JP2000060533A - 太陽光導光光学系を備えた培養槽とその使用方法 - Google Patents
太陽光導光光学系を備えた培養槽とその使用方法Info
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の藻類を光合成する培養槽は、ＣＯ2の
排出量に見合うだけの設置面積を取り得ず、抜本的な集
光手段の開発が求められていた。 【解決手段】 太陽光導光光学系を備えた培養槽４によ
れば、略平行に入射する太陽光を集光する集光手段1
と、この集光手段によってその端面への入射角度θ1を
制御する導光板３により培養槽の底部まで導光すること
ができ、結果として培養槽を深くすることが可能とな
り、珪藻類によるＣＯ2の排出量に見合うだけの容積を
有する培養槽を設置できる。
排出量に見合うだけの設置面積を取り得ず、抜本的な集
光手段の開発が求められていた。 【解決手段】 太陽光導光光学系を備えた培養槽４によ
れば、略平行に入射する太陽光を集光する集光手段1
と、この集光手段によってその端面への入射角度θ1を
制御する導光板３により培養槽の底部まで導光すること
ができ、結果として培養槽を深くすることが可能とな
り、珪藻類によるＣＯ2の排出量に見合うだけの容積を
有する培養槽を設置できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、藻類などの光合成
を利用することでＣＯ2による地球温暖化を防止するた
めに用いられる太陽光導光光学系を備えた培養槽および
その使用方法に関するものである。
を利用することでＣＯ2による地球温暖化を防止するた
めに用いられる太陽光導光光学系を備えた培養槽および
その使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、環境問題として大きく注目されて
いるものにＣＯ2による地球温暖化がある。これに対す
る対策として藻類を培養して光合成作用により工場など
から排出されるＣＯ2を同化する技術が開発されてい
る。
いるものにＣＯ2による地球温暖化がある。これに対す
る対策として藻類を培養して光合成作用により工場など
から排出されるＣＯ2を同化する技術が開発されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の培養槽では培養
槽の水面に直接入射する太陽光を利用して光合成が行わ
れていた。そのため、効率よく光合成を行わしめるため
には水面の表面積を大きくせざるを得なかった。その結
果、培養槽の設置面積が大きくなり、ＣＯ2の排出量に
見合うだけの培養槽を設けることができないといった課
題があった。
槽の水面に直接入射する太陽光を利用して光合成が行わ
れていた。そのため、効率よく光合成を行わしめるため
には水面の表面積を大きくせざるを得なかった。その結
果、培養槽の設置面積が大きくなり、ＣＯ2の排出量に
見合うだけの培養槽を設けることができないといった課
題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の請求項1記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽は、ほぼ平行に入射する太陽光を集光する集光
手段と、この集光手段によってその端面への入射角度θ
1を制限された太陽光を培養槽の底部へ導光する少なく
とも1枚の導光板とを備えたことを特徴とする太陽光導
光光学系を備えた培養槽である。
めに、本発明の請求項1記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽は、ほぼ平行に入射する太陽光を集光する集光
手段と、この集光手段によってその端面への入射角度θ
1を制限された太陽光を培養槽の底部へ導光する少なく
とも1枚の導光板とを備えたことを特徴とする太陽光導
光光学系を備えた培養槽である。
【０００５】本発明の請求項2記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽は、培養槽中の液体の屈折率をｎ2、導
光板の材料の屈折率をｎ1とすると前記入射角度θ1が、
θ1＜sin-1［ ｎ1 x sin ｛ cos-1（ ｎ2／ｎ1）｝］の
関係を満足するように集光手段を構成したことを特徴と
する請求項1記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽で
ある。
を備えた培養槽は、培養槽中の液体の屈折率をｎ2、導
光板の材料の屈折率をｎ1とすると前記入射角度θ1が、
θ1＜sin-1［ ｎ1 x sin ｛ cos-1（ ｎ2／ｎ1）｝］の
関係を満足するように集光手段を構成したことを特徴と
する請求項1記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽で
ある。
【０００６】本発明の請求項3記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽は、集光手段を少なくとも丸棒状の樹脂
もしくは丸棒状のガラスにより構成したことを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽である。本発明の請求項4記載の太陽光導光光
学系を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面
に複数の突起もしくは窪みを設けることにより導光坂か
ら光を取り出すことを特徴とする請求項1、請求項2また
は請求項3記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽であ
る。
を備えた培養槽は、集光手段を少なくとも丸棒状の樹脂
もしくは丸棒状のガラスにより構成したことを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽である。本発明の請求項4記載の太陽光導光光
学系を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面
に複数の突起もしくは窪みを設けることにより導光坂か
ら光を取り出すことを特徴とする請求項1、請求項2また
は請求項3記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽であ
る。
【０００７】本発明の請求項5記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面に複
数の局部的塗装部を設けることにより導光板から光を取
