JP2018072826A

JP2018072826A - 集光ユニット及び太陽光受光装置

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Publication number: JP2018072826A
Application number: JP2017204269A
Authority: JP
Inventors: 久尚宇佐美; Hisanao Usami; 治郎伊藤; Jiro Ito
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: JP7017228B2

Abstract

【課題】直達太陽光と散乱光を全天から効率的に集光することを可能にする集光ユニット及びこれを用いた太陽光受光装置を提供する。
【解決手段】入射光を受ける球形の第１レンズ１２と、第１レンズ１２の外面の近傍に配置され、第１レンズ１２からの出射光を受光する複数の第２レンズ１４と、第２レンズ１４からの出射光を受光する受光装置１８と、第２レンズ１４からの出射光を受光装置１８に導く、楕円体面の反射面を備える楕円体鏡１６とを備え、楕円体鏡１６の前記反射面の第一焦点が、第１レンズ１２の中心と一致することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は集光ユニット及び太陽光受光装置に関し、より詳細には、全天から効率的に太陽光を集光する集光ユニット及びこれを用いた太陽光受光装置に関する。

太陽光を室内の照明に利用したり、植物工場のような植物の栽培に利用したりする装置として太陽光受光装置が利用されている。このような太陽光を利用する受光装置には、太陽の動きに受光装置を追尾させる追尾型の受光装置と、固定型の受光装置がある。固定型の受光装置は追尾型の受光装置と比較して簡易な構成とすることができ、メンテナンス等の維持が容易であるという利点がある。
固定型の太陽光受光装置には、導光手段としてフレネルレンズを使用したもの（特許文献１）、多数の半球状集光レンズ、光ファイバー及び散光レンズを組み合わせたもの（特許文献２）、集光型の太陽電池モジュールとして、集光手段としてボールレンズを使用し、ボールレンズから出射する光を所定範囲内に導く楕円体鏡を備えるもの（特許文献３）等がある。

特開平２−１３９８０２号公報特開昭６０−２２７３０４号公報特開２０１４−４５１３３号公報

追尾型の太陽光受光装置は、太陽光の直達光を効率的に受光することができる一方、全天からの散乱光の受光には適さず、曇天の際には室内の照明等にはほとんど役立たない。
これに対して、固定型の太陽光受光装置は、散乱光を取り入れることが可能であり、曇天でも外光を取り入れることで室内の照明等に利用することができる可能性がある。日本付近の緯度において、全天からの散乱光の日射量は、快晴の日で全日射量の１０％程度、曇天の日ではほとんどが散乱光、年間平均では散乱光が全日射量の３０〜４０％程度であることがが知られている。
しかしながら、従来の固定型の太陽光受光装置は、太陽光（直達光と散乱光）の受光効率の点で必ずしも満足することできるものではない。
本発明は、固定型の太陽光受光装置であって、太陽の行路が変動しても、全天から効率的に太陽光の直達光と散乱光を受光することを可能にする集光ユニット及び太陽光受光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光受光装置は、入射光を受ける球形の第１レンズと、前記第１レンズの外面の近傍に配置され、前記第１レンズからの出射光を受光する複数の第２レンズと、該第２レンズからの出射光を受光する受光装置と、前記第２レンズからの出射光を前記受光装置に導く、楕円体面の反射面を備える楕円体鏡とを備え、前記楕円体鏡の前記反射面の第一焦点が、前記第１レンズの中心と一致することを特徴とする。
第１レンズに入射する光は太陽光の直達光と散乱光である。第１レンズに球形のレンズを使用することにより、太陽の移動位置に関わらず効率的に太陽光を受光することができ、全天から散乱光を受光することができる。第１レンズからの出射光を受光する第２レンズは、第１レンズに入射する太陽光の入射方向とは反対側の第１レンズの外面の近傍に、第１レンズから出射される太陽光の出射領域を覆うように互いに隣接させて配置する。第２レンズには小径のレンズを使用し、第２レンズは太陽光の出射領域を覆うように多数個配置する。第２レンズは球形レンズに限らず、第１レンズの外面に凹面を設けて凹レンズ状に形成することも可能であり、太陽光の受光効率を考慮して適宜設計したレンズを使用することができる。

集光ユニットの光学系は、第２レンズの出射光が、擬似的（近似的）に楕円体鏡の第一焦点から出射するように設計する。これにより、第２レンズからの出射光を前記楕円体鏡の第二焦点に集束させ、前記受光装置に確実に受光させることができる。
第２レンズの出射光が擬似的に楕円体鏡の第一焦点から出射するとは、第２レンズからの出射光の光路を第１レンズ側に延長すると第１レンズの中心に集束し、第２レンズの出射光が楕円体鏡の第一焦点から出射したとみなされることを意味する。
楕円体鏡は、内面が鏡面となる中空の楕円体殻状に形成することもできるし、外面が鏡面となる透明材料からなる楕円体に形成することもできる。
また、第１レンズは球形に形成するかわりに、半球殻状に形成した一対の第１球殻レンズを組み合わせて形成することも可能である。
また、受光装置は、導光装置、光発電装置あるいは光加熱装置として構成することができる。

