(57)【要約】【課題】太陽光を、太陽電池等の入光対象に効率よく入射させる。【解決手段】集光装置１０を構成する集光板３２は、角度調節手段である回転軸３０ａ、３０ｂを介して支持部材１４に回動可能に支持される。集光板３２は、第１集光部３６ａと、第２集光部３６ｂと、これら集光部３６ａ、３６ｂとの間に位置する無集光部３８を有し、集光部３６ａ、３６ｂを透過した太陽光（透過光）、無集光部３８を通過した太陽光（直射光）の各一部は、入光対象である太陽電池１２に直接入射する。直接入射されなかった残部は、太陽電池１２の北側に配設された反射板２８によって反射され、反射光となって太陽電池１２に入射する。【選択図】図１
2017191854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を入光対象に入射するための集光装置であって、
支持部材と、
前記支持部材に設けられた角度調節手段と、
前記角度調節手段を介して前記支持部材に回動可能に支持されるとともに、太陽光が入射する集光板と、
前記集光板から出射された太陽光を、前記入光対象に向けて反射する反射板と、
を備え、
前記集光板は、第１集光部と、前記第１集光部との間に無集光部を挟む位置に設けられた第２集光部とを有し、前記第１集光部及び前記第２集光部の長手方向が東西方向に沿って延在するとともに、最下端が前記入光対象の南側で且つ上方に位置し、
前記反射板は、前記入光対象の北側に位置するとともに、最下端が前記入光対象の上方、最上端が前記集光板の最上端よりも下方に位置することを特徴とする集光装置。
【請求項２】
請求項１記載の集光装置において、前記第１集光部及び前記第２集光部はハーフタイプのリニアフレネルレンズからなり、且つ各々の焦点が前記無集光部の北側で且つ前記第１集光部及び前記第２集光部と前記入光対象との間に設定され、
前記集光板の長手方向寸法が、前記入光対象の長手方向寸法よりも大きく設定されていることを特徴とする集光装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の集光装置において、前記集光板を手動で回動させることが可能であることを特徴とする集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を、集光板及び反射板を介して入光対象に入射する集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、太陽電池を電源として自動車車体に搭載することが提案されている。太陽電池は太陽光を起電力に変換するものであり、このため、発電を行うためには太陽光を入射する必要がある。発電に際しては、集光装置を用いることで発電量を増加させることができる。例えば、特許文献１には、ルーフに設置された太陽電池に対し、反射板で反射された太陽光を入射するための集光装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１記載の集光装置は、反射光を入射するのみであり、直射光を太陽電池に入射する構成は設けられていない。このため、太陽電池の発電効率を向上させることは容易ではない。
【０００４】
特許文献２には、太陽電池に直射光を入射するに際し、太陽電池の端部の上方に集光レンズを位置決め固定し、該集光レンズから太陽電池に直射光を導く構成が提案されている。しかしながら、太陽は、地球の公転及び自転に伴って照射角度が時間や季節ごとに相違する。このため、太陽の高度や方位、ひいては照射角度が変化すると、位置決め固定された集光レンズでは、太陽光を十分に集光することができなくなる。
【０００５】
そこで、特許文献３に記載されるように追尾機構を設け、太陽電池を、太陽を追尾可能な構成とすることが想起される。この場合、太陽の照射角度が変化しても、太陽電池が、その入射面が太陽に臨むように動作する。このため、時間や季節に関わらず、太陽光を効率よく集光できると考えられるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−８６４０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−８２２５６号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３記載の従来技術は、太陽電池が定置型のものである場合には有効であると考えられるが、自動車に搭載されるような移動型のものである場合、自動車の進行方向が変化する度に太陽電池の姿勢を変化させなければならない。これを可能とする追尾機構を構成することや、制御方法を構築することは容易ではない。
【０００８】
