(57)【要約】【課題】  集光式の太陽光発電装置や自然照明のための採光装置においては、太陽光を有効に活用するために、太陽追尾装置で移動する太陽の位置に合わせて集光面を絶えず太陽に直面させる必要があった。太陽の位置に関係なく静止したレンズで所定の範囲に太陽光を集光できるより小型化された太陽レンズを提供することが課題である。【解決手段】  軸方向に切断した円錐筒の円錐切断面を連結して渦巻状に巻き込んだ円錐形の太陽レンズを透明材で形成し、入光面から入射する太陽光線を円錐筒の壁面で全反射を繰返させてレンズの先端の出光面に集光するように構成して前記課題を解決するものである。【選択図】図１
2010019937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に切断した円錐筒の円錐切断面を渦巻状に連結して円錐形の太陽レンズを透明な材料で形成すると共に、連結された各円錐筒の間に微小な空隙を設けて、円錐の底面を入光面として入射する太陽光線を、円錐筒の内外壁面で全反射を繰返させて円錐筒先端の出光面に集光するように構成したことを特徴とする太陽レンズ。
【請求項２】
太陽レンズの出光面に円錐台を連結し、光線出口に達する光線の傾斜角度が臨界屈折角以下になるように、円錐台の斜面を形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一定の範囲に集光することを目的とした太陽レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光線を集光する方法としては、一般的に凸レンズやその変形であるフレネルレンズ、凹面鏡、プリズムなどが用いられているが、光軸に光線が集まるこれらのレンズや反射鏡で移動する太陽光線を集光するには、太陽の位置に合わせて受光面の向きを絶えず調整する必要があった。このため、太陽の方位や高度に関係なく集光できる方法として光の全反射を応用した集光方法が提案されている。
【特許文献１】特願２００８−１７２８５１  太陽レンズ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１の方法は、肉厚が小径方向に向かって次第に厚くなる単純な円錐筒の壁面での全反射を応用した太陽レンズであるため、レンズに射込む太陽光線の大半を占める円錐筒内径部分に入射する太陽光線を集光できない欠点があった。また、円錐筒の肉厚を厚くすると入射後に外壁面で全反射した光線の一部が、対面する内壁面で全反射することなく直接出光面に達し、出光面で反転してレンズ外に散逸し性能を低下させる不都合があった。本発明はこれらの欠点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
軸方向に切断した円錐筒の円錐切断面を渦巻状に連結して円錐形の太陽レンズを形成することで前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００５】
太陽レンズの最大直径内に入射する殆どの太陽光線を、太陽追尾装置を要することなくレンズ先端の出光面に集光することができる。また、極めて高い集光倍率を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は太陽レンズ１の断面を示すもので、軸方向に切断した円錐筒２の円錐切断面９を渦巻状に連結して円錐形の太陽レンズを形成すると共に、連結された各円錐筒の間に微小な空隙８を設けて、円錐の底面を入光面３として入射する太陽光線を、円錐筒の外壁面５と内壁面６で全反射を繰返させて円錐筒先端の出光面４に集光するように構成したもので、全体は透明な材料で形成される。７は空隙に連結した通気用の通気孔である。
【０００７】
円錐筒は所定の肉厚を有するが、円錐切断面の連結状態を説明するために肉厚を無視して平面に展開すると、図２のように中心から放射方向に切断した円の切断面を円錐切断面として、一方の円錐切断面から他方の円錐切断面へと中心から渦巻状に巻き込んで太陽レンズが形成されていることになる。
【０００８】
実際には円錐筒に厚みがあるので、その厚みによって生ずる段差の分だけ展開した平面の外周も徐々に広がって渦巻き状となる。円錐筒の肉厚を厚く設定すると積層されたレンズの入光面での空隙幅が広くなるから、円錐筒の肉厚を相対的に薄くして肉厚の影響を少なくすることが望ましいと考えられる。薄くすると円錐筒の積層回数が増大するから、展開した円錐筒の周回角βが複数回になって螺子状に重なった状態になる。
【０００９】
