JPH06130316A - 固定型太陽光採光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導光距離の長い光ファイバーを用いる太陽光
採光装置において、太陽追尾装置等の駆動機構を設け
ず、該装置を固定的に設置した場合であっても良好な集
光効率を示す様な太陽光採光装置を提供する。 【構成】 内面を鏡面加工した錐状筒を集光部材とし、
集光部材内に照射された光を、その内部に配置された鏡
面板、リニアフレネル板、プリズム、透明錐状物等を介
して錐状筒の頂点付近に集め、且つ該頂点付近には開口
数が０．５以上の中央部が盛上った受光素子を設置して
光ファイバーへ集光する様に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽光を採光し光ファ
イバーで導光して室内照明等に利用する装置に関し、従
来の光ファイバー採光装置の如き複雑・高価な追尾機構
や駆動部分を備える必要がなく、完全な固定方式であっ
ても太陽光を効率良く受光部に集導光することのできる
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フレネルレンズまたは反射鏡を使用して
太陽光を採光し、光ファイバーまたは光ダクトを使用し
て室内に導光し、照明として利用する装置については、
既に種々の機構からなる装置が提案・実用化されてい
る。

【０００３】フレネルレンズで採光しこれを光ファイバ
ーで導光するものは、保護管を含め直径１ｃｍ程度の光
ファイバー束により、採光場所から数十メートル離れた
既設室内の自由な場所に僅かな減衰で導光できるが、季
節・時刻によって入射方向の変化する太陽直接光を断面
積の小さい光ファイバー束に導入するためには、マイコ
ンプログラムまたは光センサとサーボモーターを組合せ
た複雑・高価な追尾装置を受光部に付設し、フレネルレ
ンズと光ファイバー端部を含む受光部全体を太陽に追尾
して移動させる必要があった。またこの方式では太陽直
接光は効率良く採光できるにしても、晴天時以外になる
と、全天空光の半量程度を占める散乱光がほとんど受光
されないという問題があった。

【０００４】一方内面を反射鏡にした光ダクトで導光す
る方式のものが知られており、この方式で採用される光
ダクトの断面積は光ファイバーのそれに比べるとはるか
に大きいので、特公昭６３−３６６４４や特開平１−１
６１６０４等に見られるように、追尾装置なしでも光ダ
クト内に導光できるという利点がある。しかしながら光
ダクト内面反射による減衰は光ファイバーの場合よりは
るかに大きいので、導光可能距離は通常数ｍ程度に限ら
れ、照明に使用できる範囲が限定される。また設置場所
ごとに光ダクトを個別に設計・施工する必要があり、既
設建家への付設は一般に困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光フ
ァイバーによる導光方式を採用することを前提とする場
合でありながら複雑高価な追尾装置を用いずに、太陽光
を効率良く光ファイバーに導入できる装置を提供する点
にあり、特にフレネルレンズ採光面と光ファイバー端部
を含む受光部全体を固定的に設置することにより、駆動
部の無いコンパクトな太陽光採光装置を提供しようとす
るものである。

【０００６】よく知られている様にいずれの縦断面も全
てが完全な放物線を示す様な錐体の内面を完全鏡面と
し、且つその錐体軸を太陽入射光軸に合わせると、該錐
体の底面より入射した太陽光は全て放物線の焦点に集ま
る。したがってこの放物線の焦点に光ファイバー束の端
面または光ファイバーを接続したテーパーコンジットを
設置すれば、光ファイバーまたはテーパーコンジットの
開口数の範囲内に向けて前面から到達する光は光ファイ
バー内に導光できるが、開口数を超える側面および後面
からの反射光は受光できない。

【０００７】また、入射光の軸が錐体軸と非平行になる
と、集光部が放物線の焦点よりずれ、入射光軸と錐体軸
の交差角度が１０数度以上になると入射光の大部分が錐
体内面で２回以上の反射を繰返すことになる結果、焦点
付近には殆んど集光せず大部分が入射面の方向に反射し
てしまう。したがって錐体内面を鏡面化することは、固
定方式で太陽光を集光するための必要条件とはなって
も、十分条件とはならない。