また、本発明に係る太陽光受光装置は、集光ユニットを複数個組み合わせて構成される。
太陽光受光装置を構成する集光ユニットは、側面を隣接させた最密配置として設置すること、また、第１レンズを集光ユニットの光軸方向から見て六角形に形成し、側面を密接させたハニカム配置に設けることにより、太陽光、散乱光を効率的に受光することができる。
また、太陽光受光装置に取り付けられている集光ユニットは、個々に、第２レンズ群のレンズ配置を異なる配置として設けることにより、日々あるいは季節によって太陽の動き（経路、高さ、向き）が変動した場合であっても、太陽光の受光強度のばらつきを抑え、受光強度を均等化することが可能になる。第２レンズ群のレンズ配置を異なる配置とする例としては、第１レンズの中心から見て第２レンズの配置をθ_ｘ−θ_ｙ方向に回転シフトさせる方法、集光ユニットの光軸方向を異なる向きに設定して取り付ける方法を利用することができる。
前記集光ユニットの第１レンズを半球殻状に形成した一対の第１球殻レンズを組み合わせて構成する場合には、一方の第１球殻レンズと他方の第１球殻レンズを、それぞれ、複数の集光ユニット間にわたり一体に連接したユニットとして形成し、一対のユニットを組み合わせることにより、各々の集光ユニットの第１レンズを構成することができる。第１レンズを半球殻状のレンズを組み合わせて構成することにより、集光装置の製造こすとを効果的に低減させることができ、集光装置の組み立てを容易にすることができる。

本発明に係る集光ユニット及び太陽光受光装置によれば、太陽光の直達光と散乱光を効率的に受光することができ、室内の照明等に有効に利用することができる。

集光ユニットの構成を示す説明図である。第１レンズと第２レンズの作用を示す説明図である。楕円体鏡の設計例を示す図である。楕円体鏡から光ファイバーに導光する構成例を示す説明図である。集光ユニット相互に隣接させて最密配置とした太陽光受光装置の構成例を示す平面図(a)及びA-B面での断面図(b)である。太陽光受光装置の使用状態を示す断面図である。第１レンズをハニカム配置とした例を示す平面図(a)及びA-B面での断面図(b)である。第２レンズの配置を第１レンズ中心から見た状態を示す図である。集光ユニットの第２レンズ群の配置位置をθ_ｘ−θ_ｙ方向にシフトさせた配置とした例を示す図である。集光ユニットの取り付け角度を変えて第２レンズの配置位置をシフトさせる方法を示す図である。第２レンズ１４をハニカム配置とした例を示す図である。太陽が南中する近傍で効率的に太陽光を受光する構成例を示す説明図である。第1レンズの外周面に凹レンズ状に形成した第２レンズを設けた集光ユニットの構成を示す説明図である。内部を中空とした楕円体殻状に形成した楕円体鏡を備える集光ユニットの構成を示す説明図である。第１レンズに凹面を形成して第２レンズを設けた場合で、第２レンズからの出射光が第１レンズの中心点から放射される様子を示す説明図である。凹レンズ状の第２レンズを使用する場合の他の例を示す説明図である。半球殻状のレンズを組み合わせて形成した第１レンズの例を示す説明図である。半球殻状のレンズを組み合わせて構成した第１レンズをハニカム配置とする場合の構成を示す説明図である。

（集光ユニットの構成）
本発明に係る太陽光受光装置は、全天から太陽光の直達光と散乱光を受光することを可能にする受光装置であり、太陽光受光装置は、受光する単位となる集光ユニットを複数個組み合わせて構成される。
以下では、まず、直達太陽光と散乱光を受光する単位となる集光ユニットの構成について説明する。

＜集光ユニットの構成例１＞
図１は集光ユニットの構成例を示す。
集光ユニット１０は、入射光（直達光と散乱光）を受ける球形レンズとして形成された第１レンズ１２と、第１レンズ１２の外周面の近傍に複数個配置された第２レンズ１４と、第２レンズ１４からの光を反射する楕円体鏡１６と、楕円体鏡１６によって反射された光を受光する受光装置１８とからなる。
楕円体鏡１６の第２レンズから出射された光を反射する反射面は楕円体面として形成され、楕円体鏡１６の第一焦点が第１レンズ１２の中心と一致し、第二焦点が受光装置１８の受光位置に一致するように設けられている。

