JPH06294941A

JPH06294941A - 太陽光導光装置

Info

Publication number: JPH06294941A
Application number: JP8093593A
Authority: JP
Inventors: Akira Adachi; 暁足立
Original assignee: Nippon Polyester Co Ltd
Current assignee: Nippon Polyester Co Ltd
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】固定式でありながら採光量を多く得ることの
できる太陽光導光装置を提供することを目的とする。【構成】複数枚のリニアフレネル板１と、前記リニア
フレネル板１の透過側に配置されたフレネルレンズ２
と、前記フレネルレンズ２の焦点付近に配置された受光
素子３とを有し、前記リニアフレネル板１が、受光する
時間帯または季節帯における太陽光入射角の時間または
季節による変化をより小さい変化角に変えるように、前
記フレネルレンズ２に対して傾斜配置されていることを
特徴とする。

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、複
雑、高価な追尾機構や駆動部分を持たず、固定方式によ
り太陽光を受光部に集導光する太陽光導光装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、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
使用してその採光を室内に導光し、照明として利用する
太陽光導光装置については、既に種々の機構からなる装
置が提案され、実用化されている。上記フレネルレンズ
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任意な場所に、
僅かな減衰を生じるだけで導光できるが、季節，時刻に
よって入射方向が変化する太陽直接光を、そのような断
面積の小さい光ファイバー束に導入させるために、光セ
ンサ，サーボモーター及び光センサから出力される信号
に基づいてサーボモータを制御するマイクロコンピュー
タ等を組合せた複雑かつ高価な追尾装置を受光部に付設
し、それにより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装置が必要で
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、固定したフレネ
ルレンズで太陽光を導光しようとすると、時刻とともに
フレネルレンズに対する太陽光の入射角が変化し、それ
に伴ってフレネルレンズによる太陽光の集光点もフレネ
ルレンズの焦点を通りフレネルレンズに平行な線上を移
動するため、限られた寸法の受光素子のフレネルレンズ
に対する位置が固定されているような場合では、フレネ
ルレンズで集光した太陽光が、ある時刻に受光素子面に
受光できても、時間を経ると集光位置が受光素子面から
外れてしまい、光ファイバーに導光できなくなるという
問題が生じることになる。

【０００４】例えば、焦点距離３１８ｍｍのフレネルレ
ンズと直径２５ｍｍの受光素子を組み合わせ、その受光
素子の受光面の中心をフレネルレンズの焦点位置に設置
した場合には、フレネルレンズの中心から見た受光素子
の視直径角は４．５゜となり、このようにフレネルレン
ズと受光素子を固定した場合は、太陽光は１８分間しか
受光できないことになる。

【０００５】これを解消するため、幅の広い受光素子を
使用すれば、固定方式での受光可能時間を１時間程度に
延長することができるが、経済的に製造可能な受光素子
の大きさには限度があるため、それ以上に受光可能時間
を広げようとすると、より焦点距離の短いフレネルレン
ズを使用しなければならず、その場合、受光素子の開口
角との関係からフレネルレンズの有効直径が小さくなっ
てしまい、結果として採光量が小くなるという問題が生
じることになる。

【０００６】本発明は以上のような従来の太陽光導光装
置の課題を考慮し、固定式でありながら採光量を多く得
ることのできる太陽光導光装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数枚のリニ
アフレネル板と、前記リニアフレネル板の透過側に配置
されたフレネルレンズと、前記フレネルレンズの焦点付
近に配置された受光素子とを有し、前記リニアフレネル
板が、受光する時間帯または季節帯における太陽光入射
角の時間または季節による変化をより小さい変化角に変
えるように、前記フレネルレンズに対して傾斜配置され
ている太陽光導光装置である。

