JP2014132209A - 集光器 - Google Patents

Abstract

【課題】筒型集光鏡をレシーバに対して近接配置しなくても光をレシーバ内に確実に導入することができる集光器を提供する。
【解決手段】筒型集光鏡３の出口１０に延長内面４ａを連続形成したため、出口１０から大きな角度で拡がり易い最大許容角度θmaxで入射した光も、必ずこの延長内面４ａで反射することにより、光軸Ｘに対して小さな角度θに矯正して出射することができる。そのためレシーバ６を集光器５に近接配置する必要がなく、集光器５がレシーバ６からの輻射熱の影響を受けにくく、レシーバ６の開口７内への外部からの操作も容易になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽集光装置に利用され集光された光を調整してさらに高密度化する集光器に関するものである。

太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーにより、発電や熱化学反応を行う技術が知られている。この種の太陽光集光装置は、太陽光をミラーやレンズ等によりある程度集光してから筒型集光鏡に導き、その筒型集光鏡で更に集光してレシーバに導いている。

筒型集光鏡は全体がテーパ筒形状をしており、入口から内部に導かれた光束を鏡面加工された略テーパ筒状の内面で反射しながら、入口よりも小さい出口から取り出す構造になっている。このように太陽光を筒型集光鏡により小さな面積内に高密度化（濃縮）することができるため、太陽光を限られた面積のレシーバ開口内へ導入することができる。レシーバ内に導入された太陽光は光から熱に変換され、発電や熱化学反応等に利用される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２５８０２１号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、筒型集光鏡の出口の開口を入口よりも小さく設定したものの、入口に入射する太陽光の入射角度が筒型集光鏡の光軸に対して大きくなると、出口から出てくる太陽光の角度も大きくなり、外側へ拡散する。そのような光もレシーバの開口内に全て導入しようとすると、レシーバの開口を筒型集光鏡の出口に近接配置する必要があり、筒型集光鏡がレシーバからの輻射熱により影響を受けるおそれがある。また筒型集光鏡とレシーバの間隔が小さいと、レシーバの開口内へ外部から操作したい場合にも筒型集光鏡が邪魔になるおそれがある。

本発明はこのような従来の技術に着目してなされたものであり、本発明によれば筒型集光鏡をレシーバに対して近接配置しなくても光をレシーバ内に確実に導入することができる集光器を提供することができる。

請求項１記載の発明は、入口から出口に向けて開口面積が漸次減少する概略テーパ円筒状の鏡面加工された内面を有し、入口から光軸に対して最大許容角度以内の入射角で内部に導入された太陽光を内面で反射しながら出口より取り出す筒型集光鏡と、該筒型集光鏡の出口の内面から連続し且つ筒状に鏡面加工された延長内面を有し、該延長内面が最大許容角度で筒型集光鏡内に入射した太陽光を反射可能な光軸方向長さを有する反射角度矯正鏡と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、延長内面が、開口面積が漸次拡大する概略テーパ円筒状で、端末の開口面積が筒型集光鏡の入口の開口面積よりも小さく設定されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、延長内面が、筒型集光鏡の出口の内面と同一のストレート円筒状であることを特徴とする請求項１記載の集光器。

請求項４記載の発明は、筒型集光鏡の内面が、放物線を光軸のまわりに回転した仮想曲面によって規定されリング状の仮想焦点を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、筒型集光鏡の内面を規定する仮想曲面が、放物線の対称軸に対して片側の一部をなす曲線を該曲線と対称軸の間に位置する光軸のまわりに回転した曲面によって規定されることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、筒型集光鏡の出口から出た太陽光を反射角度矯正鏡の延長内面で折り返し方向へ反射するため、出口からそのまま大きな角度で外側へ拡散させてしまう場合に比べて、レシーバーを集光器全体から離しても太陽光をレシーバーに導き易い。

