JP2020056561A - 自家用発電の太陽光線集光装置と発電に至る装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光線を採光する際に、多くの集光面積や、その為、面積に掛かる荷重は相当な積載重量を必要としない集光装置を提供する。【解決手段】本発明の集光装置では、茸型ドーム様式形状を母体とし、母体の外殻に凸レンズを蜂の巣状に配列した。また、本発明の集光装置では、凸レンズを蜂の巣状に埋め込んだ母体の内部を空洞にし、各々の凸レンズの焦点に発生する焦点熱は吸熱板上に蓄積するとともに、蓄積した熱量を電気エネルギーに変換させることもできる。【選択図】図１

Description

本案は、自家用発電の太陽光線を集光する集光装置に関する。

従来普及している太陽光発電方式は使用形態として平面パネルを数多く設置していた。

特開２０１３−１９６６１号公報

太陽光線の採光方式として従来の平面パネル方式は、太陽エネルギーをより多く生産しようとする場合、パネルの広さに比例した設置面積を必要とする。その為、面積に掛かる荷重は相当な積載重量を産み、一家屋の屋根に構造上限界を生じさせている現状に加え、設置のための広さと重さに充当させる費用の膨らみの大きさの双方の理由から一般の普及を難しくしている。

かかる課題を解決するために、集光装置を球形にする方法が提案されている（上記特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の集光装置では、熱媒体として水を用いていることから、発電までに高い熱量（集光熱）が求められ、実用的ではなかった。
故に、球形内部を空洞にし、熱伝導板を設置し、直接入射する光の焦点の熱を反射させることで、熱は増殖し、発電にかなう熱媒体装置とした。
そこで、本発明は、比較的低い熱量によって発電可能な発電装置、並びに、かかる熱量を蓄積可能な集光装置を提供することにある。

第１の発明は、茸（きのこ）型ドーム様式形状を母体とし、母体の外殻に凸レンズを蜂の巣状に配列する集光装置である。

また、第２の発明は、母体の内部に空洞が形成され、空洞内の凸レンズの焦点位置に、母体の空洞の中に発生する焦点熱Ａを吸収させる為の熱伝導板を配置した集光装置である。

また、第３の発明は、前記熱伝導板に発生する焦点熱Ａと、焦点熱Ａを放射線状に反射した反射熱Ｂを母体の内部に蓄積した集光装置である。

また、第４の発明は、熱伝導板を、ａ部（日昇時）、ｂ部（南中時）、ｃ部（日降時）に分け、日昇から日降までの太陽光を追跡し、採光する集光装置である。

また、第５の発明は、焦点熱Ａと反射熱Ｂの双方に依って、蓄積した２つの熱量を熱源とし熱変換素子に依り電気エネルギーに変換する発電装置である。

本案は、凸レンズの個々の焦点に発生する太陽光線の熱を金属の熱伝導板を用いて蓄積することにより、熱源の蓄積がより早く高まる。更に熱伝導板を平滑にすることで、焦点熱を空洞内で反射させることができ、放射線状に拡散し反射熱を空洞内に蓄積させることができる。これにより、母体の半球体の内部は２種類の熱の坩堝化（炉）を為し発電に必要な熱源と成る。

本発明のドーム型採光方式と集光装置の実施形態の正面図である。 凸レンズが採光して焦点に熱が発生する状態を示す側面図である。 母体内に設置された熱伝導板の断面図である。 本発明の集光装置において、太陽光を集光する状態を示す図である。 熱伝導板の焦点に発生する焦点熱と反射熱が発生する過程を示す図である。 本発明の発電装置の実施形態の正面図である。 図６に示す空洞内部の拡大図であり、熱変換素子の配置状態を示す図である。

［１．集光装置について］
本実施形態に係る集光装置は、太陽光を集光するとともに、集光装置内部で太陽光線に起因する熱を蓄積するものである。
図１に示す様に、集光装置１は、茸型の母体２と、母体２の外殻に配置された凸レンズ３と、母体２の内部に配置された熱伝導板（不図示、後述する符号５）とを備える。
なお、本実施形態に係る集光装置は、例えば、屋根又、屋上に設置される（後述する図４参照）。

