JPH0262841B2

JPH0262841B2 -

Info

Publication number: JPH0262841B2
Application number: JP52152831A
Authority: JP
Inventors: Josefu Oneiru Maaku
Original assignee: ENTEKU Inc
Current assignee: ENTEKU Inc
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1990-12-26
Also published as: US4069812A; FR2374655A1; AU513871B2; GB1598335A; ES473357A1; IT1090750B; CA1088829A; ES465251A1; BR7708433A; DE2757155A1; FR2374655B1; IL53494A0; GB1598336A; EG12993A; MX145353A; JPS5378857A; AU3146677A; DE2757155C2

Description

【発明の詳細な説明】本発明は太陽エネルギー集中装置のためのフレ
ネル型プリズムレンズと、同レンズを用いた太陽
エネルギー集中装置に関する。

従来、フレネルレンズとしてはフラツト型およ
び彎曲凸型の２つの型式のものがある。三次元す
なわち球面のフレネルレンズは一点に焦点を結ぶ
ように設計されたもので、二次元すなわち円筒面
のレンズは直線上に焦点を結ぶように設計された
ものである。

これまで、フレネルレンズは、主として、点光
源を用いて灯台に使用されるビーム光やスタジオ
における舞台照明光のような広い面積の平行ビー
ム光を作るように設計されている。

ビーム形成レンズの一例は、パスクツチ
（Pasucucci）に付与された米国特許第1504970号
に記載されている。その特許は斜め接ぎ（マイ
タ）で結合された１つの面状の同心領域を有する
フレネルレンズを記載しており、これらの斜め接
ぎ部はレンズを通過する光線の光路に平行となる
ように切断されている。プリズムの底面と後面の
間の斜め接ぎ接合部は、完全に尖端を有する形状
となるようになされている。しかし、ガラスやア
クリルプラスチツクの如き材料でこの型式のレン
ズを製造する場合、モールド型内でそのような材
料のこれ等の面の接合部における表面張力が尖端
を丸めてしまう。もし斜め接ぎされた面がパスク
ツチの特許に教示されているように形成されて光
線の光路に平行に整合されるならば、また、もし
このレンズが太陽光線を集光するのに使用される
ならば、丸まつた尖端は光がプリズムを通過する
際にその部分を通る光線を焦点から離れるように
拡散させてしまう。さらに、プリズムの製造と太
陽へレンズを向ける際に誤差が生じることにな
る。これらの誤差は光の一部が底面を通らないよ
うにし、焦点から離れる方向へ屈折させてしま
う。光がこの丸い尖端と底面に当ることにより生
ずる損失は、レンズがガラスである場合の20％か
ら、レンズが射出成形プラスチツク型式のレンズ
である場合の５〜10％程度となる。

フレネルレンズは、スリーパーに付与された米
国特許第3125091号に開示されている如く、太陽
光コレクターに使用されて来た。この特許は、内
部にプリズムを形成した膨張可能な円筒型のレン
ズを開示している。

スリーパーの特許におけるプリズムは円弧上に
重ねられており、この型式のレンズの光学的効率
に制約を与えている。該型式のレンズの端部を通
過する光は確実に偏向され、完全に損われる。加
えて、スリーパーの特許は可撓型式の太陽光コレ
クターを教示しているが、同コレクターは高温に
なることができず、20年以上にわたる外的気象状
況下に耐えることができない。

従来、ほとんどのフレネルレンズは、Ｆ数が
1.0かそれ以上の長い焦点距離を有するものであ
つた。この構成は、適当な熱量を集めるためのレ
ンズと太陽光コレクターを構成するのに、大量の
材料、断熱材および容積空間を必要とした。さら
に、コレクターの大半の材料（従つてコスト）は
ハウジングおよび構造支持装置に関るもので、レ
ンズの焦点距離を短くしてより小型のコレクター
ユニツトを作ることで大巾に減小出来る。不都合
なことに、従来のフレネル型レンズは、焦点距離
が短くなるとその伝達能が大きく損われる。これ
が、従来のフレネルレンズコレクターが1.0以上
のＦ数（焦点距離をレンズ径で割つたもの）を有
する長焦点レンズを使用していた理由である。

太陽エネルギーを利用出来る形態のエネルギー
に変換する充分に高い潜在能力を役立たせるため
には、太陽光コレクターが高い効率のものでなけ
ればならないことは明らかである。レンズを通し
て伝達されるエネルギーの10％又は20％の損失
は、装置が単に加熱目的のためのみに使用される
か、或は光を空調、発電またはその他の目的に有
効なエネルギーに変換するために使用されるかに
関して、しばしば重要である。従来は、構造が簡
単という理由で平板状のコレクターが使用されて
いた。しかし、平板状コレクターは大きな面積と
大きな熱吸収装置とを必要とし、集光効率が非常
に低かつた。熱吸収装置は腐食を最少限とするた
めにしばしばステンレス鋼や銅で作られ、それ故
に製造するのに極めて高価である。

現在使用されているフレネルレンズはレンズを
通して伝達される光の損失が大きく、これは主に
プリズム面における反射に原因している。この大
きな反射損失が集光効率を大巾に減じてしまう。

従つて、非常に高い伝達能と、可能な限り短い
焦点距離とを有する太陽光集中装置を作ることが
熱望される。このような集中装置は最小のコスト
にて高い集光効率を達成できる。以下に説明する
新規な集中装置はこれらの有益な特徴を備えたも
のである。

本発明の目的は、光がレンズの個々のプリズム
を通過する際の反射損失を最小限にし、これによ
りレンズを通る光の伝達能を最大にする、太陽エ
ネルギー集中装置に使用するためのプリズムレン
ズを提供することである。

本発明の他の目的は、最小限の容積空間にて最
大限のエネルギー量を得ることが出来、高価な支
持構造に載せることなく屋根の上に置けるように
軽量で、かつ高い効率でエネルギーを集中させる
ことのできる太陽エネルギー集中装置を提供する
ことである。

本発明によれば、太陽エネルギー集中装置すな
わちコレクターに使用するための新規なフレネル
型の湾曲プリズムレンズが提供される。一般的
に、このコレクターは断熱材よりなるハウジング
の底部にエネルギー受取装置が配置され、プリズ
ムレンズがハウジングの開放頂部を横断して固定
されて光をエネルギー受取装置へ向けるようにな
つており、このエネルギー受取装置は光電セルの
ような熱吸収装置あるいはその他の装置とされる
ものである。

