(57)【要約】  本発明は、耐候性に優れ、高い反射率を有する太陽光反射用の光学素子ユニットを提供する。  弾性部材ＥＭの付勢力を介して、保持部１４ｄに対して反射鏡１３の上面が支持されているので、光学素子ユニットを取り外した際にも、支持部材１４から反射鏡１３が脱落することがない。又、線膨張係数の違いにより、温度変化に応じて、支持部材１４と反射鏡１３の間に熱膨張差が生じた場合には、弾性部材ＥＭが反射部材１３に対して滑りを生じることで、反射部材１３の変形を抑制するようになっている。
2009057553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ユニットであって、
厚さ０．７mm以下の光透過性である基材と、前記基材における太陽光の入射面とは反対の面側に形成した反射膜とを備えた反射部材と、
前記反射部材を支持する支持部材とを有し、
前記反射部材と前記支持部材とは互いに線膨張係数が異なっており、前記反射部材と前記支持部材とは、中央範囲内でのみ接着されていることを特徴とする光学素子ユニット。
【請求項２】
前記支持部材は、前記中央範囲内に貫通孔を有す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ユニット。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記支持部材の前記反射部材を保持する面側に形成された凹部に連通す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ユニット。
【請求項４】
前記凹部に貯留されて固化した接着剤により、前記反射部材が前記支持部材に接着されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学素子ユニット。
【請求項５】
前記反射部材の周辺は、前記支持部材に対して弾性部材を介して支持されている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ユニット。
【請求項６】
前記支持部材は、部分的に中空構造を有す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ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子ユニットに関し、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ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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、タワーの周囲に配置した多数の反射鏡（ヘリオスタット）により反射された太陽光を、タワー上に設けた楕円反射鏡を介して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。
【特許文献１】特開平１１−１１９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、反射鏡の反射率をなるべく高める必要がある。しかるに、太陽の位置が低い朝夕においては、反射鏡に入射する太陽光の入射角が浅くなる。かかる場合、ガラスの裏面に反射膜を形成した反射鏡では、ガラス内を通過する光の光路長が長くなり、その分だけ光量ロスが生じうる。一方、ガラスの表面に反射膜を形成した反射鏡では、光が内部を通過することによる光量ロスは生じないが、その反射面に雨、雪、あられ、塵埃などが落下したときは、定期的に清掃する必要があるため、反射鏡の表面に反射膜を形成すると、落下物や清掃による物理的なダメージにより、反射膜が早期に剥離・破損等する恐れがある。【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みて成されたものであり、耐候性に優れ、高い反射率を有する太陽光反射用の光学素子ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光学素子ユニットは、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ユニットであって、
厚さ０．７mm以下の光透過性である基材と、前記基材における太陽光の入射面とは反対の面側に形成した反射膜とを備えた反射部材と、
前記反射部材を支持する支持部材とを有し、
前記反射部材と前記支持部材とは互いに線膨張係数が異なっており、前記反射部材と前記支持部材とは、中央範囲内でのみ接着されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、前記反射部材が、厚さ０．７mm以下の光透過性である基材と、前記基材における太陽光の入射面とは反対の面側に形成した反射膜とを備えているので、例えば太陽の位置が低い朝夕において、反射部材に入射する太陽光の入射角が浅くなった場合でも、前記基材内を通過する光の光路長が短くなり、光量ロスを抑えることができる。一方、厚さ０．７mm以下である基材を備えた反射部材は、破損しやすく、或いは曲がりやすい為、取り扱いが難しい。そこで、前記反射部材を前記支持部材で支持することにより、強度・剛性を高めて取り扱い性を向上させている。しかるに、太陽光を効率よく集光させるには、なるべく大きな面積の反射部材を用いるべきである。一方、支持部材には軽量化が要求されるため、素材として反射部材とは異なるアルミなどを用いることが望ましい。かかる場合、前記反射部材と前記支持部材とは互いに線膨張係数が異なる場合が多く、周辺同士を結合すると、温度変化に応じて前記反射部材の変形を招く恐れがある。そこで、本発明においては、前記反射部材と前記支持部材とを、中央範囲内でのみ接着することにより、温度変化が生じた場合でも、熱膨張の影響を少なくすることで、前記反射部材の変形を抑えることができるようにしている。尚、「中央範囲」とは、前記反射部材の中心から周辺までの距離の５０％以内の範囲をいうものとする。又、基材の厚さの下限は、０．０３mmとする。これ以上薄いと取り扱いにくいからである。【０００９】
