JP2016071311A - 非球面単レンズを用いた太陽光の集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光の移動方向にかかわらず装置を固定したまま受光可能な、高集光効率の集光装置を提供する。
【解決手段】太陽光のスポット集光結像特性に優れた広角非球面レンズ２１を複数配列したレンズアレイプレート２３を用いることにより、広角な入射角の太陽光受光が可能で、受光平面２２で強い太陽エネルギーが得られる。又、特に受光面を凹面型球面形状受光面１２とした集光装置では、さらに超広角まで受光することが可能になる。この方法を用いた例では屈曲した円弧状ヒートパイプ２５に太陽光を集光することにより、蒸気を発生しタービン発電も可能にする。
【選択図】図１２

Description

本発明は、太陽光を広角あるいは超広角な視野角で結像可能にする非球面レンズを用いることにより、太陽の動きを追跡すること無しに、集光効率を格段に向上させた集光装置に関する。

従来の通常の家庭用太陽光発電方式では、集光レンズを用いることなく、屋根などに設置された半導体の太陽電池太陽光を照射する方式が取られている。この様な極めて小規模な発電方式では、高効率な発電方法を考える必用はないが、最近では特に原子力発電の放射能汚染など問題により、各国で競ってギガワットクラスの高出力の発電装置が開発され、設置されるようになった。これらの要求に対し、フレネルレンズ、放物面ミラーの集光特性を利用したパラボラミラーなどを用いた光学系により、太陽光を高効率で集光することが可能になった。

発明が解決しようとしている課題

従来のレンズを用いた集光方法は、殆どの場合、レンズの肉厚を薄くした形状のフレネルレンズが用いられている。このレンズによる方式は、例えば集光レンズを全く用いない通常の方式に比して、集光効率を約２倍程度上げることが可能である。しかしその形状が複雑でレンズの輪帯の境界部分で、光の乱反射あるいは迷光を生じ、全ての光束を最大効率で集光することは不可能である。且つ、フレネルを含む従来レンズ系は、視野角が狭くほぼレンズ面垂直な入射光線しか集光できない。このため天空で太陽が移動する方向に合わせて、光学系と太陽電池の設置架台ごと回転する運転操作を、連続的に行わなければならない。モーターによる架台の回転には、蓄積した太陽電池のエネルギーを一部使うことになり、非効率的であった。そこで本発明はレンズの集光特性を改良し、広角入射に対応した高集光効率の機能を有する集光装置を提供することを目的とする。

課題を解決するために手段

上記課題を達成するため次に記す集光装置を提供する。
（１）絞りを有する複数の集光レンズと受光部とを含む太陽光の集光装置であって、集光レンズは前面と後面が凸面型非球面形状を有し、受光部は集光レンズごとの受光面となる凹面型球面形状部位または円筒内面形状部位を複数個有する集光装置である。
（２）絞りを有する複数の集光レンズと受光部とを含む太陽光の集光装置であって、集光レンズは前面が平面または凹面型非球面形状を有するとともに、後面が凸面型非球面形状を有し、受光部は集光レンズごとの受光面となる凹面型球面形状部位もしくは円筒内面形状部位を複数個有するか、または受光面となる平面形状部位を有する集光装置である。
（３）絞りを有する複数の集光レンズを縦横に配列してレンズアレイシートを形成する集光装置である。

（４）前記受光面が凹面型球状部位を有し、その凹面型球状部位の凹面曲率が半径２５ｍｍ〜１０００ｍｍである集光装置である。
（５）前記受光面を集光レンズの結像面となるように形成する集光装置である。
（６）太陽光の移動に沿って回転させることなしに集光させる集光装置である。
（７）前記受光面に受光素子やヒートパイプ等の受光部材を設け、この受光部材の表面を受光面に沿った形状に形成する集光装置である。
（８）前記受光部材に集光させて受光部材内の液体を加熱沸騰させて利用する集光装置である。