レンズは実質上滑らかで凸状の外面を有し、レ
ンズの湾曲した外面に沿つて並置された複数のプ
リズムを備え、平行な入射太陽光をエネルギー受
取装置が占める焦点領域へ向ける。このレンズ
は、曲線状の外面に沿つて配置されたそれぞれの
プリズムからエネルギー受取装置までの半径方向
距離がこれらプリズムの相対位置に応じて異なる
ように形成される。

個々のプリズムは前面と、焦点領域に向いた第
１の裏面と、前面と第１の裏面をつなぐ第２の裏
面とを備え、これら前面と第１の裏面は前面を通
る光の入射角が第１の裏面を通る光の屈折角と実
質的に等しいように配置されている。この入射角
と屈折角が等しいことは光成分の反射損失を最小
限に抑え、従つて各プリズムそしてレンズを通る
光の伝達能を最大となす。各プリズムはさらに隣
接プリズムを通過する光を遮断しないように配置
されており、方向誤差および各プリズムの裏面の
間の尖端が丸まつて光の通過を妨げることを補償
するために、各プリズムの第２の裏面がそのプリ
ズム内を通る光の経路と該第２の裏面に隣接する
プリズムを出る光の経路との間に延在している。

このレンズは、同じＦ数で同じ材料成分の他の
いかなるレンズよりも光伝達能が高い。このレン
ズは1.0よりも充分小さなＦ数として設計するこ
とが出来、従つて太陽エネルギー集中装置の全高
は最小となり、装置を作るに必要な材料の量を減
少することが出来る。レンズの焦点距離が短いこ
とは方向誤差の影響を軽減する。このレンズは
260℃（500〓）迄の温度を作るための直線焦点コ
レクターに使用出来、また538℃（1000〓）迄の
温度を作るために点焦点コレクターに設計するこ
とが出来る。

本発明のその他の目的は以下の説明および添付
図面を参照することによつて明白となろう。

本発明の好ましい具体例の図面は本発明がより
充分に理解されるように添付されている。

図面の第１図および第２図を参照すれば、コレ
クター２０はプリズム線状レンズ２２を用いて光
のエネルギーを集中するために使用される。線状
レンズ２２は、入射した日光を、同レンズの焦点
平面内にほぼ位置する焦点領域７６へ向ける。線
状レンズ２２の焦点領域に一致するエネルギー受
取装置を用いて、種々の使用目的のために光のエ
ネルギーを熱に変換することは一般に実用化され
ている。太陽エネルギー集中装置すなわち太陽光
コレクターにおいて、エネルギー受取装置は一般
に第１図および第３図に示すような吸収装置で、
この吸収装置はフイン２６を備えた中空の細長い
チユーブ２４から成り、これ等フイン２６はチユ
ーブ２４の両側に固定され、日光をより効率的に
吸収するようにクロームブラツクのような黒い被
覆で被覆されている。チユーブ２４は通路２８を
有し、この通路を通して熱交換媒体が熱を吸収す
るように流れる。

チユーブ２４はスペーサ３０の上に乗つてお
り、これ等のスペーサがチユーブ２４を内部ハウ
ジングから一定の間隔で離している。ハウジング
は先端を切除したほぼＶ字型の内部ハウジングＩ
から成り、このハウジングが側壁３６および３８
を有し、側壁３６および３８は、外部ハウジング
の壁４２および４４と底部４６とから間隔を置い
た内部底部４０によつて連結されている。断熱材
４８の層が内部ハウジングＩと外部ハウジングＯ
との間に配置され、エネルギー受取装置から熱が
移動して逃げることを防ぐようになつている。断
熱材４８はガラス繊維または他の適当な材料から
作られている。凹面状の透明カバー５０がチユー
ブ２４の上面にかぶさるように側壁３６および３
８の下端部に形成された長手方向の通路５２に配
置され、レシーバーチユーブ２４からの熱損失を
少くするようになつている。

Ｃ型チヤンネル５４が外部ハウジングの側壁４
２および４４の上端部に形成されており、頂部を
共に結合するように内部ハウジングの側壁３６お
よび３８と連結されている。チヤンネル５４はコ
レクター２０の側壁に沿つて長手方向に伸長す
る。レンズ２２の縁部を受入れるための溝５８を
備えた弾性ガスケツト５６が、Ｃ型チヤンネル５
４に長手方向に配置されている。ガスケツト５６
は風雨に耐えるシールを形成して、雨、ちりおよ
び腐食からコレクター２０の内部を保護するよう
になつている。端部パネル６０が内部ハウジング
の側壁３６および３８と外部ハウジングの側壁４
４および４２との各端部を横切るように配置さ
れ、コレクター２０を密閉し断熱するようになつ
ている。チユーブ２４₁はパネル６０の下端部か
ら外方に通つている。チユーブ２４₁は、コレク
ター２０がスプロケツト９８により回転して太陽
を追跡できるように、可撓性チユーブとすること
もできる。

第２図に最もよく示すように、端部チユーブ２
４₂の連結部６２はパイプ６４に取付けられ、パ
イプ６４がポンプ６６の出口に連結される。パイ
プ６８がポンプ６６の入口と、入口を備えた熱交
換器７０の出口との間に接続される。パイプ７２
が熱交換器７０の入口と柔軟なチユーブ２４₁と
の間に連結される。熱交換媒体はパイプ６４′，
６８とコレクター２０のチユーブ２４とを介して
ポンプで送られ、熱交換器７０を加熱する。熱交
換器７０は他の熱交換媒体が通る入口パイプ７４
と出口パイプ７６とを有し、これらのパイプが、
集められた太陽熱を空調等に使用する装置へ連結
するようになつている。熱媒体を使うための種々
の形式の配置が可能であり、技術的にもよく知ら
れており、また第２図に示す具体例がこのような
配置の単なる１例にすぎないことは明らかであ
る。曲型的な熱交換媒体は水である。コレクター
の回転軸線は通常、太陽の追跡を容易にするため
に地球の極軸に対し平行となされる。

