JP2013518397A - 太陽電池付きの採光窓システム - Google Patents

Abstract

太陽電池の水平な縞のパターンが設けられた窓ガラスと、上記太陽電池の上に直射日光を集束させるように機能し、且つ室内空間の中の昼光分布を改善するために、拡散した昼光及び／又は直射日光を方向転換するように機能する羽根板が設けられた窓用ブラインドとを備える採光窓システムを記載する。この採光窓システムは、太陽の位置や、空の状況、エネルギー需要、室内空間の中での昼光の必要性、太陽を遮る必要性などのいくつかのパラメータに基づいて上記窓用ブラインドを自動的に調整するための制御手段を備えていてもよい。

Description

本発明は、特に、電気的エネルギーを生成し、昼光を方向転換し、太陽を遮るための採光窓システムに関する。

建物の居住者は、窓を極めて重要な建物の要素として考えている。窓の開口部の主要な特性は、外部の環境を視認できることと、昼光を建物の内部に通すことである。窓により、建物の居住者は外部を見ることができ、居住者は天候と昼光の状況の変化を常に把握することが可能になる。

窓には、熱の損失や、眩しさ、不必要な太陽の熱などの否定的な要素も付随している。加えて、入り込んだ昼光の空間的な分布はたいていの場合非常に不均一であり、室内の昼光の質や電灯の省エネルギーの可能性を低下させている。

近年では、商業ビルでより多くのガラスを使う傾向がある。ガラス・ファサードがある建物は、たいていの場合、熱の伝達や、太陽（熱）の遮光、眩しさからの保護に関する性能を最適化した先端の採光窓システムが必要である。技術的な解決手段には、ガスを充填した多重ガラスのユニットや、低放射フィルム、太陽反射フィルム、太陽を遮光する部材を用いるものがある。

建物内の正味のエネルギー消費を減少させるために、次の２つの技術が特別に注目されている。
（１）昼光方向転換システムを適用して、自然昼光を利用し電灯の負荷と電灯に起因する冷却の負荷を軽減する。
（２）太陽窓を適用して、窓の開口部に入射する太陽エネルギーを電気に変換する。

昼光方向転換システムと太陽窓についての今日の解決手段は、省エネルギーの可能性を最大限に引き出しておらず、市場で売られているほとんどの解決手段では、窓の開口部を通して視認することに著しい制限が課されている。省エネルギーを向上させるとともに、窓により建物の居住者に与えられることが意図されている視認性も維持することが可能になる解決手段が、市場には必要である。

縦型の窓の開口部では、室内での昼光の空間的な分布が不均一になる。光のレベルは、窓壁の近くでは高いが、窓壁から遠くなるにつれて急速に低下する。単純な方向転換用のライト・シェルフによって昼光の分布をより一様にすることができ、それにより昼光の利用を向上させることができる。ライト・シェルフにより、窓の区域での眩しさの問題を軽減することができ、窓壁から遠く離れた内側の区域で利用可能な昼光の量を増加させることができる。昼光方向転換システムによって現代のオフィスビルでの照明による電気的エネルギーの消費を著しく減少させることができることが、研究で示されている。

しかしながら、今日市販されている昼光方向転換システムの重大な欠点は、これらのシステムは、昼光が必要なとき、即ち、空間が人によって占有されているときにエネルギーを節減できるだけだということである。また、市場にある多くの昼光方向転換システムでは、外部の視認性が著しく低下する。

近年では、太陽の放射からエネルギーを生成することができる建物の要素がますます注目されるようになっている。この目的は、太陽電池（光電池）を使って実現することができる。こうして、建材一体型太陽光発電（ＢＩＰＶ）の市場は急速に発達している。太陽電池を窓に実装すること（太陽窓）にはいくつかの利点がある。ガラス・ファサードがある高層ビルの場合、採光窓システムはビルの表面の広い面積を覆う。また、今日の窓は製造するには先端の製造技術が必要であるから、太陽電池を窓に実装するのに必要な余分なコストは相対的に低い。

電気的エネルギーを生成するために太陽電池を実装した採光窓システムを、いくつかの企業が販売している。しかしながら、今日の太陽窓の解決手段には、次のようないくつかの不都合がある。
いくつかの太陽窓は完全に不透明であり、このため、窓の開口部の２つの主な魅力、即ち、外部の環境を視認できることと昼光を供給することがなくなっている。
太陽窓の２つ目の種類は、半透明なものである。これにより、昼光がいくらか室内に入り込むことができるが、通常、外部の視認性は損なわれる。また、半透明の解決手段では、室内に到達する昼光の分布がほとんど又は全く改善されない。
太陽窓の３つ目の種類は、窓ガラスの全体にわたる模様、通常は縞のパターンでの、透明でない太陽電池の適用に基づくものである。これには、採光窓システムの透明な部分を通して視認性が部分的に維持されるという利点がある。また、透明な窓の領域を通して昼光が入り込む。この種類の太陽窓の場合、典型的には窓の面積の５０％以下が太陽電池で覆われる。したがって、太陽電池で覆われる面積がより小さいため、エネルギー生成はそれに応じて少なくなる。

