JP2009139872A - 太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、受光面に当る反射光の分布を均一にした太陽光集光装置に関する。
【解決手段】 断面が略放物線形状となる反射板と、該反射板の略焦点位置に受光器を備える太陽光集光装置において、反射板が平面からなる単位板を多数隙間無く組み合わせた多面体で構成されており、該単位板の断面となる線分の長さが前記受光器の受光面の幅と略等しい長さに設定されており、前記連続する単位板の断面となる線分の両端の点を結ぶ自由曲線が放物線を形成してなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、受光面に当る反射光の分布を均一にした太陽光集光装置に関する。

従来の反射板式太陽光集光装置は、図５に示すように、放物線断面の反射板１２で太陽光を集光し、その焦点より後方に受光器１５を配した構造であるが、反射板１２の中央から反射した光は受光器１５の中央に、反射板１２の端部から反射した光は受光器１５の端部にそれぞれ到達するため、反射板１２が凹面であるのに対し、受光器１５の受光面１６が平面である場合には、焦点から反射面および受光面１６までの距離の比が反射板１２または受光器１５の中央に近いほど大きくなる。
すなわち受光器の中央に近いほど光束密度が大きく、光束分布が均一とならない問題があった。

特に、受光器が光電池である場合には、受光面に光が斜めに入射すると光の反射率が増加する傾向があり、光電池の発電効率が低下する。したがって、斜めに光が到達する受光器の端部の発電力は光束分布以下に低下することになり、光電池全体の発電力が発電力の最も弱い光電池に依存することから、集光した太陽光を有効に利用できないだけではなく、光束の強い部位の熱による耐久性低下やそれを冷却して防ぐために装置が複雑になる等が問題であった。

これを改善するために特表平１１−５０２６０２号の太陽光光束強化装置では図７に示すように、太陽エネルギー受器１５の受光面の周囲に受光面と略垂直な鏡面１１を配置することにより受光面の周囲の受光量を増加させて、反射鏡表面１３からの受光面への光束分布を均一にしたものが提案されている。
しかし、この場合は、受光器の構造が複雑になるだけでなく、焦点と受光器の距離が正確でないと、受光面の鏡面から反射された光を受ける範囲の形状が変化し、光速分布の均一性が悪化するという問題が発生する。

また、このような装置の場合、太陽の追尾が不正確となると焦点が受光器に近づく方向にずれるため、さらに受光器の局部的発熱が大きくなり、受光器の損傷や、場合によっては発火の危険もある。

一方、受光器が太陽熱吸収式で、受光面が反射板の焦点を中心とする円筒状の場合には、比較的に、受光面の光束は均一となるが、太陽追尾が不正確となった場合には受光面上に焦点が移動し、装置の破壊や異状発熱による火災の危険もある（図６参照）。
特表平１１−５０２６０２号公報

この発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、受光面の光束が均一で、構造の簡単な太陽光集光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明では、
断面が略放物線形状となる反射板と、該反射板の略焦点位置に受光器を備える太陽光集光装置において、
前記反射板が反射面を平面とした単位板を多数組み合わせた多面体からなっており、
該単位板の反射面の断面の線分の長さが前記受光器の受光面の断面の長さと略等しい長さに設定されていることを特徴とする。

請求項２の発明では、
前記反射板を構成する多数の単位板の反射面の断面の線分の長さが、光軸と前記線分の法線とのなす角度を２倍した角度のコサインと、光軸と前記法線とのなす角度のコサインとの比に比例しており、前記単位板が光軸から遠くなるに従い前記線分の長さを徐々に短く設定してなることを特徴とする。

また、請求項３の発明では、
前記反射板が、多数の単位板を組み合わせて略半球面形状とした多面体からなっており、前記受光器の受光面が略円形または正方形であることを特徴とする。
請求項４の発明では、
前記反射板が、多数の単位板を組み合わせて断面が略半円形の円筒形状とした多面体からなっており、前記受光器が反射板の軸方向に延びる筒状または受光面が反射板の軸方向に延びる略帯状に形成されていることを特徴とする。
請求項５の発明では、
前記反射板を構成する単位板の反射面の断面の線分の両端の点を結ぶ自由曲線が放物線を形成してなることを特徴とする。

この発明では、受光器の各部に当る反射光の光束密度と入射角の分布が均一となるため、受光器に光電池を用いる場合には最も効率のよい発電力が得られる。
また、受光器の各部に当る反射光の分布が均一であることから、受光器の温度分布も均一となり、受光器内の最高温度も抑えられることから、受光器の耐久性が向上するだけでなく、必要な冷却装置の構造も簡略化される。
更に、本装置では反射板から反射される光が１点に集光しないので、太陽光追尾装置の異状による受光器の異状発熱や発火の危険がない。

この発明は、反射板を平面からなる単位板を多数隙間無く組み合わせた多面体で構成することで、受光面に当る反射光の分布が均一な太陽光集光装置を実現した。
以下に、この発明の太陽光集光装置の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

［太陽光集光装置］
太陽光集光装置１は、図１に示すように、反射板２と受光器５とを有しており、図示しない追尾機構によって、太陽を追尾することができるようになっている。
なお、説明の便宜上、受光器５の光速分布のグラフＧを受光器５上に図示した。

［反射板］
反射板２は、反射面が平面からなる単位板３を多数隙間無く組み合わせた多面体で構成されている。
図１では、単位板３の反射面断面となる線分（図では説明の便宜上、符号３で表示した）の長さＬ２が、受光器５の受光面６の長さＬ１と略等しい長さに設定されている。
従って、反射板２は、反射板２を構成する各単位板３の反射面断面の線分が角度を変えて連続する折れ線状となっており、各単位板３の反射面断面の線分の両端の点を結ぶ自由曲線が所定の放物線形状になるように設定されている。

