JP2009300037A - 太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造でありながら、太陽光の集光効率が良く、太陽光のエネルギーを複数目的に利用可能な太陽光集光装置を提供する。
【解決手段】所定間隔をもって平行配置する受光部と、該受光部間に配置され、受光部の配置方向に延びる凸条を成すと共に、該凸条を挟む一対の面はそれぞれ上記受光部に向かって格別に太陽光を反射させる複数条の反射鏡と、から構成したことを特徴としている。上記受光部と凸条を成す反射鏡の裾位置からの寸法を、対向する受光部間の寸法に対し、約１／（２√３）の寸法比に設定している。この受光部及び反射鏡は、太陽光が入射可能に一面を開放した略断面コ字状を成す樋状のフレームに上記寸法比をもって配置している。受光部はフレームの対向する立設壁の内側上端縁に沿ってそれぞれ配置し、反射鏡はフレームの底面部分に配置している。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、反射した太陽光を特定位置に集光しつつ受光する太陽光集光装置の技術分野に属し、特に、太陽光を２箇所の受光部に集光させる太陽光集光装置に関する。

従来より、太陽光を集光して発電又は発熱等のエネルギー源として利用する装置は種々開発されており、環境へ与える影響が少ないクリーンな装置として昨今の注目度も高いものである。

かかる太陽光を利用する装置としては、凹状又はパラボラ型の反射鏡を多数設置し、各反射鏡から反射した太陽光を立設したタワーの頂部に集光して発電や発熱のエネルギー源として利用する、所謂タワー型の装置があった（例えば、特許文献１参照。）。

また、放物線の断面形を有する樋体の内面側を反射鏡とすると共に、焦点部分の長手方向に集光管又は集熱管を配置する、所謂パラボラ・トラフ型の装置もあった（例えば、特許文献２参照。）。

他にも、上記パラボラ・トラフ型の装置の変形例として、内面側が曲線の樋体をＷ状に組み合わせて反射面積を増加させると共に樋体の剛性を向上させたものや（例えば、特許文献３参照。）、樋体の複数を上下及び左右に連結させると共に、太陽光を可視光領域と赤外線領域で分離して所望の樋体で集光及び集熱して多目的に利用できる装置もあった（例えば、特許文献４参照。）。
特開平１１−１１９１０５号公報（第３−４頁、第１図） 特開平６−６６４５３号公報（第２頁、第１図） 特開２００２−１０６９７５号公報（第３−４頁、第１図） 特開平８−２３３３７３号公報（第２―３頁、第１図）

上記した従来の太陽光を利用する装置は、以下の問題点があった。
まず、タワー型の装置は、多数の反射鏡やタワーの設置が必要となる大規模施設となるためにイニシャルコストが嵩み、一般家屋やマンション又は小規模な施設への設置には不向きであり、その利用範囲は限定されるものであった。また、各反射鏡の反射光をタワー頂部に集光させるため、各反射鏡を別個に太陽光の移動に連動させて傾斜又は回動させる必要があり、その制御も複雑となる上、メンテナンス等のランニングコストも嵩む問題があった。

パラボラ・トラフ型の装置は、受光部が太陽光の入射方向の中心部分に位置するため、この受光部により太陽光が遮られ、装置全体としての集光効率が低下する問題があった。また、受光部が１箇所であるため、集光した太陽光のエネルギーを発電、又は発熱等と複数目的に使い分けることは難しいものであった。集光した太陽光のエネルギーを目的別に使い分ける場合は、特許文献４に示す装置のように複数のパラボラ・トラフ型のユニットを上下左右に結合する必要があり、この場合は装置全体が大型化、特に厚み方向が増大すると共に内部構造が複雑となり、使用可能な素材も限定される問題があった。

そこで、本願発明は、上記課題に着目し、これを解決することを目的に為されたものである。すなわち、簡易な構造でありながら、太陽光の集光効率が良く、太陽光のエネルギーを複数目的に利用可能な太陽光集光装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本願発明にかかる太陽光集光装置は、以下のように構成している。

すなわち、所定間隔をもって平行配置する受光部と、該受光部間に配置され、受光部の配置方向に延びる凸条を成すと共に、該凸条を挟む一対の面はそれぞれ上記受光部に向かって格別に太陽光を反射させる複数条の反射鏡と、から構成したことを特徴としている。ここで、上記受光部と凸条を成す反射鏡の裾位置からの寸法を、対向する受光部間の寸法に対し、約１／（２√３）の寸法比に設定したことを特徴としている。かかる構成により、反射鏡の両側上方に位置する受光部に向かって反射鏡に対向して入射した太陽光を分割しつつ反射することになる。なお、反射鏡の反射面は平面状に形成している。

