JP2019185944A - 集光ユニット及び太陽光受光装置 - Google Patents

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からの光を受光する複数の第２レンズと、第２レンズからの出射光を受光する受光部１８と、第２レンズからの出射光を受光部１８に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡１６ａと、第２レンズからの出射光を受光部１８に導く楕円体面からなる反射面を備える第２楕円体鏡１６ｂとを備えることを特徴とする。【選択図】 図４

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、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、入射光を受ける球形の第１レンズと、前記第１レンズからの光を受光する複数の第２レンズと、前記第２レンズからの出射光を受光する受光部と、前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第２楕円体鏡とを備えることを特徴とする。
また、前記第１レンズの中心と、前記第１楕円体鏡の反射面の第一焦点と、前記第２楕円体鏡の反射面の第一焦点とが一致し、前記第１楕円体鏡の反射面の第二焦点と、前記第２楕円体鏡の反射面の第二焦点の位置が異なる配置とすることができる。
また、前記第２楕円体鏡の反射面の第一、第二焦点間の間隔が、前記第１楕円体鏡の反射面の第一、第二焦点間の間隔よりも小であることを特徴とする。
また、前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡は、透明な中実体として形成され、外周面が光の反射面であること特徴とする。
また、前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡の第二焦点近傍に、前記受光部を収納する装着部が設けられ、前記装着部の内面に、前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を屈折させて前記受光部へ導く第１の屈折面と第２の屈折面が設けられていることを特徴とする。
また、前記装着部の内面に、前記第２楕円体鏡の反射面で反射し前記第２の屈折面による屈折光を反射して前記受光部に導く反射鏡面が設けられていることを特徴とする。
また、前記反射鏡面は、反射光を前記受光部に集光する放物面として形成されていることを特徴とする。
また、前記装着部の内面に、前記第１楕円体鏡の中心線近傍を通過する光を透過する透過面が設けられていることを特徴とする。

また、集光ユニットの他の構成として、前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡が、内面が楕円体面の反射面となる中空体として設けられていることを特徴とする。
また、前記第１楕円体鏡と第２楕円体鏡の第二焦点近傍に、前記第１楕円体鏡の反射面と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を前記受光部に導く、透明な中実体として形成された導光体を備えることを特徴とする。
また、前記導光体には、前記第１楕円体鏡の反射面と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を、それぞれ前記受光部へ導く、第１の屈折面と第２の屈折面とが設けられていることを特徴とする。
また、前記導光体には、前記第２の屈折面による屈折光を前記受光部に導く反射鏡面が設けられていることを特徴とする。
また、前記導光体には、前記第１楕円体鏡の中心線近傍を通過する光を透過する透過面が設けられていることを特徴とする。

また、集光ユニットの他の構成として、入射光を受ける球形の第１レンズと、前記第１レンズからの光を受光する複数の第２レンズと、前記第２レンズからの出射光を受光する受光部と、前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、前記第１楕円体鏡の反射面により反射された光を前記受光部に導く楕円体面の反射面を備える第３楕円体鏡とを備えることを特徴とする。
また、前記第１楕円体鏡の第二焦点と前記第３楕円体鏡の第一焦点とが一致することを特徴とする。
また、前記第３楕円体鏡の第二焦点が前記受光部内に位置することを特徴とする。
また、前記受光部の軸線の向きが、前記第３楕円体鏡の中心線に対し傾斜していることを特徴とする。
また、前記受光部の光が入射する側に、受光部へ入射する光の入射角を変換する変換レンズが設けられていることを特徴とする。

また、集光ユニットの他の構成として、入射光を受ける球形の第１レンズと、前記第１レンズからの出射光を受光する受光部と、前記第１レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、前記第１レンズと前記第１楕円体鏡との間に、前記第１レンズの外周面にならって配置され、透明体中に光を散乱する微小粒子、微小空隙または微小液滴のいずれかまたはその混合物が分散されてなる散乱光学素子と、を備えることを特徴とする。
また、前記散乱光学素子を構成する透明体の屈折率は、前記第１レンズの屈折率よりも大きいことを特徴とする。
また、前記第１レンズが中空体として形成されていることを特徴とする。
また、楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、該第１楕円体鏡の反射面により反射された光を受光する受光部と、前記第１楕円体鏡の太陽光が入射する側に配置され、前記第１楕円体鏡へ太陽光の散乱光を導く、透明体中に光を散乱する微小粒子、微小空隙または微小液滴のいずれかまたはその混合物が分散されてなる散乱光学素子と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る集光ユニットにおいて、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）に第１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第１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レンズの出射光が第１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、内面が楕円体面の反射面となる中空体として形成することもできるし、外面が反射面となる透明な中実体として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したり、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。