しかも、自動車にそのような追尾機構を搭載すると車両重量の増加を招く。加えて、追尾機構を搭載するために広大なスペースが必要となるので、小型車に適用することは困難である。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、簡素な構成でありながら、入光対象に太陽光を効率よく入射することが可能な集光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、太陽光を入光対象に入射するための集光装置であって、
支持部材と、
前記支持部材に設けられた角度調節手段と、
前記角度調節手段を介して前記支持部材に回動可能に支持されるとともに、太陽光が入射する集光板と、
前記集光板から出射された太陽光を、前記入光対象に向けて反射する反射板と、
を備え、
前記集光板は、第１集光部と、前記第１集光部との間に無集光部を挟む位置に設けられた第２集光部とを有し、前記第１集光部及び前記第２集光部の長手方向が東西方向に沿って延在するとともに、最下端が前記入光対象の南側で且つ上方に位置し、
前記反射板は、前記入光対象の北側に位置するとともに、最下端が前記入光対象の上方、最上端が前記集光板の最上端よりも下方に位置することを特徴とする。
【００１１】
この構成では、第１集光部及び第２集光部を透過した太陽光の一部、無集光部を通過した太陽光の一部が直射光として入光対象に直接入射する。直接入射されなかった残部は、入光対象の北側に配設された反射板によって反射され、反射光となって入光対象に入射する。
【００１２】
ここで、集光板においては、第１集光部及び第２集光部が東西方向に沿って延在するとともに、該集光板の傾斜角度に関わらず、その最下端が入光対象の上方に位置する。加えて、反射板の最上端が集光板の最上端よりも下方である。このため、直射光及び反射光の双方が入光対象に効率よく入射する。すなわち、多くの太陽光を入光対象に効率よく集めることができる。
【００１３】
この場合、入光対象の姿勢を変化させる必要がない。従って、入光対象側に太陽電池の姿勢を変化させるための機構を設ける必要もない。このため、例えば、小型車に設けられた太陽電池に充電を行うような場合に好適である。
【００１４】
また、角度調節手段を設けているので、太陽の高度に応じて集光板の傾斜角度を調節することが可能である。このため、集光板の傾斜角度を、季節毎に最適角度に設定することにより、集光効率を一層向上させることが可能となる。
【００１５】
このように、本発明によれば、簡素な構成でありながら太陽光の集光効率を向上させることができる。
【００１６】
第１集光部及び第２集光部は、例えば、ハーフタイプのリニアフレネルレンズから構成することができる。この場合、各レンズの焦点を、無集光部の北側で且つ第１集光部及び第２集光部と入光対象との間に設定することが好ましい。さらに、集光板の長手方向寸法を、入光対象の長手方向寸法よりも大きく設定するとよい。
【００１７】
結局、第１集光部及び第２集光部を透過した透過光は一旦集束する。従って、透過光を入光対象に導くことが容易となる。また、集光板の長手方向寸法が入光対象の長手方向寸法よりも大きく設定されると、透過光や反射光等が入光対象の略全体にわたって照射されるようになる。従って、入光対象への集光効率が一層向上する。
【００１８】
集光板の傾斜角度の調節（回動）は、モータ等を用いて機械的に行うようにしてもよいが、手動で行うようにしてもよい。これにより、構成の一層の簡素化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１集光部及び第２集光部を透過した太陽光の一部、無集光部を通過した太陽光の一部を直射光として、また、残部を、反射板からの反射光として入光対象に入射するようにするとともに、入光対象、集光板の下端、及び反射板の最上端につき所定の位置関係を満足するようにしている。さらに、角度調節手段を設け、季節によって変動する太陽の高度に応じて集光板の傾斜角度を調節することが可能である。このため、直射光及び反射光の双方が入光対象に効率よく入射する。
【００２０】
すなわち、多くの太陽光を入光対象に効率よく集めることができるので集光効率が向上する。しかも、入光対象の姿勢を変化させる必要がないので、この分、構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る集光装置の全体概略斜視図である。
【図２】図１の集光装置を構成する集光板と反射板によって太陽光が太陽電池（入光対象）に入射している状態を示した要部概略側面図である。
