(57)【要約】  太陽光のエネルギーを効率的に収集できる太陽光集熱装置を提供することを目的とする。  熱を蓄えると共に開放した容器部２２と、容器部２２を閉鎖すると共に集光された太陽光を入射させるための開口部２６を有する閉鎖部２５と、開口部２６を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収部３０と、を備える。
2009133883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を蓄えると共に開放した容器部と、
前記容器部を閉鎖すると共に集光された太陽光を入射させるための開口部を有する閉鎖部と、
前記開口部を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収部と、
を備えたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽光集熱装置において、
前記開口部がスリットを有することを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の太陽光集熱装置において、
前記開口部の幅が、前記集光された太陽光の焦点の径の５倍であることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、
前記開口部に配置され、太陽光を反射して前記容器部の内に導く反射面を有する光ガイドを更に備えたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項５】
請求項４に記載の太陽光集熱装置において、
前記光ガイドは、前記太陽光の入射口部と前記太陽光を前記容器部の内へ出射させる出射口部とを有し、
前記光ガイドは、前記入射口部から前記出射口部に向けて延びるにつれて広がることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項６】
請求項５に記載の太陽光集熱装置において、
前記光ガイドは、前記出射口部から前記入射口部に向けて延びるにつれて広がることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の太陽光集熱装置において、
前記光ガイドの前記入射口部に球面の入射窓を更に備えたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、
前記閉鎖部が凹部を有し、
前記開口部が、前記凹部の底に前記太陽光を通過させる透明の部材により形成されたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、
前記太陽光を集光させる集光手段を更に備えたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の太陽光集熱装置において、
前記集光手段が、前記開口部に向かって凹に湾曲したフレネルレンズであることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、
太陽の動きに応じて、前記太陽を追尾する追尾手段を更に備えたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の太陽光集熱装置において、
前記追尾手段が、前記集光手段を前記容器部に対して動かすことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１３】
請求項１０または請求項１１に記載の太陽光集熱装置において、
前記追尾手段が、前記開口部の外側に設けられ、かつ、前記集光手段を回転させる回転軸を有し、
前記光ガイドの入射口部が、前記回転軸上に位置決めされることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１４】
請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、
前記追尾手段が、前記容器部を動かすことを特徴とする太陽光集熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光のエネルギーを収集する太陽光集熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化が問題となっている現在、電気を使用しない再生可能なエネルギーを模索する研究が多く行われている。特に太陽の無尽蔵なエネルギーを如何に使用するかは今後ますます重要となる問題である。その中で、太陽光を利用した集熱装置や淡水化装置等は最も実現の急がれる課題である。これらの実現化のためには、効率的に太陽光から熱を吸収して流体等を昇温させる必要がある。例えば、特許文献１には、太陽光を受けて熱に変換し、流体を昇温させるべく、内部に前記流体の通路を有する管状の集熱体と、前記集熱体に太陽光を反射させるべくこれを部分的に囲繞する反射板とを具備する集熱ユニットが１つまたは複数設けられた集熱装置において、前記反射板が前記管状集熱体を中心に回転可能に支持されている集熱装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来例のように一般に、太陽から温水を得る方法としては、ケーシングの前面を覆う透明なガラスまたはプラスチックを通して太陽光を導入し、これを吸収体に当て加熱することにより、高温の媒体を製造することが行われている。しかし、高温部からの輻射や対流による熱損失は、温度が高くなるにつれ非常に大きくなる。このために、太陽光で効率よく到達できる温度に制限が出てきていた。【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明は、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる太陽光集熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、熱を蓄えると共に開放した容器部と、前記容器部を閉鎖すると共に集光された太陽光を入射させるための開口部を有する閉鎖部と、前記開口部を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収部と、を備えたことを特徴とする。【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の太陽光集熱装置において、前記開口部がスリットを有することを特徴とする。【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の太陽光集熱装置において、前記開口部の幅が、前記集光された太陽光の焦点の径の５倍であることを特徴とする。【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、前記開口部に配置され、太陽光を反射して前記容器部の内に導く反射面を有する光ガイドを更に備えたことを特徴とする。【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の太陽光集熱装置において、前記光ガイドは、前記太陽光の入射口部と前記太陽光を前記容器部の内へ出射させる出射口部とを有し、前記光ガイドは、前記入射口部から前記出射口部に向けて延びるにつれて広がることを特徴とする。【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の太陽光集熱装置において、前記光ガイドは、前記出射口部から前記入射口部に向けて延びるにつれて広がることを特徴とする。【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載の太陽光集熱装置において、前記光ガイドの前記入射口部に球面の入射窓を更に備えたことを特徴とする。【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、前記閉鎖部が凹部を有し、前記開口部が、前記凹部の底に前記太陽光を通過させる透明の部材により形成されたことを特徴とする。【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、前記太陽光を集光させる集光手段を更に備えたことを特徴とする。【００１５】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の太陽光集熱装置において、前記集光手段が、前記開口部に向かって凹に湾曲したフレネルレンズであることを特徴とする。