【０００８】上記した様な本発明課題を達成する為の他
の重要な要素の１つは、実施例で詳述するように、錐状
筒の内部に、鏡面板、リニアフレネル板、プリズム、透
明錐状物のいずれか、またはこれらを組合せて装備する
点にある。これらのいずれかを装備することのより、錐
体軸に対し上下左右約４５°以内の角度で入射する光の
かなりの部分を錐状筒の頂点付近に集光させることがで
きる。

【０００９】本発明を成立させる為に更に他の重要な要
素は、開口数が０．５以上、好ましくは０．８以上で可
及的１．０に近く、かつ受光面が円弧状のテーパーコン
ジットを使用する点にある。市販の光ファイバーやテー
パーコンジットの開口数は一般に０．３〜０．４程度
で、端面が平面であるため受光面の横方向から来る光は
ほとんど受光できない。しかるに実施例で示すように最
近開口数が０．５以上、更には０．８以上で可及的に
１．０に近いものが軽量・安価な製品として提供される
様になったので、顧客側で簡単に設置利用できる太陽光
採光利用装置を提供することを具体的目標として設定し
た。

【００１０】

【課題を解決する為の手段】本発明の太陽光採光装置の
構成は、錐状の集光部の内面を鏡面とし、該錐状筒の内
部に、鏡面板、リニアフレネル板、プリズム、透明錐状
物のうちのいずれかを装備し、錐状筒の頂点付近に開口
数が０．５以上の受光素子を設置し、該受光素子に光フ
ァイバーを接続したもので構成し、上記構成部品を含む
採光装置全体を固定設置して使用することを要旨とする
ものである。

【００１１】また受光面が円弧状に盛上った形状の受光
素子が発明され、光学素子として実用の見通しとなっ
た。本発明ではこの新方式の受光素子に光ファイバー束
を接続したものを錐体の頂点付近に設置することによ
り、集光した太陽光の大部分を光ファイバーに導光する
ことに成功したものである。

【００１２】

【作用】本発明で選定した錐状筒の集光部と、後部に光
ファイバー束を接続した受光素子を組合わせて成る太陽
光採光装置の構造と作用の詳細について以下に説明す
る。図１において、採光装置外箱１は例えばプラスチッ
ク製等の軽量の函体を本体とし、その前面にフレネルレ
ンズ２を装着している。

【００１３】ホルダー３の内部には受光素子と光ファイ
バーの接続部が収納されているが、ホルダー３は、これ
らを保護しかつ採光装置外箱１に装着するためのもので
あり、一般に金属製であることが望ましい。保護管４は
内部の光ファイバー束を保護するためのゴム管、軟質プ
ラスチック管または金属らせん管等の管体で、導光先の
室内の放光部（図示せず）に接続されている。

【００１４】採光装置の内部構造の一例を図２に示す。
錐状または椀状の筒５は内面を鏡面仕上げしたステンレ
ス鋼製を用いて図示の如く断面が放物線を描く４枚の板
で４角錐を形成している。これらの放物線の焦点はフレ
ネルレンズ２の中心線上で且つ該フレネルレンズから錐
状筒の頂部方向に向けて２８８ｍｍの位置に設置し、こ
こに受光素子６の受光面を設置している。

【００１５】受光素子６は、浜松ホトニクス（株）製の
ファイバ・オプテイクプレートを使用した。これは直径
６〜２５μｍの光ファイバーを融着した光学素子で、下
側を細く引伸ばしており、上面から入射した光が下面の
小さい断面積中に集合できるようになっている。

【００１６】受光素子６は、その受光面直径が３０ｍｍ
で中央部が盛上がった弧状をなしている。尚受光素子６
の下面は直径５ｍｍで、光ファイバー束７を接続した。
本実施例では光ファイバーとして直径５０μｍの多成分
系ガラスファイバーを直径５ｍｍに束ねたものを使用し
た。

