WO2002063209A1

WO2002063209A1 - Appareil orientable d'eclairage par la lumiere du jour

Info

Publication number: WO2002063209A1
Application number: PCT/JP2002/000998
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Abe; Atsushi Ogawa
Original assignee: Sanyo Electric Co., Ltd.
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2002-08-15
Also published as: MXPA03006898A; US20040050380A1; JP2002236190A; CA2435992A1; US6827445B2

Description

明細 ^: 太陽追尾式採光装置技術分野

本発明は、太陽追尾式採光装置に関し、具体的には、太陽電池による充電可能な電源を用いた太陽追尾式採光装置に関する。背景技術

太陽光の届かない屋内に太陽光を取り込むために、建造物の屋根から天井に貫通する採光孔を開設し、この採光孔の上端に光反射手段を配備し、太陽光を光反射手段に反射させて、採光孔を通して屋内に導く採光装置がある。 .

太陽は時間によってその方向が変わるから、採光効率を向上させるために、光反射手段の向きを太陽に追随して回転可能とした太陽追尾式のものが知られている。

太陽追尾式の採光装置では、光反射手段の回転は、モータを駆動源として行なわれる。モータは、日の出から日没までの日照時間中、光反射手段を回転して太陽を追随させ、日没後は、光反射手段を翌日の日の出の位置に光反射手段が向くように制御される。

モータの電源として商用電源を用いると、屋内からの配線を必要とし, 設置に手間がかかるため、太陽電池式電源が好適に用いられている。この電源は、太陽電池から出力される電力をコンデンサに充電し、そのコンデンザからの出力電圧を定電圧回路に入力し、定電圧回路により一定の電圧にしてモータ駆動源等へ供給されるものである。

この太陽電池式電源を用いた場合、雨天、曇天の日が続いて日照量が不足して電源が完全な放電状態になると、モータを駆動できなくなる。システムの安定化を維持するために大容量の出力コンデンサを用いると、装置コストの増大を招く。それゆえ、システム全体に要する電力消費量はできるだけ少なくせねばならない。

電源からの電力供給停止に備えて、駆動の制御を行なう制御手段には、通常、バックアップ用二次電池が設けられている。制御手段には、光反射手段を太陽に追随させるのに必要なデータが組み込まれており、そのデータの中には採光装置の設置場所における緯度、経度などの情報も含まれている。これらの情報が初期化されると、システムの回復に多大の労力を要する。システムの安定化を維持するために、バックアップ用二次電池を大容量にすると装置コストの増大を招く。このため、二次電池の充電状態をきめ細かく監視する必要がある。

本発明の目的は、太陽電池式電源を用いた太陽追尾式採光装置において、装置システム全体における消費電力を低減することである。

本発明の他の目的は、太陽電池式電源を用いた太陽追尾式採光装置において、制御手段をバックアップする二次電池の充電状態を監視し、所定の充電量を常に確保することである。発明の開示

上記課題を解決するために、本発明は、太陽光を反射する光反射手段と、該光反射手段を駆動する駆動手段と、該駆動手段を制御して光反射手段を太陽の方位に合わせる制御手段と、駆動手段及び制御手段へ電力を供給する電源手段を具え、太陽光を光反射手段を介して建造物内へ導入する太陽追尾式採光装置において、電源手段は、太陽電池パネルにより充電され、駆動手段及び制御手段へ電力を供給する主電源装置と、該主電源装置からの電力で充電され、制御手段へ電力を供給するバックァップ用二次電池とを具え、制御手段は、時刻を計測するリアルタイムクロック手段と、該クロック手段で計測された時刻情報に基づいて太陽の方位を計算して駆動手段の動作を制御する C P Uを具えており、 C P U は、リアルタイムクロック手段からの時刻情報に基づいて、動作状態をスリープモードからアクティブモードに切り替えられるようにしたものである。

C P Uは、アクティブモードにおいて、リアルタイムクロック手段からの時刻情報に応じて駆動手段の動作制御を行なった後、スリーブモードに切り替えられることができる。具体的には、主電源装置は、主電源スィッチを経て、制御手段及び駆動手段に電気的に接続されており、 C P Uは、ァクティブモ一ドにて、太陽追尾を行なう時間帯と判断したとき、主電源スィツチをオンにして駆動手段を駆動して光反射手段を移動させた後、その動作状態がァクティブモ一ドからスリープモ一ドへ切り替えられ、 C P Uは、太陽追尾を行なう時間帯でないと判断したときは，駆動手段を駆動することなくその動作状態がアクティブモードからスリ —プモードへ切り替えられるようにしている。

