(57)【要約】【課題】  集光式の太陽光発電装置や自然照明のための採光装置においては、太陽光を有効に活用するために、太陽追尾装置で移動する太陽の位置に合わせて集光面を絶えず太陽に直面させる必要があった。太陽の位置に関係なく静止したレンズで所定の範囲に太陽光を集光できる太陽レンズの性能向上とコストを削減することが課題である。【解決手段】  断面が逆台形の集光レンズの出光面に、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噛み合わせなる太陽レンズにおいて、集光レンズの入光面を断面が逆三角形の中空斜面で形成すると共に、集光レンズの外斜面に鏡面反射処理を施して前記課題を解決するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が逆台形の集光レンズの出光面に、断面が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噛み合わせ、集光レンズと整流レンズの相互を微少な空隙で分離してなる太陽レンズにおいて、集光レンズの入光面を断面が逆三角形の中空斜面で形成すると共に、集光レンズの外斜面に鏡面反射処理を施し、更に外斜面からの反射光線と入光面の垂直線との角度差αを構成素材の臨界屈折角度以上になるように外斜面を形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、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一定の範囲に集光することを目的とした太陽レンズの改良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、プリズム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
【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と微少な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噛み合わせた構成であるため、太陽レンズの入光面と出光面の面積差が少なく集光倍率が低い欠点があった。また、大型の太陽レンズでは集光レンズが重くなることや構成素材の費用が嵩む不都合があった。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】
集光レンズの入光面を断面が逆三角形の中空斜面で形成すると共に、集光レンズの外斜面に鏡面反射処理を施し、更に外斜面からの反射光線と入光面の垂直線との角度差αを構成素材の臨界屈折角度以上になるように外斜面の傾きを設定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】
集光レンズの入光面を斜面で形成することで中空部の体積として４０％以上の重量と材料の節減ができる。また、鏡面反射処理をすることによって外斜面の傾斜角度を大きく設定できるので一段当たりの集光倍率を高めることができる利点がある。
【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、入光面に射し込む太陽光を太陽光線ｐ１、入光面から素材の屈折率に応じて屈折して進行する光線を入射光線ｐ２、入射光線が集光レンズの外斜面７で鏡面反射によって反射する光線を反射光線ｐ３と称する。
【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と集光された光線の出光面３の関係を示したものである。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は断面が逆台形の集光レンズ４の出光面３に、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を噛み合わせて構成したもので、集光レンズ４と整流レンズ５は微少な空隙（図示せず）で光学的に分離されている。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となる。
【０００９】
整流レンズの斜面８の傾斜角度θは、整流ユニットに入射する最大角度の光線が下向きの斜面で構成素材の臨界屈折角度で全反射するように設定されており、入射光線を外斜面７と入光面２並びに整流レンズの斜面８で全反射または透過させて出光面３に集光させるように構成されている。また、外斜面７には反射率の高い金属薄膜（図示せず）が蒸着処理されており反射鏡として作用する。金属薄膜の代わりに同一曲面の反射鏡を密着させる方法でもよい。
【００１０】
更に整流レンズ５の出光面側には、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が噛み合うように形成されていて、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）と同範囲の光線として放出するように作用する。
【００１１】
水平方向の高度が０度の太陽光線から、垂直方向の高度が９０度の太陽光線までの全ての光線を集光するには、入光面２から進入し外斜面７で鏡面反射した反射光線ｐ３が入光面２で再び反射して整流レンズに向かうようにする必要がある。このため反射光線ｐ３と対面する入光面２の垂直線との角度差αを構成素材の臨界屈折角度以上になるように外斜面を形成する必要があり、入光面２を単一角度の直線で形成する場合には外斜面７は曲面となる。
【００１２】
基本的には太陽光線が射し込む入光面２は単一角度の斜面で形成し、出光面３は平面に形成するが、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。同様に整流レンズや補助レンズの斜面は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、整流レンズの斜面８とこれに接する補助レンズの斜面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において光線の経路を説明すると、先ず、入光面２から入った太陽光線ｐ１は屈折率に応じて屈折し入射光線ｐ２として進行し、外斜面７で鏡面反射をして反射光線ｐ３となり、その殆どが入光面２に到達して全反射で再び外斜面７に達し、鏡面反射で整流レンズ５に到達することになる。
【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。太陽光線が整流レンズ５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９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体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９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において同一角度の入射光線でも地点ａから地点ｅに従って反射光線の反射角度が小さくなる。このことから反射光線と入光面の垂直線との角度差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で全反射するように外斜面７を形成すればよいことになる。また、入光面の傾斜角度は軽量化、材料節減、集光倍率などの重点のおき方によって任意に選択することができる。
【００１６】
なお、図３の光線ｑ９などのように、集光レンズの下端では外斜面７での反射光線が入光面２に当たらずに対面する外斜面に到達する光線が発生するが、この光線は上向きの光線になってレンズ外に散逸して損失光線となる。全ての光線を集光するには図２における集光レンズの厚みｔを入光面の底と同じ位置ｍまで短くすればよいが、相応の分だけ出光面の幅が広くなって集光倍率が低下することになる。
【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外斜面の反射鏡の反射損失、素材特有の光線透過損失を無視すれば、原理的に１００％に近い集光効率が期待できる。
【００１９】
整流レンズ５は、図２や図４に示すように集光レンズ４の斜面から全反射した反射光線の全てを受け止めるために、仮想外形が集光レンズ４とは逆向きの台形である。このため出光面３の幅は集光レンズ４の底幅よりも太くなる。突出する幅は整流ユニットの大きさに関係するが、整流ユニットを相対的に粗くすると集光倍率が低下し、逆に細かくすると補助レンズによる漏れ光線の阻止効果が低下する傾向となる。
【００２０】
集光レンズは入光面に入る太陽光線をより狭い範囲に集光する作用をなし、整流レンズは臨界屈折角度を超える角度で出光面に向かう光線を臨界屈折角度以下の光線に整流する作用をなし、補助レンズ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すものと考えることができる。
【００２１】
入光面２で囲まれた太陽光線の受光面と出光面３の面積比を集光倍率とすると、素材の屈折率が１．７の太陽レンズの集光倍率は約３．５倍となる。また、太陽レンズを２段に重ねると約１２倍、３段で約４０倍にエネルギー密度を高めることができるから利用装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】
【００２３】
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、集光レンズの外斜面
８、整流レンズの斜面
９、補助レンズの斜面
１０、整流ユニット
１１、補助ユニット
１２、集光レンズの中空
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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