太陽窓についての今日の解決手段は、利用可能な昼光の供給や外部の視認性を兼ね備えたエネルギー生成の可能性を引き出していない。これらの解決手段で十分なエネルギー生成を得るためには、太陽電池の面積を比較的大きくしなければならず、これにより視認性と昼光の供給が著しく低下する。また、知られている解決手段では直射日光と拡散した昼光とを区別していない。したがって、そうした解決手段では、直射日光からの不快な眩しさをほとんど防ぐことがなく、室内の昼光分布はほとんど又は全く改善されない。

本発明は、上記で概要を述べたいくつかの問題を解決するか、少なくとも改善するために考案されたものである。

本発明の第１の態様では、太陽電池の水平な縞のパターンが設けられた窓ガラスと、上記太陽電池の上に直射日光を集束させるように機能し、且つ室内空間の中の昼光分布を改善するために、直射日光及び／又は拡散した昼光を方向転換するように機能する羽根板が設けられた窓用ブラインドとを備える採光窓システムが提供される。従来技術の窓用ブラインドの解決手段に比べると、本発明では昼光の供給も改善することができる。

以下の記載及び図面では、採光窓システムに関する座標系を次のように表すことがある。即ち、ｘ軸はブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行である。ｙ軸は天頂に向かい、ｚ軸は窓ガラスの法線ベクトルに平行である（採光窓システムが適用されている室内空間の後壁に向けられている）。更に、太陽の位置の方位角は、採光窓システムの中心と太陽の両方が載る垂直面とｙｚ平面との間の角度である。

ある実施例では、上記太陽電池の上に集束する直射日光の量、及び上記昼光分布に利用される量を調整するために、上記羽根板が、上記ブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行な軸の周りに傾斜可能であってもよい。更に、上記羽根板が、上記ブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行な軸の周りに、上記室内空間の太陽を遮ることができる閉位置へ向けて傾斜可能である。このシステムは、上記太陽電池の縞のパターンに対して平行に羽根板の垂直位置を調整して、上記太陽電池の上に集束する昼光の量、及び上記昼光分布に利用される量を調整することができる手段を備えていてもよい。この採光窓システムにより、様々な状況や居住者の必要に応じて直射日光及び／又は拡散した昼光をどのように利用するかを管理することが可能になる。例えば、照明が必要なときは、日光を電気に変換してから電気を電灯に変換するよりも、室内空間に昼光を供給するために昼光源を利用する方がはるかに効率的である。

別の実施例では、ブラインドの羽根板間の垂直方向の間隔が、平行な太陽電池の縞間の垂直方向の間隔に対応している。各羽根板が、対応する水平な太陽電池の縞の上に直射日光を集束するように機能してもよい。ブラインドの羽根板が傾斜している間、各羽根板の内側端部が同じ位置に固定されたままであり、上記内側端部が上記ブラインドの羽根板用の回転軸であってもよい。ブラインドの各羽根板の内側端部が、対応する太陽電池の縞の下端に、又はその下端に隣接して取り付けられていてもよい。こうして、採光窓システムに対する多種多様な太陽の位置から太陽電池の比較的狭い縞の上に、直射日光を集束させることが可能になる。

さらに別の実施例では、上記太陽電池の上に集束する昼光の量、及び上記昼光分布に利用される量を調整することが、ブラインドの羽根板の外側端部の持上げ又は降下によって実現され、ブラインドの羽根板の上記持上げ又は降下によりブラインドの羽根板の曲率が変化する。この調整のアプローチを利用して、太陽電池の上に日光を集束させる、即ち、昼光の利用を改善するために日光を方向転換することができる。曲率が変化することは、太陽が非常に低い状態から太陽が非常に高い状態にわたる色々な太陽の仰角に対するシステムの運用を強化するために有益であろう。

ブラインドの羽根板が凹面の曲率を有してもよい。他の実施例では、ブラインドの羽根板の内側端部に向かって減少する曲率半径を上記ブラインドの羽根板の少なくとも一部分が有し、上記一部分が上記ブラインドの羽根板の少なくとも半分を占めていてもよい。曲率半径の減少が、角の向きが相違なるいくつかの平らな又はいくつかの湾曲した部分によってもたらされるものでもよい。方向転換した日光の角度分布を比較的狭く保ってもよい。記載した羽根板の形状により、方向転換した日光が、対応する太陽電池の縞よりごくわずかに上から水平面に対して比較的平らな方向角で室内に入ることができる。これにより、曲率半径が一定なブラインドの羽根板をもつ解決手段に比べて昼光分布を改善することが可能になる。

ブラインドの羽根板の長手方向に垂直な方向に周期的な構造を羽根板が備えていてもよい。周期的な構造が、横に並んだ半円の形状、重なり合う半円の形状、又はその他の類似の形状をもってもよい。室内の昼光分布を改善するために、大きな方位角で（即ち、ｙｚ平面に対して大きな角度をなす垂直面内で）入射する日光の一部をｙｚ平面やそれに近い他の垂直面に方向転換することができる。

他の実施例では、複数の窓ガラス間に窓用ブラインドを配置してもよく、内側の窓ガラスの上にいくつかの平行な縞を備える水平な縞のパターンで太陽電池を配置してもよい。太陽電池が半透明であってもよい。これにより、室内空間からの窓の外の視界状態が向上し、昼光の供給も向上する。