C P Uは、アクティブモードにおいて、パックアップ用二次電池の充電量をチエツクした後、スリーブモードに切り替えられることができる < 具体的には、主電源スィッチとパックアップ用二次電池の間に、充電用スィッチが設けられており、 C P Uは、二次電池の充電量をチェックし. 所定充電量よりも低い値を検出したときは充電用スィツチをオンにした後、スリープモードに切り替えられる。

二次電池の充電は、駆動手段の動作に優先して行なうことができる。リアルタイムクロック手段は、採光装置の設置位置の緯度及び経度の情報を格納するメモリを含めることができる。この場合、バックアップ用二次電池は、リアルタイムクロック手段のみをバックアップするようにしてもよい。

本発明の太陽追尾式採光装置では、 C P Uはスリープモードにセットされており、一定周期でリアルタイムクロック手段から割込みがあったときにのみ、アクティブモードに切り替えられる。アクティブモードでは、太陽追尾を行なう時間帯でないときはスリープモードに戻され、太陽追尾を行なう時間帯であるときは、駆動手段の所定の動作制御と、パックアツプ二次電池の充電量チェック作業を行なった後、スリ一プモードに戻される。このように、リアルタイムクロック手段からの次の割込みがあるまでの間、制御手段及び駆動手段は停止したままであるので、装置システム全体の消費電力を必要最少限に抑えることができる。

バックアツプ用二次電池は、一定周期でリアルタイムクロック手段から割込みがあつたとき、充電量のチェックが行われ、充電量が所定レべルよりも少ないときは充電されるので、常に、所定の充電量を維持することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の太陽追尾式採光装置の電気系統を示すブロック図である。

図 2は、本発明の太陽追尾式採光装置の制御手段における制御動作の一実施例を示すフローチヤ一トである。

図 3は、本発明の太陽追尾式採光装置の制御手段における制御動作の他の実施例を示すフローチヤ一トである。

図 4は、太陽追尾式採光装置の一実施例の斜視図である。

図 5は、図 4の V— V線に沿う矢視靳面図である。

図 6は、太陽追尾式採光装置の一実施例の平面図である。

図 7は、支持フレームからコントロールボックスに到る部分の斜視図である。

図 8は、ドームに取り付けられたコントロールボックスの断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の望ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する図 4乃至図 8を参照すると、太陽電池式電源を用いた太陽追尾式採光装置の一実施例の構造が示されている。

図示の採光装置は、光反射手段を吊下支持したものであるが、吊下支持型のものに限定されず、光反射手段の下部を支持する据置型の採光装置にも適用できることは勿論である。

なお、説明をわかりやすくするため、図 5及び図 6に示すように、太陽 Sの方向を「前」、逆側を「後ろ」とする。

太陽追尾式採光装置（1 0)は、' 図 5に示すように、建造物の屋根から天井に貫通して開設された採光孔（90)の上端に設置される。

採光孔（90)は、上端が建造物の屋根部分で開口している。採光孔（90) は、一般に一辺が 1 2 0 cm程度の正方形に形成されるが、その方角は、建造物や部屋の大きさ、構造、向き、必要とされる光量などの条件によつて異なる。

採光孔（90)の内面（92)は、太陽追尾式採光装置（1 0)が反射した光線 L を効率よく屋内に導くために鏡面に加工されている。また、採光孔（90) の下端（屋内天井側）には、採光孔（90)から屋内に入る光を拡散させる透明な室内配光板（図示せず）が取り付けられる。

太陽追尾式採光装置（10)は、図 4乃至図 6に示すように、採光孔（90) の上端に取り付けられたドーム（1 5)と、ドーム内に吊下支持された光反射手段（30)と、光反射手段（30)を太陽の向きに追随させて回転させるコントロールポックス（50)とから構成される。

