JP2012225611A - 太陽光集光装置および太陽エネルギー利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバに導くことができる高効率な太陽光集光装置を提供する。
【解決手段】太陽光集光装置は、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板１と、太陽光拡散板１の下面に設置され、太陽光拡散板１を透過した太陽光を、受光面５と反対側の面に形成された複数の傾斜光学面６ａ〜６ｄで全反射して所望の方向に導くマルチ全反射面型集光プリズム２と、マルチ全反射面型集光プリズム２を出射した太陽光を集光する結合用集光レンズ３と、結合用集光レンズ３によって集光された太陽光を導く光ファイバ４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、建物の屋根または屋上等に設置され、太陽光を集光する太陽光集光装置、および太陽光集光装置が集光した太陽光を照明、太陽熱温水器、太陽光発電に利用する太陽エネルギー利用システムに関するものである。

従来より、建物の屋根または屋上に設置され、太陽光のエネルギーを有効活用する太陽エネルギー利用システムとして、太陽熱温水器のように集熱面（ガラスパネル）と集熱配管（熱媒、水または不凍液等）などから構成されるシステム、および、太陽光発電システムのように太陽電池パネルと太陽電池パネルで発電した電力を送電する配電線などから構成されるシステムが知られている。

一方、太陽光を光のまま利用するシステムとして、太陽光採光システムが知られている。この太陽光採光システムは、複数のレンズと、レンズで集光した太陽光を導く光ファイバと、太陽位置検出用の光センサと、光センサの検出結果を基に、レンズと光センサを配した集光部を動かして、太陽の動きを追尾する太陽追尾機構とを備えたシステムである。レンズで集光された太陽光は、光ファイバの入射端に入射され、光ファイバコア内を導光され、昼間でも採光の十分でない地下室等の暗い部屋の照明に利用されている（非特許文献１参照）。

さらに、この太陽光採光システムの光ファイバの代わりに、光ダクトを用いた太陽光採光システムも利用されている。ここで光ダクトとは、金属板等のダクト（矩形配管）状の構造物の内面を、太陽光が高効率で反射・伝搬を繰り返すことができるように高反射率の鏡面状に加工したものである。この光ダクト式太陽光採光システムには、太陽追尾機構が具備されているものと具備されていないものの両方が知られている。

「太陽光採光システムひまわり」，ラフォーレエンジニアリング株式会社，＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｍａｗａｒｉ−ｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／＞

前記太陽熱温水器では、太陽エネルギーを集熱するために熱媒（水または不凍液等）を利用しているが、太陽光による加熱と夜間の冷却とが繰り返される熱サイクルによって構成部材が経年変化を起こし、熱媒の液漏れ等が発生するという問題点があった。一方、前記太陽光発電システムでは、太陽電池セルの発電効率（光から電気への変換効率）が１５％〜２０％程度以下と低く、太陽エネルギーを効率的に利用することができないという問題点があった。

また、太陽熱温水器と太陽光発電システムを一体として構成しようとする所謂「ハイブリッドソーラーシステム」も検討されているが、コスト面等からほとんど利用されていない。

さらに、太陽光採光システムでは、太陽光を利用する場所（部屋等）まで導光するために光ファイバを利用するが、光が直進すること、並びに、光ファイバの入射角度（所謂ＮＡ、開口角）が限定されることから、移動する太陽の追尾機構を利用して集光レンズまたは放物面鏡を太陽の方角に常に向けていることが必須の要件となっている。しかし、この追尾機構は、コスト高の要因となっており、太陽光採光システムの普及を妨げる原因の一つとなっている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバ等の導光手段に導くことができる高効率な太陽光集光装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、太陽光の有効活用を図る太陽エネルギー利用システムを低コストで実現することを目的とする。

