JPS63133111A - 集光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、透光性媒質内の全反射を利用した集光器に関
するものである。

（背景技術） 近年、動力源として太陽エネルギーを利用した装置が増
加しつつあるが、太陽エネルギーを利用する装置は他の
エネルギーを用いる装置に比べるとコスト的に高価とな
る欠点がある。これは、太陽電池及び追尾式太陽エネル
ギー集光器等のコスト高が主な原因である。そこで、従
来、太陽電池の面積を減少させることによるコストダウ
ンを狙ったルミネッセント・ソーラー・コンセントレー
タ（Ｌ　ｕｎｉｎｅｓｃｅｎｔ　　Ｓ　ｏｌａｒ　　Ｃ
ｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｒ）を応用した研究が行なわれて
いる。

例えば、蛍光染料を溶解分散させた透明樹脂板に、太陽
光線を当てると、光エネルギーを吸収した蛍光染料から
蛍光が放射される。この放射光は、樹脂板内部の全反射
により捕捉され、樹脂板の縁端部に集められる。したが
って、縁端部に太陽電池を取り付けることによって、太
陽光発電を効率的に行うことができる。このようにして
樹脂板に捕捉された光の濃縮（コンセントレージョン）
の効率は縁端部に対する表面積の割合に比例すると共に
、縁端部から放射される割合にも依存する。すなわち、
内部全反射で集められた光のうぢ全てが縁端部より放射
されず、内部に再反射される光が存在する。このことは
、太陽電池の取り付は方法によらず、発電量が縁端部か
らの放射効率によって制限を受けることを意味している
。縁端部において反射が生じる原因は、内部全反射光の
一部が縁端部と空気との境界面に入射するときに、臨界
角よりも大きい入射角を持つ場自があり、その光は縁端
部で再び樹脂板内へ反射されるためである。

よって、もしも樹脂板厚が一定で、縁端部か樹脂板の表
面に対して垂直であるならば、縁端部における反射光は
樹脂板内を何回も往復することになり、次第に減衰して
いく。

以上のことにより、縁端部方向に集められた光のうち、
できるだけ多くの光を縁端部及びその近傍から放射させ
る集光器を用いて効率的に太陽光発電を行うことが望ま
れる。

（発明の目的） 本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、縁端部に集められた光を効率
良く外部へ放射させる集光器を提供するにある。

（発明の開示） 本発明は、透光性媒質内の全反射を利用して前記透光性
媒質の縁端部に光を集光するようにした集光器において
、縁端部を透光性媒質の全反射面と垂直な方向に対して
傾斜させたことを特徴とするものであり、傾斜した縁端
部から光を効率良く外部に放射させるようにしたもので
ある。

例えば蛍光染料を溶解分散させた樹脂板に、太陽光線を
照射すると、蛍光染料から蛍光が放射され、この蛍光は
樹脂板内部の全反射によって樹脂板の縁端部方向に集め
られ、一部が縁端部より透過し、この光を用いて太陽光
発電を行うことができる。集められた光のうちの一部は
、縁端部より透過することなく樹脂板内で次第に減衰し
て行くが、縁端部に傾斜を持たせることによって集めら
れた光を縁端部及びその近傍から全て透過させ、発電量
を増加さぜることがてきる。なお、樹脂板の他にガラス
板あるいはガラスと樹脂との複き材利を用いても同様の
効果が得られる。

今、第２図に示すように、厚さが一定の樹脂板（１）が
空気中に置かれ、その樹脂板（１）内に蛍光染料が均一
に溶解分散されている場合を想定する。

太陽光線を樹脂板（１）の大面積方向から照射すると、
樹脂板（１）内の染料が太陽光線エネルギーを吸収して
蛍光を発する。そして、その蛍光の放射方向は３６０°
立体方向に均一であるとする。放射された蛍光のうち、
樹脂板（１）の屈折率ｎ、＊と空気の屈折率ｎＡとによ
って決められる臨界角くθｃ＝ｓｉｎ−’（７１，Ａ／
７’ｌ、Ｒ））よりも大きい入射角て樹脂板（１）と空
気との境界面に入射する光は内部全反射によって、縁端
部（１ａ）方向に集められる。しかしながら、内部全反
射によって縁端部（１ａ）に集められながら、縁端部（
１ａ）て再反射される場合が存在する。

