(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光を集光し受光体（太陽光発電や太陽光温水器など）表面でのエネルギー密度を高めた方法に関する。【解決手段】集光装置は、パラボラ曲線の原理に基づき高い集光度をもつ鏡面で構成される。また、太陽光を受光する目的や目標に応じて、最適の設置角度を実現できる。高い集光度の達成、太陽方向の追尾及び設置場所によらない最適角度での設置という課題が解決可能となった。さらに、高い反射率をもつ鏡面を用いれば、太陽光エネルギー高度利用装置の実現が可能となり、エネルギー利用装置（太陽光発電や太陽光温水器など）の経済性も向上し、自然エネルギーの活用が更に発達、普及する。【選択図】図２
2004271157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電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集約して、高度に利用する装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
鏡面を用いて太陽光を集光することにより、太陽光エネルギーを効率的に利用し、それにより太陽光エネルギー利用装置の利用価値を高め、その経済性をも高度化するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光を実用的に集光する実用工夫がなく、そのため太陽光をそのまま直接に集光し、これにより発電や温水の製造を行なっている。但し、この直接の受光面において太陽光エネルギーを効率的に吸収利用する工夫は既に存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
受光する単位面積当たりの太陽光エネルギーを増倍することは不可能であるが、太陽光を本発明の方法で集光すれば、受光体（太陽光発電電池や太陽光温水器など。以下同じ）の受光表面での単位面積当たりの太陽光エネルギー密度が増大する。このように増大した太陽光エネルギーを活用すれば、従来よりも効率的に、従って経済的に太陽光エネルギーが利用できる。
このような集光は、従来はレンズを用いる又はパラボラ鏡面（その断面がパラボラ・アンテナと同様なものを指す。パラボラ・アンテナでは、ある特定方向からの電波をその焦点に集約して受信の強化を行なっている。本発明では、電波に替え、太陽光線を対象とする。以下、同じ）を用いる方法があった。この従来の方法では、第一にその焦点でのエネルギー密度が高くなり焦点では必要以上の高温が発生する問題（課題）、第二に太陽の位置が動くため太陽が特定方向にある場合を除く常時においては焦点がぼやけることの対策が必要となる問題（課題）があり、これらの問題への対策が一般には必要であり、このため特定の場合を除き経済性な実用化が困難であった。勿論であるが、このような高温を利用することが目的の場合では第一の問題（課題）は軽減する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
通常の太陽光発電や太陽光での温水の製造では、上述のような高温は必要ではなく、また、常時においても発電や温水の製造を効率的に行ないたい。このため、上述のような二つの問題（課題）を同時に解決するのが本発明の目的である。この目的を果たすために、基本的にはパラボラ鏡面の（原理に基づく）特質を活用する。この特質については、後に説明する。
この焦点または焦点を含む限られた面内において昇温により達する温度が許容の限界以下である限りは、より広い受光面の太陽光を集光し、かつ受光体表面でのエネルギー密度を平準化することが望ましい。しかし、パラボラ鏡面をそのまま用い、かつ、より広い受光面を用いよう（より高い集光度の実現。集光度とは、単純には太陽光の受光面の面積と受光体の表面の面積との比であり、実質としては、本発明による鏡面の場合は光反射率によるエネルギーの損失を考慮して両者のエネルギー比と定める）とする場合には、このパラボラ鏡面（これを構築する曲線（パラボラ曲線））の原点と焦点とを結ぶものをＹ軸（以下、同じ）とし、原点でこれに直交するものをＸ軸（以下、同じ）として表現すると、受光面を広く（大きく）することは（つまり、パラボラ鏡面上のＸ座標を大きくする場合）、受光面とＹ軸との交点のＹ座標を加速度的に大きくする必要があることになる。このようなパラボラ鏡面は理論的には可能でも、鏡面の製作が困難になる、高価になるなどで、技術的にも経済的にも実際的ではない。しかも、前記の第二の課題も容易には解決できない。