前記支持部材は、前記中央範囲内に貫通孔を有すると、前記支持部材の裏側から前記貫通孔を介して前記反射部材を接着するための接着剤を注入できるので好ましい。【００１０】
前記貫通孔は、前記支持部材の前記反射部材を保持する面側に形成された凹部に連通すると、この凹部を接着だまりとして利用できる。【００１１】
前記凹部に貯留されて固化した接着剤により、前記反射部材が前記支持部材に接着されていると好ましい。【００１２】
前記反射部材の周辺は、前記支持部材に対して弾性部材を介して支持されていると、前記反射部材と前記支持部材との熱膨張差を逃がすことができる。【００１３】
前記支持部材は、部分的に中空構造を有すると軽量化を図れるので好ましい。中空構造とは、ハニカム構造やリブ構造などを含み、例えば特開平５−１８８２０６号公報や、特開２００５−１７３０７３号公報に記載された構造を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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２】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。
【図３】ヘリオスタット５の斜視図である。
【図４】図３の構成を矢印IV-IV線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。
【図５】図３の構成を矢印V-V線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。
【図６】光学素子ユニットの断面図である。
【図７】集光鏡の断面図である。
【図８】光学素子ユニットの変形例にかかる断面図である。
【図９】光学素子ユニットの別な変形例にかかる要部断面図である。
【図１０】楕円鏡１の概略斜視図である。
【図１１】楕円鏡１の一部断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
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  反射鏡
１４  支持部材
１５  フレーム
１５ａ  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
ＳＰ  空間
ＢＴ  ボルト
ＥＭ  弾性部材
ＦＲ  フレーム
ＧＳ  ガラス板
ＨＣ  ハニカム構造
Ｌ  太陽光
ＮＴ  ナット
ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３，ＯＥ４  光学素子
ＲＢ  反射ボルト
ＲＭ  反射膜
ＲＰ  反射面
ＳＩ  シリコン樹脂
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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１は、本発明にかかる光学素子ユニットを用いた太陽光集光システムの斜視図である。図２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。【００１７】
図３は、１つのヘリオスタット５の斜視図である。図４は、図３の構成を矢印IV-IV線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図５は、図３の構成を矢印V-V線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図３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４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、フォーク７は安定した回転を行うことができる。【００１８】
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、反射鏡１３と支持部材１４とからなる光学素子ユニットが保持されている。【００１９】
図６は、光学素子ユニットの断面図である。矩形板状の反射鏡（反射部材）１３は、厚さ０．７mmの基材としてのガラス板ＧＳに、入射面とは反対側の面（下面）に反射膜ＲＭとして、ガラス板ＧＳ側から順に金属蒸着膜と、金属蒸着膜の保護膜が形成されている。尚、反射面は曲面であっても良い。【００２０】
矩形板状のアルミ製である支持部材１４は、反射鏡１３を保持する上面の中央領域に、接着剤だまりとしての凹部１４ａを複数個形成している。凹部１４ａは、支持部材１４を板厚方向に貫通する貫通孔１４ｂに連通している。支持部材１４の下面には、脚部１４ｃが形成されている。脚部１４ｃは、フレーム１５に支持部材１４を固定するために用いられる。支持部材１４の周囲には、反射鏡１３の上面に回り込むようにして、複数の鈎状の保持部１４ｄが形成されており、保持部１４ｄの先端と反射鏡１３の上面との間には、ゴム又は樹脂製の弾性部材ＥＭが弾性変形した状態で配置されている。【００２１】
本実施の形態によれば、弾性変形した弾性部材ＥＭの付勢力により、保持部１４ｄに対して反射鏡１３の上面が付勢されているので、ヘリオスタット５に対して光学素子ユニットを取り付け又は取り外す際にも、支持部材１４から反射鏡１３が脱落することがない。又、線膨張係数の違いにより、温度変化に応じて、支持部材１４と反射鏡１３の間に熱膨張差が生じた場合には、弾性部材ＥＭが反射部材１３に対して滑りを生じることで、周辺部における支持部材１４との相対変位を許容し、これにより反射部材１３の変形を抑制するようになっている。【００２２】