例えば、樹脂板（１）にポリメチルメタクリレート（以
下、ＰＭＭＡという）を用いた場合を第３図に示す。Ｐ
ＭＭＡの屈折率を７１．Ｒ＝　１　、５　、空気の屈折
率を’１１．Ａ＝　１　、０とすると、θｃ＝４２６と
なる。樹脂板（１）の下面への入射角が４２°以上であ
れば、第３図（、）に示すように、下面で全反射し、縁
端部（１ａ）へ４８°以下で入射する。θｃ−４２°で
あるから、この光は再び縁端部（１ａ）て全反射されて
、上面へ４２°以上で入射するため、再々度全反射とな
る。よって、この繰り返しを行う限り、光は外部へ出る
ことは不可能となり、樹脂板（１）の内部を往復するう
ちに次第に減衰してしまう。

また、樹脂板（１）の下面への入射角が４８°以上であ
れば、第３図（ｂ）に示すように、下面で全反射され、
縁端部（ｌａ）’＼４２°以下で入射する。

樹脂板（１）の下面への入射角が４８°よりも僅かに大
きければ、縁端部（ｌａ）’＼の入射角は逆に４２°よ
りも僅かに小さくなり、この光は透過光となる。さらに
また、樹脂板（１）の下面への入射角が４２°未満であ
れば、全て透過光となり、縁端部（１ａ）へ集光される
ことはない。

以上のことをまとめると、次のようになる。

（八）入射角が、θ・く４２°の光は、縁端部に集光さ
れない。

（Ｂ）入射角が、４２°≦θ≦４８６の光は、縁端部に
集光されるが、縁端部より透過しない。

（Ｃ）入射角が、４８°・くθく９０°の光は、縁端部
に集光されて、縁端部から透過される。

また、このことは樹脂板（１）の上面への入射光や側面
への入射光についても同様に成立する。

蛍光染料の発光は、３６０°立体方向について均一であ
るとすると、縁端部（１ａ）における集光効率は入射角
をθとして、ｃｏｓθて表される。例えば太陽電池を縁
端部（１ａ）に取り付けたときに、蛍光エネルギーの（
１００Ｘｃｏｓθ）％が電気エネルギーへの変換に使わ
れることになる。前例のＰＭＭＡの場合には、ｃｏｓ４
８’玉６７％となる。

しかしながら、実際には、ｃｏｓ４２°均７４％の蛍光
が縁端部（１ａ）に集められており、その内の７％は外
部へ透過しないために、ロスとなっている。そこで、こ
の７％のロスを減少させるために、第４図に示すように
、傾斜角ψ（０くψくπ／２）を持つ縁端部（１１）＞
を用いる。すなわち、第４図においては、縁端部（１ｂ
）を樹脂板（１）の表面とは垂直な面に対して傾斜角ψ
だけ傾斜させている。

まず、第４図（ｂ）の場合について説明する。樹脂板（
１）の下面へ角度θ（θ≧θＣ〉で入射した光は全反射
されて、縁端部（ｌｂ）に角度ξて入射する。このとき
、ξ〈θＣであれば、下面反射光は全て縁端部（１ｂ）
を透過する。ξ−１π／２−ψ−θ１であるから、透過
条件式は次のようになる。

１π／２−ψ−θ１くθＣ・・・■ ここで、 （ａ）π／２−ψ−θ≧Ｏのとき、 つまり、θ≦π／２−ψのとき、 ■式は、ψ〉π／２−θ−θＣ （ｂ）π／２−ψ−θくＯのとき、 つまり、θ）・π／２−ψのとき、 ■式は、ψくπ／２−θ−θＣ となる。下面からの反射光が存在するから、θＣ≦θ≦
π／′２ したがって、 ＝８− （ａ’）Ｏ＜ψのとき、θＣ≦θ≦π／２の範囲て前記
（ａ）の条件ψ〉π／２−θ−θＣが常に成り立つには
、ψ〉π／２−２θＣとなる。