第２レンズ１４は第１レンズ１２によって集光された光を細径の光に絞る作用と、第２レンズ１４から出射される光があたかも第１レンズ１２の中心（楕円体鏡１６の第一焦点：虚光源）から出射されたかのように作用させるためのものである。楕円体鏡１６の作用により第２レンズ１４から出射された光は楕円体鏡１６の第二焦点に配置した受光装置１８に集束する。
第２レンズ１４を配置する位置（領域）は、太陽の動きに応じて第１レンズ１２から出射する出射光が出射する領域（出射範囲）、言い換えれば、第１レンズ１２によって直達太陽光、散乱光を取り込む立体角にしたがって決めればよい。

（第１レンズ）
本実施形態の集光ユニット１０では、第１レンズ１２として球形のレンズを使用する。第１レンズ１２として球形のレンズを使用する理由は、太陽の動きにともなって第１レンズ１２への直達太陽光の入射方向が変動しても、直達太陽光を第１レンズ１２の外周面の近傍に集光させ、また、全天からの散乱光を集光することができるようにするためである。第１レンズ１２の大きさ、材質（屈折率）はとくに限定されるものではない。

なお、第１レンズ１２が球形であるため、第１レンズ１２に入射する平行光（直達光及び散乱光は平行光）は正確には、一点に集束しない。
図２に、第１レンズ１２に平行光を入射させたときの光路を示す。図２では、入射角θ₁の光路を示している。第１レンズ１２の屈折率によっても異なるが、一般的に第１レンズ１２からの出射光は第１レンズ１２の外周面よりも外側で集束する。
この集束位置は入射角θ₁が変化すると移動する。ボールレンズの場合は、ボールレンズの中心線に近い光路と中心線から離れた位置の光路では入射角θ₁が異なるため、集束する位置が異なる。実際に計算すると、第１レンズ１２の半径をR₁、焦点距離F1とすると、第１レンズの屈折率が1.5の時、パラメータF₁／R₁の値は、θ₁＝5°では0.50、θ₁＝60°では0.14、θ₁＝75°では0.03となり、平行光が集束する位置（焦点位置）が入射角θ₁によって異なることがわかる。

（第２レンズ）
図２では、第１レンズ１２に入射した光線と第２レンズ１４の光路を示す。この例では第２レンズ１４をボールレンズ（球形レンズ）としている。前述したように、第２レンズ１４は第１レンズ１２に入射した光を細径に絞る作用と、第２レンズ１４から出射した光が、あたかも第１レンズ１２の中心に虚光源があるかのように（第２レンズ１４からの出射光を第１レンズ１２に延長させると第１レンズ１２の中心に一致する）作用させるものである。第２レンズ１４からの出射光が擬似的に第１レンズ１２の中心（楕円体鏡１６の第一焦点）から出射したかのようにさせることにより、第２レンズ１４からの出射光を楕円体鏡１６の第二焦点に集束させることができる。

第２レンズ１４からの出射光を擬似的に第１レンズ１２の中心から放射されたようにするには、第２レンズの光軸上の位置を調整して、出射光が擬似的に第１レンズ１２の中心から放射されるように第２レンズ１４を設計すればよい。
なお、第２レンズ１４からの出射光の光路は、第１レンズ１２の出射光が一点に集束しないため若干変動し、出射光の角度が分布を持つ。このため実際の設計では、第２レンズ１４からの出射光の方向が角度分布の中心に設定するといったように光学設計する方法が考えられる。
第１レンズ１２に入射する太陽光が正確に一点に集束しないことに起因する問題は、第１レンズ１２と第２レンズ１４との間に集束位置のずれを補正する補正光学系を設けたり、第２レンズ１４をレンズ設計する際に補正を考慮して設計するといった方法により解消することが可能である。

第２レンズ１４により太陽光を細径に絞るためには、できるだけ小径のレンズを使用すればよい。第１レンズ１２から出射される光は太陽の動きとともに移動するから、第２レンズ１４の径を大きくすると、隣り合った第２レンズとの間の空隙部分や、第２レンズ１４の中心から偏位した位置に直達太陽光が入射することになり、受光効率が阻害される。したがって、直達太陽光、散乱光を効率的に受光するためには、ある程度小径の第２レンズ１４を隣接させて配置するのがよい。

図２では、第１レンズ１２と第２レンズ１４の光学的な原理を説明するため第２レンズ１４を大きく描いたものである。第２レンズ１４として十分に小径のレンズを使用すれば、第２レンズ１４からの出射光は細径のビームとなり、図１に示すように、第２レンズ１４からの出射光は第１レンズ１２の中心から擬似的に放射された光と同等となり、楕円体鏡１６の第二焦点に集束させることができる。

また、楕円体鏡１６の第二焦点に配置する受光装置１８は、実際には一点で受光するのではなく、焦点近傍に集束する光であれば受光することができる。更に小径の第２レンズ１４により細径に絞られた出射光であればより確実に捉えることができる。第２レンズ１４の光学設計には、前述したような、いくつか考慮すべき点があるが、第２レンズ１４に小径のレンズを使用すれば、第２レンズ１４による作用を出射光を平行光とする、すなわち第１レンズ１２と第２レンズ１４の焦点を共有するといった設定としても十分に効率的に受光することが可能である。

