JP2009080215A

JP2009080215A - 太陽レンズ

Info

Publication number: JP2009080215A
Application number: JP2007248288A
Authority: JP
Inventors: Motoaki Masuda; 元昭増田
Original assignee: Masuda Motoaki
Current assignee: Masuda Motoaki
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】太陽光を利用した集光式の太陽光発電装置や自然照明のための採光装置においては、太陽光を有効に活用するために、太陽追尾装置で季節や時刻によって変動する太陽の高度や方角に合わせて集光面を絶えず太陽に直面させる必要があった。太陽の高度や方位に関係なく静止したレンズで所定の範囲に太陽光を集光できる太陽レンズ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静止したレンズで集光するために、円錐台を逆さに置いた形状の逆円錐台形の主レンズの底面に、円錐形の補助レンズを突き刺すように同軸で埋め込んで、断面がＷ字形の太陽レンズを形成すると共に、微少な空隙で主レンズと補助レンズを分離して、主レンズ上面の入光面から入射する光線を、外斜面あるいは内斜面で全反射させて補助レンズの出光面に集光させるように構成することで前記課題を解決するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高度と方位が常に変化している太陽光線を、静止したレンズで所定の範囲に集光することを目的とする太陽レンズに関するものである。

太陽光を利用した集光式の太陽光発電装置や自然照明のための採光装置においては、太陽光を有効に活用するために、太陽追尾装置で季節や時刻によって変動する太陽の高度や方角に合わせて絶えず集光面を太陽に直面させる方法が用いられている。

また、太陽光を集光する方法としては、一般的に凸レンズやその変形であるフレネルレンズ、凹面鏡、プリズムなどが用いられているが、これらのレンズや反射鏡では集光点が入射光線の方角によって変動するため、太陽光の集光には太陽の位置に合わせて本体の向きを絶えず修正する必要があった。

このため、太陽の方角や高度に関係なく集光できる方法として光の屈折と全反射を組み合わせて円筒状の集光筒の中心に集光する方法が提案されている。
特願２００７−１３３５７２集光方法および集光装置

しかし、前記提案の方法では、集光筒の端部に横方向から入射する光線を集光しようとすると、鋭角二等辺三角形からなる整流ユニットの先端が鋭く尖った形状になって製造が難しくなる不都合があること、太陽高度を無視してあらゆる高度の光線を中心に位置する柱状の受光体に集光する方法であるため、高度の高い光線が集光された後に受光体に達する前に集光筒の下面に当たって損失すること、集光倍率を高めるには集光筒を多段にする必要があるが、多段にすると表面反射損失や素材自体の持つ光線の透過損失で集光性能が低下することなどの不都合があった。また、柱状の受光体に集光する方法であるため、光ダクトとして集光筒の下方に光線を搬送するためには透明な受光体自体で方向転換をさせる必要があり、構造が複雑になる欠点があった。本発明はこれらの不都合も合わせて解決するものである。

全高度全方角からの太陽光線を静止したレンズで集光するために、円錐台を逆さに置いた形状の逆円錐台形の外斜面を砲弾形の曲面で形成した主レンズの底面に、円錐形の補助レンズを突き刺すように同軸で埋め込んで、断面がＷ字形の太陽レンズを形成すると共に、微少な空隙で主レンズと補助レンズを分離して、主レンズ上面の入光面から入射する光線を、外斜面あるいは内斜面で全反射させて補助レンズ下面の出光面に集光させるように構成することで前記課題を解決するものである。

本発明の太陽レンズは、主レンズの入光面に入射する全ての方角からの太陽光線の殆どを補助レンズの出光面に集光することができるから、太陽光応用装置の集光面を太陽追尾装置で追従させる必要がなくなり、全体的に装置を簡単にすることができる。また、太陽レンズを多段に組み合わせることで集光倍率を飛躍的に高めることができるから、集光後に関連する装置を小型化することができる。

図１はガラスや合成樹脂など光線透過率の高い均質な透明材料からなる太陽レンズを中心軸で切断した断面図である。太陽レンズ１は砲弾形の外斜面３からなる円錐台を逆さに置いた逆円錐台形の主レンズ２の底面に、円錐形の補助レンズ４を突き刺すように同軸で埋め込んで、外斜面３と内斜面５で断面がＷ字形の太陽レンズ１を形成したもので、微少な空隙８で主レンズ２と補助レンズ４が分離されており、主レンズの入光面６から入射する光線を、外斜面あるいは内斜面で全反射させて補助レンズの出光面７に集光させるように構成したものである。補助レンズの内斜面５とこれに噛み合う主レンズの内斜面５は基本的には同一形状で形成され、内外斜面に当たる光線の傾斜角度が臨界角度を超えると全反射する如く形成されている。

太陽光線の入射面となる主レンズの入光面６や、光線の出射面となる補助レンズの出光面７は、基本的には平面に形成されるが、集光性能を微細に調整する方法として、緩やかな凸面や凹面に形成する方法が考えられる。同様に内斜面５の傾斜は基本的には単一角度の傾斜面でよいが、微細な性能調整のために部分的に湾曲させたり、主レンズの内斜面と補助レンズの内斜面の傾斜角度を局部的に変えて空隙８の幅を部分的に加減する方法でも調整することができる。なお、外斜面３と内斜面５の傾斜角度は集光したい入射光線の殆どが集光できるように設定する必要があるが、日の出から日没までの全ての太陽光線に対応するには、入光面から入射した光線が外斜面または内斜面で全反射するように、外斜面３の平均的な傾斜角度αと、内斜面５の傾斜角度βを構成素材の臨界屈折角度以上に設定することが必要である。