【００１７】四角錐８は光学ガラス製で、本実施例では
底辺５０×５０ｍｍ，高さ５０ｍｍのものを２個、図２
のように四角錐８の中心線をフレネルレンズ２の中心線
に一致させて配置した。プリズム９は光学ガラス製で、
本実施例では断面が１辺３０ｍｍの断面正三角形を示す
棒状体を４個用い、夫々の１面ずつが光学素子６に対し
垂直で且つ光学素子６を取囲むように、錐状筒５の各内
面に取付けた。

【００１８】脚１０には、架台（図示せず）を介して本
採光装置を建物の屋根、屋上等に取付けるためのボルト
孔２０が形成され、架台形状とボルト長さの選定によ
り、フレネルレンズ２が本採光装置を設置するそれぞれ
の場所に最適の方位及び傾角で取付けることができる。

【００１９】図２においてフレネルレンズ２を透過した
太陽光のうち四角錐８の底面に照射したものはフレネル
レンズ２と受光素子６を結ぶ中心線の方向に屈折し、ほ
ぼ直接受光素子６に到達する。四角錐８の底面を外れた
照射光のうちプリズム９に直接照射された光は、屈折と
反射により側面から受光素子６に到達する。上記以外の
大部分の照射光は錐状筒５の内面で反射後、四角錐８ま
たはプリズム９の側面で反射した後、受光素子６に到達
する。尚錐状筒５で再反射した後、プリズム９に到達す
る光もある。

【００２０】可視光線はフレネルレンズ２の透過、並び
に錐状筒５内面、四角錐８、プリズム９等での反射また
は透過の度に約１０％の吸収損失を生じるが、フレネル
レンズ２の中心線から上下左右各４５°以内で照射する
太陽光の約２０〜３５％は受光素子に到着するので、フ
レネルレンズ２に対しどのような角度から太陽光線が照
射されても、装置内のいずれかの各部に太陽光線が集中
して当該部位で異常昇温を起こす危険性はない。

【００２１】図３は２つの採光装置を組合わせて配置し
たものであり、図１と同じ構成のフレネルレンズ２を、
梁材１５を介して２枚、交差角１２０°で設置すると共
に、錐状筒５の代りに側面が平面である四角錐筒５’を
２個くっつけた形状とした。また該２個の四角錐５’の
頂点よりやや内側に受光素子６を１個設置した。

【００２２】また、図３では各四角錐筒５’の内部構造
物として反射フィルム１１を筒状に各３個フレネルレン
ズ２の中心線上に同軸的に設置した。反射フィルム１１
はポリカーボネート製で、片面に微細な山形溝を形成し
ているＳＯＬＦ（商品名：スリーエム社製）を使用し、
図３において各輪状の内面を平滑面とし、外面の山形溝
を縦方向にとった。このフィルムは平滑面側から光を照
射すると、照射角度にもよるがその大部分を全反射す
る。また山形溝面側からの照射光は主としてフィルム面
の左右両側に分散透過する。

【００２３】したがって図３において輪状の反射フィル
ム１１の内面に照射した光線は反射フィルム１１内面で
の反射を繰返しつつ受光素子６に到達する。反射フィル
ム１１の外面に照射した光線は照射角によって反射フィ
ルム１１の内面に透過するものや、反射して四角錐筒
５’内面との間で反射を繰返した後、受光素子６に到達
するものや、反射角によってはフレネルレンズ２方向に
放出するもの等が生じる。反射フィルム１１や四角錐筒
５’内面への吸収損失もあり、フレネルレンズ２の中心
線から上下左右約４５°以内の角度から照射された太陽
光のうち１０〜３０％程度が受光素子６に到達する。図
３の装置では２枚のフレネルレンズ２を１２０°の角度
で設置しているので朝から夕方までほぼ終日に亘って太
陽光を採光することができる。

【００２４】本発明によれば装置構造が非常に簡素であ
るので安価な太陽光採光装置を提供することができる
が、反面コスト構成に占める受光素子および光ファイバ
ー束の比率が、従来の太陽光採光装置に比してはるかに
大きくなる。その点図３に例示した様に複数個の四角錐
筒５’で集光した太陽光を１個の受光素子６に導くもの
では、高価な受光素子および光ファイバー束を最大限に
有効活用することになるためコスト面で非常に有利なも
のとなる。

