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技術 太陽光集光用の光学系および太陽光集光システム

出願人 コニカミノルタ株式会社
発明者 細江秀石田浩文丹内修小林大介
出願日 2012年8月7日 (8年4ヶ月経過) 出願番号 2012-174768
公開日 2014年2月24日 (6年10ヶ月経過) 公開番号 2014-035803
状態 未査定
技術分野 照明装置の素子の配置,冷却,密封,その他 照明装置の配光に係わる部品細部及び防護 非携帯用の照明装置またはそのシステム
主要キーワード 筐体厚み 垂直リンク 下げシステム 屋内天井 本バンドル 水平リンク 樹脂製光ファイバー 集光フレネルレンズ
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課題

コンパクトでありながら、高い集光効率を有する太陽光集光用の光学系と、簡素な構成で太陽を追尾できる太陽光集光システムを提供する。

解決手段

太陽光を、集光レンズL1により大きなNAで一旦集光した後、発散レンズL2よってNAを小さくして、導光系である光ファイバー光ファイバーバンドル入射させる。これにより、最終入射光束をNA0.2〜0.3以下にしながら、集光位置の差Δだけ、光学系の長さを短くすることができ、採光システム全体の筐体厚みを薄くすることができるので、小型軽量にできかつ安価にすることができる。

概要

背景

省エネ等の観点から、太陽光室内照明に利用する技術が注目されている。このような技術として、太陽光を集光して光学系を介して導光する光ダクトが既に実用化されている。これは固定開口で太陽光を受け入れて、内面の高反射壁反射を繰り返しながら太陽光を伝送し、所望の位置で光ダクトから射出して照明光として利用するものである。これにより、地下駐車場北側通路など、日中でも暗い人の通り道などの照明電気などのエネルギー投入せずに安価に照明する手段として実用化されている。

しかしながら、時間経過に伴い太陽の日動によって高度が変わり、固定開口に対する入射角が大きくなると、採り入れられる光束量が低下する。固定開口における入射角度による入射光量の依存性は、いかなる光学系を持ってしても避けられない(エタンデュ原理による)ため、このような固定開口のダクトでは、太陽高度の変化により、採り入れられる太陽光量が大きく変化し、安定した光量の照明光が得られないという致命的な欠陥があった。

一方、独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構(NEDO)のプロジェクトでは、太陽に対して常に採光光学系光軸追尾させて一定とする方式が研究されている。この方式の場合、採光量は太陽高度に依存せず、安定かつ高効率に採光が可能となる反面、太陽を追尾するために大がかりな2軸機構を必要とし、太陽光の広い受光面を常に太陽に向けるため、風などの影響を受けやすく、そのため追尾機構に高強度が求められ、さらに大きく重い、高価な構成となっていた。

また、特許文献1には、一般家屋に設置できるよう、ドーム内に設置した多数のレンズ回転機台に載置して、太陽に追尾するように回転移動させる太陽光採光装置が開示されている。しかしながら、これを一般家屋の屋根に設置するためには、暴風雨などの際に屋根にかかる強度を考慮して、その受光面積を小型にせざるを得ず、このような受光面積が小さな形態では十分な太陽光を採光することはできないため、屋内で利用できる照明光は暗く、他の電灯などの補助照明を必要とするのが常であった。

従って、従来の一般家屋向けの追尾型太陽光集光光学系は、照明と言うよりは「屋内への太陽光の通過を少量許容する」という程度の位置づけであり、廊下玄関などあまり明るさを必要としない場所で、かつ通過する場所に設置されるのが普通であり、高価なためほとんど普及には至っていなかった。

概要

コンパクトでありながら、高い集光効率を有する太陽光集光用の光学系と、簡素な構成で太陽を追尾できる太陽光集光システムを提供する。太陽光を、集光レンズL1により大きなNAで一旦集光した後、発散レンズL2よってNAを小さくして、導光系である光ファイバー光ファイバーバンドル入射させる。これにより、最終入射光束をNA0.2〜0.3以下にしながら、集光位置の差Δだけ、光学系の長さを短くすることができ、採光システム全体の筐体厚みを薄くすることができるので、小型軽量にできかつ安価にすることができる。

目的

本発明は、上述の知見に基づきなされたものであり、コンパクトでありながら、高い集光効率を有する太陽光集光用の光学系と、簡素な構成で太陽を追尾できる太陽光集光システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

屋外から屋内導光する導光系受光部に対して太陽光集光する光学系において、太陽側より順に、第1光学系と第2光学系とからなり、前記第1光学系が集光レンズからなり、前記第2光学系が発散レンズからなることを特徴とする太陽光集光用の光学系。

請求項2

前記集光レンズはフレネルレンズであることを特徴とする請求項1に記載の太陽光集光用の光学系。

請求項3

前記受光部に、熱伝導率が100W/mK以上の材料による突起を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光集光用の光学系。

請求項4

前記導光系は、単一の光ファイバーもしくは複数本の光ファイバーを束ねてなる光ファイバーバンドルを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光集光用の光学系。

