JP4615537B2 - 太陽方位追尾装置、太陽光集光装置及びそれを用いた太陽光照明システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽方位追尾装置、太陽光集光装置及びそれを用いた太陽光照明システムに関するものである。

建物内部や地下・半地下施設内において、晴天であるにもかかわらず日中に十分な太陽光が窓から入射せず、照明を始終つけている場合も多い。そこで、晴天時に建物外に照射される太陽光を建物内部の光源として有効活用できれば、照明用の電力を削減でき、省エネに貢献することになる。

太陽光を建物内部の光源として利用するものとして、太陽光採光システムがある。すなわち、太陽光採光システムは、太陽光を高効率で採光するために太陽方位追尾装置によって向きを太陽方位に合わせて変化させる集光部を備えたシステムである。このシステムは、集光部とそれに付随する太陽方位追尾装置、光伝送部、照射部からなっている。

集光部は、パラボラ型に成形したパラボラ型反射鏡と複数のレンズからなっており、受光面に照射される太陽光のうちのできる限り多くを光伝送部の光入射口に集光させる構造となっている。
太陽方位追尾装置は、集光部が受光した光を高い効率で光伝送部へと集光させるために集光部を太陽の方位へ向ける。太陽は日周運動によりその方位を常に変化させているので、集光部はその向きを太陽の方位に合わせるように追尾することになる。

光伝送部は、集光部が集光した太陽光を、内部が光を反射する光ダクトや光ファイバケーブルを用いて屋内まで伝送させる。
照射部は、伝送されてきた光を、レンズや光拡散体に照射することにより屋内に隈なく拡散させる。

特許文献１に記載されている太陽光採光システムでは、太陽の日周運動をコンピュータで予め計算しておき、その計算結果に基づいて集光パラボラの向きを太陽方位と一致させる制御を行っている。集光パラボラの向きを変化させる駆動力としては、電動の駆動モーターを用いている。
その他、同文献では、光伝送部である光ファイバに入射される太陽光量をモニターし、入射光量が最大となるように集光パラボラの向きを制御するという手法も提案されている。

特開平１１−２３２９１５号公報

コンピュータで太陽方位の変化を計算したり伝送される光量をモニターしながら最適な受光部の向きを決定する方式では、コンピュータや時計もしくは光量検出器をシステムに内蔵させる必要があるため、コストアップの要因となる。また、それらの装置を作動させるための電力を恒常的に消費することになり、太陽光集光システムの省エネの趣旨に却って反することにもなる。さらにそれらが故障する可能性や時計の時刻がずれる可能性があり、定期的なメンテナンスも必要となる。
また、集光部の向きを変化させる駆動モーターについても、同様にコストアップや電力消費という問題を抱えている。

その他、太陽光集光システムの集光部において集光される太陽光は、屋内の照明に必要な可視光成分ばかりでなく、近赤外成分も含まれ、この成分が屋内に導かれることによって、屋内の必要以上の温度上昇を招いてしまう。これは特に気温の高い夏季において大きな問題となる。

本発明が解決しようとする課題は、機構が簡単な太陽方位追尾装置を提供することである。また、機構が簡単な太陽方位追尾装置を有している太陽光集光装置を提供することである。またこれにより、定期的なメンテナンスが不要でコストが安く、省エネも実現できる太陽方位追尾装置、太陽光集光装置及びそれを用いた太陽光照明システムを提供することである。

本発明は、太陽光による熱に基づき膨張収縮する熱膨張体と、前記熱膨張体の膨張収縮に伴う往復運動を太陽の日周運動に対応する運動に変換する運動変換部と、前記運動変換部による運動と連動することにより太陽方位を追尾する追尾装置本体とを有する太陽方位追尾装置であって、具体的には、前記運動変換部は、前記熱膨張体との接続部および下端の軸先をもつ前記追尾装置本体の支持軸と、前記支持軸の軸先がなぞることによって前記接続部の運動に基づく前記支持軸の運動を太陽の日周運動に対応するように変換する、固定された基板上に刻まれた案内溝と、前記支持軸が貫通する円形のリングもしくは穿孔を有する板材、および固定された基板との接続部からなる支持部材とを有するものである。