【図３】図２の要部拡大側面図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、季節に応じて集光板の傾斜角度を変更した状態を示した要部側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る集光装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中に「Ｎ」、「Ｓ」、「Ｅ」、「Ｗ」が表示されているときには、それぞれ、「北」、「南」、「東」、「西」を意味する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る集光装置１０の全体概略斜視図である。この集光装置１０は、図示しない自動車のルーフに搭載された太陽電池１２に太陽光を入射する（入光する）ためのものであり、従って、入光対象は太陽電池１２である。図１では、自動車が駐車されたときの太陽電池１２の位置を示している。
【００２４】
集光装置１０は、平坦な地面上に設置された支持部材１４を有する。支持部材１４は、２本の脚部１６ａ、１６ｂと、脚部１６ａ、１６ｂの上端から南側に向かって突出したフレーム状の２本のアーム部１８ａ、１８ｂと、該アーム部１８ａ、１８ｂに跨るようにして設けられた保持部２０とからなる。この中の脚部１６ａ、１６ｂ同士には、２本の補強フレーム２２ａ、２２ｂが橋架される。補強フレーム２２ａ、２２ｂは、互いに平行に且つ東西方向に沿って延在する。
【００２５】
なお、集光装置１０を設置する地面に凹凸や傾斜がある場合には、脚部１６ａ、１６ｂの長さを適宜調整して補強フレーム２２ａ、２２ｂが平行となるようにすればよい。
【００２６】
保持部２０は、アーム部１８ａ、１８ｂの突出方向略中腹部に配設された２本の縦フレーム２４ａ、２４ｂと、縦フレーム２４ａ、２４ｂ同士に強化された２本の横フレーム２６ａ、２６ｂとからなる。これら縦フレーム２４ａ、２４ｂ及び横フレーム２６ａ、２６ｂによって、視点を南側からとする正面視で略長方形形状をなす長方形部位が形成される。この長方形部位には、反射板２８が保持される。すなわち、反射板２８は、保持部２０の南側に位置決め固定されている。
【００２７】
反射板２８は、太陽光を反射して太陽電池１２に照射するためのものであり、太陽電池１２よりも北側に位置する。すなわち、反射面は南側に臨む。また、図１から諒解されるように、その最下端が、太陽電池１２よりも上方に位置している。
【００２８】
反射板２８は、好適には、反射面が鏡状加工された板からなる。その具体例としては、アルミ鏡面板や銀蒸着反射板が挙げられる。
【００２９】
アーム部１８ａ、１８ｂは、下辺が短尺で上辺が長尺な逆台形形状をなし、その南側最先端の上端面には、それぞれ、角度調節手段としての回転軸３０ａ、３０ｂがＬ字型ステー３１ａ、３１ｂを介して設けられている。これら回転軸３０ａ、３０ｂに、集光板３２が支持されている。従って、集光板３２は、回転軸３０ａ、３０ｂが回転することに追従して回動する。換言すれば、集光板３２の角度調節がなされる。結局、集光板３２は、回転軸３０ａ、３０ｂを介して支持部材１４に回動可能に支持されている。
【００３０】
なお、回転軸３０ａ、３０ｂに歯車を外嵌するとともに、該歯車に噛合したときに歯車及び回転軸３０ａ、３０ｂの回転を阻止するストッパ歯を有するロック機構を設けるようにしてもよい。
【００３１】
集光板３２は、略長方形形状をなし、且つ３つに区画された枠部材３４を有する。３つの区画は互いに略同一面積であり、両端の区画に第１集光部３６ａ、第２集光部３６ｂがそれぞれ設けられるとともに、中央の区画に無集光部３８が設けられる。すなわち、無集光部３８は、第１集光部３６ａと第２集光部３６ｂに挟まれた位置にある。
【００３２】
そして、前記回転軸３０ａ、３０ｂは、枠部材３４の高さ方向略中腹部に連結されている。従って、集光板３２は、枠部材３４の高さ方向略中腹部を中心に回動する。
【００３３】
本実施の形態において、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂは、ハーフタイプリニアフレネルレンズからなる。すなわち、プリズムを形成する複数個の溝が互いに平行な直線状に形成され、太陽光は直線上に集光する。なお、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂの各焦点は、図２に示すように、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂと太陽電池１２との間に設定される。この場合、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂを透過した太陽光は、焦点で集束した後に拡散する。この拡散光が、太陽電池１２を南北方向に沿って覆うようになる。
【００３４】
これに対し、無集光部３８にはレンズ等が設けられていない。従って、太陽光は無集光部３８において反射等されることなく枠部材３４を通過し、反射板２８又は太陽電池１２に入射する。
