JP6929972B2 - 集光型多機能太陽エネルギーシステム - Google Patents

Description

本発明は、クリーンエネルギー技術分野に関し、特に集光型多機能太陽エネルギーシステムに関する。

環境保護が益々重視されるにつれ、太陽エネルギーシステムは益々広範囲に使用されるようになっている。通常、従来のソーラーシステムは機能が単一であり、よく見られる種類は以下を含む。光電変換デバイスを用いて発電するものと、太陽エネルギーを熱エネルギーに変換した後、熱エネルギー発電機を用いて発電するものと、直接に太陽エネルギーを熱利用するものである。しかしながら、ほとんどの応用において、電力供給及び熱供給（例えば温水及び暖房）機能は同時に得られることが期待されている。

また、従来の太陽エネルギーを熱利用するシステムは、一般的に大きく（例えば真空管太陽熱温水システムなど）、取付及び使用上の困難性及びセキュリティリスクが存在し、様々な応用に普及させることが困難である。そのため、構造がコンパクトな多機能太陽エネルギーシステムを研究する必要がある。

本発明は、集光構造層と、導光構造層と、底トレイと、少なくとも一つの光エネルギー利用装置とを備えた集光型多機能太陽エネルギーシステムを提供する。集光構造層は、少なくとも一つのフレネル集光装置を含み、それぞれのフレネル集光装置が、一つの集光型フレネルレンズを含み、導光構造層は、集光構造層の下方に配置され、導光構造層は、少なくとも一つの反射型の導光筒を含み、その内壁が少なくとも部分的に反射鏡面であり、且つ頂部開口が大きく底部開口が小さく、フレネル集光装置を介して集光された光線が導光筒の頂部から入射し、底トレイは、導光構造層の下方に配置され、光エネルギー利用装置は、導光筒の底部、または導光筒の中に配置され、光エネルギー利用装置は、光電変換デバイスを含む。集光構造層の周辺と導光構造層の周辺とは密接しており、これにより両者の間に閉鎖された第１の空間が形成され、導光構造層の周辺と底トレイの周辺とは密接しており、これにより両者の間に閉鎖された第２の空間が形成されている。第２の空間に、光電変換デバイスと熱伝導接続された作動媒体が収容されている。

本発明に係る集光型多機能太陽エネルギーシステムは、２つの閉鎖された空間を介して光エネルギーの電気利用及び熱利用をそれぞれ実現し、コンパクトな構造を有することにより、様々な環境の取付のニーズを満たすことができる。また、フレネル集光装置を用いることにより、太陽光を比較的大きな受光面から比較的小さい光エネルギー利用装置に集光させ、集光比を向上させることにより、更なる熱利用を容易にし、装置全体の高さを低減させることにも効果的である。また、熱利用に用いられる作動媒体と光電変換デバイスの熱伝導接続により、光電変換デバイスの温度を低下させて作業効率及び寿命を確保できるほか、電気エネルギーに変換されていないエネルギーを熱エネルギーの形で引き続き利用でき、太陽エネルギーに対する全体的な利用効率を向上させることができる。

以下、図面と併せて、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。本明細書で用いられる位置を表す単語（例えば、「上」、「下」、「頂部」、「底部」等）は、相対的な位置関係を示すものであり、絶対的な意味を有するものではない。本明細書で用いられる番号またはシリアル番号（例えば、「第１の」、「第２の」等）は、識別の役割を果たしているだけであり、限定的な意味を有するものではない。

実施例１における集光型多機能太陽エネルギーシステムの概略図である。 本発明における横断面が六角形の導光筒内に光学気体が充填された概略図である。 本発明における複合型光エネルギー利用装置の概略図である。 本発明における好ましいフレネル集光装置の概略図である。 本発明における閉鎖型光エネルギー利用装置の概略図である。 実施例２における集光型多機能太陽エネルギーシステムの概略図である。 実施例３における集光型多機能太陽エネルギーシステムの概略図である。

＜実施例１＞
本発明に係る集光型多機能太陽エネルギーシステムの一つの実施態様について、図１を参照されたい。図１は、本システムの縦方向に沿って分解した構造の構成概略図を示し、集光構造層１１０と、導光構造層１２０と、光エネルギー利用装置１３０と、底トレイ１４０とを含む。

集光構造層１１０は、一つのフレネル集光装置を含む。本実施例において、フレネル集光装置は、集光型フレネルレンズ１１１から構成されている。他の実施態様において、集光構造層は、複数のフレネル集光装置を含んでもよく、例えば、アレイ構造によって、集光構造層全体を形成するように配列されてもよい。所望の集光効果が得られるため、各集光装置は、より多くの光学部品を備えてもよい。光学機能を実現する部品以外、集光構造層は、他の部材と接続するための周辺構造を更に有し、具体的な構造の形式及び形状は、実際応用のニーズに応じて設計すればよく、所望の接続関係を実現すればよい。例示的には、本実施形態において、集光構造層は、直筒形の周辺構造１１２を有する。

