(57)【要約】【課題】入射面側への全入射角度に対する放射面側からの放射光の進行方向を常に略一定に保てる光路抑制レンズとこれを用いた集光装置を提供する。【解決手段】集光部２が入射面側の左右対称な位置に中央側向って解放で放射面側から見て凹形状をした２つ一組の湾曲面からなるツインタワー４を有し隣接する他の集光部２との境界部分に放射面側に向って収束して突出する氷柱状部５を形成され全体が略Ｍ字状をしている光路抑制レンズ１を南北方向に見てドーム状に配置した上レンズ郡１２と、赤道に近い側壁に光路抑制レンズ１をドーム状に配置した前レンズ郡１３と、反赤道側に所定角度で立設された反射板１４と、内部下方に配置した蓄熱槽１５とで集光装置１１を構成し、上方、赤道側からの入射光を各々上レンズ郡１２、前レンズ郡１３で蓄熱槽１５へと集光させ、蓄熱槽１５から外れた集光光を反射板１４によって蓄熱槽１５へと到達させる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端面方向から見た同一断面形状を保って奥行き方向に略線状に連なる複数の集光部が略平行に並んで連結されてなる透明な平板状体であり、前記各集光部は一端面方向から見て入射面側の左右対称な位置に中央側に向って解放で放射面側に向って凹形状をした２つ一組の湾曲面を有し隣接する他の集光部との境界部分に放射面側に向って収束して突出する氷柱状部を形成され全体が略Ｍ字状をしていることを特徴とする光路抑制レンズ。
【請求項２】
内部下方に赤道側に傾斜して配置された蓄熱槽と、
南北方向に見て前記蓄熱槽上方を覆ってドーム状に請求項１の光路抑制レンズが配置された上レンズ郡と、
前記蓄熱槽の赤道に近い側に同じく請求項１の光路抑制レンズがドーム状に配置された前レンズ郡と、
前記蓄熱槽の反赤道側に立設された反射板とを具備することを特徴とする集光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光のように時事刻々と入射角度が変化する入射光を入射角度に関係なく略一定方向へと制限して放射させる光路抑制レンズとこれを用いた集光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１００年後には化石燃料は枯渇し、２００年後には原子力発電も無くなると言われており、人類にとって近い将来、残されたエネルギー源は太陽光によるエネルギーと核融合のみとなる厳しい現実を迎えなくてはいけない。また、化石燃料依存による二酸化炭素増加の結果、地球の温暖化が促進され人類絶滅の危機さえ懸念されている。これを回避する意味でもエネルギー源の多くを太陽光エネルギーへと早期に切り替えることが必要である。そのためには、太陽光エネルギーを効率良く利用する技術開発が不可欠である。そこで、これまでに太陽光エネルギーを凝縮させる為に凸レンズや凹面鏡を用いた研究がなされている。凸レンズや凹面鏡によれば太陽光を焦点に集光させることで濃縮が可能であった。しかし、凸レンズや凹面鏡によれば常時、入射光を一定方向から入射させる必要があるため時事刻々と変化する太陽光の入射角度に応じて、入射光の向きが常に一定になるように追尾させる必要があった。そのため、制御系も複雑になる等設備が大掛かりになってしまい希薄な太陽光エネルギーを利用する割りには設備費が高額なものとなり実用には不向きとされていた。また、曇天の日には、太陽光は散乱してしまうため集光不能であった。
【０００３】
そこで、鈴木は、これまでに「集光レンズと前記集光レンズを用いた集光方法」（特開２０００−５６１０２号公報）、光路抑制レンズ（特開２００２−２１４４０６号公報）、光路抑制レンズ（特開２００２−３５７７０２号公報）にて開示しているように、地表面の１平方メートルあたりに１ｋＷ程度と極めて希薄なエネルギーである太陽光を従来の集光技術では実現しえない程に効率よく濃縮する集光レンズを開発した。これらのレンズによれば、様々な方向から入射する光の透過後の進行方向を入射角度に関係なく略一定に保つことができた。例えば、時事刻々と入射角度が変化する太陽光を略鉛直下向きに保つことができる等、入射角度に関係なく透過後の光の進行方向を自在設定できた。したがって、複数のレンズを使用して各レンズの透過光が一定の位置に集中する様に配置するだけで、時刻の変化で入射角度が変化しようとも、曇りの日で入射光が散乱光であっても、太陽光を集光させることができた。また、全体を略平板状に構成でき、設備の省スペース、低コストの面でも有効であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記レンズによれば、全ての入射角度に対して透過光の進行方向を完全に一定方向に保つことができるわけではなく、少しでも精度を高めることが望まれていた。また、透過光の進行方向を略一定方向に保てる入射角度の上限を少しでも大きくすることが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、透過光の進行方向を略一定方向に保てる精度を従来よりも高め、透過光の進行方向を略一定方向に保てる入射角度範囲を従来よりも高めた光路抑制レンズとこれを用いた集光装置の提供を課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる光路抑制レンズは、一端面方向から見た同一断面形状を保って奥行き方向に略線状に連なる複数の集光部が略平行に並んで連結されてなる透明な平板状体であり、この各集光部は一端面方向から見て入射面側の左右対称な位置に中央側に向って解放で放射面側に向って凹形状をした２つ一組の湾曲面を有し隣接する他の集光部との境界部分に放射面側に向って収束して突出する氷柱状部を形成され全体が略Ｍ字状をしているものである。