（母体２について）
母体２は、採光のための様式を茸型にしており、球形状の集光部２１と、集光部２１を支持する支柱２２とにより構成されている。
また、母体２の内部は、後述する図４に示すように空洞４（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）が全体に設けられており、この空洞４が恒温槽として機能している。
なお、母体２（集光部２１）の材料としては、例えば、蓄熱効果の高いもの、若しくは、耐熱性に優れるものが好適である。
また、支柱２２は、集光部２１と後述する熱伝導板（図３中、符号５）を同時に支持可能な態様で配設されており、集光部２１を支持可能な強度を有する平板部材により構成されている。なお、支柱２２としては、上述する平板部材に代えて筒状部材を用いることが可能であり、筒状部材を支柱２２として用いることで、耐久性を向上させることができ、過度な負荷（台風等）に耐えうる構造とすることができる。

（凸レンズ３について）
また、凸レンズ３は、母体２の内部に太陽光を取り込むための採光窓として機能するものであり、母体２（集光部２１）の外殻に、蜂の巣状に配列されている。ここで、一般的な光学特性として、図２に示した様に、凸レンズ３を通過した光は、凸レンズ３から所定距離にある焦点で収束する。
本実施形態にかかる集光装置１では、後述するように、焦点となる位置に、熱伝導板５を配置することで、熱伝導板５で焦点熱を吸収させるようにしている。

（熱伝導板５について）
熱伝導板５は、母体２によって集光された太陽光を受光して焦点熱を吸収させるとともに、焦点熱を放射線状に反射させる部材であり、母体２の内部を加温するための熱源として機能するものである。
この熱伝導板５は、図３に示すように、刺す又型に形成されている。すなわち、熱伝導板５は、上部の天盤５１と、下部の両脚部５２により構成されており、接合点Ｆにおいて接続されている。
天盤５１は、上向きに開放した湾曲形状を有している。
また、両脚部５２は、下向きに開放した湾曲形状を有しており、両脚部５２の一方がｎ脚部５２ａを成すとともに、その他方がｐ脚部５２ｂを成している。
かかる構成を有する熱伝導板５では、天盤５１は、南中時の太陽光が照射しやすい角度に配設されており、同様に、ｎ脚部５２ａが日昇時の太陽光が照射しやすい角度に配設されており、ｐ脚部５２ｂが日降時の太陽光が照射しやすい角度に配設されている。なお、本実施形態では、図３中左側から右側へ太陽が日周運動しているとする。
このように、熱伝導板５では、多角的な集光面（天盤５１、ｎ脚部５２ａ、ｐ脚部５２ｂ）を備えることで、太陽の日周運動に依存することなく、いずれの時間帯においても、一定程度の太陽光を取り込むとともに、所望の焦点熱および反射熱を得られるようになっている。
また、天盤５１と、両脚部５２を接合点Ｆで接合することで、天盤５１や両脚部５２によって夫々蓄積された熱を最終的に一つにまとめることができ、高い熱量を効率的に蓄積することができるようになっている。
なお、天盤５１は、本発明に係る集光装置のｂ部に相当し、また、両脚部５２の一方（例えば、ｎ脚部５２ａ）は、本発明に係る集光装置のａ部に相当し、さらに、両脚部５２の他方（例えば、ｐ脚部５２ｂ）は、本発明に係る集光装置のｃ部に相当する。
ここで、それぞれ湾曲形状を有する天盤５１および両脚部５２の曲率は適宜設計変更可能であり、例えば、曲率を小さく（なだらかに）することで、天盤５１と両脚部５２の接触面積を大きくすることができ、天盤５１と両脚部５２の間の熱伝導及び／または電気伝導を向上させることができる。他方、曲率を大きく（急峻に）することで、集光部２１の径を小さくすることができ、集光装置１を小型化することができる。

