JP3128040U - 光源追尾装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の最も明るい方向に採集光装置の照準を合わせるように、位置情報を特定し採集光装置の駆動部に信号を与える為の広い視野角を持った光源追尾装置を実現する。
【解決手段】光源追尾装置３０は、光源追尾用光センサ装置１０及び制御装置３６を有し、採集光装置に付設されて使用され、光源追尾用光センサ装置１０は、三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６と３枚の遮蔽板７、８、９とを備え、それぞれ矩形の板から成り、内縁が三角錐３４の軸心で合体されるように三角錐３４の稜線において三角錐３４の軸心ｚに沿って起立し、３つの面板２、４、６を互いに区画して遮蔽し、３つの面板２、４、６の表面に３つの光センサ１、３、５が取り付けられており、制御装置３６で、３つの光センサ１、３、５からの光検出強度を示す出力を入力して、前記３つの光センサからの光検出強度が互いに同一となるように受光可能となる向きに制御する。
【選択図】図１

Description

本考案は、全天空領域において、例えば、太陽、月等の光源の最も明るい方向に向けて採集光装置の照準を合わせる光源追尾装置に関するものである。

従来、太陽電池パネル（ソーラパネル）等の太陽発電装置、太陽熱集熱装置等を、最も太陽光に対して効果的に照射するために、光センサで追尾する太陽追尾装置は知られている。

例えば、略四角錐状部分内側に光検出光センサを配置し、さらに各光検出光センサへの入射光を限定する遮光板を配置して光センサブロックとし、この光センサブロックへの入射光の角度が変化すると、対向する錐面への入射光量が互いにトレード・オフの関係で変化することから、対向する位置の二つの光検出光センサ間で入射光量の差を一定に保つように制御対象物を駆動制御することで太陽の動きを制御対象物が確実に追尾する太陽追尾装置は公知である（特許文献１参照）。

また、時計と太陽方向を表す信号を出力する太陽方向光センサとを備え、制御装置は、時計で計時している時刻に基づいて太陽が南中に到達する第１時刻を計算し、太陽方向光センサからの信号に基づいて南中方位を検出し、南中方位が検出された時の第２時刻と上記第１時刻との差に基づいて時計を修正し、時計の誤差を自動的に修正することのできる追尾型太陽光発電装置は公知である（特許文献２参照）。

特開２００４−１４６７４５号公報 特開２００１−２１７４４５号公報

特許文献１に記載の太陽追尾装置は、略四角錐状となるような遮蔽板を設けているが、各光センサの検出精度良くするためには遮蔽板の形状に改良の余地があり、また、太陽方向光センサは、それぞれ平坦な面に対して上方に向けて配置されているが、これでは水平方向からの光はキャッチしにくく、そのために光源からの光を精度良くキャッチするためには改良の余地がある。

本考案は、このような従来の問題点を解決し、全天空領域において、例えば太陽、月のような光源の最も明るい方向に採集光装置の照準を合わせるように、位置情報を特定し採集光装置の駆動部に信号を与える為の広い視野角を持った光源追尾装置を実現することを課題とする。

本考案は上記課題を解決するために、光源追尾用光センサ装置及び制御装置を有し、採集光装置に付設される光源追尾装置であって、前記光源追尾用光センサ装置は、三角錐を形成する３つの面板と３枚の遮蔽板とを備え、前記３つの面板は、それぞれ表面に光センサが取り付けられており、前記３枚の遮蔽板は、それぞれ矩形の板から成り、それぞれの内縁が前記三角錐の軸心で合体されるように前記三角錐の稜線において三角錐の軸心に沿って起立し、前記３つの面板を互いに区画して遮蔽するものであり、前記制御装置は、前記３つの面板に取り付けられた３つの光センサからの光検出強度を示す出力を入力して、前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を、前記３つの光センサからの光検出強度が互いに同一となるように受光可能となる向きに制御する構成であることを特徴とする光源追尾装置を提供する。

