JP2008203522A

JP2008203522A - 集光装置

Info

Publication number: JP2008203522A
Application number: JP2007039406A
Authority: JP
Inventors: Motoaki Masuda; 元昭増田
Original assignee: Masuda Motoaki
Current assignee: Masuda Motoaki
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04

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安定的に集光できる集光装置を提供することが課題である。
【解決手段】全高度全方角からの太陽光線を集光して受光体に供給するために、四辺形の整流ユニットを積層して形成した集光板で円筒状の集光筒を形成し、整流ユニットの整流面で屈折と全反射で進行方向を修正した入射光線を、鉛直に置かれた集光筒の中心軸にある受光体に集光するように構成することで、太陽高度に関係なく全方角からの光線を受光体に集光する。
【選択図】図６

Description

本発明は、太陽光のように広角広範囲からの光線を、入射面積よりも狭い面積の受光面に絞り込んで集光する集光装置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投影面積に比例するため、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って実用性に欠ける不都合があった。

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装置の効率を連続的に維持するためには、装置が常に太陽に直面するように太陽追尾装置によって太陽を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が、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装置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受光体に供給するために、整流ユニットを積層して形成した集光板で円筒状の集光筒を形成し、この集光筒を鉛直に設置して太陽光線を中心軸に配置された受光体に集光するように構成することで、太陽高度に関係なく全方角からの光線を受光体に向けて集光し前記課題を解決するものである。

集光筒の中心部には断面が円形や多角形の柱状の受光体が配置されるが、それ以外に内部は空洞の単純な構造である。集光筒の内部に同軸で小径の集光筒を複数段に配置することで更に絞り込んだ集光が可能であり、受光体をより高密度に小型化することができる。

本発明の集光装置は、直射光の集光に限らず、陽の当たらない北側や曇天時においても全高度全方角からの散乱光を集光できるから、日中長時刻帯にわたって安定的に集光できる上、太陽追尾装置を必要としないので可動部がなく機構的な保守管理が不要であることや、直射光が当たる集光筒の投影面積よりもはるかに少ない面積の受光体に集光することができるから受光体を小型化することができ、総合的にコストダウンが図れる効果がある。また、柱状の集光筒であるため小さな敷地面積で出力の大きな太陽光発電や集熱装置を実現できる利点があり、散乱光の集光を重視する装置に適していると考えられる。

受光体として外周にソーラーモジュールを多角形で形成すれば塔型の太陽光発電装置となり、集熱材からなるパイプで受光体を形成し流体を貫流させれば塔型の給湯装置や蓄湯装置として、室内空気を循環させることで暖房装置に応用できる。また、屋内に自然光を導く照明用の光ダクトなどへの応用が期待できる。

図１はガラスや合成樹脂など均質な透明材料からなる円筒状の集光筒１を中心軸で切断した縦断面図で、内部には集光された光線を受取る柱状の受光体２が同軸で配置されている。また、３は集光筒１と受光体２との間に同心で配置された第２の集光筒で、より絞り込んで集光したい場合に必要に応じて複数段で配置されるものである。４は防塵や防雨のために装置全体の外側に設けられたガラスなどの透明材料からなる円筒状の外筒であるが、表面反射損失を軽減させるためには集光筒１と一体に形成させる方が望ましい。なお、以下の説明においては、集光筒を鉛直に設置して太陽光を集光する場合について説明する。

図２は集光筒を輪切りにした断面図である。集光筒１は整流ユニット５を無数に積層してなる集光板６を積層方向に丸めた円筒である。また、整流ユニット５は図３で示すように断面が四辺形の透明体で、光線の入射面７と出射面８は平行しており、隣接する整流ユニットの入射面及び出射面は連結代９で相互に連結された構成にある。また、整流ユニットの上下の整流面１０は、図３−ａから３−ｃに示すように直線をＶ字形に折り曲げた形状や、その整流面をなだらかに弓なりに湾曲させた形状、あるいは整流ユニットを対角で３角形に分断した形状など集光特性の条件に合わせて任意の形状が選択されるが、いずれの形状においても積層された整流ユニットの整流面は相互に微少な空隙１１で分断された構成にあり、この空隙との境界面で全反射を繰り返すことで光線の進行方向を調整するように形成されている。

従って集光板は表面から裏面に向けて無数の空隙で分断された構成にあり、同様に集光板を丸めて形成した集光筒は中心軸から放射状に無数の空隙で分断されており、集光筒は内外周で薄い連結代で環状につながった整流ユニットで形成されていることになる。なお、連結代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。また、空隙１１の幅は対面する整流面が空気層で分断されていて全反射が起こる状態であれば１ミクロン以下でも充分である。

集光筒自体の入射面は湾曲しているが、集光筒の直径に比べて整流ユニットの幅が微少であるため、個々の整流ユニットにおける光線の進行方角への影響は無視できる程度であり、入射面は平面であるものとして説明する。

