(57)【要約】【課題】入射光の反射、屈折および後方散乱を最小限にし、それによって集光装置の集光効率を高める。【解決手段】光処理ユニット２３と組み合わされる集光装置２であって、集光装置２は、フレネルレンズユニット２１、反射防止層２２および光処理ユニット２３から構成され、フレネルレンズユニット２１は、光入射面２１１および光放出面２１２を有する。光処理ユニット２３は光放出面２１２に対応して位置決めされ、フレネルレンズユニット２１からの光を受信し、光の伝導または光電変換を行う。反射防止層２２は、フレネルレンズユニット２１の光入射面２１１上に位置決めされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光処理ユニットと組み合わされる集光装置であって、
前記集光装置は、フレネルレンズユニットおよび反射防止層を備え、
前記フレネルレンズユニットは、光入射面および光放出面を有し、光処理ユニットが前記光放出面上に対応して位置決めされ、前記フレネルレンズユニットから放出された光の伝導または光電変換を行い、
前記反射防止層は、前記フレネルレンズユニットの光入射面上の所定位置に位置決めされることを特徴とする集光装置。
【請求項２】
前記フレネルレンズユニットは、少なくとも一つのフレネルレンズから構成されることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つのフレネルレンズは、リニアフレネルレンズまたは同心円状のフレネルレンズであることを特徴とする請求項２記載の集光装置。
【請求項４】
前記フレネルレンズユニットは、複数のフレネルレンズから構成されることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項５】
前記反射防止層は、複数の光学サブ層から形成されることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項６】
前記光学サブ層は、お互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項５記載の集光装置。
【請求項７】
前記反射防止層は、二酸化珪素、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、フッ化アルキルポリエーテル化合物またはパーフルオロアルキルエーテル化合物および塩から製造されることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項８】
前記反射防止層は、前記光入射面上に被覆されることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項９】
前記光処理ユニットは、光ファイバケーブル、太陽電池ユニットまたは光電変換素子であることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項１０】
前記集光装置は、太陽光集光装置であることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項１１】
光入射面および光放出面を有するフレネルレンズユニットと、
前記フレネルレンズユニットの光入射面上に位置決めされる反射防止層と、
前記光放出面に対応して位置決めされ、前記フレネルレンズユニットからの光を受信して光の伝導または光電変換を行う光処理ユニットと、を備えることを特徴とする集光装置。
【請求項１２】
前記フレネルレンズユニットは、アレイ状に配置された複数のフレネルレンズから構成されることを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
【請求項１３】
前記反射防止層は、複数の光学サブ層から形成されることを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
【請求項１４】
前記光学サブ層は、お互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１３記載の集光装置。
【請求項１５】
前記反射防止層は、二酸化珪素、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、フッ化アルキルポリエーテル化合物またはパーフルオロアルキルエーテル化合物および塩から製造されることを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
【請求項１６】
前記反射防止層は、前記光入射面上に被覆されることを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
【請求項１７】
前記光処理ユニットは、光ファイバケーブル、太陽電池ユニットまたは光電変換素子であることを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集光装置に関し、特に、太陽光集光装置として使用される集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギは天然且つ再利用可能なエネルギ源であり、光電変換を通じて電気などの有用なエネルギを生成することができる。太陽エネルギは汚染が無く、容易に使用でき、無尽蔵であるので、人類にとって重要な代替エネルギとなっている。しかし、従来技術による太陽エネルギシステムにおいては、表面を被覆するアレイに関する欠点および低密度で低稼働率であるという問題を有する。また、従来技術による太陽エネルギシステムの光電交換効率は、太陽電池の材料、入射される太陽光の方向に対応するソーラアレイの位置、ソーラアレイを設置可能な空間および定常的に利用可能な太陽光の量などによって決定される。
