JP2009188139A - 太陽レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 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、太陽追尾装置で移動する太陽の位置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。太陽の位置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】 全高度全方位からの太陽光線を静止したレンズで集光するために、断面が逆台形の集光レンズの出光面に、二等辺三角形の整流ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズを噛み合わせて太陽レンズを形成すると共に、微少な空隙で集光レンズと整流レンズを分離し、さらに集光レンズと整流レンズの斜面の傾斜角度を構成素材の臨界屈折角度に相当する最大入射光線が全反射する角度以下に設定することで出光面に集光させるように構成し前記課題を解決するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一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、太陽光を有効に利用するために、太陽追尾装置で常時移動している太陽の高度や方位に合わせて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、光軸に光線が集まるこれらのレンズや反射鏡で移動する太陽光線を集光するには、太陽の位置に合わせて採光面の向きを絶えず調整する必要があった。

このため、太陽の方位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集光する方法が提案されている。
特願２００７−２４８２８８ 太陽レンズ

しかし、前記提案の方法では、逆円錐台形の主レンズの底面に円錐形の補助レンズを突き刺すように同軸で噛み合わせて、断面がＷ字形の太陽レンズを形成する方法であるため、主レンズの斜面で全反射した反射光線が対面する補助レンズの逆向きの斜面に当たることになり、その結果、補助レンズの斜面で再び全反射して主レンズに達した光線が主レンズを透過してレンズ外に散逸し、集光効率を大幅に低下させる欠陥があった。また、入光面からの入射光線が主レンズの斜面に当たって全反射した後、その反射光線が主レンズの反対側の斜面から透過して散逸しないようにするためには、反射光線が再び全反射するように斜面の傾斜角度を少なくする必要があり、その結果、太陽レンズが細長い厚みのあるレンズとなって実用性を損なう欠点があった。本発明はこれらの欠点をも解決するものである。

全高度全方位からの太陽光線を静止したレンズで集光するために、二等辺三角形の整流ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズの出光面に、整流ユニットと相似形でより微少な補助ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の補助レンズを噛み合わせ、整流レンズと補助レンズの斜面の傾斜角度θを構成素材の臨界屈折角度に相当する入射光線が全反射する角度以下に設定すると共に、この整流レンズを断面が逆台形の集光レンズの出光面に噛み合わせ、更に整流レンズと補助レンズ並びに整流レンズと集光レンズ相互を微少な空隙で分離して、整流レンズに入射する光線を整流レンズと補助レンズの斜面で全反射または透過させて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。

また、断面が逆台形の集光レンズの斜面の傾斜角度θを構成素材の臨界屈折角度に相当する最大入射光線が全反射する角度以下に設定し、その最大反射光線が集光レンズの斜面に当たらない範囲に集光レンズの厚みを設定することで、入光面に射し込む太陽光線の殆どを出光面に集光するものである。

本発明の太陽レンズは、集光レンズの入光面に射し込む全高度全方位の太陽光線の殆どを出光面に集光することができるから、太陽光応用装置の採光面を太陽追尾装置で絶えず太陽に直面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積み重ねることで集光倍率を高めることができるから、高いエネルギー密度で装置の効率を高めると共に小型化を図ることができる。例えば、太陽光発電パネルにおいては、太陽レンズの出光面に局部的に発電素子を配置するだけでパネル全面に素子を配置する必要がなくなる。また、光ダクトを使った建物の自然光照明では集光された高密度の太陽光を細いダクトで搬送することが可能となる。ボイラーなど熱機関での応用でも高密度エネルギーの熱源として装置の小型化が期待できる。

以下の説明において、太陽レンズ１に射し込む太陽光を太陽光線、太陽レンズの入光面２から素材の屈折率に応じて屈折して入射する光線を入射光線、この入射光線が集光レンズの斜面７や整流レンズの斜面８で全反射によって反射する光線を反射光線と称する。また、入射光線の中で最も屈折角度の大きい光線（水平方向からの太陽光線ｐ１）を最大入射光線ｐ２、全反射した最大入射光線を最大反射光線ｐ３と称し、最大入射光線ｐ２の傾斜角度を最大入射角度α、最大反射光線ｐ３の傾斜角度を最大反射角度β、集光レンズの斜面の傾斜角度をθと表示する。

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正方形の太陽レンズ１を底面から見た平面図で、太陽光線の入光面２と集光された光線の出光面３の関係を示したものである。結像を目的としたレンズではないので平面形状は円形でも長方形でもよい。図２は断面図で、太陽レンズ１は断面が逆台形の集光レンズ４の出光面３に、二等辺三角形の整流ユニット１０を無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズ５を噛み合わせて構成されたもので、集光レンズ４と整流レンズ５は微少な空隙（図示せず）で光学的に分離されている。また、集光レンズ４と整流レンズ５の斜面７の傾斜角度θは構成素材の臨界屈折角度に相当する最大入射光線ｐ１が全反射する角度以下に設定されており、入射光線を集光レンズ４の斜面７と整流レンズ５の斜面８で全反射または透過させて出光面３に集光させるように構成されている。