第１図、第８図および第９図に最もよく示すよ
うに、プリズム線状レンズ２２は、複数のプリズ
ム７８の前面７４により形成された湾曲外面を有
する。プリズム７８は、最も外側のプリズム７８
_１から最も内側のプリズム７８₁₁まで、第８図に
示すように配置されている。これ等プリズム７８
はＸ―Ｙ軸の交点に対応する焦点領域へ光を集中
するように配置される。レンズ２２の内面は複数
のプリズム７８₁〜７８₁₁の残りの面により形成
されていて、プリズムの各々はレンズの外面に相
当する前面７４、第１の裏面８０および第２の裏
面８２を有し、第９図に最もよく示すように実質
的に先端を切除した三角形断面を有する線状プリ
ズム要素７８を形成する。第９図に示すように、
点線で示したプリズムのベースライン８４はレン
ズ２２の前面７４に平行であり、前面７４に等し
い長さを有する。レンズの湾曲外面すなわち外側
曲面が前面７４の短い直線部分から構成されて曲
面を呈していることが容易にわかる。前面７４の
長さは実用上可能な限り短くなるように最小とす
ることが理想的で、レンズ構成上実質的に曲面と
され得るものである。

前面７４は、第８図および第９図に点線で概略
的に示した日光の平行入射光線８６および８８に
対して、角度B₁をなすように配置される。各プ
リズム７８は、前面７４に対する入射光線の入射
角B₁がプリズム７８の第１の裏面８０に関して
出射光により形成される屈折角B₂に等しくなる
ように配置されて、各プリズム７８はレンズ２２
の内面に沿つて配向され、特定の偏角A_Fで光を
屈折させる。この角度A_Fはレンズ２２のＹ＝一
定の軸線２３と光線８８との間の角度で、プリズ
ム７８₁〜７８₁₁の各々を通る光を焦点領域７６
へ送るようになつており、この焦点領域はエネル
ギー受取装置の上面と一致していることが好まし
い。光線がプリズムを通過する際、前面７４およ
び第１の裏面８０に対する日光の入射角B₁と屈
折角B₂が等しい場合、光の透過率が最大となり、
それ故レンズ２２およびコレクター２０の効率は
最大となる。

第２のプリズム７８₂はA_Fより若干小さな偏角
A_F′を有する。この場合も、前面７４および第１
の裏面８０に対する入射角B₁′および屈折角B₂′は
等しいが、これらの角度は入射角B₁および屈折
角B₂とは異なる値である。光の透過率を最大に
するために角度の組が各プリズム７８₁−７８₁₁
ごとに変化しているこことが容易にわかる。

プリズムが小さくなるレンズ２２の中央部分に
おいて、両凸面の線状レンズ９０を設け、同レン
ズ９０をレンズ２２の軸線２３に垂直に配置する
ことが好ましい。ほぼ短形の縁部９２が最も外側
のプリズム７８₁に隣接して設けられ、ガスケツ
ト５６の溝５８に嵌合する。

レンズ２２は軸線２３に対して対称であり、レ
ンズ２２の残りの半分は第８図に示す一方の半分
の鏡像である。

第９図に最もよく示すように、レンズ２２の各
プリズム７８の頂部９４は若干丸くなつている
が、その理由は、レンズがガラスまたはアクリル
のような透明な材料からモールド成形されてお
り、このような成形では、材料が硬化する際に材
料の表面張力が面８０および８２を接合している
先端部分９４を丸めるからである。従つて、先端
部分９４は、構成を示す目的のために点線で示さ
れているように完全にとがつているわけではな
い。

後段で詳述するが、このレンズの設計によつて
レンズを通るエネルギーの透過率を最大にするこ
とができ、一方では、レンズ２２の焦点距離を若
干負から正の無限大までの範囲のＦ数を持つよう
に設計することが可能となる。レンズ２２はＦ数
が1.0またはそれ以下で、90％以上の光の透過率
を維持するように設計されている。本文におい
て、Ｆ数は焦点距離をレンズ横断面の長さ、すな
わち一方の縁部から他方の縁部までの距離で割つ
たものとして定義され、例えば、第８図のレンズ
ではx₁／2y₁であり、第８図において、焦点距離
は焦点とレンズ横断面の一方の縁部から他方の縁
部を通る仮想弦との間の距離であり、このような
弦は軸線２３を垂直に通るものである。

実際の使用時においては、プリズム７８が第８
図に示すものよりより小さくてより数が多く、材
料を節約しかつレンズの軽量性を維持するように
なるであろうことも明らかである。

前面７４および第１の裏面８０のそれぞれに対
して入角度B₁＝屈折角度B₂の場合に透過率が最
大になることを証明するために、下記の証明が行
われた。

個々のプリズムの屈折現象を考察すると、 B₁＝第１のプリズム面における入射角 B₂＝第２のプリズム面における屈折角 A_F＝光線の偏角ｎ＝プリズム材料の屈折率である。

スネルの法則から、次のことがわかる。すなわ
ち、 (1) A_F＝B₁−sin^-1（sinB₁／ｎ）＋B₂ −sin^-1（sinB₂／ｎ）アクリル樹脂のような非吸収性材料から作ら
れた薄いフレネルレンズに関しては、光の吸収
損失が光の反射損失に比べて小さい。さらに、
日光のような偏光していない光に対しては、基
礎的電磁気理論から、プリズムの単一面の反射
率は下記の方程式で支配されることを示すこと
ができる。

(2) P₁＝sin²｛B₁−sin^-1（sinB₁／ｎ）｝／2sin²｛B₁＋sin^-1（sinB₁／ｎ）｝＋tan²｛B₁−sin^-1（sinB₁／ｎ）｝／2tan²｛B₁
＋sin^-1（sinB₁／ｎ）｝ (3) P₂＝sin²｛B₂−sin^-1（sinB₂／ｎ）｝／2sin²｛B₂＋sin^-1（sinB₂／ｎ）｝＋tan²｛B₂−sin^-1（sinB₂／ｎ）｝／2tan²｛B₂
＋sin^-1（sinB₂／ｎ）｝ここで、P₁は第１のプリズム面における反
射率であり、 P₂は第２ののプリズム面における反射率で
ある。プリズム内での光の吸収がないと仮定す
ると、全体のプリズムの透過率（Ｔ）は次の通
りである。

