JP2010190565A - 太陽エネルギ収集装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】住宅の屋根にも載せうる軽量な太陽エネルギ収集装置乃至太陽光発電機を実現しその追尾システムも低コスト且つ軽量にする。
【解決手段】トラフリフレクタ１０１及びそれを回動させるモータ（駆動システム）１４２によって太陽光発電機（太陽エネルギ収集装置）１００を構成する。リフレクタ１０１は、略平坦形状の上部開口面１１２及びその面１１２に対向する下部凸面１１５を有する単体の固体光学素子１１０、面１１２を通過した太陽光ビームＢが面１１２に向かって反射しその面１１２上の直線状領域に集まるよう面１１５に密接されたミラー１３０、並びにミラー１３０によって集められた光を受光するよう固定配置された直線状の光起電レシーバ（太陽エネルギ収集素子）１２０を備える。モータ１４２は、面１１２に対し不平行な軸Ｚを中心にリフレクタ１０１を回動させる。
【選択図】図１（Ｂ）

Description

本発明は太陽エネルギ収集装置の改良に関する。

太陽エネルギ収集装置としては従来からトラフリフレクタ型の太陽光発電機が知られている。図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）にその一例構成５０を示す。この太陽光発電機５０は、概略、樋型反射器（トラフリフレクタ）５１、太陽光ビームＢがその焦線(focal line)ＦＬ上に集まるようリフレクタ５１上に形成された反射面５２、その焦線ＦＬに沿って配置された長尺のフォトレセプタ５３、そのフォトレセプタ５３をリフレクタ５１に対し固定されるように支持する支持腕５５、並びにリフレクタ５１を支持し焦線ＦＬと平行な水平軸Ｘ周りで回動させる図示しない追尾システムを備えている。こうした発電機５０を使用する場合、通常は、図示の通りその水平軸Ｘが南北方向に揃うようにリフレクタ５１を配置した上で、１日の間に太陽が示す動き（太陽の日周運動）に応じ追尾システムがリフレクタ５１を東西方向に回動させる。これによって、ビームＢを継続的に面５２上に集めることができる。

しかしながら、この種の発電機で十分高い発電効率を得るには、そのリフレクタ素材や反射面形状を緻密に選定・設計し、リフレクタが搭載されている基台をしっかりと支持固定し、その基台と共に追尾システムを構成しているモータでその基台を精密に駆動してトラフリフレクタの向きを精密に制御することが必要である。雨風に耐えられる構造にすることも求められる。そのため、この種の発電機はコンクリート製又は金属製の土台上に設置するのが普通で、一般住宅の屋根に載せるにはかなりの工作が必要であった。また、小型のトラフリフレクタを多数横並びに配置し単一のモータで一斉に駆動する構成とすることも可能であるが、そうした構成ではヒンジや連結腕を多数使用しなければならない。太陽光を精密に合焦させるにはそれら多数のヒンジ及び腕を互いに同期して且つ精密に回動させねばならないが、その状態を実現・維持するのは施工上及びコスト上難しいことである。

本発明の目的は、従来の太陽光発電機で発生するこれらの問題を解決乃至緩和し、住宅の屋根にも載せうる軽量な太陽エネルギ収集装置乃至太陽光発電機を、使用する光起電素材の量を従来のフラットソーラーパネル等に比べ抑えつつ、また高コスト又は重量な追尾システムを使用することなく実現することにある。

このような目的を達成するため、本発明に係る太陽エネルギ収集装置は、（１）略平坦形状の開口面及びその上部開口面に対向する下部凸面を有する単体の固体光学素子、その固体光学素子の上部開口面を通過した太陽光がその上部開口面に向かって反射しその上部開口面上の直線状領域に集まるようその固体光学素子の下部凸面に対し密接されたミラー、並びにそのミラーによって集められた光を受光するよう固定配置された直線状の太陽エネルギ収集素子を備えるトラフリフレクタと、（２）固体光学素子の上部開口面に対し不平行な軸を中心にしてトラフリフレクタを回動させる手段と、を備える。好ましくは、その屈折率が１．０５〜２．０９の範囲内にある素材で固体光学素子を形成し、且つその下部凸面上に堆積された金属層又は被着された反射膜でミラーを形成する。

また、本発明に係る太陽光発電方法では、（１）略平坦形状の上部開口面及びその上部開口面に対向する下部凸面を有する単体の固体光学素子と、直線状の太陽エネルギ収集素子と、固体光学素子の上部開口面を通過した太陽光がその上部開口面に向かって反射し太陽エネルギ収集素子に集まるようその固体光学素子の下部凸面に対し密接されたミラーと、を備えるトラフリフレクタを使用し、（２）太陽エネルギ収集素子がその支持面に対してある角度をなすよう、平坦な支持面の上にトラフリフレクタを配置した上で、（３）その回動の最中も太陽エネルギ収集素子がトラフリフレクタ用の支持面に対し上述の角度を保つよう、その支持面に対し略直交する軸を中心にしてトラフリフレクタを回動させる。

本発明の第１実施形態に係るトラフリフレクタ型太陽光発電機の概略構成を示す分解斜視図である。 その俯瞰斜視図である。 そのトラフリフレクタの稼働状態を示す横断面図である。 同じくその縦断面図である。 本発電機の住宅屋根への設置形態を示す斜視図である。 本発電機におけるトラフリフレクタの稼働時姿勢、特に日の出直後の姿勢を示す斜視図である。 同じく正午頃の姿勢を示す斜視図である。 同じく日の入り直前の姿勢を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るトラフリフレクタ型太陽光発電機の概略構成を示す俯瞰斜視図である。 本発電機におけるトラフリフレクタの稼働時姿勢、特に日の出直後の姿勢を示す上面図である。 同じく正午頃の姿勢を示す上面図である。 同じく日の入り直前の姿勢を示す上面図である。 本発明の第３実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機の概略構成を示す俯瞰斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機の概略構成を示す分解斜視図である。 第３実施形態に係る発電機の稼働時姿勢、特に日の出直後の姿勢を示す上面図である。 同じく正午頃の姿勢を示す上面図である。 同じく日の入り直前の姿勢を示す上面図である。 本発明の第５実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機の概略構成、特にその日の出直後の姿勢を示す斜視図である。 同じく正午頃の姿勢を示す斜視図である。 同じく日の入り直前の姿勢を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機の概略構成、特にそのティルト機構で小さくティルトさせたときの姿勢を示す斜視図である。 同じく大きくティルトさせたときの姿勢を示す斜視図である。 本発明の第７実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第８実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第９実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１０実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１１実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１２実施形態におけるトラフリフレクタの概略構成を示す断面図である。 本発明の第１３実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１４実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１５実施形態におけるトラフリフレクタ用固体光学素子の概略構成を示す断面図である。 従来技術に係るトラフリフレクタ型太陽光発電機の概略構成、特に日の出直後の姿勢を示す斜視図である。 同じく正午頃の姿勢を示す斜視図である。 同じく日の入り直前の姿勢を示す斜視図である。

