JP5388353B2 - Solar concentrator - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光を集光して対象物に照射しその対象物を加熱しもしくは励起させるために用いる太陽光集光装置に関する。 The present invention relates to a solar light collecting device used for collecting sunlight and irradiating an object to heat or excite the object.
近年、クリーンエネルギである太陽光を利用する加熱装置や発電装置に関心が高まっており、各種の技術が開示されている。 In recent years, interest has increased in heating devices and power generation devices that use sunlight, which is clean energy, and various techniques have been disclosed.
例えば、特開2009−139761には集光性能が改良された球面鏡により太陽光を集光し、スターリングエンジンを駆動することが開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-139761 discloses that sunlight is collected by a spherical mirror with improved light collection performance and a Stirling engine is driven.
また、特開2005−344608にはフレネルレンズで集光した太陽光を石英ガラス製の光導ファイバの入射端に入射させ出射光でスターリングエンジンを駆動することが開示されている。 JP-A-2005-344608 discloses that sunlight condensed by a Fresnel lens is incident on an incident end of an optical fiber made of quartz glass and a Stirling engine is driven by the emitted light.
しかし、これらの方式においては、受光面を正確に焦点の位置に置き、かつ太陽光の方向と直交させる必要があった。しかし、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光は、向きや焦点の位置が時々刻々変わるので、精緻な追尾装置なしには集光された光を効率よく受光することが難しい。 However, in these systems, it is necessary to place the light receiving surface at the focal point accurately and to be orthogonal to the direction of sunlight. However, the sunlight collected by condensing means such as curved mirrors and lenses changes its direction and focus position from time to time, so it can efficiently receive the collected light without a precise tracking device. difficult.
本発明の目的は、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光を精緻な追尾装置なしで効率よく受光することができる太陽光集光装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the sunlight condensing apparatus which can receive efficiently the sunlight condensed by condensing means, such as a curved mirror and a lens, without a precise tracking apparatus.
本発明の要旨とするところは、太陽光を集光して受光するために用いる集光装置であって、曲面鏡またはレンズからなる集光手段と、該曲面鏡またはレンズの、焦点またはその近傍に位置するボール系レンズとからなり、前記集光手段で集光されてのち前記ボールレンズを透過した太陽光を受光するようになし、前記ボール系レンズがボールレンズ、球冠形状のボール系レンズから選択された太陽光集光装置であることにある。 The gist of the present invention is a light collecting device used for collecting and receiving sunlight, and a light collecting means comprising a curved mirror or lens, and a focal point of the curved mirror or lens or the vicinity thereof. And is configured to receive sunlight transmitted through the ball lens after being condensed by the condensing means, the ball lens being a ball lens, a ball-shaped lens having a spherical crown shape. It is that it is the sunlight condensing device selected from.
前記太陽光集光装置はさらに導光路を含み得、前記ボール系レンズを透過した太陽光を該導光路の入射端より入射させ得、出射した太陽光を受光するようになし得、前記ボール系レンズと該導光路の入射端面との距離をL、前記ボール系レンズの径をdとしたとき、L/dが0.2以下であり得る。 The solar light collecting device may further include a light guide path, the sunlight transmitted through the ball system lens may be incident from an incident end of the light guide path, and the emitted sunlight may be received, and the ball system L / d can be 0.2 or less, where L is the distance between the lens and the incident end face of the light guide path and d is the diameter of the ball lens.
前記ボール系レンズの径は前記導光路の径より大きくされ得る。 The diameter of the ball lens may be larger than the diameter of the light guide.
前記太陽光集光装置においては、前記ボール系レンズが球冠形状のボール系レンズであり得、前記導光路の導光部が導光体からなり得、該導光体と前記ボール系レンズとが一体連接してなり得る。 In the solar light collecting device, the ball lens may be a crown-shaped ball lens, the light guide portion of the light guide path may be a light guide, and the light guide and the ball lens. Can be integrally connected.
前記太陽光集光装置においては、前記導光路は出射がわで複数に分岐したものであり得、分岐した各導光路から出射した太陽光をそれぞれ受光するようになし得る。 In the sunlight condensing device, the light guide path may be divided into a plurality of light exits, and may receive sunlight emitted from each branched light guide path.
また、本発明の要旨とするところは、前記太陽光集光装置を用いた発電装置であることにある。 Moreover, the place made into the summary of this invention exists in being the electric power generating apparatus using the said sunlight condensing device.