本考案は上記課題を解決するために、光源追尾用光センサ装置及び制御装置を有し、採集光装置に付設される光源追尾装置であって、前記光源追尾用光センサ装置は、３つの光センサと３枚の遮蔽板とを備え、前記３つの光センサは、それぞれ仮想的な三角錐を構成する仮想的な３つの面に沿ってそれぞれ配置されるように、取付手段により取り付けられており、前記３枚の遮蔽板は、それぞれ矩形の板から成り、それぞれの内縁が前記三角錐の軸心で合体されるように前記三角錐の稜線において三角錐の軸心に沿って起立し、前記３つの面を互いに区画して遮蔽するものであり、前記制御装置は、前記３つの光センサからの光検出強度を示す出力を入力して、前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を、前記３つの光センサからの光検出強度が互いに同一となるように受光可能となる向きに制御する構成であることを特徴とする光源追尾装置を提供する。

前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置は、それぞれ共通又は別の回動支持機構により、互いに直交するｘ軸及びｙ軸の回りに回動可能である構成とすることが好ましい。

前記制御装置は、前記３つの光センサからの出力値が互いに同一となるような制御信号を出力し、前記回動支持機構で前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を回動制御することが好ましい。

前記制御装置は、前記３つの光センサの第２及び第３の光センサの出力値が同じとなるようにする制御信号を出力し、前記回動支持機構により２軸うちのｙ軸回りに回動し、さらに第２及び第３の出力値の平均値が、第１の光センサの出力値と同じになるようにする制御信号を出力し、前記回動支持機構により２軸うちのｘ軸回りに回動することが好ましい。

前記採集光装置は、凹面鏡集光装置、半円筒鏡集光装置又は太陽電池パネルである構成としてもよい。

本考案に係る光源追尾装置は、次のような効果を生じる。
（１）三角錐を形成する３つの面板の表面である傾斜面に、それぞれ光センサを設けたので、各光センサは、三角錐の軸心（ｚ軸）に垂直な方向からの光も検出することができ、精度良く光の検出が可能となる。

（２）三角錐を形成する３つの面板の稜線に立設した３つの遮蔽板は、それぞれ矩形であり、三角形の遮蔽板に比較して遮蔽面積が大きいので、遮蔽効果が十分生じ、各光センサは隣接する方向からの光の影響がより少なくなり、該当する方向の光の強度を忠実に反映して検出可能である。

（３）本考案の光源追尾用光センサ装置は、三角錐を形成する３つの面板を三角錐の稜線で互いに区画する遮蔽板を備えた構成であるから、全体が簡単な構成でコンパクトとなる。

（４）全方向の光が、必要最低限の３つの光センサで精度良く行われるために、構造が簡単であるとともに、光センサの検出特性のバラツキを必要最低限の３つの光センサについて行えばよいので、メインテナンス等の作業性もよい。

本考案に係る光源追尾装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本考案に係る光源追尾装置を説明する図であり、図３は、本考案の実施例１を説明する図である。この実施例１は、本考案に係る光源追尾装置３０を凹面鏡集光装置３１に適用した構成を示す。まず、実施例１の全体構成を説明する。

図３に示すように、凹面鏡集光装置３１の凹面鏡１２は、回動支持機構３２により、傾斜角度を変化できるように回動可能に支持されている。回動支持機構３２は、図示しない基台等に設置され、支持台１３、可動部材１６、固定部材１９、及びモータ１５、１８を備えている。

支持台１３は、凹面鏡１２を支持軸３３を介して支持するものである。そして、この支持台１３は、可動部材１６に取り付けられたモータ１５の回転軸１４によって、回転軸１４の軸心（「ｘ軸」という。）回りに角度を変えて傾くように回動可能である。

さらに、可動部材１６は、固定部材１９に取り付けられたモータ１８の回転軸１７によって、回転軸１７の軸心（「ｙ軸」という。）回りに回動可能である。ｘ軸とｙ軸は、互いに直角である。

