JP2820717B2 - 太陽自動追尾反射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は太陽光の反射装置に関し、太陽の位置（季節
と時間において）及び設置場所の如何に拘わらず正反射
を受ける如き反射装置に関する。

（ロ）従来技術と発明の目的 地球は太陽に対し楕円軌道で公転しそして地球の地軸
が約23.5゜傾いて自転しているので、地球上の一点から
見た太陽の位置は季節的にまた時間的に絶えず変位して
いる。そこで従来地球上の一点からの太陽の自動追尾の
方法としては、太陽光に対するセンサ方式と太陽に対す
る地球の動きを計算するプログラム方式の二方法が取ら
れている。

然しながらセンサ方式は複数の光センサにより反射鏡
又は集光装置を最適位置にセットするものではあるが、
光センサ相互のバラツキや温度変化或いは建物の外壁か
らの反射光等により安定性が損はれる欠点がある。

又プログラム方式では、太陽の運行データは予め判明
しているので理論的にはセンサ方式よりも安定性は高い
のであるが、装置を設置する場所によりプログラムの変
更が必要となり、又精度を高める為には非常に多数のデ
ータをメモリーに記憶させなければならない等の不具合
がある。

本発明は上記センサ方式とプログラム方式を組合せる
ことによって、装置の構成を複雑なものとすることなく
任意の設置場所で一年を通じて夫々の日・時間において
太陽に相対し、その反射光を一定箇所に照射させる如き
太陽の自動追尾反射装置を提供することを目的とするも
のである。

（ハ）発明の構成 地球に対する太陽の位置を、地球を自転する定点とし
太陽がその回りを回転するものとして図示すれば第２図
のようになる。当図においてｅは地球上の目的の箇所、
ｈは水平線、ｓは夏至の太陽軌道、v1・v2は春分と秋分
の太陽軌道、ｗは冬至の太陽軌道である。太陽はその地
点の子午線を中心として東から出て西に没むが、太陽の
季節による水平線ｈへの入射角度（南中時における太陽
高度）即ち日南中高度を見ると、例えば我国の北緯35.6
6度・東経139.74度に位置する旧東京天文台における日
南中高度は第３図示す如き角度となる。本図でＡ線は冬
至（12月22日）、Ｂ線は秋分（９月23日）、Ｃ線は春分
（３月22日）、Ｄ線は夏至（６月21日）の太陽位置高度
である。図の夫々の日南中高度（水平線ｈからの角度）
は理科年表に掲載される平成元年の値である。そしてこ
の値は北緯35.66度の値であるので、緯度が35.66度より
１度高い地点においては上記の夫々の節気に対する日南
中高度の値は１度づつ低い値となる。即ち「緯度＋日南
中高度」の値は同一日時ならば一定である。

回動する極軸（太陽光線の照射方向に追尾して回動す
る太陽光線の反射鏡の回動軸）に対し傾斜する方向に揺
動自在に取り付けた反射鏡を例にとって太陽の入射角を
第４図に示す。極軸１をその地点の緯度においてＩ゜傾
斜させ、太陽Ｓの日南中高度をα゜と仮定し太陽の反射
光SlをＩ゜傾斜させた極軸１の延長線上に照射するもの
とすれば、反射鏡２の角度Ｈは入射角Ｎに等しい。従っ
て太陽Ｓの反射光Slをその地点の緯度Ｉ゜だけ傾斜させ
た極軸１の延長線上に照射するものとすればα゜＋Ｉ゜
は一定であるので、緯度が変っても極軸１と反射鏡２の
なす角度は変わない。これは異った緯度の地点において
も極軸１だけをその地点の緯度に合せて設置するだけで
よいことを示す。

極軸１と反射鏡２の角度Ｈは角度センサによりCPUに
読み込まれる。CPU内のメモリにはその日の日南中高度
に対する反射鏡２と極軸１の理論上の角度Haの値を記憶
させておけば極軸１と反射鏡２間の角度Ｈと該理論上の
角度Haの値をCPUにより演算しＨとHaが等しくなる様に
仰角制御モータを動作させたやればよく、メモリ内のHa
の値は緯度により変更する必要はない。

次に１日のうちに回動する太陽の動きに同期して回動
する極軸１について述べれば、地球は太陽に対し自転し
ながら楕円軌道で公転して居り、太陽が子午線を通過す
る時を南中と云いこれは経度差により各地点で異る。ま
た日によっての変化もあるがこれは均時差によるもので
ある。理科年表により旧東京天文台を例に取れば第５図
に示すような複雑な変化になる。第５図は横軸に月縦軸
に時刻をとったものである。

