JP2006322696A - 反射鏡とレンズの組み合わせによる太陽熱利用の蓄熱保温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放物面反射鏡で太陽光を集めその熱エネルギーを利用する太陽熱利用に関する装置において、太陽光の照射対象物が挿入された蓄熱保温炉に収束する太陽光の円錐角度の大きい光束を炉の奥まで導き入れることと、且つ蓄熱保温炉そのものが放物面反射鏡に入射する太陽光束を遮ることによる光量損失という反射鏡光学系の特有の構造上欠点を同時に解決すること。
【解決手段】楕円反射鏡（４）を内壁に持つ蓄熱保温炉（８）を挟み放物面反射鏡（１）と凸レンズ（６）を同一光軸上に配置し、楕円反射鏡の第一焦点（３）と放物面反射鏡焦点（３）を合致させることでその焦点を蓄熱保温炉奥の楕円反射鏡第二焦点（５）まで導き入れ、また蓄熱保温炉（８）の遮蔽による光量損失を補うため凸レンズ（６）を用いその焦点を楕円第二焦点（５）に合致させることでこの課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射鏡およびレンズを組み合わせた光学系を用い太陽光を集光して生じた高温度の熱量を蓄熱保温し、その熱エネルギーを提供する太陽熱利用の自然熱エネルギー発生装置に関するものである。

従来から、反射鏡の集光作用によって得た太陽熱エネルギーを熱源とし発電ボイラーや温水器などに利用する装置は、反射鏡の焦点をこれら利用対象の器具や機械装置等の照射対象物へ直接照射するもの、または照射対象物を断熱材を素材とする蓄熱保温炉に挿入した上で太陽光を蓄熱保温炉に導き入れるものなどがある。ただし直接照射する方式のものは対象物が常時外気に触れているため熱放出が著しく、太陽熱の利用効率が悪い。また天候条件の悪化で太陽光の照射が一時途絶えた際の急激な温度降下などを避けるため、暫時は炉内部の熱を保存できるよう考案された蓄熱保温炉を用いるものが一般的である。

反射鏡で太陽光を集め収束させ、その熱エネルギーを最大限効率よく利用するためには反射鏡の口径は大きく焦点距離を短くする、すなわち反射鏡口径比を極力小さくしなければならない。しかしその反射鏡口径比を小さくするほど、円錐状に収束する太陽光束の円錐角度が大きく広がるため、その焦点を効率よく蓄熱保温するための炉内部の奥へに導き入れることが構造上困難になってゆく。（図２の１１、１２参照）

また、反射鏡光学系の構造上の欠点として、反射鏡の焦点位置は光が入射する側に作られるので、その焦点を利用するために置かれる装置は蓄熱保温炉も含めて全て反射鏡に入射する光を自ずからさえぎる遮蔽物となり、その分の光量の損失を生じていた。（図２の１０参照）

本発明はそれらの欠点を除くためになされたものであり、蓄熱保温炉の内壁を楕円形状の反射鏡とし、その楕円鏡の二つの焦点の下方にある第一焦点位置に放物面反射鏡焦点を同一光軸上に合致させる。これにより放物面反射鏡によって集光された光束は楕円鏡第一焦点を通過し、一旦散乱したのち楕円反射鏡面で反射され再び楕円鏡上方にある第二焦点に集光する。

一方、楕円反射鏡を内壁に持つ蓄熱保温炉の外部上方には放物面反射鏡および楕円反射鏡と同一光軸上に凸レンズを配置し、凸レンズの焦点と楕円反射鏡の第二焦点とを合致させる。これによって凸レンズに入射する光束は凸レンズによって収束し、蓄熱保温炉と楕円反射鏡上部に開けられた穴を通り炉内部の楕円反射鏡の第二焦点に集光する。すなわち放物面反射鏡によって収束された光束も凸レンズによって収束された光束も全て楕円反射鏡の第二焦点に集められる。また凸レンズの口径は放物面反射鏡射光束の遮蔽物となる円筒形の蓄熱保温炉の直径に等しい口径を持つ。