従って、各単位板３の反射面から反射される反射光はそれぞれの角度で受光器５の受光面６の全面に均一に到達することになる（図１のグラフＧ参照）。
これにより受光器５の受光面６の光束分布が均一になるだけでなく、受光面６から反射される光の量も均一となることから、受光器５に光電池を利用した場合には受光面６の中央と端部とにおける発電力は同一となる。
すなわち、本実施例の受光器５全体の発電効率は、従来の受光面の各部で発電力が異なる受光器と比べて、大幅に向上する。

実施例２の太陽光集光装置１は、図２に示すように、反射板２を構成する各単位板３の反射面断面の線分の長さを、反射板２の中央から端部側に向かって徐々に短くなるよう配置して、各単位板３の反射光の受光面６への投影距離（面積）がほぼ受光面６に等しくなるように設定している。
これにより、受光器５の受光効率を向上させることができる。

即ち、このとき、入射光と反射面の法線のなす角度と入射光と反射光のなす角度をそれぞれα、βとし、入射光の幅、反射面の幅および反射光の受光面への投影幅をそれぞれＷ１、Ｗ２およびＷ３とおくと
Ｗ１＝Ｗ２ｃｏｓα＝Ｗ３ｃｏｓβ ここで、β＝２αより
Ｗ２＝Ｗ３ｃｏｓ２α／ｃｏｓα

したがって、受光面６に投影する長さＷ３を受光器５の受光面６の長さより若干大きい一定の寸法に設定すると、反射板２の単位板３の反射面断面の線分の長さはｃｏｓ２α／ｃｏｓαに比例させて、反射板２の中央から端部へ向かって行くほど徐々に短く設定するのが望ましい。

上記実施例では、反射板２の単位板３の反射面断面を直線の線分で図示し、反射板２の反射面断面が略放物線に近い折れ線形状となる多面体の例を説明したが、この発明では、図３に示す実施例３の太陽光集光装置１のように反射板２の単位板３の反射面断面となる線分の両端の２点に光軸に平行な面で構成される段差部４を設けてもよい。

これにより、反射板２の深さを浅く（厚みを薄く）することができるだけでなく、反射板２の端部が光軸方向で受光器５から遠くなることにより反射板２全体の光軸とのなす角度を小さく減らすことができる。
本実施例３では、受光器５への入射角が垂直に近づくため受光器５を光電池とした場合には受光面での反射ロスが低減し、さらに発電効率が向上する。

上記実施例で、受光器は、受光面が平面である場合を例示したが、図６に示したように受光器が円筒形状であっても、同様の効果を奏することができる。
また、反射板２の多面体は、ハニカム形状などの同一の幾何形状の単位板３を多数隙間無く組み合わせて略放物面とし、あるいは相似形状の単位板３を用いて、反射板の端部に向かって徐々に小さいものを多数隙間無く組み合わせて略放物面を形成する（図４（ａ）参照）。
また、上記放物面を形成する単位板３は、中央を円形とし、反射板の端部に向かって徐々に拡径する同心の環状体を多数隙間無く組み合わせて構成してもよい（図４（ｂ）参照）。

また、反射板は、放物面に限らず、断面の放物線をそのまま奥行き方向に延長した略円筒形状であってもよい。
その他、要するにこの発明の要旨を変更しない範囲で種々設計変更しうること勿論である。

実施例１の太陽光集光装置の作用を模式的に示す断面図である。 実施例２の太陽光集光装置の作用を模式的に示す断面図である。 実施例３の太陽光集光装置の作用を模式的に示す断面図である。 単位板を用いた放物面を示す平面図であって（ａ）は単位板が同一または相似形状の組合せ、（ｂ）は同心の環状体の組合せを示す。 従来の太陽光集光装置の作用を模式的に示す断面図である。 円筒状の受光器を用いた従来の太陽光集光装置の作用を模式的に示す断面図である。 更に別の従来の太陽光光束強化装置の作用を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 太陽光集光装置
２ 反射板
３ 単位板
５ 受光器
６ 受光面

Claims (5)

1. 断面が略放物線形状となる反射板と、該反射板の略焦点位置に受光器を備える太陽光集光装置において、
   前記反射板が反射面を平面とした単位板を多数組み合わせた多面体からなっており、
   該単位板の反射面の断面の線分の長さが前記受光器の受光面の断面の長さと略等しい長さに設定されていることを特徴とする太陽光集光装置。
2. 前記反射板を構成する多数の単位板の反射面の断面の線分の長さが、光軸と前記線分の法線とのなす角度を２倍した角度のコサインと、光軸と前記法線とのなす角度のコサインとの比に比例しており、前記単位板が光軸から遠くなるに従い前記線分の長さを徐々に短く設定してなることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光装置。
3. 前記反射板が、多数の単位板を組み合わせて略半球面形状とした多面体からなっており、前記受光器の受光面が略円形または正方形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の太陽光集光装置。
4. 前記反射板が、多数の単位板を組み合わせて断面が略半円形の円筒形状とした多面体からなっており、前記受光器が反射板の軸方向に延びる筒状または受光面が反射板の軸方向に延びる略帯状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光集光装置。
5. 前記反射板を構成する単位板の反射面の断面の線分の両端の点を結ぶ自由曲線が放物線を形成してなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の太陽光集光装置。

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