(4) Ｔ＝（１−P₁）・（１−P₂）Ｔが最大である場合、その微分は零となる。

(5) dT＝（１−P₂）・ｄ（１−P₁）／dB₁・dB₁ ＋（１−P₁）・ｄ（１−P₂）／dB₂・dB₂＝０Ａ _Fの固定した所定値に対し、方程式(1)を
微分することができ、次の通りとなる。

(6) dB₁〔１−ｄ｛sin^-1（sinB₁／ｎ）｝／dB₁〕＝−dB₂〔１−ｄ｛sin^-1（sinB₂／ｎ）｝／dB₂〕さて、B₁＝B₂の時、方程式(6)は下記の通り
となる。

(7) dB₁＝−dB₂ さらに方程式(2)および(3)から、B₁＝B₂の場
合、P₁＝P₂であり、ｄ（１−P₂）／dB₁＝ｄ（１−P₂）／dB₂である。従つて、方程式(5)は、 (8) dT＝０となる。このようにB₁＝B₂の時、透
過率Ｔの極値が存在する。この極値が最大値で
あることを確認するために、２次微分を行い、 B₁＝B₂，dB₁＝1dB₂，P₁＝P₂， dP₁／dB₁＝dP₂／dB₂， d²P₁／dB₁ ²＝d²P₂／dB₂ ²に対し適当な置換をすれば、 (9) d²T＝−２（dP₁／dB₁）²・（dB₁）² −２（１−P₁）・（d²P₁／dB₁ ²）・（dB₁）² となる。

それ故に、Ｔは(10)の場合にのみ最大となる。

(10) （dP₁／dB₁）²＋（１−P₁）＋（１−P₁）・（d²P₁／dB₁ ²）＞０方程式(2)によつて定義される曲線はB₁のすべ
ての値に対し上方に凹状であるので、方程式(10)が
成立し、それ故、前面７４での太陽光線の入射角
B₁が第１の裏面８０における太陽光線の屈折角
B₂に等しくて、物理光学の法則によつて許容さ
れる最も高い透過率Ｔをを達成するように、各プ
リズム７８を構成しなければならない。このこと
は、本発明による新しいレンズに個々のプリズム
を形成する際の基本原理である。

第９図に、１つのプリズムに対する太陽光線が
点線８６および８８によつて概略的に示されてお
り、これ等点線が単一のプリズム７８を通る単一
光線の巾を示している。第９図に最もよく示すよ
うに、プリズム７８の第２の裏面８２が、線８８
により示されるプリズム７８中の光の経路を越え
て延びているものの、線８６′によつて示された
隣りのプリズム７８₂から出る光の経路には届か
ないようになつていることがわかる。光線が点
（X₄，Y₄），（X₅，Y₅）および（X₆，Y₆）（第９
図）によつて形成される三角領域を通らず、それ
故に、光線が第２の裏面８２を通らず、すなわち
第１の裏面８０および第２の裏面８２の間に形成
された先端部分９４を通らないことも明らかであ
る。

最も外側のプリズム７８の第１の裏面８０およ
び第２の裏面８２の交点として方程式により定義
される点（X₅，Y₅）は、実際にはこれ等の面の
交点が丸められた先端分９４を形成しているの
で、単なる構成上の点にすぎない。

先端９４が丸められているのは、ガラスまたは
アクリルのようにレンズ２２を形成するために通
常使用される溶融材料が表面張力を有しており、
モールド成形過程で先端を丸めるからである。プ
リズム７８の第２の裏面８２を余分に延してこの
現象を補償し、光が丸められた先端部９４と交差
して透過性の低下を招くことを防止する必要があ
る。さらに、第２の裏面８２の余分の延長は、レ
ンズを目標に向ける場合の誤差やレンズを作る際
に生じる誤差の影響を減少するのに役に立つ。第
９図に示す角度は明確に示すために拡大されてお
り、図面は実際のものに比例していない。このよ
うに第９図には明示していないが、光線８６およ
び８６′は焦点領域で交差する。

レンズ２２を構成するプリズム７８の前面７
４、第１の裏面８０および第２の裏面８２の向き
を決定する一つの方法が、第１０図に最もよく示
される。この方法は、極座標系の方程式を利用し
て標準的なＸ−Ｙ座標系の上部四分円の面７４，
８０および８２を定義するものである。レンズ２
２の焦点７６′は、Ｘ−Ｙ座標系の原点に配置さ
れる。

前面７４は以下のように、ｄ＝（n²＋８）^1/2／２＝ｎ／２と定義される。

次に、ｒ／r₀＝｛（ｄ＋２）／（ｄ＋2cosｕ／２）｝^4/(d2+2) ×｛（１／ｄ）／（１−ｄ cosｕ／２）｝^2d2/(d2+2) は前面７４の曲線を定義するものであり、r₆は任
意の積分定数である。

プリズム７８の第１の裏面８０は以下のように
定義される。すなわち、ｒ／r₁＝｛（ｎ−１）／（ｎ cosｕ／２−１）｝² が裏面曲線を定義し、r₁は任意の積分定数であ
る。

プリズム７８の第２の裏面８２は偏角A_Fの3/4
であることが好ましく、これはｒ／r₂＝｛１／sin（ｕ／４）｝⁴として表され、 r₂は任意の積分定数である。

前面７４、第１の裏面８０および第２の裏面８
２を定義する曲線を表した上記の３つの式は、各
プリズム７８の前面７４および第１の裏面８０に
おける入射角B₁およ屈折角B₂が等しく、かつプ
リズムの底面８２が適切に延長されているという
条件で、光の屈折問題に関するシユネルの法則に
対応する微分方程式を書き、続いて解くことによ
つて導かれた。これらの微分方程式の各々は発明
者によつて導き出され、解析的に解かれ、第１０
図に示した積分解曲線により表されている。所望
の積分定数に応じて無数の曲線を作ることができ
ることも容易にわかる。このように、いかなる所
望寸法および位置プリズムでも上式によつて定義
できる。例えば、プリズム４７８はこのような変
更例のプリズムを示す。しかしながら、レンズを
構成するプリズムが互に他方のプリズムを妨害し
たり、他方の影になつたりしないことが望まし
い。従つて、プリズムは共通の外側曲面に沿つて
選択されなければならない。この形状によつて、
各プリズムは他のプリズムに妨害されたり、影を
作られたりせずに最大の透過率を有する。そのた
め、このようなレンズは、同じ寸法、同じ焦点距
離および同じ材料組成の他のレンズよりも高い透
過率を有する。

