JP2009086059A

JP2009086059A - 積層太陽レンズ

Info

Publication number: JP2009086059A
Application number: JP2007252784A
Authority: JP
Inventors: Motoaki Masuda; 元昭増田
Original assignee: Masuda Motoaki
Current assignee: Masuda Motoaki
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】高度や方角が絶えず変動している太陽光を静止したレンズで集光する方法として太陽レンズがあるが、直径に対して軸方向に長い砲弾形であるため、大口径のレンズでは軸方向に長くなって大量のレンズ素材を必要とするうえ、重量が重くなる不都合があった。また、日の出から日没までの太陽光を集光する場合、高度の低い朝夕の集光には適さない欠点があった。
【解決手段】逆円錐台形の主レンズの底面に円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだＷ字形の太陽レンズと断面形状が同一の透明な環状レンズを、半径方向または軸方向に同軸で複数個を配置して積層太陽レンズを形成すると共に、それぞれの環状レンズで集光した光線を相互の間隔を詰めるように導光筒で集めて太陽レンズに連結し再集光す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４

Description

本発明は高度と方位が常に変動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太陽レンズの改良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全反射を応用した太陽レンズによる集光方法が提案されている。
特願２００７−２４８２８８太陽レンズ

しかし、前記提案の方法は、逆円錐台形の主レンズの底面に、円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだＷ字形の太陽レンズであるため、直径に対して軸方向に長い砲弾形となり、大口径のレンズでは軸方向にも長くなって、大量のレンズ素材を必要とするうえ、重量が重くなる不都合があった。また、日の出から日没までの太陽光を集光する場合、高度の低い朝夕の集光には適さない欠点があった。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。

逆円錐台形の主レンズの底面に円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだＷ字形の太陽レンズと断面形状が同一の透明な環状レンズを形成し、この環状レンズを半径方向または軸方向に同軸で複数個を配置して積層太陽レンズを形成すると共に、それぞれの環状レンズで集光した光線を導光筒で中心軸周辺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。

本発明の積層太陽レンズは、基本となる太陽レンズと断面形状が同一の環状レンズを無数に並べて構成した積層型の太陽レンズであるため、平面積層型の積層太陽レンズでは凸レンズに比べてフレネルレンズが薄くて軽量であるのと同じように、太陽レンズの薄型化と軽量化を図ることができる。また、軸方向に積層した円筒型の積層太陽レンズは、円筒の側面から入射する太陽光を集光できるので、高度の低い太陽光にも対応できるうえ、少ない設置面積で集光できる利点がある。

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基本と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を同軸でＷ字形に配置したもので、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３あるいは内斜面５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。

図２ａから図２ｇは屈折率が１．７の透明材料を使った基本となる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。

図３は本発明による平面型の積層太陽レンズ１０の平面図、また、図４は中心軸で切断した断面図である。図１に示す基本となる太陽レンズ１と断面形状が同一の環状レンズ１１を同軸で半径方向に積層した平面型の積層太陽レンズ１０で、それぞれの環状レンズを構成する環状補助レンズ１４は厚みが均一な導光筒１９と一体に形成され、その先端は中心に位置する太陽レンズ１の入光面６に連結されていて、環状レンズで集光された光線が太陽レンズで再集光されるように構成されている。

導光筒１９は透明な円形導線の光ファイバーを筒状に展開したもので、環状レンズで集光した光線を中心軸周辺に集めるために、直径が軸方向に次第に絞り込まれた形状をしており、光線は導光筒の壁面で全反射を繰り返しながら、中心軸周辺の軸方向に集光される。

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は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。

太陽レンズ１に対して積層太陽レンズ１０は、凸レンズに対するフレネルレンズと同じように薄型化と軽量化を図ることができるが、フレネルレンズにおける各環状レンズが非対称形でそれぞれが異なった角度で形成されているのに対して、積層太陽レンズにおける環状レンズの断面形状はいずれも同一形状である点が異なる。

図５は図４における環状レンズ１１の断面を横向きに倒した形状の環状レンズ１１を同軸で軸方向に積層してなる円筒型の積層太陽レンズ１０である。円筒型の積層太陽レンズ１０は外周面が入光面６となるが、平面型と同様に全方角全高度からの光線を内周面に位置する環状補助レンズに集光することができる。環状補助レンズには透明で厚みが均一な導光筒１９が一体で形成されており、集光した光線は中心に配置された太陽レンズ１で再集光される。

積層太陽レンズの集光密度を高めるには、それぞれの環状レンズを多段に連結する方法でも、導光筒１９で太陽レンズに導いた後で多段にする方法でもよいが、環状レンズを多段に方法は導光筒を薄肉にでき再集光の太陽レンズを小型化できる。

以上の如く積層太陽レンズは単一の太陽レンズと同様の機能を有するが、レンズの薄型化と軽量化を図ることができる利点がある。円筒形集光塔の天井を平面型積層太陽レンズで形成し、外周を円筒型積層太陽レンズで形成すれば、設置面積の小さな円塔で全方位全高度の太陽光を集光できることになる。

太陽レンズの断面図である。太陽レンズの進光経路図である。平面型積層太陽レンズの平面図である。平面型積層太陽レンズの断面図である。円筒型積層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
８、空隙
１０、積層太陽レンズ
１１、環状レンズ
１２、環状主レンズ
１４、環状補助レンズ
１９、導光筒

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同軸で埋め込んだＷ字形の太陽レンズと同一断面形状の環状レンズ複数個を、半径方向または軸方向に同軸で重ねて積層太陽レンズを構成し、環状レンズの外斜面の傾斜角度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すると共に、環状主レンズと環状補助レンズを微少な空隙で分離して、環状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環状補助レンズの出光面に集光させ、さらに、それぞれの出光面に集光した光線を環状補助レンズに一体で形成された厚みの均一な導光筒で中心軸周辺に集光させるように構成したことを特徴とする積層太陽レンズ。
請求項１記載の積層太陽レンズで集光した光線を、太陽レンズで再集光させるように構成したことを特徴とする積層太陽レンズ。