【００２５】なお、図３では四角錐筒の内部に反射フィ
ルム１１製の筒を組合せたものを使用しているが、前記
した実施例１（図４）で示した四角錐とプリズムの組合
せ、或は実施例２（図５）で示したリニアフレネル板と
四角錐体の組合せを使用することができ、それらの場合
においてもほぼ同程度の効果をあげることができる。

【００２６】尚本発明の装置においてはいずれの内部構
造の場合でも受光素子６の受光面の１点に入射光を集中
させるという訳ではなく、受光面全体に入射光が分散し
て到達する。また受光素子６の中心線に対し横方向の大
きい角度で入射する光線がかなり存在する。したがって
本発明が高効率で実用化されるためには受光面の直径が
比較的大きく、開口数が１に近い受光素子の存在が必要
欠くべからざるものであると言える。

【００２７】本発明の装置によれば、錐状筒の入口面に
対して垂直でない方向からの照射光も垂直方向からの照
射光とほぼ同様に受光できるので、晴天時以外であって
も全天空光の半量程度を占める散乱光が多く集光でき
る。したがって従来の太陽追尾方式の採光装置では曇天
時には全く効を奏しないのに対し、本装置では曇天時は
曇天時なりの受光が可能である。

【００２８】なお実施例を含め錐状筒５としてはいずれ
も正四角錐のものを示したが、太陽光採光部分（フレネ
ルレンズ２）の形状を円、三角、六角等適宜選定するこ
とに対応し、錐状筒５も円錐、三角錐、四角錐等の形状
をとることができる。

【００２９】

【実施例】

［実施例１］図４に縦断面を示したように錐状筒５とし
て、底面開口部（図４の左側）が一辺２６６ｍｍの正方
形で、底面から頂点（図４の右側）の受光素子取付部ま
での長さ２９６ｍｍの四角錐状の筒をステンレス鋼板で
製作し、内面を鏡面仕上し、脚１０を取付けた。

【００３０】錐状筒５の内部には、底面が一辺５０ｍ
ｍ，高さ３０ｍｍの光学ガラス製の四角錐８を錐状筒軸
上に設置し、四面の錐体内面から細いステンレス鋼棒
（図示せず）を伸ばして固定した。また錐状筒５の４つ
の内面それぞれに各１個の光学ガラス製のプリズム９を
設置した。これらのプリズム９は底辺７０ｍｍ、高さ３
６ｍｍで、長さ方向に相互にぶつかる個所は斜めに切断
し接着した。

【００３１】錐状筒５の底面開口部には、外寸２７９ｍ
ｍ×２７９ｍｍ，有効寸法２６６ｍｍ×２６６ｍｍ，焦
点距離３１８ｍｍ，厚さ約３ｍｍのアクリル樹脂製のフ
レネルレンズ２を装着した。錐状筒５の頂点部分に、直
径約３０ｍｍで中央部が盛上がった弧状の受光素子６を
装着した。受光素子６の後端は直径５ｍｍで、直径５０
μｍの多成分系ガラスファイバーを直径５０ｍｍに束ね
た光ファイバー束７を接続している。

【００３２】図４ではフレネルレンズ２の前面に対し
て、錐状筒５の中心軸より下側１０°（１点鎖線）、３
０°（破線）、４５°（実線）の各方向より太陽光が入
射した場合の、錐状筒５内部での各光線の照射方向を示
した。中心軸に対し上下左右に対称の構造であるので、
太陽光が錐状筒５の中心軸より上方から、或は左右（図
の手前と後方）から照射した場合も光線は同じ（対称）
挙動を示す。

【００３３】図４より、錐状筒５の中心軸より±４５°
以内の範囲で照射された光はその半分以上が受光素子６
に到達することがわかる。フレネルレンズを含め、３〜
６回の屈折、反射を繰返した後、受光素子６に到達する
が、透過、反射の度に約１０％の損失があるので、受光
素子６に到達する実際の光量は、フレネルレンズ２面の
受光量の約２５〜３５％であった。