プリズム７８′₁−７８′₁₉の各々は、上述の方
程式によつて定義される曲線の交線を表してい
る。

任意の積分定数r₀，r₁およびr₂で規制される曲
線の間の距離を変更することによつて、各プリズ
ム７８′の寸法と形状を変え得ることは明らかで
ある。

加えて、実用上は、先端を切除した形態のレン
ズが形成されるようにこれ等曲線によつて形成さ
れたプリズムの１部分のみを使用することが望ま
しい。

さらに、第１０図に示すように、符号８６で示
す点線により概略的に示された光線は、プリズム
７８′₅または４７８のいずれかを通過することが
できる。光線が例示のプリズム４７８および７
８′₅のいずれかを通過する際、偏角A_F5は他方の
プリズムで曲げられた光線の偏角A′_Fとは異なる。
しかし、プリズム４７８または７８′₅のいずれも
所定の偏角A_Fで光線を曲げており、前面７４ま
たは７４′のいずれかに対する入射角B₁はプリズ
ム４７８および７８′₅のいずれかの第１の裏面８
０に関する屈折角B₂に等しいことが容易にわか
る。

Ｘ＝rcosuおよびＹ＝γsinuという標準座標変換
を利用すれば、Ｘ軸線が入射光に平行であるよう
なＸ−Ｙ座標系に曲線をプロツトすることができ
る。図示する如く、異る積分定数r₀，r₁およびr₂
に対して式から面７４，８０および８２を定義す
る曲線は無数にある。光線の各々はＸ−Ｙ軸の交
点に対応する焦点領域７６′へ送られる。各プリ
ズム７８をこのような配置にすることによつて、
前面７４と第１の裏面８０における入射角と屈折
角が等しくなり、それによつてレンズ２２の最大
の透過率を確実にする。

プリズム７８の第２の裏面８２は、Ｙ軸に対し
３／４A_Fに相当する角度で配置されることが最善で
ある。第１０図は上部四分円を示しているだけで
あるが、Ｘ軸が上半分と下半分の間を通るものと
すれば、レンズ２２の下半分は上半分の鏡像であ
る。従つて、レンズを定義するためにさらに曲線
を計算する必要はない。

レンズ２２を形成する他の方法として、表６に
示す一連の式が直角座標系における個々のプリズ
ム７８を定義する。表７の一連の式は、図面の第
８図に示すような全体のレンズ２２を構成する方
法を定義している。各式は断面に沿つた一連の点
を定義し、これ等の点は連結されてレンズ２２を
形成する。

レンズを定義する両方の方法は、点焦点レンズ
または線焦点レンズに対して等しく有効である。
線焦点レンズの場合、上記の変数Ｙは標準の直角
座標である。各焦点レンズに対して、変数Ｙは軸
対称レンズの半径方向の座標である。線焦点およ
び点焦点レンズの断面は同一であり、従つて計算
も両方に対し同一である。

表６１（X₁，Y₁）は希望のプリズム位置を定義す
るために選択された点である。

２ｌはプリズムの所望の斜の高さに等しいよう
に設定される。

３ｔはプリズムの所望の斜のベース厚さに等し
く設定される。

４ａは次の法定式の根として計算される。

sin〔tan^-1〔y₁−ｌ／２cos｛ａ−sin^-1（ｎ−sin
ａ／２）｝／x₁−ｌ／２sin｛ａ−sin^-1（ｎ sinａ／
２）｝〕＋ａ−sin^-1（ｎ sinａ／２）〕＝ｎ sinａ
／２５Ｖは、Ｖ＝sin^-1（ｎ sinａ／２）−ａ／２として
計算される。

６ A_Fは、 A_F＝tan^-1｛y₁−ｌ／２cos（ａ／２−Ｖ）／x₁−ｌ／２
sin（ａ／２−Ｖ）｝として計算される。

７Ｂは、Ｂ＝ａ／２＋Ｖとして計算される。

８ｎはプリズム材料の屈折率である。

これ等座標、距離および角度は、全体としてプ
リズムの形状、位置および向きを定義する。

光が頂点（x₄，y₄），（x₅，y₅）および（x₆，
y₆）を備えた三角形を形成しているプリズム部分
を通らないことに注目すべきである。それ故に、
プリズムの第２の裏面に光が入射することによ
る、またはプリズムの点（x₅，y₅）に光が当るこ
とによる光の透過率の損失はない。

表７１レンズの所望の焦点距離ｆを選択する。

２所望のレンズ横断面の長さ（線焦点レンズ）
または直径（点焦点レンズ）ｗを選択する。

３最も外側のプリズムに対し、x₁＝ｆとし、y₁
＝ｗ／２とする。

４表６の方法に従い、この（x₁，y₁）に対する
最外側のプリズムを計算する。

５この最外側プリズムの設計を終了した後、表
６の計算過程で（x₁，y₁）の代りに点（x₄，
y₄）を用いて、次のプリズムの設計計算を行
う。

６第２のプリズム７８₂の設計計算を行うと、
（第８図）の点（x₁₀，y₁₀）が判明する。表６
の計算過程で（x₁，y₁）の代りに点（x₁₀，
y₁₀）を用いて、第３のプリズムの設計計算を
行う。

７光軸すなわち受光軸線に達するまで、プリズ
ムからプリズムへとレンズ設計の計算を続け
る。所望ならば、簡単な両凸面レンズを、第８
図に示すように受光軸線近くの最後の数枚のプ
リズムの代りに用いることができる。

８受光軸線より下方のレンズの設計形状は、同
軸線上方のレンズ設計形状の正確な鏡像であ
る。

９第９図を参照すれば、レンズの彎曲外面は、
（x₂，y₂）から（x₃，y₃）までの線分のような
直線部分から成つている。しかし、これらの直
線部分を滑らかな曲線に修正して、第８図に示
す如く滑らかな、連続する凸状外面を形成する
ようにすれば、レンズの性能が悪くなることは
なく、改善される。実際には、プリズムが非常
に小さいので、細かい直線部分が集合したもの
と連続曲線とを区別することは、ほとんど不可
能である。

