JP6224813B2 - ハイブリッド太陽光照明システム用の発光ダイオード入力 - Google Patents

Description

本開示は、包括的に、受動太陽光照明に関し、より具体的には、光ファイバーを使用するハイブリッド太陽光照明システムに関する。

光ファイバーは、長距離電気通信及び産業用レーザーを含む多くの応用形態において既に重要な役割を果たしている。光ファイバーは、受動太陽光照明のための伝送媒体として使用することができることが有利である。ハイブリッド照明システムは、受動太陽光照明と人工照明との組合せとして定義され、したがって、太陽光が利用可能でないときの照明を可能にする。幾つかの事例において、ハイブリッド照明システムは、従来の人工照明システムと比較して、より経済的でかつ環境にやさしく、したがって、ハイブリッド照明技法を改良するための継続的な努力が存在する。

ハイブリッド照明システムが開示され、このハイブリッド照明システムにおいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光が、太陽光収集器からの日光とともに照明ポイントに光を送出する光ファイバー分配システムを共有する。開示されるシステムは、ハイブリッド照明システムを使用するエリアにおいて光のための電気及び電気導管の量を低減する。

本開示の多くの態様は、以下の図面を参照することでよりよく理解することができる。図面内のコンポーネントは、必ずしも一定比例尺に従っておらず、代わりに、本開示の原理を明確に示すことに力点が置かれる。さらに、図面において、同じ参照数字は幾つかの図面を通して対応する部分を指定する。

本発明の一態様による、ハイブリッド照明システムの一実施形態を示す図である。 本発明の一態様による、ハイブリッド照明システムの別の実施形態を示す図である。 本発明による、ＬＥＤが光源として使用される、集光レンズと一体化された発光ダイオード（ＬＥＤ）及び反射器の幾つかの実施形態を示す図である。 本発明による、ＬＥＤが光源として使用される、集光レンズと一体化されたＬＥＤ及び反射器の幾つかの実施形態を示す図である。 本発明による、日光が光源として使用される、集光レンズと一体化されたＬＥＤ及び反射器の幾つかの実施形態を示す図である。 本発明による、日光が光源として使用される、集光レンズと一体化されたＬＥＤ及び反射器の幾つかの実施形態を示す図である。

受動照明は、日光に頼って建物及び他の構造内の内部エリアを照明する再生可能照明を指す。受動照明は、窓又は天窓を建物に付加することによって、又は、外部から太陽光を収集し、光ファイバー等の導管によって内部の所望の照明ポイントに送出することによって達成することができる。受動照明は、充分な日光が利用可能であるときにうまく働く。しかし、純粋な受動照明システムは、日光が弱いか又は存在しないときに機能しない。弱いか又は存在しない日光の収集及び集光は、十分な（adequate）内部照明を提供しない。そのため、この問題に対処するためのハイブリッド照明システムが存在する。

ハイブリッド照明システムは、人工照明コンポーネントで補完される受動照明システムを有するシステムである。雲に覆われている間又は夜間等、日光が弱いか又は存在しないときに、照明を提供するために人工照明コンポーネントが使用される。通常、ハイブリッド照明システムは、照明ポイントに人工光源を有する。例えば、一般的なハイブリッド照明システム内の照明ポイントにおける器具は、受動照明システム用の導管と、電気によって電力供給され、必要に応じて器具においてスイッチオンすることができる人工光とを含むことができる。

あえて言うなら、従来のハイブリッドシステムは、照明ポイントにおいて容易に利用可能な電気供給を有する構造内でうまく働く。他方、従来のシステムは、電気的アクセスが建物内の少数のポイントにだけある建物にあまり適さない。さらに、新しい構造において、人工コンポーネントに対して通常使用される電気エネルギー及び材料の量を減少させる改良型ハイブリッド照明設計によって更なる経済的節約及び環境的削減を達成することができる。このことを考慮して、商業的に実行可能であり、制限された電気的アクセスを有する建物に、また同様に、新しい建物構造に適する、改良型ハイブリッド照明システムの必要性が存在する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、他の人工照明ソリューションと比較してより効率的にエネルギーを使用するための、当技術分野で知られている固体照明の一形態である。その核心として、ＬＥＤは、オンにされると、層内で電子正孔との電子の再結合を可能にし、光子としてエネルギーを放出する半導電性材料の層を備える小型チップである。ＬＥＤは、他の人工光源に勝る多くの利点を提示し、その利点は、より低いエネルギー消費、より長い寿命、より小さなサイズ、及びより高い物理的頑健性を含むが、それに限定されない。そのため、ＬＥＤは、コスト及びエネルギー消費を低減することを目指すハイブリッド照明システムにおいて使用するのによく適する。

