JPS6187105A

JPS6187105A - 太陽エネルギーを集束する方法及びレンズ装置

Info

Publication number: JPS6187105A
Application number: JP60209035A
Authority: JP
Inventors: マーク、ジヨウズイフ、オニール
Original assignee: ENTEKU Inc
Current assignee: ENTEKU Inc
Priority date: 1984-09-24
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1986-05-02
Also published as: EP0176048A2; EP0176048A3; AU4664385A; EP0176048B1; DE3580636D1; US4545366A; AU572435B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、一般に太陽エネルギー集中装置、ことにレシ
ーバ（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）の表面の増分焦点（ｉｎｃｒ
ｅｍｅｎｔａｌ　ｆｏｃａｌ　５ｐｏｔｓ　）に入射放
射エネルギー馨集束する集中レンズ式太陽エネルギー集
中装置に関する。

小さなエネルギーレシーバに入射太陽光腺を集束するの
に光学的集中装置乞利用する太陽エネルギー収集装置は
、扁平板太陽エネルギー収集装置（ｆｌａｔ−ｐｌａｔ
ｅ　５ｏｌｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｌｌｓｃｔｏｒ）
よりすぐれた費用上及び性能上の利点がある。熱収集装
置用ではエネルギーレシーバ面１１は、放射、対流及び
伝導によって環境に対し熱乞失う。従って比較釣手さい
レシーバ面積を持つレシーバは、熱損失が積層少くなり
積層育利に作用する。光層シ′ｌ）：収実包；１１にお
いては、このような集束収集装置は又、レシーバ面積が
比較的小さいので、シリコンのようなはるかに少量の高
価な半導体材料を利用する。

とくに有効な太陽エネルギー集中装置は米国特許第４，
０６９，８１２号明細当による直線形フレネルレンズ基
である。この収集装置は、熱、光起電性４気及びこれ等
両者の組合わせの有効な収集ができるように開発されて
いる。しかし直緋形フレネルレンズ集中装置（１ｉｎｅ
ａｒ　ＦｒｅｓｎｅＬユｅｎｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏ
ｒ）の基本的？ｌ理学によって被照明レシーバ軸線（ｉ
ｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　＆ｒｅａ　
）により割ったレンズ開口面積として定義される集中比
は、実際上２５ないし５０の間の値に限定される。

１００ないし２００の一層高い集中比にすることが極め
て望ましい。一層高い集中比により、たとえば光電用に
同じ放射エネルギーを収集することできるが、著しく小
さい太陽光電池を必要とするだけであるから装置費用が
実質的に減る。

従って本発明の目的は、普通の直線形フレネルレンズよ
り晶い集中比を生ずることのできる一層有効な太陽エネ
ルギー集中装置に提供しようとするにある。

本発明の他の目的は、直線形フレネルレンズに１連の円
柱レンズ素子を光学旧に組合わせてレシーバ軸線に１連
の焦点２生ずる交差結合の光学的集中装置を提供しよう
とするにある。

なお本発明の池の目的は、比較ＥＩ９小さい光電池を組
合わせた交差結合二重し／ズ系を使うことにより費用的
に一層を効な光藏エネルギー変換装置を提供しようとす
るにある。

これ等の又その他の目的を達成する上で本発明によれば
太陽エネルギー出力束する屈折光学的集中装置が得られ
る。本集中装置は、その内面で直線形フレネルレンズを
形成する複数の直線形プリズムと、外面の複数の円柱レ
ンズ素子とを備え、本集中装置がレシーバ軸線に１連の
同−標上焦点を形成するようにしである。このようにし
て交差結合レンズ系は、その内面の直義形フレネルレン
ズプリズムにより縦方向＃繰に沿い、又外面の円柱レン
ズ素子により１遅の直交横方向軸標に沿い入射太陽光５
！を集束する。入射太陽光線を２方向に集束することに
より、点集束ができ、又普通の直線形フレネルレンズの
場合より一層高い全集中比が得られる。