10 このレンズ設計の定義方法は、いかなる適当
な焦点距離およびレンズ横断面の長さに対して
も有効であり、線状のフレネルレンズおよび円
形のフレネルレンズに対しても等しく有効であ
る。

表６および表７を用いれば、表６の計算を行
い、三角関数を使用して各点を計算し、レンズの
交点の各点を配置することができる。第８図およ
び第９図に示すように、レンズ２２の各点はＸ軸
に至るまで数学的に計算されて構成されている。
これまで説明してきたように、両凸面のレンズ９
０をＸ軸に垂直にレンズ２２の中央に形成しても
良い。

レンズの材料は、約1.491の屈折率を備えたア
クリルプラスチツクとして周知のメチルメタクリ
レートのような材料であることが好ましい。この
材料は種々の品質のものを利用でき、デラウエア
のウイルミングトンのE.I.デユポンによつて製造
された「ルーサイト」、またはフイラデルフイア、
ペンシルバニアのローム・ハースカンパニーおよ
びその他の会社の「プレキシグラス」として商標
登録されて市販されている。このレンズを構成す
るために使用され得る他の材料は、屈折率1.590
のポリスチレン、または屈折率1.586のポリカー
ボネート、または商品名NASとして売られてい
るメタクリレート・スチレン・コポリマーであ
る。これらの材料は通常のモールド成形方法を用
いてダイ型から押し出され、線状形態のレンズを
形成するようになつているか、或は、材料はカレ
ンダー加工されて周知の製造方法で所定の曲面に
彎曲されても良い。レンズ２２の横断面の長さ
（所定巾）は種々の要因に依存するが、30〜120cm
（１〜4feet）の範囲で、Ｆ数が約0.2〜1.0である。

フレネルレンズを用いたコレクター２０が日中
効率よく作動するためには、空を横切る太陽の見
かけの運動を追跡し、それによつてレンズをほぼ
太陽の方向へ常に向くように保持することが一般
に必要である。太陽の見かけの運動は、日中１時
間当り約15度の割合で東から西に昼間運動するこ
とによつて特徴づけられる。この運動を極軸に取
付けたコレクターによつて追跡することができ、
この極軸は地球の回転軸に平行な軸線である。こ
のような軸線は、その地方の緯度だけ赤道に対し
て傾むいた北−南線に沿つて配置される。本発明
の新しいコレクターはこのような極軸を中心に回
転するように取付けることができ、自動案内装置
が常にレンズを太陽に向いた方向に保持するよう
になつている。この昼間運動に加えて、太陽は、
太陽光線が極軸となす角度である赤緯角の季節的
変化を行う。周知のように、この変化は比較的小
さく、約±23.5度から０度までの量である。この
ように、昼夜平分時では、赤緯角は零であり、極
追跡装置はレンズを常に正しい角度に保持するよ
うになつている。しかし、夏至の時、赤緯角はプ
ラス23.5度であり、極追跡装置はレンズを常に太
陽の下方23.5度に向くようにする。さらに、冬至
の時、赤緯角がマイナス23.5度であるので、極追
跡装置は太陽の上方23.5度へレンズを常に向けて
おくようにする。昼夜平分時と、夏および冬至と
の間では、赤緯角は０からプラスまたはマイナス
23.5度の間で変化する。これらの運動はこの分野
で周知である。使用上の必要性に応じて本発明の
新規なコレクターに使用するのに最も適している
と思われる３つの追跡機構がある。最も簡単なも
のは、赤緯角の変化に対して何の補正も行わず
に、極軸を中心として単に追跡するだけのもので
ある。追跡を行うためには、エネルギー受取装置
は通常の小さい寸法よりも大きな寸法で製作され
て、赤緯角の変化による焦点位置の変化を補償す
るようになつていなければならない。このような
追跡装置を用いる場合、エネルギー受取装置は通
常の位置よりも若干上方のレンズにより近い位置
に配置され、赤緯角の年単位の全体変化に対して
最小の寸法となるようにされる。第２の追跡方法
は２方向追跡装置を使用するもので、季節毎に生
ずる赤緯角の変化を補正するようになつている。
これは、第２の自動駆動装置を加え、南の方への
コレクターの傾斜を変化させて常に太陽を向くよ
うにすることで達成される。勿論、この装置は簡
単な極追跡装置よりも複雑で費用のかかるもので
ある。第３の追跡方法は焦中度のレベルを高くす
る必要のある場合に好適で、コレクター内のエネ
ルギー受取装置の位置を手動でまたは自動的に調
整する装置と組合された簡単な極追跡装置を使用
するものである。この装置では、昼夜平分時に、
エネルギー受取装置はレンズの真の焦点部分に配
置される。至の時には、赤緯角がプラスまたはマ
イナス23.5゜であるので、レンズの見かけの焦点
距離はＦの正常値からFcos23.5゜、すなわち
0.917Fの値まで減少する。エネルギー受取装置が
レンズに対して0.917Fとなるように調整された場
合、ほぼ完全な焦点合わせが終日行われる。この
ように、この第３の好ましい追跡装置はコレクタ
ー内でエネルギー受取装置の位置を変化させて、
エネルギー受取装置をFcosDの位置に保持するよ
うになつており、ここでＤは赤緯角である。赤緯
角はゆつくり変化しているので、エネルギー受取
装置の位置を日ごと、または週ごとに補正すれ
ば、非常に正確な焦点合わせを十分に行える。エ
ネルギー受取装置位置の手動調整または自動調整
装置は、多くの費用をかけることなく設けること
が出来る。この追跡方法は２方向の追跡装置と同
等の焦中度を提供する。

多くの型式の追跡装置が利用でき、また技術的
にもほぼ周知のものである。第２図に概略的に示
すように、このような装置はモータ９４を有し、
モータ９４はチエーン９６によりコレクター２０
のスプロケツト９８へ駆動連結されている。コレ
クター２０は、スタツブシヤフト９７に取付けら
れた軸受（図示せず）によつて支持される。コレ
クター２０は光検知装置１００を備え、この検知
装置は太陽に向うように互に約60度の角度でベー
スに設置された２つのシリコン光セルから成る。
一方のセルが他方よりも多くの光を受けると、制
御装置１０２に設けた回路が不平衡となり、モー
ター９４を付勢して、回路が再び平衡状態となる
までコレクター２０を回転させる。