【０００７】
したがって、請求項１の発明の光路抑制レンズによれば、入射光の入射角度が比較的大きい時に、一端面方向から見て入射面側の左右対称な位置に中央側に向って解放で放射面側に向って凹形状をした２つ一組の湾曲面により入射角度に応じて何度も全反射を繰り返すことにより、透過光の進行方向が略一定方向に抑制される。また、各集光部と隣接する他の集光部との境界部分に放射面側に向って収束して突出する氷柱状部を備えるので、この氷柱状部の対向する面間で入射光が入射角度に応じて何度も全反射され略一定方向に抑制させる。さらに、各集光部全体がＭ字状をしていることで入射面側に収束する２つのプリズムを備えていることと略同等になり、果てしなく水平方向から入射する入射光の進行方向をも略一定方向に抑制される。
【０００８】
請求項２の発明にかかる集光装置は、内部下方に赤道側に傾斜して配置された蓄熱槽と、南北方向に見て前記蓄熱槽上方を覆ってドーム状に請求項１の光路抑制レンズが配置された上レンズ郡と、前記蓄熱槽の赤道に近い側に同じく請求項１の光路抑制レンズがドーム状に配置された前レンズ郡と、前記蓄熱槽の反赤道側に立設された反射板とを備えているものである。
【０００９】
ここで、赤道に近い側壁とは北半球では南側、南半球では北側の側壁である。また、反赤道側とは北半球では北側、南半球では南側である。
【００１０】
したがって、請求項２の発明の集光装置によれば、地球の自転の影響により入射角度が時事刻々変化する上方からの入射光が上レンズ郡を通過すると入射角度に略依存することなく蓄熱槽に向って集光される。また、赤道直下ではなく北半球または南半球のいずれか緯度の高い地域であればある程太陽光が赤道側に大きく傾いた角度で地表へと入射するが、前レンズ郡によれば、赤道側より入射する光をも入射角度が東西方向に時事刻々と変化しようとも上レンズ郡の場合と同様に蓄熱槽へと集光される。さらに、地球の地軸の傾きと公転の影響により、上レンズ郡や前レンズ郡を透過した光が蓄熱槽の反赤道側へ外れる場合には反射板により反射されて蓄熱槽へと到達される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明をする。図１は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを示す端面図である。本発明の実施の形態の光路抑制レンズ１は、屈折率が略１．４９の透明なメタアクリル樹脂（以降の説明では単にＭＭＡと呼ぶ）からなり、図１に示すように、端面から見ると同一形状をした複数の集光部２が連結された形状をしている。各集光部２は奥行き方向に略線状に連なっており、光路抑制レンズ１は全体が略平板状をしている。本発明の実施の形態の光路抑制レンズ１は、以下に説明するように、地球の自転の影響により時事刻々と入射角度が変化する太陽光の進行方向を略一定の範囲に抑制できる。特に、その効果が日の出から日没に至る全日照時間帯において得られるため据え置きで使用することができる。しかも、全体が平板状で、省スペース化と製造コストの低減ができる。つまり、平板状（リニア）でありながら、設置（セッティング）するだけで、透過光の進行方向を一定に保て、また、光の透過過程で全反射を使用する（後述）ことから、本発明の実施の形態の光路抑制レンズ１は、以降の説明では、ＳＬＲＬと呼ぶことにする。ここで、ＳＬＲＬとはＳｅｔｔｉｎｇ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ  Ｌｅｎｓの省略である。
【００１２】
各集光部２は図２に示すように、全体が略Ｍ字状をしており、一端面方向から見て入射面側（図面向って上方）の左右対称な位置に中央側に向って解放で放射面側（図面向って下方）に向って凹形状をした湾曲面を備えている。この湾曲面を以降の説明ではスライダー３ａ，３ｂと呼ぶことにする。図２は本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部を示す拡大端面図である。スライダー３ａ，３ｂは、１つの集光部２に付き２つづつ互いに向かい合った状態にあり、これをツインタワー３と呼ぶことにする。また、隣接する集光部２の境界部分は放射面側に向って氷柱状に収束して突出しており、この部分を氷柱状部４と呼ぶことにする。
【００１３】
スライダー３ａ，３ｂは、図３の２点鎖線で示すように、入射光の入射角度が比較的大きい時に、入射角度に応じて何度も全反射を繰り返すことにより、放射面側からの放射光の進行方向を放射面に略垂直（図面に向って下方）にする作用がある。図３は本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部のスライダーの機能を示す説明図である。
