JP2015506569A - 軸外カセグレン太陽光コレクタ - Google Patents

Abstract

本開示は一般に、集光日光コレクタに関し、詳細には建物の内部照明に有用な集光日光コレクタに関する。集光日光コレクタは、可動部品が１つであり、集光された太陽放射光の固定ダクトへの結合の効率が高い、完全な追跡性を有する太陽光コレクタを与えるカセグレン型集光器部分を一般的に有する。特定の場合では、開示される集光日光コレクタは、電力を発生させるための光電池又は熱エネルギーを抽出するための吸収性表面に太陽光を向けるといったように、より利便性よく使用することができる。

Description

建物を通る可視光の長距離輸送では、鏡張りダクト、又は全反射を利用したソリッドファイバを使用することができる。鏡張りダクトは、大きな断面積及び大きな開口数（より低い集光度でより大きな光束を可能とする）、低い減衰率及び長い寿命につながる安定的かつ透明な伝播媒質（すなわち空気）、及び輸送される光束の単位当たりの重量がより低くなりうるという長所を有する。ソリッドファイバは、少ない光損失で比較的きつい折れ曲がりを与えることができる構成の柔軟性の長所を有する。鏡張りダクトの方が圧倒的に有利に思えるようであるが、配管と概ね同じ要領で光導路が組み立てられるという実用的価値のためにファイバがしばしば選択されている。効果的に光を輸送するために使用される方法によらず、実用的かつ効率的で、集光された光を集中させることも可能な日光コレクタが求められている。

本開示は一般的には、集光日光コレクタに関し、詳細には建物の内部照明に有用な集光日光コレクタに関する。集光日光コレクタは、可動部品が１つであり、集光された太陽放射光の固定ダクトへの結合の効率が高い、完全な追跡性を有する太陽光コレクタを与えるカセグレン型集光器部分を一般的に有する。一態様では、本開示は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、を有する太陽光コレクタであって、前記第２の軸を動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタを提供する。別の態様では、本開示は、前記太陽光コレクタを含む建築照明システムを提供する。

別の態様では、本開示は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を有する太陽光コレクタであって、前記双曲面リフレクタ又は前記光ダクトを動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることを特徴とする太陽光コレクタを提供する。別の態様では、本開示は、前記太陽光コレクタを含む建築照明システムを提供する。

更なる別の態様では、本開示は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を有する太陽光コレクタであって、前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができ、前記双曲面リフレクタ及び前記光ダクトの少なくとも一方が前記第２の軸を中心として回転することを特徴とする太陽光コレクタを提供する。別の態様では、本開示は、前記太陽光コレクタを含む建築照明システムを提供する。

更なる別の態様では、本開示は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置されるスロットと、前記第２の軸に沿って配置され、前記スロットを貫通する中空の反射型光ダクトと、を有する太陽光コレクタであって、前記第１の軸が前記第２の軸を動かすことなく所定の高度角及び所定の方位角で太陽と整列されるように前記放物面リフレクタを回転させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が、前記中空の反射型光ダクトに進入して前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタを提供する。別の態様では、本開示は、前記太陽光コレクタを含む建築照明システムを提供する。

上記の概要は、本開示のそれぞれの開示される実施形態又はすべての実現形態を説明することを目的としたものではない。以下の図面及び詳細な説明により、実例となる実施形態をより詳細に例示する。

本明細書の全体を通じ、同様の参照符合が同様の要素を示す添付の図面を参照する。図中、
太陽光コレクタの斜視図を示す。 太陽光コレクタの概略断面図を示す。 太陽光コレクタの概略断面図を示す。 太陽光コレクタの概略断面図を示す。 太陽光コレクタの概略断面図を示す。 太陽光コレクタの概略断面図を示す。 太陽光コレクタに関連したパラメータを示す。 太陽光コレクタの斜視図を示す。 太陽光コレクタの斜視図を示す。 太陽光コレクタの斜視図を示す。 保護された太陽光コレクタの側面図を示す。 保護された太陽光コレクタの側面図を示す。 太陽光コレクタの斜視図を示す。

図面の縮尺は必ずしも正確ではない。図において用いられる同様の符合は同様の要素を示している。しかしながら、特定の図においてある要素を示すための符合の使用は、別の図において同じ符合で示されるその要素を限定することを目的とするものではない点は理解されるであろう。

本開示は一般的には、建物の内部空間を太陽光で照明するために使用することができる集光日光コレクタに関する。集光日光コレクタは、光が光分配用鏡張りダクトから抽出される点まで、建物全体を通じて太陽光を分配することができる鏡張りダクト内に光を向ける。特定の場合では、開示される集光日光コレクタは、これ以外に、電力を発生させるための光電池又は熱エネルギーを抽出するための吸収性表面に太陽光を向けるといったように、より利便性よく使用することができる。

コア建築日光照明用の太陽光コレクタの価値について述べる適当な性能指数の１つに、供給される光１ルーメン当たりのコレクタのコストがある。１ルーメン当たりのコストが減少するにしたがって価値は増大する。低減されたコスト及び高められた光束の両方が、コレクタの価値を高める。コレクタのコストは、そのサイズ、その追跡の要求条件、及びその複雑さによって概ね決まる。サイズ又は追跡性は高い光束にとって極めて重要であることから、これらの属性を犠牲にすることは一般的に有利ではない。しかしながら、可動部品の数を最小化することにより、複雑さを低減させる可能性が残される。

昼光照明用のコレクタは、その光束を、光束にともなう輝度がダクトの軸を中心としてほぼコリメートされた状態で固定ダクト内に留めることができることが好ましい。したがって、追跡コレクタは、集光された輝度の移動分布及び傾斜分布を固定位置及び固定方向に輸送及び方向転換するための手段を有することができる。この結合の効率を高めることによってコレクタの価値を向上させることができる。

可動部品が少なく、固定ダクトとの結合の効率が極めて高い、完全な追跡性を有する太陽光コレクタの装置及び方法を開示する。このため、カセグレンコレクタは、１）放物面の光軸に対して平行に入射する光線を放物面の光軸上の一点に集束するための放物面鏡、及び２）その内側焦点が双曲面の焦点と一致している双曲面鏡であって、これらの光線を双曲面の光軸上の双曲面の外側焦点に再収束するための双曲面鏡を利用している。標準的なカセグレン構成では、放物面の軸と双曲面の軸とは、最終焦点がこれらの共通の軸上に位置するように一致している。本明細書に述べられる軸外構成では、最終焦点が放物面の軸外に位置するように、放物面の軸を双曲面の軸に対して傾斜させることができる。このような軸外構成は、固定された最終焦点を可能とするものであり、これにより、昼光照明用の太陽光コレクタの２つの基本的な問題、具体的には、軸外構成では放物面しか動かすことができないこと、及び軸外構成は固定ダクトとの結合の効率を向上させることを解決することができる。

開示される太陽光コレクタは、直接の太陽光の照度を大きな面積で受容し、太陽を追跡する。一般的には、それにともなう光束のほぼすべてが固定ダクト内に注入され、光束にともなう輝度がダクトの軸を中心としてほぼコリメートされる。特定の一実施形態では、太陽光コレクタの設計は、太陽を追跡する可動放物面鏡、並びに固定双曲面鏡及び固定ダクトを有する軸外カセグレイン構成を使用する。この構成は、太陽を追跡するために必要とされる可動部品の数を最小化する一方で集光の効率を最大化することができる。