以下、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）が本発明を理解し実施することができるよう、特定の用途及び条件の許での実施形態を説明する。その説明中、相対的な向きを判りやすく示すため「垂直」「水平」なる語を使用するが、何か絶対的な座標系を指定するものではないのでその点に留意されたい。また、いわゆる当業者であれば、これから説明する諸実施形態に対し様々に変形を施すことができ、また本願記載の原理を適用して本発明を様々な形態で実施することができよう。即ち、本発明はこれから説明する形態以外の形態でも実施することができる。本発明の構成要件に関しては別紙特許請求の範囲を参照されたい。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に、本発明の第１実施形態に係るトラフリフレクタ型太陽光発電機１００の概略構成を示す。図１（Ａ）に示したのは分解斜視外観、図１（Ｂ）に示したのは俯瞰斜視外観である。この発電機１００は本発明に係る太陽エネルギ収集装置の一例であり、図１（Ｂ）から読み取れるように図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）に示した従来のトラフリフレクタ型太陽光発電機５０との類似点を有している。例えば、そのトラフリフレクタ１０１に入射する太陽光ビームＢを樋型放物面鏡（パラボラトラフミラー）１３０で反射させてリフレクタ１０１の焦線ＦＬ上に集める点、その焦線ＦＬ沿いに配された太陽エネルギ収集素子（フォトレセプタ）でそれを受光する点、そのリフレクタ１０１の向きを太陽光の収集に適した向きにする追尾システム１４０を備える点等である。その反面、この発電機１００は、次の二点で従来の発電機５０と大きく異なっている。第１に、そのリフレクタ１０１が固体光学素子１１０を備えており、その素子１１０上にミラー１３０と太陽エネルギ収集素子たる光起電性受光器（ＰＶレシーバ）１２０とが固定配設されていることである。第２に、リフレクタ１０１の上部にあり焦線ＦＬと平行な開口面１１２に対し平行でない軸Ｚを中心にして、追尾システム１４０がリフレクタ１０１を回動乃至回転させることである。

次に、トラフリフレクタ１０１の構成諸部材について図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照して概要を説明する。即ち、略平坦な上部開口面１１２及び線形放物形状の下部凸面１１５を有する透明な固体光学素子１１０、面１１２上に実装されたＰＶレシーバ１２０、並びに面１１５に密接されたパラボラトラフミラー１３０について説明する。

まず、固体光学素子１１０は、光学用透明素材の一体成形、押出等によって形成された単体素子である。その断面は全長に亘り同一形状、上部開口面１１２は低光反射性の略平坦面、下部凸面１１５は線形放物形状の面（樋に沿って放物線を並べた面）となっている。本実施形態では、英国Ｐｉｌｋｉｎｇｔｏｎ ＰＬＣ製のガラスＯｐｔｉｗｈｉｔｅ等の低鉄組成ガラスを既知のガラス成形法で成形してこの素子１１０を実現している。こうした素材及び手法を使用するのは、粘度が高い低鉄組成ガラスを成形することで、その表面欠陥が少ない品が得られるからである。この品は表面凹凸が少なく不純物が付着しにくいので、他種素材、他種製造法では得られない幾つかの長所、例えば秀でた光透過率や表面特性を備える素子１１０となる。但し、これ以外の透光性素材や製造法で素子１１０を形成し本発明を実施することもできる。素子１１０に相応しい特性を有する透明素材であればよいので、例えばシリコーン系、ポリエチレン系、ポリカーボネート系、アクリル系等の透明ポリマ素材や、低鉛組成ガラスも、素子１１０の素材として使用することができる。また、プラスチック等の透明ポリマ素材を加工及び研磨して単体の素子１１０を形成するという製造法や、複数個の素子片を接着等の手段で一体化させて素子１１０を形成するという製造法も、使用することができる。いわゆる当業者にとり既知の製造法のなかには、研磨を（ほとんど）行わずに十分な機械公差を保てる成形手法もあるので、その手法を使用しポリマ素材を成形すれば、高性能光学素子を低コストで製造することができる。

次に、パラボラトラフミラー１３０は固体光学素子１１０の下部凸面１１５に密接（例えば堆積）されている。素子１１０に入射した太陽光は、このミラー１３０の反射面にて素子１１０内に反射され、構造的に決まる焦線ＦＬ上に集まっていく。なお、「密接」とは、ミラー１３０・凸面１１５間に空隙がない、即ちミラー１３０の反射面と素子１１０の凸面１１５がほぼ同じ線形放物形状でほぼ同じ位置を占めている、という意味である。「焦線ＦＬ」とは、ミラー１３０の個々の断面で発生する焦点ＦＰ（図２（Ａ）参照）をミラー１３０の全長に亘り連ねたもののことである。図２（Ａ）に示すように、本実施形態における焦線ＦＬは、素子１１０の上部にある平坦な開口面１１２、特にその中心線近傍領域に重なっている。面１１２を介しビームＢとして入射した太陽光は、ミラー１３０によって反射され、その領域内に集まってくる。実際には、焦線ＦＬと面１１２の相対的位置関係が既知且つ固定的であればよいので、焦線ＦＬが面１１２の中心線近傍領域に重なる必要はない。例えば面１１２から見て上方又は下方に焦線ＦＬの位置がずれていてもよい。

このパラボラトラフミラー（第１ミラー）１３０は幾通りかの手法で形成することができる。第１の手法は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の光反射性素材をスパッタリング等で固体光学素子１１０の下部凸面１１５上に直接堆積（成長）させることで、優れた光学特性を有する反射膜を低コストで形成する手法である。既知の鏡面形成法に従いスパッタリング等を実行して反射膜を形成すると、その反射膜即ちミラー１３０は自然にその面に密着し、その内寄り面は自然にその面１１５と同形状になる。従って、ミラー１３０に求められる鏡面形状に見合った凸面１１５が生じるよう型、押出等で成形を行い素子１１０を形成することにより、所望形状のミラー１３０を効率的且つ所望位置に形成することができる。従来のトラフリフレクタと違い、組立コストや位置決めコストが嵩むこともない。更に、この手法で反射膜を成長させると凸面１１５に密着したミラー１３０が形成され、その状態で固定されるので、光学的に望ましい線形放物形状及び位置が自動的に保たれることとなる。即ち、素子１１０上に成長させた反射膜は、手を加えない限りその形状及び位置が変わらないので、上部開口面１１２に対するミラー１３０の位置が固定されることとなる。従来の発電機では、複数個の部分ミラーを配列又は連結してミラーを形成していたので部分ミラー間の位置合わせ乃至位置調整が必要であったが、この手法であればそうした作業は不要である。また、第２の手法は、可撓性のある反射膜（例えばポリマを基材とする膜）を別途形成し、凸面１１５上に重なるよう付着（例えば接着）させることで、その面１１５上にミラー１３０を実装する手法である。第１の手法で面１１５上に直に形成される反射膜と同様、この反射膜乃至ミラー１３０も、実装工程を通じ、自然とその面１１５に対し正確に位置合わせされる。また、多少反射率が劣るものの、この手法であれば、凸面１１５上に直に反射膜を形成する手法よりも製造コストを抑えることができる。

そして、ＰＶレシーバ１２０は、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示すように、上部開口面１１２の中心線近傍領域で焦線ＦＬと重なるよう、その固体光学素子１１０上に固定配置されている。その素子１１０の下部凸面１１５からレシーバ１２０に至る光路上に空隙は発生しておらず、レシーバ１２０のうち太陽光を受光する部分である能動面１２５は素子１１０の内部を向いている。従って、パラボラトラフミラー１３０によって反射された太陽光は、レシーバ１２０の能動面１２５上にほぼ全て集まることとなる。また、このレシーバ１２０は素子１１０の長手方向に延びる長尺構造を採っており、その構造はミラー１３０に対する位置関係が固定されるよう開口面１１２上に固着されている。具体的には、この長尺構造は、入射太陽光を電力に変換する能力（光起電能）のある半導体ピース乃至ストリップを複数個、シリコン半導体等を用いて既知手法で製造し、それらのピース乃至ストリップを適宜配列し、そして隣同士のピース乃至ストリップ間をワイヤ等の導体（図示せず）で縦続接続する、という手法で形成されている。更に、これは本発明の実施にとり必須ではないが、レシーバ１２０は従来からソーラーパネルの製造に広く使用されている光起電（ＰＶ）シリコン素材で形成することができる。その場合、同じ素材を使用する従来のソーラーパネルに比べ、単位能動面積当たりで１０倍以上の電力を発生させることができる。また、他種ＰＶ素材を薄膜成長させた素子や、（その素子がコスト的に許容できる水準になった暁には）マルチジャンクションプロセス等で形成される高効率素子も、レシーバ１２０又はその構成部品として使用することができる。

