JP6530257B2 - 太陽光集光モジュールおよびそれを用いた集光パネル - Google Patents

Description

本発明は、無追尾で太陽光を集光可能な平面板状の太陽光集光モジュールと、それを用いた集光パネルに関する。

太陽光を屋内に導入し、照明等に用いる様々な方式が提案されている。例えば、図７に示す太陽光集光照明装置が提案されている（特許文献１参照）。この太陽光集光照明装置は、複数個のレンズ１０１と太陽の位置を検出する太陽センサー１０２とを一体化した集光部本体を、機構部１０３と太陽センサー１０２とからの信号で制御する制御部１０４によって機構部１０３を動作させ、太陽の方向に向くように追従させるものである。各々のレンズ１０１の焦点付近には光ファイバ１０５の一端が配置され、集光された太陽光を光ファイバ１０５内に導く。そして、光ファイバ１０５の他端に接続された照明端末器具１０６から太陽光を屋内に照射するものである。

また、図８に示したような太陽追尾を不要とするものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この太陽光集光器は、上面からの広範な角度の入射光を許容し、下面側に放射する光機能性シート１１１と、この光機能性シート１１１の下面側に配置された導光体１１２と、この導光体１１２の下面１１２ａに設けられた反射面と、入射光が集光する導光体１１２の一端側面１１２ｂとを備えたものである。

この太陽集光器は、一端側面１１２ｂの広い面に太陽光を誘導するもので、一端側面１１２ｂの全面に太陽電池セルや集熱手段等の変換装置１１３を配置したりして太陽エネルギーを電力や熱に変換するものである。

特開平６−３００９２５号公報 特開２００７−２１８５４０号公報

しかし、特許文献１に記載された太陽光集光照明装置の場合、集光部本体を常時太陽の方向に正確に追従させなければならないという課題がある。また、こうした装置は、外部環境に設置する為に、耐防水、耐風圧の観点から透明なドーム１０７内に設置され、集光部本体部分を建屋の屋根または屋上と間隔を空けて設置されなければならない。こうした追従機構及び耐防水風圧構造部を装備しなければならない為、高コストなものになってしまう。さらに、こうした構造を必要とする為に重量が重くなり、屋根上に設けられる設置台数には自ずと制限がある。外観上の問題も生じる。

特許文献２に記載された太陽集光器は、広範な角度で入射する太陽光を集光するために光機能性シート１１１を用いる必要があるという課題がある。また、太陽光を他の場所に導いて利用することはできない。例えば、照明に用いる場合、太陽光を太陽電池により一旦電力等に変換し、その後、その電気を屋内等の照明器具に導いて、点灯させる必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、追尾機構を有さない簡素な構造により太陽光を集光し、光ファイバに導くことができる太陽光集光モジュールを
提供しようとするものである。

本発明の一実施形態に係る太陽光集光モジュールは、透明な板状の集光板であって、この集光板の裏面に、表面から入射した太陽光を一側面の集光領域の方向に反射させる傾斜面が、前記集光領域の方向に複数並設されているとともに、隣接する前記傾斜面同士の傾斜角度を変えて設けられており、前記集光領域を中心とする曲面状に設けられている集光板を有していることを特徴とする。

上記太陽光集光モジュールにおいて、前記傾斜面は、この傾斜面に直交し前記集光板の厚み方向に平行な断面において、前記集光板の外側に向けて凸の曲面状であってもよい。

上記太陽光集光モジュールにおいて、前記傾斜面のこの傾斜面に直交し前記集光板の厚み方向に平行な断面における曲面の曲率と、前記集光領域を中心とする曲面の曲率とは等しくてもよい。