本発明の太陽光集光装置は、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された複数の傾斜光学面で全反射して所望の方向に導くマルチ全反射面型集光プリズムと、このマルチ全反射面型集光プリズムを出射した太陽光を集光する結合用集光レンズと、この結合用集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽光集光装置は、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された傾斜光学面で全反射して所望の方向に導く第１の全反射集光プリズムと、この第１の全反射集光プリズムの出射端面と接するように配置され、前記第１の全反射集光プリズムを出射した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された傾斜光学面で全反射して所望の方向に導く第２の全反射集光プリズムと、この第２の全反射集光プリズムを出射した太陽光を集光する結合用集光レンズと、この結合用集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の太陽光集光装置は、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を集光するフレネルレンズまたは集光レンズと、このフレネルレンズまたは集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽光集光装置は、天空に向けて設置され、受光面から出射端面に向かって漸次断面積が狭くなるテーパードオプティックファイバプレートと、このテーパードオプティックファイバプレートの出射端面に密着して接続され、前記テーパードオプティックファイバプレートを出射した太陽光を導くテーパード光ファイバとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽光集光装置は、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を集光するフレネルレンズまたは集光レンズと、内面に鏡面加工が施され、前記フレネルレンズまたは集光レンズによって集光された太陽光を導く管状の光ダクトとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の太陽エネルギー利用システムは、太陽光集光装置と、この太陽光集光装置によって集光された太陽光を照明光として利用する照明装置とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽エネルギー利用システムは、太陽光集光装置と、この太陽光集光装置によって集光された太陽光で水を加熱する太陽熱温水器とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽エネルギー利用システムは、太陽光集光装置と、この太陽光集光装置によって集光された太陽光で発電する太陽電池パネルとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、太陽光拡散板とマルチ全反射面型集光プリズムと結合用集光レンズと光ファイバとを設けることにより、太陽の天周運動による移動によって各方角から届く太陽光を効率良く集光することができるので、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバに導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。本発明の太陽光集光装置を利用して、太陽光エネルギーを活用するシステムは、住宅・事務所等の採光（照明）、太陽光発電、給湯用の水道水加熱などに太陽光を利用することが可能である。特に、十分な受光面積を確保できるような構成によれば、約２００Ｌの給湯用の大型タンク（標準的な家庭で１日１回の風呂に利用するのに十分な容量）の水道水を短時間で加熱できることに加え、加熱以外の余剰時間では、太陽光を太陽電池パネルに導光することで、太陽光発電を行う太陽エネルギー利用システムを実現することができる。さらに、余剰な太陽光については、採光の悪い部屋等に導光することで、昼間の照明として利用することが可能である。本発明では、屋根面積いっぱいの大面積の太陽光を集光利用することができるため、短時間で必要な給湯用大型タンクの加熱が可能であること、水道水の加熱に必要な時間以外の太陽光を太陽電池パネルに導くことで、太陽光発電を行う太陽エネルギー利用システムを実現することができ、太陽光エネルギーを有効活用することができる。太陽光発電の効率は、太陽光を集光して照射することができるため、小面積の太陽電池パネルで十分であるが故に、人工衛星に搭載されるような光−電気変換効率が４０％に達するような高効率の太陽電池パネルを利用することが可能になり、総合効率を高めることができるものと見積もられる。光−電気変換効率が４０％に達するような高効率の太陽電池パネルは高価であるが、本発明では太陽光を集光して照射することで、太陽電池パネルが小面積で済むので、低価格化が可能である。また、集光した太陽光のうち一部の太陽光を照明用に利用して、採光の悪い部屋や、収納庫、廊下、天井裏等々を明るく照らすことができる。また、本発明の太陽光集光装置を用いる太陽エネルギー利用システムは、基本的に太陽光をそのまま利用することを主眼とする思想を貫いているため、光から電気等へのエネルギー形態の変換を最小限に抑えた構成をとることができる。それゆえに、エネルギーの高効率利用が可能である。

また、本発明では、太陽光拡散板と第１の全反射集光プリズムと第２の全反射集光プリズムと結合用集光レンズと光ファイバとを設けることにより、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバに導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。

また、本発明では、太陽光拡散板とフレネルレンズまたは集光レンズと光ファイバとを設けることにより、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバに導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。