別の実施例では、上記ブラインドの羽根板の上側がほとんど鏡のようであり、好ましくは少なくとも８０％の高い反射率の値をもってもよい。反射率が高い表面により、採光窓システムが遮光モードで直射日光を遮断する能力が高められることになる。反射率が高い表面により、直射日光を方向転換して上記太陽電池の上に集束させる機能も強化され、そのため電気的エネルギーの生成が増加することになる。加えて、反射率が高い表面により、室内空間への直射日光と拡散した昼光を方向転換する機能も強化されて、昼光の利用が向上することになる。ごく一部の直射日光やまた拡散した昼光だけが、ブラインドの羽根板自体に吸収されることになる。いくつかの実施例では、ブラインドの羽根板上で何回も反射することにより日光が方向転換されることもあり得る。これらの実施例では、反射率が高いことにより羽根板での吸収が抑えられ、その後に続くそれぞれの反射が強化されることになる。

太陽の位置や、空の状況、エネルギー需要、室内空間の中での昼光の必要性、太陽を遮る必要性などの数多くの、或いはいくつかのパラメータに基づいて上記窓用ブラインドを自動的に調整するための制御手段を備えていてもよい。

本発明による新規の採光窓システムは、ブラインドの羽根板を備える昼光方向転換システムと太陽電池を縞のパターンに内蔵した太陽窓とを組み合わせることによって、昼光方向転換システムと太陽窓の利点を兼ね備えている。ブラインドの羽根板の垂直位置及び／又は傾斜は、電気的エネルギーの生成や昼光の利用、太陽の遮光に関するユーザの必要性に応じて調整することができる。従来技術のベネチアン・ブラインドに比べて、本発明では昼光の供給を改善することが可能になる。遮へいされていない窓に比べて、本発明では昼光分布を改善することが可能になる。

採光窓システムには、いくつかの動作モード、即ち、電気的エネルギー生成モードや、昼光利用モード、太陽遮光モードがあってもよい。加えて、いくつかの中間モード、特に電気的エネルギー生成と昼光利用の間の中間モードがあってもよい。

建物内で昼光が必要なときは、昼光の利用を改善するために昼光を方向転換する昼光利用モードのうちの１つに、このシステムを構成してもよい。これらの動作モードでは、建物の居住者のために、採光窓システムを通してある程度外部が見えるように維持される。

昼光が余分にある間、又は居住者が不在のときは、効率的に電気的エネルギーを生成するために、入射する日光を太陽電池の上に集束させることが可能な電気的エネルギー生成モードの１つに、このシステムを構成してもよい。これらの動作モードでも、建物の居住者のために、採光窓システムを通してある程度外部が見えるように維持される。

太陽の遮光が主目的であるときは、太陽エネルギーにより室内が過熱することを防ぐため、採光窓システムを太陽遮光モードに構成することもできる。

採光窓システムは、２重又は３重ガラスのユニットで実装することができる。この解決手段は、ダブル・スキン・ファサードの建物で使うこともできる。この場合、集束・昼光方向転換ブラインドは、複数のガラス間のベネチアン・ブラインド用に通常使われているものよりもはるかに大きな寸法のものでもよい。

採光窓システムは、典型的には目の高さより上に配置することができる。この位置では、水平面より上の方向に方向転換された直射日光により建物の居住者が眩しさを感じることはない。

本明細書で提案するシステムは、今日市販されているあらゆるシステムよりも著しく高い省エネルギーを実現する可能性をもっており、窓の開口部を通して視認する必要性にも対処するものである。

太陽電池付きでないこれまでの遮光解決手段は、暗い外側のブラインド又は白色／灰色の内側のブラインドを含んでいる。そうした解決手段に比べると、本発明による採光窓システムは、昼光の利用を改善する（電灯の負荷を軽減する）点と、太陽電池で電気的エネルギーを生成する点の両方から、エネルギーを節減することができる。

太陽電池を実装した従来技術の採光窓システムに比べると、本発明による採光窓システムにより、優れた視認性能が実現される。ブラインドの羽根板が日光を上記太陽電池の縞に集束できることと水平な太陽電池の縞により、太陽電池で覆われる窓の面積の割合を小さく、典型的には１／３未満にとどめることが可能になり、それでもなお、入射放射のほとんどをエネルギー生成のために利用することができる。加えて、本発明により、昼光をよりうまく利用して室内空間を照らすため、より高度な省エネルギーが実現される。