また、支持軸先の駆動機構には熱膨張体を用いるが、熱膨張体の変位量のみでは変位量が不足する時は、拡大てこを用いて熱膨張による変位量を増幅させることができる。また、拡大てこを用いない手法として、前記熱膨張体の変位量を変位センサーで検出し、その変位量に応じて支持軸先を電動モーターで変位させる機構を用いてもよい。この場合に、熱膨張体とは、別体に設けた電動モーターで支持軸先を変位させることで、前記支持軸先に駆動力を与え、電動モーターの駆動力により、前記支持軸先の運動を制御することができる。このように、電動モーターを別体に設けるのは、電動モーターを熱膨張体と別体に設けることにより、熱膨張体の変位を直接使用するより、変位量を大きくすることができるからである。

好ましくは、前記案内溝は、日没前の日照量が低下する時間帯における前記支持軸先の逆走を防ぐため、所定の部位に深さの変化を有するか、もしくは、正午に前記熱膨張体が最も膨張した状態で前記太陽方位追尾装置が南側を向くことになるような閉曲線形状で、所定の箇所に前記軸先の逆走を防ぐための段差を設けている。

ここで、案内溝を可動式の基板上に設けると、前記基板の位置を変位させることで季節の変化に伴う太陽の日周運動の変化に対応させる機能を付与することができる。

また本発明は、太陽方位追尾装置と連動して太陽方位を追尾する太陽光を集光する集光部と、前記太陽方位追尾装置を有する太陽光集光装置である。

前記太陽光集光装置は、前記集光部が集光した太陽光の一部を前記熱膨張体へ誘導する光誘導機構を有する。

好ましくは、前記光誘導機構は、前記集光部が集光した太陽光の近赤外成分を分離する分光装置を有し、分離された近赤外成分を前記熱膨張体へ誘導する分離誘導装置を有する。

具体的には、前記分光装置は、前記集光した太陽光の前記近赤外成分を選択的に反射する誘電多層膜からなる反射鏡と、波長無依存型の反射特性を有する反射鏡により構成されている。

好ましくは、前記集光部とは異なる補助集光部を有し、日照の途絶により前記太陽方位追尾装置の太陽方位追尾が停止した後、日照が回復したときに前記補助集光部が集光した太陽光が前記熱膨張体に照射されることで前記太陽方位追尾装置の太陽方位追尾を再開させる機能を有している。

さらに、本発明は太陽光集光装置で集光された太陽光を照明部へと伝送する光伝送部と、伝送されてきた太陽光を屋内へ照射させる照射部とを備えた太陽光照明システムである。

本発明の太陽方位追尾装置、太陽光集光装置及びそれを用いた太陽光照明システムは機構が簡単なものとなる。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽方位追尾装置、および、その太陽方位追尾装置を使用した太陽光集光装置の構成を示す図である。

図１に示した太陽光集光装置１は、集光部２と太陽方位追尾装置３を有しており、これらで、集光部、太陽方位追尾装置、光伝送部、照射部からなる太陽光採光システムの一部をなしている。
また、太陽方位追尾装置３はさらに、追尾装置本体４（集光部２）と、熱膨張体５と、運動変換部６により構成されている。

集光部２は、太陽から照射される太陽光７を集光する。なお、集光部２の具体的な構成は、図１に示したようなパラボラ形状に成形したパラボラ型反射鏡と、複数のレンズからなっており、受光面に照射される太陽光７のうちのできる限り多くを光伝送部の光入射口に集光させる構造となっている。

太陽方位追尾装置３を構成する熱膨張体５は、太陽光７による熱に基づいて、図１に示した両矢印ＡＲ１の方向に膨張収縮する。ここで、太陽光７による熱に基づくとは以下で説明するように、主として集光部２で集光した太陽光７に含まれる近赤外成分の物体に対する加熱作用に基づくという意味である。このような膨張収縮を熱膨張体５が行うためには、熱膨張体５は、図１に示したような液体や気体などの媒体を密閉したシリンダーのピストンが、当該媒体の膨張収縮に伴って動くようにしても良いし、また、熱膨張係数の大きな金属の棒を用いても良い。