また、本発明では、テーパードオプティックファイバプレートとテーパード光ファイバとを設けることにより、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバに導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。また、本発明では、レンズの焦点と光ファイバの入射端面とを高精度に位置決めしなければならないという問題を解決することができる。

また、本発明では、太陽光拡散板とフレネルレンズまたは集光レンズと光ダクトとを設けることにより、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ダクトに導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。また、本発明では、直射日光のエネルギーによって構造物が破壊される限界が緩和されるため、受光面積を大型化することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る太陽光集光装置の断面図および下面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る太陽光集光装置を複数台集合配置した集光ユニットの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る太陽光集光装置の斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る太陽光集光装置の斜視図および断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る太陽光集光装置の断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る太陽光集光装置および太陽光集光装置を利用する太陽エネルギー利用システムの構成を示す斜視図、並びに太陽エネルギー利用システムの太陽光発電部の構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る太陽光集光装置および太陽光集光装置を利用する太陽エネルギー利用システムの構成を示す断面図、並びに太陽エネルギー利用システムが設置された住宅の側面図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る太陽光集光装置の構成を示す断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の太陽光集光装置を下から見た下面図である。本実施の形態の太陽光集光装置では、天空から降り注ぎ且つ移動して大きな方位角変化を起こす太陽光を、太陽の追尾機構を用いることなく効率良く受光して一方向に方位変換して集光するために、太陽光拡散板１を活用する。

太陽光拡散板１は、太陽光の散乱機能と透過機能とを有するシート状の光学素子である。太陽光拡散板１としては、簡易的には、すりガラス（フロストガラス）や、白色半透明のスクリーン状シートなどが利用可能である。一方、光拡散光学素子として専用に開発されたものもあり、そのような光拡散光学素子を太陽光拡散板１として利用する方がより好適である。このような光拡散光学素子としては、例えば米国Ｌｕｍｉｎｉｔ，ＬＬＣ社のＬＳＤ（Light Shaping Diffuser）レンズ拡散板などが利用可能である。

太陽光拡散板１の下には、太陽光拡散板１の下面（太陽と反対の面）と接するようにマルチ全反射面型集光プリズム２が配置される。太陽光拡散板１とマルチ全反射面型集光プリズム２の機能は、主として太陽の天周運動のために天空の広い範囲から届く太陽光を直達方向から後段のレンズ等の光学系が集光するのに概略都合の良い方向に太陽光の進行方向を変更・修正することである。太陽光拡散板１に入射した太陽光は、太陽光拡散板１によって拡散され、太陽光拡散板１を透過してマルチ全反射面型集光プリズム２に入射する。

マルチ全反射面型集光プリズム２は、太陽光拡散板１から入射した太陽光を全反射することにより、太陽光の進行方向を所望の方向（図１の例では左方向）に変えることができる。そして、１回または複数回の全反射をしつつ、マルチ全反射面型集光プリズム２内を進行した太陽光は、結合用集光レンズ３によって集光され、太陽（集光）エネルギー伝送用の光ファイバ４に入射する。

このようにして、住宅等の建造物の屋上等に設置された本実施の形態の太陽光集光装置は、天空上を移動する太陽から降り注ぐ太陽光を移動することなく捕らえることができ、太陽光を光ファイバ４に導くことができる。光ファイバ４によって伝送される太陽光は、貯湯槽に導かれ入浴用のお湯の加熱に利用されたり、高効率太陽電池パネルに導かれ太陽光発電に利用されたり、昼間でも暗い地下室等の部屋に導かれ照明として利用されたりする。

以下、本実施の形態のマルチ全反射面型集光プリズム２についてより詳細に説明する。マルチ全反射面型集光プリズム２は、図１（Ｂ）から明らかなように、平面視扇形の形状を有している。マルチ全反射面型集光プリズム２の厚さＨ１は例えば３０ｍｍ、長さ（扇の半径）Ｌ１は例えば１５０ｍｍ、扇の中心角θ１は例えば４５°に設計されている。そして、扇型の中心位置または中心近傍の位置に結合用集光レンズ３が配置されるようになっている。

