JP3185719B2

JP3185719B2 - 太陽光集光器

Info

Publication number: JP3185719B2
Application number: JP19967397A
Authority: JP
Inventors: 光悦日比野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: JPH1146008A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光集光器、特に
固定型の太陽光集光器の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、太陽電池の集光型光学系は、
高価な太陽電池を減少させる効果があり、太陽を追尾し
ながら集光するシステム等が実用化されている。しか
し、追尾システムが複雑になり、かつ操作エネルギが必
要となり、またメンテナンス費用が多くかかるという問
題があった。

【０００３】このため、太陽を追尾しない固定型の太陽
光集光器も考案されている。特開昭６３−７７２６号公
報にも、このような固定型の太陽光集光装置が開示され
ている。本従来例は、受光面から取り込んだ太陽光を内
部で反射させ、集光器の端面に集光させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例に
おいては、その目的が太陽光を効率よく植物栽培に利用
することであるので、蛍光剤が使用されており、太陽光
がこの蛍光剤に吸収される際あるいは蛍光剤で反射され
る際に波長が変換され、エネルギの損失がともなうの
で、集光器端面での集光効率が悪いという問題があっ
た。

【０００５】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、内部に取り込んだ光を高効率で
端面に集光させることができる、固定型の太陽光集光器
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、太陽光集光器であって、表面及び裏面が
ともに連続的曲面形状をなし、透明媒質からなる導光板
と、導光板の裏面に設けられた反射膜と、導光板端面に
設けられた太陽電池設置部と、を有することを特徴とす
る。

【０００７】また、上記太陽光集光器において、表面の
前方にフレネルプリズムを設けたことを特徴とする。

【０００８】また、上記太陽光集光器において、導光板
の裏面に、導光板の長手方向に沿って断面三角形状の凸
部を設けたことを特徴とする。

【０００９】また、上記太陽光集光器において、導光板
の表面及び裏面の曲率中心を互いにずらしたことを特徴
とする。

【００１０】また、上記太陽光集光器において、導光板
の表面に導光板材質より屈折率の低い透明媒質を積層さ
せたことを特徴とする。

【００１１】また、上記太陽光集光器において、導光板
の表面の前方に波形集光器を配置させたことを特徴とす
る。

【００１２】また、上記太陽光集光器において、導光板
に設けられた太陽電池設置部には、隣接する他の導光板
に設けられた太陽電池設置部とともに同一の太陽電池が
設置されることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。

【００１４】実施形態１．図１には、本発明に係る太陽
光集光器の実施形態１の斜視図が示される。図１におい
て、本発明に係る太陽光集光器を構成する導光板１０
は、樹脂あるいはガラスのような透明媒質により構成さ
れている。この導光板１０は、その表面及び裏面がとも
に連続的曲面形状をなし、波形平面となっている。この
導光板１０の両端部は、太陽電池１２が設置される太陽
電池設置部となっている。また、導光板１０の裏面に
は、反射膜として機能するミラー１６が設けられてい
る。導光板１０に入射した太陽光１４は、導光板の表面
及び裏面で全反射及び反射を繰り返しながら、太陽電池
１２の設置された両端の太陽電池設置部に導かれ、ここ
で太陽電池１２に入射する。

【００１５】図２には、図１に示された太陽光集光器の
断面図により、その動作原理が示されている。図２にお
いて、曲面Ａが導光板１０の表面であり、曲面Ｂが裏面
となっている。この曲面Ａ、曲面Ｂは、図２においては
半円形状の例が示されている。上述したように、裏面で
ある曲面Ｂには、ミラー１６が設けられている。

【００１６】図２において、太陽光１４が導光板１０の
上に凸の部分に入射した場合、光は曲面Ａにより屈折さ
れる。この場合曲面Ａは、その形状により凸レンズの働
きをしている。図２に示されるように、この凸レンズの
曲率半径はＲ₁となっている。

【００１７】曲面Ａから入射した太陽光１４は、裏面側
である曲面Ｂのミラー１６により反射される。この曲面
Ｂは、凸面鏡として機能し、その曲率半径はＲ₂となっ
ている。また、この場合の焦点距離は、Ｆ₂＝１／２Ｒ₂
となっている。曲面Ｂで反射された光は、再び曲面Ａに
向かう。この光の曲面Ａにおける入射角が臨界角すなわ
ち全反射条件を満足する角度を越えた場合には、曲面Ａ
は半径Ｒ₁の凹面鏡として作用する。この場合、曲面Ａ
の焦点距離はＦ₁＝１／２Ｒ₁となる。