運動変換部６は、熱膨張体５の膨張収縮を太陽の日周運動に対応する運動に変換する機能を有している。すなわち、図１において、運動変換部６は、熱膨張体５が膨張収縮することによる両矢印ＡＲ１の往復運動を、矢印ＡＲ２で示すような運動に変換する。そして、この運動に連動して追尾装置本体４（集光部２）が矢印ＡＲ３で示すような日周運動を行う太陽の経路８と対応する運動を行い、追尾装置本体４（集光部２）は太陽を追尾することになる。

追尾装置本体４（集光部２）を矢印ＡＲ３の方向に示す運動を行わせるようにするための、より具体的な運動変換部６の機構について図１を参照しながらさらに説明する。
すなわち、図１に示したように、支持軸９が追尾装置本体４（集光部２）下部に取り付けられている。そして、熱膨張体５の膨張収縮と連動して運動する接続部１０が支持軸９の箇所Ｐ１に設けられている。支持軸９の中心軸の延長線上に太陽が位置するような追尾装置本体４（集光部２）の向きにおいて、太陽光７の集光効率が最大となるようにする。このとき、太陽光７の集光効率を高めるためには支持軸９の中心軸の延長線上に太陽が位置するように支持軸９の向きを合わせればよいことになる。

太陽光集光装置１が設置される面Ｑに所定の平面パターンを有する案内溝を設け、支持軸先１１に案内溝をなぞらせるようにする。支持軸９が熱膨張体５の膨張収縮と連動して動くと、支持軸先１１は案内溝をなぞることにより矢印ＡＲ２に示した運動を行う。支持軸９の上部は固定された基板と接続部によって接続された円形のリングもしくは穿孔を有する板材からなる支持部材１２を貫通しており、この部位で運動の制限を受ける構造となっている。支持軸９上部の動きが制限されている状態で支持軸先１１が運動を行うと、それに合わせて支持軸９の向きが変化し、追尾装置本体４（集光部２）の向きが矢印ＡＲ３に示したように変化することになる。

図２は、案内溝の具体的な例の一つを示す平面図である。すなわち、図２に示したような円弧状の案内溝１３ａが固定された基板上の面Ｑに設けられている。点Ｆは支持部材１２に付属するリングもしくは穿孔の中心から面Ｑへの射影点である。支持軸先１１に案内溝１３ａをなぞらせるようにすると、熱膨張体５の膨張収縮により支持軸先１１は矢印ＡＲ５方向に示した運動を行い、追尾装置本体４（集光部２）の向きを矢印ＡＲ３に示したように変化させることができる。

かかる運動について、図２を参照しながらさらに説明する。
まず、案内溝１３ａは、東西方向にそれぞれ２箇所の端点Ｐｅ、Ｐｗを有し、北向きに凸の弧を描いている。熱膨張体５の膨張収縮は基本的に矢印ＡＲ１で示す方向の往復運動を引き起こす。しかし、熱膨張体５の先端が接続部１０で支持軸９と接続されているため、支持軸先１１の動きが案内溝１３ａによって制約されることで、熱膨張体５の向きがそれに合うような修正を受けることになる。

太陽の日周運動に対応する追尾装置本体４（集光部２）の運動としては、まず、日の出前の早朝に案内溝１３ａの西側の端点Ｐｗ付近に支持軸先１１が位置しており、追尾装置本体４（集光部２）は東側を向いている。このとき、熱膨張体５は太陽光７に含まれる近赤外成分が照射されていないため収縮した状態にある。
日の出後、追尾装置本体４（集光部２）が太陽光７を受けると、熱膨張体５は太陽光７に含まれる近赤外成分に加熱されて膨張を開始し、その力が接続部１０によって支持軸９へと伝達され、支持軸先１１は案内溝１３ａに案内されながら北東方向へ移動していく。それに伴い、追尾装置本体４（集光部２）の向きは南西方向へと変化していく。

