(57)【要約】【課題】  広角広範囲の光線を集光する方法としてレンズやプリズム、反射鏡などを組み合わせる方法が実用されているが、太陽光を集光しようとすると季節や時刻によって光線方角が変わるため、集光には太陽を追尾する装置が必要であった。方角や高度に関係なく太陽光を集光できる集光方法と集光板、並びにこれを応用した太陽集光搭を提供することが課題である。【解決手段】  広い角度からの入射光線を整流ユニットで入射面に垂直な光線に段階的に集束して集光し、漏れた光線を次段の整流ユニットで順次に集束させる方法で集光する。太陽光の集光には集光した水平方向の光線を光角変換板で地上面に照射する。集光搭の外壁面に集光板と光角変換板を配置することで太陽の追尾装置を必要とすることなく全高度全方角からの太陽光や散乱光を集光することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底辺を下向きに傾斜させた鈍角三角形からなる整流ユニットを、上下に連続させてなる表裏の断面が鋸歯状の透明な集光板において、整流ユニットの１面を集光板面にほぼ垂直な上面とし、鈍角三角形の底面を集光板面に対して最大屈折角以下の角度で傾斜させて光線の入射面とし、残る１面を入射面に対して最大屈折角の２分の１以下の角度で入射面と同じ方角に傾斜させて光線の射出面とし、入射光線の角度範囲に対して射出光線の角度範囲を絞り込むように入射面と射出面の傾斜角度を設定したことを特徴とする集光方法。
【請求項２】
請求項１記載の集光板において、上下の整流ユニットを厚みが０．０１〜２ｍｍの連結代で連結したことを特徴とする集光板。
【請求項３】
複数の請求項２記載の集光板を積層し、入射する光線の角度範囲を段階的に整流して集光することを特徴とする集光方法。
【請求項４】
光線の入射面と、入射面に平行する射出面と、傾斜する上下の変換面で囲まれた平行四辺形の変換ユニットにおいて、変換面の傾斜角度を変換させたい角度のほぼ２分の１の角度とし、その長さを入射面に垂直に入射する入射光線の全てが、変換面で全反射する点までの長さとし、この変換ユニットを積層して光線の進行方角を変換するように構成したことを特徴とする光角変換板。
【請求項５】
請求項２記載の集光板と請求項４記載の光角変換板を集光搭の外周に、集光板が外側に位置するように垂直で配置したことを特徴とする太陽集光搭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光線など広角広範囲からの光線を、より狭い範囲の光線に段階的に絞り込んで集光する集光方法と、この集光方法に基ずく集光板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池を使って太陽光から発電する装置においては、季節や時刻によって変動する太陽の高度や方角を考慮して、平面的な太陽電池の発電効率が最も高くなるように、南向きに傾斜させて設置する方法が一般的に用いられているが、発電量が太陽電池の太陽に対する方角の投影面積に比例するため、発電量を確保するには電池が重ならないように広い敷地面積に太陽電池を広げるように設置する必要があった。設置面積を節減するために、適当な間隔を保って太陽電池を多段に積み重ねる方法が考えられるが、上段の電池に太陽光が遮られて下段電池の発電効率が極端に低下するため、結果的にコスト高になって実用性に欠ける不都合があった。
【０００３】
また、太陽電池に太陽光を直接照射させる上述のような方法の他に、反射鏡やプリズム、レンズを組み合わせるなど、何らかの光学デバイスを用いて太陽光を集光して太陽電池に照射させる集光式太陽光発電法がある。しかし、いずれの方法においても効率を高めるために太陽追尾装置によって太陽を常に追跡する必要があった。
【０００４】
このため、太陽の方角や高度に関係なく集光できる集光板を所定の間隔を保って搭状に積層して太陽光線を集光し、この光線を塔下面の太陽電池に照射して発電する方法の集光搭が提案されている。
【特許文献１】特願２００６−２１９１０５  集光板
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記提案の方法では、塔の上方から射し込む直射光が下段の集光板を透過して太陽電池に到達する構成であるため、多段の集光板を透過する光線は、集光板毎の機構的な光線処理損失や構成部材の表面反射損失、材料自体の光線透過損失などを段数分だけ繰り返し受け、結果的にかなりの損失が発生して実用効率を低下させる恐れがあった。太陽追尾装置を必要とせず、全方角から集光できて効率の高い集光方法の開発が課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