【０００５】
パラボラ鏡面（パラボラ曲線）の特質として、この鏡面上の任意の点（点Ａと呼ぶ）における接線を含む平面内で構成される鏡面（鏡面Ａと呼ぶ）では、Ｙ軸に平行である太陽光光線（直射光と呼ぶ。以下、同じ）が、点Ａとパラボラ鏡面の焦点とを結ぶ線と平行に反射（反射Ａと呼ぶ）される。従って、この任意の鏡面Ａと平行な任意の反射鏡面（鏡面Ｂと呼ぶ）での反射光線（反射Ｂと呼ぶ）は、反射Ａに平行である。
【０００６】
パラボラ曲線は、上記の幾何学的（光学的）特質を現すＸとＹの関数式で規定できるから、ＸやＹのいずれかを指定すれば、ＹやＸを求めることは容易であり、接線（点Ａでの正接値）についても、同様にＸとＹの関数式になるから、接線の正接（鏡面Ａまたは鏡面Ｂの傾斜）とＸ（受光面の広さに相当）またはＹ（鏡面の高さに相当）を指定すればＹまたはＸを求めることが出来る。このようにすれば、反射Ａや反射Ｂも容易に判明する（設計できる）。
【０００７】
上記のような特質を利用すれば、鏡面Ａの単独または鏡面Ａと鏡面Ｂ及び／又は別の鏡面Ｂとを組み合わせた複数の鏡面を連続かつ一体とする鏡面の設計ができる（与えられる条件によっては不可能）ので、広い受光面の太陽光を緩やかな（エネルギー密度を低めて、かつ望ましくはエネルギー密度を平準化して局所的な高温の発生を防止する）集光度を実現する新らたな集光鏡面（本発明）が構成される。
このような鏡面（本発明）では、採用する鏡面Ｂの一部及び／又は全部を太陽の位置が移動すること（傾斜光）に配慮した設計に変更することも可能であり、（ここで傾斜光とは、太陽光の光線がＹ軸に平行でないもの。以下、同じ））、これにより、この鏡面（本発明）を固定して用いても、傾斜光の集光も可能となる。
このような鏡面を利用する太陽光エネルギーの高度利用装置（本発明）は、集光が実用的に可能であることと太陽光が経時的に移動することへの対応ができるだけでなく、ある種の要求（例えば年間を通じて最大のエネルギー利用を行なう、或いは、特定の季節で利用効率を高めるなど）に対応するために、最適な設置角度（Ｙ軸の方向）にそれぞれ個々の装置を設定できる。そのためには、鏡面の任意の場所（最も良いのが鏡面の重心位置で、この場合、機器への荷重負担が軽減する）にＸ軸とＹ軸がなす平面に垂直な回転軸を持たせて、所定の設置角度まで回転させた後に固定すれば、ある種の要求への対応が、本装置の設置場所によらず容易にできることも本発明の根幹である。
【０００８】
太陽光電池や温水器は原則として焦点を含む平面に置けば、鏡面（本発明）の設計が容易となる利点があるが、任意の平面に置いても設計が不可能となる訳で
はないので、この場合も本発明に含まれる。
【０００９】
【０００９】
【実施例】
本発明による太陽光エネルギー高度利用装置（請求事項１、２及び３ともに）の本質は、パラボラ鏡面の特質を用いて太陽光を反射させる鏡面にあり、本発明による鏡面の設計例としての断面は図１、図２と図３に示す如くであり、鏡面（本発明）は、この断面に垂直な方向に延伸している。この延伸方向は直線か、エネルギー利用方法の判断により一つまたは複数の折り曲げ点がある場合もある。また、これらの図面では、鏡面がＹ軸で対称であるが、対称でない場合もあり得る。図１、図２と図３は決して最良の設計を示すものではなく、本発明による鏡面の実用化に際して、本発明の本質を理解するために例示したものであり、これが全てではない。なお、図１、図２と図３では、本発明によって設計された鏡面の得失を理解し、その改良の要否を判断するために、すべて同一の受光面をもつようにしてある。
【００１０】
また、特に鏡面の長さ（Ｙ軸に垂直な方向で）が大きい場合には、その実用化においては、Ｙ軸の両側にある鏡面の間に、太陽光の照射への妨げと鏡面の強度を考慮した上で、複数の場所で鏡面の形状や位置を維持するための支持材が必要である。更に、受光面には、経時的に鏡面の機能を維持のため、太陽光の透過性の良いもの（例えば、ガラス）を置き、鏡面の汚染を防止する。鏡面のＹ軸方向の両端でも可能な限り光透過性の良いもので同じく汚染防止を行なう。
【００１１】