この機構をさらに詳しく説明する。太陽光７に含まれる近赤外成分の照射によって加熱された熱膨張体５は膨張し、支持軸先１１を北東方向へ移動させ、追尾装置本体４の向きを変化させる。熱膨張体５の膨張がさらに進むと追尾装置本体４の向きがさらに変化し、太陽光７の集光効率が低下する。すると熱膨張体５に照射される太陽光７の近赤外成分の強度が弱まり、膨張が停止する。こうして太陽光７に含まれる近赤外成分の加熱量と外部大気に放出される熱量が一致する地点で熱膨張体５の膨張量が定まる。太陽方位が変化するとこの熱量がつりあう地点も変化し、それに合わせて熱膨張体５の膨張量が変化していくことで、結果的に追尾装置本体４（集光部２）が太陽の日周運動に対応する運動を行い、集光部２は受けた太陽光７を高い効率で所定位置へ集光し続けることができる。

午後から夕刻にかけては太陽光７の強度が弱まり、熱膨張体５へ供給される熱が少なくなる。もし支持軸先１１の位置が太陽光７の集光効率を最大にする点にあっても熱膨張体５の膨張状態を維持するだけの熱量が得られない状況になると、熱膨張体５はその後収縮し続けて支持軸先１１が日の出前の早朝と同じ西側の端点Ｐｗまで戻ってしまい、それ以後太陽方位追尾は続行不可能となってしまう。
また、熱膨張体５の膨張状態を維持するだけの熱量が得られる状況であっても、何らかのはずみで支持軸先１１が太陽光７の集光効率を最大にする点よりも西側に移ってしまうと、同様に熱膨張体５はその後収縮し続けてそれ以後太陽方位追尾は続行不可能となる。

そこでこの不具合を緩和するために、案内溝１３ａの深さが東側の端点Ｐｅに近づくほど深くなるような形態が望ましい。それにより、追尾装置本体４の自重が熱膨張体５の膨張による支持軸先１１のＰｅ方向の運動を補助することになる。かかる運動の補助により、正午以降から夕方にかけて太陽光７の強度が弱まっても、何らかのはずみで支持軸先１１がＰｗ側へ逆走することを阻止することができる。

日没後から日の出前までの夜間は日照が途絶えるので、日中に太陽光７の近赤外成分によって加熱されて膨張した熱膨張体５は外気温によって冷却されて収縮し、翌日には支持軸先１１が案内溝１３ａの西側の端点Ｐｗ近傍に戻っている。こうして、翌日の日の出以降に再度上記の運動が繰り返されることになる。

前記案内溝１３ａで最も北に位置する点と点Ｆとの間の距離が離れているほど、支持軸先１１がこの最北点に到達したときに追尾装置本体４がより南側に傾くことになる。正午における太陽の南側への傾き具合は季節によって変化するため、この最北点と点Ｆとの間の距離を季節によって調整できるようにすれば、それぞれの季節において集光部２が最も高い効率で受けた太陽光７を所定位置へ集光することが可能となり、より好ましい。具体的には、固定された基板Ｑ上に手動操作もしくは電動モーターの動作によってスライド可能な別の平面基板を置き、その上面に前記案内溝１３ａを設ければよい。
なお、地球の南半球では太陽は東から昇って北側の空を通って西に沈むため、南半球で使用する場合には前記案内溝１３ａは南側に凸の円弧としなければならない。

図３は、別の案内溝の具体例を示す平面図である。すなわち、図３に示したような、北向きの半円に近い形状の閉曲線である。
案内溝１３ｂ，１３ｃに支持軸先１１をなぞらせるようにすると、熱膨張体５の膨張収縮が支持軸先１１の矢印ＡＲ７，ＡＲ８で示される運動へと変換されることで、追尾装置本体４（集光部２）の向きを矢印ＡＲ３に示したように変化させることができる。
またこのとき、正午に熱膨張体５が最も膨張した状態で、太陽方位追尾装置が南側を向くことになる。そのため、熱膨張体５の断熱性がそれほど高くない場合でも、また案内溝の深さに変化を持たせて追尾装置本体４の自重の助けを借りなくても、日没まで追尾装置本体４に太陽方位を追尾させ続けることができる。

