JPWO2009057551A1 - 光学素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、耐候性に優れ、しかも広帯域で高い反射率を有する太陽光反射用の光学素子を提供する。太陽光が光学素子ＯＥに入射したときに、そのうち短波長帯域の光Ｌ１は誘電体多層膜ＤＦで反射する。一方、それ以外の長波長帯域の光Ｌ２は、誘電体多層膜ＤＦを通過し、更に基材ＳＳを通過し、金属蒸着膜ＭＶで反射して、更に基材ＳＳを通過し、誘電体多層膜ＤＦを通過するようになっている。これにより、広帯域での高い反射率を確保することができる。

Description

本発明は、光学素子に関し、特に太陽光をエネルギーとして利用するための太陽光集光システムにおいて太陽光を反射するために用いると好適な光学素子に関する。

化石燃料を燃やして発電する火力発電は設備コストが比較的低く、発電所の設置制限が緩やかなため、世界中で広く用いられている。ところで、地球に温暖化をもたらすとされるＣＯ₂（二酸化炭素）の排出量は年々増え続けており、地球環境保護の観点からＣＯ₂の削減が急務となっているという実情がある。また、埋蔵されてる化石燃料は有限であるから、火力発電に代わるエネルギー生成技術が確立する前に枯渇しないよう、節約して利用すべきである。このため、火力発電を補う他の発電技術が求められているが、原子力発電や水力発電は、発電所の設置場所が制限されるため、使いにくいという問題がある。

一方、環境に負荷を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光エネルギーが注目されている。太陽光をエネルギーに変える方法としては、一般的に太陽電池が知られている。しかしながら、現在の技術では太陽電池の発電コストが、その他に比べて比較的高いという実情がある。

これに対し、比較的低コストで太陽光を直接エネルギーとして利用することも考えられている。特許文献１には、太陽光を集光して熱エネルギーに変え、その熱エネルギーを電気に変える技術が開示されている。より具体的には、タワーの周囲に配置した多数の反射鏡（ヘリオスタット）により反射された太陽光を、タワー上に設けた楕円反射鏡を介して熱交換器に集光させて加熱し、熱交換器で得られた熱エネルギーを発電装置に送って発電する技術である。
特開平１１−１１９１０５号公報

ところで、太陽光を効率よくエネルギーに変換するためには、反射鏡の光学特性をどのように設定するかという問題がある。図１は、太陽光のエネルギー分布を示す図である。点線は大気外の日射におけるエネルギーを示し、実線は地上の日射におけるエネルギーを示す。地上の日射におけるエネルギーとしては、大まかに、紫外光に含まれるエネルギーは８％であり、可視光に含まれるエネルギーは４４％であり、赤外光に含まれるエネルギーは４８％である。よって、太陽光のエネルギーを効率的に利用しようとすると、赤外光の範囲まで含む広帯域にわたって反射特性を向上させる必要がある。

ここで、一般的な反射鏡においては、Ａｇを蒸着した膜が用いられることが多い。しかるに、Ａｇの蒸着膜の場合、図２に示すように、波長０．４μｍ以上の広帯域で９０％以上の反射率を有するため、太陽光を反射するのに好適であるとも言える。ところが、Ａｇは酸化し易いという問題があり、太陽光の反射用としてＡｇの蒸着膜を設けた反射鏡を屋外に設置すると、短期間で反射特性が劣化する恐れがある。これに対し、ＡｌはＡｇに比べて酸化しにくいという特性を有するが、図２に示すように、波長０．６μｍ〜１．０μｍの帯域で反射率が低いという問題がある。

これに対し、精密光学機器などにおいては、誘電体多層膜により光を反射する技術が知られている。このような誘電体多層膜を用いれば、広帯域でも高い反射率を得ることができるが、広帯域に対応させるためには層数を増やさなくてはならないとされており、それにより膜厚が厚くなる傾向がある。ところが、膜厚の厚い誘電体多層膜を用いて光を反射する場合、反射面に対して常に垂直な方向に光が入射すれば問題はないが、入射角が浅くなるにつれて、誘電体多層膜を通過する光の光路長が長くなり、それにより期待した反射特性を得られなくなるという問題がある。これは、朝夕など太陽光が浅い入射角で入射する場合には、光の利用効率が低下することを意味する。