以下本発明による太陽エネルギーを集束する方法、レン
ズ装置及び交差結合レンズ集中装置の実施例を添付図面
について詳細に説明する。　　　　９第１図には交差結
合レンズ構Ｍ　（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｄ　１ｅｎ
ｓ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ）１及び光電池素子６を示しで
ある。各光電池素子６は相互に電気的に釡読するように
配置しである。交差結合レンズ構造（以下単にレンズｍ
Ｍと呼ぶ）１は、米国特許第４．０６９．８１２号明細
書に示しであるような太陽エネルギーハウジングの開口
内に位置するようにしである。レンズ構造１は、レンズ
構造１の長手に旧い相互に隣乞して取付けた１連の円柱
レンズ素子２を備え℃いる。交差結合レンズ構造１の内
面は、各円柱レンズ素子２の軸線に直交する方向に相互
に隣接して取付けられ本収集装置の縦方向レシービング
軸、［１ｌＩＣ以下単に縦方向軸線と呼ぶ）８に平行に
走る復敢の直勝形プリズムすなわちフレネルレンズプリ
ズム４から成っている。交差結合レンズ構造１は、１連
の各別の光電池素子６に入射エネルギー出力束するよう
に配置しである。

円柱レンズ素子２がないと、入射太陽光線は米国特許第
４，０６９，８１２号明細冨に示しであるよ５にフレネ
ルレンズプリズム４により屈折し、フレネルレンズの焦
標に位置する縦方向ｋｊｉＳＳに沿って集束する。この
構造は極めて有効であるが、この場合フレネルレンズ素
子すなわちフレネルレンズプリズム４により集束したエ
ネルギーからのエネルギー出力を最高にするには、縦方
向軸Ｒ８に沿い連続した光電面を必要とする。この方法
は、放射エネルギーを電気エネルギーに変換するのに一
般に使われるシリコン素子の費用が比較旧高いので、比
較的費用がかかる。各フレネルレンズプリズム４に重ね
て交差結合円柱レンズ素子２を設けることにより、父差
結合レンズ構造１の上部に入射するエネルギーは、各円
柱レンズ素子２が光を増分シリコン光電池素子６に向い
収れんすると共にさらにフレネルレンズプリズム４が縦
方向軸ｉ８に沿い収れん放射エネルギーを集束するよう
な２方向疋集束されて、連続した列の光電池の代りに各
別のシリコン光電池素子６′？：使うことができる。従
って必要とする全シリコンが少くなり、装置費用が著し
く減るが、本装置の全効率又はエネルギー出力はあまり
低下しない。

第２図には２個の円柱レンズ素子１０．１２をそれぞれ
協働する横方向焦点面１４．１６と共に示しである。各
円柱レンズ撲子１０　、１２＆工、一般にそれぞれ横方
向軸！１８．２０に沿い入射放射ｍｔ集束するようにし
である。各円柱レンズ素子の横方向の曲がりと共に各フ
レネルレンズプリズム４は、縦方向軸線８に沿って形成
した焦点２２．２４の横ｌｉ＠を定めるが、各円柱レン
ズ素子１０．１２の曲率半径は、縦方向軸線８に沿う各
焦点２２．２４の長さをそれぞれ定める。本装置は、集
中比を最大にし各焦点の寸法を光電池素子６０寸法に合
わせるようにしである。