従って、回動支持機構３２によって、支持台１３及び凹面鏡１２は、ｘ軸及びｙ軸回りに傾斜するように回動可能となり、後述する光源追尾装置３０を付設して機能させることで、光源に対して効果的に集光できる方向に、凹面鏡１２を正対させることを可能とする。

凹面鏡１２には、支持杆２１によって集光器１１及び光源追尾装置３０が取り付けられている。集光器１１は、凹面鏡１２の反射光を集光するように凹面鏡１２の焦点に配置されている。集光器１１で集光した光（エネルギー）は、光ファイバーケーブル２０又は光ダクトにより図示しない光エネルギーの利用機器（例えば、光発電装置、光熱利用装置、照明装置、光触媒殺菌装置等）に送られる。

光源追尾装置３０は、集光器１１と一体で且つ同軸的（ｚ軸上）に配置されている。そして、回動支持機構３２におけるモータ１５及びモータ１９によって、凹面鏡１２及び集光器１１とともに、一体となって同じ向きになるように回動する。

図１及び図２に示すように、光源追尾装置３０は、光源追尾用光センサ装置１０及び制御装置３６を備えている。図１（ａ）は、光源追尾用光センサ装置１０の平面図であり、図１（ｂ）は正面図である。

光源追尾用光センサ装置１０は、三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６と、三角錐の稜線上に三角錐３４の軸心に沿って（三角錐３４の底面と垂直な方向に）起立された３枚の遮蔽板７、８、９とを備えている。光源追尾用光センサ装置１０は、図１中、想像線で示す支持板３５上に固定される。

遮蔽板７、８、９は、それぞれ矩形の板から成り、三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６及びその上方のそれぞれのスペースを互いに区画するように起立して配置されている。遮蔽板７、８、９は、それぞれの内縁が三角錐３４の軸心（ｚ軸）で合体され、軸心回りに等間隔（１２０°間隔）で配置されている。

３つの面板２、４、６及び遮蔽板７、８、９は、不透明又は半透明の樹脂、金属板等の材料で形成されている。なお、遮蔽板７、８、９が半透明である場合においては、例えば、光センサ３、５が同時に遮蔽板に隠れていても、センサが受ける照度に差が生じていれば、速やかに目的を達成できる。

三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６の表面（上面）には、それぞれ光センサ１、３、５が取り付けられている。光センサ１、３、５は、光の強度を検出する周知の光センサ（フォトダイオード、フォトトランジスタ等）を利用する。

本考案の光源追尾装置の特徴的構成の１つは、三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６の表面である傾斜面に、それぞれ光センサ１、３、５を設けた構成である。このように、傾斜面に光センサ１、３、５を設けることにより、光センサ１、３、５によって、三角錐３４の軸心（ｚ軸）に垂直な方向からの光を検出することができる。

よって、本考案の光源追尾装置３０によると、仮に、凹面鏡１２及び光源追尾装置３０が、地平線と垂直方向上方に向いている場合は、光センサ１、３、５は、水平線方向からの光も検出できるという利点を有し、より広範囲で正確な光検出が可能となる。

さらに、本考案の光源追尾装置の別の特徴的構成は、遮蔽板７、８、９は、それぞれ矩形に形成されている構成である。そもそも、遮蔽板７、８、９は、光センサ１、３、５がそれぞれ隣接する方向からの光の影響を受けずに該当する方向の光の強度を忠実に反映して検出するという機能を有している。

しかし、従来例（特許文献１）のように、三角形の遮蔽板では、遮蔽面積が小さくなり十分な遮蔽効果が生じない。これに対して、矩形の遮蔽板では、三角形の遮蔽板に比較して遮蔽面積が大きく、又、ｚ軸方向を長くすることでより正確な指向性を持った遮蔽効果が十分生じることとなる。

さらに、本考案の光源追尾装置の別の特徴的構成は、光源追尾用光センサ装置１０は、三角錐３４を形成する３つの面板２、４、６と遮蔽板７、８、９とから成るので、従来例のように略四角錘の形状に較べると、構造が簡単となり、製造コストも低減可能となる。

