は我々が望むものではなく、同様に、カセグレイン(Cassegrain)、RXI短焦点式集光装置にも、同じ状況が存在する。

これら参考資料は、光源と光学コンポーネント或いは集光システムの対応に関する応用技術を示している。
また、これら光学コンポーネント或いは集光装置設計の、ある応用状況において存在する問題をも反映している。
もし、集光モジュールの組織構造を新たに設計し、その構造を従来とは違うものとできれば、その使用形態を変えることができ、実質的にその応用範囲を拡大することができる。

よって、その構造においては、以下の課題を考慮しなければならない。
製造と組み立てにおいては、集光装置組み立ての難度を低下させ、製造コストを圧縮し、しかも集光部品と光線レシーバーの精度を上げ、集光装置の転換性能と発電効率の安定性をさらに高め、光学照度が不均一なため光電変換性能に悪影響を及ぼす等の従来の構造における望ましくない状況を改善する。
従来の技術では、光線がレシーバー(或いはチップ)に入射する均一度(すなわち、均光効果)、或いは許容角度拡大に対する改良設計は提出されているが、光線がレシーバー(或いはチップ)に入射する際の角度の課題については議論されていない。

例えば、特許文献１ 、特許文献３中では、上の幅が広く、下の幅が狭い形態を呈するホモジナイザー(別名、集光器)を提供し、集光システムの許容角度を拡大している。
しかし、上記したように、上の幅が広く、下の幅が狭いこのタイプのホモジナイザーを通過した光線は、通常はレシーバー或いは電池モジュール(或いはチップ)に入射する角度を拡大してしまい、光線レシーバーの光電変換効率に損失を与える。
よって、本発明の集光装置設計において、光線がレシーバー(或いはチップ)に入射する角度には、特別に配慮する必要がある。

図１は、光線入射角度とレシーバー(或いはチップ)がレスポンスする様子を示す模式図である。
図１に示すように、光線が角度０°でチップに入射(或いは垂直入射と定義)する時、チップの効率レスポンスは１００％に達する。
光線入射チップの角度が３０°を超過する時、チップの効率レスポンスは、８７％以下である。
つまり、光線がチップに入射する角度を、３０°以下の範囲内にできるだけ保持しなければ、チップの効率損失を低下させる(或いは、チップの吸收効率と光電変換性能を高める)ことはできない。

上記したように、「チップの効率損失」低下を達成するためには、従来の一次光学部品と二次光学部品の構造及び組合せと関連する設計は、新たに配置し、及び創造的な設計がなされなければならない。
そして、いかにして配置し設計すれば、チップへ入射する光線角度を３０°以下の範囲に保持し、入射光線(或いはチップに入射する太陽光線)の損失を最小にまで圧縮することができるかは、上記した先行技術文献中では教示或いは具体的な開示はなされていない。
本発明は、従来の集光装置及びその集光方法の上記した欠点に鑑みてなされたものである。

米国特許第７４７３０００ Ｂ２ 米国特許第２００９／０３２０９２３ 米国特許第６５４１６９４ Ｂ２

本発明が解決しようとする課題は、組み立てが簡単で、光線は比較的垂直に近い角度でレシーバーに入射し、光線レシーバーの吸收効率と照度の均一性を高めることができ、焦(点)区を備えるコンデンサーと光線レシーバーを組み合わせた全反射集光器を備え、集光器は入光口径と出光口径を定義し、集光器の入光口径はコンデンサー焦点区の位置に接近、或いは位置し、コンデンサーが受け取る光源の少なくとも一部の光線は焦(点)区を通過後、そのまま前方へと集光器へ射出し、集光器の全反射光学作用を経て光線はレシーバーに入射するため、光線の入射角度が大きすぎ、或いは理想的でなく、光学照度が不均一で、光電変換性能に悪影響を及ぼしていた従来の構造の欠点を改善することができる集光装置及びその集光方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は下記の集光装置及びその集光方法を提供する。
集光装置の集光器は、参考軸を基準とし、(円)錐状輪郭(断面)の形態を形成し、
該集光器の入光口径は、コンデンサー焦点区の位置或いは範囲に接近、或いは位置し、
レシーバーは、集光器出光口径の位置に設置するため、該コンデンサーが受け取る光源の少なくとも一部の光線は、焦(点)区を通過し、そのまま前方へと集光器へ射出された後、該集光器の全反射光学作用を経て、該光線がレシーバーに入射する角度は、垂直に近く(或いは、30°以下)にできる限り保持され、
集光装置の集光器は、基部上に設置し、該基部には、開口を形成し、該集光器を組合せ、該基部開口は、コンデンサー焦点区の位置上に接近、或いは位置し、
該基部の開口は、参考軸を参考方向とし、上区と下区を定義し、
しかも、上区がより広く、下区がより狭い輪郭(断面)形態を形成し、
よって、該コンデンサー焦点区は、基部開口上区の位置に接近、或いは位置し、これにより、該集光器の(入光)口径は、該基部開口上区の位置に位置し、
該参考軸を参考方向とし、該基部は、コンデンサーの底部に形成することもでき、しかも該基部(或いは底部)開口は、錐状輪郭(或いは台形断面)の形態を呈し、該上区の内径は、該下区の内径より大きく、該下区の内径は、該集光器出光口径の外径にほぼ等しく、
よって、該集光器の構造形態は、操作者が該コンデンサー開口の下区に直接位置を合わせ、同時に、垂直方向に位置を合わせ、及び左、右(或いは中心)方向に位置を合わせるのに特に適しており、これにより該集光器は、該コンデンサーの底部(或いは基部)上に簡単に組み合わされ、
好ましくは、該底部開口或いは基部開口は、(内)表面を含む。しかも該表面には、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成し、
本発明の集光装置において、該底部開口或いは該基部開口の下区内径は、該レシーバーの外径にほぼ等しく、或いは該レシーバーの対角線長さにほぼ等しい。
本発明集光装置の集光方法において、光線の光学設計は、以下を含む。
(ａ)該コンデンサーは、光源の少なくとも一部分の光(線)を受け取り、光(線)は該焦(点)区を通過後、そのまま前方へと集光器上へ射出し、第一次アウトプット光を形成し、
(ｂ)該第一次アウトプット光は集光器に到達後、該集光器の全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、第二次アウトプット光は、該集光器の出光口径に到達後、(光線)レシーバーに入射する。
本発明集光装置の集光方法の別種の集光方法において、光線の光学設計は、以下を含む。
(ａ)コンデンサーは、光源の少なくとも一部分の光(線)を受け取り、光(線)は焦(点)区か
ら離れた後、そのまま前方へと基部(或いは底部)開口の表面まで射出し、
(ｂ)上記した光線は、該基部(或いは底部)開口の表面を経て反射されて出光し、第一次アウトプット光を形成し、
(ｃ)該第一次アウトプット光は集光器に到達後、該集光器の屈折及び／或いは(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、該第二次アウトプット光は、集光器の出光口径に到達後、(光線)レシーバーに入射する。

