【手続補正書】
【提出日】平成17年2月3日(2005.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】                明細書
【発明の名称】        太陽光エネルギーの高度利用装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】    太陽電池の高度利用装置
【請求項２】    太陽光温水器の高度利用装置
【請求項３】    太陽光エネルギーを高度に集約して利用する装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
鏡面を用いて太陽光を反射集光し、太陽エネルギーを高度に、かつ経済的に利用できるようにする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光を集光して利用する方法を基本的に分別すると、鏡面による反射を用いる方法と、レンズを用いる方法がある。反射で用いられる鏡面をその断面で分類すると、パラボラ形を含む曲線形（多重反射の場合も含む）のものと、平板のものとがある。曲線形の鏡面では、集光の度合を経時的に大きく維持するために太陽位置を追尾する何らかの方法が必要である。平板でも、太陽追尾または同じ効果を得るために反射鏡面と受光面との相対位置関係を変更する必要がある。このような集光度合の維持方法には様々な考案があるが、具体性や集光度合との関係が不明であるか、特定の目的がある場合を除き、経済性や運転法を含み実用的な汎用性がないものであった。
レンズを用いる方法も太陽を追尾する必要がり、課題は同様である。屈折率の異なる媒体を用いて太陽光を偏向させる方法もあるが、課題の軽減にはならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
太陽光エネルギーの有効的活用は久しく望まれており、このために太陽光の集光の度合を簡易に高め、かつ実用的（経済性のある）な具体的考案が待たれている。
太陽光を集光するための装置の経済性や汎用性を容易に高める方法の第一は、パラボラ鏡面の役割を単一か最小限度の複数平板に置き換えることである。集光の度合（以下、集光度と言う）を極端に高める必要がある場合に、複数の平面鏡を用いる。しかし、平板鏡面では、高度な集光度が求められる（受光体をより高温にすることが許容され望まれる）場合、その性能は年間通じて常時に太陽追尾（後に述べる季節的な太陽追尾を除く）が必要とはならない程度で達成可能な集光度に限定される。
第二は、受光体（太陽電池や温水器など、以下同じ）の南北両面に平板鏡面を置き、この２枚の鏡面が、太陽の動きによる集光性能の変化を相補うようにすることである。ここで南北と言うのは、受光体の長手方向の南及び北のことである。但し、この２枚の鏡面と受光体との相対的位置関係は固定して用いることで、経済性や汎用性を高める。
第三は、太陽追尾を簡略化することである。地理学的な南北方向（子午線）に鉛直に仮想する平面を南北面と呼ぶことにして、この南北面に投影される太陽の仰角を南北面高度と定義すると、南北面高度は季節によって特有の高度巾に分布する。春分と秋分では、集光を行う場所の緯度によって定まる特定の南北面高度が一日中保たれている。春分から夏至に至り秋分になる間は、太陽は上記の特定高度より高い南北面高度で変動する。秋分から冬至になり春分を迎える間は、太陽の南北面高度は、上記の特定高度より高くなることはない。つまり、季節によって太陽の南北面高度は限定された巾でのみ変動すると言う自然現象を巧みに利用することで、太陽追尾を簡略化できる。従って、受光体の南北両面にのみ平板鏡面を限定する場合において年間平均集光度を高めるには、受光体の傾斜を年に１種乃至は４種に変更（これを季節的な太陽追尾と呼ぶことにする）して用いる。年間平均集光度が低くても良い場合は、１種（つまり、常時固定）である。いずれの場合でも、前述の通り、受光体と鏡面の相対的位置関係は変更しない。
以上、三つの条件において、受光体と鏡面との相対位置関係及び両者の寸法比を最適化して設定することによって、従来課題の解決を目指した集光法が本考案である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前項で述べた三つの条件を満たす具体的な方法（平板反射集光法と呼ぶことにする）は後に一般化した計算式を含み詳しく述べるが、これを実用化するための手段において考慮すべき事項があるので、その主たるものを以下に述べておく。