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。

太陽光受光装置を構成する集光ユニットの基本構成を示す図である。 集光ユニットの他の構成を示す図である。 集光ユニットの配置例を示す図である。 本発明に係る太陽光受光装置に用いる集光ユニットの構成を示す図である。 第１楕円体鏡第２楕円体鏡を中空体として構成した集光ユニットの構成を示す図である。 第１レンズへ入射する太陽光の入射角が変動したときに第２レンズからの出射光がどのように変化するかを示す図である。 第１レンズ中心方向から見た第２レンズの配置例を示す図である。 集光ユニットの他の構成例を示す図である。 受光部の軸線を第３楕円体鏡の中心線に対して傾けた配置とした例を示す図である。 受光部の前端部に変換レンズを配置した例を示す図である。 第１レンズと楕円体鏡との間に散乱光学素子を配置した集光ユニットの構成を示す図である。 第１レンズを中空体として形成した集光ユニットの例を示す図である。 第１レンズを中空体として形成した集光ユニットの他の例を示す図である。 楕円体鏡を中空体とし第１レンズを省略した集光ユニットの例を示す図である。 楕円体鏡を中実体とし第１レンズを省略した集光ユニットの例を示す図である。 散乱粒子によるミー散乱の作用を示す説明図である。

（太陽光受光装置の基本構成）
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。
図１は本発明に係る太陽光受光装置の集光ユニットの基本構成として特徴的な構成（考え方）を示したものである。すなわち、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の光が出射される外周面の近傍に配置された複数個の第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部１８とを備える。

第２レンズから出射された光を反射する楕円体鏡１６の反射面は楕円体面として形成され、楕円体鏡１６の反射面の第一焦点が第１レンズ１２の中心と一致し、第二焦点が受光部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。したがって、第２レンズ１４から出射した光は楕円体鏡１６の作用により、楕円体鏡１６の反射面の第二焦点に配置した受光部１８に集束する。
第１レンズ１２の楕円体鏡１６側の外面で第２レンズ１４を配置する領域は、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、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を球形とすると、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。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。この集束位置は第１レンズ１２への太陽光（平行光）の入射角θ₁が変化すると移動する。また、ボールレンズの場合は、ボールレンズの中心線（第１レンズ１２と楕円体鏡１６の中心を結ぶ線）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。

図１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１に示す集光ユニット１０は、第２レンズとしてボールレンズを使用した例であるが、第２レンズはボールレンズに限るものではなく、図２に示すように、第1レンズ１２ａの出射面側の外周面に、凹レンズ状の第２レンズ１４ａを設ける方法も可能である。このように、第１レンズ１２ａの外周面に凹レンズ状に第２レンズ１４ａを設けた場合は、第１レンズ１２ａと第２レンズ１４ａとを一体的に形成できるという利点がある。

楕円体鏡は第２レンズから出射した光を楕円体鏡の反射面の第二焦点に集光させるためのものである。楕円体鏡は透明体を用いて中実な楕円体として形成することもできるし、図２に示すように内面が楕円体面の反射面となる中空形態のものとして形成することもできる。
楕円体鏡の第二焦点に配置する受光部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。第２レンズ１４の光学設計には、いくつか考慮すべき点があるが、第２レンズ１４として小径のレンズを使用し、第２レンズ１４からの出射光を平行光とする設定（第１レンズの中心と第２レンズの焦点位置を一致させる）とする方法で効率的な受光が可能である。

太陽光受光装置は上述した基本構成を備える集光ユニットを複数個（多数個）組み合わせて構成する。図３は集光ユニット１０の配置例である。図３(a)は太陽光受光装置を平面方向から見た状態、図３(b)は図３(a)のＡ−Ｂ線断面図である。図示例は、楕円体鏡１６の短径が第１レンズ１２の半径よりも大きく設計した例で、楕円体鏡１６の外周面が相互に隣接する最密配置となっている。図３に示すように第１レンズ１２を相互に離間させた配置とすると、太陽光が斜め入射したときも隣の第１レンズ１２によって遮光されにくくなり、効率的に太陽光を受光することができる。

太陽の動き（日動）や季節によって太陽光（直接光）が第１レンズ１２へ入射する入射角や仰角が変化する。このように入射角や仰角が変化すると、第１レンズ１２から第２レンズ１４へ出射する光が第２レンズ群上で移動する。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解消する方法として、第２レンズ１４を異なる配置（第１レンズ１２から見たときの第２レンズ１４の配置をシフトさせる）とした集光ユニット１０を混在させて配置することで、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。