第１３図は、アクリルプラスチツクのような材
料で作られたレンズ２２の種々のＦ数に対する透
過率の百分率を示すグラフである。0.3のＦ数の
レンズが約90％の透過率を有し、この透過率がＦ
数の増加と共に約92.4％まで増加していることが
わかる。同じ材料から作られた他のプリズムレン
ズでこの透過率曲線に等しいかまたはこれを越え
るものはない。このように、本発明による新しい
レンズは焦点距離が小さいと共に、可能な限り最
高の性能を提供する。それ故に、小型で安価で効
率の良い太陽ネルギー焦中装置すなわちコレクタ
ーを、本発明の新しいレンズを用いて製造するこ
とができる。

第１４図は、本発明の新しい設計による他のレ
ンズの拡り角度に対する光の集中度を示すグラフ
である。線１０４は１方向の極追跡を行う線状レ
ンズを、線１０６は２方向追跡を行う線状レンズ
を、また線１０８は２方向追跡を行う点焦点レン
ズ１２２を示している。本文における集中度と
は、レンズの開口面積をエネルギー受取装置面積
で割つた割合として定義される。第１４図に示す
性能を具体化するレンズはすべて0.5のＦ数を有
し、これは高い集中度レベルを達成するために好
ましい値である。

技術的に周知のように、第１４図に示す拡り角
度は、0.53度であることが知られている太陽デイ
スクの角直径と、レンズ製造の誤差と、色収差
と、追跡誤差とを含むものである。拡り角はアク
リルプラスチツクでは２度であり、この時のＦ数
は1/2である。このように、約800サン（suns）、
30サンおよび13サンのの集中度が、第１４図のグ
ラフ上にプロツトされた３つのレンズの具体例で
達成可能である。誤差がすべて０で、非分散材料
がレンズに使用された場合、これらの理論集中度
は0.53の拡り角度に対してそれぞれ約11，600サ
ン、108サンおよび18サンとなるであろう。

これまで述べてきたように、追跡装置が昼間お
よび季節で変化する太陽の位置の変化を補償する
ために使用され得る。

第１図に示す如き、東から西への１方向追跡装
置を用いた線状コレクター２０は260℃（50〓）
以上の温度を発生することができ、この温度は加
熱、空調等の用途に熱エネルギを提供するのに十
分である。

約538℃（1000〓）の高い温度を発生するため
には、点焦点装置の使用が一般に必要である。第
１１図および第１２図に示すように、点焦点レン
ズ１２２は、円形の側壁１４２と底部１４６とを
有する円錐形ハウジングと共に用いられている。
レンズ１２２は、ラバーガスケツト１５６の溝１
５８に配置された端部１９２を有する。環状ガス
ケツト１５６が、外部ハウジング１４２とその頂
部の内部ハウジングとの間に形成された環状チヤ
ンネル１５４の中に配置されている。内部ハウジ
ング１３６は、レンズ１２２の焦点領域１７６に
隣接して形成された内底部１４０を備える。断熱
材１４８が、内部ハウジング１３６と外部ハウジ
ング１４２との間に形成された空間の中に配置さ
れている。レンズ１２２は、同レンズが両凸面レ
ンズ１９０を備えた環状プリズム１７８₁〜１７
８₁₁を形成されており、このレンズ１９０がレン
ズ１２２の中心部に受光軸線１２３に垂直に形成
されている点を除いて、線状レンズ２２と同様に
構成されている。プリズム１７８の各々は前面１
７４と、第１の裏面１８０と、前面および第１の
裏面をつなぐ第２の裏面１８２とを有する。光が
レンズ１２２を通過する際、レンズ１２２は前面
１７４および第１の裏面１８０に関して入射角
B₁（90゜−C₁）および屈折角B₂（90゜−C₂）を等しく
するように光を集中し、光を焦点領域１７６に集
中させる。この焦点領域１７６には熱吸収装置が
あり、この熱吸収装置は熱移送媒体が熱を吸収す
るために通るコイル状スチールパイプ１２４から
成る。この型式の吸収装置は空洞ボイラーとして
知られており、光はこのボイラーに約1000サンの
集中度で集中して、538℃（1000〓）以上の温度
を生ずる。空洞ボイラーは、セラミツクデスク１
３０によつて内部ハウジング１３６から隔てられ
ている。

レンズ１２２によつて生成された高温は、発電
用の太陽エネルギーエンジンに使用される。この
型式のレンズ１２２は一般に、Ｆ数0.5で300〜
1500サンの平均集中度を達成するために、２方向
追跡装置を用いて使用される。

線状コレクター２０用のエネルギー受取装置の
変形例が、第４図ないし第７図に示されている。
第４図に示すように、裸の丸いチユーブ２４に
は、熱交換媒体を通す通路が内部に形成されてい
る。スペーサー３０′は、丸く形成された底部４
０′からチユーブ２４′を隔てるために使用され
る。

チユーブ２４′の上面は、レンズの焦点領域７
６にほぼ整合している。

エネルギー受取装置の第２の変形例が、第５図
に示される。第５図において、一対の平坦な或は
彎曲した鏡２０１および２０２が、それ等鏡の上
方縁をレンズの焦点領域７６の水平面と整合させ
るように、互に間隔を於いて斜に配置されてい
る。鏡２０１および２０２はコレクター２０内を
長手方向に延在するチヤンネル２０３を形成し、
これらの鏡によつて、コレクター２０の底部に形
成されている狭い円形溝２０４の方向へ下方に光
を反射するようになつている。スペーサー２３０
によつて支持された非常に小さな金属製チユーブ
２２４が長手方向の溝２０４に整合しており、チ
ユーブ２２４の表面へ光が反射されて、チユーブ
２２４の内部の通路を通る熱交換媒体を加熱する
ようになつている。