なお、上述した熱伝導板５については、平板部材をそれぞれ所定の形状に加工した天盤５１や両脚部５２を用いて構成するようにしたが、これには限定されず種々の変更が可能である。
例えば、本実施の形態に係る熱伝導板５では、天盤５１と、両脚部５２を別体に形成し、接合点Ｆで接合するようにしたが、これには限定されず、天盤と両脚部を一体的に形成してもよい。このように、熱伝導板を一体的に形成することで、天盤の材料と、両脚部の材料との相性によって、熱伝導率が低減したり、若しくは、天盤と両脚部の接合に用いる接合剤に起因して熱伝導率が低減したりすることを防止できる。
また、平板部材に代えて筒状部材を用いることが可能であり、筒状部材を熱伝導板として用いることで、耐久性を向上させることができ、過度な負荷に耐えうる構造とすることができる。
その他、熱伝導板５の表面に凹凸を設けてもよい。

ここで、熱伝導板５の材料としては、光沢を有するものや、表面が平滑なものを用いる。例えば、銅板の表面にアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）を貼着させたもの（ＤＢＣ処理されたもの）を用いることができる。また、熱伝導板５として、メタライズ（非金属の表面を金属膜化）された材料を用いることも可能である。
このように、熱伝導板５として、光沢を有するものや、表面が平滑なものを用いることで、集光装置１の設置場所の関係により、太陽光の入射角度が、熱伝導板５に対して鋭角となる場合には、熱伝導板５に対する反射量が大きくなるため、焦点熱のロスが発生する。そこで、太陽光を熱伝導板５、並びに、集光部２１の内面に反射させ、再度、熱伝導板５の平面に対して垂直な角度から、太陽光（反射光）を照射させることで、反射光に起因する熱量を蓄積することができ、焦点熱のロスを抑える（軽減させる）ことができる。したがって、太陽光が熱伝導板５に対して鋭角に入射する場合であっても、焦点熱と反射熱を併せた熱量を最大化させることができる。
特に、熱伝導板５の材料としてアルミナを用いる場合には、耐熱性、並びに、加工性に優れた熱伝導板５を形成することができる。

一方、熱伝導板５の材料として、光沢を有しないものを用いた場合には、集光装置１の設置場所の関係により、太陽光の入射角度が、熱伝導板５に対して鋭角とならない場合（太陽光の大半が熱伝導板５に対して垂直に入射する場合）には、熱伝導板５に照射する際の反射光成分を低減することができるため、光反射による集光ロスを低減することができる。したがって、太陽光が熱伝導板５に対して鋭角に入射しない場合であっても、焦点熱と反射熱を併せた熱量を最大化させることができる。

また、本集光装置１では、配列した凸レンズ３の焦点の各々に、恒久的に熱を発生できるように、凸レンズ３の配列を蜂の巣状に配列する事で、太陽の日周軌道が、春夏秋冬の四季の変化に依るズレにも即応して、太陽の光線を安定的に採取できる（図４の矢印参照）。

（集光装置全体の作用について）
本発明にかかる集光装置１では、凸レンズ３の焦点位置に配置した、刺す又型を有する熱伝導板５で焦点熱を吸収させる。また、熱伝導板５で吸収した焦点熱を反射して、空洞４内に放射線状に拡散する（反射熱が発生する）ことで、空洞４内は高熱の坩堝（炉）になる。これにより、空洞４内部では、高温が維持される。

（集光機能について）
集光装置１全体の作用の説明に続き、集光装置１の特徴的な機能である集光機能について以下説明する。
集光装置１では、太陽光は凸レンズ３を介して、空洞４内に侵入し、熱伝導板５に照射される。
また、熱伝導板５に照射された太陽光は、熱伝導板５で焦点を結び、この焦点において焦点熱を発生させる。
他方、図５に示すように、入射光Ｓ１（図中、実線矢印）の一部は、熱伝導板５（天盤５１）で反射される（図中、一点鎖線矢印：符号Ｓ２）。この反射光Ｓ２は、集光装置１の母体２の内部、若しくは、凸レンズ３を介して、再入射光Ｓ３（図中、二点鎖線矢印）として、再び、熱伝導板５に照射されて反射熱を発生させる。
このように、集光装置１の内部では、焦点熱と反射熱が蓄積されて、高温状態となる。すなわち、集光装置１では、入射光の熱伝導板５での反射に起因する発熱量（蓄熱量）の損失を低減している。

