JP5620212B2 - 集光器及び集光装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光等の光を集める集光器、及びこの集光器を並べた集光装置に関するものである。

例えば、特許文献１に記載の集光器では、透明材料に整流スリット、放射スリット及び仕切スリットを設けて集光ユニットを形成し、この集光ユニットを平板状に並べて形成した集光板を多段に積み重ねることにより、太陽光を集光する集光塔を構成している。

特開２００８−４７５７５号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、集光板を多段に積み重ねて集光するので、透明材料内での光の吸収・減衰、及び反射面での光の損失が重なり、十分な光量まで集光させることができず、集光効率を向上させることが難しい。

本発明は、上記点に鑑み、集光効率を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、入射した光を集光するための集光器であって、空気より大きな屈折率を有するとともに光が通過可能な材料にて構成され、光が入射する入射部（３Ａ）から光が出射する出射部（３Ｂ）に向かうほど断面積が縮小する錐状の第１導光体（３）と、第１導光体（３）の錐面（３Ｃ）から出射する光を第１導光体（３）側に反射させる第１反射面（５Ｂ）とを備えることを特徴とする。

これにより、請求項１に記載の発明では、入射部（３Ａ）から第１導光体（３）に入射した光は、第１反射面（５Ｂ）で反射しながら出射部（３Ｂ）側に進行し、出射部（３Ｂ）から第１導光体（３）外に出射するので、光の吸収・減衰、及び反射面での光の損失が増大することを抑制しつつ、様々な方角から入射部（３Ａ）に入射した散乱光の進行方向を一定方向に揃えることができ、集光効率を向上させることが可能となる。

さらに、請求項１に記載の発明では、第１導光体（３）から出射した光が入射するダイバージェント空間（５Ｃ）を構成するととともに、光を反射させる第２反射面（５Ｄ）を備えており、ダイバージェント空間（５Ｃ）は、第１導光体（３）から離れるほど断面積が拡大する錐状の空間であることを特徴とする。

これにより、請求項１に記載の発明では、第１導光体（３）から出射した光をダイバージェント空間（５Ｃ）により平行光に近づけることができるので、集光効率を更に向上させることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、ダイバージェント空間（５Ｃ）から出射した光が入射するコンバージェント空間（５Ｅ）を構成するととともに、光を反射させる第３反射面（５Ｆ）を備えており、コンバージェント空間（５Ｅ）は、ダイバージェント空間（５Ｃ）から離れるほど断面積が縮小する錐状の空間であることを特徴とする。

これにより、請求項２に記載の発明では、ダイバージェント空間（５Ｃ）から出射した平行光を凸レンズの如く集光することができるので、エネルギー密度の高い光線を得ることが可能となる。

なお、請求項３に記載の発明のごとく、ダイバージェント空間（５Ｃ）及びコンバージェント空間（５Ｅ）のうち少なくとも一方の空間に、空気より大きな屈折率を有するとともに光が通過可能な材料からなる第２導光体（７）を配設してもよい。

また、請求項４に記載の発明のごとく、第１導光体（３）のうち出射部（３Ｂ）を構成する錐面（３Ｃ）のテーパ角（Ｃ３）を、第１反射面（５Ｂ）に対応する錐面（３Ｃ）のテーパ角（Ｃ１）と異なる角度としてもよい。

さらに、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の集光器（１）が、横方向に複数個並んでいることを特徴とする。
これにより、請求項５に記載の発明では、散乱光を確実に集光させることができるので、光効率を向上させることができる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る集光器１の概念図である。 集光効率を示す光線追跡シミレーション結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る集光器１の概念図である。 本発明の第２実施形態に係る集光器１の光線追跡シミレーション結果を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る集光器１の概念図である。 集光効率を示す光線追跡シミレーション結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は第４実施形態に係る集光器１の概念図である。 本発明の第５実施形態に係る集光器１の概念図である。 （ａ）は本発明の第６実施形態に係る集光装置の概念図であり、（ｂ）は図９（ａ）の一部拡大図である。