【００１６】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、太陽の動きに応じて、前記太陽を追尾する追尾手段を更に備えたことを特徴とする。【００１７】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の太陽光集熱装置において、前記追尾手段が、前記集光手段を前記容器部に対して動かすことを特徴とする。【００１８】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１０または請求項１１に記載の太陽光集熱装置において、前記追尾手段が、前記開口部の外側に設けられ、かつ、前記集光手段を回転させる回転軸を有し、前記光ガイドの入射口部が、前記回転軸上に位置決めされることを特徴とする。【００１９】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置において、前記追尾手段が、前記容器部を動かすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱を蓄えると共に開放した容器部と、容器部を閉鎖すると共に集光された太陽光を入射させるための開口部を有する閉鎖部と、開口部を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収部と、を備えたことにより、閉鎖部に開口された開口部から容器部の内に集光された太陽光を入射させるため、太陽光が容器部の内に入り易くなり、かつ、焦点から広がった太陽光を吸収した光吸収部から発生した熱が容器部の内から逃げにくくなり、熱損失が少なく太陽光のエネルギーを効率的に収集できる太陽光集熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図２】図１の太陽光集熱装置における太陽光集熱の原理を示す概略図である。
【図３】従来の太陽光集熱装置の概要構成例を示す模式図である。
【図４】温度に対する輻射熱損失および加熱水量を示す線図である。
【図５】本発明に係る第２実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図６】図５の太陽光集熱装置の第１変形例の概要構成例を示す概略図である。
【図７】図５の太陽光集熱装置の第２変形例の概要構成例を示す概略図である。
【図８】図５の太陽光集熱装置の第３変形例の概要構成例を示す概略図である。
【図９】図５の太陽光集熱装置の第４変形例の概要構成例を示す概略図である。
【図１０】本発明に係る第３実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図１１】図１０の太陽光集熱装置の追尾手段の一例を示す概略図である。
【図１２】図１１の追尾手段の他の一例を示す概略図である。
【図１３】図１０の太陽光集熱装置の変形例の概要構成例を示す概略図である。
【図１４】図１０の太陽光集熱装置等を用いて水に太陽光を集熱したときの時間に対する温度特性の一例を示す線図である。
【図１５】本発明に係る第４実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図１６】図１５の太陽光集熱装置の光ガイドにおける光路の一例を示す模式図である。
【図１７】比較例の光ガイドにおける光路の一例を示す模式図である。
【図１８】本発明に係る第５実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図１９】本発明に係る第６実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【図２０】図１９の太陽光集熱装置の追尾手段の一例を示す概略図である。
【図２１】本発明に係る第７実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
【００２４】
まず、本発明に係る第１実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成および機能について、図を用いて説明する。なお、上述した課題を解決する本発明について図を用いて説明するが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明に係る第１実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【００２６】
図１に示すように、太陽光集熱装置１は、太陽光Ｓを集光するフレネルレンズ１０と、フレネルレンズ１０により集光された太陽光Ｓｆを受け入れ、太陽光の熱を蓄えると共に開放された上部２０ａを有する断熱貯水槽２０と、断熱貯水槽２０の上部２０ａを閉鎖すると共に集光された太陽光Ｓｆを入射させるための開口部２６を有する閉鎖部の一例の遮光板２５と、断熱貯水槽２０の内に設けられ、開口部２６を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収体３０と、を備える。
【００２７】
フレネルレンズ１０は、プラスチック製であり、片面に同心円状の溝を有している。そして、フレネルレンズ１０は、焦点が断熱貯水槽２０の表面に付近にくるように、断熱貯水槽２０に設置された４本の支持部材１５によりに支えられている。箱（断熱貯水槽２０）の上部に支柱（支持部材１５）によって支えられたフレネルレンズ１０が配置されている。このように、フレネルレンズ１０は、太陽光を集光させる集光手段の一例であり、太陽光を集光する装置としての機能を有する。このフレネルレンズ１０は、箱（断熱貯水槽２０）の上面の開口部２６を焦点としており、ここで太陽光を小さく絞っている。太陽光集熱装置１は、焦点を通過した後は、光は再び広がって箱の内部を加熱する構成である。
【００２８】
次に、断熱貯水槽２０は、直方体の形状を有し、太陽光Ｓが入射する側の面が、開放された上部２０ａを形成する。断熱貯水槽２０の側部および下部は、断熱性を有し、断熱貯水槽２０内に蓄えられた熱の放散を防止している。そして、断熱貯水槽２０は、内部の底に、被加熱物としての媒質または液体の一例である水Ｗを有する。水Ｗは、太陽光を吸収した光吸収体３０により、高温媒体となる。なお、断熱貯水槽２０は、熱を蓄えると共に開放した容器部の一例である。なお、容器部と閉鎖部とにより、閉鎖された容器が形成される。また、媒質または液体として、水Ｗの代わりに、溶融塩でもよい。
【００２９】
次に、遮光板２５は、断熱貯水槽２０の内からの放射熱を反射し、断熱の機能を有し、断熱貯水槽２０の上部２０ａを閉鎖している。そして、遮光板２５の中心部分に開口部２６が形成されている。このように、遮光板２５は、容器部を閉鎖すると共に集光された太陽光を入射させるための開口部を有する閉鎖部の一例である。なお、遮光板２５のような閉鎖部は、断熱貯水槽２０のような容器の上部２０ａとして一体に形成されてもよい。この場合、容器部は、例えば、容器の上部２０ａ以外の部分、すなわち、容器の側部および下部である。
【００３０】
開口部２６は、フレネルレンズ１０の焦点付近で、集光した太陽光が入射する断熱貯水槽２０の上部２０ａの中心部分、すなわち、遮光板２５の中心部分に形成されている。そして、開口部２６は、集光した太陽光が通過できる大きさで円形状に形成され、フレネルレンズ１０により集光された太陽光を、断熱貯水槽２０の内に通過させる。また開口部２６は、遮光板２５等の断熱材に覆われていないが、遮光板２５の表面の一部に形成されているため、断熱貯水槽２０内部の熱の放散を極力防止する機能を有する。このように、開口部２６は、高熱を作るために太陽光のエネルギーを効率よく閉空間に導入することができる一方、内部の加熱された媒質からの輻射や対流損失を抑えることができる小さな開口を有する。
【００３１】
ここで、フレネルレンズ１０が５０ｃｍで焦点の径が１ｃｍぐらいの場合、開口部２６の大きさは、直径５ｃｍほどである。実際、集光された太陽光は、焦点という点ではなく、光の強度が径方向にガウス分布状の分布となる。できるだけ多くの太陽エネルギーを取り込むには、開口部２６の大きさは、大きい方がよいが、熱損失の関係では小さい方がよい。焦点の径をガウス分布の標準偏差σとすると、ガウス分布の累積関数Φ（３σ）＝0.49865、累積関数Φ（４．８σ）＝0.50000であるので、開口部２６の大きさを５σとすると、ほとんどの太陽エネルギーが取り込める。また、フレネルレンズ１０の大きさからすると、開口部２６の大きさは、レンズの大きさの１／１０である。このように、開口部２６の幅が、集光された太陽光の焦点の径の５倍である。
