JPWO2009066568A1

JPWO2009066568A1 - 光学素子

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Publication number: JPWO2009066568A1
Application number: JP2009542519A
Authority: JP
Inventors: 森　伸芳; 伸芳森; 卓史波多野; 節夫徳弘
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2011-04-07
Also published as: WO2009066568A1

Abstract

大気外日射エネルギーに比べると、地上での日射エネルギーは、赤外光の範囲即ち波長０．８μｍ〜第２項．４μｍの範囲内でエネルギーが低くなる帯域（例えば波長１．４μｍ、１．９μｍ前後）が存在する。かかる帯域では、太陽光を反射する必要はないので、その分だけ光学素子に形成する誘電体多層膜の層数を減少させることができる。つまり、本発明の誘電体多層膜は、入射光の波長が０．８μｍ〜第２項．４μｍの範囲内で、反射率が５０％以下となる帯域を少なくとも１つ以上有することで、膜厚を減少させ、コストを低減させることができるのである。

Description

本発明は、光学素子に関し、特に太陽光をエネルギーとして利用するための太陽光集光システムにおいて太陽光を反射するために用いると好適な光学素子に関する。

化石燃料を燃やして発電する火力発電は設備コストが比較的低く、発電所の設置制限が緩やかなため、世界中で広く用いられている。ところで、地球に温暖化をもたらすとされるＣＯ₂（二酸化炭素）の排出量は年々増え続けており、地球環境保護の観点からＣＯ₂の削減が急務となっているという実情がある。また、埋蔵されている化石燃料は有限であるから、火力発電に代わるエネルギー生成技術が確立する前に枯渇しないよう、節約して利用すべきである。このため、火力発電を補う他の発電技術が求められているが、原子力発電や水力発電は、発電所の設置場所が制限されるため、使いにくいという問題がある。

一方、環境に負荷を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光エネルギーが注目されている。太陽光をエネルギーに変える方法としては、一般的に太陽電池が知られている。しかしながら、現在の技術では太陽電池の発電コストが、その他に比べて比較的高いという実情がある。

これに対し、比較的低コストで太陽光を直接エネルギーとして利用することも考えられている。特許文献１には、太陽光を集光して熱エネルギーに変え、その熱エネルギーを電気に変える技術が開示されている。より具体的には、高いタワーの頂部に設けた熱交換器と、タワーの周囲に設けた多数の反射鏡（ヘリオスタット）を設け、該反射により太陽光を熱交換器に集光させて加熱し、熱交換器で得られた熱エネルギーを発電装置に送って発電する技術である。
特開平１１−１１９１０５号公報

ところで、太陽光を効率よくエネルギーに変換するためには、反射鏡の光学特性をどのように設定するかという問題がある。図１は、太陽光のエネルギー分布を示す図である。点線は大気外の日射におけるエネルギーを示し、実線は地上の日射におけるエネルギーを示す。地上の日射におけるエネルギーとしては、大まかに、紫外光に含まれるエネルギーは８％であり、可視光に含まれるエネルギーは４４％であり、赤外光に含まれるエネルギーは４８％である。よって、太陽光のエネルギーを効率的に利用しようとすると、赤外光の範囲まで含む広帯域にわたって反射特性を向上させる必要がある。

ここで、一般的な反射鏡においては、Ａｇを蒸着した膜が用いられることが多い。しかるに、Ａｇの蒸着膜の場合、図２に示すように、波長０．４μｍ以上の広帯域で９０％以上の反射率を有するため、太陽光を反射するのに好適であるとも言える。ところが、Ａｇは酸化し易いという問題があり、太陽光の反射用としてＡｇの蒸着膜を設けた反射鏡を屋外に設置すると、短期間で反射特性が劣化する恐れがある。これに対し、ＡｌはＡｇに比べて酸化しにくいという特性を有するが、図２に示すように、波長０．６μｍ〜１．０μｍの帯域で反射率が低くなる。このように反射率が低い帯域では、太陽光の一部が蒸着膜に吸収されて熱に変換され、蒸着膜からの熱伝導により反射鏡を加熱することとなる。かかる場合、太陽光を一次反射する反射鏡では加熱量はわずかであり、特に大きな問題は生じないが、一次反射光を集光して反射する二次反射用の反射鏡には、極めて高い光量の太陽光が集中するので、その一部でも熱に変換されると、反射鏡が高温となり、場合によっては変形や溶損等が生じる恐れがある。