透明な固体光学素子１１０を用いトラフリフレクタ１０１を形成することで生じる効果、特に図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）に示した従来のトラフリフレクタ型太陽光発電機５０に対する長所としては、既に述べたものの他に次に述べる諸事項がある。

第１に、パラボラトラフミラー１３０の形成個所として下部凸面１１５を利用すると共にＰＶレシーバ１２０の配置個所として上部開口面１１２を利用しているので、その面１１２を介しビームＢとして固体光学素子１１０に入射した太陽光は、凸面１１５上のミラー１３０による反射でＰＶレシーバ１２０上に集められるまでずっと、素子１１０内だけを通ることとなる。即ち、ビームＢが過ぎる空気対固体界面が１個だけ（開口面１１２だけ）となるので、従来の多部品型太陽エネルギ収集装置に比べて損失が少なくなる。開口面１１２に抗反射被覆を設ければ、その空気対固体界面で生じる損失は更に少なくなる。また、この構成では、ミラー１３０の反射面とレシーバ１２０の能動面１２５が常に素子１１０で覆われていて塵埃や腐食で劣化することがない分、メンテナンスの頻度も抑えることができる。塵埃や天候に曝されるのは専ら開口面１１２（及びレシーバ１２０の背面にある非能動面）であるので、そのメンテナンスも割合に簡単な清掃で足りる。

第２に、光学素子１１０が固体であり上部開口面１１２・下部凸面１１５間の位置関係が変わらないので、パラボラトラフミラー１３０・ＰＶレシーバ１２０間の位置関係は、製造に起因する誤差や屋外環境への曝露による変化が僅かにありうるだけで、基本的にはその形成・実装後に変わることがない。そのため、メンテナンスコストを抑えつつ、好適な光学的動作を確保することができる。即ち、ミラー１３０の形成に使用している透明な固体部品（素子１１０）をレシーバ１２０の実装先支持部材としても使用しているので、ミラー１３０・レシーバ１２０間の位置関係が経時的に安定且つ確実に保たれる。

第３に、太陽エネルギ収集素子として使用されているＰＶレシーバ１２０の通常稼働時セル温度（ＮＯＣＴ）を低下させることができる。即ち、固体光学素子１１０で太陽光を屈折させているのでパラボラトラフミラー１３０を狭幅にすることができ、その上に配するレシーバ１２０も狭幅にすることができるので、単位面積当たり放熱量をさほど大きくしなくてもそのレシーバ１２０のＮＯＣＴを抑えることができる。また、レシーバ１２０の背面（図で上側の面）は“遊んで”いるスペースであるので、図示しないが、その面から立ち上がるように放熱フィンを設けることもできる。

第４に、トラフリフレクタ１０１が小断面且つ低背でその製造コストも低いので、後述の如くトラフリフレクタを複数本並べて連動させるアレイも低コストで製造可能である。上述の如く固体光学素子１１０を狭幅にすれば、そうして形成されるトラフリフレクタアレイも低背且つ軽量になる。その形成も容易である。また、その素材としてポリカーボネート系、アクリル系等のポリマ素材を使用することで、更に低背且つ軽量なトラフリフレクタユニットを製造することができる。そうしたトラフリフレクタユニットを複数本並べて連動させるアレイも比較的低背になる。こうした低背なアレイは大きなスペース無しで輸送及び保管することができ（高密度収納が可能で）、それを含めた総実装コストがかなりの程度抑えられる。

また、従来の発電機５０に対する第２の相違点として前述した通り、本実施形態の太陽光発電機１００では、固体光学素子１１０の上部開口面１１２（及びそれと平行な焦線ＦＬ）に対し不平行な軸Ｚを中心にして、追尾システム１４０がトラフリフレクタ１０１を回転乃至回動させている。即ち、図１（Ｂ）に示す如く、発電機１００が搭載されている支持面Ｓ及びその素子１１０の開口面１１２が焦線ＦＬに対し平行であり、軸Ｚがそれらの面１１２及びＳ（ひいては焦線ＦＬが属する面）に直交しているので、面１１２上におけるＰＶレシーバ１２０は、その下方にある面Ｓと平行なある面Ｐ内に保たれる。こうした配置を採用しているため、システム１４０に課すパワー及び構造強度上の技術的条件を、市販のトラフリフレクタ型太陽光発電機に課されるそれに比べて、かなり低くすることができる。そのため、これから詳述する通り、経済的で住宅の屋根にも載せられる太陽光発電機となる。

その追尾システム１４０は、更に、トラフリフレクタ１０１の長手方向を基準として太陽の方角を検知し、その受光面Ｐに太陽光が入射する方角に対しリフレクタ１０１の長手方向が実質的に平行になるようそのリフレクタ１０１を回動させる、という仕組みを採っている。具体的には、太陽の位置を図示しないセンサで検知し、リフレクタ１０１に求められる軸Ｚ周り回動角θを図示しないプロセッサ等の機構で導出し、その結果に基づきモータ１４２を稼働させ軸Ｚ周りでリフレクタ１０１を回動させている。そのモータ１４２は、図１（Ｂ）に示す如く、発生させた機械力例えばトルクが伝達されてリフレクタ１０１が軸Ｚ周りで回動するよう、アクスル１４５等を介しリフレクタ１０１に機械連結されている。軸Ｚ周り回動角θの導出は、地球から見た太陽の動きを示す精密な数式と、その太陽光発電機１００の位置とに基づく厳密な計算で行っている。その計算に際しては、ＧＰＳ（全地球測位システム）受信機、フォトセル等のセンサ群からフィードバックされる情報に従い駆動系統の誤差を補償している。なお、このフィードバックシステムは必須なものではない。

次に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して太陽光発電機１００の動作をより詳細に説明する。まず、図２（Ａ）の如くトラフリフレクタ１０１の長手方向と発電機１００に対する太陽光入射の方角とが平行である場合、その太陽光はパラボラトラフミラー１３０で反射され、その焦線ＦＬ沿いにあるＰＶレシーバ１２０へと集まっていく。この現象は、放物面リフレクタに入射された平行光ビームがそのリフレクタで反射されて焦点に集まる、という周知現象に似ているが、この例では単一の焦点ＦＰではなく焦線ＦＬが形成されている（図２（Ａ）の方向からは単一の焦点ＦＰに見えるが実際には図２（Ｂ）の如く焦線ＦＬである）。例えば、図２（Ｂ）で右斜め上（図２（Ａ）で紙面奥）から入射している太陽光ビームＢは、ミラー１３０で反射された後、図２（Ｂ）で左斜め上（図２（Ａ）で紙面手前）へと進んでいる。

この集光方式には従来の集光方式にない幾つかの長所がある。第１に、従来のカセグレン型太陽光集光器なら６００〜１００００倍程度の高集光率が求められるところ、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示した集光方式では１０〜１００倍程度の集光率で足りる。従って、リフレクタ素材、リフレクタ形状及び追尾精度についての技術的条件が緩和される。第２に、従来のフラットアレイ型ソーラーパネルではシリコン素材のコストが嵩むところ、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示した集光方式では、その集光率が２５倍程度とあまり高くない場合でも、ＰＶレシーバ１２０用ＰＶシリコン素材のコストは、発電機１００全体のコストに比しまた従来のフラットアレイ型ソーラーパネルでのコストに比し、かなり低コストになる。

