JP2012002894A - 反射鏡及びその作成方法及びこれを用いた太陽電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、集光形太陽電池のシステムにおいて複雑で高コストな不都合を回避するため、簡単に得ることができる反射鏡とその作成方法と太陽電池のシステムを提供することである。
【解決手段】反射鏡として、柔軟に曲がり弾性により復元力を有し、少なくとも一方の面に鏡面を有する平面板を、所望の曲面を有する曲面体の曲面に配置したものあり、その簡単な作成方法とこれを用いた太陽電池のシステムとしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光型太陽電池に用いる反射鏡とその作成方法、これを用いた太陽電池システムに関するものである。

太陽電池自体は、未だ高額であるため、太陽電池システムのシステム全体のコストを低減するために、多くの集光型太陽電池システムが提案されてきた。
その例をたどると、第一の例ではフレネルレンズを用いたものとしては、特許文献１、特許文献２、第２の例ではシート状の集光装置として特許文献３、特許文献４、第３の例では導光ガイドとして特許文献５、特許文献６、第４の例ではパラボラ反射鏡を用いたものとして特許文献７、第５の例では平面又は凹面反射鏡を用いたものとして特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４を見出すことが出来る。
第一の例で、太陽光を集めるために、大面積を有するフレネルレンズが必要であるが高額になり、得策ではない。第２の例での集光装置も複雑な構造をしていて、その製造コストを考慮すると、システムのコスト低減に寄与するには不都合である。第３の例で、導光ガイドは、フレネルレンズと組み合わせた構成が多いが、コスト的には高額となり不都合である。第４及び第５の反射鏡を用いた例では、反射鏡の配置について提案があるが、大きな反射鏡を低コストで実現する提案が示されていない。

特開２００３−２５８２９１ 特開２００４−１７２２５６ 特開２００９−１３９４１８ 特開２００９−２２９５８１ 特開２００８−３０５８７９ 特開２００９−１１７７９５ 特開平０６−３１３６２９ 特開平０７−４５８５４ 特開平２００８−１９８９６５ 特開２００１−２９８２０９ 特開２００６−２６９５２３ 特開２００６−８６４８４ 特開２００９−２９５６６３ 特開２００９−５２６３８６

本発明の課題は、前記の不具合を克服するもので、低コストで実現可能な構成の凹面反射鏡、その作成方法と、これを用いた太陽電池システムを提供することである。

本発明の反射鏡及びその作成方法及びこれを用いた太陽電池システムは、柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板と、所望の曲面を有する曲面体を有し、前記平面板の面の少なくとも一方は、鏡面であり、前記平面板を前記曲面体の前記曲面に配置された反射鏡であり、その簡単な作成方法であり、これを用いた集光形太陽電池システムを特徴とする。以下説明する。

請求項１記載の発明は、反射鏡であって、柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板と、所望の曲面を有する曲面体を有し、前記平面板の面の少なくとも一方は、鏡面であり、前記平面板を前記曲面体の前記曲面に配置された構成により、前記平面板が前記曲面に倣い、前記平面板が前記曲面と同じ曲率の有したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の反射鏡において、前記平面板は、光沢のある金属板か、又は、表面に金属被覆膜を有する透明樹脂板かであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の反射鏡において、前記透明樹脂板において、前記金属被覆膜を有する面とは反対側の面上に、透明性の紫外線を反射又は吸収する紫外線防止膜、又は、透明性のクッション性の衝撃吸収膜を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の反射鏡において、前記曲面体は、曲率が１次元方向のみに存在することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の反射鏡において、前記曲面体の曲面に、前記曲面より小さい平面板を複数個配置したことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、反射鏡の作成方法であって、所望の曲面を有する曲面体を有する反射鏡の作成方法において、所望の曲面を与える方向に所定の長さで、柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板を、前記所定の長さより短い長さの幅の有する筺体にはめ込み、前記はめ込みより前記平面板が曲がり、前記平面板が前記筺体の中央で凸状になった側に、充填材を充填し表面を平坦にした後固化することで充填材による曲面台を形成し、前記の曲がった平面板を所望の曲面を有する曲面体として、前記曲面体の面に、柔軟に曲がり弾性により復元力を有し、少なくとも一方の面は、鏡面である第２の平面板を設置して、前記曲面体の面に倣わせることで、前記第２の平面板が前記曲面体と同じ曲率の有するようにしたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、反射鏡の作成方法であって、所望の曲面を有する曲面体を有する反射鏡の作成方法において、側面に覆い板を有し、上蓋の無い箱の中央部に凸部があるように配置された曲面体を有する筺体を型として、充填材を充填し表面を平坦にした後固化することで充填材による曲面台を形成し、前記の筺体を外した後、前記の充填材による曲面台を所望の曲面を有する曲面体として、前記曲面体の面に、柔軟に曲がり弾性により復元力を有し、少なくとも一方の面は、鏡面である第２の平面板を設置して、前記曲面体の面に倣わせることで、前記第２の平面板が前記曲面体と同じ曲率の有するようにしたことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、太陽電池システムであって、請求項１から請求項５に記載の反射鏡、請求項６及び請求項７に記載の反射鏡の作成方法による反射鏡を、太陽光を反射する位置に設置し、太陽電池を前記反射鏡の焦点付近に配置することで、前記反射鏡より小さな面積の太陽電池に集光したことを特徴とする。

