JPH0743534A - 太陽光集光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】太陽光集光装置の伝送効率向上。 【構成】太陽光集光装置において、伝送路として光ファ
イバを用い、この光ファイバとしてコアに液体３を用
い、クラッドにプラスチックパイプ２を用いた液体コア
光ファイバ１を使用したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は太陽光集光伝送装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光集光伝送装置は太陽光を集光する
集光部と集光した太陽光を所定の場所に伝送する伝送部
と伝送した太陽光を照射する出射部とからなる。太陽光
集光部は凹ミラーあるいはレンズなどの光学系と、この
ミラーやレンズを常に太陽光に面するように制御する駆
動系からなる。伝送部は、管の内部を高効率反射面にし
て管内部を反射させて伝送する光ダクトや、光ファイバ
が用いられている。

【０００３】光ダクトはミラーを箱状に組み立てたもの
や管の内部を鏡面にしたものが用いられている。ミラー
反射は１回反射するごとに光の吸収や散乱による光の損
失が起きるため伝送効率が悪く、長距離伝送には適さな
い。また、ダクトは大きな場所を必要とするため伝送す
る場所の制限を受ける。さらに一度敷設すると容易には
変更が困難であるという問題があった。

【０００４】一方、光ファイバを伝送路に用いた場合
は、伝送効率がよく、施設の場所も小さいため任意の場
所に配線でき、配線の変更も容易であるため、広く用い
られている。太陽光集光装置に用いられている光ファイ
バは、集光した太陽光を効率良く取り込む必要がある。
太陽は有限の大きさを有するため、集光した太陽像は点
にはならずある有限の大きさを持つ。集光した太陽光の
集光径（太陽像径）は集光するミラーまたはレンズの焦
点距離で表される。その計算式を式（１）に示す。

【０００５】ｄ＝０．００９３×ｆ・・・(1) ｆ：ミラーまたはレンズ焦点距離 ｄ：太陽像直径

【０００６】式（１）より焦点距離３００ｍｍ、直径３
００ｍｍのレンズを使用したときの太陽像直径は約２．
８ｍｍとなる。実際にはレンズ収差、レンズの成形誤差
などがあるため太陽像は計算値よりぼやけて３〜４ｍｍ
となる。この集光した太陽光を全て光ファイバに取り込
むためにはコア径３〜４ｍｍを有する光ファイバが必要
となる。従来、光ファイバはガラスでできており、光フ
ァイバの強度、可撓性などの制限からコア径は最大１ｍ
ｍ程度が限界である。

【０００７】そのため図３に示すように、光ファイバ６
を何本か束ねて、束ねた径を３〜４ｍｍにすることによ
り、太陽光を取り込んでいる。その概要を図３に示す。
今後太陽光集光面積の大きな集光装置が開発されると予
想され、集光径の大型化に伴って太陽像の直径も大きく
なると考えられる。現在よりも大きな集光径になると、
光ファイバを束ねる方法はファイバ本数が大幅に増加し
コスト高になることと、ファイバ加工が困難になるとい
う問題があった。また、多くの光ファイバを束ねたもの
は、ファイバ入射端の加工精度が悪い、ファイバとファ
イバの間が隙間となりその部分は光を取り込むことがで
きない、クラッド部分は太陽光を取り込むことができな
い、等問題があり、効率が低下する原因となっていた。

【０００８】たとえば、コア径０．２０ｍｍ、クラッド
径０．２２ｍｍの光ファイバを４００本束ね、外径５．
０ｍｍの集束ファイバを用いた場合のコアの占有面積比
率は６４％であり、太陽光が光ファイバに取り込まれる
効率は最大６４％にしかならない。実際には、１本１本
のファイバの加工による効率低下が有り、さらに低下す
る。このように、ファイバを束ねる方式では効率の低下
が起きることが問題とされていた。今後、集光装置の大
型化にも効率良く対応できる光ファイバが要求されてい
る。

【０００９】太陽光をファイバに取り込む効率を向上さ
せるための検討をファイバを束ねる方式で行ったが、フ
ァイバを束ねる方式ではファイバ間の隙間、ファイバの
クラッドなどがあるためコアの面積占有比率は低く、効
率は向上することが難しいことが分かった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】太陽光集光装置におい
て集光した太陽像を光ファイバの中に取り込む効率が低
いため、この効率を向上させることが課題であった。さ
らには、今後の集光装置の大型化を行っても効率が低下
しないことが課題であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決しようとするものであり、太陽光を集光し、集光した
光を所定の場所に伝送して照射する太陽光集光伝送装置
において、コアが液体から成り、クラッドがプラスチッ
クから成る光ファイバを伝送路に用いたことを特徴とす
る太陽光集光伝送装置を提供するものである。