【０００８】

【作用】本発明では、太陽光が複数のリニアフレネル板
を通るごとにその入射角に対応する透過角が集束されて
いき、フレネルレンズを介して受光素子に受光される。
それにより、フレネルレンズの入射側に設置するリニア
フレネル板のフレネル角、フレネルレンズに対する設置
角および設置枚数を選択することにより、１時間当たり
１５゜入射角が移動する太陽光を、これらの組合せリニ
アフレネル板の透過後、より小さい移動角に限定するこ
とができ、寸法が限られ設置位置が固定された受光素子
面上に、数時間導光させることが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を作用
とともに説明する。図１において、本実施例に使用する
リニアフレネル板１は、板厚２ｍｍ，溝幅１ｍｍ，フレ
ネル角２８．８゜のアクリル製片面フレネル板を使用し
た。しかし本発明に使用できるリニアフレネル板の構成
は図１に限らず、例えばフレネル角の異なるリニアフレ
ネル板を使用する場合には、それに適した設置角を選ぶ
ことにより同じ目的を充足することができる。

【００１０】上記リニアフレネル板１における入射角と
透過角との関係を図２に示し、表１にそのリニアフレネ
ル板１の屈折特性を示す。表１より、例えば平滑面Ｐ
（図２参照）に入射角θ₁ ＝６０°で入射した光線は、
フレネル面Ｆから透過角θ₂ ＝７５°で出ていくことが
わかる。また、光線の物理的性質から、上記とは逆に、
フレネル面Ｆに入射角θ₂ ＝７５°で入射した光線は、
平滑面Ｐから透過角θ₁＝６０°で出ていくこともしか
りである。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１に示す屈折特性を調べると、平滑面Ｐ
に対して０゜から３０゜の範囲で入射角θ₁ が変化して
も、フレネル面Ｆからの透過角θ₂ は４１．１゜から５
１．１゜、即ち１０゜しか変化しないことがわかる。こ
の関係を利用すれば、平滑面Ｐに対して９゜から３０゜
の範囲、即ち２時間の範囲の太陽光入射角の変化を１０
゜以内に納めることができる（集束させる）ように思え
るが、実際はリニアフレネル板１に対する入射角θ₁ が
小さくなりすぎてリニアフレネル板１表面での反射によ
る損失が大きいことと、リニアフレネル板１の面積に対
し sinθ分（平滑面Ｐから垂直の方向）の光しか入射さ
れないことにより、実用に供し難い。

【００１３】次に、表１において、３０゜より入射角θ
₁ の大きい、例えば入射角θ₁ ＝３０゜から４５゜の範
囲を狙うとすれば、入射角θ₁ の変化幅１５゜に対し、
透過角θ₂ の幅は５１．１゜〜６１．９゜となり、１
０．９度の幅で変化してしまうため集束効果が少ない。

【００１４】これに対し、フレネル面Ｆ側を入射面と
し、例えば入射角θ₂ が１１３．５゜（時刻ｔ₁ ）から
１３２．０゜（時刻ｔ₂ ）の１８．５゜の範囲を利用す
ると、透過角θ₁ の範囲を９５゜から１０５゜の１０゜
幅に収めることができる。しかも、入射角θ₂ が１３
２．０゜の際のフレネル傾斜面に対する入射角θ₂ は、
図３に示すように１９．２゜取ることができるため、表
面反射損失もかなり小さい。また、sin θ₂ ＝０．７４
３であるのでリニアフレネル面積に対する入射光量もか
なり大きく、実用に適する角度である。

【００１５】上記した入射角と透過角の関係を利用し、
図１に示すリニアフレネル板１を２枚用意し、図４に示
す配置で組合せると、入射角θi と透過角θ₀ との関係
は、表２の通りであり、垂直光に対し±１０゜、即ち２
０゜の振れ幅の光線の透過角θ₀ の振れ幅を６．７゜
に、また、±２０゜即ち４０゜の振れ幅の光線の透過角
θ₀ の振れ幅については１２．３゜の範囲内に収めるこ
とができる。同図において、各リニアフレネル板１ａ，
１ｂは、それぞれの一方端部が当接した状態で鋭角に配
置されており、上段のリニアフレネル板１ａは、フレネ
ル面Ｆを入射側として水平線から３０゜傾斜して配置さ
れ、下段のリニアフレネル板１ｂは、そのフレネル角の
傾斜を上段のリニアフレネル板１ａとは逆方向にして、
水平線から１０゜傾斜して配置されている。