【０００３】
集光システムまたは集光装置は、小さな空間で太陽エネルギを光エネルギに変換し、高密度で高稼働率を有することが理想とされる。
【０００４】
図１は従来技術による集光装置１を示し、集光レンズユニット１１および光ファイバケーブル１３を備える。集光装置１は太陽光集光装置であり、集光レンズユニット１１は光入射面１１１および光放出面１１２を有する凸レンズである。太陽光などの光Ｌは光入射面１１１を通過した後、集光され、凸レンズの光放出面１１２から放出される。集光された光Ｌは光ファイバケーブル１３に導入され、光ファイバケーブル１３によって目的地に運ばれ、光電変換が行われる。
【０００５】
しかし、従来技術による集光装置１の集光レンズユニット１１は凸レンズから構成され、レンズ自体に傷がある場合、レンズを通過する光エネルギの全てを集光して光ファイバケーブル１３に伝導することができない。必然的に、レンズを通過する一部の光は集光工程において、反射または屈折し、意図する光ファイバケーブル１３に伝導されない。また、従来技術による光学使用される凸レンズは通常、ガラスから構成され、必要とする形状にするために研磨が必要であり、それによってコストが高くなり、特に精密で複雑な工程によってレンズを製造する場合、コストがより高くなる。
【０００６】
従って、通過光の反射、屈折または後方散乱を防止し、集光装置の集光効率を高めることができる集光装置を設計することは重要である。
【特許文献１】特開２００８−１８７１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、入射光の反射、屈折および後方散乱を最小限にし、それによって集光装置の集光効率を高めることができる集光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明は、光処理ユニットと組み合わされる集光装置を提供するものであり、集光装置は、フレネルレンズユニットおよび反射防止層を備える。フレネルレンズユニットは光入射面および光放出面を有し、光処理ユニットが光放出面上に設置され、フレネルレンズユニットから放出された光の伝導または変換を行う。反射防止層は光入射面上に設置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の集光装置にはフレネルレンズユニットが提供され、光入射面上には反射防止層が設置されて光の反射が低減され、光を光処理ユニットに進入させる。従来技術による集光装置と比較して、本発明の集光装置は反射または屈折による進入した光のロスが少なく、良好な集光効果および集光効率を有する。また、フレネルレンズは射出成形またはその他の成形技術によって形成され、それによって様々な種類の設計を行うことができるだけでなく、複雑または精密な製造工程を必要とすることなく、大量生産を実現でき、製造コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の目的、特徴および効果を示す実施例を図に沿って詳細に説明する。同一の部材は同一の符号を用いて示す。
【００１１】
図２に示すように、本発明の第１の実施例による集光装置２は、フレネルレンズユニット２１、反射防止層２２および光処理ユニット２３を備える。本実施例において、集光装置２は、太陽エネルギ、或いは特定の点または区域からの光を直接入力するように設計された太陽光集光装置である。
【００１２】
フレネルレンズユニット２１は、光入射面２１１および光放出面２１２を有し、光入射面２１１は少なくとも一つのフレネルレンズから構成される。また、他の形態のフレネルレンズを使用することができ、光入射面２１１は、単一のフレネルレンズ（図２を参照）、或いは複数のリニアフレネルレンズまたは同心円状のフレネルレンズ２１１’が設置されたアレイから構成することができ、アレイ内での位置および光処理ユニット２３からの距離によって、各フレネルレンズ２１１’は一つまたは複数の焦点距離を有する（図４を参照）。フレネルレンズは、リニアフレネルレンズまたは同心円状のフレネルレンズだけに制限されない。
【００１３】
図２に示すように、例えば太陽光である光Ｌが通過する反射防止層２２によって、光Ｌはフレネルレンズユニット２１に容易に進入するが、反射または後方散乱が低減され、それによって集光効率を高めることができる。反射防止層２２はフレネルレンズユニット２１の光入射面２１１の外部全体に配置される単一ユニットとして形成することができる。また、図４に示すように、反射防止層２２は小さな反射防止層エレメント２２’とすることができ、各反射防止層エレメント２２’は各フレネルレンズ２１１’と対応するように所定位置に位置決めされ、反射防止層２２の各反射防止層エレメント２２’はすべて光入射面２１１表面の各フレネルレンズ２１１’に対応するように配置される。反射防止層２２が大きな単一部材である場合、反射防止層２２は従来技術である粘着剤および取付部材（例えば、ねじ、クリップまたはブラケット）によって光入射面２１１に粘着することができる。
