JP5807930B2 - 照明設備の照度制御システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばトンネル内の照明設備について、その照度を制御する照明設備の照度制御システムに係り、主に、太陽光発電などの自然エネルギーおよび商用電源の複数の電源を直流として合成し、例えばＬＥＤなど照明装置に照明用電力を供給する照明設備の照度制御システムであり、前記太陽光発電の発電電力に対応してトンネル内の照度を自動調整し、また、直流を使用することでトンネル内に放射されるノイズを低減し、深度における適切な照度調整と、故障検出および故障箇所推定、事故等の警告表示を可能とする照明設備の照度制御システムに関するものである。

エネルギー問題が重要な課題となりつつある現代社会において、自然エネルギーの導入は急務であり、また、エネルギーの消費においても、エネルギー利用効率の向上が求められている。近年の半導体技術の進歩により、直流利用における電力効率は格段に向上しており、また、自然エネルギーの代表ともいえる太陽光発電によって得られる電力も直流であり、また、高効率の照明装置として注目されているＬＥＤも直流で動作するものである。そこで、発電から消費まで直流として利用することで、効率を向上させることも可能である。

太陽光発電は、日照がある時間帯にしか電力を得ることができない。そのため、一般家庭などでの照明利用においては、一番電力を必要とする夜間に電力を得られず、有効利用が困難であった。

一方、トンネル内照明においては、日中の明るい時間帯には、トンネルに入っても、視力を維持できるようにするため、特にトンネル入り口付近は明るくする必要があり、また、夜間は目も暗い環境に順応しているため、トンネル内の照明も暗くすることができる。

一般に人間の目は10,000ルクスを超える直射日光下の照度から、満月時の1ルクスを下回る照度にまで順応する能力を持っているが、特に暗い場所では瞳孔の絞り機能の他に、網膜の感度を変える生理的な順応が働くと言われている。このため晴天下からいきなり暗いトンネル内に突入したときの走行速度に比べ、網膜や絞り機能が遅ければ、瞬間的に視界を失い大変危険と云わざるを得ない。

またトンネル内の暗闇から急に晴天下に出る瞬時のまぶしさも大変危険と言わざるを得ない。このため、例えばトンネル照明にはトンネル入口と出口には適度な照度が必要となる。またこの場合外部の照度との間において一定の連動を伴うことは、瞳孔機能を補佐する他、電力消費を軽減し、且つ照明器具に於いて負荷の軽減が器具のライフサイクルにも及ぶのである。日頃トンネル通行時にこのような視点から観察していると、比較的適切でない照度管理や不点灯などが見受けられ、所定の基準に対応出来ていないトンネルが垣間見られる。管轄自治体に於いても多忙を理由に放置出来るものでもなく、統括管理の国に於いても有事の場合には人の命は計り知れなく、またそのような不測による人命軽視を防止する必要がある。更にこれまでの管理業者の目視点検による維持管理には往来の危険も伴い、その維持管理費も少なくないものである。

この発明は運転者の視界を損なう事無く、照度をコントロールして事故を未然に防ぐことにつながり、加えて電力消費コストを低減させることができる。遠隔監視は管理コストの低減と安全につながり、トンネルが連なる連山の場合に於いても有効な技術である。

トンネル内照明は、一般家庭用の照明とは異なり、太陽光発電の発電可能時間と需要の時間帯が一致しており、非常に親和性が高く、太陽光発電を有効に利用することができる。

また、トンネル内の照明は、停電などによって消えると、事故の原因になる可能性があるため、何らかの問題が発生しても常に電力を供給しなければならないが、直流合成技術を利用することで、災害に強い照明用電源を作ることができる。また、直流を用いることで、ノイズの除去も容易であり、商用電源の周波数のノイズの影響も極めて少なくなる。

現在多く使われている蛍光灯や、トンネルや街頭などでよく使われる水銀灯、ナトリウムランプは、放電管の一種であるため、調整可能な明るさの範囲が制限され、また、ノイズも多い。また、特に寒冷地において、これらの放電現象を利用している照明機器は、低温下では点灯しなかったり、点灯したとしても、十分な明るさになるまで長い時間がかかってしまったりする場合がある。

一方、ＬＥＤ照明は、水銀灯やナトリウムランプに比べて、広い範囲での輝度の調整が可能であり、ノイズもほとんど発生しない。さらに、ＬＥＤ照明は、低温下でも問題なく瞬時に点灯することができる。