本発明によると、曲面鏡やレンズなどの集光手段により集光された太陽光を精緻な追尾装置なしで効率よく受光することができる太陽光集光装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sunlight condensing apparatus which can receive efficiently the sunlight condensed by condensing means, such as a curved mirror and a lens, without a precise tracking apparatus is provided.
本発明の太陽光集光装置の態様の一例を説明する。図1に示すように、本発明の太陽光集光装置2は、フレネルレンズ4からなる集光手段6とフレネルレンズ4の焦点5またはその近傍に設置されたボールレンズ8とからなる。太陽光はフレネルレンズ4の焦点5またはその近傍で集光されてのちボールレンズ8を透過する。ボールレンズ8の出射側でボールレンズ8に近接または接した位置に導光路12の入射端面11(受光面10)が配される。導光路12は自身の入射端に入射した光を自身の出射端(13)に導いて出射するものであり、光ファイバ、光ファイバ束、ガラスロッド、透明樹脂ロッド、内面が鏡面であるパイプなどから構成されるものである。太陽光集光装置2を経た導光路12からの出射光を対象物14(図1ではスターリングエンジン)に照射することにより、対象物の加熱や励起を行うことができる。本発明においては、導光路12を用いずに対象物の表面を受光面として、ボールレンズ8を透過した光を直接に対象物に照射してもよい。
An example of the aspect of the solar light collecting device of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the solar
本発明においては、フレネルレンズ4の焦点5またはその近傍にボールレンズ8を位置させることにより、ボールレンズ8に入射した光よりもさらにエネルギ密度の高い光束が受光面10に照射あるいは入射される。受光面10がガラス等の光透性の物質からなる物体の受光面であったり、太陽光が照射されて物体が昇温しても、その昇温の程度がボールレンズ8がその昇温で損傷されない程度である場合には、受光面10はボールレンズ8に接触した状態であってもよい。例えば受光面10にボールレンズ8が載置された状態であってもよい。受光面10とボールレンズ8との間隙は10mm以下であることが好ましい。ボールレンズ8の径をd、受光面10とボールレンズ8との間隙をLとしたとき、L/dは0.2以下であることが好ましい。例えばボールレンズ8の径が50mmの場合、受光面10との間隙は10mm以下であることが好ましい。L/dがこの範囲を上回るとボールレンズ8からの出射光が発散し、受光面10での光束のエネルギ密度が低くなり、高温が得られない。L/dが0、すなわち、受光面10にボールレンズ8に接触した状態は、受光面10に対するボールレンズ8の位置決めが簡単で、高度に収束した太陽光を安定して受光面10に照射あるいは入射できる。なお、導光路を用いる場合は、導光路の入射端面11とボールレンズ8の距離がLである。
In the present invention, by positioning the
このことはボールレンズのシミュレーションからも説明できる。すなわち、図2はレンズを通過する光線92の光路をシミュレーションしたものであり、図2(a)のボールレンズ8においては収差のある焦点94がボールレンズ90の出射面近傍に存在する。
This can also be explained from the simulation of a ball lens. 2 is a simulation of the optical path of the
これに対して、図2(b)に示すように、半球レンズ8hを通過する光線92の光路シミュレーションでは、収差のある焦点94hが半球レンズ8hの出射面98側に出射面98から略半球レンズ8hの半径に相当する距離dd離れた位置pの近傍に存在する。通常の(虫眼鏡に用いるような)形状のレンズの場合でも焦点は出射面から大略レンズ径と同じ距離あるいはそれ以上離れた位置に存在する。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, in the optical path simulation of the
従って、通常の形状のレンズや半球レンズの場合、フレネルレンズ4の焦点近傍にその通常の形状のレンズや半球レンズを置いてフレネルレンズ4で集光された太陽光をさらに集光すると、その通常の形状のレンズや半球レンズの出射面から略レンズ径の半分あるいはそれ以上離れた位置が最も集光された位置であり、効率的な受光のためには、そのような位置に対象物の受光面を位置させなければならず、位置、すなわち、通常の形状のレンズや半球レンズと対象物の受光面との距離の調整が難しい。
Therefore, in the case of a normal shape lens or hemispherical lens, when the normal shape lens or hemispherical lens is placed near the focal point of the Fresnel
これに対して、ボールレンズ8の場合は、上述のようにボールレンズ8と受光面10とは近づけるほうがよいので、このような位置の調整は容易である。
On the other hand, in the case of the
本発明の太陽光集光装置2における対象物14としては、スターリングエンジンのほかに太陽光を熱源や光源として利用する各種の装置の受光部が挙げられる。本発明の太陽光集熱装置は、冷暖房用熱源、ヒートポンプ用熱源、給湯用熱源、光化学反応プラントの光源及び熱源、発電用蒸気タービン駆動用熱源、海水淡水化用熱源、植物プラント用光源及び熱源、海底浄化用光源、河川、湖沼浄化用光源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源、太陽電池の光源、小規模発電の熱源、として利用できる。
Examples of the