また、整流レンズ５の出光面側には、整流レンズの整流ユニット１０と相似形でより微少な補助ユニット１１を無数に並べてなる鋸歯状の補助レンズ６が噛み合うように形成されていて、出光面３から放出される光線の放出角度を最大入射角度α以下に補正するように機能する。集光レンズの斜面７とこれに噛み合う整流レンズ８の斜面８は、整流レンズの斜面８とこれに噛み合う補助レンズ９の斜面７と基本的に相似形で形成されており、斜面に当たる光線が最大入射角度以下で全反射する角度に設定されている。

太陽光線の入光面２や、集光された光線の出光面３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ために、緩やかな凸面や凹面に湾曲させる方法が考えられる。同様に各レンズの斜面は基本的には単一角度の相似斜面でよいが、微細な性能調整のために微小な角度差を持たせたり、局部的に湾曲させたりして光線の進行方向を微細に調整することができる。例えば、集光レンズの斜面７とこれに接する整流レンズの斜面８の角度を違えて空隙の幅を部分的に増減させることで光線の反射角度や屈折角度を微細に加減したり、集光レンズの口元だけ斜面角度θを小さくして集光倍率を高めるなどの方法が考えられる。

水平方向の高度が０度の太陽光線から、垂直方向の高度が９０度の太陽光線までの全ての光線を集光するには、入光面２からの全ての入射光線が集光レンズ４の斜面７で全反射する必要がある。このためには集光レンズの斜面７の傾斜角度θを、臨界屈折角度で入射する高度０度の最大入射光線ｐ１が全反射する角度以下に設定することが必要となる。

図３ａから図３ｅは屈折率が１．７の透明材料を使い、太陽レンズを４段に積み重ねた場合の光線経路図である。太陽光線が整流レンズ５に達するまでの光線経路を、地点ａ１から地点ｅ１に位置する光線について、光線角度を６段階に分割して示したものである。また、図４は図３で示した光線が、集光レンズ４と整流レンズ５の境目付近に到達した後に辿る光線の経路を、地点ａ２から地点ｅ２に位置する光線について、光線角度を６段階に分割して示したものである。光線の進行方角はほぼ実体に合わせて描かれている。これらの中間地点に位置する光線の光線経路や６段階以外の中間角度の光線の光線経路は、例示した光線の経路に準じたものと考えることができる。なお、経路図では左方向から入射する光線についてのみ示しているが、右方向からの光線については左右を反転した経路で同様に進行する。

図３において光線の経路を説明すると、先ず、入光面２から入った太陽光線は屈折率に応じて屈折し入射光線として進行する。左端ａ１に近い位置の入射光線は整流レンズ５に直接到達するが、右端ｅ１に近い光線は集光レンズの右側の斜面７で全反射して反射光線となり整流レンズ５に到達する。水平方向から入る高度０度の太陽光線ｐ１が最も大きく屈折して最大入射光線ｐ２となるので、集光レンズの厚みは、斜面７で全反射する最大反射光線ｐ３が集光レンズ４の左側の斜面７に当たらないように集光レンズの厚みｔを設定すれば、全ての入射光線が整流レンズ５に到達することになる。

同様に図４においては、整流レンズ５に到達した光線が透過したり全反射をして補助レンズ６に到達し、補助レンズ内に到達した光線が下向きに進行して斜面９で最大入射角度α以下の光線となって出光面３から放出する状況を示している。もし、補助レンズがないと図５に示すように、出光面３に最大入射角度αを越える光線が高い割合で到達することになる。これらの光線は出光面で全反射をして矢印ｑ１のように反転して上向きの光線となりその多くは散逸する。出光面が次段の太陽レンズに連結している場合には出光面で全反射することはないが、光線の傾斜角度が大きいために多くは次段の集光レンズの斜面を通り抜けて散逸し損失することになる。このように補助レンズ６は整流レンズ５で整流しきれない漏れ光線を集光する働きをするものである。

しかし、補助レンズ６を使っても整流レンズ５を形成している整流ユニット１０相互の谷間の先端ｓで漏れ光線が発生する。図４における光線ｑ３や光線ｑ４、ｑ５のように補助ユニットに進入した後、反対側の斜面に当たらずに出光面に到達する光線が漏れ光線につながる。この際、出光面が次段の集光レンズ４に連結している場合は、次段の集光レンズ４で集光される場合もあるが、出光面３が平面の場合は出光面で全反射して上向きの光線となって、破線で示す光線ｑ６や光線ｑ７、ｑ８の経路で損失する光線が発生する。

