(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光を、上方に膨出した半球状支持枠に多数配置した全方向性受光器により受光し、下方の一定な位置に集光する静止型集光レンズを提供する。【解決手段】上方の多方向から、ある範囲の入射角度を持って入射する光線を、上部の透明な受光板内部にて全反射を繰り返しながら下部の透明な放光板に伝達し、全反射条件が成り立たなくなる位置から、下方のある限定された角度範囲方向に放射する光線方向変換素子と、上面および下面は略正三角形の光線透過面を、側面は内面に反射膜を有した箱の内部に、光線方向変換素子を密集収納し、単独の光線方向変換素子では捕捉できない入射角度の太陽光も受光可能にする全方向性受光器と、上空方向に半球状に膨出した静止した支持枠上に全方向性受光器を多数配置し、上方の全方向から来る太陽光を支持枠内部のある一定な範囲に集光し、全方向に対して同時に凸レンズとして動作をする全方向性集光機構とで構成する。【選択図】      図４
2006242548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を静止して受光する集光レンズであって、
上部に、略台形状の側面を有し略ひし形の断面を有する透明な受光板（１）と、下部に略剣形状の側面を有し、上部と同じ略ひし形の断面を有する透明な放光板（３）を接続し、上方の多方向から、ある範囲の入射角度を持って入射する光線を、内部にて全反射させて捕捉し、全反射を繰り返しながら下部に伝達し、全反射条件が成り立たなくなる位置から、下方のある限定された角度範囲の方向に放射する光線方向変換素子（２）を有する静止型集光レンズ
【請求項２】
太陽光を静止して受光する集光レンズであって、
上面および下面に透明にして略正三角形の光線透過面（６），（７）を、側面（８）の内面に反射膜（１０）を有した箱の内部に、請求項１に記載の光線方向変換素子（２）を密集収納し、単独の光線方向変換素子（２）では捕捉できない入射角度の太陽光も捕捉できるようにして、上面の全方向から受光し下面のほぼ垂直下方に放射する全方向性受光器（９）を有する静止型集光レンズ
【請求項３】
太陽光を静止して受光する集光レンズであって、
請求項２に記載の全方向性受光器（９）を、上空方向に半球状に膨出した静止した支持枠上に多数配置し、その重量を支えるとともに、支持枠上方の全方向から来る太陽光を全方向性受光器（９）により受光し、支持枠内部のある一定な範囲に放射することにより集光して、全方向に対し同時に凸レンズとして動作をすることができるようにする全方向性集光機構（１１）を有する静止型集光レンズ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】          本発明は、太陽光線を集光し、その光エネルギーを光電変換器または光熱変換器によって、電気エネルギーや熱エネルギーに変換して有効利用できるようにするための、静止型集光レンズに関するものである。
【技術背景】
【０００２】          太陽光線の光エネルギーを、光電変換器や光熱変換器によって電気エネルギーや熱エネルギーに変換して利用すべく、太陽光を収集するための集光装置が存在する。従来、この集光装置としては、レンズや反射鏡を利用したものや、太陽電池パネルや集熱パネルを利用したものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】          しかし、従来のレンズや反射鏡を利用した集光装置は、受光角が小さく太陽光を一定の角度で正確に入射させる必要があるため、複雑・高精度な移動機構を持った太陽追尾装置が必要であり、高価なものとなっている。また、この集光装置は曇天時において、太陽光線の入射方向が不明確な場合は集光効率が著しく低下するという問題もある。【０００４】          また、太陽電池パネルや集熱パネルを利用したものは、多方向から入射する太陽光線を集光することができ、屋根上に設置できるものの、一般的に固定して使用するので、太陽の運行に追随して集光できないための損失を見込んだ大きな受光面積のパネルを必要とし、高価である。【０００５】          本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、上方の全方向から太陽の運行に伴い光線方向が変化しながら入射する太陽光を、上空方向に膨出した半球状支持枠に多数配置した全方向性受光器により受光し、その下方より支持枠内の常に一定な位置に放射して、静止していながら、太陽からの直接光だけでなく周辺からの反射光も含め年中通して高効率で集光できる安価で量産可能な静止型集光レンズを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】          第一の発明は、太陽光を静止して受光する集光レンズであって、上部に、略台形状の側面を有し略ひし形の断面を有する透明な受光板と、下部に略剣形状の側面を有し、上部と同じ略ひし形の断面を有する透明な放光板を接続し、上方の多方向から、ある範囲の入射角度を持って入射した光線を、内部にて全反射させて捕捉し、全反射を繰り返しながら下部に伝達し、全反射条件が成り立たなくなる位置から、下方のある限定された角度範囲の方向に放射する光線方向変換素子を有する静止型集光レンズからなる。