第１レンズ１２の外周面近傍に第２レンズ１４を配置する領域については、第１レンズ１２によって受光する範囲の設定にしたがって決めればよい。
太陽光の直接光を利用する場合、日中の８〜１０時間程度にわたって直達太陽光を受光することができれば、一日のうちの大半の太陽光を利用したことになる。これを第１レンズ１２で受光する立体角に置き換えると１２０°〜１５０°の範囲に相当する。第２レンズ１４は、第１レンズ１２で受光されるこの立体角の範囲で受光される太陽光、散乱光が出射される領域に配置すればよい。実際には小径の第２レンズ１４をこの配置領域に多数個隣接させるようにして配置する。

（楕円体鏡）
図１に示したように、楕円体鏡１６は第２レンズ１４から出射した光を楕円体鏡１６の第二焦点に集光させるために用いている。前述したように、楕円体鏡１６は、第一焦点が第１レンズ１２の中心位置に一致するように設計されているから、第２レンズ１４からの出射光を楕円体鏡１６の第一焦点から出射した光と同等の出射光とすることで、第２レンズ１４からの出射光は楕円体鏡１６の第二焦点に集束する。
図１では、楕円体鏡１６の第二焦点の位置に受光装置１８を設置し、第２レンズ１４からの出射光が受光装置１８で受光することを示している。

図３は、第１レンズ１２によって受光する立体角を120°として、楕円体鏡１６を設計した例である。第１レンズ１２による受光領域については任意に設定することができ、第２レンズ１４の配置領域も任意に設定できるから、これらの条件設定にしたがって、楕円体鏡１６の形状を設計することができる。

図４は、楕円体鏡１６によって受光した光を光ファイバー２０に導光する例である。楕円体鏡１６からの反射光あるいは直接光を受光レンズ２１を利用して光ファイバー２０に集光する。この例では、受光レンズ２１と光ファイバー２０が受光装置１８に相当する。このように、受光装置１８に設ける光学系も任意に設計することができる。

なお、楕円体鏡１６を構成する方法としては、内面を鏡面とした中空の楕円体殻を利用して楕円体鏡とする方法、透明な材料を用いて中実な楕円体を形成し、楕円体の外表面を鏡面として楕円体鏡とする方法がある。いずれの方法で作製したものも楕円体鏡１６として使用することができ、使用に際しては、受光効率や、耐久性、製作コスト等を考慮して選択すればよい。透明材料で楕円体を形成して楕円体鏡１６とした場合は、図４に示すように楕円体鏡１６の透明体の端面を凹球面とし、受光装置１８と合わせてレンズ作用が奏するように利用することができる。

（太陽光受光装置）
太陽光受光装置は上述した集光ユニット１０を複数個（多数個）組み合わせて構成される。
図５は集光ユニット１０を面的に、相互に隣接させて最密配置とした例である。図５(a)は太陽光受光装置を平面方向から見た状態、図５(b)は図５(a)のＡ−Ｂ面での断面を見た状態を示す。
図示例の集光ユニット１０は、楕円体鏡１６の短径が第１レンズ１２の半径よりも大きくなるように設計した例である。この場合は、楕円体鏡１６の外周面が相互に隣接することで最密配置されている。

図６は、図５に示す太陽光受光装置の使用状態を示す断面図である。この太陽光受光装置は楕円体鏡１６の短径（図３のb）よりも第１レンズ１２の径（図３のr）を小さくしていることから、図６に示すように、太陽光の仰角が小さくなった場合（太陽が傾いた場合）に、隣り合った集光ユニット１０の第１レンズ１２により、直達太陽光が遮られる（影になる）影響が抑えられるという利点があり、受光できる立体角を大きくできる効果がある。

図７は第１レンズ１２の径を楕円体鏡１６の短径よりも大きくした例で、各々の集光ユニット１０の第１レンズ１２の外側面をカットして、平面視が六角形状（ハニカム形状）となるようにし、集光ユニット１０の第１レンズ１２を相互に隣接させ、第１レンズ１２によって平面を全面的に覆う構成としたものである。この太陽光受光装置によれば、図６の例と比較して、第１レンズ１２による受光面積を大きくすることができ、より効率的に直達太陽光、散乱光を受光することが可能である。

（第２レンズの配置）
図８は、球形のレンズを最密配置とした第２レンズ１４の配置を第１レンズの中心から見た状態を示す。図８に示したA、B、C線は、太陽が動く（日動）ことにより、第１レンズ１２から出射した光が第２レンズ群上を動く様子を例示したものである。A線及びB線は、日毎に第２レンズ群上を出射光が移動する例、C線は季節が変わったようなときに出射光が移動する例を説明的に示している。
このように太陽の動きにともなって、第１レンズ１２からの出射光は第２レンズ群上を移動する位置が少しずつ異なり、ある日は出射光が第２レンズ１４の中心（A線）を通過しても、別の日には第２レンズ１４の中心を外れた位置（B線）を通過するといったことになる。

