JP2016038954A

JP2016038954A - 太陽光集光装置

Info

Publication number: JP2016038954A
Application number: JP2014159988A
Authority: JP
Inventors: 戸祐幸森; Yuko Morito; 嶋昭藤; Akira Fujishima
Original assignee: Tokyo University of Science; U Vix Corp
Current assignee: Tokyo University of Science; U Vix Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】
太陽の動きに追従してフレネルレンズの向きを変えることなく、また、ライトガイドを屈伸させることもなく、太陽光を効率よく集光することができるようにする。
【解決手段】
静止状態に取り付けられるフレネルレンズ（２）を挟んで屋内側の集光点にライトガイド（３）の光入射端（３in）が配されると共に、屋外側には、太陽の方角に応じて回動可能な環状の内フレーム（６）に、太陽の高度に応じて傾動可能な所要数の帯状ミラー（７）が所定間隔で取り付けられた反射ユニット（４）が配され、帯状ミラー（７）の傾動軸が太陽光と直交するように内フレーム（６）を回動させる内フレーム駆動系（１１）と、太陽の高度に応じて太陽光の反射光がフレネルレンズの光軸と平行になる角度に帯状ミラーを傾動させる帯状ミラー駆動系（１５）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光をフレネルレンズで集光させ、ライトガイドを用いて屋内に導く太陽光集光装置に関する。

太陽光を屋外に設置したレンズなどで集光させ、例えば、ライトガイドを用いて屋内に導き、照明その他の使用に供するため、太陽光集光装置が用いられている。
この太陽光集光装置は、太陽の動きを自動追尾する赤道義に取り付けられたフレームが、屋外に設置されるアクリルドーム内に配されており、フレームには、太陽光を入射する所定数のフレネルレンズが光軸を平行にして複数取り付けられ、夫々のレンズの焦点に光入射端が位置するように設置されたライトガイドが、屋内の所定箇所まで延設されている
（特許文献１〜４参照）。

これによれば、赤道義を駆動させれば、フレームに設けられたフレネルレンズが、太陽の動きに追従して常に太陽に正面を向けているので、フレネルレンズの光軸と平行に太陽光が入射される。
太陽光は平行光であるので、フレネルレンズの焦点に集光されて、その焦点に光入射端を配したライトガイドに効率よく入射され、その出射端側から出射されるので、屋内照明その他の使用に供することができる。

しかしながら、太陽光の集光量はフレネルレンズの面積に比例するため、集光量を増やそうとすれば、フレネルレンズの面積を広くしなければならず、フレームが大型化し重くなるため、その分、駆動系や支持系も頑丈に設計する必要が生じ、全体としてさらに重量化するという問題がある。

また、フレネルレンズの光軸を太陽光と平行にするために、太陽の動きに追従させてフレーム全体の向きを変えると、これに取り付けられた全てのフレネルレンズが動くだけでなく、その焦点に光入射端が固定されたライトガイドもフレームの動きに追従して屈伸が繰り返されることになる。ライドガイドは、フレキシブルに設計されてはいるが、屈伸を毎日繰り返すと弾性疲労によりクラックが入り易くなり、比較的短期間で破断に至るという問題があった。
また、この場合に、ライトガイドを交換しなければならないため、メンテナンスコストが嵩むという問題も生ずる。