本発明は極軸１に角度センサを取り付け、太陽の日周
運動に同期しその日の南中時刻に反射鏡が真南を向くよ
うに逐次CPUで演算し極軸の回動を行うようにしたもの
である。尚年間を通しての南中時刻はメモリに記憶しタ
イマからの日・時の信号を読み取り、その日の南中時刻
に反射鏡が真南を向くようにCPUで演算し等速運動を行
わせるようにするものである。

次に経度の異なる地点に設置された場合には、１年を
通じての南中時刻は旧東京天文台における値が理科年表
に載っており、この値を基準とすれば緯度の異る地点に
おける南中時刻は、１度東経が増加すると略４分早くな
り１度東経が減少すると略４分遅くなる。この変化も理
科年表に載っており地球が約24時間で１回の自転をして
いるためである。

従ってスイッチの設定（例えば10進法のディップスイ
ッチ等）でその設置点の経度を設定する事によりCPUは
旧東京天文台における経度の値とスイッチから読み取っ
た設置点の経度とを比較演算しその設置点の南中時刻を
正確に算出する事ができる。従ってこのような方式にお
いてはCPUのメモリに記憶させる年間を通じてのデータ
は代表的な１地点のみでよい。また第２図に示す如く、
太陽はその地点の子午線を中心として東方から出て西方
に没み、極軸は太陽の動きと同期して回動しなければ一
定地点に反射光を照射する事はできないので極軸の軸方
向と子午線は同一平面上になければならない。

以上のような方法・構成により任意の設置点において
簡単に反射光を極軸の延長線上の一定箇所に精度よく照
射する事が可能であり、装置の設置点が変更されてもCP
Uのプログラムを変更する必要はない。

（ニ）実施例 本発明に係る太陽自動追尾反射装置の実施例を第１図
に側面断面図で示す。太陽光線を受ける反射鏡２が反射
鏡取付板４に取り付けられ、該反射鏡取付板４は本体取
付支柱５に固定される追尾装置本体の外箱６から突出さ
れる極軸１の尖端の反射鏡取付軸３にＦ矢示方向に揺動
自在に取付けられる。極軸１は外箱６に固定された受け
部材７と該外箱６に支承され軸駆動モータ８によりタイ
ミングベルト９（第６図）及び駆動歯車10・11を介して
Ｇ矢示方向に回動させられる。12は軸1aの軸承け、13は
軸承間スリーブ、14は防水パッキング、15は防水リン
グ、16は防水用Ｖリング、17は歯車固定用スリーブであ
る。

第６図に本装置の軸駆動部の詳細を示す。極軸１駆動
モータ８の出力は駆動プーリ18・タイミングベルト９を
介して被駆動プーリ19を回動するが、軸駆動モータ８は
パルスモータでそのステップ角を1.8゜、駆動プーリ18
と被駆動プーリ19の減速比を1/2.4、駆動歯車10（ウォ
ーム）・11（ウォームホイール）の減速比を1/60とする
と、軸駆動モータ８から見た軸1aまでの減速比は1/60×
1/2.4＝1/144となる。

地球は略24時間の周期で自転しているから１分間にそ
の移動は0.25゜、従って軸駆動モータ８においては１分
間に20パルスで、３秒ごとに１パルスの駆動パルスを送
ればよい。

第７図は第６図の右側面の断面図で20は駆動歯車10の
固定軸で軸承21によりギヤボックス22に取り付けられ
る。23はギヤボックス22の上蓋、24・25は軸承21間のス
リーブである。この軸駆動モータ８の駆動パルスを、ク
ロックICの信号を受け例えば朝７時にスタートさせ17時
にストップさせそして翌朝のスタート位置まで軸1aを逆
転させる事により毎日太陽と同期して回動する事とな
る。然しながら第５図に示すように南中時の時刻は日々
変化するので極軸１と太陽の動きを正確に同期させるた
めに毎日の南中時の変化を正確に補足しなければならな
い。南日時には太陽は子午線の真南に位置しまた反射鏡
２の反射面も真南に向かなければならない。本装置にお
いては反射鏡２の反射面が真南を向いた位置を検出して
パルスカウンタをリセットし、翌日のスタートから南中
時刻分だけ戻しパルスを軸駆動モータ８に送る事により
太陽の動きに軸1aの回転を正確に同期させている。例え
ば翌日の南中時刻が11時50分で極軸１の回動を朝７時に
スタートさせるものとすれば７時から11時50分までは４
時間50分あり、送りパルスは１分間に20パルスであるの
でパルス数では5800パルスとなる。従ってこのパルス数
を軸駆動モーター８に戻しパルスとして送ってスターア
ト位置まで戻し、朝７時にスタートさせればよい。