マルチ全反射面型集光プリズム２の受光面５（図１（Ａ）では上面）は平面状であり、この受光面５上に太陽光拡散板１が密着して接着される。受光面５の面積は、およそ９０００〜１００００ｍｍ²程度であり、１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形の有する受光面積に相当する。太陽光拡散板１は、結合用集光レンズ３との距離Ｌ２がおよそ５０ｍｍの位置に載置される。したがって、結合用集光レンズ３との距離がおよそ５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲が有効な採光面となる。

ここで注意しなければならないのは、晴天時の直射日光が１０００Ｗ／ｃｍ²以上のエネルギーを有することである。したがって、太陽光を直径が１．０ｍｍΦ以下の光ファイバの入射端面に集光すると、光ファイバが２００〜３００℃の高温となって光ファイバの入射端面やその周囲を破壊（焼損）する恐れがある。このため、太陽光集光装置の現実的な受光面積（実現面積）は、約１００ｍｍ四方程度に限られる。受光面積は、様々な構造部分で発生する集光効率の損失を考慮すると、最大で１５０ｍｍ四方程度の大きさに限られる。

マルチ全反射面型集光プリズム２の受光面５と反対側の面（図１（Ａ）では下面）には、扇形の中心に向かって凹の光学全反射曲面である傾斜光学面６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが同心状に複数形成されている。受光面５からマルチ全反射面型集光プリズム２の内部に入射した太陽光は、傾斜光学面で１回全反射された後に結合用集光レンズ３に入射するか、あるいは傾斜光学面と受光面５で複数回全反射された後に結合用集光レンズ３に入射する。

マルチ全反射面型集光プリズム２の受光面５に対する各傾斜光学面６ａ〜６ｄの傾斜角度は、マルチ全反射面型集光プリズム２の水平方向の集光位置が扇形の中心位置になり、結合用集光レンズ３で集光された太陽光が光ファイバ４の入射端面１点に集まるように設計される。この傾斜光学面６ａ〜６ｄの傾斜角度は、扇形の中心に向かって次第に緩くなる。図１に示した例では、扇形の中心から最も遠い傾斜光学面６ａの傾斜角度θ２が約４５°、扇形の中心から最も近い傾斜光学面６ｄの傾斜角度θ３が約３６．８°に設計されている。

扇形の中心から最も近い傾斜光学面６ｄで全反射した太陽光は、図１（Ａ）に示すように中心方向斜め上方に進行して、上側の受光面５で角度θ４（約２６．６°）で全反射し、結合用集光レンズ３に入射する。マルチ全反射面型集光プリズム２を、例えば住田ガラス製の高屈折ガラスＫ−ＰＳＦｎ２１５（屈折率ｎｄ＝２．１５４）を用いて製作する場合、太陽光を全反射する最小入射角は２７〜２８°程度である。

以上のようにして、本実施の形態では、太陽追尾機構がなくても太陽光を長時間にわたって光ファイバ４に導くことができる高効率な太陽光集光装置を低コストで実現することができる。

図２は本実施の形態の太陽光集光装置を１０台集合配置した集光ユニットの構成を示す平面図である。図２に示したような太陽光集光装置の集合配置を取るように設計することで、広く薄く降り注ぐ太陽光を効率良く採光することができる。なお、本実施の形態の太陽光集光装置で集光した太陽光を利用する太陽エネルギー利用システムについては後述する。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る太陽光集光装置の斜視図である。第１の実施の形態では、平面視扇形のマルチ全反射面型集光プリズムを用いたため、太陽光拡散板も平面視扇形のものを用いたが、本実施の形態では、平面視矩形の太陽光拡散板１０を用いる。太陽光拡散板１０の長さＬ３と幅Ｗ１は共に約１５０ｍｍである。