導光構造層１２０は、集光構造層１１０の下に配置され、反射型の導光筒１２１を含む。導光筒の内壁は、少なくとも一部が反射鏡面であり、且つ頂部開口がより大きく、底部開口がより小さい。フレネル集光装置を介して集光された光線が導光筒の頂部から入射する。導光筒と集光装置は対応関係を有し、他の実施態様において、集光構造層が複数の集光装置を有する場合、それに応じて、導光構造層は複数の導光筒を有してもよい。例えば、集光装置に類似するアレイ構造に配列してもよい。製造またはアレイへの統合を容易にするために、導光筒の横断面形状は、以下の中から選んでもよい。四角形、六角形、円形など。本実施例では、四角形の導光筒を示す。導光構造層は、同様に他の部材と接続するための周辺構造を有する。例えば図１に示される直筒形のキャップ１２２である。導光構造層が複数の導光筒により組み立てられるアレイとして構成される場合、キャップは、複数の導光筒のアレイの外周に沿うようにアレイを取り囲んでもよい。

集光構造層の周辺は、導光構造層の周辺または頂部と密接に協働し、これにより両者の間に密封された第１の空間が形成される。そのために、フレネルレンズ１１１は、第１の空間を形成するために、集光構造層の頂面（または少なくとも一部の頂面）を形成することが好ましい。例示的に、本実施例において、導光構造層は、直筒形のキャップ１２２を介して、集光構造層の周辺構造１１２と密接に嵌合されている。第１の空間の密閉性は、その中の清潔さを保つことに役に立ち、各部品の作業効率及び使用寿命を確保する。第１の空間内に、空気または不活性気体が充填されてもよく、真空であってもよい。好ましい実施形態として、第１の空間内に、屈折率が１より大きい気体が充填されることにより、更に集光比を増加させる屈折率が１より大きい気体は、光学気体及び圧力が大気圧より大きい高圧気体を含む。前記光学気体とは、同一の物理条件下で、その屈折率が空気の屈折率より大きい気体のことであり、前記同一の物理条件とは同じ温度及び圧力である。図２は、横断面が六角形の導光筒Ｂ０１内に屈折率が１より大きい気体Ｂ０２が充填された場合を示す。

光エネルギー利用装置１３０は、導光筒１２１の底部に設けられることにより、導光筒の底部が閉鎖されている。本実施例において、光エネルギー利用装置は、光電変換デバイスであり、例えば、様々な材料から製作されたソーラーパネル、薄膜太陽電池、量子ドットソーラー材料であり、簡潔にするために、以下は、「ソーラーパネル」を代表として説明する。本実施例において、片面の受光ソーラーパネル１３１を採用し、その受光面は、導光筒の頂部に向かう。他の実施態様において、両面の受光ソーラーパネルを採用してもよく、導光筒の中に配置され、熱伝導性支持部材を介して導光筒に固定される場合、導光筒の底部は、反射鏡面によって閉鎖することができる。他の実施態様において、複数の導光筒がある場合、複数の光エネルギー利用装置をそれに対応して配置してもよい。また、好ましい実施態様として、光エネルギー利用装置は、複合型のものであってもよく、ソーラーパネル以外、さらに熱電変換デバイスを含んでおり、ソーラーパネルの外側に放熱された熱伝導経路に配置されることにより（例えばソーラーパネルの背面に密接させる）、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電変換デバイスとしては、例えば、熱電効果を有する半導体デバイスを採用してもよい。図３に、ソーラーパネルＣ０２及び熱電変換デバイスＣ０３を同時に含む複合型光エネルギー利用装置Ｃ０１を示す。

底トレイ１４０は、導光構造層１２０に下方に配置され、例えば直筒形の周辺構造を有する。導光構造層の周辺は、底トレイの周辺と密接しており、これにより両者の間に閉鎖された第２の空間が形成されている。例えば、本実施例において、導光構造層は、直筒形のキャップ１２２を介して、集光構造層の直筒形の周辺構造１４１と密接に嵌合されている。

