JP2011127841A - 太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光を精緻な追尾装置なしで効率よく受光することができる太陽光集光装置を提供しようとする。
【解決手段】太陽光を集光して受光するために用いる集光装置であって、曲面鏡またはレンズ４からなる集光手段６と、該曲面鏡またはレンズ４の、焦点またはその近傍に設置されたボール系レンズ８とからなり、前記集光手段６で集光されてのち前記ボール系レンズ８を透過した太陽光を受光するようになした太陽光集光装置であり、さらに導光路１２を含み、前記ボール系レンズ８を透過した太陽光を該導光路１２の入射端より入射させ、出射した太陽光を受光するようになし、前記ボール系レンズ８と該導光路１２の入射端面との距離をＬ、前記ボール系レンズ８の径をｄとしたとき、Ｌ／ｄが０．２以下である前記太陽光集光装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を集光して対象物に照射しその対象物を加熱しもしくは励起させるために用いる太陽光集光装置に関する。

近年、クリーンエネルギである太陽光を利用する加熱装置や発電装置に関心が高まっており、各種の技術が開示されている。

例えば、特開２００９−１３９７６１には集光性能が改良された球面鏡により太陽光を集光し、スターリングエンジンを駆動することが開示されている。

また、特開２００５−３４４６０８にはフレネルレンズで集光した太陽光を石英ガラス製の光導ファイバの入射端に入射させ出射光でスターリングエンジンを駆動することが開示されている。

しかし、これらの方式においては、受光面を正確に焦点の位置に置き、かつ太陽光の方向と直交させる必要があった。しかし、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光は、向きや焦点の位置が時々刻々変わるので、精緻な追尾装置なしには集光された光を効率よく受光することが難しい。

特開２００９−１３９７６１号公報 特開２００５−３４４６０８号公報

本発明の目的は、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光を精緻な追尾装置なしで効率よく受光することができる太陽光集光装置を提供することである。

本発明の要旨とするところは、太陽光を集光して受光するために用いる集光装置であって、曲面鏡またはレンズからなる集光手段と、該曲面鏡またはレンズの、焦点またはその近傍に位置するボール系レンズとからなり、前記集光手段で集光されてのち前記ボールレンズを透過した太陽光を受光するようになし、前記ボール系レンズがボールレンズ、球冠形状のボール系レンズから選択された太陽光集光装置であることにある。

前記太陽光集光装置はさらに導光路を含み得、前記ボール系レンズを透過した太陽光を該導光路の入射端より入射させ得、出射した太陽光を受光するようになし得、前記ボール系レンズと該導光路の入射端面との距離をＬ、前記ボール系レンズの径をｄとしたとき、Ｌ／ｄが０．２以下であり得る。

前記ボール系レンズの径は前記導光路の径より大きくされ得る。

前記太陽光集光装置においては、前記ボール系レンズが球冠形状のボール系レンズであり得、前記導光路の導光部が導光体からなり得、該導光体と前記ボール系レンズとが一体連接してなり得る。

前記太陽光集光装置においては、前記導光路は出射がわで複数に分岐したものであり得、分岐した各導光路から出射した太陽光をそれぞれ受光するようになし得る。

また、本発明の要旨とするところは、前記太陽光集光装置を用いた発電装置であることにある。

本発明によると、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光を精緻な追尾装置なしで効率よく受光することができる太陽光集光装置が提供される。

本発明の太陽光集光装置の態様の一例を示す説明図。 レンズを通過する光路のシミュレーション図。 本発明の太陽光集光装置の態様の他の一例を示す説明図。 本発明の太陽光集光装置に用いられる導光路の態様の他の一例を示す説明図。 本発明に用いられるボールレンズと導光路の配置を示す説明図。 本発明に用いられるボール系レンズと導光路の配置を示す説明図。 本発明に用いられるボール系レンズと導光路の位置を示す説明図。

本発明の太陽光集光装置の態様の一例を説明する。図１に示すように、本発明の太陽光集光装置２は、フレネルレンズ４からなる集光手段６とフレネルレンズ４の焦点５またはその近傍に設置されたボールレンズ８とからなる。太陽光はフレネルレンズ４の焦点５またはその近傍で集光されてのちボールレンズ８を透過する。ボールレンズ８の出射側でボールレンズ８に近接または接した位置に導光路１２の入射端面１１（受光面１０）が配される。導光路１２は自身の入射端に入射した光を自身の出射端（１３）に導いて出射するものであり、光ファイバ、光ファイバ束、ガラスロッド、透明樹脂ロッド、内面が鏡面であるパイプなどから構成されるものである。太陽光集光装置２を経た導光路１２からの出射光を対象物１４（図１ではスターリングエンジン）に照射することにより、対象物の加熱や励起を行うことができる。本発明においては、導光路１２を用いずに対象物の表面を受光面として、ボールレンズ８を透過した光を直接に対象物に照射してもよい。

