以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図1〜図14においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
図1〜図10は、本発明による一実施の形態を説明するための図である。このうち、図1〜図3は、太陽光採光システムの全体構成を説明するための図であり、図4及び図5は、太陽光採光システムの第1採光手段を説明するための図であり、図6及び図7は、太陽光採光システムの第2採光手段を説明するための図であり、図8〜図10は、太陽光採光システムの第3採光手段を説明するための図である。
太陽光採光システム10は、或る一つの仮想平面vp上にそれぞれ入光面を有する二以上の採光手段(採光装置、採光製品)と、二以上の採光手段のそれぞれと接続されて採光手段からの光を受ける導光手段(導光装置、導光製品)50と、を含んでいる。以下に説明する例では、図1に示すように、採光手段20,30,40が建物90の屋根91に取り付けられ、採光手段20,30,40で採光された光が建物90内の部屋95に導光手段50を介して導かれるようになっている。この太陽光採光システム10は、図1の設置された状態にて、仮想平面vpが水平方向に対してなす角度が45°未満となっている。各採光手段20,30,40は、その入光面21,31,41が建物90の屋根91によって画成される仮想平面vpと平行となるようにして配置されている。導光手段50は、仮想の平面である接続面を介して、採光手段20,30,40に接続されている。導光手段50の端部は、天井93に接続されており、外壁92、天井93及び内壁94で区画されている部屋95内に光を導光することができる。
このような太陽光採光システム10によれば、採光手段20,30,40で採光した光を室内照明光として用いることができる。すなわち、この太陽光採光システム10を用いることにより、省エネルギーを直接的に実現することができ、また、CO2の削減にも貢献し得る。とりわけ、ここで説明する太陽光採光システム10によれば、以下に詳述するように、構造の複雑化を回避しながら、季節や時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる。すなわち、従来におけるこの種の太陽光採光システム10が抱えていた問題を取り除くことにより、太陽光採光システム10の普及を通じて、省エネルギー及びCO2削減に大いに寄与することが可能となる。
太陽光採光システム10に含まれる二以上の採光手段は、以下に説明する第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40から選択される二種以上とすることができる。
(1)第1採光手段:仮想平面vp上に位置する第1入光面21を有し、仮想平面vpと平行な第1方向d1における一方の側から導光手段50が接続する。
(2)第2採光手段:仮想平面vp上に位置する第2入光面31を有し、第1方向d1における一方の側から導光手段50が接続する。仮想平面vpに直交し且つ第1方向d1と平行な面内を進む光が仮想平面vp上に入射した場合に、当該光の進行方向を、第1採光手段20の第1入光面21を透過した際の進行方向とは異なる方向へ向ける偏向機能を有する。
(3)第3採光手段:仮想平面vp上に位置する第3入光面31を有し、第1方向d1と交差し且つ仮想平面vpと平行な第2方向d2における少なくとも一方の側から導光手段50が接続する。
第1採光手段20及び第2採光手段30は、導光手段50が第1方向d1における一方の側から接続しているので、入光面21,31に入射した後に第1方向d1における他方の側から一方の側へ進む光を高い採光効率にて、採光することができる。とりわけ図1に示された設置状態では、鉛直方向vdからの観察において第1方向d1に沿って進む太陽光を高い採光効率にて、採光することができる。ただし、第2採光手段30は、仮想平面vpに直交し且つ第1方向d1と平行な面内を進む光の進行方向を、第1入光面21とは異なる方向に曲げる偏向機能を有している。このため、第1採光手段20及び第2採光手段30は、太陽の水平面内における位置が同一であったとしても、太陽の高度に応じて、互いに異なる採光効率にて太陽光を採光することになる。すなわち、第1採光手段20が最も効率的に採光することができる太陽の高度と、第2採光手段30が最も効率的に採光することができる太陽の高度は、互いに異なることになる。したがって、太陽光採光システム10が第1採光手段20及び第2採光手段30の二つの採光手段を含むことにより、同一の方角からの太陽光を太陽の高度によらず安定して高い効率的にて、採光することができる。したがって、例えば季節に応じて大きな変動を来すことなく、安定した効率にて太陽光を採光することができる。