特開２０１１−１８１０５５号公報

かくして、本発明による照明設備の照度制御システムは、前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、本発明により、電力効率のよい直流利用のトンネル用照明および、複数のエネルギー源を利用でき、直流電力合成技術により、電源喪失の可能性が極めて低い照明用電源装置を構築でき、ノイズが少なく、また、トンネル内の場所に応じてそれに適した明るさを確保でき、さらに、自然エネルギーを利用し、外の明るさに連動して遠隔でトンネル内の明るさを自動調整でき、トンネル内の照明機器等に故障などの問題が発生した場合にはこれを外部に知らせることができ、また、照明の点滅により、事故などの警告表示を行うことを可能とするものである。

本発明による照明設備の照度制御システムは、
両端部に外部と連通する開口を有する構造物内に設置された、複数種類の電源装置から電力供給が受けられる複数照明装置からなる照明設備の照度制御システムであり、
前記複数の照明装置は、前記構造物内の長手方向に向かって間隔をおいて設置され、
前記複数種類の電源装置は、太陽光発電装置を含んで構成され、出力された直流電力は、電力合成装置で合成され、合成された直流電力は、複数のループ配線に出力され、前記複数のループ配線には各々照明装置が接続されて電力供給され、
前記構造物内に設置された複数照明装置は、少なくとも、構造物の開口に一番近い照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ａに、構造物の中央の照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ｃに、構造物の開口に一番近い照明装置と構造物の中央の照明装置との中間での照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ｂに接続されると共に、前記各電力変換装置による電圧制御により前記各照明装置の照度制御が可能とされ、
リアルタイムでの外部の照度を、前記太陽光発電装置のリアルタイムでの発電電力により計測し、該計測値に基づき、外部の照度に対応した前記各ループ配線Ａ、ループ配線Ｂ、ループ配線Ｃに接続された照明装置の照度を制御してなり、
前記照明装置の故障箇所推定は、前記各ループ配線の抵抗値と、該ループ配線に接続された照明装置の数、該照明装置の取り付け位置から任意の位置での照明装置の電力消費量が計算可能とされて、前記任意の位置の照明装置が外されたときの電力消費量も計算可能とされ、いずれかの照明装置が故障したとき、前記電力消費量の計算値と前記ループ配線に接続された電流計、電圧計の測定値とを比較することで行える、
ことを特徴とし、
または、
前記複数照明装置につき、放電ノイズを発しないＬＥＤを使用し、前記構造物内で受信する放送機器の受信状態に影響を及ぼさない照度制御システムとした、
ことを特徴とし、
または、
前記複数種類の電源装置は、太陽光発電装置のほか、風力発電装置、商用電源装置、バッテリー、非常用発電機の全てあるいはいずれかが含まれる、
ことを特徴とし、
または、
前記複数種類の電源装置の内、いずれかの電源装置が失われても他の電源装置で電力供給できる、
ことを特徴とし、
または、
前記ループ配線に設置した電流計・電圧計の検出値により、構築物内で発生したトラブル並びに照明装置の故障が検出できる、
ことを特徴とし、
または、
前記照明装置内または前記照明装置に隣設して煙検出器を設置し、該煙検出器により煙の発生を検出できる、
ことを特徴とするものである。

すなわち、本発明は、例えば、太陽光発電と、他の電源装置からの電力とを合成する電力合成装置を有し、直流により動作し、電圧によって明るさが変化する照明装置から構成され、また、負荷に直流を利用しているため、低ノイズであり、太陽光発電を利用することで、照明の照度を、外部の明るさに連動させることができ、複数の電源の電力を合成利用することにより、ひとつあるいは複数の電源が失われても、他の電源からの電力供給を可能とするものであり、照明装置への接続をループ配線で行うことにより、配線による電圧降下を減少さるとともに、供給電流を測定することで、照明の稼働状況を検出でき、ループ配線の導通をチェックすることで、断線が発生するような事態（崩落など）の事故を検出でき、照明の近くに煙を検出できる受光素子を設置することで、煙検出および風向検出を可能とするものである。

本発明によれば、電力効率のよい直流利用のトンネル用照明装置および、複数のエネルギー源を利用でき、直流電力合成技術により、電源喪失の可能性が極めて低い照明用電源装置を構築でき、ノイズが少なく、また、トンネル内の場所に応じてそれに適した明るさを確保でき、さらに、自然エネルギーを利用し、外の明るさに連動して遠隔でトンネル内の明るさを自動調整でき、トンネル内の照明機器等に故障などの問題が発生した場合にはこれを外部に知らせることができ、また、照明の点滅により、事故などの警告表示を行うことを可能とするとの優れた効果を奏する。