（ｂｏ）ψくπ／２のとき、θＣ≦θ≦π／２の範囲て
前記（ｂ）の条件ψくπ／２−θ−θＣが常に成り立つ
には、ψく一θＣとなる。ここで、θｃ＞０より、ψ〈
Ｏとなり、これは仮定であるＯくψくπ／２に矛盾する
。したがって、（ｂｏ）の条件を満足するψは存在しな
い。

次に、第４図（ａ）の場合について説明する。樹脂板（
１）の上面へ角度θ（θ≧θＣ）で入射した光は全反射
されて、縁端部（１ｂ）に角度ξて入射する。ここて、
縁端部（１ｂ）での全反射の臨界条件は、ξ２α＋ψ−
π／２＋ψ−θ−θＣ１゛、θ＝π／２−θＣ＋ψ＝α
ＩＩＩＩＩＸ＋ψとなり、この角度を境界として、 θ≦αｌｌ１ａＸ＋ψのとき全反射 θ〉ａＩｌｌａＸ＋ψのとき透過となる。

縁端部（ｌｂ）で全反射した光は、樹脂板（１）の下面
へ角度βて入射する。この入射光の透過条件は、 β−１２ψ−θ１・くθＣとなる。

ここで、 （ｃ）２ψ−θ≧０　　　°、θ≦２ψのとき、２ψ−
θくθＣ つまり、ψく（θ十θｃ）／２ （ｄ）２ψ−θ（Ｑ　　　、−、θ〉２ψのとき、２ψ
−θ〉−θＣ つまり、ψ〉（θ−θｃ）／２ となる。上面からの反射光が存在するから、θＣ≦θ≦
π／２ したがって、 （Ｃｏ）ψ≦π／４のとき、前記（ｅ）の条件ψく（θ
十θｃ）／２か、θＣ≦θ≦π／２の範囲て常に成り立
つには、ψくθＣてあれば良い。

（ｄ′）θｃ／２≦ψのとき、前記（ｄ）の条件ψ〉（
θ−θｃ）／２が、θＣ≦θ≦π／２の範囲て常に成り
立つには、ψ〉（π／２−θｃ）／２てあれば良い。

以上をまとめると、 θＣ≦θ≦π／２の範囲で、樹脂板（１）の下面から縁
端部（１ｂ）への入射光と、樹脂板（１）の上面から縁
端部（１ｂ）への入射光及び下面への入射光が全て透過
するための条件は、 （ａ’）Ｏ＜ψ〈π／２のとき、 ψ〉π／２−２θＣ （ｃ’）０＜ψ≦π／４のとき、ψくθＣ（ｄｏ）θｃ
／２≦ψくπ／２のとき、ψ〉（π／２−θＣ）／２ のうち、以下の組み合わせを満足することが必要である
。

（ｉ）条件（ａ゛）と条件（Ｃｏ）の組み合わせ０くψ
≦π／４のとき、 π／２−２θＣ〈ψくθＣ π／４〈ψ〈π／２のとき、 π／２−２θｃくψ （ｉｉ）条件（ａ゛）と条件（ｄｏ）の組み合わせθｃ
／２≦ψ〈π／２のとき、 θＣ≦π／６ならば、 ψく（π／２−θｃ）／２ π／６くθｃくπ／２ならば、 ψくπ／２−２θＣ Ｏくψくθｃ／２のとき、 π／２−２　θｅ＜　ψ 前記条件（ｉ）または（ｉｉ）のいずれかを満たせば、
縁端部（１ｂ）の方向へ集光される光は、縁端部（１ｂ
）及びその近傍（樹脂板（１）の下面部分）から全て出
射される。よって、第４図中の縁端部（１ｂ〉と、下面
の長さＸ　＝　（Ｘ　ｌ＋　Ｘ　２　）の部分に太陽電
池を配置すれば、集光された光を全て発電に使うことが
できる。下面の光出射部の長さＸの最大値Ｘ　ｍａｘは
、 Ｘｍａｘ＝　Ｘ　＋　（ｍａｘ）　＋　Ｘ　２ここで、
Ｘ　、　（ｍａｘ）はＸ、の最大値であり、樹脂板（１
）の板厚をｄ、角度βの最大値をβＩｌｌ　ａ　Ｘとす
ると、 Ｘ　１　（ｍａｘ）　＝　ｄ　“ｔａｎβ１ｎａＸであ
るから、 Ｘｍａｘ＝ｄ（ｔａｎβｍａｘ＋ｔａｎψ）となる。

