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【発明の名称】 太陽光採光装置
【発明者】 【氏名】井上 徳康

【氏名】橘高 薫

【氏名】秋月 伸隆
【要約】 【課題】本発明は、太陽位置検出器と反射板を電気的に位置合わせする手段や、太陽位置検出器と反射板の連動を電気的に制御する手段を省略し、しかも方位角回動、仰角傾動せしめる駆動源を各１個にし、その制御をより簡潔にして、信頼性の低い配線のシール部を無くすなど装置全体の信頼性を高め、装置の設置が容易で、かつ、装置全体を保護する為の透明ドームを省略した小型軽量の安価で安全性の高い太陽光採光装置を提供することを課題とする。

【解決手段】太陽位置検出器と反射板の方位角回動及び仰角傾動を、比較的簡単な機構で連動させ、さらにこれらの機構及び駆動部分を、一つのケース内へ収納して、反射板の後ろ側の小スペースに形成し、反射光を所望する一定方向へ常に指向せしめる制御を、機構的な連動で実現した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】仰角傾動及び方位角回動が自在な反射板と、太陽光を受けて太陽位置を検出する太陽位置検出器とを備え、検出信号に基づいて、前記反射板を仰角傾動及び方位角方向に回動させて、太陽光を所定の方向に反射せしめる太陽光採光装置において、前記反射板及び前記太陽位置検出器の仰角傾動及び方位角回動の駆動手段を一体構造とし、反射板の投影範囲内に配設せしめ、且つ、反射板部と装置固定部の間に配設せしめ、さらに前記太陽位置検出器の太陽位置を検出せしめる受光部を、反射板の一部切り欠き部分に位置せしめた構造を有してなる太陽光採光装置。
【請求項２】太陽光の反射光を、方位角方向回動中心軸の延長上の点又は方位角方向回動中心軸と平行に反射させ、方位角方向回動中心軸を任意の方向に傾けて、反射光を意図する方向に反射させる事を特徴とする請求項１に係る太陽光採光装置。
【請求項３】反射板と太陽位置検出器の迎角傾動の連動に、半径方向の比が２：１になるプーリーと歯付きベルトを使用する事を特徴とする請求項１に係る太陽光採光装置。
【請求項４】方位角方向回動中心軸の傾斜角度に応じて、カウンターウエイトの取り付け位置を変更する事を特徴とする請求項１に係る太陽光採光装置。
【請求項５】反射板を３分割以上の分割構造にして、一カ所に集光させる事を特徴とする太陽光採光装置。
【請求項６】太陽位置検出器を複数の分割構造にして、太陽光の光量を抑える為の減光部材を、分割した部材で挟み込む事を特徴とする太陽光採光装置。
【請求項７】太陽位置検出器の陰を作る部材の一部分又は全部分を反射面として利用する事を特徴とする太陽光採光装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、太陽光を反射して、所望の空間、例えば屋内や日照条件の悪い場所などに照射したり、太陽熱温水器や太陽電池などに照射させ、エネルギーの変換効率を向上させるための太陽光採光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から屋内や日照条件の悪い場所に太陽からの光を導く太陽光採光装置が知られている。このような太陽光採光装置として、例えば、特開平５−１２８５７５号、特開平８−１２２６２０号、特開平２−１９８４０５号、特開２０００−８２３０７号などに開示されたものが知られている。従来の技術では、反射板の方位角回動機構及び仰角傾動機構と、太陽位置検出器の方位角回動機構及び仰角傾動機構がそれぞれ独立して存在し、それらをコンピューター等で電気的に連動させる方法がとられている。そのため装置全体の構成は、反射板の投影範囲外に大きく張り出し、大型化する欠点があり、さらには強風対策が必要となるなどの問題を有する。
【０００３】さらに反射板の駆動と太陽位置検出器の駆動に最低４個の駆動源を必要とし、それぞれの駆動源を電気的に連動させるためには、最低４個の位置合わせセンサー（原点センサー）が必要になる。従って、その制御や受光面の反射板を回転させるための機構が複雑となり、それぞれの駆動部が位置ずれを起こさないように制御する手段も必要となる。