以下の説明における円錐筒壁面の傾斜角や光線の傾斜角は、特に断らない限り太陽レンズを水平に設置した状態での鉛直面に対する傾斜角度を表示している。入光面に入射する光線は円錐筒の壁面で全反射を繰り返しながら出光面に向かって進行することになるが、図３、図４は光線の経路を説明するために、肉厚が均一な円錐筒で構成された太陽レンズの外側の円錐筒だけを表したもので、地点ｍ１、ｍ２、ｍ３から進入する光線の経路を、図３の円周方向の成分と図４の下向きの成分とに分けて表示したものである。
【００１０】
入光面に対する太陽光線の傾斜角度は最大で９０度であるから入光面が水平の場合、入光面から円錐筒に進入する光線の傾斜角度は構成素材の臨界屈折角以下の角度で進行することになる。
【００１１】
例えば、臨界屈折角が４２度（屈折率約１．５）のアクリル樹脂を使った太陽レンズで、円錐筒壁面の傾斜角α１が６度、入光面の傾斜角α２が９０度の水平で、入射光線としては最大に屈折する水平方向からの光線（朝陽）ｍ３の場合、図３、図４のように入光面から入射したあと傾斜角４２度で外壁面に向かい、全反射によって反転して５４度の傾斜角で内壁面に進行し、全反射を繰返して出光面に到達する。
【００１２】
図４のように内外壁面が直線的な円錐筒で肉厚が等しい場合には、内外壁面の傾斜角が同じであるから全反射を繰返す光線の傾斜角も同じになって、出光面に到達する光線ｍ３の傾斜角は５４度となる。その結果、この光線は出光面でも全反射して方向を上下に反転して点線で示す矢印の光線ｅ１ようにレンズ外に散逸することになる。この不都合を解決するには、図１のように外壁面に対して内壁面の傾斜角を大きくして円錐筒の肉厚が出光面に近い側で厚肉になるようにすればよい。全反射で折り返す光線の傾斜角を少しずつ小さくすることができるので出光面に到達する光線の傾斜角を臨界屈折角以下にすることができる。
【００１３】
また、前例において外壁面の傾斜角α１を６度を越える角度、例えば１０度に設定すると、入射した傾斜角４２度の光線は全反射しないで外壁面からレンズ外に透過して散逸することになる。この不都合を解決するには、入射面の傾斜角を外壁面に直角な角度まで傾ければよい。図１のように入光面を外壁面に直角な角度（８４度）まで傾けると、右側入光面ではその角度以上の太陽光線しか射し込まないことになるが、最も傾斜角の大きな８４度の太陽光線でも入射後の傾斜角は３６度となるから外壁面を透過することはない。しかし、外壁面で全反射した後の光線の傾斜角は４２度を越えることになるから、関連して内壁面の傾斜角度を大きくしたり、内外壁面の角度差を大きくしないと出光面で全反射をして損失光線を生ずることになる。
【００１４】
出光面を入光面にあわせて傾斜角α２の角度で傾斜させると、出光面に対応する受光装置の受光面を合わせる必要があることや、受光面が出光面に密着していないと一部の光線が太陽レンズに逆流する恐れがでてくるから、出光面は平面であることが望ましく、また、平面にするには出光面に到達する光線の傾斜角度を臨界屈折角以下の角度にする必要がある。
【００１５】
また、太陽レンズは出光面から入光面に向かって円錐筒が渦巻状に積層されて円錐状に広がった形状であるため、円錐筒の肉厚が均一な場合に入光面に近いほど空隙が広くなる傾向となる。このため、この空隙に面する部分に入射する太陽光線はレンズ外に透過して損失する可能性が高い。
【００１６】
この損失を低減させるには、円錐筒の肉厚を入光面から出光面に向かって徐々に薄くする方法が考えられる。しかし、肉厚を徐々に薄くする方法は、全反射で内外壁面に向かう光線と壁面との角度差を徐々に拡大することになるから、角度差が臨界屈折角を超えると光線は壁面を透過して損失することになる。角度差を縮小するには、肉厚を相対的に薄くして円錐筒の渦巻き回数を増やして細分する方法が有効と考えられる。
【００１７】
また、渦巻き状に積層された円錐筒相互の空隙は光学的に各円錐筒の間を分離するためのものであるから、空隙の幅は円錐筒と空隙の境界で全反射が起こる状態であれば１ミクロン以下の微小な隙間でもよい。空隙を保つためには、円錐筒の表面に適当な間隔で微小な突起を設けたり、微粉末を荒目の間隔で散布するなどの方法が考えられる。
【００１８】
出光面の方向へ円錐筒の肉厚を徐々に薄くすると、入光面での層間の隙間から空隙部分に入射して損失する太陽光線を減らすことができる反面、出光面に到達する光線が臨界屈折角を越える傾向となって漏れ光線が増大して集光性能が低下することになる。この不都合を補う方法として、図５のように出光面４に太陽レンズの傾斜とは逆向きに広がる円錐台１０を連結し、この円錐台の斜面で全反射をさせて光線出口１１に到達する光線の傾斜角を臨界屈折角以下にする方法が考えられる。