【００１４】
また、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１の集光部２は全体がＭ字状をしていることで入射面側に収束する２つのプリズムを備えていることと略同等になり、図４の２点鎖線で示すように、果てしなく水平方向から入射する入射光の進行方向をも放射面に垂直な方向へと向けさせる機能を有する。図４は本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部のＭ字形状をしていることが奏する機能を示す説明図である。
【００１５】
また、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１の氷柱状部４は、下方に向う程細くなっており、図５の２点鎖線で示すように、入射光を対向する面間で入射角度に応じて何度も全反射させて、放射面に垂直な方向にする作用がある。図５は本発明の実施の形態の光路抑制レンズの氷柱状部が奏する機能を示す説明図である。図５の場合、氷柱状部４を構成する対向する面の角度が１０°の場合であるが、この場合、入射角度２３°の入射光は２度の全反射の後に進行方向が放射面に垂直な方向となる。なお、ここに示す氷柱状部４の対向する面の角度は、１例に過ぎず、角度を変えても同様の作用効果を奏することに変わり無い。
【００１６】
続いて、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１の性能について説明する。なお、以下の説明においては、集光部２の線状に連続する方向を南北に向けて使用する。図６は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度１５°で光を入射させた様子を示す説明図である。図７は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度３０°で光を入射させた様子を示す説明図である。図８は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度４５°で光を入射させた様子を示す説明図である。図９は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度６０°で光を入射させた様子を示す説明図である。図１０は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度７５°で光を入射させた様子を示す説明図である。図１１は本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て水平方向から光を入射させた様子を示す説明図である。この様に、本実施の形態のＳＬＲＬ１によれば、入射角度を様々に変えても透過光は略一定方向へと進行する。この特性は、全ての入射角度において図示したわけではないが、図３で説明したスライダー３ａ，３ｂと、図４で説明したＭ字形状と、図５で説明した氷柱状部４との組み合わせにより得られており、入射角度が０°から９０°に至る全範囲において発揮される。なお、ＳＬＲＬ１の１つの集光部２は一端面方向から見て左右対称形であり、入射角度が上記説明で示した場合と反対方向へと９０°に至る範囲においても同様に透過光の進行方向を略一定方向へと抑制する。
【００１７】
この様に、入射角度が０°から±９０°に至る全範囲において透過光の進行方向を略一定の方向に保つことができることから、図１２及び図１３に示す様に、ドーム状に配置するだけで地球の自転の影響により時事刻々と変化する太陽光を所定範囲に集光させることができる。図１２は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置を示す斜視図である。図１３は図１２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。この集光装置１１は、南北方向に見てドーム状にＳＬＲＬ１が配置されて屋根を構成する上レンズ郡１２と、赤道に近い側壁（北半球では南側、南半球では北側）を同じくＳＬＲＬ１でドーム状に覆って成る前レンズ郡１３と、反赤道側（北半球では北側、南半球では南側）に立設された反射板１４と、内部下方に赤道側に傾斜して配置された蓄熱槽１５とを備えている。
【００１８】
そして、上方からの入射光は、図１４に２点鎖線で示すように、入射前は時事刻々と入射角度が変化しているが、上レンズ郡１２を通過すると入射角度に略依存することなく蓄熱槽１５に向って集光される。図１４は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置により上方より入射する入射光を集光する様子を示す説明図である。
【００１９】
