JPH0679094B2 - 集光装置 - Google Patents

集光装置

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JPH0679094B2
JPH0679094B2 JP59225764A JP22576484A JPH0679094B2 JP H0679094 B2 JPH0679094 B2 JP H0679094B2 JP 59225764 A JP59225764 A JP 59225764A JP 22576484 A JP22576484 A JP 22576484A JP H0679094 B2 JPH0679094 B2 JP H0679094B2
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充平 藤野
光男 林原
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は太陽エネルギー利用装置に係り、特に太陽を追
尾することなく太陽光を集光し、その集光した光を他に
供給するに好適な非追尾集光装置に関する。
〔発明の背景〕
従来の非追尾集光装置では、第2図に示すように、透明
な平板3の表面に螢光体の層を設け、太陽光の波長変換
と全反射を利用して平板の端面に導き、端面を設けた光
電池4により電気に変換したり、または集熱体により熱
に変換していた。この装置では太陽を追尾することなく
太陽光を100倍以上に集光可能であるが、集光した太陽
光を平板の端面で電気や熱に変換して利用しており、集
光した光を平板の外部に取り出し、平板から遠くへ光の
まま伝送して利用することについては配慮されていなか
つた。
〔発明の目的〕
したがつて、本発明の目的は太陽を追尾することなく太
陽光を100倍以上に集光し、かつその集光した光を効率
よく外部に取り出すことの可能な非追尾集光装置を提供
することにある。
〔発明の概要〕
本発明の集光装置は、ルミネツセンス層の少なくとも一
面に、直接又は透明体を介し、前記ルミネツセンス層に
対して傾斜した平面部分を有する透明体であつて、前記
ルミネツセンス層と対向する面の面積が該ルミネツセン
ス層の面積よりも小さい透明体からなる導光手段を設け
たことを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。第1
図は本発明の一実施例を示す非追尾集光装置の構造を示
す一部切り欠き図である。第1図において、11は透明板
であり、ガラス、石英、アクリル樹脂、ポリカーボネイ
ト樹脂等の光吸収率の低い材質が適している。本実施例
では透明体11としてガラス板を使用した。この透明板11
の裏面には特定波長域の太陽光を吸収し、その吸収スペ
クトルと波長域の異なるスペクトルの光を放射する物
質、すなわちルミネツセンス層12及び13が設けられてい
る。このルミネツセンス体としては無機質または有機質
の螢光体、燐光体等が適している。また性状は、液体で
も固体でもよい。本実施例ではルミネツセンス層12とし
てZnS:Ag螢光体、ルミネツセンス層13としてZnS:Cu螢光
体を用いている。ZnS:Ag及びZnS:Cu螢光体の特性を第3
図に示す。第3図において横軸は光の波長、縦軸は吸収
又は放射される光強度の相対値である。同図中ハツチン
グをほどこした曲線51及び曲線52がそれぞれZnS:Ag及び
ZnS:Cu螢光体の吸収スペクトルを表わし、実線53及び破
線54がそれぞれの螢光体の放射スペクトルを表わしてい
る。第3図より、例えばZnS:Cu螢光体の吸収スペクトル
52と放射スペクトル54のスペクトル重なり部分55が小さ
いことから、ZnS:Cu螢光体から放射された光が再びZnS:
Cu螢光体に入射してほとんど吸収されない。
上記したZnS:Ag螢光体とZnS:Cu螢光体のそれぞれの屈折
率n,n2は約2.5でありほぼ等しいが、透明板11のガラス
の屈折率n0=1.4に比較して大きい。したがつて、光取
り出し用突起14をルミネツセンス層13の表面に設けた。
その理由を以下に説明する。第4図は第1図のA−A断
面図の一部である。第4図において、透明板11、ルミネ
ツセンス層12、ルミネツセンス層13のそれぞれの屈折率
n0,n1,n2を説明の便宜上、 n2>n1>n0 とする。いま、透明板11に入射した太陽光15はその大部
分が透明板11を透過してルミネツセンス層12内の点Bで
その一部分を波長変換されるとする。点Bで波長変換さ
れた光は点Bより等方的に放射される。この等方的に放
射された光のうち、次式 で決まる臨界角θC1より大きい入射角度で透明板11とル
ミネツセンス層12の界面61へ入射した光は界面61で全反
射される。この全反射された光は、 n2>n1 であるため、ルミネツセンス層12と13の界面62を通過し
てルミネツセンス層13に入る。一方、臨界角θC1より小
さい入射角度で界面61へ入射した光は界面61を通過して
透明板11の表面63に入射する。この表面63に入射した光
のうち、次式 で決まる臨界角θC3より大きい入射角度で表面63へ入射
した光は表面63で全反射される。この全反射した光は、 n2>n1>n0 であるため、界面61、界面62を通過してルミネツセンス
層13に入る。点Bで放射された光が表面63でθC3となる
界面61への入射角θは次式で与えられる。
同様にして、ルミネツセンス層13の中の点Cで波長変換
されて放射された光のうち、次式で与えられるθより
大きい入射角度で界面62に入射した光は、表面63で全反