第３に、焦線ＦＬと平行な方角から非零入射角で入射した太陽光ビームＢは、縦断面図たる図２（Ｂ）から読み取れるように、トラフリフレクタ１０１まで進んでそこで反射され、その後にＰＶレシーバ１２０上に集まってくる。これに似た平行光ビーム集光現象は、円柱レンズ、円柱フレネルレンズ、湾曲／屈曲円柱フレネルレンズ等に平行光ビームを通したときにも生じうる。しかし、そうしたレンズを使用すると、その屈折特性の影響で、太陽光入射角の増大につれて焦線位置がレンズ寄りに動いてしまう。トラフならばこれを避けて反射系の特性を維持することができる。

第４に、図２（Ｂ）に示す如く固体光学素子１１０を使用しているので、ＰＶレシーバ１２０上の非照射領域が狭くなるといった効果も発生する。まず、太陽光ビームＢが素子１１０に入射する角度Δは、そのトラフリフレクタ１０１から見た太陽の位置で決まる。そのため、図２（Ｂ）中に破線で示すように、通常は斜め上からビームＢが入射してくる。斜め上からビームＢが入射すると、パラボラトラフミラー１３０で反射された太陽光が（ほとんど）当たらない非照射領域がレシーバ１２０の縁に発生する。仮に、本実施形態から素子１１０を取り去ったとしたら、ビームＢのうち縁をかすめて入射してきたビームＢ１はその方向を変えずに進み、ミラー１３０による反射で角度ΔのビームＢ１Ａとなってレシーバ１２０に入射するので、レシーバ１２０の縁に比較的広い非照射領域１２０Ａが発生することとなろう。この領域１２０Ａのサイズは、ミラー１３０の形状や太陽の仰角で左右されるが、太陽の仰角が小さいほど長く、例えばトラフ幅＝１フィート且つ仰角＝４５°ならその長さは１フィート程にもなるはずである（１フィート＝約０．３ｍ）。そのため、レシーバ１２０の縁付近にＰＶセルを設けない、多数のバイパスダイオードを設ける、レシーバ１２０の動作を調整する複雑な機構を設ける、高価なスイッチング素子を使用する、朝夕時間帯の発電を断念する、その任意の組合せ等、何らかの問題軽減策を採ることが必要になる。しかし、本実施形態ではそのリフレクタ１０１に素子１１０が備わっているので、そうした有害な端部効果が顕著に現れることはほとんどない。それは、ビームＢ１が素子１１０への入射時に屈折して角度αのビームＢ１Ｂとなるからである。レシーバ１２０の縁にはなお非照射領域１２０Ｂが発生しうるけれども、ビームＢ１Ｂがミラー１３０で反射されてレシーバ１２０に入射しているので、その領域１２０Ｂは素子１１０がない場合のそれ（領域１２０Ａ）に比べてかなり狭くなる。即ち、素子１１０を形成している光学用透明素材は空気に比べかなり高屈折率であるので、太陽光は素子１１０への入射時に大きく屈折し、素子１１０内で開口面１１２の法線に近い光路を採るので、非照射乃至貧照射領域は狭くなる（１２０Ｂ）。発明者の知見によれば、その実施形態の詳細によるが、素子１１０の屈折率は１．０５〜２．０９の範囲内、とりわけ１．１５〜１．５の範囲内にするのが望ましい。フレネル損失を抑えるため透明素子（カバー等）の屈折率をできるだけ低くすることが求められる他種システム、例えばフラットアレイ型ソーラーパネル等のＰＶ式太陽エネルギ収集装置での常識からすれば、この範囲設定自体画期的なことである。

一般に、非照射乃至貧照射領域となる個所にＰＶセルを配置するのはシステム構成上無駄に近いことである。この点からすると、図示例のように非照射領域１２０Ｂが狭い構成は有利である。非照射領域が広い構成に比べＰＶセルを多く配置できるので、昼間時間帯の発電量が多くなり、また朝夕時間帯の発電量も増えるからである。それに加え又は代えて、図２（Ｂ）の左端に示した通り、トラフリフレクタ１０１の端部のうち領域１２０Ｂとは逆側の端部にフラットミラー１１１を配置することもできる。このミラー１１１で太陽光をＰＶレシーバ１２０方向に反射させることで、領域１２０Ｂが生じている分を補い、レシーバ１２０の実効長をリフレクタ１０１の長さと概ね等しくすることができる。但し、太陽光ビームＢが開口面法線に対し大きな角度をなしているときには、レシーバ１２０を構成しているＰＶセルのうちミラー１１１寄りにあるものが、他の大半のセルに比べて高温になることがある。

図３に、太陽光発電機１００を住宅３００の屋根３１０に載せた状態の斜視外観を示す。この例では、屋根３１０の表面（任意勾配γの平坦面）に対し軸Ｚが実質的に直交するよう屋根３１０上に発電機１００が載っている。その軸Ｚを中心にトラフリフレクタ１０１を回動させても、ＰＶレシーバ１２０の受光面Ｐは屋根３１０の表面と平行に保たれる。即ち、住宅３００の屋根３１０の表面に対しほぼ直交する軸Ｚを中心にしてリフレクタ１０１を回動させ、その面から立ち上がらないで太陽を追尾するようにしているため、本実施形態の発電機１００は、大抵の屋根勾配γの住宅３００に設置することができる。更に、リフレクタ１０１・屋根３１０間の距離が小さい分、発電機１００の支持やリフレクタ１０１の回動に必要な支持構造（基台）が小型軽量になるため、基台に課せられる技術的条件は緩く、屋根３１０の改造や葺き直しをせずに済ますことができる。

また、数学的にも判るように、太陽がどちらの方角にあっても、図示の通りトラフリフレクタ１０１をその方角に応じた角度θまで（或いは１８０°＋θまで）回動させることで、太陽光をＰＶレシーバ１２０上に全て集めうる状態にすることができる。同じくこの図から読み取れるように、受光面Ｐ毎にユニークな法線ベクトルに対する俯角Φを使用し太陽光入射角（仰角）を表すと一般に９０°−Φとなる。これは、太陽光を遮るものがない限り、その設置場所及び形態によらずリフレクタ１０１に太陽光を入射させることができる、ということである。即ち、レシーバ１２０の向きが太陽の方角から外れていても、その法線ベクトル（即ち軸Ｚ）を中心に受光面Ｐ上でリフレクタ１０１を回動させてそれらを互いに平行にすることで、太陽光がレシーバ１２０上に存分に集まる状態に変えることができる。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に、ある典型的な一日における太陽光発電機１００の日周動作をその発電機１００の斜視外観で示す。ここでいう日周動作とは、焦線ＦＬ沿いに配置されているＰＶレシーバ１２０が受光面Ｐ内で回動してその長手方向が太陽の方角と平行に保たれるように、トラフリフレクタ１０１を回動させる動作のことである。図中の方角表記Ｐ１から読み取れるように、この回動動作では、日の出直後はリフレクタ１０１の長手方向が東西方向に近く（図４（Ａ）参照）、正午頃はほぼ南北方向となり（図４（Ｂ）参照）、そして日の入り直前は東西方向に近くなる（図４（Ｃ）参照）。この日周動作は、市販されている従来のトラフリフレクタ型太陽光発電機と明らかに相違している。従来型発電機では、多くの場合、トラフリフレクタの長手方向を南北方向に固定しそのトラフリフレクタを水平軸周りに回動させている。また、発明者の知見によれば、トラフリフレクタの長手方向を（南北方向ではなく）東西方向に固定し、そのトラフリフレクタを（太陽の朝夕間移動に応じ東から西へと１８０°回動させるのではなく）夏から冬へ更に夏へという太陽の年周運動に応じ南北方向にティルトさせる従来型発電機もある。これらの従来型発電機では、本発明の構成と違い、トラフリフレクタの長手方向が南北方向又は東西方向に固定されているし、トラフリフレクタが直交軸周りで回動されているわけでもない。更に、地球上の多くの地帯では太陽が弧を描いて空を馳せるので、トラフリフレクタの長手方向を東西方向に固定したのでは、その角度補正量は僅かであれ太陽の日周運動に応じ焦線沿いにトラフリフレクタを回動させないと、太陽光がうまく集まっている状態を維持することができない。