また、第3採光手段40は、導光手段50によって第1方向d1と交差する第2方向d2における少なくとも一方の側から接続されているので、第3入光面41に入射した後に第2方向d2における他方の側から一方の側へ進む光、場合によっては、第2方向d2における一方の側から他方の側へ進む光をも高い採光効率にて、採光することができる。とりわけ図1に示された設置状態では、鉛直方向vdからの観察において第2方向d2に沿って進む太陽光を高い採光効率にて、採光することができる。このため、太陽光採光システム10が、第1採光手段20及び第2採光手段30の少なくとも一方と、第3採光手段40と、を含むことにより、鉛直方向vdからの観察において互いに異なる二つの方向d1,d2からの光をそれぞれ効率的に採光するようになる。したがって、例えば時間帯に応じて大きな変動を来すことなく、安定した効率にて太陽光を採光することができる。
以上のことから、太陽光採光システム10が、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40から選択される二種以上を含む場合には、季節または時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制し、季節または時間帯によらず、所定量の光を部屋95内に取り入れることができる。したがって、採光効率の低い時間帯において、太陽光採光手段以外の照明手段を用いる必要を無くすことができる。また、屋外と異なる明暗が生じることによる違和感をなくすことができる。
図示された例においては、太陽光採光システム10は、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の三種の採光手段を含んでいる。このため、図示された一実施の形態によれば、季節や時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができ、日中の室内照明に有効に使用することができる。したがって、太陽光採光システムによって採光された太陽光を利用することにより、日中における電気照明の使用量を削減して省エネルギー及びCO2削減に貢献することができる。
以下、図示された一実施の形態を参照しながら、導光手段50、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の具体的な構成について順に詳述する。以下に説明する第1採光手段20及び第2採光手段30は、南からの太陽光を採光することに適した構造となっている。とりわけ、第1採光手段20は、冬場の南からの太陽光、すなわち、冬場の昼間の太陽光の採光に適した構造となっており、第2採光手段30は、夏場の南からの太陽光、すなわち、夏場の昼間の太陽光の採光に適した構造となっている。一方、第3採光手段40は、東西からの太陽光、すなわち、朝または夕の太陽光の採光に適した構造となっている。
図2、図4、図6及び図8に示すように、導光手段50は、筒状に形成された導光部材を含み、光が中空の導光部材の内部を進むようにして、採光手段20,30,40から部屋95まで当該光を誘導する。導光手段50の導光部材61,62,63,64,65は、一例として、銀等の高反射率材料によって内面をコートされた金属製板材を用いて作製されたダクトとすることができる。図示された一実施の形態では、導光手段50は、第1〜第4の導光部材61〜64と、第1〜第4の導光部材61〜64が合流してなる合流導光部材65(図1参照)と、を含んでいる。
図2及び図4に示すように、第1導光部材61は、第1採光手段20の開放された端面によって形成された第1接続面29を介し、第1方向d1における一方の側から第1採光手段20に接続している。また、図2及び図6に示すように、第2導光部材62は、第2採光手段30の開放された端面によって形成された第2接続面39を介し、第1方向d1における一方の側から第2採光手段30に接続している。一方、図2及び図8に示すように、第3導光部材63は、第3採光手段40の開放された端面によって形成された第3接続面49aを介し、第2方向d2における一方の側から第3採光手段40に接続し、第4導光部材64は、第3採光手段40の開放された端面によって形成された第4接続面49bを介し、第2方向d2における他方の側から第3採光手段40に接続している。