図２ａから図２ｇは屈折率が１．７の透明材料を使った太陽レンズの光線経路図である。入光面から入射した後の光線角度を６段階に分けて異なる地点に入射する光線の進行経路を示したもので、中心軸に向かって主レンズの入光面から入射した光線が補助レンズの出光面に集光される経路を示しており、光線の進行方角はほぼ実体に合わせて描かれている。入光面から入射した光線は屈折率に応じて屈折して進行し、外斜面３または内斜面５で全反射して補助レンズ内に到達するが、補助レンズに入った光線は、図２ａで示すように補助レンズ内で全反射を繰り返して次第に傾斜の緩やかな光線となって出光面７から出射される。

外斜面と内斜面の傾斜角度を適正に選択することで殆どの光線を出光面に集光することができるが、図２ｅや図２ｆのように光線の一部は外斜面から漏れて損失となる。しかし、これらの光線は内外斜面で全反射するか透過するかの境目に関係する極一部の光線に限られるので、実用上の不都合はないと考えられる。

図４に示すように、出光面に集光した光線は太さが均一で透明な円形導線９で光ファイバーのように任意の位置や方向に導くことができる。また、太陽レンズを２段３段と連結することで集光倍率を飛躍的に高めることができる。図４の例では、初段１−２の入光面の直径に対して３段目１−３の出光面の直径は３０分の１以下になり、集光倍率で約１０００倍にエネルギー密度を高めることができる。

入光面にはあらゆる方角からの光線が入射するが、例えば、図３において点ｐ１に入射する高度が７０度の光線ｓ１の場合、入光面で屈折して外斜面のｍ１で全反射した後、内斜面のｍ２から補助レンズに進入する。また、点ｐ２から入射する高度が６０度の光線ｓ２は外斜面のｍ３、ｍ４で全反射した後、内斜面のｍ５、外斜面のｍ６で全反射した後、内斜面のｍ７から補助レンズに進入する。

中心軸に向かわない光線ｓ１やｓ２のような光線を、中心軸に向かう放射方向の光線と接線方向に向かう光線に分割して考えると、放射方向の光線は図２ａから図２ｇの場合と同様な経路を辿り、接線方向の光線は全反射を繰り返しながら周回して、内斜面と外斜面との交点を変えるだけの経路を辿ると考えることができる。

図２ａから２ｇの例では、入光面の直径に対して出光面の直径を３分の１程度に縮小できるから、面積的には約１０％の面積に集光される結果、光線密度を約１０倍に高めることができることになる。従って同一形状で直径が約３分の１の太陽レンズを出光面に連結すれば、更にその１０倍、つまり元の光線の１００倍の密度で集光できることになる。主レンズの外側に漏れる光線の損失を無視して単純に計算すると、３段で１０００倍、４段で１００００倍の光線密度に高めて集光できることになる。なお、太陽直射光に限らず全ての方角からの散乱光を集めてエネルギー密度の高い光線として集光することもできるものである。

このように太陽レンズは太陽の高度や方位に関係なく、あらゆる方角からの光線を固定した状態で集光できるもので、その集光倍率も太陽レンズを複数段に重ねることで飛躍的に高めることができる特徴がある。また、主レンズと補助レンズをＷ字形に組み合わせただけの単純な構造であるため、製造が容易な利点もある。

なお、屈折率が１．７の場合を例に説明したが、一般的な透明材料の屈折率は１．５前後であるから汎用的な一般材料では性能の低下がより増大する傾向になると考えられ、集光効率を高めるにはより微細な調整が必要となるが、無限無料のエネルギー源を活用しての集光方法として実用性が高いものと思われる。空隙の幅は全反射を起こす状態であれば１ミクロン以下でもよい。また、この空隙に屈折率の異なる空気以外の媒質を充填したり、真空にしても基本的な機能は変わらない。なお、実用的には主レンズから補助レンズが脱落しないように固定する必要がある。

太陽レンズの断面図である。進光経路図である。光線の進行方向を説明する平面図である。３段に連結した太陽レンズの断面図である。

符号の説明

１、太陽レンズ
２、主レンズ
３、外斜面
４、補助レンズ
５、内斜面
６、入光面
７、出光面

Claims

外斜面が砲弾形の曲面で形成された逆円錐台形の主レンズの底面に、円錐形の補助レンズを突き刺すように同軸で埋め込んで、断面がＷ字形の太陽レンズを形成すると共に、微少な空隙で主レンズと補助レンズを分離し、主レンズの入光面から入射する光線を、外斜面あるいは内斜面で全反射させて補助レンズの出光面に集光させるように構成したことを特徴とする太陽レンズ。
外斜面の傾斜角度αと、内斜面の傾斜角度βを構成素材の臨界屈折角度以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の太陽レンズ。
請求項２記載の太陽レンズを、複数段に連結して集光倍率を高めるように構成したことを特徴とする太陽レンズ。