この平板反射集光法を用いる場合は、受光体に集光された太陽光が受光体平面に一様には分布しない時間帯が多い（このため、局所的な高温も発生しない利点もある）ので、このことが受光体の機能に影響する場合があることに留意する。
このため、受光体が太陽電池である場合は、各電池セルの集電を行う電極線は、南北面と並行か電池面の傾斜の方向にあり、各セルは集電電極線に並列に（或いは、これと同等に）接続された構成となっている必要がある。この電極線の方向が同じ電池面で混在すると、一般には集光の効果が実質的に低減する。電池の温度上昇に制限が明白である場合は、集光度を小さく設定するか、電池を冷却するシステムを付属させて、電熱併用の太陽エネルギー利用システムを構築する対策もある。受光体が温水器や集熱体である場合は、一般には、温度の若干異なる温水や高温流体が混合される場合をも考慮したシステムと機器設計を考慮の必要がある。
【０００５】
この反射集光法で用いる平板鏡面については、太陽光の光波のうち利用を考慮する波長域では、出来るだけ均一な反射効率を実現できるものが好ましいことが基本である。受光体が太陽電池の場合は、波長によって発電効率が異なる（分光感度がある）のが一般的なので、その分光感度が高い範囲の波長域への反射効率が他の波長域より高いものが好ましい、逆に太陽電池の分光感度が低い波長域での反射効率は低くても良い。受光体が温水器や集熱体の場合でも、好ましい波長域の条件は異なるが、同様である。
この鏡面の反射効率に経時的、経年的な劣化が生じない工夫も必要である。空気の流れ（風）とともに飛来し、鏡面への付着性が高い麈埃には特に留意する。また、鏡面の材料にもよるが、酸性雨の成分が鏡面で濃縮されないような工夫することも重要である。この鏡面が安価で供給されるならば、一定期間で、鏡面の交換を行うことも考慮できるが、この場合、鏡面の交換が容易に行えるような機械的設計が必要である。
鏡面が安価で、かつ太陽光を利用するための受光面積の拡大がコストの増加に微々たる影響しかない場合は、鏡面を単一の一平面ではなく多折形に連続した複数平板鏡面にして、季節的な太陽追尾の設定種類を減じる可能性もある。しかし、この場合、集光度の確保が高度かつ必須の条件である場合を除き、単一平面の鏡面の方がコスト・パーフォマンスで優れている。
【０００６】
この反射集光法による集光度の算定の基本的一般式は以下の如くである。
先ず、用語の定義は以下のように（参考図を参照）する。但し、以下に定義するものは、太陽が南中時に地平面に垂直で太陽方位を向いた平面を南北面（前述では地理学的な南北面と定義したが、時刻基準が南中時を正午と定義すれば同じである）と定義して、この南北面に投影される角度や長さを意味している。本反射集光法では、集光装置を一定期間は固定して用いるので、実際の南中時刻（標準時での）は一定ではないことに留意する。設置する受光面が対峙する方位が任意の場合は、その方位において、太陽が子午線を通過する時を基準とする南北面を定義して、実際の太陽高度（日射も）を、この平面に投影、変換して考察する選択もある。このような変換を行えば、任意の方角を向いた傾斜面でも、以下の計算で集光度と日射量が算定できる。
θＣ  ＝  受光体の設置角度（水平面または地平面からの傾斜角度）
θＭ  ＝  鏡面の設置角度（受光面と相対的な傾斜角度）
θＮＳ  ＝  太陽の南北面高度（南地平面を０とする）
θＲ  ＝  鏡面の上端からの反射光の受光面への傾斜角（受光面を０とする）
Ｗ  ＝  受光体の南北方向の実質巾を１として、鏡面の南北面での長さ
Ｒ  ＝  鏡面の上端からの反射光の軌跡
Ｍ／Ｎ（集光度）：受光面に鏡面の影がない場合
＝１（直射分）＋ＳＲｅ（有効反射分）
Ｍ／Ｎ（集光度）：受光面に鏡面の影がある場合
＝ＳＤｅ（有効直射分）＋Ｓｒｅ（他方の鏡面からの反射分）
サフィックス：ｎ＝受光体の北側鏡面、ｓ＝受光体の南側鏡面、ｅ＝有効
【０００７】
北側鏡面の場合（反射と日影）の計算法は以下の如くである。
反射光Ｒｎ（北側鏡面の上端での反射光）の方向が、北側鏡面上端への受光面からの法線となす角度は、２７０度−（θＮＳ＋θＣ＋２＊θＭｎ）で、９０度−θＲｎに等しい。よって、
【数１】
θＲｎ＝（θＮＳ＋θＣ＋２＊θＭｎ）−１８０度
反射光Ｒｎが受光面に到達する点と、北側鏡面上端への受光面からの法線との距離をＳｎとすれば、
【数２】
Ｓｎ＝Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）＊ｔａｎ（９０度−θＲｎ）
＝Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／ｔａｎ（θＲｎ）
2004271157.tif 000001