これに対し、精密光学機器などにおいては、誘電体多層膜により光を反射する技術が知られている。このような誘電体多層膜を基材に形成すれば、広帯域でも高い反射率を得る反射鏡を創成することができるが、一般的に誘電体多層膜を広帯域に対応させるためには層数を増やさなくてはならないとされており、コストがかかるという問題がある。加えて、膜厚の厚い誘電体多層膜を用いて光を反射する場合、反射面に対して常に垂直な方向に光が入射すれば問題はないが、入射角が浅くなるにつれて、誘電体多層膜を通過する光の光路長が長くなり、それにより期待した反射特性を得られなくなるという問題がある。これは、朝夕など太陽光が浅い入射角で入射する場合には、光の利用効率が低下することを意味する。

本発明は、かかる問題点に鑑みて成されたものであり、耐熱性に優れ、高い反射率を有する太陽光反射用の光学素子を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、太陽光を反射することによって集光しエネルギーを発生させる太陽光集光システムに用いる光学素子であって、
前記太陽光を反射するために、基材の入射面又は該入射面とは反対側の面に誘電体多層膜を形成しており、
前記誘電体多層膜は、入射光の波長が０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で地上での日射エネルギーが低くなる帯域で、太陽光が入射する入射角が２０度のとき、反射率が５０％以下となる帯域を少なくとも１つ以上有することを特徴とする。

本発明によれば、太陽光を反射するために、基材に誘電体多層膜を形成することによって、太陽光を広帯域で反射でき、光の利用効率を向上させることができると共に、前記光学素子の加熱を効果的に抑制できる。ここで、前記誘電体多層膜は、前記基材の入射面とは反対側の面に形成されても良いが、前記入射面に形成すれば、入射した太陽光は前記基材を通過することなく前記誘電体多層膜で反射されてしまうため、前記基材が太陽光を吸収する素材（セラミック等）から形成されている場合でも、前記基材を加熱する恐れが少ないというメリットがある。

ところで、誘電体多層膜を広帯域に対応させようとすると、上述したように膜厚が厚くなるという問題があるが、太陽光のうち、赤外光の成分全てを反射する必要はないという実情がある。より具体的には、図１を参照すると、地上での日射エネルギーは、赤外光の範囲即ち波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内でエネルギーが低くなる帯域（例えば波長１．４μｍ、１．９μｍ前後）が存在する。かかる帯域の太陽光はエネルギーを持たないので、これを反射する特性を持たせる必要はなく、その分だけ誘電体多層膜の層数を減少させることができる。又、そのような誘電体多層膜を基材の入射面に形成しても、誘電体多層膜を通過した太陽光により基材が加熱される恐れも少ない。つまり、本発明の誘電体多層膜は、入射光の波長が０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、反射率が５０％以下となる帯域を少なくとも１つ以上有することで、光学素子の信頼性を確保しつつ、誘電体多層膜の膜厚を減少させ、それによりコストを低減させることができるのである。尚、誘電体多層膜とは、基板上に高屈折率層と低屈折率層とを重ね合わせたものであり、例えば、特開２００５−２９２４６２に記載されている。

前記誘電体多層膜は高屈折率層と低屈折率層を含み、前記の高屈折率層は、ＳｉまたはＧｅから形成されていると、前記誘電体多層膜の層数をかなり低減できるので好ましい。

前記誘電体多層膜の高屈折率層は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が３以上であると好ましい。

前記誘電体多層膜の低屈折率層は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が１．７以下であると好ましい。

前記光学素子は、太陽光の一次反射光を反射する二次反射の為に用いられ、前記誘電体多層膜に入射する一次反射光の入射角は、基準入射角をθとすると、０．９θ以上、１．１θ以下であると好ましい。上述したように、誘電体多層膜を広帯域に対応させようとすると、光の入射角が狭い範囲に制限されるという問題がある。しかしながら、太陽光の一次反射光を反射する二次反射用の反射鏡であれば、固定された熱変換器に光を出射させるために、入射光の角度もほぼ一定になる。即ち、本発明の光学素子は、太陽光の一次反射光を反射する二次反射の為に用いられると好適である。

複数の前記光学素子を回転双曲面状につなげて配置すると、光学素子を分割して形成できるので、コストを低く抑えることができる。

前記基材はセラミック又はガラスであると、耐熱性に優れるので好ましい。前記基材が太陽光を不透過なセラミックから形成されていれば、前記誘電体多層膜は太陽光の入射面に形成される。一方、前記基材が太陽光を透過するガラスから形成されていれば、前記誘電体多層膜は太陽光の入射面又はその反対側の面のいずれに形成してもよい。

太陽光のエネルギー分布を示す図である。光の波長に対する金属の反射率を示すグラフである。本発明にかかる光学素子を用いた太陽光集光システムの斜視図である。本発明にかかる太陽光集光システムを側方から見た図である。ヘリオスタット５の斜視図である。図５の構成を矢印VI-VI線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図５の構成を矢印VII-VII線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。楕円鏡と凹面鏡との焦点位置関係を示す図である。集光鏡の断面図である。楕円鏡１の概略斜視図である。楕円鏡１の一部断面図である。ガラス製の基材の入射面に、表１に示す実施例と比較例の誘電体多層膜を形成した場合において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。ガラス製の基材の入射面に、表１に示す実施例と比較例の誘電体多層膜を形成した場合において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。