（集光ユニット：構成例１）
図４は本発明に係る太陽光受光装置において使用する集光ユニットの構成例を示す。本実施形態の集光ユニットにおいて特徴とする構成は、集光ユニットを構成する楕円体鏡を、第１レンズ１２に近接させて配置する第１楕円体鏡１６ａと、第１楕円体鏡１６ａの後部側すなわち受光部１８に配置する第２楕円体鏡１６ｂを組み合わせて構成した点にある。第1楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂとを組み合わせて使用する理由は、第２レンズから楕円体鏡に出射される光のうち、楕円体鏡の中心線近傍の光を受光部１８に入射させるようにするためである。なお、図４では第２レンズの記載を省略している。第２レンズの構成及び作用については、上述した太陽光受光装置の基本構成における記述内容がそのまま適用される。

第１楕円体鏡１６ａの反射面と受光部１８の配置によっては、第２レンズから出射される光のうち、中心線近傍の光（出射角が小さいもの）は、第１楕円体鏡で反射された光が受光部１８の後ろ側から入射する配置となり、これらの光が受光できない場合がある。第２楕円体鏡１６ｂは、このような第２レンズからの、出射角が小さい光を受光部１８で受光できるようにするために設けたものである。
図４では、第２レンズから受光部１８へ直接入射する光を直接入射ゾーンＣ、第１楕円体鏡１６ａの反射面で反射されて受光部１８へ入射する光を第１楕円反射ゾーンＡ、第２楕円体鏡１６ｂの反射面で反射されて受光部１８へ入射する光を第２楕円反射ゾーンＢの光とする。

なお、本実施形態の集光ユニットは第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂがともに中実な透明体として形成され、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの外面が光の反射面となっている。第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの外面を鏡面コーティング施す等により、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの外面を光の反射面とすることができる。

図４では、第１楕円体鏡１６ａの反射面の第一焦点をｆ₁、第二焦点をｆ₂とし、第２楕円体鏡１６ｂの第一焦点をｆ₁に一致させ、第二焦点をｆ₂’としている。第２楕円体鏡１６ｂの第二焦点ｆ₂’の位置は、第１楕円体鏡１６ａの第二焦点ｆ2よりも受光部１８から離間させ、第２楕円体鏡１６ｂの中心Ｏ’の位置を、第１楕円体鏡１６ａの中心Ｏの位置よりも受光部１８から離間する配置としている。言い換えれば、第２楕円体鏡１６ｂの反射面の第一焦点と第二焦点の間隔は、第１楕円体鏡１６ａの反射面の第一焦点と第二焦点の間隔よりも小となる。

図４に示す集光ユニットにおいては、受光部１８の配置位置を第１楕円体鏡１６ａの第二焦点ｆ₂の位置よりも後方に配置している。これは、前述した太陽光受光装置の基本構成では、受光部１８を楕円体鏡の第二焦点の位置に配置し、楕円体鏡の反射面で反射された光が受光部１８に集光するようにしていたこととは異なる。受光部１８をこのように楕円体鏡の後端近傍に配置する理由は、第１楕円体鏡１６ａで反射され第二焦点f₂に向かう光と、第２楕円体鏡１６ｂで反射して第２楕円体鏡１６ｂの第二焦点ｆ₂’へ向かう光が受光部１８へ入射する時に、できるだけ入射角を小さくするためである。

第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの反射面で反射された光を受光部１８に導くために、図４に示す集光ユニットでは、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの後端部に受光部１８を装着する空間を確保するための装着部を設ける。装着部はその内面が、第１楕円体鏡１６ａに凹面状に形成された第１の屈折面２０ａと、第２楕円体鏡１６ｂに凹面状に形成された第２の屈折面２０ｂと、第１の屈折面２０ａに連続して設けられた反射鏡面２１と、楕円鏡の中心線を横断する配置に設けられた透過面２２と、受光部１８を挿入する挿入孔面２３によって囲まれた構成となる。

