JP6503825B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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n0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n1とし、プリズム1Aを構成する樹脂(媒質2)の屈折率をn2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n3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n4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。
n0sinθ0=n1sinθ01・・・(1)
n1sinθ1=n2sinθ12・・・(2)
n2sinθ2=n3sinθ23・・・(3)
n4sinθ2=n3sinθ23・・・(4)
ここで、αとθ01、θ1、θ12、θ2との関係を求めると、以下のようになる。
α=θ01+θ1・・・(5)
α=θ12+θ2・・・(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K1、K2、K3、K4を使って整理すると、以下のようになる。
K1sinθ0=sin(α−θ1)・・・(7)
K2sinθ1=sin(α−θ2)・・・(8)
上記式(8)より、
K1=n0/n1=1/1.472=0.679・・・(11)
K2=n1/n2=1.472/1.489=0.988・・・(12)
K4=n2/n4=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、θ0とαの関係式が得られる。
ここで、上記式(14)の左辺のθ0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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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、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。
[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。
[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。
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。
[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。
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。
[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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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2に記載の太陽光発電装置。
- 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。
- 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。
- 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2に記載の太陽光発電装置。
- 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2に記載の太陽光発電装置。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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