以上の様に構成されているので、本発明の反射鏡は、容易かつ安価に構成でき、集光が可能なので、太陽電池システムに応用すると全体のシステムコストを低減することができる。

本発明に係る反射鏡の一実施態様を説明する図である。 本発明に係る反射鏡の詳細部品構成の実施態様を示す図である。 本発明に係る反射鏡に使用する曲面体の一実施態様を示す図である。 本発明に係る反射鏡の作成方法の一実施態様を示す図である。 本発明に係る反射鏡を用いた太陽電池システムの一実施態様を示す図である。 本発明に係る反射鏡を用いた太陽電池システムの別の一実施態様を示す図である。

柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板と、所望の曲面を有する曲面体を有し、前記平面板の面の少なくとも一方は、鏡面であり、前記平面板を前記曲面体の前記曲面に配置された反射鏡であり、その簡単な作成方法が提供され、これを用いた集光形太陽電池システムを提案する。
以下、実施例を用いて説明する。

図１は、本発明に係る反射鏡の一実施態様を説明する図である。１−Ａには、斜視状態の凹面鏡を示している。この例では、奥行き方向には平面鏡であり、横方向には凹面鏡となっている。凹面鏡の曲面を与える曲面を有する曲面体１０１とこの面上に設置された柔軟性の膜によるミラー板１０２とこれらを支える筺体１０３を有している。ミラー板１０２は、例えば、クレジットカードなどのように、柔軟性と厚みを持ち、透明プラスティックや塩化ビニルなどの透明な膜に設置面側にアルミニウムのような金属を被覆したものや、鏡面金属板が適用できる。曲面体１０１の面に、金属被覆面側を接するように設置（貼り付けなど）することで、曲面に沿って曲がり、凹面鏡が構成される。ミラー板１０２は、平板であるが、曲面体１０１に設置することで曲面に倣い凹面鏡になるわけである。尚、ミラー板１０２の金属被覆面側とは反対側の表面には、被膜の紫外線劣化を防止する紫外線防止膜や雹による被害防止のためのクッション性の衝撃吸収膜を備えると好都合である。尚、ミラー板１０２を柔軟性の鏡面金属板で構成する場合は、紫外線防止膜は不要である。
Ｒ−ｒは、曲面の曲率の中心が存在する位置を結んだ線分を示す。奥行き方向には平面鏡であるから、曲率の中心は、この線分上に存在する。尚、曲面が球面の場合は、曲面の焦点は、中心から半径の１／２だけ離れたところにある。球の中心を通る線に平行な光線は、反射して焦点を通過するように曲げられる。同様に、曲面が楕円の場合も反射光が曲げられる。１−Ｂでは、中心から径方向に曲率を持つ凹面鏡を示している。１−Ｃでは、奥行き方向と横方向に曲率を持つ凹面鏡を示している。