【００１４】
または、図５に示すように、反射防止層２２”は光入射面２１１上全体に被覆することができ、反射防止層２２”の他側が光入射面２１１の形状に対応するように配置することができる。
【００１５】
反射防止層２２は、単一の光学層または異なる屈折率を有する複数の光学サブ層から構成することができる。図３に示すように、反射防止層２２は光学サブ層２２１、２２２、２２３から構成することができ、各サブ層は、それぞれ屈折率を有し、フレネルレンズユニット２１の対応する部分の位置、フレネルレンズユニット２１内の対応するフレネルレンズ２１１’の位置またはフレネルレンズユニット２１内の対応するフレネルレンズの設計によって発生する不用な反射または屈折を低減できるように形成、選択または修正が行なわれる。
【００１６】
単一層構造の場合、反射防止層２２、２２”、反射防止層エレメント２２’は、二酸化珪素、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、フッ化アルキルポリエーテル化合物および塩、パーフルオロアルキルエーテル化合物またはそれらを組み合わせたものから製造することができる。複数層構造の場合、各光学サブ層２２１、２２２、２２３は上記の材料によって形成することができ、それによって、反射防止層２２、２２”、反射防止層エレメント２２’は二つまたはそれ以上の異なる材料を組み合わせたものとすることができ、それぞれ特定の光学特徴を有し、反射防止層の効果を提供し、二酸化珪素層と二酸化チタン層を組み合わせたものを含む。反射防止層の各形態は、反射防止層が使用される特定の実施例に基づいて、上記およびその他の材料を組み合わせたものから形成することができる。例えば、反射防止層２２は単一の材料または接合または粘着された複数の層（図３を参照）から形成することができる。また、各反射防止層エレメント２２’は単一の材料または異なる材料の複数の層から形成することができる。単一の材料を使用するか、複数の材料を使用するか、どの組み合わせまたは材料を使用するか、などは、反射防止層エレメント２２’が結合される複数のフレネルレンズアレイ内のフレネルレンズ２１１’の特定の位置およびフレネルレンズ２１１’の特定の場所に望まれる屈折率によって決定される。また、反射防止層２２”は単一の材料から製造される単一の被覆層または複数の材料からなる複数の被覆層から形成することができる。単一の材料を使用するか、複数の材料を使用するか、どの組み合わせまたは材料を使用するか、などは、反射防止層２２”が被覆されるフレネルレンズ２１１の特定の区域およびその区域に望まれる屈折率または反射防止層エレメント２２’が接合される複数のフレネルレンズアレイ内のフレネルレンズ２１１’の特定の位置およびフレネルレンズ２１１’の特定の位置に望まれる屈折率によって決定される。
【００１７】
反射防止層２２、２２”、反射防止層エレメント２２’の実際の設計および屈折率の選択は、従来技術に属するものであるので、反射防止層２２、２２”、反射防止層エレメント２２’または光学サブ層２２１、２２２、２２３の製造工程の説明は行わない。
【００１８】
上述の実施例において、光処理ユニット２３は集光装置２と組み合わされ、更に詳細に述べると、フレネルレンズユニット２１の光放出面２１２に対応するように固定される。一実施例において、図６に示すように、光処理ユニット２３およびフレネルレンズユニット２１は固定された距離Ｄの間隔でケーシング内に固定される。距離Ｄはフレネルレンズユニット２１から光処理ユニット２３までの集光を効果的にする距離であり、利用可能なサイズおよび／または空間などの制限が考慮され、集光装置２の特定の用途に基づいて距離Ｄが決定される。一実施例において、距離Ｄは１ｍｍから１０００ｍｍとすることができる。
【００１９】
ケーシング２４は、光Ｌが光処理ユニット２３から離れた方向に導かれるのを防止するために、不透明材料から形成することができ、円錐形または角錐形にすることができる。ケーシング２４の大端部にフレネルレンズユニット２１が固定され、光処理ユニット２３がケーシング２４の小端部に固定される。また、ケーシング２４の内部表面２４１には反射面または屈折面を形成することができ、それによって光Ｌがフレネルレンズユニット２１から光処理ユニット２３に更に導かれる。反射面または屈折面であるケーシング２４の内部表面２４１の材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、その他研磨された金属またはその他金属材料を含む。ケーシング２４内部は真空にしたり、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素または屈折率が１以上２未満である気体を充満させたりすることができ、気体は少なくとも光の伝導を妨げないもの選択され、好ましくは光の伝導を強化できるものが選択される。
【００２０】