また、一方の受光部から数えてｎ番目（ｎは自然数）の反射鏡の凸条を挟む一方の面の反射角θ_１と他方の面の反射角θ_２は、下記に示す（１）から（５）の各部位の寸法比を代入した式1、式２、式３を満たすことを特徴としている。
（１） 受光部間の寸法：Ｌ
（２） 受光部と反射鏡の裾位置の寸法：Ｈ
（３） 受光部から反射鏡端部までの寸法：ｄ
（４） 反射鏡の凸条間の距離寸法：ｅ
（５） 反射鏡の凸条数：ｍ（ｍは自然数）
式１：θ_１＝ｔａｎ^−１（ｆ_１（ｎ））／２
ここで、ｆ_１（ｎ）＝（Ｌ―（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
式２：θ_２＝ｔａｎ^−１（ｆ_２（ｎ））／２
ここで、ｆ_２（ｎ）＝（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
式３：ｅ＝（Ｌ−２ｄ）／ｍ ｍ≧３２

反射角θ_１、θ_２とは、反射鏡全体に対向して入射する太陽光を、対応する受光部に格別に反射させるための凸条を挟むそれぞれの反射面について、太陽光と直交する水平線から受光部側へ傾斜させた角度である。

上記の配置関係となる受光部及び反射鏡は、太陽光が入射可能に一面を開放した略断面コ字状を成す樋状のフレームに配置している。２個の受光部はフレームの対向する立設壁の内側上端縁に沿ってそれぞれ配置し、反射鏡はフレームの底面部分に配置している。なお、受光部としては、例えば、一方は冷却媒体を備えた発電モジュール、他方は集熱管等の発熱モジュール等とし、太陽エネルギーを複数目的に利用できる形態とすることが好適である。

また、上記フレームの開放面には、受光部間をほぼ横断すると共に、受光部の配置延長方向に揺動する複数の羽板から成るルーバーを配置したことを特徴としている。このルーバーの羽板の一面側又は両面側には、太陽光を反射可能な鏡面としたことを特徴としている。これに加え、受光部の配置延長方向と直交する方向に回動する傾斜装置をもって、フレーム全体を支持するようにしても良い。

上記構成の本願発明にかかる太陽光集光装置は、以下の効果を奏する。
まず、従来装置のように反射鏡に対する太陽光の入射方向に太陽光を遮る障害物を配置しない構成であるため、装置内に入射する太陽光エネルギーを高効率に利用することができる。

また、受光部を２箇所設けているため、受光部毎に目的別に太陽光利用のモジュールを設置することができ、装置単体としての使い勝手が良好であり、その適用範囲を広げることができる。

さらに、受光部と反射鏡の特定寸法比による位置関係、及び反射面の反射角の関係により、反射鏡に入射する太陽光のほぼ全てを２箇所の受光部に分割して反射できると共に、両者間を最短の距離関係に設定できる。このため、装置における受光部と反射鏡間の距離、別言すれば、装置全体の厚み寸法をより短くでき、コンパクト設計に適していると共に、反射鏡の反射面が平面状であるために製造コスト削減の効果も有する。

さらにまた、ルーバー及び傾斜装置の配置により、装置の底面部に配置した反射鏡にはより多くの太陽光を入射させることができ、時間及びすべての季節において太陽光をより効率的に利用できる。

本願発明の太陽光集光装置（以下、「本装置」と略称する。）の最良の実施形態例について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本装置の概観を示す断面図であり、図２は図１の一部拡大図であり、図３は本装置を示す一部切り欠き斜視図であり、図４は本装置の変形例を示す一部切り欠き斜視図であり、図５及び図６は本装置の応用例を示す斜視図である。

本装置１は、主に、所定間隔で平行を成す２個の受光部３と、該受光部間であってその下方側に位置する反射鏡４と、受光部３及び反射鏡４を支持するフレーム２と、から構成している。

まず、フレーム２は本装置１の各構成要素を支持する基礎部材であって、対向する立設壁２１と立設壁間を結ぶ底面部２２とから略断面コ字状の樋体を呈し、樋体の前後を側壁２４にて閉塞する構成である。また、立設壁２１の上端縁を内側に突出させると共に、樋体を呈す長手方向に立設壁２１を支える支柱２３を適宜な間隔で複数配置し、フレーム全体の剛性を向上させている。さらに、底面部２２の内側は、反射鏡４を配置するために矩形状にくり抜き加工している。

受光部３は、フレーム２の対向する２つの立設壁２１の内側上端縁、より具体的には立設壁２１の突出部の下端縁に沿ってフレーム２の長手方向に配置している。受光部３は、集光機能を有する光学デバイス３３（例えば、フルネルレンズ等）、及び板状の発電モジュール３１、若しくは管状の発熱モジュール３２から構成している。本装置１の受光部３は、それぞれ配置するモジュールにより、太陽光のエネルギーを一方は発電、他方は発熱に利用する形態であるが、この他にも熱を電気変換する熱電モジュール等を配置し、目的によって一方又は両方を適宜に変更することが可能である。