集光部２１を球形にし（図１参照）、尚且つ、熱伝導板５を刺す又型にする事で（図５参照）、太陽の日昇時から日降時までのいずれの時間帯にも、太陽光を取り入れることを可能にする。
すなわち、入射光は三方の熱伝導板５に３部分で発生する熱を変換し易くするために、熱伝導板５を刺す又型にし、且つ、刺す又型にする事で、太陽光の入射角度の変化に順応できる。その為、空洞４内に熱量を滞留させ得る。
具体的には、集光部２１を球形にすることで、いずれの角度からも太陽光を取り込むことができる。また、熱伝導板５を刺す又型にして、ａ部、ｂ部、ｃ部の照射部を設けることで、太陽の日周運動に依存することなく、いずれの時間帯においても、一定程度の太陽光を取り込むとともに、所望の焦点熱および反射熱を得られるようになっている。

（まとめ）
以上、説明したように、本実施形態にかかる集光装置１によれば、凸レンズ３の焦点位置に熱伝導板５を配置することで、熱伝導板５上で、焦点熱を吸収させることができる。また、熱伝導板５で反射された光を母体２の内部で反射させて、再度、熱伝導板５に照射させることで、反射熱を発生させることができる。このように、焦点熱と反射熱に起因する熱源を得ることで、熱伝導板５を高い熱量を有する熱源とすることができる。
加えて、熱伝導板５に蓄積された熱源を空洞４の内部に放射線状に拡散させることで反射熱を蓄積させる。これにより、空洞４の内部を高温の坩堝とし、高温状態を維持することができる。

（変形例の説明）
以上説明したように、本実施形態の集光装置１では、球形の集光部２１と、集光部２１（母体２）の外殻に配列された凸レンズ３と、集光部２１の内部に配設された熱伝導板５とを備えることで、太陽光を集光部２１の内部に集光するとともに、熱伝導板５において太陽光に起因する焦点熱（反射熱）を蓄積しているが、これには限定されない。
例えば、集光装置１の内部に蓄積された焦点熱（反射熱）を外部に出力して、適宜活用することができる。かかる場合には、熱伝導板５や支柱２２の材料として、熱伝導性の高い材料を用いることが好適である。

［２．発電装置について］
次に、上述した集光装置を備える発電装置について説明する。
本実施形態にかかる発電装置６は、上述した集光装置１と、この集光装置１において蓄積された太陽光に起因する熱（「焦点熱、反射熱」以下、単に「熱源（ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ）」という）を電気に変換する熱変換素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｍｅｎｔ）７を備えるものである（図６参照）。

以下、本実施形態にかかる発電装置６の特徴部分である熱変換素子７について主な説明を行い、上述する集光装置１の説明と重複する部分については説明を省略する。

熱変換素子７は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、この熱変換素子７としては、例えば、セーベック等を用いることができる（図６参照）。
また、熱変換素子７は、支柱２２、天盤５１、及び、両脚部５２に、一個又は複数個配設されている（図７参照）。熱変換素子７には夫々配線８が接続されており、熱変換素子７において変換された電気は配線８を介して外部に出力されるようになっている。
例えば、熱変換素子７を、外部に最も近い支柱２２に配設することで、出力配線の引き回しを容易にするとともに、電気エネルギーの転送距離を短縮することができ、これにより、電気エネルギーの転送効率を高めることができる（電気転送時のロスを低減できる）。
また、熱変換素子７を、母体２の空洞４の中央に配置された天盤５１に配設することで、南中時に太陽光の照射を受けて蓄積された熱量を最も高い状態で電気エネルギーに変換することができ、高い変換効率（熱電変換）を得ることができる。
さらに、熱変換素子７を、熱源を蓄積する熱伝導板５の一部である両脚部５２に配設することで、日昇時および日降時に太陽光の照射を受けて蓄積された熱量を最も高い状態で電気エネルギーに変換することができ、高い変換効率（熱電変換）を得ることができる。
上述した特徴を有する熱変換素子７を、支柱２２、天盤５１及び両脚部５２に配設することで、いずれの環境下においても、電気エネルギーの転送効率と、変換効率（熱電変換）の両方を一定程度享受できる。

