JP2016183456A - 太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システム - Google Patents

太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システム Download PDF

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Abstract

【課題】発電効率の低下を抑えながら、メンテナンス性の向上を図る。
【解決手段】太陽光発電装置を、マンホール4の蓋4Aの表面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する集光部1と、集光部に光学的に接続され、マンホールの蓋の表面側からマンホールの内部へ太陽光を導く光導波部2と、マンホールの内部に設けられ、光導波部に光学的に接続された太陽電池3とを備えるものとする。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システムに関する。
社会インフラの一つとして、例えば下水道などに用いられる管路が地下に埋め込まれており、その出入口としてマンホールが設けられている。
また、管路内の情報を収集するための装置をマンホール内に設置することも提案されている。
特開2009−270919号公報 特表2010−525582号公報 特開平6−275859号公報 特開平11−25384号公報
ところで、太陽光を効率よく受光できるように太陽電池をマンホールの蓋の外側に設置すると、太陽電池の表面に粉塵が堆積したり、歩行者や車が通過することで太陽電池の表面が破損したりして、発電効率が低下してしまう。このため、発電効率の低下を防ぐために頻繁にメンテナンスを行なうことが必要となり、メンテナンス性が著しく低下する。
また、マンホールの内部に太陽電池を設置する場合、太陽光をマンホールの内部に取り込むために、例えばマンホールの蓋に多数の穴を設けただけでは、太陽光が効率的に太陽電池に照射されるようにすることはできず、発電効率が低下してしまう。
そこで、発電効率の低下を抑えながら、メンテナンス性の向上を図りたい。
本太陽光発電装置は、マンホールの蓋の表面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する集光部と、集光部に光学的に接続され、マンホールの蓋の表面側からマンホールの内部へ太陽光を導く光導波部と、マンホールの内部に設けられ、光導波部に光学的に接続された太陽電池とを備える。
本センシング装置は、上記の太陽光発電装置と、太陽光発電装置に電気的に接続されたセンサとを備える。
本情報処理システムは、上記のセンシング装置と、センシング装置によって得られたデータを処理するコンピュータとを備える。
したがって、本太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システムによれば、発電効率の低下を抑えながら、メンテナンス性の向上を図ることができるという利点がある。
本実施形態にかかる太陽光発電装置の構成を示す模式的断面図である。 本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の構成を示す模式的斜視図である。 本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の具体的な構成例を説明するための模式的断面図である。 プリズムの底面と太陽光入射面とのなす角αとプリズムを埋め込む樹脂に対する太陽光の入射角をθとした場合のsinθと関係を示す図である。 1日の太陽の高度変化を示す図である。 本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の変形例の構成を示す模式的平面図である。 (A)〜(C)は、本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の変形例の構成を示す模式図であって、(A)は平面図であり、(B)は(A)のA−A線に沿う断面図であり、(C)は(A)のA−A線に沿う断面図である。 (A)、(B)は、本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の変形例の構成を示す模式図であって、(A)は平面図であり、(B)は断面図である。 (A)、(B)は、本実施形態にかかる太陽光発電装置に含まれる集光部の変形例の構成を示す模式図であって、(A)は平面図であり、(B)は断面図である。 本実施形態にかかるセンシング装置の構成を示す模式図である。 (A)〜(C)は、本実施形態にかかるセンシング装置の構成例を示す模式図であって、(A)は下側から見た図であり、(B)は側面図であり、(C)は上側から見た図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュールの構成を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュールを用いた情報処理システムの構成を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第1適用例を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第2適用例を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第3適用例を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第4適用例を示す模式図である。 第2実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第5適用例を示す模式図である。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システムについて説明する。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる太陽光発電装置、センシング装置及び情報処理システムについて、図1〜図11を参照しながら説明する。
本実施形態の太陽光発電装置は、例えば下水道などに用いられる管路の出入口であるマンホールに設けられるマンホール用太陽光発電装置である。
本実施形態では、太陽光発電装置は、図1に示すように、集光部1と、光導波部2と、太陽電池3とを備える。
ここで、集光部1は、マンホール4の蓋4Aの表面(地上側)を覆うように取り付けられ、マンホール4の蓋4Aの表面側で太陽光を集光する集光機構(集光構造)である。
ここでは、集光部1は、マンホール4の蓋4Aにその表面全体を覆うように取り付けられるマンホール型集光部である。このため、マンホール4の蓋4Aの表面全体で太陽光を集光することができる。
