JPH0423761B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0423761B2 JPH0423761B2 JP58082137A JP8213783A JPH0423761B2 JP H0423761 B2 JPH0423761 B2 JP H0423761B2 JP 58082137 A JP58082137 A JP 58082137A JP 8213783 A JP8213783 A JP 8213783A JP H0423761 B2 JPH0423761 B2 JP H0423761B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- wedge
- prisms
- transparent
- receiving surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
- G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Description
この発明は、プリズムを用いた集光装置に関す
るものである。 プリズムを用いた集光装置としては、第１図
ａ，ｂに示す透明のプリズムと、第２図に示すミ
ラー付プリズムとがある。 第１図ａ，ｂは通常のくさび形をしたプリズム
を全反射を利用して集光装置としたものである。
第１図において、１１は透明プリズム、１１ｃは
受光面である。入射角h1で透明プリズム１１に入
射した入射光Ｆは、透明プリズム１１の表面１１
ａにおいて屈折され、透明プリズム１１内を直進
し、透明プリズム１１の裏面１１ｂにおいて全反
射される。この全反射を透明プリズム１１の表面
１１ａと裏面１１ｂとで繰り返し、入射光Ｆは透
明プリズム１１の終端部に設けられた受光面１１
ｃに到達する。 上記の構造の集光装置において入射光Ｆの最大
許容角h1naxは、受光面１１ｃと透明プリズム１
１の表面１１ａとに垂直な面（子午面）内の入射
光については解析的に求めることができる。子午
面に含まれない入射光（斜め入射光）についての
最大許容角は光線追跡法等による複雑な計算が必
要となるので、以下では子午面内の入射光の許容
角についてのみ考える。 第１図の透明プリズムの子午面内での最大許容
入射角h1naxは h1nax＝cos-1｛ｎ cos ［cos-1（１／ｎ）＋α］ ……(1) となり、最大集光比Rnaxは Rnax＝sinh1nax／2sin(α/2) ……(2) となる。ただし、ｎはプリズムの屈折率、αは透
明プリズムの頂角である。 また、第１図の集光装置においては、透明プリ
ズム１１の裏面１１ｂから入射する光F′も同様に
受光面１１ｃに集光できる。この場合の最大許容
入射角H1naxは H1nax＝2h1nax−α ……(3) となる。 次に第２図に示すミラー付プリズム集光器は、
透明プリズム２１の裏面２１ｂにミラー２２を設
置したものである。入射角h1で透明プリズム２１
の表面２１ａに入射した光Ｆは、裏面のミラー２
２での鏡面反射と、表面２１ａでの全反射を繰り
返し受光面２１ｃに達する。裏面２１ｂがミラー
面であるため、裏面２１ｂからの入射光は集光で
きないが、表面２１ａからの入射光に対する最大
許容入射角h1naxは、ミラー２２の内場合よりも
大きくなり、次式で与えられる。 h1nax＝cos-1｛ｎ cos〔cos-1 （１／ｎ）＋2α〕｝ ……(4) 第１表に透明プリズムとミラー付プリズムにつ
いいての最大許容入射角h1nax，H1naxと最大集光
比Rnaxの関係を示す。以上のような単一のプリ
ズムを用いた集光器では許容角により集光比の上
限が定まり、あまり大きな集光比がとれない。 この発明は、そのような問題点を解決するため
になされたものであり、上記２種類のプリズムを
用いた集光器を、間隙を設けて複数個配置し、入
射角に応じて集光作用をする透明プリズムが自動
的に切り替わることを特徴とする。この結果、瞬
時的な集光比は許容角に制限されず、高い集光比
を実現することができる。
るものである。 プリズムを用いた集光装置としては、第１図
ａ，ｂに示す透明のプリズムと、第２図に示すミ
ラー付プリズムとがある。 第１図ａ，ｂは通常のくさび形をしたプリズム
を全反射を利用して集光装置としたものである。
第１図において、１１は透明プリズム、１１ｃは
受光面である。入射角h1で透明プリズム１１に入
射した入射光Ｆは、透明プリズム１１の表面１１
ａにおいて屈折され、透明プリズム１１内を直進
し、透明プリズム１１の裏面１１ｂにおいて全反