り出すことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項
3記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽である。本発
明の請求項6記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽
は、導光板の少なくとも片側の表面に複数の局部的面荒
らし部を設けることにより導光板から光を取り出すこと
を特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の太
陽光導光光学系を備えた培養槽である。
を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面に複
数の局部的塗装部を設けることにより導光板から光を取
り出すことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項
3記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽である。本発
明の請求項6記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽
は、導光板の少なくとも片側の表面に複数の局部的面荒
らし部を設けることにより導光板から光を取り出すこと
を特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の太
陽光導光光学系を備えた培養槽である。
【０００８】本発明の請求項7記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面に複
数の突起もしくは窪み、または局部的塗装部、あるいは
局部的面荒らし部を設けたシートを貼付したことにより
導光板から光を取り出すことを特徴とする請求項1、請
求項2または請求項3記載の太陽光導光光学系を備えた培
養槽である。
を備えた培養槽は、導光板の少なくとも片側の表面に複
数の突起もしくは窪み、または局部的塗装部、あるいは
局部的面荒らし部を設けたシートを貼付したことにより
導光板から光を取り出すことを特徴とする請求項1、請
求項2または請求項3記載の太陽光導光光学系を備えた培
養槽である。
【０００９】本発明の請求項8記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽の使用方法は、太陽高度の変化に対応し
て、集光手段の設置位置を変化させ得るもので、請求項
1〜請求項7記載の太陽光を追尾する導光光学系を備えた
培養槽を使用するものである。本発明の請求項9記載の
太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法は、季節に
より、集光手段の設置位置を変化させて使用することを
特徴とする請求項8記載の太陽光導光光学系を備えた培
養槽を利用するものである。
を備えた培養槽の使用方法は、太陽高度の変化に対応し
て、集光手段の設置位置を変化させ得るもので、請求項
1〜請求項7記載の太陽光を追尾する導光光学系を備えた
培養槽を使用するものである。本発明の請求項9記載の
太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法は、季節に
より、集光手段の設置位置を変化させて使用することを
特徴とする請求項8記載の太陽光導光光学系を備えた培
養槽を利用するものである。
【００１０】本発明の請求項10記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽の使用方法は、時刻により、集光手段の
設置位置を変化させて使用することを特徴とする請求項
8記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法で
ある。本発明の請求項11記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽の使用方法は、太陽高度を検知して、集光手段
の設置位置を変化させて使用する追尾手段を有する太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用方法である。
を備えた培養槽の使用方法は、時刻により、集光手段の
設置位置を変化させて使用することを特徴とする請求項
8記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法で
ある。本発明の請求項11記載の太陽光導光光学系を備え
た培養槽の使用方法は、太陽高度を検知して、集光手段
の設置位置を変化させて使用する追尾手段を有する太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用方法である。
【００１１】本発明の請求項12記載の太陽光導光光学系
を備えた培養槽の使用方法は、導光板端面の長手方向を
東西方向と略一致させて使用することを特徴とする太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用方法である。本発明
の請求項13記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使
用方法は、導光板端面の長手方向を南北方向と略一致さ
せて使用することを特徴とする太陽光導光光学系を備え
た培養槽の使用方法である。
を備えた培養槽の使用方法は、導光板端面の長手方向を
東西方向と略一致させて使用することを特徴とする太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用方法である。本発明
の請求項13記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使
用方法は、導光板端面の長手方向を南北方向と略一致さ
せて使用することを特徴とする太陽光導光光学系を備え
た培養槽の使用方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下本発明の太陽光導光光学系を
備えた培養槽の第1の実施例について図1から図3を用い
て説明する。図1は本発明の太陽光導光光学系を備えた
培養槽の第1の実施例を説明する断面図である。図1にお
いて、10はレンズであり、本実施例では直径100mm程度
のアクリル樹脂製の丸棒で構成されている。11は反射板
であり、ステンレス鋼などの金属、もしくは白色の樹脂
などで構成されている。レンズ10と反射板11によって、
ほぼ平行に入射する太陽光を集光する集光手段1が構成
