(57)【要約】【課題】  透明材料からなる柱状太陽レンズの全面に当たる全高度全方位からの太陽光線をレンズ底面に集光する太陽レンズを提供することが課題である。【解決手段】  柱状の縦集光レンズに断面が逆台形の集光レンズを微少な空隙を介して噛み合わせると共に、二等辺三角形の整流ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズを微少な空隙を介して出光面に噛み合わせ、レンズの外周全面から入射する光線を縦集光レンズや集光レンズの斜面、整流レンズの斜面で反射または透過させて出光面に集光させるように構成し前記課題を解決するものである。【選択図】図２
2009198524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の縦集光レンズに断面が逆台形の集光レンズを微少な空隙を介して噛み合わせ、外側面からの最小入射角光線の反射光線と、外側面に垂直な線との角度差αを構成素材の臨界屈折角度以上になるように集光斜面の傾斜角度θを設定すると共に、入光面からの入射光線の反射光線と、入光面に垂直な線との角度差βを構成素材の臨界屈折角度以上になるように入光面の傾斜角度を設定し、更に集光レンズの厚みを集光斜面からの反射光線が集光レンズの反対側の集光斜面に到達しない範囲に設定して、集光レンズの入光面と縦集光レンズの外側面に射し込む太陽光線を出光面に集光するように構成したことを特徴とする太陽レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽レンズにおいて、集光斜面の傾斜角度θとほぼ同じ角度で傾斜する二等辺三角形の整流ユニットを無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズを微少な空隙を介して出光面に噛み合わせ、入射光線を整流レンズの斜面で全反射または透過させて出光面に集光させるように構成したことを特徴とする太陽レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱状に形成された太陽レンズの全面にあたる全方角からの太陽光線を出光面に集光するように構成した太陽レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を集光する方法としては、一般的に凸レンズやその変形であるフレネルレンズ、凹面鏡などが用いられているが、光軸に光線が集まるこれらのレンズや反射鏡で移動する太陽光線を集光するには、太陽の位置に合わせて受光面の向きを絶えず調整する必要があった。このため、太陽の方位や高度に関係なく集光できる方法として光の屈折と全反射を組み合わせて集光する方法が提案されている。
【特許文献１】特願２００８−０２５８０８  太陽レンズ
【特許文献２】特願２００８−０２９８２１  太陽レンズ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記提案の方法は、逆台形の集光レンズの上面に射し込む太陽光線のみを集光する方法であるため、より大量の太陽光を利用するには入光面積の大きな太陽レンズを必要とした。本発明はこの欠点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
太陽レンズの上面に当たる太陽光線を集光するだけでなく、太陽レンズの側面に当たる太陽光線をも集光するように構成することで前期課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００５】
太陽レンズに当たる全方角からの太陽光線をレンズ下面の出光面に集光できるので、平面的な太陽レンズに比べて太陽高度の変動による集光エネルギーの量的変動を少なくできることや、塔状に積み重ねることで大きな投影面積で集光できるから敷地面積に対して集光倍率を高められる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下の説明において、集光レンズの入光面と縦集光レンズの外側面から素材の屈折率に応じて屈折して入射する光線を入射光線、集光レンズの集光斜面７で反射する光線を反射光線と称する。また、高度０度から９０度の太陽光線のうち集光の対象とする最も高度の低い光線を最小入射角光線と称する。なお、前記特許文献の太陽レンズと区別するため、前記特許文献１や特許文献２の太陽レンズを平面太陽レンズと称呼する。