上記距離Ｓｎのうち、受光面への反射として、利用可能性のある長さをＳＲｎとすれば、
【数３】
ＳＲｎ＝｛Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／ｔａｎ（θＲｎ）｝−Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）
ここで、１≧ＳＲｎ≧０の範囲では反射光が１００％利用できる。
このことは、θＲｎが（θＮＳ＋θＣ＋２＊θＭ）−１８０度であるから、θＲｎ＝θＭｎである時の太陽高度（θＮＳ）＝１８０度−（θＣ＋θＭｎ）を最大高度とし、ｔａｎ（θＲｎ）＝Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／（１＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）である時の太陽高度  θＮＳ＝ｔａｎ−１｛Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／（１＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）｝−（θＣ＋２＊θＭｎ）＋１８０度
を最小高度として定まる範囲の太陽高度においては、反射が１００％利用できる。
▲１▼  １００％利用できる反射光は受光体平面に様々に分布するが、利用できる反射光は、受光体への直射光＝１としての、相対的大きさで算定する必要があり、従って、常に、太陽の方向に垂直な平面へ、鏡面を投影した長さである。つまり、
【数４】
ＳＲｅｎ＝Ｗｎ＊ｃｏｓ｛θＭｎ＋（θＮＳ＋θＣ−９０度）｝
＝Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＮＳ＋θＭｎ＋θＣ）
▲２▼  ＳＲｎ＞１つまり、
太陽高度  θＮＳ＜ｔａｎ−１｛Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／（１＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）｝−（θＣ＋２＊θＭｎ）＋１８０度
では、反射光は部分的利用となり、その割合は、ＳＲのうち、受光体巾  １のみだから、この場合、
【数５】
ＳＲｅｎ＝（１／ＳＲｎ）＊｛Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＮＳ＋θＭｎ＋θＣ）｝
▲３▼  ０＞ＳＲｎ、つまり  θＮＳ＞１８０度−（θＣ＋θＭｎ）では、反射光はなくなり、受光体には鏡面の陰になる部分が発生、それを除いた直射光しか利用できない。
北側鏡面上端からの日光が、北側鏡面上端への法線となす角度は，
θＮＳ＋θＣ−９０度
であり、この日光が受光面に到達する点と北側鏡面上端への受光面からの法線との距離をＳＤｎとすれば、
【数６】
ＳＤｎ＝Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）＊ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ−９０度）
＝−Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）
受光面において、直射日光が利用できる巾は  １＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）−ＳＤｎである。即ち、｛１＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）｝＋Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）である。この有効巾が、受光面の全面に日射がある時の出力を１とする比  ＳＤｅｎと等しく、
【数７】
ＳＤｅｎ＝１＋Ｗｎ＊ｃｏｓ（θＭｎ）＊｛１＋ｔａｎ（θＭｎ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）｝
ＳＤｅｎ＝０で受光体への日射は０となる。この時の太陽高度は、以下である。
【数８】
θＮＳ＝ｔａｎ−１｛  −Ｗｎ＊ｓｉθＭｎ／（１＋Ｗｎ＊ｃｏｓθＭｎ）｝−θＣ
【０００８】
南側鏡面の場合（反射と日影）の計算法は以下の如くである。
北側鏡面の場合において、θＭｓ＝１８０度−θＭｎと看做し、北側鏡面の裏も反射鏡面とし、北側鏡面の北側にも電池があるとすれば、計算式も北側鏡面での計算式をその儘使えるが、θＭｓは独自に選定すること、Ｗｎ＝Ｗｓでもない場合が多いので、計算の間違いを防ぐため、南側鏡面だけの諸式を定める。