この損失を減らすには、整流レンズ５の整流ユニット１０に比べて補助レンズ６の補助ユニット１１を相対的に小さくする方法が有効である。補助レンズの補助ユニットを限りなく小さくすることで、整流レンズを形成している整流ユニット相互の谷間の微細な先端ｓだけに漏れ光線を留めることができる。

整流レンズ５は、図２や図４に示すように集光レンズ４の斜面から全反射した反射光線の全てを受け止めるために、仮想外形が集光レンズ４とは逆向きの台形である。このため出光面３の幅は集光レンズ４の底幅よりも太くなる。突出する幅は整流レンズを形成する整流ユニットの幅に関係するが、整流ユニットを相対的に粗くすると集光倍率が低下し、逆に細かくすると補助レンズによる漏れ光線の阻止効果が低下する傾向となる。

集光レンズは入光面から入る太陽光線をより狭い範囲に濃縮して集光する作用をなし、整流レンズは最大入射角度αを越えて出光面に向かう光線を最大入射角度以下の光線に整流する作用をなし、補助レンズは整流レンズで処理できない漏れ光線を最大入射角度以下の光線に整流する作用をするものと考えることができる。なお、太陽レンズを複数段に重ね合わせる場合に、前段の補助レンズを次段の集光レンズに噛み合わせることで、平面からなる前段出光面と次段入光面を単純に重ね合わせる場合に比べて、表面反射損失を軽減することできる。

このように太陽レンズ１を使えば入光面２に射し込む全高度全方位の太陽光線を出光面３に集光できるが、入光面に対する出光面の面積比を集光倍率とすると、太陽レンズを複数段に重ねることでより集光倍率を高めることができる。屈折率が１．７の素材で構成された正方形の太陽レンズの場合、１段で約１．５倍、２段で約３倍、４段で約１０倍にエネルギー密度を高めることができ、太陽エネルギーを利用する装置の小型化を図ることができる。

また、入光面の幅に対して集光レンズの厚みを薄くできるため、４段積層の場合でも全体のレンズ厚みを入光面の幅程度に薄くすることができる。太陽光発電パネルに応用する場合、小型の太陽レンズの出光面にソーラーモジュールを配置した発電ユニットを平面的に複数配置する方法で薄くて低コストの発電パネルが実現できる。

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、本発明の太陽レンズでは、整流レンズを透過したり全反射した光線が、再び集光レンズに達することがなく、すでに提案されている方法のように主レンズと補助レンズの間で全反射を繰り返すような状態が起こらないから、殆ど全ての太陽光線を集光することができる。各レンズの斜面を透過する際の表面反射損失や素材特有の光線透過損失を無視すれば、原理的にほぼ１００％の集光効率が期待できる。

なお、屈折率が１．７の場合を例に説明したが、屈折率が１．５前後の一般的な材料でもレンズの厚みが幾分厚くなるだけで本質的な機能は変わらない。また、集光レンズなどの各レンズ間の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、実用的な太陽レンズとするには枠などで各レンズを一体に固定する必要がある。

太陽レンズの平面図である。 太陽レンズの側断面図である。 積層された太陽レンズの側面図と進光経路図である。 補助レンズを有する太陽レンズの進光経路図である。 整流レンズのみの場合の進光経路図である。

符号の説明

１、太陽レンズ
２、入光面
３、出光面
４、集光レンズ
５、整流レンズ
６、補助レンズ
７、集光レンズの斜面
８、整流レンズの斜面
９、補助レンズの斜面
１０、整流ユニット
１１、補助ユニット

Claims (3)

1. 二等辺三角形の整流ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズの出光面に、整流ユニットと相似形でより微少な補助ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の補助レンズを噛み合わせ、整流レンズと補助レンズの斜面の傾斜角度θを構成素材の臨界屈折角度に相当する入射光線が全反射する角度以下に設定すると共に、この整流レンズを断面が逆台形の集光レンズの出光面に噛み合わせ、更に整流レンズと補助レンズ並びに整流レンズと集光レンズ相互を微少な空隙で分離して、整流レンズに入射する光線を整流レンズと補助レンズの斜面で全反射または透過させて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。
2. 請求項１に記載の太陽レンズにおいて、断面が逆台形の集光レンズの斜面の傾斜角度θを構成素材の臨界屈折角度に相当する最大入射光線が全反射する角度以下に設定し、その最大反射光線が集光レンズの斜面に当たらない範囲に集光レンズの厚みを設定したことを特徴とする太陽レンズ。
3. 請求項１に記載の太陽レンズを複数段に連結した太陽レンズにおいて、前段太陽レンズの補助レンズの鋸歯状の斜面を次段太陽レンズの集光レンズの入光面に噛み合わせるように形成すると共に、微少な空隙で前段補助レンズと次段集光レンズとを分離して構成したことを特徴とする太陽レンズ。

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