【０００７】
図１はガラスや合成樹脂など光線透過率の高い均質な透明材料からなる正方形の太陽レンズ１の平面図で、太陽光線の入光面２と集光された光線が放出される出光面３の関係を示したもので入光面２と出光面３の大きさは同じである。５は集光レンズに入射する光線を整流する整流レンズである。結像を目的としたレンズではないので平面形状は円形でも長方形でもよい。
【０００８】
図２は断面図で、太陽レンズ１は柱状の縦集光レンズ１３に断面が逆台形の集光レンズ４を噛み合わせ、相互を微少な空隙（図示せず）で光学的に分離して形成されている。また、集光レンズは逆三角形の中空１２になっており、この中空斜面が太陽光線の入光面２を形成している。更に集光レンズ４の出光面３には、二等辺三角形の整流ユニット１０を無数に並べてなる鋸歯状の整流レンズ５が微少な空隙を介して噛み合うように形成されている。
【０００９】
縦集光レンズ１３は集光レンズ４の外径と同じ大きさの柱状で、集光レンズと噛み合う集光斜面７の傾斜角度θを、外側面１４から入射し集光斜面７で反射する最小入射角光線の反射光線と、外側面１４に垂直な線との角度差αが構成素材の臨界屈折角度以上になるように設定し、外側面から射し込む太陽光線を外側面１４と集光斜面７の間で反射を繰り返して出光面３に集光するものである。
【００１０】
整流斜面８の傾斜角度は、集光斜面７の傾斜角度θと基本的に同じ角度に設定されており、入射光線を集光斜面７や入光面２並びに整流斜面８で全反射または透過させて出光面３に集光させるものである。なお、集光斜面７での光線の反射に空隙との境界面での全反射を利用してもよいが、反射率の高い金属薄膜（図示せず）を蒸着処理してなる鏡面で強制的に反射させる方法でもよい。また、金属薄膜の代わりに同一斜面の反射鏡を密着させる方法でもよい。
【００１１】
更に整流レンズ５の出光面側に、整流ユニット１０と相似形でより微少な補助ユニット１１を無数に並べてなる鋸歯状の補助レンズ６を微少な空隙を介して噛み合わせることで、出光面３から放出される光線の放出角度を射し込む太陽光線の角度（高度）と同範囲の光線に整流して放出させるものである。
【００１２】
図２においては集光斜面７を単一角度の斜面で形成し、外側面１４や出光面３を平面に形成したが、集光性能を微細に調整するために、緩やかな凸面や凹面に湾曲させる方法が考えられる。同様に整流斜面８や補助斜面９は集光斜面７と同じ単一角度の相似斜面でよいが、微小な角度差を持たせたり、局部的に湾曲させたりして光線の進行角度を微細に調整することができる。例えば、整流斜面８とこれに接する補助斜面９の角度を違えて空隙の幅を部分的に増減させることで光線の反射角度や屈折角度を微細に加減することができる。
【００１３】
図２において光線経路を説明すると、上面から入射する光線ｐ１は入光面２で屈折率に応じて屈折し入射光線として進行し、集光斜面７で反射光線となって入光面２に到達し、全反射で再び集光斜面７に達した後に整流レンズ５に到達する。また、縦集光レンズ１３の外側面１４から入射した光線ｐ２は集光斜面７で反射光線となり、外側面１４で全反射して縦集光レンズ１３底面の出光面３に到達する。
【００１４】
図３ａから図３ｅは屈折率が１．７の透明材料を使った場合の光線経路図である。太陽光線が出光面３に達するまでの光線経路を、地点ａ１から地点ｅ１に位置する光線について、光線角度を９段階に分割して示したものである。また、図４は集光レンズ４と整流レンズ５の境目付近に到達した後に辿る光線の経路を、地点ａ２から地点ｅ２に位置する光線について、光線角度を７段階に分割して示したものである。光線の進行方角はほぼ実態に合わせて描かれている。これらの中間地点に位置する光線の光線経路や各段階以外の中間角度の光線経路は、例示した光線の経路に準じたものと考えることができる。なお、経路図では左方向から入射する光線についてのみ示しているが、右方向からの光線については左右を反転した経路で同様に進行する。
【００１５】