このコレクタは、多くの代替的装置と比較して単位設置面積当たりより多くの光束を集めることができる。コレクタは、この光束を、既知の代替的装置のいずれよりも高い濃度で（小型の光分配ダクトを可能とする）、かつ側壁抽出による中空の光案内システムによく適した一定のコリメーション度で供給することができる。特定の場合では、集光日光コレクタは、建物の屋根の上か又は太陽に面した面の上に配置することができる。一般的には、集光日光コレクタを屋上に配置することで日中の時間帯の全体を通じて遮られることのない太陽の視界をより容易に与えることができるが、場合によっては建物の側面に取り付けることが好ましい場合もある。

集光日光コレクタは、日中の全体を通じて太陽の位置を追跡する太陽光コレクタ／集光器とすることができる。集光日光コレクタは、高度に集光された太陽光の光束を大きな面積から集め、これをコリメーションを制御して（必要に応じてなくして）大幅に小さい面積、例えば鏡張りダクトシステム内に留めることで建物全体にわたって分配する。

特定の一実施形態では、集光日光コレクタは、当業者には周知であるカセグレン望遠鏡型の集光器を含みうる。このような集光器は通常、放物面鏡と双曲面鏡の組み合わせを有している。一般的に、放物面鏡の焦点と双曲面鏡の一方の焦点とは、それらが共通の焦点に近くなるように配置される。双曲面鏡の第２の焦点は、双曲面鏡から反射される光を集めるのに適した光ダクトの軸に沿って配置することができる。光ダクトは、放物面鏡の頂点と外縁との間で放物面鏡に形成されたスロット内に配置することができる。スロットの中心線は、放物面の頂点と双曲面の両方の焦点を含む平面内に位置する。このようにすることで、放物面リフレクタが光ダクト軸を中心として回転することが可能であり、これにより集光日光コレクタが太陽の経路を追跡する。詳細には、本明細書の他の箇所で述べるように、放物面の焦点と頂点との間の特定の線を太陽の特定の方位角及び高度角と整列させることにより、光線が放物面の焦点に向けられる。

図１は、本開示の一態様に基づいた太陽光コレクタ１００の斜視図を示している。太陽光コレクタ１００は、内側反射面１１５及び第１の外縁１２０を有する太陽光リフレクタ１１０を有している。内側反射面１１５は、例えば、金属蒸気でコーティングされた鏡又は他の反射性金属などの第１又は第２の表面鏡を含む、高い正反射率を有する任意の適当な材料であってよい。ただし、内側反射面はこれに代えてスリー・エム社（3M Company）より販売されるＶｉｋｕｉｔｉ（商標）ＥＳＲフィルムのようなポリマー多層干渉リフレクタを有してもよい。放物面リフレクタ１１０は、放物面の焦点１４０、頂点１３０、及び、頂点１３０と放物面の焦点１４０との間に延びる第１の軸１８０によって特徴付けることができる幾何形状を有している。太陽光コレクタ１００は、第２の外縁１６０、放物面の焦点１４０と一致した第１の焦点、及び第２の焦点１４５を有する双曲面リフレクタ１５０を更に有している。双曲面リフレクタ１５０は、上記に述べた内側反射面１１５に適した同じか又は異なる材料で作製することができる。第２の軸１９０が、放物面の焦点１４０及び第２の焦点１４５を含む線に沿って延びている。

特定の一実施形態では、第２の軸１９０は、天頂の方向に向けられてもよい（すなわち水平に対して垂直）が、他の実施形態ではこれに代えて第２の軸１９０は天頂に対する任意の所望の角度又は向きに向けられてもよい。例えば、太陽光コレクタ１００の第２の軸１９０は、建物側面に取り付けられるコレクタでは、水平方向を向くことができる。第２の軸１９０の傾斜角度は、本明細書の他の箇所で述べるように、例えば、最適な昼光照明のための緯度、遮られない視界、時間の長さ及び時間などの太陽光コレクタ１００の配置によって決まりうる。第１の軸１８０は、第２の軸１９０を動かすことなく、方位角方向１９５に沿って第２の軸１９０を中心として回転させることが可能である。第１の軸１８０も、放物面の焦点１４０を中心として旋回する、頂点１３０及び第２の軸１９０を含む平面内にある高度方向１８５に沿って回転することが可能である。特定の一実施形態では、本明細書の他の箇所で述べるように、第１の軸１８０は太陽の方向に向けて配置することができ、これにより、放物面リフレクタ１１０に入射して双曲面リフレクタ１５０から反射する太陽放射光は、第２の軸１９０の出力コリメーション角内を伝播する。

必要に応じて設けられる出口開口部１３２を、頂点１３０を通り、頂点１３０及び第２の軸１９０を含む平面内にある線１３１に沿って放物面リフレクタ１１０に配置することができる。特定の場合では、必要に応じて設けられる出口開口部１３２は、ポリマー又はガラスなどの太陽放射光に対して透明な材料を含んでよく、特定の場合では、必要に応じて設けられる出口開口部１３２は、放物面リフレクタ１１０に切り抜かれたスロットであってよい。特定の一実施形態では、必要に応じて設けられる出口開口部１３２は、頂点１３０から第１の外縁１２０まで線１３１に沿って延びてよい。

必要に応じて設けられる光ダクト１７０を第２の軸１９０に沿って配置することができるが、必要に応じて設けられる出口開口部１３２がスロットである場合、必要に応じて設けられる光ダクト１７０は図に示されるように放物面リフレクタ１１０を貫通して延びてよい。特定の場合では、支持構造１６５によって双曲面リフレクタ１５０を必要に応じて設けられる光ダクト１７０に取り付けることができる。支持構造１６５は、放物面の焦点１４０と第２の焦点１４５とが固定された状態に維持されて動かないように双曲面リフレクタ１５０を支持する、当業者には周知の任意の適当な支持体であってよい。特定の場合では、本明細書の他の箇所で述べるように、支持構造１６５は、双曲面リフレクタが第２の軸１９０を中心として回転することができるように双曲面リフレクタ１５０を放物面リフレクタ１１０の一方の回転軸に取り付けることができる。必要に応じて設けられる光ダクト１７０は、上縁１７７と、双曲面リフレクタ１５０から反射された光が入口開口部１７５から必要に応じて設けられる光ダクト１７０に進入し、第２の焦点１４５の方向に向けられるように配置された入口開口部１７５とを有している。必要に応じて設けられる光ダクト１７０は、建築照明用の日光分配システムに使用される光分配システム（図に示されていない）の一部とすることができる。必要に応じて設けられる光ダクト１７０は、本明細書の他の箇所で述べるように、矩形の光ダクト、円筒状の光ダクト、又は光を効率的に伝送するための他の任意の適当な形状の光ダクトであってよい。

図２Ａ〜２Ｃは、本開示の一態様に基づく太陽光コレクタの概略断面図を示している。図２Ａでは、太陽光コレクタ２００は、第１の外縁２２０、反射面２１５、頂点２３０、及び放物面の焦点２４０を有する放物面リフレクタ２１０を有している。第１の軸２８０が、頂点２３０と放物面の焦点２４０との間の線に沿って延びている。本明細書の他の箇所で述べるように、必要に応じて設けられる光ダクト２７０が、放物面リフレクタ２１０を貫通して延びている。必要に応じて設けられる光ダクト２７０は、内側反射面２７２、及び入口開口部２７５を包囲する上縁２７７を有している。太陽光コレクタ２００は、第２の外縁２６０、放物面の焦点２４０と一致した第１の焦点、及び第２の焦点２４５を有する双曲面リフレクタ２５０を更に有している。第２の軸２９０が、放物面の焦点２４０及び第２の焦点２４５を含む線に沿って延びている。図２Ａに示される特定の一実施形態では、第１の軸２８０と第２の軸２９０とは一致しうるが、図２Ａに示される実施形態は、図１に示されるコレクタのいずれの大まかな位置についても第１の軸２８０及び第２の軸２９０を含む平面に直交する平面を通る太陽光コレクタ２００の見え方を更に含み、その場合、第１の軸２８０と第２の軸２９０とは一致しているように見えるだけである。