第２の空間には、作動媒体１４２が収容されており、この作動媒体は、ソーラーパネル１３１と熱伝導接続されている。具体的には、ソーラーパネル１３１の背面は、作動媒体に浸漬されていてもよい。作動媒体、熱容量が大きい物質であることが好ましく、固体または液体であってもよい。作動媒体によって吸収された熱は、さらに熱伝導または作動媒体の循環を介して外部に提供されてもよい。液体の作動媒体は、例えば、水、冷却液、油、冷媒から選ばれる少なくとも１種であってもよい。この場合、底トレイには、作動媒体が流入及び流出するための入口及び出口がさらに配置されていてもよい。液体の作動媒体の循環システムは、開放式であってもよく、閉鎖式であってもよい。作動媒体の種類及び所望の熱エネルギー利用形式に基づいて決定すればよい。

本発明における集光装置は、フレネルレンズを使用しており、このようなタイプのレンズは、軽くて薄く且つ量産に便利であるという利点を有する。本明細書に記載の「集光型」（または「発散型」）フレネルレンズとは、歯面が凸レンズ（または凹レンズ）からなるフレネルレンズのことである。「線形」レンズとは、発散型線形フレネルレンズ及び集光型線形フレネルレンズを含み、レンズの合焦中心は一本の線であることを指し、一つの点に焦点を合わせたものではない。例えば、線形フレネルレンズの歯面は、凹状（または凸状）円柱面、または凹状（または凸状）多項式柱面から構成されてよい。各フレネルレンズの各歯面は、一つのフレネルユニットのみを含む簡単なレンズ面であってもよく、複数のフレネルユニットからなる複合レンズ面であってもよい。

一つの好ましい実施態様として、本実施例における集光型フレネルレンズ１１１は、その中心光軸の距離に応じて、異なる複数のエリアに分けられている。例えば、図１に示される中心エリアＡ０１及び周辺エリアＡ０２である。ここで、中心光軸から距離が遠いエリア（周辺エリアＡ０２）は、より短い焦点距離を有し、中心光軸から距離が近いエリア（中心エリアＡ０１）は、より長い焦点距離を有する。これにより、集光後の光線をソーラーパネルの表面に更に均一に分布させることができ、エネルギー変換と放熱を均一に行うことに有利である。

一つのさらに好ましい実施態様として、フレネル集光装置は、第１の発散型フレネルレンズをさらに含んでもよく、集光型フレネルレンズの下に直立に配置され、入射した光線を下方に向けて偏向させることに用いられる。さらに好ましくは、フレネル集光装置は、第２の発散型フレネルレンズをさらに含んでもよく、集光型フレネルレンズの下に直立に配置され、第１の発散型フレネルレンズと十字交差し、入射した光線を下方に向けて偏向させることに用いられる。図４は、２つの異なる焦点距離エリアを有する集光型フレネルレンズＤ０１と、第１の発散型フレネルレンズＤ０２と、第２の発散型フレネルレンズＤ０３と、直筒形の周辺構造Ｄ０４とを含む好ましいフレネル集光装置を示す。図４における集光装置は、集光比が高いだけではなく、２つの直立した発散レンズが設置されているため、太陽追尾システムを用いずに、太陽の東西及び南北の変位に適応することができる。

前記集光型フレネルレンズ、第１、第２の発散型フレネルレンズとしては、線形フレネルレンズを採用してもよい。各線形フレネルレンズの集束中心線は、導光筒の底部に実質的に平行であり、例えば、ソーラーパネルの表面に平行である。これにより、集光された光線を、ソーラーパネルの表面にできるだけ均一に分布させることができる。

一つの選べる実施態様として、光エネルギー利用装置は、一つまたは複数のエネルギー変換デバイスを含む他、補助的な構造を有してもよい。例えば、光エネルギー利用装置は、閉鎖容器をさらに含んでもよく、その内壁の少なくとも一部分が反射鏡面であり、導光構造層の導光筒の底部は、閉鎖容器の入口と突き合わせられ、ソーラーパネルは、閉鎖容器の内壁上に配置されてもよく、または閉鎖容器の中に配置されてもよい。閉鎖容器の入口の周りに位置する部分は、頂部の開口が小さく且つ底部の開口が大きいテーパー状に形成されることにより、閉鎖容器に入った光線は、外へ再反射されることが困難になる。図５は、閉鎖容器Ｅ０２、ソーラーパネルＥ０３及び熱電変換デバイスＥ０４を備えた閉鎖式光エネルギー利用装置Ｅ０１を示す。閉鎖容器Ｅ０２の内壁は反射鏡面であり、その入口は導光筒Ｅ０５の底部と突き合わせられている。閉鎖容器の入口部分Ｅ０６には、光が漏れることを避けるために逆テーパー状に形成されている。ソーラーパネル及び熱電変換デバイスは、閉鎖容器の底部に配置されており、当該底部を介して外部と熱交換を行うことができる。