なかでも、本発明により2000℃以上2600℃に達する高温が得られるので、本発明の太陽光集熱装置はスターリングエンジンの熱源として好適に利用することができる。また、発電用蒸気タービン駆動用熱源として好適に利用することができる。 Especially, since the high temperature which reaches 2000 degreeC or more and 2600 degreeC is obtained by this invention, the solar heat collecting device of this invention can be utilized suitably as a heat source of a Stirling engine. Moreover, it can utilize suitably as a heat source for a steam turbine drive for electric power generation.
このように、本発明の太陽光集熱装置はスターリングエンジンや蒸気タービンを介してこれらにより駆動される発電機と連結して、クリーンエネルギによる発電装置を構成することができる。 Thus, the solar heat collecting apparatus of this invention can be connected with the generator driven by these via a Stirling engine and a steam turbine, and can comprise the power generator by clean energy.
本発明においては、フレネルレンズに代えて通常のレンズが用いられてもよいが、軽量薄型という点でフレネルレンズが好ましい、また、図3に示すように太陽光の集光手段6として、フレネルレンズに代えて球面鏡のような曲面鏡20が用いられてもよい。図3に示す太陽光集光装置2aにおいて、曲面鏡20の焦点5aまたはその近傍に設置されたボールレンズ8とからなる。太陽光は焦点5aまたはその近傍で集光されてのちボールレンズ8を透過する。ボールレンズ8の出射側でボールレンズ8に近接または接した位置に導光路12aの受光面10aが配される。導光路12aからの出射光を対象物14に照射することにより、対象物の加熱や励起を行うことができる。
In the present invention, a normal lens may be used in place of the Fresnel lens. However, the Fresnel lens is preferable in terms of light weight and thinness. Further, as shown in FIG. Instead of this, a
本発明においては、図4に示すように出射側で分岐する導光路12bが用いられてもよい。導光路12bとしては出射側で分岐する石英ロッドなどが好適に用いられる。導光路12bの入射端面11bに接して、あるいは上述のように近づけてボールレンズ8を配置し、導光路12bの分岐した出射端17にそれぞれ対象物14bを配することにより複数の対象物14bに高温の太陽光を照射することができる。例えば、複数のスターリングエンジンを同時に駆動することができる。
In the present invention, as shown in FIG. 4, a
また、本発明においては、ボールレンズ8の径dは、導光路の入射端部19における径d3と同じかあるいは小さくともよいが、図5などに示すようにdがd3より大きいことが好ましい。これにより、導光路の受光面10より大きい面積の径の光束をボールレンズ8で集光することができ、本発明の太陽光集光装置の集光の効率をよくすることができる。
In the present invention, the diameter d of the
さらに、本発明においては、ボールレンズ8に代えて図6に示すように球冠形状レンズ88が用いられてもよい。本発明に用いられる球冠形状レンズ88は、球体を直径方向の面で切断した形状のもので、切断面90の径d2がレンズ径dより小さく、球冠に膨らんだ部分の径がもとの球体の径であるものをいい、これを球冠形状のボール系レンズと称する。本明細書においては、ボールレンズ8と球冠形状レンズ88(球冠形状のボール系レンズ)とを総称してボール系レンズと称する。図6に示す態様にあっても、球冠形状レンズ88の径をd、受光面10と球冠形状レンズ88との間隙をLとしたとき、L/dは0.2以下であることが好ましい。切断面90と受光面10とは接していてもよい。球冠形状レンズ88の径dは、導光路の入射端部19における径d3より大きくなる。
Further, in the present invention, instead of the
また、図7に示すように、導光路12がガラスのような導光体92からなる場合、球冠形状レンズ88と導光体92とは、切断面90と受光面10が合わさって一体連接していてもよい。
As shown in FIG. 7, when the
図1に示す態様で1.5m角の面積のフレネルレンズ4を用い、太陽光に向かわせ、その焦点5に50mm径のボールレンズ8を配した。導光路12として、50mm径、長さ500mmの石英ロッドを用い入射端面11(受光面10)にボールレンズ8の出射側の面を接触させて配した。導光路12の出射端面にスターリングエンジン(ボーム社製:タイプHB7)を配置してその受光部を照射し、スターリングエンジンを駆動することができた。
In the embodiment shown in FIG. 1, a
ボールレンズ8と入射端面11(受光面10)との間隔を10mmとした他は実施例1と同様にしてスターリングエンジンを駆動することができた。
The Stirling engine could be driven in the same manner as in Example 1 except that the distance between the
ボールレンズ8と入射端面11(受光面10)との間隔を15mmとした他は実施例1と同様にしてスターリングエンジンを駆動することができた。運転状態は実施例1,2ほどはスムースでなかった。
The Stirling engine could be driven in the same manner as in Example 1 except that the distance between the