図３において、入光面２から入射して集光斜面７で反射する反射光線の傾斜角度は地点ａから地点ｅに従って大きくなり下向きとなっている。このことから反射光線と入光面に垂直な線との角度差αを臨界屈折角度以上に保つには、地点ａから入射した光線の反射光線が入光面２で全反射するように入光面２を形成すればよいことになり、その結果、入光面は湾曲した曲面となる。
【００１６】
また、集光斜面７の傾斜角度θは外側面１４から入射した光線が集光斜面で反射した後に外側面を透過して散逸しないように設定する必要がある。このため、外側面１４から入射する最小入射角光線の反射光線と、外側面に垂直な線との角度差を臨界屈折角度以上に設定することで、対象となる入射光線の全てを出光面３に集光することができる。縦集光レンズ１３の出光面３に到達する反射光線は入射光線の角度よりも傾きの大きな光線となるが、出光面３に設けた整流レンズ５は外側面１４の下端部で集光斜面７から出光面３に到達する傾斜角度の少ない一部の反射光線を整流するものである。
【００１７】
図４は、整流レンズ５に到達した光線が透過したり全反射をして補助レンズ６に到達し、補助レンズ内に到達した光線が下向きに全反射して出光面３から放出する状況を示している。補助レンズ６は整流レンズ５で整流しきれない漏れ光線を集光する働きをするものである。しかし、補助レンズ６を使っても整流レンズ５を形成している整流ユニット１０相互の谷間ｓで漏れ光線が発生する。図４における光線ｑ３や光線ｑ４、ｑ５のように補助ユニットに進入した後、反対側の斜面に当たらずに出光面に到達する光線は出光面で全反射して上向きの光線となって、破線で示す光線ｑ６や光線ｑ７、ｑ８の経路で損失光線となる。
【００１８】
この損失を減らすには、整流ユニット１０に比べて補助ユニット１１を相対的に小さくする方法が有効である。補助ユニットを限りなく小さくすることで、整流ユニット相互の谷間ｓだけに漏れ光線を留めることができる。各レンズの斜面を透過する際の表面反射損失や鏡面反射鏡の反射損失、素材特有の光線透過損失を無視すれば、１００％に近い集光効率が期待できる。
【００１９】
なお、集光レンズの厚みは、集光斜面からの反射光線が反対側の集光斜面を透過して損失しないように、図３ｃや図３ｄに示すように反射光線が反対側の集光斜面に届かない範囲の厚みに設定する必要がある。
【００２０】
集光レンズ４は入光面から入射する太陽光線をより狭い範囲に集光する作用をなし、整流レンズ５は出光面３に対して臨界屈折角度以上の傾斜角度で進行する光線を臨界屈折角度以下の角度の光線に整流する作用をなし、補助レンズ６は整流レンズで処理できない漏れ光線を同様に整流する作用をなし、縦集光レンズ１３は側面から入射する太陽光線を下向きに変換し集光する作用をなすもの考えることができる。
【００２１】
本発明の太陽レンズでは、入光面２と出光面３の面積比が１であるから、入光面２からの入射光線に対する集光倍率は１となるが、縦集光レンズに入射する光線も集光できるから積層した太陽レンズでは集光倍率を高めることができる。また、積層した太陽レンズの最下段に平面太陽レンズを組み合わせることで集光倍率を飛躍的に増大させることができる。
【００２２】
なお、出光面から放出される光線は点光源のように四方に広がりを持つ光線となるから、凸レンズなどによって放出する光線の方角を絞り込むことができると考えられる。その結果、太陽レンズを積層する場合、次段太陽レンズでは入射光線の処理範囲を狭く設定できるから、出光面に凸レンズを配置することで次段太陽レンズの集光倍率をより高められる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】太陽レンズの平面図である。
【図２】太陽レンズの側断面図である。
【図３】太陽レンズの進光経路図である。
【図４】整流レンズの進光経路図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、太陽レンズ
２、入光面
３、出光面
４、集光レンズ
５、整流レンズ
６、補助レンズ
７、集光斜面
８、整流斜面
９、補助斜面
１０、整流ユニット
１１、補助ユニット
１２、集光レンズの中空
１３、縦集光レンズ
１４、外側面
【図１】
2009198524.tif 000003
【図２】
2009198524.tif 000004
【図３】
2009198524.tif 000005
【図４】
2009198524.tif 000006