【０００４】さらに初期設置時、緯度、経度、標高、日時等をコンピューター化させて計算し、反射板の適正方向を設定するも、強風等で位置ずれを生じたり、電源が一旦ＯＦＦになりポジションを見失った時など、再設定を必要とする。
【０００５】また屋外で使用する太陽光採光装置には、防水構造が不可欠であるが、従来の技術では、装置全体を透明なドームで覆う構造が一般的である。ドームを使用しない場合は、回転部分のシールの他に、各駆動部や太陽位置検出器を接続する配線のシール部分が多数存在する。通常この種のシール部分は、シリコンシーラントやパテ等が使用されるが、シールが不完全になる作業ミスを誘発しやすく、また部品交換も困難になる欠点がある。
【０００６】太陽光を一カ所に集光する場合は、反射鏡を凹面鏡にして集光する事が一般的に考えられるが、精度の良い凹面鏡の製作は非常に困難である。また実現出来たとしても、装置全体の制御に問題が生じ、思わぬ場所へ集光した場合は発火事故もしくは、その光が目に入り最悪では失明事故などの危険性を伴う。従来技術では、この様な問題を生じない様に、２重３重の安全対策を取る必要があった。
【０００７】太陽位置検出器には、太陽の直射を受けるゆえ、１万ルクス以上に対応した専用の太陽センサーを使用するか、もしくは１００〜５００ルクス程度に対応した市販の光センサーにフィルターを装着し減光して使用しているが、個々のセンサーに独立したフィルターを装着するのが一般的である。その結果、構造が複雑になったり、部品の交換性が悪くなったり、検出器の位置精度が低下したり、検出器が高価になる欠点があった。
【０００８】太陽位置検出器に使用する光センサーは受光出来る視野が１０〜６０°と狭く、通常複数のセンサー（粗検出と微検出）の組み合わせや、時計と連動したプログラムにより、太陽位置を割り出す方法が一般的であった。その結果、制御が複雑になったり、信頼性が低下する欠点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、太陽位置検出器と反射板を電気的に位置合わせする手段や、太陽位置検出器と反射板の連動を電気的に制御する手段を省略し、しかも方位角回動、仰角傾動せしめる駆動源を各１個にし、その制御をより簡潔にして、信頼性の低い配線のシール部を無くすなど装置全体の信頼性を高め、装置の設置が容易で、かつ、装置全体を保護する為の透明ドームを省略した小型軽量の安価で安全性の高い太陽光採光装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】太陽位置検出器と反射板の方位角回動及び仰角傾動を、比較的簡単な機構で連動させ、さらにこれらの機構及び駆動部分を、一つのケース内へ収納して、反射板の後ろ側の小スペースに形成し、反射光を所望する一定方向へ常に指向せしめる制御を、機構的な連動で実現した。
【００１１】
【実施例】装置全体の構成を図１（側面断面図）及び図２（平面断面図）に示す。採光装置のシステム構成例（使用例）を図１１〜図１５に示す。採光装置は、太陽位置検出センサーにより検出された太陽位置に応じて、反射光を所望する一定方向へ常に指向せしめるように、反射板の角度を制御し保持することを目的とするものであり、装置の全体構成は、太陽光を反射させる反射板部、反射板部を保持する駆動部、太陽位置を検出する検出部、さらに全体を固設する固定部から成る。
【００１２】反射板部は、反射板１、反射板取り付け板２、上下一対の反射板補強スティ３、反射板保持アーム４、カウンターアーム５，カウンターウエイト６から構成される。反射板取り付け板２は反射板１に固設されているが、夫々が一体型でもよく形状も限定しない。反射板保持アーム４は、対で反射板取り付け板２に固設されている。
【００１３】駆動部は、駆動ケース７、駆動ケースカバー９によりケースを構成し、駆動ケース７の前方には、透明又は半透明のセンサーカバー８を配置する。駆動ケース７とセンサーカバー８と駆動ケースカバー９は一体となって固設され、シール構造を形成している。
【００１４】固定部は、既設の建造物の外壁等に固定する固定板１０、角度調節板１１、角度保持板１２、上アーム１３、下アーム１４から構成される。角度調節板１１と上アーム１３、下アーム１４は、ネジやボルトで固定されている。角度保持板１２と下アーム１４は、図４に示す様に、任意の位置で装置に角度を付けてネジやボルトで固定する事が出来る。