【００３２】
次に、光吸収体３０は、太陽光を吸収して熱に変換し易いように表面が加工してあり、例えば、表面が凹凸であり、黒色である。そして、光吸収体３０は、断熱貯水槽２０に蓄えられた水Ｗに浸っている。また、光吸収体３０は、開口部２６を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収部の一例である。光吸収体３０は、集光した太陽光を再び広げてこれを吸収し高温媒体を作る加熱部の機能を有する。なお、図１に示したように、開口部２６を通過してきた太陽光が広がり照射される断熱貯水槽２０の底に、複数個の光吸収体３０を並べ、光吸収体３０間においても光を吸収して熱に変換するようにしてもよいが、光吸収体３０の代わりに、光吸収部として、断熱貯水槽２０の内面を、黒色にしたり、凹凸にしたりしてもよい。さらに、光吸収体３０と断熱貯水槽２０の内面とにより、光吸収部を構成してもよい。
【００３３】
次に、太陽光集熱の原理および動作を説明する。
【００３４】
図２は、太陽光集熱装置１における太陽光集熱の原理を示す概略図で、従来の問題点を解決する手段の原理図である。図３は、従来の太陽光集熱装置の概要構成例を示す模式図である。
【００３５】
図２に示すように、太陽光Ｓを、レンズや鏡で集光し、断熱貯水槽（箱）２０の上部の小さな開口部２６を通して、断熱貯水槽２０の中に導入する。開口部２６を通過した太陽光Ｓｆは断熱貯水槽２０の内部で再び広がり、内部の吸収体（光吸収体）３０を加熱する。断熱貯水槽２０の内部は高温になるが、輻射損失は開口面積に比例するため、開口部が小さければ小さいほど輻射損失は少なくなる。
【００３６】
一方、図３に示すように、従来の太陽光集熱装置１００は、断熱貯水槽（箱）１２０の上部から透明板１２１を通して太陽光Ｓｆが入射する。太陽光Ｓは内部の吸収体１３０に吸収され、これを高温にする。しかし、温度が上昇するにつれて輻射や対流による熱損失が大きくなるが、その損失は上部の透明板１２１からがほとんどである。例えば、輻射損失は温度の４乗に比例するので、この損失の増加率は非常に大きい。従って、ある温度以上になると入射した熱はそのまま損失となり、温度を上昇させることができなくなってくる。
【００３７】
なお、図１に示された太陽光集熱装置１は、上記の原理を利用した、集熱装置の一つの形態である。
【００３８】
このように本実施形態によれば、熱を蓄えると共に開放した断熱貯水槽２０と、断熱貯水槽２０の上部２０ａを閉鎖すると共に集光された太陽光Ｓｆを入射させるための開口部２６を有する遮光板２５と、開口部２６を通過して広がった太陽光を吸収して熱に変換する光吸収体３０と、を備えたことにより、遮光板２５に開口された開口部２６から断熱貯水槽２０の内に集光された太陽光を入射させるため、太陽光が断熱貯水槽２０の内に入り易くなり、かつ、焦点から広がった太陽光を吸収した光吸収体３０から発生した熱が断熱貯水槽２０の内から逃げにくくなり、熱損失が少なく太陽光のエネルギーを効率的に収集できる太陽光集熱装置１を提供できる。
【００３９】
また、フレネルレンズ１０のように、太陽光Ｓを集光させる集光手段を更に備えた場合、この集光手段により、遮光板２５（閉鎖部）に開口された開口部２６に太陽光Ｓｆを集中させることができ、太陽光Ｓｆが容器部の内に入り易く、光吸収体３０（光吸収部）から発生した熱が断熱貯水槽２０（容器部）の内から逃げにくいため、熱損失が少なく太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【００４０】
また、開口部２６の幅が、集光された太陽光の焦点の径の５倍である場合、集光された太陽光の焦点における径方向分布が、ガウス分布とみなせるので、焦点の径をガウス分布の標準偏差σとすると、開口部２６の大きさを５σであり、ほとんどの太陽エネルギーを、容器部の内に取り込むことができる。また、開口部２６の幅が、このように十分広いので、風による太陽光の揺らぎや、水蒸気による焦点のぼやけた場合でも、十分、太陽エネルギーを容器部の内に取り込むことができる。
【００４１】
また、開口部２６を通過して広がった太陽光を、断熱貯水槽２０の底付近の光吸収体３０で、吸収して熱に変換していて、太陽光が集光した開口部２６付近で加熱されないので、熱損失が少ない。特に、開口部２６を孔のみすると、太陽光が集光した開口部２６付近を、通過しやすく、熱損失が少なくなる。
【００４２】
また、太陽光集熱装置１は、入射する太陽光はできるだけ多く、損失をできるだけ少なくすることによって、太陽光を用いて媒質または液体を効率よく高温とすることができる。また、入射する太陽光はできるだけ多く、損失をできるだけ少なくすることによって、蒸発法による淡水化の際に、高効率に蒸発させるために必要な高温を、安価に熱損失を大幅に低減して達成できる。さらに、太陽光集熱装置１は、太陽光を効率よく吸収し、輻射や対流などの損失を抑えることによって高熱の媒体を生成することができ、家庭や農業、産業用の温水、高温媒体を製造できる装置を提供できる。
【００４３】
なお、一般に、太陽から温水を得る方法としては、透明なガラスまたはプラスチックを通して太陽光を導入し、これを吸収体に当て加熱することにより、高温の媒体を製造することが行われている。しかし、高温部からの輻射や対流による損失は、温度が高くなるにつれ非常に大きくなる。このために、太陽光で効率よく到達できる温度に制限が出てきていた。
【００４４】
また、太陽加熱淡水化装置の場合、高温が実現すればそれにつれて効率が上昇する。しかし、温度の上昇によって損失も増大するため、最適な温度が比較的低温となる。そのため、蒸発を促進するために、真空装置が必要となり、装置も高価になっている。
【００４５】
さらに、家庭用や業務用の温水器も、このような損失を防ぐために、吸熱部に色々な処置を施したり、配管中に水を通しつつ加熱したりなどの技術が必要であり、装置が高価となっていた。
【００４６】
さらにまた、２０２５年までには３０億人分の水が不足するといわれているが、このために逆浸透膜による淡水化を行うとすると、９兆キロワット時の電力を必要とする。これは、２００２年の世界全体の電力使用量１６兆キロワット時の５０％以上である。そのため、太陽光を使用した淡水化装置が待たれているが、効率と価格の面で、実用化が困難であった。
【００４７】
次に、計算例について説明する。
【００４８】
図４は、温度に対する輻射熱損失および加熱水量を示す線図であり、温度に対する輻射、対流損失の増加の計算結果を示している。
【００４９】
我が国の太陽光は最高１キロワット／ｍ２であるが、晴天時でもこの半分となることが多い。従って、輻射損失は９０度Ｃ付近で太陽光と同程度になる。輻射損失は、放射面積に比例しているので、開口部の面積を太陽光入射面積よりも小さくすることによって、この損失を減らすことができる。図には、１キロワットの太陽光が入射したときに、輻射損失を差し引いた入力で、１０度昇温できる水量を示す。開口部が入射面と同じ面積の場合には、９０度を超す水は全く作れないことが分かる。一方、１０分の一の開口面積にすれば、どの温度領域でも同様の温水量を確保できることが示された。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
【００５１】
まず、第２実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成について、図に基づき説明する。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を用いて異なる構成および作用のみを説明する。その他の実施形態および変形例も同様とする。
【００５２】
図５は、本発明に係る第２実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図で、太陽の日周運動に備えた太陽光集熱装置の概略図である。さらに、図５は、太陽の日周運動を考慮した配置を示している。
【００５３】
図５に示すように、太陽光集熱装置２は、遮光板２５Ｂと、開口部の一例であるスリット２６Ｂが、第１実施形態と異なる。
【００５４】
遮光板２５Ｂは、第１実施形態と遮光板２５と同じように、断熱貯水槽２０の上部２０ａを閉鎖するが、細長いスリット２６Ｂが形成されている。
【００５５】
