JP2008066133A - 集光方法および集光板 - Google Patents

Abstract

【課題】 広角広範囲の光線を集光する方法としてレンズやプリズム、反射鏡などを組み合わせる方法が実用されているが、太陽光を集光しようとすると季節や時刻によって光線方角が変わるため、集光には太陽を追尾する装置が必要であった。方角や高度に関係なく太陽光を集光できる集光方法と、これを応用した太陽集光搭を提供することが課題である。
【解決手段】 広い角度からの入射光線を整流ユニットで入射面に垂直な光線に段階的に集束して集光し、漏れた光線を次段の整流ユニットで順次に集束させる方法で集光する。太陽光の集光には集光した水平方向の光線を光角転換板で地上面に照射する。集光搭の外壁面に太陽集光板を配置することで太陽の追尾装置を必要とすることなく全高度全方角からの太陽光や散乱光を集光することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光線など広角広範囲からの光線の進行方向を段階的に絞り込んで集光する集光方法と、この集光方法に基ずく集光板、並びに太陽光を集光するための太陽集光板に関するものである。

太陽電池を使って太陽光から発電する装置においては、季節や時刻によって変動する太陽の高度や方角を考慮して、平面的な太陽電池の発電効率が最も高くなるように、南向きに傾斜させて設置する方法が一般的に用いられているが、発電量が太陽電池の太陽に対する方角の投影面積に比例するため、太陽に向かって太陽電池を積層しても無意味であり、発電量を確保するには電池が重ならないように広い敷地面積に太陽電池を広げるように設置する必要があった。設置面積を節減するために、適当な間隔を保って太陽電池を多段に積み重ねる方法が考えられるが、上段の電池に太陽光が遮られて下段電池の発電効率が極端に低下するため、結果的にコスト高になる不都合があった。

また、太陽電池に太陽光を直接照射させる上述のような方法の他に、反射鏡やプリズム、レンズを組み合わせるなど、何らかの光学デバイスを用いて太陽光を集光して太陽電池に照射させる集光式太陽光発電法がある。しかし、いずれの方法においても効率を高めるために太陽追尾装置によって太陽を常に追跡する必要があった。

このため、太陽の方角や高度に関係なく集光できる集光板を所定の間隔を保って搭状に積層して太陽光線を集光し、この光線を塔下面の太陽電池に照射して発電する方法の集光搭が提案されている。
特願２００６−２１９１０５ 集光板

しかし、前記提案の方法では、塔の上方から射し込む直射光が下段の集光板を透過して太陽電池に到達する構成であるため、多段の集光板を透過する光線は、集光板毎の機構的な光線処理損失や構成部材の表面反射損失、材料自体の光線透過損失などを段数分だけ繰り返し受け、結果的にかなりの損失が発生して実用効率を低下させる恐れがあった。太陽追尾装置を必要とせず、全方角から集光できて効率の高い集光方法の開発が課題である。

全高度全方角からの太陽光線を集光して太陽電池に供給するために、集光搭の外周面にほぼ垂直に太陽集光板を配置し、朝夕の水平方向からの太陽光でも真昼の上空からの太陽光でも、全てを上下方向の光線に変換して太陽電池に照射できる集光方法と太陽集光板によって前記課題を解決するものである。

本発明の集光板に用いる集光方法は、広い方角からの光線を少しずつ絞り込んで集束させる整流ユニットを多段に連結して段階的に集光する集光方法で、整流ユニットを連結してなる整流板と、整流板を積層してなる集光板、集光板から照射される光線を任意の方角に方向転換させる光角転換板、光角転換板と集光板を重ね合わせた太陽集光板、並びに太陽集光板を使った太陽集光搭を提案するものである。

本発明の集光方法は、光線の入射面と、入射面に平行する放射面と、傾斜する上下の整流面で囲まれた仮想平行四辺形の整流ユニットにおいて、入射面の上端から入射面に垂直に入射する入射光線が上側の整流面と下側の整流面で全反射した後に上側の整流面に当たる点を放射面の上端に、入射面の下端から入射面に垂直に入射する入射光線が上側の整流面で全反射して、入射面の上端から最大角度で入射する入射光線と交差する点を放射面の下端に設定し、入射光線を入射面に垂直の光線から整流面の傾斜角度に相当する角度範囲に集光することを特徴とする集光方法で、この整流ユニットを入射光線の角度範囲が広い順に連結して整流板を形成し、各整流ユニットに最大角度で入射する入射光線を、段階的に狭めて入射面に垂直な光線に整流することを繰り返して集光する方法である。従って整流板で整流できる入射光線の範囲は高度で０〜９０度の光線である。集光板は整流板を無数に積層して構成された外見的には四角形の平板となる。プラス９０度からマイナス９０度の全方角からの光線を集光するには整流面の傾斜が逆向きの集光板を２枚重ねにすればよい。

