JP2010014826A - 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】 透明材からなる円錐筒の肉厚を小径方向に向かって次第に厚くした集光筒を形成して、
その大径側の端面を入光面、小径側端面を出光面として、入光面から入射する太陽光線を、
集光筒の壁面で全反射を繰返させて出光面に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３

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した太陽レンズに関するものである。

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受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 特願２００８−０２５８０８ 太陽レンズ

前記特許文献１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小さくする必要があり、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。

また、前記特許文献２の方法では、逆台形の集光レンズと微少な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た構成であるため、
形状が複雑となり高度な製造技術を要するうえ、太陽レンズの入光面と出光面の面積差が少なく集光倍率が低いことや、
倍率を高めるために複数段に積層すると集光効率が低下する欠点があった。本発明はこれらの欠点を解決するものである。

全反射を応用して太陽光を集光する方法としては前記文献１や文献２と同じであるが、前者が全反射と透過屈折を組合わせて集光する方法であるのに対して、
本発明による集光方法は全反射だけで集光する点で基本的に異なり、集光筒の内外壁面で全反射を繰り返して集光し前記課題を解決するものである。

太陽追尾装置を要することなく全高度全方位の太陽光を太陽レンズの出光面に集光することができる。
集光筒の内側中空部分に入射する太陽光を集光することができないが、
構成素材の光線透過損失や出入光面での表面反射損失を無視すれば入光面に入射する光線の全てを集光することができる。
また、集光筒の直径に対して相対的に集光筒の肉厚を薄くすることで高い集光倍率で集光することができる。

断面が円形の光ファイバー内を全反射を繰り返して光線か進行するのと同じように、中空円筒でも光線を伝送することができるが、
図１は透明な中空円筒の切り口を入光面３として入射した光線が全反射を繰り返して進行する様子を示したものである。
なお、以下の説明における集光筒斜面の傾斜角や光線の傾斜角は、太陽レンズを水平に設置した状態の鉛直面に対する傾斜角度を示すものである。

図１において左上空（紙面の左手前）から入射した光線のうち、円筒の中心に向かって入射する光線ｐ１は所定の屈折角度で図２に示すように円筒の下方に向かって
進行し、内周と外周の間で全反射を繰り返して下端の切り口から放出される。
また、図１において中心からずれた光線ｐ２の場合は、円筒内面との角度差に相当する角度だけ半径方向にも全反射をして円筒外周５に向かい、
外周５と内周６の間で同様に全反射を繰り返して下端の切り口から放出されることになる。

図３は本発明による太陽レンズ１を示すもので、円錐筒の肉厚を小径方向に向かって次第に厚くした集光筒２を形成し、
その大径側の端面を入光面３、小径側端面を出光面４として、入光面から入射する太陽光線を、
集光筒の壁面５、６で全反射を繰返させて出光面に集光するように構成したものである。
また、出光面に到達する光線の傾斜角α３が構成素材の臨界屈折角度以下になるように集光筒の傾斜角α１を設定したもので、
全体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で形成されている。７は通気や雨水を排出させるための孔で集光機能上は必要ではない。

太陽レンズ内を進行する光線の経路は、図１、図２の場合と同様に下向きの成分と円周方向の成分に分割して考えることができるが、
図４、図５は地点ｍ１、ｍ２、ｍ３から進入した光線の集光経路を示すものである。

例えば、臨界屈折角が４２度（屈折率約１．５）のアクリル樹脂を使った太陽レンズで、
集光筒の傾斜角α１が６度、α２が９０度の水平、太陽光線の方角が９０度の水平方向からの光線で、集光筒に入射する光線としては最大に屈折する光線の場合、
図５の光線ｍ３と同一の経路をたどり、入光面３から入射したあと傾斜角４２度で外壁面５に向かい、
全反射によって反転して５４度の傾斜角で内壁面６に進行し、全反射を繰返して出光面７に到達する。

もし、内外壁面が平面で肉厚が等しい場合には、内壁面６の傾斜角も同じになるから全反射を繰返す光線の傾斜角も同じになって、
出光面７に到達する光線の傾斜角は５４度となる。その結果、
この光線は出光面でも全反射して方向を上下に反転して点線で示す矢印の光線ｅ１ようにレンズ外に散逸することになる。
この不都合を解決するには、外壁面５に対して内壁面６の傾斜角を大きくして集光筒２の肉厚が出光面７に近い側で厚肉になるようにすればよい。
全反射で折り返す光線の傾斜角を少しずつ小さくすることができるので出光面に到達する光線の傾斜角を臨界屈折角以下にすることができる。