本発明の集光装置及びその集光方法において、集光装置は、組み立てが簡単で、光線は比較的垂直に近い角度でレシーバーに入射し、光線レシーバーの吸收効率と照度の均一性を高めることができ、焦(点)区を備えるコンデンサーと光線レシーバーを組み合わせた全反射集光器を備え、集光器は入光口径と出光口径を定義し、集光器の入光口径はコンデンサー焦点区の位置に接近、或いは位置し、コンデンサーが受け取る光源の少なくとも一部の光線は焦(点)区を通過後、そのまま前方へと集光器へ射出し、集光器の全反射光学作用を経て光線はレシーバーに入射する。
そのため本発明は、光線の入射角度が大きすぎ、或いは理想的でなく、光学照度が不均一で、光電変換性能に悪影響を及ぼしていた従来の構造の欠点を改善することができる。

光線入射角度とレシーバーがレスポンスする様子を示す模式図である。 本発明コンデンサーと集光器の構造模式図である。 本発明コンデンサー、集光器と基部の構造組合せ模式図である。 本発明のコンデンサーにおいて、全反射式フォーカス光学部品を選択する構造の組合せ模式図である。 光線が、コンデンサーと集光器の一、二次光学作用を経た後の照度分布模式図である。 光線が、コンデンサーと集光器の一、二次光学作用を経た後の光強度分布模式図である。 本発明コンデンサーと集光器の構造分解模式図である。 本発明コンデンサーと集光器の構造組合せ透視模式図である。 集光器上部が湾曲面形態を形成する状況を仮想線部分が示す図８の構造断面模式図である。 図９の局部構造拡大模式図である。 光線がコンデンサーの一次光学と集光器の二次光学を経る状況を示す本発明集光装置が光線の進行を導引する様子を示す模式図である。 図１１の局部構造拡大模式図である。 本発明集光装置の集光方法のブロックチャートである。 光線が偏角を生じ集光装置に入射する様子を示す光線ルートの模式図である。 図１４の局部構造拡大模式図である。 本発明集光装置の別種の集光方法のブロックチャートである。 本発明集光装置のさらに別種の集光方法のブロックチャートである。

以下に図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図２に示すように、本発明の集光装置は、コンデンサー１０と集光器２０の組合せを備える。
コンデンサー１０は、一次光学部品とも定義され、焦(点)区１５を備える。
よって、コンデンサー１０は、光源の少なくとも一部分の光線を受け取った後、それらに焦(点)区１５を通過させ、そのまま前方へと集光器２０に射出させる。
しかも、集光器２０の全反射光学作用或いはプロセスを経て、光線は(光線)レシーバー５０に入射する。

図２に示すように、集光器２０は「全反射」の光学設計で、二次光学部品とも定義される。
本実施例中では、参考軸χを基準とし、幾何形輪郭の光透過実心体の形態を形成する。
図中に示す集光器２０は、(円)錐状輪郭(断面)の形態を形成する。
錐状輪郭の形態は、断面上の曲線は曲率が０の傾斜直線である。
集光器２０は、入光口径２２と出光口径２４を定義する。
しかも、これにより集光器２０の入光口径２２は、コンデンサー焦点区１５の位置或いは範囲に接近、或いは位置する。
レシーバー５０は、集光器出光口径２４の位置に設置し、詳しくいえば、レシーバー５０は、セラミック、銅或いはそれに類似の材料により製造する基板６０上に配置する(図２参照)。
実務上は、レシーバー５０と基板６０との間には、スズペーストを塗布して固定する。
しかも、集光器２０は、レシーバー５０を直接覆い、或いはレシーバー５０上に封入される。