【００１６】

【表２】

【００１７】ここで、焦点距離３１８ｍｍのフレネルレ
ンズと、その焦点位置に直径２５ｍｍの受光素子を組み
合わせた装置の前面（太陽光入射側）に、図４に示す２
枚のリニアフレネル板１ａ，１ｂからなる複層リニアフ
レネル板を配置することにより、そのフレネルレンズ平
面に対し８４．７゜〜９６．５゜の範囲、すなわち１
１．８゜の振れ幅の光線を受光素子面上に集光させるこ
とができるようになり、リニアフレネル板を使用しない
場合と比較して、太陽光受光可能時間を約２．６倍延長
させることが可能となる。

【００１８】以上説明した構成を用いて、リニアフレネ
ル板１の使用枚数を増やせば、非常に大きい振れ角度の
光線を小さい振れ角に収めることが可能となり、理論的
には朝から夕方まで１８０°天空上を移動する太陽光を
限られた直径の受光素子に導入することが可能となる。
しかしながら、リニアフレネル板１の組合せ枚数を増や
すと、リニアフレネル板１上での吸収および反射による
光線の損失が増え、また、リニアフレネル板１の製造精
度に起因するフレネルレンズ焦点径の拡大（ぼやけ）も
増えることになる。このため太陽光導光装置として複層
に構成するリニアフレネル板１の組み合わせ枚数は、実
用上２枚が最適である。

【００１９】［実施例１］上記した構成に従って、図５
に示すように、縦４２０×横４２０×厚さ２ｍｍからな
るアクリル製リニアフレネル板２枚１ａ，１ｂと、直径
３８１ｍｍ，厚さ４ｍｍ，焦点距離３１８ｍｍからなる
アクリル製フレネル凸レンズ（以下フレネルレンズと呼
ぶ）２と、受光面直径２５ｍｍからなる受光素子３とを
用いて受光装置Ａを製作した。この受光装置Ａを太陽光
の入射方向に固定すると、受光時間は、１日のうち６６
分間、年間で１７日間に留まる。このため、図６に示す
ように、上部が開口されている箱体５内にその受光装置
Ａを収納し、箱体５をＸ方向（東西方向）および／また
はＹ方向（南北方向）に回転できるよう調整機構Ｂを設
けた。

【００２０】すなわち、調整機構Ｂは、箱体５の側壁か
らＸ方向に突設された２本の回転軸５ａ（手前側のみ図
示）と、それらの回転軸５ａを回転可能に支持するフレ
ーム６と、そのフレーム６に取り付けられ、回転軸５ａ
を回転させるためのプーリ（図示しない）を内蔵した第
１の駆動装置７と、その第１の駆動装置７内のプーリを
回転させるためのエンドレスのワイヤ（図示しない）を
収納したケーブル８と、箱体５及びフレーム６を回転可
能に支持する架台８と、その架台８に取り付けられ、フ
レーム６をＸ方向に回転させるためのプーリ（図示しな
い）を内蔵した第２の駆動装置９と、その第２の駆動装
置９内のプーリを回転させるためのエンドレスのワイヤ
（図示しない）を収納したケーブル１０とから主として
構成されている。

【００２１】なお、上記ワイヤの他方端は建屋内まで延
長されてハンドル（図示しない）に連結されており、室
内から東西方向には１時間ごとに、南北方向には月２回
程度角度調整できるようにしている。なお、ワイヤを連
結した室内のハンドルには操作量を確認するための目盛
りを付しているが、晴天時には室内天井に設置した後述
する発光器が輝くことによっても最適調整点を確認する
ことができる。