【００１５】センサーカバー８内部には、太陽位置検出センサー１５を有している。なお、太陽位置検出センサーの原理は、たとえば特開平７−１２８５７６にくわしく開示されているので、こちらを参照されたい。
【００１６】図２に示す駆動部には、駆動ケース７に保持されたベアリング１６を介し、両端を反射板保持アーム４に固定された水平軸１７と、図１に示す両端を上アーム１３及び下アーム１４に固定された垂直軸１８を配置する。従って水平軸１７を回転させることにより、反射板部を仰角方向へ自在に傾動し得る。一方、垂直軸１８を支点にして駆動ケース７を回動せさると、反射板部は、駆動部と共に方位角方向へ自在に回動し得る。
【００１７】図１、図２に於いて、駆動ケース７及び水平軸１７、垂直軸１８は、スリーブ１９に装着されたＯリング２０により防水構造を成している。スリーブ１９は駆動ケース７に固設されているが、駆動ケース７と一体でもよい。
【００１８】駆動ケース７に固設された水平軸駆動ユニットは、駆動モーター２１Ａを回転させると、歯車２２Ａ、ウオーム歯車２３Ａを介して水平軸１７に固定されたウォームホイール２４Ａを回転させ、水平軸１７と連結した反射板部を仰角方向に傾動せしめる。駆動ケース７に固設された垂直軸駆動ユニットは、駆動モーター２１Ｂを回転させると、同じ構成により、駆動ユニットに配設された駆動モーター２１Bが垂直軸１８に固定されたウォームホイール２４Ｂを回動し、駆動ケース７自体が垂直軸１８を支点に回動せしめる。即ち、反射板部と駆動部、さらに駆動部と一体せしめる検出部を方位角方向に回動せしめる。
【００１９】太陽位置センサー１５の信号は、配線（図示省略）により、図２に示す制御ユニット２９に伝えられる。制御ユニット２９からの駆動信号は、配線（図示省略）を通して、夫々駆動モーター２１Ａ，駆動モーター２１Ｂに伝達され、駆動モーター２１Ａ，駆動モーター２１Ｂを制御する。制御のフローチャートを図１６に示す。
【００２０】水平軸１７の回転運動は、図２に示す虫ネジ３１で固定された大プーリー３０を介し、歯付きベルト３２を介して、小プーリー３４に伝達され、小プーリー３４と固定されたセンサー固定ブラケット３５を連動させる。大プーリー３０と小プーリー３４の半径の比は２：１である。すなわち大プーリー３０の角度変化に対し、太陽位置センサー１５は２倍の角度変化を発生する。
【００２１】水平軸１７とセンサー固定ブラケット３５は、一対の連結板３６でベアリング３９を介して結合されている。連結板３６は、軸３７と軸３８で平行を保つ。軸３７は駆動ケース７に固定されている。また連結板３６には、ベルトテンショナー３３が装着され、歯付きベルト３２のたるみを吸収している。
【００２２】図３において、初期条件として、太陽光がＡの方向（水平方向）から入射した場合、反射光が垂直軸１８の下部延長方向、すなわちＢの方向（垂直方向）を向く様に反射板１を、下向き４５°に保持し、太陽位置検出センサー１５を水平に保持した状態で、図２に示す大プーリー３０の虫ネジ３１を固定する。
【００２３】Ｂの方向には、厳密には図１０に示す２通りの考え方がある。すなわち、垂直軸１８の延長上にあるＣ点に反射光の中心を合わせる方法と、垂直軸１８と完全に平行に反射光の中心を合わせる方法である。前者は、Ｃ点に於いて太陽位置が変化しても反射位置の中心が一点になるメリットがあるが、反面、遠く離れたＤ点に於いては、反射位置の中心が太陽位置の変化に対し大きな弧を描く。後者は、反射距離に関係無く反射板１と垂直軸１８の距離Ｌだけ、反射光の中心が弧を描く。前者は、あらかじめ反射させたい位置までの距離がはっきりしている場合や、採光装置を設置する現場で光軸調整を実施する場合に適している。後者は、反射させたい位置までの距離が不明な場合に、生産工場であらかじめ光軸調整を行って出荷する場合に適する。大量生産に於いては、例えば反射距離を１０ｍ以内に限定した場合は、Ｃ点を５ｍに設定すれば、大多数の実使用に於いて後者の調整方法よりも反射位置ズレが少ない良好な結果が得られると考えられる。