図２の断面に示すように、集光器入光口径２２の幅(或いは直径)は、出光口径２４の幅(或いは直径)より小さい。
すなわち、集光器２０は、上部が狭く、下部が広い幾何形輪郭形態を形成する。
集光器２０は、上部が狭く、下部が広い構造形態を形成するため、集光器２０に入射する光線の、レシーバー５０に入射する角度範囲は、できる限り垂直に近く(或いは、３０°以下)保持され、レシーバー５０の吸收効率とレシーバー５０上の照度均一性等を高める作用を達成することができる。
この部分関しては、以下に続けて述べる。

図３に示すように、ある実施例中では、集光器２０は、基部３０上に設置する。
基部３０は、基板６０と一体成型の形態を形成し、或いは基部３０と基板６０との間に接着して設置し、相互に接合して固定する。
基部３０は、開口３１を備え、或いは区画し、これにより集光器２０を収容する。
これにより、基部開口３１は、コンデンサー焦点区１５の位置或いはある範囲内に位置する。
基部３０の開口３１は、参考軸χを参考方向とし、上区３１ａと下区３１ｂを定義する。
しかも、上区３１ａがより広く、下区３１ｂがより狭い輪郭(断面)形態を形成する。
つまり、図３の断面より分かるように、上区３１ａの幅(或いは直径)は、下区３１ｂの幅(或いは直径)より大きい。
コンデンサー焦点区１５は、基部開口上区３１ａの位置に接近、或いは位置する。
これにより、集光器２０の(入光)口径２２は、基部開口上区３１ａの位置に位置する。

好ましくは、基部３０の開口３１は、(内)表面３１ｃを含む。しかも表面３１ｃには、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成する。
以下に説明を加える。
基部開口３１は、上区３１ａがより広く、下区３１ｂがより狭い構造形態を形成するため、光学システムの許容角度を拡大することができる。
よって、コンデンサー１０と集光器２０の組合せ構造は、入射の光線をより小さな角度(上記した３０°の範囲内など)で、レシーバー５０に入射させ、及び開口上区３１ａ、下区３１ｂと表面３１ｃの構造に対応し、光学システムの許容角度を拡大する作用を同時に達成することができる。

図４は、具体的実施例を示す。
コンデンサー１０には、全反射式(ＴＩＲ)フォーカス光学部品を選択し、焦点区１５を備え、集光器２０、基部３０、開口３１と対応する構造形態を呈する。
すなわち、集光器２０の入光口径２２は、コンデンサー焦点区１５の位置上に設置する。
フォーカス光学部品は、Ｆｒｅｓｎｅｌ(フレネル)、全反射屈折レンズ(TIR lens)、或いは類似の集光システムを選択することができる。

図４は、入射光線或いは太陽光線が、直射形態で、コンデンサー１０に進入する一次光学作用と、集光器２０に進入する二次光学作用の集光進行状況を示す。
本実施例中では、コンデンサー１０中間部分を通過する入射光線を、参考番号７１により表示し、コンデンサー１０周辺部分を通過する入射光線を、参考番号７２により表示する。

光線７１は、コンデンサー１０を経て、コンデンサー１０の焦点区１５に直接導引され、続いて、集光器２０の入光口径２２から、集光器２０に進入し、均一かつ集中した状態で光線レシーバー５０上に入射する。
すなわち、光線７１は、集光器２０の全反射作用を経過せず、屈折後に直接光線レシーバー５０に進入する。
一方、入射光線７２はコンデンサー１０に進入し、コンデンサー１０の鋸歯状構造を経て導引され焦点区１５を通過後、集光器２０の入光口径２２から出射し、第一次アウトプット光を提供する。
続いて、第一次アウトプット光は、集光器２０の(内)全反射光学作用により、光線レシーバー５０上へと均一に入射される。

以下に説明を加える。
図４は、光線７１、７２が、コンデンサー１０の反射光学作用と集光器２０の全反射光学作用を経た後にレシーバー５０に入射する角度範囲が、０°〜３０°(或いは、およそ０°〜４０°)に保持されることを特に示している。
つまり、光線７１、７２は、比較的垂直に近い、或いは３０°以下の角度範囲でレシーバー５０に入射する。
よって、そのレシーバー５０への入射角度はより小さく、光照度の均一性と光強度の分布は共に、従来の技術より理想的である。
図５、６は、実験によりシミュレーションした状況を示す。

図７、８は、別種の具体的実施例を示す。
コンデンサー１０は、「反射式」の光学設計、或いは光学反射映射部品で、反射(曲)面１１を備える。
反射面１１は、反射材料である反射層を備える。
例えば、金属表面反射層、或いは他の材料により構成する反射効果を備えた組織構造を選択することができる。