このような受光面に置く光透過性の鏡面汚染防止材に、若干のレンズ効果（例えば、若干に凸型又は凹型に湾曲したガラス、又はフレスネル型平板レンズ（外気側を平面にする）を用いて、この効果（透過光線の方向の変化）を考慮し、それに適した鏡面設計を行なうことも可能である。この鏡面は、すべて傾斜光を対象にして設計された鏡面であることになる。レンズ効果は部分でもよい。
【００１２】
このような鏡面を持つ太陽光エネルギーの高度利用装置（本発明）は複数を用いることとなる場合が一般的であるが、この場合は、この装置の一部が他の装置の日射を妨げることがあるので、このことをこれらの装置の配置において留意する。
【００１３】
図１では、１００（パラボラ鏡面）上の任意の位置Ａ１の接線を含む鏡面は鏡面Ａ１である。これに並行な鏡面が鏡面Ｂ１である。同様に、別の任意の位置Ａ２に対応するのが鏡面Ａ２と鏡面Ｂ２である。鏡面Ｂ１と鏡面Ｂ２を連続に一体化したのが本発明による鏡面の例示としての１０１（基本鏡面（１））である。この場合、傾斜光の利用に難点があるので、これが許容できないと判断する場合は鏡面設計の改良設計を行なう。また、受光体上でのエネルギー密度に偏差が発生するので、これを許容できない場合も、鏡面設計の改良が必要となる。１０４（受光体１）は太陽光電池や太陽光温水器である。受光体１はＹ軸に平行に設置されている。
【００１４】
図２では、図１と異なり、別の任意の位置Ａ３、位置Ａ４及び位置Ａ５に対して、本発明に基づき鏡面Ａ３、鏡面Ａ４及び鏡面Ａ５があり、また鏡面Ｂ３、鏡面Ｂ４及び鏡面Ｂ５が形成され、これらの鏡面を連続に一体化したのが、１０２（改良鏡面）である。この改良鏡面では、図１における鏡面に、傾斜光の反射に対する考慮がなされた設計の結果、傾斜光の利用度が高くなっていることが示されている。しかし、Ｘ軸の正側の鏡面では、なお傾斜光の利用が十分ではないので、これが許容できない場合には更に改良設計を行うものとする。受光体の表面でのエネルギー密度の偏差（平準化の度合）が許容できない場合は、更に鏡面の改良設計が必要である。この場合、受光体は比較のため、図１と同じとしてある。
【００１５】
図３では、１０５は受光体２（電池や温水器など）である。この受光体は、図１  と対比して、Ｙ軸に直交して設置されている。この鏡面では、位置Ａ６、位置Ａ７に対して、それぞれ鏡面Ａ６、鏡面Ａ７があり、更に、鏡面Ｂ６、鏡面Ｂ７が形成され、これらを合理的に一体にしたのが１０３（基本鏡面（２））である。この例示では、直斜光と傾斜光のいずれに対しても鏡面の性能は不良である。但し、図３のような受光体の設置法では、受光体が反射光ではなく、直射光を受ける面積も大きいので、鏡面の反射率が低い場合などでも高い集光度が達成できると言う特徴があるので、この特徴を生かした鏡面設計ができる。
なお、それでも許容できない場合は、鏡面の改良設計が必要であることが分かる。これに対して、受光体の受光面積を大きくする改良もあるが、受光体の受光面でのエネルギー密度（集光度）が低下する。これが許容できない場合は鏡面の方も改良する。また、両側の鏡面をＹ軸側へ寄せる対策もある。この場合は、受光面積が小さくなるので、受光体への集光度が低下する。これが容認できない場合は、鏡面の改良設計も行なう。
受光体の表面でのエネルギー密度分布に偏差（平準化が不十分）があるので、これが許容できない場合は、鏡面設計の改良が必要である。
【００１６】
集光度を指定されても設計は可能であるが、同時に受光面又は受光面の高さ（受光面のＹ座標値）にも限度が指定される場合は、この限りではないことがあるので、受光面の広さと高さを妥協する調和によう鏡面設計を行なう。
【００１７】
直射光の方向（Ｙ軸）は、太陽光エネルギーの利用効率の定義（例えば、年間平均で最大にするなど）によって、また、地域毎（主として、その場所の地球緯度による条件）によって異なる方向が指定されるので、Ｙ軸がその方向になるようにして鏡面を設置（Ｙ軸の方向を指定して固定する）すれば本発明の効果がより高くなる。
【００１８】
直射光の方向（Ｙ軸）の設定によっては、Ｙ軸の方向と太陽が南中する時点の直射光の方向との角度差とＹ軸が水平面となす角度とに大きな差異があることがあるので、このことを反映した改良鏡面の設計が望ましい。この場合、直射光の方向（Ｙ軸）を調整することを考慮することも改良である。
【００１９】
【発明の効果】