反射光Ｒｓ（南側鏡面の上端での反射光）の方向が、南側鏡面上端への受光面からの法線となす角度は、９０度＋（θＮＳ＋θＣ−２＊θＭｓ）で、これは９０度−θＲｓである。よって、
【数９】
θＲｓ＝２＊θＭｓ−（θＮＳ＋θＣ）
反射光Ｒｓが受光面に到達する場所と、北側鏡面上端への受光面からの法線との距離をＳｓとすれば、
【数１０】
Ｓｓ＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）＊ｔａｎ（９０度−θＲｓ）
＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＲｓ）
上記距離Ｓｓのうち、受光面への反射として利用の可能性のある長さをＳＲｓとすれば、
【数１１】
ＳＲｓ＝｛Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＲｓ）｝−Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）
ここで、１≧ＳＲｓ  ≧０の範囲では反射光が１００％利用できる。
このことは、θＲｓが２＊θＭｓ−（θＮＳ＋θＣ）であるから、
θＲｓ＝θＭｓ  の時の太陽高度（θＮＳ）＝θＭｓ−θＣが最小高度で、
ｔａｎ（θＲｓ）＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／（１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）である時の太陽高度（θＮＳ）＝２＊θＭｓ−θＣ−ｔａｎ−１｛Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／（１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）｝を最大高度にして定まる範囲の太陽高度で、反射が１００％利用できる。
▲１▼  １００％利用できる反射光は受光面に様々に分布するが、利用できる反射光は、受光面への直射光＝１としての、相対的大きさで算定する必要があり、従って、常に、太陽の方向に垂直な平面へ、鏡面が投影される長さである。即ち、
【数１２】
ＳＲｅｓ＝Ｗｓ＊ｃｏｓ｛θＭｓ−（θＮＳ＋θＣ−９０度）｝
＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＮＳ−θＭｓ＋θＣ）
▲２▼  Ｒｓ＞１つまり、太陽高度  θＮＳ＞２＊θＭｓ−θＣ
−ｔａｎ−１｛Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／（１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）｝
では、反射光は部分的利用となり、その割合は、ＳＲのうち、受光巾  １  のみだから、
【数１３】
ＳＲｅｓ＝（１／ＳＲｓ）＊｛Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＮＳ−θＭｓ＋θＣ）｝
▲３▼  ＳＲｎ＜０つまり、太陽高度  θＮＳ＜θＭｓ−θＣでは、
反射光はなくなり、鏡面に受光対の陰になる部分が発生、それを除いた直射光のみしか利用できない。
南側鏡面上端からの日光が、南側鏡面上端への受光面から法線となす角度は
９０度−（θＮＳ＋θＣ）
であり、この日光が受光面に到達する点と南側鏡面上端への受光面からの法線との距離をＳＤｓとすれば、
【数１４】
ＳＤｓ＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）＊ｔａｎ｛９０度−（θＮＳ＋θＣ）｝
＝Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）
受光面において、直射日光が利用できる巾は  １＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）−ＳＤｓで、
即ち、＝｛１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）｝−Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）
＝１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）＊｛１−ｔａｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）｝
この有効巾が、受光面の全面に日射がある時の出力を１とする比  ＳＤｅｓと等しく、
【数１５】
