JPS5834801B2 - 太陽エネルギ−利用装置を兼ねる照光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、同一発明者の発明にかかる、特願昭５０−
８６５７８号〔特開昭５２−１０１５１、発明の名称〔
複合フレネル凹、凸柱面をもつレンズまたは鏡面〕）を
構成要素とするとき殊に効果的な太陽エネルギー利用装
置を兼ねる照光装置に関し、太陽光の高効率利用をその
目的とする。

太陽光は、これを集光して太陽電池・集熱体・化合物そ
の他の受光体を照射し、その光学的エネルギーを電気的
、熱的、化学的等のエネルギーに変換して利用されるが
、上記のレンズはその集光用に殊に適している。

先づ、上記の出願の発明につき説明する。

第１図に従来の平凸円柱フレネルレンズの複数個を一体
化したものの横断面図を示す。

このフレネルレンズは円柱レンズａＦ１０．ｂＦ１０゜
ｃＦｌｏ、・・・・・・・・・を原形とするもので、レ
ンズの平面部Ｐに垂直に立てられた多数のフレネル区切
面ａ Ｓ １ 、ｂ Ｓ １ ＞ ｃ Ｓ １ ｔ・・
・・・・・・・とそれらで区切られた多数のフレネル柱
面ａＦ１．ｂＦ１゜ｃＦｌ、−・・・・・−・・からな
っている。

これら区切面の数、配置には別設の理論的拘束はなく、
自由に設計できる。

レンズを薄くする目的で区切面は可成り多くするのが普
通である。

（第１図は、わかりよくするため逆に区切を少くして示
している）。

ａｂ、ｂｅ 、・・・・・・・・・は隣接レンズの境界
（線）である。

第１Ａ図に横断面図で示す頭記出願の発明のレンズは第
１図のものを改善したもので、互に重なり合って隣接す
る仮想円柱面レンズａＦ２０ 。

ｂＦ２０ 、ｃＦ２０ 、・・・・・・・・・を原形と
して作られたものであり、第１図のものとちがってフレ
ネル区切面は互に他の隣接レンズのフレネル柱面ａＦ２
１．ｂＦ２２．ａＦ２２．ｂＦ２２．・・・・・・・・
・で構成されている。

念のため入射光（太陽光）の進行径路を細線で示したが
、光はもれなく何れかの集光線ａＤ２．ｂＤ２．・・・
・・・・・・上に集光されている。

この発明のフレネル化の方法は、従来の方法の応用変形
にすぎず、区切数、区切面の立上り位置Ｔ１の配置には
別設の理論的拘束はない。

第１Ａ図は第１図の立上り位置Ｔ１をそのままにして区
切面を隣接フレネル柱面で置換えている。

このレンズには次の長所がある。

（１）斜入光が散乱損失なく集光される。

（２）各円柱面の交角は鈍化し、山の高さも低くなるの
で、少い区切数でレンズを薄く作ることができる。

（３）短焦点・大口径のものが容易に作れる。

即ち製造は容易になり、例えば板ガラスの製法が流用で
き、プラスチックスでは押出成形等の量産的手法が採用
できる。

（４）斜入光を散乱させないので、集光位置を太陽の運
行につき固定せんとするとき、太陽への追随移動は横方
向（レンズの光軸と柱面軸の両者に直角な方向、をいう
ものとする。

）にずらせるか、若くは、集光せんとする光束を反射鏡
で反射させて別位置に集光を移し、その反射鏡を移動さ
せることで、その別位置を固定するか、又は、その両方
法を併用することで集光部を固定できる。

これは、このレンズが、屋根・壁面・平（傾斜）地に沿
って設置でき、太陽追尾が容易であることを意味し、実
用的価値が高い。

さて、このレンズ又は従来のフレネルレンズ又はそのフ
レネル区切面を傾けて作り易くしたものを用いて構成さ
れた集光器の集光部（レンズが球面レンズのときは点状
。

柱面レンズのときは一般には線状。

もし柱面軸を直交させてレンズ二枚を重ねるときは点、
線分、矩形状となる。

）に、例えば第２図のように、受光体２０を置いたとき
、受光体２０を外れる散乱光が少なからず存在し、それ
が照光用として好適であることに、本発明は殊に注目す
る。

散乱光は主に二つの部分からなっている。

（１）一つは、空で雲・ちり等によってすでに生じてい
る散乱光がレンズ２１を通過するものであり、全光量の
数％から（部面では）５０％にも及ぶもの、〔２〕他は
、太陽の直射光がレンズ２１で、そのゆがみ、曲面の交
線で散乱を起したものである。

