JP4364931B1 - 太陽レンズと太陽光利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した太陽レンズが提案されているが、逆円錐台形の主レンズに円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだ形状の太陽レンズでは主レンズと補助レンズで囲まれたＶ字型の斜面で全反射を繰返すことになるため、入射光線の傾斜角度に関係なく光線の一部が損失光線となる不都合があった。損失光線をより少なくできる太陽レンズを提供することが課題である。
【解決手段】 緯度と太陽の方位、最大高度と最小高度を考慮した仕様で集光対象となる太陽光線の範囲を限定したレンズ形状とし、集光方向に指向性を持たせるとともに太陽レンズ自体を１個の部材で形成して全反射だけで集光するように構成することで前記課題を解決するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一定の範囲に集光することを目的とした太陽レンズとその利用装置に関するものである。

太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した集光方法が提案されている。
特願２００８−２７４９７７ 太陽レンズ 特願２００８−２９０４３０ 太陽レンズ

前記特許文献１の方法は、逆円錐台形の主レンズの底面から円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んで、主レンズと補助レンズの境界斜面をかさ歯車のように鋸歯状に形成した太陽レンズであり、また前記特許文献２の方法は、逆円錐台形の主レンズの上面からかさ歯車のような補助レンズを埋め込んだ形状の太陽レンズであるが、いずれの方法においてもＶ字型の斜面を進行する光線が主レンズと補助レンズの間を透過する過程があるため、一部の光線が外斜面をも透過して損失することになり集光性能が低い欠陥があった。本発明はこの光線損失を低減して集光性能の高い太陽レンズを提供することが課題である。

損失をなくするために太陽レンズ自体を１個の部材で形成すると共に指向性を持たせて全反射だけで集光するものである。そのために、太陽レンズを使用する地域の緯度と太陽の方位、最大高度と最小高度を考慮した仕様で集光対象となる太陽光線の範囲を限定したレンズ形状にすることで高効率の集光性能を実現し前記課題を解決するものである。

面積で入光面のほぼ２分に１の出光面に太陽光線を集光できるから、例えば太陽電池モジュールを出光面に配置する場合、太陽レンズを使用しない場合に比べて約半分の面積のモジュールで済み大幅なコストダウンが可能となる。また、エネルギー密度の高い太陽電池にも対応でき、太陽エネルギーを利用する全ての装置に応用できる。

平板状の単純な太陽レンズであるため、複数の太陽レンズを平面的に並べてなる複合型太陽レンズを、従来実用されている太陽光発電パネルの防風雨用の表面ガラスと置き換えるだけで電池モジュールの面積を縮減できることになり実用性が高い利点がある。

図１は本発明による平板状の太陽レンズ１を示すもので、厚み方向の上面を入光面２、下面を出光面３、入光面の前端に傾斜角α１の鋭角で接する前斜面４と、入光面の後端に傾斜角α２で接する後斜面５で逆台形の太陽レンズを形成している。

入光面や出光面を傾斜させることで集光倍率を高めたり集光性能を微細に調整する方法が考えられるが、入光面に対して出光面が並行する逆台形の太陽レンズを基本として説明する。また、太陽光線の採光面となる入光面と集光した太陽光線を取り出す出光面の傾斜角度は光線を利用する装置が求める性能や設置条件で異なるが、図１においては入光面も出光面も水平状態の太陽レンズを示している。なお、以下の説明における斜面の傾斜角度や光線の傾斜角度は、特に断らない限り鉛直面に対する傾斜角度で示している。

入光面から入射した光線は素材の屈折率に応じて屈折してレンズ内を進行するが、全ての入射光線を集光して出光面に取り出すには、直接出光面に当たる光線の他に前斜面や後斜面に当たる光線を全反射で出光面に向かわせることと、出光面に到達した光線が全反射で反転して散逸しないように出光面に対する到達光線との角度差α３、α４を構成素材の臨界屈折角度以下になるように設定する必要がある。