次にその月日に対応する南中時刻の値は旧東京天文台
の値を１年分のデータとしてCPU内のメモリに記憶させ
る。日付のデータはクロックICより取り出せばその日付
に対する南中時刻はメモリより容易に取り出す事ができ
る。南中時刻の値は日付が同じであるならば年が変って
もあまり変化が無いので実用上１年分のデータをメモリ
に記憶させればよく、クロックICは閏年機能のあるもの
が製品化されているのでそれらを利用すれば日付の再調
整は不要であり、２月29日は２月28日のデータと３月１
日のデータを平均化すればよい。

第８・９図に本装置の極軸１のリセット位置の検出部
の詳細を示す。第８図はその側面を示すもので第９図は
第８図の底面図である。極軸１はＧ矢示方向に回動し該
軸１に取付けられた制御板26は制御板ホルダ27を介して
極軸１と共に回動する。28は受け部材７にセンサ取付板
29を介して取付けられたフォトセンサである。極軸１の
軸方向の子午線は同一平面上に設置されたものとして、
まず極軸１を回動し反射鏡の反射面が真南を向く位置に
止める。次にフォトセンサ28は制御板26の検出部26aが
通過する事によりON又はOFFの電気信号が取り出せるた
め、この位置に制御板26を固定する事により反射鏡の反
射面が真南を向く位置で常にリセット信号を得る事がで
きる。従ってこの位置を基準としてOPUのメモリから呼
び出された南中時と、スタート時間から演算して軸駆動
モータ８に戻しパルスを送り翌朝スタートさせれば反射
鏡は太陽と全く同期して回動する。31は反射式フォトセ
ンサであり極軸１のオーバラン防止用であって、制御板
26の検出部26b・26cに対向した時にストップ信号を出
す。32は極軸１の軸受けストッパ、30は制御板ホルダ止
めねじである。

又他の方法として、リセット信号を受けた後戻しパル
スは一定として朝のスタート時間を変えてもよく、フォ
トセンサと制御板から回転位置を得る等、又ロータリエ
ンコーダ等の位置検出器を使用してもよい。また10進法
のディップスイッチを用いる事により設置点の経度を設
定し、その値と基準点の南中時刻とを比較演算する事に
より任意の地点において設置が可能である。

次に上記極軸１と反射鏡取付板４との連結構成を第１
図の上面平面図である第10図に示す。極軸１の先端に反
射鏡取付軸３を直角に貫通しその両端に反射鏡取付板４
の背面両端を固定する。仰角可変ワイヤ23は外箱６内に
固定された仰角可変モータ33（第１図）の出力軸に固定
されたワイヤプーリ34（第１図）に巻かれ、極軸１の中
心部にあけられた内孔を通されて極軸１下部の外箱６外
に貫通される軸挿通ガイドローラ35（第１図）に導かれ
て、反射鏡取付板４の上部に形成されるワイヤ受け板36
にワイヤクリップ37で掛止められる。又反射鏡取付軸３
の軸1aの両側で反射鏡取付板押圧ばね38が反射鏡取付軸
３に巻回されて、反射鏡２と極軸１とのなす角度を緊定
する。

次に上記仰角可変ワイヤ23の可変信号について述べれ
ば、反射鏡取付軸３の尖端にエンコーダ駆動プーリ39が
固定され、エンコーダ駆動ベルト40を介してエンコーダ
プーリ41（第１図）に接続される。42はロータリーエン
コーダであって絶対位置検出式（アブソリュートタイ
プ）の物を用いれば常時極軸１と反射鏡２との間の角度
を検出する事が可能である。本発明においては角度の検
出精度を高めるためプーリとベルトにより角度の変位を
５倍にしている。

上述のように極軸１と反射鏡２との間の角度は装置の
設置点の緯度が変化しても日時が同じならば変らない。
一年を通じての太陽の日南中高度は旧東京天文台を観測
点として理科年表に詳細に記載されている。従ってタイ
マICからの日付のデータをCPUが読み取る事により、あ
らかじめメモリ内に記憶された対応する日付の極軸１と
反射鏡２との角度を読み取る事は容易である。メモリか
ら読み取った角度データをγｍ、ロータリーエンコーダ
41から出力された角度データをγｎとすれば、γｍ＝γ
ｎとなる様に仰角可変モータをCPUにより演算・制御さ
せその日の日南中高度に対する反射鏡２の設定角度が得
られる事になる。