されている。この3は集光手段1によってその端面への入
射角度θ1を制限された太陽光を培養槽の底部へ導光す
る導光板であり、本実施例では長さ1000mm、幅1000mm、
厚み20mm程度のアクリル樹脂板によって構成されてい
る。なお、その少なくとも片側の表面には図2に図示し
たような複数の突起3aもしくは図3に図示した複数の窪
み3bが設けられている。4は導光板3を構成要素とする培
養槽である。本実施例では培養槽4中に水が満たされて
おり、珪藻類が培養されている。
備えた培養槽の第1の実施例について図1から図3を用い
て説明する。図1は本発明の太陽光導光光学系を備えた
培養槽の第1の実施例を説明する断面図である。図1にお
いて、10はレンズであり、本実施例では直径100mm程度
のアクリル樹脂製の丸棒で構成されている。11は反射板
であり、ステンレス鋼などの金属、もしくは白色の樹脂
などで構成されている。レンズ10と反射板11によって、
ほぼ平行に入射する太陽光を集光する集光手段1が構成
されている。この3は集光手段1によってその端面への入
射角度θ1を制限された太陽光を培養槽の底部へ導光す
る導光板であり、本実施例では長さ1000mm、幅1000mm、
厚み20mm程度のアクリル樹脂板によって構成されてい
る。なお、その少なくとも片側の表面には図2に図示し
たような複数の突起3aもしくは図3に図示した複数の窪
み3bが設けられている。4は導光板3を構成要素とする培
養槽である。本実施例では培養槽4中に水が満たされて
おり、珪藻類が培養されている。
【００１３】以上のように構成された本発明の太陽光導
光光学系を備えた培養槽の第1の実施例について、以下
にその動作を図1から図6を用いて説明する。図4は導光
板3への光の入射角θ1と導光板中での光の伝播状態を示
す説明図である。図5は太陽高度すなわち集光手段1への
入射角θsと導光板3への入射角θ1の関係を示す説明図
である。なお、図中で同じ番号は同一のものを示してい
る。
光光学系を備えた培養槽の第1の実施例について、以下
にその動作を図1から図6を用いて説明する。図4は導光
板3への光の入射角θ1と導光板中での光の伝播状態を示
す説明図である。図5は太陽高度すなわち集光手段1への
入射角θsと導光板3への入射角θ1の関係を示す説明図
である。なお、図中で同じ番号は同一のものを示してい
る。
【００１４】図1に示したように集光手段1により集光さ
れた太陽光は、導光板3の端面に角度θ1で入射する。こ
の光は図4に示すように、導光板3の内部を伝播してい
く。このとき、導光板3の中を光が全反射して、培養槽
の底部に向かって導光していくための条件を以下に示
す。まず、導光板3の端面での屈折の状態は、ｎ1を導光
板3の材料の屈折率として、式（1）で表わされる。
れた太陽光は、導光板3の端面に角度θ1で入射する。こ
の光は図4に示すように、導光板3の内部を伝播してい
く。このとき、導光板3の中を光が全反射して、培養槽
の底部に向かって導光していくための条件を以下に示
す。まず、導光板3の端面での屈折の状態は、ｎ1を導光
板3の材料の屈折率として、式（1）で表わされる。
【００１５】
sinθ1＝ ｎ1 x sinθ2 ・・・式（1）
導光板3の培養槽4の内壁側での全反射条件は、n2を培養
槽中の液体の屈折率とすると、式（2）で表わされる。 ｎ1 x sinθ3≦ｎ2 ・・・式（2） 一方、θ3とθ2の間 には式（3）の関係がある。
槽中の液体の屈折率とすると、式（2）で表わされる。 ｎ1 x sinθ3≦ｎ2 ・・・式（2） 一方、θ3とθ2の間 には式（3）の関係がある。
【００１６】
θ3＝π／4−θ2 ・‥式（3）
式（2）と式（3）とから
cosθ2≦ ｎ2／ｎ1 ・・・式（4）
これを書き換えると、
θ2≦ cos-1（ ｎ2／ｎ1） ・・・式（5）
結局、培養槽の内壁側で全反射する入射角θ1の範囲
は、式（6）で書ける。
は、式（6）で書ける。
【００１７】
θ1＜sin-1〔 ｎ1 x sin｛ cos-1（ｎ2／ｎ1）｝〕・ 式（6）
例えば、アクリル樹脂と水の場合にはｎ1 ＝1．49、ｎ2
＝1．33であるから、θ1＜42．2 degとなる。なお、培
養槽中の液体の屈折率ｎ2は空気の屈折率1.0より大きい
ので、式（6）の条件を満たす範囲のθ1であれば空気と
接する培養槽の外壁側でも全反射することは言うまでも
ない。
＝1．33であるから、θ1＜42．2 degとなる。なお、培
養槽中の液体の屈折率ｎ2は空気の屈折率1.0より大きい
ので、式（6）の条件を満たす範囲のθ1であれば空気と
接する培養槽の外壁側でも全反射することは言うまでも
ない。
【００１８】さらに２つの培養槽を密着させて使用する
場合、または2つの培養槽に対して1枚の導光板を兼用し
て用いる場合には導光板の両面とも液体となるのでやは
り式（6）の関係が成り立てばよい。上記のように全反
射により導光した光を培養槽中に放射させるための構成
要素について、図2と図3を用いて説明する。図2の3a
は、導光板3に形成された複数の突起を示している。ま
た、図3の3bは、導光板3に形成された複数の窪みを示し
ている。
場合、または2つの培養槽に対して1枚の導光板を兼用し
て用いる場合には導光板の両面とも液体となるのでやは
り式（6）の関係が成り立てばよい。上記のように全反
射により導光した光を培養槽中に放射させるための構成
要素について、図2と図3を用いて説明する。図2の3a
は、導光板3に形成された複数の突起を示している。ま
た、図3の3bは、導光板3に形成された複数の窪みを示し
ている。
【００１９】まず、突起3aの働きを図2を用いて説明す
る。図示していない集光手段1を介して導光板3に入射し
た光線21と光線22を比較すると、図4で説明した入射角
θ1で入射した光線21は、導光板3の平坦部で反射するた
め全反射角θ3を保った状態で全反射を繰り返す。この
ことにより導光板3の内部を導光していく。一方、同じ
く入射角θ1で入射した光線22は、導光板3の突起3aに入
射するが、ここでは、突起3aの斜面のために全反射角θ
3を満足しなくなる。大部分は突起3aで反射したのち導
光板3の反対側の面から培養液中に放射される。また一
部は突起3aで屈折後さらに別の突起3aに入射後反射され
て培養液中に放射されていく。
る。図示していない集光手段1を介して導光板3に入射し
た光線21と光線22を比較すると、図4で説明した入射角
θ1で入射した光線21は、導光板3の平坦部で反射するた
め全反射角θ3を保った状態で全反射を繰り返す。この
ことにより導光板3の内部を導光していく。一方、同じ
く入射角θ1で入射した光線22は、導光板3の突起3aに入