射される。この全反射を透明プリズム１１の表面
１１ａと裏面１１ｂとで繰り返し、入射光Ｆは透
明プリズム１１の終端部に設けられた受光面１１
ｃに到達する。 上記の構造の集光装置において入射光Ｆの最大
許容角h1naxは、受光面１１ｃと透明プリズム１
１の表面１１ａとに垂直な面（子午面）内の入射
光については解析的に求めることができる。子午
面に含まれない入射光（斜め入射光）についての
最大許容角は光線追跡法等による複雑な計算が必
要となるので、以下では子午面内の入射光の許容
角についてのみ考える。 第１図の透明プリズムの子午面内での最大許容
入射角h1naxは h1nax＝cos-1｛ｎ cos ［cos-1（１／ｎ）＋α］ ……(1) となり、最大集光比Rnaxは Rnax＝sinh1nax／2sin(α/2) ……(2) となる。ただし、ｎはプリズムの屈折率、αは透
明プリズムの頂角である。 また、第１図の集光装置においては、透明プリ
ズム１１の裏面１１ｂから入射する光F′も同様に
受光面１１ｃに集光できる。この場合の最大許容
入射角H1naxは H1nax＝2h1nax−α ……(3) となる。 次に第２図に示すミラー付プリズム集光器は、
透明プリズム２１の裏面２１ｂにミラー２２を設
置したものである。入射角h1で透明プリズム２１
の表面２１ａに入射した光Ｆは、裏面のミラー２
２での鏡面反射と、表面２１ａでの全反射を繰り
返し受光面２１ｃに達する。裏面２１ｂがミラー
面であるため、裏面２１ｂからの入射光は集光で
きないが、表面２１ａからの入射光に対する最大
許容入射角h1naxは、ミラー２２の内場合よりも
大きくなり、次式で与えられる。 h1nax＝cos-1｛ｎ cos〔cos-1 （１／ｎ）＋2α〕｝ ……(4) 第１表に透明プリズムとミラー付プリズムにつ
いいての最大許容入射角h1nax，H1naxと最大集光
比Rnaxの関係を示す。以上のような単一のプリ
ズムを用いた集光器では許容角により集光比の上
限が定まり、あまり大きな集光比がとれない。 この発明は、そのような問題点を解決するため
になされたものであり、上記２種類のプリズムを
用いた集光器を、間隙を設けて複数個配置し、入
射角に応じて集光作用をする透明プリズムが自動
的に切り替わることを特徴とする。この結果、瞬
時的な集光比は許容角に制限されず、高い集光比
を実現することができる。
【表】
第３図はこの発明の一実施例を示す図である。
同図において２個の透明プリズム３１，３２が重
ねられ、透明プリズム３１と透明プリズム３２間
に間隙βが設けられている。入射角０〜h1で入射
する光F1は透明プリズム３１内で全反射を繰り
返し受光面３１ｃに到達する。同様に、入射角h1
〜h2で入射した入射光F2は受光面３２ｃに集光さ
れる。また、透明プリズム３２の裏面３２ｂから
入射する光も同様に入射角に応じて各透明プリズ
ム３１，３２のいずれかに集光される。 上記のように、透明プリズムを複数個多段に重
ねた場合、入射光Ｆはその入射角に応じて複数個
の透明プリズムの内いずれか１つの透明プリズム
内で全反射を繰り返し集光される。このように受
光面が入射角に応じて自動的に切り替わる集光器
は、太陽光を熱エネルギーとして利用する場合に
特に有効である。すなわち、太陽の位置に応じて
いずれかの透明プリズム内で集中的に集光される
ため、高い温度の熱を高い効率で集熱することが
できる。この場合、重ね合わせる透明プリズムの
数は適宜選定できることは云うまでもない。 第４図はこの発明の他の実施例を示す図で、第
３図に示す実施例において最下段の透明プリズム
３２をミラー付プリズム４２としたもので、４１
は透明プリズムである。最下段にミラー４３があ
るため、この面からの入射光は利用できないが、
最上面からの入射光の最大許容角は、第３図の実
施例よりも大きくなる。すなわち、入射角０〜h1
とh2〜h3の入射光は、受光面４１ｃに集光され、
入射角h1〜h2の入射光は受光面４２ｃに集光され
る。 また、最下段のミラー付プリズム４２以外に集
光する場合は、ミラー面４３ｃでの反射は１回以
下であり、鏡面反射に伴なう損失が低減される。 第５図はこの発明のさらに他の実施例を示す図
である。これは第３図に示した実施例において左
右の間隙β1に対し中間の１つの間隙β0を大きくし
たものに相当する。両側の透明プリズム５１，５
２，５１′，５２′の最大許容角内の入射光は、各
透明プリズム５１，５２，５１′，５２′で有効に
集光し、それ以外の光は底面５３に透過して行く
ことを特徴としている。この実施例は、太陽光の
有効利用に適している。すなわち、透明プリズム