以下の図面を参照して、本発明の具体的な実施例について記載する。

本発明の一実施例による採光窓システムの説明図である。このシステムは、電気的エネルギーを生成し且つ／又は昼光分布を改善することができ、それと同時に視界状態を適度なものにすることができる。ブラインドを閉位置に傾けることによって、この採光窓システムは太陽を遮ることもできる。 本発明の別の実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この構成は、日光を太陽電池の上に集束させることによって採光窓システムがどのように電気的エネルギーを生成することができるかを示している。 本発明の一施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この構成は、水平面より上の方向に昼光を方向転換することによって採光窓システムがどのように昼光分布を改善することができるかを示している。図２に比べると、ブラインドの羽根板が（外側端部で）わずかに下方に傾斜している。 やはり、本発明の一実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この構成は、水平面より上の方向に昼光を方向転換することによって採光窓システムがどのように昼光分布を改善することができるかを示している。図２に比べると、ブラインドの羽根板が、太陽電池の縞の高さに対応する距離だけ垂直に平行に持ち上げられている。図２の構成に比べてブラインドが傾斜していてもよい。 本発明の一実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この構成は、ブラインドを閉位置に調整することによって採光窓システムがどのように太陽を遮ることができるかを示している。 本発明の一実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この構成は、ブラインドを上昇位置に持ち上げることによって太陽電池の縞の間から外部を見ることができることを示している。 本発明の一実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。太陽電池の縞に対するブラインドの羽根板の位置を上下に調整することによって、昼光照明用に利用される日光の割合を制御することができる。左：ブラインドの羽根板が（図２の構成に比べて）持ち上げられて、方向転換した一部の日光が、対応する太陽電池の縞より上から入ることができる。右：ブラインドの羽根板が（図２の構成に比べて）下ろされて、方向転換した一部の日光が、対応する太陽電池の縞の下を通過することができる。 曲率半径が一定である凹面のブラインドの羽根板をもつ、本発明の一実施例による採光窓システムの（断面の）説明図である。この説明図は、ブラインドの羽根板（ほとんど水平な羽根板）が開位置に揃えられており、ブラインドの羽根板の間及び太陽電池の縞の間から適度に外部を見ることができることも示している。 本発明の一実施例による採光窓システムの説明図であり、ブラインドの羽根板（断面）の形状の一例を示している。この形状は、特に４５°の太陽の仰角（ｙｚ平面に投影された太陽の仰角）専用に設計されているが、ブラインドの羽根板をしかるべく傾けることによって、太陽が低いほとんどの状態（１０°〜６０°）に適用することもできる。ブラインドの羽根板の外側端部には文字Ａを記し、内側端部には文字Ｂを記してある。この形状は、角の向きが相違なる１０個の平らな部分で構成されている。この形状は、ｙ方向に約１０単位の高さをもつ太陽電池の縞とともに機能するように設計されている。 本発明の一実施例による採光窓システムの説明図であり、ブラインドの羽根板（断面）の形状の一例を示している。この形状は、特に６０°の太陽の仰角（ｙｚ平面に投影された太陽の仰角）専用に設計されているが、ブラインドの羽根板をしかるべく傾けることによって、太陽が高いほとんどの状態（３０°〜８０°）に適用することもできる。ブラインドの羽根板の外側端部には文字Ａを記し、内側端部には文字Ｂを記してある。この形状は、角の向きが相違なる１０個の平らな部分で構成されている。この形状は、ｙ方向に約１０単位の高さをもつ太陽電池の縞とともに機能するように設計されている。 ブラインドの羽根板の深さ方向に周期的な構造をもつ、本発明の一実施例による採光窓システムにおけるブラインドの羽根板の一部の試作品の写真である。方向転換した日光の分布がこの周期的な構造により改善される。 本発明の実施例によるブラインドの羽根板の一部を正面から見た断面図であり、ブラインドの羽根板の深さ方向に周期的な構造が設けられている。左：横に並んだ半円の形の周期的な構造である。右：重なり合う半円の形の周期的な構造である。 本発明の一実施例による可撓性のブラインドの羽根板の（断面の）説明図である。羽根板の内側端部は対応する太陽電池又は窓ガラスに固定されている。羽根板の外側端部を持ち上げるか又は下ろすことによって、羽根板の形状を調整することができる。このことを利用して、太陽電池の上に日光を集束させ、又は昼光の利用を改善するために日光を方向転換することができる。

では、図面を参照して、この採光窓システムの具体的な実施例を説明する。同一の参照符号は、全ての図面にわたって同一の要素を示す。

新規の採光窓システム１の実施例を図１に示す。この採光窓システムは、昼光方向転換ブラインド４と、窓ガラス２に取り付けられた縞のパターンの太陽電池３とを備える。図１からわかるように、方向転換ブラインドによって太陽電池の縞のパターンの上に直射日光が集束するが、それと同時に、室内空間の中、例えば建物内部の昼光分布を改善するために、そのブラインドによって直射日光（及び／又は拡散した昼光）が方向転換されて窓ガラスを通る。それと同時に、建物内部の居住者が、直射日光からの眩しさや、方向転換した日光からの眩しさにさらされることなく、窓の外の良好な視界状態を得ることになる（ただし、採光窓システムが目の高さより上に設置されている場合）。

図１では１枚の窓ガラスの実施例を示しているが、方向転換ブラインドは、２重ガラス又は３重ガラスの窓内の２枚の窓ガラスの間に配置してもよい。その際、太陽電池は内部の窓ガラス上に配置してもよい。太陽電池は内側と外側の窓ガラスの両方に配置することができるが、外側、即ち、２枚の窓ガラスの間であれば、太陽電池がより良く保護されるため好ましい。窓ガラスとは、窓の開口部内の、ガラス又は他の透明な材料でできた個々のシートを意味する。窓の開口部とは、通常、透き通ったガラス製の１枚又は複数枚のガラスで覆われた、外部からの光が建物に入ることができる開口を意味する。