第1〜第4導光部材61〜64は、合流して合流導光部材65をなして天井93に接続している。第1〜第4の導光部材61〜64が接続する第1〜第3採光手段20,30,40のそれぞれで採光される光量の比は、季節や時間帯等に応じて変動する。したがって、第1〜第4導光部材61〜64が合流導光部材65に合流して、合流導光部材65の端部が部屋95に開放されることにより、各採光手段で採光された光が混合され、合流導光部材65から射出される光の配光特性や部屋95内の照度分布が、季節や時間帯に応じて変化してしまうことを防止することができる。なお、図1に示された例において、部屋95に接続する導光手段50の端部に、拡散板52が設置されている。拡散板52によれば、部屋95内をむらなく照明することが可能となる。
次に、第1採光手段20について説明する。図2、図3(a)及び図4に示すように、第1採光手段20は、第1入光面21をなす第1入光パネル26と、第1入光パネル26に対向して配置された対向パネル27と、第1入光パネル26及び対向パネル27の間の隙間を側方から塞ぐ側パネル28と、を有している。第1入光パネル26は、第1入光面21が仮想平面vp上に位置するよう、配置されている。
図4に示すように、対向パネル27は、第1入光パネル26に対面する側の面として対向反射面22を有している。図4に示すように、第1入光面21に対向して配置された対向反射面22は、第1方向d1に沿って他方の側から一方の側へ向けて第1入光面21から離間していくよう、第1入光面21に対して傾斜している。第1方向d1における他方の側において、第1入光面21と対向反射面22とは接続している。また、第1方向に直交する方向の両側に、第1入光面21と対向反射面22との間に側方反射面23が設けられていてもよい。側方反射面23は、側パネル28の内側面によって形成されている。
第1入光面21および対向反射面22の第1方向d1における一方の側の縁部に、導光手段50の第1導光部材61と接続する仮想平面としての第1接続面29が画成されている。接続面29は、第1入光パネル26のパネル面に対して直交している。すなわち、第1方向d1の一方の側の縁部において第1入光面21および対向反射面22の間に画成された開口に、導光手段50の第1導光部材61が接続されている。なお、パネル面とは、対象となるパネル状の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるパネル状部材の平面方向と一致する面のことを指す。
対向反射面22及び側方反射面23は、光を反射する機能、好ましくは、光を正反射、すなわち鏡面反射する機能を有している。対向反射面22及び側方反射面23は、光を反射する機能により、第1入光面21を介して第1採光手段20内に入射してきた光が漏れることを防止しながら、第1接続面29へと誘導する。対向パネル27及び側パネル28は、一例として、銀等の高反射率材料によって内面をコートされた金属製板材を用いて作製され得る。
第1入光面21を形成する第1入光パネル26は、少なくとも可視光帯域の光を透過する機能を有している。優れた採光効率を確保する上で、第1入光パネル26の全光線透過率は、80%以上となっていることが好ましく、90%以上となっていることがさらに好ましい。ここで全光線透過率は、JIS K7361に準拠した方法により測定することができる。
上述したように、第1採光手段20は、仮想平面vp上を延びる第1方向d1における一方の側から導光手段50に接続されている。このため、第1採光手段20は、第1入光面21へ入射した後に第1方向d1における他方の側から一方の側へと進む光を、優れた採光効率にて採光することができる。加えて、図4に示すように、第1入光パネル26は、偏向機能を有しており、第1方向d1に直交し且つ仮想平面vpと平行な方向から観察される光の進行方向を曲げる。したがって、第1入光パネル26の偏向機能は、主として仮想平面vpに直交し且つ第1方向d1と平行な面内を進む光の進行方向を曲げる。具体的には、図4に示された視野において、すなわち、仮想平面vpに平行且つ第1方向d1に直交する方向から観察した場合、第1入光パネル26は、第1方向d1における他方の側から第1入光面21に入射する光を、第1入光パネル26への入射角度θiよりも第1入光パネル26から第1採光手段20の内部に向けた出射角度θtの方が大きくなるように偏向して、第1方向d1における一方の側へ進める。言い換えると、第1入光パネル26は、仮想平面vpに対して立ち上がった方向から第1入光面21へ入射する光の進行方向を、仮想平面vpに対して寝た方向に偏向する。