請求項5

前記光ファイバーまたは前記光ファイバーバンドルの外周に、熱伝導率が100W/mK以上の材料による突起を設けたことを特徴とする請求項4に記載の太陽光集光光学系。

請求項6

前記第2光学系は、前記光ファイバーもしくは前記光ファイバーバンドルと結合していることを特徴とする請求項4または5に記載の太陽光集光用の光学系。

請求項7

前記第2光学系と、前記光ファイバーもしくは前記光ファイバーバンドルとの間に、赤外線透過を抑制する部材を介在させたことを特徴とする請求項6に記載の太陽光集光用の光学系。

請求項8

前記光学系を複数個並べたことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の太陽光集光用の光学系。

請求項9

屋外から屋内へ導光する複数の導光系の受光部に対して太陽光を集光する複数の光学系と、前記複数の光学系をリンクで接続し、同一方向に傾くように駆動する駆動機構と、を有することを特徴とする太陽光集光システム

請求項10

請求項1〜8のいずれかに記載の光学系を複数設けるとともに、前記複数の光学系をリンクで接続し、同一方向に傾くように駆動する駆動機構を有することを特徴とする太陽光集光システム。

請求項11

前記駆動機構は、蓄電手段と、該蓄電手段により前記光学系を駆動する駆動源とを有し、少なくとも前記蓄電手段と前記駆動源は、前記光学系を全体的に覆う筐体内に収容されていることを特徴とする請求項9または10に記載の太陽光集光システム。

請求項12

前記筐体の上面および一部の側面は、光透過性素材から形成されていることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の太陽光集光システム。

請求項13

前記筐体の上面のみが光透過性の素材から形成され、前記太陽光集光システムを取り付けたときに、前記上面は水平面に対して傾いていることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の太陽光集光システム。

技術分野

0001

本発明は、太陽光電気などに変換することなく、直接光屋内に導くことで、高効率かつ安価で半永久的に安定した屋内照明を実現する太陽光集光用の光学系および太陽光集光システムに関するものである。

背景技術

0002

省エネ等の観点から、太陽光を室内照明に利用する技術が注目されている。このような技術として、太陽光を集光して光学系を介して導光する光ダクトが既に実用化されている。これは固定開口で太陽光を受け入れて、内面の高反射壁反射を繰り返しながら太陽光を伝送し、所望の位置で光ダクトから射出して照明光として利用するものである。これにより、地下駐車場北側通路など、日中でも暗い人の通り道などの照明を電気などのエネルギー投入せずに安価に照明する手段として実用化されている。

0003

しかしながら、時間経過に伴い太陽の日動によって高度が変わり、固定開口に対する入射角が大きくなると、採り入れられる光束量が低下する。固定開口における入射角度による入射光量の依存性は、いかなる光学系を持ってしても避けられない(エタンデュ原理による)ため、このような固定開口のダクトでは、太陽高度の変化により、採り入れられる太陽光量が大きく変化し、安定した光量の照明光が得られないという致命的な欠陥があった。

0004

一方、独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構(NEDO)のプロジェクトでは、太陽に対して常に採光光学系光軸追尾させて一定とする方式が研究されている。この方式の場合、採光量は太陽高度に依存せず、安定かつ高効率に採光が可能となる反面、太陽を追尾するために大がかりな2軸機構を必要とし、太陽光の広い受光面を常に太陽に向けるため、風などの影響を受けやすく、そのため追尾機構に高強度が求められ、さらに大きく重い、高価な構成となっていた。

0005

また、特許文献1には、一般家屋に設置できるよう、ドーム内に設置した多数のレンズ回転機台に載置して、太陽に追尾するように回転移動させる太陽光採光装置が開示されている。しかしながら、これを一般家屋の屋根に設置するためには、暴風雨などの際に屋根にかかる強度を考慮して、その受光面積を小型にせざるを得ず、このような受光面積が小さな形態では十分な太陽光を採光することはできないため、屋内で利用できる照明光は暗く、他の電灯などの補助照明を必要とするのが常であった。

0006

従って、従来の一般家屋向けの追尾型太陽光集光光学系は、照明と言うよりは「屋内への太陽光の通過を少量許容する」という程度の位置づけであり、廊下玄関などあまり明るさを必要としない場所で、かつ通過する場所に設置されるのが普通であり、高価なためほとんど普及には至っていなかった。

先行技術

0007

特開平09−270204号公報

発明が解決しようとする課題

0008

本発明者らは、これらの従来の状況に鑑みて、一般家屋へ太陽光による十分な太陽光量を得て直接照明を実現するには、以下の技術思想が鍵を握ることに思い至った。
(a)固定開口による採光ではエタンデュの法則により採光光量に限界があるので、十分な採光量で安定照明を行うには、太陽追尾が必須である。
(b)十分な太陽光量を得るには広い採光面積が必要であり、かつ一般家屋の屋根に設置するには、コンパクトな構成であって、風雨に強くかつ施工が容易な平板形状が好ましい。
(c)光伝送は、ダクトのような屋根裏に高価で大きな工事を必要としない、柔軟性に富んだ細いケーブルによる方式が好ましい。
(d)追尾の駆動は出来る限り簡素とし、駆動エネルギー自立して得ることでシステムを完全密閉化して風雨から守り駆動機構および駆動電気システムの信頼性を格段に向上することが好ましい。