放物面リフレクタ２１０の第１の焦点長さ「Ｆ１」は、頂点２３０と放物面の焦点２４０との間の距離であり、双曲面リフレクタ２５０の第２の焦点長さ「Ｆ２」は、放物面の焦点２４０と第２の焦点２４５との間の距離である。一般的に、第１の焦点距離「Ｆ１」及び第２の焦点距離「Ｆ２」の相対的な大きさは、任意の所望の関係を有してよく、Ｆ１＜Ｆ２〜Ｆ１＝Ｆ２、更にはＦ１＞Ｆ２の範囲でありうる。Ｆ２の相対的な大きさは、本明細書の他の箇所で述べるように、必要に応じて設けられる光ダクト２７０に進入する光のコリメーション度に関連しうる。特定の一実施形態では、より大きい第２の焦点距離Ｆ２はより狭いコリメーションに対応する。すなわち光はより小さい第２の軸２９０の角度内で発散する。

入口開口部２７５の、放物面リフレクタ２１０から上側の高さ「Ｄ１」は、正の値（すなわち、図に示されるように入口開口部２７５が放物面リフレクタ２１０と双曲面リフレクタ２５０との間に位置する）から負の値（すなわち、入口開口部２７５が、放物面リフレクタ２１０を挟んで双曲面リフレクタ２５０の反対側に位置する。図に示されていない）の範囲で変化しうる。第１の軸２８０が動くにしたがって（例えば図１に示される高度角１８５のような高度角により）、放物面リフレクタ２１０の上側の高さ「Ｄ１」は変化する。一般的に、入口開口部２７５は、双曲面リフレクタ２５０から反射されて第２の焦点２４５の方向に向けられる光が入口開口部２７５から必要に応じて設けられる光ダクト２７０に進入するように第２の軸２９０に沿った任意の位置に配置されうる。特定の一実施形態（図に示されていない）では、入口開口部２７５は放物面リフレクタ２１０と双曲面リフレクタ２５０との間に配置され、第２の焦点２４５は第２の軸２９０上で放物面の焦点２４０から放物面リフレクタ２１０よりも遠くに配置される。本明細書の他の箇所で述べるように、光ダクト２７０の入口開口部２７５から上側の放物面の焦点２４０の高さ「Ｄ２」も必要に応じて変化してよく、双曲面リフレクタ２５０の幾何形状（例えば最大幅「ρ_ｍａｘ」）に影響しうる。

図２Ｂは、本開示の一態様に基づく太陽光コレクタ２００に進入する代表的な光線の経路をトレースした概略断面図を示している。図２Ｂに示される要素２１０〜２７７のそれぞれは、上記に述べた図２Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。太陽などの光源からの入力光線２０１は、伝播方向に沿って伝播する中心光線２０２、及び中心光線２０２の入力コリメーション角θｉ内を伝播する境界光線２０３を含んでいる。太陽光コレクタ２００に進入して入射コリメーション角θｉ内を第１の軸２８０と平行に伝播する光線２０４、２０５、２０６、２０７のそれぞれは、放物面リフレクタ２１０から反射して放物面の焦点２４０の方向に向けられる。この後、光線２０４、２０５、２０６、２０７のそれぞれは、双曲面リフレクタ２５０から反射して、伝播方向に伝播する中心光線２９２及び中心光線２９２の出力コリメーション角θｏ内を伝播する境界光線２９３を有する出力光線２９１として第２の焦点２４５の方向に向けられる。

光を輸送するための鏡張りダクトシステムにおいては、比較的よくコリメートされた光がより効果的に使用されうる。太陽光が集中される際、コリメーション角は、太陽光の入力コリメーション半角から約１／４°大きくなる。一般的に、必要に応じて設けられる光ダクト１７０を通過する集中された太陽光のコリメーション半角θｏは、約３０°以下、又は約２５°以下、又は約２０°以下に制限されなければならない。特定の一実施形態では、コリメーション角θｏは約２３°とすることができる。太陽の追跡の精度及び異なる光学要素の精度（例えば反射板の平坦度及び配置、放物面リフレクタの形状、並びに双曲面リフレクタの形状）はいずれも結果的なコリメーション角度θｏに寄与する。例えば、回転、傾斜角、及び太陽の方位角の精度によって、出力光面積に対する入力光面積の集光比及び出力コリメーション半角θｏが影響されうる。

図２Ｃは、本開示の一態様に基づく太陽光コレクタ２００’に進入する代表的な光線の経路をトレースした概略断面図を示している。図２Ｃに示される要素２１０〜２７７のそれぞれは、上記に述べた図２Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。図２Ｃでは、第１の軸２８０は、太陽に向かって水平（すなわち、垂直方向を向いた第２の軸２９０から角度（９０−φ））から高度角φだけ傾斜している。太陽などの光源からの入力光線２０１’は、伝播方向に沿って伝播する中心光線２０２’、及び中心光線２０２’の入射コリメーション角θｉ内を伝播する境界光線２０３’を含んでいる。太陽光コレクタ２００’に進入して入射コリメーション角θｉ内を第１の軸２８０と平行に伝播する光線２０４’、２０５’、２０７’のそれぞれは、放物面リフレクタ２１０から反射して放物面の焦点２４０の方向に向けられる。この後、光線２０４’、２０５’、２０７’のそれぞれは、双曲面リフレクタ２５０から反射して、伝播方向に伝播する中心光線２９２及び中心光線２９２の出力コリメーション角θｏ内を伝播する境界光線２９３を有する出力光線２９１として第２の焦点２４５の方向に向けられる。

図３Ａは、本開示の一態様に基づく太陽光コレクタ３００の概略断面図を示している。図３Ａに示される要素３１０〜３９３のそれぞれは、上記に述べた図２Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図３Ａの放物面リフレクタ３１０は図２Ａの放物面リフレクタ２１０に対応している、といった具合である。図３Ａでは、第２の焦点３４５と頂点３３０との相対的な位置が、図２Ａに示される位置に対して変化している。第２の焦点３４５は、頂点３３０と第１の焦点３４０との間で、かつ光ダクト３７０の上縁３７７によって包囲された入口開口部３７５内に配置されている様子が示されている。

図３Ｂは、本開示の一態様に基づく太陽光コレクタ３００’の概略断面図を示している。図３Ａに示される要素３１０〜３９３のそれぞれは、上記に述べた図２Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図３Ｂの放物面リフレクタ３１０は図２Ａの放物面リフレクタ２１０に対応している、といった具合である。図３Ｂでは、第２の焦点３４５と頂点３３０との相対的な位置が、図２Ａに示される位置に対して変化しており、光ダクト３７０の入口開口部３７５を包囲する上縁３７７’が第２の焦点３４５から見て頂点３３０の反対側に配置されている。第２の焦点３４５は、依然、頂点３３０と第１の焦点３４０との間に配置されている様子が示されており、第２の焦点３４５の方向に向けられた光線は入口開口部３７５’から光ダクト３７０に進入している。