比較例2
ボールレンズ8を使用しなかったほかは実施例1と同様の配置でスターリングエンジンの駆動を試みた。すなわち、フレネルレンズ4に対向して焦点5に導光路12の入射端面(受光面10)を位置させて太陽光を入光させた。しかし、スターリングエンジンは作動しなかった。
Comparative Example 2
An attempt was made to drive the Stirling engine in the same arrangement as in Example 1 except that the
その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。 In addition, the present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications, and changes are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
本発明は太陽光を熱源や光源として利用する各種の装置に利用できる。例えば、冷暖房用熱源、ヒートポンプ用熱源、給湯用熱源、光化学反応プラントの光源及び熱源、発電用蒸気タービン駆動用熱源、スターリングエンジン用熱源、海水淡水化用熱源、植物プラント用光源及び熱源、海底浄化用光源、河川、湖沼浄化用光源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源、太陽電池の光源、小規模発電の熱源、として利用できる。 The present invention can be used for various devices that use sunlight as a heat source or a light source. For example, heat source for cooling and heating, heat source for heat pump, heat source for hot water supply, light source and heat source for photochemical reaction plant, heat source for driving steam turbine for power generation, heat source for Stirling engine, heat source for seawater desalination, light source and heat source for plant plant, seabed purification Light source, water source for river and lake purification, light source and heat source for wastewater purification using photocatalyst, light source for solar cell, heat source for small-scale power generation.
太陽光集光装置2、2a:
4:フレネルレンズ
6:集光手段
5、5a:焦点
8:ボールレンズ
11、11a、11b:入射端面
12、12a、12b:導光路
10:受光面
13:出射端
20:曲面鏡
14:対象物
88:球冠形状レンズ(球冠形状のボール系レンズ)
4: Fresnel lens 6: Condensing means 5, 5a: Focus 8:
Claims (4)
前記ボール系レンズが、直径dのボールレンズからなり、
さらに石英ロッドからなり該石英ロッドを取り巻く空気をクラッドとし、ボール系レンズで集光された光が入射される受光面をボール系レンズからLの間隔にした導光路を含み、
前記ボール系レンズを透過した太陽光を該ボール系レンズの出射面近傍に焦点を形成させ、d/Lが0.2以下になるようにして該導光路の入射端である受光面より入射させ、出射した太陽光を受光するようになした太陽光集光装置。 A condensing device used to collect and receive sunlight, comprising condensing means comprising a curved mirror or lens and a ball lens located at or near the focal point of the curved mirror or lens. , So as to receive sunlight that has been collected by the light collecting means and then transmitted through the ball- based lens,
The ball system lens is made Borure lens diameter d,
And a light guide path formed of a quartz rod with the air surrounding the quartz rod as a clad and having a light receiving surface on which light collected by the ball lens is incident at an interval L from the ball lens ,
Sunlight that has passed through the ball lens is focused in the vicinity of the exit surface of the ball lens, and is incident from the light receiving surface that is the incident end of the light guide so that d / L is 0.2 or less. A sunlight condensing device adapted to receive emitted sunlight.
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