JP2013020096A - 集光器、集光システム、太陽光発電装置、及び、ソーラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】安定的に高効率な集光が可能な集光器を提供する。
【解決手段】集光器１は、環状の受光面Ａと、受光面Ａに近づくにつれて漸次拡径する略平行な逆テーパー状の外周面１４ａ及び内周面１４ｂと、を有する集光部１１と、受光面Ａとは逆側に外周面１４ａが延出した、円柱状の導光部１２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光等の光を集める集光器に関する。

近年、光エネルギーとして太陽光を集光する集光器を備えた太陽光発電装置が注目されている。このような集光器の集光光学系には、主にフレネルレンズ・ロッドレンズ等のレンズや、凹面鏡・平面鏡等の鏡が利用され、透過により直接的に、あるいは、反射により間接的に、太陽光を集光する。

しかしながら太陽光（平行光源）は照射方向が刻々と変化するため、集光器の受光面が照射方向を向いていない場合、その照度が著しく低下する。そこで、一般的な集光型の太陽光・ソーラーシステムにはその追尾装置が設けられており、受光面が太陽を追尾することで、太陽光の照射方向と受光面とのずれに起因する発電効率の低下を防いでいる。

例えば特許文献１では、平板フレネルレンズに内周面にプリズム断面の突条が形成された円錐形の集光部材からなる二次集光器を組み合わせることで、太陽電池の受光面への太陽光の入射ムラを抑制し、追尾装置を利用してなお生じる誤差による発電効率の低下を緩和する技術が開示されている。

また、追尾装置を設けない固定型の太陽光・ソーラーシステムにおいても、発電効率を損なわないような工夫がなされている。例えば特許文献２には、受光面に入射した光を下側面に放射する高機能性シートを用いることで、広範な角度からの入射光を許容して利用する技術が開示されている。

特開２００４−２１４４７０号公報 特開２００７−２１８５４０号公報

しかしながら、上記のように太陽光（移動する平行光源）を前提とした装置では、依然として利用可能な入射角度が限定されてしまうため、許容範囲外の角度では発電効率が極端に落ちてしまう可能性がある。また、雨天や曇り日には集光効果が殆ど発揮出来なかった。さらに、雪国での雪の反射光や、海岸の砂浜の反射光、ビル等建設物の反射光を利用出来なかった。

そこで本発明は、広範囲の光を高効率に集光することが可能な集光器を提供することを目的とする。

本発明に係る集光器は、一端に円状の受光面を形成する円柱状の集光部と、前記集光部から他端に向けて漸次縮径する導光部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、広範囲の光を高効率に集光することが可能な集光器が提供できる。

本発明の第一の実施形態に係る集光器１の上面図及び断面図である。 集光器１の斜視図である。 本発明の第一の実施形態の変形例１に係る集光器１ａの上面図及び断面図である。 本発明の変形例１のさらなる変形例２に係る集光器１ｂの断面図である。 本発明の変形例１のさらなる変形例３に係る集光器１ｃの断面図である。 本発明の変形例２のさらなる変形例４に係る集光器１ｄの断面図である。 本発明の変形例１のさらなる変形例５に係る集光器１ｅの断面図である。 本発明の変形例３のさらなる変形例７に係る集光器１ｇの断面図である。 本発明の変形例３のさらなる変形例７に係る集光器１ｇの断面図である。 本発明の変形例７のさらなる変形例８に係る集光器１ｈの斜視図である。 本発明の変形例６のさらなる変形例９に係る集光器１ｉの断面図である。 （ａ）本発明の変形例１０に係る集光器１ｋの斜視図である。（ｂ）集光器１ｋの分解図である。 （ａ）本発明の変形例１１に係る集光器１ｌの斜視図である。（ｂ）本発明の変形例１２に係る集光器１ｍの斜視図である。（ｃ）本発明の変形例１３に係る集光器１ｎの斜視図である。 （ａ）集光器１ｆの分解斜視図である。（ｂ）集光器１ｊの断面図である。 集光器１ｊの光の収集特性を説明するための説明図である。 本発明の第二の実施形態に係る集光システム２の概略図である。 本発明の第二の実施形態に係る集光システム２を利用した変形例１４に係る照明器具２１の概略図である。 本発明の第二の実施形態に係る集光システム２を利用した変形例１５に係る太陽光発電装置２２の概略図である。 本発明の第二の実施形態に係る集光システム２を利用した変形例１６に係るソーラーシステム２３の概略図である。 （ａ）（ｂ）本発明の第二の実施形態の変形例１７に係るソーラーシステム２４の斜視図である。 本発明の第二の実施形態の変形例１８に係る耳かき２５の斜視図である。 （ａ）透明体９１における集光作用の説明図である。（ｂ）斜め方向からの入射光についての説明図である。（ｃ）集光現象の説明図である。 （ａ）（ｂ）透明体９２における集光作用の説明図である。