本発明は、かかる問題点に鑑みて成されたものであり、耐候性に優れ、しかも広帯域で高い反射率を有する太陽光反射用の光学素子を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、太陽光を反射する板状の光学素子において、
基材における太陽光を入射する面と、その反対側の面のいずれか少なくとも一方に、誘電体多層膜及び金属蒸着膜を形成しており、
前記誘電体多層膜は、前記金属蒸着膜よりも太陽光を入射する面側に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の光学素子は、太陽光を反射する板状の光学素子において、
基材における太陽光を入射する面に第１の反射膜を形成し、該基材における太陽光を入射する面と反対側の面に該第１の反射膜を通過した帯域の光を反射する第２の反射膜を形成したことを特徴とする。

図２を参照すると、例えばＡｌの蒸着膜は、波長０．６μｍ〜１．０μｍの帯域では反射率が比較的低いが、それ以外の帯域では９０％以上の反射率を有するという特性を有する。一方、誘電体多層膜は、光を反射する帯域を絞れば、一般的に層数を少なく抑えることができるという特徴を有する。そこで、本発明は、金属蒸着膜の反射率が低い領域を、誘電体多層膜の反射で補うことで、全体として広帯域で高い反射率を得るようにしている。このようにすれば、誘電体多層膜の層数を減らして、浅い入射角で入射した光も高い反射率で反射することが可能となる。

ここで重要な点は、誘電体多層膜が、低屈折層と高屈折層とを重ね合わせたものであるから、金属蒸着膜とは異なり、反射帯域外の光を通過させるという特性を有することである。従って、誘電体多層膜を、金属蒸着膜よりも入射側に形成しておけば、誘電体多層膜が高い反射率を有する帯域の光は、誘電体多層膜により高い効率で反射され、一方、誘電体多層膜が低い反射率を有する帯域の光は、誘電体多層膜を通過した後、金属蒸着膜により高い効率で反射されることとなる。よって、金属蒸着膜と誘電体多層膜とを重ね合わせても、お互いの反射を制限することが抑制され、トータルで高い効率の反射を実現できる。

尚、蒸着する金属の種類は問わないが、コストや耐候性などの観点から、アルミを用いると好ましい。又、誘電体多層膜とは、基板上に高屈折率層と低屈折率層とを重ね合わせたものであり、例えば、特開２００５−２９２４６２に記載されている。基板は、ガラス又はプラスチックであると好ましい。

前記誘電体多層膜は、波長１．０μｍ以下の光の反射率が９０％以上であり、前記金属蒸着膜は、波長１．０μｍ以上の光の反射率が９０％以上であると好ましい。

前記基材における太陽光を入射する面に、前記誘電体多層膜を形成し、前記基材における太陽光を入射する面と反対側の面に、前記金属蒸着膜を形成すると好ましい。但し、基材における太陽光を入射する面に誘電体多層膜と金属蒸着膜を形成しても良く、或いは太陽光を入射する面とは反対側の面に誘電体多層膜と金属蒸着膜を形成してもよい。

太陽光のエネルギー分布を示す図である。 光の波長に対する金属の反射率を示すグラフである。 本発明にかかる光学素子を用いた太陽光集光システムの斜視図である。 本発明にかかる太陽光集光システムを側方から見た図である。 ヘリオスタット５の斜視図である。 図５の構成を矢印VI-VI線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。 図５の構成を矢印VII-VII線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。 楕円鏡と凹面鏡との焦点位置関係を示す図である。 集光鏡の断面図である。 光学素子ＯＥの反射面の断面図である。 別な実施の形態にかかる光学素子ＯＥの反射面の断面である。 別な実施の形態にかかる光学素子ＯＥの反射面の断面図である。 Ｃｕを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ｃｕを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｕを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｕを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｌを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｌを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｌを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。 Ａｌを素材とする金属蒸着膜と誘電体多層膜とを形成した実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。

