JP4323869B2

JP4323869B2 - 太陽光採光装置

Info

Publication number: JP4323869B2
Application number: JP2003157871A
Authority: JP
Inventors: 幸之介奥; 寛二原; 浩文二又; 公男藤本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004362866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光採光装置、より詳しくは、比較的広範囲の地上に太陽光を照射する場合に好適な太陽光採光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市部では建物の高層化や過密化が進み、太陽光が照射しない建物や地域の増加が著しい。このため、反射ミラーを利用して屋内や所定の地域に太陽光を照射する多くの方法が提案されている。
【０００３】
例えば、日陰部に対向する位置に反射鏡を配置して建物日陰部に太陽光を反射させるとともに、自動制御装置によって反射鏡の反射角調整用モータを制御して太陽の位置に応じて自動的に反射鏡の反射角を制御し、太陽光を常に日陰部に反射できるようにした建物日陰部への太陽光照射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９―２６５８１５号公報（第２〜３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この太陽光照射装置は、反射鏡が水平方向に配置された支軸によって単に上下方向に回動するように形成されているので、太陽光の照射を効果的に行うことができない。
【０００６】
すなわち、反射鏡に対する太陽の位置は、季節及び時刻によって３次元的に変化するから２次元的に反射鏡の角度を変化させても効率的な反射光を得ることができない。その上、台風などの強風に耐えるためには、剛構造とする必要があるから建設費が高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであり、その目的の１つは、太陽の動きを３次元的に追尾することができる太陽光採光装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、照度計を用いて日照の有無を観測し、曇りや雨天時には、運転を停止するようにした太陽光採光装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、風速計を用いて風速を観測し、強風時には、運転を停止するようにした太陽光採光装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の太陽光採光装置は、支柱に設けた旋回フレームと、該旋回フレームを旋回させる駆動装置と、前記旋回フレームに臥仰可能に設けた鏡板フレームと、該鏡板フレームに支持された複合ミラーと、前記鏡板フレームと前記旋回フレームの間に架橋させた支持体と、該支持体の長さを調整する調整器と、前記複合ミラーを洗浄する複合ミラー洗浄装置と、制御装置により構成され、該制御装置によって前記駆動装置及び調整器を制御して前記鏡板フレームを３次元的に姿勢制御する太陽光採光装置において、前記複合ミラー洗浄装置を、昇降可能な主軸と、該主軸を時計又は反時計方向に回転させる第１アクチュエータと、前記主軸に固定された第１アームと、該第１アームの先端部に設けた関節部と、該関節部の軸に固定された第２アームと、該第２アームを時計又は反時計方向に回転させる第２アクチュエータと、前記第２アームの先端部に設けた洗浄ノズルにより構成し、複合ミラーの洗浄が終了した時は、第２アームを第１アーム上に重ねた後、前記主軸を押し下げて第１及び第２アームを複合ミラーを構成している凸面ミラーの隙間に収容することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の太陽光採光装置は、複合ミラーの背面に太陽電池を設け、ミラー未使用時、例えば、冬場以外は、前記太陽電池を太陽に向けて発電に供することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すように、この発明は、建物Ｂの屋上に設置した２基の太陽光採光装置Ａによって太陽Ｓの光Ｌ₁を反射し、その反射光Ｌ₂によって建物Ｂの南側にある建物Ｃなどの日陰部の目標箇所（照射箇所）Ｄを照射するようになっている。
【００１８】