【０００７】          第二の発明は、太陽光を静止して受光する集光レンズであって、上面および下面に透明にして略正三角形の光線透過面を、側面の内面に反射膜を有した箱の内部に、請求項１に記載の光線方向変換素子を密集収納し、単独の光線方向変換素子では捕捉できない入射角度の太陽光も捕捉できるようにして、上面の全方向から受光し下面のほぼ垂直下方に放射する全方向性受光器を有する静止型集光レンズからなる。【０００８】          第三の発明は、太陽光を静止して受光する集光レンズであって
請求項２に記載の全方向性受光器を、上空方向に半球状に膨出し静止した支持枠上に多数配置し、その重量を支えるとともに、支持枠上方の全方向から来る太陽光を全方向性受光器により受光し、支持枠内部のある一定な範囲に放射することにより集光して、全方向に対し同時に凸レンズとして動作をすることができるようにする全方向性集光機構を有する静止型集光レンズからなる。
【発明の効果】
【０００９】          内部に、請求項１に記載の光線方向変換素子を多数密集させて収納した請求項２に記載の全方向性受光器は、上方の全方向から入射する光線を、受光面の中心を通る垂直軸に対しある限定された角度範囲の下方に放射することができる。
また、全方向性受光器の略正三角形の上下面の中心を通る垂直軸は、その外接球のほぼ中心を通るため、外接球の面上に多数配置した全方向性受光器を通過した太陽光は、通過した球面上の位置に無関係に外接球の中心付近に集光する。
このため、請求項３に記載の全方向性集光機構により、この静止型集光レンズは複雑・高精度な移動機構による光線追尾を必要とすることなく、太陽の運行に伴い方向が変化する受光光線を常時一定の位置に高効率で集光する。【００１０】          請求項２に記載の全方向性受光器は、太陽光の受光可能入射角度範囲を広げるため、光線方向変換素子を略正三角形の比較的小さい箱の内部に密集収納しており、小さい受光面積でも外縁の制限を受けることなく、あたかも無限の受光面積を有しているかのように動作させる反射膜を側面に備えた構造にしている。このため、同じ形状でアクリル等のプラスチックにより射出成型など大量生産が可能となり、安価に製造することができる。適当に並べ方を変えることにより、平面にも曲面にも構成でき、受光面積も自由に変えられる。また、既存の太陽電池パネルなどに簡単に取り付け効率改善をはかることができる。【００１１】          請求項３に記載の全方向性集光機構は略球面であるため、その高さを活かして太陽から直接入射する光線のみでなく、周囲の雲などで反射した光線も、平板の太陽電池パネル以上に効率良く集光できる。また、この静止型集光レンズに入射した光線は、大部分が空間内を伝送し、または光媒体内を全反射して集光するため、極めて低損失である。さらに、これらの部材は、射出成型等で量産することができ、基本的に無保守のため安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】          本発明に係る静止型集光レンズの実施形態を、図１乃至図４にしめす。この静止型集光レンズは、下部に太陽電池や、水の加熱器など取り付けて使用できるように全方向性集光機構１１の形状を用途に応じて変更する。半球面の集光機構の大きさに制限はないので、太陽電池などの形状に合わせて効率的なものとする。また、常時太陽光や風雨にさらされるため、耐光劣化性、耐候性に優れた部材で構成する。
光線方向変換素子２はできるだけ小さいものが全方向性受光器９や全方向性集光機構１１を薄く、軽く製作できるので望ましいが、射出成型上の制限も考慮して効率的なものとする。また、光線方向変換素子２や無方向性受光器９は、透過損失や反射損失を低減するため、必要な表面処理をする。【００１２】          光線方向変換素子２の実施形態を、図１を参照して説明する。光線方向変換素子２は透明プラスチック製で、上部に略台形状の側面を有し略ひし形の断面４を有する受光板１と、下部に略剣形状の側面を有し、上部と同じ略ひし形の断面５を有する放光板３を接続した形状とする。上部の側面から入射した光線Ａは、上部の略台形状の下方に広がった斜面によって光線方向変換素子２内部に捕捉され、全反射を繰り返しながら下部に到達する。下部の略剣形状の側面は略台形状の上部と斜面の傾きが逆になっているため、捕捉されていた光線は全反射を繰り返すうち全反射条件を満たさなくなり、その位置から光線方向変換素子２の外部のある一定な方向に放射される。【００１３】          上部の上面から入射した光線Ｂは、光線Ａと同様に、略台形状上部斜面によって光線方向変換素子２の内部に捕捉され、全反射を繰り返しながら下部に到達し、ある一定な方向に放射される。上部の側面から入射した光線Ｃは、斜面に対する入射角が大きいため、上部の略台形状斜面によって光線方向変換素子内部に捕捉されず、反対側の略台形状斜面を透過して光線方向変換素子２から放射される。