これらの概念を念頭に置いて、ここで、図面に示す実施形態の説明が詳細に参照される。幾つかの実施形態がこれらの図面に関連して述べられるが、本明細書で開示する１つ又は複数の実施形態にその開示を限定する意図は全く存在しない。逆に、その意図は、全ての代替形態、修正形態、及び等価物をカバーすることである。

図１は、ＬＥＤのパネルが光を収集し、光ファイバーによって複数のポイントに分配するハイブリッド照明システムの一実施形態を示す。一実施形態において、システムは、個々のＬＥＤ１０２を備えるＬＥＤパネル１０１を備える。ＬＥＤパネル１０１は、太陽光収集パネル１０３に面するように向けることができるように構成される。太陽光収集パネルは当技術分野において既知であり、したがって、開示される実施形態に関する簡潔な議論だけがここで提示される。太陽光収集パネル１０３は、パネルを形成するために配列された個々の集光レンズ１０４から構成される。集光レンズ１０４はフレネルレンズであることが好ましい。

雲に覆われていない日中等の十分な太陽光がある間、ＬＥＤパネル１０１は、電源をオフにされ、太陽光収集パネル１０３に直接向かない。太陽光が、日出又は日没の近く等で不十分（inadequate）であるか、又は夜間等で利用不可能であるとき、ＬＥＤパネル１０１は、電源をオンにされ、太陽光収集パネル１０３に直接向く。動作時、ＬＥＤパネル１０１内のＬＥＤ１０２は、太陽光収集パネル１０３に人工光１０６を提供する。光は、その後、太陽光収集パネル１０３に結合された光ファイバー１０５を通して照明ポイントまで伝搬される。換言すれば、太陽光収集パネル１０３からの光は、元々は太陽光からのものであるか又はＬＥＤから放出される光であるが、光ファイバーによって照明ポイントに分配される。光ファイバーは、低減衰を有するシリカベースファイバーであることが好ましい。他の実施形態において、光ファイバーは、プラスチック等の別の適した材料で作られる場合がある。簡潔に言えば、図１は、ハイブリッド光分配システムを示し、このシステムにおいて、１次光源としての日光及び２次光源としてのＬＥＤから放出される光は、光ファイバーを共有して、光を照明ポイントに分配する。

幾つかの実施形態の場合、太陽光収集パネル１０３は固定位置にあることができ、ＬＥＤパネル１０１は調整可能とすることができる。これらの実施形態において、十分な太陽光が存在する場合、ＬＥＤパネル１０１は、太陽光収集パネル１０３と太陽との間に来ないように移動される。太陽光が不十分なとき、ＬＥＤパネル１０１を、太陽光収集パネル１０３に向くように調整することができる。例えば、ＬＥＤパネル１０１は、支持部材に結合され、したがって、支持部材上の軸の回りを回転して、太陽光収集パネル１０３の方に又はそこから外れて向くことができる。ＬＥＤパネル１０１が太陽光収集パネル１０３に向くと、ＬＥＤパネル１０１は、オンに切り替えられ、光１０６を太陽光収集パネル１０３に送る。その後、光は、光ファイバー１０５を通して照明ポイントまで伝搬される。