本実施形態では、集光部1は、プリズム1Aと、プリズム1Aに光学的に接続された光導波路1Bとを含む。
例えば、図1、図2に示すように、プリズム1Aとして、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えるものとすれば良い。なお、図2では、プリズム1Aの頂部を実線で示している。
ここでは、複数のプリズム1Aの太陽光入射面は、集光部1の中心部に向けられている。なお、これに限られるものではなく、例えば、複数のプリズム1Aの太陽光入射面は、集光部1の中心部の反対側の外側に向けられていても良い。
また、光導波路1Bとして、複数のプリズム1Aのそれぞれに光学的に接続され、互いに積層された複数の光導波路(積層光導波路)を備えるものとすれば良い。
ここでは、上側(表面側)に複数のプリズム1Aを高さ方向に少しずつずらして配置し、その下側(裏面側;マンホール4の蓋4Aへ取り付ける側)に積層光導波路を構成する長さの異なる複数の光導波路1Bを、複数のプリズム1Aに光学的に接続されるように設けている。
また、集光部1の中央部に穴1Dが設けられており、この穴1Dの側面に積層光導波路1Bの端面が露出しており、これらの端面に後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルが光学的に接続されている。そして、マンホール4の蓋4Aの中央部に設けられた穴に、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを通して、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルがマンホール4の内部へ延びるようにしている。
このように構成される集光部1では、マンホール4の蓋4Aの表面側に照射された太陽光は、プリズム1Aで集光され、積層光導波路1Bへ導かれ、積層光導波路1Bから後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルへ導かれ、この太陽光取り込みケーブル2によってマンホール4の内部に太陽光が導入されることになる。
また、集光部1に含まれるプリズム1A及び光導波路1Bは、異なる屈折率を有する複数の樹脂材料からなるものとするのが好ましい。例えば、プリズム1Aを埋め込む部分1Cの樹脂には、例えばポリメチルアクリル(屈折率1.472)を用い、プリズム1Aを構成する樹脂には、例えばPMMA(屈折率1.489)を用い、積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂には、例えばエピスルフィド系樹脂(屈折率1.78)を用い、積層光導波路1Bのクラッド1BYを構成する樹脂には、例えばフェノール(屈折率1.7)を用いれば良い。なお、積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂としては、プリズム1Aを構成する樹脂及び積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂よりも屈折率が大きい樹脂(光学樹脂)を用いれば良い。
具体的には、集光部1は、その表面側に、マンホール4の蓋4Aと同等の大きさの透明な円形形状の樹脂1Cに、この樹脂と屈折率の異なる樹脂で作製した同心円状のプリズム1Aが埋め込まれた構造を有し、この構造の下側にコア1BXとなる樹脂とクラッド1BYとなる樹脂とを積層してなる積層光導波路1Bを備えるものとすれば良い。
以下、具体的な構成例について、図3〜図5を参照しながら説明する。
なお、図3では、説明をわかり易くするために、一つのプリズム1A及びこれに光学的に接続される光導波路1Bのみを示している。
ここでは、太陽光は、プリズム1Aを埋め込む部分1Cに入射するものとする。
また、空気の屈折率をnとし、プリズム1Aを埋め込む部分1Cの樹脂(媒質1)の屈折率をnとし、プリズム1Aを構成する樹脂(媒質2)の屈折率をnとし、積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂(媒質3)の屈折率をnとし、積層光導波路1Bのクラッド1BYを構成する樹脂(媒質4)の屈折率をnとする。
そして、これらの屈折率の比を、K=n/n、K=n/n、K=n/n、K=n/nとする。また、プリズム1Aを埋め込む部分1Cに太陽光が入射するときの入射角をθとし、屈折角をθ01とし、プリズム1Aを構成する樹脂に太陽光が入射するときの入射角をθとし、屈折角をθ12とし、積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂に太陽光が入射するときの入射角をθとし、屈折角をθ23とする。
また、プリズム1Aの底面と太陽光入射面とのなす角をαとする。
この場合、空気や各樹脂の屈折率と、各樹脂に太陽光が入射するときの入射角及び屈折角との関係は、以下のようになる。
sinθ=nsinθ01・・・(1)
sinθ=nsinθ12・・・(2)
sinθ=nsinθ23・・・(3)
sinθ=nsinθ23・・・(4)
ここで、αとθ01、θ、θ12、θとの関係を求めると、以下のようになる。
α=θ01+θ・・・(5)
α=θ12+θ・・・(6)
これらを上記式(1)、(2)に代入して、θ01、θ12を消去し、さらに、上記屈折率の比K、K、K、Kを使って整理すると、以下のようになる。
sinθ=sin(α−θ)・・・(7)
sinθ=sin(α−θ)・・・(8)
上記式(8)より、
となり、上記式(7)に上記式(8)、(9)を代入すると、以下のようになる。
ここで、プリズム1Aを埋め込む部分1Cの樹脂にポリメチルアクリル(屈折率1.472)を用い、プリズム1Aを構成する樹脂にPMMA(屈折率1.489)を用い、積層光導波路1Bのコア1BXを構成する樹脂にエピスルフィド系樹脂(屈折率1.78)を用い、積層光導波路1Bのクラッド1BYを構成する樹脂にフェノール(屈折率1.7)を用いるとすると、
=n/n=1/1.472=0.679・・・(11)
=n/n=1.472/1.489=0.988・・・(12)
=n/n=1.489/1.7=0.876・・・(13)
となるから、これらを上記式(10)に代入して整理すると、以下のように、θとαの関係式が得られる。
このようなθとαの関係を図示すると、図4に示すようになる。
ここで、上記式(14)の左辺のθは、プリズム1Aを埋め込む部分1Cに対する入射角である。
また、1日の太陽の高度の変化は図5に示すようになる。なお、図5では、例えば2月、3月、6月、9月、12月などにおける1日の太陽の高度の変化を示している。図5に示すように、最も太陽の高度が高くなる日の最も高い太陽の高度は約80°であり、最も太陽の高度が低い日の最も高い太陽の高度は約30°である。