ドーム（15)は、光反射手段（30)を風、雨、埃などから保護し、また、これらの屋内への侵入を防止する透明又は半透明の力パーである。図示のドーム（1 5)は、中央が略半球状に加工され、周縁部が採光孔（90)の形状に合わせて正方形に形成されたアクリル樹脂である。なお、ドーム（1 5)は、半球状に限定されず、角型、錐状など種々の形状とすることがでさる。

ドーム（1 5)の頂部中央には、コントロールボックス（50)を取り付ける取付孔（図示せず）が開設され、該取付孔の周囲には、コントロールボックス（50)をネジ止めする複数のネジ孔が間隔をあけて開設されている。光反射手段（30)は、複数の反射パネル（31 ) (32) (33)を支持フレーム（3 4)に取り付けて構成され、ドーム（15)の内部に吊下支持される。

支持フレーム（34)は、前側（太陽 S側）が下向きに傾斜した杆体であつて、中央よりやや後ろ側には吊下支持用のフック（35) (図 7参照）が上向きに突設されている。支持フレーム（34)には、 3枚の反射パネル（31 ) (3 2) (33)が配備される。

各反射パネル（31 ) (32) (33)は、太陽光を反射する鏡体であって、例えば、アルミ蒸着により鏡面を形成した樹脂フィルムを軽量なスチロール樹脂板に貼り付けて作られる。反射パネル（31 ) (32) (33)は、支持フレーム（34)の前側、中央及び後ろ側に夫々パネルどうしの面が対向するように並べて支持される。

反射パネル（31 ) (32) (33)は、特に、太陽高度が低い時刻での採光効率を高めるために、夫々大きさを変えて作製し、また、取付角度も変えることが望ましい。

具体的には、前側の反射パネル（31)は、高さ、幅共に他のパネルに比ベて小さく、中央の反射パネル（32)は、高さは後ろ側のパネル（33)に比ベて低いが、幅は後ろ側のパネルよりも広く形成することが望ましい。また、反射パネル（31 ) (32) (33)の下端は、前側のパネルほど、後ろ側のパネルに比べて高くなるよう取り付けることが望ましい。

各パネル（31 ) (32) (33)の取付角度 0 1、 0 2及び 0 3は、前側のパネルほど傾斜角度が小さくなるように、つまり、前へ傾くように取り付ける（0 1 < 0 2く S 3)ことが望ましい。例えば、取付角度 0 1、 Θ 2 , 0 3は、前側のパネルより順に、 5 5 ° 、 6 5 ° 、 7 0 ° とすることができる。これにより、太陽高度に応じて、最適な採光効率を得ることができる。

図 7及び図 8を参照すると、支持フレーム（34)のフック（35)には太陽電池支持フレーム（42)が前方に向けて突設され、該太陽電池支持フレーム（42)の先端に太陽電池パネル（40)が上向きに傾斜した状態で取り付けられている。

太陽電池パネル（40)は、光反射手段（30)の支持フレーム（34)と一体回転可能に取り付けられているから、光反射手段（30)と一体に太陽を追随し、日照時間中、高効率の発電を行なうことができる。

太陽電池パネル（40)には、配線（46)が接続されており、この配線（46) によって、電源手段（20)と電気的に接続されている。

コントロールボックス（50)は、ドーム（1 5)の頂部の取付孔（22)に取り付けられ、光反射手段（30)の支持フレーム（34)を吊下支持する。

コントロールボックス（50)は、駆動手段（60)、制御手段（70)、電源手段（20)等を、ケーシング（52)の内部に収容して構成される。

ケ一シングは、図 9に示すように、有底筒型のケーシング本体（52)と蓋体（56)から構成され、蓋体（56)の外縁は、ケ一シング本体（52)のフランジ（54)に覆い被さるように張り出しており、ケーシング本体（52)の上面開口を閉じる。

ケーシング本体（52)の内部には、駆動手段（60)を構成するギアボックス（64)が配備され、該ギアボックス（64)にて、モータ（62)と回転軸（66) が減速機構（図示せず）を介して連繋されている。

制御手段（70)は、回路基板（74)に、駆動手段（60)等の制御に必要な種々の電子部品が実装されたもので、回路基板（74)の下面中央には角度検出手段（72)が配備されている。