＜実施例２＞
本発明に係る集光型多機能太陽エネルギーシステムのもう一つの実施態様について、図６を参照されたい。図６は、本システムの縦方向に沿って分解した構造の構成概略図を示し、集光構造層２１０と、導光構造層２２０と、光エネルギー利用装置２３０と、底トレイ２４０とを含む。

実施例１と類似する点は以下の通りである。即ち、導光構造層２２０は、直筒型のキャップ２２２を有し、集光構造層２１０及び底トレイ２４０は、それぞれ、その形状と対応する直筒形周辺構造２１２及び２４１を有する。これにより、組み立てられた後に、集光構造層２１０と導光構造層２２０との間に閉鎖された第１の空間が形成され、導光構造層２２０と底トレイ２４０との間に閉鎖された第２の空間が形成される。液体作動媒体２４２は、第２の空間内に収容されている。

本実施例と実施例１との主な相違点は以下の通りである。

1. 導光構造層２２０が、複数の四角形導光筒２２１が配列されてなるアレイ構造を含む。これに対応して、光エネルギー利用装置２３０は、複数のソーラーパネル２３１を含み、それぞれ導光筒２２１の底部に配置されている。同様に、集光構造層も、アレイ状に配列された複数のフレネル集光装置（すなわち、集光型フレネルレンズ２１１）に分けられている。集光構造層の頂部は、各導光筒との対応関係に基づいて複数の集光装置に分けられているが、全体としては実質的に一つとなっている。各集光型フレネルレンズ２１１は、一つのフレネルユニットのみを含む簡単なフレネルレンズであってもよく、複数のフレネルユニットを含む複合フレネルレンズであってもよい（例えば、実施例１における２つの焦点距離を有し、異なる複数のエリアのフレネルレンズ）。また、各集光装置は、さらに多くの光学素子を含んでもよく、例えば、図４に示される構造を採用することが好ましい。

2. さらに、一つの圧電振動子２５１及び駆動回路（不図示）を備える圧電振動器２５０が配置されている。圧電振動子２５１は、集光構造層２１０の直筒形周辺構造２１２の外側に固定され、集光装置を駆動して振動させることができる。例えば、集光装置の受光面の自動洗浄、または除雪や除氷などに用いられる。他の実施態様において、圧電振動子は、集光構造層又は導光構造層と機械的に接続されて振動させることができるのであれば、キャップ２２２の内側などの他の位置に固定されてもよい。

3. さらに、金属放熱フィン２６０（または熱伝導素子）が、導光筒の底部の外側に配置されている。金属放熱フィン２６０は、ソーラーパネル２３１の放熱速度を加速することができる。また、液体作動媒体２４２が乾燥してしまっても、金属放熱フィンがシステムの最高温度を制限する役割を果たすことができ、安全性を保証する。他の実施態様において、放熱フィンまたは熱伝導素子は、導光筒の外側の他の位置に配置されてもよく、ソーラーパネルと熱伝導接触することができればよく、または、ソーラーパネルの近くに配置し、ソーラーパネルと熱伝導することができればよい。

4. 外部の熱利用装置との熱交換または熱エネルギー利用を容易するため、底トレイ２４０に、液体作動媒体２４２が流入及び流出するための入口２４３及び出口２４４がさらに設けられている。

＜実施例３＞
本発明による集光型多機能太陽エネルギーシステムのもう１つの実施形態について、図７を参照されたい。図７は、本システムの縦方向に沿って分解した構造の構成概略図を示し、複合フレネルレンズ３１１を有する集光構造層３１０と、導光筒３２１を有する導光構造層３２０と、光エネルギー利用装置330と、作動媒体３４２を収容している底トレイ３４０とを含む。

集光構造層３１０、導光構造層３２０及び底トレイ３４０の記載及び相互間の構造関係が実施例１と類似しているため、説明を省略する。

本実施例と前の実施例との主な相違点は以下の通りである。前の実施例において、ソーラーパネルは導光筒の底部に配置されているが、本実施例において、光エネルギー利用装置（すなわち、ソーラーパネル３３１）は、導光筒３２１内に配置されて、熱伝導性支持部材を介して導光筒に固定され、導光筒の底部は、反射鏡面によって閉鎖される。この場合、光エネルギー利用率を向上させるため、ソーラーパネル３３１は、両面受光型のソーラーパネルを採用することが好ましい。