符号の説明

１ 楕円鏡
２ 支持タワー
３ 熱交換施設
４ 集光鏡
５ ヘリオスタット
６ 支柱
７ フォーク
８ リング状レール
９ 回転プーリ
１０ 押さえプーリ
１１ モータ
１２ タイミングベルト
１３ 凹面鏡
１４ 円形パイプ
１５ 回転軸
１６ 円弧状レール
１７ 回転プーリ
１８ 押さえプーリ
１９ 動力プーリ
２０ モータ
２１ タイミングベルト
２２ アーム
２３ センサ
３１ 下部開口
Ｌ 太陽光
Ｌ１ 光
Ｌ２ 光
ＭＶ 金属蒸着膜
ＯＥ 光学素子
ＳＳ 基材

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態をさらに詳細に説明する。図３は、本発明にかかる光学素子を用いた太陽光集光システムの斜視図である。図４は、かかる太陽光集光システムを側方から見た図である。図において、比較的大径の楕円鏡１は、３本の支持タワー２により所定の高さ位置に、反射面を下向き状態にして保持されている。楕円鏡１の下方には、太陽光Ｌを熱エネルギーに変換するための熱交換器を収容した熱交換施設３が建設されており、該熱交換施設３の上部には、筒状の集光鏡４が設置されている。そして、熱交換施設３の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット５が設けられている。

図５は、１つのヘリオスタット５の斜視図である。図６は、図５の構成を矢印VI-VI線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図７は、図５の構成を矢印VII-VII線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。図５において、地上に設置され垂直に延在するヘリオスタット５の支柱６の上部には、フォーク７が取り付けられ、支柱６に対して方位角方向（Ａ方向）へ回転変位自在となっている。支柱６の上端周囲にリング状レール８が設けられている。また、フォーク７の下面において、支柱６をはさんで対向する位置には、それぞれ回転プーリ９が回転可能に取り付けられており、該回転プーリ９に隣接して、スプリング（図６のＳ）にて回転プーリ９側に付勢された押さえプーリ１０が設けられている。リング状レール８は、この回転プーリ９と、押さえプーリ１０との間に挟持されている。一対の回転プーリ９には、モータ１１により回転するタイミングベルト１２が掛け回されており、一対の回転プーリ９が同期して回転するようになっている。モータ１１が駆動されると、タイミングベルト１２を介して回転プーリ９が回転し、それによりリング状レール８に沿ってフォーク７が方位角方向へ回転する。このとき、押さえプーリ１０により、リング状レール８を押さえ付けているため、フォーク７は安定した回転を行うことができる。

フォーク７の上端には、仰角方向（Ｂ方向）へ回転変位自在となるように、凹面鏡１３が保持されている。矩形板状の凹面鏡１３は、曲面（非球面、放物面等を含む）である反射面を有するが、この反射面は平面であっても良い。

凹面鏡１３の裏側には、円形パイプ１４が固定されている。図６に示すように、凹面鏡１３の対向する二辺の中央において、円形パイプ１４に回転軸１５がそれぞれ軸線を合わせて固定されている。水平に延在する一対の回転軸１５は、フォーク７の上端に枢支されており、従って凹面鏡１３は、回転軸１５の軸線回りに仰角方向へ回転変位可能となっている。