まず、本発明の理解のため、外気より高い屈折率と、略平行な面を有する透明体（例えば、円柱、角柱等）による集光原理について説明する。

図２２（ａ）は、円柱形状の透明体９１における集光作用の説明図である。外光が透明体９１の受光面Ａから入射した場合、透明体９１側面に平行な光ａはそのまま通過して放光面Ｂに到達する。一方、斜めから受光面Ａへと入射した光は、側面で全反射され、これを繰り返すことで放光面Ｂに到達する。図２２（ｂ）は、このような透明体９１への斜めからの入射光についての説明図である。図２２（ｂ）に示すように、斜め方向からの入射光Ｘは、外周面を反射面として全反射され、光Ｙとして放光面Ｂから出射されている。これにより、本来は放光面Ｂに到達しないような光も、透明体９１の側面で全反射を受けることによって、放光面Ｂに集約される現象が見られる。ここでは円柱を元に説明しているが、平行な板や四角柱などでも同様の現象が見られる。このような平行透明体の集光現象について、図２２（ｃ）に示す。図２２（ｃ）は、透明体９１による集光現象の説明図である。外周面が反射面として作用することで、透明体９１の受光面Ａは、垂直な光以外にも、広い角度範囲（即ち、透明体９１の臨界角付近の角度まで）の光を取り込むことができる。なお、透明体の長さは、円柱の径に対して数倍以上であることが望ましい。しかしながら、このような平行透明体では、放光面Ｂからの出射光の角度範囲が受光面Ａにおける入射光の角度範囲と同等となるため、散乱光となってしまいその利用が難しくなる。そこで次に、より集光作用の大きな他の形状の透明体の集光原理について説明する。

図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、透明体９２における集光作用の説明図である。透明体９２は、円柱形状の集光部と、放光面Ｂ側が徐々に縮径する線形テーパー状の導光部とを備えている。図２３（ａ）に示すように、透明体９２は、受光面Ａから入射した光を外周面を反射面として全反射することで、放光面Ｂへと導く。このような透明体９２によれば、受光面Ａよりも放光面Ｂの面積が小さいため、透明体９１よりも出射光の散乱が抑えられる。

しかしながら、図２３（ｂ）に示すように、このような透明体９２では、集光体のテーパー面でその反射角度が臨界角未満となってしまう場合があるため、光が側面から漏洩してしまう可能性がある。そこで、図２３（ｃ）に示す透明体９３は、透明帯９２の導光部の内側を鏡面構造とすることで、臨界角未満の光を確実に反射して放光面Ｂへと導くようにしたものである。

しかしながら、このような透明体９３では、放光面Ｂからの出射角度が大きくなってしまうため、照度の高い光が得難い。そこで、図２３（ｄ）に示す透明体９４は、導光部を長く、テーパー面の傾斜角度を緩やかにすることで、放光面Ｂからの放出角度を抑えたものである。

また、上記のような鏡面構造を利用しない場合には、図２３（ｅ）に示す透明体９５のように、テーパー面を双曲線に近づけることで、放光面Ｂからの放出角度を抑えることも可能である。さらに、図２３（ｆ）に示す透明体９６のように、導光部の径を一部膨らませた導光補正部を設けることによって、放出角度を緩やかな角度に補正することもできる。

なお、上記のような各透明体でより多くの光を集光するためには、受光面Ａの面積を拡大しなければならない。しかしながら、前記したように長径は短径に対して数倍以上の長さを有していることが望ましいため、受光面Ａを拡大すればするほど、全体が長く、指数関数的に重くなってしまう。これは、例えばインジェクション成形時にヒケが出てしまったり、設置場所が限られてしまったりするため、好ましくない。

そこで、図２３（ｇ）に示す透明体９７を用いれば、このような問題を解決することができる。透明体９７は、複数の円柱状の集光部を、空隙を挟んで層にしたものである。これによれば、対向する周面間に送光経路が複数構成されるため、短径を拡大させて受光面Ａの面積を拡大した場合でも、長径を大幅に伸長する必要がない。また、空隙部分に、鏡面構造の板状部材を挿入すれば、漏洩なく送光できる。

本発明は、上記のような集光原理を踏まえた上で、漏洩を抑え、高い集光作用を実現する集光器を提供するものである。以下、実施の形態について、図に基づいて説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態に係る集光器１の上面図及び断面図である。図２は、集光器１の斜視図である。