そこで、太陽電池で発電が可能となる太陽の高度の範囲を約30°〜約80°とすると、これは、プリズム1Aを埋め込む部分1Cに対する入射角θでは、約10°〜約60°(約10°≦θ≦約60°)の範囲に対応する。これは、sinθでは、約0.17〜約0.86(約0.17≦sinθ≦約0.86)の範囲である。このsinθの範囲に対応するαの範囲は、図4から、約10°〜約50°となる。
したがって、プリズム1Aの底面と太陽光入射面とのなす角αを約10°〜約50°の範囲に設定することで、上述のように設定されたプリズム1A及び積層光導波路1Bによって、太陽光を集光して導き、太陽光取り込みケーブル2を介してマンホール4の内部へ太陽光を導入することが可能となる。
なお、ここでは、プリズム1Aとして、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えるものとしているが、これに限られるものではない。
例えば図6に示すように、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズム1Aは、マンホール4の蓋4Aの中心位置に対してずれている中心位置に対して同心円状に設けられているものとしても良い。つまり、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズム1Aの中心位置が、マンホール4の蓋4Aの中心位置に対して偏心しているものとしても良い。これにより、集光部1のほぼ全面においてプリズム1Aの太陽光入射面がほぼ同じ方向を向くようにすることができる。なお、図6では、プリズム1Aの頂部を実線で示している。
この場合、集光部1の穴1D及びマンホール4の蓋4Aの穴は、マンホール4の蓋4Aの中心位置に対して偏心した位置に設け、集光部1の穴1Dの側面に積層光導波路1Bの端面が露出するようにし、これらの端面に後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを光学的に接続し、マンホール4の蓋4Aの穴に、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを通して、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルがマンホール4の内部へ延びるようにすれば良い。
そして、プリズム1Aの太陽光入射面が太陽光の方向(照射方向)に向くようにマンホール4の蓋4Aを設置すれば良い。
このように、太陽光の方向を考慮し、その方向にプリズム1Aの太陽光入射面のほとんどが向くようにすることで、集光効率を上げることが可能となる。例えば、上述の実施形態のように、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズム1Aを、マンホール4の蓋4Aの中心位置に合うように設けた場合と比較して、約2倍程度の効率を上げることが可能となる。
また、例えば図7(A)に示すように、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズム1Aとして、マンホール4の蓋4Aの一方の側(ここでは右側)に第1中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第1プリズム1AXと、マンホール4の蓋4Aの他方の側(ここでは左側)に第2中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第2プリズム1AYとを備えるものとしても良い。
この場合、第1プリズム1AXの太陽光入射面と第2プリズム1AYの太陽光入射面は同じ方向を向くようにする。例えば図7(B)に示すように、第1プリズム1AXの太陽光入射面と第2プリズム1AYの太陽光入射面が、一方の側(ここでは左側)に向くようにしても良いし、例えば図7(C)に示すように、第1プリズム1AXの太陽光入射面と第2プリズム1AYの太陽光入射面が、他方の側(ここでは右側)に向くようにしても良い。
なお、図7(A)では、第1プリズム1AX及び第2プリズム1AYの頂部を実線で示している。また、図7(B)、図7(C)では、簡略化して第1プリズム1AX及び第2プリズム1AYが同一面上に設けられているように図示しているが、実際には、上述したように、高さ方向に少しずつずらして配置し、積層光導波路1Bに光学的に接続されている。
このように、集光部1の一方の側(ここでは右側)及び他方の側(ここでは左側)に、それぞれ、異なる中心位置に対して同心円状に設けられている第1プリズム1AX及び第2プリズム1AYを設けることで、集光部1のほぼ全面においてプリズム1A(ここでは第1プリズム1AX及び第2プリズム1AY)の太陽光入射面がほぼ同じ方向を向くようにすることができる。
この場合、集光部1の穴及びマンホール4の蓋4Aの穴は、第1中心位置及び第2中心位置に対応する位置に設け、集光部1の穴の側面に積層光導波路1Bの端面が露出するようにし、これらの端面に後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを光学的に接続し、マンホール4の蓋4Aの穴に、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを通して、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルがマンホール4の内部へ延びるようにすれば良い。
そして、プリズム1A(ここでは第1プリズム1AX及び第2プリズム1AY)の太陽光入射面が太陽光の方向(照射方向)に向くようにマンホール4の蓋4Aを設置すれば良い。
このように、太陽光の方向を考慮し、その方向にプリズム1Aの太陽光入射面のほとんどが向くようにすることで、集光効率を上げることが可能となる。
また、例えば図8(A)、図8(B)に示すように、プリズム1Aとして、直線状に設けられた断面三角形状の複数のプリズム1ALを備えるものとしても良い。この場合、プリズム1ALの太陽光入射面は同じ方向を向くようにする。
なお、図8(B)では、簡略化してプリズム1ALが同一面上に設けられているように図示しているが、実際には、例えば図中、左側から右側へ向けて高さ方向に少しずつずらして配置し、積層光導波路1Bに光学的に接続されている。
この場合、集光部1の穴1D及びマンホール4の蓋4Aの穴は、集光部1の一方の側(ここでは左側)に設け、集光部1の穴1Dの側面に積層光導波路1Bの端面が露出するようにし、これらの端面に後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを光学的に接続し、マンホール4の蓋4Aの穴に、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを通して、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルがマンホール4の内部へ延びるようにすれば良い。