以上に示したような本発明に基づく太陽光反射鏡面（集光装置）を用いる太陽光エネルギーの高度利用装置（請求事項１、２及び３）は、太陽光をそのまま直接に受光する場合に比べて、常時において太陽光エネルギーを高密度で利用できることになり、従って太陽光エネルギーを高効率に利用することが可能である。高い集光度に加えて鏡面の光反射率を高くできれば、太陽光エネルギーの高度利用装置の経済性は、太陽光反射鏡面（集光装置）の経済的負担があっても、なお格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽光エネルギーの高度利用装置の基本を例示したもの。
【図２】図１の場合の改良例（傾斜光の利用向上）である。
【図３】図１において受光体１（電池や温水器など）の配置を変更して受光
体２（電池や温水器など）とした場合である。
【符号の説明】
１００．．．．．．．パラボラ鏡面
１０１．．．．．．．基本鏡面（１）
１０２．．．．．．．改良鏡面
１０３．．．．．．．基本鏡面（２）
１０４．．．．．．．受光体１（電池や温水器など）
１０５．．．．．．．受光体２（電池や温水器など）
【図１】
2004271157.tif 000003
【図２】
2004271157.tif 000004
【図３】
2004271157.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月18日(2003.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電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集約して、高度に利用する装置
【請求項４】
広角受音装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
受光する単位面積当たりの太陽光エネルギーを増倍することは不可能であるが、太陽光を本発明の方法で集光すれば、受光体（太陽光発電電池や太陽光温水器など。以下同じ）の受光表面での単位面積当たりの太陽光エネルギー密度が増大する。このように増大した太陽光エネルギーを活用すれば、従来よりも効率的に、従って経済的に太陽光エネルギーが利用できる。
このような集光は、従来はレンズを用いる又はパラボラ鏡面（その断面がパラボラ・アンテナと同様なものを指す。パラボラ・アンテナでは、ある特定方向からの電波をその焦点に集約して受信の強化を行なっている。本発明では、電波に替え、太陽光線を対象とする。以下、同じ）を用いる方法があった。この従来の方法では、第一にその焦点でのエネルギー密度が高くなり焦点では必要以上の高温が発生する問題（課題）、第二に太陽の位置が動くため太陽が特定方向にある場合を除く常時においては焦点がぼやけることの対策が必要となる問題（課題）があり、これらの問題への対策が一般には必要であり、このため特定の場合を除き経済性な実用化が困難であった。勿論であるが、このような高温を利用することが目的の場合では第一の問題（課題）は軽減する。
広角受音装置については、上記の電波や太陽（太陽光）は音波や音源に、鏡面は音波反射鏡に、受光体は感音装置に、光エネルギー（または単に、エネルギー）は音波エネルギーに、また集光は集音に代えれば説明できる（以下、同じ）。但し、音響については集音における雑音につき相当な留意が必要である。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
パラボラ鏡面（パラボラ曲線）の特質として、この鏡面の断面（曲線）上の任意の点（位置Ａと呼ぶ）における接線を含む平面により構成される鏡面（鏡面Ａと呼ぶ）では、Ｙ軸に平行である全ての太陽光光線（直射光と呼ぶ。以下、同じ）が、位置Ａとパラボラ鏡面の焦点とを結ぶ線と平行に反射（反射Ａと呼ぶ）される。従って、この任意の鏡面Ａと平行な任意の反射鏡面（鏡面Ｂと呼ぶ）での反射光線（反射Ｂと呼ぶ）も、すべて反射Ａに平行である。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