角度.検出手段（72)は、光反射手段（30)の角度を検出するもので、継手を介して回転軸（66)に接続されている。この角度検出手段（72)として、回転角の大きさによって抵抗値が変化するポテンショメ一タを用いることができる。

基板（74)には、電源手段（20)が配備されており、該電源手段（20)は、主電源装置（22)と二次電池（24)から構成される。主電源装置（22)として，大容量コンデンサ（スーパ一キャパシ夕）、二次電池（24)として、二酸化マンガンリチウムニ次電池等を用いることができる。

次に、図 1のブロックダイアグラムを参照して、本発明の太陽追尾式採光装置の電気系について説明する。

太陽電池パネル（40)で日照時間に発電された電力は、主電源装置（22) へ供給され、該装置のコンデンサで蓄電される。主電源装置（22)は、一般的には、このコンデンサの他に、一定の電圧にして負荷に供給されるようにする定電圧回路を含んでいる。

主電源装置（22)は、主電源スィッチ（26)を経て、光反射手段（30)を回転させる駆動手段（ 60 )と、該駆動手段等の制御を行なう制御手段（ 70 )に電気的に接続されており、駆動手段（60)及び制御手段（70)へ電力を供給する。

もう 1つの電源手段として、制御手段（70)へ電力を供給するバックァップ用二次電池（24)があり、主電源スィッチ（26)とバックアツプ用二次電池（24)の間には、充電用スィツチ（28)が設けられている。駆動手段（60)は、角度検出手段（72)と光反射手段（30)へ連繋されている。

制御手段（70)は、リアルタイムクロック手段としてのリアルタイムクロック I C (75)、 C P U (76) , モータドライブ回路（77)及び角度検出器回路（78)を有している。

リアルタイムクロック I C (75)は、時刻情報を生成し、一定の周期にて C P Uへ割込みを行なう。なお、採光装置の設置位置における緯度及び経度に関する情報が格納されたメモリを含めることもできる。

C P U (76)は、リアルタイムクロック I C (75)との間で時刻情報の授受を行ない、リアルタイムクロック I C (75)で計測された時刻情報に基づいて太陽の方位を計算し、駆動手段（60)の動作制御を行なう。また、バックアツプ用二次電池の充電量を.チェックする他、システムの異常等の監視を行なう。

モー夕ドライブ回路（77)は、 C P U (76)に接続されており、 C P U (7 6)の制御の下でモータ（62)を駆動させて、光反射手段（30)を太陽に追尾して移動させる。

角度検出器回路（78)は、 C P U (76)に接続されており、角度検出手段 (72)の検出結果は、 C P U (76)へ送られる。

次に、フローチヤ一トを参照して、本発明の太陽追尾式採光装置の制御手段における制御の流れについて説明する。

図 2を参照すると、ステップ 1 0 0で採光装置の使用が開始されると、 C P Uはスリープモードにセットされる（ステップ 1 0 2 )。ここで、「スリーブモード」は、 C P U及びその周辺機能が動作を停止しているモードを意味し、電力を全く消費しない状態も含まれる。

リアルタイムクロックは一定の周期で C P Uへの割込みを行なう（ステップ 1 0 4 )。この周期は、太陽電池パネルと光反射手段が太陽を追随する動作を行なう間隔であり、この周期は短いほど発電と採光の効率は高まるが、消費電力の増加を招く。本発明の太陽追尾式採光装置では、所望の発電及び採光効率を確保し、消費電力の増加を抑えるために、リアルタイムクロックが C P Uへの割込みを行なう周期を 1 0分に設定する。しかし、この周期は採光装置を設置する位置の緯度及び経度に応じて、適宜最適.な時間に設定できることは勿論である。

ステップ 1 0 6にてリアルタイムクロックによる C P Uへの割込みがあると判断されると、 C P Uをアクティブモードにセットする（ステップ 1 0 8 )。ここで、「アクティブモード」は、 C P Uがプログラムを実行するモードを意味する。

このアクティブモードにて、 C P Uは、リアルタイムクロックから現在時刻の情報を取得する（ステップ 1 1 0 )。

次に、太陽追尾を行なう時間帯かどうかを判断する（ステップ 1 1 2 )。太陽追尾の時間帯とは、日の出から日没までの日照時間を意味し、太陽に追随して光反射手段を移動させて、屋内に太陽光を導く時間帯である。太陽追尾の時間帯でないときは、ステップ 1 0 2に戻り、 C P Uをスリ —プモードにセッ卜する。不必要な電力の消費を防ぐためである。