なお、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂは共通の境界面１７を当接して連結され、受光部１８の装着部は第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂを彫り込む形態に形成されている。
図４で、第２レンズ（不図示）第１楕円反射ゾーンＡの範囲に出射される光は第１楕円体鏡１６ａの反射面で反射され、装着部の第１の屈折面２０ａで屈折して受光部１８に入射する。
また、第２レンズから第２楕円反射ゾーンＢの範囲に出射される光は第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂの境界面１７を透過し、第２楕円体鏡１６ｂの外面の反射面で反射され、装着部の第２の屈折面２０ｂで屈折し、さらに反射鏡面２１で反射されて受光部１８に入射する。なお、反射鏡面２１は反射光を受光部１８に集光する放物面として形成される。
また、第２レンズから直接入射ゾーンＣの範囲に出射される光は装着部の透過面２２を透過して受光部１８に入射する。

第１楕円反射ゾーンＡに出射した光は第１楕円体鏡１６ａの反射面で反射され、第二焦点ｆ₂へ向かうから、第１の屈折面２０ａの曲面を光学設計することにより、このゾーンに出射した光を受光部１８へ集束させることができる。
第２楕円反射ゾーンＢに出射した光は、第２楕円体鏡１６ｂの反射面で反射して第二焦点ｆ₂’へ向かうから、第２の屈折面２０ｂの曲面形状と反射鏡面２１の形状を光学設計することにより、このゾーンに出射した光を受光部１８に集束させることができる。
直接入射ゾーンＣに出射した光は透過面２２を通過して受光部１８に入射する。透過面２２に入射した光を受光部１８に集束させるレンズ作用を透過面２２に付与することも可能である。

図４に示す集光ユニットの構成によれば、図１、２に示した楕円体鏡を利用する集光ユニットの基本構造において、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂを組合せた楕円体鏡に置き換えたことにより、楕円体鏡と受光部の配置によっては、第２レンズから出射される光のうち、第１レンズと楕円体鏡の中心を結ぶ中心線の近傍に出射する光が受光部で受光できないという課題を解消し、全天からの太陽光を効率的に受光することが可能になるという利点がある。

太陽光受光装置としては、上述した集光ユニットを、第１レンズを上に向けて複数個（多数個）並置して構成する。複数個の集光ユニットで太陽光受光装置を構成することで所要の明るさの光量を得ることができる。前述したように、太陽の日動や季節変化によって太陽光の入射角や仰角が変化することに対応するため、集光ユニットを設置する際には、第２レンズの配置が相互に異なる配置となるように集光ユニットを設置することで、太陽の動き等に拘わらず比較的均等な光量を得ることが可能になる。

（集光ユニット：構成例２）
図４に示した集光ユニットは第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂを中実な透明体として構成した例である。図５は第１楕円体鏡１６ｃと第２楕円体鏡１６ｄを中空体として構成した例である。すなわち、図５においては、第１楕円体鏡１６ｃと第２楕円体鏡１６ｄは内面が楕円体面の反射面となるシェル構造（中空体）として構成されている。第１楕円体鏡１６ｃと第２楕円体鏡１６ｄの第一焦点ｆ₁が第１レンズ１２の中心と一致し、第１楕円体鏡１６ｃの第二焦点ｆ₂は第２楕円体鏡１６ｄの第二焦点ｆ₂’よりも第１レンズ１２側に偏位して位置する。

図４に示した集光ユニットでは、第１楕円体鏡１６ａと第２楕円体鏡１６ｂに受光部１８を装着する空間部分（内面が屈折面、反射面、透過面）を備える装着部を設けたが、本実施形態では、受光部１８を支持する機能と、第１楕円体鏡１６ｃと第２楕円体鏡１６ｄによって反射された反射光を受光部１８に導く機能を備える導光体２６を中実な透明体として構成し、第１楕円体鏡１６ｃの後方に導光体２６を配置する。

導光体２６には上記例と同様に、第１の屈折面２０ｃ、第２の屈折面２０ｄ、反射鏡面２１ａ、透過面２２ａを設ける。これらの各面の光学的な作用は上記例と同等である。
本実施形態の集光ユニットにおいても、上記例と同様に、第２レンズ１４から出射される光の出射範囲は、第１楕円反射ゾーンＡ、第２楕円反射ゾーンＢ、直接入射ゾーンＣに区分される。
導光体２６に設ける第１の屈折面２０ｃは第１楕円体鏡１６ａの反射面で反射された光を屈折して受光部１８に集束させる。
第２の屈折面２０ｄは第２楕円体鏡１６ｄの反射面により反射された光を屈折させ、反射鏡面２１ａで反射させて受光部１８に集束させる作用を備える。
導光体２６に設ける透過面２２ａは直接入射ゾーンＣの範囲内に出射した光を受光部１８に集束させる作用を備える。