集光器１は、光源側に展開する集光部１１と、該集光部１１からの光を纏めて導く導光部１２とが、一体的に形成される漏斗状の部材である。

集光部１１は、内部に円錐形状の中空１３を有し、開口１５に向かうにつれて漸次線形に拡径する逆テーパー状の本体部１１Ａと、中空１３の頂点１３Ａから導光部１２までの間に形成される基部１１Ｂと、から構成されている。なお、集光部１１の外周面１４ａは、内周面１４ｂと略平行である。また部材厚は、基部１１Ｂの頂点１３Ａ側で最も大きくなる。さらに、開口１５の縁部は環状の受光面Ａを構成し、集光部１１は受光面Ａで受光した外光を、外周面１４ａ及び内周面１４ｂで反射及び全反射させて導光部１２へと集める。

導光部１２は、外周面１４ａが、基部１１Ｂから受光面Ａとは逆側の方向へ延出した円柱形状の部材であり、その外周面は軸Ｒに対して略平行である。また、導光部１２の径は、集光部１１の何れの径よりも小さい。さらに、受光面Ａとは逆側に円形の放光面Ｂを形成し、受光面Ａから入射された光を導いて放光面Ｂから放光する。

このような集光器１は、透光性と高屈折率を有する透明な導光素材からなる。特に、外気よりも高い屈折率を有する素材を用いることで、その境界面（外周面１４ａ及び内周面１４ｂ）で臨界角以上の入射光を全反射させることが可能となる。このような素材としては例えば、石英ガラスやプラスチック樹脂（アクリル、ポリカポネート、ポリプロピレン、エラストマ等）、シリコンゴム等が挙げられる。このような導光素材と空気の屈折率から、全反射角度が定まる。

上記のような集光器１における入射光の進み方を、以下、具体的に説明する。なお、受光面Ａから入射する外光ａ〜ｅは、軸Ｒを通る断面に平行に入射し、本体部１１Ａの外周面１４ａ及び内周面１４ｂに、臨界角以上の角度で到達するものとする。

外周面１４ａ及び内周面１４ｂのテーパー軸外側方向から受光面Ａに入射した外光ａと、テーパー軸内側方向から受光面Ａに入射した外光ｃとは、本体部１１Ａの外周面１４ａ及び内周面１４ｂにより全反射を繰り返し、基部１１Ｂを通過して導光部１２へと到達する。また、テーパー軸と同じ角度で受光面Ａに入射した外光ｂは、本体部１１Ａ及び基部１１Ｂを通過して、導光部１２へと直接到達する。このようにして導光部１２に到達した外光ａ〜ｃは、導光部１２でも全反射を受け、最終的には放光面Ｂから出射光ａ’〜ｃ’として放光される。

また図２に示すように、断面に対して傾きを有する外光ｆが入射した場合、外光ｆは外周面１４ａ及び内周面１４ｂで全反射を受けて集光部１１内をらせん状に進み、導光部１２へと導かれる。

このような構成により、本実施形態に係る集光器１では、入射光が略平行な外周面１４ａ及び内周面１４ｂを反射面とした経路を取るため、界面に対する入射角の変化が小さく、放射損失を抑制しながら集光を行うことが可能となる。

＜変形例１＞
次に、本発明の第一の実施形態の変形例１に係る集光器１ａについて説明する。以下、上述の実施形態と同様の構成を有するものについては同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３は、本発明の第一の実施形態の変形例１に係る集光器１ａの上面図及び断面図である。図３に示すように、集光器１ａでは、本体部１１Ａと導光部１２との間に、基部１１Ｂが設けられていない点で、上記集光器１とは異なる。

上記集光器１では、図１に示すように、外光ａ〜ｃよりも大きな角度で受光面Ａに入射した外光ｄ及びｅは、本体部１１Ａの外周面１４ａ及び内周面１４ｂにおいて全反射を繰り返した後、基部１１Ｂでこれまでとは逆の傾きを有する外周面１４ａに対し臨界角未満の角度で入射する。よって、これらは透過光ｄ’及びｅ’として基部１１Ｂで外部へ漏洩し、導光部１２には到達しない可能性があった。

しかしながら、本変形例に係る集光器１ａでは、集光部１１の部材厚が略一定であるために周面が殆どの位置で略平行に形成できる。従って、上記実施形態においては基部１１Ｂで外部に漏洩するような外光ｄやｅも、漏洩することなく導光部１２へと到達し、放光面Ｂから放光される。

上記のような集光器１ａによれば、入射光の漏洩を抑制し、より多くの角度の入射光を放光面Ｂまで導くことができる。

＜変形例２＞
図４は、本発明の変形例１のさらなる変形例２に係る集光器１ｂの断面図である。図４に示すように、集光器１ｂでは、集光部１１が、開口１５に向かうにつれて指数関数的に拡径する逆テーパー状の平行な外周面１４ａ及び内周面１４ｂを有している点で、集光器１ｂとは異なる。