以下本発明装置の作用について述べる。

来園１１１計第４，０６９，８１２号明細５に記載しで
ある最適のレンズに対し、被照明レシーバ面積（ｉｌｌ
ｕｍｉｎａｔｅｄ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ａｒｅａ　）で
割ったレンズ開口面積として定義される最大の実際集中
比は、約２５ないし５０である。太陽の有限の大きさと
レンズ材料による入射太陽放射線の種種のスペクトル成
分の分散との腹合効果によって、一層高い値は実際的で
ない。多くの太陽エネルギーに対しては一層高い集中比
化得ることが望ましい。たとえば光シ池変換装置では、
躬４０の集中比を持つ置線形フレネルレンズと共に使っ
たときにも、光電池は通常この装置の最も費用のかかる
部品になる。光電池の費用に対する影響度は、本装置に
必要な光電池面積が集中比に逆比例するから、集中比が
４０でなくて１６０になれば、７５％に減らすことがで
きる。前記した本発明により集中比を１６０又はそれ以
上装置めて太陽エネルヤー変換装置に対し実質的な経済
面節約ができる。

２方向集束を生ずることにより交差結合レンズ構造１は
、入射太陽光線を屈折して、各光電池素子６を取付けた
縦方向軸線８に沿い同一直線上の１連の焦点に集束する
収れん光ｆＪＹ形成する。基本旧なプリズム扶育線形フ
レネルレンズ構造と、基本ロアな円柱レンズ素子構造と
、交差結合レンズの寸法形状及び（−１ａ成とを、単一
で又は組合わせて変えることにより無限の種−の交差レ
ンズ構造を購成することができる。

交差結合レンズ構造１の好適とする構造は、アクリル系
プラスチック材のような単一体の光学的に透明な材料か
ら成り、この材料の内面にプリズム形の幾何学的形状を
成形し、又この材料の外面に円柱レンズパターンを成形
する。交差結合レンズ＋ＩＩａｌは、アクリル系プラス
チック材又は類似の材料の圧縮成形により購成すること
ができる。

交差結合レンズを作る別の方法では、アクリル系プラス
チック材から成るシートを各別に押出し、このシートの
一方の表面にプリズム形構造を設け、アクリル系プラス
チック材から成る第２のシートを各別に押出しこのシー
トの一方の表面に円柱レンズパターンを設ける。アクリ
ル系プラスチック材から成る２枚のシートは、次いで相
互に直交するように溶媒により積層して図示の単一体の
交差結合レンズ構造１を形成する。どちらの場合にも単
一体構造の交差結合レンズを形成することが望ましい。

交差結合レンズの典型的な寸法は開口を横切つ・℃約２
０ｉｎであり、各円柱レンズ素子２が８２ｉｎ　　の福
を持つ。各レンズ部片２はこの場合４０平方インチのレ
ンズ開口面積を生ずる。光学的解析及び模範試験では、
このようなレンズが０．５×０．５平方インチより小さ
い焦点に入射太陽光線な容易に集束できることを示した
。すなわち４０平方インチの太陽光線収集面積を１６０
の集中比に対し０．２５平方インチの焦点に集束するこ
とができる。完成する交差結合レンズは、長さが約１２
０インチでありこの長さにｎう約６０個の円柱レンズか
ら成っている。この好適とする実施例は、光゛電池素子
６にできるだけ良好な集束ができるように適当に選定し
た曲率半径を持つ円柱レンズ素子を組合わせた米国特詳
第４，０６９，８１２号朗細占による透過率の最適な直
線形フレネルレンズ溝近を使う。このような交差結合レ
ンズの構成及び最適１ヒバ、光線追跡コンピュータプロ
グラムにより行なわれる。この光線追跡プログラムは、
太陽の仙種の部分からレンズヲ経て各焦点への種種の波
長の各別の光線を追跡する。プリズム又は円柱レンズ素
子或はこれ等の両方の構造を変えることにより焦点にお
ける放射エネルギー分布を、種種の用途：で対し適合す
るように変えることができる。

交差結合レンズ構造の好適とする構造は、各焦点に小さ
な光４池を位置させて使うことができる。

これ等の各別の光電池は集中太陽光線から直接電気を発
生する。交差結合レンズにより集中比を極めて高くなる
ように変えることにより効率を最高にし光電池の費用を
最低にすることができる。