【００２２】また、箱体５における受光装置Ａの出口端
は直径５ｍｍであるので、その出口端を、直径５０μｍ
の多成分ガラス製光ファイバーを直径５ｍｍになるよう
束ねた長さ１０ｍのライトガイド４（外面直径９ｍｍ軟
質塩ビ製）の一方端に接続し、さらにライトガイド４の
他方端は、建屋の室内天井に取付けた発光器と接続し
た。

【００２３】図７にその発光器の構成を示す。同図にお
いて、発光器１３は、ケース１４と、そのケース１４内
に収納され、外径１００ｍｍ，長さ９００ｍｍのアクリ
ル管１５の内面に発光フィルム１６（住友スリーエム
（株）製ＳＯＬＦ）を貼り付け、アクリル管１５の軸方
向に、アルミニウム製白色板１７を斜めに挿入してなる
発光部と、アクリル管１５の背面側に設けられ、アクリ
ル板の裏面にアルミ蒸着した断面放物線状の反射鏡１８
と、発光部１４表面を覆う９００ｍｍ×３２０ｍｍ×２
ｍｍの透明ポリカーボネート板１９とから構成されてい
る。これらの装置を使用し、冬期晴天時に太陽光導光装
置のフレネルレンズ２面を太陽光にほぼ垂直に向けて設
置した場合、室内暗所に設置した発光器１３のポリカー
ボネート板１９外面のすべての部分で３６０〜４２０ル
ックスの照度を得た。

【００２４】［実施例２］図８において、図１の構成の
３００×２４０×２ｍｍからなる４枚のアクリル製リニ
アフレネル板１ａと、３００×２２０×２ｍｍからなる
４枚のアクリル製リニアフレネル板１ｂと、外形寸法２
７９×２７９×２．４ｍｍからなる４枚のフレネルレン
ズ（有効寸法２６６×２６６ｍｍ，焦点距離１７８ｍ
ｍ）２と、受光面寸法６０×１５ｍｍからなる２個の受
光素子３とを用意し、まず、上記リニアフレネル板１
ａ，１ｂのフレネル面を入射側とし、かつ各リニアフレ
ネル板１ａ，１ｂにおけるフレネル角の傾斜を互いに逆
方向にして、リニアフレネル板１ａ，１ｂの一方端部を
当接させてそれぞれを鋭角に配置し、下段のリニアフレ
ネル板１ｂに対してその自由端を先端としてフレネルレ
ンズ２を鋭角に配置して導光部を構成し、次にフレネル
レンズ２の焦点が所定の範囲内に集中するようその導光
部を左右対称に配置し、その所定範囲内に１個の受光素
子３を配置して受光装置を構成し、さらにそのようにし
て構成した受光装置を、０゜→９０゜の垂直線を基準と
してもう１組対称に配置することにより、フレネルレン
ズ２が略円弧状に連続する太陽光導光装置を製作した。

【００２５】２０は上記太陽光導光装置を収納する収納
部材であり、長さ８２８×高さ４４０×幅３１４ｍｍに
構成され、その正面は略半円形をなす硬質塩化ビニル樹
脂板からなり、底面２１は板状の硬質塩化ビニル樹脂板
からなり、底面２１の両側には、厚さ１０ｍｍからなる
補強部材２２が取り付けられており、その補強部材２２
からは回転軸２３が水平方向に突設されている。また、
収納部材の上面および側面を帯状に連絡する部分は厚さ
２ｍｍの透明アクリル板２４で覆われている。このよう
な構成の太陽光導光装置の回転軸２３，２３を東西に設
置し、頂部をその日の太陽南中高度に向けて傾斜させる
ことにより、図８の太陽光集光経路に示すように、装置
を固定したままで３．３°（６時１３分）から１７６．
７°（１７時４７分）までのほぼ終日の太陽光を受光素
子３面に集光させ、光ファイバー製ライトガイド４を介
して建屋内に設けた発光器に導光することができる。な
お、その発光器の構成を、直径５０ｍｍ，長さ５００ｍ
ｍのアクリル管を使用した表面５００ｍｍ×１６０ｍｍ
の発光器で構成した場合は、３月上旬の晴天日に表面板
上で６８０〜１０５０ルックスの照度を得ることができ
た。