反射鏡４は、フレーム２の底面部２２に配置している。反射鏡４は平板状の反射面４２を連続的に接続した複数の凸条４１を成すと共に、凸条４１を挟む一対の反射面４２はそれぞれの受光部３に向かって格別に太陽光ｓを反射させる反射角θ_１、θ_２を有している。また、反射鏡４はフレーム２の底面部２２の全面に渡って配置するものではなく、立設壁２１の内側から所定距離ｄをもってその端部としている。

なお、立設壁２１の突出部分の形成と底面部２２のくり抜き加工は、受光部３の配置及び反射鏡４の形成方法によっては省略しても良い。例えば、反射鏡４を底面部２２に一体加工で形成した後に反射膜を成膜する場合は、底面部２２のくり抜き加工は省略可能となる。

ここで、上記受光部３と反射鏡４の位置関係は、図１に示すように、受光部３と反射鏡４の略中央付近の凸条４１の裾位置からの寸法Ｈが、対向する受光部間の寸法Ｌに対し、約１／（２√３）の寸法比になるように設定している。

また、一方の受光部３から数えてｎ番目（ｎは自然数）の反射鏡の凸条４１を挟む一方の反射面４２の反射角θ_１と他方の反射面４２の反射角θ_２は、図２に示すように、下記に示す（１）から（５）の各部位の寸法比を代入した式1、式２、式３を満たすように設定している。
（１） 受光部間の寸法：Ｌ
（２） 受光部と反射鏡の裾位置の寸法：Ｈ
（３） 受光部から反射鏡端部までの寸法：ｄ
（４） 反射鏡の凸条間の距離寸法：ｅ
（５） 反射鏡の凸条数：ｍ（ｍは自然数）
式１：θ_１＝ｔａｎ^−１（ｆ_１（ｎ））／２
ここで、ｆ_１（ｎ）＝（Ｌ―（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
式２：θ_２＝ｔａｎ^−１（ｆ_２（ｎ））／２
ここで、ｆ_２（ｎ）＝（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
式３：ｅ＝（Ｌ−２ｄ）／ｍ ｍ≧３２

かかる寸法比及び式を満たさない場合には、本装置１が大型化したり受光部３に向かって反射する太陽光の集光効率が低下することとなる。すなわち、寸法Ｈと寸法Ｌの寸法比が１／（２√３）より大きくなれば、Ｈ寸法の比率が増加して本装置１のＨ寸法である厚みが増大する。一方、寸法Ｈと寸法Ｌの寸法比が１／（２√３）より小さくなれば、反射鏡４からのすべての反射光が受光部３に向かわずに集光効率が低下する。また、式１〜３を満たさない場合は、受光部３に反射光が集光しないのは当然として、凸条数のｍが少ない場合には、凸条間の距離ｅが大きくなるため反射面４２の幅が拡がり、この幅が受光部３の受光許容幅を超えると集光効率が低下することとなる。

なお、凸条数のｍを多めに設定すると、反射面４２の幅がより狭くなって集光効率は向上するが、反射面４２の微細加工が必要となり、反射鏡全体の製造が困難又は製造コストが嵩むこととなる。したがって、凸条数のｍは反射鏡の製造を考慮した適宜な数に設定する必要がある。

本装置１のフレーム２の開放面にはルーバー５を設置している。このルーバー５はフレーム２の開放面の受光部間をほぼ横断すると共に、受光部３の配置延長方向に揺動（スイング）する複数の羽板５１から構成している。ルーバー５の羽板５１の両面側は、太陽光を反射可能な鏡面にしている。羽板５１は、図４に示すように、揺動軸を中央に移動させた断面菱形の羽板５２、揺動軸を下部に移動させて上方が鋭角となる断面楔形の羽板５３と変形させても良い。

本装置１は、かかるルーバー５の羽板５１を揺動させて反射鏡４を配置した底面部２２に対して太陽光を上方から直角又は直角に近い角度に入射させることを可能としている。また、適宜にルーバー５を閉じて太陽光を遮断して受光部３の各モジュールを保護する安全装置として機能させることも可能である。

ルーバー５に加え、本装置１の全体を受光部３の配置延長方向と直交する方向、別言すれば、ルーバー５の揺動方向と直交する方向に回動させる傾斜装置６をもってフレーム２を軸支持するようにしても良い。

上記ルーバー５と傾斜装置６を付加した本装置１は、１日の太陽の動きにルーバー５を連動させ、季節の太陽の動き及び南中点（地軸傾斜２４．３度によって、朝、昼、夕刻の仰角が変化する。）による太陽の動きには傾斜装置６を連動させることが可能となり、より効率的な太陽光利用が可能となる。