そして、プリズム1A(ここではプリズム1AL)の太陽光入射面が太陽光の方向(照射方向)に向くようにマンホール4の蓋4Aを設置すれば良い。
このように、太陽光の方向を考慮し、その方向にプリズム1Aの太陽光入射面のほとんどが向くようにすることで、集光効率を上げることが可能となる。
また、例えば図9(A)、図9(B)に示すように、プリズム1Aとして、四角錐状の複数のプリズム1APを備えるものとしても良い。
なお、図9(B)では、簡略化してプリズム1APが同一面上に設けられているように図示しているが、実際には、例えば図中、右側から左側へ向けて高さ方向に少しずつずらして配置し、積層光導波路1Bに光学的に接続されている。
この場合、集光部1の穴1D及びマンホール4の蓋4Aの穴は、集光部1の一方の側(ここでは右側)に設け、集光部1の穴1Dの側面に積層光導波路1Bの端面が露出するようにし、これらの端面に後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを光学的に接続し、マンホール4の蓋4Aの穴に、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルを通して、後述の光導波部2としての太陽光取り込みケーブルがマンホール4の内部へ延びるようにすれば良い。
このように、プリズム1APの太陽光入射面を多くすることで、集光効率を上げることが可能となる。
光導波部2は、図1に示すように、集光部1に光学的に接続され、マンホール4の蓋4Aの表面側(外側;地上側)からマンホール4の内部(内側)へ太陽光(外光)を導く光導波機構(光導波構造)である。
ここでは、光導波部2は、例えば光ファイバや光導波路などの光導波管などのケーブルである。このケーブル2を太陽光取り込みケーブルともいう。
このように、集光部1で集光された太陽光を、光導波部2としての太陽光取り込みケーブルでマンホール4の内部へ導くようにしているため、マンホール4の蓋4Aはこの太陽光取り込みケーブル2を通すことができる穴1Dを少なくとも1つ備えていれば良く、マンホール4の蓋4Aの強度が低下するのを防止することができる。これに対し、太陽光をマンホールの内部に取り込むために、マンホールの蓋に多数の穴を設けると、マンホールの蓋の強度が低下してしまうことになる。
太陽電池3は、マンホール4の内部に設けられ、光導波部2に光学的に接続されており、太陽光発電素子を備える。そして、光導波部2を介して導かれた太陽光が太陽電池3に照射されることによって、太陽電池3によって発電が行なわれるようになっている。ここでは、後述するように、マンホール4の内部にはセンサ6も設けられており、この太陽電池3によって発電された電力によってセンサ6が駆動されるようになっている。
このように、本太陽光発電装置では、マンホール4の蓋4Aの表面側に設けられた集光部1で太陽光を集光し、集光部1で集光した太陽光を光導波部2でマンホール4の内部へ引き込み、マンホール4の内部に設置されている太陽電池3で発電するようになっている。
これにより、マンホール4の内部に太陽電池3を設置して保護することができ、太陽電池3の表面(発電素子の表面)への粉塵の堆積や破損などを防ぐことができるため、メンテナンス性の向上を図ることができる。また、マンホール4の内部に設けられた太陽電池3に、集光部1及び光導波部2によって、太陽光を集光し、導くことができ、太陽電池3に対して太陽光を均一に照射することができるため、例えば太陽電池3の表面の汚れ等の影響を受けにくくなり、太陽電池3をマンホール4の内部に設ける場合であっても、発電効率の低下を抑えることができる。また、太陽電池3をマンホール4の内部に設けることによって、太陽電池3の温度上昇を抑えることができ、発電効率の低下を防ぐことができる。
これに対し、太陽光を効率よく受光できるように太陽電池をマンホールの蓋の外側に設置すると、太陽電池は一般環境に長時間曝されるため、太陽電池の表面(発電素子の表面)に粉塵が堆積したり、歩行者や車が通過することで太陽電池の表面が破損したりして、発電効率が低下してしまう。このため、発電効率の低下を防ぐために頻繁にメンテナンスを行なうことが必要となり、メンテナンス性が著しく低下する。また、太陽電池をマンホールの蓋の外側に設置すると、マンホールの蓋とともに太陽電池が高温となり、発電効率が低下してしまう。また、マンホールの内部に太陽電池を設置する場合、太陽光をマンホールの内部に取り込むために、例えばマンホールの蓋に多数の穴を設けただけでは、太陽光が効率的に太陽電池に照射されるようにすることはできず、発電効率が低下してしまう。
ところで、近年の著しい都市化・人口集中化にともない、社会インフラの一つである下水道が緻密に地下に設けられている。
この下水道の管路(下水管)には生活排水が流れ込んでいるが、降雨時には、これに加えて、不明水として予測できない量の雨水が管路に流れ込み、急激に流量が増加する。
このため、設定した流量を超えることがないように、主要箇所で水位や流速などの流量のモニタリングを行ないながら、注水やポンプによる汲み上げなどを行なって対応している。
しかしながら、下水管内の水量は場所・時間によって様々であるため、主要箇所のモニタリングだけではその変化を予測することが難しい。特に、集中豪雨やゲリラ豪雨など、水量の変化が特に局所的で急激な場合については対応できず、内水氾濫を防止しきれない。
このような現状をふまえて、下水管内の状況を多点で監視・計測するシステムが求められている。
しかしながら、センサの設置個所が多くなるほど、システム全体の電力が大きくなるのと同時に、メンテナンスにかける時間も費用も膨大になる。
そこで、省電力でメンテナンスフリーなセンシング装置が望まれる。
このため、本実施形態では、センシング装置を、例えば図10に示すように、上述の太陽光発電装置5と、この太陽光発電装置5に電気的に接続されたセンサ6とを備えるものとしている。そして、上述の太陽光発電装置5に含まれる太陽電池3、及び、センサ6を、マンホール4の内部に設けるようにし、太陽電池3をセンサ6の電源として用い、太陽電池3によって発電された電力によってセンサ6が駆動されるようにしている。ここでは、センシング装置は、図示しないコントローラも備え、太陽電池3によって発電された電力がコントローラ及びセンサ6に供給され、コントローラによってセンサ6が駆動されるようになっている。なお、センシング装置をセンサシステム又はマンホールセンサシステムともいう。また、センサをマンホールセンサともいう。
これにより、省電力かつメンテナンスフリーでセンシングを行なうことが可能となる。また、設置の簡易性等を考慮すると、後述の第2実施形態と同様に、上述の太陽光発電装置5に含まれる太陽電池3とセンサ6とをモジュール化し、これをマンホール4の蓋4Aの裏面側に取り付けるようにするのが好ましい。