スリット２６Ｂは、集光された太陽光Ｓｆの焦点の径とほぼ同じか少し大きい幅を有し、太陽の日周運動の影響を十分に吸収できる長さを有する。スリット２６Ｂの幅は、風による太陽光の揺らぎや水蒸気や塵による太陽光の散乱等を考慮して、フレネルレンズ１０により集光された太陽光の焦点距離における太陽光の大きさより、大きくする。また、スリット２６Ｂの長さは、太陽の日周運動により太陽光の入射角が傾いて、太陽光の強度があまり弱まらない程度の角度からの太陽光を受け入れられる長さにする。さらに、スリット２６Ｂの幅および長さは、熱損失も考慮して決定される。
【００５６】
ここで、フレネルレンズ１０が５０ｃｍで焦点の径が１ｃｍぐらいの場合、スリット２６Ｂの幅は、直径５ｃｍほどである。焦点の径をガウス分布の標準偏差σとすると、スリット２６Ｂの幅は、５σである。また、スリット２６Ｂの長さは、遮光板２５Ｂの長手方向の幅程度で、日周運動により入射角が大きく傾いた太陽光も取り込めるようにするためには、できるだけ長くする。
【００５７】
太陽光集熱装置２は、スリット２６Ｂの長手方向が東西になるように設置する。なお、日が傾き、太陽光がスリット２６Ｂに斜め方向から入射すると、フレネルレンズ１０を通過した太陽光は、遮光板２５の上方で最も集光するので、フレネルレンズ１０を日周運動に合わせて上下させてもよい。すなわち、フレネルレンズ１０を太陽の日周運動に合わせて、スリット２６Ｂに近づけたり遠ざけたりするフレネルレンズ１０の遠近手段を設ける。具体的には、太陽光が傾くほど、遠近手段が、フレネルレンズ１０をスリット２６Ｂに近づける。
【００５８】
このように、開口部がスリット２６Ｂを有する。また、集光には、フレネルレンズ１０のようなレンズや鏡を用い、太陽の日周運動に伴って変化する集光部の動きに対応することができる開口部の一例としてスリット２６Ｂを備える。
【００５９】
次に、太陽光集熱装置２の動作例について説明する。
【００６０】
太陽が西から東へ動く際にはフレネルレンズに光が斜めに照射され、その焦点位置は太陽と反対側に動く。一日の中でこのような動きは直線状であるので、箱の上部には図５のようなスリット２６Ｂを置き、日周運動につれて動く焦点がこのスリット２６Ｂ内を動くように設計する。
【００６１】
このように本実施形態によれば、スリット２６Ｂの長手方向が、太陽の日周運動方向になるように、太陽光集熱装置２を配置することにより、太陽の日周運動を追尾する追尾手段がなくても、集光された太陽光Ｓｆを断熱貯水槽（容器部）２０の内に取り入れることができるため、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。また、太陽受光面（上部２０ａ）とスリット２６Ｂの開口面の面積比を１０倍以上にすることは容易であり、これにより熱損失を１０分の１以下にすることができる。
【００６２】
次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図６は、太陽光集熱装置２の第１変形例の概要構成例を示す概略図であり、焦点固定用魚眼型のフレネルレンズを用いた太陽光集熱装置の概略図である。
【００６３】
図６に示すように、太陽光集熱装置２Ｂの焦点固定用魚眼型のフレネルレンズ１０Ｂは、開口部を出来る限り小さくするために、湾曲したレンズや鏡等を備えることが可能な構造を有する。
【００６４】
図６では、焦点位置が動かないように、フレネルレンズ自身を湾曲させ、いつも焦点が同じ位置に来るように設計した例である。例えば、平らな薄いフレネルレンズを左右に曲げ湾曲させて作成する。この方式では、フレネルレンズ１０Ｂは、魚眼レンズと類似しており、広い角度から太陽光を集光するように、フレネルレンズを魚眼レンズ仕様に設計することが可能である。また、フレネルレンズ１０Ｂとして、水を用いたレンズも使用することができる。
【００６５】
このように、集光手段が、開口部２６に向かって凹に湾曲したフレネルレンズ１０Ｂであるので、広い角度から太陽光を集光できる。
【００６６】
次に、本実施形態の第２変形例について説明する。
図７は、太陽光集熱装置２の第２変形例の概要構成例を示す概略図で、アレイ状のフレネルレンズ配置型太陽光集熱装置の概略図である。
【００６７】
図７に示すように、太陽光集熱装置２Ｃは、小型のフレネルレンズが縦３×横３で格子状に配置されたフレネルレンズ１０Ｃと、複数の開口部を有する遮光板２５Ｃと、開口部として複数のスリット２６Ｃ等を有する。例えば、フレネルレンズ１０Ｃは、装置の高さを最小限に留めるために、多数の小さいレンズや鏡などの集光器から形成され、それぞれの小さな集光器について、同様の太陽光に追随する開口部としてスリット２６Ｃを有する。
【００６８】
図７に示すように、装置の高さを制限するためと、装置を安価に製作するため、小さな集光装置を並列に置き、それぞれの装置に太陽光の運動を予測したスリット状の開口部を設けている。
【００６９】
ここで、太陽光の運動を予測したスリット状の開口部は、太陽の日周運動や年周運動に応じて、太陽の集光点が動いてゆく経路をスリットとした開口部である。また、各スリット２６Ｃの幅は５ｃｍで、スリット２６Ｃの長さは、遮光板２５Ｃの長手方向の幅程度にする。フレネルレンズ１０Ｃにおける小型のフレネルレンズの隣の領域まで、スリット２６Ｃの長さは、長くなっている。
【００７０】
次に、本実施形態の第３変形例について説明する。
図８は、太陽光集熱装置２の第３変形例の概要構成例を示す概略図で、反射型の太陽光集熱装置の概略図である。
【００７１】
図８に示すように、太陽光集熱装置２Ｄは、フレネルレンズ１０Ｄに集光された太陽光Ｓｆａを反射する反射板（例えば、凹面鏡）１１と、光吸収体３０や水Ｗを有する容器２１と、容器２１の側面部２１ａを閉鎖する閉鎖部２５Ｄと、閉鎖部２５Ｄに形成され、反射板１１からの太陽光Ｓｆｂを受け入れるスリット（窓型ピンホール）２６Ｄとを備える。スリット型の開口部に対しては、図８のように反射板を設けて光を曲げることもできるが、こうした種々の変形も考えることができる。
【００７２】
次に、本実施形態の第４変形例について説明する。
図９は、太陽光集熱装置２の第４変形例の概要構成例を示す概略図である。また、図９は、開口部は、高温となった液面からの蒸発によって曇る可能性のある透明板が液体に水没した構造となっており、蒸気に触れない構造を持つ太陽光集熱装置の概略図である。
【００７３】
図９に示すように、太陽光集熱装置２Ｅは、容器２２の上部２２ａを閉鎖するように、閉鎖部の一例の遮光板２５Ｅを備える。そして、遮光板２５Ｅが凹部２７を有し、開口部２６Ｅが、凹部２７の底に太陽光を通過させる透明の部材の一例の窓ガラス２８により形成されている。
【００７４】
液体を加熱する際には、蒸気が発生し、これが開口部２６Ｅの透明板（窓ガラス２８）に付着し、入射太陽光を散乱させる。図９はこれを防ぐ装置の一例である。開口部２６Ｅを図のように水没させることにより、蒸気付着を防ぐことができる。従来技術では、窓を水没させるとこれに塩分や汚物が付着して、光の入射を困難とするが、本技術のように光を集光して強度を上げれば付着物を溶かして取り除くことが可能となる。例えば、塩分の場合、８００度Ｃ以上で融解するので、窓ガラス２８を軟化点が１６５０度Ｃの石英ガラスを使用すれば、窓ガラス２８を溶かすことなく塩分を除去できる。なお、この融解は、例えば、水が容器の一部にしかなく、満たされていない場合で、水Ｗが窓ガラス２８に接していない場合に行う。集光手段により、太陽光が絞られた焦点が、窓ガラス２８付近になり、窓ガラス２８が高温になり、塩分等を融解させる。また、窓ガラス２８付近で最大に集光されて太陽光の強度が上がるが、焦点を通過した後は、また広がり、光吸収体３０に達するため、光吸収体３０を損なわない。
【００７５】
このように、太陽光集熱装置２Ｅは、水没した開口部２６Ｅに、水中の汚物や塩分が付着し太陽入射を遮るとき、太陽光を収束させ、この付着物を融解させることができる程度の高い光強度を実現する集光部（フレネルレンズ１０等）とこれに適合した大きさを持った開口部２６Ｅを備える。
【００７６】
以上、閉鎖部が凹部２７を有し、開口部２６Ｅが、凹部２７の底に太陽光を通過させる透明の部材により形成された場合、容器２２内部に水等の媒体を満たし、開口部２６Ｅを水没させることにより、蒸気の付着を防ぐことができ、太陽光が容器２２内部に入り易くなり、より太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【００７７】