太陽追尾の時間帯であるときは、ステップ 1 1 4へ進み、主電源スィツチがオンとなる。次に、太陽追尾の時間帯における最後の動作かどうか判断される（ステップ 1 1 6 )。

ステップ 1 1 6で最後の動作でないと判断されると、ステツプ 1 2 0 へ進み、 C P Uは光反射手段の移動角度を計算する。駆動手段は、 C P Uから指令された角度だけ光反射手段を回転移動させ、光反射手段の位置が更新される（ステップ 1 2 2 )。このとき、太陽電池パネルも同時に回転移動する。

ステップ 1 1 6で最後の動作であると判断されると、光反射手段の移動は、逆転モードにセットされる（ステップ 1 1 8 )。この逆転モードがセッ卜されると、次のステップ 1 2 0において、光反射手段の移動角度は翌朝の日の出位置となるように設定され、光反射手段は逆回転して、光反射手段の位置が更新される（ステップ 1 2 2 )。

ステップ 1 2 4にて、 C P Uはバックアツプ用二次電池の充電量をチエックする。充電量は、その指標の典型である電圧がチェックされる。次に、電池電圧が所定電圧より低いかどうか判断される（ステップ 1 2 6 )。この実施例における所定電圧は 2 . 7 Vである。

二次電池の電池電圧が 2 . 7 Vよりも低いと、充電用スィツチがオンとなり（ステップ 1 3 0 )、主電源装置から出力される電力によってバックアップ用二次電池の充電が行われる。次に、ステップ 1 3 2で、充電用スィツチがオフでないと判断されると、主電源スィツチをオンにしたまま、ステップ 1 0 2に戻り、 C P Uをスリープモードにセットする。ステップ 1 2 6で、二次電池の電池電圧が 2 . 7 V以上と判断されると充電の必要がないため、充電用スィツチはオフである（ステップ 1 2 8 )。ステップ 1 3 2にて、充電用スィッチがオフであると判断されると、次のステップ 1 3 4で主電源スィツチをオフにして、ステップ 1 0 2に戻り、 C P Uをスリープモードにセットする。

図 3は、二次電池の充電チェック及び二次電池の充電工程を、駆動手段の動作に優先して行なうときのフローチャートである。

ステップ 2 0 0の採光装置の使用開始から、ステップ 2 1 4の主電源スィッチオンまでは、図 2と同様であるので説明を省略する。

主電源スィッチがォン（ステップ 2 1 4 )になると、バックアツプ用二次電池の電圧がチェックされる（ステップ 2 1 6 )。次に、電池電圧が 2 . 7 V (設定電圧）よりも低いかどうか判断される（ステップ 2 1 8 )。二次電池の電池電圧が 2 . 7 Vよりも低いと、充電用スィツチがオンとなり (ステップ 2 2 2 )、主電源装置から出力される電力によってバックアツプ用二次電池の充電が行われる。次に、ステップ 2 2 4で、充電用スィツチがオフでないと判断されると、ステップ 2 0 2に戻り、 C P Uをスリープモードにセッ卜する。ステツプ 2 1 8で、二次電池の電池電圧が 2 . 7 V以上と判断されると充電の必要がないため、充電用スィツチはオフである（ステップ 2 2 0 )。ステップ 2 2 4にて、充電用スィッチがオフであると判断されると、ステツプ 2 2 6に進む。

バックアツプ用二次電池は、制御手段の電気系をバックアップするものであり、駆動手段の動作に優先して、充電状態をチェックし、必要に応じて充電を行なうことにより、主電源装置が一旦完全に放電状態になつても、再び充電されるまでの間、制御手段の初期化を防止することができる。

また、リアルタイムクロック I Cに、採光装置の設置位置における緯度及び経度の情報が格納されたメモリを含める場合、バックアツプ用ニ次電池を、制御手段の中のリアルタイムクロック I Cだけをバックアツプする構成にすることもできる。採光装置の設置位置における緯度及び経度の情報が初期化されると、システムの復元に多大の労力を要することになるためである。