次に、実施例と比較例を示す。

Ｋ１燵Ｙ 寸法が縦２０　ＯｒＩｌｓ＋、横２００ｍｍ、厚さ１０
ｍ＋ｎのＰＭＭＡよりなる樹脂板（１）の縁端部（１ｂ
）を第１図に示すように傾斜角ψで傾斜させた。このＰ
ＭＭＡ内には、蛍光染料として”０ＲＡＮＧＥ２４０“
（商品名、ＢＡＳＦ社製）の０．００２重量％相当量が
含まれている。ＰＭＭＡの屈折率ｎａ＝１．５と空気の
屈折率７′ｌ、Ａ−１，０より臨界角はθＣξ４２°と
なる。傾斜角ψは条件（ｉ）の０くψ≦π／４のとき、 π／２−２θＣくψくθＣ ６＠くψく４２＠ より、ψ−１０°とした。

縁端部（１ｂ）で反射して下面へ入射する光の最大角は
、 βｍａｘ＝　ｌξｍｉｎ＋ψ−π／２＋＝ＩｏＣ＋ψ−
π／２１ 一１４２°＋１０°−９０６１ ＝３８６ 一１２＝ であるから、下面の光出射部の最大長さＸ＋＋＋ａｘ＝
ｄ（ｔａｎβｍａｘ＋　ｔａｎψ）−１０（ｊａｎ３８
’　＋ｊａｎｌＯ’　）−９、６（ｍｍ） となる。よって、第１図に示すように、樹脂板（１）の
縁端部（１ｂ）に長さＬ＋””　１０．０ＩＯｍの太陽
電池（Ｓ、）を、下面の光出射部に長さＬ２＝　１０．
０ｍｍの太陽電池（Ｓ２）をそれぞれ取り付けて、太陽
光の下で発電量ｐ（ｗ）を測り、その結果を第１表に示
した。

Ｋ１鮭λ 実施例１において、下面取り付けの太陽電池（Ｓ２）を
長さＬｚ＝６．０ｍｌ１１とした以外は、実施例１と同
じ条件で太陽電池（Ｓｌ）、（Ｓ２）を取り付け、太陽
光の下で発電量Ｐ（Ｗ）を測り、その結果を第１表に示
した。

Ｌ１九り 実施例１において、傾斜角ψをＯｏとした以外は、実施
例１と同じ条件で太陽電池（ｓ＋）、（Ｓ２）を取り付
け、太陽光の下で発電量ｐ（ｗ）を測り、その結果を第
１表に示しな。

比１Ｕ殊７エ 実施例２において、傾斜角ψをＯｏとした以外は、実施
例２と同じ条件で太陽電池（Ｓｌ）、（８２）を取り付
け、太陽光の下で発電量ｐ（ｗ）を測り、その結果を第
１表に示した。

第１表 第１表から明らかなように、同一面積の太陽電池を取り
付けた場合には、縁端部に傾斜を設けた方が約１０％程
度発電量が多くなっており、集光性能がより良好となる
ことが分かる。

（発明の効果） 本発明は上述のように、透光性媒質内の全反射を利用し
て前記透光性媒質の縁端部に光を集光するようにした集
光器において、縁端部を透光性媒質の全反射面と垂直な
方向に対して傾斜させたから、縁端部に集光された光を
効率良く外部へ放射させることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図及び第３図
（ａ）（ｂ）は従来例の動作説明図、第４図（ａ）（ｂ
）は本発明の動作説明図である。 （１）は樹脂板、〈１ｂ）は縁端部である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）透光性媒質内の全反射を利用して前記透光性媒質
   の縁端部に光を集光するようにした集光器において、縁
   端部を透光性媒質の全反射面と垂直な方向に対して傾斜
   させたことを特徴とする集光器。
2. （２）透光性媒質が樹脂、ガラス及びその複合体のいず
   れかであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の集光器。
3. （３）蛍光物質を透光性媒質の内部に含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の集光器。