射するが、ここでは、突起3aの斜面のために全反射角θ
3を満足しなくなる。大部分は突起3aで反射したのち導
光板3の反対側の面から培養液中に放射される。また一
部は突起3aで屈折後さらに別の突起3aに入射後反射され
て培養液中に放射されていく。
【００２０】このように、同じ入射角θ1で入射した光
線でも導光板3の平坦部へ入射するか突起3aに入射する
かによって、そのまま全反射して導光するか、培養槽へ
放射されるかが決まる。従って、突起3aの形成密度を培
養槽の底面ほど密にするか、または突起3aの大きさを底
面ほど大きくしていくなどの方法により、培養槽内部の
照度を一様にすることができる。
線でも導光板3の平坦部へ入射するか突起3aに入射する
かによって、そのまま全反射して導光するか、培養槽へ
放射されるかが決まる。従って、突起3aの形成密度を培
養槽の底面ほど密にするか、または突起3aの大きさを底
面ほど大きくしていくなどの方法により、培養槽内部の
照度を一様にすることができる。
【００２１】次に、窪み3bの働きを図3を用いて説明す
る。図示していない集光手段1を介して導光板3に入射し
た光線31と光線32を比較すると、図4で説明した入射角
θ1で入射した光線31は、導光板3の平坦部で反射するた
め全反射角θ3を保った状態で全反射を繰り返す。この
ことにより導光板3の内部を導光していく。一方、同じ
く入射角θ1で入射した光線32は、導光板3の窪み3bの近
傍に入射し反射されて、窪み3bの斜面のために全反射角
θ3を満足しなくなる。この結果大部分は窪み3bで反射
したのち導光板3の反対側の面から培養液中に放射され
る。また一部は窪み3bで屈折後さらに別の窪み3bに入射
した後反射されて培養液中に放射されていく。このよう
に、同じ入射角θ1で入射した光線でも導光板3の平坦部
へ入射するか窪み3bに入射するかによって、そのまま全
反射して導光するか、培養槽へ放射されるかが決まる。
従って、窪み3bの形成密度を培養槽の底面ほど密にする
か、または窪み3bの大きさを底面ほど大きくしていくな
どの方法により、培養槽内部の照度を一様にすることが
できる。
る。図示していない集光手段1を介して導光板3に入射し
た光線31と光線32を比較すると、図4で説明した入射角
θ1で入射した光線31は、導光板3の平坦部で反射するた
め全反射角θ3を保った状態で全反射を繰り返す。この
ことにより導光板3の内部を導光していく。一方、同じ
く入射角θ1で入射した光線32は、導光板3の窪み3bの近
傍に入射し反射されて、窪み3bの斜面のために全反射角
θ3を満足しなくなる。この結果大部分は窪み3bで反射
したのち導光板3の反対側の面から培養液中に放射され
る。また一部は窪み3bで屈折後さらに別の窪み3bに入射
した後反射されて培養液中に放射されていく。このよう
に、同じ入射角θ1で入射した光線でも導光板3の平坦部
へ入射するか窪み3bに入射するかによって、そのまま全
反射して導光するか、培養槽へ放射されるかが決まる。
従って、窪み3bの形成密度を培養槽の底面ほど密にする
か、または窪み3bの大きさを底面ほど大きくしていくな
どの方法により、培養槽内部の照度を一様にすることが
できる。
【００２２】また、導光板3の表面に設けた突起3aまた
は窪み3bによって、屈折あるいは反射せしめることで、
図4に図示したθ3が式（2）の条件を満足しなくなる。
その結果、導光板3から光が培養槽中に放射される。つ
まり、突起3aあるいは窪み3bは反射あるいは屈折により
全反射条件を崩す作用を有している。これと同じように
全反射条件を崩す作用を実現する手段として以下の方法
を用いてもよい。
は窪み3bによって、屈折あるいは反射せしめることで、
図4に図示したθ3が式（2）の条件を満足しなくなる。
その結果、導光板3から光が培養槽中に放射される。つ
まり、突起3aあるいは窪み3bは反射あるいは屈折により
全反射条件を崩す作用を有している。これと同じように
全反射条件を崩す作用を実現する手段として以下の方法
を用いてもよい。
【００２３】例えば、導光板の少なくとも片側の表面に
複数の塗装部を設ける方法がある。この方法によれば、
塗装部で光が散乱反射させ、式（6）の全反射条件を崩
して培養槽中に光を取り出すことができる。また、導光
板の少なくとも片側の表面に複数の面荒らし部を設ける
方法でも、光を散乱反射させ、式（6）の全反射条件を
崩して培養槽中に光を取り出すことができる。
複数の塗装部を設ける方法がある。この方法によれば、
塗装部で光が散乱反射させ、式（6）の全反射条件を崩
して培養槽中に光を取り出すことができる。また、導光
板の少なくとも片側の表面に複数の面荒らし部を設ける
方法でも、光を散乱反射させ、式（6）の全反射条件を
崩して培養槽中に光を取り出すことができる。
【００２４】さらに、導光板の少なくとも片側の表面に
複数の突起もしくは窪みを設けるか、または局部的な塗
装部もしくは局部的な面荒らし部を設けたシートを導光
板に貼付する方法によっても光を散乱反射させ、式
（6）の全反射条件を崩して培養槽中に光を取り出すこ
とができる。次に、図5を用いて導光板への入射角θ1の
制御方法を説明する。なお、図1〜図4と同一番号は同じ
ものを示す。θsは、レンズ10への入射角であり、太陽
高度に相当する。この太陽高度θsの光線を太陽光線51
〜54で代表させている。ここで、太陽光線51と太陽光線
54はレンズ10のマージナル光線であり、太陽光線53はレ
ンズ10の主光線を示している。
複数の突起もしくは窪みを設けるか、または局部的な塗
装部もしくは局部的な面荒らし部を設けたシートを導光
板に貼付する方法によっても光を散乱反射させ、式
（6）の全反射条件を崩して培養槽中に光を取り出すこ
とができる。次に、図5を用いて導光板への入射角θ1の
制御方法を説明する。なお、図1〜図4と同一番号は同じ
ものを示す。θsは、レンズ10への入射角であり、太陽
高度に相当する。この太陽高度θsの光線を太陽光線51
〜54で代表させている。ここで、太陽光線51と太陽光線
54はレンズ10のマージナル光線であり、太陽光線53はレ
ンズ10の主光線を示している。
【００２５】これらの太陽光線51〜54はレンズ10により
集光されて導光板3に入射するが、その入射角θ1は各光
線によって異なってくる。その結果、式（6）で示した
導光板3内部を全反射によって導光する条件を満足しな
い太陽光線が発生する。例えば、図5にハッチングで図
示した太陽光線51〜52の範囲の光線は突起3aもしくは窪
み3bの存在にかかわらず全く導光しない。
集光されて導光板3に入射するが、その入射角θ1は各光
線によって異なってくる。その結果、式（6）で示した