太陽光拡散板１０に入射した太陽光は、太陽光拡散板１０によって拡散され、太陽光拡散板１０を透過して全反射集光プリズム１１に入射する。全反射集光プリズム１１の受光面１５（図３では上面）は平面状であり、この受光面１５上に太陽光拡散板１０が密着して接着されている。受光面１５の大きさも１５０ｍｍ×１５０ｍｍである。この全反射集光プリズム１１の厚さＨ２は、例えば８０ｍｍである。全反射集光プリズム１１の受光面１５と反対側の面（図３では下面）は、光学全反射面である傾斜光学面１６になっている。

全反射集光プリズム１１の受光面１５に対する傾斜光学面１６の傾斜角度θ５は、受光面１５から全反射集光プリズム１１の内部に入射した太陽光が全反射して所望の方向（図３の例では右方向）に向かうように設計される。全反射集光プリズム１１を例えば住田ガラス製の高屈折ガラスＫ−ＰＳＦｎ２１５（屈折率ｎｄ＝２．１５４）を用いて製作する場合、受光面１５から入射した太陽光を全反射するために要求される傾斜光学面１６の傾斜角度θ５は２７〜２８°程度になる。

全反射集光プリズム１１の出射端面１７（図３では右側面）には、全反射集光プリズム１２が密着して接着されている。全反射集光プリズム１２の長さＬ４は例えば４３ｍｍ、幅は全反射集光プリズム１１と同じ約１５０ｍｍ、厚さＨ３は例えば４３ｍｍである。全反射集光プリズム１１の傾斜光学面１６で全反射された太陽光は、全反射集光プリズム１１内を進行して、全反射集光プリズム１２に入射する。全反射集光プリズム１２の受光面１８（図３では左側面）と反対側の面は、光学全反射面である傾斜光学面１９になっている。

全反射集光プリズム１２の受光面１８に対する傾斜光学面１９の傾斜角度θ６は、受光面１８から全反射集光プリズム１２の内部に入射した太陽光が全反射して所望の方向（図３の例では結合用集光レンズ１３の方向）に向かうように設計される。全反射集光プリズム１２を例えば住田ガラス製の高屈折ガラスＫ−ＰＳＦｎ２１５（屈折率ｎｄ＝２．１５４）を用いて製作する場合、受光面１８から入射した太陽光を全反射するために要求される傾斜光学面１９の傾斜角度θ５は２７〜２８°程度になる。

全反射集光プリズム１２の出射端面２０の先には、結合用集光レンズ１３が設置される。全反射集光プリズム１２の傾斜光学面１９で全反射され、全反射集光プリズム１２を出射した太陽光は、結合用集光レンズ１３によって集光され、太陽（集光）エネルギー伝送用の光ファイバ１４の端面に入射する。

以上のようにして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態の太陽光集光装置で集光した太陽光を利用する太陽エネルギー利用システムについては後述する。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る太陽光集光装置の斜視図、図４（Ｂ）はこの太陽光集光装置の断面図である。本実施の形態の太陽光集光装置は、太陽光拡散板２１と、太陽光拡散板２１の上面に密着して接着されたカバーガラス（板ガラス）２２と、太陽光拡散板２１の下面に密着して接着され、太陽光拡散板２１を透過した太陽光を集光するフレネルレンズ２３と、光ファイバ２４とから構成される。

カバーガラス２２に入射した太陽光は、太陽光拡散板２１によって拡散され、太陽光拡散板２１を透過してフレネルレンズ２３に入射する。フレネルレンズ２３は、入射した太陽光を焦点位置に集光する。この焦点位置に、太陽（集光）エネルギー伝送用の光ファイバ２４の入射端面を設置する。この光ファイバ２４によって、太陽光（エネルギー）を有効利用できる位置まで、遠隔に輸送することができる。