射されて再びルミネツセンス層13にもどつてくる。
また、ルミネツセンス層13の表面64から出る光に対する
臨界角θC4はθと等しい。
したがつて、点Bや点Cで放射された光のうち、表面63
で全反射される光は必ずルミネツセンス層13にもどつて
くるが、表面64で全反射される光は必ずしも透明体11に
は入らない。そのため、効率よく外部に光を取り出すた
めには、光取り出し用突起を最も屈折率の大きく層の表
面に設ける必要がある。
第1図において、光取り出し用突起14は三角錐状とし、
透明な材質でかつその屈折率はそれを取りつける相手の
屈折率に近くしている。光取り出し用突起14の形状を三
角錐状としたのは以下の光学的理由による。透明板11、
ルミネツセンス層12,13で構成された集光用透明板16内
で波長変換と全反射によつて集光された光を集光用透明
板16の外部に取り出すためには、取り出し位置で全反射
条件を満たせない表面条件を作ればよい。その方法とし
ては、集光用透明板16の端面から取り出す方法、集光用
透明板16にくぼみを設ける方法等が考えられるが、これ
らの方法では集光用透明板16の内部で全反射をくり返し
ている広い角度範囲の光に対して全反射条件をくずすの
は困難であり、効率よく光を取り出すことはできない。
そこで集光用透明板に突起を設け、その形状を三角錐と
した。第1図における光取り出し用突起14の詳細図を第
5図に示す。第5図において、点D,点E,点F,点Gはそれ
ぞれ三角錐の角頂点である。また、第5図中の矢印は代
表的な光の経路である。この光取り出し用突起に入射す
る光のうち、外部に取り出すのに最も厳しい条件の入射
光の1つは、ルミネツセンス層13に密着している面DEF
にほぼ平行に光取り出し用突起に入射する光である。こ
の光を外部に取り出すため、面DEGで全反射されない条
件から面DEFと面DEGとのなす角αを次式を満足するよう
に設定した。
但しn=n3=n2 n2=ルミネツセンス層13の屈折率 n3=光取り出し用突起14の屈折率 とした。面EFG、面DFGについても(5)式を満足するよ
うに設定した。
もう一つの最も厳しい条件の入射光は、面EFGにほぼ平
行に入射する光である。しかし、第6図に示す面DEFか
ら見た光経路図に示すように面EFG全反射された光は、
面DEGへは入射角がより大きくなつて入射するための全
反射条件からはずれてくる。そのため、面EFG、面DEG、
面DFG等に平行に入射した光は1〜2回は全反射するこ
とはあるが、その後光取り出し用突起の外部へ出るため
問題ない。四角錐以上の多角錐やその1部を切り出した
形状としてもその効果はほとんどかわらない。
第1図において、曲面鏡17はその焦点位置が光取り出し
用突起14の内部にくるように配置されている。本実施例
では曲面鏡17を楕円面鏡で構成し、その一方の焦点位置
を光取り出し用突起14の内部に、他方の焦点位置をライ
トガイド18の入口付近に配置している。このことによ
り、光取り出し用突起14から放出される広い角度範囲の
光は、この曲面鏡17(楕円面鏡)で集光され、効率よく
ライトガイド18に入射する。
第1図において、集光用透明板11の端面には、銀蒸着な
どにより反射層18を設けており、端面からの光の損失を
防止している。
以下、第1図に示した本発明の一実施例を示す非追尾集
光装置の動作を説明する。集光用透明板16に入射した太
陽光15はルミネツセンス層12又は13で波長変換され、等
方的に放射されるが、その放射された光のうち数十%以
上の全反射条件を満足する光は全反射をくり返して光取
り出し用突起14より放出される。この放出された光は曲
面鏡17により集光されてライトガイド18に入射し、光利
用部まで伝送される。この非追尾集光装置による集光倍
率N及び入射した全太陽光に対する効率ηは次式により
与えられる。
但し、N=集光倍率 η=集光装置の効率 η=集光用透明板と光取り出し部の総合伝達効率 A0=集光用透明板の太陽光受光面積 A1=光取り出し部の面積 I0=集光用透明板へ入射する太陽光の強度 I1=光取り出し用突起から放出される光の強度 P=ルミネツセンス層の太陽光に対する変換確率 上式より集光倍率N及び効率ηを高めるためには伝達効
率ηは高い必要があるが、上記説明したように光取り
出し用突起14での損失がほとんどないためηとして単
に端面から取り出す場合の0.5に対して0.9程度が可能で
ある。したがつて、A0/A1を10000、Pを0.1、ηを0.9
とすれば、集光倍率Nは900、効率ηは0.09が可能であ
る。
以上説明したように、本実施例によれば、太陽を追尾す
ることなく効率よく高い集光倍率で集光した光を外部に
取り出して利用できる。
第7図は光取り出し用突起の他の実施例を示す鳥かん図
である。同図において三角錐の1つの項部を切り取つた
突起延長部81の底面に三角錐状の光取り出し用突起82の
1つの面を一致させて設けている。そして集光用透明板
に密着した面HIJを通過して側面IJKLに入射した光を反
射させる。そのため、側面IJKLを含む突起延長部81の3
つの側面に銀等を蒸着して反射面を形成している。この
反斜面は、側面と面HIJとのなす角βを次式を満足する
ように設定し、全反射させてもよい。
光取り出し用突起をこのように構成することにより、光
の放出部を集光用透明板から離すことができる。そのた
め、曲面鏡14の配置が設計上容易になる効果がある。
第8図は本発明の非追尾集光装置の他の実施例を示す断
面図である。第8図において球殻状の透明体球91の内部
にルミネツセンス層92が設けられている。さらに透明体