0009

本発明は、上述の知見に基づきなされたものであり、コンパクトでありながら、高い集光効率を有する太陽光集光用の光学系と、簡素な構成で太陽を追尾できる太陽光集光システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

請求項1に記載の太陽光集光用の光学系は、屋外から屋内へ導光する導光系の受光部に対して太陽光を集光する光学系において、太陽側より順に、第1光学系と第2光学系とからなり、前記第1光学系が集光レンズからなり、前記第2光学系が発散レンズからなることを特徴とする。

0011

東京農工大学機械システム研究室では、太陽光からより多くの太陽エネルギーを得るために、太陽エネルギー利用システムの開発を行っている(URL:http://www.tuat.ac.jp/〜akilab/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC.html)。この太陽エネルギー利用システムでは、集光フレネルレンズの第1光学系と、さらに曲面とした集光フレネルレンズの第2光学系を用いることで、強い集光力により光学系の厚みを薄くしている。しかしながら、この従来の光学系では集光光束のNAが増加して、導光系としての光ファイバー光ファイバーバンドルで受光しても、大半の光が反射して中へ入射せず、採光効率が著しく低下するという問題がある。また、このように従来の集光光学系では、一般家屋の屋根に載せても負荷が少なく、追尾機構も大型化しないように厚み方向を薄くするには限界があった。これに対し、本発明の光学系によれば、集光効率を確保しながら、よりコンパクトな構成を実現できる。

0012

図1は、本発明の原理を説明するための図である。図1(a)の比較例にかかる光学系は、単一の集光レンズLからなり、図1(b)の本発明にかかる光学系は、第1光学系である集光レンズL1と、第2光学系である発散レンズL2からなる。ここで、例えば導光系として光ファイバーや光ファイバーバンドルを用いた場合、集光効率を高く確保するためには、開口数NAが最大でも0.2〜0.3程度(集光角にして23〜35°)にする必要がある。尚、開口数NAはn・sinθ(ただしn=1.0)で表せる。

0013

これに対し図1(b)に示すように、太陽光を、集光レンズL1により大きなNAで一旦集光した後、発散レンズL2よってNAを小さくして、導光系である光ファイバーや光ファイバーバンドルに入射させる。これにより、最終入射光束をNA0.2〜0.3以下にしながら、集光位置の差Δだけ、光学系の長さを短くすることができ、採光システム全体の筐体厚みを薄くすることができるので、小型軽量にできかつ安価にすることができる。特に、太陽光採光システムは極めて簡素な構造であるため、筐体が占めるコストは全体の20〜30%と大きく、筐体を軽量且つコンパクトにまとめ上げることは、コストを下げシステムの普及に大きな影響を与えるため、本発明は有効である。

0014

本発明者らの検討結果によれば、図1(a)に示す単一の集光レンズLの口径が直径200mmとすると、集光レンズLから集光点Pまでの距離は、490〜320mmとほぼ2倍の距離が必要となって、大型の採光装置が必要になる。これに対し、図1(b)に示す光学系を用いると、図1(a)と同じ口径であっても、発散レンズL2を介することで、集光レンズL1から集光点Pまでの距離は250mmと短くなり、よりコンパクトな採光装置を提供できるのである。尚、「集光レンズ」、「発散レンズ」は、1枚のレンズに限られず、複数のレンズ群からなるものでもよい。

0015

請求項2に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項1に記載の発明において、前記集光レンズはフレネルレンズであることを特徴とする。

0016

従来は太陽光採光光学系にテレタイプ光学系が存在しなかった。本発明のテレタイプ光学系の少なくとも前記集光レンズとしてフレネルレンズを用いることで、安価かつ軽量のため追尾の駆動機構の負荷を小さくでき、そのため簡素な機構でも十分な耐久性を持たせることができ、高信頼性低コスト両立して実現できる。また前記集光レンズとしてフレネルレンズを用いることで、より薄型の構成を実現できる。尚、フレネルレンズとは、片面が平面のみならず、球面もしくは非球面であるものも含む。

0017

請求項3に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項1または2に記載の発明において、前記受光部に、熱伝導率が100W/mK以上の材料による突起を設けたことを特徴とする。

0018

太陽光を照明として利用する場合は、可視光のみを利用するため赤外線紫外線は不要光となる。これらは、接続する受光部前面に反射フィルターを用いたり、第1光学系や第2光学系に吸収剤を含有させたり反射コートを施すことで、減少させることができる。しかしながら、それでも集光光学系によって集光された太陽光によって、受光部の温度は200℃程度には上昇する。そのため、光ファイバーや光ファイバーバンドルなどの受光素子が熱により変形したり特性が劣化することが生じる恐れがある。

0019

そこで、前記受光部の周りに熱伝導率の高い(100W/mK以上の)材料で突起(例えば放熱フィン)を形成することで空冷を促進し、それにより上述の不具合を抑制し、前記受光部の温度を許容温度以下に抑えることができるのである。熱伝導率が高い材料としては、銅(400W/mK)、アルミ合金(200W/mK)、あるいはCFRPカーボンファイバー強化樹脂:100〜800W/mK)などがある。突起(放冷フィン)の表面積を増やしてより冷却効率を増すことは、既存技術を容易に転用することで実現できる。尚、ここで言う「突起」とは、縦横の寸法がいずれも厚みよりも大きいフィルムや板状であっても良いし、縦横の寸法が厚みより小さい針状であっても良い。受光部の形態に対して、突起となっていればその形状は問わない。