請求項２記載の発明によれば、反射角度矯正鏡の延長内面が概略テーパ円筒状で、端末が筒型集光鏡の入口の開口面積よりも小さく設定されているため、出口から大きな角度で拡がり易い最大許容角度で入射した光も、必ずこの延長内面で反射することにより、光軸に対して小さな角度に矯正して出射することができる。そのためレシーバを集光器全体に対して近接配置する必要がなく、集光器がレシーバからの輻射熱の影響を受けにくく、レシーバの開口内への外部からの操作も容易になる。

請求項３記載の発明によれば、反射角度矯正鏡の延長内面が筒型集光鏡の出口の内面と同一のストレート円筒状であるため、反射角度矯正鏡を製造し易い。またストレート円筒状であるため、必ず同一角度で反射することができ、筒型集光鏡の内面で複数回反射された際に生じるように太陽光を入口側へ戻してしまうような逆方向への反射現象を起こすことがない。

請求項４記載の発明によれば、筒型集光鏡の内面が光軸を中心に互いに向かい合わせた放物線により規定されているため、筒型集光鏡の内面により太陽光を出口側へ反射し易い。また、放物線の仮想焦点が反射角度矯正鏡の近傍にあるため筒型集光鏡の反射光が収束しやすく反射角度矯正鏡をコンパクトに構成することができる。

請求項５記載の発明によれば、筒型集光鏡の出口の幅を小さく構成することができるので、太陽光をより高密度に濃縮することができる。

本発明の第１実施形態に係る集光器を示す全体図。 集光器を示す斜視図。 集光器を示す分解断面図。 筒型集光鏡の出口付近で太陽光を反射した状態を示す集光器とレシーバの断面図。 筒型集光鏡の入口付近で太陽光を反射した状態を示す集光器とレシーバの断面図。 本発明の第２実施形態に係る図４相当の断面図。

図１〜図５は、本発明の第１実施形態を示す図である。

図１は太陽集光装置を示している。中心には楕円鏡１が所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１はその鏡面形状が回転楕円面の一部で、下方には共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。

楕円鏡１の周囲には、多数のヘリオスタット２が取り囲んだ状態で設置されている。各ヘリオスタット２は、反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過するように図示せぬセンサーにより制御される。ヘリオスタット２で反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過すれば、楕円鏡１で下向きに反射された後、必ず第２焦点Ｂに集光されるようになっている。

その第２焦点Ｂには筒型集光鏡３と反射角度矯正鏡４から構成される集光器５が設けられている。集光器５の下方にレシーバ６が設置されている。レシーバ６は上部に開口７を有し、内部には受熱部８を備えている。受熱部８で光から熱に変換されるようになっている。受熱部８は高温になるため、レシーバ６の内面には断熱材として軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）が施されている。

次に集光器５の説明をする。筒型集光鏡３は上部の入口９から下部の出口１０に向けて漸次開口面積が減少する概略テーパ円筒形状を有し、内面３ａは鏡面加工されている。筒型集光鏡３の光軸Ｘは鉛直方向を向き、その延長線上に楕円鏡１の第１焦点Ａと第２焦点Ｂが位置づけられる。第２焦点Ｂは入口９の中心に位置している。筒型集光鏡３は出口１０の幅が入口９の幅よりも小さく、入口９内に導入された太陽光Ｌのエネルギーを（出口１０／入口９）の面積比に応じて高密度化する。

筒型集光鏡３の内面３ａは回転放物面ではなく光軸Ｘを中心に互いに向かい合わせた放物線により規定されている。すなわち、放物線の対称軸と交差しない放物線の一部をなす曲線について放物線を含む仮想平面内に対称軸と平行な光軸Ｘを配置する。仮想平面を光軸Ｘのまわりに回転することによって規定される曲面が内面３ａである。換言すれば、内面３ａは放物線の対称軸に対して片側の一部をなす曲線をその曲線と対称軸の間に位置する光軸のまわりに回転することで形成される曲面によって規定される。