また、従来、太陽光で直接水を加熱すると、水蒸気が発生して窓ガラスが曇り、これによる光の散乱により太陽光が媒体に入射できず加熱が妨げられるので、水は鋼製の管の中に封入され、太陽熱はこの管の外から間接的に水を加熱せざるを得なかった。また、蒸気を防ぐために容器内部を水で満たすと、高温時に高圧が発生し容器が破損したり、汚物や塩分が窓ガラスに付着し光を遮ったりすることが問題であった。これらの問題も、太陽光集熱装置２Ｅは、解決できる。
【００７８】
なお、太陽光集熱装置２Ｅは、開口部２６Ｅを水没させない場合には、窓材（窓ガラス２８）を使用せず、単なる空孔にすぎない開口部が損失を十分に防げる大きさを有してもよい。この場合、窓ガラス２８がないので、窓ガラス２８が曇って太陽光の入射を妨げることがない。
【００７９】
また、フレネルレンズ１０により太陽光を集光することで、殺菌および生物の卵の孵化を防ぐために十分な高温を発生させ、海水の淡水化の場合には、貝などの卵が海水と共に装置内に取り込まれ、装置内で成貝に成長し大きくなり、装置を覆ってしまうことを防止できる。
【００８０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
【００８１】
図１０は、本発明に係る第３実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。なお、図１０は、太陽光が地平線の方向へ傾くにつれて、レンズ内に入る太陽光の量が少なくなってくるような問題等を解決する手段の原理図でもある。
【００８２】
図１０に示すように、太陽光集熱装置３は、図１の太陽光集熱装置１に対して、太陽の動きに応じて、太陽を追尾する追尾手段４０を更に備える。
【００８３】
追尾手段４０は、回転軸（例えば、日周運動調整軸）４１と、回転軸４１に回転可能に設置されたアーム４２とを有する。
回転軸４１は、断熱貯水槽２０の上部の側部に位置決めされている。
【００８４】
アーム４２は、棒状であり、アーム４２の基端部が、回転軸４１に回転可能に連結され、アーム４２の先端部にフレネルレンズ１０が固定されている。
【００８５】
フレネルレンズ１０は、両側のアーム４２に固定される。フレネルレンズ１０が固定されたアーム４２の先端部は、集光点を軸とする円周を描く。この円周上を動くことによって、フレネルレンズは、焦点と太陽とを結ぶ線に垂直に運動する。このアーム４２は、小さなモータ（図示せず）によって動くベルトや棒等によって回転される構成である。
【００８６】
このように、太陽光を追尾する装置（追尾手段）と、集光した太陽光を開口部を通して過させ、高温媒体を作る加熱部（光吸収部）を有する太陽光集熱装置３を構成する。また、フレネルレンズ１０で集光された太陽光を通過させる小さな開口部２６を持ち、それ以外の部分は、熱が逃げないように断熱壁２０ｂ（一部は遮光板２５を形成）となっており、内部に封入された媒質（水Ｗ）を効率よく高温にし、かつ長時間貯蔵することを可能とする高効率な太陽光集熱装置３を構成する。
【００８７】
次に、駆動部を含めた追尾手段４０について図に基づき説明する。
【００８８】
図１１は、太陽光集熱装置の追尾手段の一例を示す概略図である。なお、図１１は、追尾には、太陽の日周運動および年周運動にあわせてレンズを移動させることができる駆動部を備える高効率な太陽光集熱装置の実施態様の一例を示す太陽光集熱装置の概略図でもあり、図１０に示した原理を利用した、太陽光追尾集熱装置の一つの形態を示している。
【００８９】
まず、太陽光集熱装置３Ｂは、図１０の太陽光集熱装置３と多少構成が異なるので、太陽光集熱装置３Ｂの構成例を説明しておく。
【００９０】
図１１に示すように、太陽光集熱装置３Ｂは、複数のフレネルレンズ１０や、円筒形の断熱貯水槽２２や、追尾手段４０等を備える。
【００９１】
各フレネルレンズ１０は、各々２本のアーム４２により支えられ、回転軸（日周運動調整軸や年周運動調整軸）４１を中心に回転する。
【００９２】
断熱貯水槽２２は、上部２２ａが、遮光板２５Ｅの機能を有する。上部２２ａ（遮光板２５Ｅ）に各フレネルレンズ１０に対応して、複数個の開口部２６Ｅが形成される。すなわち、太陽光集熱装置３Ｂは、断熱壁を持つ容器（断熱貯水槽２２）からなっており、これに、太陽光通過用の小さな開口部２６Ｅが設けられ、開口部２６Ｅの穴を通して入射した太陽光は、断熱貯水槽（箱）２２の内部の水を高温に加熱する。
【００９３】
次に、追尾手段４０は、追尾には、太陽の日周運動および年周運動にあわせてレンズ（フレネルレンズ１０）を移動させることができるモータ（駆動部）４５を備える。そして、追尾手段４０は、日周運動の追尾には、円形の回転部分（車輪４３）を備え、これにフレネルレンズ１０を固定し、ベルト４４等によって回転を与えることによってレンズを回転させ、回転によって焦点が移動しないように設定される。さらに、図１１に示すように、多数の車輪４３が、一本のベルト４４によって回転されている。
【００９４】
なお、追尾手段４０は、断熱貯水槽２２の上方に設けられ、かつ、フレネルレンズ１０を回転させる回転軸を有し、開口部２６Ｅが、回転軸上に位置決めされている。
【００９５】
このように本実施形態により、追尾手段４０により、太陽の日周運動や年周運動による太陽光の傾きの変化を吸収して、太陽光が容器部（断熱貯水槽２２）の内に入り易くなり、太陽光集熱装置３は、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【００９６】
また、開口部２６Ｅが、回転軸４１上に位置決めされている場合、追尾手段４０により、フレネルレンズ１０が回転しても、フレネルレンズ１０の焦点を開口部２６Ｅ付近に位置決めできるため、太陽の日周運動や年周運動に対して追尾しても太陽光が開口部２６Ｅから外れにくく、太陽光が容器部（断熱貯水槽２２）の内に入り易くなり、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【００９７】
また、追尾手段４０が、集光手段を容器部に対して動かす場合、特に集光手段がプラスチック製のフレネルレンズのとき、追尾手段を動かすためのパワーが少なくて済む。
【００９８】
ところで、太陽光を、フレネルレンズ１０のようなレンズや鏡で集光し、箱（断熱貯水槽）２０の上部の小さな開口部２６等を通して、箱の中に導入する。開口部を通過した太陽光は箱の内部で再び広がり、内部の吸収体（光吸収体）３０を加熱する。内部は高温になるが輻射損失は開口面積に比例するため、開口部が小さければ小さいほど少なくなる。しかし、このようにレンズも開口部も固定された系の場合、太陽光が地平線の方向へ傾くにつれて、レンズ内に入る太陽光の量が少なくなってくる。さらに、太陽の入射が大きく傾いているときは、レンズに斜め方向から太陽光が入射するため、単位面積あたりに入射する太陽光の量が小さくなると同時に、焦点距離が異なるため、開口部を集光手段の焦点にすることが難しくなる。本実施形態の場合は、斜めから入射する太陽光をも効率よく集光できる。
【００９９】
また、本実施形態は、太陽光を効率よく吸収し、輻射や対流などの損失を抑えることによって高熱の媒体を生成することができ、家庭や農業、産業用の温水、高温媒体を製造し、発電や純水製造を行うことを可能とする装置を提供できる。すなわち、太陽光集熱装置３を用いて生成した高温温水を、加熱源として淡水化装置および冷房装置、発電装置を駆動する複合太陽熱利用装置が可能となる。
【０１００】
また、本実施形態は、高温の温水を長時間貯蔵することができれば、現在、太陽電池のみに頼っている太陽光利用発電に代わって、温水利用の温度差発電を可能とし、安価で、高効率の発電が可能となる。
【０１０１】
次に、太陽光集熱装置の追尾手段の他の一例について説明する。
図１２は、図１１の追尾手段の他の一例を示す概略図である。なお、図１２は、日周運動の追尾には、円周方向への回転部分を備え、これにフレネルレンズを固定し、ベルト等によって回転を与えることによってレンズを回転させ、回転によって焦点が移動しないように設定された追尾装置の実施態様の一例を示す太陽光集熱装置の概略図でもある。
【０１０２】
図１２に示すように、多数のアーム４２が、一本の棒（図示せず）によって結合され、棒の水平方向運動によって、日周運動調整軸等の回転軸４１を中心とした回転を与えられるようになっている。
【０１０３】
なお、円筒形の断熱貯水槽２２の内部に水Ｗが蓄えられ、断熱貯水槽２２の底に光吸収体３０が配置してある。追尾手段４０の回転軸４１は、断熱貯水槽２２の上方に設けら、開口部２６Ｅの高さに位置決めされている。