これらの第１の屈折面２０ｃ、第２の屈折面２０ｄ、反射鏡面２１ａ、透過面２２ａは導光体２６を構成する透明体の屈折率等に基づいて光学設計すればよい。
本構成例では、導光体２６を中実な透明体として構成しているから、受光部１８は導光体２６の後部に受光部１８を装着する装着穴を設け、装着穴に受光部１８を挿入して取り付けることができる。

図６は、太陽の日動や季節変動によって第１レンズ１２へ入射する太陽光の入射角が変動したときに、第２レンズ１４からの出射光がどのように変化するかを示した例である。図６では第２レンズ１４を第１レンズ１２の外面に多数個の凹面を形成して凹レンズ状に第２レンズ１４を形成した例である。
図６に示すように、第１レンズ１２に正対した方向（第２レンズ１４が配置されている中心に向かう方向）から太陽光（直接光）が第１レンズ１２に入射した場合は、第１レンズ１２の中心線（第１レンズ１２の中心と第２レンズ１４の配置中心とを結ぶ線）の方向に第２レンズ１４aから光が出射する。この出射光は前述した直接入射ゾーンＣの光に相当し、透過面を透過して受光部１８で受光される。

太陽光の第１レンズ１２への入射方向が、第１レンズ１２に正対する方向からやや傾くと、第２レンズ１４からの出射光は第２楕円体鏡へ向かう方向となる。このときの出射光は前述した第２楕円反射ゾーンの光に相当する。したがって、この場合は、第２レンズ１４からの出射光は第２楕円体の反射面で反射されて、屈折面、反射鏡面を経由して受光部１８に受光される。
太陽光の第１レンズ１２への入射方向がさらに傾くと、第２レンズ１４からの出射光は第１楕円体鏡へ向かう方向となる。このときの出射光は第１楕円反射ゾーンＡの範囲の光に相当する。第１楕円反射ゾーンＡに出射した光は屈折面を経由して受光部１８に受光される。
図６は、第１レンズ１２に入射する太陽光の入射角が大きく変動し、第２レンズ１４からの出射光の方向が変化しても、太陽光を確実に受光部１８で受光することができることを示す。

図７は、第１レンズ１２の中心方向から、第１レンズ１２に設けた第２レンズ１４を見た状態を示す。第１レンズ１２にはさまざまな方向から太陽光（直達光、散乱光）が入射するから、図７に示すように第２レンズ１４は中心のまわりに多数個配置する。第２レンズ１４の大きさ（径）や配置数、配置範囲は適宜設定すればよい。図６、７に示した例は、第１レンズ１２の中心に配置する第２レンズ１４ａを他の第２レンズ１４よりも大径として、第１レンズ１２に正対する方向から太陽光が入射した際に、直接光を効率的に受光できるようにしたものである。

（集光ユニット：構成例２）
図８は本発明に係る太陽光受光装置において使用する集光ユニットの他の構成例を示す。本実施形態の集光ユニットにおいて特徴とする構成は、第１レンズ１２と第２レンズ（不図示）の構成は上述した構成例１と同様で、集光ユニットを構成する楕円体鏡を、第２のレンズからの出射光を反射する第１楕円体鏡１６ｅと、第１楕円体鏡１６ｅの反射面で反射された光を受光部１８に導く第３楕円体鏡１６ｆを設けた点にある。なお、本構成例の第１楕円体鏡１６ｅは中空体として構成したものである。

第１楕円体鏡１６ｅの後部には受光部１８を支持する支持部３０が設けられている。受光部１８は支持部３０に設けた装着孔３０ａに挿入して装着される。
第３楕円体鏡１６ｆは支持部３０に装着された受光部１８の前端から、支持部３０の前端を延出した部位に設けられ、延出部分の内面が楕円体面の反射面となるように形成されている。
第３楕円体鏡１６ｆの第一焦点ｆ₃は第１楕円体鏡１６ｅの第二焦点ｆ₂と一致するように設けられ、第３楕円体鏡１６ｆの第二焦点ｆ₃’は受光部１８の受光位置に一致するように設けられている。

図８に示すように、第２レンズ（不図示）からの出射光は第１楕円体鏡１６ｅの第一焦点ｆ₁から出射するから、第１楕円体鏡１６ｅの反射面で反射された光は第１楕円体鏡１６ｅの第二焦点ｆ₂、すなわち第３楕円体鏡１６ｆの第一焦点ｆ₃に集光する。第３楕円体鏡１６ｆの第一焦点ｆ₃に入射した光は第３楕円体鏡１６ｆの楕円体面の反射面で反射され、第３楕円体鏡１６ｆの第二焦点ｆ₃’に集光（入射）し、受光部１８で受光されるか、もしくは直接受光部１８に受光される。