図９は、コンデンサー１０の体積が、集光器２０の体積より明らかに大きいことを示す。
本実施例中では、集光器２０は、図中コンデンサー１０の底部１３に配置、或いは接合構造を用いて組合せ、或いは一体成型の構造を採用する。
具体的には、コンデンサー１０は、入光口径１２、底部１３上に形成する開口１４(別名、出光口径)を備える。
開口１４は、入光口径１２の反対端或いは相対辺に定義され、光線は、開口１４からアウトプットされる。
実質的には、集光器２０は、コンデンサー開口１４の位置或いは区域内に収容或いは設置される。
よって、好ましくは、集光器２０の高度は、例えば図９に示す状況のように、底部１３の厚度にほぼ等しい。

図９に示すように、コンデンサー１０或いはその反射面１１は、参考軸χを基準とし、碗状輪郭、放物線輪郭或いは他の幾何形輪郭の形態を形成する。
本実施例中では、コンデンサー１０は、放物線(断面)輪郭の形態を選択する。
よって、反射面１１は、湾曲面の形態で、焦(点)区１５を区画する。
しかも、開口１４は、焦(点)区１５に隣接する。
よって、集光器２０の入光口径２２は、焦点区１５の位置上に位置し、或いは接近する。

ある実施例では、コンデンサー入光口径１２上には、サブ集光部品４０を配置する。
サブ集光部品４０は、凸レンズ、Fresnelレンズ、鋸歯状全反射レンズ(ＴＩＲ)或いは他の形態の光学レンズで、光線を導引し、焦点区１５を通過させアウトプットさせることができる。

図４と図９に示す実施例を比較すると、コンデンサー底部１３は、基部３０の構造を代表、或いは基部３０の構造に置換可能なことが分かる。
つまり、底部１３の開口１４は、参考軸χを参考方向とし、錐状輪郭(或いは台形断面)の形態を形成し、基部３０の開口３１と同様に、開口１４も上区１４ａと下区１４ｂを定義される。
しかも、上区１４ａはより広く、下区１４ｂはより狭い輪郭(断面)形態を形成する。
すなわち、図９或いは図１０の断面から分かるように、コンデンサー上区１４ａの幅(或いは内径)は、下区１４ｂの幅(或いは内径)より大きく、下区１４ｂ(或いは３１ｂ)の幅(或いは内径)は、集光器出光口径２４の幅(或いは外径)とほぼ等しいか、或いはやや大きい。
よって、集光器２０の上部が狭く、下部が広い錐状構造形態は、導引柱に類似の作用を形成することができる。
これにより、操作者は簡便に、集光器２０をコンデンサー開口１４の下区１４ｂに合わせ、垂直方向及び左、右(或いは中心)方向の位置を合わせ、コンデンサー底部１３に直接挿入して、集光器２０とコンデンサー１０とを一体に組合せる(図１０参照)ことができる。

コンデンサー１０の開口１４も、(内)表面１４ｃを備え、しかも表面１４ｃには、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成する。
その作用(光学システムの許容角度を拡大)は、以下に記述する。

好ましくは、底部開口１４或いは基部開口３１の下区１４ｂ、３１ｂの内径は、レシーバー５０の外径にほぼ等しく、或いはレシーバー５０の対角線長さにほぼ等しい。

上記したように実際には、レシーバー５０と基板６０との間には、スズペーストを塗布して固定することができる。
しかも、コンデンサー底部１３と基板６０との間には、接着剤を塗布して、コンデンサー１０と基板６０とを接合することができる。
基板６０の面積或いは体積は、必要或いは現場の条件に応じて変更することができる。

図９、１０に示すように、修正した実施例中では、集光器２０の上部表面(別名、インターフェース)、或いは入光口径２２上には、湾曲面２３を形成する(図中の仮想線部分参照)。
平面に比較すると、湾曲面２３は、より大きな角度の入射光線を集光器２０に到達させる時、生じる反射損失を、できる限り最低にまで低下させることができる。
集光器２０の図中(図３或いは９図)の高度(或いは位置)は、開口１４、３１の高度(或いは位置)よりやや低い、或いはやや高くすることができる。

上記したような条件によれば、以下の状況が可能である。
コンデンサー開口下区１４ｂ(或いは基部開口下区３１ｂ)の幅(或いは内径)は、レシーバー５０の幅(或いは外径)とほぼ等しいか、或いはやや大きい。
コンデンサー開口下区１４ｂ(或いは基部開口下区３１ｂ)の幅(或いは内径)は、レシーバー５０の対角線長さとほぼ等しいか、或いはやや大きい。
集光器(出光)口径２４の幅(或いは内径)は、レシーバー５０の幅(或いは外径)とほぼ等しい。
集光器(出光)口径２４の幅(或いは内径)は、レシーバー５０の対角線長さとほぼ等しい。

図１１、１２は、入射光線或いは太陽光線が、直射形態で、コンデンサー１０に進入する一次光学作用と、集光器２０に進入する二次光学作用の集光進行状況を示す。
本実施例中では、サブ光学部品４０を通過する入射光線を、参考番号７１で表示し、サブ光学部品４０を経過せず、コンデンサー１０に進入する入射光線を、参考番号７２で表示する。