【００１９】
外壁面を透過して最も漏れやすい光線は、最大傾斜角（４２度）で進入する水平方向からの太陽光線（朝陽）で、図３の地点ｍ３から半径方向に直角で外壁面に入射する太陽光線である。このため、この光線が当たる外壁面を全反射ができる角度（６度以内）に設定すれば、その他の地点では光線と外壁面との角度差がより小さいので壁面を透過して損失する光線はないと考えられる。
【００２０】
渦巻状に巻かれた円錐筒の各層間は連続しているので、各層の入光面に入射した光線が出光面に到達する状況は、太陽レンズが１層だけの単純な円錐筒で形成されている場合と同一とみることができる。また、渦巻状の各円錐筒に入射した光線はそれぞれの出光面に達した後は、隣接する外側の円錐筒の出光面へと順次進行して、最も外側の円錐筒の出光面に到達することになる。
【００２１】
上述の例では外壁面に向かって進行する光線の傾斜角が最大で４２度であるから、この光線と円錐切断面との角度差が臨界屈折角以下であれば、円錐切断面に向かって進行する光線は全反射で方向を反転し出光面へ達することになる。太陽レンズ壁面の傾斜角α１の設定や円錐筒の肉厚などに関連するが、円錐切断面に到達する光線と円錐切断面との角度差が臨界屈折角度以下になるように設定するには、図５における円錐切断面のように太陽レンズの中心軸方向と円錐切断面が一致するように設定すればよい。
【００２２】
図１では斜面が直線的な円錐形状の単純な太陽レンズを示しているが、入光面に近い大径側の壁面の傾斜角を、出光面に近い側の壁面の傾斜角より大きくして壁面を緩やかに湾曲させ、朝顔のような広がりのある太陽レンズにすると、出光面に対する入光面の面積をより大きくすることができるから集光倍率を高めることができる。しかし、壁面の傾斜角と進行光線との角度差が臨界屈折角を越えると壁面を透過して損失光線となるから壁面を傾けるには限度がある。
【００２３】
以上の諸点から入射光線を損失なく集光するには、入光面の傾斜角の程度に関わらず、出光面に到達する光線の傾斜角が臨界屈折角以下になるように、内外壁面の傾斜角を設定する必要があり、そのためには出光面に近い外壁面の傾斜角を、傾斜角α１＝９０−（臨界屈折角度×２）の許容最大傾斜角以下に設定すると共に、内壁面の傾斜角を外壁面の傾斜角よりも大きくして円錐筒の肉厚を出光面に近い側で厚くなるように設定するか、図５に示すように出光面に太陽レンズの傾斜とは逆向きに広がる円錐台を連結して、円錐台の光線出口に到達する光線を臨界屈折角度以下の光線に補正する必要がある。
【００２４】
集光倍率は入光面と出光面の面積の比率で、集光倍率＝入光面積÷出光面積となるが、渦巻状に巻かれた出光面の巻き回数が１回で、入光面での巻き回数がｎ回の場合、円錐筒の肉厚が同一であれば、出光面の面積に対して入光面の面積は概略でｎ×ｎ倍となるから、光線の集光倍率も同様にｎ×ｎ倍となる。また、断面形状が同一の太陽レンズでも円錐筒の厚みを調整することで集光性能をより微細に調整することができる。
【００２５】
なお、太陽レンズで集光した光線を自然照明の光源として利用する場合などでは、太陽熱で太陽レンズが高温になる恐れが考えられる。太陽レンズを冷却するために出光面の中心や円錐台の中心に通気孔を設けて各層間の空隙を連結し、この通気路に空気などの冷却用の流体を流す方法が考えられる。
【００２６】
このように本発明の太陽レンズでは全高度全方角からの太陽光線を太陽を追尾することなく集光できるものである。また、１個の円錐筒で形成した単純な太陽レンズに比べて、レンズ直径に相当する全面積に差し込む太陽光線の殆どを集光できるから大幅な小型化で所期の目的が達成できる。太陽光発電や自然光照明、太陽熱加熱装置などに幅広く活用できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】太陽レンズの断面図である。
【図２】肉厚を無視して平面的に展開した円錐筒の説明図である。
【図３】光線経路等を説明するための平面図である。
【図４】図３の側面説明図である。
【図５】別の実施例の側面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、太陽レンズ
２、円錐筒
３、入光面
４、出光面
５、外壁面
６、内壁面
７、通気孔
８、空隙
９、円錐切断面
１０、円錐台
１１、光線出口
【図１】
2010019937.tif 000003
【図２】
2010019937.tif 000004
【図３】
2010019937.tif 000005
【図４】
2010019937.tif 000006
【図５】
2010019937.tif 000007