図２は、本発明に係る反射鏡の詳細部品構成の実施態様を示す図である。必須の構成物としては、曲面体１０１とこの曲面に貼り付け、ネジ止めなどによって設置する柔軟性の平板のミラー板１０２を有している。曲面体１０１は、２−Ａに示すように板を曲面に曲げたものでもよいし、２−Ｂに示すように板の片面側のみ曲面を有するものであってもよい。
２−Ｃに示す筺体１０３は、２−Ｂに示すように板の片面側のみ曲面を有するものでは、特に必須のものではない。ミラー板１０２を２−Ｄでのように破線で切った断面を２−Ｅに示す。ミラー板１０２は、柔軟性のプラスティックや塩化ビニルなどの透明膜２０１とこの裏面にあるアルミニウムのような金属の被覆膜２０２があるもの（上段）、透明膜２０１の表側に被膜の紫外線劣化を防止する紫外線防止膜や雹による被害防止のためのクッション性の衝撃吸収膜などの表面保護膜２０３があるもの（下段）や、透明膜の無い鏡面金属板のみによるものなどが利用できる。

図３は、本発明に係る反射鏡に使用する曲面体の一実施態様を示す図である。
３−Ｂにおいては、図２の２−Ｂに示す板の片面側のみ曲面を有する曲面体１０１であって、筺体１０３が不要であり単純な形態であるが、大きな面積にわたりこれを作ることは
切削、塑性型抜きなど作成が容易では無い不便がある。
これに対して、３−Ａにおいては、筺体１０３があり、曲面体１０１は、押し圧により曲がる弾性板３０１と曲面台３０２を有している。一見、ここでは、曲面台３０２が３−Ｂに示す曲面体１０１の形状なので、３−Ｂのものより３−Ａのものが複雑になるように見られるが、図４でも示すように、曲面台３０２をもとに弾性板３０１が曲がるのではなくて、弾性板３０１がもとで、曲面台３０２が容易に作られることに意味がある。弾性板３０１に所望の曲率の曲面を与えるのは容易である。両端をある距離に固定し、中央を下に押すことで、押して固定した変移量(距離)により、曲面が得られるからである。このようにすると、曲面の構成が容易であり、その後に、押し圧への強度が欲しければ、曲面台３０２を図４のようにして作ればよい。

図４は、本発明に係る反射鏡の作成方法の一実施態様を示す図である。
筺体４０１（４−Ａ）があり、両端の間の間隔Ｌ１が所望の値になっている。両端の壁には、曲面板の両端をはめ込む溝が付いている。両端を留めるためには、溝以外にも突起でもよく、溝にこだわらない。曲面板となる弾性板３０１（４−Ｂ）は、筺体４０１の両端の間の間隔より大きな所望の幅Ｌ２を持っていて、この幅と筺体４０１の両端の間の間隔の関係により、弾性板３０１をはめ込んだ場合（４−Ｃ）に、弾性板３０１は、所定の曲率の曲がりを得ることになる。この状態で、筺体４０１を上下をひっくり返したものが４−Ｄである。４−Ｄには曲面が中央を凸にした状態になっている。勿論最初から、筺体４０１をひっくり返した状態で、弾性板３０１を付けることも可能である。
４−Ｅにおいて、固化する充填材４０２を筺体４０１の表面に達するまで充填し（４−Ｆ）、表面に蓋４０３をする（４−Ｇ）。充填材は、市販のものが利用できる。充填材４０２が固化した後、ひっくり返した状態が４−Ｈである。弾性板３０１が曲面を形成し、それを下地の充填材４０２により形成された曲面台３０２がしっかり支えている。なお、弾性板３０１自体が、強度を有する場合には、下地の曲面台３０２が必ずしも必要とされない。
充填材４０２としては、重量の軽い方が望ましい。したがって、発泡ポリスチロールは、安価であることと相俟って好ましい材料の１つである。４−Ｉにおいて、弾性板３０１の上に、複数枚に分けたミラー板１０２を貼り付ける。勿論、ミラー板１０２は大きなもの１枚でもよいが、作業性を考慮して適度な大きさに分けたほうがよい。又、大きさを統一した方が、好都合である。ミラー板１０２は貼り付けられることで、弾性板３０１が有する曲面に倣い、凹面鏡を構成する。このようにすると、最初から大きな凹面鏡を作るより簡単な技術で、大きな凹面鏡を作成することが出来る。

尚、もう1つの方法として、筺体４０１に曲面板となる弾性板３０１（４−Ｂ）（この場合は、必ずしも弾性は必要なくなる）を付けた後、これを固定した曲面板つきの筺体を型として準備しておき、曲面が中央を凸にした状態で充填材４０２を充填し、表面を平らにした後、固化してから、曲面板つきの筺体を外すと、充填材４０２による曲面台３０２ができるので、この曲面台３０２の上に複数枚に分けたミラー板１０２を貼り付ける。このようにすると、曲面板つきの筺体は、充填材４０２を固化するための型として何度も使用することができて好都合である。