【００２６】また、図８に示したリニアフレネル板１
ａ，１ｂおよびフレネルレンズ２の設置角では、９時前
後と１５時前後の入射光が他の時刻よりやや少なくなる
が、設置角を変え、朝夕の入射時間を削減すると、日中
の入射光はより均一化することができる。また、図８に
示す太陽光導光装置では幅１５ｍｍの受光素子３を使用
しているので、傾角を変えずに入射しうる日数は最大１
８．７日である。このため実施例１の場合と同様に、回
転軸２３にそれを回転させるためのワイヤを付設して室
内で約２週間ごとにそのワイヤにより傾斜角を調節する
ように構成すれば、年間の太陽光を導光することができ
るようになる。

【００２７】なお、この調節回数は、受光素子３幅を拡
げることにより減らすこともできる。極端な場合、図８
に示す装置で、受光素子の幅を１５５ｍｍに拡大させる
と、太陽光導光装置の傾角を設置場所の緯度に合わせ固
定設置したままで年間の太陽光を導光することができ
る。しかしながら、受光素子３の幅を拡げることは、受
光素子のコストアップを招き、さらには光ファイバー径
も太くする必要が生じてくるため、コスト面を考慮した
場合好ましくない。

【００２８】また、上記実施例では、調整機構をプーリ
及び室内に導いたワイヤで構成したが、これに限らず、
箱体の傾斜角度を変えることができるものであれば任意
の装置を利用することができる。また、本発明の太陽光
導光装置は、上記実施例１では２枚のリニアフレネル板
で構成したが、これに限らず、それ以上の多層であって
もよい。

【００２９】また、本発明の太陽光導光装置は、上記実
施例２では４組のリニアフレネル板で構成したが、これ
に限らず、それ以上またはそれ以下であってもよい。ま
た、フレネルレンズは上記実施例２では連続的に円弧を
なすよう構成したが、これに限らず、不連続に円弧をな
すものであってもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明によれば、太陽光が複数のリニアフレネル板を通る
ごとにその入射角に対応する透過角が集束されていき、
フレネルレンズを介して受光素子に受光されるため、少
ない受光素子で効率の良い採光が可能となる。したがっ
て、これらの組合せリニアフレネル板を用いることによ
り、入射光を透過後、より小さい移動角に限定すること
ができ、寸法が限られ設置位置が固定された受光素子面
に対しても、導光時間を拡大させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るリニアフレネル板の構
成を示す斜視図である。

【図２】図１のリニアフレネル板における入射角と透過
角の関係を示す説明図である。

【図３】実施例におけるフレネル傾斜角と入射角の関係
を示す説明図である。

【図４】同実施例に係るリニアフレネル板の組み合わせ
配置を示す説明図である。

【図５】実施例１の太陽光導光装置の構成図である。

【図６】同実施例に係る調整機構付き太陽光導光装置の
構成図である。

【図７】同実施例に係る発光器の構成を示す斜視図であ
る。

【図８】実施例２の太陽光導光装置の構成を示す断面図
である。

【符号の説明】

１リニアフレネル板２フレネルレンズ３受光素子４ライトガイド５箱体６フレーム７第１の駆動装置８ケーブル９第２の駆動装置１０ケーブル１３発光器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数枚のリニアフレネル板と、前記リニ
アフレネル板の透過側に配置されたフレネルレンズと、
前記フレネルレンズの焦点付近に配置された受光素子と
を有し、前記リニアフレネル板が、受光する時間帯また
は季節帯における太陽光入射角の時間または季節による
変化をより小さい変化角に変えるように、前記フレネル
レンズに対して傾斜配置されていることを特徴とする太
陽光導光装置。