【００２４】図４に於いて、採光装置の固定部には、装置の上下方向の取付角度を変更する調整機構があり、装置全体を傾ける事が出来る。設置例として図３の状態をそのまま４５°上向きに設置した状態を示す。その結果４５°方向Ｅの入射光に対し、反射光はＦの方向すなわち垂直軸１８の方向になる。太陽位置が水平方向の場合は、太陽位置センサーが下方向に４５°回転し、反射板１は２２．５°回転する。この状態に於いても反射光はＦの方向を向く。つまり垂直軸１８の方向に反射する原理は、維持されている事になる。
【００２５】図４の上下方向の調整に対し、図５に於いて固定板１０を建物の外壁に固定する場合に、あらかじめ斜めに取り付けする事も出来る。装置全体を横方向に傾けると、反射光は傾斜した方向を向く。図４の上下方向調節と、図５の左右方向調節を組み合わせることにより、任意の方向に反射光を向ける事が出来る。
【００２６】図３に於いて、日本の緯度では日の出時の太陽高度０°から天頂までの９０°をカバー出来れば四季を通じて使用する事が出来る。この場合に必要な反射板１の角度は４５°から９０°の間で、可動範囲は４５°必要となる。（厳密には天頂の場合は、採光装置は使用出来なくなる。）反射板１の可動範囲が４５°の場合、カウンターアーム５の可動範囲も４５°になる。しかし、採光装置全体を図４の様に傾ける場合は、反射板１に必要な可動範囲が、図３の設置条件と異なる。すなわち、図４に於いて、垂直軸の傾きが４５°の場合、太陽高度０°の時、反射板１は、図４の位置から−２２．５°回転させた６７．５°になる。太陽が天頂の場合は、図４の位置から反射鏡を＋２２．５°回転させた１１２．５°になる。反射板１の回転角度が図３の場合よりも＋２２．５°シフトした結果、カウンターアーム５及びカウンターウエイト６が、上アーム１３と干渉する場合が発生する。そこで、カウンターアームを図４の様に２２．５°回転させた位置で、ボルト４０で固定すれば干渉を防止する事が出来る。Ｇの位置とＨの位置に目盛りを設ければ、Ｇの読みとり角度の半分の角度をＨの位置で設定し、カウンターアーム５を固定すれば、設置調整がより簡単に出来る。
【００２７】なお、以上の説明では、反射板1を正方形の平面型で形容しているが、反射板1は条件に応じて形状を変え、円形のものや、パラボラアンテナ型のように湾曲したものを用いることも可能であり、図１５に示す所望の空間へ太陽光を拡散させて広い範囲に直接、照射することも可能である。また太陽光を集光して一定の所定場所に照射することも可能である。
【００２８】パラボラアンテナ型の集光鏡を使用した場合には、光軸ズレや故障して動作不能になった場合に、想定外の場所に反射光が集光し、場合によっては発火事故の恐れがある。そこで図６に示す様に平面反射鏡１を３つ以上の複数の反射鏡１Ａ〜１Ｄに分割構造にして平面のまま集光すれば、発火点に達するほどの集光にはならず、かつ図１１〜１４に示す第二反射鏡を小さく出来るメリットがある。しかし図７に示す反射鏡を２分割構造にすると、２枚の反射鏡の取り付け角度ズレを生じた場合には、本来集光させなければならない中心線上から外れた位置に集光する場合がある。しかし中心線上に合わせる基準が無く、位置ズレの修正が難しい。反射鏡を図６の様に分割すると、反射面１Ｃ、１Ｄの反射光を基準に１Ａ、１Ｂの集光位置を調整すれば、位置ズレの無い調整が容易に出来る。なお反射鏡の分割は図６に示す３平面分割以外に、図６の反射鏡１Ｃもしくは１Ｄのどちらか一方を省略した切り欠き形状や、５平面、７平面や、図６の上下方向にも角度を付けた複数分割や、上下左右非対称な４分割、６分割なども考えられる。
【００２９】太陽位置センサーは、図８に示す分割構造で、遮光板１０１、減光部材１０６、遮光ベース１０２、受光素子１０３、プリント基板１０４、止めビス１０５から構成させる。遮光板ベース１０２には、４つの受光素子１０３を独立した部屋に区切るリブ１０２Ａがある。リブ１０２Ａは、遮光板１０１の下部と一致する位置に配置されている。減光部材１０６は１枚でも、複数枚のシートでも構わない。減光部材１０６を、遮光板１０１と遮光板ベース１０２のリブ１０２Ａで挟み込む事により、外部からの外乱光や、隣接する部屋からの外乱光の進入を完全にカットする事が出来る。また、遮光板ベース１０２には、プリント基板上に設置された受光素子１０３を周囲から抱きかかえて、正しい位置に保持することも可能である。