このような集光器１ｂによれば、集光部１１における受光面Ａの円周が広がると共に、その面積も拡大するため、より広範囲の外光を集光することが可能となる。

＜変形例３＞
図５は、本発明の変形例１のさらなる変形例３に係る集光器１ｃの断面図である。図５に示すように、集光器１ｃでは、集光部１１の内周面１４ｂの内側を鏡面構造としている点で、集光器１ａとは異なる。これは例えば、アルミの蒸着鍍金、ニッケル鍍金により形成することができる。また、鏡面仕上げした薄金属を成形し、貼付してもよい。なお、外周面１４ａの内側を鏡面構造とすることもできる。

このような集光器１ｃによれば、鏡面構造を有する内周面１４ｂでの反射が確実なものとなるため、放射損失が抑制され、より高効率な集光を行うことができる。

＜変形例４＞
図６は、本発明の変形例２のさらなる変形例４に係る集光器１ｄの断面図である。集光器１ｄは、集光器１ｂと同様の形状を有しているが、外周面１４ａと内周面１４ｂとを形成する内側が鏡面構造の板状部材１６を、空隙を設けて重ね合わせることで構成している点で、集光器１ｂとは異なる。

このような集光器１ｄでは、受光面は２枚の板状部材１６の空隙であり、放光面は外周面１４ａを形成する円筒形の板状部材１６の孔である。従って、集光器１ｄは、受光面Ａに相当する空隙Ａ’に入射光を取り込んで、放光面Ｂに相当する孔Ｂ’から出射光を放光する。このような構成によれば、経路中での減衰や放射損失を殆ど生じさせず、より効率的な集光が可能となる。

＜変形例５＞
図７は、本発明の変形例１のさらなる変形例５に係る集光器１ｅの断面図である。集光器１ｅは、集光器１ａの中空１３に略同形状の小型の集光器１ａ’を重ね合わせ、両集光器の導光部１２を接続したものである。この際、両集光器は放光面Ｂの中心が軸Ｒ上に並ぶよう接続されている。なお、集光器１ａ’は、集光器１ａよりも受光面Ａの位置が高くなるように形成されている。

このような集光器１ｅでは、集光器１ａと集光器１ａ’の両方の受光面Ａから入射光ａ〜ｆを取り込んで、放光面Ｂから出射光ａ’〜ｆ’を放光できる。従って、より広い受光面で多くの光を集光することが可能となる。

＜変形例６＞
図８は、本発明の変形例２のさらなる変形例６に係る集光器１ｆの断面図である。集光器１ｆは、集光器１ｂの中空１３に指数関数的に拡径する逆テーパー状に形成された周面を有する複数の内側集光部１ｂ’と、中空を有さない中心集光部１ｂ’’とを、空隙を挟んで組み合わせることで構成されている（ここでは便宜上、中心を除く内側の集光部は、全て内側集光部１ｂ’と称する）。内側集光部１ｂ’は、一つ外側の集光部の内周面１４ｂに沿った形状を有しており、その中心が軸Ｒ上に並ぶように例えば高周波溶着により接続されている。よって、その受光面Ａの径は内側の集光部ほど小さくなり、逆に受光面Ａの高さは、内側の集光部ほど高く設計されている。これにより各集光部は、それぞれ集光可能角度θの入射角を有する光を、各受光面Ａで受光することができる。なお、ここでは集光器１ｆは計９つの集光部を有しているが、いくつの集光部を組み合わせてもよい。

このような集光器１ｆでは、各集光部がそれぞれに受光面Ａを有しているため、より大きな受光面積を実現することができる。また、各受光面Ａより入射した光は、それぞれが略平行の周面からなる、集光部の円周径よりも細い経路を通って導光部１２に集光されるため、放射損失が抑えられる。従って、より多角からの多くの外光を効率よく集光することが可能となる。

＜変形例７＞
図９は、本発明の変形例３のさらなる変形例７に係る集光器１ｇの断面図である。集光器１ｇは、集光器１ｃの中空に、線形に拡径する逆テーパー状に形成された周面を有する複数の内側集光部１ｃ’と、中空を有さない中心集光部１ｃ’’とを、空隙を挟まずに重ね合わせたものである（ここでは便宜上、中心を除く内側の集光部は、全て内側集光部１ｃ’と称する）。各集光部は、中心が軸Ｒ上に並ぶよう接続されており、内側集光部は一つ外側の集光部の中空に隙間なく嵌合する形状を有している。また、その受光面Ａの径は内側の集光部ほど小さくなり、逆に受光面Ａの高さは、内側の集光部ほど高く設計されている。ここでは集光器１ｇは計４つの集光部を有しているが、いくつの集光部を組み合わせてもよい。