更に、保持部１４ｄの少なくとも一つを、取り外し可能又は旋回可能な構成とすれば、支持部材１４に対して反射部材１３を面方向にスライドさせながらの差込み又は取り外しを容易に行える。支持部材１４に装着された反射部材１３は、貫通孔１４ｂを介して注入された接着剤が凹部１４ａに貯留され、ここで固化することで支持部材１４に対して固定される。凹部１４ａは、中央領域にのみ形成されているので、ここに接着された反射鏡１３は、線膨張係数の違いにより、温度変化に応じて支持部材１４と反射鏡１３の間に熱膨張差が生じた場合にも、反射鏡１３の変形を抑制する効果がある。【００２３】
支持部材１４を取り付けたフレーム１５は、回転軸１５ａを有する。水平に延在する一対の回転軸１５ａは、フォーク７の上端に枢支されており、従って光学素子ユニットの反射鏡１３は、回転軸１５ａの軸線回りに仰角方向へ回転変位可能となっている。【００２４】
一方、図５に示すように、回転軸１５ａに交差する方向において、支持部材１４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、反射鏡１３が回転軸１５ａ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。尚、ヘリオスタット５の調整をし易くするために、反射鏡１３の一部に赤いシール（色付け部）等を貼り付けて、光の進む方向を目視確認できるようにしても良い。尚、シールは調整後に取り外しでいるようにすると更に良い。【００２５】
ヘリオスタット５の反射鏡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、太陽光の反射時に反射鏡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。【００２６】
また、図３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、反射鏡１３で反射された太陽光Ｌが常に楕円鏡１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、反射鏡１３からの太陽光Ｌを確実に楕円鏡１へ反射することができる。各反射鏡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。【００２７】
この集光鏡４の内部で反射を必要とする光は、光のロスを考えると、図７に示すように、上部開口３０から入射して、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。【００２８】
図８は、光学素子ユニットの変形例にかかる断面図である。本変形例においては、反射鏡１３と支持部材１４との間に、アルミ製のハニカム構造ＨＣを挿入し、反射鏡１３とハニカム構造ＨＣとの間、及び支持部材１４とハニカム構造ＨＣとの間に、アルミの粒子を混入したシリコン樹脂ＳＩで接合した構成である。ハニカム構造ＨＣは、軽量でありながら高剛性を有するため、取り扱いが容易になる。一方、反射鏡１３とハニカム構造ＨＣと支持部材１４との間を、アルミの粒子を混入したシリコン樹脂ＳＩで接合したので、熱伝導性に優れ、反射鏡１３の熱変形を更に抑えることができる。尚、シリコン樹脂ＳＩの厚さを局所的に変えることで、支持部材１４に対して反射鏡１３を傾けることも可能である。【００２９】
図９は、光学素子ユニットの別な変形例にかかる要部断面図である。支持部材１４の脚部１４ｃは、ボルトＢＴを植設している。脚部１４ｃとフレーム１５との間に、ゴム又は樹脂製の弾性部材ＥＭを配置し、更にボルトＢＴが弾性部材ＥＭ、フレーム１５を貫通して、その下面側でナットＮＴに螺合している。ナットＮＴを適宜締め込むと、弾性部材ＥＭが圧縮変形し、脚部１４ｃがフレーム１５に接近する。一方、ナットＮＴを適宜ゆるめると、弾性部材ＥＭが弾性変形から復帰し、脚部１４ｃを持ち上げる。これにより、フレーム１５に対して支持部材１４の傾きの微調整を行える。尚、このような脚部１４ｃが、支持部材１４の下面において、直線上に並ばない３点で設けられていると、個々のナットＮＴを独立して螺動させることで任意の方向に傾けることができる。更に、シリコン樹脂ＳＩの厚さを放物面的に変化させることで、反射鏡１３を放物面的な曲面形状として光を集光する作用を持たせることも可能である。【００３０】
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パラボラ状に並べた形状を有する。光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３，ＯＥ４は、セラミック又はガラスの基材における入射面側に、誘電体多層膜及び／又は金属蒸着膜を形成してなると好ましい。【００３１】
図１１は、楕円鏡１の一部断面図である。光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３の隅は直線状もしくは円弧状にカットされているので、フレームＦＲの下面に対向して弾性部材ＥＭを介して並べて配置されたときに、隅と隅の間に空間ＳＰが生じる。この空間ＳＰを、反射ボルトＲＢが通過し、更に弾性部材ＥＭ、フレームＦＲを貫通して、上面側でナットＮＴに螺合している。本実施の形態によれば、ボルトＢＴの頭部は、空間Ａより面積の大きい反射面ＲＰを有しており、これが光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３の反射面に隣接して配置されるので、反射光量を増大できると共に、反射されなかった光によって楕円鏡１が加熱されることを抑制できる。又、ナットＮＴの螺動させることにより、光学素子ＯＥ１，ＯＥ２，ＯＥ３の傾きの微調整も可能となる。【００３２】
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。
【図４】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2009057553.tif 000015
2009057553.tif 000016
2009057553.tif 000017