他の実施形態において、ＬＥＤパネル１０１は固定され、その一方で、太陽光収集パネル１０１は調整可能とすることができる。十分な太陽光が存在するとき、太陽光収集パネル１０３は、ＬＥＤパネル１０１が太陽光収集パネル１０３と太陽との間に存在しないように移動される。太陽光が不十分なとき、太陽光収集パネル１０３は、ＬＥＤパネル１０１に向くように調整される。例えば、太陽光収集パネル１０３は、支持部材に結合される場合があり、したがって、支持部材上の軸の回りを回転して、ＬＥＤパネル１０１の方に又はそこから外れて向くことができる。太陽光収集パネル１０３がＬＥＤパネル１０１に向くと、ＬＥＤパネル１０１は、オンに切り替えられ、光１０６を太陽光収集パネル１０３に送る。その後、光は、光ファイバー１０５を通して照明ポイントまで伝搬される。

さらに、ＬＥＤパネル１０１と太陽光収集パネル１０３とはともに、調整可能とすることができる。そのため、十分な太陽光が存在するとき、ＬＥＤパネル１０１と太陽光収集パネルとはともに、ＬＥＤパネル１０１が太陽光収集パネル１０３と太陽との間に存在しないように移動することができる。太陽光が不十分なとき、太陽光収集パネル１０３及びＬＥＤパネル１０１は、両者が互いに向くように調整される。

簡潔に言えば、太陽光収集パネル１０３は、太陽光が十分であるときに太陽から自然光を、又は、太陽光が不十分であるときにＬＥＤパネル１０３から人工光を収集する。収集された光は、その後、光ファイバー１０５を通して照明エンドポイントに伝搬される。ＬＥＤ１０２から出力される光を制御することにより、エンドポイント照明の強度を制御することができる。この構成を使用する実施形態は、設計の単純さが重要である応用形態に有利である。

図１に関して開示される実施形態は、簡単でかつ頑健な設計の利点を有するが、ＬＥＤ１０２によって生成される光を浪費することなくどのエンドポイントが照明を受取るかを制御するメカニズムを提供しない。このことを念頭に置いて、ハイブリッド照明システムの別の実施形態を示す図２に注意が向けられる。図２の実施形態において、ＬＥＤ２０１は、太陽光収集パネル２０４の反射器２０２に結合される。好ましくは、各反射器２０２は、パラボラ型であり、対応するＬＥＤ２０１は、反射器２０２の焦点に取付けられる。

反射器とＬＥＤとの各組合せは、次に、集光レンズ２０３に結合される。集光レンズ２０３はフレネルレンズであることが好ましい。別の言い方をすれば、太陽光収集パネル２０４は、１つ又は複数の個々の集光レンズ２０３を備える。各集光レンズ２０３は、集光レンズ２０３上に取付けられる対応する反射器２０２及びＬＥＤ２０１を有する。そのため、図１に関して開示される実施形態と違って、図２に関して開示される実施形態は、別個のＬＥＤパネル１０１を有しない。代わりに、太陽光収集パネル２０４の各集光レンズ２０３は、対応するＬＥＤ２０１及び反射器２０２を有する。そのため、人工光源は、別個のデバイス内に収容されるのではなく、むしろ、太陽光収集パネル２０４の一体化コンポーネントである。

図２を念頭に置いて、図２の太陽光収集パネル２０４の集光レンズと一体化されたＬＥＤ及び反射器の実施形態を示す図３Ａ及び図３Ｂに注意が向けられる。図３Ａ〜図３Ｄを参照して開示される実施形態は、ハイブリッド光分配システムの更なる例であり、１次光源としての日光及び２次光源としてのＬＥＤから放出される光は、光ファイバーを共有して、光を照明ポイントに分配する。

図３Ａに示すように、一実施形態において、ＬＥＤ３０１は、パラボラ反射器３０３の焦点３０２に位置決めされ、それにより、ＬＥＤ３０１はパラボラ反射器３０３の頂点に向く。パラボラ反射器３０３は集光レンズ３０５に結合される。好ましい実施形態において、集光レンズ３０５はフレネルレンズである。