５１，５２，５１′，５２′により集光された光
は、熱あるいは電気出力に変換して有効に利用
し、それ以外の光は底面から透過するので、採
光、適度な暖房に利用できる。このため、この実
施例は窓、温室の壁面などの建築材料としての利
用に適している。 なお、以上の実施例において、透明プリズムの
材料としては、透明な屈折媒質であれば何でも利
用可能であるが、集光した光を熱として利用する
場合には、耐熱性があり熱伝導率が小さく、熱対
流が起こらず赤外光の吸収率の高いものである必
要がある。この条件を満足する材料としては、た
とえばシリコーン樹脂材が挙げられる。なお、赤
外光の吸収率のよい材料であれば集熱面は高価な
選択吸収膜に加工する必要はなく、耐久性、低コ
スト化の面で実用上大きな利点を有する。 以上詳細に説明したように、この発明は、一定
範囲の入射角を持つた入射光を全反射あるいは鏡
面反射を利用して受光面に導く透明プリズムを間
隙を設けて複数個多段に配置したので、簡単な構
造で集光比の高い集光装置が得られ、かつ従来は
集光できない入射角の光も有効に利用する構成が
とれるので、実用上大きな利点を有する。
同図において２個の透明プリズム３１，３２が重
ねられ、透明プリズム３１と透明プリズム３２間
に間隙βが設けられている。入射角０〜h1で入射
する光F1は透明プリズム３１内で全反射を繰り
返し受光面３１ｃに到達する。同様に、入射角h1
〜h2で入射した入射光F2は受光面３２ｃに集光さ
れる。また、透明プリズム３２の裏面３２ｂから
入射する光も同様に入射角に応じて各透明プリズ
ム３１，３２のいずれかに集光される。 上記のように、透明プリズムを複数個多段に重
ねた場合、入射光Ｆはその入射角に応じて複数個
の透明プリズムの内いずれか１つの透明プリズム
内で全反射を繰り返し集光される。このように受
光面が入射角に応じて自動的に切り替わる集光器
は、太陽光を熱エネルギーとして利用する場合に
特に有効である。すなわち、太陽の位置に応じて
いずれかの透明プリズム内で集中的に集光される
ため、高い温度の熱を高い効率で集熱することが
できる。この場合、重ね合わせる透明プリズムの
数は適宜選定できることは云うまでもない。 第４図はこの発明の他の実施例を示す図で、第
３図に示す実施例において最下段の透明プリズム
３２をミラー付プリズム４２としたもので、４１
は透明プリズムである。最下段にミラー４３があ
るため、この面からの入射光は利用できないが、
最上面からの入射光の最大許容角は、第３図の実
施例よりも大きくなる。すなわち、入射角０〜h1
とh2〜h3の入射光は、受光面４１ｃに集光され、
入射角h1〜h2の入射光は受光面４２ｃに集光され
る。 また、最下段のミラー付プリズム４２以外に集
光する場合は、ミラー面４３ｃでの反射は１回以
下であり、鏡面反射に伴なう損失が低減される。 第５図はこの発明のさらに他の実施例を示す図
である。これは第３図に示した実施例において左
右の間隙β1に対し中間の１つの間隙β0を大きくし
たものに相当する。両側の透明プリズム５１，５
２，５１′，５２′の最大許容角内の入射光は、各
透明プリズム５１，５２，５１′，５２′で有効に
集光し、それ以外の光は底面５３に透過して行く
ことを特徴としている。この実施例は、太陽光の
有効利用に適している。すなわち、透明プリズム
５１，５２，５１′，５２′により集光された光
は、熱あるいは電気出力に変換して有効に利用
し、それ以外の光は底面から透過するので、採
光、適度な暖房に利用できる。このため、この実
施例は窓、温室の壁面などの建築材料としての利
用に適している。 なお、以上の実施例において、透明プリズムの
材料としては、透明な屈折媒質であれば何でも利
用可能であるが、集光した光を熱として利用する
場合には、耐熱性があり熱伝導率が小さく、熱対
流が起こらず赤外光の吸収率の高いものである必
要がある。この条件を満足する材料としては、た
とえばシリコーン樹脂材が挙げられる。なお、赤
外光の吸収率のよい材料であれば集熱面は高価な
選択吸収膜に加工する必要はなく、耐久性、低コ
スト化の面で実用上大きな利点を有する。 以上詳細に説明したように、この発明は、一定
範囲の入射角を持つた入射光を全反射あるいは鏡
面反射を利用して受光面に導く透明プリズムを間
隙を設けて複数個多段に配置したので、簡単な構
造で集光比の高い集光装置が得られ、かつ従来は
集光できない入射角の光も有効に利用する構成が
とれるので、実用上大きな利点を有する。
第１図ａは透明プリズムを用いた集光装置を示
す概略図、第１図ｂはその斜視図、第２図はミラ