また、赤道直下ではなく北半球または南半球のいずれか緯度の高い地域であればある程太陽光が赤道側に大きく傾いた角度で地表へと入射するが、前レンズ郡１３によれば、図１５に示すように、この赤道側より入射する光をも入射角度が東西方向に時事刻々と変化しようとも上レンズ郡１２の場合と同様に蓄熱槽１５へと集光することができる。図１５は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置により赤道側より入射する入射光を集光する様子を示す説明図である。
【００２０】
さらに、東西方向から見た赤道側からの入射光の入射角度は、地球の地軸の傾きと公転の影響により、年間を通じて変化するが、この影響で東西集光だけでは上レンズ郡１２や前レンズ郡１３を透過した光が蓄熱槽１５の反赤道側へ外れることがある。反射板１４は、図１６及び図１７に示すように上レンズ郡１２や前レンズ郡１３で東西集光した光を年間を通じて余すこと無く蓄熱槽１５へと到達させる役割を果たす。図１６は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置による夏期の南北集光を示す説明図、図１７は本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置による冬期の南北集光を示す説明図である。
【００２１】
例えば、夏期の場合のように、南中高度が高い場合には、図１６に示すように、反射板１４を反赤道側に傾斜させて蓄熱槽１５の反赤道側へと外れた入射光を反射させ蓄熱槽１５へと到達させる。なお、反射板１４には全反射が行えるものが好ましく日本において夏期に用いる反射板１４には、例えば、図１８に示すような光の進行方向を４５°程度変えるものが好ましい。図１８は光の進行方向を全反射により４５°変える反射板の一例を示す説明図である。図１８に示す反射板は、屈折率１．４９のＭＭＡからなり全体が略平板状をしている。そして、入射面側には複数の平面部が階段状に交互に角度を変えて連なっている。また、入射面に対向する面は平面になっており全反射をする反射面となっている。この反射板の入射面を構成する複数の平面部の反射面との成す角度はどれも２２．５°である。そして、入射面の平面部へと所定角度で入射した光は屈折により向きを変えるが反射面へは臨界角を超える角度で到達するので、全反射される。全反射された光は入射した時とは別の平面部より外部へと再び放射されるが、結果的に、入射光は、図１９に示すように、反射板１４へと入射して放射される前後において４５°向きを変える。図１９は図１８の反射板による反射前後における光の進行方向を示す説明図である。そして、夏至の日本においては、図１６に示すように、このような反射板１４を鉛直状態から北側に１５°程度傾斜させて配置することで、蓄熱槽１５の外部へと外れた光を蓄熱槽１５へと導くことができる。
【００２２】
同様に、冬期の場合は南中高度が低くなるので、図１７に示すように、夏期の場合とは逆に反射板１４を赤道側に１５°程度傾斜させることで、蓄熱槽１５の反赤道側へと外れる入射光を反射させ蓄熱槽１５へと到達させることができる。なお、ここで用いる反射板１４も夏期の場合に用いたものと同様に屈折率１．４９のＭＭＡからなり全体が略平板状をしていて、入射面には複数の平面部が階段状に交互に角度を変えて連なっており反射面が平面になっている。ただし、図２０に示すように、反射板の入射面を構成する複数の平面部の反射面との成す角度がどれも４５°である点で夏期に用いるものと異なる。図２０は光の進行方向を全反射により９０°変える反射板を示す説明図である。この反射板によっても、階段状の入射面へと所定角度で入射した光は反射面へと到達し、そこで全反射される。このとき、図２１に示すように、入射光は反射前後において９０°向きを変える。図２１は図２０の反射板による反射前後における光の進行方向を示す説明図である。そして、冬至の日本においては、図１７に示すように、このような反射板１４を鉛直状態から１５°程度南側へ傾斜させて配置することで、蓄熱槽１５の外部へと外れた光を蓄熱槽１５へと導くことができる。
【００２３】
このように、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１を用いた集光装置１１によれば、蓄熱槽１５にはエネルギーが凝縮され、直射日光よりも高濃度の熱源を得ることができる。特に、冬期や曇天の日のように太陽光が通常より希薄或いは散乱している場合であっても太陽光を集光できる。しかも、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１は、入射角度が０°から±９０°に至る全範囲において透過光の進行方向を略一定の方向に保つことができるので、設置したＳＬＲＬ１を入射光の入射角度に合わせて追尾させる等の複雑な処理を１日を通して一切する必要がない。そのため、極めて安価に、太陽光エネルギーの凝縮が行え、有効に利用することができる。例えば、蓄熱槽１５では、温湯を得る他、暖房の熱源、吸収冷凍サイクルの熱源、太陽熱発電等様々な用途が考えられる。或いは、発電の場合は、直接、太陽電池パネルを用いて太陽光発電を行っても良い。特に、吸収式冷凍サイクルを稼動させる場合や太陽光発電を行う場合には、エネルギーの有効利用ができるだけでなく、電力需要のピークカットを促進でき、電力会社の発電設備を縮小できる。
【００２４】