【００１２】本発明においては、上記の効率を向上させ
ることを検討した結果、太陽光を全て取り込むためには
太陽像より大きなコア径を有する光ファイバを使用する
ことが不可欠であり、コア径が十分大きく、可撓性に優
れた光ファイバとしては、コアに液体を用い、クラッド
にプラスチックパイプを用いた液体コア光ファイバを使
用することが最もよいとの結論に至った。

【００１３】光ファイバの材料としてコアに固体を用い
る限り、可撓性を有するコア径の大きな光ファイバは得
られない。ガラスなどの無機物固体を用いた場合最大１
ｍｍ程度であり、十分な可撓性が得られない。プラスチ
ックを用いた場合でも最大２〜３ｍｍ程度であり十分な
コア径を得ることができない。

【００１４】可撓性を得るためにはコアに液体または気
体を採用することが望ましい。光ファイバのコアの屈折
率はクラッドの屈折率より大きいことが必要であり、気
体の屈折率は小さいことから、コア材料としては液体が
望ましい。

【００１５】透明な液体を透明なプラスチックのパイプ
（チューブ）に充填し、両端に透明な栓を施し、コア液
体の屈折率をクラッドパイプの屈折率より大きくするこ
とにより光ファイバが得られる。コアの液体は透明であ
れば特に材料を限定しないが、沸点が高く常温での蒸気
圧が高い、難燃性である、耐熱性に優れる、屈折率が大
きい、毒性がないなどの特性が望ましい。耐熱性は８０
℃以上が必要であり、望ましくは１５０℃以上である。
屈折率はクラッド材の屈折率によるが、１．４以上が望
ましい。

【００１６】コア材料として水、有機溶剤、有機物のプ
レポリマー等が挙げられる。水は難燃性、耐熱性に優
れ、毒性がないなど良い特性を有するが、屈折率が１．
３３と低いことが難点である。そのため、添加剤を加え
て屈折率を高くすることが必要である。添加剤として
は、塩化ナトリウム、塩化カルシウムなど透明性を損な
わず屈折率を上昇させるものが望ましい。

【００１７】有機溶剤は透明性に優れた物が多いが、難
燃性、毒性、屈折率を考慮するとエチレングリコールが
望ましい。プレポリマーとしては、シリコーンオイル、
シリコーンゴムの低重合物などがある。

【００１８】クラッド材としては、低屈折率で透明なプ
ラスチックが望ましく、屈折率は望ましくは１．３８以
下である。適する材料としては、ＦＥＰ、ＰＦＡなどの
フッ素樹脂が挙げられる。ＦＥＰ、ＰＦＡは結晶化のた
めやや透明性が劣るが、最近ではテフロンＡＦ（デュポ
ン社製品）、サイトップ（旭硝子社製品）などのアモル
ファスのフッ素樹脂が開発されており、屈折率が１．２
９〜１．３３と低く、透明性も優れている。

【００１９】コアに液体を用い、クラッドにプラスチッ
クパイプを用いた液体コア光ファイバは大口径が可能で
あり、安価に製造できる利点がある。太陽光集光装置で
集光した太陽像より十分大きなコアを有する光ファイバ
を使用することが可能である。コア径としては、パイプ
の可とう性が得られる大きさまで可能であり、コア径５
０ｍｍ以上のファイバが製作可能である。この光ファイ
バを用いた場合、太陽像が５０ｍｍまで効率よく太陽光
を取り込むことができ、その時のレンズあるいはミラー
の集光径は５ｍにもなり、超大型の集光装置に対応する
ことが可能である。この液体コアファイバを使用した場
合には、太陽光は全て取り込むことができ、反射による
損失を除くと効率は１００％になる。

【００２０】

【作用】図１に本発明の概要を示す。太陽光を集光装置
のレンズ７で集光し、大口径の液体コアファイバ１に取
り込む。従来は図３に示すように細径ファイバ６を束ね
て使用したので取り込む効率が低下していたが、液体コ
アファイバは大口径化が容易であり、１００％の太陽光
を取り入れることが可能である。図２には液体コアファ
イバの概要を示した。クラッドとなる透明パイプ２の中
に透明液体３を充填して、両端を透明栓４で封止するこ
とにより液体コアファイバが得られる。