【００１８】図３（ａ）に示されるように、一般に凹面
鏡は、平行光線が入射した場合に、この光線を一点に集
光する特性がある。他方、凸面鏡は図３（ｂ）に示され
るように、平行光線が入射した場合に、これを広げる特
性がある。従って、これら２つを組み合わせた場合に、
２つの曲率半径が同じであれば、この両者間で光の反射
角は変化しないことになる。しかし、両者の焦点距離が
異なる場合には、焦点距離が小さい方の鏡の光を収束ま
たは発散させる能力が高くなる。

【００１９】図２に示された例においては、凹面鏡とし
て作用する曲面Ａの焦点距離よりも、凸面鏡として作用
する曲面Ｂの焦点距離の方が小さくなっている（Ｆ₁＜
Ｆ₂）。このため、凸面鏡である曲面Ｂによって光が発
散される程度の方が、凹面鏡として作用する曲面Ａによ
って光が収束される程度よりも大きくなり、この結果曲
面Ａでの反射角は増加していく。すなわち、図２に示さ
れるように、曲面Ａのある隣り合った２点における光の
反射角をそれぞれσ１、σ２とした場合、σ１＜σ２の
関係がある。これは、光の進行にともなって反射が繰り
返されるたびに曲面Ａにおける反射角が大きくなってい
くことを示している。

【００２０】また、図２に示されるように、導光板１０
の上に凹の部分に太陽光１４が入射した場合、すなわち
前述した場合と反対の状態となった場合には、凸面鏡と
して作用する曲面Ａの焦点距離がＦ₂＝１／２Ｒ₂とな
り、凹面鏡として作用する曲面Ｂの焦点距離がＦ₁＝１
／２Ｒ₁となる。従って、前述した凸面鏡及び凹面鏡の
焦点距離の関係と同じになり、曲面Ａにおける反射角は
光の進行にともなって反射が繰り返されるたびに増加し
ていくことになる。

【００２１】以上より、曲面Ａにおいて一度臨界角を越
えた光は、その後外部に漏れなくなり、導光板１０の端
部の太陽電池設置部まで到達できる。

【００２２】以上説明した例においては、導光板の曲面
形状は半円であったが、これに限られるものではない。
すなわち、正弦波、楕円、サイクロイド等の曲線で、入
射したときの屈折角度より、裏面（曲面Ｂ）で反射し、
表面（曲面Ａ）へ戻ったときの入射角度が増加するよう
な構成となればよい。このため、上記の形状の他に、例
えばフーリエ級数、減衰振動のような形状も使用するこ
とができる。また、裏面で反射された光が表面へ戻った
ときに入射角度が増加する構成であればよいので、波形
形状の隣同士の大きさや形状が変化しても構わない。た
だし、図４（ａ）に示されるように、平行な水平面は入
射角度が変わらないので集光器として使用することはで
きない。

【００２３】図４（ｂ）には、表面である曲面Ａが楕円
であり、裏面である曲面Ｂが円である例が示される。こ
の場合、楕円と円との組合せであるので、導光板１０の
厚さは各部分によって変化している。このような円と楕
円との組合せの場合には、楕円が円よりも焦点距離がよ
り長くなるので、曲面Ａにおける全反射が起こりやすく
なり、太陽光集光器としてはより好適な形状とすること
ができる。

【００２４】本実施形態に係る太陽光集光器は、導光板
１０の両端に設けられている太陽電池設置部の面積に対
して、受光部分である曲面Ａの面積を自由に大きくする
ことができるので、集光倍率を大きくすることができ
る。

【００２５】実施形態２．図５には、本発明に係る太陽
光集光器の実施形態２の断面図が示される。図５におい
て特徴的な点は、導光板１０の表面にあたる曲面Ａの前
方にフレネルプリズム１８を設けたことにある。このフ
レネルプリズム１８により、角度θ１で入射した太陽光
１４は、フレネルプリズム１８で屈折されて、曲面Ａに
入射する角度がθ２に増大される。このように、導光板
１０の曲面Ａに入射する角度が大きくなることにより、
曲面Ｂで反射された光が曲面Ａで全反射されやすくな
る。従って、太陽光１４の入射角度θ１が０に近づいた
場合にも、曲面Ａでの全反射条件を満たすことができ、
太陽の角度が時間とともに変化しても、より長い時間太
陽光１４を有効に集光することができる。