ー付プリズムを用いた集光装置の概略図、第３
図，第４図，第５図はこの発明の実施例をそれぞ
れ示す集光装置の概略図である。 図中、１１，２１，３１，３２，４１，４２，
５１，５２，５１′，５２′は透明プリズム、２
２，４３はミラーである。また、各サフイツクス
ａは表面、同じくサフイツクスｂは裏面、同じく
サフイツクスｃは受光面を表わす。
す概略図、第１図ｂはその斜視図、第２図はミラ
ー付プリズムを用いた集光装置の概略図、第３
図，第４図，第５図はこの発明の実施例をそれぞ
れ示す集光装置の概略図である。 図中、１１，２１，３１，３２，４１，４２，
５１，５２，５１′，５２′は透明プリズム、２
２，４３はミラーである。また、各サフイツクス
ａは表面、同じくサフイツクスｂは裏面、同じく
サフイツクスｃは受光面を表わす。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 一定範囲の入射角を持つた入射光を全反射を
利用して受光面に導く楔形の透明ブリズムの２以
上を、その楔形先端を互いに接し、所定の間隙を
設けて扇状に配置したことを特徴とする集光装
置。 ２ 一定範囲の入射角をもつた入射光を全反射を
利用して受光面に導く楔形の透明プリズムの１又
は２以上と、一定範囲の入射角を持つた入射光を
全反射と鏡面反射を利用して受光面に導く楔形の
透明プリズムからなり、上記楔形の透明プリズム
は、上記鏡面反射する楔形の透明プリズムが最終
段となるように、その楔形先端を互いに接し、所
定の間隙を設けて扇状に配置したことを特徴とす
る集光装置。 ３ 一定範囲の入射角を持つた入射光を全反射を
利用して受光面に導く複数の楔形透明プリズム
を、その楔形先端を互いに接して所定の間隙を設
けて扇状に配置した集光装置において、上記プリ
ズム間の間隙のうちの１つを上記所定の間隙より
大きくし、この間隙へ透過した光を、上記受光面
に集光された光とは別の用途に利用することを特
徴とする集光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58082137A JPS59206801A (ja) | 1983-05-11 | 1983-05-11 | 集光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58082137A JPS59206801A (ja) | 1983-05-11 | 1983-05-11 | 集光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59206801A JPS59206801A (ja) | 1984-11-22 |
| JPH0423761B2 true JPH0423761B2 (ja) | 1992-04-23 |
Family
ID=13766027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58082137A Granted JPS59206801A (ja) | 1983-05-11 | 1983-05-11 | 集光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59206801A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4639337B2 (ja) * | 2006-02-17 | 2011-02-23 | 国立大学法人長岡技術科学大学 | 太陽電池および太陽集熱器 |
| JP2011059323A (ja) * | 2009-09-09 | 2011-03-24 | Leiz Advanced Technology Corp | 集光モジュールおよびこれを用いた集光ユニット |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU522513B2 (en) * | 1977-06-24 | 1982-06-10 | Unisearch Limited | Solar concentrator & radiation distributor |
-
1983
- 1983-05-11 JP JP58082137A patent/JPS59206801A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59206801A (ja) | 1984-11-22 |
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