一方、図７に示すように、回転軸１５がある二辺とは異なる二辺の中央には、円弧状レール１６の両端が固定されている。フォーク７の中央部底面には、回転プーリ１７と、スプリング（不図示）にて付勢された押さえプーリ１８が、２組設けられており、各回転プーリ１７と押さえプーリ１８とで、円弧状レール１６が挟持されている。更にフォーク７には、両方の回転プーリ１７に係合するようにして、動力プーリ１９が設けられており、この動力プーリ１９に、モータ２０から動力を伝達されるタイミングベルト２１が掛け回されている。モータ２０が駆動されると、タイミングベルト２１を介して回転プーリ１９及び回転プーリ１７が回転し、それにより円弧状レール１６が相対移動して、凹面鏡１３が回転軸１５を中心にして、仰角方向へ回転変位できるようになっている。尚、ヘリオスタット５の調整をし易くするために、反射鏡１３の一部に赤いシール（色付け部）等を貼り付けて、光の進む方向を目視確認できるようにしても良い。尚、シールは調整後に取り外しでいるようにすると更に良い。

ヘリオスタット５の凹面鏡１３の高さは、中央の楕円鏡１から離れるにしたがって順次高くなっている。これは、太陽光の反射時に凹面鏡１３同士が影になり遮光ロスが生じないようにするためである。

また、図５において、ヘリオスタット５の支柱６に取り付けられたアーム２２を介して、センサ２３が固定されている。センサ２３は、太陽光Ｌの入射方向を検出するために用いられる。即ち、センサ２３から出力された信号により、モータ１１、２０が制御されて、凹面鏡１３で反射された太陽光Ｌが常に楕円鏡１の第１焦点ｆ1 （図８参照）に向かうようになっている。これにより、時間経過に従い太陽光Ｌの入射方向が変化しても、凹面鏡１３からの太陽光Ｌを確実に楕円鏡１の第１焦点ｆ1 側へ反射することができる。各凹面鏡１３から楕円鏡１に向かって反射され、更に楕円鏡１で反射された太陽光は、集光鏡４に向かうこととなる。

この集光鏡４の内部での反射は、光のロスを考えると、図９に示すように、上部開口３０から入射した光は、１回の反射だけで、より径が絞られた下部開口３１から出るようにするのが好ましいが、内部で２回以上反射するような小さい幅の下部開口３１にすることも自由である。下部開口３１から出た太陽光Ｌは、熱交換施設３内へ送られ、所定の熱交換機によって熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーを利用して発電することができる。

本発明が適用される光学素子としては、楕円鏡１，凹面鏡１３，集光鏡４である。図１０に、かかる光学素子ＯＥの反射面の断面図を示す。理解しやすいように、基材の厚さに対して膜厚は実際より厚く描いている。反射面としては、平行平板であるガラス又はプラスチックの基材ＳＳにおいて、太陽光が入射する側の面に誘電体多層膜ＤＦを形成し、それとは反対側の面に金属蒸着膜ＭＶを形成している。ここで、誘電体多層膜ＤＦは、短波長帯域のみ、光の反射率が高くなっている。従って、太陽光が光学素子ＯＥに入射したときに、そのうち短波長帯域の光Ｌ１は誘電体多層膜ＤＦで反射する。一方、それ以外の長波長帯域の光Ｌ２は、誘電体多層膜ＤＦを通過し、更に基材ＳＳを通過し、金属蒸着膜ＭＶで反射して、更に基材ＳＳを通過し、誘電体多層膜ＤＦを通過するようになっている。これにより、広帯域での高い反射率を確保することができる。

図１１は、別の実施の形態にかかる光学素子ＯＥの反射面の断面図である。本実施の形態では、太陽光が入射する側の面とは反対側の面に、誘電体多層膜ＤＦと金属蒸着膜ＭＶとを、入射側からこの順序で形成している。本実施の形態においては、基材ＳＳが、誘電体多層膜ＤＦと金属蒸着膜ＭＶの保護層として機能するので、凹面鏡１３に好適であると言える。

