非結像フレネルレンズと光ファイバによる太陽エネルギーの高密度集光・輸送技術の開発

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16656297
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 秋澤 淳 国立大学法人東京農工大学, 大学院・共生科学技術研究部, 助教授 (10272634)
• Keywords: 太陽集光 / 非結像フレネルレンズ / 光ファイバ / 光学的集光比 / 伝送損失

Research Abstract

光ファイバを用いた集光光学系の基本的構造を整理した.ファイバには直径3mmのプラスチックファイバを選択し,フレネルレンズは集光面積を大きくとれる平板型とした.レンズの大きさは光ファイバ受光角で制約されるが,大きくするほど許容入射半角が小さくなるとともに光学的効率が低下するため,許容入射半角を0.7゜,レンズ半径を69mmに設定した.それに基づき,幾何学的集光比1800倍の6角形非結像フレネルレンズを設計し光学シミュレーションによって解析した結果,レンズの光学的効率が80%,光学的集光比1400倍となることを得た.実際に製造したレンズをレーザー光を用いて効率を測定した結果,ほぼシミュレーション値が得られることを確認した.
また,集光による光強度をNDフィルタを複数はさんで弱め,光センサを用いて受光部における集光分布を測定した.その結果,受光部中心から離れるにしたがって急速に光強度が低下する一方,受光部の外側に集光光が漏れていることがわかった.そのため受光部で補足できるエネルギーは理論値の60%にとどまった.
さらにレンズと光ファイバを組み合わせた系の伝送性能を調べた.レーザー光を平行ビーム状に広げてレンズに入射し,受光部位置に光ファイバを設置してファイバ終端から出る光強度を測定した.その結果,光ファイバ入射面での損失が10%ほどあるが,5mまでのファイバ伝送性能はシミュレーションとほぼ一致することがわかった.なお,入射面の形状が凸状あるいは凹状の場合について光学シミュレーションを行ったところ,伝送効率が低下することが示された.この結果は,今回の入射面での損失が大きい理由としてファイバ端面が十分平面になっていないことを示唆している.