図５に、本発明の第２実施形態に係るトラフリフレクタ型太陽光発電機１００Ａの斜視外観を示す。第１実施形態と同じく、この発電機１００Ａもトラフリフレクタ１０１を備えており、そのリフレクタ１０１は上部開口面１１２及び下部凸面１１５を有する固体光学素子１１０を備えている。更に、太陽光ビームＢを焦線ＦＬ上に集めうる形状のパラボラトラフミラー１３０が凸面１１５上にあり、開口面１１２上の焦線ＦＬ沿い部位にはフォトレセプタたるＰＶレシーバ１２０が固定されている。反面、この発電機１００Ａは、その追尾システム１４０Ａを構成している基台１４５Ａが丸い円盤状であり、その基台１４５Ａの縁付近に配した駆動システム１４２Ａで基台１４５Ａ上のリフレクタ１０１を下方の支持面ＳＡを基準に回動させる点で、第１実施形態とは異なっている。

このように基台１４５Ａを丸くすると、その上に載るトラフリフレクタ１０１の重量が支持面ＳＡ上に広く分散する。そのため、この太陽光発電機１００Ａは住宅での使用により適している。また、図示の通り、この基台１４５Ａは、支持面ＳＡ上に固定実装された固定基部１４６と、その基部１４６上の軌道（図示せず）に沿い基部１４６に対し回動させうる支持用可動部１４７とで構成されている。従って、可動部１４７をその軌道に沿って回動させることで、その上に載っているリフレクタ１０１を直交軸Ｚ周りで回動させることができる。また、これら基台構成部材は、中実な円盤状の部材としてもよいがここでは中空筒状にしてある。これは、いわゆる当業者には自明な通り、基台１４５Ａの重量を抑えることで、発電機１００Ａを住宅屋根上への設置に適したものにするためである。即ち、中空であれば屋根又はその周辺の支持構造にかかる負担が減り、その改修の必要性も更に小さくなる。

更に、この基台１４５Ａでは、その周縁間で計測した直径Ｄが、その焦線ＦＬに沿って計測したトラフリフレクタ１０１の長さＬ以上となっている。この直径Ｄはできるだけ大きくする方がよい。それは、基台１４５Ａが広い方が、太陽光発電機１００Ａの重量を下側の支持面ＳＡ上により広く分散するため、ひいては技術的条件が緩和され住宅の屋根上に設置しやすくなるためである。こうした効果が生じるのは、一つには、丸い基台１４５Ａの上にリフレクタ１０１の全長が載っているため、そのリフレクタ１０１のどの部分も等しく回動するからである。その点、トラフリフレクタを長手軸周りで回動させる従来型発電機５０、即ちトラフリフレクタのうち駆動ギアから遠い位置にある部分で風力や重力の作用による捻れが顕在化するため正確な集光が望めない構成とは異なっている。

そして、この基台１４５Ａの縁付近には、モータ１４３Ａ及びギア１４４Ａからなる駆動システム１４２Ａが配されている。ギア１４４Ａの歯は、支持用可動部１４７の縁上に形成されている歯（又はそれに類するリンク機構）とかみ合っている。モータ１４３Ａは、そのギア１４４Ａを駆動することで、丸いディスク状の可動部１４７を回動させている。こうした構成では、トラフリフレクタ型太陽光発電機１００Ａ自体が小型になるのに加え、数ｍ²程も表面積がある可動部１４７をたった１個のモータ１４３Ａで駆動することができる。しかも、設置先住宅の屋根と平行な面内で（即ち立ち上がらずに）可動部１４７が回動するので、勾配のある屋根上に好適に設置することができる。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）にこの太陽光発電機１００Ａの概略動作を示す。この動作では、追尾システム１４０Ａが、トラフリフレクタ１０１を基準とした太陽の方角を図示しないセンサ乃至フィードバックシステムで検知し、駆動システム１４２Ａ（図５中のモータ１４３Ａ及びギア１４４Ａ）で発生させたトルクを支持用可動部１４７の縁に作用させることで、前述の如くリフレクタ１０１を回動させて焦線ＦＬを太陽の方角（太陽光ビームＢが到来する方角）と平行にしている。この回転プラットフォームに対しては風力及び重力に耐えるよう厳しい技術的条件を課す必要もなく、またそのモータ１４３Ａを高速回転させる必要もない。モータ１４３Ａで小さなトルクを発生させるだけで、直交軸Ｚを中心にリフレクタ１０１を回動させることができる。そのため、この追尾システム１４０Ａは低コストで実現することができる。更に、この構成は、円盤状の基台を複数個備える構成に拡張することができる。その構成では、複数個ある基台の可動部を単一のモータで同期回動させて高いシステム効率を実現することができる。

図７（Ａ）に、本発明の第３実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機１００Ｂの俯瞰斜視外観を示す。この発電機１００Ｂでも、前述の太陽光発電機１００Ａと同じく、支持面上にある丸い基台１４５Ｂと、その基台１４５Ｂの縁付近にあり軸Ｚ周りで支持面に対し基台１４５Ｂを回動させる駆動システム１４２Ｂとによって、その追尾システム１４０Ｂが構成されている。また、その基台１４５Ｂの中央には、発電機１００Ａで使用しているトラフリフレクタ１０１に似たトラフリフレクタ１０１Ｂ−１が配されている。しかし、この発電機１００Ｂでは、発電機１００Ａと違い、その基台１４５Ｂの上に、リフレクタ１０１Ｂ−１に加えて更に１本又は複数本のトラフリフレクタ１０１Ｂ−２が固定されている。また、それらのリフレクタ１０１Ｂ−２の焦線ＦＬ２は、それぞれ、リフレクタ１０１Ｂ−１の焦線ＦＬ１と平行になっている。従って、この発電機１００Ｂでは、基台１４５Ｂの縁付近に実装されている単一の小型モータ１４３Ｂで、複数本のリフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１Ｂ−２を回動させることができる。そのため、駆動に必要な電力を比べると、従来型のトラフリフレクタ型太陽光発電機よりもかなり小さくなる。また、リフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１Ｂ−２の重量が基台１４５Ｂによって大面積に分散されるため、この発電機１００Ｂは屋根の上に好適に設置することができる。更に、リフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１Ｂ−２の背が低くほぼ単一面内で回動するため、従来型のトラフリフレクタ型太陽光発電機に比べ、風や嵐による損傷を受けにくい。そして、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すように、この発電機１００Ｂの動作は、基台１４５Ｂの可動部上に入射してくる太陽光ビームＢの方角に対し平行化される焦線が複数本（ＦＬ１及びＦＬ２）ある点を除き、前述した実施形態と同様である。