パラボラ曲線は、上記の幾何学的（光学的）特質を現すＸとＹの関数式で規定できるから、ＸやＹのいずれかを指定すれば、ＹやＸを求めることは容易であり、また、接線（位置Ａでの正接値、鏡面の傾斜）についても、同様にＸの、或いはＹの関数式になるから、接線の正接（鏡面Ａまたは鏡面Ｂの傾斜）は、Ｘ（受光面の広さに相当）か、或いはそのＸに対応するＹ（鏡面の高さに相当）を指定すれば容易にこれを求めることが出来る。このようにすれば、反射Ａや反射Ｂも容易に判明する（設計できる）。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記のような特質を利用すれば、鏡面Ａの単独または鏡面Ａと鏡面Ｂ及び／又は別の鏡面Ｂとを組み合わせた単一または複数の平板鏡面を連続かつ一体とする鏡面の設計ができる（与えられる条件によっては不可能）ので、広い受光面の太陽光を緩やかな（エネルギー密度を低めて、かつ望ましくはエネルギー密度を平準化して局所的な高温の発生を防止する）集光度で集光する新らたな集光鏡面（本発明）が構成される。
このような鏡面（本発明）では、採用される複数の鏡面Ｂの一部又は全部を太陽の位置が移動すること（傾斜光）に配慮した設計に変更することも可能であり、（ここで傾斜光とは、太陽光の光線がＹ軸に平行でないもの。以下、同じ））、これにより、この鏡面（本発明）を固定して用いても、傾斜光の集光も可能となる。つまり、常時においても比較的高い集光度が達成可能となる。
このような鏡面を利用する太陽光エネルギーの高度利用装置（本発明）は、集光が実用的に可能であることと太陽光が経時的に移動することへの対応ができるだけでなく、ある種の要求（例えば年間を通じて最大のエネルギー利用を行なう、或いは、特定の季節で利用効率を高めるなど）に対応するために、最適な設置角度（Ｙ軸の方向）にそれぞれ個々の装置を設定できる。そのためには、鏡面の任意の場所（最も良いのが鏡面の断面の重心位置で、この場合、機器への荷重負担が軽減する）にＸ軸とＹ軸がなす平面に垂直な回転軸（Ｚ軸）を持たせて、所定の設置角度まで回転させた後に固定すれば、ある種の要求への対応が本装置の設置場所によらず容易にできることも本発明の根幹である。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、この鏡面の実用化において、鏡面の長さ方向（Ｚ軸の方向）では、Ｙ軸の両側にある鏡面の間に、太陽光の照射への妨げと鏡面の強度を考慮した上で、単一または複数の場所で鏡面の形状や位置を維持するための支持材が必要である。更に、受光面には、経時的に鏡面の機能を維持のため、太陽光の透過性の良いもの（例えば、ガラス）を置き、鏡面の汚染を防止する。鏡面のＺ軸方向の両端にも可能な限り光透過性の良いものを置き、集光と同時に汚染防止を行なう。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
このような受光面に置かれる光透過性のある鏡面汚染防止材に、若干のレンズ効果（例えば、若干に凸型又は凹型に湾曲したガラス、又はフレスネル型レンズ（外気側を滑面にする）の利用）を与えて、レンズ効果（透過光線の方向の変化）を考慮し、それに適した鏡面設計を行なうことも可能である。このレンズ効果は、受光面の全部又は部分でも良いので、この場合は、鏡面の全て又は部分が直射光についても傾斜光相当を対象にして設計されることになる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
集光度を指定されても設計は可能であるが、同時に受光面の広さ又は受光面の高さ（受光面のＹ座標値）にも限度が指定される場合は、この限りではないことがあるので、このような場合は受光面の広さと高さの両方又はどちらかを妥協させる調和により鏡面設計を行なう必要がある。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】追加
【補正の内容】
【００２０】
なお、本発明による鏡面を実際に製作する時には、鏡面の経済性を向上するため、強度上から必要な厚さ程度（鏡面材が強度部材でもある場合）か、それ以下の厚さ（鏡面とは別に安価な材料で強度の確保を考慮する場合）の材料を用いることが望まれるが、薄い板ほど平面度の確保が困難になるという自発的な問題がある。しかし、本発明による鏡面では、反射率の確保は重要であるが、多少の乱反射ならば、むしろ受光体の表面でのエネルギー平準化に寄与するので、好ましいとさえ言える。複数の鏡面を一体に製作すれば、折り目があるので薄板でも恒久的に平面度の維持が容易となり、乱反射の影響が軽減する。単一の鏡面の場合も、薄い鏡面を、安価で強度のある材料に貼り付ける方法もある。このように、本発明による（集光のための）鏡面は、反射率さえ確保できるなら多少の乱反射も許容できる特徴を伴う。