【００３５】
ハーフタイプリニアフレネルレンズは、略長方形をなし、各々の長手方向は東西方向に沿って延在している。すなわち、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂは、その長手方向が東西方向に沿って延在するように設けられている。
【００３６】
集光板３２を構成する第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂの長手方向寸法は、太陽電池１２の長手方向寸法よりも大きく設定されている。また、集光板３２の最下端は、該集光板３２の傾斜角度に関わらず、太陽電池１２よりも南側に位置し、且つ太陽電池１２の上方となる。
【００３７】
本実施の形態に係る集光装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。
【００３８】
自動車のルーフに搭載された太陽電池１２にて発電する際には、自動車を、集光装置１０内に駐車する。このとき、太陽電池１２が、反射板２８の南側で且つ集光板３２の最下端の北側となるようにする。要するに、太陽電池１２が、反射板２８と集光板３２の最下端との間に挟まれる。
【００３９】
集光板３２が南側を向き、且つ第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂの長手方向が東西方向に沿って延在しているので、太陽光が効率よく第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂに入射する。図２に一点鎖線で示すように、第１集光部３６ａを透過した太陽光は、反射板２８又は太陽電池１２に到達する前に、第１集光部３６ａの北側に位置する焦点で集束し、その後、拡散する。図３に拡大して示すように、拡散光の一部は、太陽電池１２に直接入射する。その一方で、太陽電池１２に入射されなかった拡散光は、反射板２８によって反射され、反射光として太陽電池１２に入射する。図２及び図３に破線で示した第２集光部３６ｂの透過光も同様である。
【００４０】
さらに、太陽光は、無集光部３８を通過する。すなわち、無集光部３８を通過した光は直射光である。図２及び図３に実線で示すように、直射光の一部は太陽電池１２に直接入射し、直接入射されなかった残部は、反射板２８によって反射された反射光として入射する。
【００４１】
このように、太陽電池１２には、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂを透過した透過光、無集光部３８を通過した直射光、及び反射板２８によって反射された反射光が入射する。すなわち、太陽電池１２に直接入射されない太陽光も、反射板２８によって太陽電池１２側に反射され、その上で該太陽電池１２に入射される。
【００４２】
ここで、集光板３２を構成する第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂの長手方向寸法が、太陽電池１２の長手方向寸法よりも大きく設定されている。しかも、反射板２８の最下端が太陽電池１２の上方、最上端が集光板３２の最上端よりも下方に位置する。このため、太陽電池１２の略全体が透過光、直射光及び反射光に覆われる。以上のことが相俟って、本実施の形態によれば、簡素な構成でありながら、多量の太陽光を太陽電池１２に入射することができる。
【００４３】
従って、本実施の形態によれば、特に、移動型の太陽電池１２に対して効率よく充電を行うことが容易である。太陽電池１２の姿勢を変更する必要がないからである。
【００４４】
ここで、太陽の高度（照射角度）は、季節毎に相違する。従って、集光板３２の傾斜角度を、例えば、春分、夏至、秋分、冬至となる該当日に適宜変更することが好ましい。この場合、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、夏至では傾斜角度を最小、冬至では最大、春分及び秋分ではその間とすればよい。具体的な傾斜角度は、それぞれ、１２°、４８°、３６°に設定できる。
【００４５】
集光板３２の傾斜角度を調節するには、例えば、ユーザーが集光板３２を把持して回動させればよい。前記回転軸３０ａ、３０ｂは、この回動に伴って回転する。又は、回転軸３０ａ、３０ｂを回転駆動させる図示しないハンドルを手動操作するようにしてもよい。以上のようにして集光板３２を所定の角度に傾斜させた後は、ロック機構によって回転軸３０ａ、３０ｂの回転を阻止し、集光板３２のそれ以上の傾斜を防止することが好ましい。
【００４６】
このように、集光板３２の傾斜角度を適宜調節することにより、季節変化に伴う太陽の高度の変化に対応して集光板３２への太陽光の入射角度が最適角度となるように調節することができる。
【００４７】