0020

請求項4に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記導光系は、単一の光ファイバーもしくは複数本の光ファイバーを束ねてなる光ファイバーバンドルを含むことを特徴とする。

0021

前記導光系として光ファイバーもしくは光ファイバーバンドルを用いると、集光した太陽光を導光する際に、屈曲した空間内でも導光が可能で、屋内の狭い空間にも容易に設置でき、また光ファイバーの可僥性を利用することで、集光部分を太陽に追従させることが用意であるため、高い照度の照明を得やすい一方で、建物に対する制約を小さく出来るといったメリットがある。尚、「光ファイバー」とは、少なくともコアクラッドとを有するものをいい、素材プラスチックガラスであってよい。「光ファイバーバンドル」とは、複数本の光ファイバーを束ねて周囲を樹脂等で覆ったものをいう。

0022

請求項5に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項4に記載の発明において、前記光ファイバーまたは前記光ファイバーバンドルの外周に、熱伝導率が100W/mK以上の材料による突起を設けたことを特徴とする。

0023

従来は、光ファイバーや光ファイバーバンドルは通信照明ライトガイドとしての用途が中心であり、その中を広帯域且つ高強度な光束を通過させる例もなく、従って光ファイバーや光ファイバーバンドルが自ら発熱する例はほとんど無く、その冷却方法など考慮する必要がなかった。ところが、本発明が対象としている太陽光採光照明の用途では、太陽光の可視域だけを通しても非常に大きな光量のため、伝送に用いる光ファイバー材料のわずかな光吸収によっても光ファイバーが加熱される可能性がある。

0024

本発明者らの検討結果によれば、口径200mmの集光レンズで集光した光を、一本の光ファイバーに結合させた場合では、単位長当たり数W程度の損失が発生する。従って、何ら冷却をしない場合は、光ファイバーや光ファイバーバンドルの温度は室温環境でも70℃を越える可能性があり、屋内天井裏など60℃近い環境温度下で配線されている場合には、樹脂製や液体光ファイバーの許容温度(70〜90℃程度)を越える可能性がある。

0025

特に、太陽光伝送路で非常に重要なことは、一旦何らかの伝送不良が発生し加熱が始まると、そこでの太陽光吸収がさらに進むためさらに加熱が進行し、一種熱暴走が発生して光伝送が完全に断ち切られたり、漏光が発生し思わぬ場所を加熱する恐れが生じる点である。したがって、導光系も十分冷却し温度上昇を抑える工夫をすることが、実用的な応用には必須である。そこで、前記光ファイバーまたは前記光ファイバーバンドルの周りに熱伝導率の高い(100W/mK以上の)材料で突起(例えば放熱フィン)を形成することで空冷を促進し、それにより上述の不具合を抑制し、前記受光部の温度を許容温度以下に抑えることができるのである。熱伝導率が高い材料は、前述したように銅(400W/mK)、アルミ合金(200W/mK)、あるいはCFRP(カーボンファイバー強化樹脂:100〜800W/mK)などがある。尚、ここで言う「突起」は、縦横の寸法がいずれも厚みよりも大きいフィルムや板状であっても良いし、縦横の寸法が厚みより小さい針状であっても良い。光ファイバーや光ファイバーバンドルのケーブル状の形態に対して、突起となっていればその形状は問わない。

0026

請求項6に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項4または5に記載の発明において、前記第2光学系は、前記光ファイバーもしくは前記光ファイバーバンドルと結合していることを特徴とする。

0027

前記第2光学系に直接、前記光ファイバーまたは前記光ファイバーバンドルを結合することで、以下のメリットが得られる。
(a)空気界面を減らして反射損失を数%減少する
(b)最も集光した部位が空気にさらされないので、ホコリなどの汚れが付かず、それが焼けたりすることがない。
(c)集光点である光ファイバーや光ファイバーバンドルの採光端で発生する熱に対して、第2光学系へ直接熱伝導が行われるので、冷却効果が期待できる。

0028

請求項7に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項6に記載の発明において、前記第2光学系と、前記光ファイバーもしくは前記光ファイバーバンドルとの間に、赤外線透過を抑制する部材を介在させたことを特徴とする。

0029

前記第2光学系と、前記光ファイバーや前記光ファイバーバンドルとの間に、赤外線透過を抑制する部材(例えば赤外反射フィルター等)を挟むことで、光学素子一体化でき、空気界面数を1/2以下に低減できるので、採光効率が10%程向上する可能性がある。尚、紫外線透過を抑制する部材を介在させてもよい。

0030

請求項8に記載の太陽光集光用の光学系は、請求項1〜7のいずれかに記載の発明において、前記光学系を複数個並べたことを特徴とする。

0031

これにより、1つの集光光学系の口径を小さくし、一つの導光系が伝送する光強度を低減して、導光系の温度上昇を抑えながらも明るい屋内照明を提供できる。

0032

請求項9に記載の太陽光集光システムは、
屋外から屋内へ導光する複数の導光系の受光部に対して太陽光を集光する複数の光学系と、
前記複数の光学系をリンクで接続し、同一方向に傾くように駆動する駆動機構と、を有することを特徴とする。