導光板3内部を全反射によって導光する条件を満足しな
い太陽光線が発生する。例えば、図5にハッチングで図
示した太陽光線51〜52の範囲の光線は突起3aもしくは窪
み3bの存在にかかわらず全く導光しない。
【００２６】つまり、集光手段1をレンズ10でのみ構成
した場合には、培養槽の底部まで太陽光を導光させるこ
とは可能ではあるが、図5のハッチング部の太陽光線を
利用できない。図6は、反射板11による導光板3への入射
角制卸の説明図である。なお、図1〜図5中の番号と同一
の番号は同じものを示している。図5においてハッチン
グで示した太陽光線の導光板3への入射角θ1は、レンズ
10の集光作用によって式（6）を満足しなくなってい
た。ところが、図6に示すように反射板11をレンズ10の
後方に配置することで、導光板3への入射角θ1が小さく
なり、式（6）を満足させることができ、太陽光の利用
効率を高めることができる。
した場合には、培養槽の底部まで太陽光を導光させるこ
とは可能ではあるが、図5のハッチング部の太陽光線を
利用できない。図6は、反射板11による導光板3への入射
角制卸の説明図である。なお、図1〜図5中の番号と同一
の番号は同じものを示している。図5においてハッチン
グで示した太陽光線の導光板3への入射角θ1は、レンズ
10の集光作用によって式（6）を満足しなくなってい
た。ところが、図6に示すように反射板11をレンズ10の
後方に配置することで、導光板3への入射角θ1が小さく
なり、式（6）を満足させることができ、太陽光の利用
効率を高めることができる。
【００２７】なお、図6に図示したように、反射板11を
曲面とし、しかもマージナルな太陽光線51が入射する側
での曲率半径を、主光線となる太陽光線53が入射する側
での曲率半径より小さくすることで、反射板11が無い
と、入射角θ1が、より大きくなるマージナル光線側の
入射角を、小さくできる。その結果、太陽光の利用効率
を向上できる。
曲面とし、しかもマージナルな太陽光線51が入射する側
での曲率半径を、主光線となる太陽光線53が入射する側
での曲率半径より小さくすることで、反射板11が無い
と、入射角θ1が、より大きくなるマージナル光線側の
入射角を、小さくできる。その結果、太陽光の利用効率
を向上できる。
【００２８】以上のように本実施例の太陽光導光光学系
を備えた培養槽によれば、ほぼ平行に入射する太陽光を
集光する集光手段と、この集光手段によってその端面へ
の入射角度θ1を制限された太陽光を導光板により培養
槽の底部まで導光することができる。その結果、培養槽
を深くすることで、培養槽の設置面積が大きくなり、Ｃ
Ｏ2の排出量に見合うだけの培養槽を設けることができ
ないといった従来技術の課題を解決できる。
を備えた培養槽によれば、ほぼ平行に入射する太陽光を
集光する集光手段と、この集光手段によってその端面へ
の入射角度θ1を制限された太陽光を導光板により培養
槽の底部まで導光することができる。その結果、培養槽
を深くすることで、培養槽の設置面積が大きくなり、Ｃ
Ｏ2の排出量に見合うだけの培養槽を設けることができ
ないといった従来技術の課題を解決できる。
【００２９】さらに、反射板を設けることで導光板への
入射角θ1をより小さくして、太陽光の利用効率を高め
ることができるという効果をあげることができる。次
に、本発明の太陽光導光光学系を備えた培養槽を使用す
る方法の第1の実施例について、図7〜図10を用いて説明
する。図7は、北緯36度，東経135度の地点での季節によ
る太陽高度の変化を示す図である。図中のαは太陽と東
西軸となす角度であり、βは太陽と南北軸となす角度で
ある。
入射角θ1をより小さくして、太陽光の利用効率を高め
ることができるという効果をあげることができる。次
に、本発明の太陽光導光光学系を備えた培養槽を使用す
る方法の第1の実施例について、図7〜図10を用いて説明
する。図7は、北緯36度，東経135度の地点での季節によ
る太陽高度の変化を示す図である。図中のαは太陽と東
西軸となす角度であり、βは太陽と南北軸となす角度で
ある。
【００３０】このような太陽高度の変化が発生すると図
8の太陽高度とレンズ集光位置の関係図に示したよう
に、集光位置が２ｘｆ tanθだけ変化する。ここで、2
θは太陽高度の角度変化量、ｆはレンズ10の焦点距離で
ある。このような集光位置の変化が発生すると、導光板
の端面に集光された太陽光が入射しなくなる、反射板11
により制御しても導光板3への入射角度θ1が式（6）を
満足せず、光利用効率が低下するという問題が発生す
る。このような問題を解決する方法として、太陽の高度
を検知してレンズ10の位置を変化させるという方法があ
る。
8の太陽高度とレンズ集光位置の関係図に示したよう
に、集光位置が２ｘｆ tanθだけ変化する。ここで、2
θは太陽高度の角度変化量、ｆはレンズ10の焦点距離で
ある。このような集光位置の変化が発生すると、導光板
の端面に集光された太陽光が入射しなくなる、反射板11
により制御しても導光板3への入射角度θ1が式（6）を
満足せず、光利用効率が低下するという問題が発生す
る。このような問題を解決する方法として、太陽の高度
を検知してレンズ10の位置を変化させるという方法があ
る。
【００３１】そこで、図9と図10を用いてこのような角
度追尾について説明する。図9は太陽光の角度を検出す
る手段を示す図である。20は焦点距離fsの検出レンズ、
21はPSD（Position Sensing Device）と呼ばれるビーム
位置検出素子であり検出レンズ20の焦点近傍に配置され
ている。太陽光角度検出手段2は、検出レンズ20とPSD21
とから構成されている。
度追尾について説明する。図9は太陽光の角度を検出す
る手段を示す図である。20は焦点距離fsの検出レンズ、
21はPSD（Position Sensing Device）と呼ばれるビーム
位置検出素子であり検出レンズ20の焦点近傍に配置され
ている。太陽光角度検出手段2は、検出レンズ20とPSD21
とから構成されている。
【００３２】太陽光が基準角から角度θsだけ傾くとPSD
21上で検出ビームはＸ＝fｓ ｘ tanθsだけ移動する。P
SD21はその検出面上でのビームの位置Ｘを検出できるの
で、このＸの値から逆に太陽光の角度θsを計算により
求めることができる。図10は、レンズ10の設置位置と導
光板3へのレンズ10による主光線の入射角の関係を示す
図である。
21上で検出ビームはＸ＝fｓ ｘ tanθsだけ移動する。P
SD21はその検出面上でのビームの位置Ｘを検出できるの
で、このＸの値から逆に太陽光の角度θsを計算により
求めることができる。図10は、レンズ10の設置位置と導