集光板から照射される光線は放射面にほぼ垂直な光線となるが、光角転換板を用いて任意の方角に方向転換させることができる。転換ユニットは入射光線の入射面と、入射面に平行する放射面と、傾斜する上下の転換面で囲まれた平行四辺形で、転換面の傾斜角度を転換させたい角度のほぼ２分の１の角度とし、転換ユニットの長さを入射面に垂直に入射する入射光線の全てが、転換面で全反射する点までの長さとしたもので、光角転換板は転換ユニットを積層したものである。また、太陽集光板は集光板と光角転換板を組み合わせて、集光板から照射される光線の方角を転換するように構成したものである。

整流板は均質な透明材料で形成された厚みの等しい湾曲した透明板である。積層された集光板の各整流板の間には微小な空隙があり、空隙との境界面で全反射を起こさせるものである。空隙の幅は全反射の作用が機能すれば特に限定されないが、通常は約０．０１〜１ｍｍの範囲で製造のしやすさ、品質等の見地から設定される。

以上の如く、本発明の集光方法と集光板は、全ての方角からの光線を入射面にほぼ垂直な方向に集光することができる。このため、ヘッドライトや投光器、天井照明などの球状光源の光線を照明範囲に集光させたり、照明範囲外に漏れる光線を阻止して防眩とエネルギー損失を抑制することができる。また、太陽集光板を使用した太陽集光搭は従来一般的な集光方法のように太陽を追跡する装置が不要で、全方角全高度の太陽光を集光することができるから、小面積の太陽電池に広い面積分の太陽光を集光して照射できる。さらに、直射光に限らず曇天でも全方角からの散乱光も集光でき、全体としてコストを削減できる効果がある。集光塔は太陽熱を利用した給湯装置や、自然光による屋内照明の光ダクトなどにも応用できるものである。

以下、本発明の基本となる集光方法を整流ユニットの模型図１に基づいて説明する。なお、理解を容易にするため、集光搭の外壁面などに集光板を垂直に用いた場合で、水平方向（朝陽や夕陽）から日中の真上方向までの、高度が０〜９０度の太陽光線を水平方向の光線に集光する状態について説明する。建物の天井などに集光板を水平に設置した場合には、９０度回転した真下方向に集光できることになることは当然である。また、太陽光線は集光板に入射すると素材の屈折率に応じて屈折するが、集光板に入射した直後の光線のことを入射光線と称し一般光線と区別する。従って集光された後の光線が集光板外に照射されるときには屈折率に応じて屈折して照射されることになる。

整流ユニット１は、光線の入射面２と、入射面に平行する放射面３と、傾斜する上下の整流面４で囲まれた仮想の平行四辺形で、入射面の下端ｂから入射面に垂直に入射する入射光線Ｂが上側の整流面で全反射して、入射面の上端ａから最大角度で入射する入射光線Ａと交差する点ｄが放射面の下端になるように設定されている。傾斜角度θは、この条件に対応する平行四辺形として算定される。整流板５は整流ユニット１を入射光線の角度範囲が広い順に連結したものである。

整流される光線の経路を図１において説明すると、高度９０度の太陽光線は最大角度で入射する光線で、入射面で屈折して入射光線Ａとなり、下側の整流面４に当たって全反射してほぼ水平方向の光線となる。また、高度０度の水平方向からの太陽光線は最小角度で入射する光線で、入射しても屈折せずに入射光線Ｂとして直進し上側の整流面に当たって全反射し、その反射光が下側の整流面で再び全反射して水平方向の光線となる。このようにいずれの光線も全反射でほぼ水平方向の光線として整流される。

入射面上端の点ａから入射する入射光線Ａが下側の整流面に当たる点ｄと、点ｂから入射する入射光線Ｂが上側の整流面で全反射して下側の整流面に当たる点が一致するように設定され、点ｄで全反射する入射光線Ａ及び入射光線Ｂはほぼ水平に近い光線として集光される。もし、整流ユニットの長さが長過ぎて放射面がラインｐ１の位置にあると、入射光線は点線で示す光線ｇ１の如く下向きになって全反射を繰り返して集光できない。また、整流ユニットの長さが短過ぎて放射面がラインｐ２の位置にある場合も、整流面４に届かない光線ｇ２がそのまま放射面３から放出されることになる。このため、整流ユニットの長さは入射面の下端ｂから入射面に垂直に入射する入射光線Ｂが上側の整流面で全反射して、入射面の上端ａから最大角度で入射する入射光線Ａと交差する地点ｄまでの長さを必要とすることになる。入射面の上端ａから最大角度で入射する入射光線Ａが全反射する点ｄと、入射面の下端ｂから水平に最小角度で入射する入射光線Ｂが全反射をする点ｄを一致させることが本整流方法の要点でもある。