0033

図2は、本発明の原理を説明するための図である。ただし、本発明は図2の例に限られない。図2において、家屋の屋根などに設置され、上面がガラスGLで覆われたボックス状の筐体BX内に、光学系としてのフレネルレンズFLアレイ状に並べて配置されている。フレネルレンズFLは、紙面垂直方向に延在する軸STにより筐体BXにより回転可能に支持されており、更にフレネルレンズFLに固定された垂直リンクLK1が設けられている。垂直リンクLK1の下端同士は、水平リンクLK2により枢動可能に連結されている。フレネルレンズFLの集光位置には、光ファイバーOFの上端(受光部)が配置されている。光ファイバーOFの下端は、屋内に引き込まれ、不図示の照明装置に接続されている。

0034

図中、最も左側の軸STには、駆動源であるモータMT回転軸が連結されている。モータMTは、制御装置CONTにより駆動制御される。太陽電池PVから生じた電力大容量キャパシタCPで蓄積しており、その電力で制御装置CONTが動作するようになっている。

0035

ガラスGLを介して筐体BX内に進入した太陽光SLは、フレネルレンズFLに入射し、光ファイバーOFの上端に集光され、ここから光ファイバーOF内に進入し、これを介して屋内の照明装置に導光されて、適切な照明を行うようになっている。

0036

更に、太陽は時間とともに位置が変わるので、それに合わせてフレネルレンズFLが追尾する。より具体的には、ガラスGLを介して筐体BX内に進入した太陽光SLの一部が、太陽電池PVに入射し、電気エネルギーを発生させる。この電気エネルギーは、大容量キャパシタCPに蓄積され、それにより制御装置CONTがモータMTを駆動制御して、15°/時間の遅い速度でフレネルレンズFLを軸ST回りに回転させる。一つのフレネルレンズFLの回転は、垂直リンクLK1と水平リンクLK2を介して、他のリンクLK1,LK2を変位させ、これにより全てのフレネルレンズFLは,同じ角度で傾くので、時間とともに変位する太陽に正対した状態を維持することができるようになっている。

0037

請求項10に記載の太陽光集光システムは、請求項1〜8のいずれかに記載の光学系を複数設けるとともに、前記複数の光学系をリンクで接続し、同一方向に傾くように駆動する駆動機構を有することを特徴とする。

0038

これにより、図2に示す構成よりも、よりコンパクトな構成を提供できる。

0039

請求項11に記載の太陽光集光システムは、請求項9または10に記載の発明において、前記駆動機構は、蓄電手段と、該蓄電手段により前記光学系を駆動する駆動源とを有し、少なくとも前記蓄電手段と前記駆動源は、前記光学系を全体的に覆う筐体内に収容されていることを特徴とする。

0040

これにより、前記筐体によって少なくとも前記蓄電手段と前記駆動源と前記光学系を、屋外環境から保護することができる。尚、蓄電手段は、広義電池キャパシタ等を含む。

0041

請求項12に記載の太陽光集光システムは、請求項9〜11のいずれかに記載の発明において、前記筐体の上面および一部の側面は、光透過性の素材から形成されていることを特徴とする。

0042

これにより、日中のみならず、朝夕時間帯でも、有効に太陽光を受光することができる。

0043

請求項13に記載の太陽光集光システムは、請求項9〜11のいずれかに記載の発明において、前記筐体の上面のみが光透過性の素材から形成され、前記太陽光集光システムを取り付けたときに、前記上面は水平面に対して傾いていることを特徴とする。

0044

これにより、日中のみならず、朝夕の時間帯でも、有効に太陽光を受光することができる。

0045

本発明によれば、筐体の中で個々の光学系を回動させて行うため、光学系が直接風雨にさらされることがなく、かつ駆動系も負荷が少ないので、リンク等の簡素な構成で確実かつ長寿命に駆動機構を作ることが容易である。駆動機構の電源は、太陽電池により太陽光発電から得た電荷を、電気2重層リチウムイオンなどの高容量キャパシタ充電し、制御回路を経てモーター駆動を行うことができる。これらの駆動機構および電源や制御装置は、全て筐体内に収まっているため、風雨に直接さらされることがなく、極めて安定した状況で高い信頼性の元に機能する。

0046

駆動機構は、一つのモーターを15°/時間程度の極めて遅い速度で動かし、リンクで繋がれた他の光学系も連動して同じ回動動作を行うことが望ましい。機械設計的には、わずか120度往復の回動を密閉筐体の中で毎日10年間続けて行っても、延べで2500回転程にしかならず、しかも極めて遅い速度で駆動する事から、ほとんど壊れることが無いほど負荷が小さいと言える。