発明の効果

本発明の集光装置によれば、太陽光を追尾しその方向に発電用受光装置を回転移動する必用がなく、高い太陽光エネルギーを高集光効率で得ることができる。

第１実施形態の集光装置の断面図で、光線追跡による結像を示す。 図１の集光装置における、受光面のスポットダイアグラムである。 図１の集光装置における、入射角と相対照度を示す図である。 第２実施形態の集光装置の断面図で、光線追跡による結像を示す。 図４の集光装置における、受光面のスポットダイアグラムである。 図４の集光装置における、入射角と相対照度を示す図である。 第３実施形態の集光装置の断面図で、光線追跡による結像を示す。 図７の集光装置における、受光面のポットダイアグラムである。 図７の集光装置における、入射角と相対照度を示す図である。 第２の実施形態で複数のレンズを配列した集光装置の結像を示す。 第２、第３の実施形態で受光部に直管状ヒートパイプを用いた例を示す集光装置の３次元的図である。 集光レンズＤを用いた実施形態で、受光部に凹面型球面形状のヒートパイプを設けた集光装置の図である。 第２、第３実施形態で受光ブロックを配列することによる集光装置を示す。 従来のフレネルレンズを説明する模式断面図である。 図１４のフレネルレンズを用いたスポットダイアグラムである。

実施形態を示してさらに詳細に説明する。なお、各実施形態で共通する部材については、同一の符号を付して重複説明を省略する。また、共通する材質、作用、効果等についても重複説明を省略する。なお、この発明に示すレンズは、たった一枚の単レンズ構成により非常に視野角が広いことを特徴としている。通常市販されている広角カメラでは複数枚の複合レンズを用いた映像用監視カメラが市販されている。本発明における単レンズは太陽光からの光束をスポット集光目的に使用しているので、通常の画像観察カメラとは全く異なった機能を有し、装置も本質的に異なる物である。広角レンズの明確な定義は難しいが、本発明では全視野角が６０°以上の集光用レンズを広角レンズと呼び、その中で特に全視野角が１２０°以上のレンズを超広角レンズと呼ぶ。
第１実施形態〔図１〜図３〕

本実施形態では、レンズの中心に絞りを有する１１に示す超広角非球面集光レンズＡと、凹面型球面形状受光面１２を有する太陽光の集光装置１０について説明する。図１では、単一のレンズについて、集光装置１０の結像特性を示し無限遠から平行光束で入射する太陽光の光線追跡を示すものである。図では、レンズへの入射角が１０度おきに０〜８０°までの範囲で光線追跡を行った状態を示す。この図の入射角の記述は半角であり、全視野角ではこの２倍の値になる。図のレンズ中心部の上下切れ目は、絞り１７ｃを示す。このレンズの結像原理は人間の網膜の形状と類似し、球面形状を有する結像面を想定し、この面に集光するレンズ形状をコンピューターの計算により定めたものである。この図では、レンズ形状は加工性、コストを考え絞りに関し左右対称になっているが、一般的には前面１７ａと後面１７ｂが凸面型非球面形状をした形状の互いに異なる両凸非球面レンズであってもよい。詳しく言えば、ここで言う凸面型非球面形状とは、集光レンズの表面が外側に膨らんだ凸面であって、かつ非球面である形状を意味し、その形状は次の数式１で表される公式で表現される。

ここで、集光レンズに垂直な光軸をＺとしており、ｋは円錐係数、ｃは曲率半径Ｒの逆数、α_１〜α_Ｎ（但し、Ｎは正の整数）は非球面係数である。また、非球面の光軸方向座標Ｚの位置での切断面に於いて、回転対称なレンズ面上の任意の点（ｘ、ｙ）はｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２の関係により表される

図１で示す凸面型非球面形状の前面１７ａは、以下の表１で示される数値を上記一般式（１）に代入したものとなる。表のレンズ厚は前面１７ａの頂点から絞りの中心１７ｃまでの距離である。なお、後面１７ｂの形状は前面１７ａの形状と絞りの中心に対称であり、後面に対し表１の係数もそれに応じて変わる。