本装置の基本電気回路図を第11図に示す。43は電源回
路・44はタイマIC・45はタイマICのバックアップ用バッ
テリ・46は年又は月日又は時分の表示器・47は表示切換
スイッチ・48は運転モード切換スイッチ・49は軸駆動モ
ータドライブ回路・50は軸駆動モータ正転スイッチ・51
は軸駆動モータ逆転スイッチ・52は仰角可変モータ正転
スイッチ・53は仰角可変モータ逆転スイッチ・54は角度
表示器・55はCPU・56はCPUに組込まれたメモリ・57はタ
イマ設定スイッチ・58は経度設定スイッチである。

先づ運転モード切換スイッチ47を手動にすることによ
り軸駆動モータ８及び仰角可変モータ33の正逆転が可能
となる。そして運転モード切換スイッチ47を自動にする
事によりCPU55はタイマIC44から日付と時間を読み、続
いてCPU55内のメモリからそれに対応する南中時日南中
高度の値を読取る。次いで経度設定スイッチ58から装置
の設置点の経度を読取り南中時刻を補正する。又制御板
26とフォトセンサ28により極軸１の回動の基準が得られ
ロータリーエンコーダ42から極軸１と反射鏡２との間の
角度が判明するので装置の追尾時間内（例えば７時〜17
時）であれば極軸１と反射鏡２の位置の如何にかかわら
ず反射鏡２を理論上の最適位置に自動的に設定する事が
可能である。

（ホ）発明の効果 本発明に係る太陽自動追尾反射装置は上述のように、
電源回路・タイマーIC・CPU・ドライブ回路・極軸駆動
モータ逆転及び正転スイッチ・仰角可変モータ正転及び
逆転スイッチ等を備えCPU内のメモリに記憶させた年間
を通しての太陽の日南中高度と南中時の値と反射鏡に備
えられた角度センサと極軸の位置センサと装置の設置点
の経度を設定する経度設定スイッチからCPUにより極軸
駆動モータと仰角可変モータを夫々制御し取扱い調整が
容易な太陽自動追尾反射装置とするもので、一旦設置し
た後は停電時においてもタイマICは動作し停電復帰後自
動的に反射鏡を最適位置にリセットする事が可能であ
り、本装置からの反射光を利用することによって地下室
の照明・日照不足の解消・植物栽培・バイオテクノロジ
ー・水の浄化等広範囲に利用し得るものであり、然も太
陽光の反射率と精度は極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る太陽自動追尾反射装置の実施例を
示す構成側面図、第２図は地球を定点としその回りを太
陽が迴るものとした場合の地球に対する太陽の軌道関係
図、第３図は北緯35.66゜東経139.74゜に位置する旧東
京天文台における日南中高度、第４図は反射鏡への太陽
の入射角について、第５図は旧東京天文台の位置におけ
る平成元年の南中時刻、第６図は第１図に示す本発明に
係る反射装置の極軸駆動部について、第７図は第６図の
右側面の断面図、第８・９図は第１図に示す本装置の極
軸のリセット位置の検出部について示し第９図は第８図
の底面図、第10図は第１図に示す本装置の極軸と反射鏡
取付板との連結構成を平面図で示し、第11図は第１図に
示す本装置の基本電気回路図である。 １……極軸,2……反射鏡， ８……軸駆動モータ,23……仰角可変ワイヤ， 26……制御版,28……フォトセンサ， 31……反射式フォトセンサ， 33……仰角可変モータ， 42……ロータリーエンコーダ， 43……電源回路,44……タイマIC, 49……モータドライブ回路， 55……CPU,56……メモリー．

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−26516（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−47707（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−94159（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 1/00 F24J 2/38

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】子午線の同一平面上に軸中心があり、水平
   面よりその地点の緯度分だけ傾斜させて回動する極軸
   と、該極軸尖端で極軸に対して傾斜揺動を行う反射鏡を
   備え、上記極軸は24時間で１回転の等速回転を行い反射
   鏡は月日により傾斜角度が自動変更される如くした太陽
   自動追尾反射装置において、装置の設置点の任意の地点
   における経度の設定スイッチとCPUとタイマーICとメモ
   リーを備え、メモリーには月日によって変化する太陽の
   南中時刻・南中高度の値が記憶され、極軸及び反射鏡に
   備えた角度センサからのデータと比較し逐次反射鏡を任
   意の地点の任意の時刻の最適な姿勢にセットすることを
   可能とし、その結果反射光を一定箇所に照射する如き太
   陽自動追尾反射装置。