特開平１１−０５３９１４号公報特開平０７−０４３５３５号公報特開平０６−３００９２５号公報特公平０７−１１９８６３号公報

そこで本発明は、太陽の動きに追従してフレネルレンズの向きを変えることなく、また、ライトガイドを屈伸させることもなく、太陽光を効率よく集光することができるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、太陽光をフレネルレンズで集光させ、ライトガイドを用いて屋内に導く太陽光集光装置において、
建造物に対して静止状態に取り付けられる前記フレネルレンズを挟んで屋内側の集光点にライトガイドの光入射端が配されると共に、その屋外側に太陽光をフレネルレンズに向かって反射させる反射ユニットが配され、前記反射ユニットは、建造物に固定される環状の外フレームの内側に、太陽の方角に応じて中心軸周りに回動可能な環状の内フレームが同軸的に配され、当該内フレームには、所要数の帯状ミラーが、直径に対して並行に所定間隔で配列されると共に、太陽の高度に応じて傾動させる傾動軸が夫々の帯状ミラーの長手方向に沿って配され、前記内フレームを回動させることにより前記帯状ミラーの傾動軸を太陽光と直交する方角に向ける内フレーム駆動系と、太陽の高度に応じて前記帯状ミラーを傾動させる帯状ミラー駆動系とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、建造物に対して静止状態に取り付けられるフレネルレンズを挟んで屋内側の集光点にライトガイドの光入射端が配されると共に、屋外側に太陽光をフレネルレンズに向かって反射させる反射ユニットが配されているので、太陽光は反射ユニットでフレネルレンズに向かって反射される。

反射ユニットは、建造物に固定される環状の外フレームの内側に、中心軸周りに回動可能な環状の内フレームが同軸的に配され、内フレームには、所要数の帯状ミラーが、直径に対して並行にして所定間隔で配列されると共に、太陽の高度に応じて傾動させる傾動軸が夫々の帯状ミラーの長手方向に沿って配されている。

ここで、内フレーム駆動系により内フレームを太陽の方角に向けて回動させながら、帯状ミラー駆動系により帯状ミラーを太陽の高度に応じて傾ければ、建造物に対して静止状態に取り付けられたフレネルレンズの光軸と平行な方向に太陽光を反射させることができる。
太陽光は平行光であるから、フレネルレンズに入射された太陽光は焦点で集光され、その焦点位置に配されたライトガイドの光入射端へ入射される。

このように、建造物に対して静止状態に取り付けられたフレネルレンズの光軸と平行に太陽光を入射させて、その焦点位置に配されたライトガイドへ入射されるので、フレネルレンズの姿勢を調整する必要がなく、その焦点位置も静止したままなので、ライトガイドを屈伸させる必要もない。
したがって、屈伸が繰り返されて弾性疲労によりライトガイドが破断することを防ぐことができ、ライトガイドの交換に伴うメンテナンスコストを軽減することができる。

本発明による太陽光集光装置の一例を示す説明図。反射ユニットの平面図。反射ユニットのＸ方向断面図。太陽の動きを示す説明図。本発明装置の動作を示す説明図。他の実施例を示す説明図。

本発明は、太陽の動きに追従してフレネルレンズの向きを変えることなく、また、ライトガイドを屈伸させることもなく、太陽光を効率よく集光するという目的を達成するために、建造物に対して静止状態に取り付けられるフレネルレンズを挟んで屋内側の集光点にライトガイドの光入射端が配されると共に、その屋外側に太陽光をフレネルレンズに向かって反射させる反射ユニットを配した。
反射ユニットは、建造物に固定される環状の外フレームの内側に、太陽の方角に応じて中心軸周りに回動可能な環状の内フレームを同軸的に配した。
内フレームには、所要数の帯状ミラーを直径に対して並行に所定間隔で配列し、帯状ミラーには、太陽の高度に応じて傾動させる傾動軸を夫々の帯状ミラーの長手方向に沿って配した。
内フレーム駆動系により、帯状ミラーの傾動軸が太陽光と直交する方角に内フレームを回動させながら、帯状ミラー駆動系により太陽の高度に応じて帯状ミラーを傾動させれば、太陽の位置に関わらず、常に太陽光をフレネルレンズに導くことができる。

本例に係る太陽光集光装置１は、図１に示すように、太陽光をフレネルレンズ２で集光させ、ライトガイド３を用いて屋内に導き、屋内照明やその他の使用に供するためのものである。
フレネルレンズ２は、例えば、直径５０ｃｍ〜１ｍの大口径のものが用いられており、ビル（建造物）の屋上などに光軸Ｚ１を鉛直に向けて静止状態に取り付けられている。