【００２１】

【実施例】

［実施例１］直径５００ｍｍ、焦点距離５００ｍｍのフ
レネルレンズを用いて太陽光集光装置を作成した。集光
レンズは水平方向、垂直方向を追尾センサーと駆動モー
ターで制御し、常に太陽の方向を正確に向くようにし
た。使用した液体コア光ファイバは、外径１０ｍｍ、内
径８ｍｍ、長さ１０ｍのＦＥＰパイプ（屈折率１．３
３）をクラッドに用い、高純度のエチレングリコール
（屈折率１．４３）を充填した。チューブの両端には液
体の封止のための栓として、外径８．５ｍｍ、長さ３０
ｍｍの石英ガラスロッド（屈折率１．４６）を用い、パ
イプの両端にはめ込んだ。石英ロッドは両端を光学研磨
し、さらにＡＲコートを施し反射の低減を図ったものを
使用した。パイプ内部に気泡が無いのを確認したあと、
石英ロッドがパイプから抜けないように固定を行った。
この光ファイバは曲げ径５０ｍｍで曲げることができ、
十分な可撓性が得られた。

【００２２】集光装置のフレネルレンズの焦点位置に液
体コア光ファイバの入射端を固定し、集光した太陽光が
全て光ファイバ内に取り込めるようにした。フレネルレ
ンズで集光した集光太陽像の径は約７ｍｍであり、使用
した光ファイバのコア径が８ｍｍであることから、集光
した太陽光は全て光ファイバに取り込むことができ、取
り込み効率は１００％であった（石英ロッドの端面反
射、吸収を除く）。

【００２３】［実施例２］直径３００ｍｍ、焦点距離３
００ｍｍのフレネルレンズを用いて太陽光集光装置を作
成した。集光レンズは水平方向、垂直方向を追尾センサ
ーと駆動モーターで制御し、常に太陽の方向を正確に向
くようにした。使用した液体コア光ファイバは、外径８
ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ１０ｍのＰＦＡパイプ（屈折率
１．３３）をクラッドに用い、高純度のメチルフェニル
シリコーンオイル（信越化学製、屈折率１．４６）を充
填した。チューブの両端には液体の封止のための栓とし
て、外径６．５ｍｍ、長さ３０ｍｍの石英ガラスロッド
（屈折率１．４６）を用い、パイプの両端にはめ込ん
だ。石英ロッドは両端を光学研磨し、さらにＡＲコート
を施し反射の低減を図ったものを使用した。パイプ内部
に気泡が無いのを確認したあと、石英ロッドがパイプか
ら抜けないように固定を行った。この光ファイバは曲げ
径３０ｍｍで曲げることができ、十分な可撓性が得られ
た。

【００２４】集光装置のフレネルレンズの焦点位置に液
体コア光ファイバの入射端を固定し、集光した太陽光が
全て光ファイバ内に取り込めるようにした。フレネルレ
ンズで集光した集光太陽像の径は約５ｍｍであり、使用
した光ファイバのコア径が６ｍｍであることから、集光
した太陽光は全て光ファイバに取り込むことができ、取
り込み効率は１００％であった（石英ロッドの端面反
射、吸収を除く）。

【００２５】［比較例１］実施例１の場合において、液
体コア光ファイバの代わりに石英ファイバを使用した。
使用したファイバはコアにゲルマニウムを添加した石英
ガラス（屈折率１．４８）、クラッドに石英ガラス（屈
折率１．４６）で構成され、コア径０．２０ｍｍ、クラ
ッド径０．２２ｍｍのものを用いた。この光ファイバを
１０００本束ねて外径８ｍｍ、長さ１０ｍの集束ファイ
バに加工し、両端は光学研磨を行った。

【００２６】集光装置のフレネルレンズの焦点位置に集
束光ファイバの入射端を固定し、集光した太陽光が全て
光ファイバ内に取り込めるようにした。この集束ファイ
バのコア占有面積比率は６２．５％であった。そのため
太陽光の取り込み効率は６２．５％であった。

【００２７】

【発明の効果】コア径の大きな液体コア光ファイバを用
いることにより、レンズあるいはミラーで集光した太陽
光を全て光ファイバ内に取り込むことが可能となる。液
体コア光ファイバは安価に製造可能である。今後の集光
装置の大型化に十分対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】伝送路に液体コア光ファイバを用いた本発明の
太陽光集光伝送装置の概要図。

【図２】液体コア光ファイバの光軸を含む断面図。

【図３】細径コア光ファイバからなるケーブルを伝送路
として用いた従来技術の概要図。

【符号の説明】

１：液体コアファイバ ２：透明パイプ ３：透明液体 ４：透明栓 ５：細径コア光ファイバからなる伝送路 ６：細径ファイバ ７：集光レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽光を集光し、集光した光を所定の場所
   に伝送して照射する太陽光集光伝送装置において、コア
   が液体から成り、クラッドがプラスチックから成る光フ
   ァイバを伝送路に用いたことを特徴とする太陽光集光伝
   送装置。
2. 【請求項２】前記光ファイバのクラッドに屈折率１．４
   以下の非晶質フッ素樹脂パイプを用いたことを特徴とす
   る請求項１記載の太陽光集光伝送装置。