ＳＤｅｓ＝１＋Ｗｓ＊ｃｏｓ（θＭｓ）＊｛１−ｔａｎ（θＭｓ）／ｔａｎ（θＮＳ＋θＣ）｝
ＳＤｅｓ＝０で受光面への日射は０となる。この時の太陽高度は、以下である。
【数１６】
θＮＳ＝ｔａｎ−１｛Ｗｓ＊ｓｉｎθＭｓ／（１＋Ｗｓ＊ｃｏｓθＭｓ）｝−θＣ
以上によって北側鏡面と南側鏡面との役割を合算すれば、集光装置全体の集光機能が算定できる。但し、一方の鏡面に、他方の鏡面の日影が発生する時間帯を除く。このような時間帯では、鏡面による再反射も考慮する必要がある場合もある。
【０００９】
集光の効果を日射量の絶対値で算出する場合においては、採用する受光面と同じ傾斜面での日射の変化が判明している必要がある。同様に変化する太陽仰角もその電池面の方向における南北面高度で定義されるθＮＳに変換されている必要がある。このような日射の定義においては、時刻の定義は標準時刻であるか、または太陽が南中の時刻を正午と定める時刻も利用できる。但し、前記の南北面の定義のいずれかと合理的な関係を決めておく必要がある。そうすれば、南北面の定義は、いずれでも採用できる（標準時刻では、南中時の時刻が変動することに留意する）。
【００１０】
本反射集光法による実用的な反射集光装置の設計においては、下記のことに留意する。
▲１▼  受光面の二つの中央線は、それぞれ東西および南北方向とすることが好ましい。このことが実現できない場合は、受光面の方向を南北面にして算出（東西方向の入射角の変化も考慮）された相当の日射、及び、新たに定義された南北面高度を用いて計算することが出来るが、積算日射量（発電量）は、上記の好ましい場合より低減する。
受光体が太陽電池である場合は、いずれの場合でも、鏡面の東端および西端には、鏡面だけがあり受光体のない部分を、電池巾の３〜５倍の長さだけ設置する。これは、電池面への太陽光線の入射角が大きい場合に、これら端部では反射光の南北方向での分布が不均一となり、電池の発電性能も一様ではなくなる。このため、電池出力に損失が起こる。この時間帯では、発電力も小さいのが一般的であるので、積算発電量においての若干の損失は無視しても良いと判断する場合は、この限りではない。受光体が温水器や集熱装置の場合もこの限りではない。
▲２▼  既に述べてあるが、鏡面は反射効率の優れたものを用いる。そればかりか、この効率の経時、及び経年変化を少なくする配慮が必要である。一般に、鏡面反射効率の劣化は鏡面自体の性能劣化もあるが、日常的には空気からの有害物質によって鏡面の表面状態に変化が起こる場合である。有害物質には、酸性雨成分、付着性の大きい有機塵埃が想定される。これら以外は降雨により自動的に除洗される。このことを考慮して、鏡面の表面には、有機塵埃を親水化するための透明な保護コートを施して、雨水による自浄効果を促す。また、酸性雨成分が有害と考えられる場合は、雨水の水滴を鏡面の表面に滞留させなければ問題が軽減するので、鏡面の傾斜度に留意する
これらの有害物質が鏡面の表面に直接に付着しないようにするため、鏡面の上端を結ぶ線（平面）に、透明な物体を置くことも考えられる。この透明な物体がレンズ集光の役割も持てば、有益な効果が期待できる他、飛来物体が受光体の上で発火することの予防にもなると言う利点もあるが、このような対処を行う場合は、それによるコスト・パーフォマンス、この物体の支持・固定法、また、これによる受光体（電池の場合）の自然冷却効果の低減などを考察する必要がある。
【００１１】
▲３▼  反射集光を行う場合の日射量（積算値）をＭとし、行わない通常の場合のそれをＮとして、目標とする年間平均Ｍ／Ｎ比が１．５程度では、太陽と鏡面及び受光面の設定角度の変更（季節的な太陽追尾）は、年間１種（完全静止型）とする。目標の年間平均Ｍ／Ｎ比が、２．０前後かそれ以上の時は、季節的な太陽追尾は、年間２〜４種（準静止型）とする。これらの設定において、鏡面と受光面の相対設置角度は変更しない（従って、全体は固定なので、受光面傾斜のみに注目した変更なされることになる）ことを原則とする。但し、この受光体と鏡面との相対設置角度の変更が容易で、準静止型よりもコスト・パーフォマンスでも有利である場合は、この限りではない。
Ｍ／Ｎ比を大きくする時は、受光体が電池の場合、最大電池温度に留意する。
この発電装置は屋外で用いるので、この予測最大温度において飛来してきた物体が発火する可能性がある温度を超える場合は危険であり、何らかの対策が必要である。
【００１２】