ここで、太陽電池とは、放射エネルギーを吸収し、それを電気的エネルギーに変換する構成要素を意味する。これは、光起電装置によるエネルギー変換を含む。

太陽電池は、図１の窓ガラス２に取り付けられた太陽電池の縞３の形で設けられている。光電池は、生産中にガラス上に設置してもよく、又は生産後に窓ガラスに取り付けてもよい。この縞は平行で水平な縞が好ましいが、その他の模様でもよい。

太陽電池は、透明でない（不透明である）か、又は半透明であってよい。半透明の解決手段では、方向転換した光の一部が太陽電池を透過することができる。透過した光は昼光照明用に利用することができる。この解決手段では、視界状態を改善することもできる。

図２の実施例に示すように、ブラインドの各羽根板４には、対応する太陽電池の縞３が割り当てられている。この実施例では、ブラインドの羽根板の内側端部が、対応する太陽電池の縞の下端の下に且つ該太陽電池の縞に極めて接近して配置されるように、ブラインドの各羽根板が位置している。羽根板は、実際の太陽電池の縞に接触していてもよい。ブラインドの羽根板を、動かないように窓ガラスに取り付けることによって、この位置で固定することも可能である。ブラインドの羽根板は、太陽電池の縞自体に直接取り付けてもよい。

ブラインドの羽根板間の垂直方向の間隔は固定してもよい。その際、各太陽電池には、特定のブラインドの羽根板が割り当てられてもよい。垂直方向の間隔が固定されていると、ブラインド全体を持ち上げることによって、割り当てられた各太陽電池の縞に対してブラインドの各羽根板を平行に変位させることが可能になる。そうしたブラインドの持上げにより、割り当てられた各太陽電池の縞に対して各羽根板を微調整することが可能になる。この動きで羽根板の全体を上方に持ち上げることにより、各太陽電池の縞のごく一部分だけを直射日光にさらすこともできるし（図７左）、又は各太陽電池を直射日光から完全に遮断することもできる（図４）。この微調整によって、太陽電池による電気的エネルギーの取入れを制御することが可能になり、電気的エネルギーの生成と昼光の利用の間で所望のバランスを生み出すことも可能になる。

太陽電池の縞３間の垂直方向の間隔は、ブラインドの羽根板４間の垂直方向の間隔に対応させることができる。各縞の高さは、典型的には垂直方向の間隔の１／３未満であり、典型的には窓の面積の１／３未満が太陽電池で覆われることを意味する。より小さい割合、例えば１／６にすると、視界状態を改善することになるが、（見込まれる様々な太陽の位置からの）直射日光を太陽電池の上に集束させるには実用上適さなくなる。

ブラインドの羽根板の幅（Ｗ）は、複数のガラス間への適用例の場合、典型的には１５ｍｍ〜５０ｍｍである。外側への適用又はダブル・スキン・ファサードの構成の場合、ブラインドの幅は、典型的には５０ｍｍ〜５００ｍｍとはるかに大きくすることができる。ブラインドの羽根板間の間隔（Ｓ）は、典型的には太陽電池の縞間の間隔に等しい。この間隔の距離は、典型的にはブラインドの幅（Ｗ）より小さい。典型的な間隔と幅の比（Ｓ／Ｗ）は、０．６〜０．９である。太陽電池の縞の高さ（Ｈ）は、ブラインドの羽根板間の間隔より小さい。典型的な高さと間隔の比（Ｈ／Ｓ）は、１／６〜１／３である。このことは、太陽電池の縞が典型的には窓の面積の１６％〜３３％の間を覆うことを意味する。

ブラインドの羽根板は、反射面又は反射層をもってもよい。ブラインドの上側は、高い反射率の値をもつほとんど鏡のようであってもよい。反射率の値は、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは９０％以上である。高い反射率の値により、日光がブラインドの羽根板にほとんど吸収されないことが確実になる。これにより、効率的な電気的エネルギーの生成、効率的な昼光の利用、及び効果的な太陽の遮光のいずれもが向上する。

図２の採光窓システムにより、太陽電池に向かう方向に入射日光を方向転換することが可能になる。これにより、日光を効率的に取り入れることが可能になる。

図３及び図４の採光窓システムにより、入射日光を方向転換することが可能になり、羽根板からの光のほとんどが、対応する太陽電池の縞よりわずかに上にある位置で窓ガラス２を通って入ることができる方向に方向転換される。その方向転換した日光は、水平面に対して比較的平らである。ここで、平らとは、典型的には水平面より上の４５°（ｙｚ平面に投影された角）以下の範囲にあることを意味するが、水平面より上の０°〜３０°の範囲にあることが好ましい。これにより、日光のほとんどを建物の内部のより奥に向けて方向転換することが可能になり、それによって効率的な昼光の利用（供給及び分布）が可能になる。

ブラインドの羽根板は、電気的エネルギーの生成や、昼光の利用、太陽の遮光、視認、眩しさからの保護に関する必要性及び要望に応じて、手動で若しくは自動的に調整及び／又は完全に上昇させてもよい。