ここでは、センサ6は、下水道の管路7内の状態である下水の水位(水量)を計測する水位センサ6X(水量センサ;水面測定用センサ)である。ここでは、センシング装置が上述の太陽光発電装置5を備えるため、メンテナンスフリーで、上述の太陽光発電装置5によって発電された電力によって水位センサ6Xを駆動して、下水の水位を計測することが可能となる。
例えば、このセンサ6Xとしては、発光部(例えばLED)6XA及び受光部(例えばPSDやPD)6XBを有する光学式センサを用いるのが好ましい。また、発光部6XA及び受光部6XBを保護する光学窓8を設けるのが好ましい。
この場合、センシング装置を、図11(A)〜図11(C)に示すように、発光部6XA及び受光部6XBを保護しうるように設けられ、光触媒層9を有する光学窓8と、この光学窓8の発光部6XA及び受光部6XBに対応する領域の光触媒層9に対して光導波部2を介して導かれた太陽光を照射する照射部10とを備えるものとするのが好ましい。
ここで、光触媒層9を有する光学窓8は、発光部6XAが発光した光に対して透明な板からなる光学窓8の表面に光触媒をコーティングすることによって作製することができる。また、光触媒は、可視光感応型の光触媒である。
また、照射部10は、光学窓8に設けられた光触媒層9の、光学式センサ6Xの発光部6XAの発光面(センサ素子の発光面;レンズ部)に対応する領域、及び、光学式センサ6Xの受光部6XBの受光面(センサ素子の受光面;レンズ部)に対応する領域のそれぞれに対して、斜め方向から角度をつけて太陽光を照射するようになっている。
ここでは、照射部10は、光学式センサ6Xの発光部6XAと受光部6XBとの間に外側へ向けて太陽光を斜め方向から照射するように配置されている。これにより、照射部10から光触媒層9に対して照射された太陽光の反射光が光学式センサ6Xの発光部6XAや受光部6XBに入射して、外乱となり、センサ6Xの検出精度が低下しないようにしている。
このように構成しているのは、以下の理由による。
つまり、光学式センサ6Xの発光部6XA及び受光部6XBを保護するために光学窓8が設けられている場合、マンホール4内の高湿度な環境に長時間曝され、表面(特に発光部6XAを構成するセンサ素子の発光面や受光部6XBを構成するセンサ素子の受光面に対応する領域)に汚れ等が堆積すると、センサ6Xの感度が低下してしまう。
そこで、光学窓8に光触媒層9を設け、この光触媒層9に、光導波部2を介してマンホール4の内部に導かれた太陽光の一部が継続的に照射されるようにして、光学窓8の表面の汚れ等を除去することができるようにしている。これにより、センサ6Xの感度の低下を防止することが可能となる。
なお、センサ6は、これに限られるものではなく、マンホール4や管路7の内部の状態を計測するセンサであれば良い。また、センサ6としては、後述の第2実施形態のセンサモジュールに含まれるセンサ163を用いても良い。この場合、センサモジュールは、上述の太陽光発電装置5に含まれる太陽電池3と、この太陽電池3に電気的に接続されたセンサ163とを含むことになる。また、センシング装置は、このセンサモジュールと、上述の太陽光発電装置5に含まれる集光部1及び光導波部2とを備えることになる。
そして、上述のようなセンシング装置と、センシング装置によって得られたデータを処理するコンピュータとによって、本実施形態の情報処理システムとしての下水道管理システムを構成することができる。例えば、本実施形態の情報処理システムとしての下水道管理システムには、後述の第2実施形態の情報処理システムを適用すれば良い。なお、下水道管理システムを下水水位測定システムともいう。
ここでは、センシング装置は、下水管内の状況を多点で監視・計測できるように、複数個所のマンホール4に設置されており、それぞれのマンホール4に設置されたセンシング装置によって計測されたデータがコンピュータによって処理されて、下水管内の水位が監視され、下水道の管理が行なわれるようになっている。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる太陽光発電装置に備えられる太陽電池及びセンシング装置に備えられるセンサを含むセンサモジュール及び情報処理システムについて、図12〜図18を参照しながら説明する。
本実施形態にかかるセンサモジュールは、一体型モジュールであって、図12に示すように、この一体型モジュール160は、発電モジュール161と、蓄電モジュール162と、センサ163と、コントローラ164と、メモリ165と、通信回路166と、アンテナ167を備える。
発電モジュール161には、上述の第1実施形態の太陽光発電装置5に含まれる太陽電池3を備える。このため、本センサモジュールは、少なくとも、センサ163と、センサ163に電気的に接続された、上述の第1実施形態の太陽光発電装置5に含まれる太陽電池3とを備える。
蓄電モジュール162は、発電モジュール161に接続され、発電モジュール161で発生した電力を蓄える。蓄電モジュール162としては、電力を蓄える機能を持つものであれば良い。この蓄電モジュール162としては、例えば、全固体二次電池が省スペースで且つ安全性が高い点から好ましい。
発電モジュール161及び蓄電モジュール162は、電力供給部168を構成する。この電力供給部168を構成する発電モジュール161及び蓄電モジュール162の少なくとも一方からは、センサ163、コントローラ164、及び、通信回路166に電力が供給される。発電モジュール161によって安定した電力を供給できる場合には、蓄電モジュール162が省かれても良い。
センサ163には、例えば、温度、湿度、圧力、光、音、電磁波、加速度、振動、ガス、微粒子等を検出するセンサが適用可能である。さらに、センサ163には、例えば、赤外線を対象物に出射すると共に対象物から反射した光を受けることで対象物との距離を測定する測距センサ、対象物の重量を測定する重量センサ、及び、水位等のデータを検出する水位センサ等が適用可能である。
コントローラ164は、例えば、センサ163が検出した各種データを、通信回路166及びアンテナ167を介してサーバ175へ送信する。コントローラ164は、例えば、センサ163が検出した各種データと他のデータとに基づいた二次データをサーバ175へ送信しても良い。また、コントローラ164は、例えば、センサ163が検出した各種データを用いて所定の演算を行って二次データを算出し、この二次データをサーバ175へ送信しても良い。
メモリ165は、センサ163が検出した各種データや、算出された二次データをコントローラ164の命令により記憶する。記憶された情報は、コントローラ164の命令により読み出される。