図７（Ｂ）に、本発明の第４実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機１００Ｂ−１の分解斜視外観を示す。この発電機１００Ｂ−１でも、前述の太陽光発電機１００Ｂと同じく、支持面上にある丸い基台と、その縁付近にあるモータ１４３Ｂ−１で下方の支持面を基準に軸Ｚ周りで基台を回動させる駆動システム１４２Ｂとによって、その追尾システム１４０Ｂ−１が構成されている。また、図７（Ａ）に示したものと同じく、複数本のトラフリフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１Ｂ−２からなるトラフリフレクタアレイ１０１Ｂを備えている。反面、この発電機１００Ｂ−１では、発電機１００Ｂと違い、支持面に固定配設された中央のベアリング１４６Ｂ−１上に、基台となる丸いターンテーブル１４５Ｂ−１が回動可能に支持されている。また、そのターンテーブル１４５Ｂ−１上には、リフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１Ｂ−２が低コスト製造技術で固定実装されたプラテン（支持フレーム）１４７Ｂ−１が可着脱実装されている。従って、この発電機１００Ｂ−１では、図７（Ａ）を参照して説明済の諸効果が生じるのに加えて、恒久的ロバスト位置決め部材及び交換容易型低コスト太陽光収集部材で構成された非常に低コストなシステムを得ることができる。即ち、アレイ１０１Ｂがポリマ等の低コスト素材で形成されていて屋外使用時の寿命が短い場合でも、この発電機１００Ｂ−１では、定期的な交換スケジュールに従いターンテーブル１４５Ｂ−１上のアレイ１０１Ｂを換装することができる。プラテン１４７Ｂ−１・ターンテーブル１４５Ｂ−１間の連結にクイックディスコネクタを使用すれば、その換装も迅速に行える。この構成には他にも利点があるが、それらについては本願出願人が本願と前後して提出する別の特許出願「二体型太陽エネルギ収集システム」（出願番号未付番）を参照されたい。この参照を以てその内容全てを本願に繰り入れることとする。

また、太陽光発電機１００Ｂ又は１００Ｂ−１を住宅、商店、公共施設等の屋根に設置する場合、その屋根のどこに基台１４５Ｂやターンテーブル１４５Ｂ−１を載せその上のどこにリフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１−Ｂ２を載せるかにもよるが、基台１４５Ｂ又はターンテーブル１４５Ｂ−１の直径を約４フィートとし、個々のトラフリフレクタ１０１Ｂ−１及び１０１−Ｂ２の幅を約１インチ、厚みを約０．５インチ、長さを２、３フィート程度とするのが望ましい（１インチ＝約２．５ｃｍ）。こうした寸法であれば、屋根から上方に張り出す部分全体の厚みを数インチ以内に収めることができ、その製造コストも小さくなる。また、発電機１００Ｂ及び１００Ｂ−１では、基台１４５Ｂ又はターンテーブル１４５Ｂ−１を支持面内で回動させながら太陽光を集めることができ、その支持面からの張出がほとんどないので、従来のアレイ型太陽光発電機に比べて機械的条件がかなり緩くなる。こうした例、即ち屋根に載せる例を示すことで強調したいのは、一つには風や嵐に耐えうる頑健な土台無しで発電機１００Ｂ又は１００Ｂ−１を設置できることであり、一つには居住空間から離れた場所にその集光素子を配置する必要がないことであり、もう一つには通常の屋根上ソーラーパネルと同じく実装密度がほぼ１：１となることである。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に、本発明の第５実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機１００Ｃの概略斜視外観を示す。この発電機１００Ｃでも、前述の太陽光発電機１００Ｂと同じく、支持面１０５Ｃの上方にあり互いに平行になるよう複数本のトラフリフレクタ１１０Ｃを支持する丸い支持用可動部１４７Ｃと、その可動部１４７Ｃを支持面１０５Ｃに対しＺ軸周りで回動させる駆動システム１４２Ｃとによって、その追尾システムが構成されている。また、駆動システム１４２Ｃのモータで可動部１４７Ｃを回動させると全てのトラフリフレクタ１１０Ｃが一緒に動くことや、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）の如く東から南へ更に東へという日周動作を起こせる点も同様である。しかし、この発電機１００Ｃでは、発電機１００Ｂと違い、円盤状の可動部１４７Ｃが支持駆動シャフト１４５Ｃに支持され支持面１０５Ｃから浮いている。また、そのシャフト１４５Ｃで規定される軸Ｚに対しある角度θをなすよう、可動部１４７Ｃに傾斜が付されている。リフレクタ１１０Ｃが可動部１４７Ｃ内で整列しているので、軸Ｚ周りで可動部１４７Ｃを回動させても可動部１４７Ｃにおけるリフレクタ１１０Ｃの並びに変化がなく、どのリフレクタ１０１Ｃの焦線も角度θの傾斜を保つ点に留意されたい。この発電機１００Ｃのように可動部１４７Ｃを浮かせその受光面Ｐを傾斜させると、回動軸Ｚが受光面Ｐと垂直な図５〜図８（Ｃ）の構成に比べ風の影響を受けやすくなるが、太陽光の電力変換効率が高まるためある種の業務向けには有益である。

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に、本発明の第６実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機１００Ｄの概略斜視外観を示す。この発電機１００Ｄでは、前述の太陽光発電機１００Ｃと同じく垂直な軸Ｚを中心にして複数本のトラフリフレクタ１０１Ｄが回動する。それに加え、それらリフレクタ１０１Ｄのアレイには、水平バー１５２及び簡素なアクチュエータ１５５からなるティルト機構１５０が付設されている。この機構１５０は、リフレクタ１０１Ｄの水平軸Ｘ周り傾斜角（ティルト角）を、所定範囲内、例えばθ１＝約４５°（図１０（Ａ）参照）からθ２＝約９０°（図１０（Ｂ）参照）の範囲内で調整できるように構成されている。従って、その場所の緯度及びその時点の季節乃至日付に応じこの機構１５０を作動させ、所要角になるようリフレクタ１０１Ｄのティルト角を調整することで、緯度による天頂方向の相違を補償し、前述の如く垂直軸Ｚ周りで発電機１００Ｄを日周動作させて太陽を追うことができる。更に、高緯度地帯でこの発電機１００Ｄを使用する際には、機構１５０を利用して建築資材を節約することができる。また、風力計（及びセンサネットワーク）を利用して気象条件を調べることができる場合、風速が所定値以上になったら機構１５０を作動させてリフレクタ１０１Ｄのアレイをほぼ水平な姿勢にすることで、効率は低下するものの、風が強いときでも引き続き太陽を追尾してそのエネルギを収集することができる。緯度等に相応しいティルト角にするか、それとも水平姿勢にするかを制御するだけなので、このやり方は二軸追尾方式に比し有利である。そして、通常時はリフレクタ１０１Ｄのアレイを水平状態で使用し、その上に雪が積もったときに機構１５０でアレイを傾けその雪を落とすようにすることもできる。この機能は、地球上の多くの高緯度地帯で有益である。

図１１に、本発明の第７実施形態に係るトラフリフレクタアレイ型太陽光発電機１００Ｇの概略斜視外観を示す。この発電機１００Ｇも、前述の発電機１００Ｂと同じく、互いに平行な複数本のトラフリフレクタ１０１Ｇが丸い基台１４５Ｇと共に回動するよう追尾システムが構成されており、またその基台１４５Ｇの縁付近にある図示しない駆動システムで基台１４５Ｇをリフレクタ１４５Ｇもろとも回動させている。反面、この発電機１００Ｇでは、発電機１００Ｂと違い、複数本あるリフレクタ１０１Ｇの長さがいずれも同じで、それらが端部１５５Ｇを介し正方形又は長方形のフレーム１５０Ｇ上に実装されており、そのフレーム１５０Ｇが基台１４５Ｇの上方に可回動実装されている。このようにリフレクタ１０１Ｇをいずれも同じ長さにすると、リフレクタ１０１Ｇ上のＰＶセル列で発生する電圧がどのリフレクタ１０１Ｇでも互いにほぼ等しくなるので、発電機１００Ｇに係る電気システムが簡素になるのに加え、その製造組立工程も簡素になる。なお、図中の１０１Ｇ−１はリフレクタ１０１Ｇの一例であり、１１０Ｇ−１及び１２０Ｇ−１はその固体光学素子及びＰＶレシーバである。