本発明においては、フレネルレンズ４の焦点５またはその近傍にボールレンズ８を位置させることにより、ボールレンズ８に入射した光よりもさらにエネルギ密度の高い光束が受光面１０に照射あるいは入射される。受光面１０がガラス等の光透性の物質からなる物体の受光面であったり、太陽光が照射されて物体が昇温しても、その昇温の程度がボールレンズ８がその昇温で損傷されない程度である場合には、受光面１０はボールレンズ８に接触した状態であってもよい。例えば受光面１０にボールレンズ８が載置された状態であってもよい。受光面１０とボールレンズ８との間隙は１０ｍｍ以下であることが好ましい。ボールレンズ８の径をｄ、受光面１０とボールレンズ８との間隙をＬとしたとき、Ｌ／ｄは０．２以下であることが好ましい。例えばボールレンズ８の径が５０ｍｍの場合、受光面１０との間隙は１０ｍｍ以下であることが好ましい。Ｌ／ｄがこの範囲を上回るとボールレンズ８からの出射光が発散し、受光面１０での光束のエネルギ密度が低くなり、高温が得られない。Ｌ／ｄが０、すなわち、受光面１０にボールレンズ８に接触した状態は、受光面１０に対するボールレンズ８の位置決めが簡単で、高度に収束した太陽光を安定して受光面１０に照射あるいは入射できる。なお、導光路を用いる場合は、導光路の入射端面１１とボールレンズ８の距離がＬである。

このことはボールレンズのシミュレーションからも説明できる。すなわち、図２はレンズを通過する光線９２の光路をシミュレーションしたものであり、図２（ａ）のボールレンズ８においては収差のある焦点９４がボールレンズ９０の出射面近傍に存在する。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、半球レンズ８ｈを通過する光線９２の光路シミュレーションでは、収差のある焦点９４ｈが半球レンズ８ｈの出射面９８側に出射面９８から略半球レンズ８ｈの半径に相当する距離ｄｄ離れた位置ｐの近傍に存在する。通常の（虫眼鏡に用いるような）形状のレンズの場合でも焦点は出射面から大略レンズ径と同じ距離あるいはそれ以上離れた位置に存在する。

従って、通常の形状のレンズや半球レンズの場合、フレネルレンズ４の焦点近傍にその通常の形状のレンズや半球レンズを置いてフレネルレンズ４で集光された太陽光をさらに集光すると、その通常の形状のレンズや半球レンズの出射面から略レンズ径の半分あるいはそれ以上離れた位置が最も集光された位置であり、効率的な受光のためには、そのような位置に対象物の受光面を位置させなければならず、位置、すなわち、通常の形状のレンズや半球レンズと対象物の受光面との距離の調整が難しい。

これに対して、ボールレンズ８の場合は、上述のようにボールレンズ８と受光面１０とは近づけるほうがよいので、このような位置の調整は容易である。

本発明の太陽光集光装置２における対象物１４としては、スターリングエンジンのほかに太陽光を熱源や光源として利用する各種の装置の受光部が挙げられる。本発明の太陽光集熱装置は、冷暖房用熱源、ヒートポンプ用熱源、給湯用熱源、光化学反応プラントの光源及び熱源、発電用蒸気タービン駆動用熱源、海水淡水化用熱源、植物プラント用光源及び熱源、海底浄化用光源、河川、湖沼浄化用光源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源、太陽電池の光源、小規模発電の熱源、として利用できる。

なかでも、本発明により２０００℃以上２６００℃に達する高温が得られるので、本発明の太陽光集熱装置はスターリングエンジンの熱源として好適に利用することができる。また、発電用蒸気タービン駆動用熱源として好適に利用することができる。

このように、本発明の太陽光集熱装置はスターリングエンジンや蒸気タービンを介してこれらにより駆動される発電機と連結して、クリーンエネルギによる発電装置を構成することができる。

本発明においては、フレネルレンズに代えて通常のレンズが用いられてもよいが、軽量薄型という点でフレネルレンズが好ましい、また、図３に示すように太陽光の集光手段６として、フレネルレンズに代えて球面鏡のような曲面鏡２０が用いられてもよい。図３に示す太陽光集光装置２ａにおいて、曲面鏡２０の焦点５ａまたはその近傍に設置されたボールレンズ８とからなる。太陽光は焦点５ａまたはその近傍で集光されてのちボールレンズ８を透過する。ボールレンズ８の出射側でボールレンズ８に近接または接した位置に導光路１２ａの受光面１０ａが配される。導光路１２ａからの出射光を対象物１４に照射することにより、対象物の加熱や励起を行うことができる。

本発明においては、図４に示すように出射側で分岐する導光路１２ｂが用いられてもよい。導光路１２ｂとしては出射側で分岐する石英ロッドなどが好適に用いられる。導光路１２ｂの入射端面１１ｂに接して、あるいは上述のように近づけてボールレンズ８を配置し、導光路１２ｂの分岐した出射端１７にそれぞれ対象物１４ｂを配することにより複数の対象物１４ｂに高温の太陽光を照射することができる。例えば、複数のスターリングエンジンを同時に駆動することができる。