通信回路166及びアンテナ167は、通信部169を構成する。通信部169は、コントローラ164と図示しないサーバ175との間でデータの送受信を行う。なお、図12に示される例では、アンテナ167を用いた無線通信が採用されるが、無線通信の代わりに、有線通信が採用されても良い。
上述の一体型モジュール160は、例えば、図13に示されるように、本実施形態にかかる情報処理システム170に適用される。
この情報処理システム170は、複数の一体型モジュール160と、サーバ175とを備える。つまり、本情報処理システム170は、上述の一体型モジュール(センサモジュール)160と、この一体型モジュール160によって得られたデータを処理するサーバ(コンピュータ)175とを備える。ここでは、情報処理システム170は、マンホール176から得られる情報を処理するシステムである。このため、複数の一体型モジュール160は、マンホール176に設置される。この複数のマンホール176に設置された複数の一体型モジュール160は、ネットワーク177を介してサーバ175と接続される。
なお、例えば、サーバ175を備えた車両を走行させ、この車両が各マンホール176に設置された一体型モジュール160に近接するたびに一体型モジュール160からサーバ175に近距離無線通信でデータが送信されるようになっていても良い。また、一体型モジュール160は、マンホール176の構造体であれば、どこに設置されても良い。
この一体型モジュール160は、センサ163の検出対象又はセンサ163の種類に応じて、マンホール176の構造体である蓋178やコンクリート管179などに固定される。また、一体型モジュール160の発電モジュール161に備えられる太陽電池3は、上述の第1実施形態の太陽光発電装置5に備えられる集光部1及び光導波部2によって集光され、導かれた太陽光によって発電する。
以下、本実施形態にかかる情報処理システム170の具体的な適用例について説明する。
[第1適用例]
第1適用例では、図14に示すように、情報処理システム170は、マンホール176の構造体(蓋178やコンクリート管179)の劣化を把握するために利用される。
センサ163は、マンホール176内の温度、湿度、及び、マンホール176の構造体に作用する振動(加速度)等を検出し、センサ163で検出されたデータは、メモリ165に蓄積される。
道路上を走る測定用の車両180がマンホール176上を通過する際に、コントローラ164は、通信回路166及びアンテナ167を介してメモリ165に蓄積されたデータを送信する。測定用の車両180に設けられたサーバ175は、データを回収する。
サーバ175は、GPS(Global Positioning System)による車両180の位置情報と回収されたデータとを組み合わせて、車内モニタに映し出された地図上に、回収されたデータを表示させる。温度、湿度、振動等が表示された情報から各マンホール176におけるコンクリート管179の劣化の度合いを推定することが可能となる。
また、測定用の車両180の下部に、受信装置181に加え、マンホール176の蓋178の画像を取得するカメラ182を取り付け、マンホール176の蓋178(鉄部)の劣化を画像認識で判断することができるようにしても良い。この結果を元に、マンホール176の蓋178の交換時期を自治体に情報として販売するようにしても良い。ここで、データを回収する車両としては、特別な測定用の車両でなくとも、例えば自治体が運用するごみ収集車でも良い。ごみ収集車の底部に受信装置181やカメラ182を設置することで、回収費用をかけずに定期的にデータを回収することができる。
また、センサ163は、マンホール176内に発生したガスの濃度を検出するものであっても良い。マンホール176内に発生するガスとしては、例えば、硫化水素ガスがある。下水道183で発生する硫化水素ガスは、マンホール176の構造体を急激に劣化させることが知られている。硫化水素ガスの発生は、近隣住民の苦情要因でもある。センサ163として硫化水素ガスセンサを用いることで、マンホール176の構造体の劣化予測精度向上とともに、住民の苦情に迅速に対応できるようになる。
なお、第1適用例では、センサ163は、マンホール176内の温度、湿度、振動、及び、マンホール176内に発生したガスの濃度のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
また、マンホール176内では湿度が常に高く、下水道183(又は上水道)の水がマンホール176内にあふれる可能性もある。また、マンホール176内部はほぼ一定温度だが、例えば蓋178では夏は高温、冬は低温になるうえ、さまざまな金属を溶かす硫化水素ガスなどが発生することが知られている。このような過酷な環境にあって、センサ163などの電子部品及び太陽電池(太陽光発電素子)を守り、かつ長期的な信頼性を保つことは重要である。この場合、一体型モジュール160を、センサ163などの電子部品及び太陽電池(太陽光発電素子)が樹脂で封止されたものとして構成することで、長期的な信頼性を保つことが可能となる。
[第2適用例]
第2適用例では、図15に示すように、情報処理システム170は、マンホール176と接続される下水道183の流量を予測するために利用される。
センサ163には、例えば、水位計や流量計が用いられる。マンホール176に水位計や流量計であるセンサ163が設置されることで、きめ細かい下水道183の水位や流量の把握が可能となる。なお、図15において、センサ163は一体型モジュール160に組み込まれているが、例えば、センサ163の代わりに、外部のセンサの動作を制御するセンサ制御部を設けても良い。この場合、センサ制御部は、下水道の183に配置された水位計や流量計などの図示していないセンサを制御し、そのセンサが検出した情報を取得するようにすれば良い。また、そのセンサが検出した情報は無線でセンサ制御部に送信されるようにしても良い。
具体的には、下水道183の水位や流量は、1日に1回、あるいは1時間に1回、センサ163によって検出され、センサ163によって検出されたデータは、高速通信回線を通じてデータセンタ184のサーバ175に集められる。センサ163によって検出された下水道183の水位や流量のデータは、計測と同時に送信されるようにしても良いし、消費電力を低減するために、1日、あるいは1週間分を蓄積してから送信されるようにしても良い。なお、第1適用例と同様に、測定用の車両がデータを回収するようにしても良い。
通常、雨水は、下水道183に流れ込むため、下水道183の水位や流量の予測は、降雨データと強く連動する。このため、センサ163によって集められた下水道183の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとを組み合わせて解析することで、例えば、下水道183の水が流れ込む河川の氾濫予測、注意報・警報情報を提供することが可能となる。