全高度全方角からの太陽光線を集光して太陽電池に供給するために、集光搭の外周面にほぼ鉛直に集光板を配置し、朝夕の水平方向からの太陽光でも真昼の上空からの太陽光でも、全てを上下方向の光線に変換して太陽電池に照射できる集光方法と集光板によって前記課題を解決するものである。
【０００７】
本発明の集光板に用いる集光方法は、広い方角からの光線を少しずつ絞り込んで集束させる無数の整流ユニットを上下に連結してなる集光板を積層して段階的に集光する集光方法で、整流ユニットを連結してなる集光板、集光板で集光された光線を任意の方角に方向変換させるための光角変換板、並びに集光板を使った太陽集光搭を提案するものである。
【０００８】
本発明の集光方法は底辺を下向きに傾斜させた鈍角三角形からなる整流ユニットを、上下に連続させてなる表裏の断面が鋸歯状の透明な集光板において、整流ユニットの１面を集光板面にほぼ垂直な上面とし、鈍角三角形の底面を集光板面に対して最大屈折角からそれ以下の角度で傾斜させて光線の入射面とし、残る１面を入射面に対して最大屈折角の２分に１以下の角度で入射面と同じ方角に傾斜させて光線の射出面とし、入射光線の角度範囲に対して射出光線の角度範囲を絞り込むように入射面と射出面の傾斜角度を設定したことを特徴とする集光方法で、整流ユニットに入射する光線の角度を段階的に狭めて整流する集光方法である。
【０００９】
集光板は整流ユニットを無数に連結して構成された外見的には表裏両面が鋸歯状の板で、整流できる入射光線の範囲は高度で０〜９０度の光線である。プラス９０度からマイナス９０度の全方角からの光線を集光するには傾斜が逆向きの集光板を２枚重ねにすればよい。
【００１０】
集光板から集光されて射出する光線は集光板面に垂直方向の光線となるが、光角変換板を用いて任意の方角に方向を変換させることができる。変換ユニットは入射光線の入射面と、入射面に平行する射出面と、傾斜する上下の変換面で囲まれた平行四辺形で、変換面の傾斜角度は変換させたい角度のほぼ２分の１の角度に設定されたもので、光角変換板は無数の変換ユニットを積層したものである。
【００１１】
また、太陽集光搭は積層された集光板と光角変換板を組み合わせて、集光板から射出する光線を太陽集光搭の下面に向けて照射するように構成したものである。
【００１２】
集光板は均質な透明材料で形成された外見的には表裏両面が鋸歯状の透明板である。通常の素材で構成する場合は２〜４枚を積層することで０〜９０度の全方角からの光線をほぼ２分の１以下の角度範囲に絞り込むことができる。更に集光範囲を絞り込むには傾斜角度の異なる集光板を積層することでより狭い範囲に集光することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上の如く、本発明の集光方法と集光板は、全ての方角からの光線を集光板面に垂直な方向に範囲を絞り込んで集光することができる。このため、ヘッドライトや投光器、天井照明などの球状光源の光線を照明したい範囲に集光させたり、照明範囲外に漏れる光線を阻止して防眩とエネルギー損失を抑制することができる。また、集光搭は従来一般的な集光方法のように太陽を追跡する装置が不要で、全方角全高度の太陽光を搭下面に集光することができるから、小面積の太陽電池に広い面積分の太陽光を集光して照射できる。さらに、直射光に限らず曇天でも全方角からの散乱光も集光でき、全体としてコストを削減できる効果がある。集光塔は太陽熱を利用した給湯装置や、自然光による屋内照明の光ダクトなどにも応用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の基本となる集光方法を積層された集光板の光線経路図２に基づいて説明する。なお、理解を容易にするため、集光搭の外壁面などに集光板を垂直に用いた場合を対象に、水平方向（朝陽や夕陽）から日中の真上方向までの、高度が０〜９０度の太陽光線を集光する場合について説明する。集光搭や建物の天井に集光板を水平に設置した場合には、上方からの光線が下方に向けて集光できることになることは当然である。従って集光板に入射する光線の角度は０〜９０度の範囲となるが、集光板で集光処理した光線を更に絞り込んで集光する場合があることや、高度が９０度の太陽光は赤道直下でない限り実在しないことや、水平に近い朝陽や夕陽は微弱なので集光処理の対象から除外する方が集光板の設計に都合がよい面もあるので、集光板に入射させる光線の範囲は必ずしも０〜９０度の範囲ではない。整流ユニットの形状で最大角の入射光線から最小角の入射光線の範囲に適した集光板を設計することができる。
【００１５】
集光板１は、図１の如く断面が鈍角三角形の整流ユニット２を、光線の入射面３となる鈍角三角形の底辺を下向きに角度αで傾斜させて上下に無数を連結して形成されている。鈍角三角形の一辺は整流ユニットの上面５として集光板面７に対してほぼ垂直に、残りの一辺は光線の射出面４として入射面と同じ下向きの方角に角度βで傾斜させた配置にある。また、上下の整流ユニット２は入射面３と射出面４の交わる頂点ａから上面の右端ｂにかけて連結代６で相互に連結された構成にある。