▲４▼  受光体を置く場所が水平面の場合は、鏡面の上端を結ぶ線（平面）は、水平面と並行にすることが好ましい（反射集光型装置のセット相互間の日影を容易に回避するため）。これが、何かの理由で好ましくないと判断する場合は、好ましい傾斜面を想定して、この傾斜面（いずれにしろ、選定した平面を基準平面と呼ぶことにする）に並行になるようにする。但し、季節的な太陽追尾を年間数種とする場合は、原則として、その一つが基準平面に並行であれば良い。他の種では、受光装置全体を一体に傾斜を変更する（人力、または梃子、ジャッキ、クレーンなどの機械力のいずれを利用かの選択条件で、全体を適切な大きさのセットに区分することを考慮する）場合となる。設置場所が斜面の場合も、基本的には同じであるが、その都度最適な対処を考慮する。本項については、後に付言することも考慮する。ここで平行と言うことを、数式で表現すれば、
Ｗｓ＊ｓｉｎ（θＭｓ−θＣ）＝ｓｉｎ（θＣ）＋Ｗｎ＊ｓｉｎ（θＭｎ＋θＣ）
となり、このことを考慮して、鏡面寸法、鏡面設定角度と評価することが好ましい。
【００１３】
前述の集光度の計算において、集光度を日射量の絶対値で知る必要がある場合には、日射の季節及び日中時刻での変化を示す日射モデルが必要である。
採用する日射モデルは、年間３６５日毎のものである必要はない。季節的変化や時刻的変化が代表されていれば十分である。但し、日射を定めた平面の条件と時刻の基準点は明白でなければならない。時刻基準が明白であれば、太陽の位置（仰角と方位）は、誤差が無視できる精度で計算が可能なので、評価する受光体の斜面に合わせて変換された日射を求めることが容易に出来る。
上記の日射モデルは、集光装置が設置される場所（経度と緯度を定義する）の気象条件が、類似の近隣気象台（または測候所）における日射の観測値を（季節要因の取り込んで）平年化し、それによって定められる。気象台で観測の日射観測値は水平面の日射であり、直達光と散乱光の和であるが、日射が強いことは散乱光が少ないこととほぼ同義なので、散乱光の集光度への影響はエネルギー的には大きくない。
ここでは、受光面も反射鏡面もともに受光や反射性能に、入射角による特異な方向性がないとの前提が前記の集光の計算式では適用されている。但し、日射が小さい時間帯、例えば朝夕では、上記の方向性の影響は日射量においては小さいので問題にはならない。但し、受光体が極端に東または西を向いている場合は影響が異なるので（日射量の推定精度にも問題があるが）、別途に考察の必要がある。
【００１４】
通年して用いられる集光装置の性能は、集光される積算日射をＭとし、通常の場合のそれをＮとすれば、年間平均のＭ／Ｎ比が最大になるように、受光体と鏡面の設置角度の両方が選定される場合が最適とするのが本考案の一つである。但し、季節的な太陽追尾を考慮して求められるＭとＮとの対比においては、それぞれの選択された設置角度の選定は相対的に合理的でなければならない。このようなことは、前記の集光計算式で、傾斜角度や鏡面大きさをパラメータにして評価すれば判明する。このような集光装置が、本考案が求めるものである。
言うまでもないが、反射鏡面の反射効率は、その経年変化を考慮できるように合理的でなければならない。    前記の集光計算式での反射効果（ＳＲｅ）は、反射効率が１００％の場合を意味している。ＳＤｅは直射なので、反射効率は関係ない。降雨が長期間に亘って無いような場合は、鏡面の清掃が望ましい。
集光計算において、ＳＲｎとＳＲｓが共に  １であり、設計目標としての最大集光度（これは平均ではなく、最大値である）が、下記の式、
（１＋Ｗｓ＊ｃｏｓθＭｓ＋Ｗｎ＊ｃｏｓθＭｎ）＊（設計反射効率）
と一致する場合が、経済的にも最適設計である。但し、これは、常時にあるべき絶対条件ではないので、考慮する太陽位置の変動領域内では必ず成立するように設計する。
【００１５】
本考案の技術的正当性を確認するために、受光体を太陽電池とした基礎的実証試験を行ったので、それについて、以下に説明する。先ず、結果は表１であった。
（注：表１で、（）内は測定値であるが、指定した太陽高度（θＮＳ）に対応した時点に測定された場合は稀（天候の良否が主因）であるので、太陽高度が指定の高度とほぼ等しい場合のものである。測定値からの平均では、鏡面の反射損失は推定１０％であった。測定誤差は１０％程度である。設計と実物の製作誤差も若干ある。）
この試験装置は、ほぼ地理的南北方向に固定されているので、その固定された太陽電池に太陽が南中した時に、反射損失＝０とした場合の集光度が算定され、表１に計算集光度して示してある。地理学的な南北面を想定して、その南北面に来る太陽は、試験の実施場所である宮崎の場合、標準時刻で、約１５分前に進んだり、約３０分遅れたりする。従って、試験の測定値は、常に電池に南中時の場合であるから、標準時刻では、同一時刻ではない。また、電池と鏡面の長手方向（東西）の長さは鏡面が若干長いだけで、ほぼ等しいため、南中時刻の前後１０分間のみが測定の対象である。装置の寸法や設定角度は、下記のものである。試験装置の南北面の断面形状は図１の通りである。なお、反射鏡がなく、仕様、寸法、傾斜が同じの太陽電池の出力が、比較のため同時に測定されている。電池はシリコン型である。