入射角度が最大の光線は折畳まれて入射角度が最小の光線（水平方向）の角度に近い角度に集光されるが、整流面の傾斜角度θに等しい角度の光線は、整流面に当たらずに素通りすることになり、結局、放射面から放射する光線の角度は水平方向の角度０度の光線から、整流面の傾斜角度θに等しい角度の光線までの範囲に集光されることになる。第２段目の整流ユニットはこれらの光線を更に角度範囲を絞り込むように整流するものである。図２は第１段目よりも傾斜角度θが小さい整流ユニット１で、初段の整流ユニットで整流し切れなかった入射光線を整流するものである。同様に第３段目、４段目と順に傾斜角度を少なくすることで、最終的には全ての光線をほぼ水平方向の光線として集光できるものである。図３は段階的に絞り込んで整流する整流板の様子を示すものである。

整流板の作用を臨界角が約４２度（屈折率１，５）の一般的なガラスやアクリル樹脂を使った整流板でより具体的に説明すると、模型図１で示すように、高度９０度（最大角）の真上からの光線のうち、入射面上端の点ａから入射する光線は屈折して入射角度約４２度の入射光線Ａとして斜め下向きに進行する。整流ユニットの傾斜角度θが所定の角度の約２９度に設定されていると、入射光線Ａは下側の整流面の下端ｄに達し、全反射して約１６度の光線に転換されて放射される。同様に最大角度の入射光線Ａで入射面下端の点ｂから入射する光線も全反射で約１６度の光線に転換され放射される。また、入射面下端の点ｂから入射する水平方向の入射光線Ｂの場合は、直進して上側整流面で全反射して約５８度の光線になり下側の整流面に達し、全反射で再び水平方向の光線となって放射される。点ｄは点ｂから入射した入射光線Ｂの到達点でもある。

このように整流ユニットの傾斜角度θが約２９度に設定された整流ユニットでは、入射角度が０〜４２度の入射光線を０〜２９度の光線に集光することができる。２段目の整流ユニットで最大角度２９度から０度の光線を更に集光するには、整流ユニットの傾斜角度θを約２０度に設定すれば、１段目と同様に２９度の光線を全反射で約１０度に転換できるから、放射面から放射される光線は整流ユニットを素通りする約２０度の光線角度が最大で、０〜２０度の範囲に集光できる。同様に３段目の整流ユニットは傾斜角度を約１３度に、４段目の整流ユニットは約８度に設定することで入射光線角度で０〜４２度の光線を０〜８度のほぼ水平方向の光線に集光することができる。なお、太陽の最高高度は緯度によって異なり国内では８０度を超えることはないから、実用的に１段目の整流ユニットに入射する太陽光の入射光線の角度は４１度以下となる。

図４のように集光板６は整流板５を無数に積層してなる平板であるが、板面に垂直な方角の光線から板面に平行な方角の光線まで、９０度の範囲の光線を板面に垂直な方角に集束して集光することができる。板面に平行する逆方向の光線を集光するには傾斜角度が逆勾配の集光板を２枚重ねにすることによって真下から真上方角（右から左方角）の１８０度の光線を板面に垂直方向の光線として集光することができる。

より屈折率の大きな材料で整流板を形成すると、小型化や製造が容易な仕様に設定できて集光性能をさらに高めることが期待できる。また、整流板５を積み重ねて集光板６を形成するには、積層されたシート状の整流板の入射面２並びに放射面３に透明な連結板７を貼り合わせたり、隣接する整流板の入射面や放射面の所どころをスポット溶着で連結したりする方法が考えられる。連結板７は光線の制御には直接関係しないので、その厚みは製造上の都合や、製品の必要強度を考慮した上で進行光線に影響しないように設定すればよいが、なるべく薄い方が小型化できるから、０，０１〜２ｍｍが適当である。なお、集光板を成形するための透明材料は、光線を透過する材質であれば無色でも有色でもよい。軟質樹脂を使えば柔軟なシートとして形成することもできる。また、集光板６は相似形で縮小しても機能は変わらないから、小型化で極めて薄い集光板にすることも期待できる。

図５は垂直に配置された集光板において、板面の垂直方向（水平方向）に集光した水平方向の光線を板面に平行な垂直方向や任意の方向に方向転換をさせる転換ユニット８を示すもので、基本的には整流ユニット１と同様に垂直方向の入射面２と、入射面に平行する放射面３と、傾斜する上下の転換面４で囲まれた平行四辺形である。転換面の傾斜角度は方向転換させたい角度のほぼ２分の１に設定されている。また、転換ユニットの長さｗは入射面に垂直に入射する入射光線の全てが、転換面で全反射する転換点ｄまでの長さに設定されている。光角転換板９は転換ユニット８を、上下方向に無数に積層して集光板と同様に形成される。なお、転換ユニット８は整流板５に連結して一体に形成してもよい。