上記太陽光集光モジュールにおいて、前記傾斜面の高さは、前記集光領域の方向に向かうにしたがって低くなっていてもよい。

本発明の一実施形態に係る太陽光集光パネルは、上記太陽光集光用モジュールを架台に複数並置したことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る太陽光集光モジュールによれば、裏面に、表面から入射した太陽光を一側面の集光領域の方向に反射させる傾斜面が、集光領域の方向に複数並設されているとともに、隣接する傾斜面同士の傾斜角度を変えて設けられており、集光領域を中心とする曲面状に設けられている集光板を有していることから、表面から入射した太陽光が裏面に設けられた傾斜面で反射されて集光領域に集光される。傾斜面は傾斜角度を変えて設けられているので、太陽の位置が変化しても適宜傾斜面に反射されて集光領域に集光される。したがって、無追尾型の太陽光集光モジュールとすることができる。

上記太陽光集光モジュールにおいて、傾斜面が、この傾斜面に直交し前記集光板の厚み方向に平行な断面において、前記集光板の外側に向けて凸の曲面状であると、傾斜面で反射した太陽光を集光領域に集光させやすくできる。

上記太陽光集光モジュールにおいて、傾斜面のこの傾斜面に直交し集光板の厚み方向に平行な断面における曲面の曲率と、集光領域を中心とする曲面の曲率とが等しいと、傾斜面で反射した太陽光を集光領域に集光させやすくできる。

上記太陽光集光モジュールにおいて、傾斜面の高さが、集光領域の方向に向かうにしたがって低くなっていると、傾斜面部からの反射光が、隣接した傾斜面部にぶつかりにくくなり、出射端に向け効率良く反射伝搬しやすくする事ができる。

本発明の一実施形態に係る太陽光集光パネルによれば、上記太陽光集光用モジュールを架台に複数並置したことから、それぞれの太陽光集光用モジュールで集光した太陽光を取り出して利用することができる。

本発明の一実施形態に係る集光板を用いた太陽光集光モジュールの外観イメージを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る太陽光集光パネルの外観イメージを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る太陽光集光モジュールに用いられる集光板の平面図である。 図３に示す集光板のＢ−Ｂ断面における断面図である。 図４で示した集光板のＡ部を拡大して示した要部拡大断面図である。 図３に示す集光板のＣ−Ｃ断面における断面イメージ図である。 従来の太陽光集光照明装置の例を示す模式図である。 従来の太陽光集光器の例を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態の各例について詳細に説明する。

図１は、本発明の太陽光集光モジュール１０の実施の形態の一例を示す斜視図である。また、図２は、複数個の太陽光集光モジュール１０を架台５上に２列に並べて配置した場合の太陽光集光パネル１１の実施の形態の一例を示す斜視図である。

太陽光集光モジュール１０は集光板１を備えている。集光板１の一側面１ｆに接続器２を介して光ファイバ３が接続されている。太陽光は、集光板１の上面から入射し、集光板１の内側で反射を繰り返して集光板１の集光領域１ｅに集光する。その太陽光を集光領域１ｅの出射端となる一側面１ｆから光ファイバ３に入射させる。そして、光ファイバ３内を伝播させて光ファイバ３の出射端から太陽光を出射させる。例えば、光ファイバ３を室内に導き、光ファイバ３の出射端に放射器具等を取り付けると、太陽光を室内に照射させて照明光として利用できる。

太陽光集光パネル１１は、１台以上の太陽光集光モジュール１０を例えば架台５上に搭載したものである。太陽光集光パネル１１は、例えば一般家庭の傾斜した屋根、又はビルの屋上、工場建屋、空き地等、日当たり良好な場所に設置される。なお、図２においてＷは東、Ｅは西、Ｓは南、Ｎは北方向であることを示す。また各集光モジュール１０は、各５台の内、片側のモジュールを反対方向に設置してもよい。

太陽光集光パネル１１は、平たい形状をしているため、家の屋根等に設置したとしても下から目立たず建築物の外観の障害となりにくい。また、強風時等、風圧による負荷が小さいため、屋根の上に設ける設置台数に関する制限も少なくできる。