表では、α５以上の高次係数は用いてないが、それ以上の係数を設定することにより集光性能を上げることも可能であるが、収束等が却って難しくなることもある。

なお、図１でレンズの後端から像面までの距離、即ちバックフォーカスは２０ｍｍであり、凹球面形状の像面の半径は−２９ｍｍである。レンズ外径は、最大入射角８０°の光束が前面１７ａで蹴られない条件の下に、加工を考えた最小限の寸法で直径φ２４ｍｍになっている。レンズ材質はアクリルを使用した例であるが、ガラス材を含めたあらゆる適切な材料が用いられる。なお、図１は、単レンズの例を示しているが、複数のレンズを用い、対応する複数の受光面を用いた集光機構に適用することが出来る。 すなわち集光装置１０は、互いに干渉し邪魔にならないならば、紙面内で縦横に並べるか、紙面に垂直に多数段重ねて配列をすることが出来る。

本発明による集光装置１０の実施例とし、水熱管、ヒートパイプを円筒面形状の受光面に設置する方法が考えられる。この場合凹面の球面形状の赤道部分を、円筒面で近似した曲面を設けることができ、上記のパイプ径が小さければ集光スポットの状態には殆ど影響はない。この装置は、従来の方法の様に受光系を回転する必用はなく、図１に示す非球面レンズにより、超広角な領域に渡り高効率で太陽光を受光する、全く新しい発電機構に対する技術的発明である。タービンを回転する発電方式において、ヒートパイプを用いた高温の蒸気を発生させるための装置に展開可能である。

一方、図２はこの集光レンズ１１の凹面型球面形状受光面１２への集光特性を説明するスポットダイアグラムを示す。図で示す角度は、スポット集光像に対応する平行光束の入射角を示す。又、スポットサイズの尺度は図の左上に示され、１目盛が０．３ｍｍである。視野角が（垂直入射）０°以外では、入射角が８０°に至る各入射角でのスポット像は、収差の影響で、その形状が真円からずれ縦横に広がる。それにも係わらず超広角入射における集光スポット径が、０．３ｍｍよりも狭い範囲に結像し、単レンズにも係わらず優れた集光特性を得ることが出来る。又、図１の中心位置に設定した絞り径はφ５である。太陽光の受光強度が更に必用な場合には、絞り径を更に広げる方法を取る。データーは図示してないが絞り径が例えばφ１０の時でも、集光スポット径は全ての入射角度に対し約０．５ｍｍ以内に収まる。

図３は、視野角０°で入射した光束の強度を１とした時の周辺光の強度変化を示したあり、縦軸は相対強度、横軸は入射角（半角）を示す。入射角が半角８０°では垂直入射０°に対し強度が４２％に減衰するが、約４０°では０°に比して、約８３％の強度が得られる。このようなスポット径が小さ高集光効率の機構では、後述するフレネルレンズを用いた場合などに比して、入射角が広角から超広角範囲に渡り、優れた集光特性が可能になる。

次に上記１１の集光レンズＡの新規な集光性能を、従来太陽光発電用の集光用に用いられてきたフレネルレンズと比較し説明する。図１４はフレネルレンズ１の断面図であり、正面から見ると輪帯を形成する。各輪帯部の境界エッジを通る光線は、図のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’，で示すように蹴られ、いわゆる回折格子を伝搬する迷光と同様、に集光に寄与しない。この境界は旋盤で金型切削する時に生ずる段差は加工上必然的で避けられない。これ以外の光束は焦点位置にある太陽電池に集光するが、使われている成型加工品は外径が３０センチ程度の物が多く、大きなサイズの金型を作成するため、高価な作成費用を要する。しかも、ほぼレンズ面に垂直な方向からの光束の集光に重点を置き設計されている。図１５は一般的に使われている形状のフレネルレンズ１の集光特性を解析した時の例である。平行光束によるスポットダイアグラムで、図１５の左側の尺度表示は１メモリが２００ｍｍに相当する。通常の非球面レンズなどの集光に比してかなりの広がりがあり、図１５の０°における中心位置のスポット径は約５ｍｍであるが、フレネルの輪帯による広がりが著しい。図２ではスポット径が０．３ｍｍであったのと比較してかなり広がりが大きい。僅かに傾いた入射角５°でも光の輪帯による影響も含め光の拡散が大きく、結像特性に優れない。

集光レンズを用いない方法では、従来、平面形状のシリコン系半導体受光素子を用いているが、半導体の温度上昇による性能劣化がある。フレネルレンズ系を用いた方式では更に太陽電池の温度が上昇するため、耐熱性の問題から高価なＧａＡｓ材料を用いている。現在、耐温度上昇の特性が改良された低価格な薄膜半導体を用いた材料も使われ始めているが、将来は高集光効率に耐える種々の太陽電池の開発も考えられる。