【００２６】実施形態３．図６（ａ）には、本発明に係
る太陽光集光器の実施形態３の断面図が示される。ま
た、図６（ｂ）には、図６（ａ）のｂ−ｂ断面図が示さ
れる。図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形
態においては、導光板１０の裏面側に、断面三角形状の
凸部２０を、導光板１０の長手方向に沿って設けてあ
る。また、この凸部２０には、図１と同様にミラー１６
が形成されている。

【００２７】太陽光１４が導光板１０に入射した場合、
図６（ｂ）に示されるように、三角形状の凸部２０によ
って、導光板１０の奥行き方向にまず反射される。奥行
き方向に反射された光は、表面すなわち曲面Ａで奥行き
方向に全反射され、再び三角形状の凸部２０に戻りここ
で２回目の反射が起こる。このように曲面Ａと裏面側に
形成された三角形状の凸部２０との間で数回反射される
間に、図１で説明したような曲面Ａと曲面Ｂとの焦点距
離の差に基づいて、曲面Ａでの入射角度が大きくなって
いく。従って、当初入射した太陽光１４の入射角度で
は、導光板１０の長手方向の反射について全反射の条件
を満たさなくても、奥行き方向で数回反射する間に長手
方向でも全反射の条件が満たされるようになる。これに
より、曲面Ａに対してより垂直に近い角度で入射する光
まで、導光板１０の内部に取り込むことができ、より集
光率を向上させることができる。

【００２８】実施形態４．図７（ａ）には、本発明に係
る太陽光集光器の実施形態４の断面図が示される。図７
（ａ）において、表面にあたる曲面Ａと裏面にあたる曲
面Ｂとは、図１に示された実施形態と異なり、平行では
なく導光板１０の長手方向に互いに曲率中心がわずかに
ずらされて配置されている。

【００２９】図７（ｂ）に示されるように、曲面Ａと曲
面Ｂとが互いに平行な状態で配置されている場合には、
曲面Ａに垂直に入射した光は、曲面Ｂで反射した後曲面
Ａにおいて全反射条件を満足することができない。この
ため、太陽光１４は曲面Ａから再び外部に透過してしま
う。この場合、実施形態３と同様に、断面三角形状の凸
部２０を曲面Ｂに形成しておいても、入射した太陽光１
４は、導光板１０の長手方向には反射されないので、曲
面Ａにおける反射角度が導光板１０の長手方向で全反射
条件を満足するようになることはない。これに対して、
図７（ａ）に示されるように、導光板１０の長手方向に
曲面Ａ及び曲面Ｂの曲率中心が互いにずらされている場
合には、曲面Ａに垂直に入射した太陽光１４も、曲面Ｂ
では入射角度が垂直ではなくなる。このため、曲面Ａ及
び曲面Ｂにおける反射角度に導光板１０の長手方向の成
分が加わる。従って、図７（ｂ）の場合よりも図７
（ａ）の場合の方が曲面Ａにより垂直に近い角度で入射
した太陽光１４まで曲面Ａにおける全反射の条件を満た
すことができるようになる。このため、外部に透過せず
に集光できる太陽光１４の量を増加させることができ
る。この場合、図７（ａ）に示されるように、凸部２０
を形成しておけば更に曲面Ａにおいて全反射の条件を満
足できる太陽光１４の量を増加させることができる。

【００３０】実施形態５．図８（ａ）、（ｂ）には、本
発明に係る太陽光集光器の実施形態５の断面図が示され
る。図８（ａ）、（ｂ）において、高屈折率の透明媒質
からなる導光板１０の表面側に、導光板１０よりも屈折
率の低い透明媒質である低屈折媒質２２が積層されてい
る。従って、本実施形態においては、これまでの実施形
態において導光板１０の表面側をあらわしていた曲面Ａ
が、低屈折媒質２２の表面の曲面をあらわしている。な
お、本実施形態の導光板１０としては、例えば屈折率
１．５９のポリカーボネート樹脂等を使用することがで
きる。また、低屈折媒質２２としては、屈折率１．３３
の水あるいは屈折率１．５のＰＭＭＡ樹脂等を使用する
ことができる。さらに、図８（ａ）、（ｂ）に示された
例では、導光板１０の上に低屈折媒質２２が１層のみ積
層されているが、これを２層以上積層することも好適で
ある。

【００３１】図８（ａ）において、導光板１０の中を進
行する太陽光１４は、低屈折媒質２２が存在しない場合
には、図の破線で示されるように、曲面Ａにおいて全反
射の条件を満足せず、外部に透過してしまう場合があ
る。しかし、低屈折媒質２２が導光板１０に積層される
ことにより、導光板１０と低屈折媒質２２の界面におい
て屈折され、曲面Ａにより大きな角度で入射することが
できる。このため、曲面Ａにおいて全反射の条件を満足
しやすくなる。これにより、一旦導光板１０に入射した
太陽光１４が外部に透過しにくくなり、導光板１０の端
面に設けられた太陽電池設置部に、より多くの太陽光１
４を到達させることが可能となる。