かかる運動について、図３を参照しながらさらに説明する。
まず、案内溝１３ｂは、西北方向にそれぞれ２箇所の端点Ｐｗｂ，Ｐｎｂを有し、北西向きに凸の弧を描いている。案内溝１３ｂと接する案内溝１３ｃは、２箇所の端点Ｐｎｃ，Ｐｗｃを有し、東向きに凸の弧を描いている。案内溝１３ｂの端点Ｐｎｂは案内溝１３ｃと接しているものの接触部に段差が形成されており、点Ｐｎｂにおいては案内溝１３ｃのほうが案内溝１３ｂよりも少し深くなっている。同様に、案内溝１３ｃの端点Ｐｗｃは案内溝１３ｂと接しているものの接触部に段差が形成されており、点Ｐｗｃにおいては案内溝１３ｂのほうが案内溝１３ｃよりも少し深くなっている。

また、熱膨張体５の膨張収縮は基本的に矢印ＡＲ１で示す方向の往復運動を引き起こす。しかし、熱膨張体５の先端が接続部１０で支持軸９と接続されているため、支持軸先１１の動きが案内溝１３ｂもしくは案内溝１３ｃによって制約されることで、熱膨張体５の向きがそれに合うような修正を受けることになる。

太陽の日周運動に対応する追尾装置本体４（集光部２）の運動としては、まず、日の出前の早朝に案内溝１３ｂの西側の端点Ｐｗｂ近傍に支持軸先１１が位置しており、追尾装置本体４（集光部２）は東側を向いている。このとき、熱膨張体５は太陽光７に含まれる近赤外成分が照射されていないため収縮した状態にある。

日の出後、追尾装置本体４（集光部２）が太陽光７を受けると、熱膨張体５は太陽光７に含まれる近赤外成分に加熱されて膨張を開始し、その力が接続部１０によって支持軸９へと伝達され、支持軸先１１は案内溝１３ｂに案内されながら北東方向へ移動していく。それに伴い、追尾装置本体４（集光部２）の向きは南西方向へと変化していく。正午近くになると支持軸先１１は点Ｐｎｂで案内溝１３ｂから案内溝１３ｃへ移り、正午には支持軸先１１がさらに点Ｐｎｃ近傍まで移動する。

正午を過ぎて太陽方位が西へ移動していくと、支持軸先１１が点Ｐｎｃ近傍にある状態で追尾装置本体４（集光部２）の向きが太陽方位から逸脱していくため、熱膨張体５に照射される太陽光７の近赤外成分の強度が低下する。すると今度は熱膨張体５が収縮し始め、支持軸先１１は点Ｐｎｃから遠ざかっていく。このとき点Ｐｎｂには段差があるため支持軸先１１が案内溝１３ｂへと逆走することはなく、案内溝１３ｃに沿って南東方向へと移動していく。するとそれに合わせて追尾装置本体４（集光部２）の向きが北西へと変化していき、太陽方位に近づく。それに伴って熱膨張体に照射される太陽光７の近赤外成分の強度が増大していき、太陽光７の近赤外成分による加熱量と外部大気に放出される熱量が一致する地点で熱膨張体５の膨張量が定まる。太陽方位が変化するとこの熱量がつりあう地点も変化し、それに合わせて熱膨張体５の膨張量が変化していくことで、結果的に午後も追尾装置本体４（集光部２）が太陽の日周運動に対応する運動を続け、集光部２は高い効率で受けた太陽光７を所定位置へ集光し続けることができる。

日没後から日の出前までの夜間は日照が途絶えるので、日中に太陽光７の近赤外成分によって加熱されて膨張した熱膨張体５は外気温によって冷却されて収縮し、案内溝１３ｃの最も東に位置する点を通過して点Ｐｗｃへと至る。さらに段差を通過して点Ｐｗｂ近傍まで移動し、その点で翌朝の日の出を迎えることになる。翌朝の日の出と共に再び熱膨張体５は膨張を開始するが、点Ｐｗｃには段差があるため支持軸先１１が案内溝１３ｃへと逆走することはなく、案内溝１３ｂに沿って再び北西方向へと移動していく。