また、前例において集光筒外壁面５の傾斜角α１を６度を越える角度、例えば１０度に設定すると、
入射した傾斜角４２度の光線は全反射しないで外壁面５からレンズ外に透過して散逸することになる。
この不都合を解決するには、入射面３の傾斜角を外壁面５に直角な角度まで傾ければよい。
図３のように入光面を外壁面に直角な角度（６度）まで傾けると、右側入光面３ではその角度以上の太陽光線しか射し込まないことになるが、
最も傾斜角の大きな８４度の太陽光線でも入射後の傾斜角は３６度となるから外壁面５を透過することはない。
しかし、外壁面で全反射した後の光線の傾斜角は４２度を越えることになるから、関連して内壁面６の傾斜角度を大きくしたり、
内外壁面６の角度差を大きくしないと出光面４で全反射をして損失光線を生ずることになる。

出光面を入光面にあわせて傾斜角α２の角度で傾斜させると、出光面に対応する受光装置の受光面を合わせる必要があることや、
完全に密着していないと一部の光線が太陽レンズに逆流する恐れがでてくるから、出光面は平面であることが望ましく、
また、平面にするには、出光面に到達する集光の傾斜角度を臨界屈折角以下の角度にする必要がある。

集光筒の外壁面５を透過して最も漏れやすい入射光線は、最大傾斜角（４２度）で進入する水平方向からの太陽光線（朝陽）が、
図４の地点ｍ３から半径方向に直角で外壁面５に当たる場合である。
このため、この光線が当たる外壁面を全反射ができる角度（６度以内）に設定すれば、
その他の地点では光線と外壁面との角度差がより小さいので透過して損失する光線はないと考えられる。

図３では外壁面５の傾斜角が同じ単純な集光筒を示しているが、
入光面３に近い大径側の外壁面４の傾斜角を出光面４に近い側の外壁面４の傾斜角より大きくして朝顔のような広がりのある集光筒にすると、
出光面に対する入光面の面積をより大きくすることができから、集光倍率を高めることができる。
しかし、外壁面５の傾斜角と進行光線との角度差が臨界屈折角を越えると外壁面を透過して損失光線となるから外壁面４を傾けるには限度がある。

以上の諸点から入射光線を損失なく集光するには、入光面３の傾斜の程度に関わらず、出光面４に到達する光線の傾斜角が臨界屈折角以下になるように、
外壁面５の傾斜角を設定する必要があり、そのためには出光面に近い集光筒の外壁面の傾斜角を、
傾斜角 α１＝９０−（臨界屈折角度×２） の許容最大傾斜角以下にに設定することと、
内壁面６の傾斜角を外壁面５の傾斜角よりも大きくして集光筒２の肉厚を出光面４に近い側で厚くなるように設定することが重要となる。

一方で出光面に近い部分の肉厚を厚くすることは集光倍率の低下につながる。
集光倍率は入光面３と出光面４の面積の比率で、集光倍率＝入光面積÷出光面積となる。
また、入光面と出光面の直径比に関連するから集光筒２の肉厚が薄いほど集光倍率は高くなる。

このように本発明の太陽レンズでは線状の光ファイバーと同じような要領で、水平方向の傾斜角が９０度の太陽光線から
、垂直方向の傾斜角が０度の太陽光線までの全ての光線を出光面に集光することができるものである。
また、構造が極めて簡単であるから低コストで所期の目的を達成することができるもので、
太陽光発電や自然光照明、太陽熱加熱装置などに幅広く活用できる可能性がある。

光線の伝達経路を説明するための平面図 図１の光線経路の断面説明図である。 太陽レンズの平面図である。 太陽レンズの断面図である。 太陽レンズでの光線経路の説明図である。

符号の説明

１、太陽レンズ
２、集光筒
３、入光面
４、出光面
５、外壁面
６、内壁面
７、通気孔

Claims (1)

1. 円錐筒の肉厚が小径方向に向かって次第に厚くなる集光筒を透明材料で形成し、
   集光筒の大径側を入光面として入射する太陽光線を、集光筒の壁面で全反射を繰返させて小径側の出光面に集光するように構成するとともに、
   出光面に到達する光線の傾斜角が構成素材の臨界屈折角度以下になるように、
   出光面付近の集光筒の傾斜角を許容最大傾斜角以下に設定したことを特徴とする太陽レンズ。

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