【００３２】また、図８（ｂ）において、導光板１０の
裏面である曲面Ｂのミラー１６で反射された太陽光１４
は、条件によっては、導光板１０と低屈折媒質２２との
界面で全反射することになる。この場合、図８（ｂ）に
示されるように、低屈折媒質２２が存在しない場合に
は、太陽光１４は、曲面Ａのα点で曲面Ａに入射するこ
とになるが、この点では全反射の条件が満たされず、図
の破線で示されるように外部に透過する場合がある。し
かし、低屈折媒質２２が積層されているために、太陽光
１４は実際には導光板１０と低屈折媒質２２の界面にβ
点で入射することになり、この点では曲面の傾斜によ
り、全反射の条件を満たすことができている。従って、
このβ点で全反射し、以後も全反射が繰り返され導光板
１０の端面の太陽電池設置部に到達できる。

【００３３】以上のように、本実施形態においては、媒
質中を進行する太陽光１４が全反射する機会が２回に増
えている。このため、いずれかの場合に全反射条件が満
足されれば、外部に透過されずに太陽電池設置部まで到
達することができる。従って、導光板１０に一旦入射し
た太陽光１４が外部に透過する率が低下し、その分集光
率を向上させることができる。

【００３４】実施形態６．図９（ａ）、（ｂ）には、本
発明に係る太陽光集光器の実施形態６の断面図が示され
る。図９（ａ）、（ｂ）において、導光板１０の表面前
方には、導光板１０と同じ形状の波形集光器２４が、一
定の間隔をおいて配置されている。導光板１０と波形集
光器２４との間は、空気層２６となっている。なお、波
形集光器２４の裏面には、導光板１０のようなミラーは
形成されていない。

【００３５】図９（ａ）に示されるように、波形集光器
２４に入射した太陽光１４は、波形集光器２４の裏面と
空気層２６との界面で屈折され、より大きな角度で導光
板１０に入射することになる。このため、波形集光器２
４にほぼ垂直で入射した太陽光１４も、導光板１０には
より全反射しやすい角度で入射することになる。従っ
て、導光板１０に取り込まれ、外部に透過しない太陽光
１４の量が増え、その分集光率を向上させることができ
る。

【００３６】また、図９（ｂ）においては、導光板１０
に取り込まれた太陽光１４が、導光板１０から空気層２
６に出ていくときに一度屈折され、波形集光器２４の表
面で全反射され、波形集光器２４中あるいは導光板１０
中に戻されて、以後全反射を繰り返しながら太陽電池設
置部が設けられた導光板１０の端面に集光されていく。
この場合、波形集光器２４が存在しないと、太陽光１４
は図９（ｂ）の破線で示されるように、導光板１０の外
部に透過してしまい、この光を集光することができなく
なる。このように、本実施形態に係る太陽光集光器は、
実施形態５の場合と同様に全反射する機会が２度あるの
で、より太陽光１４の集光率を向上させることができ
る。

【００３７】以上のように、本実施形態に係る太陽光集
光器は、波形集光器２４を導光板１０の前方に配置する
ことにより、導光板１０に太陽光１４をより全反射しや
すい角度で入射させる機能と、一旦入射した太陽光１４
を内部に閉じこめる機能の２つの機能を有している。な
お、図９（ａ）、（ｂ）においては、導光板１０と波形
集光器２４とがそれぞれ互いに平行となるように配置さ
れているが、実施形態４に示されるように、互いの曲率
中心を導光板１０の長手方向にずらして配置することも
好適である。

【００３８】実施形態７．図１０には、本発明に係る太
陽光集光器の実施形態７の断面図が示される。図１０に
おいて、導光板１０は、その長手方向に複数個配置され
ており、導光板１０の右側の太陽電池設置部と、これに
隣接する導光板１０の左側の太陽電池設置部とには、同
一の太陽電池１２が設置されている。