電気的エネルギーを生成することができる採光窓システムの実施例の説明図を図２に示す。この構成は、例えば、空間が使用されていないか又は空間が十分に照らされているときに適用することができる。ここでは、ブラインドの内側端部が対応する太陽電池の縞の下端近くで窓に接触するように、ブラインドの羽根板が位置している。ブラインドの形状は、太陽の位置（太陽の仰角及び方位角）に応じてブラインドの羽根板を傾けることによって、直射日光のほとんどを太陽電池に向けて方向転換することができるように設計されている。ブラインドの羽根板をそのように傾けている間、図２の実施例では、羽根板の内側端部は同じ位置に固定されたままである。図２に示したように太陽電池が窓の面積のほんのわずか（１／３未満）しか覆っていなくても、矢印で示したように方向転換ブラインド４によって直射日光のほとんど全てを太陽電池３に向けることができる。

この構成の場合、ブラインドの羽根板の内側端部と対応する太陽電池の縞の下端との間を直射日光が（方向転換することなく）通過できないようにすることが好ましい。というのは、そうしないと、建物の居住者にとってひどく眩しくなる問題を引き起こす恐れがあるからである。

太陽の熱を遮ることができるシステムの構成を図５に示す。この状況では、過熱が主要な関心事であり、図５に示すように、ブラインドを閉位置（太陽遮光モード）に構成することができる。入射する可視光及び近赤外光が建物の内部に入らないように遮るために、ブラインドの羽根板は（外側端部が）下方に傾斜している。それと同時に電気的エネルギーを生成することも停止するが、いずれにしても、そうしたエネルギー生成では、付随した熱の生成を排除するだけの十分な電気的エネルギーは得られない。この構成では、ブラインドの羽根板の反射率が高いため、入射太陽エネルギーのほとんどが反射して外部に戻る。これにより、ブラインドの羽根板が複数の窓ガラスの間に位置していても、太陽を良好に遮光することが可能になる。

３つ目の実例は、曇り空の状況下である。こうした状況下では、図６に示すように、ブラインドを上昇させて、太陽電池の縞間からの視認が制限されないようにしてもよい。この構成では、入射昼光が太陽電池の上に集束しないため、電気的エネルギーの生成が比較的少なくなる。或いは、曇り空の状況下では、図８に示したように、ブラインドの羽根板を開位置に構成して昼光分布を改善するとともに、依然としてブラインドの羽根板を通して視界が部分的に維持されるようにしてもよい。

４つ目の実例は、晴れの状況下であり、室内が十分に照らされていないときである。部屋の内部のより奥により多くの昼光を方向転換することができるシステムの構成を、図３及び図４に示す。ここでは、ブラインドの羽根板を傾けること及び／又はブラインドを（太陽電池の縞に対して）平行に上下に調整することによって、昼光照明又は電気的エネルギーの生成のために利用される直射日光の量を調整することができる。余分な昼光は、電気的エネルギーを生成するために太陽電池に向けて方向転換することができる。図７は、ブラインドの羽根板を上下に調整することによって、昼光照明の目的のために利用される光をどのように調整することができるかを示している。図７に示した例の場合、好ましくは、ブラインドの羽根板の垂直位置を、少なくとも太陽電池の縞の高さに等しい距離だけ調整可能にすべきである。このことは、典型的には羽根板の間隔の１／３まで上下に変位することを意味する。

図３では、図２に比べると、ブラインドがわずかに下方に傾斜している。この傾斜の動きは、ブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行な軸の周りでのものである。図３では、その傾斜の動きの間、ブラインドの羽根板の内側端部は、太陽電池に対して固定した位置に維持されてもよい。その際、ブラインドの各羽根板の内側端部は、傾斜の動きが起こる回転軸を与えることになる。

図７では、ブラインドの羽根板の、対応する太陽電池の縞に対する位置を上下に調整することによって、昼光照明の目的のために利用される日光の割合を制御することができる。前に説明したように、この上下の調整ではブラインドの全ての羽根板を同じ距離だけを平行に変位させることができ、それによってブラインドの各羽根板の垂直位置を微調整することが可能になる。図７の左では、ブラインドの羽根板が持ち上げられて、対応する太陽電池の縞より上に、より多くの昼光が入ることができる。それと同時に、ブラインドの羽根板は太陽電池の縞自体のための日よけとして機能して、太陽電池の縞の一部だけを日光にさらし、それによって電気的エネルギーの生成が抑制される。図７の右では、ブラインドの羽根板が下ろされて、対応する太陽電池の縞の下を、方向転換した一部の日光が通過することができる。昼光照明用に方向転換した日光の量が増加することにより、ここでも太陽電池の上に集束する日光の量が減少することになる。

図３、図４及び図７の構成には、いずれも、採光窓システムが目の高さより上に設置されていることを条件として、直射日光からの眩しさを著しく軽減するように、昼光が水平面に対して上方に方向転換されるという利点がある。加えて、日光は、典型的には（太陽の仰角及び方位角に依存して）水平面より上に４５°未満の方向に方向転換される。これにより、方向転換した光が室内空間の中に奥までより多く入り込むようになる。