下水道183の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとの解析結果から気象現象と下水道183の水位や流量との関係を確立することも可能となる。そして、気象庁の降雨データから各地における下水道183の水位や流量を予測して、この予測データを提供及び配信することに対して課金するようにしても良い。なお、住宅建築や居住状況、土地開発状況に応じて下水道183の水位や流量は年々変わるので、継続的なデータの更新が可能な本情報処理システム170は有用である。
また、第2適用例において、情報処理システム170は、局所的な集中豪雨などが発生した場合における下水道183の水位や流量の計測にも利用可能である。都市の局所的な集中豪雨の際には、下水道183の作業者の安全確保や下水道183の氾濫を防ぐため、分単位で下水道183の水位や流量の測定及び情報発信が必要になる。この場合には、相対的に標高の低い少数のマンホール176に設置された一体型モジュール160に限定してデータを収集するようにすれば良い。
水位を測定する一体型モジュール160の蓄電モジュール162には、前もって十分な蓄電を行っておくことが好ましい。コントローラ164は、通信回路166及び高速通信回線を通じて逐次データをサーバ175へ送信する。サーバ175は、受信したデータを作業者や氾濫近傍の居住者のスマートフォンやタブレットに警報を発させることができる。あるいは、特定のマンホール176上に測定用の車両が駐車して、近距離無線通信によって車両に設けたサーバにデータが回収されるようにしても良い。
[第3適用例]
第3適用例では、図16に示すように、情報処理システム170は、マンホール176のセキュリティ及び作業履歴に利用される。
センサ163は、マンホール176の蓋178の開閉を検出する。このセンサ163には、例えば、加速度センサや開閉スイッチが用いられる。このセンサ163は、マンホール176の蓋178の開閉を検出するために、マンホール176の蓋178に生ずる加速度、及び、マンホール176の蓋178の開閉状態のうち少なくとも一つを検出すれば良い。マンホール176の蓋178の開閉に応じてセンサ163から出力されたデータ(信号)は、サーバ175にて受信される。
この情報処理システム170によれば、下水道183等のセキュリティ対策(例えば、対爆弾テロなど)や、下水道183の清掃作業における作業履歴の確認を行うことができる。
[第4適用例]
第4適用例では、図17に示すように、情報処理システム170は、道路交通情報の取得に利用される。
センサ163は、マンホール176上を通過する車両185,186,187を検出する。このセンサ163には、例えば、加速度センサ、磁気センサ、マイクロフォン等が用いられる。センサ163からは、マンホール176上を通過する車両の数に応じた信号が得られる。センサ163から出力されたデータ(信号)は、サーバ175にて受信される。
この情報処理システム170によれば、現在の道路交通情報通信システムでは計測していないような細い道路や路地などでも渋滞情報を得ることができる。これにより、きめ細かい渋滞情報の提供が可能になる。
また、センサ163の検出値の強弱から、マンホール176上を通過する車両185,186,187の種類(例えば、小型車、普通車、トラック等)を検出するようにしても良い。この場合、センサ163の検出値と車両の種類とを関連付けたデータセットを予めメモリ165に記憶しておけば良い。そして、コントローラ164が、センサ163の検出値と上記データセットとから車の種類を判定し、この車の種類の情報をサーバ175へ送信するようにすれば良い。これにより、マンホール176上を通過する車両の種類を把握することが可能となる。
さらに、センサ163によって、マンホール176上を通過する車両185,186,187の個体識別情報が検出されても良い。例えば、センサ163として磁気センサが用いられた場合には、磁気センサの反応によって、車両の特徴が得られる可能性がある。つまり、例えば、車ごとに特徴的な磁気を発する媒体を車両に搭載することにより、個々の車両を識別できる。車種による都市の車の流れの違いを解析することで、特定の車両を特定の道路に誘導する計画立案など、都市道路のコントロールや都市評価につながる。
なお、第4適用例では、センサ163は、マンホール176上を通過する車両の数、種類、個体識別情報のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
[第5適用例]
第5適用例では、図18に示すように、情報処理システム170は、降雨量の測定に利用される。
センサ163には、例えば、気象予測用のXバンドレーダが用いられる。Xバンドレーダの電波は、例えば豪雨時に豪雨エリアの先に届かず、また、山など大きな物体を超えられない。また、現状のレーダでは、突然発生したり急発達したりする豪雨エリアの発見及び追跡が困難なことが多い。高精度予測には高時間空間分解能が必要とされる。
通常、Xバンドレーダの分解能は250mであるが、平均間隔が30mあまりのマンホール176にセンサ163が設置されることで、はるかにきめ細かい気象観測が可能になり、局所的な集中豪雨などの計測及び予測に役立つと考えられる。センサ163から出力されたデータ(信号)は、サーバ175にて受信される。
なお、上述の第1〜第5適用例では、専用のサーバ175が用いられていたが、汎用のコンピュータがサーバ175として利用されても良い。また、サーバ175として機能する汎用のコンピュータにコントローラ164やサーバ175が行った動作を実行させるプログラムがインストールされ実行されても良い。また、この場合に、プログラムは、記録媒体で供給されても良いし、ネットワークからダウンロードされても良い。
[その他]
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能であり、適宜組み合わせることも可能である。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
マンホールの蓋の表面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する集光部と、
前記集光部に光学的に接続され、前記マンホールの蓋の表面側から前記マンホールの内部へ太陽光を導く光導波部と、
前記マンホールの内部に設けられ、前記光導波部に光学的に接続された太陽電池とを備えることを特徴とする太陽光発電装置。
(付記2)
前記集光部は、プリズムと、前記プリズムに光学的に接続された光導波路とを含むことを特徴とする、付記1に記載の太陽光発電装置。
(付記3)
前記プリズムとして、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、付記1又は2に記載の太陽光発電装置。
(付記4)