なお、このような集光器１ｇは、各集光部を別々に形成した後、内側集光部１ｃ’及び外側集光部１ｃ’’の外周面の表裏を鍍金等で鏡面構造としてから、各集光部を嵌め込み接合することで形成可能である。その際、空隙を接着剤で埋めることで、全体を一体的に接続することができる。空隙を接着剤で埋めずに適宜凸部を設け、浮かせた状態で接合してもよい。

このような集光器１ｇによれば、各集光部の受光面Ａから入射した光ｇ〜ｉは、放光面Ｂから出射光ｇ’〜 ｉ’として放光される、より広い受光面で多くの光を集光することが可能となる。その際、各集光部での外周面及び内周面での反射が確実なものとなり、放射損失が抑えられる。

＜変形例８＞
図１０は、本発明の変形例７のさらなる変形例８に係る集光器１ｈの斜視図である。集光器１ｈは、集光器１ｇと同様の形状を有しているが、各集光部は、その外周面及び内周面を形成する鏡面構造の板状部材１６が空隙を設けて重ね合わせて構成されたものである点で、集光器１ｇとは異なる。

このような集光器１ｈは、例えば接続板１７で、各集光部を支持させることで接続することができる。また、受光面及び放光面は板状部材１６により形成される空隙であり、受光面Ａに相当する空隙Ａ’に入射光を取り込んで、放光面Ｂに相当する孔Ｂ’から出射光を放光する。従って、経路中での減衰や放射損失が殆ど生じず、より効率的な集光が可能となる。

＜変形例９＞
図１１は、本発明の変形例６のさらなる変形例９に係る集光器１ｉの断面図である。集光器１ｉは、集光器１ｄの中空１３に、指数関数的に拡径する逆テーパー状に形成された周面を有する複数の内側集光部１ｄ’を、空隙を挟んで重ね合わせることで構成されている（ここでは便宜上、内側に形成されている集光部は全て１ｄ’と称する）。各集光部は、中心が軸Ｒ上に並ぶよう接続されており、内側の集光部は一つ外側の集光部の内周面１４ｂに沿った形状を有している。よって、受光面Ａ’の径は内側の集光部ほど小さく、受光面Ａ’の高さは、内側の集光部で同じである。また、ここでは集光器１ｉは８個の集光部を有しているが、いくつ集光部を組み合わせてもよい。

このような集光器１ｉでは、より広い受光面としての空隙Ａ’ に入射光を取り込むことができる。また、経路中での減衰や放射損失が生じ難いため、より効率的な集光が可能となる。

＜変形例１０＞
図１２（ａ）は、本発明の変形例１０に係る集光器１ｋの斜視図である。集光器１ｋは、指数関数的に拡径する逆テーパー状の集光部が複数組み合わされた構成の集光器（例えば、集光器１ｆ）を、軸Ｒを挟んだ２つの切断平面で切断した形状を有している。両切断平面の間隔は、受光面Ａ側で広く、放光面Ｂ側に向かうにしたがって狭くなるよう、軸Ｒに対して傾きを有しているものとする。このような集光器１ｋでは、軸Ｒを挟んだ両側に、略平行に並んだ受光面Ａが形成される複数の集光片１１１が並ぶ構成となっている。

図１２（ｂ）は、集光片１１１の斜視図である。集光片１１１は、略平行な曲面である外周面１４ａ及び内周面１４ｂと、２つの側面１４ｃと、を有する湾曲した角錐台形状に形成され、受光面Ａから入射した入射光ａは、この４面のうち何れかに全反射されて、導光部１２へと導かれ、放光面Ｂへと達する。

このような集光器１ｋによれば、太陽の軌道に沿って受光面Ａを並べることで、効率的に太陽光を集光することができる。特に、受光面の形状が上方から見て方形となるため、複数の集光器１ｋの受光面を隙間なく並べることが可能となり、省スペースで高い集光能を発揮できる。

＜変形例１１＞
図１３（ａ）は、本発明の変形例１１に係る集光器１ｌの斜視図である。集光器１ｌは、葉形状の縁を形成する曲面である受光面Ａと、互いに平行な外周面１４ａ及び内周面１４ｂを備える集光部１１を有する葉形状の集光片である。また、その表面には、凹凸面１２１が全体に形成されている（図１３（ａ）では、一部のみに図示する）。