第６図には、所望でないならば、断熱材を一般
に必要としない熱交換装置の第３の例が示され
る。エネルギー受取装置は中空チユーブ３２４か
ら成り、チユーブ３２４はガラス、アクリル等で
構成された透明チユーブ３３０から隔てらてい
て、これらチユーブの間に環状空間３３２を形成
する。チユーブ３２４はレンズの軸線に沿つてレ
ンズから間隔を置いて配置され、光線８６を焦点
領域７６のチユーブ３２４表面に集光するように
なつている。望むならば、チユーブ間の環状空間
を真空にして、それによりチユーブ３２４からの
熱損失を減らしてコレクターの効率を良くするこ
ともできる。

第７図には、光電セル４２４がレンズの焦点領
域７６に沿つて長手方向へ配置され、光が焦点領
域でセル４２４に当るようになつている第４の例
が示される。セル４２４は、内部に通路４３２を
形成した金属の熱交換器４３０に固定されてお
り、この通路を冷却手段が通つて光電セル４２４
の過熱を防止し、他の目的に使用する加熱流体を
生成する。種々の型式の適当なセルを使用するこ
とができる。セルは一般に、硫化カドミニウムセ
ルまたはシリコンセルのような半導体から成る。
このような光電セルは集められた日光から直接電
気を作り出し、この電気は通常の装置の動力とし
て使用できる。光電セルが現在のところ高価であ
るため、本発明の新しいコレクターに光電セルを
使用することは経済的利点を提供する。何故なら
ば、コレクターレンズの大きな開口面積に対し
て、小面積のセルで十分であるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は太陽エネルギー集中装置の構成の詳細
を明確に説明するために部分的に破断した斜視
図。第２図は典型的な太陽エネルギー集中装置の
系統を示すダイヤグラム図。第３図はエネルギー
受取装置の拡大断面図。第４図は第３図に示した
エネルギー受取装置の第１の変形例の拡大断面
図。第５図は第２の変形例の拡大断面図。第６図
は第３の変形例の拡大断面図。第７図は第４の変
形例の拡大断面図。第８図は太陽エネルギー集中
装置から外したレンズの部分的正面図。第９図は
第８図に示したレンズの最も左方のプリズムの拡
大端部断面図。第１０図は極座標で構成したレン
ズの端部を示す概略的グラフ。第１１図は構成の
詳細を明確に示すために部分的に破断した太陽エ
ネルギー集中装置の変形例の正面図。第１２図は
第１１図の線１２−１２に沿つた断面図。第１３
図は本発明によるレンズの種々のＦ数に対してレ
ンズを通る光線の全体の透過率を示すグラフ。第
１４図は、Ｆ数が0.5の本発明による３つのレン
ズについて、光の拡い角に対する太陽光の集光度
を示すグラフ。２０……コレクター（太陽エネルギー集中装
置）、２２，１２２……レンズ、７４……前面、
７６……焦点領域、７８，４７８……プリズム、
８０……第１の裏面、８２……第２の裏面。

Claims

【特許請求の範囲】１レンズの焦点領域に置かれたエネルギー受取
装置へ光を向けるように配置された複数のプリズ
ムを有する、太陽エネルギー集中装置のためのプ
リズムレンズにして、プリズムの各々が前面と、
焦点領域に向いた第１の裏面と、前面と第１の裏
面をつなぐ第２の裏面とを備え、各プリズムはさ
らにそのプリズムの前面を通る光の入射角が第１
の裏面を通る光の屈折角と実質的に等しいように
これ等前面と第１の裏面を配置しており、各プリ
ズムの第２の裏面がそのプリズム内を通る光の経
路と該第２の裏面に隣接するプリズムを出る光の
経路との間に延在して該隣接プリズムを通過する
光を妨害しないことを特徴とするプリズムレン
ズ。２前記レンズの受光軸線と各プリズムの第２の
裏面との間の角度がこのプリズムを通過する光の
偏角の少くとも半分以上の角度でありかつこのプ
リズムを通過する光の偏角よりは小さいように、
前記プリズムの第２の裏面が配置されることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のプリズムレ
ンズ。３前記レンズは弧状の横断面と線状の焦点領域
を有する細長い形状であり、前記プリズムが光を
前記レンズの長手方向軸線に平行な前記線状の焦
点領域へ向けるように配置されていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載のプ
リズムレンズ。４前記レンズはスポツト状の焦点領域を有する
半球形状であり、前記プリズムが光を前記スポツ
ト状の焦点領域へ向けるように配置されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
記載のプリズムレンズ。５レンズのＦ数が1.0以下であるように前記レ
ンズの焦点距離はこのレンズの横断面の一方の縁
部と他方の縁部の間の距離より小さいことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のプリズムレン
ズ。６エネルギー受取装置と、実質的に曲線状の外
面を形成して到来光をエネルギー受取装置に向け
るよう配置された複数の並置プリズムを含むフレ
ネルプリズムレンズとを有し、またこのプリズム
レンズがエネルギー受取装置から距離を隔てて配
置されかつその周囲に湾曲されるように該レンズ
をエネルギー受取装置に対して支持するプリズム
レンズ用の支持装置を含む太陽エネルギー集中装
置において、並置プリズムの各々が前面と、エネ
ルギー受取装置に向いた第１の裏面と、前面と第
１の裏面をつなぐ第２の裏面とを備え、各プリズ
ムはさらにそのプリズムの前面を通る光の入射角
が第１の裏面を通る光の屈折角と実質的に等しい
ようにこれ等前面と第１の裏面とを配置し、隣接
するプリズムを通過する光を妨害しないように各
プリズムの第２の裏面がそのプリズム内を通る光
の経路と該第２の裏面に隣接するプリズムを出る
光の経路との間に延在し、またプリズムレンズは
曲線状の外面に沿つて配置されたそれぞれのプリ
ズムからエネルギー受取装置までの半径方向距離
がこれらプリズムの相対的位置に応じて異なるよ
うに形成されていることを特徴とする太陽エネル
ギー集中装置。７前記プリズムレンズはその横断面が受光軸線
に対して対称であり、各プリズムの前記半径方向
距離は、該プリズムおよび前記エネルギー受取装
置を通る面が受光軸線となす角度の関数であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の太陽
エネルギー集中装置。８各プリズムに対する前記半径方向距離は各プ
リズムから受光軸線までの距離が増大するに伴つ
て減少することを特徴とする特許請求の範囲第７
項記載の太陽エネルギー集中装置。