符号の説明

１楕円鏡
２支持タワー
３熱交換施設
４集光鏡
５ヘリオスタット
６支柱
７フォーク
８リング状レール
９回転プーリ
１０押さえプーリ
１１モータ
１２タイミングベルト
１３凹面鏡
１４円形パイプ
１５回転軸
１６円弧状レール
１７回転プーリ
１８押さえプーリ
１９動力プーリ
２０モータ
２１タイミングベルト
２２アーム
２３センサ
３１下部開口
Ｌ太陽光
ＯＥ光学素子
ＳＳ基材

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態をさらに詳細に説明する。図３は、本発明にかかる光学素子を用いた太陽光集光システムの斜視図である。図４は、かかる太陽光集光システムを側方から見た図である。図において、比較的大径の楕円鏡１は、３本の支持タワー２により所定の高さ位置に、反射面を下向き状態にして保持されている。楕円鏡１の下方には、太陽光Ｌを熱エネルギーに変換するための熱交換器を収容した熱交換施設３が建設されており、該熱交換施設３の上部には、筒状の集光鏡４が設置されている。そして、熱交換施設３の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット５が設けられている。

図５は、１つのヘリオスタット５の斜視図である。図６は、図５の構成を矢印VI-VI線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図７は、図５の構成を矢印VII-VII線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図５において、地上に設置され垂直に延在するヘリオスタット５の支柱６の上部には、フォーク７が取り付けられ、支柱６に対して方位角方向（Ａ方向）へ回転変位自在となっている。支柱６の上端周囲にリング状レール８が設けられている。また、フォーク７の下面において、支柱６をはさんで対向する位置には、それぞれ回転プーリ９が回転可能に取り付けられており、該回転プーリ９に隣接して、スプリング（図６のＳ）にて回転プーリ９側に付勢された押さえプーリ１０が設けられている。リング状レール８は、この回転プーリ９と、押さえプーリ１０との間に挟持されている。一対の回転プーリ９には、モータ１１により回転するタイミングベルト１２が掛け回されており、一対の回転プーリ９が同期して回転するようになっている。モータ１１が駆動されると、タイミングベルト１２を介して回転プーリ９が回転し、それによりリング状レール８に沿ってフォーク７が方位角方向へ回転する。このとき、押さえプーリ１０により、リング状レール８を押さえ付けているため、回転プーリ９とリング状レール８とがスリップすることはない。

フォーク７の上端には、仰角方向（Ｂ方向）へ回転変位自在となるように、凹面鏡１３が保持されている。矩形板状の凹面鏡１３は、曲面（非球面、放物面等を含む）である反射面を有するが、この反射面は平面であっても良い。

凹面鏡１３の裏側には、円形パイプ１４が固定されている。図６に示すように、凹面鏡１３の対向する二辺の中央において、円形パイプ１４に回転軸１５がそれぞれ軸線を合わせて固定されている。水平に延在する一対の回転軸１５は、フォーク７の上端に枢支されており、従って凹面鏡１３は、回転軸１５の軸線回りに仰角方向へ回転変位可能となっている。

一方、図７に示すように、回転軸１５がある二辺とは異なる二辺の中央には、円弧状レール１６の両端が固定されている。フォーク７の中央部底面には、回転プーリ１７と、スプリング（不図示）にて付勢された押さえプーリ１８が、２組設けられており、各回転プーリ１７と押さえプーリ１８とで、円弧状レール１６が挟持されている。更にフォーク７には、両方の回転プーリ１７に係合するようにして、動力プーリ１９が設けられており、この動力プーリ１９に、モータ２０から動力を伝達されるタイミングベルト２１が掛け回されている。モータ２０が駆動されると、タイミングベルト２１を介して回転プーリ１９及び回転プーリ１７が回転し、それにより円弧状レール１６が相対移動して、凹面鏡１３が回転軸１５を中心にして、仰角方向へ回転変位できるようになっている。

ヘリオスタット５の凹面鏡１３の高さは、中央の楕円鏡１から離れるにしたがって順次高くなっている。これは、太陽光の反射時に凹面鏡１３同士が影になり遮光ロスが生じないようにするためである。

また、図５において、ヘリオスタット５の支柱６に取り付けられたアーム２２を介して、センサ２３が固定されている。センサ２３は、太陽光Ｌの入射方向を検出するために用いられる。即ち、センサ２３から出力された信号により、モータ１１、２０が制御されて、凹面鏡１３で反射された太陽光Ｌが常に楕円鏡１の第１焦点ｆ1 （図８参照）に向かうようになっている。これにより、時間経過に従い太陽光Ｌの入射方向が変化しても、凹面鏡１３からの太陽光Ｌを確実に楕円鏡１の第１焦点ｆ1 側へ反射することができる。各凹面鏡１３から楕円鏡３に向かって反射され、更に楕円鏡１で反射された太陽光は、集光鏡４に向かうこととなる。