【０１０４】
次に、太陽光集熱装置３の変形例について図に基づき説明する。
図１３は、図１０の太陽光集熱装置の変形例の概要構成例を示す概略図である。なお、年周運動の追尾に際して、集熱装置底辺を円筒にすることによって円筒軸周りの回転を容易にし、この回転によって追尾を行うことを特徴とする追尾装置の実施態様の一例を示す太陽光集熱装置の概略図でもある。
【０１０５】
図１３に示すように、太陽光集熱装置３Ｅは、フレネルレンズ１０と、上部２２ａに開口部が形成されて水Ｗを有する断熱貯水槽２２と、追尾手段４０と、を備える。
【０１０６】
追尾手段４０は、回転軸（日周運動調整軸）４１や回転軸（年周運動調整軸）４６や車輪に連結されたモータ４５Ｂ等を有する。円筒形の断熱貯水槽２２は、複数の車輪により支持され、これら車輪上を回転する。この回転軸４６が年周運動調整軸である。そして、モータ４５Ｂが、断熱貯水槽２２を、回転軸４６を中心として太陽の年周運動に対応させて回転させる。このように、追尾手段４０は、年周運動に対しては、装置全体の傾きによって追尾する機能を備える。
【０１０７】
また、図１３に示すように、集熱器本体（断熱貯水槽２２）が円筒形をしており、この円筒形容器の軸方向に年周を調整する軸（回転軸４６）がついており、この年周運動調整軸の回転軸４６を中心とした回転によって太陽高度を追尾することができる。円筒容器（断熱貯水槽２２）の側壁には、フレネルレンズを回転させるアーム４２がついており、このアーム４２に固定されたフレネルレンズ１０が日周運動を追尾する。円筒容器の軸（日周運動調整軸の回転軸４１）を中心とした回転とともに、アーム４２と焦点位置を含めた部分が、一体となって動き、常に、太陽に対して焦点、フレネルレンズ１０の法線とが一直線となるように、モータ４５Ｂの速度が調整される。
【０１０８】
このように本実施形態の変形例により、断熱貯水槽２２のような容器を動かす追尾手段４０の手段を、動きの遅い太陽の年周運動の動きに対して適用することにより、太陽の日周の追尾手段と分離できるため、追尾手段４０の機構が簡便になる。
【０１０９】
次に、集光手段の一例であるフレネルレンズを使用した場合と、使用しない場合との比較例について、実験結果と共に説明する。
【０１１０】
図１４は、図１０の太陽光集熱装置等を用いて水に太陽光を集熱したときの時間に対する温度特性の一例を示す線図である。なお、図１４は、太陽光を追尾しながら、小さな穴の開いた断熱容器（断熱貯水槽）に太陽光を入射させた結果でもある。
【０１１１】
容器の大きさは、300×450×190ｍｍであり、内部には２リットルの水を入れた。フレネルレンズは、縦横５０ｃｍのアクリル製のものを用いた。図１４に示すように、フレネルレンズがある場合、約５時間で１００℃の温水が得られている。
【０１１２】
一方、フレネルレンズを用いず、上面がガラス張りで、レンズ集光をしない通常の方法では、６０℃付近で、加熱が止まっている。このことより、本発明の有効性が示せた。
【０１１３】
なお、図１４に示した実験結果では、通常の断熱材を用いたが、現在、断熱性能の最も高い松下電器製の真空断熱材は0.002W/mKの熱伝導特性があり、これを用いて計算すると、５０ｃｍ直径の円筒菅の半分に水が入っている場合に、１００℃の温水が２４時間後には９７℃にしか低下しないという結果を得た。これは、開口部が全体の装置に比べて無視できるほど小さいので、装置全体が断熱容器となっていると同じであるからである。このことから、本装置を用いれば２４時間、１００度近い温水が提供できることになり、この温水を用いた発電も可能であり、淡水化装置も太陽のない夜間でもこの温水で稼動できることを示している。
【０１１４】
さらに、図１４における実験で用いたフレネルレンズを最適化し、断熱性能の高い容器を用いれば、太陽光の８０％を温水として使用できる。この１００℃の温水を熱源として、アンモニアなどの低温で蒸発する作動流体を用いるランキン・サイクルによる発電装置を用いて、太陽光を利用した発電が可能となる。試算によれば、１００℃近傍で、ランキン・サイクル発電での発電効率が１０％程度となる。太陽光からの温水利用効率を総合しても８％は可能となることが分かった。また、温水を蓄えることによって昼夜とも発電が可能であり、太陽電池をはるかに凌ぐ太陽発電機が実現できることが分かった。
【０１１５】
このように、高温となった温水を、断熱壁によって貯蔵し、太陽光を２４時間貯蔵することを可能とする高効率太陽光集熱装置を実現できる。また、高温温水を、加熱源として淡水化装置および冷房装置、発電装置を駆動する複合太陽熱利用装置も実現できる。
【０１１６】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
【０１１７】
図１５は、本発明に係る第４実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。図１６は、図１５の太陽光集熱装置の光ガイドにおける光路の一例を示す模式図である。
【０１１８】
図１５に示すように、太陽光集熱装置４は、図１の太陽光集熱装置１に対して、更に、開口部に配置された光ガイド５０を備えている。
【０１１９】
光ガイド５０は、フレネルレンズ１０により集光された太陽光を入射する入射口部５１と、太陽光を反射して断熱貯水槽２０の内に導く反射面５２と、太陽光を断熱貯水槽２０の内へ出射させる出射口部５３と、を有する。光ガイド５０は、樽に似た形状を有し、上部５０ａおよび下部５０ｂから構成される。光ガイド５０の幅は、上部５０ａで一旦広がるが、下部５０ｂでは開口部付近まで狭くなる。
【０１２０】
このように、光ガイド５０は、上部５０ａでは、入射口部５１から出射口部５３に向けて延びるにつれて広がる。また、光ガイド５０は、下部５０ｂでは、出射口部５３から入射口部５１に向けて延びるにつれて広がる。
【０１２１】
入射口部５１は、上部５０ａの上端に形成され、円形状である。
反射面５２は、図１６に示すように、入射口部５１から軸Ａ１の外側に延びる反射面５２ａと、出射口部５３から軸Ａ１の外側に延びる反射面５２ｂを有する。
【０１２２】
反射面５２ａは、光ガイド５０の上部５０ａの内面に形成され、光ガイド５０に対して入射角が大きい太陽光を、反射面５２におけて少ない反射回数で、断熱貯水槽２０の内に導く機能を有する。反射面５２ｂは、光ガイド５０の下部５０ｂの内面に形成される。
【０１２３】
出射口部５３は、下部５０ｂの下端に形成され、円形状の開口部２６に連結できる大きさを有する。なお、入射口部５１や出射口部５３の形状は、円形状に限らず、楕円形や、四角形、三角形等の多角形でもよい。
【０１２４】
開口部２６から垂直に延びる線（軸Ａ１）に対する反射面５２ｂの傾斜が、反射面５２ａの軸Ａ１に対する傾斜に比較して小さい。反射面５２ａを下向きにして、反射面５２ａの傾斜を大きくすることにより、入射角が大きい太陽光を、断熱貯水槽２０内部に導き易くなる。一方、反射面５２ｂの傾斜は、面が上向きなので、太陽光を断熱貯水槽２０内部に導き易いように小さい方がよい。反射面５２ｂの傾斜は、開口部２６の大きさや、フレネルレンズ１０の配置をどのようにするか等の太陽光集熱装置４全体の大きさをどのように設計するかにも依存する。以上の要件を満たすように、上部５０ａは、下部５０ｂに比較して短くなる。
【０１２５】
なお、光ガイド５０の形状は、軸Ａ１を中心軸とした左右対称形に限らず、非対象形でも、光ガイド５０は、上部５０ａでは、入射口部５１から出射口部５３に向けて延びるにつれて広がる。また、光ガイド５０は、下部５０ｂでは、出射口部５３から入射口部５１に向けて延びるにつれて広がる形状であればよい。
【０１２６】
また、フレネルレンズ１０は、太陽光集熱装置１の場合に比べ、４本の支持部材１６により、断熱貯水槽２０の上方に光ガイド５０の高さ分、上に設置されている。そのため、フレネルレンズ１０の焦点位置が、入射口部５１の付近に位置決めされる。
【０１２７】
次に、光ガイド５０における光路について図に基づき説明する。
【０１２８】
図１６に示すように、光ガイド５０に対して入射角θ１（入射角が小さい）の太陽光Ｓｆ１は、反射面５２ｂで反射して、断熱貯水槽２０内部に導かれる。日が傾いたときのように、入射角θ２（入射角が大きい）の太陽光Ｓｆ２は、反射面５２ａで、一旦、より下向きに反射され、次に反射面５２ｂで反射して、断熱貯水槽２０内部に導かれる。より下向きに反射される、すなわち、反射面５２ａに対する入射角が大きくなるので、反射面５２ａに対する反射角も大きくなるので、出射口部５３に達するまでの反射回数が減少して太陽光が導かれる。