球91の表面の一部に光取り出し用突起93が設けられ、そ
の光取り出し用突起93のまわりに曲面鏡94が設けられて
いる。また、本実施例では光取り出し用突起93を透明体
球91に引き出し口を設けて取りつけているが、透明体球
91の曲面上に取りつけてもよい。
以上説明した本実施例によれば、平板状の集光用透明体
にくらべて端面がないため、端面での光損失をなくすこ
とができ、効率の向上をはかることができる。また太陽
光の入射方向が変化しても球殻状の透明体球の投影面積
は変化しないため取り出すことの出来る光の量が変化し
ないという効果もある。
第9図は第1図の集光用透明板16の他の実施例を示す断
面図である。同図において、(a)は集光用透明板16を
ルミネツセンス層12のみで構成した場合、(b)はルミ
ネツセンス層12と透明板11で構成し、光取り出し用突起
14を透明板11の側につけた場合、(c)はルミネツセン
ス層12を透明板11ではさみ、サンドイツチ構造とした場
合、(d)は透明板11の両面にルミネツセンス層12及び
13を設けた場合、(e)は(b)の構成の集光用透明板
16を空間31及び32を設けてカバーガラス33及び34でカバ
ーした場合を示している。これらの構造からルミネツセ
ンス層の特性や使用環境に適した構造を選ぶことができ
る。
第10図は、第1図の光取り出し用突起14の他の実施例を
示す鳥かん図である。第10図において、(a)は断面が
三角形のドーナツリング状の光取り出し用突起14を多重
に設けたものであり、(b)は同じく断面が三角形の角
柱をリング状に設けたものである。このように構成する
ことにより、光取り出し用突起14の底面積に対する高さ
を低くすることが可能となる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、波長変換及び全反射を利用して光取り
出し部を伝送し、光取り出し部に多角錐又は多角錐を組
み合せた形状の光取り出し用突起とその光取り出し用突
起から放出される光を集光するための曲面鏡により効率
よく光を取り出すことができるので、効率、集光倍率と
も2倍近く性質の高い非追尾集光装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す構造図、第2図は従来
例を示す鳥かん図、第3図はルミネツセンス体の特性
図、第4図は第1図のA−A断面図の一部、第5図は第
1図の光取り出し用突起14の鳥かん図、第6図は第5図
の平図面、第7図と第10図は第1図の光取り出し用突起
14の他の実施例を示す鳥かん図、第8図は本発明の他の
実施例を示す断面図、第9図は、第1図の集光用透明板
16の他の実施例を示す断面図である。 11……透明板、12,13……ルミネツセンス層、14……光
取り出し用突起、16……集光用透明板、17……曲面鏡、
18……反射層、19……ライトガイド。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ルミネツセンス層の少なくとも一面に、直
    接又は透明体を介し、前記ルミネツセンス層に対して傾
    斜した平面部分を有する透明体であつて、前記ルミネツ
    センス層と対向する面の面積が該ルミネツセンス層の面
    積よりも小さい透明体からなる導光手段を設けたことを
    特徴とする集光装置。
  2. 【請求項2】導光手段としての透明体の屈折率とルミネ
    ツセンス層と該導光手段との間に介在せる透明体の屈折
    率とが同一ないし近似していることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の集光装置。
  3. 【請求項3】ルミネツセンス層が励起作用の異なる2種
    以上のルミネツセンスを含むことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項又は第2項記載の集光装置。
  4. 【請求項4】ルミネツセンス層は2種以上の多層構造を
    有し、かつ各層は互いに励起作用が異なつていることを
    特徴とする特許請求の範囲第3項記載の集光装置。
  5. 【請求項5】多層構造のルミネツセンス層は各層が互い
    に屈折率が異なつたものであることを特徴とする特許請
    求の範囲第3項記載の集光装置。
JP59225764A 1984-10-29 1984-10-29 集光装置 Expired - Lifetime JPH0679094B2 (ja)

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JPS61105511A JPS61105511A (ja) 1986-05-23
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JPS63115109A (ja) * 1986-10-31 1988-05-19 Kuraray Co Ltd 光結合器
AU2002952276A0 (en) * 2002-10-24 2002-11-07 University Of Technology, Sydney A light transfer component
AU2003273627B2 (en) * 2002-10-24 2007-03-08 Fluorosolar Systems Limited A light transfer component
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