以上のようにして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、フレネルレンズ２３の代わりに、集光レンズまたは通常の凸レンズを用いても良い。本実施の形態の太陽光集光装置で集光した太陽光を利用する太陽エネルギー利用システムについては後述する。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５は本発明の第４の実施の形態に係る太陽光集光装置の断面図である。本実施の形態の太陽光集光装置は、天空に向けて設置され、受光面から出射端面に向かって漸次断面積が狭くなるテーパードオプティックファイバプレート３０と、テーパードオプティックファイバプレート３０の受光面（図５では上面）に密着して接着されたカバーガラス（板ガラス）３１と、テーパードオプティックファイバプレート３０の出射端面に密着して接続されたテーパード光ファイバ３２とから構成される。

第１〜第３の実施の形態で説明した太陽追尾機構を有しない太陽光集光装置は、十分な性能を有するが、レンズ３，１３，２３の焦点位置に導光用の光ファイバ４，１４，２４の入射端面を正確に位置決めしなければならないという若干の問題を有する。このような問題を解決するために、本実施の形態では、平面状の広い受光面から出射端面に向かって漸次断面積が狭くなるテーパードオプティックファイバプレート３０を利用し、テーパードオプティックファイバプレート３０の出射端面に導光用のテーパード光ファイバ３２を密着して接続するようにした。このような構成により、本実施の形態では、レンズの焦点と光ファイバの入射端面とを高精度に位置決めしなければならないという問題を解決することができる。

ここで、テーパードオプティックファイバプレート３０は、透明な繊維状結晶が完全に平行に整列した集合体で、外見は不透明で白く見えるが、例えば絵の描いてある紙の上に載せると結晶が光ファイバの役割をして下の絵が結晶表面に浮き出したように見えるものである。このテーパードオプティックファイバプレート３０は、テレビ石（TV rockまたはTV stone）とも呼ばれている類のものである。

天然のテレビ石であるウレキサイト（ulexite）は、ホウ酸塩鉱物の一種であり、和名は曹灰硼石（そうかいほうせき）と称される。このテレビ石は、自然界で大きなものは入手しづらく、光学素子としては利用しづらい。そこで、人工的に光ファイバを束ねて固定し、両端面を揃えて研磨することによって、ウレキサイトと同様な光学的機能を有する光学素子であるテーパードオプティックファイバプレート３０を製作することができる。このようなテーパードオプティックファイバプレート３０としては、浜松ホトニクス社製のファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）が知られている（ｈｔｔｐ：／／ｊｐ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｏｔｈｅｒ／ｐｄ０２１／ｉｎｄｅｘ＿ｊａ．ｈｔｍｌ）。

また、テーパード光ファイバ３２は、複数の光ファイバの入射端を、テーパー状に加工したものを束ねたものである。
こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、さらにレンズと光ファイバの位置決めの問題を解消することができ、太陽光集光装置の製作を容易にすることができる。なお、本実施の形態の太陽光集光装置で集光した太陽光を利用する太陽エネルギー利用システムについては後述する。

［第５の実施の形態］
図６（Ａ）は本発明の第５の実施の形態に係る太陽光集光装置および太陽光集光装置を利用する太陽エネルギー利用システムの構成を示す斜視図、図６（Ｂ）は太陽エネルギー利用システムの太陽光発電部の構成を示す図である。本実施の形態の太陽エネルギー利用システムは、複数の太陽光集光装置４０を住宅の切妻屋根４１に並べて設置し、太陽光集光装置４０で集光した太陽光を照明、水道水の加熱、太陽光発電に利用するものである。太陽光集光装置４０としては、第１〜第４の実施の形態で説明した装置を利用することができる。

まず、太陽光集光装置４０によって集められた太陽光を、光ファイバ４，１４，２４，３２を用いて貯湯槽（太陽熱温水器）４２の下部に導くことによって貯湯槽４２を加熱し、貯湯槽４２内部の水を加熱することにより、加熱した温水を蛇口４３から給湯したり、風呂に給湯したり、暖房その他に利用したりすることができる。太陽光集光装置４０が十分に大きな面積の太陽光を集光している場合、かなり短時間で、例えば風呂用の湯沸かしを完了することができる。