本実施形態は、太陽光を集光する集光器、及びこれを用いた集光装置に本願発明を適用したものであって、以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る集光器１の断面図を示しており、この集光器１は、第１導光体３及び第１導光体３が嵌め込まれたハウジング５等から構成されている。

そして、第１導光体３は、空気より大きな屈折率を有するとともに光が通過可能な透明材料（例えば、ガラスやアクリル等）にて構成され、光が入射する入射部３Ａから光が出射する出射部３Ｂに向かうほど断面積が縮小する円錐状に形成されている。

また、ハウジング５には、第１導光体３が嵌り込む円錐状の穴部５Ａが形成されているとともに、その穴部５Ａの内周面には、第１導光体３の錐面３Ｃから出射する光を第１導光体３側に全反射させるための第１反射面５Ｂが設けられている。なお、第１反射面５Ｂは、穴部５Ａの内周面にアルミニウム又は銀等の金属を蒸着させることにより形成されている。

因みに、図１では、集光器１の構造の理解を容易にするために、穴部５Ａの内周面（第１反射面５Ｂ）と第１導光体３の錐面３Ｃとの間に隙間が記載されているが、実際の集光器１では、穴部５Ａの内周面と第１導光体３の錐面３Ｃとの間に隙間はなく、穴部５Ａの内周面と第１導光体３の錐面３Ｃとは隙間なく接触している。

これにより、本実施形態では、入射部３Ａから第１導光体３に入射した光は、第１反射面５Ｂで反射しながら出射部３Ｂ側に進行して出射部３Ｂから第１導光体３外に出射するので、光の吸収・減衰、及び反射面での光の損失が増大することを抑制しつつ、様々な方角から入射部３Ａに入射した散乱光の進行方向を一定方向に揃えることができ、集光効率を向上させることが可能となる。

なお、図２は、第１導光体３の屈折率ｎ＝２．２とし、入射部３Ａから出射部３Ｂまでの寸法Ｌ１（図１参照）をパラメータとした場合の第１導光体３の錐角（テーパ角）Ｃ１（図１参照）と集光効率（Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ）との関係を示す光線追跡シミレーション結果である。

因みに、寸法Ｌ１は、入射部３Ａの半径寸法を基準としたときの倍率を示しており、「ｘ３」とは、寸法Ｌ１が入射部３Ａの半径寸法の３倍であることを意味する。また、集光効率とは、出射部３Ｂにおける単位面積当たりの光エネルギーを、入射部３Ａにおける単位面積当たりの光エネルギーで除した値である。

そして、図２から明らかなように、寸法Ｌ１を適切な寸法以上とし、かつ、錐角Ｃ１を約２０ｄｅｇ以上とすれば、入射部３Ａに入射した散乱光（様々な方向に進行する光）を約１０以上の集光効率で集光させることができる。したがって、本実施形態では、集光効率を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態は、図３に示すように、ハウジング５を出射部３Ｂから延長することにより、第１導光体３から出射した光が入射するダイバージェント空間５Ｃを構成するととともに、このダイバージェント空間５Ｃの内周面に光を全反射させるための第２反射面５Ｄを設け、かつ、ダイバージェント空間５Ｃを、第１導光体３（出射部３Ｂ）から離れるほど断面積が拡大する円錐状の空間としたものである。

なお、第１実施形態では、出射部３Ｂは、第１導光体３の円錐軸に対して直交する平面であったが、本実施形態では、第１導光体３がほぼ完全な円錐状となるため、第１導光体３の錐面３Ｃのうちダイバージェント空間５Ｃ内に位置する部位が、本実施形態に係る出射部３Ｂとなる。