図２に示すように、太陽光採光装置Ａは、建物Ｂの屋上に構築した基台１上に立設させた支柱２に取り付けられている。この太陽光採光装置Ａは、図２乃至図４に示すように、複合ミラー７と、駆動手段５および制御装置９により構成され、制御装置９に、予め、組み込まれたプログラムによって太陽Ｓの動きを自動的に追尾し、常に、目標箇所（照射箇所）Ｄを照射し続けるようになっている。
【００１９】
上記複合ミラー７は、図５に示すように、凹面状の鏡板フレーム６と、この鏡板フレーム６の凹面側に取り付けた複数の凸面状のミラー（以下、凸面ミラーという）７ａにより構成されている。
【００２０】
上記駆動手段５は、水平面内で旋回するように支柱２に取り付けられた旋回フレーム４と、旋回フレーム４を旋回させるサーボモータの如き駆動装置２０と、鏡板フレーム６と旋回フレーム４との間にあって鏡板フレーム６を起伏させる油圧シリンダの如き支持体８と、支持体８の長さを調整する調整器１５（図９参照）から構成されている。
【００２１】
図３に示すように、複合ミラー７は、所定の寸法（例えば、５００ｍｍ角）の凸面ミラー７ａを、複数枚（例えば、３５枚（＝７×５枚））、格子状に配設したものであり、凸面ミラー７ａの反射光Ｌ₂がそれぞれ同じ照射箇所Ｄを重複して照射し、反射光Ｌ₂がマイルドになるように工夫されている（図５参照）。
【００２２】
凸面ミラー７ａの取付け角度は、図６に示すように、凸面ミラー７ａの四隅を支持している支持ボルト２１に螺合されているダブルナット２２，２３の位置を調節することによって自由に設定可能になっている。
【００２３】
また、凸面ミラー７ａは、凸面加工したアルミニウム製のプレートに高純度のアルミニウム板を貼ったものであり、９３％の反射率を有している。また、その表面に人体に有害な紫外線（ＵＶ−Ｂ）を９０％以上カットする特殊コーティングを施している。
【００２４】
本発明は、図７（ａ）に示すように、２つの複合ミラー７の反射光を互いに重ねることによって照射箇所Ｄに太陽光の約半分の明るさを実現できるようになっている。また、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２つの反射光を隣接させることにより、多少、明るさが落ちるが照射箇所Ｄの面積を２倍に広げることができる。また、図７（ｄ）に示すように、２つの照射箇所Ｄを照射することもできる。
【００２５】
上記制御装置９は、駆動装置２０を制御して鏡板フレーム６の方向角αを制御する一方、支持体８の長さを調整して鉛直面に対する鏡板フレーム６の臥仰角（高度角）βを制御し、鏡板フレーム６に取り付けられた複合ミラー７を３次元的に回動するようになっている。
【００２６】
鏡板フレーム６の方向角αは、基準線Ｏに対して、例えば、±１２０°の範囲に設定されている（図４参照）。一方、鏡板フレーム６の高度角βは、鉛直線に対して、例えば、−２０°〜０°の範囲に設定され（図２参照）、その角度は、鏡板フレーム６の支持軸３の回転を旋回フレーム４に取り付けたエンコーダ（図示せず）によって検出するようになっている。
【００２７】
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、複合ミラー７に入射する太陽光Ｌ₁が太陽の移動によって実線の位置から破線の位置Ｌ₃に変化した時、反射光Ｌ₂が実線の位置から破線の位置Ｌ₄となるため、目標箇所Ｄを照射することができなくなる。このため、複合ミラー７の方位角α及び高度角βを制御して反射光Ｌ₂が、常に、目標箇所Ｄを照射するようにしている。
【００２８】
図９に示すように、制御装置９は、入力装置（キーボード）１０と、記憶装置１１と、比較器１２及び制御信号作成装置１３により構成され、記憶装置１１には、予め、キーボード１０から太陽光Ｌ₁の入射時刻、方位角α、高度角β及びその経時的な変化値などが信号Ｖ₁として入力されている。
【００２９】
また、上記制御装置９は、カレンダーを内蔵し、土曜、日曜、祝日及び日照が確保できる夏場は作動しないように、時期や時間帯に応じた運転が可能になっている。また、太陽の位置を演算で求めてミラー７の位置を制御するようになっている。また、電波時計及びＧＰＳを装備して自動的に日付けと時刻の補正を行い、常に、正確な太陽の位置を把握するようになっている。更に、照度計１６や風速計１８を装備し、日差しがない時や、強風時には、自動的に運転を停止するようになっている。
【００３０】
さて、図９の制御装置９において、記憶装置１１から比較器１２に信号Ｖ₁が入力されると、この信号Ｖ₁から適切な方位角α及び高度角βが選定され、その信号Ｖ₃が制御信号作成装置１３に入力される。そして、制御信号作成装置１３によって作成された信号Ｖ₄によって駆動装置２０及び支持体８の長さを調整する調整器１５が指令通りに作動する。その結果、複合ミラー７が太陽Ｓの動きを自動的に追尾し、常に、目標箇所（照射箇所）Ｄを照射し続けることができる。その上、電波時計１４からの信号Ｖ₂によって自動的に時刻補正が行われる。