ところで、本発明の実施の形態のＳＬＲＬ１は、屈折率が１．４９の透明なメタアクリル樹脂（ＭＭＡ）からなっており、この屈折率の場合に最適に透過光の進行方向を略一定角度範囲に保てる形状に設計されているが、屈折率に見合って最適に透過光の進行方向を略一定角度範囲に保てる形状に設計されていれば屈折率の異なる他の素材からなっていても構わない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２６】
請求項１の発明の光路抑制レンズによれば、様々な入射角度の入射光は入射角度に応じて氷柱状部により略一定方向に抑制され、また、入射角度が比較的大きい入射光は一端面方向から見て入射面側の左右対称な位置に中央側に向って解放で放射面側に向って凹形状をした２つ一組の湾曲面により透過光の進行方向が略一定方向に抑制され、さらに、果てしなく水平方向から入射する入射光の進行方向をも各集光部全体がＭ字状をしていることで略一定方向に抑制されるので、時事刻々と入射角度が変化する入射光を日の出から日没までの終日を通して、極めて高率良く略一定方向に抑制することができる。
【００２７】
請求項２の発明の集光装置によれば、地球の自転の影響により入射角度が変化する上方からの入射光は上レンズ郡により蓄熱槽に向って集光され、同じく地球の自転の影響により入射角度が変化する赤道側より入射する入射光は前レンズ郡により蓄熱槽に向って集光され、さらに、地球の地軸の傾きと公転の影響により、上レンズ郡や前レンズ郡を透過した光が蓄熱槽の反赤道側へ外れる場合には反射板により反射されて蓄熱槽へと到達させることができるので、日の出から日没までの終日中しかも年間を通じて余すこと無く太陽光の集光ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを示す端面図である。
【図２】本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部を示す拡大端面図である。
【図３】本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部のスライダーの機能を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の光路抑制レンズの集光部のＭ字形状をしていることが奏する機能を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態の光路抑制レンズの氷柱状部が奏する機能を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度１５°で光を入射させた様子を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度３０°で光を入射させた様子を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度４５°で光を入射させた様子を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度６０°で光を入射させた様子を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て入射角度７５°で光を入射させた様子を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態の光路抑制レンズに一端面方向から見て水平方向から光を入射させた様子を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置を示す斜視図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置により上方より入射する入射光を集光する様子を示す説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置により赤道側より入射する入射光を集光する様子を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置による夏期の南北集光を示す説明図である。
【図１７】本発明の実施の形態の光路抑制レンズを用いた集光装置による冬期の南北集光を示す説明図である。
【図１８】光の進行方向を全反射により４５°変える反射板の一例を示す説明図である。
【図１９】図１８の反射板による反射前後における光の進行方向を示す説明図である。
【図２０】光の進行方向を全反射により９０°変える反射板を示す説明図である。
【図２１】図２０の反射板による反射前後における光の進行方向を示す説明図である。
【符号の説明】
１  光路抑制レンズ（ＳＬＲＬ）
２  集光部
３ａ，３ｂ  スライダー
３  ツインタワー
４  氷柱状部
１１  集光装置
１２  上レンズ郡
１３  前レンズ郡
１４  反射板
１５  蓄熱槽
【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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