図３は集光板１の平面図である。図３において、便宜的に、左右方向をＸ軸方向、上下方向をＹ軸方向とする。図４は図３の集光板１のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。また、図５は図４のＡ部を示す要部詳細断面図である。なお、図が煩雑になるので、ハッチングを省略した。図４，図５において、便宜的に左右方向をＸ軸方向、上下方向をＺ軸方向とする。太陽光集光モジュール１０は、集光板１のＸ軸が黄道面に平行となり、Ｚ軸が太陽高度に対して最適な向きとなるように、所定の角度で設置される。

集光板１には、上方から表面１ａを透過して太陽光が入射する。太陽光が入射面で反射するのを抑制、効率良く集光板１内に入射する為、集光板１の表面１ａには誘電体多層膜による反射防止コート、または光の位相の干渉による打ち消し合いを利用した反射防止シート等を設置するのがよい。これによって太陽光の入射効率が向上する。

集光板１の裏面１ｂには、太陽光を一側面１ｆの方向に反射させる複数の曲面状の傾斜面１ｄが設けられている。傾斜面１ｄは、Ｘ−Ｚ面内において、Ｘ軸方向に傾斜した曲面として形成される。したがって、集光板１に入射した太陽光は、傾斜面１ｄで反射され、
表面１ａで再び反射され、最終的に一側面１ｆ（以降、出射端１ｆとも言う）近傍の集光領域１ｅに集光される。出射端１ｆの端面形状は、接続する光ファイバのサイズ、本数により設定される。例えば直径がｄｍｍの光ファイバ２本を接続する場合は、（ｄ×２ｄ）ｍｍの矩形又は長円形の出射端１ｆ形状になる。

また、集光板１は、平面視において、集光領域１ｅに向けて幅が狭くなる扇形状を有している。このため、表面１ａから入射した太陽光は、裏面１ｂ側に構成された曲面状の傾斜面１ｄと、両側側面１ｃでも反射され、全反射領域Ｄ２での反射を介し、集光領域１ｅに向けて集光される。その後、太陽光は集光板１の出射端１ｂから光ファイバ３に入射する。

また、表面１ａは、裏面１ｂに対して傾斜角βで出射端１ｆ側に傾斜している。なお、裏面とは、傾斜面１ｄの下端を結んだ面である。集光板１内の導光スペースは、傾斜面１ｄによる反射光を効率良く出射端１ｆ側に伝搬させる為、出射端１ｆ側に向かうに従って厚みが薄くなるように形成される。すなわち表面1ａの傾斜角が裏面１ｂ面に対し角度β
だけ傾斜しており、裏面１ｂに構成した各傾斜面１ｄの上端を結んだ傾斜角をγとし、反射領域Ｄ１での入射光導光スペースを大きくし、１回程度の上面反射で集光領域Ｄ２に届くようにしている。

集光板１は、屈折率ｎrの透光性材料からなり、出射端１ｆの反対側面１ｇが球面状の
反射面とし、そこで反射した光が出射端１ｆ近傍で集光するように設定されている。また、集光板１の裏面１ｂ側に構成された傾斜面１ｄを含む裏面１ｂ、両側側面１ｃ、および表面１ａの出射端１ｆ側の全反射領域Ｄ２の表面１ａも高反射層を形成した反射面としている。高反射層領域は、例えばアルミニウム、または銀合金等の薄膜蒸着により鏡面状に形成されている。高反射層領域は、例えば誘電体多層膜によって集光板１内で全反射を生じやすくしたものでもよい。

図３に示したように、集光板１の平面形状は、中心軸（一点鎖線）に対し片側開角εの扇形形状である。又基準点は、その各片側開角εの側面同士の交点である。集光領域１ｅはこの基準点を中心とする領域である。