因みに、図３においても、集光器１の構造の理解を容易にするために、第１導光体３の錐面３Ｃと穴部５Ａの内周面（第１反射面５Ｂ）との間に隙間が記載されているが、実際の集光器１では、穴部５Ａの内周面と第１導光体３の錐面３Ｃとの間に隙間はなく、穴部５Ａの内周面と第１導光体３の錐面３Ｃとは隙間なく接触している。

これにより、本実施形態では、第１導光体３から出射した光を、図４に示すように、ダイバージェント空間５Ｃにより平行光に近づけることができるので、散乱光の集光効率を更に向上させることが可能となる。

因みに、図４中、「出射部からの距離」を示す数字は、数字が大きくなるほど出射部３Ｂからの距離が大きくなることを示すもので、具体的な長さを示すものではない。同様に、「中心線からの距離」を示す数字も数字が大きくなるほど、第１導光体３の円錐軸からの距離（半径）が大きくなることを示すもので、具体的な長さを示すものではない。

また、本実施形態では、第１導光体３の錐面３Ｃのうちダイバージェント空間５Ｃ内に位置する部位が出射部３Ｂとなるので、出射部３Ｂから出射した光は、円錐軸方向に出射することなく、ダイバージェント空間５Ｃの第２反射面５Ｄに向かって出射する。

したがって、第２反射面５Ｄにて反射することなく、ダイバージェント空間５Ｃを通過してしまう光を少なくすることができるので、散乱光をダイバージェント空間５Ｃにより効果的に平行光に近づけることができる。

一方、出射部３Ｂから出射した光が、第２反射面５Ｄにて反射することなく、ダイバージェント空間５Ｃを直線的に通過してダイバージェント空間５Ｃから出射すると、出射した光が拡散する可能性があるので、平行光に近づけることが難しい。

なお、ダイバージェント空間５Ｃの入口から出口までの寸法Ｌ２（図３参照）、ダイバージェント空間５Ｃの入口直径寸法φ１及び出口直径寸法φ２（図３参照）、並びにダイバージェント空間５Ｃの錐角Ｃ２（図３参照）を、例えば以下の数式１を満たすように設定すれば、入射部３Ａに入射した散乱光を、その進行角度の標準偏差が１０ｄｅｇ以下となるまで平行化してダイバージェント空間５Ｃから出射させることが可能となる。

（φ１−φ２）／２・Ｌ２・ｔａｎ（Ｃ２／２）…数式１
（第３実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、第２実施形態に対してハウジング５を光の出射方向に延長してダイバージェント空間５Ｃから出射した光が入射するコンバージェント空間５Ｅを構成するととともに、このコンバージェント空間５Ｅの内周面に光を反射させる第３反射面５Ｆを設け、かつ、コンバージェント空間をダイバージェント空間５Ｃから離れるほど断面積が縮小する円錐状の空間としたものである。

これにより、本実施形態では、ダイバージェント空間５Ｃから出射した平行光を凸レンズの如く集光することができるので、図６に示すように、エネルギー密度の高い光線を得ることが可能となる。

なお、図６は、第１導光体３の屈折率ｎ＝２．２とし、入射部３Ａから出射部３Ｂまでの寸法Ｌ１をパラメータとして第１導光体３の錐角Ｃ１を変化させた場合であって、コンバージェント空間５Ｅの円錐形状、第１導光体３の円錐形状及び第１導光体３の円錐形状が略合同となるように設定した場合の集光効率を示すシミレーション結果である。

（第４実施形態）
本実施形態は、ダイバージェント空間５Ｃ、又はダイバージェント空間５Ｃ及びコンバージェント空間５Ｅに、空気より大きな屈折率を有する透明な第２導光体７を配設したものである。因みに、本実施形態では、第１導光体３と第２導光体７とは一体成形されている。

なお、図７（ａ）は、第２実施形態に係る集光器１のダイバージェント空間５Ｃに第２導光体７を配設した例であり、図７（ｂ）は、第３実施形態に係る集光器１のダイバージェント空間５Ｃに第２導光体７を配設した例である。