これはレンズの仕上り、区切面数にもよるが、全光量の
数％から十数％までの間にあると考えられる。

これら散乱光は〔照光用〕として極めて優れている。

但し、ここで照光と言っているのは、照明光のほかに、
動・植物がその生活に利用している光（以下ではこれを
〔生活光〕と呼ぶ。

）−を指すものとする。

太陽の直射光はこれを直接照明とするには適しない。

一般にあまり強く、且光と影のコントラストが大きすぎ
る。

広い空から諸方向から降下する散乱光のみの方が影がお
だやかであり照度も適当で照明に適している。

第２図のレンズを通過した散乱光についてもそれと同じ
ことが言える。

また、可視光線だけでな（紫外線・赤外線にも注目した
とき、太陽直射光は、人間を含む動・植物の生活光とし
ても強すぎ、例えば裸の人体、植物の苗には直射光は有
害である。

多くの種類の植物、殊に栽培植物、飼育動物は直射光を
さけて散乱光下に置く方がよく育つ。

この散乱光（殊に紫外・赤外光を含む散乱光）を電灯で
得ることは、技術的にも困難であるが、それにも増して
エネルギー経済上非常に不利である。

例えば太陽光エネルギーでこの照光を〔作〕ろうとする
と、太陽光を電力に変換する効率が嵩高３０％、その電
力で電灯をともし照光を得る効率は高々２０％であり、
総合効率は６％以下となる。

（通常は２％以下と考えられる。）更に、夏期の高温時
には電灯の発熱が室温を上昇させ、冷房に電灯以上の電
力を必要とすることを考慮すると総効率は大幅に低下す
る。

即ち、電力を経由する人工的照光はエネルギー利用効率
上極端に不経済であり、到底前記（２）、〔ｌ〕の散乱
光を直接使用するに如かない。

本発明は上述理由から、受光体を外れる〔１〕、（２）
の散乱光を積極的に内部（受光体につきレンズと反対側
の空間）の照光として利用するものである。

第２図では、レンズ２１（以下、レンズは前記の複合フ
レネル凸柱面レンズで代表させる）はその柱面軸を太陽
の運行面に平行にして（例えば東西に向けて）設置して
あり、その集光線２１Ｄ（複数）の上に集熱管２０（複
数）が配置されているが、その集熱管２００間を通りぬ
けて、散乱光が内部２５に照光として供給される。

〔内部〕を構成するものは、一般家屋の室内、工場内、
温室内、田畑、山地の斜面、海浜、海面、砂漠、運動場
等々であり、人々に良質の照明を供給し、人を含む動・
植物に絶好の生活・生育環境を提供する。

この散乱光が広い面光源によるおだやかな性質のもので
あり、且、適度の紫外・赤外線を含み、生活光として有
用であることはすでに述べた通りである。

レンズ２１は、これを屋根や壁面に取付けても、そのフ
レネル区切面数をある程度多くしておけば、外から内部
をのぞき見て中のものを識別することが難しく、殊更目
かくし用のカーテン等を設置する必要はない。

また、内外から見て、屋根・壁面に張られたレンズ２１
は美しい。

もつとも、紫外線又は赤外線の一方または両方を選択的
に反射、吸収又は透過する透明蓋くは半透明のガラス又
はプラスチックス、又はそれらの表面を機械的若くは化
学的方法で荒れさせて散乱光を更に散乱させてまぶしさ
を除かせたものからなる中間仕切板（これは断熱用空間
２９を作るという点でも有用である）２２を太陽エネル
ギー利用装置と内部の間に置くことは照光の性質を調整
させる上で時、所により不可欠である。