以上で示されたように、案内溝１３ａ、案内溝１３ｂもしくは案内溝１３ｃのいずれかを支持軸先１１がなぞる際、熱膨張体５に流入する熱が最大となる方位からわずかにずれた位置で支持軸先１１が定まる。そのため、熱膨張体５に流入する熱は所定以上の量にはならず、本願で示される太陽方位追尾装置を備えた太陽光集光装置が日差しの強い地域で使用されても、過熱による熱膨張体５の劣化を抑えることができる。

運動変換部６は、熱膨張体５の膨張収縮による往復運動を太陽の日周運動に対応する運動に変換する機能を有している。ここで、熱膨張体５の熱膨張量が小さく、両矢印ＡＲ１の方向の変位量が不十分であるような場合は、図４に示したように、拡大てこ１４を用いて、両矢印ＡＲ１の運動を両矢印ＡＲ９の運動に拡大すればよい。あるいは、拡大てこ１４を用いる代わりに、熱膨張体の変位量を変位センサーで検出し、その変位量に応じて、支持軸先を電動モーターで変位させることもできる。変位量を変位センサーで検出し、電動モーターで支持軸先を変位させる機構は、特に具体的には記載しないが公知の方法を用いれば良い。

以上のように、図１に示した太陽方位追尾装置３では、追尾装置本体４による太陽方位の追尾が、機械的な機構のみにより実現される。そのため、コンピュータや駆動モーターなどの装置が不要であり、太陽方位追尾装置３のコストを安く抑えることができるだけでなく、電力も不要となり、省エネにもつながる。また故障の可能性も少なく、内蔵時計の時刻修正のようなメンテナンスも不要となる。以上のメリットは、かかる太陽方位追尾装置３を有する太陽光集光装置１についても同様である。

太陽方位追尾装置３の熱膨張体５を膨張させる熱源としては、集光部２で集光された太陽光７の近赤外成分のみを抽出して用いることが好ましい。それを実現させるには、太陽光集光装置１が受光する太陽光７から近赤外成分を分離して熱膨張体５に誘導する光誘導機構が必要となる。

図５は、太陽光集光装置１を構成する集光部２の断面図である。図５に示した集光部２は、パラボラ型反射鏡１５を透明な保護カバー１６で覆ったものにより構成されている。パラボラ型反射鏡１５の焦点近傍には、光誘導機構として分光装置１７が設けられている。この分光装置１７によって分離された近赤外成分を熱膨張体５に誘導し、近赤外成分を除かれた残りの太陽光を屋内の照明部へと伝送すればよい。

具体的には、分光装置１７は焦点付近に通常の鏡と同じ波長無依存型の反射特性を有する凹面鏡１８ａを設け、その手前には、近赤外成分のみを選択的に反射する波長選択性の凹面鏡１８ｂを設けている。近赤外成分のみを選択的に反射する波長選択性反射鏡としては、例えば、誘電体多層膜が挙げられる。
図６に、反射特性の異なる２つの凹面鏡１８の組み合わせからなる分光装置１７の拡大断面図を示した。図６に示したように、２つの凹面鏡１８ａ，１８ｂの組み合わせにより、パラボラ型反射鏡１５により反射された太陽光７の近赤外成分が分離される。分離された近赤外成分は、レンズ１９ｂへ反射される。一方、可視光成分を含む太陽光７の近赤外成分を除く成分は、レンズ１９ａへ反射される。

近赤外成分集光用のレンズ１９ｂへ反射されてくる近赤外成分は、光ダクトや光ファイバを通して、熱膨張体５へと誘導される。一方、レンズ１９ａへ反射されてくる主として可視光からなるその他の成分は、別途光ダクトや光ファイバからなる光伝送部を伝送させて、太陽光照明システムの照射部に伝送し、屋内の照明光として使用される。こうして近赤外成分が除去された残りの太陽光成分を屋内の照明設備へ伝送することにより、近赤外成分による屋内の不必要な気温上昇を抑えることができる。