図５は、本発明に係る反射鏡を用いた太陽電池システムの一実施態様を示す図である。
５−Ｂには、凹面鏡５０１が太陽光に対面するように設置され、その焦点位置ＦからＤの距離だけ離れた位置に太陽電池５０２を凹面鏡５０１からの反射光を受けるように配置されている。Ｄの値により、凹面鏡のサイズＬと反射光が絞られる幅Ｗとの比である縮小率Ｋ（＝Ｌ／Ｗ）が決まる。絞りの倍率Ｋを見積もるために５−Ｂの状態を平面化して５−Ａに示す。太陽光は入射光５０３が凹面鏡５０１に入射し、反射光５０４として出て行く。太陽光は凹面鏡５０１の曲率の中心Ｏを通過する線分５０５に平行に入射しているので、反射光５０４は、焦点Ｆ（中心Ｏから曲率半径の１／２離れたところにある）を通過するように反射する。太陽電池５０２は、焦点Ｆからの距離Ｄだけはなれた点に置かれるため、絞られた光が太陽電池５０２に入射し、面積の小さな太陽電池５０２でも光の密度の増大した光で発電が行われるので、発電効率を上げることが出来る。焦点からの距離Ｄ、凹面鏡の端と焦点Ｆを結ぶ線分が入射光となす角度α、凹面鏡の端と曲面の中心Ｏを結ぶ線分が入射光となす角度β、曲率半径Ｒ、凹面鏡５０１の半分の弧の長さＬ、太陽電池の幅Ｗの関係は、５−Ｃに示す式により計算が出来る。計算した結果の一例を示すと、その結果は、５−Ｄに示される。α４５°に対して、βは２４．３°になり、Ｒ１ｍに対して、
Ｌは、０．４２ｍであり、Ｄ０．１０６ｍでは、Ｋは４、Ｄ０．０８５ｍでは、Ｋは５、
Ｄ０．０４２ｍでは、Ｋは１０となり、各数値は、比例関係にあるので、Ｒが２ｍでは、全ての寸法は２倍になる。例えば、Ｋが５では、太陽電池の陰になる部分５０６（５−Ｂで）は１倍分あるので、反射光は得られないので、実質５−１＝４の４倍分の縮小効率が得られる。尚、この配置では、反射鏡の設置の勾配を屋根の勾配に合わせると、風と積雪の影響を受けにくくすることができる。

図６は、本発明に係る反射鏡を用いた太陽電池システムの別の一実施態様を示す図である。
凹面鏡６０１が略水平に設置されている。太陽光は、入射光６０２のように入射角θでは入り、凹面鏡６０１で反射され、反射光６０３の方向に向かう。この図の例では、凹面鏡は、図１の１−Ａのように、太陽光が進行する方向には、平面であり、幅方向に曲率を持っているものを使用している。そのため、幅方向には、焦点に向かうように集光する。凹面鏡６０１の中心から矢印６０３の方向に、凹面鏡６０１の焦点距離（球面では、略曲率の１／２の距離）の離れた近傍に、太陽電池６０４を反射光に正対するように配置する。
このような配置では、太陽電池の面は、下向きになり、埃が付かない。又、裏面は傾斜角が大きいので、積雪が付かない便利さがある。

焦点距離の近くでは、反射光が集光するので、小さな面積の太陽電池６０４に集光させることができ、太陽電池６０４のコストが安価に済む。太陽光は、平方ｍあたり、１ｋｗの電力しか持たないので、発電効率１５％を考えても、必要なエネルギーを得るには、必要な面積の凹面鏡６０１を使うことになる。同じ面積で考えると、図４に示す凹面鏡と架台と小さな太陽電池およびそのとりつけの価格と、架台と取り付けを含めた大きい太陽電池のシステムの価格を比べると、前者が安価に出来る。
太陽電池６０４と凹面鏡６０１を複数個分割して構成することは、構成上好都合なことは勿論である。
尚、図６では、凹面鏡６０１と太陽電池６０４を取り付ける架台は、図示を省略した。