0047

さらに、太陽電池を用いれば電源が完全に自立しているので、停電時にも問題なく動作し、また一般家屋に設置する際も、筐体を固定し、採光した太陽光を伝送する導光系として光ファイバーまたは光ファイバーバンドルを接続するだけで良い。太陽追尾は、光学系にフォトセンサーを取り付けて、最も明るい方向を向くように制御しても良く、設置場所緯度と時間、屋根の傾角方向を入力すると、制御部が有する時計によって追尾角度が算出され、追尾を行う方式であっても良い。後者であれば、曇天天候不良の時にも正確に太陽の方向を追尾するので、探すために電力を消耗することが無い。

0048

追尾に使われる電力は、前述したように極めて微小なので、経年的に容量劣化が進む信頼性の低い2次電池の代わりに、より信頼性の高い高容量キャパシタを使うことができ、システム全体の信頼性も高めることが出来る。

0049

本発明の太陽光集光光学系は、できるだけ薄い形態によって、風雨の影響を受けにくく、かつ大面積で屋根や屋上などへ設置を容易とし、その結果、十分な太陽光が採り入れられ、有り余る採光量を伝送過程で調節することによって、太陽の高度や方位、天候の変化に係わらず安定しかつ安価な照明を得ることができる。

発明の効果

0050

本発明によれば、コンパクトでありながら、高い集光効率を有する太陽光集光用の光学系と、簡素な構成で太陽を追尾できる太陽光集光システムを提供することができる。

図面の簡単な説明

0051

本発明の原理を説明するための図であり、(a)は比較例の光学系を示し、(b)は本発明の一例にかかる光学系を示す。
本発明の原理を説明するための図であり、(a)は太陽の位置が真上にあるときの太陽光集光システムの状態を示し、(b)は太陽の位置が真上にあるときの太陽光集光システムの状態を示す。
本実施の形態にかかる太陽光利用型照明装置を建物に取り付けた状態を示す概略図である。
第1の実施の形態にかかる太陽光集光システムの概略断面図であり、(a)は太陽の位置がガラスGL面に対して真上にあるときの状態を示し、(b)は太陽の位置が斜めにあるときの状態を示す。
光ファイバーバンドルFBの上端(受光部)を拡大して示す図である。
光ファイバーバンドルFBの一部を示す斜視図である。
比較例にかかる太陽光集光システムを示す図4と同様な図である。
変形例にかかる太陽光集光システムを示す図4(a)と同様な図である。
第2の実施の形態にかかる太陽光集光システムの概略斜視図である。
変形例にかかる光学系を示す図である。

実施例

0052

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合誇張され、実際の比率とは異なる場合がある。

0053

(第1の実施の形態)
図3は、本実施の形態にかかる太陽光集光システムを建物に取り付けた状態を示す概略図である。図1において、建物1の屋根1aには、太陽光集光システム2が設けられ、建物1の天井1bには、照明部3が設けられている。太陽光集光システム2と照明部3とを、複数の光ファイバーバンドルFBが導光可能に連結している。照明部3は、光ファイバーバンドルFBにより導光された太陽光SLを、不図示の拡散板拡散させた後、照明光として出射するようになっている。

0054

図4は、太陽光集光システム2の概略断面図である。図4において、上面がガラスGLで覆われたボックス状の筐体BX内に、集光レンズとしてのフレネルレンズFLがアレイ状に並べて配置されている。フレネルレンズFLの、下方には発散レンズとしての負レンズL2が設けられている。フレネルレンズFLと負レンズL2とで光学系を構成する。フレネルレンズFLは、紙面垂直方向に延在する軸STにより筐体BXにより回転可能に支持されており、更にフレネルレンズFLおよび負レンズL2に固定された垂直リンクLK1が下方に延在している。垂直リンクLK1の下端同士は、水平リンクLK2により枢動可能に連結されている。フレネルレンズFLおよび負レンズL2の集光位置には、光ファイバーOFの上端(受光部)が配置されている。光ファイバーバンドルFBの下端は、図3に示すように建物1内に引き込まれ、照明部3に接続されている。

0055

図4中、最も左側の軸STには、駆動源であるモータMTの回転軸が連結されている。モータMTは、制御装置CONTにより駆動制御される。太陽電池PVから生じた電力を大容量キャパシタCPで蓄積しており、その電力で制御装置CONTが動作するようになっている。

0056

図5は、光ファイバーバンドルFBの上端(受光部)を拡大して示す図である。図5において、光ファイバーバンドルFBは複数の光ファイバーOFを束ねて、周囲を樹脂PLで固めたものである。光ファイバーバンドルFBの上端近傍には、熱伝導率が100W/mK以上の材料による複数のフィンFN(突起)を放射状に設けている。フィンFNは金属製であると好ましいが、カーボンファイバー等でもよい。これにより、受光部の冷却効果を高めることができる。

0057

図6は、光ファイバーバンドルFBの一部を示す斜視図であるが、受光部のフィンは省略している。図6において、光ファイバーバンドルFBを挟むようにして、熱伝導率が100W/mK以上である突起としての2枚の銅箔テープTPを貼り合わせている。銅箔テープTPの大面積で放熱を行うことで、光ファイバーバンドルFBの冷却効果を高めることができる。

0058

本実施の形態の動作を説明すると、図4において、ガラスGLを介して筐体BX内に進入した太陽光SLは、フレネルレンズFLに入射し、光ファイバーバンドルFBの上端に集光され、ここから各光ファイバーOF内に進入し、これを介して建物1内の照明部3に導光されて、適切な照明を行うようになっている。