【００１６】
高度９０度の太陽光線は集光板面７に対して最大角度で入射する光線で、素材の屈折率に応じて入射面で屈折して整流ユニット内を進行した後、射出面で再び屈折して射出される。また、高度０度の水平方向からの太陽光線は最小角度で入射する光線で、入射面との角度差に応じて同様に屈折して進行し射出面から射出される。入射面と射出面の傾斜角度を適切に選択することで入射する光線の角度範囲から射出される光線の角度範囲を縮小することができる。
【００１７】
光線が透明素材に入射すると入射角に応じて屈折するが、素材の屈折率をｋ、光線の入射角をθとすると屈折角は、ａｓｉｎ（ｓｉｎθ÷ｋ）となる。集光処理の対象となる光線角度のうち集光したい最大入射角と最少入射角の差に相当する角度の光線の屈折角を最大屈折角と称する。太陽光線は入射角が０〜９０度の範囲であるが、９０度の光線は国内では実在しないことや、０度の水平線近くの光線は微弱で実用性が低いので除外したい場合や、光線範囲を絞り込んだ後に更に範囲を縮小して集光処理をしたい場合があり、例えば、０〜４５度の光線を集光する場合、ｋ＝１．５、θ＝４５、の最大屈折角は約２８度となる。なお、光線経路図２における光線の方角は実態に即して描かれている。
【００１８】
集光板で集光するには整流ユニットが鈍角三角形で、その底辺を入射面として傾斜させることが絶対的な条件となる。仮に整流ユニットが直角三角形であった場合、集光板は液晶表示板のバックライト用のプリズムシートと同じ形状になるが、この場合は図３のごとく射出する光線の方角がより広がったり、集光板を積層した場合に繰り返しの全反射で反転し、入射面側へ射出する光線が発生して集光することができない状態が発生する。
【００１９】
また、入射面の傾斜角度を極端に小さくすると、図４に示す如く整流ユニットでの屈折が緩やかになって上面で全反射して散逸する光線の発生を抑制できたり、入射面に比べて上面から入射する光線を少なくできるので集光しやすい一面もあるが、多数枚の集光板を積層しないと所定の範囲に集光できないことや、表面反射光が入射側にそのまま放出されて損失になりやすいこと、積層枚数が多くなるために表面反射損失が増大して全体として集光効率を極端に低下させる結果となる不都合がある。
【００２０】
一方、射出面の傾斜角度を極端に大きくすると、図５のごとく整流ユニット内を進行する光線のうち整流ユニットの上面に当たって全反射で集光方向から逆に拡散する光線が増加する結果、射出面から射出するまでに多数の整流ユニットを経由しなければならないことになって表面反射などの損失が増大する傾向になる。
【００２１】
集光効率を高めるには、基本的に入射光線の全てが集光されて射出面から射出されることと、表面反射による光線の損失を少なくすること、集光板に出入りする際の表面反射光や全反射光を有効光線として方向付けできることが重要である。このためには入射面の傾斜角度を集光板面に対して最大屈折角に近い角度からそれ以下の角度で傾斜させ、射出面の傾斜角度を入射面に対して最大屈折角の２分の１以下の角度で傾斜させることが望ましく、本集光方法の要点でもある。
【実施例】
【００２２】
図２は臨界角が約４２度（屈折率１，５）の一般的なガラスやアクリル樹脂を使った集光板で、入射面の傾斜角度を３８度、射出面の傾斜角度を６９度に設定した集光板の光線経路を示している。高度９０度（最大角）の真上からの太陽光線は整流ユニットの先端にしか当たらない実用性のない光線である。高度７５度の光線は光線経路ｐ７５ｕ、また、高度１５度の光線は光線経路ｐ１５ｎとして示しているが、屈折と全反射を繰り返して最終段集光板の射出面から射出される。光線経路に付されたｐ番号は入射光線の高度を示している。また、末尾のｕは整流ユニットの上面の左先端から入射する光線、ｎは上面の右端から入射する光線、ｓは入射面の下の先端に入射する光線、ｍは入射面中程から入射する光線を表しており、全ての光線はこれらのポイントの範囲で入射することになる。
【００２３】
最適な仕様では、各方角からの入射光線が最少回数で整流されて最終段の集光板の射出面から射出されることになるが、集光板が１枚だけの場合、連結代から直接射出面側に漏れる光線が発生したり、逆に拡散する方向に射出される光線が発生することもある。集光板を数枚積層することでこれらの不都合は殆ど解消できる。また、素材が一般的な透明ガラスや透明樹脂の場合には片面で約４％の表面反射が発生するが、入射面や射出面を適正に傾斜させることで、有効な光線として集光することができ、表面反射損失を最小限に食い止めることができる。
【００２４】
集光板では集光板面に垂直な方角の光線から板面に平行な方角の光線まで、９０度の範囲の光線を板面に垂直な方角に集光することができる。集光板面に平行する逆方向の光線（マイナス９０〜０度）を集光するには傾斜角度が逆勾配の集光板を２枚重ねにすることよって真下から真上方角（右から左方角）の１８０度の光線を板面に垂直方向の光線として集光することができる。