図９は、第１レンズ１２からの出射光が第２レンズ群上を通過する位置が、太陽の動きにともなって変動することを考慮し、太陽光受光装置を構成する個々の集光ユニット１０の第２レンズ１４を異なる配置として構成する例を示す。すなわち、図９は、集光ユニット１０として、第２レンズ１４の配置位置を第１レンズを中心にθ_ｘ−θ_ｙ方向に回転シフトさせて配置した集光ユニット１０を使用する例を示す。

第２レンズ１４がθ_ｘ−θ_ｙ方向に回転シフトさせて配置した集光ユニット１０を複数個用意し、太陽光受光装置を組み立てる際に、第２レンズ１４の配置が異なる集光ユニット１０を混在させて組み立てることにより、日々、あるいは季節によって太陽の動きが異なっても概ね均等な受光効率を得ることができるようにすることができる。
第２レンズ１４をθ_ｘ−θ_ｙ方向に回転シフトさせるシフト量をさまざまに異なるように設定し、多数個の集光ユニット１０を用いることで、太陽光の受光強度をさらに均等化させることができる。

図１０は、太陽の動きによって受光強度がばらつくことを抑える方法として、集光ユニット１０の取り付け角度を変えることでばらつきを抑える方法を示す。集光ユニット１０を取り付ける際に、集光ユニット１０の光軸をすべて一致させず、光軸を傾斜させ、チルト角を設けて取り付ける集光ユニット１０を混在させることで、第２レンズ１４の配置をシフトさせたと同様の効果を得ることができる。チルト角をさまざまに設定することで、第２レンズ１４の配置をさまざまに変化させることができる。
また、チルト角を設けるかわりに、集光ユニット１０を取り付ける際に光軸のまわりの取り付け角度を変えることで、第２レンズ１４の配置をシフトさせることもできる。
また、上記の第２レンズ１４の配置をシフトさせる方法は、これらの操作を併用して利用することももちろん可能である。

図１１は、第２レンズ１４をハニカム配置とした例である。すなわち、第２レンズ１４を光軸方向から見て外形が六角形となるように側面をカットし、第２レンズ１４を互いに隣接させて配置した例を示す。
図１１(a)はハニカム形状とした第２レンズ１４を光軸方向（正面方向）から見た状態を示す。図中の番号１、２、３は、太陽の動きにより第１レンズ１２からの出射光が第２レンズ群上を動く様子を示す。
図１１(b)は第２レンズ１４をボールレンズとしたときの第２レンズ１４へ入射する光束、図１１(c)は、第２レンズ１４をハニカム形状としたときの第２レンズ１４へ入射する光束を示す。
図１１に示すように、第２レンズ１４をハニカム形状とすることで、隣接する第２レンズ１４との間の空隙が解消され、第１レンズ１２からの出射光をより効率的に第２レンズ１４によって受光することが可能になる。
また、第２レンズ１４をハニカム形状とすることで、第２レンズ群を一体化して形成することができるから、プラスチック成形等を利用して第２レンズ群を製作することが容易に可能となり、製作コストを低減させることができる。

図１２は第２レンズ１４のさらに他の構成例を示す。太陽光受光装置は第１レンズ１２の出射光を第２レンズ１４で細径に絞り、楕円体鏡１６により受光装置１８に受光させるが、太陽光が最も強くなるのは太陽が南中したときである。したがって、太陽が南中するとき、あるいは南中する前後において太陽光を効率的に受光できるようにすることは、太陽光の受光効率を向上させる上で有効である。上述した各実施形態では、第２レンズ１４には同一径のレンズを使用する例を示したが、図１２に示す実施形態は、太陽が南中するとき、すなわち集光ユニット１０の中心線上に配置する第２レンズ１４を他の第２レンズよりも大径に形成し、第１レンズ１２から出射される光のうち、中心線近傍の出射光をより効率的に受光できるようにした例である。また図に示すように中心より離れた第二レンズの径を小さくすれば受光できる立体角を大きくすることができる。

＜集光ユニットの構成例２＞
上述した集光ユニットでは、第２レンズとしてボールレンズを使用したが、第２レンズは、第２レンズから出射した光が、あたかも第１レンズの中心に虚光源があるかのように屈折させる作用をするものであればよく、ボールレンズに限るものではない。
図１３は、第1レンズ１２ａの出射光側の外周面に、前述した球形状の第２レンズ１４にかえて、凹レンズ状に形成した第２レンズ１４ａを設けた例である。第２レンズ１４は第1レンズ１２ａの外面に、凹面１４１を形成することにより第1レンズ１２ａと一体に第２レンズ１４ａを形成したものである。