寸法比        Ｗｎ＝Ｗｓ＝１．５１９
電池設置角度  θＣ＝３２．０度
鏡面設置角度  θＭｎ＝θＭｓ＝６６．０４度
【表１】
2004271157.tif 000002
【００１６】
前記の基礎的実証試験の結果、以下の三点の重要な事実が判明している。
▲１▼  反射集光された太陽光は電池面に一様には分布していなくても、計算の集光度と電気出力の増倍率とは、常に同じ相関があると看做せる。さらに、集光度が高い程、電池の発電効率が大きくなっていると想定した方が合理的と想定される結果であった。これは、太陽光は全て並行（方向性の定かでない散乱光の影響を考慮しないとの仮定である）で、反射原理によるように反射すると看做せること、及び、電池の電極線の方向性の選択基準が正当であることの証明である。従って、反射損失があれば、それ相当の日射（電気出力）の低減も伴う。このことから、鏡面や電池の受光や反射において光の入射角による方向性はないとの前提が成立すると考えられるので、南中時以外の時間帯でも、南北面太陽高度によって算出される日射の集光度（発電効率が明確な場合は、発電倍率）が計算できる、つまり集光による太陽エネルギーの有効活用のための実用的な設計が可能であることになる。散乱光については、散乱光の割合が大きい時は日射そのものも小さい場合と同等なので、積算日射（エネルギー量）での影響は大きくはないであろう。
▲２▼  この実証試験で用いた鏡面は、アルミの機械研磨の鏡面であったが、南側鏡面と北側鏡面（ほぼ直立）とで、経時的に外観上の鏡面状態が明らかに異なってきている。特に南側鏡面の変容が大きい。これは、南側鏡面では何らかの有害物の影響が大きいものと想定されるで、おそらく、酸性雨成分によって表面劣化が発生している（鏡面の傾斜が緩いので）と思われる。実用では、このことに留意する必要がある。このような状態でも、鏡面の反射効率は、約９０％であった。
▲３▼  この試験装置の最大集光度は、計算では２．３３、実績では約２．１であった。電池の温度は、この試験の場合、自然冷却によって定まる温度であったためか、気温との相関があり、また電気出力（日射）とも相関があると判断される結果であった。最大温度は、気温より約５０℃を超えて高くなることは無かった。つまり、絶対値で１００℃を超える温度にはならなかった。但し、電池温度とは、電池の日射側のガラス表面温度である。つまり、自然冷却によっても、この表面温度が１００℃を大きく超えるような危険な温度は考慮しなくても良いことが分かった。しかし、温度上昇の絶対値は利用する電池や設置条件によって個性があると想定するのが妥当なので、この点には留意する。
【００１７】
【実施例】
本考案の実施例の一つは、基礎的実証試験に用いたもので、図１である。受光体は太陽電池である。これの実際の機能と予測計算との関係や、計算では予測できないことも判明したことを既に述べた。パラボラ鏡面より性能は落ちるが、単一平板（但し、電池の南北両側に計２枚ある）で、かつ静止型であっても、高い最大集光度が達成できた。最小でも１．３倍程度は容易に達成できる。
前述したが、鏡面が廉価であり、受光のために必要な面積の確保も容易ならば、更にパラボラ鏡面に近似させるため、断面が多折の平面反射鏡の設計も可能である。
【００１８】
本考案によって実用化を目指すものの南北面断面は、図２の如き形状のものをユニットとする。この場合に鏡面寸法や角度を決めるには、目標とする平均集光度、設置する場所（緯度と経度）と立地条件（傾斜や方向）、更に、地域を代表できる日射モデルが定まった上で、関係のパラメータ調査が完了しなければならない。
図３は、図２のものを単位ユニットとして、前述したセットの概念を示すものである。セットでは、ユニットが共通の基礎架台の上に固定されているので、この共通架台の傾斜を変更（季節的な太陽追尾）すれば、ここに固定されたユニットの全てが同時に、受光面と鏡面の傾斜を同様に変更されたことになる。
図４は、太陽エネルギーを高度に集約して、高温流体の形、或いは熱電素子の形で利用するような場合において、集熱体としての受光体と反射集光鏡面（本考案によった場合）の相互関係の概念を示している。
【００１９】
反射鏡面の性能維持のため外来有害物質への対応については、前述の通りであるが、更に、清掃が容易である（清掃で鏡面を痛めない）ようにする工夫も重要である。一方で、もっと仔細なことであるが、鏡面では実際に反射が起こる面と現実の鏡面表面との間の寸法は可能な限りで小さいことが反射損失の低減に有益である。この両者を兼ね備えた鏡面が望ましい。