このためには、前斜面の傾斜角度α１を入光面の前端から入射する最大高度の太陽光線ｅ1が前斜面で全反射する角度以下に設定することで、それ以下の高度の太陽光線も同様に全反射させることができる。同様に後斜面の傾斜角度α２を入光面の後端から入射する最小高度の太陽光線ｅ２が後斜面で全反射する角度以下に設定することで、それ以上の高度の太陽光線も同様に全反射させることができる。

また、出光面と入光面との間隔は、前斜面で全反射した光線ｅ１が直接後斜面に当たって透過し散逸しないように、後斜面で全反射した光線ｅ２が前斜面に直接当たって透過し散逸しないように設定する。

太陽レンズを使用する地域の緯度と太陽高度の変動範囲、設置方角を考慮することで、太陽レンズに指向性を持たせて太陽光線を効率よく集光することができる。例えば東京の場合、最大高度は夏至日の７８度、最小高度は冬至日の３１度でいずれも正午の南中高度である。

従って太陽レンズに射し込む太陽光線は、太陽レンズの厚み方向を東西に向けて前斜面を南向きに配置した場合、前斜面の方向から入光面に射し込む太陽光線の高度は年間を通して最大で７８度、最小で３１度の範囲であり、この範囲の光線を集光できるように太陽レンズを設定することで効率よく集光することができることになる。高度の変動幅は地球の公道に対する地軸の傾きに関係するので地域や季節に関係なく４７度である。

なお、太陽レンズを上例のように厚み方向を東西に向けた上で日出没の高度０度から真上の高度９０度までの全高度の太陽光線を集光しようとすると、図３のように前斜面のみを傾斜させることである程度集光することができるが、太陽光線の方位を考慮しないで全高度全方角からの太陽光線を対象に集光しようとすると、前斜面と後斜面の傾斜角度が０度となって入光面と出光面の面積が同じになるから全反射だけで集光することはできなくなる。

このように本発明の太陽レンズは集光できる方向に指向性があって、鋭角で傾斜した前斜面の方向からの光線は集光できるが、後斜面の方向から入射する光線については直接出光面に到達する入射光線以外の光線は殆ど集光することができない。従って集光する太陽光線の範囲を緯度に合わせた最大高度から最小高度の光線に限定することで実用性の高い集光性能を確保するものである。

性能が若干低下しても使用できる緯度の範囲に幅を持たせて仕様を設定することで製品の統合を図ることができる。例えば沖縄から北海道までの緯度の違いを考慮して、沖縄の最大高度と北海道の最小高度に対応する太陽レンズであれば日本全土で利用できることになる。

太陽の方位を考慮して太陽レンズを設置した場合、南東からの太陽光など斜め方向から射し込む光線は、レンズの前斜面から南北方向に進行する光線と、東西の厚み方向に進行する光線のふたつに分解して考えることができるが、厚み方向に進行する光線は平板状の太陽レンズの表裏面６で図２に示す如く全反射を繰返して出光面に集光される。

日出没に近い高度が低い時刻では季節によって東西軸から前後３０度範囲の方角から太陽光線が射し込むことになるが、これらの光線は主に太陽レンズの厚み方向の光線であるからレンズ表裏面での全反射で出光面に集光されることになる。しかし、夏至前後の限られた日出没の時刻帯においては太陽レンズに対して東北東または西南西からの逆向きの太陽光線が射し込むことになるから極一部の光線は集光されずに損失すると考えられる。

図４は最大高度が７８度、最小高度が３１度の太陽光を集光するために、臨界屈折角度が４２度（屈折率約１．５）のアクリル樹脂で形成された太陽レンズで入光面の任意の地点から入射する光線の経路を示すもので、ｍ１からｍ３は最大高度の光線、ｎ１とｎ２は最小高度の光線を実態に合わせて描いたものである。入光面に対する出光面の割合で集光倍率を示すと約６０％となる。また、図５は同じ条件で構成素材の臨界屈折角度が３６度（屈折率約１．７）のレンズの場合を示したものである。臨界屈折角度の小さい素材で形成することで集光倍率をさらに縮小することができる。