幾つかの実施形態において、ＬＥＤ３０１は、内側に向き、したがって、主にパラボラ反射器３０３の頂点の方に光を投射する。内側に向くＬＥＤの実施形態のうちの幾つかの場合、ＬＥＤ３０１は、パラボラ反射器３０３にまたがるブリッジ（図３Ａに図示せず）によって焦点３０２に保持される。内側に向くＬＥＤの他の実施形態において、パラボラ反射器３０３は、集光レンズ３０５上で焦点３０２を達成する寸法に作られる。これらの実施形態において、ＬＥＤ３０１は、図３Ａに示すように、集光レンズ３０５上で焦点３０２に取付けられる。当業者が認識するように、記載されたような集光レンズ３０５上へのＬＥＤ３０１の配置は、電気的接続を同様に担持することができる利用可能な表面を集光レンズ３０５が提供するため、利点を有する。さらに、集光レンズ３０５上に焦点を有することは、ＬＥＤ３０１用の別個の取付けメカニズムについての必要性を取除く。

ＬＥＤ３０１は、動作時、十分な太陽光が存在するときにオフに切り替えられ、太陽光は、集光レンズ３０５の遮るものがない部分を通過し、光ファイバー３００のコア３０６内に伝搬される。太陽光が不十分なとき、ＬＥＤ３０１はオンに切り替えられ、ＬＥＤ３０１からの放出光３０８が、パラボラ反射器３０３の方に方向付けられ、パラボラ反射器３０３は、コリメートされた光を、集光レンズ３０５を通して近傍の光ファイバー３００のコア３０６内に入るように反射する。近傍の光ファイバー３００は、集光レンズ３０５に直接接続することもできるし、代替的に、集光レンズ３０５の近くに又はそれに隣接して配置することもできる。この実施形態の１つの欠点は、内側に向くＬＥＤ３０１から放出される光の一部が、ＬＥＤ３０１自体に対して直接戻るように反射され（３０７）、したがって、光ファイバー３００のコア３０６内に結合されないことになることである。別の言い方をすれば、内側に向くＬＥＤ３０１は、それ自身の妨害物として有効に働く１つの小さな領域を有し、光ファイバー３００のコア３０６に達する光量を減少させる。

図３Ａのこの制限を念頭に置いて、図２の太陽光収集パネル２０４の集光レンズ３０５に一体化された前方を向くＬＥＤ３０９及びパラボラ反射器３０３を有する別の実施形態を示す図３Ｂに注意が向けられる。図３Ｂに示すように、一実施形態において、前方を向くＬＥＤ３０９は、パラボラ反射器３０３の焦点３０２に位置決めされ、それにより、ＬＥＤ３０９は、パラボラ反射器３０３の頂点から外れて、集光レンズ３０５に向く。好ましい一実施形態において、集光レンズ３０５はフレネルレンズである。幾つかの実施形態の場合、ＬＥＤ３０９は、（ＬＥＤ３０９の寸法に応じて）支持構造によって、又は代替的に、ＬＥＤ３０９をパラボラ反射器３０３に直接取付けることによって、パラボラ反射器３０３の背部に結合される。

他の実施形態において、パラボラ反射器３０３は、頂点で切頭され、したがって、パラボラ反射器３０３内に穴を作る。これらの実施形態の場合、ＬＥＤ３０９は、パラボラ反射器３０３をその頂点で切頭することで生成される穴に配置されることによってパラボラ反射器３０３に結合される。いずれの実施形態においても、パラボラ反射器から反射する光３１０、３１１が、集光レンズ３０５に達するときにコリメートされるように光源が焦点３０２に位置することが認識されるべきである。

ＬＥＤ３０９は、動作時、十分な太陽光が存在するときにオフに切り替えられ、太陽光は、集光レンズ３０５を通過し、集光レンズ３０５の近くに配置されるか又は集光レンズ３０５に直接接続される光ファイバー３００のコア３０６内に伝搬される。太陽光が不十分なとき、ＬＥＤ３０９はオンに切り替えられ、ＬＥＤ３０９からの放出光３１０、３１１が、パラボラ反射器３０３の方に及び集光レンズ３０５の方に方向付けられる。特に、パラボラ反射器３０３から反射される光３１０は、コリメートされ、集光レンズ３０５を通過し、光ファイバー３００のコア３０６内に結合され、集光レンズ３０５の方に直接放出される光３１１は、集光レンズ３０５を通過し、光ファイバー３００のコア３０６内に結合される。