0059

更に、太陽は時間とともに位置が変わるので、それに合わせてフレネルレンズFLが追尾する。より具体的には、ガラスGLを介して筐体BX内に進入した太陽光SLの一部が、太陽電池PVに入射し、電気エネルギーを発生させる。この電気エネルギーは、大容量キャパシタCPに蓄積され、それにより制御装置CONTがモータMTを駆動制御して、15°/時間の遅い速度でフレネルレンズFLを軸ST回りに回転させる。一つのフレネルレンズFLの回転は、垂直リンクLK1と水平リンクLK2を介して、他のリンクLK1,LK2を変位させ、これにより全てのフレネルレンズFLは,同じ角度で傾くので、時間とともに変位する太陽に正対した状態を維持することができるようになっている。

0060

図7は、比較例にかかる太陽光集光システムを示す図2と同様な図である。ただし、本例では、フレネルレンズFLは、筐体BXに対して軸支されておらず、互いに連結されて水平方向に移動可能に支持されている。またフレネルレンズFLのアレイは、モータMTに連結したボールねじ機構BSにより水平方向に駆動されるようになっている。それ以外の構成は上述した例と同様である。

0061

図7の比較例は、太陽光SLの入射角に応じて、フレネルレンズFLと受光部との位置関係を変えることで受光量を確保するようにしたものだが、本実施の形態の回動式に比べると以下の2つの大きな課題を持っており、それ故採光効率に難がある。
(a)太陽高度が低くなって浅い角度の斜入射となったとき、光学系の焦点形状崩れるため採光効率が大幅に低下する。
(b)同様の状況で、フレネルレンズで全反射が発生し、入射光束の一部が受光部に達しないため、大幅に採光効率が低下する。
従って、本実施の形態が優れているといえる。

0062

また、図1(a)に示すように光学系が単一レンズであると、受光部の採光効率が高いNAを満たすには焦点位置が長くなり、その結果、太陽光集光システム2全体が厚く大型になり、筐体BXなどに使用する材料が増えて重くなり高価となる。太陽光集光システム2は極めて簡素な構造であるため、筐体が占めるコストは全体の20〜30%と大きく、筐体BXを軽量低コストにまとめ上げることが重要である。

0063

これに対し、本実施の形態によれば、光学系を集光レンズと発散レンズとから構成したので、図1を参照して説明したように、光学系の全長を40%程短くすることができ、その分筐体BXの厚みを薄くすることができる。そのため、筐体BXのコストだけでなく、一般家屋の屋根上への設置作業が容易となるので、施工作業費も低減することができ、より普及を促進できる。

0064

更に本実施の形態によれば、光ファイバーバンドルFBの受光部に、熱伝導率が高い材料によってフィンFNを取り付け、放冷を促進して温度上昇を抑えることができる。実際に、口径200mmのフレネルレンズを用いて、Φ1mmの光ファイバーを12本バンドルしてその受光部に集光させたところ、受光部手前にUVカットおよび赤外カットフィルターを用いても、常温下で端面温度は130℃まで上昇し、樹脂材料の光ファイバーの耐熱限界を超えるため、石英等の光ファイバーを用いるか、もしくは樹脂製の光ファイバーを用いる場合には遮光カーテン等で入射光を制限する必要があることが判明し、これに伴いコスト高や効率の低下を招く恐れがあることがわかった。

0065

一方、本実施の形態の放冷フィンとして、異方性ピッチによるCFRPを用いて32枚のフィンFNを、光ファイバーバンドルFBの受光部に放射状に取り付けたところ、同じ条件下で110℃まで低下した。さらに、小型のファンを回して弱い風をフィンFNに送ったところ、85℃まで温度を低減でき、光ファイバーとしては、高価な石英製や多成分ガラスを用いることなく、安価な樹脂製が使えることがわかった。これにより、極めて柔軟性に富み施工が容易で安価な樹脂製光ファイバーや光ファイバーバンドルに太陽光採光を入射させることができるようになる。

0066

更に、太陽光伝送に用いる光ファイバーバンドルFBの外周に、熱伝導率が高い銅箔テープTPを設け、微弱な発熱をテープ伝導させ、テープの大きな表面積で放熱を促進して温度上昇を抑えることができる。本発明者らの検討結果によれば、前述の条件で、室温25℃下で40℃程に上昇した樹脂製光ファイバーの温度が、銅箔テープの挟み込みにより32℃まで低減し、60℃程度の環境温度でも自然放冷だけで90℃以下に留まることがわかった。また、非常に弱い風をフィンに送ることで、さらに5℃程度低下させることが可能であったので、小型のモーター等を使ってわずかな風量の空気流を起こせば、確実に温度上昇を抑制できることがわかった。

0067

本実施の形態においては、太陽光の伝送にダクトなどを用いずに、柔軟性が高く施工容易な光ファイバーや光ファイバーバンドルを用いるので、この長所を活かせるように放冷フィンFNや銅箔テープTPについても可塑性の富んだ柔軟な構造でかつ施工容易であることが好ましい。