図５は、本開示の一態様に基づいた太陽光コレクタ５００の斜視図を示している。図５に示される要素５１０〜５９０のそれぞれは、上記に述べた図１に示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図５の放物面リフレクタ５１０は図１の放物面リフレクタ１１０に対応している、といった具合である。図５では、必要に応じて設けられる出口開口部１３２及び必要に応じて設けられる光ダクト１７０が取り除かれている。集中された日光は、第２の焦点５４５の近くに配置された光起電装置又は熱変換装置などのエネルギー変換装置５７５の方向に向けることができる。双曲面リフレクタ５５０及びエネルギー変換装置５７５のそれぞれを、第１及び第２の支持体５６５、５６６によってそれぞれ定位置に取り付けることができる。第１及び第２の支持体５６５、５６６は同じ支持構造（図に示されていない）か、又は異なる支持構造に基づくものでよい。特定の場合では、第１及び第２の支持体５６５、５６６の少なくとも一方を、第２の軸５９０を中心とした放物面リフレクタ５１０の回転５９５と連結することができる。特定の場合では、第１及び第２の支持体５６５、５６６の少なくとも一方を、第２の軸５９０を中心とした放物面リフレクタ５１０の回転５９５に対して固定することができる。

図６は、本開示の一態様に基づいた太陽光コレクタ６００の斜視図を示している。図６に示される要素６１０〜６９０のそれぞれは、上記に述べた図１に示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図６の放物面リフレクタ６１０は図１の放物面リフレクタ１１０に対応している、といった具合である。図６では、必要に応じて設けられる出口開口部６３２は、頂点６３０を通り、頂点６３０及び第２の軸６９０を含む平面内にある線６３１に沿って放物面リフレクタ６１０に配置されている。特定の場合では、必要に応じて設けられる出口開口部６３２は、ポリマー又はガラスなどの太陽放射光に対して透明な材料を含んでよく、特定の場合では、必要に応じて設けられる出口開口部６３２は放物面リフレクタ６１０に切り抜かれたスロットであってよい。図６に示される特定の一実施形態では、必要に応じて設けられる出口開口部６３２は、第１の外縁６２０と交差することなく頂点６３０と第１の外縁６２０との間の線６３１に沿って延びていることにより、方位角方向６８５に沿った任意の所望の旋回運動が可能となっている。

本明細書の他の箇所で述べるように、特定の一実施形態では、太陽光コレクタは大きな放物面鏡と小さな双曲面鏡とを有している。この放物面／双曲面コレクタは、放物面の開口部に対するその面積がコレクタの集光比を特定する円形の出口開口部を有している。

特定の一実施形態では、双曲面の第１の焦点は放物面の焦点と一致し、第２の焦点は出口開口部の中心に位置し、台座の上面の平面内の双曲面の直径は出口開口部の直径に等しい。この鏡の構成は、カセグレン望遠鏡の構成であり、基本的な光学機能はこれらの望遠鏡の光学機能と同じである。

頂点と放物面の焦点との間の軸と平行に入射する完全にコリメートされた光では、双曲面鏡の半径と放物面鏡の半径との間の放物面鏡の上部開口部を通過する光はすべて出口開口部の中心上に集束される。望遠鏡では、入射光の方向の極めてわずかなずれが、出口開口部内において焦点の小さなずれに、秩序だってマッピングされる。本発明の集光装置では、太陽光ディスクからの入射光に存在するどのようなずれによって生じる出口開口部における変位も、この開口部の半径よりも小さくなる。この緩和された要求条件は、光学要素の製造及び配置に求められる精度が大幅に緩和されることを示唆するものである。

製造された鏡は、その理想的な放物形状又は双曲形状に対して様々な歪みを呈しうる。これらの歪みの大きさ及び性状は、使用される製造材料及び方法によって決まる。放物面の歪みの影響は低い集光比では小さくなり、こうした精度で熱成形（又は他の何らかの方法で製造）することができないことから、目的とする集光比を低くする必要が生じる。集光比を低くするには、コレクタの設置面積をより小さくするか（すなわち集められるルーメンが小さくなる）、又は出口開口部をより大きくする（すなわち光分配ダクトが大きくなる）ことが求められる。

本明細書に述べられる軸外カセグレン太陽光コレクタを実施するうえでの課題の１つは、放物面リフレクタを支持し、風雨から光学要素を保護することにある。特定の場合では、太陽光コレクタは、円筒形状ハウジング、方形状ハウジング、球形状ハウジング、ドーム形状ハウジング、又は本明細書の他の箇所で述べるように配置及び回転させることが可能な任意の適当な形状のハウジングを更に有しうる。特定の場合では、これに代えて太陽光コレクタは固定されたハウジングを有してもよく、その下で支持構造を回転させることができる。ハウジングは、太陽光コレクタが、風、雨、ひょう、砂埃、破片、部品を劣化させうる紫外線、性能を低下させうる構造の変形などによって破損されないように環境からの保護を与えることができる。

特定の一実施形態では、透明な放物面ドームを形成し、これを反転させて放物面リフレクタに取り付けることで、２重放物面クラムシェル構造を形成することができる。この透明ドームは、コレクタ内の反射面を保護し、相当な構造強化を与えることができ、反射放物表面を製造するために使用されるものと同じ加工機械を使用することができることから低コストで製造することができる。特定の場合では、このような２重放物面クラムシェル構造は、例えば接合された放物面の外縁を包囲するリングに形成されたアルミニウム又は他の剛性材料のような支持リングを有しうる。特定の場合では、２重放物面クラムシェル構造の放物面のそれぞれが、外縁から延出したフランジを有してよく、これによりフランジ同士を互いに当接させることによって２個の放物面を取り付けることができる。

別の実施形態では、大型のドームで太陽光コレクタ全体を覆うことができる。このようなドームは、風雨からコレクタを保護することができる。ドームの可視光透過部分の全体がＵＶ遮断／吸収性材料で形成されることが好ましいが、このようなドームではコストが大幅に増大し、太陽光コレクタの物理的設置面積及びサイズが大きくなりがちである。

特定の場合では、太陽光コレクタシステムは、放物面鏡の開口部又はスロットを覆う技術も含みうる。特定の場合では、スロットは、可撓性カバー（すなわち、放物面の底部及び台座プレート又は入口ダクトに取り付けられる可撓性又は変形可能な部材）により覆うことができる。特定の場合では、入口ダクトが放物面鏡を貫通していない場合、スロットは単純に、光を通過させてダクトに進入させる透明な部分とすることができる。この実施形態もまた、放物面の強度を大幅に高めることができるが、双曲面光学要素、又は光電池若しくは熱エネルギー変換装置などのエネルギー変換装置を保持する代替的な方法を必要としうる。

図７Ａは、本開示の一態様に基づいた太陽光コレクタ７００の斜視図を示している。図７Ａに示される要素７１０〜７９５のそれぞれは、上記に述べた図１に示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図７Ａの放物面リフレクタ７１０は図１の放物面リフレクタ１１０に対応している、といった具合である。太陽光コレクタ７００は、太陽光コレクタ７００の動作の間に太陽を効果的に追跡するために使用することができる構造及び機構の特定の一実施形態を更に有している。

太陽光コレクタ７００は、内側反射面７１５及び第１の外縁７２０を有する太陽光リフレクタ７１０を有している。必要に応じて設けられる支持リング７２２を外縁７２０に取り付けることによって運動、風などによる放物面リフレクタ７１０の変形に対する抵抗性を与えることができる。放物面リフレクタ７１０は、放物面の焦点７４０、及び頂点（図に示されていない）と放物面の焦点７４０との間に延びる第１の軸７８０によって特徴付けることができる幾何形状を有している。太陽光コレクタ７００は、双曲面リフレクタ７５０及び放物面の焦点７４０と一致した第１の焦点を更に有している。第２の軸７９０は、放物面の焦点７４０及び双曲面リフレクタ７５０の第２の焦点（図に示されていない）を含む線に沿って延びている。