この実施形態は、図３Ａに関して述べた実施形態がそうであるようにＬＥＤ３０９が反射光を遮断することをもたらさないが、前方を向くＬＥＤ３０９は、一部の光３１２を生成する場合があり、この一部の光３１２は、この光３１２が光ファイバー３００のコア３０６内に結合されないような角度で放出される。換言すれば、光ファイバーのコア３０６に集束されない角度で放出される一部の光３１２が、前方を向くＬＥＤ３０９から生成されることになる。さらに、コリメートされていない光の一部は、コア３０６の臨界角を超える角度でコア３０６に入り、光ファイバー３００内に伝搬しない場合がある。これらの光は、幾つかの実施形態において、パラボラ反射器３０３の深さを増加させることによって補償することができる。パラボラ反射器は、非常に狭いものから非常に深いものまで、広範囲の曲線を有して存在する。パラボラ反射器３０３の深さを増加させること及びＬＥＤ３０９をより深い焦点３０２に配置することが未反射光線３１２の量を制限することになることを当業者は認識することになる。別の言い方をすれば、深いパラボラ反射器３０３におけるＬＥＤ３０９の深い配置は、直接の未反射光線３１２についての開口角を制限し、したがって、図３Ｂの上述した欠点を軽減する。他の実施形態において、上述した欠点は、パラボラ反射器３０３の焦点で背中合わせに取付けられる更なるＬＥＤを付加することによって軽減される場合がある。これらの実施形態において、背中合わせに取付けられたＬＥＤは、パラボラ反射器３０３上で側方に光を放出するように位置決めされ、それにより、集光レンズ３０５に入る前に実質的に全ての光が反射される。

明確にするため、図３Ｃ及び図３Ｄは、ＬＥＤではなく、太陽光３１３とともに使用される実施形態（図３Ａ及び図３Ｂに対応する）を示す。そのため、ＬＥＤ３０１及びパラボラ反射器３０３が、依然として存在し、日光３１３に対してわずかな妨害物を呈するが、これらのコンポーネントは、集光レンズ３０５の光採取表面と比較して比較的小さい。そのため、日光３１３は、集光レンズ３０５の遮るものがない部分を通過し、光ファイバー３００のコア３０６内に伝搬される。利用可能な日光の量に応じて、ＬＥＤを、日光の代わりではなく、日光とともに使用することができることも認識されるべきである。

戻って図２を参照すると、太陽光が不十分なとき、ＬＥＤ２０１はオンに切り替えられ、ＬＥＤ２０１から放出される光が、反射器２０２によって集光レンズ２０３を通して方向付けられ、光ファイバー２０５を通して伝搬される。光ファイバー２０５はシリカを含む好ましい。代替的に、光ファイバー２０５は、プラスチック等の何らかの他の適した材料を含むことができる。ＬＥＤ２０１及び反射器２０２はともに、利用可能な十分な太陽光が存在するとき、太陽光収集パネル２０４を通して十分な太陽光の透過を可能にするのにし、使用場所の十分な照明を提供するのに十分小さい。

この時点で、システムがまた、十分な太陽光が利用可能か否かを判定するために、利用可能な太陽光を測定するための光検出器（図示せず）を備えることを述べる価値がある。光検出メカニズムは、当技術分野において既知であるため、光検出メカニズムの更なる議論は本明細書では省略される。さらに、測定される日光の量の関数としてＬＥＤパネルを起動することができることが留意されるべきである。換言すれば、日光の可用性に応じて、ＬＥＤのサブセットだけを起動し、それにより、システムの効率を更に増加することができる。こうしたトリガリングメカニズムも当技術分野において既知であるため、これらのトリガリングメカニズムの更なる議論は本明細書では省略される。