太陽光を受光装置に導く集光ユニットとして、第１レンズ１２ａの後方に、第２レンズ１４ａから出射される光を受光装置１８に導く反射面が楕円体面となる楕円体鏡１８ａを配置する、楕円体面である反射面の第一焦点の位置と第１レンズ１２aの中心の位置とを一致させる、反射面の第二焦点の位置に一致させて受光装置１８を配置するという構成は、前述した集光ユニットと共通である。

図１３に示す実施形態の楕円体鏡１６aは、透明材料からなる中実な楕円体として形成し、楕円体の外面を反射面としたものである。楕円体の外面で光が全反射するように楕円体を構成する透明材質を選択することもできるし、楕円体の外面を光反射材で被覆して構成することもできる。

図１４は、内部を中空とした楕円体殻状に形成した楕円体鏡１６ｂを使用する例である。楕円体鏡１６ｂの内面が楕円体面である反射面となり、反射面の第一焦点の位置に第１レンズ１２aの中心を一致させ、反射面の第二焦点に位置合わせして受光装置１８を配置する。
図１３に示すように楕円体鏡１６aを中実な楕円体として形成した場合は、楕円体鏡１６aの出射側の端部を凹面等の適宜形状に設定することが容易であり、楕円体鏡１６aからの出射光を集光して受光装置１８へ入射させ、受光効率を向上させるといったことが可能である。

図１５は、第１レンズ１２aの外面に凹面１４１を形成して第２レンズ１４ａを設けた場合で、第１レンズ１２ａに入射した太陽光が第２レンズ１４ａの作用によって屈折し、第２レンズ１４ａからの出射光が第１レンズ１２ａの中心点（第１レンズ１２ａの虚光源）から放射される様子を示す。このように第２レンズ１４ａが作用するように光学設計するには、第１レンズ１２ａのレンズ材料やレンズ径を適宜設定したり、第２レンズ１４ａの曲面や曲率形状、径等を適宜設定する必要がある。

第２レンズ１４ａは、集光ユニットの構成例１と同様に、第１レンズ１２ａの出射面側に相互に凹面１４１を隣接させアレイ状に多数個配置する。第２レンズ１４ａを配置する領域は、第１レンズ１２ａによって集光される太陽光が到達する範囲に基づいて設定する。太陽光を集光する範囲（立体角）は任意に設定できるから、太陽光を集光する範囲にしたがって第２レンズ１４ａを配置する領域を決めればよい。第２レンズ１４ａを構成する凹面１４１の径寸法を小さくすることで太陽光は細径に絞られる。第２レンズ１４ａの径寸法を小さくすれば、より多くの第２レンズ１４ａが配置されることになる。
第１レンズ１２ａに凹面を形成して第１レンズ１２ａによって集光された太陽光を受光装置１８に導く方法は、前述した集光ユニットの構成例１のように第１レンズ１２とは別個にボール状の第２レンズ１４を配置する方法と比べて、第１レンズ１２ａと第２レンズ１４ａとを相互に高精度に位置決めすることができるという利点がある。また、光学素子と空気の界面の数が減少し、界面反射ロスを軽減できる。さらに、第一レンズの出射側に焦点を結ばない光学系となるため、熱集中を回避し、安全性も高める等の利点がある。

（第２レンズの他の構成例）
図１６(a)は凹レンズ状の第２レンズを使用する他の構成例を示す。
図１６(a)はボール状に形成した第１レンズ１２の出射面側の外表面に、光学的なアタッチメント１５ａを利用して第２レンズ１４ｂを設けた例である。
アタッチメント１５ａの本体は球面殻状に形成され、第１レンズ１２に接触するアタッチメント１５ａの一方の面は第１レンズ１２の外面の曲率に一致する球面として形成され、他方の面に多数個の凹面１４２が形成されて第２レンズ１４ｂが多数個設けられている。このようにアタッチメント１５ａを利用して、第１レンズ１２とアタッチメント１５ａとを組み合わせることで、図１３に示したと同様に第１レンズ１２によって集光された太陽光を受光装置１８に導く構成とすることも可能である。

図１６(b)は、第１レンズ１２と第２レンズ１４ｃを備えるアタッチメント１５ｂとを、第１レンズ１２の外面とアタッチメント１５ｂの一方の面とを離間させて配置した例である。光学設計によっては、このように第２レンズ１４ｃを備えるアタッチメント１５ｂを第１レンズ１２の外面から離間させた配置とする設計とすることもできる。
図１６(c)は、図１６(b)の構成例において、第１レンズ１２と第２レンズ１４ｃの中間に補正光学系１５１を介在させた例である。光学設計によっては、このように、光学系に補正光学系１５１を介在させることによって所望の受光効率が得られるようにすることも可能である。この場合も、第１レンズ１２に対して第２レンズ１４ｃを高精度に位置決めできるという利点がある。