しかし、実施形態１は、真ん中に絞りを用いた両非球面形状の集光レンズと、受光面を曲面とする集光装置につき、製造加工で難しい面がある。これらの点を考慮し、より構造が簡単な別の集光機構を考えた。
第２実施形態〔図４〜図６〕

本実施形態では図４に示す集光装置２０において、図の２１は平凸形状をした太陽光の集光レンズであり、２１ａはレンズの前面形状で平面形状を示し、２１ｃはその平面上に設けた絞りを示し、２１ｂは後面が凸面の非球面形状を示す。絞り位置は、図でレンズ前面に太線で示されているが、説明のための概念図あり実際は殆ど厚みのないスリット状の絞りで、受光面は２２の平面形状である。このレンズ形状は最大入射角（半角）を５０°を条件に設定し、最大の集光効率を得るために、繰り返し最適化設計を行い得られた結果である。図は、平行光線の入射角が０〜５０°の範囲で１０度おきに光線追跡し、２１の集光レンズＢにより受光平面２２に集光する様子を示したものである。
図４に示す集光レンズＢの後面２１ｂは凸面型非球面形状であり、以下の表２で示される数値を上記一般式（１）に代入したものとなる。

この表でレンズ厚は、光軸上でレンズの前面２１ａから、レンズ後面２１ｂの光軸上頂点までの距離を示す。図４に示すレンズの有効外径は直径φ１３ｍｍで、結像面はレンズ後端からの距離が１２ｍｍにあり、レンズの焦点距離はｆ＝１３．６ｍｍである。図の例では絞り径がφ６であり、Ｆ値は２．３の極めて明るいレンズと言える。なお、この図で絞りの位置は直接レンズ前面に設けているが、設計によってはレンズ後面に設ける装置も考えられる。又、レンズ材質はプラスチック、あるいはほぼ同じ屈折率のガラス素材を用いて計算した物で、前者の材質の場合に、通常、材質の劣化を避ける多層膜によるコートを施す。

図５は太陽光からの入射する平行光束の集光特性を示すスポット．ダイアグラムであり、スポットサイズの尺度は図の１目盛が１ｍｍである。図は入射角を１０°おきに設定し計算により求めたスポット形状を示す。入射角５０°までの光束はほぼこの目盛範囲に集光し、このスポットの大きさから推定すると、フレネルレンズを用いた場合の約２００倍のエネルギーが局部に集光することになる。図６は、視野角０°で垂直入射した光束の強度を１とした時、広角な周辺光の強度変化を示したあり、縦軸は相対強度、横軸は入射角（半角）を示す。入射角が５０°では垂直入射に比して強度が半減するが、入射角が２７°では垂直入射に比して、約８０％の強度が得られる。

従ってこの様な広角レンズの集光特性を用いることにより、通常の太陽光発電の方法のように太陽に向けて集光装置を追尾、回転移動する操作は不用になる。太陽の高さ方向の位置、傾き等により照射条件が異なるので、万一、集光が不十分な場合には、ごく狭い範囲内での回転移動の補助的操作による調整も考えられる。しかし本発明の集光機構は、従来の全方位に渡り、装置全体を回転型追跡する方式に比しての大幅な改善をもたらす。

単レンズの形状は、集光装置に要求される諸条件により、例えばレンズ後端から集光面までの距離を変えた設計も、必用である。適切な設計パラメータを設け、この距離を長くした時の最適化設計方法により、スポット形状の収束解を求めることが出来る。像面までのバックフォーカスを長く取ると次のような形状のレンズを用いた太陽光集光装置が可能になる。
第３実施形態〔図７〜図９〕