太陽エネルギー利用装置の中には受光体が光を透過（一
部透過）させるものがある。

例えば、経済性の見地から薄く作られた太陽電池は一部
の光を透す。

また、いわゆる〔光化学電池〕では水に溶かした化合物
（例えば、チアジン系色素と還元剤）に太陽光を照射し
て光化学反応を起させ〔ロイコ色素と還元剤の酸化体を
作り）、その反応生成物を分離貯蔵し、必要のとき電極
反応を起させて電力を得ると共にもとの化合物に戻すと
いう循環を行うが、このときの被照射水溶液もまた可成
の光を透す。

さらに、受光体となるものの中には、高い反射率を示す
ものがある。

完全な黒体を目指す、よくできた集熱体の場合でも１０
％を越す光を反射するのが普通である。

（第２図で、集熱管２００表面で反射する光２０Ｌがそ
の一例である。

）これら透過光、反射光をも積極的に照光として利用す
ることができる。

第２図にて、２４は集熱管２００代りに置かれた厚さ数
十ミクロンの太陽電池（ＣａＡｓで液相成長法で作られ
たものが報告されている）であり、透明なガラス板２３
上に置かれている。

集光々のうち２４．２３の両方を透過したものが照光に
参加する。

また、この図の２０が透明ガラス管であり、この中を光
化学電池用の被照射水溶液２６が流れているとするとき
、集光々のうち２０ 、２６を透過したものが内部２５
への照光に参加する。

照明によって人が作業し、生活光によって動・植物が生
育するとき、作業内容、成長時期によっては強い照光を
要求することがある。

強すぎるときの散乱光は黒色吸収板２８Ａを設けてその
一部を熱エネルギーに変え集熱管２８内の熱媒体に集め
ればよく、簡単にはブラインド、カーテンを使用し、又
は照度によって自動的に透光率を変えるガラス（例えば
ＫＣｌ 、 ＡｇＮＯ３を分散させたガラスがある）を
中間仕切板２２として使って、これを弱めることができ
るが、不足する光量は、何らかの方法で補充するしかな
い。

さて本発明は、散乱光（１）、（２）を照光に利用して
なお光が不足するときに、集光々の一部又は全部を照光
に振向けて補充するものである。

集光々は集光部を遠ざかると急速に分散するし、太陽エ
ネルギー利用装置で集光器が広い面を覆って規則正しく
分散配置されるのが常であるため、この光は照光用にま
ことに優れている。

しかも光がすでに小面積に集っているので、集光々の取
入れは極めて容易である。

受光体を第２図の２ＯＡ、２０Ｂのように集光部の前後
（上下）又は左右に僅かにずらせるだけで事が足りる。

実施例 ル ンズを南面させ柱面軸を東西に向けるとき、入射光は正
午ごろ過大で朝夕に不足する。

東又は西に向けて例えば壁に立てかげた集光器では入射
光は正午の近辺にて不足となる。

この不足分が自然に集光々で補充されるようにするのは
簡単である。

レンズの柱面軸を太陽の運行面と交わらせて設置し受光
体をそれに平行に置くなどで、受光体では照光の過大な
時間帯の集光々のみを受光するよう配慮すればよい。

こうすれば照光が不足するころには集光４束は横に移動
して受光体から外れ自然に照光への参加分を増す。

増し方は柱面軸と太陽の運行面の交角を大きくとるほど
犬となる。

実施例 ２ 日照は時々刻々変化するので、照光に参加させる集光々
の光量は不足の都度速かに補充するのを理想とする。

本発明の場合は補充光量の調節が〔レンズを僅か横に移
動させる〕だけで自由且容易に行われるので光量の自動
制御には殊に適している。

例えば自動制御装置には次のものがある。第３図にて、
３１，３２は僅かな隙間３３を設けて平行に設置された
透明平板ガラス、３４は隙間３３に挿入されているアク
リル樹脂製の薄い第２図のレンズで、その柱面軸は東西
に向いている。