すなわち、本発明であれば、場所により適切な明るさを設定でき、低ノイズにより、トンネル内のラジオ放送等に悪影響を与えず、太陽光発電、風力発電、商用電源、バッテリー、非常用発電機など複数の電源が使用可能であり、ひとつの電源が失われても他の電源で電力供給でき、太陽光発電とトンネル内の明るさを連動することで、ドライバーの視覚に負担をかけず、照明装置の故障および故障個所をも検出でき、ループ配線により電圧降下低減＆落盤事故が検出でき、煙や煙の方向が検出でき、それをスムーズな排煙に利用できるのである。

照明設備の照度制御システムの構成の説明図である。 電力合成装置の構成の説明図である。 照明設備の照度制御システムの出力部分の説明図である。 照明装置の説明図である。 ループ配線と照明装置の説明図である。 照明装置の故障検出の説明図である。 煙検出の説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図１に、本発明の構成例の全体図を示す。

電力源１・・・としては、太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置などの自然エネルギー源、あるいは、商用電源、非常用発電機、バッテリーなどが挙げられる。 なお、交流出力の電力源1の場合は、ＡＣ／ＤＣ変換装置３を接続し、直流にしてからその電力を利用する。特に本発明をトンネル８内で実施する場合には、前記電力源１として水力発電装置の利用が考えられる。すなわち、トンネル８はいわゆる山間部に設けられることが多く、高低差のある山間部であれば、クリーンな自然エネルギーをもたらす多数の水力発電装置の設置がきわめて有効となるからである。

これらの電力は、電力変換装置２により、適切な電圧に変換されたのち、電力合成装置４によって合成され、出力される。

ここで、電力変換装置２は、入力された電力を、使用したい電力形態（電圧および電流）に変換するもので、スイッチングレギュレーターなどが例としてあげられる。また、出力５には、ループ配線１０および照明装置９などが含まれる。

電力合成装置４は、電力源１・・・の電力を合成する装置であり、図２にその構成例の一例を示す。符号６は、逆流防止用のダイオードＤであり、これについては、ＦＥＴなどの半導体スイッチ素子を使用した同等の働きをする回路で置き換えることもできる。

なお、ここでは４個の電力源１・・・を接続する例を示しているが、１〜３台の電力源１でも、あるいはさらに多くの電力源１・・・でも利用することが可能である。具体的には、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電、商用電源、バッテリー、非常用発電装置などを接続することが可能であり、複数の電力源１・・・を接続している場合は、そのうちの一部の電力源１が喪失しても、他の電力源から電力を補うことが可能である。

次に、出力５（ループ配線１０および照明装置９）の一構成例を図３に示す。電力合成装置４の出力は、出力５内の電力変換装置２により適切な電圧に変換され、それぞれのループ配線１０・・・に出力される。ループ配線１０を使用することにより、配線の電気抵抗による電圧降下を半分に抑えることが可能となる。

ループ配線１０とすることにより、電圧降下を抑えることができるため、運用時の経済コストと負荷までの電圧降下の低減をもたらすことが出来る。また、断線による消灯をも防ぐことができる。

なお、電力合成装置の出力側（図３）の電力変換装置２の出力電圧は、制御装置１３によって制御される。ここで、制御装置１３は、電流計・電圧計７の値をチェックし、電力変換装置２の電圧を決定するためのものであり、該制御装置１３としてワンチップマイコンなどを使用することができる。

この図３の例では、３つのループ配線１０があり、照明装置９は、入り口からの距離に応じて、３つのループ配線１０のうちのひとつに接続される。一番入口に近い照明装置９はループAに接続され、次の位置の照明装置９はループBに接続され、一番奥（中央）の照明装置９はループCに接続されている。

（照明照度の設定）
ここで、ループA、ループBおよびループCの電圧を調整することで、入り口からの距離に対応して、トンネル内の照明装置９・・・の明るさを変化させることができる。

照明装置９・・・の回路例を図４に示す。ＬＥＤ１１にかかる電圧をVD、抵抗器12にかかる電圧をVRとする。ＬＥＤ１１の性質より、ＶＤはほぼ一定電圧である。照明装置９にかかる電圧をＶとすると、ＬＥＤ１１にかかる電圧VDとの関係は次式で表現される。