ブラインドの羽根板には、凹面の曲率が与えられる、即ち、中央部分が端部よりも低くなっているべきである。ブラインドの羽根板は、反射面又は反射層を備えていてもよい。図８に示すように、曲率半径が一定のブラインドの羽根板を使うことも可能である。この羽根板の形状は、従来技術から知られており、昼光方向転換ブラインドに適用されてきている。しかしながら、この形状には、小さい太陽電池の縞の上に日光を集束させることができないという欠点がある。また、昼光照明の目的のために方向転換された昼光は多くの方向に拡散することになり、日光のごくわずかな部分しか室内のより奥に向けて（水平面より上に４５°未満の方向に）方向転換されないことになる。

狭い太陽電池の縞の上により多くの日光を集束させることができ、且つ／又は（典型的には４５°未満の比較的平らな角度で）建物の内部のより奥に向けてより多くの日光を方向転換させることができる曲率をもつ、ブラインドの羽根板を設計することも可能である。ブラインドの羽根板の内側端部に向けて減少する曲率半径をもつ新規な形状を提案する。或いは、類似の形状を、角の向きが異なる複数の平らな区画で構成することもできる。１０個の平らな区画で構成されるそうした形状の一例を図９に示す。そのブラインドの羽根板の断面を示してある。この形状は、太陽が低い状態（例えば、ｙｚ平面に投影されたときに仰角が１０°〜６０°の太陽の状態）専用に設計されている。ブラインドの羽根板の外側端部には文字Ａを記し、内側端部には文字Ｂを記してある。この形状は、角の向きが異なる１０個の平らな部分で構成されている。図９に示した形状は、ｙ方向に約１０単位の高さをもつ太陽電池の縞とともに機能するように設計されている。

複数の平らな区画で構成される形状の別の例を図１０に示す。そのブラインドの羽根板の断面を示してある。この形状は、太陽が高い状態（例えば、ｙｚ平面に投影されたときに仰角が３０°〜８０°の太陽の状態）専用に設計されている。ブラインドの羽根板の外側端部には文字Ａを記し、内側端部には文字Ｂを記してある。この形状は、角の向きが異なる１０個の平らな部分で構成されている。図１０に示した形状は、ｙ方向に約１０単位の高さをもつ太陽電池の縞とともに機能するように設計されている。

図９及び図１０の形状は、羽根板の各部分の外側端部に（それぞれ４５°及び６０°で）入射する直射日光が、対応する太陽電池の縞の上側端部に向けて反射されるように構成されている。このことにより、各部分の端部について表１に示した座標が与えられる。

図２に示すように、各羽根板の外側部分で入射する光が対応する太陽電池の縞の上側部分に向けて反射し、且つその羽根板の内側部分に入射する光が太陽電池の縞の下側部分に向けて反射するように形状を構成することも可能である。この設計により、太陽電池の縞に入射する光の入射角度を減少させることになり、このため、太陽電池に入射する光の角度が傾斜していることに起因する反射率の損失を減少させることができる。

羽根板の外側部分からの日光を対応する太陽電池の縞の下側部分に向ける形状を構成することも可能である。そうした形状により、太陽の仰角の変動の影響をより受けにくくすることができる。

図９及び図１０に示したブラインドの羽根板の曲率には、曲率半径が一定であるこれまでの（従来技術の）羽根板に比べて、次のような一定の利点がある場合がある。
１．より狭い太陽電池の縞を使えるように、日光の集束を改善することができる。
２．より狭い太陽電池の縞が可能になることによって、外部を見ることができる可能性を高めることができる。
３．室内のより奥に向けて、より多くの昼光を方向転換することができる。

別の代替実施例では、ブラインドの羽根板には、窓ガラス上の太陽電池の縞の上に直射日光を集束させ、並びに／又は直射日光及び／若しくは拡散した昼光を室内空間の中に方向転換する、光回折格子や、鋸歯状の構造、その他の光学活性構造が設けられていてもよい。半径が減少する曲率や、複数の平らな区画、光回折格子の構造、鋸歯状の構造、その他の光学構造は、ブラインドの各羽根板の表面上に配置してもよい。しかしながら、ブラインドの各羽根板は透明な材料でできたものでもよく、その際は、半径が減少する曲率や、複数の平らな区画、光回折格子の構造、鋸歯状の構造、その他の光学構造は、ブラインドの各羽根板の内側又は下側に設けられていてもよい。

ブラインドの羽根板が太陽電池の縞に取り付けられている実施例では、図１３に示すように、ブラインドの羽根板の外側端部（Ａ）を持ち上げるか又は下ろすことによって、ブラインドの羽根板を回転させることが可能になる。この解決手段では、ブラインドの羽根板の曲率を、有益になり得るように変化させることも可能である。ブラインドの羽根板をこのように所望の形状に曲げて、電気的エネルギーを生成し且つ／又は昼光を利用するための状態を形成してもよい。更に、羽根板の幅に沿って機械的な性質を調整することによって、ブラインドの羽根板の外側端部を持ち上げるか又は下ろすことで得られる曲率の変化を更に制御することができる。

ブラインドの羽根板に適用される周期的な構造により、昼光の方向転換に関する機能を改善することができる。図１１及び図１２に示した実施例では、ブラインドの羽根板の長手方向に垂直な方向に周期的な構造がある。この周期的な構造は、横に並んだ半円の形状、重なり合う半円の形状、又はその他の類似の形状をもってもよい。周期的な構造の一目的は、太陽の方位角にかかわらず、方向転換した日光の光分布をより均一にすることにある。このことは、ｚ軸から４５°未満の方向に方向転換した昼光の量を増加させることになり、それによって潜在的に照明に関する省エネルギーを向上させる手段となり得る。