図２に示すように、３つの光センサ１、３、５（第１〜３の光センサ）は、制御装置３６に接続され、３つの光センサ１、３、５の出力は、制御装置３６に入力するように構成されている。制御装置３６は、この実施例１では、支持板３５上に設けたが、その設置箇所は光センサ１、３、５からの配線等考慮して適宜箇所に設置される。

制御装置３６は、モータドライバ３７を介して、モータ１５及びモータ１８に接続され、制御装置３６から出力される制御信号により、モータ１５及びモータ１６を制御して駆動する。これにより、上記のとおり、光源追尾用光センサ装置１０、集光器１１及び凹面鏡１２が一体で回動する。

制御装置３６は、ＣＰＵを備えたマイコンから構成され、３つの光センサ１、３、５の光検出強度の出力値が互いに同じとなるように、ｘ軸及びｙ軸回りに光源追尾用光センサ装置１０、集光器１１及び凹面鏡１２が一体で回動する。

ｚ軸の向きが光源とずれている場合は、光センサ１、３、５のいずれかが遮蔽板７、８、９の影にかかる。しかし、この光源追尾用光センサ装置１０では、光センサ１、３、５がそれぞれ光の強度を検出し、その出力を制御装置３６に送り、制御装置３６は、次のように動作して、光源からの光を最も多く受光するように、モータ１５及びモータ１６を動作させて、凹面鏡１２の軸心（ｚ軸）を指向させることができる。

具体的には、制御装置３６が第２の光センサ３の出力値と第３の光センサ５の出力値の平均値が、第１の光センサ１の出力値が同じになるように制御信号をモータ１７に送り、ｘ軸回りに回動させる。ｙ軸については、第２の光センサ３と第３の光センサ５の出力値の差により回動させる。

これ等の動作により３つの光センサ１、３、５の光検出強度が同一になれば、ｚ軸は光源に指向した事になり、光源が移動しても追従する事が可能となる。

なお、３つの光センサ１、３、５のいずれかが互いに検出特性の違い（検出性能にバラツキ）があれば、光源の位置とｚ軸とにズレが生ずる事からも光センサの特性を揃える必要があり、また、特性に差がある場合は、光センサに補正をかける必要がある。このような場合は、光センサの数は最小限の３個が効率的である。

実施例１では、太陽が黒い雲に覆われている場合にあっては他の明るい部分を探し、さらに太陽のみを追従するわけではないので、地球上どの地点にあつてもそこの位置、方向、時間、カレンダー等の情報を装置に入カする必要は無く安価で安定した機能を有する。
又、広い視野角は地球上のみならず宇宙空間にあっても有用である。

図４は、本考案の実施例２を説明する図である。この実施例２は、実施例１の凹面鏡集光装置３１に代えて太陽電池パネル（ソーラパネル）２３を設けたものであり、その構成は、実施例１とほぼ同じである。従って、以下、実施例１と相違する構成について説明する。

実施例２の太陽電池パネル２３は、実施例１とほぼ同じ回動支持機構３２により、ｘ軸及びｙ軸回りに回動可能に構成されている。この実施例２では、太陽電池パネル２３の上縁に取付板３８を固定し、この取付板３８に光源追尾装置３０が取り付けられている。実施例２に適用する光源追尾装置３０は図１及び図２に示す実施例１の光源追尾装置３０と同じ構成２である。

なお、この実施例２では、支持台１３に支持された支持軸３３がその軸心（ｚ軸）回りに回転するように、支持台１３内にモータを設けてもよい。

太陽電池パネルは、通常、光の入射角がある程度小さくなると発電量が急に落ちるので、一日中、効率よく発電する為には、そのパネル面は日の出から日の入りまで常に太陽に追従するのが望ましい。そこで、本考案に係る光源追尾装置３０を付設することで、効果的な発電が可能となる。