0068

図8は、本実施の形態の変形例にかかる図4(a)と同様な図である。本例においては、筐体BXの上面のみならず側面まで、ガラスGLにより覆っている。太陽光照明における、単なるLED照明などの代替とは異なる最大の特徴は、太陽の動き感じられる「太陽光らしい照明」という点である。これが顕著に発揮されるのは日であり、朝日において最も太陽光らしさが顕されるので、太陽光照明では朝日を取り込み照明として用いることが望ましい。

0069

本実施の形態による太陽光集光システムは、個々のフレネルレンズFLが回動することにより太陽を追尾するが、地平線に近い朝日を採光するには、東からほぼ水平に入射する光線補足できなければならない。従って、上述した実施の形態では、筐体BXの側面が朝日を遮ってしまうので採光に支障を来す。これに対して本例によれば、筐体BXの側面までガラスGLで覆うことで、内部の部材を外部環境から保護しつつ、早朝にも太陽光を取り込むことが可能となる。

0070

尚、水平に近い光束を捉えられるのは、アレイ状に並んだフレネルレンズFLのうち最も東に並んでいる一列のみであり、他のフレネルレンズFLはこの影となるので朝日を捕捉することができない。従って、筐体BXの東側面の上半部程度、ちょうどフレネルレンズFLの開口の大きさだけ透明化すれば、朝日を捉えることができることとなる。

0071

しかし、筐体BLの東側面を透明化することは、筐体BXの部品点数が増え、製作時間がかかるためコストが高くなる。前述したように、全体コストに対する筐体コストが占める割合は大きい。そこで、筐体BXの東側面を透明化するのではなくそのままとして、上面のガラスGLを東側に傾斜させて、朝日が筐体BX内に入り込むようにすることで、部品の数はそのままでコストを押さえながら同等の効果が期待できる。東方向への傾斜は、屋根への取り付けで傾斜角度を付ける方法と、筐体形状で傾斜を付けておく方法が考えられるが、どちらでも良いし両方を合わせても良い。筐体形状に傾斜をつける方法は、西側が厚くならないようにすると、せいぜい数度程度のため、前者の方が効果が大きいといえる。これらにより、朝の太陽光を採光することが可能となり、屋内に照明されることで太陽光らしい照明が実現でき、住人体内時計校正活力喚起する照明が実現できる。

0072

(第2の実施の形態)
太陽は、時間とともに方角が変わり且つ高さも変わる。従って、1軸の回転では、十分に太陽を追尾できない恐れがある。これに対し太陽追尾の2軸駆動は、例えば図9に示すような第2の実施の形態にかかる太陽光集光システムで実現できる。図9において、列ごとに並んだ光学系をフレームFRに対して軸ST1により回転可能に支持する。また、各フレームFRは、軸STに直交する軸ST2により回転可能に支持する。軸ST1,軸ST2は、それぞれ上述したようにリンクで連結することにより、連動して回転させることができるから、2つのモータのみで2軸駆動が可能になる。

0073

また、この例では追尾に必要な電力を賄う太陽電池PVを、一つの光学系(フレネルレンズ)から置き換えて配置することで、他の光学系と同様に太陽を追尾することができ、高い光電変換効率を維持して高効率に電力を得ることができる。さらに、太陽電池PVの前面にも集光光学系を配置して、高効率光電変換素子により発電することによって、光学系に、駆動系用採光用とを区別を付ける必要が無くなり、製造プロセスが共有化されるので、より作りやすく安価になる。このような2軸駆動機構が、カバーガラス遮蔽された筐体内で風雨に晒されることなく配置され、簡素で安価な構成ながら高い信頼性で追尾駆動することができる。

0074

図10は、上述した実施の形態に対する光学系の変形例を示す図である。本例では、第2光学系である発散レンズL2を光ファイバーOF(光ファイバーバンドルでもよい)の上端に結合している。このように、発散レンズL2に直接光ファイバーOF(または光ファイバーバンドル)を結合することで、以下のメリットが得られる。
(a)発散レンズL2と光ファイバーOF間の空気界面を減らして反射損失を数%減少することができる。
(b)最も集光したところが空気にさらされないので、ホコリなどの汚れが付かず、それが焼けたりすることがない。
(c)集光点である光ファイバーや光ファイバーバンドルの採光端で発生する熱に対して、第2光学系へ直接熱伝導が行われるので、冷却効果が期待できる。

0075

尚、赤外線カットフィルター紫外線カットフィルターFTを,発散レンズL2と光ファイバーOF間の間に介在させつつ結合してもよい。これにより、光ファイバーOFに進入する赤外線や紫外線の量を減少させることができる。

0076

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。

0077

1建物
1a屋根
1b天井
2太陽光集光システム
3照明部
BSボールねじ機構
BX筐体
CONT制御装置
CP大容量キャパシタ
FB光ファイバーバンドル
FLフレネルレンズ
FNフィン
FRフレーム
FT赤外線または紫外線カットフィルター
GLガラス
L1集光レンズ
L2発散レンズ
LK1垂直リンク
LK2水平リンク
MTモータ
OF光ファイバー
PL樹脂
PV太陽電池
SL太陽光
ST 軸
ST1 軸
ST2 軸
TP銅箔テープ

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