この集光鏡４の内部での反射は、光のロスを考えると、図９に示すように、上部開口３０から入射した光は、１回の反射だけで、より径が絞られた下部開口３１から出るようにするのが好ましいが、内部で２回以上反射するような小さい幅の下部開口３１にすることも自由である。下部開口３１から出た太陽光Ｌは、熱交換施設３内へ送られ、所定の熱交換機によって熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーを利用して発電することができる。

図１０は、楕円鏡１の概略斜視図である。楕円鏡１は、凹面もしくは平面の反射面を有する板状の光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３，ＯＥ４を、複数個曲面に沿って回転双曲面状に並べた形状を有する。

図１１は、楕円鏡１の一部断面図である。光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３の入射側の面（又はその反対側の面）には、後述する実施例に示すような誘電体多層膜が形成されている。光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３への入射光の中心は、常に第１焦点ｆ１を通過する。従って、凹面鏡１３から、光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３に入射する入射光Ｌの入射角を、それぞれθ１，θ２，θ３とすると、時間経過に従い太陽光Ｌの入射方向が変化しても、入射角θ１，θ２，θ３は殆ど変化しない。よって、かかる入射角θ１，θ２，θ３に対応するようにして、光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３の設計を行えば、誘電体多層膜の膜厚が厚くても、所望の光学特性を発揮させることが可能となる。又、楕円鏡１は、図３，４に示すように、反射面を重力方向下方に向けて設置されるので、雪、あられ、塵埃などの落下物により誘電体多層膜を傷つける恐れが少なく、長期間にわたって安定した光学特性を発揮できる。

（実施例）
表１に、上述の光学素子に好適な実施例（２６層）に用いる誘電体多層膜の膜厚データと、比較例（３７層）の誘電体多層膜の膜厚データを示す。図１２は、ガラス製の基材の入射面に、表１に示す実施例と比較例の誘電体多層膜を形成した場合において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、実線が実施例の特性を示し、点線が比較例の特性を示している。図１２より明らかであるが、比較例の誘電体多層膜を用いた場合、全域にわたって９５％以上の反射率を有するが、その分、層数が３７層と厚くなっている。これに対し、実施例の誘電体多層膜を用いた場合、波長１．４０μｍの近傍において、反射率が４４％（即ち５０％以下）に低下する帯域が存在するが、それ以外は比較例を用いた場合と同等の反射率を有し、又かかる帯域の反射率を犠牲にすることで、２６層と格段に薄い誘電体多層膜を得ることができた。尚、実施例の誘電体多層膜における高屈折率層（Ｓｉ）は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が４．０６〜３．５３であり、低屈折率層（ＳｉＯ₂）は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が１．４５〜１．４３である。

図１３は、ガラス製の基材の入射面に、表１に示す実施例と比較例の誘電体多層膜を形成した場合において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、実線が実施例の特性を示し、点線が比較例の特性を示している。図１３より明らかであるが、比較例の誘電体多層膜を用いた場合、全域にわたって反射率が７０％以下に低下することはない。これに対し、実施例の誘電体多層膜を用いた場合、波長１．２５μｍの近傍において、反射率が５３％（即ち６０％以下）に低下する帯域が存在するが、それ以外は比較例を用いた場合と同等の反射率を有することがわかった。尚、Ｓｉに代えてＧｅを用いることでも、同様の特性を確保できる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明の光学素子は、凹面鏡や集光鏡にも使用できる。

Claims

太陽光を反射することによって集光しエネルギーを発生させる太陽光集光システムに用いる光学素子であって、
太陽光を反射するために、基材の入射面又は該入射面とは反対側の面に誘電体多層膜を形成しており、
前記誘電体多層膜は、入射光の波長が０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で地上での日射エネルギーが低くなる帯域で、太陽光が入射する入射角が２０度のとき、反射率が５０％以下となる帯域を少なくとも１つ以上有することを特徴とする光学素子。
前記誘電体多層膜は高屈折率層と低屈折率層を含み、前記高屈折率層は、ＳｉまたはＧｅから形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
前記誘電体多層膜の高屈折率層は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が３以上であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光学素子。
前記誘電体多層膜の低屈折率層は、入射光の波長０．８μｍ〜２．４μｍの範囲内で、屈折率が１．７以下であることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項に記載の光学素子。
複数の前記光学素子を回転双曲面状につなげて配置したことを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の光学素子。
前記基材はセラミック又はガラスであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の光学素子。