（変形例）
図５（ａ）、（ｂ）は、本考案の光源追尾装置の変形例を説明する図である。上記図１に示す光源追尾装置３０では、光源追尾用光センサ装置１０の３つの光センサ１、３、５は、図１に示すような三角錐を構成する現実の面板２、４、６上に配置しているが、３つの光センサ１、３、５は三角錐を形成する面に配置されていれば、必ずしも現実の面板上に配置された構成としなくてもよい。

即ち、変形例の光源追尾装置３０’では、その光源追尾用光センサ装置１０’を、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、仮想的な三角錐３９を構成する三次元の仮想的な３つの面２’、４’、６’を想定し、この仮想的な３つの面２’、４’、６’に、３つの光センサ１、３、５がそれぞれ配置されるように、取付手段により支持される構成とした。

このように構成した光源追尾用光センサ装置１０’のその他の構成は、図１及び２に示す構成と全く同じであり、特に、３枚の遮蔽板７、８、９は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように設ける必要がある。

上記取付手段及びその取付構造としては、次のような態様がある。仮想的な三角錐３９を構成する仮想的な３つの面２’、４’、６’に沿って斜めに、棒、杆等の部材から成る取付手段４０を支持板３５に固定し、その取付手段（棒、杆等の部材）４０の傾斜した側面にセンサ１、３、５を斜め上方に向けて取り付ける構成としてもよい。

また、別の態様としては、仮想的な三角錐３９を構成する仮想的な３つの面２’、４’、６’に沿うように、棒、杆等の部材から成る取付手段４１（図５（ｂ）で想像線で示す。）の頂面を斜面として形成し、この頂面にセンサ１、３、５を取り付ける構成としてもよい。

さらに、別の態様としては、三角錐を構成する仮想的な面２’、４’、６’に沿うように、図示しないが、線材から成る取付手段を支持板３５と遮蔽板７、８、９の間にそれぞれ張って架設し、この取付手段（線材）にセンサ１、３、５を三角錐３９の仮想的な面２’、４’、６’に沿って取り付けられるかのように斜め上方に向けて取り付ける。この場合は、取付手段（線材）は、センサ１、３、５の出力を取り出すリード線と兼用した構成としてもよい。

以上、本考案に係る光源追尾装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本考案は特にこのような実施例に限定されることなく、実用新案登録請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。

例えば、光源追尾装置３０の光源追尾用光センサ装置１０は、実施例１ではアーム２１を介して凹面鏡集光装置３１に一体的に取り付けられており、実施例２では直接太陽電池パネル２３に取付板３８を介して一体的に取り付けられている。

しかしながら、必ずしも、このように光源追尾用光センサ装置１０を、凹面鏡集光装置３１や太陽電池パネル２３等の採集光装置に一体的に取り付けなくてもよい。即ち、光源追尾用光センサ装置１０は、凹面鏡集光装置３１や太陽電池パネル等の採集光装置と一体的に構成せず、若干離れて設置しても、凹面鏡集光装置３１や太陽電池パネル等の採集光装置と全く同じように動けばよいのである。

要するに、太陽光は平行光線とみなせるので、凹面鏡集光装置３１の中心軸心（ｚ軸）と、太陽電池パネルの面に垂直な軸が、常に同じ方向に移動するように、光源追尾用光センサ装置１０が、凹面鏡集光装置３１や太陽電池パネル等の採集光装置とは別個に可動な独立した回動支持機構を設けた構成としてもよい。この場合は、光源追尾装置３０からの制御出力で、光源追尾用光センサ装置１０の回動支持機構と採集光装置の回動支持機構３２を同期して同じ動きをするようにする。

また、凹面鏡集光装置３１や太陽電池パネル２３等の採集光装置を複数設置した場合は、それら複数の採集光装置のそれぞれの回動支持機構の動作を、１つの光源追尾装置３０で、一括して制御するように群管理する構成としてもよい。

以上の構成から成る本考案に係る光源追尾装置は、全天空領域における太陽、月等の光源の最も明るい方向に向けて採集光装置の照準を合わせることができるから、太陽熱利用装置（例．太陽熱発電装置、太陽熱利用温水装置等）、太陽光利用装置（例．太陽光発電装置、採光装置等）のような各種の光利用装置に適用可能である。