図７に示す３１の集光レンズＣは、前面が凹面球面形状、後面が高次の凸面非球面形状から形成されることを特色とするレンズである。ここでは図．４の装置に比してレンズ後端と受光面の距離を広げ、４５ｍｍにした例である。その形状は、前面がレンズ半径がＲ＝−５３ｍｍの凹面をした球面形状で、後面は下記に示す高次非球面係数をもつレンズ構成である。
レンズの有効外径は直径２４ｍｍ、レンズ厚１４ｍｍであり、レンズの焦点距離はｆ＝４６ｍｍ、レンズの絞りはφ９ｍｍ、明るさはＦ５．１である。この図では絞りの位置を直接レンズ前面に設けているが、レンズ前面から離した位置に設定することもでき、あるいは後面に設けることも可能である。絞り位置は、図でレンズ前面に太線で誇張されて示されているが、説明のための概念図である。

図８は平行光束の集光特性を示すスポット．ダイアグラムである。そのスポット径は、図の３１ｂ後端から受光平面２２までのバック．ォーカスの距離を長く取っているため、図５に比して幾分広がっている。しかし、最大入射角４０°までの光束によるスポット径は図示された尺度目盛１．５ｍｍに以内に収まり図４の集光レンズＢと同様、高い集光効率を得ることが出来る。

図９は視野角０°で入射した光束の強度を１とした時、横軸に示す入射角の変化による相対強度比を示したあり、入射角４０°では０°に比して６５％、３０°では７７％の相対強度が得られる。この例を含め、製造コストの低減を考慮した太陽光集光用光学系は、前面を平面あるいは球面形状とし、後面が高次非球面係数を有する単レンズの形状であることを特色とし、広角まで優れた集光特性を有する発電装置を可能にする。集光レンズＣに類した他の設計では、レンズ後端面から結像平面までの距離を１００ｍｍ以上に設定した集光装置も可能である。
集光装置のその他の実施例〔図１０〜図１３〕

図１０は図４に示す平凸非球面形状の２１に示す集光レンズＢを用いた複数の非球面レンズ配列を、一枚のレンズアレイプレート２３に配位した図である。図の各レンズ配列の平面設けた水平の黒枠は、入射面における絞りに相当する。図４と同じく、半視野角を５０°に設定した場合、単一レンズによる受光面での集光領域は両側で直径２４ｍｍとなる。図の受光素子の区切りは説明状、集光領域に対する仮想的な区切りであり、実際シート上は連続的である。上記に加えこの配列は、図７の３１に示す集光レンズＣ及び、本発明における広角特性を特徴とした全ての変形型である高集光効率なレンズの配列に適用する。なお、集光レンズＣを用いた場合、結像面に集光する領域は直径６１ｍｍである。
又、レンズ後端から像面までのバックフォーカス出来るだけ近づけることにより集光光の強度は強くなるが、太陽光発電の機構、空冷のための空気の流れ、その他の仕様、特性などによりその距離、間隔を適度に空ける必用も考えられる。

図１１は図１０に示す平面受光面２２の部位の受光素子の代わりに直管状ヒートパイプ２４を配列した状態を示す。この図のレンズアレイプレート２３は非球面レンズの複数配列を３次元的に配列したものである。２３により集光した高強度光束は２４内部の流体を直接加熱し高温蒸気を管の出口から噴射することを可能にする。上記２３と２４の間は、通常の空気層あるいは、熱効率を挙げるための液体等の充填層が考えられる。例えば、直管状ヒートパイプ２４の長さがｙ−ｙ’の方向に配意されるとすれば、日照時間の推移伴う太陽光の斜入射光束は、パイプの長さ方向に平行で、直線状に配列された一連のレンズ群により広角な高効率集光が可能となる。ｙ−ｙ’方向の最小レンズ間隔は、図４で示した広角斜入射光の広がり（例えばレンズ２１については直径２４ｍｍ）を基準にして決められるが、ｘ−ｘ’方向のレンズ間隔は用いたパイプ２４の外径などよって調整される。むろん、図１０，１１の集光装置は３１の集光レンズＣについても適用される。