特定の一実施形態では、第２の軸７９０は、天頂の方向に向けられてもよい（すなわち水平に対して垂直）が、他の実施形態ではこれに代えて第２の軸７９０は天頂に対する任意の所望の角度又は向きに向けられてもよい。例えば、太陽光コレクタ７００の第２の軸７９０は、建物側面に取り付けられるコレクタでは、水平方向を向くことができる。第２の軸７９０の傾斜角度は、本明細書の他の箇所で述べるように、例えば、最適な昼光照明のための緯度、遮られない視界、時間の長さ及び時間などの太陽光コレクタ７００の配置によって決まりうる。第１の軸７８０は、第２の軸７９０を動かすことなく、方位角方向７９５に沿って第２の軸７９０を中心として回転させることが可能である。第１の軸７８０は、放物面の焦点７４０を中心として旋回する高度方向７８５に沿って回転させることが可能である。特定の一実施形態では、本明細書の他の箇所で述べるように、第１の軸７８０は太陽の方向に向けて配置することができ、これにより、放物面リフレクタ７１０に入射して双曲面リフレクタ７５０から反射する太陽放射光は、第２の軸７９０の出力コリメーション角内を伝播する。

本明細書の他の箇所で述べるように、放物面リフレクタ７１０には出口開口部７３２を配置することができるが、図７Ａに示すように、これは放物面リフレクタ７１０に切り抜かれたスロット７３２である。第２の軸７９０に沿って光ダクト７７０が配置され、図に示されるように放物面リフレクタ７１０のスロット７３２を貫通して延びている。放物面の焦点７４０及び第２の軸７９０が固定された状態に維持されて動かないように、支持構造７６５によって双曲面リフレクタ７５０が光ダクト７７０に取り付けられている。本明細書の他の箇所で述べるように、特定の場合では、図７Ａに示されるように、支持構造７６５は、双曲面リフレクタ７５０が第２の軸７９０を中心として回転することができるように双曲面リフレクタ７５０を放物面リフレクタ７１０の一方の回転軸に取り付ける。光ダクト７７０は、双曲面リフレクタ７５０から反射された光が入口開口部７７５から光ダクト７７０に進入し、双曲面リフレクタ７５０の第２の焦点（図に示されていない）の方向に向けられるように配置された入口開口部７７５を有している。光ダクト７７０は、建築照明用の日光分配システムに使用される光分配システム（図に示されていない）の一部とすることができる。

太陽光コレクタ７００は、建物の屋根又は側面のような建築構造（図に示されていない）に取り付けることができる下面７９６を有する台座７９４を有している。放物面リフレクタ７１０は、枢動点７８８及び必要に応じて設けられる支持リング７２２を介して支持アーム７８２によって支持されており、モータ７８４により第１の軸７９０に対して回転することが可能である。枢動点７８８を通る枢動線７８６は更に放物面の焦点７４０を通っているため、高度方向７８５に沿った第１の軸７８０のいかなる回転によっても放物面の焦点７４０の相対位置は変化しない。台座７９４に取り付けられた回転支持体７９２が、やはり放物面の焦点７４０の相対位置を変化させることなく、放物面リフレクタ７１０を第２の軸７９０を中心として方位角方向７９５に沿って回転させる。

図７Ｂは、本開示の一態様に基づいた、保護された太陽光コレクタ７０１の側面図を示している。図７Ｂに示される要素７００〜７９６のそれぞれは、上記に述べた図７Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図７Ｂの放物面リフレクタ７１０は図７Ａの放物面リフレクタ７１０に対応している、といった具合である。図７Ｂでは、保護された太陽光コレクタ７０１は、図７Ａの太陽光コレクタ７００、及び風雨からの保護として与えられる、太陽光コレクタ７００を覆って配置された可視光透過ドーム７０５を有している。可視光透過ドーム７０５は、図に示されるように台座７９４と同じ建物表面に取り付けることによって太陽光コレクタ７００全体を保護することができるか、若しくは固定された台座７９４の一部に取り付けてもよく、又はその代わりに回転支持部７９２に取り付けることができる。可視光透過ドーム７０５は、太陽光コレクタ７００が日光を集めるために太陽の方向に向けられる部分において可視光に対して透明でありさえすればよく、他の領域では不透明な材料で作製することができる。可視光透過ドームは、球形に基づいたドーム、円筒形に基づいたドーム、多角形に基づいたドーム、及び更には、太陽光の収集効率を不要に低減することもなく、又は太陽光コレクタ７００の運動を妨げることもなく、望ましい風雨からの保護を与える他の平面又は曲面を含む構造を含む、太陽光コレクタ７００の運動及び方向付けを可能とするうえで必要な任意の所望の形状又はサイズとすることができる点は理解されるはずである。

図７Ｃは、本開示の一態様に基づいた、保護された太陽光コレクタ７０２の側面図を示している。図７Ｃに示される要素７００〜７９６のそれぞれは、上記に述べた図７Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図７Ｃの放物面リフレクタ７１０は図７Ａの放物面リフレクタ７１０に対応している、といった具合である。図７Ｃでは、保護された太陽光コレクタ７０２は、図７Ａの太陽光コレクタ７００、及び風雨からの保護として与えられる、クラムシェル形態で太陽光コレクタ７００の放物面リフレクタ７１０を覆って配置された可視光透過ドーム７０７を有している。可視光透過ドーム７０７は、例えば放物面リフレクタ７１０、双曲面リフレクタ７５０、及び光ダクト７７０（図に示されていない）を含む太陽光コレクタ７００の光学要素を保護することができる。

可視光透過ドーム７０７は、球形に基づいたドーム、円筒形に基づいたドーム、多角形に基づいたドーム、及び更には、太陽光の収集効率を不要に低減することもなく、又は太陽光コレクタ７００の運動を妨げることもなく、望ましい風雨からの保護を与える他の平面又は曲面を含む構造を含む、太陽光コレクタ７００の運動及び方向付けを可能とするうえで必要な任意の所望の形状又はサイズとすることができる点は理解されるはずである。特定の一実施形態では、可視光透過ドーム７０７は、放物面リフレクタ７１０と同じ（又は同様の）加工機械を使用して同じ放物面形状で作製することができる。特定の場合では、可視光透過ドーム７０７は、図に示されるような支持リング７２２を使用して放物面リフレクタ７１０に取り付けることができる。特定の場合では、可視光透過ドーム７０７及び放物面リフレクタ７１０のそれぞれが、それぞれの放物面形態の外縁７２０から延びるフランジ（図に示されていない）を更に有してもよく、これら２つのフランジが互いに取り付けられてクラムシェル形態を形成することができる。

図７Ｄは、本開示の一態様に基づいた太陽光コレクタ７００’の斜視図を示している。図７Ｄに示される要素７１０〜７９６のそれぞれは、上記に述べた図７Ａに示される同様の参照符合で示された要素に対応している。例えば、図７Ｄの放物面リフレクタ７１０は図７Ａの放物面リフレクタ７１０に対応している、といった具合である。太陽光コレクタ７００’は、太陽光コレクタ７００’の動作の間に太陽を効果的に追跡するために使用することができる構造及び機構の特定の一実施形態を更に有している。

本明細書の他の箇所で述べるように、放物面リフレクタ７１０には出口開口部７３２’を配置することができるが、図７Ｄに示すように、これは放物面リフレクタ７１０に配置された可視光透過窓７３２’である。光ダクト７７０’が第２の軸７９０に沿って配置されているが、図に示されるように、放物面リフレクタ７１０の可視光透過窓７３２’を貫通してはいない。双曲面リフレクタ７５０は支持構造７８７によって枢動点７８８を介して放物面リフレクタ支持体７８２に取り付けられていることにより、双曲面リフレクタ７５０、放物面の焦点７４０、及び第２の軸７９０は固定状態に維持され、放物面リフレクタ７１０が異なる高度角に回転する際に動くことはない。