なお、誘電多層膜による波長選択性反射鏡では、広い波長帯域に渡って一様な高い反射率を得るには高精度な膜厚制御が必要となるが、この場合近赤外成分の反射漏れがあっても熱膨張体５の加熱効率が多少低下する程度の不具合で済む。逆に可視光帯域に反射率の不均一があると屋内に伝送される照明光に不自然な色彩が生じてしまうが、広い波長帯域に渡って一様な低い反射率を得ることはそれほど難しくない。従って、分光装置１７としては近赤外成分の選択的反射鏡と波長非選択的反射鏡の組み合せとする方が、作製が容易である。

太陽光誘導機構としての分光装置１７は、誘電多層膜による波長選択性反射鏡を使用するだけでなく、回折格子やホログラムシートなどの分光光学素子を使用することもできる。

図１に示した本発明の実施形態に係る太陽方位追尾装置３、および、その太陽方位追尾装置３を使用した太陽光集光装置１では、一日中晴天が続くことを前提に、太陽の日周運動に対応して追尾装置本体４（集光部２）が太陽光７を追尾する。しかし天気が一時的に悪化して日照が途絶えた場合、太陽方位に合わせて膨張した熱膨張体５が収縮し、これに伴って追尾装置本体４（集光部２）の向きが日の出前の状態に戻ってしまう。一度追尾装置本体４（集光部２）の向きが日の出前の状態に戻ってしまうと、以上に述べてきた太陽方位追尾機構では後に日照が回復しても翌日の日の出まで太陽方位追尾を再開することができない。熱膨張体５周辺の断熱性を高めることで短時間の日照の途絶による熱膨張体５の収縮を防ぐことができるが、太陽の方位が変化してしまうほど長時間の日照の途絶に対しては有効でない。

この問題を解決するには、主となる集光部２とは別に補助集光部を設け、そこで集光される太陽光７を熱膨張体５へ誘導し、熱膨張体５を加熱するような機構とすればよい。この場合、補助集光部には太陽方位を追尾させられないので広角の光を集光する必要があり、逆に近赤外成分だけでなくすべての光を熱膨張体５の加熱用に用いることができるためそれほど高い集光効率は必要ない。そのため、補助集光部の構造は、図７で示されるような凹レンズの集積体２０ａと凸レンズ２０ｂおよび光ガイド２１の組み合わせとすることが望ましい。

また、集光方位を少し南西側に傾けて固定することで東側からの日光を集光しにくくし、さらに支持軸先１１の動きと連動する光量調整機構を設けて主となる集光部２が西側を向いているほど集光された光の熱膨張体５への導光率が低下するようにすれば、追尾装置本体４が正常に太陽方位を追尾している際の影響を小さく、逆に日照があるにもかかわらず追尾装置本体４の追尾機能が停止している場合には大きな影響力を持つようにすることができる。

具体的には、図８に示したように、光を導波するための光ファイバ２３もしくは光結合レンズ２２の固定にばね２５などによる遊びを持たせ、熱膨張体５の膨張具合に応じた変位を伝達させて光ファイバ２３への光結合効率を調節すればよい。

本発明の実施形態に係る太陽方位追尾装置、およびその太陽方位追尾装置を備えた太陽光集光装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽方位追尾装置の運動変換部で使用される案内溝の平面図の一つの例である。 本発明の実施形態に係る太陽方位追尾装置の運動変換部で使用される案内溝の平面図の別の例である。 熱膨張体の膨張収縮による変位量を拡大する機構を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽光集光装置で使用される集光部の断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽光集光装置で使用される集光部に設けられる分光装置の断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽光集光装置で使用される、凹レンズの集積体と光ガイドの組み合わせからなる補助集光部の断面図である。 外部から伝達される変位量に応じて集光レンズから光ファイバへの光結合効率を変化させる機構を示す断面図である。