片側開角εは、接続する光ファイバ３の特性により設定される。使用する光ファイバのＮＡが0.5、集光板１の屈折率がｎrの値が１．５近傍の場合、
ε＝ｓｉｎ^―１（０．５）/ｎr＝２０°
となる。実際は、それより５度程度大きくし、入射範囲に余裕をもたせた方が良い。また太陽光は、ある入射角で平行光として集光板１の表面１ａに入射する。これを、集光板１の下面１ｂの傾斜面１ｄによって光ファイバ３に入射させる光束に絞り込まなければならない。そこで集光板１の下面の傾斜面１ｄは、傾斜面に直交し、集光板の厚み方向に平行な断面、すなわちＸ−Ｚ面内において、集光板１の外側に凸の曲面としてある。この曲面の曲率半径をＲn（ｎ＝１〜）とする。また同様に、傾斜面１ｄは平面視において、集光
領域１ｆを中心とする曲面としてある。このＸ−Ｙ面内における曲面の曲率半径をＲn（
ｎ＝１〜）とする。

ある曲率半径Ｒnをもつ球面鏡に平行光が入射する場合に、入射開角εが20°程度と小
さい場合は、反射光が集光する位置はほぼＲn/２の位置になる。したがって、傾斜面１ｄの曲面の曲率半径Ｒnの値をその傾斜面１ｄと集光端１ｆとの間の光路長の２倍程度に設
定すれば、傾斜面１ｄに反射された太陽光を、集光領域１ｆに集光させることができる。Ｘ−Ｚ面内における各傾斜面１ｄの曲率半径Ｒn（n=１〜）も、同様に曲面状に構成され
ており、傾斜面１ｄと集光領域１ｆとの間の光路長の約２倍に設定してある。その曲率Ｒｎは、集光領域１ｆから最も遠い曲率半径Ｒ１からＲ２、Ｒ３、Ｒ４・・・・と集光領域
１ｆに近づくにしたがって、小さくなっている。

図５は、図４に示すＡ部の拡大図である。そこに示すように、傾斜面１ｄの傾斜角αｎ（ｎ＝１〜）は、集光領域１ｆに近づくにつれ大きくなる。なお、傾斜面１ｄは曲面であるが、傾斜角αｎは、図５に示すように傾斜面１ｄの両端を結んだ平面と傾斜面１ｄの下側頂点同士を結ぶ面（裏面１ｂ）とが成す角度でもある。

太陽光は、集光板1の上面１ａから入射角Θiで入射し、屈折角Θrで集光板１内を進行
し、傾斜面１ｄに入射角（Θr＋α2―β）で入射する。なお、βは集光板１の表面１ａの傾斜角度である。また、出射端面１ｆと反対側の反射面１ｇから２番めの傾斜角α2を有
する傾斜面１ｄで反射される場合を例に説明する。屈折角Θｒは、
Θr＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎΘi/ｎr）
で示される。

ここで、傾斜面１ｄは、曲率半径Ｒｎの球面状となっている。その中心部で反射した入射光は、集光板１の表面１ａにほぼ入射角（Θr＋２（α2−β））で入射する。集光板１内の傾斜面１ｄの反射光が、表面１ａで全反射するには前記入射角が、臨界角Θcよりも
大きいことが必要である。臨界角Θcは、
Θc＝ｓｉｎ^-1（１/ｎr）
ｎr：集光板１の屈折率
で示される。すなわち、（Θr＋２（α2―β））＞Θcならば、傾斜面１ｄで反射した太
陽光は集光板１の表面１ａの内側で全反射する。その後、集光板１の出射端１ｆ側の全反射領域Ｄ2に向けて進行する。その他の傾斜角度α1、α3等である傾斜面１ｄへの入射光
も同様に反射、進行する。

その時の集光板１表面１ａの入射角Θicは、上記臨界角条件から次式で定められる。

Θic＞ｓｉｎ^-1（ｎr・ｓｉｎ（Θｃ−2（αｎ―β））
すなわち、傾斜面１ｄの傾斜角度αnに依存する。傾斜角度αnが大きい程、で表面１ａ内側で全反射する入射角Θicが小さくなる。