特定の場合では、可視光透過窓７３２’は、本明細書の他の箇所で述べるように放物面リフレクタ７１０の開放スロットであってよい。特定の一実施形態ではこれに代えて可視光透過窓７３２’は、反射面７１５を有さない放物面リフレクタ７１０の中実部分であってもよい。特定の場合では、反射面７１５は、金属製リフレクタをエッチングするか又は接着されたフィルムリフレクタを除去することにより、可視光透過窓７３２’のこの領域から除去することができる。特定の場合では、可視光透過窓７３２’のこの領域への反射面７１５の塗布を行わないこともできる。可視光透過窓７３２’は、放物面リフレクタ７１０の中実、透明、かつ連続的な部分とすることが好ましい場合がある。

光ダクト７７０’は、双曲面リフレクタ７５０から反射された光が入口開口部７７５’から光ダクト７７０’に進入し、双曲面リフレクタ７５０の第２の焦点（図に示されていない）の方向に向けられるように配置された入口開口部７７５’を有している。光ダクト７７０’は、建築照明用の日光分配システムに使用される光分配システム（図に示されていない）の一部とすることができる。

太陽光コレクタ７００’は、建物の屋根又は側面のような建築構造（図に示されていない）に取り付けることができる下面７９６を有する台座７９４を有している。放物面リフレクタ７１０は、枢動点７８８及び必要に応じて設けられる支持リング７２２を介して支持アーム７８２によって支持されており、モータ（図に示されていない）により第１の軸７９０に対して回転することが可能である。台座７９４に取り付けられた回転支持体７９２が、放物面の焦点７４０の相対位置を変化させることなく、放物面リフレクタ７１０を第２の軸７９０を中心として方位角方向７９５に沿って回転させる。

太陽光コレクタ７００’は、太陽光コレクタ７００について本明細書の他の箇所で述べられ、また図７Ｂ及び７Ｃにおいても示される方法のいずれかを使用して風雨から保護することができる。特定の場合では、太陽光コレクタ７００’の構成は、放物面リフレクタ７１０及び双曲面リフレクタ７５０の両方が太陽光コレクタ７００に示される開放スロット７３２からの汚染から保護されうることから、風雨からの優れた保護を与えることができる。

以下は、本開示の実施形態の一覧である。

項目１は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、を備える太陽光コレクタであって、前記第２の軸を動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタである。

項目２は、前記双曲面リフレクタが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、項目１の太陽光コレクタである。

項目３は、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタが静止状態に維持される、項目１又は項目２の太陽光コレクタである。

項目４は、前記放物面リフレクタの前記頂点を通る線に沿って放物面リフレクタに配置された出口開口部を更に備える、項目１〜項目３の太陽光コレクタである。

項目５は、前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、項目１〜項目４の太陽光コレクタである。

項目６は、前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、項目１〜項目５の太陽光コレクタである。

項目７は、前記第２の軸に沿って配置され、前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播する太陽放射光を受光することが可能な光ダクトを更に備える、項目１〜項目６の太陽光コレクタである。

項目８は、前記光ダクトが、入力開口部を有する中空の反射型光ダクトである、項目１〜項目７の太陽光コレクタである。

項目９は、前記光ダクトが、前記第２の焦点に近接して配置された入力開口部を有する、項目７又は項目８の太陽光コレクタである。

項目１０は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、前記双曲面リフレクタ又は前記光ダクトを動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることを特徴とする太陽光コレクタである。

項目１１は、前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、項目１０の太陽光コレクタである。

項目１２は、前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、項目１０又は項目１１の太陽光コレクタである。

項目１３は、前記第２の焦点が前記光ダクトの入力開口部に近接している、項目１０〜項目１２の太陽光コレクタである。

項目１４は、前記第２の焦点が前記光ダクトの内部にある、項目１０〜項目１３の太陽光コレクタである。

項目１５は、前記光ダクトが前記出口開口部を貫通している、項目１０〜項目１４の太陽光コレクタである。

項目１６は、前記双曲面リフレクタが前記光ダクトに取り付けられている、項目１０〜項目１５の太陽光コレクタである。

項目１７は、前記第１の軸が太陽の方向と整列されている、項目１０〜項目１６の太陽光コレクタである。

項目１８は、前記光ダクトが反射型中空光ダクトを含む、項目１０〜項目１７の太陽光コレクタである。

項目１９は、前記第１の軸の第１のコリメーション半角内の入力光線が、前記放物面リフレクタから反射し、前記双曲面リフレクタから反射し、前記光ダクト内へと前記第２の軸の第２のコリメーション半角内に向けられる、項目１０〜項目１８の太陽光コレクタである。

項目２０は、約０．２５°の第１のコリメーション半角に対して、前記第２のコリメーション半角が最大で約３０°の角度を含む、項目１９の太陽光コレクタである。

項目２１は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができ、前記双曲面リフレクタ及び前記光ダクトの少なくとも一方が前記第２の軸を中心として回転することを特徴とする太陽光コレクタである。

項目２２は、前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、項目２１の太陽光コレクタである。

項目２３は、前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、項目２１又は項目２２の太陽光コレクタである。

項目２４は、前記第２の焦点が前記光ダクトの入力開口部に近接している、項目２１〜項目２３の太陽光コレクタである。

項目２５は、前記第２の焦点が前記光ダクトの内部にある、項目２１〜項目２４の太陽光コレクタである。

項目２６は、前記光ダクトが前記出口開口部を貫通している、項目２１〜項目２５の太陽光コレクタである。

項目２７は、前記双曲面リフレクタが前記光ダクトに取り付けられている、項目２１〜項目２６の太陽光コレクタである。

項目２８は、前記双曲面リフレクタが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、項目２１〜項目２７の太陽光コレクタである。

項目２９は、前記光ダクトが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記光ダクトと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、項目２１〜項目２８の太陽光コレクタである。

項目３０は、前記第１の軸が太陽の方向と整列されている、項目２１〜項目２９の太陽光コレクタである。

項目３１は、前記光ダクトが反射型中空光ダクトを含む、項目２１〜項目３０の太陽光コレクタである。

項目３２は、前記第１の軸の第１のコリメーション半角内の入力光線が、前記放物面リフレクタから反射し、前記双曲面リフレクタから反射し、前記光ダクト内へと前記第２の軸の第２のコリメーション半角内に向けられる、項目２１〜項目３１の太陽光コレクタである。

項目３３は、約０．２５°の第１のコリメーション半角に対して、前記第２のコリメーション半角が最大で約３０°の角度を含む、項目３２の太陽光コレクタである。

項目３４は、頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置されるスロットと、前記第２の軸に沿って配置され、前記スロットを貫通する中空の反射型光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、前記第１の軸が前記第２の軸を動かすことなく所定の高度角及び所定の方位角で太陽と整列されるように前記放物面リフレクタを回転させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が、前記中空の反射型光ダクトに進入して前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタである。