Ｖ＝VD＋VR

また、ＬＥＤ１１に流れる電流Iは、抵抗器12に流れる電流と同じであり、

I=(VR)/R

となる。したがって、ＬＥＤ１１に流れる電流を、照明装置９にかかる電圧Ｖで表すと、次のようになる。

I=(V-VD)/R …式１

ＶＤおよびＲは一定であるので、ＬＥＤ１１に流れる電流は、照明装置９にかかる電圧Ｖにより決まることになる。また、ＬＥＤ１１の明るさは、電流Iに比例する。

したがって、照明装置９の明るさは、照明装置９にかかる電圧Vにより、制御できることがわかる。

よって、三つのループ配線10（ループＡ、ループＢ、ループＣ）それぞれについて電圧を変更することで、トンネル内のそれぞれの照明装置９・・・の明るさを制御することができることとなる。

（外の明るさとの連動）
実際にトンネル８の明るさを制御する例を示す。

トンネル８内の照明装置９・・・は、入り口に近いほど明るく、中央部分が暗くなるように設定されている。また、日中はトンネル８内も明るく、夜間はトンネル８内も暗くなるよう設定される。
このように、トンネル８内の照明装置９・・・による照明制御は、外の明るさと、位置（入り口からの距離）により決定され、位置による明るさは、図３に示す様にいずれかのループ配線１０との接続などにより設定することができる。

一方、外の明るさについては、太陽光発電装置が接続されている場合、太陽光発電装置の発電電力により知ることができる。ここで、太陽光発電装置の発電電力は、電流計・電圧計7により測定することができ、制御装置１３により、測定した電力（電流×電圧）にしたがってループ配線１０・・・に供給する電圧を制御することで、外の明るさに対応したトンネル８内の照明照度を設定することが可能となる。
または、照度計を制御装置１３に接続し、これに基づいてトンネル８内の照明照度を決めることも可能である。

（低ノイズ）
水銀灯やナトリウムランプは、放電管であるため、放電する際にノイズを発生させてしまうが、ＬＥＤ１１を使用すると、放電によるノイズは発生しない。そのため、照明装置９について、図４のような回路でＬＥＤ１１を直流で使用した場合、ノイズの発生を最小限に抑えることが可能となる。

（照明装置９の故障検出）
照明装置９の故障は事故の原因になりうるので、ただちに修理・交換などの対処が行われることが望ましい。そのためには、照明装置９の故障を検出する必要がある。本発明においては、照明装置９の故障の検出が可能である。

この原理について図５を参照して説明する。
図５に、電力変換装置２からループ配線１０、照明装置９の配線を示す。このうち、電流計・電圧計７からループ配線１０、照明装置９の部分を抜粋したものが図６である。
ここで、ループ配線１０の抵抗値をＲＬ（Ω）とし、配線の長さを、電流計・電圧計７から照明装置９までについてそれぞれL1（ｍ）、L2（ｍ）とする。

L1、L2の抵抗値はそれぞれ(L1×RL)／(L1+L2)、(L2×RL)／(L1+L2)であり、Ｌ１とＬ２の抵抗成分が並列接続になっているとみなせることから、電流計・電圧計７から照明装置９までのループ配線１０における抵抗値は、
(L1×L2×RL)/((L1+L2)×(L1+L2))
と表現される。電源＋側と―側があるので、全体ではこの２倍の
2×(L1×L2×RL)/((L1+L2)×(L1+L2))
という値の抵抗値となる。これをRXとする。

式１より、
I=(V-VD)/R
において、ＲにこのＲＸを加えた値を代入すると、
I=(V-VD)/(R+RX)
となり、電流計・電圧計７から見た消費電力（両端の合計）は、
V×(V-VD)/(R+RX)
となる。

もし、この照明装置９が故障した場合は、それだけの電力の消費がなくなるため、電流計・電圧計７の値をチェックすることで、照明装置９の故障を容易に検出することができるものとなる。

照明装置９が複数存在する場合についても、同様にして、配線の抵抗分と、照明装置９の数、取り付け位置から、任意の位置の照明装置９においてどれだけ電力が消費されるかを計算することが可能であり、また、その位置の照明装置９が外された場合の電力も計算可能である。どれかひとつの照明装置９が故障した場合、この計算値と、ループの両端の電流計・電圧計７の測定値を比較することで、故障個所を推定できるのである。

（事故検出）
通常、ループ配線１０の両端の電流計・電圧計７には、それぞれに照明装置９・・・への電流が流れている。しかし、何らかの原因により、片側の電流値が０になった場合は、そのループ配線１０に接続されている照明装置９までの間で断線が発生したと考えられる。電流値が減少して、なおかつ減少した電流値が０ではなかった場合は、照明装置９と照明装置９の間で断線したと判断できる。