図４は集光筒を均等に３６分割、紙面の上方を南として南から集光筒に当たる直射光の進光経路を示している。図中に示すＳの記号に位置する数値は分割した各区分に当たる全光束のうちの割合をパーセントで示している。例えば、集光筒の中央区分Ｎ１には全光束の１７．４％が当たり左端の区分Ｎ９には約１．５％の光束が当たることを示している。また、集光筒に当たった平行光線は素材の屈折率と入射角度に従って屈折するが、集光筒の左右端に近い区分Ｎ９の終端位置では最大に屈折して進行することになる。図中に示すＰの記号に位置する数値は素材の屈折率が１，５の場合の屈折する方角を表している。

もし、集光筒の内部に集光板や受光体がない単なる円筒の場合には、図５−ａの如く入射した光線は円筒１４の内側に出射する際にも屈折するから左右端に当たる極一部の光線が全反射で跳ね返ることを除けば、平行光線は円筒を素通りする。また、円柱の場合は、図５−ｂの如く柱内１５をそのまま直進して球状レンズのように外周の光軸に集光する。従って図中ｇの円内には全ての光線が通過するからこの範囲に受光体を配置すれば集光できるはずである。しかし、単に受光体を配置してもｇを内径とする図３−ａの円筒と同じように光線の多くはｇ面で全反射して跳ね返ってしまい集光することはできない。また、厚肉の素材で円筒を形成する必要がありコスト高になる。これに対して集光筒１の場合は、図５−ｃの如く整流ユニットでの全反射と屈折によって内側に進入する光線は方角が修正されて全体的に中心軸の方向に集光する。

図６はＶ字形に折り曲げた形の整流ユニットを使った集光筒の進光経路を、図４と同様に集光筒の左上４分の１を９分割にして、その境界に位置する整流ユニット１０個を直線上に展開したもので、屈折率が１，５（臨界角＝４２度）の素材を使い、整流ユニットの傾斜角度αを＋６度と−６度のＶ字形に設定した場合を示しすもので、光線の進行方角はほぼ実体に合わせて描かれている。なお、図中の光線の方角は整流ユニットに入射した直後から出射する直前までの光線を示している。等分割した位置番号１〜１０の内側に記載された数値は入射面に対する光線の傾斜角度である。また、右端の数値は出射光線の出射面に対する傾斜角度と分割区分内の光束の割合をパーセントで表している。出射面から出射する際には出射面との傾斜角度に従って光線はより広がることになる。例えば、左右端に位置する入射光線１０番の場合は３８％が中心軸に比較的近い方角に出射し、４０％が中心軸に対して大きく外れた光線となる。この場合、大きく外れた光線の集光筒に当たる全光束に占める割合は４０×１．５＝０．６％となる。

なお、図３におけるＶ字型整流ユニットの傾斜角度α１、α２は、集光筒の中央に入射する光線も左右端に入射する光線も、いずれもが中心軸に近い方角に進行するように選択することが集光効率を高めるために重要である。屈折率が１，４〜１，７範囲の一般的な素材を使った場合、３度から１０度の角度が適当と考えられる。

図７は整流ユニットから出射した光線の方角を集光筒の内面で示したもので、左右端に入射する光線の一部を除き殆どの出射光線を円筒の中心に集光できることを示している。このため、出射光線の方角範囲に受光体を配置することで入射する光線を有効に受光することができる。なお、上述の説明は南方向から入射する１方角からの光線についての場合であるが、同心円筒による集光方法であるから他方角からの入射光線においても同様に集光することができることは明白である。

図７の集光筒において、直径がｇ１の受光体では入射光線のほぼ全てを集光できるが、直径がｇ２やｇ３の受光体では一部の出射光線を受光することができないから集光効率はその分だけ低下する。集光範囲を更に絞り込むには集光筒と受光体との間に小径の第２集光筒や第３集光筒を配置すればよい。２段３段と重ねることで更に絞り込んだ集光が可能となる。また、図３−ｂのように緩やかに連続的に湾曲させて弓なり形の整流面にすることで、全反射による進光経路を緩やかに連続的に変化させることができるので、集光範囲をより微細に調整できると考えられる。

反面、図３−ａにおける整流面の傾斜角度αを０度、つまり、集光筒の中心に向けて単に放射状に仕切った整流ユニットでは、中央部に入射する光線はそのまま中心軸に集光できるが、集光筒の左右端に近い位置に入射する光線ほど出射光線の方角が中心軸から大きく外れる傾向になり、その結果、入射面側に逆向きに進行する散逸光線が発生するなどで集光効率を上げることが難しいと考えられる。

また、２個の２等辺三角形を組み合わせて形成した四辺形の整流ユニットでは、図８−ｂのように入射角度が大きい光線は出射角度が小さくなるが、逆に入射角度が小さい光線は出射角度が大きくなるなど入射角度と出射角度が単に入れ替わる傾向になって集光効率を高めることが難しい。また、２個の三角形を透過しないと出射面に出射できないため、表面反射損失が増大する。

２等辺三角形のプリズム１個だけを連続させた形状の集光板では、図９−ａのように頂角を３０度以下に設定しないと集光筒の中心軸に向けて集光することが難しいが、頂角を狭くすると出射した直後の光線が隣接するプリズムに当たり、その光線が数個のプリズムを横切って次第に入射面へと逆向きに進行して散逸する光線の割合が増加する。