【００３４】［実施例２］図５に縦断面を示したよう
に、錐状筒５として、底面開口部（図５の左側）が一辺
３００ｍｍの正方形で、底面から頂点（図５の右側）の
受光素子取付部までの長さ４１２ｍｍの四角錐状の筒を
ステンレス鋼板で製作し、内面を鏡面仕上げし、脚１０
を取付けた。図５の場合は、水平面に設置したときに錐
状筒５の中心軸と水平面とのなす角が４０°になるよう
に長い脚１０を用いた。

【００３５】錐状筒５の内部には、底面が一辺３０ｍ
ｍ、高さ３２ｍｍの光学ガラス製の四角錐８を錐状筒５
の中心軸上に設置し、四角の錐体内面から細いステンレ
ス鋼棒（図示せず）を伸ばして固定した。

【００３６】厚さ２ｍｍのアクリル樹脂製リニアフレネ
ル板で、断面の底部角４０°、頂角１００°のリニアフ
レネル四角錐１３を作成し、図５に示すように錐状筒５
の開口部に装着した。このためのリニアフレネル板はフ
レネル角３２．５°溝幅１ｍｍの片面フレネル板を用い
た。

【００３７】別に、厚さ２ｍｍ，フレネル角１０°，溝
幅１ｍｍのアクリル樹脂製両面リニアフレネル板を十字
形に組合せたリニアフレネル十字板１４を作成し、十字
形の交線が錐状筒５の中心軸上にあり、各十字板の端面
が、リニアフレネル四角錐１３の各面および錐状筒５の
内部四面に接するように装着した。リニアフレネル四角
錐１３とリニアフレネル十字板１４の形状および位置関
係を図６に示す。

【００３８】錐状筒５の開口部には、赤外線吸収物質を
練り込んだ厚さ２ｍｍのアクリル樹脂板１２を装着し
た。錐状筒５の頂点部分に、実施例１と同じ受光素子６
を装着した。図５ではアクリル樹脂板１２の前面に、錐
状筒５の中心軸より下側０°（２点鎖線）、１５°（１
点鎖線）、３０°（破線）、４５°（実線）の各方向よ
り太陽光が入射した場合の、錐状筒５の内部での各光線
の照射方向を示した。これにより錐状筒５の中心軸より
±４５°以内の範囲で照射した光線の約半分が受光素子
６に到達することがわかる。透過、反射の損失があり、
前面のアクリル樹脂板１２を透過した光量の約２０〜３
０％であった。

【００３９】

【発明の効果】本発明の太陽光採光利用装置は上記の様
に構成されているので、複雑高価な追尾装置や駆動部分
なしに太陽光を光ファイバーに導入できることとなっ
た。また装置がコンパクト・軽量かつ安価であり、顧客
側で簡単に利用できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の採光装置の外観図。

【図２】採光装置の内部構造の一般例を示す縦断面図。

【図３】錐体を２連結合した場合の構成例を示す横断面
図。

【図４】実施例１の採光装置の縦断面図。

【図５】実施例２の採光装置の縦断面図。

【図６】実施例２の採光装置の内部構造を示す透視図。

【符号の説明】

１ 採光装置外箱 ２ フレネルレンズ ３ ホルダー ４ 保護管 ５ 錐状または椀状筒 ５ 四角錐筒 ６ 受光素子 ７ 光ファイバー束 ８ 四角錐 ９ プリズム １０ 脚 １１ 反射フィルム １２ アクリル樹脂板 １３ リニアフレネル四角錐 １４ リニアフレネル十字板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円錐または角錐の錐状または椀状の筒を
   集光部材としてその内面を鏡面加工し、前記錐状または
   椀状の筒の内部に、鏡面板、リニアフレネル板、プリズ
   ム、透明錐状物のうちのいずれかを装備すると共に、前
   記筒の頂点付近に、開口数が０．５以上の受光素子を設
   置し、且つ該受光素子に光ファイバーを接続したもので
   あることを特徴とする固定型太陽光採光装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の錐状筒を複数個並列
   し、錐状筒の頂点を１カ所にまとめ、その付近に１個の
   受光素子を設置することにより、複数個の錐状筒で集め
   た太陽光を１個の受光素子に導く様に構成したことを特
   徴とする固定型太陽光採光装置。