住宅で一日に利用する風呂等の給湯に用いる貯湯槽４２を加熱するには十二分な太陽エネルギーを集めることができる場合には、余った太陽光を図６（Ｂ）に示す太陽電池パネル４４に導き、発電用として利用することもできる。パワーコンディショナ４５は、太陽電池パネル４４が発電した電力を商用電源に戻せるような電圧に変換する。発電した電力は、住宅で自家消費しても良いし、パワーコンディショナ４５から系統電力網（商用電源）４６に戻すようにしてもよい。これにより、遠隔地で電力が不足するような施設に電力を送ることも可能である。

また、太陽光集光装置４０によって集められた太陽光が余っている場合には、太陽光を昼間であっても暗い地下室、物置、駐車場、ビルの採光が不十分な部屋等に光ファイバ４，１４，２４，３２を用いて導き、利用することによって、ＣＯ₂の排出を伴う電気式照明を利用することなく照明することができ、地球環境に優しい太陽光採光照明として利用することができる。図６（Ａ）の例では、光ファイバ４，１４，２４，３２によって伝送された太陽光を照明装置４７から部屋内に照射している。

１台の太陽光集光装置４０の受光面のサイズは、１５０×１５０ｍｍである。晴天時の直射日光は１０００Ｗ／ｃｍ²以上のエネルギーを有するため、太陽光集光装置４０を用いて１．０ｍｍΦ以下の光ファイバの入射端に集光すると、２００〜３００℃以上の高温となって光ファイバの入射端面やその周囲を破壊（焼損）する恐れがある。したがって、１５０×１５０ｍｍ以上の受光面積の太陽光集光装置４０を用いて１芯の光ファイバに集光するように設計することは困難であると考えられる。

次に、太陽光集光装置４０を６×６×２台＝７２台（およそ畳１枚分）を並べたものを、１ユニットと呼ぶことにする。２ユニットで、給湯には十分な集光容量を得られる。平均的な住宅１軒の屋根面積４０平方メートルには、屋根全体で２０ユニットを設置することができる。この２０ユニットに配線される光ファイバ芯線数は、７２（芯／ユニット）×２０（ユニット）＝１４４０本になる。

１／２ユニット、すなわち６×６＝３６台の太陽光集光装置毎に、光ファイバケーブル１本として束ねることにすると、４０本の配線ケーブル数を要し、この光ファイバをもって給湯、照明、発電に利用する太陽光を輸送するものとなる。２〜４部屋の昼間照明に２ユニット利用し、給湯用に４ユニット利用したとしても、発電用に３２ユニット残る計算になる。

こうして、本実施の形態では、光ファイバによって伝送する太陽光を、給湯に利用したり、太陽光発電に利用したり、昼間でも暗い地下室等の部屋の照明に利用したりすることができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図７（Ａ）は本発明の第６の実施の形態に係る太陽光集光装置および太陽光集光装置を利用する太陽エネルギー利用システムの構成を示す断面図、図７（Ｂ）は太陽エネルギー利用システムが設置された住宅を北側から見た側面図である。本実施の形態の太陽光集光装置は、住宅の屋根５０に設置された太陽光拡散板５１と、太陽光拡散板５１の下面に密着して接着されたフレネルレンズ５２と、フレネルレンズ５２によって集光された太陽光をさらに集光するフレネルレンズ５３と、フレネルレンズ５２，５３によって集光された太陽光を導く光ダクト５４とから構成される。

本実施の形態は、第１〜第５の実施の形態で説明してきた太陽光集光装置のように集光した太陽光を光ファイバで伝送するのではなく、住宅の屋根５０に設置した太陽光拡散板５１とフレネルレンズ５２，５３とによって集光した太陽光を、住宅の屋根と側壁に沿って設置した光ダクト５４に導き、光ダクト５４によって地上の貯湯槽（太陽熱温水器）５６に導くものである。太陽光で貯湯槽５６を加熱することにより、貯湯槽５６内部の水を加熱することができ、風呂に給湯したり、加熱した温水を暖房その他に利用したりすることができる。