そしてその集光線は照度計４Ｌ、４Ｒを光センサーとす
る制御装置で、集光器を太陽に追尾して横に移動させる
ことにより固定されているもとのする。

３３Ｄはその固定された正規の集光線であり、３３Ｅは
その集光４束を過不足なく受ける受光体とする。

このようにした太陽エネルギー利用装置では、照度計を
５Ｌ、ＳＲのように僅かに横に移すことで集光４束を点
線の位置に移し照光量を補充調節することができる。

上述の実施例１．２はこれを組合せて相当の効果をあげ
うる。

本発明によれば、太陽光はその直射成分、散乱成分の全
部が高効率で利用できることになる。

本発明の装置は、すでに述べたように、作業用又は人を
含む動・植物の、広く生活、飼育、生育用に理想的な照
光を提供するが、太陽エネルギー利用装置の副産物であ
ってその設置・構築にほとんど費用を要しない。

且、日常の照光に要する費用（維持経費）と言うものも
皆無に近い。

従来の太陽光利用装置では、散乱光は熱的・化学的エネ
ルギーに変換して利用されるか、徒らに空に向って放散
してしまうかの何れかであり、之を直接照光に利用する
ことはなかった。

その理由の大吉は従来の太陽エネルギー利用装置がその
構成素材の性質から、採りうる構造に大きい制限と束縛
をもち照光への利用を不可能にしていた為である。

本願の発明は、頭記複合フレネル柱面レンズ等のレンズ
が斜入太陽光を散乱させず（極く僅少にとどめ）且太陽
への追尾動作を短距離の横の移動で可能にし、そのため
屋根・壁・地面に沿わせて設置できることに着目し、且
、之で太陽光集光型太陽エネルギー利用装置を構成する
とき広い散乱光発生面を作ってそれが理想的な照光面た
りうろことに着目し、更に照光の不足分を集光々で補充
しうろことに注目し之を積極的に照光として使用するこ
とを提案するものである。

この照光装置を家屋、工場、温室の屋根・壁に取付ける
ときの効果の大きいことは既述の通りであるが、これに
増して従来の太陽エネルギー利用装置でそれを設置した
広い（太陽が希薄であるため必然的に広面積となる）地
面、海浜・面、砂漠の下方が、暗黒であり、あるいは邪
魔物の乱立すする空間であって之をデッドスペースとす
ることが当然のことと考えられていたものを、本発明の
装置はそれらを絶好の作業性・居住用・生活用・飼育用
・栽培用の広場とするものである。

工業、産業上まことに有益な発明というべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフレネルレンズの横断面図。 第１Ａ図はこの発明で使用する複合フレネル柱面レンズ
の横断面図。 第２図はこの発明の、散乱光を照光に利用する太陽エネ
ルギー利用装置の横断面図。 第３図はレンズを移動させて照光量を調節する同様の図
。 ２１．３４：複合フレネル柱面レンズ、２０Ａ。 ２０Ｂ、２４，２０，３３Ｅ：受光体、２１Ｄ。 ２１ＤＷ、３３Ｄ：集光線、ＬＳＩ、ＬＷＩ：太陽光、
２５：（被照光）内部、２２：中間仕切板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平面状のレンズ型集光器と、該集光器の集光部に置
   かれる受光体と、該受光体につき該集光器の反対側にあ
   る空間を内容とする内部と、の三者より戒り、該受光体
   を洩れる集光器の集光々を該内部の照光として利用する
   如くしたことを特徴とする太陽エネルギー利用装置を兼
   ねる照光装置。 ２ 該集光器の集光部が、太陽の運行によって受光体を
   それるようにしておくことにより、集光々の照光への参
   加分が自然に調節されるようにしたことを特徴とする第
   １項記載の照光装置。 ３ 該集光器と該受光体の相対位置を太陽追尾から外れ
   させるよう制御することにより、集光々の照光への参加
   分を調節するようにしたことを特徴とする第１項記載の
   照光装置。 ４−面上に複数個のフレネル凸柱面を具え、且隣接する
   二つの該フレネル凸柱面のフレネル区切面ば互に他のフ
   レネル柱面で構成されている複合フレネル凸柱面をもつ
   レンズを集光器として使用する第１．２又は３項記載の
   照光装置。 ５ 該受光体の透過光又は反射光を照光に参加させるこ
   とを特徴とする第１．２．３又は４項記載の照光装置。