前記同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムは、前記マンホールの蓋の中心位置に対してずれている中心位置に対して同心円状に設けられていることを特徴とする、付記3に記載の太陽光発電装置。
(付記5)
前記同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムとして、前記マンホールの蓋の一方の側に第1中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第1プリズムと、前記マンホールの蓋の他方の側に第2中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第2プリズムとを備えることを特徴とする、付記3に記載の太陽光発電装置。
(付記6)
前記プリズムとして、直線状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、付記1又は2に記載の太陽光発電装置。
(付記7)
前記プリズムとして、四角錐状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、付記1又は2に記載の太陽光発電装置。
(付記8)
前記光導波路として、前記複数のプリズムのそれぞれに光学的に接続され、互いに積層された複数の光導波路を備えることを特徴とする、付記3〜7のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
(付記9)
前記プリズム及び前記光導波路は、異なる屈折率を有する複数の樹脂材料からなることを特徴とする、付記2〜8のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
(付記10)
付記1〜9のいずれか1項に記載の太陽光発電装置と、
前記太陽光発電装置に電気的に接続されたセンサとを備えることを特徴とするセンシング装置。
(付記11)
前記センサは、発光部及び受光部を有する光学式センサであり、
前記発光部及び前記受光部を保護しうるように設けられ、光触媒層を有する光学窓と、
前記光学窓の前記発光部及び前記受光部に対応する領域の前記光触媒層に対して前記光導波部を介して導かれた太陽光を照射する照射部とを備えることを特徴とする、付記10に記載のセンシング装置。
(付記12)
付記10又は11に記載のセンシング装置と、
前記センシング装置によって得られたデータを処理するコンピュータとを備えることを特徴とする情報処理システム。
1 集光部
1A プリズム
1AX 第1プリズム
1AY 第2プリズム
1AL プリズム
1AP プリズム
1B 光導波路(積層光導波路)
1BX コア
1BY クラッド
1C プリズムを埋め込む部分
1D 穴
2 光導波部
3 太陽電池
4 マンホール
4A マンホールの蓋
5 太陽光発電装置
6 センサ
6X 水位センサ
6XA 発光部(例えばLED)
6XB 受光部(例えばPSDやPD)
7 管路
8光学窓
9 光触媒層
10 照射部
160 一体型モジュール
161 発電モジュール
162 蓄電モジュール
163 センサ
164 コントローラ
165 メモリ
166 通信回路(通信部)
167 アンテナ
168 電力供給部
169 通信部
170 情報処理システム
175 サーバ(コンピュータ)
176 マンホール
177 ネットワーク
178 蓋
179 コンクリート管
180 車両
181 受信装置
182 カメラ
183 下水道
184 データセンタ
185,186,187 車両

Claims (11)

  1. マンホールの蓋の表面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する集光部と、
    前記集光部に光学的に接続され、前記マンホールの蓋の表面側から前記マンホールの内部へ太陽光を導く光導波部と、
    前記マンホールの内部に設けられ、前記光導波部に光学的に接続された太陽電池とを備えることを特徴とする太陽光発電装置。
  2. 前記集光部は、プリズムと、前記プリズムに光学的に接続された光導波路とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の太陽光発電装置。
  3. 前記プリズムとして、同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の太陽光発電装置。
  4. 前記同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムは、前記マンホールの蓋の中心位置に対してずれている中心位置に対して同心円状に設けられていることを特徴とする、請求項3に記載の太陽光発電装置。
  5. 前記同心円状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムとして、前記マンホールの蓋の一方の側に第1中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第1プリズムと、前記マンホールの蓋の他方の側に第2中心位置に対して同心円状に設けられた断面三角形状の複数の第2プリズムとを備えることを特徴とする、請求項3に記載の太陽光発電装置。
  6. 前記プリズムとして、直線状に設けられた断面三角形状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の太陽光発電装置。
  7. 前記プリズムとして、四角錐状の複数のプリズムを備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の太陽光発電装置。
  8. 前記光導波路として、前記複数のプリズムのそれぞれに光学的に接続され、互いに積層された複数の光導波路を備えることを特徴とする、請求項3〜7のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の太陽光発電装置と、
    前記太陽光発電装置に電気的に接続されたセンサとを備えることを特徴とするセンシング装置。
  10. 前記センサは、発光部及び受光部を有する光学式センサであり、
    前記発光部及び前記受光部を保護しうるように設けられ、光触媒層を有する光学窓と、
    前記光学窓の前記発光部及び前記受光部に対応する領域の前記光触媒層に対して前記光導波部を介して導かれた太陽光を照射する照射部とを備えることを特徴とする、請求項9に記載のセンシング装置。
  11. 請求項9又は10に記載のセンシング装置と、
    前記センシング装置によって得られたデータを処理するコンピュータとを備えることを特徴とする情報処理システム。
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