貯湯槽５６を加熱するのに十二分な太陽エネルギーを集めることができる場合には、光ダクト５４の光路上に太陽電池パネルを設置することで、太陽光を発電用としても利用できることは言うまでもない。

光ダクト５４は、例えば金属からなり、断面が矩形の管状の形をしており、太陽光を高効率で反射・伝送することができるように内面に高反射率の鏡面加工がなされている。光ダクト５４の内部には、図５（Ａ）に示すように反射鏡５５を設けて、太陽光の向きを所望の方向に変えるようにしてもよい。

こうして、本実施の形態では、第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態の場合には、光ファイバの代わりに光ダクト５４を用いるため、第１〜第５の実施の形態に比べて直射日光のエネルギーによって構造物が破壊される限界が緩和されると考えられるため、太陽光拡散板５１およびフレネルレンズ５２，５３の受光面積を大型化することが可能である。
なお、フレネルレンズ５２，５３の代わりに、集光レンズまたは通常の凸レンズを用いても良い。

本発明は、太陽光を集光する太陽光集光装置、および太陽光集光装置が集光した太陽光を利用する太陽エネルギー利用システムに適用することができる。

１，１０，２１，５１…太陽光拡散板、２…マルチ全反射面型集光プリズム、３，１３…結合用集光レンズ、４，１４，２４…光ファイバ、５，１５，１８…受光面、６ａ〜６ｄ，１６，１９…傾斜光学面、１１，１２…全反射集光プリズム、１７，２０…出射端面、２２，３１…カバーガラス、２３，５２，５３…フレネルレンズ、３０…テーパードオプティックファイバプレート、３２…テーパード光ファイバ、４０…太陽光集光装置、４２，５６…貯湯槽、４４…太陽電池パネル、４５…パワーコンディショナ、４６…系統電力網、４７…照明装置、５４…光ダクト、５５…反射鏡。

Claims (8)

1. 天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、
   この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された複数の傾斜光学面で全反射して所望の方向に導くマルチ全反射面型集光プリズムと、
   このマルチ全反射面型集光プリズムを出射した太陽光を集光する結合用集光レンズと、
   この結合用集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とする太陽光集光装置。
2. 天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、
   この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された傾斜光学面で全反射して所望の方向に導く第１の全反射集光プリズムと、
   この第１の全反射集光プリズムの出射端面と接するように配置され、前記第１の全反射集光プリズムを出射した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された傾斜光学面で全反射して所望の方向に導く第２の全反射集光プリズムと、
   この第２の全反射集光プリズムを出射した太陽光を集光する結合用集光レンズと、
   この結合用集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とする太陽光集光装置。
3. 天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、
   この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を集光するフレネルレンズまたは集光レンズと、
   このフレネルレンズまたは集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とする太陽光集光装置。
4. 天空に向けて設置され、受光面から出射端面に向かって漸次断面積が狭くなるテーパードオプティックファイバプレートと、
   このテーパードオプティックファイバプレートの出射端面に密着して接続され、前記テーパードオプティックファイバプレートを出射した太陽光を導くテーパード光ファイバとを備えることを特徴とする太陽光集光装置。
5. 天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、
   この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を集光するフレネルレンズまたは集光レンズと、
   内面に鏡面加工が施され、前記フレネルレンズまたは集光レンズによって集光された太陽光を導く管状の光ダクトとを備えることを特徴とする太陽光集光装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽光集光装置と、
   この太陽光集光装置によって集光された太陽光を照明光として利用する照明装置とを備えることを特徴とする太陽エネルギー利用システム。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽光集光装置と、
   この太陽光集光装置によって集光された太陽光で水を加熱する太陽熱温水器とを備えることを特徴とする太陽エネルギー利用システム。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽光集光装置と、
   この太陽光集光装置によって集光された太陽光で発電する太陽電池パネルとを備えることを特徴とする太陽エネルギー利用システム。

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