【００３９】導光板１０に太陽光１４が入射した場合、
導光板１０の長手方向の右方向と左方向に進む光量は一
般に異なっている。このため、導光板１０の両端面に設
けられた太陽電池設置部に、太陽電池を各１個ずつ設置
した場合、導光板１０の右側端面の太陽電池１２と左側
端面の太陽電池１２とではその発電量が異なってしま
い、発電量の異なる系統が２種類生じてしまう。このよ
うに、配線系統が２種類となると、配線が複雑になり、
システムのコストが向上したり、故障が発生しやすくな
るという問題がある。本実施形態のように、１個の太陽
電池１２を、２つの導光板１０の右側端面と左側端面の
太陽電池設置部に、共通して設置する構成とすることに
より、太陽電池１２の発電量は、どれも一定化すること
ができ、発電系統を１種類とすることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導光板に入射した光を、表面界面で全反射させ、導光板
端面へ伝搬して集光することができる。すなわち、表面
及び裏面の形状のみで全反射させることにより集光する
ことが可能になる。この結果、太陽の追尾機構が不要と
なり、従来に比べエネルギロスなく高い集光率を達成す
ることができる。

【００４１】また、導光板の表面前方にフレネルプリズ
ムを設けたので、太陽光の入射角度を調整でき、より発
電時間を長くすることができる。

【００４２】また、導光板の裏面側に断面三角形状の凸
部を導光板の長手方向に沿って設けたので、導光板の奥
行き方向で数回反射をするうちに、導光板の長手方向の
反射についても全反射条件を満足できるようになる。こ
れにより、集光効率を向上することができる。

【００４３】また、導光板の表面及び裏面の曲率中心を
互いにずらすことにより、より導光板の表面側での全反
射条件を満足しやすくでき、これによっても集光効率を
向上することができる。

【００４４】また、導光板の表面に導光板材質より屈折
率の低い低屈折媒質を積層することにより、全反射する
機会を２回に増加させることができ、より全反射条件を
満足させやすくすることができる。これにより、集光率
の向上を図ることができる。

【００４５】また、導光板の表面前方に導光板と同形状
の波形集光器を配置することにより、垂直に近い角度で
入射した光も、屈折されてより全反射しやすい条件で導
光板に入射させることができ、また、導光板内部に捕ら
えられた光を、内部に閉じこめる機能を向上させること
ができる。これらにより、集光効率の向上を図ることが
できる。

【００４６】また、隣接する導光板の一方の右側の太陽
電池設置部と、他方の左側の太陽電池設置部とに、同一
の太陽電池を設置し、導光板の左右端面における集光量
の違いを平準化し、どの太陽電池の発電量も平準化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る太陽光集光器の実施形態１の斜
視図である。

【図２】図１に示された太陽光集光器の断面図であ
る。

【図３】凹面鏡及び凸面鏡の作用の説明図である。

【図４】本発明に係る太陽光集光器の実施形態１の変
形例を示す図である。

【図５】本発明に係る太陽光集光器の実施形態２の断
面図である。

【図６】本発明に係る太陽光集光器の実施形態３の断
面図である。

【図７】本発明に係る太陽光集光器の実施形態４の断
面図である。

【図８】本発明に係る太陽光集光器の実施形態５の断
面図である。

【図９】本発明に係る太陽光集光器の実施形態６の断
面図である。

【図１０】本発明に係る太陽光集光器の実施形態７の
断面図である。

【符号の説明】

１０導光板、１２太陽電池、１４太陽光、１６
ミラー、１８フレネルプリズム、２０凸部、２２
低屈折媒質、２４波形集光器、２６空気層。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面及び裏面がともに連続的曲面形状を
なし、透明媒質からなる導光板と、前記裏面に設けられ
た反射膜と、前記導光板端面に設けられた太陽電池設置
部と、を有することを特徴とする太陽光集光器。
【請求項２】請求項１記載の太陽光集光器において、
前記表面の前方にフレネルプリズムを設けたことを特徴
とする太陽光集光器。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の太陽光集
光器において、前記裏面に、導光板の長手方向に沿って
断面三角形状の凸部を設けたことを特徴とする太陽光集
光器。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれか一項記
載の太陽光集光器において、前記表面及び裏面の曲率中
心を互いにずらしたことを特徴とする太陽光集光器。
【請求項５】請求項１から請求項３のいずれか一項記
載の太陽光集光器において、前記表面に導光板材質より
屈折率の低い透明媒質を積層させたことを特徴とする太
陽光集光器。
【請求項６】請求項１から請求項３のいずれか一項記
載の太陽光集光器において、前記表面の前方に波形集光
器を配置させたことを特徴とする太陽光集光器。
【請求項７】請求項１記載の太陽光集光器において、
前記導光板に設けられた太陽電池設置部には、隣接する
他の導光板に設けられた太陽電池設置部とともに同一の
太陽電池が設置されることを特徴とする太陽光集光器。