凹面鏡６０１は、水平から数度の角度だけ奥行き方向（太陽光線の入射及び反射する方向）に傾けることも可能である。このようにすると、埃を雨水で効果的に流すことが出来る。
凹面鏡６０１は、積雪が積もる可能性があるので、融雪のために加熱体を表面に付設し、降雪の多い地方の冬場に備えるのもよい。
尚、強風対策としては、凹面鏡６０１は略水平に付設すると、風を受けない。又、風の侵入を防ぐために、凹面鏡６０１の回りに風よけのスカートをつけると、スカートに沿って、かぜが逃げるので、都合がよい。太陽電池６０４は、この配置では、南から北に向かって吹く風を受ける。太陽電池６０４のサイズを小さく出来るので、風による力も小さく出来て好都合である。

以上のように本発明に係る反射鏡及びその作成方法は、柔軟性のあるシート状の鏡を局面に設置したことで凹面鏡の曲面が得られる構造を有しているので、極めて容易に構成することができ、かつ、その作成方法も簡単であるので、安価に得ることができる。これを用いた太陽電池システムも太陽電池のみより縮小率に値に小さい太陽電池でよいので、太陽電池コストを低減でき、産業上利用性が極めて大きい。

１０１ 曲面体
１０２ ミラー板
１０３、４０１ 筺体
２０１ 透明膜
２０２ 被覆膜
２０３ 表面保護膜
３０１ 弾性板
３０２ 曲面台
４０２ 充填材
４０３ 蓋
５０１、６０１ 凹面鏡
５０２、６０４ 太陽電池
５０３、６０２ 入射光
５０４、６０３反射光
５０５ 中心Ｏを通過する線分
５０６ 太陽電池の陰になる部分

Claims (8)

1. 柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板と、所望の曲面を有する曲面体を有し、前記平面板の面の少なくとも一方は、鏡面であり、前記平面板を前記曲面体の前記曲面に配置された構成により、前記平面板が前記曲面に倣い、前記平面板が前記曲面と同じ曲率の有したことを特徴とする反射鏡。
2. 前記平面板は、光沢のある金属板か、又は、表面に金属被覆膜を有する透明樹脂板かであることを特徴とする請求項１記載の反射鏡。
3. 前記透明樹脂板において、前記金属被覆膜を有する面とは反対側の面上に、透明性の紫外線を反射又は吸収する紫外線防止膜、又は、透明性のクッション性の衝撃吸収膜を設けたことを特徴とする請求項２記載の反射鏡。
4. 前記曲面体は、曲率が１次元方向のみに存在することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の反射鏡。
5. 前記曲面体の曲面に、前記曲面より小さい平面板を複数個配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の反射鏡。
6. 所望の曲面を有する曲面体を有する反射鏡の作成方法において、所望の曲面を与える方向に所定の長さで、柔軟に曲がり弾性により復元力を有する平面板を、前記所定の長さより短い長さの幅の有する筺体にはめ込み、前記はめ込みより前記平面板が曲がり、前記平面板が前記筺体の中央で凸状になった側に、充填材を充填し表面を平坦にした後固化することで充填材による曲面台を形成し、前記の曲がった平面板を所望の曲面を有する曲面体として、前記曲面体の面に、柔軟に曲がり弾性により復元力を有し、少なくとも一方の面は、鏡面である第２の平面板を設置して、前記曲面体の面に倣わせることで、前記第２の平面板が前記曲面体と同じ曲率の有するようにしたことを特徴とする反射鏡の作成方法。
7. 所望の曲面を有する曲面体を有する反射鏡の作成方法において、側面に覆い板を有し、上蓋の無い箱の中央部に凸部があるように配置された曲面体を有する筺体を型として、充填材を充填し表面を平坦にした後固化することで充填材による曲面台を形成し、前記の筺体を外した後、前記の充填材による曲面台を所望の曲面を有する曲面体として、前記曲面体の面に、柔軟に曲がり弾性により復元力を有し、少なくとも一方の面は、鏡面である第２の平面板を設置して、前記曲面体の面に倣わせることで、前記第２の平面板が前記曲面体と同じ曲率の有するようにしたことを特徴とする反射鏡の作成方法。
8. 請求項１から請求項５に記載の反射鏡、請求項６及び請求項７に記載の反射鏡の作成方法による反射鏡を、太陽光を反射する位置に設置し、太陽電池を前記反射鏡の焦点付近に配置することで、前記反射鏡より小さな面積の太陽電池に集光したことを特徴とする太陽電池システム。
   

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