光板3へのレンズ10による主光線の入射角の関係を示す
図である。
【００３３】101はレンズ10の第1の位置、102はレンズ1
0の第2の位置、11は反射板であり、本実施例ではその曲
率半径が導光板3に近い側で大きくなるよう構成されて
いる。また、θsは太陽光のレンズ10への入射角を示
し、θ11はレンズ10が第1の位置101にある時、反射板11
で反射後の太陽光の導光板3への入射角度θ1を示してい
る。また、12はレンズ10が第2の位置102にあるとき、反
射板11で反射後の太陽光の導光板3への入射角度θ1を示
している。
0の第2の位置、11は反射板であり、本実施例ではその曲
率半径が導光板3に近い側で大きくなるよう構成されて
いる。また、θsは太陽光のレンズ10への入射角を示
し、θ11はレンズ10が第1の位置101にある時、反射板11
で反射後の太陽光の導光板3への入射角度θ1を示してい
る。また、12はレンズ10が第2の位置102にあるとき、反
射板11で反射後の太陽光の導光板3への入射角度θ1を示
している。
【００３４】図10から明らかなように同じ太陽光の角度
θsに対して、レンズ10の設置位置を第1の位置101から
第2の位置102に移動させることで、導光板3への入射角
θ1を制御することができる。そこで、太陽光検出手段2
により検出した太陽光の角度θsの値に基づき、レンズ1
0の設置位置をリニアモータ、カム機構などの公知の移
送手段により変化させることで、導光板3への入射角θ1
が式（6）を満足するよう制御できる。
θsに対して、レンズ10の設置位置を第1の位置101から
第2の位置102に移動させることで、導光板3への入射角
θ1を制御することができる。そこで、太陽光検出手段2
により検出した太陽光の角度θsの値に基づき、レンズ1
0の設置位置をリニアモータ、カム機構などの公知の移
送手段により変化させることで、導光板3への入射角θ1
が式（6）を満足するよう制御できる。
【００３５】このことにより太陽高度の変化によらず、
高効率の太陽光利用が可能となる。次に本発明の太陽光
導光光学系を備えた培養槽の使用方法に関する他の実施
例について、図11と図12を用いて説明する。図11は、北
緯36度，東経135度の地点における太陽と東西軸とのな
す角度αの時刻による変化を季節毎に図示したものであ
る。図12は、同じく北緯36度，東経135度の地点におけ
る太陽と南北軸とのなす角度βの時刻による変化を季節
毎に図示したものである。
高効率の太陽光利用が可能となる。次に本発明の太陽光
導光光学系を備えた培養槽の使用方法に関する他の実施
例について、図11と図12を用いて説明する。図11は、北
緯36度，東経135度の地点における太陽と東西軸とのな
す角度αの時刻による変化を季節毎に図示したものであ
る。図12は、同じく北緯36度，東経135度の地点におけ
る太陽と南北軸とのなす角度βの時刻による変化を季節
毎に図示したものである。
【００３６】図11と図12の比較から以下のことが判か
る。 （a）東西軸となす角度αは季節により値は異なるもの
の、午前9時〜午後４時の間、時刻による変化は南北軸
となす角度βと比べて小さい。特に、春分と秋分の頃
は、時刻によらずほば一定である。 （b）午前9時〜午後4時の間の時刻による変化は、南北
軸となす角度βは季節によらずほぼ一定である。
る。 （a）東西軸となす角度αは季節により値は異なるもの
の、午前9時〜午後４時の間、時刻による変化は南北軸
となす角度βと比べて小さい。特に、春分と秋分の頃
は、時刻によらずほば一定である。 （b）午前9時〜午後4時の間の時刻による変化は、南北
軸となす角度βは季節によらずほぼ一定である。
【００３７】上記の比較から本発明の太陽光導光光学系
を備えた培養槽の使用法について、第2の実施例とし
て、以下の方法が適していることが分かる。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）春分あるいは秋分の太陽光の角度に合わせレンズ1
0の設置位置を定める。
を備えた培養槽の使用法について、第2の実施例とし
て、以下の方法が適していることが分かる。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）春分あるいは秋分の太陽光の角度に合わせレンズ1
0の設置位置を定める。
【００３８】上記の使用法により年間を通して、午前9
時〜午後4時の間における太陽光の角度変化は±20度程
度となるので、式（6）の全反射条件を逸脱する導光板3
への入射角θ1の発生を抑さえることができる。その結
果、太陽光の利用効率が向上する。また、本発明の太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用法について、第3の
実施例として以下の方法が挙げられる。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）第1の実施例で説明した太陽光の角度検出手段を用
いてレンズ10の設置位置を変化させる。これによれば太
陽光の利用効率をさらに高めることができることは言う
までもない。
時〜午後4時の間における太陽光の角度変化は±20度程
度となるので、式（6）の全反射条件を逸脱する導光板3
への入射角θ1の発生を抑さえることができる。その結
果、太陽光の利用効率が向上する。また、本発明の太陽
光導光光学系を備えた培養槽の使用法について、第3の
実施例として以下の方法が挙げられる。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）第1の実施例で説明した太陽光の角度検出手段を用
いてレンズ10の設置位置を変化させる。これによれば太
陽光の利用効率をさらに高めることができることは言う
までもない。
【００３９】さらに、本発明の太陽光導光光学系を備え
た培養槽の使用法に関する第4の実施例として、以下の
方法がある。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）図11に示した季節ごとの太陽光の角度変化に対応
して、例えば3ヶ月に一度、レンズ10のクリーニングの
機会などにレンズ10の設置位置を変化させる。これによ
れば、特別な太陽光角度検出手段などを用いずに、太陽
光の利用効率を高めることができる。
た培養槽の使用法に関する第4の実施例として、以下の
方法がある。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を東西軸と略一致するように配置する。 （2）図11に示した季節ごとの太陽光の角度変化に対応