出光面には太陽光を利用する太陽電池モジュールや自然光を屋内照明に利用するための光ダクト、太陽熱を利用する受熱装置などが連結されることになるが、例えば家屋の屋根に設置する光発電パネルにおいては屋根の傾斜に合わせて設置する必要がある。図６は入光面と出光面を傾斜させた太陽レンズを示すものであるが、傾斜が３０度程度までの範囲であれば水平設置を前提とした太陽レンズの仕様と殆ど同じ仕様で性能を確保することができる。

平板状の太陽レンズの厚みを厚くして棒状に伸ばしても太陽レンズとしての機能は変わらない。図７は棒状の太陽レンズ複数を厚み方向に対して直角な方向に並べて入光面を連結した複合型の太陽レンズである。それぞれの太陽レンズの出光面に太陽電池モジュールなどの受光体を配置して太陽光利用装置を構成することができる。複合型の太陽レンズは相互に隣接する入光面をつないで１枚の太陽レンズを形成することになるが、接合部分の厚みｔ１は光学的には集光に関係しないから利用装置全体として必要な強度に耐えられるように任意で設定すればよい。

なお、説明を容易にするために逆台形の太陽レンズを前提に説明したが、入光面と出光面は平行である必要はない。従って厳密には本発明による太陽レンズは逆台形に近い四辺形の透明板で形成されていることになり、その形状に指向性があることが特徴である。図８は集光倍率をより縮小するために入光面に対して出光面を傾けた形状の太陽レンズで、図１の平行な場合の集光倍率６０％に対して５５％に縮小することができる。

このように本発明の太陽レンズは全反射だけで集光する太陽レンズであるが、緯度と太陽方位、太陽高度を考慮した条件設定で指向性を持たせることにより、極めて単純な形状でありながら効率よく集光でき実用性が高い特徴を有するものである。

太陽レンズの正面図である。 太陽レンズの側面図である。 高度を制限しない場合の説明図である。 光線経路の説明図である。 屈折率が異なる場合の説明図である。 入出光面を傾けた場合の説明図である。 複合型太陽レンズの側面図である。 出光面のみを傾けた場合の説明図である。

符号の説明

１、太陽レンズ
２、入光面
３、出光面
４、前斜面
５、後斜面
６、表裏面

Claims (3)

1. 透明な素材の平板で側面逆台形に近い四辺形に形成された太陽レンズであって、
   前端の方向から射し込む太陽光線の採光面となる入光面と、
   該入光面より面積が狭く形成された出光面と、
   前記入光面の後端に、
   前記入光面の前端の方向から射し込む最小高度の太陽光線のレンズ内を進行する入射光線を前記出光面に対して構成素材の臨界屈折角度以下となる傾斜角度の光線に全反射させる斜面の傾斜角度で接する後斜面と、
   前記入光面の前端に、
   前記入光面の前端の方向から射し込む最大高度の太陽光線のレンズ内を進行する入射光線を前記出光面に対して構成素材の臨界屈折角度以下となる傾斜角度の光線に全反射させる鋭角の斜面の傾斜角度で接する前斜面とを備え、
   前記出光面と入光面との間隔が、
   前記前斜面で全反射した光線が直接前記後斜面に当って透過し散逸せずに、
   かつ前記後斜面で全反射した光線が前記前斜面に直接当って透過し散逸せずに直接前記出光面に到達する間隔としたことを特徴とする太陽レンズ。
2. 請求項１に記載の太陽レンズ複数を前斜面と後斜面の方向に並べて相互に隣接する入光面を連結した接合部分を備えていることを特徴とする複合型の太陽レンズ。
3. 請求項１に記載の太陽レンズを前斜面が南向きになるように配置するとともに、出光面に受光体を配置したことを特徴とする太陽光利用装置。

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