【００２０】
実用において、鏡面の上端を結ぶ線（平面）が、本集光装置の設置される地形の傾斜（基準平面）と並行にできることを考慮して設計することが望ましいと前述してある。このことと、本集光装置のユニットをセット（グループ）に区分して共通架台に設置することとは、関連付けて考察しながら、本考案の集光装置の設計することを意味している。同時に、目標とする平均集光度とも関係して考察する。
例えば、降雪の多い地域の冬季では、積雪の影響を低減するため当該平面は大きな傾斜が望ましいし、集光度を大きくするためにも好ましい。降雪が少ない地域では、冬季は太陽高度が低い時間帯が多いので、上記セットの間で発生する日影の足が長くなることを考慮すれば、冬季の当該平面は、集光装置の設置場所の傾斜と並行である方が有利である。その代わり、夏季では、設置場所の傾斜とは逆方向にセットを傾斜させることになる。夏季は日影の足が短いので、日射との関係では問題ないが、台風などの強風対策に留意する必要がある。ここに例示したような気象条件から好ましい設計目標と達成できる年間平均集光度の目標とは相容れない場合もあるので、この場合は、調和された設計目標を設定する。。
その他、目標集光度を、年間平均で指定する場合や季節を選んで指定する場合もあり得る。この目標の指定によっても、当該平面のあり方には様々な選択があり得る。
一般に、セットの大きさ（重量や面積）には限度があるとしても、日影の足の長さを重視すべきなので、冬季に当該平面が基準平面に並行であることが基本である。
更に付言すると、結果として定まる受光体（特に電池の場合）の傾斜角度は、自然冷却に好ましい（水平は好ましいくない）傾斜であるようにも留意する。一方で、防風や豪雨につても配慮が必要である。
【００２１】
【発明の効果】
本考案による太陽光の反射集光は、平板鏡面が基本であり、その効用を経済的な配慮のもとで最大化する方法であるので、実用的価値が高い。その根拠を以下に。述べる。
基本とする平板鏡面は、パラボラ鏡面を簡略化する手段で、受光体の南と北の両側に置くことにし、目標とする集光の度合（集光度）が特に高い場合を除き、これら鏡面はそれぞれ１枚の平板であるとした。その上で、集光度を常時高く維持するための太陽追尾も簡略化して、目標の集光度によるが、年間で１〜４種に分別された季節的な太陽追尾で代行する。反射集光の原理を踏まえた太陽の動き（南北面高度）は季節で特定の範囲内に限られることから、簡略の太陽追尾、即ち季節的な太陽追尾が有益となる。季節的な太陽追尾が１種とすることは、反射鏡面と受光体の位置が年間を通じて固定されることである。
以上において、鏡面と受光体との相対的位置関係は、何時でも固定であることも特徴である。従って、季節的な太陽追尾とは、共通架台に固定された反射集光装置（受光体も一緒に）の全体を一体にして、受光面の傾斜を変更することである。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】初歩的実機モデルで、基礎的実証試験に用いたものの南北面断面を模式的に示してある。
【符号の説明】
１０１Ｎ  ・・・・・北側鏡面（大きさは、受光体の巾を１として、Ｗｎ）
１０１Ｓ  ・・・・・南側鏡面（大きさは、受光体の巾を１として、Ｗｓ）
１０２    ・・・・・受光体（太陽電池を用いた。その巾は１とした）
１０３    ・・・・・受光体の地平面に対する傾斜角度
１０４Ｎ  ・・・・・北側鏡面と受光体との相対傾斜角度
１０４Ｓ  ・・・・・南側鏡面と受光体との相対傾斜角度
【図２】実機ユニットのモデル的な典例の南北面断面である。鏡面や受光体の相対大きさや角度は設計条件により異なってくる。下記を除く符合の意味は図１と同じである（以下、同じ）。
【符号の説明】
２０１    ・・・・・鏡面の上端を結ぶ線（平面）
【図３】ユニットをセットに一体化した場合の概念（南北面断面）を示している。受光体は、この断面に垂直な方向に、可能な範囲で長く置かれている。
【符号の説明】
３０１    ・・・・・セットの傾斜角度。平面２０１とは並行である。
３０２    ・・・・・セットの傾斜を変更するための回転機能付きの支持点。
場所はセットの重心の近傍が最適である。
【図４】高い集光度（集熱）を目的とする受光体の場合の概念（南北面断面）を示している。この場合は、鏡面は多折形に連続する断面を持っている。
【符号の説明】
４０１    ・・・・・受光体（集熱体）。近似的焦点が移動するので、受光体を設定する角度１０３は、近似的焦点の移動方向に設定する。