図中に示すように、光線７１は、サブ光学部品４０を経過し、コンデンサー１０の焦点区１５に直接導引され、続いて、コンデンサー１０の開口１４(或いは集光器２０の入光口径２２)から集光器２０に進入し、比較的垂直な角度で均一に光線レシーバー５０上に入射する。
入射光線７２はコンデンサー１０に進入後、コンデンサー反射面１１の反射を経て焦点区１５を通過し、コンデンサー１０の開口１４(或いは集光器２０の入光口径２２)から出射され、第一次アウトプット光を提供する。
続いて、第一次アウトプット光は、集光器２０の(内)全反射光学作用により、光線レシーバー５０上へと均一に入射される。

以下に説明を加える。
図１１、１２にそれぞれ示すように、光線７１、７２は、コンデンサー１０の屈折光学、反射光学作用と集光器２０の全反射光学作用を経た後、レシーバー５０に入射する角度は、０°〜３０°(或いはおよそ０°〜４０°)の範囲に保持される。
よって、その光照度の均一性と光強度の分布は共に、従来の技術に比べ理想的である(図５、６の実験シミュレーションによる描写を参照のこと)。

図１３に示すように、本発明集光装置は、集光方法を含む。
いわゆる集光方法とは、光線の光学入力方法をいい、それは以下を含む。
(ａ)コンデンサー１０は光源の少なくとも一部分の光(線)を受け取り、光(線)に焦(点)区１５を通過させた後、そのまま前方へと集光器２０上へ射出し、第一次アウトプット光を得る。
(ｂ)第一次アウトプット光は集光器２０に到達後、集光器２０の(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、第二次アウトプット光は、集光器２０の出光口径２４に到達後、(光線)レシーバー５０に入射する。

上記のように、コンデンサー１０の開口１４は、(内)表面１４ｃを備え、しかも表面１４ｃには、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成する。
図１４、１５に示すように、光線或いは太陽光が、集光装置に入射する角度が、直射形態でない時には、偏差(或いは偏角)現象を生じる。
上記した図１１、１２に比較し、光線７１はサブ光学部品４０を経過後、一部の光線(本実施例中では、番号７１ａにより表示)は、コンデンサー１０の開口１４を通過後、集光器２０を超え(或いは、焦点区１５から離れ)コンデンサー開口１４の表面１４ｃ(或いは反射面)上に射出する。
しかも、表面１４ｃの反射を経て射出され、第一次アウトプット光を形成する。
第一次アウトプット光は集光器２０に到達後、集光器２０の屈折或いは(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出される。
第二次アウトプット光は、集光器２０の出光口径２４に到達後、(光線)レシーバー５０上に入射する。

図中では、一部の光線７１ｂが、サブ光学部品４０を経過後、焦点区１５を離れ、集光器２０上に直接射出し、続いて出光し、(光線)レシーバー５０上に入射する様子を示す。

図１４、１５は、光線７２の一部(本実施例中では、番号７２ａにより表示)が、コンデンサー反射面１１を経て反射され、コンデンサー１０の開口１４を通過後、集光器２０を超え(或いは焦点区１５を離れ)、コンデンサー開口１４の表面１４ｃ(或いは反射面)上に射出する様子を示す。
しかも、表面１４ｃの反射を経て射出され、第一次アウトプット光を形成する。
第一次アウトプット光は集光器２０に到達後、集光器２０の屈折或いは／及び(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出される。
第二次アウトプット光は、集光器２０の出光口径２４に到達後、(光線)レシーバー５０上に入射する。

さらに図に示すように、一部の光線７２ｂは、コンデンサー反射面１１の反射を経た後、焦点区１５を離れ、集光器２０上に直接射出し、続いて、集光器２０の屈折と(内)全反射光学作用を経て出光し、(光線)レシーバー５０上に入射する。

実際の応用では、集光器２０を超えた一部の光線７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、全体の集光効率或いは集光割合に比べれば、極めて微小な割合を占めるに過ぎない。
しかし、実施例中では、集光装置は、比較的大きい許容角度を備えるため、光線７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、コンデンサー１０の反射面１１或いは開口(内)表面１４ｃの反射光学作用を経て、及びさらに集光器２０の屈折或いは／及び(内)全反射光学作用を経た後、(光線)レシーバー５０上へと入射する。
すなわち、この集光装置は、上記したように、レシーバー５０に入射する角度が小さく、光照度が均一で、光強度の分布が理想的であるという作用の下、より大きな許容角度の光学作用を備えることができる。

図１６に示すように、本発明の集光装置は、別種の集光方法を含む。
その集光方法は、光線のインプット設計に以下を含む。
(ａ)コンデンサー１０は、光源の少なくとも一部分の光(線)を受け取り、光(線)は焦(点)区１５から離れた後、そのまま前方へ向かいコンデンサー開口１４の表面１４ｃへと射出する。コンデンサー１０が受け取った少なくとも一部分の光(線)は、参考軸χを基準線とし、偏角形態を形成しコンデンサー１０に進入し、サブ光学部品４０を通過する光線７１ａとコンデンサー反射面１１の反射を経た光線７２ａを含む。
(ｂ)上記した光線は、コンデンサー１０の出光口径表面１４ｃの反射を経て出光し、第一次アウトプット光を得る。
(ｃ)第一次アウトプット光は、集光器２０に到達後、集光器２０の屈折或いは/及び(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、第二次アウトプット光は、集光器２０の出光口径２４に到達後、(光線)レシーバー５０に入射する。