項目３５は、項目１〜項目３４の太陽光コレクタを含む建築照明システムである。

項目３６は、光分配ダクトを更に含む、項目３５の建築照明システムである。

項目３７は、前記光分配ダクト内に光を注入することが可能な電気的光源を更に含む、項目３５の建築照明システムである。

項目３８は、保護ハウジングを更に含む、項目３５〜３７の建築照明システムである。

項目３９は、前記保護ハウジングが、太陽光コレクタを少なくとも部分的に包囲する可視光透過ドームを含む、項目３８の建築照明システムである。

項目４０は、前記保護ハウジングが、クラムシェル形態で前記放物面リフレクタに取り付けられた可視光透過ドームを含む、項目３８又は項目３９の建築照明システムである。

項目４１は、前記可視光透過ドームが放物面を含む、項目４０の建築照明システムである。

項目４２は、前記放物面リフレクタ及び可視光透過ドームに隣接して配置された支持リングを更に含む、項目４０又は項目４１の建築照明システムである。

図４は、本開示の一態様に基づく、太陽光コレクタ双曲面４５０に関連したパラメータを示している。双曲面４５０は、図１〜６に示される双曲面リフレクタ（１５０、２５０、３５０、５５０、６５０）のいずれであってもよい。図４に示されていない太陽光コレクタのパラメータとしては、放物面鏡の直径及び焦点距離、放物面内のスロット（すなわち出口開口部）の幅、並びにこの鏡の反射率、双曲面鏡の反射率、並びにダクトの直径及び内部反射率、並びにその入口開口部の垂直位置が挙げられる。スロットは、放物面の光軸を水平（太陽高度０°）と天頂（太陽高度９０°）との間の任意の位置に向けることを可能とする。太陽の方位を追跡するためのダクトの中心線を中心とした放物面の回転によって、コレクタの形態にも光学的性能にも変化は生じない。

この実施例及び他の実施例の設計の集光性能を、レイトレースシミュレーションによって評価した。大型のカセグレン光学要素の製造における最大の課題が放物面鏡の精度にあることは一般的に理解されている。この課題の認識に立ち、本発明者らのシミュレーションは、光線が放物面から反射される際の光線の方向におけるパラメトリックランダムディザを含んだものである。このディザは、正確な正反射方向を中心として均一及びランダムに満たされた方向の円錐の半角によって特徴付けられる。試験用の直径６０インチ（１．５２４ｍ）の熱成形した鏡のレーザ特性評価により、０．５０°の小さい半角の可能性が示された。特に断らないかぎり、すべてのシミュレーション結果は、０．５０°のディザ、及び直接的な太陽輝度の０．２５°の発散角の効果を含んでいる。

実施例に関連したパラメータ（図１及び図２Ａを参照）としては、熱成形された高反射（Enhanced Specular Reflective）フィルムＲ＝０．９８（スリー・エム社（3M Company）より販売されるＶｉｋｕｉｔｉ（商標））ＥＳＲフィルム）から形成された直径６０インチ（１．５２４ｍ）の放物面リフレクタ１１０、焦点距離Ｆ１＝１５インチ（３８．１ｃｍ）（ｆ／０．２５を得る）、反射ディザ＝０．５０°、及び幅６インチ（１５．２４ｃｍ）の出口開口部１３２が挙げられる。光ダクトは、図３Ａに示した構成と同様の、第２の焦点１４５に入口開口部１７５が配置された直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のＥＳＲで内張したダクトとした。

図４に示されるように、双曲面リフレクタ４５０は直径１２インチ（３０．４８ｃｍ）（すなわち、ρ_ｍａｘ＝６インチ（１５．２４ｃｍ））であった。放物面の焦点４４０と第２の双曲面の焦点４４５との間の焦点間隔Ｆ２は、１０インチ（２５．４ｃｍ）、ψ＝１３５°、であった。双曲面は反射率Ｒ＝０．９５の金属製のものとしてモデル化した。実施例で使用した双曲面の式は、下式により与えられる。すなわち、

これについて、パラメータとしてρ_ｍａｘ、Ｆ２、及びψが与えられると下記を得る。すなわち、

太陽高度は、コレクタの性能に影響する最も重要な予測可能な操作因子である（これに対して予測不能な操作因子としては例えば雲量及びかすみなどがある）。双曲面の受光角度（例えば１３５°）内で放物面と双曲面との共通の焦点に近づく放物面から反射される光の割合は、太陽高度が大きくなるにしたがって増大する。太陽の発散及び放物面ディザを無視すると、４５°よりも大きい太陽高度では、光の全体が受光角度の範囲内となる。日の出及び日の入りの近くでは効率は幾分低下し、午前半ば〜午後半ばにかけて効率はほぼ最大となる。昼間の始め及び終わり近くに効率が低下するこのようなパターンは、これらの時間帯における太陽入射光の低下によってもたらされる人の予想と都合良く一致している。

この実施例において検討されるｆ／０２５の放物面のその焦点を中心とした回転は、放物面が太陽を追跡する際に掃引する体積を最小とするものである。このことは、混み合った屋上にコレクタを配置するうえで有利であり、コレクタを収容するための封入装置のサイズ、重量及びコストが最小に抑えられる。

表１のデータは、上記に述べた太陽光コレクタの性能をまとめたものである。表１の２列目及び３列目は、予測される効率を太陽高度の関数として示している。効率は、太陽入射光に直交する方向に向けられた直径Ｄ（放物面）＝６０インチ（１．５２４ｍ）の遮るもののないディスクと交差する光束に対して、ダクトのセグメントから出射する光束を示したものとして定義される。２つの値を、「軸上」及び「全体」として示す。軸上効率は、ダクト軸の３０°以内で出射する光束のみを考慮したものである。全体の効率は、下向きに伝播する光束全体を考慮したものである。軸上光束と軸外光束との間の差異（軸外＝全体−軸上）は、昼光照明においては、例えば、輸送ダクト内における光束の減衰、及び照明器具からの発光におけるグレアの発生と関連している。軸上の効率と全体の効率とがほぼ等しいことは、好ましいこととして、コレクタの出力のほぼ全体が軸上であることを示している。

４列目は、高度９０°での大気による減衰に対する直接的な太陽輝度の減衰を示している。雲及びかすみがない場合、太陽入射光に直交する方向に向けられた直径Ｄ（放物面）のディスクと交差する直接的な太陽光束は、既知のパラメータを用いて容易に計算することができる。

最後の列は、下記に示す式に基づいて評価した、コレクタによる予測される光束出力を示している。出力光束は、１）上記に述べたコレクタに与えられる光束×２）コレクタを収容した例示的な透明ドームの透過率（８３％透過率に設定）×３）コレクタの軸上効率×４）ダクトセグメントの端部における建物の屋根の窓の透過率（すなわち、入口開口部に配置され、太陽光のスペクトルにわたって平均化した場合に９６％の透過率を有する）として与えられる。これにより、コレクタが昼光照明システムの輸送及び分配要素に供給する軸上光束が与えられる。

出力のコリメーションは、双曲面の焦点間隔を変化させることによって効率を大きく変えることなく調節することができる。詳細には、焦点間隔を大きくすることによってコリメーションを高め、長距離の輸送における光束の減衰を低減することができる。

昼光照明システムの分配要素では、本発明のコレクタによって出力されるものよりもコリメーションの程度が小さい、入口における輝度の角度分布が一般的に好まれる。ダクトの外周との相互作用による光の抽出では、光線が外周と繰り返し交差することが必要とされる。これは、注入される光束のコリメーションが低下するにしたがってより頻繁に生じる。また、抽出又は方向転換による摂動後のダクト内における光束の再平衡化も、コリメーションが低下するにつれてより短い距離で生じるようになる。多くの分配システムは、コリメートされた人工光源からの光束を受光するように設計されている。一般的には、輸送距離が大きくなるほどコリメーション角をより小さくし、その後、ダクトから光を抽出するために輸送される光がより大きなコリメーション角を有するように変化させることが望ましい。