１つの放物線には１つの焦点が存在するが、対称軸からオフセットした光軸Ｘのまわりに回転することによりリング状に分布する仮想焦点（ｆ、ｆ’）が形成される。したがって、放物線の対称軸は仮想焦点（ｆ、ｆ’）を通り光軸Ｘに平行であり円筒状に分布する。図３においては放物線の対称軸は仮想焦点（ｆ、ｆ’）を通り、たとえば紙面上放物線の一部をなす曲線（左側の内面）３ａとその焦点ｆ’を通る対称軸の間に光軸Ｘが位置づけられる。リング状に分布する仮想焦点（ｆ、ｆ’）に向かう反射光は後述する反射角度矯正鏡４で捉えられる。

図３に示すように、光軸Ｘに平行な太陽光Ｌは一回反射により仮想焦点ｆに向かうため、反射光はすべて出口１０を通って仮想焦点ｆに収束し、直進光は出口１０を通って下方に向かうため、全ての太陽光Ｌが出口１０を通過する。光軸Ｘを挟んだ対向の内面は別の仮想焦点ｆ′により表現される。

光軸Ｘと平行でない太陽光Ｌも、最大許容角度θmax範囲内であれば最大二回反射により出口１０に導くことができる。例えば、最大許容角度θmaxで入口９に入射した太陽光Ｌも、出口１０付近の反射であれば一回反射で出口１０に導くことができ（図４）、入口９付近の反射であれば二回反射で出口１０に導くことができる（図５）。

筒型集光鏡３の下部に反射角度矯正鏡４が連続形成されている。この反射角度矯正鏡４は筒型集光鏡３とは逆に下方へ向けて漸次開口面積が増大するテーパ円筒形状を有し、その延長内面４ａも鏡面加工されている。この反射角度矯正鏡４の延長内面４ａは放物線により規定された面でなく、単純なストレートのテーパ円筒状である。そのため反射角度矯正鏡４の製造が容易である。反射角度矯正鏡４は筒型集光鏡３とリング状に分布する仮想焦点（ｆ，ｆ’）との間に配置されることで反射光を効率よく下方に向けることができる。換言すれば、テーパー円筒形状の反射角度矯正鏡４は光軸Ｘに対してリング状に分布する仮想焦点（ｆ，ｆ’）の内側に位置づけられる。

また筒型集光鏡３を規定する放物線の仮想焦点（ｆ、ｆ’）が反射角度矯正鏡４の近傍にあるため筒型集光鏡３の反射光が収束しやすく、反射角度矯正鏡４をコンパクトに構成することができる。さらに、仮想焦点（ｆ、ｆ’）がリング状に分散しているため反射角度矯正鏡４の熱負荷が軽減される。

延長内面４ａの光軸方向長さＤは小さく、その端末１１の開口面積は出口１０より若干大きく且つ入口９よりは十分に小さい。従って、この集光器５の集光度は（端末１１／入口９）の面積比に応じて決定される。反射角度矯正鏡４の端末１１とレシーバ６の開口７との間には十分な間隔Ｓが確保されている。すなわち、端末１１からの出射光の拡がり角を小さく抑えられるので間隔Ｓを設けてもレシーバ６に確実に集光することができる。また、
この実施形態によれば、集光器５とレシーバ６との間に十分な間隔Ｓを設けたとしても、図４及び図５に示すように、筒型集光鏡３の出口１０に延長内面４ａを連続形成したため、出口１０から大きな角度で拡がり易い最大許容角度θmaxで入射した太陽光Ｌも、必ずこの延長内面４ａで反射して、光軸Ｘに対して小さな角度θに矯正して出射することができる。延長内面４ａの光軸方向長さＤは最大許容角度θmaxで筒型集光鏡内に入射して出口１０から出射した太陽光Ｌを必ず反射するように設定されている。延長内面４ａが端末１１に向けて広がる形状のため、そこで反射された太陽光Ｌは必ず光軸Ｘに対して小さな角度θとなり、確実にレシーバ６の開口７内へ導かれる。