【００３１】
尚、複合ミラー７に入射する太陽光Ｌ₁の方位角α及び高度角βは、季節によって大幅に変化するので、キーボード１０から記憶装置１１に入力されるデータの信号Ｖ₁は、適宜、修正する。
【００３２】
また、図１０に示すように、電波時計１４に照度計１６を併設することも可能である。尚、図９のものと同じ機器には、同じ符号を付け、詳しい説明を省略する。
【００３３】
照度計１６は、日差しの有無を観測し、その信号Ｖ₅によって開閉器（切換器）１７を操作して一時的に電波時計１４の信号Ｖ₂を遮断し、曇りや雨天などの日差しが無い場合には、複合ミラー７の運転を停止するようになっている。
【００３４】
更に、図１１に示すように、電波時計１４及び照度計１６に風速計１８を併設することも可能である。尚、図１０のものと同じ機器に同じ符号を付け、詳しい説明を省略する。
【００３５】
風速計１８は、その信号Ｖ６を開閉器（切換器）１７及び制御信号作成装置１３に導入し、例えば、風速が４０ｍ以上になると、風速計１８の信号Ｖ₆によって開閉器（切換器）１７を操作して複合ミラー７の運転を停止する一方、制御信号作成装置１３によって信号Ｖ₇を作成し、この信号Ｖ₇によって支持体８の長さを調整する調整器１５を操作し、鏡板フレーム６を２点鎖線で示すように、略水平に寝かせるようになっている（図２参照）。
【００３６】
ところで、上記太陽光採光装置Ａは、図１２に示すように、パネル洗浄装置２５を備えており、鏡板フレーム６に支持された複合ミラー７を洗浄するようになっている。尚、複合ミラー７の洗浄時は、台風時のモードとし、鏡板フレーム６を水平に寝かせる。
【００３７】
パネル洗浄装置２５は、主軸２６と、この主軸２６を時計又は反時計方向に回転させる第１アクチュエータ２７と、主軸２６に固定された第１アーム２８と、第１アーム２８の先端に取り付けた関節部２９と、この関節部２９の軸３０に取り付けた第２アーム３１と、第２アーム３１を時計又は反時計方向に回転させる第２アクチュエータ３２と、第２アーム３１の先端に取り付けられた洗浄ノズル３３により構成されている。
【００３８】
このパネル洗浄装置２５の主軸２６は、図１２に示すように、隣接する凸面ミラー７ａの隙間に設けられており、洗浄ノズル３３の先端から洗浄水（図１３参照）ｗを噴射させながら第１及び第２アーム２８及び３１を時計及び反時計方向に回転させることによって複合ミラー７の全域を洗浄するようになっている。
【００３９】
このパネル洗浄装置２５は、図１３に示すように、洗浄に際して、主軸２６を矢印Ｘの方向に突出させ、洗浄ノズル３３を複合ミラー７に対向させる。一方、複合ミラー７の洗浄が終了した時は、２点鎖線で示すように、第２アーム３１を第１アーム２８上に重ねた後、主軸２６を矢印Ｙの方向に押し下げて第１及び第２アーム２８，３１を隣接する凸面ミラー７ａの隙間４０に収納する。
【００４０】
尚、主軸２６から洗浄ノズル３３に至る経路には、洗浄液を送る配管（図示せず）が設けられていることは言うまでもない。
【００４１】
この太陽光採光装置Ａの採光期間は、主として、冬場（例えば、１１月中旬〜３月中旬）であるが、図１５に示すように、各ミラー７ａの背面に、当該ミラー７ａと同じ大きさ、即ち、５００ｍｍ角の太陽電池４２を備えることにより、ミラー未使用時には、太陽光発電装置として使用できるようになっている。
【００４２】
具体的に説明すると、この太陽光採光装置Ａは、図１５に示すように、各ミラー７ａの背面にそれぞれ５００ｍｍ角の太陽電池４２を備えている。従って、ミラー取付け枠４４を、その軸４３を中心にして矢印Ｔの方向に１８０°反転させ、図１４に示すように、太陽電池４２を太陽（図示せず）に向けると、太陽光Ｌ₁を受光して太陽電池４２による発電が行われる。尚、４５は、上記枠体４４の締め付けに用いるステーを示している。
【００４３】
上記太陽電池４２は、図１６に示すように、複数枚、例えば、１６枚の小型（１２５ｍｍ角）の太陽電池片４２ａで形成されている。太陽電池としては、例えば、ｐｎ接合ダイオード、フォトダイオードなどを挙げることができる。
【００４４】
今、ミラー７ａの背面に設けられている１枚の太陽電池片４２ａの発電量をＭａｘ２．３８Ｗとすると、１６枚の太陽電池片４２ａの発電量は、次のようになる。
すなわち、
２．３８Ｗ×１６枚≒３８Ｗ・・・・・（１）
【００４５】
また、１基（１枚）の複合ミラー７のミラー数は、３５枚であるから、１枚の複合ミラー７の発電量は、次のようになる。
３８Ｗ×３５枚＝１．３３ｋＷ・・・・・（２）
【００４６】
また、この発明では、複合ミラー７を２基（２枚）用いているので、その発電量（総発電量）は、次のようになる。
１．３３ｋＷ×２枚＝２．６６ｋＷ・・・・・（３）
【００４７】