交差結合レンズの他の利点は、雨水により又は水及び柔
らかな洗浄剤で洗浄することにより容易にγｎ浄にする
ことのできるなめらかな外表面である。交差結合レンズ
の別の特長は、扁平な形状に作られ次で所望のアーチ形
に構成することができる。扁平なレンズの製造は一般に
、アーチ形レンズの製造より容易であり一層経済的であ
る。仕上がりのアーチ形レンズの形状は光学旧及び機械
的の両方の弯え方から望ましい。米国特許第４，０６９
，８１２号明細書に示しであるようにアーチ形フレネル
レンズは、扁平なフレネルレンズより有効であり、扁平
なレンズより構造旧にすぐれている。すなわち本発明の
好適とする実施例は、高い効率乞必要としない用途には
扁平なレンズを使うことができるが、集中装置の効率を
最高にするようにアーチ形にした交差結合レンズにより
構成される。

各円柱レンズ素子２は所望の焦点放射エネルギー分布に
従って一定の曲率半径７持つことができ又は曲率半径を
変えてもよい。フレネルレンズの中心からフレネルレン
ズの縁部まで各レンズ素子の曲￥半径を変えることによ
り、高い方の集中比が得られる。しかしこのように曲率
半径の変る幾何学的形状は、一定の曲率半径の場合がア
クリル系プラスチック材又はその他の材料の押出しによ
り作ることができるから、一定の曲率半径より費用がか
かる。従って円柱レンズ素子２の最適の形状は、交差結
合レンズ集中装置の特定の用途による。

図示の交差結合レンズ横道は、本発明の好適とする実施
例を表わすが、内面Ｋｍａｉのフレオルレンズ１′＃造
を又外面に種種の円柱レンズ構造乞利用し又各焦点て他
の寸法、形状材料及びエネルギーレシービング手段ｙ］
ｌ−使うその他の構造も本発明の基本的交差結合レンズ
の概念のもとにあることは当業者には明らかである。