このフレネルレンズ２を挟んで屋内側の集光点にライトガイド３の光入射端３inが配されると共に、屋外側に太陽光をフレネルレンズ２に向かって反射させる反射ユニット４が配されている。
なお、ここでいうフレネルレンズ２の屋内側の集光点は、フレネルレンズ２で平行光が集光されたときの光のスポットが、ライトガイド３の光入射端３inの開口面積より小さくなる焦点近傍を意味する。
また、ライトガイド３は、例えば、樹脂チューブ内にコアとなる導光液を充填した液体ライトガイドが用いられており、屋内の必要箇所まで延設され、その光出射端（図示せず）から出射される光を照明その他の任意の用途に用いる。

反射ユニット４は、図１乃至図３に示されるように、ビル（建造物）に固定される環状の外フレーム５の内側に、太陽の方角に応じて中心軸Ｚ２周りに回動可能な環状の内フレーム６が同軸的に配されており、また、中心軸Ｚ２がフレネルレンズ２の光軸Ｚ１に対して同軸に配されている。
内フレーム６には、所要数の帯状ミラー７が、直径方向に対して並行に所定間隔で配列されると共に、太陽の高度に応じて傾動させる傾動軸Ｘが夫々の帯状ミラー７の長手方向に沿って配されている。

この内フレーム６を回動させる内フレーム駆動系１１は、内フレーム６を回転可能に支持する外フレーム５に取り付けられたモータ１２により回転駆動されるピニオン１３と、内フレーム６の外周面に形成されたラック１４とからなり、モータ１２により内フレーム６を一日の太陽の方角変化に従って回動させ、帯状ミラー７の傾動軸Ｘが太陽光と直交する方角に向けるように制御される。
すなわち、帯状ミラー７の傾動軸Ｘと直交する直径方向を内フレーム６の方位軸Ｙとし、この方位軸Ｙが太陽に正対するように内フレーム７が回動されることとなる。

帯状ミラー７を傾動させる帯状ミラー駆動系１５は、直径位置に配された帯状ミラー７の傾動軸Ｘｃに取り付けられたモータ１６と、当該傾動軸Ｘｃに従動させてその他の帯状ミラー７の傾動軸Ｘを回動させる動力伝達機構（図示せず）を備え、太陽の高度に応じて太陽光の反射光がフレネルレンズ２の光軸Ｚ１と平行になる角度に前記帯状ミラー７を傾動させるように制御される。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
例えば、方角は北を０°とし東回りに定義し、高度を太陽位置の仰角で定義し、太陽の位置を（方角、高度）で定義すると、夏至の日は、図４に示すように、日の出（６０°、０°）、正中時（１８０°：７８°）、日没時（３００°：０°）となる。

したがって、日の出から日没まで、内フレーム駆動系１１により、帯状ミラー７の傾動軸Ｘが太陽光と直交する方角に向くように太陽の角度に応じて内フレーム６の方位軸Ｙを６０°〜３００°まで回動させながら、帯状ミラー７を水平に対して、日の出時は４５°、正中時は８４°、日没時は４５°となるように傾ければ、太陽光の反射光がフレネルレンズ２の光軸Ｚ１と平行になるように落射される。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、夏至の７:１０頃、９:３０頃、１１:４０頃の反射ユニット４の動きを示し、上段が内フレーム６の方角を示す平面図、下段が帯状ミラー７を方位軸方向に切断した断面図及び光線図である。
太陽の位置はそれぞれ、７:１０（８０°、３０°）、９:３０（１０４、６０°）、１１:４０（１８０°、７８°）である。

内フレーム６は、太陽の方角に応じて、帯状ミラー７の傾動軸Ｘが太陽光と直交する方角に向くように回動され、図５（ａ）〜図５（ｃ）の場合、方位軸Ｙが８０°、１０４°、１８０°の方向に向けられる。
一方、太陽光を鉛直下向き反射させる帯状ミラー７の水平方向に対する傾きは、
｛太陽の高度（仰角）＋９０°｝／２
で表され、太陽高度が３０°、６０°、７８°の場合、帯状ミラー７の傾きは、それぞれ６０°、７５°、８４°となる。