本考案の光源追尾装置を説明する図である。 本考案の光源追尾装置を説明する図である。 本考案の実施例１であり、光源追尾装置を凹面鏡集光装置に適用した構成を説明する図である。 本考案の実施例２であり、光源追尾装置を太陽電池パネルに適用した構成を説明する図である。 本考案の光源追尾装置の変形例を説明する図である。

符号の説明

１、３、５ 光センサ
２、４、６ 面板
２’、４’、６’ 仮想的な３つの面
７、８、９ 遮蔽板
１０、１０’ 光源追尾用光センサ装置
１１ 集光器
１２ 凹面鏡
１３ 支持台
１４、１７ モータの回転軸
１５、１８ モータ
１６ 可動部材
１９ 固定部材
２０ 光ファイバーケーブル
２１ 支持杆
２３ 太陽電池パネル
３０、３０’ 光源追尾装置
３１ 凹面鏡集光装置
３２ 回動支持機構
３３ 支持軸
３４ 三角錐
３５ 支持板
３６ 制御装置
３７ モータドライバ
３８ 取付板
３９ 仮想的な三角錐
４１ 取付手段

Claims (6)

1. 光源追尾用光センサ装置及び制御装置を有し、採集光装置に付設される光源追尾装置であって、
   前記光源追尾用光センサ装置は、三角錐を形成する３つの面板と３枚の遮蔽板とを備え、
   前記３つの面板は、それぞれ表面に光センサが取り付けられており、
   前記３枚の遮蔽板は、それぞれ矩形の板から成り、それぞれの内縁が前記三角錐の軸心で合体されるように前記三角錐の稜線において三角錐の軸心に沿って起立し、前記３つの面板を互いに区画して遮蔽するものであり、
   前記制御装置は、前記３つの面板に取り付けられた３つの光センサからの光検出強度を示す出力を入力して、前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を、前記３つの光センサからの光検出強度が互いに同一となるように受光可能となる向きに制御する構成であることを特徴とする光源追尾装置。
2. 光源追尾用光センサ装置及び制御装置を有し、採集光装置に付設される光源追尾装置であって、
   前記光源追尾用光センサ装置は、３つの光センサと３枚の遮蔽板とを備え、
   前記３つの光センサは、それぞれ仮想的な三角錐を構成する仮想的な３つの面に沿ってそれぞれ配置されるように、取付手段により取り付けられており、
   前記３枚の遮蔽板は、それぞれ矩形の板から成り、それぞれの内縁が前記三角錐の軸心で合体されるように前記三角錐の稜線において三角錐の軸心に沿って起立し、前記３つの面を互いに区画して遮蔽するものであり、
   前記制御装置は、前記３つの光センサからの光検出強度を示す出力を入力して、前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を、前記３つの光センサからの光検出強度が互いに同一となるように受光可能となる向きに制御する構成であることを特徴とする光源追尾装置。
3. 前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置は、それぞれ共通又は別の回動支持機構により、互いに直交するｘ軸及びｙ軸の回りに回動可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の光源追尾装置。
4. 前記制御装置は、前記３つの光センサからの出力値が互いに同一となるような制御信号を出力し、前記回動支持機構で前記採集光装置及び前記光源追尾用光センサ装置を回動制御することを特徴とする請求項３記載の光源追尾装置。
5. 前記制御装置は、前記３つの光センサの第２及び第３の光センサの出力値が同じとなるようにする制御信号を出力し、前記回動支持機構により２軸うちのｙ軸回りに回動し、さらに第２及び第３の出力値の平均値が、第１の光センサの出力値と同じになるようにする制御信号を出力し、前記回動支持機構により２軸うちのｘ軸回りに回動することを特徴とする請求項４記載の光源追尾装置。
6. 前記採集光装置は、凹面鏡集光装置、半円筒鏡集光装置又は太陽電池パネルであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源追尾装置。

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