以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神乞逸脱しないで種種の変化変ＷＹ行う
ことができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明交差結合レンズ装置の好適とする実施例
を一部を切欠いて示す斜視図である。第２図は本発明交
差結合レンズ装置の成る動作状態を示す線図的斜視図で
ある。１・・・レンズｆｆＩＩ造、２・・・円柱レンズ素子、
４・・・プリズム、６・・・光電池素子、８・・・軸線
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（イ）実質的に円柱形のレンズを使用し、レシー
バ手段の１連の横方向軸線に沿い太陽エネルギーを集束
し、（ロ）プリズム状直線形フレネルレンズを使用し、
前記横方向軸線にほぼ直交する主レシーバ軸線に沿い太
陽エネルギーを集束することから成る、１連の焦点に太
陽エネルギーを集束する方法。
（２）（イ）初めに入射放射エネルギーを第１の方式で
集束するように形成され、入射放射エネルギーを受け取
るように配置した第１の集中手段と、（ロ）前記初めに
集束した放射エネルギーを再集束してエネルギーレシー
ビング手段に各別の焦点を形成するように作動でき、前
記第１の集中手段に光学的に結合した第２の集中手段と
を包含する、エネルギーレシービング手段に放射エネル
ギーを集束するレンズ装置。
（３）前記第２の集中手段が、初めに集束した放射エネ
ルギーを前記レシービング手段の中心縦方向軸線に向い
再集束するように形成したフレネルレンズである特許請
求の範囲第（２）項記載のレンズ装置。
（４）前記第１の集中手段が、円柱レンズ手段から成る
特許請求の範囲第（３）項記載のレンズ装置。
（５）前記第１の集中手段が、前記レシービング手段の
縦方向軸線に直交する方向に互いに平行に並置して連結
した複数個の円柱レンズ素子から成る特許請求の範囲第
（４）項記載のレンズ装置。
（６）前記第１及び第２の集中手段が第１及び第２の各
別のレンズ装置から成る特許請求の範囲第（２）項記載
のレンズ装置。
（７）前記第１及び第２の集中手段が、屈折材料から成
る単一の層の第１及び第２の表面から成る特許請求の範
囲第（２）項記載のレンズ装置。
（８）前記第１の集中手段が、屈折材料の外面に、入射
放射エネルギーを受け取るように配置した複数個のほぼ
円柱形のレンズ素子から成り、前記第２の集中手段が、
前記屈折材料の内面に設けた複数個の直線形屈折プリズ
ムから成る特許請求の範囲第（７）項記載のレンズ装置
。
（９）前記直線形屈折プリズムを、前記円柱レンズ素子
にほぼ直交する方向に向きを定めた特許請求の範囲第（
８）項記載のレンズ装置。
（１０）前記第１及び第２の各別のレンズ装置に、それ
ぞれ実質的になめらかな表面を設け、前記第１及び第２
のレンズ装置を前記なめらかな表面において相互に接着
した特許請求の範囲第（６）項記載のレンズ装置。
（１１）前記第１及び第２の集中手段がアーチを形成し
、このアーチを横切つて前記円柱レンズ素子を装置した
特許請求の範囲第（２）項記載のレンズ装置。
（１２）前記各焦点に位置させた光電池を備え、これ等
の各光電池が再集束した放射エネルギーを電気エネルギ
ーに変換するように作動できる特許請求の範囲第（２）
項記載のレンズ装置。
（１３）再集束した放射エネルギー熱エネルギーに変換
するように、前記焦点に配置された熱レシービンガ手段
を備えた特許請求の範囲第（２）項記載のレンズ装置。
（１４）前記円柱レンズ素子が一定の曲率半径を備えた
特許請求の範囲第（４）項記載のレンズ装置。
（１５）前記円柱レンズ素子が、変化する曲率半径を備
えた特許請求の範囲第（４）項記載のレンズ装置。
（１６）前記フレネルレンズを、このフレネルレンズに
入射放射エネルギーの衝突する角度が、前記フレネルレ
ンズから屈折放射エネルギーの出る角度にほぼ等しくな
るように形成した特許請求の範囲第（３）項記載のレン
ズ装置。
（１７）任意の焦点から屈折材料から成る単一層の中心
までの曲率半径が、前記屈折材料の幅を横切つて変化す
る特許請求の範囲第（７）項記載のレンズ装置。
（１８）前記第１及び第２の集中手段を、前記第１の集
中手段を形成する外側レンズ構造と、直線形フレネルレ
ンズから成る内側レンズ構造とから成る積層アセンブリ
により構成し、前記内側及び外側レンズ構造を前記積層
アセンブリを形成するように相互に接着した特許請求の
範囲第（２）項記載のレンズ装置。
（１９）直線形フレネルレンズを形成する直線形屈折プ
リズムから成る内面と、前記直線形屈折プリズムにほぼ
直交するように配置した円柱レンズ素子から成る外面と
を備え、前記各フレネルレンズによりレシーバの主軸線
に沿い太陽光線を縦方向に集中し、そして前記円柱レン
ズ素子により、前記レシーバの縦方向軸線に直交する軸
線に沿い太陽光線を横方向に集中するようにした、１連
の焦点に太陽エネルギーを集束する交差結合レンズ集中
装置。
（２０）（イ）太陽光線を１平面に集束するように配置
した円柱レンズ素子と、（ロ）入射太陽光線を直交平面
に集束するように配置したプリズム状直線形フレネルレ
ンズと、（ハ）太陽エネルギーの集束点に配置したエネ
ルギーレシービング手段とを包含する太陽エネルギー収
集装置。
（２１）前記エネルギーレシービング手段が、集束した
太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するように動作
できる１連の光起電性太陽電池から成る特許請求の範囲
第（２０）項記載の太陽エネルギー収集装置。