いずれの場合も、太陽光は帯状ミラー７で反射されて平行光に維持されたまま、その平行光がフレネルレンズ２の光軸Ｚ１方向に落射されるから、フレネルレンズ２に対して光軸Ｚ１方向に平行光が入射されることになり、平行光は幾何光学に従いフレネルレンズ２の焦点に集光される。
その焦点（集光点）には、ライトガイド３の光入射端３inが配されているので、フレネルレンズ２で集光された光はすべてライトガイド３に取り込まれる。

このように、反射ユニット４の内フレーム６を太陽の方角に応じて回動させ、帯状ミラー７を太陽の高度に応じて傾動させることにより、固定されたフレネルレンズ２の光軸Ｚ１方向に太陽光を落射させることができるので、フレネルレンズ２を太陽に向けて姿勢制御する必要もなく、これに伴ってライトガイドが屈伸されることもない。

また、ライトガイド３として液体ライトガイドを用いた場合、内側を鏡面仕上げした光ダクトを用いる場合に比して屈曲敷設しても光出射端まで確実に光を届けることができ、石英ファイバを用いる場合に比して格段に安価に製造することができ、紫外線劣化がないのでプラスチックファイバを用いる場合に比して紫外線を含む自然光をそのまま伝送して屋内利用することができるというメリットがある。

なお、上記実施例の説明では、反射ユニット４の帯状ミラー７により垂直下方に太陽光を反射させ、直下に配したフレネルレンズ２に入射させる場合について説明したが、図６に示すように、建造物から突出させた庇２１に、帯状ミラー７を備えた内フレーム６と、これを支持する外フレーム５を水平に取り付け、フレネルレンズ２を垂直に立てた状態で壁面２２に設けるような場合、反射ユニット４の一部を構成するミラー２３をフレネルレンズ２の正面側に設け、帯状ミラー７で太陽光をミラー２３に向かって反射させ、さらにその反射光をミラー２３によりフレネルレンズ２に向かって反射させるようにしてもよい。

本発明は、太陽光を屋内に取り込んで照明その他の用途に使用する太陽光集光装置の用途に適用しうる。

１太陽光集光装置
２フレネルレンズ
３ライトガイド
３in 光入射端
４反射ユニット
５外フレーム
６内フレーム
７帯状ミラー
Ｘ傾動軸
１１内フレーム駆動系
１５帯状ミラー駆動系

Claims

太陽光をフレネルレンズで集光させ、ライトガイドを用いて屋内に導く太陽光集光装置において、
建造物に対して静止状態に取り付けられる前記フレネルレンズを挟んで屋内側の集光点にライトガイドの光入射端が配されると共に、その屋外側に太陽光をフレネルレンズに向かって反射させる反射ユニットが配され、
前記反射ユニットは、建造物に固定される環状の外フレームの内側に、太陽の方角に応じて中心軸周りに回動可能な環状の内フレームが同軸的に配され、
当該内フレームには、所要数の帯状ミラーが、直径に対して並行に所定間隔で配列されると共に、太陽の高度に応じて傾動させる傾動軸が夫々の帯状ミラーの長手方向に沿って配され、
前記内フレームを回動させることにより前記帯状ミラーの傾動軸を太陽光と直交する方角に向ける内フレーム駆動系と、太陽の高度に応じて前記帯状ミラーを傾動させる帯状ミラー駆動系とを備えたことを特徴とする太陽光集光装置。
前記ライトガイドが、樹脂チューブ内にコアとなる導光液を充填した液体ライトガイドからなる請求項１記載の太陽光集光装置。
前記反射ユニットが、前記帯状ミラーで反射された光をさらにフレネルレンズに向けて反射させるミラーを備えた請求項１又は２記載の太陽光集光装置。