底トレイ内の作動媒体との熱交換を容易にするため、支持部材３３２としては、金属支持部材、又は、底鉢内の作動媒体が内部を流れる中空支持部材を採用してよい。

以上、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について詳述したが、上記の実施形態は、本発明の理解を深めるためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の思想に基づいて、上記の具体的な実施形態を変更することができる。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのフレネル集光装置を含む集光構造層であって、各フレネル集光装置が一つの集光型フレネルレンズを含む集光構造層と、
   前記集光構造層の下に配置され、少なくとも１つの反射型の導光筒を含む導光構造層であって、前記導光筒の内壁が少なくとも部分的に鏡面であり、且つ前記導光筒は頂部開口が大きく底部開口が小さく、前記フレネル集光装置を介して集光された光線が前記導光筒の頂部から入射する導光構造層と、
   前記導光筒の底部または前記導光筒の中に配置され、光電変換デバイスを含む少なくとも１つの光エネルギー利用装置と、
   前記導光構造層の下に配置された底トレイとを含み、
   前記導光構造層は、その周辺構造として直筒形のキャップを有しており、
   前記集光構造層及び前記底トレイの周辺形状は、前記キャップの形状に対応する直筒形であり、
   前記集光構造層の周辺は、前記導光構造層と前記キャップを介して密接に嵌め合わせられ、これにより前記集光構造層と前記導光構造層が密着して第１の空間を形成しており、
   前記底トレイの周辺は、前記導光構造層と前記キャップを介して密接に嵌め合わせられ、これにより前記導光構造層と前記底トレイが密着して第２の空間を形成しており、
   前記第２の空間に、作動媒体が収容され、前記作動媒体は前記光電変換デバイスと熱伝導接続されていることを特徴とする集光型多機能太陽エネルギーシステム。
2. 前記第１の空間に、屈折率が１より大きい気体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
3. 前記作動媒体は、水、冷却液、油及び冷媒の中から選択された少なくとも１種類の液体であり、
   前記底トレイに作動媒体が流入及び流出するための入口及び出口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
4. 前記集光構造層は、アレイ状に配列された複数のフレネル集光装置を含み、
   前記導光構造層は、アレイ状に配列された複数の導光筒を含み、各導光筒は、１つのフレネル集光装置に対応しており、前記導光筒の横断面形状が、４角形、６角形、及び円形から選ばれたものであり、前記キャップは、前記複数の導光筒のアレイの外周に沿うように前記アレイを取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
5. 前記集光型フレネルレンズは、前記集光構造層の頂面の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
6. 前記フレネル集光装置は、前記集光型フレネルレンズの下に直立に配置され、入射した光線を下方に向けて偏向させる第１の発散型フレネルレンズをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
7. 前記フレネル集光装置は、前記集光型フレネルレンズの下に直立に配置され、前記第１の発散型フレネルレンズと十字交差し、入射した光線を下方に向けて偏向させる第２の発散型フレネルレンズをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
8. 前記集光型フレネルレンズが集光型線形フレネルレンズである、及び、
   前記第１及び第２の発散型フレネルレンズが、発散型線形フレネルレンズである、
   という特徴のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
9. 前記集光型フレネルレンズは、中心光軸との距離に応じて異なる複数のエリアに分けられ、中心光軸から離れたエリアは、焦点距離が短く、中心光軸に近いエリアは、焦点距離が大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
10. 前記光電変換デバイスは、片面受光型のソーラーパネルであり、前記導光筒の底部に配置され、受光面は、前記導光筒の頂部に向いている、あるいは、
    前記光電変換デバイスは、両面受光型のソーラーパネルであり、前記導光筒の中に配置され、熱伝導性支持部材を介して導光筒に固定され、前記導光筒の底部は反射鏡面によって閉鎖されている、あるいは、
    前記光エネルギー利用装置は、内壁の少なくとも一部が反射鏡面である閉鎖容器を含み、前記導光筒の底部は、前記閉鎖容器の入口と突き合わせられ、前記光電変換デバイスは、前記閉鎖容器の内壁上に配置され、または前記閉鎖容器の中に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
11. 閉鎖容器の入口の周りに位置する部分は、頂部の開口が小さく且つ底部の開口が大きいテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
12. 前記光エネルギー利用装置は、前記光電変換デバイス及び前記作動媒体の間の熱伝導経路に配置された熱電変換デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
13. 一つの圧電振動子及び駆動回路を備える圧電振動器をさらに含み、前記圧電振動子は、前記集光構造層あるいは前記導光構造層と機械的に接続されて、前記集光構造層あるいは前記導光構造層を振動させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。
14. 導光筒の外側に配置され、前記光電変換デバイスと接触する、または、前記光電変換デバイスの近傍であって前記光電変換デバイスと熱伝導することができる位置に配置された金属放熱フィンまたは熱伝導素子をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型多機能太陽エネルギーシステム。

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