図１２は、別の実施の形態にかかる光学素子ＯＥの反射面の断面図である。本実施の形態では、太陽光が入射する側の面に、誘電体多層膜ＤＦと金属蒸着膜ＭＶとを、入射側からこの順序で形成している。本実施の形態においては、入射した太陽光は、誘電体多層膜ＤＦと金属蒸着膜ＭＶで反射され、基材ＳＳ内を通過しないので、基材ＳＳが加熱される恐れが少ないため、楕円鏡１に好適であると言える。
（実施例１）
表１に、図１０に示す光学素子に好適な実施例に用いる誘電体多層膜の膜厚データを示す。図１３は、ガラス製の基材の入射面に、表１に示す誘電体多層膜を形成し、Ｃｕを素材とする金属蒸着膜を基材の入射面とは反対側の面に形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、図１４は、同じ実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。図１５は、ガラス製の基材の入射面に、表１に示す誘電体多層膜を形成し、Ａｕを素材とする金属蒸着膜を基材の入射面とは反対側の面に形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、図１６は、同じ実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。図１７は、ガラス製の基材の入射面に、表１に示す誘電体多層膜を形成し、Ａｌを素材とする金属蒸着膜を基材の入射面とは反対側の面に形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、図１８は、同じ実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。

（実施例２）
又、表２に、図１２に示す光学素子に好適な実施例に用いる誘電体多層膜の膜厚データを示す。図１９は、ガラス製の基材の入射面に、表２に示す誘電体多層膜と、Ａｌを素材とする金属蒸着膜とを、この順序で入射側より形成した実施例において、入射角２０度で光を入射させた際の反射特性を示す図であり、図２０は、同じ実施例において、入射角５０度で光を入射させた際の反射特性を示す図である。

いずれの実施例でも、誘電体多層膜は、波長１．０μｍ以下の光の反射率が９０％以上であり、前記金属蒸着膜は、波長１．０μｍ以上の光の反射率が９０％以上であり、誘電体多層膜と金属蒸着膜（膜厚１５０ｎｍ）との組み合わせで、広帯域にわたって９０％以上の反射率を有することができた。更に、本実施例の誘電体多層膜は、入射角２０度の場合、反射率６％以下である帯域を、波長１．９μｍ〜２．４μｍの範囲で３カ所有しており、入射角５０度の場合、反射率８％以下である帯域を、波長１．７μｍ〜２．２μｍの範囲で３カ所有しているため、膜層数を抑えることができ、入射角特性を良好なものとしている。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本発明の光学素子は、太陽光を反射する光学素子において、
前記光学素子は、基材と、該基材に形成された第１の反射膜及び第２の反射膜で構成され、
前記第２の反射膜は、前記第２の反射膜よりも太陽光入射側に形成された前記第１の反射膜を透過した光を反射し、
前記第１の反射膜は、波長１．０μｍ以下の光の反射率が９０％以上であり、前記第２の反射膜は、波長１．０μｍ以上の光の反射率が９０％以上であり、
前記第１の反射膜は誘電体多層膜であることを特徴とする。

Claims (5)

1. 太陽光を反射する板状の光学素子において、
   基材における太陽光を入射する面と、その反対側の面のいずれか少なくとも一方に、誘電体多層膜及び金属蒸着膜を形成しており、
   前記誘電体多層膜は、前記金属蒸着膜よりも太陽光を入射する面側に形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記誘電体多層膜は、波長１．０μｍ以下の光の反射率が９０％以上であり、前記金属蒸着膜は、波長１．０μｍ以上の光の反射率が９０％以上であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
3. 前記基材における太陽光を入射する面に前記誘電体多層膜を形成し、前記基材における太陽光を入射する面と反対側の面に前記金属蒸着膜を形成することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の光学素子。
4. 太陽光を反射する板状の光学素子において、
   基材における太陽光を入射する面に第１の反射膜を形成し、該基材における太陽光を入射する面と反対側の面に該第１の反射膜を通過した帯域の光を反射する第２の反射膜を形成したことを特徴とする光学素子。
5. 前記第１の反射膜は誘電体多層膜であり、前記第２の反射膜は金属蒸着膜であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光学素子。