以上のごとく、集光筒では整流ユニットの整流面をＶ字形に折り曲げたり、その整流面をなだらかに弓なりに湾曲させることで整流ユニットの入射面に垂直な光線も、大きく傾いて入射する光線も、いずれもがほぼ中心軸の方角に集光できるものである。

ガラスやアクリル樹脂などの一般的な素材を使った集光筒では臨界角が４２度（屈折率１，５）前後であるから、整流面の傾斜角度αは３度から１０度の範囲が整流に適した角度と考えられ、この場合、整流ユニットの長さは厚みの３〜６倍となるが、直径に対して整流ユニットの長さ、つまり集光筒の厚みは微少な値に設定することができる。

太陽光発電用の集光筒の直径は、表示灯用の小型のもので１０ｃｍ程度、電力用で１ｍ以上、集光筒の長さは直径の２〜２０倍程度が考えられる。一般的な平面太陽電池を基準に同一表面積の円柱状の太陽電池を受光体とした集光筒を作った場合で、集光筒の直径を受光体の直径の３倍で集光ができるとすると、集光塔の表面積が平面太陽電池の３倍となり、散乱光での集光量はほぼ３倍となる。また、円柱状太陽電池の直射光に対する投影面積は表面積のπ分の１になるが、集光筒の投影面積ではほぼ等しくなることから、少さな床面積で全周全方角からの直射光と散乱光を効率的に集光する集光方法であると考えられる。

光線が集光筒を透過する際に素材特有の透過損失と表面反射損失が発生するが、これらの損失を除けば整流ユニットや集光筒での整流過程で発生する漏れ光線は殆どなく、高い効率で集光できる点が特徴である。しかし、集光筒を多段にして絞り込んで集光する場合は段数に合わせて表面反射損失や透過損失が増大する。

なお、基本的に集光板は円形に丸めて集光筒とした場合にその中心部分に集光できるのであって、平らな集光板に広角範囲の光線を入射させても、それぞれの光線の出射方向が変わるだけで集光することは難しい。また、集光塔の直径に対して整流面の長さが微少であることを前提に説明したが、集光板を円筒形に丸めた場合に集光筒の内外径差によって整流ユニットの外周側に生ずる微少な隙間は光線の損失につながる。このため厳密には整流ユニットの入射面側と出射面側では厚みを微少に加減する必要がある。

図１における１２は集光筒の下面に当たる高度の高い太陽光を反射で受光体に照射させるための反射鏡、１３は集光筒を支える集光台である。なお、以上の説明では集光筒を鉛直に設置して太陽光を集光する場合について説明したが、集光筒での集光は全ての方角からの光線に対処できるので、例えば集光筒の軸を南向きに倒した状態でも同様に集光できるものである。この場合、下方からの光線はないので集光筒の下半分は不要であり、かまぼこ型の集光筒となるが以上の説明と同様の機能を有し、直射光が当たるかまぼこ型集光筒の面積に対して受光体の面積も縮小できるから全体としてコストダウンが図られる可能性がある。電力用として集光筒を鉛直に立てて建設するには、受光体の中心部に主柱を設けたり、外筒４の外周に複数本の支柱を建てて櫓状に支えるなどの補強が望ましい。

より屈折率の大きな素材で集光板を形成すると、集光性能をさらに高めることが期待できる。また、集光筒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状の集光板となり円筒形の集光筒に丸めることも容易となる。なお、集光された自然光を照明用としてダクトで屋内に導くためには、集光筒の下面に集光できるように受光体を透明材料で形成し全反射で光線を下方向きに変換することが必要である。

本集光方法による集光筒の縦断面図である。集光筒を輪切りにした断面図である。整流ユニットの断面図である。集光筒を等分割した光線の進光経路図である。円筒や円柱との進光経路の比較図である。直線上に展開した整流ユニットの進光経路図である。集光筒内の進光経路図である。三角形整流ユニットの進光経路図である。

符号の説明

１、集光筒
２、受光体
３、第２集光筒
５、整流ユニット
６、集光板
７、入射面
８、出射面
９、連結代
１０、整流面
１１、空隙

Claims

透明材料からなる断面が四辺形の整流ユニットを無数に積層してなる集光板を積層方向に丸めて円筒状の集光筒を形成するとともに集光筒の内部に同軸の受光体を配置し、無数の微少な空隙で放射状に分断された集光筒の整流面で外周から入射する光線を全反射で受光体に集光させるように構成したことを特徴とする集光装置。
請求項１記載の集光装置において、集光筒と受光体の中間に同軸で小径の集光筒を複数段で設けて入射する光線を絞り込むように構成したことを特徴とする集光装置。
請求項１記載の集光装置において、透明な整流ユニットの整流面をＶ字形に折り曲げたり、その整流面を弓なりに湾曲させて形成し、隣接する整流ユニットの入射面及び出射面を厚みが０．０１〜２ｍｍの連結代で連結したことを特徴とする集光板。