符号の説明

１…太陽光集光装置
２…集光部
３…太陽方位追尾装置
４…追尾装置本体
５…熱膨張体
６…運動変換部
７…太陽光
８…経路
９…支持軸
１０…接続部
１１…支持軸先
１２…支持部材
１３…案内溝
１４…拡大てこ
１５…パラボラ反射鏡
１６…保護カバー
１７…分光装置
１８…凹面鏡
１９…レンズ
２０ａ…凹レンズ集積体
２０ｂ…凸レンズ
２１…光ガイド
２２…光結合レンズ
２３…光ファイバ
２４…光ファイバ固定部材
２５…ばね

Claims (11)

1. 太陽光による熱に基づき膨張収縮する熱膨張体と、
   前記熱膨張体の膨張収縮に伴う往復運動を太陽の日周運動に対応する運動へ変換する運動変換部と、
   前記運動変換部による運動と連動することにより太陽方位を追尾する追尾装置本体とを有する太陽方位追尾装置であって、
   前記運動変換部は、
   前記熱膨張体との接続部と下端の軸先とをもつ前記追尾装置本体の支持軸と、
   前記支持軸先がなぞることによって前記接続部の運動に基づく前記支持軸の運動を太陽の日周運動に対応するように変換する、固定された基板上に刻まれた案内溝と、
   前記支持軸が貫通する円形のリングもしくは穿孔を有する板材、および固定された基板との接続部からなる支持部材と
   を有する太陽方位追尾装置。
2. 前記熱膨張体の変位量を変位センサーで検出し、その変位量に応じて、熱膨張体とは別体に設けた支持軸先を電動モーターで変位させることで、前記支持軸先に駆動力を与え、電動モーターの駆動力により、前記支持軸先の運動を制御するかもしくは拡大てこを用いて変異量を増幅させて支持軸先の運動を制御する請求項１に記載の太陽方位追尾装置。
3. 端点を有する開いた円弧状曲線形状であり、所定の部位において深さに変化をもたせてある前記案内溝を有する、請求項１または請求項２に記載の太陽方位追尾装置。
4. 閉曲線形状であり、正午に前記熱膨張体が最も膨張した状態で前記太陽方位追尾装置が南側を向くことになるような形状で、所定の箇所に前記軸先の逆走を防ぐための段差を設けてある前記案内溝を有する、請求項１または請求項２に記載の太陽方位追尾装置。
5. 案内溝が可動式の基板上に設けてあり、前記基板の位置を変位させることで季節の変化に伴う太陽の日周運動の変化に対応させる機能を有する請求項１、３、４項のいずれかに記載の太陽方位追尾装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽方位追尾装置を備え、前記太陽方位追尾装置と連動して太陽方位を追尾する太陽光の集光部を有する太陽光集光装置。
7. 前記集光部が集光した太陽光の一部を前記熱膨張体へ誘導する光誘導機構を有する請求項６に記載の太陽光集光装置。
8. 前記集光部が集光した太陽光の近赤外成分を分離する分光装置を有し、前記分光装置により分離された近赤外成分を前記光誘導機構により前記熱膨張体へ誘導する分離誘導装置を有する、請求項７に記載の太陽光集光装置。
9. 前記分光装置は、前記集光部が集光した太陽光の近赤外成分を選択的に反射する誘電多層膜からなる反射鏡と、波長無依存型の反射特性を有する反射鏡により構成されている、請求項８に記載の太陽光集光装置。
10. 前記集光部とは異なる補助集光部を有し、日照の途絶により前記太陽方位追尾装置の太陽方位追尾が停止した後、日照が回復したときに前記補助集光部が集光した太陽光が前記熱膨張体に照射されることで前記太陽方位追尾装置の太陽方位追尾を再開させる機能を有する、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の太陽光集光装置。
11. 請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の太陽光集光装置と、太陽光集光装置で集光された太陽光を照明部へと伝送する光伝送部と、伝送されてきた太陽光を屋内へ照射させる照射部とを備えた太陽光照明システム。
    

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