因みに、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、集光器１の構造の理解を容易にするために、ハウジング５と第１導光体３及び第２導光体７との間に隙間が記載されているが、実際の集光器１では、これらは隙間なく接触している。

（第５実施形態）
本実施形態では、図８に示すように、第１導光体３のうち出射部３Ｂを構成する錐面の錐角Ｃ３を、第１反射面５Ｂに対応する錐面３Ｃの錐角Ｃ１と異なる角度としたものである。なお、図８では、集光器１の構造の理解を容易にするために、ハウジング５と第１導光体３との間に隙間が記載されているが、実際の集光器１では、これらは隙間なく接触している。

また、図８では、Ｃ１＞Ｃ３としているが、これとは逆にＣ１＜Ｃ３としてもよい。因みに、第２実施形態では、第１導光体３がほぼ完全な円錐状であったため、第１導光体３のうちダイバージェント空間５Ｃ内に位置する部位（出射部３Ｂ）の錐角Ｃ１と、第１反射面５Ｂに対応する錐面３Ｃの錐角Ｃ３とが同一角度である。

（第６実施形態）
本実施形態は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、集光器１を横方向に多数個並べてシート状とするとともに、集光した光の出射側に光ファイバー、反射光学系及び屈折光学系のうち少なくとも１つを設けて集光装置１０としたものである。なお、横方向とは、入射部３Ａから出射部３Ｂに向かう向きと直交する方向をいう。

これにより、広範囲で太陽光を集光させることができるので、曇天であっても効果的に太陽光を集光させることができ、容易に太陽熱エネルギーシステムを構築することができるとともに、遠隔地まで集光した光を移動させることができる。

なお、図９（ａ）に示す例では、第３実施形態に係る集光器１のみを横方向に多数個並べてシート状としたが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第１〜５実施形態のいずれかに記載された集光器１のみ、又はいずれかの集光器１を組み合わせて横方向に多数個並べてシート状としてもよい。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、第１導光体３等を円錐状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、三角錐や四角錐等のその他の錐形状であってもよい。

また、上述の実施形態では、入射部３Ａから出射部３Ｂに掛けて半径が線形的に縮小する錐状であったが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、ハウジング５に反射面を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第１導光体３や第２導光体７の錐面に反射面を形成し、ハウジング５を廃止してもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

１…集光器、３…第１導光体、３Ａ…入射部、３Ｂ…出射部、３Ｃ…錐面、
５…ハウジング、５Ａ…穴部、５Ｂ…第１反射面。

Claims (5)

1. 入射した光を集光するための集光器であって、
   空気より大きな屈折率を有するとともに光が通過可能な材料にて構成され、光が入射する入射部から光が出射する出射部に向かうほど断面積が縮小する錐状の第１導光体と、
   前記第１導光体の錐面から出射する光を前記第１導光体側に反射させる第１反射面と、
   前記第１導光体から出射した光が入射するダイバージェント空間を構成するととともに、光を反射させる第２反射面とを備え、
   前記ダイバージェント空間は、前記第１導光体から離れるほど断面積が拡大する錐状の空間であることを特徴とする集光器。
2. 前記ダイバージェント空間から出射した光が入射するコンバージェント空間を構成するととともに、光を反射させる第３反射面を備えており、
   前記コンバージェント空間は、前記ダイバージェント空間から離れるほど断面積が縮小する錐状の空間であることを特徴とする請求項１に記載の集光器。
3. 前記ダイバージェント空間及び前記コンバージェント空間のうち少なくとも一方の空間には、空気より大きな屈折率を有するとともに光が通過可能な材料からなる第２導光体が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光器。
4. 前記第１導光体のうち前記出射部を構成する錐面のテーパ角は、前記第１反射面に対応する錐面のテーパ角と異なる角度であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の集光器。
5. 前記入射部から前記出射部に向かう向きと直交する方向を横方向と呼ぶとき、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の集光器が、前記横方向に複数個並んでいることを特徴とする集光装置。