コレクタの設計の他の詳細は、より高い効率又はより狭いコリメーションといった所望の効果を実現するために本開示の範囲内で変更することが可能である点は理解されるはずである。これらの変更としては、例えば、出口ダクトの直径、入口開口部の垂直配置、放物面鏡、双曲面鏡、及びダクトの反射率、並びに双曲面の直径、焦点距離、及び受光角度が挙げられる。これらにはまた、相対的な配置及び向きの誤差又は放物面ディザの増大などの、性能を低下させうる製造時の不可避な欠陥によって生ずる変化も含まれる。上記で検討した２つの詳細な設計によって実現される効率（０．８１９の高い値）は、理論上の効率の最大値に充分近く、１２０，０００ルーメンの最大値を上回る集光される光束の大幅な増大は、より大きな放物面によってのみ可能であることを示唆するものであることを認識されたい。

特に断らないかぎり、本明細書及び特許請求の範囲において使用される特徴のサイズ、量、及び物理特性を表す数値はすべて、「約」なる語によって修飾されているものとして理解すべきである。したがって、そうでないことが示されていないかぎり、上記の明細書及び付属の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、当業者が本明細書に開示される教示を利用して得ようとする所望の性質に応じて異なりうる近似的な値である。

本明細書に引用されるすべての参考文献及び刊行物は、それらが本開示と直接矛盾しうる場合を除き、それらの全容を参照によって本開示に明確に援用するものである。以上、本明細書において具体的な実施形態を図示、説明したが、様々な代替的かつ／又は等価的な実現形態を、図示及び説明された具体的な実施形態に本開示の範囲を逸脱することなく置き換えることができる点は当業者であれば認識されるところであろう。本出願は、本明細書において検討される具体的な実施形態のあらゆる適合例及び変形例を網羅しようとするものである。したがって、本開示は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されるものとする。

Claims (42)

1. 頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、
   前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、を備える太陽光コレクタであって、
   前記第２の軸を動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタ。
2. 前記双曲面リフレクタが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、請求項１に記載の太陽光コレクタ。
3. 前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタが静止状態に維持される、請求項１に記載の太陽光コレクタ。
4. 前記放物面リフレクタの前記頂点を通る線に沿って前記放物面リフレクタ内に配置された出口開口部を更に含む、請求項１に記載の太陽光コレクタ。
5. 前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、請求項４に記載の太陽光コレクタ。
6. 前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、請求項４に記載の太陽光コレクタ。
7. 前記第２の軸に沿って配置され、前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播する太陽放射光を受光することが可能な光ダクトを更に備える、請求項１に記載の太陽光コレクタ。
8. 前記光ダクトが、入力開口部を有する中空の反射型光ダクトである、請求項７に記載の太陽光コレクタ。
9. 前記光ダクトが、前記第２の焦点に近接して配置された入力開口部を有する、請求項７に記載の太陽光コレクタ。
10. 頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、
    前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、並びに前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、
    前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、
    前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、
    前記双曲面リフレクタ又は前記光ダクトを動かすことなく前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができることを特徴とする太陽光コレクタ。
11. 前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
12. 前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
13. 前記第２の焦点が前記光ダクトの入力開口部に近接している、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
14. 前記第２の焦点が前記光ダクトの内部にある、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
15. 前記光ダクトが前記出口開口部を貫通している、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
16. 前記双曲面リフレクタが前記光ダクトに取り付けられている、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
17. 前記第１の軸が太陽の方向と整列されている、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
18. 前記光ダクトが反射型中空光ダクトを含む、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
19. 前記第１の軸の第１のコリメーション半角内の入力光線が、前記放物面リフレクタから反射し、前記双曲面リフレクタから反射し、前記光ダクト内へと前記第２の軸の第２のコリメーション半角内に向けられる、請求項１０に記載の太陽光コレクタ。
20. 約０．２５°の第１のコリメーション半角に対して、前記第２のコリメーション半角が最大で約３０°の角度を含む、請求項１９に記載の太陽光コレクタ。
21. 頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、
    前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、
    前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置される出口開口部と、
    前記第２の軸に沿って配置される光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、
    前記第１の軸を所定の高度角及び所定の方位角と整列させることができ、前記双曲面リフレクタ及び前記光ダクトの少なくとも一方が前記第２の軸を中心として回転することを特徴とする太陽光コレクタ。
22. 前記出口開口部が、前記放物面リフレクタの縁にまで延びるスロットを含む、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
23. 前記出口開口部が太陽放射光に対して透明な材料を含む、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
24. 前記第２の焦点が前記光ダクトの入力開口部に近接している、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
25. 前記第２の焦点が前記光ダクトの内部にある、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
26. 前記光ダクトが前記出口開口部を貫通している、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
27. 前記双曲面リフレクタが前記光ダクトに取り付けられている、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
28. 前記双曲面リフレクタが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記双曲面リフレクタと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
29. 前記光ダクトが前記放物面リフレクタに取り付けられることにより、前記第１の軸が前記方位角と整列される際に前記光ダクトと前記第１の軸とが前記第２の軸を中心として一緒に回転する、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
30. 前記第１の軸が太陽の方向と整列されている、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
31. 前記光ダクトが反射型中空光ダクトを含む、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
32. 前記第１の軸の第１のコリメーション半角内の入力光線が、前記放物面リフレクタから反射し、前記双曲面リフレクタから反射し、前記光ダクト内へと前記第２の軸の第２のコリメーション半角内に向けられる、請求項２１に記載の太陽光コレクタ。
33. 約０．２５°の第１のコリメーション半角に対して、前記第２のコリメーション半角が最大で約３０°の角度を含む、請求項３２に記載の太陽光コレクタ。
34. 頂点、放物面の焦点、及びそれらの間の第１の軸を有する放物面リフレクタと、
    前記放物面の焦点と一致する第１の焦点、第２の焦点、及び前記第１及び第２の焦点を含む第２の軸を有する双曲面リフレクタと、
    前記放物面リフレクタ内でかつ前記第１及び第２の軸によって規定される平面上に配置されるスロットと、
    前記第２の軸に沿って配置され、前記スロットを貫通する中空の反射型光ダクトと、を備える太陽光コレクタであって、
    前記第１の軸が前記第２の軸を動かすことなく所定の高度角及び所定の方位角で太陽と整列されるように前記放物面リフレクタを回転させることができることにより、前記放物面リフレクタに入射して前記双曲面リフレクタから反射される太陽放射光が、前記中空の反射型光ダクトに進入して前記第２の軸の出力コリメーション角内を伝播することを特徴とする太陽光コレクタ。
35. 請求項１、請求項１１、請求項２１、又は請求項３４に記載の太陽光コレクタを含む建築照明システム。
36. 光分配ダクトを更に含む、請求項３５に記載の建築照明システム。
37. 前記光分配ダクト内に光を注入することが可能な電気的光源を更に含む、請求項３６に記載の建築照明システム。
38. 保護ハウジングを更に含む、請求項３５に記載の建築照明システム。
39. 前記保護ハウジングが、前記太陽光コレクタを少なくとも部分的に包囲する可視光透過ドームを含む、請求項３８に記載の建築照明システム。
40. 前記保護ハウジングが、クラムシェル形態で前記放物面リフレクタに取り付けられた可視光透過ドームを含む、請求項３８に記載の建築照明システム。
41. 前記可視光透過ドームが放物面を含む、請求項４０に記載の建築照明システム。
42. 前記放物面リフレクタ及び可視光透過ドームに隣接して配置された支持リングを更に含む、請求項４０に記載の建築照明システム。

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