太陽追尾の時間帯で最後の動作かどうかを判断するステップ 2 2 6から、光反射手段の位置を更新するステップ 2 3 2までは、図 2のステツプ 1 1 6からステップ 1 2 4までの工程と同じである。ステップ 2 3 2 で、光反射手段の位置が更新されると、次のステップ 2 3 4で主電源スイッチがオフとなり、ステップ 2 0 2に戻り、 C P Uをスリープモードにセットする。

実施例を参照して詳しく説明したように、本発明の太陽追尾式採光装置は、 C P Uをスリープモードにセットしてあり、一定周期でリアル夕ィムクロックから割込みがあつたときにのみ、アクティブモードへの切替えを行ない、リアルタイムクロックからの時刻情報に応じて、駆動手段の所定の動作制御と、バックアツプ二次電池の充電量チェック及び必要な充電作業を行なった後、スリープモードに戻るように構成されている。従って、リアルタイムクロックから次の割込みがあるまでの間、制御手段及び駆動手段は停止したままであるので、消費電力を必要最少限に抑えることができ、主電源装置のコンデンサは従来容量のままでも、システムのより一層の安定化を達成することができる。

バックアツプ用二次電池は、一定周期でリアルタイムクロックから割込みがあつたとき、充電量のチェックが行われ、充電量が所定レベルよりも少ないときは充電されるので、常に、所定の充電量を維持することができる。従って、二次電池の容量が従来と同じ場合でも、システムの安定化の点では従来よりも格段にすぐれる。

二次電池を、リアルタイムクロック手段のバックアツプ専用に用いる場合、二次電池の容量をさらに小さくすることができる。産業上の利用可能性

本発明の太陽追尾式採光装置は、装置システム全体における消費電力を低減することができると共に、制御手段をバックアツプする二次電池の充電量が常に確保されるので、極めて有用である。

Claims

請求の範囲 . 太陽光を反射する光反射手段と、該光反射手段を駆動する駆動手段と、該駆動手段を制御して光反射手段を太陽の方位に合わせる制御手段と、駆動手段及び制御手段へ電力を供給する電源手段を具え、太陽光を光反射手段を介して建造物内へ導入する太陽追尾式採光装置において、

電源手段は、太陽電池パネルにより充電され、駆動手段及び制御手段へ電力を供給する主電源装置と、該主電源装置からの電力で充電され、制御手段へ電力を供給するバックアップ用二次電池とを具え、制御手段は、時刻を計測するリアルタイムクロック手段と、該クロック手段で計測された時刻情報に基づいて太陽の方位を計算して駆動手段の動作を制御する C P Uを具えており、

C P Uは、リアルタイムクロック手段からの時刻情報に基づいて、動作状態をスリープモードからアクティブモードに切り替えられることを特徴とする太陽追尾式採光装置。

. C P Uは、アクティブモードにて、リアルタイムクロック手段からの時刻情報に応じて駆動手段の動作制御を行なった後、スリーブモードに切り替えられる請求項 1に記載の太陽追尾式採光装置。

. 主電源装置は、主電源スィッチを経て、制御手段及び駆動手段に電気的に接続されており、 C P Uは、アクティブモードにて、太陽追尾を行なう時間帯と判断したとき、主電源スィツチをオンにして駆動手段を駆動して光反射手段を移動させた後、その動作状態をァクティブモードからスリープモードへ切り替えられ、太陽追尾を行なう時間帯でないと判断したときは、駆動手段を駆動することなくその動作状態をアクティブモードからスリープモードに切り替えられる請求項 2に記載の太陽追尾式採光装置。

. 主電源スィッチとパックアップ用二次電池の間には、充電用スイツチが設けられており、 C P Uは、アクティブモードにて、二次電池の充電量をチェックし、所定充電量よりも低い値を検出したときは充電用スィツチをオンにした後、スリープモ一ドに切り替えられる請求項 1に記載の太陽追尾式採光装置。

. リアルタイムクロック手段は、採光装置の設置位置における緯度及び経度に関する情報を格納するメモリを含んでおり、バックアップ用二次電池は、リアルタイムクロック手段のみをバックアツプする請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の太陽追尾式採光装置。