集光板６で集光された水平方向の光線が転換ユニット８に入射すると、入射面の点ａから点ｂの間のどの位置から入射しても転換面に当たって１回だけ全反射で方角を転換した後に放射面から照射される。臨界角が約４２度の材料を使った場合に、傾斜角度θを２
１度に設定すると転換後の光線の方角は２倍の４２度となり、光角転換板から放出される光線の方角は９０度に近い下向きの光線となる。整流角を０〜２１度の範囲で加減することで任意の方角に照射することができる。図５において入射面に近い傾斜角度が少し緩くなっているのは、転換角度が約９０度の場合に一部の光線が下側の転換面に当たって再反射することを避けるためである。図中の光線経路のように、その分だけ照射される光線の方角が分散するが実用的な支障は少ない。

太陽集光板１０は光角転換板９と、不特定方角からの光線を特定範囲の方角に集光する集光板を重ね合わせた平面的には四角な平板である。一体に形成するには外周や板面の所々をスポット溶着などにより固着すればよいが、それぞれを単独で設置しても機能は変わらない。集光板の製造には、積層した整流板の入射面や放射面を糊やシート、フィルムで相互に連結する方法や、切断と同時に入射面と放射面で膜状に相互を溶着する方法、隣接する整流板相互を所々でスポット溶着する方法などが考えられる。

図６は外壁面に太陽集光板１０を張り、天井に集光板６を取付けた太陽集光塔１１を示すもので、塔の壁面に当たる太陽光の全てを塔内部の下方に向けて集光して照射する。また、天井の集光板で集光された光線は方向転換をしないでそのまま塔内直下に集光して照射する様子を示すものである。塔の平面形状は四角形でも円形でもよい。円形の場合の太陽集光板１０は塔の円周に合わせて湾曲させればよい。また、天井の集光板６には四角の集光板を丸く切断して設置してもよいが、外周から中心に向かって放射状に丸めた円形集光板を配置してもよい。この場合は中心から左と右で集光できる光線範囲が逆になるから、傾斜角度が逆勾配の円形集光板を２枚重ねにすることで、左右全方角からの太陽光を塔内中心部に集光して照射できるものである。円形集光搭では季節や時刻によって変動する太陽光線を均等に集光できる利点がある。太陽電池１２は集光された光線が当たる塔の床面に設置される。

集光板を天井照明などにおける防眩用のルーバーに応用する場合、広い方角に照射される光源からの光を１段目の整流ユニットだけで５０度以内の光線に絞り込むことができる。この場合、逆勾配の集光板を重ね合わせることで多方角に対してグレアーの防止ができる。

集光方法を説明する模型図である。 第２段目の整流ユニットの光線経路図である。 整流板の断面図である。 集光板の断面図である。 光角転換ユニットの断面図である。 太陽集光塔の断面模型図である。

符号の説明

１、整流ユニット
２、入射面
３、放射面
４、整流面
５、整流板
６、集光板
７、連結板
８、転換ユニット
９、光角転換板
１０、太陽集光板
１１、太陽集光搭
１２、太陽電池

Claims (5)

1. 光線の入射面と、入射面に平行する放射面と、傾斜する上下の整流面で囲まれた仮想平行四辺形の整流ユニットにおいて、入射面の下端から入射面に垂直に入射する入射光線が上側の整流面で全反射して、入射面の上端から最大角度で入射する入射光線と交差する点を放射面の下端に設定し、入射光線を、入射面に対して垂直の光線から整流面の傾斜角度に等しい角度範囲の光線に集光することを特徴とする光線の集光方法。
2. 請求項１記載の整流ユニットを入射光線の角度範囲が広い順に連結して整流板を構成し、各整流ユニットに最大角度で入射する入射光線を、入射面に垂直な光線に段階的に狭めて集光することを特徴とする集光方法。
3. 請求項２記載の整流板を無数に積層してなる集光板。
4. 光線の入射面と、入射面に平行する放射面と、傾斜する上下の転換面で囲まれた平行四辺形の転換ユニットで、転換面の傾斜角度を転換させたい角度のほぼ２分の１の角度とし、その長さを入射面に垂直に入射する入射光線の全てが、転換面で全反射する点までの長さとし、この転換ユニットを積層してなる光角転換板と、不特定方角からの光線を特定範囲の方角に集光する集光板を重ね合わて一体に形成したことを特徴とする太陽集光板。
5. 請求項４記載の太陽集光板を集光搭の外周に集光板が外側に位置するように垂直で配置したことを特徴とする太陽集光搭。

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