さらに、ＬＥＤ２０１は、収集器パネルによって収集される太陽光の量と同じ量の可視光を生成するのに十分に強力である。一実施形態において、収集器パネル２０４は、２０センチメートル（ｃｍ）×８０ｃｍの大きさを有し、３６個の個々の集光レンズ２０３を備える。各集光レンズ２０３の中心には、小型で５ワットの市販のＬＥＤ２０１及び反射器２０２が存在する。この構成は、ＬＥＤ２０１及び太陽光から放出される等価な量の可視光の収集及び伝搬をもたらし、その一方で、ＬＥＤ２０１が利用されないときに太陽光の収集を大幅に妨げない。

一体化されたＬＥＤ２０１及び集光レンズ２０３を備える実施形態は、個々のＬＥＤをオンに切り替えることができる利点を有し、したがって、幾つかの光ファイバー２０５を通した光の通過だけを可能にする。そのため、これらの実施形態は、特に、光の出力をバランスさせる能力が重要であるハイブリッド照明システムによく適する。例えば、この特定の実施形態は、ハイブリッド照明システムが同じ太陽光集光器パネルから異なる部屋に内部照明を提供する新しい建物構造によく適する。この構成は、個々のＬＥＤをオン及びオフにすることを可能にし、したがって、新しい建物構造内の個々のエリアに光ファイバーを介して光を提供し、その一方で、電気コンポーネントが照明ポイントに供給される必要性をなくす。

本明細書に開示される実施形態を使用して、コスト及びエネルギーの著しい節約を達成することができる。全ての実施形態において、人工光源は、光収集ポイントに存在する。これは、人工光源が光伝送路のエンドポイントに存在する従来のハイブリッド照明システムと際立った対照をなす。したがって、開示される実施形態において、電気は、従来のハイブリッド照明システムにおいて現在のところ実装されているように個々の照明ポイントの全てに提供されるのではなく、光収集ポイントにさえ提供されればよい。そのため、従来のハイブリッド照明システムについて各照明ポイントに供給されるのと対照的に、開示される実施形態の場合、電気導管が、少数の中央ポイントにさえ供給されればよい。これは、著しいコスト節約をもたらす。

例示的な実施形態が示され記載されたが、記載された本開示に対する幾つかの変更、修正、又は代替を行うことができることが当業者に明らかになるであろう。さらに、十分な量の日光が文脈依存性であることを当業者は理解するであろう。そのため、応用形態に応じて、ＬＥＤの起動をトリガーするために必要とされる日光の量は異なる場合がある。同様に、日光及び太陽光が本明細書で交換可能に使用されることを当業者は理解するであろう。照明状況に基づいてどれだけの日光が十分であるかをどのように容易に決定するかを当業者が認識することになるため、光強度の特定の例は本明細書では省略される。

Claims (5)

1. 照明システムであって、
   十分な日光が存在しない場合に人工光を提供する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   複数の反射器であって、各反射器は、対応するＬＥＤに光学的に結合され、各反射器は、該各反射器の対応するＬＥＤから前記人工光を反射させる、複数の反射器と、
   複数のフレネルレンズであって、各フレネルレンズは、対応する反射器に光学的に結合され、各フレネルレンズは、十分な日光が存在する場合に太陽からの光を集束させ、各フレネルレンズは、十分な日光が存在しない場合に該各フレネルレンズの対応するパラボラ反射器から反射される前記人工光を更に集束させる、複数のフレネルレンズと、
   複数の光ファイバーであって、各光ファイバーは、対応するフレネルレンズに光学的に結合され、各光ファイバーは、該各光ファイバーの対応するフレネルレンズから集束された前記光を伝搬させる、複数の光ファイバーと、
   を備える、照明システム。
2. 前記反射器のそれぞれはパラボラ反射器である、請求項１に記載のシステム。
3. 各ＬＥＤは、該各ＬＥＤの対応するパラボラ反射器の焦点に位置する、請求項１に記載のシステム。
4. 日光が十分であるかを検出する光検出器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記光検出器に動作可能に結合されたトリガリング機構を更に備え、該トリガリング機構は、前記ＬＥＤに更に動作可能に結合され、該トリガリング機構は、前記光検出器が、十分な日光が存在しないことを検出することに応答して、前記ＬＥＤを起動する、請求項４に記載の照明システム。

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