図１３（ａ）に示すように、例えば受光面Ａから入射した光ａ及びｂは、外周面１４ａ及び内周面１４ｂに全反射され、導光部１２に導かれて放光面Ｂへと達する。また、表面の凹凸面１２１で受光された光ｃも、外周面１４ａと内周面１４ｂに全反射され、導光部１２に導かれて放光面Ｂへと達する。このように、どの面から入射した入射光でも、上記３面の何れかに全反射され、導光部１２に導かれて放光面Ｂへと達する。

＜変形例１２＞
上記のような集光器１ｌは、複数組み合わせて使用することもできる。図１３（ｂ）は、本発明の変形例１２に係る集光器１ｍの斜視図である。集光器１ｍは、集光片としての集光器１ｌを、導光部１２を束ねるように複数組み合わせたものである（なおここでは、集光器１ｍの放光面Ｂに、接続部１９を介して光ケーブル１８を接続することで、収集光を光ケーブル１８へと送光させるようにしたものを示す）。また、複数の集光器１ｌは、次のように組み合わせてもよい。

＜変形例１３＞
図１３（ｃ）は、本発明の変形例１３に係る集光器１ｎの斜視図である。集光器１ｎは、集光片としての集光器１ｌを、導光部１２の中心が軸Ｒ上で重なるように縦方向に組み合わせたものである。これは例えば、導光部１２の上部に接続口１２２を設け、ここに他の集光器の導光部１２を差し込む構成とすることで実現可能である。

このように集光器１ｌを複数組み合わせることによって、よりデザイン性の高い集光器が提供できる。また、表面に色や模様を施すことにより、エクステリアやオブジェとしても利用することができる。

次に、本発明の代表的な集光器の製法について説明する。図１４（ａ）は、集光器１ｊの分解斜視図、図１４（ｂ）は、集光器１ｊの断面図である。

集光器１ｊは、本発明の変形例６の集光器１ｆとほぼ同様の構成を有しているが、各集光部の外周面１４ａ及び内周面１４ｂに、鏡面構造が施されている点で異なる。

このような集光器１ｊは、次の方法で製造が可能である。まず、各集光部を成形して、その外周面及び内周面を鍍金し、鏡面構造に加工する。次に、各集光部の接続面Ｃの表面を研磨して透明な磨き面とし、平滑性を与える。そして、各接続面Ｃの中心が軸Ｒ上に並ぶよう各集光部を重ねる。または、各接続面Ｃの中心が軸Ｒ上に並ぶよう高周波溶着する。これにより、各集光部からの光が下方向にムラ無く流れる。

図１５は、このような集光器１ｊの集光特性を説明するための説明図であり、上部Ａ部からの光、左斜め方向Ｂ部からの光、更に左斜め方向Ｃ部からの光に対する直線光（太陽光等）の集光特性を示す。受光面Ａは、Ａ側からの光を受け止め、その集光強度は中心に向かって円を描く様に増す（なお、黒い部分は集光強度が大きいことを示す）。一方、Ｂ部、Ｃ部では、略楕円形の集光範囲となり、集光領域は中心の集光器が有する受光面よりも狭くなる。

次に、このような集光器１ｊを利用した本発明の第二の実施形態について説明する。

＜第二の実施形態＞
図１６は、本発明の第二の実施形態に係る集光システム２の概略図である。図１６に示すように、集光システム２は、集光器１ｊの放光面Ｂに接続部１９を介して光ケーブル１８を接続することで、収集光を光ケーブル１８へと送光させるようにしたものである。このような集光システム２によれば、受光面Ａで受光された光は、接続部１９内の放光面Ｂを介して光ケーブル１８に到達する。なお、このような集光システム２は、多くの装置に応用することができる。以下、その例について説明する。

＜変形例１４＞
図１７は、本発明の第二の実施形態の変形例１３に係る集光システム２を利用した照明装置２１の概略図である。図１７に示すように、集光システム２は、集光器１ｊに光ケーブル１８の一端を接続して収集光を送光させ、光ケーブル１８の他端に設けられた照明器具３０から放光させるものである。なお、照明器具３０に放射板３１を設けておくことで、光ケーブル１８からの出射光を乱反射させて散乱光として放光させることができる。もちろん、放射板を設けずに直接光を壁に当てて間接照明として用いたり、レンズを介して拡散させたりしてもよい。
また、植物工場での導入により、温度管理しやすく、よりクリーンな太陽光を利用した植物栽培が可能となる。

このような照明装置２１によれば、屋外で集光した光を屋内まで導き照明として利用することが可能となる。また、集光器により広範囲な光を集光できるため、曇天や雨天時でも、十分な照度の光を得ることができ、照明の電源や、電球が不要となる。