【００１４】          光線方向変換素子２は上部も下部も略ひし形の断面を持たせ、内部に捕捉され全反射を繰り返す光線を下方に誘導しやすくしている。下部の略剣形状の側面の角度は放射光の放射角度を小さくするため、てきるだけ鋭角とする。【００１５】          全方向性受光器９の実施形態を、図２を参照して説明する。全方向性受光器９の外箱は、透明プラスチック製で略正三角形の上下面６，７を持ち、側面８には反射膜１０を備える。略正三角形の形状は、球面に内接する正二十面体の正三角形の各辺の中点を球の中心から球面に投影した点と、もとの正三角形の各点を結んでできる４枚の小さい略正三角形をもとにきめる。側面８の高さは光線方向変換素子２の大きさによって決める。このため、全方向性受光器９を多数並べる時は支持枠の形状を調整して、目的の受光面積を確保する。全方向性受光器９の側面反射膜１０は金属反射するので反射効率の高いものとする。【００１６】          全方向性受光器９の実施形態の入射光線の経路状況を、図３を参照して説明する。上面上方から入射した入射角の小さい光線Ｄは光線方向変換素子２に入射し捕捉され、全反射を繰り返しながら下部に到達する。下部の略剣形状の側面からある一定な方向に放射される。
全方向性受光器９の上面右方から入射した入射角の大きい光線Ｅはその光線方向変換素子２に捕捉されることなく透過し、隣接の光線方向変換素子２に入射する。ここでも、入射角が大きいため捕捉されることなく透過する。同様な動作を繰り返すことになるが、光線方向変換素子２の略台形状の側面傾斜角度により、透過した光線方向変換素子２の数に比例した角度だけ、だんだん入射角が小さくなり、最後にはいづれかの光線方向変換素子２に捕捉され、光線Ｄと同様に全反射を繰り返しながら下部に到達し、下部の略剣形状の側面からある一定な方向に放射される。
全方向性受光器９の上面右方から入射した入射角のやや大きい光線Ｆはその光線方向変換素子２に捕捉されることなく透過し、側面反射膜に達する。ここで反射後、光線Ｄと同様に光線方向変換素子２に捕捉され、全反射を繰り返しながら下部に到達し、下部の略剣形状の側面からある一定な方向に放射される。【００１７】          全方向性集光機構１１の実施形態を、図４を参照して説明する。全方向性集光機構１１は、透明プラスチック製または薄い金属板製の上空方向に膨出した半球状の支持枠であり、表面に全方向性受光器９を多数配置し、その重量を支える。
全方向から来る太陽光を全方向性受光器９を通過した後支持枠の中心付近の集光位置１３に集光して、凸レンズの如き動作をする。集光位置１３の被照射面積は光線方向変換素子２の放射光の分散角度と全方向性受光器９の受光面積によって決定される。放射光の分散角度が小さいほど面積が小さくなるが、光線方向変換素子２の製作に精度を必要とする。全方向性集光機構１１は、一般的には地上の平面に設置するが、家屋の屋根上にも設置できる。太陽の運行に合わせて全方向性受光器９の配置、集光位置などを決定する。【００１８】          全方向性集光機構１１上の全方向性受光器１２ａに上面右方向から入射した光線Ｇは全方向性受光器１２ａを通過後、集光位置１３に達する。同じ方向から入射した光線Ｈは全方向性受光器１２ａを通過後、光線方向変換素子２の放射光の分散角度のちがいによって光線Ｇから少し離れた集光位置１３に達する。同じ方向で光線Ｇ、光線Ｈから離れた箇所に入射した光線Ｉは全方向性受光器１２ｂを通過後、集光位置１３に達する。全方向性受光器１２ｂに上面右方向から入射した光線Ｊは全方向性受光器１２ｂを通過後、集光位置１３に達する。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明に係る静止型集光レンズの光線方向変換素子２の実施形態を示す正面図である。
【図２】    本発明に係る静止型集光レンズの全方向性受光器９の実施形態を示す斜視図である。
【図３】    本発明に係る静止型集光レンズの全方向性受光器９の実施形態を示す側面図である。
【図４】    本発明に係る静止型集光レンズの全方向性集光機構１１の実施形態を示す側面図である。
【符号の説明】
１        光線方向変換素子受光板
２        光線方向変換素子
３        光線方向変換素子放光板
４        光線方向変換素子上部断面
５        光線方向変換素子接続部断面
６        全方向性受光器上面
７        全方向性受光器下面
８        全方向性受光器側面
９        全方向性受光器
１０      全方向性受光器側面（反射膜）
１１      全方向性集光機構
１２ａ、ｂ全方向性受光器
１３      集光位置
Ａ〜Ｊ    太陽光線
【図１】
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【図２】
2006242548.tif 000004
【図３】
2006242548.tif 000005
【図４】
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