楕円体の下半部に第３楕円体鏡と受光部を配置し、楕円体の上半部を一つの反射鏡で構成する構造は、構造がシンプルになりシステムの低価格化につながる利点がある。また単純な構成となることから加工精度の確保が容易になり、反射光の第２焦点への集光精度の改善が期待される。
なお、楕円体の下半部が利用できなくなることから全体としての集光効率が低下することが懸念されるが、太陽高度が最も高くなる夏至の南中時を光軸中心に設定すれば、あるいは垂直な壁面に設置すれば、直達光は概ね反射鏡の存在する半球で受光可能になり、直達光の実質的な集光ロスはなくなり、受光ロスは散乱光の半球分のみとなる。

図９は、図８に示した集光ユニットにおいては、受光部１８の軸線と第３楕円体鏡１６ｆの中心線とが一致するように配置したのに対し、受光部１８の軸線を第３楕円体鏡１６ｆの中心線に対して傾ける配置とした例である。
このように、受光部１８の向きを傾けることにより、第３楕円体鏡１６ｆを反射し受光部１８へ入射する光の入射角を小さくできるという利点がある。

図１０は、図８に示した集光ユニットにおいて、光が入射する受光部１８の前端部に変換レンズ３２を配置する例である。変換レンズ３２は第３楕円体鏡１６ｆの第二焦点ｆ3’に入射する光を第二焦点位置から分散させ、受光部１８に入射する光の入射角を小さくし、受光部１８での受光面積を広くする作用を備える。また、変換レンズ３２は、第２レンズから第３楕円体鏡１６ｆの中心線近傍に出射された光を受光部１８に導く作用を備える。

（集光ユニット：散乱光学素子を利用する例）
図１１〜１５は、光を散乱（ミー散乱）する微小な散乱粒子を透明体中に分散させた散乱光学素子と楕円体鏡とを組み合わせた構成を備える集光ユニットを構成する例を示す。
図１１は第１レンズ１２の、楕円体鏡１６ｇに対向する外面に散乱光学素子４０を配置した例である。散乱光学素子４０は、第１レンズ１２の外面と楕円体鏡１６ｇの開口面との間に、楕円体鏡１６ｇの開口部を覆うように、第１レンズ１２の外面にならって配置する。このように第１レンズ１２の外面に散乱光学素子４０を配置すると、第１レンズ１２から出射して散乱光学素子４０に入射した光が散乱光学素子４０中の散乱粒子によって散乱され、楕円体鏡１６ｇに向けて出射する。

一般的にミー散乱は、散乱粒子の径に依存し粒径が光の波長より大きくなると前方散乱が大きくなる散乱角度特性を持つ。（図１６）。
図１１において、第１レンズ１２を通過して散乱光学素子４０に入射した光は、散乱光学素子４０内に分布する散乱粒子により散乱（ミー散乱）される。光が散乱光学素子４０
を出射する時に、この散乱光の角度分布の中で、出射角度が第１レンズ１２の中心（楕円体鏡１６ｇの第一焦点）との延長線上にある光、すなわち疑似的に第一焦点から出射したように振舞う光が楕円体鏡１６ｇの第二焦点に向かい、受光部に到達する。

図１１に示すように第１レンズ１２を通過した光は入射角θ₁で散乱光学素子４０に入射し、屈折角θ₂を持って散乱光学素子４０で屈折する。第１レンズ１２の屈折率をｎ₁、散乱光学素子４０の屈折率をｎ₂とすると、ｎ₁SINθ₁＝ｎ₂SINθ₂であるので、疑似的に第一焦点から出射したように振舞う散乱光を大きくとるためにθ₂はできるだけ小さくすることが望ましい。このためｎ₁＜ｎ₂で、かつｎ₁とｎ₂の屈折率差は散乱粒子のサイズを考慮して適切に散乱するように調整するのが良い。このような構成を取ることによって、楕円体鏡１６ｇの第二焦点に向かい、受光部に到達する光量を大きくすることができる。