図１７に示すように、本発明の集光装置は、さらに別種の集光方法を含む。
その集光方法は、光線のインプット設計に以下を含む。
(ａ)コンデンサー１０は、光源の少なくとも一部分の光(線)を受け取り、光(線)は焦(点)区１５から離れた後、そのまま前方へと集光器２０へ射出し、第一次アウトプット光を得る。コンデンサー１０が受け取った少なくとも一部分の光(線)は、参考軸χを基準線とし、偏角形態を形成しコンデンサー１０に進入し、サブ光学部品４０を通過する光線７１ｂとコンデンサー反射面１１の反射を経た光線７２ｂを含む。
(ｂ)しかも、第一次アウトプット光は、集光器２０の屈折或いは／及び(内)全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光を形成し、(光線)レシーバー５０上に入射する。

派生した実施例中では、集光器２０は、参考軸χが放物線(断面)輪郭を形成する形態(図示なし)とすることもできる。
この時、焦(点)区１５と焦(点)区に形成する入光口径２２を備え、しかも集光器焦(点)区とコンデンサー１０の焦(点)区１５は、共焦(点)、或いはある範囲内でおおよそ共焦点の形態を形成する。
及び、集光器２０の入光口径２２はおおよそ、コンデンサー開口上区１４ａ或いはその焦点区１５の位置に位置する。
本実施例中では、集光器入光口径２２に対して反対辺、或いは相対辺に、集光器２０は出光口径２４を定義する。
実質的には、レシーバー５０は、集光器出光口径２４の位置に設置する。

上記の派生した実施例中の光線運動状況は、上記した図１１、１２、１４、１５に示す光線ルートと類似している。
本実施例中では、入射の光線が通過する焦(点)区は、共焦点、或いはおおよそ共焦(点)区の形態と定義することができる。
共焦(点)区とは、コンデンサー１０の焦点区１５と集光器焦点区の共焦点区域或いは範囲のことである。

本発明の集光装置及びその集光方法は、シンプルな構造でありながら、以下の長所を備える。
１．製造及び組み立てと構造設計が簡単であるため、集光装置組み立ての難度を低下させられ、これにより製造コストを減らすことができる。しかも、集光部品と光線レシーバーの精度を高めることで、集光装置の転換性能と発電効率の安定性を拡大することができ、こうして光学照度が不均一で、光電変換性能に悪影響を及ぼすという従来の構造の欠点を改善することができる。

上記した長所を備えることで、本発明集光装置の構造は、以下の特徴を備える。
（１）全反射集光器２０の輪郭或いは断面は、上が狭く、下が広い構造形態を形成するため、従来の技術と比較すると、本発明集光装置は、光線がレシーバー５０に入射する角度が、垂直(すなわち０°)に比較的近い形態を呈し、光照度の分布も比較的均一である。
(２)コンデンサー開口１４の下区１４ｂ(或いは基部開口３１の下区３１ｂ)の直径と集光器２０の外径はほぼ等しいか、或いはやや大きく、或いはレシーバー５０の外径(或いはレシーバー５０対角線長さ)は、開口下区１４ｂ、３１ｂの直径とほぼ等しいか、或いはやや大きい。これに加え、集光器２０は、導引柱に類似した構造設計を呈するため、コンデンサー１０と集光器２０の垂直方向、水平(或いは中心)方向の位置合わせと組み立て作業は、簡便となる。

２．集光器１０の構造形態とは異なり、コンデンサー１０の開口１４或いは基部開口３１は、反射式光学部品を選択し、しかも好ましくは、上の幅が広く、下の幅が狭い構造形態を形成するため、本発明の集光装置は、比較的大きい「許容角度」を備えることができる。そのため、光線が偏角の状況で集光装置に入射しても、レシーバー５０に導入することができる。
３．コンデンサー１０の開口１４は、上の幅が広く、下の幅が狭い構造形態を形成するため、開口１４の(内)表面１４ｃに反射面を形成する作業において、コンデンサー１０にメッキを実施し反射面１１を形成する作業を、同一作業プロセス中で完成させることができる。すなわち、別々に、或いはそれぞれにメッキ作業を行うため、効率が悪く、メッキの均一性が理想的でなかった従来の技術の欠点を改善することができる。
４．本発明集光装置のコンデンサー１０の一次光学作用と集光器２０の二次光学作用の組織設計は、光線がレシーバー５０（或いはチップ）に入射する角度の問題を特に考慮しているため、光線がレシーバーに入射する均一度（すなわち、均光効果）、或いは許容角度の拡大だけを考慮した従来の技術とは明らかに異なる。
５．図１１、１２に示すように、本発明集光装置において、光線がレシーバー５０（或いはチップ）に入射する角度は、３０°以下の範囲内に保持されるため、レシーバー５０の効率損失を明らかに低下させる（或いは、チップの吸收効率と光電変換性能を向上させる）ことができる。
６．上記したように、本発明集光装置は「チップの効率損失」を低下させる効果を達成するため、一次光学部品(すなわち、コンデンサー１０)と二次光学部品(すなわち、集光器１０)の構造組合せと配置において、全く新しく設計し独創的に考慮されたこのである。