して、例えば3ヶ月に一度、レンズ10のクリーニングの
機会などにレンズ10の設置位置を変化させる。これによ
れば、特別な太陽光角度検出手段などを用いずに、太陽
光の利用効率を高めることができる。
【００４０】なお、上記の第4の実施例では、導光板3の
端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ10の長手方向を
東西軸と略一致するように配置することを前提としてい
るが、建物や山などによる日照障害などから東西軸と略
一致させることができない場合も当然考えられる。この
ような場合でも、季節に合わせてレンズ10の設置位置を
変化させることで、特別な太陽光角度検出手段などを用
いずに、太陽光の利用効率を高めることができることは
言うまでもない。
端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ10の長手方向を
東西軸と略一致するように配置することを前提としてい
るが、建物や山などによる日照障害などから東西軸と略
一致させることができない場合も当然考えられる。この
ような場合でも、季節に合わせてレンズ10の設置位置を
変化させることで、特別な太陽光角度検出手段などを用
いずに、太陽光の利用効率を高めることができることは
言うまでもない。
【００４１】また、本発明の太陽光導光光学系を備えた
培養槽の使用法について、第5の実施例として以下の方
法がある。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を南北軸と略一致するように配置する。 （2）図12に示した時刻による太陽光の角度変化に対応
して、例えばタイマーなどを用いてレンズ10の設置位置
を変化させる。これによれば、特別な太陽光角度検出手
段などを用いずに、さらに季節によらず、太陽光の利用
効率を高めることができる。
培養槽の使用法について、第5の実施例として以下の方
法がある。 （1）導光板3の端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ
10の長手方向を南北軸と略一致するように配置する。 （2）図12に示した時刻による太陽光の角度変化に対応
して、例えばタイマーなどを用いてレンズ10の設置位置
を変化させる。これによれば、特別な太陽光角度検出手
段などを用いずに、さらに季節によらず、太陽光の利用
効率を高めることができる。
【００４２】なお、上記の第5の実施例では、導光板3の
端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ10の長手方向を
南北軸と略一致するように配置することを前提としてい
るが、この場合でも建物や山などによる日照障害などか
ら南北軸と略一致させることができない事情も当然考え
られる。このような場合でも、時刻に合わせてレンズ10
の設置位置を変化させることで、特別な太陽光角度検出
手段などを用いずに、太陽光の利用効率を高めることが
できることは言うまでもない。
端面の長手方向、つまり丸棒状のレンズ10の長手方向を
南北軸と略一致するように配置することを前提としてい
るが、この場合でも建物や山などによる日照障害などか
ら南北軸と略一致させることができない事情も当然考え
られる。このような場合でも、時刻に合わせてレンズ10
の設置位置を変化させることで、特別な太陽光角度検出
手段などを用いずに、太陽光の利用効率を高めることが
できることは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】以上のように本発明の太陽光導光光学系
を備えた培養槽によれば、略平行に入射する太陽光を集
光する集光手段と、この集光手段によってその端面への
入射角度θ1を制限された太陽光を導光板により培養槽
の底部まで導光することができる。
を備えた培養槽によれば、略平行に入射する太陽光を集
光する集光手段と、この集光手段によってその端面への
入射角度θ1を制限された太陽光を導光板により培養槽
の底部まで導光することができる。
【００４４】その結果、培養槽を深することで、培養槽
の容積が大きくなる。従来技術におけるＣＯ2の排出量
に見合うだけの培養槽を設けることができないといった
課題を解決できる。さらに、反射板を設けることで導光
板への入射角θ1をより小さくして、太陽光の利用効率
を高めることができるという効果をあげることができ
る。
の容積が大きくなる。従来技術におけるＣＯ2の排出量
に見合うだけの培養槽を設けることができないといった
課題を解決できる。さらに、反射板を設けることで導光
板への入射角θ1をより小さくして、太陽光の利用効率
を高めることができるという効果をあげることができ
る。
【００４５】また、本発明の太陽光導光光学系を備えた
培養槽の使用方法によれば、太陽光太陽光の角度変化に
基づき、集光手段の設置位置をリニアモータ、カム機構
などの公知の移送手段により変化させることで、季節や
時刻によらず導光坂3への入射角θ1が全反射条件を満足
するよう制御できる。このことにより太陽高度の変化に
よらず、高効率の太陽光利用が可能となる。
培養槽の使用方法によれば、太陽光太陽光の角度変化に
基づき、集光手段の設置位置をリニアモータ、カム機構
などの公知の移送手段により変化させることで、季節や
時刻によらず導光坂3への入射角θ1が全反射条件を満足
するよう制御できる。このことにより太陽高度の変化に
よらず、高効率の太陽光利用が可能となる。
【００４６】さらに培養槽の設置方向を、南北軸あるい
は東西軸と略一致させることで、特別な太陽光角度検出
手段などを用いずに、太陽光の利用効率を高めることが
できる。
は東西軸と略一致させることで、特別な太陽光角度検出
手段などを用いずに、太陽光の利用効率を高めることが
できる。
【図1】本発明の太陽光導光光学系を備えた培養槽にお
ける第1の実施例の構成を示す断面図
ける第1の実施例の構成を示す断面図
【図2】導光板に形成された複数の突起を説明する図
【図3】導光板に形成された複数の窪みを説明する図
【図4】導光板への光の入射角と導光板中での光の伝播
状態を示す説明図
状態を示す説明図
【図5】導光板への入射角の制御方法を説明する図
【図6】反射板による導光板への入射角の制御方法を説
明する図
明する図
【図7】北緯36度、東経135度の地点における太陽高度の
季節による変化を示す図
季節による変化を示す図
【図８】太陽高度とレンズ集光位置との関係を示す図
【図９】太陽光の角度を検出する手段を示す図
【図10】レンズの設置位置と導光板へのレンズによる主
光線の入射角との関係を示す図
光線の入射角との関係を示す図
【図11】北緯36度、東経135度の地点における時刻と太