図１２は、図１１の例で第１レンズ１２を中空体として形成し、第１レンズ１２の外面と楕円体鏡１６ｇとの間に散乱光学素子４０を介在させて配置した例である。
図１２において、第１レンズの入射側のレンズ１２ａに入射した光は、入射側のレンズで屈折し、中空部に達する。中空部を通過した光は出射側のレンズ１２ｂに入射し、中空部の屈折率（通常n＝1）と出射側のレンズ１２ｂの屈折率に応じて屈折し、入射角θ₁を持って散乱光学素子４０に入射する。散乱光学素子４０に入射した光は散乱光学素子４０の屈折率と出射側のレンズ１２ｂの屈折率に従って屈折角θ₂で屈折し、散乱光学素子４０内に存在する散乱粒子によりミー散乱し、散乱光学素子４０を出射する。この時、散乱光の角度分布の中で、出射角度が第１レンズ１２の中心（楕円鏡１６ｇの第一焦点）の延長線上にある光（つまり疑似的に第一焦点から出射したように振舞う光）が楕円体鏡１６ｇの第二焦点に向かい、受光部に到達する。
本実施例の集光ユニットによれば、入射側のレンズ１２ａの屈折率、出射側のレンズ１２ｂの屈折率、中空部分の形状を最適化し、散乱光学素子４０での屈折角θ₂をできるだけ小さくすることにより、受光部での受光効率を上げることができる。

図１３は、図１２に示す構成例において、半球殻形状に形成した第１レンズの出射側のレンズ１２ｂを省略し、出射側のレンズ１２ｂに対向して配置されている半球殻形状の入射側のレンズ１２ａのみを配した例である。この場合は、入射側のレンズ１２ａから散乱光学素子４０に入射する光の入射角を、散乱光学素子４０での屈折角θ₂ができるだけ小さくなるように設計することにより、受光部での受光効率を向上させることができる。なお、入射側のレンズとして、半球殻形状のレンズを光軸を共通にして複数枚間隔をあけて配置するといった構成とすることもできる。
図１１〜１３は楕円体鏡１６ｇを中空体として形成したものであるが、楕円体鏡１６ｇを中実体として形成することもできる。

図１４、１５に示す集光ユニットは、第１レンズを省略し、散乱粒子を内在させた散乱光学素子を使用して構成した例である。
図１４は、内面が半球面状となる半球殻状の散乱光学素子４０を使用し、散乱光学素子
４０の内面（半球面）の中心と、楕円体鏡１６ｇの第一焦点とが一致（共通）するように設けたものである。散乱光学素子４０をこのように設計すると、散乱光学素子４０の内面に入射角θ₁で入射した光は、散乱光学素子４０の屈折率に従ってθ₂の屈折角を持って屈折する。この屈折光は散乱光学素子４０の散乱粒子によりミー散乱して、散乱光学素子４０から出射する。散乱光学素子４０から出射する散乱光の角度分布の中で、出射角度が楕円体鏡１６ｇの第一焦点の延長線上にある光（つまり疑似的に第一焦点から出射したように振舞う光）が楕円体鏡１６ｇの第二焦点に向かい、受光部に到達する。この場合も、散乱光学素子４０の屈折角θ₂ができるだけ小さくなるように、大きな屈折率を持つ散乱光学素子４０を選択することが受光効率を向上させる上で有効である。

図１４に示す集光ユニットは楕円体鏡１６ｇを中空体として構成した例である。図１５は楕円体鏡１６ｈを透明体からなる中実体として構成した例である。この場合も中実体１６ｈと一体的に連結する散乱光学素子４０の形態や構成は図１４の例と同様であり、散乱光学素子４０により太陽光を受光する作用も同様である。

１０ 集光ユニット
１２ 第１レンズ
１２ａ 入射側のレンズ
１２ｂ 出射側のレンズ
１４、１４ａ 第２レンズ
１６ａ、１６ｃ、１６ｅ 第1楕円体鏡
１６ｂ、１６ｄ 第２楕円体鏡
１６ｆ 第３楕円体鏡
１６ｇ、１６ｈ 楕円体鏡
１７ 境界面
１８ 受光部
２０ａ、２０ｃ 第１の屈折面
２０ｂ、２０ｄ 第２の屈折面
２１、２１ａ 反射鏡面
２２、２２ａ 透過面
２３ 挿入孔面
２６ 導光体
３０ 支持部
３０ａ 装着孔
３２ 変換レンズ
４０ 散乱光学素子

Claims (23)