従って、上記太陽光発電装置によって発電を行うと、ミラー未使用時には、補機の運転などの電力として十分利用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
上記のように、本発明は、支柱に旋回可能に取り付けられた旋回フレームと、該旋回フレームを旋回させる駆動装置と、前記旋回フレームに臥仰可能に取り付けられた鏡板フレームと、該鏡板フレームに支持された複合ミラーと、前記鏡板フレームと前記旋回フレーム間に架橋された支持体と、該支持体の長さを調整する調整器と、制御装置により構成され、該制御装置の制御信号によって前記駆動装置及び調整器を制御して前記鏡板フレームを３次元的に姿勢制御するようにしたので、複合ミラーの方向を太陽の動きに合わせて円滑に制御することができる。また、予め、記憶装置に入力させたプログラムにしたがって複合ミラーを制御するため、反射光を、常に、目標位置に照射することができる。
【００４９】
また、本発明は、鏡板フレームに洗浄装置を設置し、該洗浄装置により複合ミラーを洗浄するようにしているので、複合ミラーを輝き度を維持することができる。また、この洗浄装置は、不使用時に鏡板フレーム内に収納されるので、太陽光の反射に悪影響を及ぼすことがない。
【００５０】
また、本発明は、照度計を併設し、曇天や雨天時に旋回装置及び調整器の運転を停止するようにしたので、駆動電力を節約することが可能となり、経済的である。
【００５１】
また、本発明は、風速計を併設し、台風や強風時に複合ミラーを支持している鏡板フレームを横に寝かせるようにしたので、強風による複合ミラーの破損を回避することができる。従って、複合ミラーや鏡板フレームを剛構造とする必要がなく、建設費を抑制することができる。
【００５２】
また、本発明は、複合ミラーに背面に太陽電池を設け、ミラー未使用時には、前記太陽電池を太陽に向けて発電に供することができる。従って、本発明の太陽光採光装置は、年間を通して休み無く運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽光採光装置の設置図である。
【図２】本発明に係る太陽光採光装置の側面図である。
【図３】本発明に係る太陽光採光装置の正面図である。
【図４】本発明に係る太陽光採光装置の平面図である。
【図５】複合ミラーの構成図である。
【図６】凸面ミラーの取付角度調整手段の説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）照射箇所のパターン説明図である。
【図８】（ａ）太陽光の入射角と反射角の変化を説明するための平面図、（ｂ）太陽光の入射角と反射角の変化を説明するための側面図である。
【図９】本発明の太陽光採光装置に適用する制御装置の系統図である。
【図１０】本発明の太陽光採光装置に適用する制御装置の他の例の系統図である。
【図１１】本発明の太陽光採光装置に適用する制御装置の更に他の例の系統図である。
【図１２】本発明の太陽光採光装置に適用する洗浄装置の斜視図である。
【図１３】洗浄装置を備えた太陽光採光装置の要部拡大断面図である。
【図１４】本発明の太陽光採光装置を太陽発電装置に切り換えた時の説明図である。
【図１５】ミラーの背面に太陽電池を設けた側面図である。
【図１６】ミラーの背面に適用する太陽電池の正面図である。
【符号の説明】
２支柱
４旋回フレーム
６鏡板フレーム
７複合ミラー
８支持体
９制御装置
１５調整器
２０駆動装置

Claims

支柱に設けた旋回フレームと、該旋回フレームを旋回させる駆動装置と、前記旋回フレームに臥仰可能に設けた鏡板フレームと、該鏡板フレームに支持された複合ミラーと、前記鏡板フレームと前記旋回フレームの間に架橋させた支持体と、該支持体の長さを調整する調整器と、前記複合ミラーを洗浄する複合ミラー洗浄装置と、制御装置により構成され、該制御装置によって前記駆動装置及び調整器を制御して前記鏡板フレームを３次元的に姿勢制御する太陽光採光装置において、前記複合ミラー洗浄装置を、昇降可能な主軸と、該主軸を時計又は反時計方向に回転させる第１アクチュエータと、前記主軸に固定された第１アームと、該第１アームの先端部に設けた関節部と、該関節部の軸に固定された第２アームと、該第２アームを時計又は反時計方向に回転させる第２アクチュエータと、前記第２アームの先端部に設けた洗浄ノズルにより構成し、複合ミラーの洗浄が終了した時は、第２アームを第１アーム上に重ねた後、前記主軸を押し下げて第１及び第２アームを複合ミラーを構成している凸面ミラーの隙間に収容することを特徴とする太陽光採光装置。
複合ミラーの背面に太陽電池を設け、ミラー未使用時には、前記太陽電池を太陽に向けて発電に供することを特徴とする請求項１記載の太陽光採光装置。