従って、大きさの異なる傾斜角度αnの傾斜面１ｄを組み合わせる事により、各傾斜面
１ｄによる異なる入射角範囲から、全体として集光板１の入射角Θicの範囲が広くとれる。傾斜角度αｎは、出射端１ｆに向けて次第に大きくなるように設定されている。これにより、αｎが大きい領域は、小さな入射角Θｉの範囲で、αｎが小さい領域は、大きな入射角Θｉから入射及び反射動作をする。

図４に、太陽光集光モジュールに入射する太陽光が集光領域１ｅに至る光線追跡の例を示す。図４では、反対側面１ｇ側から３番目の傾斜面１ｄに太陽光が入射した場合を示す。Ｄ１は、裏面１ｂに傾斜面１ｄが配置されている領域であり、その表面１ａから太陽光が入射する。Ｄ２は、裏面１ｂに傾斜面１ｄが無く、代わって、裏面１ｂ，両側側面１ｃおよび表面１ａに反射層が形成されている内部で全反射する領域である。なお、太陽光が入射する領域Ｄ１の表面１ａ部分以外、すなわちＤ１領域の両側側面１ｃ、裏面１ｂには反射層が形成されている。

図４においては、集光板１の上面から入射した太陽光が左から３番目の傾斜面１ｄに入射する場合を例示する。傾斜面１ｄで反射した太陽光は、集光板１の内側から表面１ａに入射角Θr＋２（α3―β）で入射し、そこで全反射した後、全周に反射層が形成されている領域Ｄ２に入射する。その後、表面１ａおよび裏面１ｂで全反射を数回繰り返し集光領域１ｅに集束する。それから、出射端１ｆに密着して接続された光ファイバ３に入射し、
光ファイバ３コア内を伝搬していく。

ここで傾斜面１ｄの入射位置から全反射面領域Ｄ２内までの距離をＤＳ２、傾斜面１ｄの反対側面１ｇ側の端から全反射面領域Ｄ２の反対側側面１ｇ側境界までの距離をＳ２とすると、ＤＳ２＞Ｓ２の場合、集光板１の表面１ａで１回反射する事で、全反射面領域Ｄ２に到達する事ができ、数回の内部反射後、出射端１ｆを介して、光ファイバ３の入射端に入射する。ＤＳ２＜Ｓ２の場合は、他の傾斜面１ｄに入射する事になり、入射太陽光は、散乱される。全反射領域は、集光板１の全長ＤからＤ１引いた部分で、そこが全反射領域Ｄ２となる。

表１は、集光板１の下面１ｂに構成した各傾斜面１ｄの入射角範囲を計算した結果を示す。αｎは、各傾斜面１ｄの傾斜角を示す。Θiminは集光板１の上面での入射角Θｉの最小値を示す。Θimaxは集光板１の上面での入射角Θｉの最大値を示す。ＤＳｎは、各傾斜面１ｄから最小入射角で１回反射で到達する距離を示す。Ｓｎは各傾斜面１ｄと全反射領域Ｄ２端との距離を示す。これら値は、集光板１の屈折率ｎｒ＝１．５、表面１ａの傾斜角度β＝６°として計算したものである。

表１より、傾斜角度αｎ＝30°の場合は、Θiがおおよそ３５°以上、６０°以下の範
囲で、傾斜面１ｄからの反射太陽光は、集光板１の表面１ａ内面での１回反射で、ＤＳｎ＞Ｓｎとなる為、全反射領域Ｄ2に到達する。傾斜角度αｎ＝31°の場合は、入射角が２
０°以上、５５°以下の範囲で表面１ａ内面に１回反射するだけで全反射領域Ｄ２に到達する。傾斜面１ｄの傾斜角度αが大きい程、集光板１の表面１ａに小さな入射角Θiでも
全反射領域Ｄ２に到達することができる。