または、図７に示すように、光処理ユニット２３およびフレネルレンズユニット２１は、固定された距離Ｄ’の間隔でライトパイプ２５の両端に固定することができ、距離Ｄ’はライトパイプ２５の長さである。ケーシング２４の実施例において、距離Ｄ’はフレネルレンズユニット２１から光処理ユニット２３までの集光を効果的にする距離であり、利用可能なサイズおよび／または空間などの制限が考慮され、集光装置２の特定の用途に基づいて距離Ｄが決定される。一実施例において、距離Ｄ’は１ｍｍから１０００ｍｍとすることができる。ライトパイプ２５の材料は、従来技術におけるライトパイプの原料を選択することができ、アルミニウム、チタン、ニッケルおよび銅などの研磨金属、プラスチック、ポリカーボネートおよびＰＭＭＡなどのポリマーまたはポリマー状物質などから製造される。ライトパイプ２５の形状は光Ｌのフレネルレンズユニット２１から光処理ユニット２３への伝導を効果的にする形状が選択され、円錐形、角錐形またはその他の形状を含む。フレネルレンズユニット２１はライトパイプ２５の大端部に固定され、光処理ユニット２３はライトパイプ２５の小端部に固定される。ライトパイプ２５がプラスチック、ポリマーまたはポリマー状物質から製造される場合、ライトパイプ２５の外部表面２５１は反射または屈折材料２５２によって被覆され、光Ｌをフレネルレンズユニット２１から光処理ユニット２３へと更に導く。反射または屈折材料２５２は、銀、金、銅、アルミニウム、チタン、ニッケルまたはそれらの材料を組み合わせたものを含む。
【００２１】
また、図８に示すように、集光装置２は、直列またはアレイ状にフレーム２６に固定された複数のフレネルレンズユニット２１を有する構造にすることができる。フレネルレンズユニット２１からの光Ｌを受信するために、フレネルレンズユニット２１の下方には対応する数量の光処理ユニット２３が設置される。光処理ユニット２３はフレーム２６または基台２７上に固定され、上方のフレネルレンズユニット２１から距離Ｄの位置に位置決めされる。フレネルレンズユニット２１を有するフレーム２６と光処理ユニット２３を有する基台２７との間の空間Ｓは、他の実施例と同様にすることができ、左側が開放された構造、真空に密封された構造、不活性ガスが密封された構造、光Ｌを導く物体が設けられた構造（図６を参照）また光Ｌを導くライトパイプが設けられた構造（図７を参照）にすることができる。
【００２２】
一実施例において、光処理ユニット２３は光Ｌの受信および伝導を行う位置に位置決めされた光ファイバケーブルとすることができる（図２を参照）。上述のように、例えば太陽光である光Ｌが通過する反射防止層２２によって、光Ｌはフレネルレンズユニット２１に容易に進入するが、反射が低減され、それによって集光効率を高めることができる。集光された後、光Ｌは光放出面２１２を経由して光処理ユニット２３に導かれ、光処理ユニット２３の光ファイバケーブルによって光電変換ユニット（図示せず）に伝導され、光処理ユニット２３から出力された光Ｌは電力に変換され、使用または貯蔵される。
【００２３】
図９に示すように、光Ｌの集光を高めるために、凸レンズをフレネルレンズユニット２１と光処理ユニット２３との間に配置することができる。フレネルレンズユニット２１を通過する略平行の光Ｌは凸レンズによって光処理ユニット２３の狭い区域または単一点に集中される。
【００２４】
図１０に示すように、凹レンズをフレネルレンズユニット２１と光処理ユニット２３との間に配置することができる。光が集中される方向または非平行にフレネルレンズを通過する光Ｌは、凹レンズによって集中され、光処理ユニット２３に平行に進む。また、フレネルレンズユニット２１の光放出面２１２に凸レンズまたは凹レンズを組み合わせることができる。このような構造のフレネルレンズユニット２１は、他の実施例においても使用することができ、少なくとも一つのフレネルレンズを有する光入射面２１１および凸レンズまたは凹レンズを有する光放出面２１２から構成される。これらの構造は一実施形態であり、光が光処理ユニット２３の一点に集中される場合および平行に進入する場合を図１２、１３にそれぞれ示す。
【００２５】
図１１に示すように、本発明の第３の実施例による集光装置３は、フレネルレンズユニット３１、反射防止層３２および光処理ユニット３３を備え、フレネルレンズユニット３１および反射防止層３２の技術的特徴は前述のフレネルレンズユニット２１および反射防止層２２と同一であるので、説明は行わない。例えば、光入射面３１１および光放出面３１２はそれぞれ光入射面２１１および光放出面２１２と同一である。集光装置３の前述の集光装置２と異なる点は、光処理ユニット３３が太陽電池ユニットまたは光電変換ユニットである点である。反射防止層３２およびフレネルレンズユニット３１を通過する光Ｌは、光電変換が行われる太陽電池ユニット上に直接集光される。
【００２６】
図１１に示す構造において、ケーシング２４またはライトパイプ２５を使用することができる（図４、５を参照）。ライトパイプ２５を使用した場合、ライトパイプ２５の形状は光Ｌを光処理ユニット３３表面全体に照射する構造を選択することができ、それによって集光効率および光電変換効率が高められる。
【００２７】
光処理ユニット２３、３３のタイプによって決定されるフレネルレンズユニット２１、３１は、光Ｌを一点に集中させるように設計される（図１２を参照）か、または光Ｌを平行に伝導するように設計される（図１３を参照）。上記実施例に示すように、光Ｌを一点に集中させるフレネルレンズユニット２１、３１の場合、光処理ユニットは単一の光ファイバケーブル（図２を参照）、小さな光ファイバケーブルの束または小さな太陽電池ユニット（図１１を参照）とされる。光Ｌを平行に伝導するフレネルレンズユニット２１、３１の場合、光処理ユニットは大きな光ファイバケーブルの束または太陽電池ユニットアレイとされる。