【００２５】
より屈折率の大きな材料で集光板を形成すると、小型化や製造が容易になり集光性能をさらに高めることが期待できる。また、集光板を積み重ねて積層の集光板を形成するには、積み重ねた集光板の所どころをスポット溶着で結合すればよい。なお、連結代は光線の制御には直接関係しないので、その厚みは製造上の都合や、製品の必要強度を考慮した上で進行光線に影響しないように設定すればよいが、なるべく薄い方が小型化できるから、０，０１〜２ｍｍが適当である。なお、集光板を成形するための透明材料は、光線を透過する材質であれば無色でも有色でもよい。軟質樹脂を使えば柔軟なシートとして形成することもできる。また、集光板は相似形で縮小しても機能は変わらないから、小型化で極めて薄い集光板にすることも期待できる。透明樹脂製の集光板は射出成型やプレス成型などの一般的な成型方法で製造可能である。
【００２６】
図６は垂直に配置された集光板において、集光板面に垂直な方向（水平方向）に集光した光線を板面に平行な垂直方向や任意の方向に方向変換をさせる光角変換板１１を示すもので、９は垂直方向の入射面３と、入射面に平行する射出面４と、傾斜する上下の変換面１０で囲まれた平行四辺形の変換ユニットである。変換面の傾斜角度γは方向を変換させたい角度のほぼ２分の１に設定されている。また、変換ユニットの長さｗは入射面に垂直に入射する光線の全てが、変換面で全反射する変換点までの長さｗに設定されている。光角変換板１１は変換ユニット９を、上下方向に無数に積層して形成され、上下の変換ユニットは入射面と射出面において連結代６で相互に連結されている。各変換ユニットの間には微小な空隙があり、空隙との境界面で全反射を起こさせるものである。空隙の幅は全反射の作用が機能すれば特に限定されないが、通常は約０．０１〜２ｍｍの範囲で製造のしやすさ、品質等の見地から設定される。
【００２７】
集光板で集光された水平方向の光線が変換ユニット９に入射すると、入射面３の点ａから点ｂの間のどの位置から入射しても変換面１０に当たって１回だけ全反射で方角を変換した後に放射面４から照射される。臨界角が約４２度の材料を使った場合に、傾斜角度γを２１度に設定すると変換後の光線の方角は２倍の４２度となり、光角変換板１１から放出される光線の方角を９０度変換させることができる。傾斜角度を０〜２１度の範囲で加減することで任意の方角に角度変換させることができる。
【００２８】
集光搭で太陽光線を搭下面に集光させるには集光板と光角変換板を組み合わせればよい。図７は外壁面に集光板１、その内面に光角変換板１１を張り、天井に集光板１を取付けた集光塔１２を示すもので、塔の壁面に当たる太陽光の全てを塔内部の下方に向けて集光して照射するものである。天井の集光板で集光された光線は方向変換をしないでそのまま塔内直下に集光して照射する様子を示すものである。塔の平面形状は四角形でも円形でもよい。円形の場合の集光板や光角転換板は塔の円周に合わせて湾曲させればよい。また、天井の集光板には四角形の集光板を丸く切断して設置してもよいが、外周から中心に向かって放射状に丸めた円形集光板を配置してもよい。この場合は中心から左と右で集光できる光線範囲が逆になるから、傾斜角度が逆勾配の円形集光板を２枚重ねにすることで、左右全方角からの太陽光を塔内中心部に集光して照射できるものである。円形集光搭では季節や時刻によって変動する太陽光線を均等に集光できる利点がある。太陽電池１２は集光された光線が当たる塔の床面に設置される。
【００２９】
集光板を天井照明などにおける防眩用のルーバーに応用する場合、広い方角に照射される光源からの光を５０度以内の光線に絞り込むことができる。この場合、逆勾配の集光板を重ね合わせることで多方角に対してグレアーの防止ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本集光方法による集光板の断面図である。
【図２】積層した集光板における光線経路図である。
【図３】角度の異なる集光板での光線経路の説明図である。
【図４】角度の異なる集光板での光線経路の説明図である。
【図５】角度の異なる集光板での光線経路の説明図である。
【図６】光角変換板の断面図である。
【図７】集光塔の断面模型図である。
【符号の説明】
【００３１】
１、集光板
２、整流ユニット
３、入射面
４、射出面
５、上面
６、連結代
７、集光板面
８、積層集光板
９、変換ユニット
１０、変換面
１１、光角変換板
１２、太陽集光搭
１３、太陽電池
【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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