例えば、太陽光の入射方向が背面１ｇ側からの場合、背面１ｇ側の傾斜面１ｄの傾斜角度αが小さな領域で反射した太陽入射光が全反射領域Ｄ２に入射し、徐々に太陽光の入射方向が移動、入射方向が出射端１ｆ側になるにつれて、出射端１ｆ側の傾斜面１ｄの傾斜角度が大きな領域で反射した光が全反射領域Ｄ２に入射するようになる。入射角により傾斜面１ｄの異なる傾斜面角度により反射動作する為、太陽光入射角Θｉの幅広い入射角範囲に対し、全反射領域Ｄ２に向けた集光機能をする構造となっている。

即ち、朝、太陽高度がある高さ（入射角Θｉが６０°以下）になると、出射端１ｆから一番遠くの第１の傾斜面１ｄに反射された太陽光が集光領域１ｅに届くようになる。その後、太陽が登るにつれ、隣の第２の傾斜面１ｄに反射された太陽光も集光領域１ｅに届くようになる。太陽が南中高度に近づくと（入射角Θｉが±２０°前後）、第１，第２の傾斜面１ｄ等によって反射された太陽光は集光領域１ｅに届かなくなるが、代わって出射端１ｆに近い側の複数の傾斜面１ｄに反射された太陽光が集光領域１ｅに届くようになる。

一方、各傾斜面１ｄの高さｈｎは、出射端１ｆ側に向かって徐々に低くなるようにしてある。これにより、出射端１ｆ側にある傾斜面１ｄによるケラレを生じ難くでき、出射端１ｆ側にある傾斜面１ｄによって反射光が遮られ、集光領域１ｆに達することができなくなる影響を小さくできる。なお、傾斜面１ｄの高さｈnとは、Ｚ軸に平行な方向における
傾斜面１ｄの上端と下端との長さを意味する。

各傾斜面１ｄの高さｈn（ｎ＝１〜）は、出射端１ｆ側に向かうにつれ、角度γで交わ
る２つの平面に接するように低くなる。角度γは、ｔａｎ^−１（ｈ１／Ｄ1）で示される
。ここで、ｈ１は、出射端１ｆから最も遠い傾斜面１ｄの高さ、Ｄ１は、裏面１ｂの傾斜面１ｄが設置された領域の長さであり、太陽光を入射させる領域Ｄ１の長さでもある。

これによって、各傾斜面１ｄのＸ軸上の長さも、ｌ1、ｌ2、ｌ3・・・と異なる長さに
なり、出射端１ｆに近づくにつれ短くなる。

その後、出射端１ｆからの出射光は、そのまま集光板１とほぼ同じ屈折率を有する端面に接続されている光ファイバ３端に入射し、伝搬する。接続器２は、集光板１と光ファイバ３の接続部を保持する支持体である。出射端１ｆと光ファイバ３端との接続は、単純な突き合わせでも良いし、又端面をレンズ状に加工した空間接続でもよい。接続器２は、そうした構造の集光板１の出射端１ｆと光ファイバ３端の各端部を接続固定する為の支持体である。尚、今回は集光板１との接続を光ファイバ３による接続としたが、それ以外にも小径のファイバを多数束状にしたファイバパンドル、更に大きな外径をもつフレキシブルな導光体でもよく、本発明の光ファイバ３とは、そうした導光する構造体全てを指しており、用途により使い分けて用いる事ができる。

次に、図６は、図３に示した集光板１のＣ−Ｃ断面を示した断面図である。ハッチングを省略して示してある。図６に示されるように、集光板１は、裏面１ｂ側が曲率Ｒ１、表面１ａ側は曲率Ｒ２の共に緩い円筒形状の面を有している。それにより入射光が出射端１ｆに向かって、全反射を繰り返し導光する際、Ｚ軸方向に集光する事ができる。Ｒ１、Ｒ２は、入射太陽光が、集光板１の全長Ｄ以上のところで集光するように各曲率を大きめに設定する。表面１ａを曲率Ｒ１、裏面１ｂを曲率Ｒ２とすることによって、それにより入射太陽光が集光板１の上面１ａ、Ｚ軸に対し入射角Θａで入射した場合でも、上面のレンズ作用と下面の球面鏡作用によりＺ軸方向に集光される。