図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）に、本発明の第８〜第１１実施形態におけるトラフリフレクタの概略断面を示す。

まず、図１２（Ａ）に示す第８実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｈでは、固体光学素子１１０Ｈの上部開口面１１２Ｈと下部凸面１１５Ｈの間が垂直な側壁面１１３Ａで結ばれている。素子１１０Ｈの幅Ｗ１は１インチ、最下部から最上部までの高さＨ１は０．３７５インチである。凸面１１５Ｈ及びそれに密接しているパラボラトラフミラー１３０Ｈは、入射してきた太陽光ビームＢがそのミラー１３０Ｈで反射されＰＶレシーバ１２０Ｈ上に集まるような形状になっている。レシーバ１２０Ｈの幅は、ここでは０．１インチであるが、所望の集光率に応じ任意に設定することができる。

次に、図１２（Ｂ）に示す第９実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｊは、第８実施形態より低背であるが、そのＰＶレシーバ１２０Ｊの形状がより複雑で、図示の通り楔状になっている。具体的には、このリフレクタ１０１Ｊの固体光学素子１１０Ｊは、その上部開口面１１２Ｊと下部凸面１１５Ｊが楔状の側縁１１３Ｊにて線状に接する形状であり、その幅Ｗ２は上記と同じく約１インチに設定されているが、最下部から最上部までの高さＨ２が約０．２５インチになっており、レシーバ１２０Ｊの幅が任意値例えば約０．１インチに設定されている。注記すべきことに、このレシーバ１２０Ｊの角は開口面１１２Ｊの中央領域にあるＶ字断面の溝内に収まっている。これは、太陽光ビームＢの低角度散乱による損失がその表面で生じないようにするためである。また、この構成ならレシーバ１２０Ｊの総表面積が大きくなる。更に、この素子１１０Ｊを平面Ｐに沿って厳密に二分割した固体光学素子を使用し、その素子の角にある傾斜面（図中のＶ字溝の片側に相当）上に配置された角付のＰＶレシーバに集光する構成にすることもできる。

更に、どの太陽エネルギ収集装置でも対処しなければならない問題の一つに、過剰な集光でその光学部品例えばＰＶレシーバが熱損傷する、という問題がある。この問題に対処するため、図１２（Ｃ）に示す第１０実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｋでは、上部開口面１１２Ｋ上にあるＰＶレシーバ１２０Ｋの位置が焦線より僅かに下の位置（上の位置でもよい）になるよう、その固体光学素子１１０Ｋ及びパラボラトラフミラー１３０Ｋが形成・配置されている。即ち、ビームＢとして入射してくる太陽光がミラー１３０Ｋでの反射後レシーバ１２０Ｋの能動面全体に分散するよう、素子１１０Ｋが形成されている。そのため、レシーバ１２０Ｋの能増面を広く且つ均等に照明し、熱の発生又は集中を抑えることができる。

そして、図１２（Ｄ）に示す第１１実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｌでは、固体光学素子１１０Ｌの下部凸面１１５Ｌ及びその下のパラボラトラフミラー１３０Ｋがファセット型、即ち複数の切り子面を連ねた構成とされている。このようにすると反射光の集中が抑えられるため、リフレクタアレイ内の位置ずれ、追尾システムの不適切動作、ＰＶレシーバ１２０Ｌの位置ずれ等があっても、予想外に多量な光がレシーバ１２０Ｌ等の光学部品上に集まることはない。なお、この図では、太陽光ビームＢの反射光を示す破線を、記載の明瞭化のため切り子面１個当たり１本としてある。

以上説明したように、本発明の好適な実施形態によれば、軸Ｚ周り回動型追尾システム及び固体光学素子を組み込むこととしたため、固体光学素子の表面にＰＶレシーバを載せる、その固体光学素子の焦線又はその付近の所望個所にＰＶレシーバを正しく配置する、それらトラフリフレクタ及びＰＶレシーバ双方を環境起因性の損傷から守る等の諸機能を兼ね備えた、従来より秀逸な太陽光発電機乃至太陽エネルギ収集装置が得られる。これに加え、その装置の質量対パワー比ひいてはコストを顕著に低減することができる。

また、本発明は、上述した実施形態の実施形態を含め、数多くの形態で実施することができる。本発明をその特徴的構成を活かし多様な形態で実施できること、またそれらの実施形態も例外なく本発明の技術的範囲に包含されることは、いわゆる当業者にとっては自明なことであろう。

例えば、図１３にその概略断面を示す第１２実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｍでは、固体光学素子１１０Ｍの上部開口面１１２Ｍが、互いに平行な複数個のステップ面１１２Ｍ−１、１１２Ｍ−２、１１２Ｍ−３等々で形成されている。即ち、素子１１０Ｍの形成に使用する素材する（例えばポリマ）の量が節約されている。但し、屈折歪を抑えるため、ステップ面１１２Ｍ−１、１１２Ｍ−２、１１２Ｍ−３等々を平坦にする必要がある。加えて、下部凸面１１５Ｍ及びその上にあるパラボラトラフミラー１３０ＭからＰＶレシーバ１２０Ｍに至る内部反射光路（例えばビームＢ１Ａが辿る光路）が遮られないよう、各段ステップ面の内奥寄り部分位置を設定しておく必要がある。

更に、図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）にその概略断面を示す第１３〜第１５実施形態のトラフリフレクタでは、固体光学素子上部開口面上の中心線近傍領域沿いに第２ミラーが配置されており、またその開口面の下方（素子内部又は素子下方）に太陽エネルギ収集素子たるＰＶレシーバが配置されている。

図１４（Ａ）に示した第１３実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｎの場合、その固体光学素子１１０Ｎの上部開口面１１２Ｎ上に平坦な直線状の第２ミラー１３５Ｎが配されている。その位置は面１１２Ｎの中心線近傍領域１１２Ｎ−１沿いであるので、ビームＢとして開口面１１２Ｎ越しに入射した後その下方にあるパラボラトラフミラー（第１ミラー）１３０Ｎで反射された太陽光は、ミラー１３５Ｎで反射され、その下方にある下部凸面１１５Ｎの中央領域１１５Ｎ−１へと送られることとなる。その面１１５Ｎの中央領域１１５Ｎ−１沿いには溝１１６Ｎがあり、その溝１１６Ｎの内面１１７Ｎ上には太陽エネルギ収集素子たるＰＶレシーバ１２０Ｎが配されているので、ミラー１３５Ｎで反射された太陽光はそのレシーバ１２０Ｎで受光されることとなる。この構成には、装置構成が複雑である分高コストになり、またミラー１３５Ｎの付加で影ができて光学的な損失が増える等といった難点があるが、放熱器（図示せず）の配設個所が素子１１０Ｎの下面上になるので開口面１１２Ｎをより容易に清掃できる、という点で有益である。