上記した記載は、本発明の技術内容の説明を目的としたものであり、本発明を限定するものではない。本発明の精神に基づく等価応用或いは部品(構造)の転換、置換、数量の増減はすべて、本発明の保護範囲に含むものとする。

上記したように、本発明は有効な集光装置及びその集光方法を提供する。
その空間形態は、従来の構造とは異なり、しかも従来の構造が備えない機能を有し、明らかに極めて大きな進歩を示している。
すなわち、本発明は特許の要件である新規性を備え、従来の同類製品に比べ十分な進歩を有し、実用性が高く、社会のニーズに合致しており、産業上の利用価値は非常に大きい。

１０ コンデンサー
１１ 反射面
１２、２２ （入光）口径
１３ 底部
１４、３１ 開口
１４ａ、３１ａ 上区
１４ｂ、３１ｂ 下区
１４ｃ、３１ｃ （内）表面
１５ 焦（点）区
２０ 集光器
２３ 湾曲面
２４ （出光）口径
３０ 基部
４０ サブ光学部品
５０ （光線）レシーバー
６０ 基板
７１、７２ 光線
７１ａ、７２ａ 光線
７１ｂ、７２ｂ 光線
χ 参考軸

Claims (47)

1. 集光装置は、コンデンサー、透過実心体形態の集光器、光線レシーバーを備え、
   前記コンデンサーは、焦点区を備え、
   前記光透過実心体形態の集光器は、上部が狭く、下部が広い構造形態を形成し、前記コンデンサー焦点区に近い位置上に配置し、前記集光器は、入光口径と出光口径を備え、
   前記光線レシーバーは、前記集光器出光口径に近い位置に設置し、しかも少なくとも一部の光線を受け取り、前記一部の光線は、前記集光器の少なくとも一回の全反射光学作用を経ることを特徴とする集光装置。
2. 前記集光器は、参考軸を基準とし、錐状輪郭の形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
3. 前記集光器の入光口径は、前記コンデンサー焦点区に近い位置に設置することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
4. 前記集光器は、前記光線レシーバー上を覆うことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
5. 前記集光器入光口径の幅は、前記出光口径の幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
6. 前記集光器は、基部上に設置し、
   前記基部は、開口を備え、前記集光器を収容し、
   前記開口は、コンデンサー焦点区に近い位置に位置し、上区と下区を定義し、しかも前記開口は、上区が広く、下区が狭い構造形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
7. 前記開口上区の幅は、前記開口下区の幅より大きいことを特徴とする請求項６に記載の集光装置。
8. 前記開口上区は、前記コンデンサー焦点区に近い位置に位置し、
   前記集光器の入光口径は、前記開口上区に近い位置に位置することを特徴とする請求項６に記載の集光装置。
9. 前記基部の開口は、(内)表面を含む。
   前記表面には、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成することを特徴とする請求項６に記載の集光装置。
10. 前記基部開口下区の内径は、前記集光器出光口径の外径にほぼ等しいことを特徴とする請求項６に記載の集光装置。
11. 前記基部開口下区の内径は、前記集光器出光口径の外径よりやや大きいことを特徴とする請求項６に記載の集光装置。
12. 前記一部の光線が、光線レシーバーに入射する角度は、約０°〜４０°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
13. 前記コンデンサーは、幾何型輪郭形態を形成する反射式光学部品で、入光口径、反射面、底部、前記底部上に形成する開口を備え、
    前記開口は、前記入光口径の相対辺に位置し、
    前記集光器は、前記開口の区域内に設置し、
    前記開口は、コンデンサー焦点区に近い位置に位置し、上区と下区を定義し、しかも前記開口は、上区が広く、下区が狭い構造形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
14. 前記開口上区の幅は、前記開口下区の幅より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
15. 前記開口上区は、前記コンデンサー焦点区に近い位置に位置し、
    前記集光器の入光口径は、前記開口上区に近い位置に位置することを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
16. 前記開口は、(内)表面を含む。
    前記表面には、一層の反射膜をメッキし、反射面を形成することを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
17. 前記集光器の高度は、前記底部の厚さにほぼ等しいことを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
18. 前記コンデンサーは、放物線輪郭の形態を形成することを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
19. 前記開口下区の内径は、前記集光器出光口径の外径にほぼ等しいことを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
20. 前記開口下区の内径は、前記集光器出光口径の外径よりやや大きいことを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
21. 前記開口下区の内径は、前記光線レシーバーの外径にほぼ等しいことを特徴とする請求項６或いは１３に記載の集光装置。
22. 前記開口下区の内径は、前記光線レシーバーの外径よりやや大きいことを特徴とする請求項６或いは１３に記載の集光装置。
23. 前記開口下区の内径は、前記光線レシーバーの対角線長さにほぼ等しいことを特徴とする請求項６或いは１３に記載の集光装置。
24. 前記開口下区の内径は、前記光線レシーバーの対角線長さよりやや大きいことを特徴とする請求 項６或いは１３に記載の集光装置。
25. 前記集光器出光口径の内径は、前記光線レシーバーの外径にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