【０１２９】
比較例の光ガイドにおける光路の一例を示した図１７の場合と比較すると、図１７に示すように、太陽光Ｓｆ２は、反射面５５で反射を繰り返し、強度が減衰する。一方、図１６に示したように、太陽光Ｓｆ２は、反射面５５の場合に比べ、反射面５２ａの作用により、反射回数が少なくなる。さらに入射角がより大きい太陽光Ｓｆ３の場合も、３回の反射回数で断熱貯水槽２０内部に導かれる。
【０１３０】
ここで、反射面５２における、一回の反射での反射率が９０％である場合、３回反射すると、太陽光の強度は７３％に減少するので、反射回数はできるだけ少ない方よい。
【０１３１】
このように本実施形態によれば、開口部２６に配置され、太陽光を反射して断熱貯水槽２０（容器部）の内に導く反射面５２を有する光ガイド５０を更に備えたことにより、集光された太陽光が斜めから開口部２６等に入射する場合や、集光された太陽光の焦点位置がずれる場合でも、光ガイド５０の反射面５２に反射して、容器部の内に導き易くなるので、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。また、開口部２６が直接、外気に暴露されないので、内部の熱が逃げにくく、より熱損失が少なくなる。
【０１３２】
また、光ガイド５０が、太陽光の入射口部５１を有し、反射面５２ａが入射口部５１から外側に延びることにより、集光された太陽光が斜めから開口部２６に入射する場合、反射面５２ａが入射口部５１から外側に延びるため、反射面５２ａで反射した太陽光が、開口部２６の方に向くため、容器部の内に導き易くなるので、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【０１３３】
また、光ガイド５０が、太陽光を断熱貯水槽２０の内へ出射させる出射口部５３を有し、反射面５２ｂが出射口部５３から外側に延びることにより、反射面５２（５２ａ）が入射口部から外側に延びるため、光ガイド５０の幅は一旦広がるが、途中から反射面５２（５２ｂ）が出射口部から外側に延びることにより、光ガイド５０の幅は開口部２６付近では狭くなる。このため、太陽光が入射し易いように、かつ、熱が断熱貯水槽２０内部から逃げないように開口部２６をより小さくできるため、熱損失が少なく太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【０１３４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
図１８は、本発明に係る第５実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
【０１３５】
図１８に示すように、太陽光集熱装置５は、図５の太陽光集熱装置２に対して、更に、スリット２６Ｂに配置された光ガイド６０を設けた構成である。
【０１３６】
光ガイド６０は、光ガイド５０のように、入射口部６１と、断熱貯水槽２０の内に導く反射面（図示せず）と、出射口部６３と、を有し、上部６０ａおよび下部６０ｂから構成される。入射口部６１は、太陽光の日周運動等の動きを吸収できる細長い長方形をしている。出射口部６３はスリット２６Ｂに連結できる大きさを有する。光ガイド６０の断面形状は、図１６に示した形状と同じであり、光ガイド６０の幅は、上部６０ａで一旦広がるが、下部６０ｂでは開口部付近まで狭くなる。なお、図１６の軸Ａ１の代わりに、対称面を想定する。
【０１３７】
このように、光ガイド６０は、上部６０ａでは、入射口部６１から出射口部６３に向けて延びるにつれて広がる。また、光ガイド６０は、下部６０ｂでは、出射口部６３から入射口部６１に向けて延びるにつれて広がる。
【０１３８】
開口部がスリット２６Ｂにより、日周運動の動きを吸収させる場合、光ガイド６０は、年周運動を吸収することができる。また、太陽光集熱装置５を小型化するために、フレネルレンズ１０の焦点距離を短くした場合、光ガイド６０は、フレネルレンズ１０の周辺部分から入射した太陽光Ｓを断熱貯水槽２０内に導き易くする。
【０１３９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
【０１４０】
図１９は、本発明に係る第６実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。図２０は、図１９の太陽光集熱装置の追尾手段の一例を示す概略図である。
【０１４１】
図１９に示すように、太陽光集熱装置６は、図１０の太陽光集熱装置３に対して、更に、開口部２６に配置された光ガイド５０を備えている。
【０１４２】
太陽光集熱装置３との違いは、図１９に示すように、フレネルレンズ１０の焦点が、光ガイド５０の入射口部５１に位置決めできるように、追尾手段４０Ｂが、回転軸支持部材４７を有し、追尾手段４０Ｂの回転軸４１が、開口部２６の外側に設けられている。このように、追尾手段４０Ｂが、開口部２６の外側に設けら、かつ、フレネルレンズ１０（集光手段）を回転させる回転軸４１を有し、光ガイド５０の入射口部５１が、回転軸４１上に位置決めされる。
【０１４３】
また、太陽光集熱装置６においては、光ガイド５０の入射口部５１が、透明の半球面の入射窓５７により覆われている。
【０１４４】
さらに、図１２の太陽光集熱装置３Ｃのようにフレネルレンズ１０が複数ある追尾手段４０Ｂの場合、図２０に示すように、各回転軸４１が、各回転軸支持部材４７により、入射口部５１の高さに位置決めされている。
【０１４５】
なお、各アーム４２は、棒４８により、リンク機構が形成され、棒４８をスライドさせることにより、各フレネルレンズ１０が同時に動く。
【０１４６】
このように本実施形態によれば、追尾手段４０Ｂが、開口部２６の外側に設けら、かつ、フレネルレンズ１０を回転させる回転軸４１を有し、光ガイドの入射口部５１が、回転軸４１上に位置決めされることにより、追尾手段４０Ｂにより、フレネルレンズ１０が回転軸４１を中心に回転しても、フレネルレンズ１０の焦点を光ガイドの入射口部５１付近に位置決めできるため、太陽の日周運動や年周運動に対して追尾しても太陽光が光ガイドから外れにくく、太陽光が断熱貯水槽２０内部に入り易くなり、太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【０１４７】
また開口部２６の外側に回転軸４１があるため、フレネルレンズ１０を大きく傾けても、フレネルレンズ１０が断熱貯水槽２０の上部２５に接触しにくくなる。特に、図２０のように、集光手段を複数並べる場合、有効である。
【０１４８】
また、光ガイド５０の入射口部５１にドーム形状の入射窓５７を更に備えた場合、太陽光が傾いても、入射窓５７に対してできるだけ垂直に太陽光が入射するため、入射窓５７の表面での反射を防止する。また、入射窓５７は、水蒸気の発散を防ぎ、熱の放散を防止できる。このように、熱損失が少なく太陽光のエネルギーを効率的に収集できる。
【０１４９】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る太陽光集熱装置について説明する。
【０１５０】
図２１は、本発明に係る第７実施形態に係る太陽光集熱装置の概要構成例を示す概略図である。
図２１に示すように、太陽光集熱装置８は、図５の太陽光集熱装置２に対して、更に、スリット２６Ｂに配置された光ガイド７０を設けた構成である。光ガイド７０は、図１８の光ガイド６０の変形である。
【０１５１】
光ガイド７０は、光ガイド６０のように、入射口部７１と、断熱貯水槽２０の内に導く反射面（図示せず）と、出射口部７３と、を有し、上部７０ａおよび下部７０ｂから構成される。光ガイド７０は、図２１に示すように、中心軸Ａ２を中心として、左右に別れ、中心軸Ａ２では、高さが低くなり、端に行くに従い高さが高くなる。この光ガイド７０の高さは、日が傾き、太陽光Ｓがフレネルレンズ１０に斜め方向から入射した場合の焦点位置に応じて決定される。
【０１５２】
入射口部７１は、太陽光の日周運動等の動きを吸収できる細長い長方形をしている。しかし、図２１に示すように、太陽光Ｓがフレネルレンズ１０に斜め方向から入射すると、焦点位置が中心軸Ａ２方向に開口部２６Ｂから離れるので、入射口部７１の面は、中心軸Ａ２の方に多少向いて、傾いている。そして、入射口部７１は、ガラス窓７７により塞がれている。なお、入射口部７１は、太陽光Ｓがフレネルレンズ１０に斜め方向から入射する場合の焦点位置に合わせて、湾曲していてもよい。
【０１５３】
出射口部７３はスリット２６Ｂに連結できる大きさを有する。