図１４（Ｂ）に示した第１４実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｏの場合、その中心線近傍領域１１２Ｏ−１に沿って延びるよう固体光学素子１１０Ｏの上部開口面１１２Ｏに溝１１３Ｏが形成されており、その溝１１３Ｏの内面上に放物柱面状の第２ミラー１３５Ｏが配されている。この構成では、凸面１１５Ｏ上にパラボラトラフミラー（第１ミラー）１３０Ｏを形成乃至配置する手法と同じ手法で、溝１１３Ｏの内面上にミラー１３５Ｏを形成乃至配置しているので、ミラー１３５Ｏもミラー１３０Ｏと同じく自然に位置合わせされる。また、その面１１５Ｏの中央領域１１５Ｏ−１沿いに溝１１６Ｏを形成する位置が先の例より浅い位置になる分、その溝１１６Ｏの内面１１７Ｏ上に配される太陽エネルギ収集素子乃至ＰＶレシーバ１２０Ｏの位置が凸面１１５Ｏの溝１１６Ｏ外部分に近くなる。従って、放熱器（図示せず）を丸ごと溝１１６Ｏの外に配置乃至装着することができる。

図１４（Ｃ）に示した第１５実施形態のトラフリフレクタ１０１Ｐの場合、その固体光学素子１１０Ｐの下部凸面１１５Ｐより下方に、その素子１１０Ｐと一体になって動くよう熱交換器１６０Ｐが実装されており、その熱交換器１６０Ｐ上に太陽エネルギ収集素子たるＰＶレシーバ１２０Ｐが固定実装されている。また、この素子１１０Ｐの上部開口面１１２Ｐにも、前掲の例と同じく、その中心近傍領域１１２Ｐ−１に沿って延びるよう溝１１３Ｐが形成されており、その溝１１３Ｐの内面上には、所望の焦線が形成されるよう工夫された形状の第２ミラー１３５Ｐが配されている。パラボラトラフミラー１３０Ｐは凸面１１５Ｐの中央領域１１５Ｐ−１を覆っていないので、ミラー１３０Ｐ及び１３５Ｐで反射された太陽光をその“抜け部分”越しにレシーバ１２０Ｐに送ることができるる。この構成では、空気対固体界面が１個所増えるものの、レシーバ１２０Ｐ及び熱交換器１６０Ｐの位置が素子１１０Ｐ外になるため、サイクル的熱負荷によるストレスが減ってリフレクタ１０１Ｐの寿命が長くなる。

そして、上述した諸実施形態では、光起電素子（ＰＶレシーバ）を太陽エネルギ収集素子として用いた太陽光起電型の構成を示したが、熱電対等の熱起電素子を太陽エネルギ収集素子として用いた熱起電型の構成、例えばトラフリフレクタで反射された太陽光が熱起電素子に集まり熱から直に電力へと変換されるよう上掲の又はそれに類するトラフリフレクタの焦線上にその熱起電素子を配置した構成でも、本発明を遜色なく実施することができる。また、トラフリフレクタに代えプリズム、ウェッジ等の反射乃至内部全反射性光学素子で、その光学素子の長端から外れた場所にある直線状又は矩形状の領域に光を集め、そこに配置されているＰＶセルでそれを受光する構成にしてもよい。更に、トラフリフレクタに代えて非軸対称錐面型リフレクタ、非軸対称球面型リフレクタ等のトラフ類似リフレクタを形成し、そのリフレクタの長軸に対し平行な位置から外し、その軸に対しある位置差乃至傾斜角度差を呈するように、ＰＶセルを配置した構成にしてもよい。そして、図１（Ｂ）では回動軸Ｚが焦線ＦＬに対して垂直であるが、回動軸と焦線が直交しない形態でも本発明は実施することができる。

１００，１００Ａ〜１００Ｇ トラフリフレクタ（アレイ）型太陽光発電機、１０１，１０１Ｂ〜１０１Ｐ トラフリフレクタ又はそのアレイ、１０５Ｃ，３１０，Ｓ，ＳＡ 屋根等発電機支持面、１１０，１１０Ｈ〜１１０Ｐ 固体光学素子、１１１ フラットミラー、１１２，１１２Ｈ〜１１２Ｐ 上部開口面、１１２Ｍ−１〜１１２Ｍ−３ ステップ面、１１２Ｎ−１，１１２Ｏ−１，１１２Ｐ−１ 中心線近傍領域、１１３Ｈ 側壁面、１１３Ｊ 側縁、１１３Ｏ，１１３Ｐ，１１６Ｎ，１１６Ｏ 溝、１１５，１１５Ｈ〜１１５Ｐ 下部凸面、１１５Ｎ−１〜１１５Ｐ−１ 凸面中央領域、１１７Ｎ，１１７Ｏ 溝内面、１２０，１２０Ｈ〜１２０Ｐ ＰＶレシーバ（フォトレセプタ）、１２０Ａ，１２０Ｂ 非照射領域、１２５ 能動面、１３０，１３０Ｈ〜１３０Ｐ パラボラトラフミラー、１３５Ｎ〜１３５Ｐ 第２ミラー、１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｂ−１ 追尾システム、１４２，１４２Ａ〜１４２Ｃ，１４３Ａ，１４３Ｂ，１４３−Ｂ１ リフレクタ駆動システム又はモータ、１４４Ａ ギア、１４５，１４５Ａ〜１４５Ｇ 基台等リフレクタ支持部材、１４６，１４６−Ｂ１ 固定基部又はベアリング、１４７，１４７−Ｂ１，１４７Ｃ 支持用可動部又はプラテン、１５０ ティルト機構、１５０Ｇ 方形フレーム、１５２ 水平バー、１５５ アクチュエータ、１５５Ｇ リフレクタ端、１６０Ｐ 熱交換器、３００ 住宅、Ｂ，Ｂ１，Ｂ１Ａ，Ｂ１Ｂ 太陽光ビーム、Ｄ 基台直径、ＦＬ，ＦＬ１，ＦＬ２ 光学素子焦線、ＦＰ 光学素子焦点、Ｈ１，Ｈ２ 素子高さ、Ｌ リフレクタ長、Ｐ 太陽光受光面、Ｐ１ 方角表記、Ｗ１，Ｗ２ 素子幅、Ｘ 水平軸、Ｚ リフレクタ回動軸、α ビーム反射角、γ 屋根勾配、Δ ビーム入射角、θ リフレクタ回動角／傾斜角、θ１，θ２ ティルト角、Φ ビーム俯角。

Claims (3)

1. 略平坦形状の上部開口面及びその上部開口面に対向する下部凸面を有する単体の固体光学素子、上記上部開口面を通過した太陽光が当該上部開口面に向かって反射しその上部開口面上の直線状領域に集まるよう上記下部凸面に対し密接されたミラー、並びに上記ミラーによって集められた光を受光するよう固定配置された直線状の太陽エネルギ収集素子を備えるトラフリフレクタと、
   上記上部開口面に対し不平行な軸を中心にして上記トラフリフレクタを回動させる手段と、
   を備える太陽エネルギ収集装置。
2. 請求項１記載の太陽エネルギ収集装置であって、その屈折率が１．０５〜２．０９の範囲内にある素材で上記固体光学素子が形成され、且つその下部凸面上に堆積又は被着された金属層等の反射膜で上記ミラーが形成された太陽エネルギ収集装置。
3. 略平坦形状の上部開口面及びその上部開口面に対向する下部凸面を有する単体の固体光学素子と、直線状の太陽エネルギ収集素子と、上記上部開口面を通過した太陽光が当該上部開口面に向かって反射し上記太陽エネルギ収集素子に集まるよう上記下部凸面に対し密接されたミラーと、を備えるトラフリフレクタを使用する太陽光発電方法であって、
   上記太陽エネルギ収集素子がその支持面に対してある角度をなすよう、平坦な支持面の上に上記トラフリフレクタを配置した上で、
   その回動の最中も上記太陽エネルギ収集素子が上記支持面に対し上記角度を保つよう、当該支持面に対し略直交する軸を中心にして当該トラフリフレクタを回動させる太陽光発電方法。