図１に示す集光装置で１１の集光レンズＡは量産製造が難しいため、図１２に示す様に、入射面が平面で、後面が高次係数を有する凸面非球面形状のレンズからなるところの３２に示す集光レンズＤを用いた集光装置を発明した。これにより、レンズの構造が極めて簡単で、超広角入射による球面結像の機構を持つ装置が可能になる。又、設計条件を変え前面が凹面形状に設定しても良く、集光装置の条件に応じて、形状を変形したレンズが考えられる。図１２は屈曲した円弧状ヒートパイプ２５を受光面に用い、装置に展開した模式図である．設計は今まで記述した各レンズと同様な最適化レンズ設計の手法を用い、ここでは、前記の表１〜３に示したレンズパラメータの表記を省略する。図では結像面への入射角は最大半角６０°に設定し、この範囲内で光線追跡を表示している。しかし、スポット形状の広がり許容範囲をもう少し広く取れば、半角７５°の入射光による結像も可能と考えられる。なおこの図の例では、結像面断面で円弧半径Ｒは−１００ｍｍ、レンズ後端からこの面へのバックフォーカスは８０ｍｍ、円弧有効外径は直径１４０ｍｍである。

受光面が凹面形状である場合には上記の管状ヒートパイプ機構に限らず、図１３に示す円弧状の面を有する受光ブロック２６を、図のｘ−ｙ平面に多数個配列した集光機構を、例として示す。ｚ軸に垂直に設置された３２の集光レンズＤにより、個々の受光ブロックに、太陽光が高効率で集光する。２６内部に水流管２８の入り口からの水が取り込まれ、集光により高温に加熱された熱水あるいは蒸気は、反対側の出口から、例えば発電用タービンブレード等に供給する装置となる。又、太陽の移動はこの様な水平面内に限らず、子午線方向の太陽の高さによる入射角変化もある。高さ方向は日照時間の太陽の動きによるほど変化が著しくはないので、その方向に向けてレンズパネルの傾きを最初に設定する方法を取る。
設置架台２７は、季節ごとに代わる太陽光の赤道方向にレンズ１１，３２のｚ軸を向けるため、設置架台２７の傾斜角を設定する。

１０ 集光装置（第１実施形態）
１１ 集光レンズＡ １７ａ 前面
１７ｂ 後面
１７ｃ 絞り
１２ 凹面型球面形状受光面
２０ 集光装置（第２実施形態）
２１ 集光レンズＢ
２１ａ 前面
２１ｂ 後面
２１ｃ 絞り
２２ 受光平面
２３ レンズアレイプレート
２４ 直管状ヒートパイプ
２５ 円弧状ヒートパイプ
２６ 受光ブロック
２７ 設置架台
２８ 水流管
３０ 集光装置（第３実施形態）
３１ 集光レンズＣ
３１ａ 前面
３１ｂ 後面
３１ｃ 絞り
３２ 集光レンズＤ
１ フレネルレンズ

Claims (8)

1. 絞りを有する複数の集光レンズと受光部とを含む太陽光の集光装置であって、太陽光の集光レンズは前面と後面が凸面型非球面形状を有する広角もしくは超広角レンズであり、受光部は集光レンズごとの受光面となる凹面型球面形状部位または円筒内面形状部位を複数個有する集光装置。
2. 絞りを有する複数の集光レンズと受光部とを含む太陽光の集光装置であって、集光レンズは前面が平面または凹面型非球面形状を有するとともに、後面が凸面型非球面形状を有し、受光部は集光レンズごとの受光面となる、凹面型球面形状部位もしくは円筒内面形状部位を複数個有するか、または受光面となる平面形状部位を有する集光装置。
3. 絞りを有する複数の集光レンズを縦横に配列してレンズアレイシートを形成する請求項１または請求項２記載の集光装置。
4. 複数の集光レンズを通過した光が受光面上に形成する複数の集光領域がそれぞれ重なることで受光面上に未集光領域を形成させない請求項１〜請求項３何れか１項記載の集光装置。
5. 前記受光面が凹面型球状部位を有し、その凹面型球状部位の凹面曲率が半径２５ｍｍ〜１０００ｍｍである請求項１〜請求項４何れか１項記載の集光装置。
6. 太陽光の移動に沿って集光装置を回転させることなしに集光させる請求項１〜請求項６何れか１項記載の集光装置。
7. 前記受光面に受光素子やヒートパイプ等の受光部材を用い、集光装置の受光面を形成する
   ようにした請求項１〜請求項７何れか１項記載の集光装置。
8. 前記受光部材に集光させた光のエネルギーにより受光部材内の液体を加熱、沸騰させることにより蒸気を発生させる機構を用いる請求項８記載の集光装置。