太陽の方位角が大きい場合、周期的な構造は、より小さな傾斜の入射角で光を太陽電池に向けることに関して有益にもなり得る。これにより、太陽電池の前面での反射を減少させることができる。それによって、周期的な構造は、電気的エネルギーの生成を増加させる手段にもなり得る。

図８に示したように曲率が一定か、又は図９及び図１０に示したように曲率半径が減少する形状のブラインドの羽根板をもつ本発明の実施例は、ブラインドの羽根板の深さ方向に周期的な構造（図１１及び図１２）と更に組み合わせてもよい。このような周期的な構造の大きさは、微視的（約１μｍ）なものだけでなく、巨視的（約１ｍｍ）なものであってもよい。

内側端部に向かって曲率半径が減少する羽根板の形状は、太陽電池を備えない昼光方向転換システムにも適用することができる。周期的な構造は、太陽電池を備えない昼光方向転換システムにも適用することができる。

ブラインドの傾斜及び／又は垂直位置は、好ましくは、太陽の位置や、空の状況、昼光の必要性を（室内空間内の人の有無も含めて）考慮に入れる電気制御システムによって制御することができる。その制御システムは、雲の状況や、屋内／屋外の温度、室内空間の照度などを測定する計測装置及び太陽の位置を計算する計時機構を備えていてもよい。

本発明の好ましい実施例について記載してきたが、その概念を採り入れた他の実施例を使うことができることは、当業者にとって明らかであろう。上記で示した本発明のこれらの実例や他の実例は例示のためのものに過ぎず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定められるべきである。

Claims (19)

1. 太陽電池の水平な縞のパターンが設けられた窓ガラスと、
   前記太陽電池の上に直射日光を集束させるように機能し、且つ室内空間の中の昼光分布を改善するために、直射日光及び／又は拡散した昼光を方向転換するように機能する羽根板が設けられた窓用ブラインドと
   を備える採光窓システム。
2. 前記太陽電池の上に集束する直射日光の量、及び前記昼光分布に利用される量を調整するために、前記羽根板が、前記ブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行な軸の周りに傾斜可能である、請求項１に記載の採光窓システム。
3. 前記羽根板が、前記ブラインドの羽根板の長手方向の軸に平行な軸の周りに、前記室内空間の太陽を遮ることができる閉位置へ向けて傾斜可能である、請求項１又は２に記載の採光窓システム。
4. 前記太陽電池の縞のパターンに対して平行に前記羽根板の垂直位置を調整して、前記太陽電池の上に集束する昼光の量、及び前記昼光分布に利用される量を調整することができる手段を備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
5. 前記ブラインドの羽根板の間の垂直方向の間隔が、平行な太陽電池の縞の間の垂直方向の間隔に対応している、請求項１から４までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
6. 各羽根板が、対応する水平な太陽電池の縞の上に直射日光を集束するように機能する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
7. 前記ブラインドの羽根板が傾斜している間、各羽根板の内側端部が同じ位置に固定されたままであり、前記内側端部が前記ブラインド用の回転軸となる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
8. ブラインドの各羽根板の内側端部が、対応する太陽電池の縞の下端に、又はその下端に隣接して取り付けられている、請求項１から７までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
9. 前記太陽電池の上に集束する昼光の量、及び前記昼光分布に利用される量を調整することが、前記ブラインドの羽根板の外側端部の持上げ又は降下によって実現され、前記ブラインドの羽根板の前記持上げ又は降下により前記ブラインドの羽根板の曲率が変化する、請求項８に記載の採光窓システム。
10. 前記ブラインドの羽根板が凹面の曲率を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
11. 前記ブラインドの羽根板の前記内側端部に向かって減少する曲率半径を前記ブラインドの羽根板の少なくとも一部分が有し、前記一部分が前記ブラインドの羽根板の少なくとも半分を占めている、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
12. 曲率半径の前記減少が、角の向きが相違なるいくつかの平らな又は湾曲した部分によってもたらされる、請求項１１に記載の採光窓システム。
13. 前記ブラインドの羽根板の長手方向に垂直な方向に周期的な構造を前記羽根板が備える、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
14. 前記周期的な構造が、横に並んだ半円の形状、重なり合う半円の形状、又はその他の類似の形状をもつ、請求項１３に記載の採光窓システム。
15. 複数の窓ガラス間に前記窓用ブラインドが配置され、内側の窓ガラスの上にいくつかの平行な縞を備える水平な縞のパターンで前記太陽電池が配置されている、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
16. 前記太陽電池が半透明である、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
17. 前記ブラインドの羽根板の上側が、鏡であるか又はほとんど鏡のようである、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
18. 前記ブラインドの羽根板の上側が高い反射率の値をもち、前記反射率の値が好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％である、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の採光窓システム。
19. 太陽の位置や、空の状況、エネルギー需要、前記室内空間の中での昼光の必要性、太陽を遮る必要性などのいくつかのパラメータに基づいて前記窓用ブラインドを自動的に調整するための制御手段を備える、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の採光窓システム。