また、本発明においては、ボールレンズ８の径ｄは、導光路の入射端部１９における径ｄ_３と同じかあるいは小さくともよいが、図５などに示すようにｄがｄ_３より大きいことが好ましい。これにより、導光路の受光面１０より大きい面積の径の光束をボールレンズ８で集光することができ、本発明の太陽光集光装置の集光の効率をよくすることができる。

さらに、本発明においては、ボールレンズ８に代えて図６に示すように球冠形状レンズ８８が用いられてもよい。本発明に用いられる球冠形状レンズ８８は、球体を直径方向の面で切断した形状のもので、切断面９０の径ｄ_２がレンズ径ｄより小さく、球冠に膨らんだ部分の径がもとの球体の径であるものをいい、これを球冠形状のボール系レンズと称する。本明細書においては、ボールレンズ８と球冠形状レンズ８８（球冠形状のボール系レンズ）とを総称してボール系レンズと称する。図６に示す態様にあっても、球冠形状レンズ８８の径をｄ、受光面１０と球冠形状レンズ８８との間隙をＬとしたとき、Ｌ／ｄは０．２以下であることが好ましい。切断面９０と受光面１０とは接していてもよい。球冠形状レンズ８８の径ｄは、導光路の入射端部１９における径ｄ_３より大きくなる。

また、図７に示すように、導光路１２がガラスのような導光体９２からなる場合、球冠形状レンズ８８と導光体９２とは、切断面９０と受光面１０が合わさって一体連接していてもよい。

図１に示す態様で１．５ｍ角の面積のフレネルレンズ４を用い、太陽光に向かわせ、その焦点５に５０ｍｍ径のボールレンズ８を配した。導光路１２として、５０ｍｍ径、長さ５００ｍｍの石英ロッドを用い入射端面１１（受光面１０）にボールレンズ８の出射側の面を接触させて配した。導光路１２の出射端面にスターリングエンジン（ボーム社製：タイプＨＢ７）を配置してその受光部を照射し、スターリングエンジンを駆動することができた。

ボールレンズ８と入射端面１１（受光面１０）との間隔を１０ｍｍとした他は実施例１と同様にしてスターリングエンジンを駆動することができた。

ボールレンズ８と入射端面１１（受光面１０）との間隔を１５ｍｍとした他は実施例１と同様にしてスターリングエンジンを駆動することができた。運転状態は実施例１，２ほどはスムースでなかった。

比較例２
ボールレンズ８を使用しなかったほかは実施例１と同様の配置でスターリングエンジンの駆動を試みた。すなわち、フレネルレンズ４に対向して焦点５に導光路１２の入射端面（受光面１０）を位置させて太陽光を入光させた。しかし、スターリングエンジンは作動しなかった。

その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明は太陽光を熱源や光源として利用する各種の装置に利用できる。例えば、冷暖房用熱源、ヒートポンプ用熱源、給湯用熱源、光化学反応プラントの光源及び熱源、発電用蒸気タービン駆動用熱源、スターリングエンジン用熱源、海水淡水化用熱源、植物プラント用光源及び熱源、海底浄化用光源、河川、湖沼浄化用光源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源、太陽電池の光源、小規模発電の熱源、として利用できる。

太陽光集光装置２、２ａ：
４：フレネルレンズ
６：集光手段
５、５ａ：焦点
８：ボールレンズ
１１、１１ａ、１１ｂ：入射端面
１２、１２ａ、１２ｂ：導光路
１０：受光面
１３：出射端
２０：曲面鏡
１４：対象物
８８：球冠形状レンズ（球冠形状のボール系レンズ）

Claims (6)

1. 太陽光を集光して受光するために用いる集光装置であって、曲面鏡またはレンズからなる集光手段と、該曲面鏡またはレンズの、焦点またはその近傍に位置するボール系レンズとからなり、前記集光手段で集光されてのち前記ボールレンズを透過した太陽光を受光するようになし、
   前記ボール系レンズがボールレンズ、球冠形状のボール系レンズから選択された太陽光集光装置。
2. さらに導光路を含み、前記ボール系レンズを透過した太陽光を該導光路の入射端より入射させ、出射した太陽光を受光するようになし、前記ボール系レンズと該導光路の入射端面との距離をＬ、前記ボール系レンズの径をｄとしたとき、Ｌ／ｄが０．２以下である請求項１に記載の太陽光集光装置。
3. 前記ボール系レンズの径が前記導光路の径より大きい請求項２に記載の太陽光集光装置。
4. 前記ボール系レンズが球冠形状のボール系レンズであり、前記導光路の導光部が導光体からなり、該導光体と前記ボール系レンズとが一体連接してなる請求項２または３に記載の太陽光集光装置。
5. 前記導光路が出射がわで複数に分岐したものであり、分岐した各導光路から出射した太陽光をそれぞれ受光するようになした請求項２から４のいずれかに記載の太陽光集光装置。
6. 請求項１から６のいずれかに記載の太陽光集光装置を用いた発電装置。

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