また、上記構成の本装置１は、一般家屋８の屋根８１に設置する場合には、太陽光エネルギーの効率的な利用を図るため、その複数を連結することが好適である。例えば、図６に示すように、連結フレーム７をもってルーバー５のみ付加した本装置１の側壁２４どうしを３個連結した１ユニットとし、このユニットを４列並べて傾斜可能に配置する形態である。かかる形態の場合、太陽光の入射を考慮すれば、ルーバー５の羽板５１の揺動方向を東西、本装置１の傾斜方向を南北方向とすることが好適である。

本装置１は、上述のように簡易な構成であるため、適宜に複数を連結して能力を向上させた上で一般家屋８の屋根８１に設置して電力等を得ることが容易にできる。本装置１によって得た電力等は、蓄電ユニット、冷房ユニット、蓄熱タンク等の他の機器と組み合わせて用いることが可能であり、本装置１の設置によって、今後の住宅設計や施工における省電力化へ寄与は大きなものである。

また、本装置１は一般家屋ばかりでなく、マンション、オフィスビル、工場等の大規模住宅や施設での利用も容易である。このため、より多くの施設で広く用いれば、国家的規模での省エネルギー化を促進させるだけでなく、地球温暖化防止への貢献も期待できるものである。

本装置の概観を示す断面図である。 図１の一部拡大図である。 本装置を示す一部切り欠き斜視図である。 本装置の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 本装置の応用例を示す斜視図である。 本装置の応用例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 本装置
２ フレーム
２１ 立設壁
２２ 底面部
２３ 支柱
２４ 側壁
３ 受光部
３１ 発電モジュール
３２ 発熱モジュール
３３ 光学デバイス
４ 反射鏡
４１ 凸条
４２ 反射面
５ ルーバー
５１ 羽板
５２ 羽板（菱形）
５３ 羽板（楔形）
６ 傾斜装置
７ 連結フレーム
８ 一般家屋
８１ 屋根
ｓ 太陽光
Ｌ 受光部間の寸法
Ｈ 受光部と反射鏡の裾位置の寸法
ｄ 受光部から反射鏡端部までの寸法
ｅ 反射鏡の凸条間の距離寸法
θ_１ 反射角
θ_２ 反射角

Claims (7)

1. 所定間隔をもって平行配置する受光部と、
   該受光部間に配置され、受光部の配置方向に延びる凸条を成すと共に、該凸条を挟む一対の面のそれぞれが上記受光部に向かって格別に太陽光を反射させる複数条の反射鏡と、
   から成ることを特徴とする太陽光集光装置。
2. 受光部と凸条を成す反射鏡の裾位置からの寸法を、対向する受光部間の寸法に対し、約１／（２√３）の寸法比に設定したことを特徴とする請求項１記載の太陽光集光装置。
3. 一方の受光部から数えてｎ番目（ｎは自然数）の反射鏡の凸条を挟む一方の面の反射角θ_１と他方の面の反射角θ_２は、下記に示す（１）から（５）の各部位の寸法比を代入した式1、式２、式３を満たすことを特徴とする請求項１、又は２記載の太陽光集光装置。
   （１） 受光部間の寸法：Ｌ
   （２） 受光部と反射鏡の裾位置の寸法：Ｈ
   （３） 受光部から反射鏡端部までの寸法：ｄ
   （４） 反射鏡の凸条間の距離寸法：ｅ
   （５） 反射鏡の凸条数：ｍ（ｍは自然数）
   式１：θ_１＝ｔａｎ^−１（ｆ_１（ｎ））／２
   ここで、ｆ_１（ｎ）＝（Ｌ―（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
   式２：θ_２＝ｔａｎ^−１（ｆ_２（ｎ））／２
   ここで、ｆ_２（ｎ）＝（ｅ（ｎ−１）＋ｄ）／Ｈ
   式３：ｅ＝（Ｌ−２ｄ）／ｍ ｍ≧３２
4. 受光部は、一方側を太陽光が入射可能に開放した略断面コ字状を成す樋状のフレームであって、該フレームの対向する立設壁の内側上端縁に沿ってそれぞれ配置し、
   反射鏡は、前記フレームの底面部の内側面に配置したことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の太陽光集光装置。
5. フレームの開放部に、受光部間をほぼ横断すると共に、受光部の配置延長方向に揺動する複数の羽板から成るルーバーを配置したことを特徴とする請求項４記載の太陽光集光装置。
6. ルーバーの羽板の一面側又は両面側を、太陽光を反射可能な鏡面としたことを特徴とする請求項５記載の太陽光集光装置。
7. 受光部の配置延長方向と直交する方向に回動する傾斜装置をもって、フレーム全体を支持したことを特徴とする請求項４、５又は６記載の太陽光集光装置。

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