ループの片側のみ電圧をかけることで、その消費電力から、電圧をかけた側に照明装置９が何個接続されているかを知ることができる。これにより、何番目の照明と何番目の照明の間で配線が切れたかを知ることができる。

例えば、３個の照明装置９が接続されている場合、片側（こちら側をＡとする）のみ電圧をかけた場合、消費電力は照明装置１台分であり、反対側（こちら側をＢとする）からのみ電圧をかけたとき、消費電力が照明装置２台分であった場合、Ａから見て１番目と２番目の照明装置の間で断線が発生したと考えられる。

ループ配線１０が、充分に保護されているならば、ループ配線１０の断線は、落盤などの事故の発生した可能性を示すものであり、このような事態が発生した場合に、何らかの形で警報を出すことで、事故の防止につながる。

（煙検出）
次に、例えば、照明装置９内にまたは該照明装置９に隣接して受光素子１４を配置することで、煙検出が可能となる。なお、煙検出器として受光素子１４を挙げたが、煙を検出できる感知器であれば受光素子１４に限定されるものではない。

図７に一例を示す。トンネル８内で煙１５が発生した場合、その付近の照明装置９から出た光が煙１５に反射し、受光素子１４に到達することで、受光素子１４の検出光量が変化する。これを利用して、煙検出を行うことが可能である。
また、受光素子１４を複数配置することで、煙の発生位置を絞り込むこともできる。

１ 電力源
２ 電力変換装置
３ AC/DC変換装置
４ 電力合成装置
５ 出力部（電力変換回路、ループ配線、照明装置）
６ 逆流防止ダイオード
７ 電流計・電圧計
８ トンネル
９ 照明装置
１０ ループ配線
１１ LED
１２ 抵抗器
１３ 制御装置
１４ 受光素子
１５ 煙

Claims (6)

1. 両端部に外部と連通する開口を有する構造物内に設置された、複数種類の電源装置から電力供給が受けられる複数照明装置からなる照明設備の照度制御システムであり、
   前記複数の照明装置は、前記構造物内の長手方向に向かって間隔をおいて設置され、
   前記複数種類の電源装置は、太陽光発電装置を含んで構成され、出力された直流電力は、電力合成装置で合成され、合成された直流電力は、複数のループ配線に出力され、前記複数のループ配線には各々照明装置が接続されて電力供給され、
   前記構造物内に設置された複数照明装置は、少なくとも、構造物の開口に一番近い照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ａに、構造物の中央の照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ｃに、構造物の開口に一番近い照明装置と構造物の中央の照明装置との中間での照明装置が電力変換装置、電力計、電圧計を介してループ配線Ｂに接続されると共に、前記各電力変換装置による電圧制御により前記各照明装置の照度制御が可能とされ、
   リアルタイムでの外部の照度を、前記太陽光発電装置のリアルタイムでの発電電力により計測し、該計測値に基づき、外部の照度に対応した前記各ループ配線Ａ、ループ配線Ｂ、ループ配線Ｃに接続された照明装置の照度を制御してなり、
   前記照明装置の故障箇所推定は、前記各ループ配線の抵抗値と、該ループ配線に接続された照明装置の数、該照明装置の取り付け位置から任意の位置での照明装置の電力消費量が計算可能とされて、前記任意の位置の照明装置が外されたときの電力消費量も計算可能とされ、いずれかの照明装置が故障したとき、前記電力消費量の計算値と前記ループ配線に接続された電流計、電圧計の測定値とを比較することで行える、
   ことを特徴とする照明設備の照度制御システム。
   
2. 前記複数照明装置につき、放電ノイズを発しないＬＥＤを使用し、前記構造物内で受信する放送機器の受信状態に影響を及ぼさない照度制御システムとした、
   ことを特徴とする請求項１記載の照明設備の照度制御システム。
   
3. 前記複数種類の電源装置は、太陽光発電装置のほか、風力発電装置、商用電源装置、バッテリー、非常用発電機の全てあるいはいずれかが含まれる、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の照明設備の照度制御システム。
   
4. 前記複数種類の電源装置の内、いずれかの電源装置が失われても他の電源装置で電力供給できる、
   ことを特徴とする請求項３記載の照明設備の照度制御システム。
   
5. 前記ループ配線に設置した電流計・電圧計の検出値により、構築物内で発生したトラブル並びに照明装置の故障が検出できる、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載の照明設備の照度制御システム。
   
6. 前記照明装置内または前記照明装置に隣設して煙検出器を設置し、該煙検出器により煙の発生を検出できる、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５記載の照明設備の照度制御システム。
   

Images