図１６(d)は、第１レンズ１２ｂに凹面１４４を設け、アタッチメント１５ｃに凹面１４５を設けて、第２レンズ１４ｄを構成した例である。この例では、第２レンズ１４ｄは、凹面１４４による光学作用とアタッチメント１５ｃによる光学作用をあわせた光学作用を総合したものを意味するものとする。
このように、第１レンズ１２ｂに凹面１４４を設けることに加えて、レンズ作用を有するアタッチメント１５ｃを組み合わせて所望の受光効率を得るように設計することも可能である。

（第１レンズの他の構成例）
図１３〜１６に示した集光ユニットの構成例では、第１レンズとして球形のレンズを使用している。球形レンズを第１レンズとして使用する理由は、第１レンズを固定したままで、全天から太陽の直達光と散乱光を集めることができるようにするためである。
図１７は、第１レンズを球形レンズとする方法に替えて、球形レンズの球体の内部を中空とした球殻状のレンズとして形成した例である。第1レンズ１３を球形とするかわりに球殻状とする方法によっても、第1レンズ１３を固定したまま、全天から太陽光を集めることができる。

図１７に示す構成例は、半球殻状に形成した一対の第1球殻レンズ１３ａ、１３ｂを組み合わせ、全体として外形が球形となる第1レンズ１３を形成した例である。
この構成例では、太陽光が入射する側の一方の第１球殻レンズ１３ａに対向して配置する他方の第１球殻レンズ１３ｂの光が出射する側の外面に凹面１４６を形成することで第２レンズ１４ｄを形成している。
第２レンズを形成する方法としては、図１６に示した方法と同様に、出射側に位置する第１球殻レンズ１３ｂの出射面を球面とし、第１球殻レンズ１３ｂの出射面の外側に、第２レンズの作用をなすアタッチメントを配置したり、補助光学系を配置する方法を利用すること可能である。

太陽光が入射する側の一方の第１球殻レンズ１３ａは、太陽光を受光する範囲として設定した立体角の範囲を確保することができるように受光範囲を設定すればよい。対になる他方の第１球殻レンズ１３ｂも同様に、第１球殻レンズ１３ａから出射される光の出射範囲に対応できるように受光範囲を設定すればよい。
図１７に示すように、第１レンズを中実な球形に形成しない場合であっても、第１球殻レンズ１３ａ、１３ｂの厚さや、素材の屈折率、第１球殻レンズ１３ｂの出射面に形成する凹面１４６の形状等を適宜設計することにより、第２レンズ１４ｄから出射される光が第１球殻レンズ１３ａと第１球殻レンズ１３ｂによって構成される球の中心から放射されるようにすることができる。

第1レンズ１３を半球殻状のレンズを組み合わせた形態とした場合は、太陽光が入射する側の第１球殻レンズ１３ａと出射する側の第１球殻レンズ１３ｂをそれぞれ別の構成部品として製造して組み合わせる形態とすればよいから、球形のレンズを製作する方法とくらべて製造が容易で、製造コストを下げることができ、軽量化が可能で集光ユニットを設置するといった操作が容易になるという利点がある。

前述した図７では、集光ユニットの配置例として、第1レンズ１２の外側面をカットして平面視の六角形とし、第１レンズ１２の外側面を相互に隣接させ、太陽光の入射側から見てハニカム配置となるように集光ユニットを配置した例である。
図１８は、半球殻状のレンズを組み合わせて構成した第１レンズ１３を使用して、図７に示したと同様に第１レンズ１３を太陽光の入射側から見てハニカム配置とした例を示す。この場合も第１球殻レンズ１３ａ、１３ｂの側面をカットした形態とすることにより、第１レンズ１３をハニカム配置とすることができる。

半殻状のレンズを組み合わせて第１レンズ１３とした場合は、図１３(b)に示すように、太陽光の入射側の第１球殻レンズ１３ａと出射側の第１球殻レンズ１３ｂを、それぞれ一括して複数個連接した形態のユニットとして形成し、一方の第１球殻レンズ１３ａを連接したユニットと、他方の第１球殻レンズ１３ｂを連接したユニットを組み合わせることにより、第１レンズ１３を組み合わせた構成とすること、言い換えれば多数個の集光ユニットを組み合わせた構成を構築することができる。
この方法であれば、一方の第１球殻レンズ１３ａからなるユニット１３１も、他方の第１球殻レンズ１３ｂからなるユニット１３２も一体物として構成されるから、樹脂成型方法等を利用して、多数個の集光ユニットを一括して製作することが可能になる。この結果、集光装置を製作する製造コストを効果的に低減させることができ、集光装置の軽量化に加えて、第１レンズ１３と第２レンズ１４ａ〜１４ｄの位置合わせが容易にかつ高精度にできるという利点がある。