集光器５とレシーバ６との間に十分な間隔Ｓが確保されているため、集光器５がレシーバ６からの輻射熱の影響を受けにくく、レシーバ６の開口７内への外部からの操作も容易になる。

図６は本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それらと同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

筒型集光鏡３の下部に形成される反射角度矯正鏡１２は、筒型集光鏡３のテーパー形状を下部に外挿した形状よりも光軸Ｘに対して外側に延在する形状を有する。この実施形態では、反射角度矯正鏡１２の延長内面１２ａが筒型集光鏡３の出口１０の内面と同一のストレート円筒状である。従って、筒型集光鏡３の出口１０から太陽光Ｌを大きな角度で拡散させてしまうのではなく、出口１０からの太陽光Ｌを延長内面１２ａで折り返し方向へ反射するため、レシーバー６を集光器１３全体から離しても太陽光Ｌをレシーバー６に導き易い。

しかも延長内面１２ａがストレート円筒状であるため、必ず同一角度で反射されるため、反射された太陽光Ｌは必ずレシーバー６側へ向かう。例えばストレート円筒状の延長内面１２ａに代えて、筒型集光鏡３の出口１０を延長内面１２ａの光軸方向長さＤ分だけ延長させると、その内面３ａがテーパー状であるため、太陽光Ｌを入口９側へ戻してしまうような逆方向への反射現象を起こして太陽エネルギーが散逸する場合がある。しかし本実施形態のようなストレート円筒状にすればそのような現象は生じ得ない。またストレート円筒状の反射角度矯正鏡１２は製造も容易である。

以上の説明では、筒型集光鏡３の内面３ａも、反射角度矯正鏡４、１２の延長内面４ａ、１２ａも連続した鏡面にする例を示したが、複数のミラーピースにより鏡面を分割形成しても良い。また集光器５、１３を垂直に配置する例を示したが、集光系によっては斜め配置又は横配置にしても良い。また、放物線の対称軸とＸ軸を平行としたがこれに限定されない。

１ 楕円鏡
２ ヘリオスタット
３ 筒型集光鏡
３ａ 内面
ｆ，ｆ’ 仮想焦点リング
４、１２ 反射角度矯正鏡
４ａ、１２ａ 延長内面
５、１３ 集光器
６ レシーバ
７ 開口
８ 受熱部
９ 入口
１０ 出口
１１ 端末
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｄ 光軸方向長さ
Ｌ 太陽光
Ｓ 間隔
Ｘ 光軸
θ 小さな角度
θmax 最大許容角度

Claims (5)

1. 入口から出口に向けて開口面積が漸次減少する概略テーパ円筒状の鏡面加工された内面を有し、入口から光軸に対して最大許容角度以内の入射角で内部に導入された太陽光を内面で反射しながら出口より取り出す筒型集光鏡と、
   該筒型集光鏡の出口の内面から連続し且つ筒状に鏡面加工された延長内面を有し、該延長内面が最大許容角度で筒型集光鏡内に入射した太陽光を反射可能な光軸方向長さを有する反射角度矯正鏡と、
   を備えたことを特徴とする集光器。
2. 延長内面が、開口面積が漸次増大する概略テーパ円筒状で、端末の開口面積が筒型集光鏡の入口の開口面積よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の集光器。
3. 延長内面が、筒型集光鏡の出口の内面と同一のストレート円筒状であることを特徴とする請求項１記載の集光器。
4. 筒型集光鏡の内面が、放物線を光軸のまわりに回転した仮想曲面によって規定されリング状の仮想焦点を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光器。
5. 筒型集光鏡の内面を規定する仮想曲面が、放物線の対称軸に対して片側の一部をなす曲線を該曲線と対称軸の間に位置する光軸のまわりに回転した曲面によって規定されることを特徴とする請求項４記載の集光器。

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