＜変形例１５＞
図１８は、本発明の第二の実施形態の変形例１４に係るに係る集光システム２を利用した太陽光発電装置２２の概略図である。図１８に示すように、太陽光発電装置２２は、複数の集光システム２を備え、各集光システム２で集光した光を太陽電池で構成される太陽発電パネル４０に集め、発電を行うものである。太陽発電パネル４０での発電電力は、電力線４１を介して送電され、一時蓄電池等に蓄えてから利用される。

なお、太陽発電パネル４０への放光には、光ケーブル１８からの光をそのまま用いてもよいし、レンズを介してもよい。また、太陽発電パネルの周囲を反射板等で覆えば、漏洩損失が抑制されさらなる効率化を図ることができる。また、各集光部が集光した照度の高い光を利用できるため、太陽発電パネル４０の小型化や、利用波長の異なる太陽電池を複数積み重ねた多接合型太陽電池の利用により太陽光のエネルギーをより無駄なく利用し、変換効率の向上が図れる。その上、省スペースで管理できる。

さらに、集光システム２を屋外に、太陽発電パネル４０を屋内に設置することも可能である。太陽発電パネル４０は、屋内で使用することにより、管理・保守が容易となり、その寿命も増す。一方、屋外に設置する集光器は構造が簡単で安価である上に壊れにくく、管理・保守に必要なコストを大幅に抑えることが可能である。また、集光器は保護のためにガラスケース等に入れて設置してもよい。

なお、ここでは、収集光を光ケーブル１８へと送光し使用しているが、集光器の末端、放光面Ｂに太陽光を電力に変換する素子を接続してもよい。さらに、太陽光ばかりでなく、集光することにより太陽熱を高温で取り出せるため、太陽熱の利用も利用しやすくなる、その上、太陽光と太陽熱の併用としてもよい。

このような集光システム２を利用した太陽光発電装置２２によれば、太陽の追尾装置を設けなくとも、広範囲の太陽光を集光器で集光し、簡便な構造で高効率な発電を行うことが可能となる。もちろん、追尾装置により集光器の中心を太陽に向ければ、太陽光と周囲の反射光などを取り入れより効率の良い集光器となる。

＜変形例１６＞
図１９は、本発明の第二の実施形態の変形例１５に係る集光システム２を利用したソーラーシステム２３の概略図である。ソーラーシステム２３は、太陽光発電装置２２に利用される太陽発電パネル４０を、熱交換器５０に替えたものであり、これを介して温熱水を得ることができる。またこれ以外にも、得られた熱によって発電を行ったり、太陽光と太陽熱を同時に利用したりすることもできる。

＜変形例１７＞
図２０(ａ)は、本発明の第二の実施形態の変形例１５に係る集光システム２を利用したソーラーシステム２４の概略図である。ソーラーシステム２４は、集光器１ｊの導光部１２に、太陽電池４３を接続したものである。これにより、より省スペースで、光の損失なく発電装置を管理できる。また、太陽電池４３の代わりに、太陽発電パネルを接続してもよい。また、利用波長の異なる太陽電池を複数積み重ねた多接合型太陽電池の利用により太陽光のエネルギーをより無駄なく利用でき、さらに、、留め具４２で同様のソーラーシステム２４を相互に連結することで、安定した設置が可能となる。

なお、図２０（ｂ）に記載するように、太陽電池の下部にさらに熱電変換素子４４を追加してもよい。例えば、ゼーベック効果を利用した素子を利用して集光器からの熱を集め、太陽熱を高温側、外側に設けられた放熱フィン４５が低温側とし、温度差により発電を行う。また、図示しないが、太陽熱を利用して、スターリングエンジンを動かし、発電を行う太陽熱発電装置による発電を行ってもよい。このように、本発明の集光器は太陽光・熱を利用する様々な形式のソーラーシステムに応用できる。

以上、本発明に係る集光器及び集光システムの各実施形態と実施例について説明した。本発明に係る集光器及び集光システムによれば、太陽の追従装置が無くとも、安定的に、かつ、高効率に太陽光を集光することが可能である。また、平行な光のみならず、多角からの広範囲の外光を集光可能なため、雨天や曇天でも十分な照度を有する光を集光することが可能となる。

また、光ファイバー等の誘導体にも簡便に接続することができるため、大がかりな装置や、建築設備を必要とせずに利用媒体へと光を導くことが可能である。

なお、本発明に係る集光器及び集光システムは上記に限らず、さらに多くの代替物、修正および変形例が当業者にとって明らかである。また、上記各実施形態や変形例における各特徴をそれぞれ組み合わせて用いることもできる。