（集光装置の配置）
図１８は半殻状のレンズを組み合わせて第１レンズ１３とした場合について第１レンズ１３をハニカム状に配置した例であるが、球体の出射面側に凹面レンズを形成して第２レンズ１４ａとした例や他の凹レンズを用いた例についても、前述した球形レンズからなる第２レンズ１４を用いた場合とまったく同様に集光装置を構成することができる。すなわち、集光ユニットを相互に隣接させて最密配置とすること、楕円体鏡の短径よりも第１レンズを小さくして、太陽光の仰角が小さくなった場合に、隣り合った集光ユニットの第１レンズにより、直達太陽光が遮られることを抑えるようにすること、個々の集光ユニットの取り付け角度を変えることにより、太陽の動きにより受光強度がばらつくことを抑えるといった方法を採用することができる。

また、第２レンズの配置方法として、第１レンズからの出射光が第２レンズ群上を通過する位置が、太陽の動きにともなって変動することを考慮し、太陽光受光装置を構成する個々の集光ユニットの第２レンズの配置位置を第１レンズを中心にθｘ−θｙ方向に回転シフトさせ、異なる回転シフト量を設定した集光ユニットを混在させて集光装置を組み立てることにより、日々、あるいは季節によって太陽の動きが異なっても概ね均等な受光効率を得ることができるようにすることができる。
また、第２レンズを光軸方向から見て外形が六角形となるように側面をカットし、第２レンズを互いに隣接させて配置することにより、隣接する第２レンズの間の空隙が解消され、第１レンズからの出射光を効率的に第２レンズによって受光することが可能となり集光装置の集光効率を向上させることができる。

本発明に係る太陽光受光装置は、受光装置１８から太陽光を光ファイバー等で室内に導光し、散乱板等を利用して、室内あるいは植物工場等の照明に利用することができる。ただし、太陽光受光装置の用途は室内等の照明に利用する他に、受光した光を利用して発電したり、熱に変換したりして利用することができる。すなわち、本発明に係る太陽光受光装置は、受光装置１８を導光装置、光発電装置あるいは光加熱装置等として構成して利用することが可能である。

１０集光ユニット
１２、１２ａ第１レンズ
１３第１レンズ
１３ａ、１３ｂ第１球殻レンズ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ第２レンズ
１６楕円体鏡
１８受光装置
２０光ファイバー
２１受光レンズ
１３１、１３２ユニット
１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６凹面

Claims

入射光を受ける球形の第１レンズと、
前記第１レンズの外面の近傍に配置され、前記第１レンズからの出射光を受光する複数の第２レンズと、
該第２レンズからの出射光を受光する受光装置と、
前記第２レンズからの出射光を前記受光装置に導く、楕円体面の反射面を備える楕円体鏡とを備え、
前記楕円体鏡の前記反射面の第一焦点が、前記第１レンズの中心と一致することを特徴とする集光ユニット。
前記第２レンズの出射光が、擬似的に前記楕円体鏡の第一焦点から出射するように設計されていることを特徴とする請求項１記載の集光ユニット。
前記受光装置が、前記楕円体鏡の第二焦点の位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の集光ユニット。
前記楕円体鏡は、内面が鏡面となる中空の楕円体殻状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の集光ユニット。
前記楕円体鏡は、外面が鏡面となる透明材料からなる楕円体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の集光ユニット。
第２レンズは、球形のレンズとして形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の集光ユニット。
第２レンズは、凹面の屈折面を備えるレンズとして形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の集光ユニット。
前記凹面が、前記第１レンズの出射面に凹部を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項７記載の集光ユニット。
前記凹面が、前記第１レンズの出射面側に配置した透光性のアタッチメントの外面に凹部を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項７記載の集光ユニット。
前記第１レンズが、半球殻状に形成した一対の第１球殻レンズを組み合わせて形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の集光ユニット。
前記受光装置は、導光装置、光発電装置あるいは光加熱装置であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の集光ユニット。
請求項１〜１０いずれか一項記載の集光ユニットを複数個組み合わせて構成されていることを特徴とする太陽光受光装置。
前記集光ユニットは、側面を隣接させた最密配置されていることを特徴とする請求項１２記載の太陽光受光装置。
前記集光ユニットは、前記第１レンズを集光ユニットの光軸方向から見て六角形に形成し、側面を密接させたハニカム配置に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の太陽光受光装置。
前記集光ユニットは、前記第１レンズの中心から見て前記第２レンズをθ_ｘ−θ_ｙ方向に回転シフトさせたときの回転シフト量が異なる集光ユニットが混在して設置されていることを特徴する請求項１２〜１４のいずれか一項記載の太陽光受光装置。
前記集光ユニットは、集光ユニットの光軸方向を異なる向きに設定して取り付けることにより、第２レンズ群のレンズ配置を異なる配置としたことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項記載の太陽光受光装置。
前記集光ユニットは、前記第１レンズが、半球殻状に形成した一対の第１球殻レンズを組み合わせて形成され、
前記一方の第１球殻レンズと他方の第１球殻レンズが、それぞれ、複数の集光ユニット間にわたり一体に連接したユニットとして形成され、それぞれのユニットを組み合わせて装着することにより、それぞれの集光ユニットの第１レンズが構成されていることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項記載の太陽光受光装置。