1. 入射光を受ける球形の第１レンズと、
   前記第１レンズからの光を受光する複数の第２レンズと、
   前記第２レンズからの出射光を受光する受光部と、
   前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、
   前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第２楕円体鏡と、
   を備えることを特徴とする集光ユニット。
2. 前記第１レンズの中心と、前記第１楕円体鏡の反射面の第一焦点と、前記第２楕円体鏡の反射面の第一焦点とが一致し、
   前記第１楕円体鏡の反射面の第二焦点と、前記第２楕円体鏡の反射面の第二焦点の位置が異なることを特徴とする請求項１記載の集光ユニット。
3. 前記第２楕円体鏡の反射面の第一、第二焦点間の間隔が、前記第１楕円体鏡の反射面の第一、第二焦点間の間隔よりも小であることを特徴とする請求項１または２項記載の集光ユニット。
4. 前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡は、透明な中実体として形成され、外周面が光の反射面であること特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の集光ユニット。
5. 前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡の第二焦点近傍に、前記受光部を収納する装着部が設けられ、
   前記装着部の内面に、前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を屈折させて前記受光部へ導く第１の屈折面と第２の屈折面が設けられていることを特徴とする請求項４記載の集光ユニット
6. 前記装着部の内面に、前記第２楕円体鏡の反射面で反射し前記第２の屈折面による屈折光を反射して前記受光部に導く反射鏡面が設けられていることを特徴とする特許請求項５項記載の集光ユニット。
7. 前記反射鏡面は、反射光を前記受光部に集光する放物面として形成されていることを特徴とする請求項６項記載の集光ユニット。
8. 前記装着部の内面に、前記第１楕円体鏡の中心線近傍を通過する光を透過する透過面が設けられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の集光ユニット。
9. 前記第１楕円体鏡と前記第２楕円体鏡が、内面が楕円体面の反射面となる中空体として設けら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。
10. 前記第１楕円体鏡と第２楕円体鏡の第二焦点近傍に、前記第１楕円体鏡の反射面と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を前記受光部に導く、透明な中実体として形成された導光体を備えることを特徴とする請求項９記載の集光ユニット。
11. 前記導光体には、前記第１楕円体鏡の反射面と前記第２楕円体鏡の反射面により反射された光を、それぞれ前記受光部へ導く、第１の屈折面と第２の屈折面とが設けられていることを特徴とする請求項１０記載の集光ユニット。
    
12. 前記導光体には、前記第２の屈折面による屈折光を前記受光部に導く反射鏡面が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の集光ユニット。
13. 前記導光体には、前記第１楕円体鏡の中心線近傍を通過する光を透過する透過面が設けられていることを特徴とする請求項１０〜１２ののいずれか一項記載の集光ユニット。
14. 入射光を受ける球形の第１レンズと、
    前記第１レンズからの光を受光する複数の第２レンズと、
    前記第２レンズからの出射光を受光する受光部と、
    前記第２レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、
    前記第１楕円体鏡の反射面により反射された光を前記受光部に導く楕円体面の反射面を備える第３楕円体鏡とを備えることを特徴とする集光ユニット。
15. 前記第１楕円体鏡の第二焦点と前記第３楕円体鏡の第一焦点とが一致することを特徴とする請求項１４記載の集光ユニット。
16. 前記第３楕円体鏡の第二焦点が前記受光部内に位置することを特徴とする請求項１５記載の集光ユニット。
17. 前記受光部の軸線の向きが、前記第３楕円体鏡の中心線に対し傾斜していることを特徴とする請求項１６記載の集光ユニット。
18. 前記受光部の光が入射する側に、受光部へ入射する光の入射角を変換する変換レンズが設けられていることを特徴とする請求項１６記載の集光ユニット。
19. 入射光を受ける球形の第１レンズと、
    前記第１レンズからの出射光を受光する受光部と、
    前記第１レンズからの出射光を前記受光部に導く楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、
    前記第１レンズと前記第１楕円体鏡との間に、前記第１レンズの外周面にならって配置され、透明体中に光を散乱する微小粒子、微小空隙または微小液滴のいずれかまたはその混合物が分散されてなる散乱光学素子と、
    を備えることを特徴とする集光ユニット。
20. 前記散乱光学素子を構成する透明体の屈折率は、前記第１レンズの屈折率よりも大であることを特徴とする請求項１９記載の集光ユニット。
21. 前記第１レンズが中空体として形成されていることを特徴とする請求項１９または２０記載の集光ユニット。
22. 楕円体面からなる反射面を備える第１楕円体鏡と、
    該第１楕円体鏡の反射面により反射された光を受光する受光部と、
    前記第１楕円体鏡の太陽光が入射する側に配置され、前記第１楕円体鏡へ太陽光の散乱光を導く、透明体中に光を散乱する微小粒子、微小空隙または微小液滴のいずれかまたはその混合物が分散されてなる散乱光学素子と、
    を備えることを特徴とする集光ユニット。
23. 請求項１〜２２の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。

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