＜変形例１８＞
例えば、本発明の集光器を、図２１に示すような耳かき具に利用してもよい。図２１は、本発明の変形例１８に係る耳かき具２５の斜視図である。

耳かき具２５は、棒状の柄部６１と、該柄部６１の一端に形成される集光器１ｊと、他端に形成される匙状に湾曲した先端部６２と、を有している。柄部６１は、先端部６２と一体に形成される棒状の導光部材の周囲を、内周面に鏡面構造を有する円筒部材で覆ったものである。これにより、利用者が柄部６１を指で掴んだ場合でも、光の漏洩が防止され確実な反射が保証される。

なお、柄部６１の導光部材には、透光性と高屈折率を有する素材が用いられる。従って、柄部６１と集光器１ｊとを一体に形成すれば、放射損失がより抑制される。また、先端部６２の底面６３は、梨地仕上げやブラスト仕上げにしたり、半透明な素材や光拡散剤を混合した素材を用いたりして形成してもよい。これにより、光が散乱して外耳道を広く照らし出すことが可能となる。

１・１ａ〜１ｎ：集光器、２：集光システム、１１：集光部、１１Ａ：本体部、１１Ｂ ：基部、１２：導光部、１３：中空、１３Ａ：頂点、１４ａ：外周面、１４ｂ：内周面、１５：開口、１６：板状部材、１７：接続板、１８：光ファイバー、１９：接続部、２１：照明器具、２２：太陽光発電装置、２３・２４：ソーラーシステム、２５：耳かき具、３０：照明器具、３１：放射板、４０：太陽発電パネル、４１：電力線、５０：熱交換器、６１：柄部、６２：先端部、６３：底面、Ａ：受光面、Ｂ：放光面、Ｒ：軸。

Claims (16)

1. 一端に円状の受光面を形成する円柱状の集光部と、
   前記集光部から他端に向けて漸次縮径する導光部と、を備えていること
   を特徴とする集光器。
2. 環状の受光面と、前記受光面に近づくにつれて漸次拡径する略平行な外周面及び内周面と、を有する集光部と、
   前記受光面とは逆側へ前記外周面が延出した、円柱状の導光部と、を備えていること
   を特徴とする集光器。
3. 一面を受光面とする略平行な外周面及び内周面と、を有する角錐台形状の複数の集光部と、
   前記受光面とは逆側へ延出する円柱状の導光部と、を備えていること
   を特徴とする集光器。
4. 請求項２または３に記載の集光器であって、
   前記外周面及び内周面が、指数関数的に拡径すること
   を特徴とする集光器。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の集光器であって、
   導光素材からなること
   を特徴とする集光器。
6. 請求項５に記載の集光器であって、
   前記外周面及び内周面の少なくとも何れかが、鏡面構造を有していること
   を特徴とする集光器。
7. 請求項２から４の何れか一項に記載の集光器であって、
   鏡面構造を有する板状部材からなる前記外周面及び内周面が、空隙を介して重なってなること
   を特徴とする集光器。
8. 請求項２から７の何れか一項に記載の集光器であって、
   前記集光部の内側に、さらに１つ以上の集光部を有すること
   を特徴とする集光器。
9. 請求項７に記載の集光器であって、
   前記集光部は、外側の集光部の内周面と略同形状であり、
   中心に棒状の集光部を、さらに有していること
   を特徴とする集光器。
10. 円柱状の導光部と、
    前記導光部から葉状に延出する２つの周面と、
    前記２つの周面の厚さ方向の面である受光面と、を備えること
    を特徴とする集光器。
11. 請求項１から１０の何れか一項に記載の集光器であって、
    前記導光部に、一部径が膨らんだ導光補正部が形成されていること
    を特徴とする集光器。
12. 請求項１から１０の何れか一項に記載の集光器を備える太陽光発電装置であって、
    前記集光器の導光部に、太陽電池や太陽電池パネル、太陽熱発電装置を接続したこと
    を特徴とする太陽光発電装置。
13. 請求項１から１０の何れか一項に記載の集光器を備える集光システムであって、
    前記集光器の導光部に、光ケーブルを接続したこと
    を特徴とする集光システム。
14. 請求項１１に記載の集光システムを備える太陽光照明装置であって、
    前記光ケーブルから、光の供給を受ける照明装置を備えること
    を特徴とする太陽光発電装置。
15. 請求項１３に記載の集光システムを備える太陽光発電装置であって、
    前記光ケーブルから、光の供給を受ける太陽電池又は太陽発電パネルを備えること
    を特徴とする太陽光発電装置。
16. 請求項１３に記載の集光システムを備えるソーラーシステムであって、
    前記光ケーブルから、光の供給を受ける熱交換器を備えること
    を特徴とするソーラーシステム。

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