なお、本実施形態の発電装置６では、熱変換素子７において変換された電気を、配線８を介して外部に出力するようにしたが、これには限定されず、例えば、発電装置６の内部に蓄電装置（バッテリー）を設け、この蓄電装置内に蓄積するようにしてもよい。

熱変換素子７は、支柱２２に配設する場合には、支柱２２の外部であるか、内部であるかは問わない。例えば、熱変換素子７を支柱２２の外部に配設する場合には、その取り付け作業を簡便にすることができる。一方、熱変換素子７を支柱２２の内部に配設する場合には、熱変換素子７が露出することなく、風雨の影響を受けにくいことから、腐食等を緩和することができ、管理を容易にすることができる。
なお、熱伝導板５を筒状部材を用いて形成する場合にも同様に、熱伝導板５の外部もしくは内部のいずれかに配設することができる。

次に、図７を参照して、発電装置６において太陽光に起因する熱を蓄積するとともに、熱電変換する処理について説明する。
発電装置６では、上述した集光装置１と同様に、太陽光に起因する熱（焦点熱、反射熱）が、空洞４（集光部２１）内の熱伝導板５に蓄積され、支柱２２に伝搬される。
具体的には、熱伝導板５の天盤５１に蓄積された熱が、天盤５１と接合点Ｆで接合された両脚部５２（ｎ脚部５２ａ、ｐ脚部５２ｂ）に伝搬され、両脚部５２において、この両脚部５２に蓄積された熱と天盤５１に蓄積された熱が合わさって、支柱２２に伝搬される。
ここで、太陽光に起因する熱（焦点熱、反射熱）は、天盤５１から支柱２２に伝搬される過程で、天盤５１、両脚部５２及び支柱２２のそれぞれに設けられた熱変換素子７によって熱電変換され、配線８を介して外部に出力される。

以上説明したように、本実施形態の発電装置６では、支柱２２に熱変換素子７をそのまま配設するようにしたが、これには限定されず、例えば、熱変換素子を内蔵する熱変換器（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を配設してもよい。

１ 集光装置
２ 母体
２１ 集光部
２２ 支柱
３ 凸レンズ
４ 空洞
５ 熱伝導板
５１ 天盤（ｂ部）
５２ 両脚部
５２ａ ｎ脚部（ａ部）
５２ｂ ｐ脚部（ｃ部）
６ 発電装置
７ 熱変換素子
８ 配線
Ｆ 接合点
Ｓ１ 入射光
Ｓ２ 反射光
Ｓ３ 再入射光

Claims (5)

1. 茸型ドーム様式形状を母体とし、母体の外殻に凸レンズを蜂の巣状に配列する集光装置。
2. 母体の内部に空洞が形成され、
   空洞内の凸レンズの焦点位置に、母体の空洞の中に発生する焦点熱Ａを吸収させる為の熱伝導板を配置した請求項１の集光装置。
3. 前記熱伝導板に発生する焦点熱Ａと、焦点熱Ａを放射線状に反射した反射熱Ｂを母体の内部に蓄積した請求項１又は２の集光装置。
4. 熱伝導板を、ａ部（日昇時）、ｂ部（南中時）、ｃ部（日降時）に分け、日昇から日降までの太陽光を追跡し、採光する請求項１〜３の集光装置。
5. 請求項１〜４の集光装置を用いて、焦点熱Ａと反射熱Ｂの双方に依って、蓄積した２つの熱量を熱源とし熱変換素子に依り電気エネルギーに変換する発電装置。

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