【００３０】図９に於いて、遮光板１０１の陰を作る為の部分の裏側には、平面又は湾曲面の反射面１０１Ａを形成し、横方向の太陽光を反射させて受光素子へ導く事が出来る。また垂直面１０１Ｂの表面を反射面にする事により傾斜方向からの太陽光を反射させて受光素子に導く事が出来る。この結果、受光素子単体の視野角度３０〜６０°を、約１８０°まで広げる事が可能になる。反射面は鏡面で無くても、つや消し黒色を除く白色や明るい色など反射率の高い表面を形成すれば、反射率に応じた作用が期待出来る。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項２、請求項３に記載の発明によって、駆動源や駆動機構を削減し、しかも比較的簡単な機構で有るがために装置全体の他の機構や制御を簡略化せしめ、装置の重要部分である駆動部と太陽位置検出器の一体化を可能とした。
【００３２】請求項１に記載の構成によれば、装置の重要部分を保護するための防水構造が容易に形成できる。さらに、保守・運転のための専門的知識及び保守・点検が不要であり設置場所に制限を受けることなく容易に設置でき、可搬性のある比較的軽量で信頼性のある安価な太陽光採光装置が提供できる。
【００３３】請求項２に記載の構成によれば、太陽位置センサーと反射板の連動に、高度な制御を用いることなく、単純な機構系の連動のみで、反射光を任意の方向に向ける事が出来る。また機械的に連動しているので、位置ずれの心配が無く、位置合わせセンサーを省略でき、シンプルで信頼性の高い装置が出来る。
【００３４】請求項３に記載の構成によれば、太陽の高度変化量に連動して、常に一定の方向へ反射光を向けることが出来る。さらに太陽位置検出器に独立した駆動手段を必要とせず安価な装置構成が可能になる。また機械的に連動しているので、位置ずれの心配が無く、位置合わせセンサーを省略でき、制御を単純化できる。歯付きベルトとプーリーを使用しなくても、プーリーとループ状の、摩擦駆動ベルト、ワイヤー、ひも、糸などでも実現可能であるが、長期使用を考慮すると、摩擦に頼った方法では、軸受け部の摩擦や、わずかな回転力などが生じた場合に、長期使用の誤差が累積して有害な位置ズレを生じる恐れがある。また、構成部品の摩耗によっても位置ズレを生じる。また歯付きベルト以外の素材を使用する場合は、ループの中に素材の伸びを吸収する為の引張スプリングを挿入する方法が一般的であるが、素材が伸びてスプリングが縮む現象は、すなわち位置ズレを生じている事になる。
【００３５】請求項４に記載の構成によれば、カウンターアームの可動範囲を必要最小限に出来、装置全体を小型化する事が出来る。
【００３６】請求項５に記載の構成によれば、反射光を集光して第二反射鏡を小さくする事が出来る。しかも平面鏡による集光なので、想定外の場所に集光した場合でも、発火事故等の危険性が低い。また反射鏡を分割構造にした場合は、加工性の悪いガラス鏡や樹脂鏡に切り欠き又は穴開け加工が不要になり生産性が向上するメリットも得られる。
【００３７】請求項６に記載の構成によれば、減光部材を分割構造で挟み込む事により、接着等の手段を用いる事無く、検出素子を独立した部屋に仕切る事が可能になり、外乱光の無い安定した検出を可能にする事が出来る。また、減光部材を一枚の部材から形成する事により、複数の検出素子に対し、等しい減光効果を与える事が出来る。
【００３８】請求項７に記載の構成によれば、本来の光検出素子の持つ検知可能エリアを飛躍的に拡大出来る。その結果、補助的な太陽位置粗検出装置などを用いなくても、おおざっぱに朝日方向に向いていれば、スムーズな太陽位置検出が可能になる。また、午前中雨天で午後から晴天などの場合でも、容易に午後からの太陽光導入が可能になる。
【出願人】 【識別番号】０００１３０７３２
【氏名又は名称】株式会社サンエス
【出願日】 平成１４年１月１８日（２００２．１．１８）
【代理人】
【公開番号】 特開２００３−２１７３２４（Ｐ２００３−２１７３２４Ａ）
【公開日】 平成１５年７月３１日（２００３．７．３１）
【出願番号】 特願２００２−１０１２５（Ｐ２００２−１０１２５）