また、両側側面１ｃは、Ｙ軸に対して角度Θbの傾斜面を有している。例えば春分、秋
分時を基準にして設置すると、春分および秋分時に対し、夏至、冬至時期の南中高度の変動を±Θaとすると、側面の傾斜角度Θbは、
Θb＝ｓｉｎ^−１（sinΘa/ｎr）
によって設定される。なお、ｎｒは集光板１の屈折率である。

これにより春分の日および秋分の日の南中高度をＺ軸基準にした場合、太陽の南中高度が±Θa変動したとしても、集光板１の表面１ａからの入射光の多くを集光板１内に入射
させる事ができ、傾斜面１ｄに反射させてＸ軸方向に伝搬させる事ができる。また、集光板１の表面１ａを曲率Ｒ２の曲面状にする事で、集光板１への太陽光入射面積が、平面に
した場合よりも増大させる事ができ、そのレンズ効果により出射端１ｆに対し中心軸Ｚに集光させることができる為、太陽光の入射効率（出射端１ｆからの出射光強度／入射面１ａからの入射光強度）の改善に寄与する。

同様に集光板１の下面を曲率Ｒ１の曲面形状にしておく事で、断面Ｃ−Ｃ内において球面鏡として作用する為、季節による南中高度の変動による傾斜面１ｄからの反射光の集光スポットの位置の変動を曲率Ｒ１の球面鏡による集光効果により、緩和する事ができる。

このような太陽光集光モジュール１０は複数個を架台５等に設置して太陽光パネル１１として用いられる。太陽光集光モジュール１０は、Ｘ軸方向が東西方向と一致し、Ｙ軸方向が南北と一致するように設置される。

さらに各太陽光集光モジュール１０のＸ軸を中心軸とすると、季節に応じ、最大±Θa
計２Θa回転させる機構を付加する。それにより常時太陽光が集光モジュール４のＸ軸（
東西）の垂直Ｚ軸方向からの入射角度で入射させる事ができ、季節によるＹ軸側の南中高度変動によるが入射角変動が緩和され、より効率的、安定的に太陽光を各集光モジュール４に入射させる事ができる。

太陽光の入射角度Θiの範囲は、例えば表１から−７５°〜＋６０°とすることができ
る。すなわち、入射角度の範囲を１３５°程度とする事ができる。また、傾斜屋根設置の場合、反対側にも同じものを設置する事により、日の出から日の入りまで、ほぼ終日入射させることができる。また、1照明に対し太陽光集光モジュール１０を２〜４個使用すれ
ば、照明用光ファイバ３は、設置屋根上の両方にある集光モジュール４からとり、午前から午後まで安定的に太陽入射光を取り込む事ができる。

また、太陽光集光モジュール１０を他の一般照明機器と組み合わせて使用する事により、照明機器の電力削減を図る事ができる。例えば、照度センサー付きＬＥＤ照明器具と共に使用する事により、天候悪化の際、曇りの場合は、ＬＥＤ照明器具に照明を切り替えることによって、照明を補間するスマート照明用として使用する事ができる。尚、これまで集光板１に対して光ファイバ３のようなフレキシブル導光体を接続、照明用としての応用例を示したが、本発明は、それ以外の用途に用いても良く、集光板１の出射端１ｆに集光型太陽電池素子を複数個設置し、そこで光電変換して電力を取り出す平板固定型の集光型太陽電池として活用する事ができる。その他、出射端１ｆに集熱パイプ壁を設置、そこで集熱、パイプ壁内部の流体と熱交換、パイプ内流体を加熱する集熱器としても活用できる。

次に本発明の太陽光集光モジュール１０の具体的な一実施例について説明する。

集光板１の材料としては、光学プラスチック、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂のような屈折率1.49〜1.6のものが使用できる。これに切削機械加工、または成形すること
により所定形状に製作する。集光板１の材料としては、その他の透光性樹脂材料または光学ガラス系の材料でも構わない。上記一実施例においては、屈折率ｎr＝１．５のポリメ
タクリル酸メチル樹脂の透光性プラスチック樹脂材料を、機械加工して用いた。