また、集光板３２の傾斜角度を手動操作によって調節することができるので、構成が簡素となるという利点がある。しかも、集光板３２の角度を調節するための制御方法を構築する必要もない。
【００４８】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４９】
例えば、モータを設け、該モータの作用下に回転軸を自動回転させて集光板３２の傾斜角度を調節するようにしてもよい。
【００５０】
このときには、公知のウォームギアを用いるようにすればよい。すなわち、ウォームギアのハウジング内には、ウォームと、該ウォームに噛合されたウォームホイールとが収容されている。この構成において、ウォームホイールの回転中心に連結した回転軸の端部をハウジングから露呈させ、この露呈した端部に集光板３２を支持すればよい。この場合、集光板３２は、モータが付勢されてウォームが回転することに伴って回動する。このとき、ウォームホイール及び回転軸が追従回転するからである。これにより、集光板３２の角度調節がなされる。
【００５１】
また、入光対象は太陽電池１２に限定されるものではなく、光が入射されることで何らかの機能を発現するものであればよい。
【実施例】
【００５２】
光学解析シミュレーションソフトウエアを用い、太陽電池１２に入射する直射光と反射板２８からの反射光との入射状態を、春分、夏至、秋分及び冬至のそれぞれについて、１０時〜１４時まで１時間毎にシミュレーションした。
【００５３】
なお、シミュレーションのための前提条件は、以下のように設定した。すなわち、先ず、入光対象（太陽電池１２等）を、南北方向長さが６００ｍｍ、東西方向長さが１２５０ｍｍの長方形形状とし、且つ地表からの高さが１５６０ｍｍであるとした。
【００５４】
また、集光板３２については、枠部材３４を含む東西方向長さが１８８０ｍｍ、高さ方向長さが１８６４ｍｍとするとともに、第１集光部３６ａ、第２集光部３６ｂの各々を、東西方向長さが６００ｍｍ、高さ方向長さが６００ｍｍのハーフタイプのリニアフレネルレンズ３枚を、間隔６ｍｍで東西方向に沿って配置することで構成することとした。このとき、第１集光部３６ａ及び第２集光部３６ｂの東西方向長さは１８１２ｍｍ、高さ方向長さは６００ｍｍ、無集光部３８の東西方向長さは１８１２ｍｍ、高さ方向長さは５７４ｍｍであった。
【００５５】
さらに、集光板３２の回動中心を枠部材３４の高さ方向中腹部とし、該回動中心の地表からの高さを３０６０ｍｍとした。
【００５６】
その一方で、反射板２８として、東西方向長さが１８００ｍｍ、高さ方向長さが８４０ｍｍの長方形形状のものを用いることとした。また、反射板２８を地表面に対して垂直に設置し、且つ南側に臨ませるとともに、反射板２８の最下端を入光対象の北端から３３０ｍｍ、上方から５０ｍｍの位置に設定した。
【００５７】
以上のように構成された集光装置１０につき、集光位置を東京（北緯３６°、東経１４０°）とし、集光板３２の傾斜角度を、春分では３６°、夏至では１２°、秋分では３６°、冬至では４８°に設定した（図４Ａ〜図４Ｃ参照）。また、反射板２８の反射率を１００％と仮定した。
【００５８】
このような前提条件を設定したときの集光比を、１０時〜１４時の間で１時間毎に求めた。ここで、集光比は、直射光のみが入光対象に入射したときの入射量と、上記の集光装置１０を介して入光対象に入射したときとの比であり、前者を分母、後者を分子として算出される。
【００５９】
結果を、表１に一括して示す。この表１から、特に、春分、夏至及び秋分の１０時〜１４時までの時間帯で集光比が向上していることが明らかである。また、冬至においても、１１時〜１３時の時間帯で集光比が向上していることが分かる。
【００６０】
【表１】
2017191854.tif 000003
【００６１】
このことから、集光装置１０を用いるとともに集光板３２の傾斜角度を適宜調節することにより、集光比が向上すること、換言すれば、太陽光が効率よく入射するようになることが認められる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…集光装置                      １２…太陽電池
１４…支持部材                      １８ａ、１８ｂ…アーム部
２０…保持部                        ２８…反射板
３０ａ、３０ｂ…回転軸              ３２…集光板
３６ａ…第１集光部                  ３６ｂ…第２集光部
３８…無集光部
【図１】
2017191854.tif 000004
【図２】
2017191854.tif 000005
【図３】
2017191854.tif 000006
【図４】
2017191854.tif 000007