【００２８】
図１４は本発明の第４の実施例を示し、集光装置４は、フレネルレンズユニット４１、光処理ユニット４３および光処理ユニット４３に設置される反射防止層４２から構成される。フレネルレンズユニット４１を通過する光Ｌは、反射防止層４２によって、光処理ユニット４３に容易に進入するが、反射または後方散乱が低減され、それによって集光効率を高めることができる。反射防止層４２は光処理ユニット４３に配置される単一ユニットとして形成することができる。前述の他の実施例に示すように、反射防止層４２は大きな単一部材とすることができ、反射防止層４２は従来技術である粘着剤および取付部材（例えば、ねじ、クリップまたはブラケット）によって光処理ユニット４３に粘着することができる。
【００２９】
または、反射防止層４２は光処理ユニット４３上に被覆することができる。また、反射防止層４２は、単一の光学層、または、図７に示すように、異なる屈折率を有する複数の光学サブ層から構成することができる。反射防止層４２の単一層および複数層の材料および構成は前述の他の実施例の反射防止層２２、３２と同一であるので、説明は行わない。
【００３０】
本発明の集光装置は、フレネルレンズが提供され、光入射面には反射防止層が設置されて光の反射を低減し、光を光処理ユニットに導入する。従来技術による集光装置と比較して、本発明の集光装置は反射または後方散乱による進入光のロスが少なく、良好な集光効果および集光効率を有する。また、フレネルレンズは射出成形またはその他の成形技術によって形成され、それによって様々な種類の設計を行うことができるだけでなく、大量生産を実現でき、製造コストを低減できる。
【００３１】
上述の説明は本発明の実施例を説明するものであり、その目的は当該技術に熟知する者が本発明の内容を容易に理解して実施することにあり、本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明の主旨に基づく修飾または変更はすべて本発明の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術による集光装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施例による集光装置を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例による集光装置の反射防止層を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例による集光装置を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施例による集光装置の他の形態を示す模式図である。
【図６】本発明の集光装置のフレネルレンズユニットと光処理ユニットの取付構造の第１の実施例を示す模式図である。
【図７】本発明の集光装置のフレネルレンズユニットと光処理ユニットの取付構造の第２の実施例を示す模式図である。
【図８】本発明の集光装置の複数のフレネルレンズユニットと対応する光処理ユニットの取付構造の第３の実施例を示す模式図である。
【図９】本発明の凸レンズを備える場合の集光装置のフレネルレンズユニットと光処理ユニットの取付構造の実施例を示す模式図である。
【図１０】本発明の凹レンズを備える場合の集光装置のフレネルレンズユニットと光処理ユニットの取付構造の実施例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第３の実施例による集光装置を示す模式図である。
【図１２】本発明のフレネルレンズユニットが光を一点に集中させる状態を示す模式図である。
【図１３】本発明のフレネルレンズユニットが光を平行に伝導する状態を示す模式図である。
【図１４】本発明の第４の実施例による集光装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
２  集光装置
２１、３１、４１  フレネルレンズユニット
２１１、３１１  光入射面
２１１’ フレネルレンズ
２１２、３１２  光放出面
２２、２２”、３２、４２  反射防止層
２２’ 反射防止層エレメント
２２１、２２２、２２３  サブ層
２３、３３、４３  光処理ユニット
２４  ケーシング
２４１  内部表面
２５  ライトパイプ
２５１  外部表面
２６  フレーム
２７  基台
Ｌ  光
Ｄ、Ｄ’  距離
【図１】
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【図２】
2009037242.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009037242.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009037242.tif 000011
【図１０】
2009037242.tif 000012
【図１１】
2009037242.tif 000013
【図１２】
2009037242.tif 000014
【図１３】
2009037242.tif 000015
【図１４】
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【外国語明細書】
2009037242000001.pdf