集光板１は、図３で示した形状で、長さＤ＝4１5ｍｍ、幅Ｗ350ｍｍ、反対側側面１ｇ
の高さは６７ｍｍ、表面１ａのＸ軸に対する傾斜角βは６°、出射端１bは、高さ4×幅8
ｍｍの矩形状である。上面視および正面視において、ほぼ扇形状の形状を有している。

集光板１の裏面１ｂには、傾斜角度αが、３０〜４１°の傾斜面１ｄが形成されている。これら傾斜面１ｄの各設計パラメータを、表２に示した。

傾斜面１ｄは、集光領域１ｅを中心とし、光路距離Ｒｎが等距離になる曲率の曲面をＸ−Ｙ面内およびＸ−Ｚ面内に有している。また、各傾斜面１ｄの頂点を結んだ傾斜角γは、６度として構成した。太陽光入射領域Ｄ１は265ｍｍ、全反射領域Ｄ２は150ｍｍとし、集光板１の両側側面１ｃ、傾斜面１ｄを含む裏面１ｂ、全反射領域Ｄ２の表面１ａは、銀−錫、銀―インジウム、銀―ニッケル合金等による反射層を真空蒸着によって施した。また、この集光板１の出射端１ｆにコア径が２．９ｍｍ、クラッド径が３ｍｍ、ＮＡ（ファイバ開口数：入射角度）が０．５、長さ１０ｍのプラスチックファイバ２本を光ファイバ３として接続した。

集光板１の出射端１ｆと光ファイバ３の入射端との接続は、ファイバ端加熱による溶着し、外周を支持固定用ホルダにより密着固定した。なお、光ファイバ３端との集光板１の出射端１ｆの接続部に、透光性のエポキシ接着剤を介して密着接続してもよい。

このような集光板１を用いた太陽光集光モジュール１０を２個用い、Ｘ軸が東西方向になるように設置した。各集光板１に２本の光ファイバ３を計４本、固定用ホルダにより固定した。その４本の光ファイバ３の出射端を６畳程度の暗室天井にまとめて固定設置した。実際に太陽光を照射させ太陽光集光モジュール４に接続した光ファイバ３、１本に付き約５００〜１０００ｌｍ程度の光が出射する事ができ、それらを４本用いる事により２０００〜４０００ｌｍとなった。それにより約１０ｍ^２のスペースを照らすのに十分な照度が得られる事が認められ、太陽光集光モジュール４の有効性を確認する事ができた。

１：集光板
１ａ：反射端側
１ｂ：出射端側
１ｃ：上面側
２：ファイバ接続部
３：光ファイバ
４：集光モジュール
５：パネル用架台
６：照明器具
７：レンズ集光部
８：透明ドーム
９：太陽位置検出センサ
１０：追尾架台

Claims (3)

1. 透明な板状の集光板であって、該集光板の裏面に、表面から入射した太陽光を一側面の集光領域の方向に反射させる傾斜面が、前記集光領域の方向に複数並設されているとともに、隣接する前記傾斜面同士の傾斜角度を変えて設けられており、前記集光領域を中心とする曲面状に設けられている集光板を有しており、
   前記傾斜面は、該傾斜面に直交し前記集光板の厚み方向に平行な断面において、前記集光板の外側に向けて凸の曲面状であるとともに、前記傾斜面の該傾斜面に直交し前記集光板の厚み方向に平行な断面における曲面の曲率と、前記集光領域を中心とする曲面の曲率とが等しいことを特徴とする太陽光集光モジュール。
2. 前記傾斜面の高さは、前記集光領域の方向に向かうにしたがって低くなることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽光集光モジュールを架台に複数並置したことを特徴とする太陽光集光パネル。