蓄熱保温炉の内壁を楕円反射鏡とし、その楕円第一焦点に放物面反射鏡焦点を同一光軸上で合致させることによって収束された光束を楕円反射鏡第二焦点へ集め、口径比の小さい、すなわち円錐角の広い放物面反射鏡光束の焦点を蓄熱保温炉の奥部まで導くことができる。また楕円反射鏡は蓄熱保温炉に覆われており、集められた太陽熱は外気に放出されることなく炉内部奥の楕円反射鏡第二焦点に導かれた太陽熱を閉じこめる構造となり熱エネルギー利用の効果は大である。

放物面反射鏡に入射する太陽光の遮蔽物となる蓄熱保温炉に対し、その遮蔽面積に等しい凸レンズを蓄熱保温炉の上方に配置し、その凸レンズ焦点と楕円反射鏡第二焦点を一致させることにより、反射鏡光学系の構造上特有の遮蔽による光量損失という欠点を補うことが出来る。また凸レンズは放物面反射鏡の遮蔽となる物体の平面積の分を補う大きさがあればよく、大きなレンズ材料を要せず製作技術や製作コストについて特に多大な負担を生じさせない。

本発明の実施例として図１によって以下説明すれば、放物面反射鏡入射光束（２）は放物面反射鏡（１）によって反射集光され、放物面反射鏡焦点（３）に収斂する。その放物面反射鏡焦点（３）は楕円反射鏡（４）の第一焦点と同一光軸上で一致しているので、すべての光線は放物面反射鏡焦点（３）を通過したのち一旦散乱し楕円反射面上で反射され楕円反射鏡第二焦点（５）に再び収斂される。楕円反射鏡（４）は内部の太陽熱を損失しないように外周を断熱材で作られた蓄熱保温炉（８）によって覆われている。

一方、蓄熱保温炉（８）によって遮られる部分の凸レンズ入射光束（７）は、蓄熱保温炉（８）上方の同一光軸上に配置された凸レンズ（６）によって収束され、炉上部穴（９）を通過して楕円反射鏡第二焦点（５）にその焦点を結ぶ。凸レンズ（６）から楕円反射鏡第二焦点（５）までの距離は凸レンズ（６）の焦点距離に等しく、凸レンズ（６）の口径面積は蓄熱保温炉（８）の平面積に等しい。これによって放物面反射鏡に入射する太陽光の蓄熱保温炉（８）が遮ることによって生じる光量損失を全て補うことができる。

本発明に係わる放物面反射鏡（１）、楕円反射鏡（４）、蓄熱保温炉（８）および凸レンズ（６）は工業的に量産することが可能であるため、産業上の利用可能性を有する。

本発明のレンズおよび反射鏡群の配置構造と光線経路を示す正面断面図である。 反射鏡光束の円錐角度の小さい場合と大きい場合の光路の違いを説明する関係図である。

符合の説明

１ 放物面反射鏡
２ 放物面反射鏡入射光束
３ 放物面反射鏡焦点および楕円反射鏡第一焦点
４ 楕円反射鏡
５ 凸レンズ焦点および楕円反射鏡第二焦点
６ 凸レンズ
７ 凸レンズ入射光束
８ 蓄熱保温炉
９ 炉上部穴
１０ 蓄熱保温炉によって遮蔽された入射光束部分
１１ 口径比の小さい放物面反射鏡による円錐状光束
１２ 口径比の大きい放物面反射鏡による円錐状光束
１３ 照射対象物

Claims (1)

1. 楕円反射鏡を内壁に持ち断熱材を素材とする蓄熱保温炉を挟んで放物面反射鏡と凸レンズを同一光軸上に配置し、楕円反射鏡の内部に生じる二つの焦点の一つである第一焦点と放物面反射鏡焦点を合致させ、且つ楕円反射鏡の片方の焦点である第二焦点と凸レンズ焦点を合致させて構成される太陽熱利用の蓄熱保温装置。

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