光ガイド７０の断面形状は、図１６に示した形状と同じであり、光ガイド７０の幅は、上部７０ａで一旦広がるが、下部７０ｂでは開口部付近まで狭くなる。しかし、中心軸Ａ２に近づくにつれて、図２１に示すように、光ガイド７０の幅の広がりは小さくなり、中心軸Ａ２付近では、広がりが無くなる。
【０１５４】
このように、本実施形態の場合、フレネルレンズ１０を太陽の日周運動に合わせて、スリット２６Ｂに近づけたり遠ざけたりするフレネルレンズ１０の遠近手段が不要となる。
【０１５５】
なお、集光手段としてのフレネルレンズ１０等は、同心円のパターンでも、シリンドリカルレンズのように集光させるため線状のパターンでもよい。集光手段の機能は、開口部や光ガイドの入射口部等の形状や大きさに合わせて、開口部から太陽光が容器部の内に導入できればよい。
【０１５６】
さらに、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【０１５７】
特願２００８−１２０５３８号公報および特願２００８−２０３９４０号公報の全ての内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明によれば、従来の方法では、４０度の温水でも太陽光の５０％の効率しか利用できず、高温では効率が大きく減少していたところを、１００度近い高温でも効率が１００％に近い集熱器を提供できるため、太陽光利用温水器に利用される他、太陽熱利用蒸気発電、太陽熱利用淡水化装置など、非常に幅広い応用が期待される。また、効率よく高熱の温水を作ることができるので、淡水化装置への高温の温水入力が可能となると同時に、１００度近い温水の２４時間利用により、カリーナサイクルなどのアンモニア蒸発によるタービン発電機にも応用でき、太陽電池を凌ぐ発電効率も可能となるであろう。
【符号の説明】
【０１５９】
１、２、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、３、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、４、５、６、７、８：太陽光集熱装置
１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ：フレネルレンズ（集光手段）
１１：反射鏡（集光手段）
２０、２１、２２、２０Ｄ、２０Ｅ：断熱貯水槽（容器部）
２５、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅ：遮光板（閉鎖部）
２６、２６Ｅ：開口部
２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ：スリット（開口部）
２７：凹部
３０：光吸収体(光吸収部)
４０、４０Ｂ：追尾手段
４１、４６：回転軸
５０、６０、７０：光ガイド
５１、６１、７１：入射口部
５３、６３、７３：出射口部
５７：入射窓
Ｓ：太陽光
Ｓｆ：集光太陽光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月29日(2010.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周壁及び底壁が断熱壁として構成され、上部が断熱性閉鎖部材により閉鎖され、前記閉鎖部材には、透光性の開口窓が形成された断熱容器と、
前記断熱容器内に収容された光吸収体と、
前記断熱容器の外部において、焦点位置が前記断熱容器の前記閉鎖部材に形成された前記開口窓の位置にほぼ合致するように配置された集光機構と、
を備え、
前記断熱容器内には該断熱容器内の前記光吸収体が浸漬される液位まで液状の媒質が充填されており、前記透光性の開口窓から入射する太陽光が前記光吸収体に吸収され熱エネルギに変換されて該液状の媒質を加熱するように構成されたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載した太陽光集熱装置であって、前記透光性の開口窓は少なくとも１つの細長いスリットからなり、前記断熱容器は、前記スリットの長さ方向が太陽の日周運動により太陽が動く経路にほぼ沿った方向に位置決めされることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項３】
請求項２に記載した太陽光集熱装置であって、前記開口窓の前記スリットの幅は、前記集光機構により結像された太陽像の直径に対応する寸法であることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項４】
請求項２に記載した太陽光集熱装置であって、前記開口窓の前記スリットの幅は、前記集光機構により結像された太陽像の直径のほぼ５倍であることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４までのいずれか1項に記載した太陽光集熱装置であって、前記開口窓の前記スリットの長さ方向は、ほぼ東西方向であることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項６】
請求項２から請求項５までのいずれか1項に記載した太陽光集光装置であって、前記集光機構は、前記開口窓の前記スリットの長さ方向の異なる位置に太陽光を集光されるように配置された複数のレンズからなることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項７】
請求項６に記載した太陽光集光装置であって、複数のスリットが、互いに平行に、幅方向に間隔をもって形成され、前記集光機構は、前記スリットの各々に対応して設けられた複数のレンズを備えることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項８】
請求項２から請求項７までのいずれか1項に記載した太陽光集光装置であって、太陽の年周運動に追随させて、前記スリットの長さ方向に対して直角な面内で前記集光機構の光軸の向き又は前記開口窓の向きの少なくとも一方を変える追尾機構が設けられたことを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項９】
請求項1から請求項８までのいずれか１項に記載した太陽光集熱装置であって、前記集光機構は、少なくとも1個のフレネルレンズであることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１０】
請求項９に記載した太陽光集熱装置であって、前記フレネルレンズは、前記断熱容器に向く側が凹となるように湾曲していることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載した太陽光集熱装置であって、前記断熱容器の前記閉鎖部材に形成された前記開口窓は、前記閉鎖部材の他の部分より凹入した位置に配置され、前記断熱容器内の前記媒質内に浸漬されていることを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載した太陽光集光装置であって、前記閉鎖部材の前記透光性の開口窓には、入射口部を有する上部と出射口部を有する下部とを備え内面が反射面として形成された光ガイドが取り付けられ、前記光ガイドの前記上部は、前記入射口部から前記下部の方向に向けて広がる断面形状を有し、前記下部は、前記出射口部に向けて狭くなる断面形状を有することを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項１３】
請求項２から請求項８までのいずれか1項に記載した太陽光集光装置であって、前記開口窓を構成する前記スリットには、入射口部を有する上部と出射口部を有する下部とを備え内面が反射面として形成された細長い光ガイドが取り付けられ、前記光ガイドの前記上部は、前記入射口部から前記下部の方向に向けて広がる断面形状を有し、前記下部は、前記出射口部に向けて狭くなる断面形状を有し、該光ガイドは、その高さが、長さ方向中間部で低く、両端部で高くなる形状であることを特徴とする太陽光集熱装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
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【国際調査報告】
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