陽の東西軸との為す角度の季節による変化を示す図
陽の東西軸との為す角度の季節による変化を示す図
【図12】北緯36度、東経135度の地点における時刻と太
陽の南北軸との為す角度の季節による変化を示す図
陽の南北軸との為す角度の季節による変化を示す図
１ 集光手段
２ 太陽光角度検出手段
３ 導光板
４ 培養槽
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4B029 AA02 BB04 CC01 DA01 DA03
DF10
4B065 AA83X AC09 AC20 BC01
BC48 CA54
Claims (13)
- 【請求項1】ほぼ平行に入射する太陽光を集光する集光
手段と、この集光手段によってその端面への入射角度θ
1を制限された太陽光を培養槽の底部へ導光する少なく
とも1枚の導光板とを備えたことを特徴とする太陽光導
光光学系を備えた培養槽。 - 【請求項2】培養槽中の液体の屈折率をｎ2、導光板の材
料の屈折率をｎ1とすると前記入射角度θ1が、 θ1＜sin-1［ｎ1 x sin｛ cos-1（ｎ2／ｎ1）｝］ の関係を満足するように集光手段を構成したことを特徴
とする請求項1記載の太陽光導光光学系を備えた培養
槽。 - 【請求項3】集光手段を少なくとも丸棒状の樹脂もしく
は丸棒状のガラスにより構成したことを特徴とする請求
項1または請求項2記載の太陽光導光光学系を備えた培養
槽。 - 【請求項4】導光板の少なくとも片側の表面に複数の突
起もしくは窪みを設けることにより導光板から光を取り
出すことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3
記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽。 - 【請求項5】導光板の少なくとも片側の表面に複数の局
部的塗装部を設けることにより導光板から光を取り出す
ことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載
の太陽光導光光学系を備えた培養槽。 - 【請求項6】導光板の少なくとも片側の表面に複数の局
部的面荒らし部を設けることにより導光板から光を取り
出すことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3
記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽。 - 【請求項7】導光板の少なくとも片側の表面に複数の突
起もしくは窪み、または局部的塗装部もしくは局部的面
荒らし部を設けたシートを貼付したことにより導光板か
ら光を取り出すことを特徴とする請求項1、請求項2また
は請求項3記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽。 - 【請求項8】太陽高度の変化に対応して、集光手段の設
置位置を変化させて使用することを特徴とする請求項１
乃至７のいずれかに記載の太陽光導光光学系を備えた培
養槽の使用方法。 - 【請求項9】季節により、集光手段の設置位置を変化さ
せて使用することを特徴とする請求項8記載の太陽光導
光光学系を備えた培養槽の使用方法。 - 【請求項10】時刻により、集光手段の設置位置を変化さ
せて使用することを特徴とする請求項8記載の太陽光導
光光学系を備えた培養槽の使用方法。 - 【請求項11】太陽高度を検知して、集光手段の設置位置
を変化させて使用することを特徴とする請求項8記載の
太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法。 - 【請求項12】導光板端面の長手方向を東西方向と略一致
させて使用することを特徴とする請求項8乃至11のいず
れかに記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方
法。 - 【請求項13】導光板端面の長手方向を南北方向と略一致
させて使用することを特徴とする請求項10または請求項
11記載の太陽光導光光学系を備えた培養槽の使用方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23338298A JP2000060533A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 太陽光導光光学系を備えた培養槽とその使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23338298A JP2000060533A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 太陽光導光光学系を備えた培養槽とその使用方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000060533A true JP2000060533A (ja) | 2000-02-29 |
Family
ID=16954231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23338298A Pending JP2000060533A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 太陽光導光光学系を備えた培養槽とその使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000060533A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007018675A1 (de) | 2007-04-18 | 2008-10-23 | Seyfried, Ralf, Dr. | Biomassezuchtanlage und Verfahren zur Züchtung von Biomasse |
| WO2009043763A1 (de) * | 2007-10-04 | 2009-04-09 | Wacker Chemie Ag | Freiluftphotobioreaktor |
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1998
- 1998-08-20 JP JP23338298A patent/JP2000060533A/ja active Pending
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