26. 前記集光器出光口径の内径は、前記光線レシーバーの対角線長さにほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
27. 前記集光器入光口径上には、湾曲面の形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
28. 前記コンデンサー入光口径には、サブ集光部品を配置することを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
29. 前記光線レシーバーは、基板上に配置し、
    前記基板は、前記基部と結合形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
30. 前記光線レシーバーは、基板上に配置し、
    前記基板は、前記コンデンサー底部と結合形態を形成することを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
31. 前記集光器は、放物線輪郭の形態を形成し、焦点区を備え、
    前記焦点区は、前記コンデンサーの焦点区と、共焦形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
32. 前記集光器は、放物線輪郭の形態を形成し、焦点区を備え、
    前記焦点区は、前記コンデンサーの焦点区と、おおよそ共焦の形態を形成することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
33. 前記コンデンサーは、Fresnel(フレネル)光学部品であることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
34. 前記コンデンサーは、全反射屈折光学部品であることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
35. 前記集光器の位置は、前記開口の位置よりやや低いことを特徴とする請求項６或いは１３に記載の集光装置。
36. 前記集光器の位置は、前記開口の位置よりやや高いことを特徴とする請求項６或いは１３に記載の集光装置。
37. 集光装置の集光方法は、以下を含む。
    (ａ)焦点区を備えるコンデンサーは、少なくとも一部の光線を受け取り、前記光線は、前記焦点区を通過後、そのまま前方へと光透過実心体形態を呈する集光器上に射出し、第一次アウトプット光を形成し、
    (ｂ)前記第一次アウトプット光は集光器に到達後、前記集光器の全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、前記第二次アウトプット光は、(光線)レシーバー上へと入射することを特徴とする集光装置の集光方法。
38. 集光装置の集光方法は、以下を含む。
    (ａ)焦点区を備えるコンデンサーは、少なくとも一部の光線を受け取り、前記コンデンサーは、(入光)口径、開口、前記開口上に形成する表面を備え、前記光線は、前記焦点区から離れた後、そのまま前方へ向かいコンデンサー開口の表面へと射出し、
    (ｂ)前記光線は、前記コンデンサー開口の表面反射を経て出光し、第一次アウトプット光を得て、
    (ｃ)前記第一次アウトプット光は、光透過実心体形態を呈する集光器に到達後、前記集光器の屈折及び／或いは全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、前記第二次アウトプット光は、光線レシーバー上へと入射することを特徴とする集光装置の集光方法。
39. 前記プロセス(ａ)のコンデンサーが受け取る少なくとも一部の光線は、参考軸を基準線とし、偏角形態を形成しコンデンサーに進入することを特徴とする請求項３８に記載の集光装置の集光方法。
40. 前記プロセス(ａ)の光線は、サブ光学部品を通過後、前記コンデンサーに進入することを特徴とする請求項３８或いは３９に記載の集光装置の集光方法。
41. 前記プロセス(ａ)の光線は、前記コンデンサー反射面による反射を経過後、前記焦点区を離れ、そのまま前方へ向かいコンデンサー開口の表面上へと射出することを特徴とする請求項３８或いは３９に記載の集光装置の集光方法。
42. 集光装置の集光方法は、以下を含む。
    (ａ)焦点区を備えるコンデンサーは、少なくとも一部の光線を受け取り、前記光線は、前記焦点区から離れた後、そのまま前方へと開口上まで射出し、前記開口は、基部上に形成し、しかも開口は、表面を備え、
    (ｂ)前記光線は、前記基部開口の表面に反射され出光し、第一次アウトプット光を形成し、
    (ｃ)前記第一次アウトプット光は、光透過実心体形態を呈する集光器に到達後、前記集光器の屈折及び／或いは全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光として射出され、前記第二次アウトプット光は、光線レシーバー上へと入射することを特徴とする集光装置の集光方法。
43. 前記プロセス(ａ)のコンデンサーが受け取る少なくとも一部の光線は、参考軸を基準線とし、偏角形態を形成しコンデンサーに進入することを特徴とする請求項４２に記載の集光装置の集光方法
44. 集光装置の集光方法は、以下を含む。
    (ａ)焦点区を備えるコンデンサーは、光源の少なくとも一部の光線を受け取り、前記光線は、前記焦点区から離れた後、そのまま前方へと光透過実心体形態を呈する集光器に射出し、第一次アウトプット光を形成し、
    (ｂ)しかも、前記第一次アウトプット光は、前記集光器の屈折及び／或いは全反射光学作用を経て、第二次アウトプット光を形成し、光線レシーバー上へと入射することを特徴とする請集光装置の集光方法。
45. 前記プロセス(ａ)のコンデンサーが受け取る少なくとも一部の光線は、参考軸を基準線とし、偏角形態を形成しコンデンサーに進入することを特徴とする請求項４４に記載の集光装置の集光方法。
46. 前記プロセス(ａ)の光線は、サブ光学部品を通過後、前記コンデンサーに進入することを特徴とする請求項４４に記載の集光装置の集光方法。
47. 前記プロセス(ａ)のコンデンサーは、反射面を備え、
    前記光線は、コンデンサーの反射面で反射後、前記焦点区を離れ、そのまま前方へと集光器上へ射出することを特徴とする請求項４４に記載の集光装置の集光方法。

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