このような第1採光手段では、第1入光パネル26が、仮想平面vpに直交し且つ第1方向d1と平行な面内を進んで第1方向d1における他方の側から第1入光パネル26に入射し且つ第1方向d1における一方の側へ第1入光パネル26を透過する光の進行方向を、当該進行方向が仮想平面vpへの法線方向ndに対してなす角度の大きさが入射前よりも透過した後において大きくなるように(θi>θt)、曲げる偏向機能を有している。したがって、第1入光パネル26を有した第1採光手段20は、仮想平面vpの水平面hpに対する傾斜角度にも依存するが、比較的に高い高度に位置する太陽からの光であって第1方向d1における他方の側から一方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。この点から、第1採光手段20は、仮想平面vpの水平面hpに対する傾斜角度にも依存するが、朝夕ではなく昼間の太陽からの光を採光することに適している。したがって、第1採光手段20を配置するにあたっては、鉛直方向vdからの観察において、第1方向d1が南北方向に対してなす角度が小さく且つ第1方向d1における一方の側(導光手段50が第1採光手段20に接続している側)が南北方向における北側となっていることが好ましい。この場合、比較的に太陽の高度が高くなる時間帯に、太陽光を高い効率にて採光することができる。
図5には、第1入光パネル26の一例が示されている。図5に示された例において、第1入光パネル26は、第1光学シート70によって形成されている。第1光学シート70は、シート状の本体部71と、本体部71の入光側71a面上に第1方向d1に沿って配列された複数の入光側単位プリズム72と、を有している。入光側単位プリズム72は、光学シート70のシート面上において、その第1方向d1に直交する方向に直線状に延びている。入光側単位プリズム72は、その長手方向に直交する断面において、三角形形状の断面形状を有している。すなわち、入光側単位プリズム72は、第1方向d1に沿って一方の側に位置する第1面72aと、第1方向d1に沿って他方の側に位置する第2面72bと、を有している。入光側単位プリズム72は本体部71上に隙間無く配列され、光学シート70の入光側面、すなわち、第1採光手段20の第1入光面21は、入光側単位プリズム72によって、より厳密には入光側単位プリズム72の第1面72a及び第2面72bによって、形成されている。一方、光学シート70の出光面は、本体部71の出光側面71bによって形成され、図示された実施の形態では平滑面として形成されている。
ところで、本明細書における「単位プリズム」とは、屈折や反射等の光学的作用を光に及ぼして、当該光の進行方向を変化させる機能を有した要素のことを意味し、呼称の違いのみに基づいて、「単位要素」、「単位形状要素」、「単位光学要素」および「単位レンズ」といった要素から区別されるものではない。また、本明細書における「平滑」とは、光学的な意味合いでの平滑を意味するものである。すなわち、ここでは、或る程度の割合の可視光帯域の透過光が、スネルの法則を満たしながら屈折するようになる程度を意味している。したがって、例えば、出光側面71bの十点平均粗さRz(JISB0601)が最短の可視光波長(0.38μm)以下となっていれば、十分、平滑に該当する。
図5に示すように、第1方向d1における他方の側から第1光学シート70へ入射する光は、多くの場合、入光側単位プリズム72のうちの第1方向d1における他方の側に位置する第2面72bへ入射する。このとき、光は、第2面72bで大きく進行方向を変化させることなく、第1光学シート70に入射する。その一方で、当該光は、本体部71の出光側面71bにおいて屈折して、第1光学シート70を透過し第1採光手段20の内部へ入る。このようにして、第1入光パネル26は、第1方向d1における他方の側から第1入光面21に入射する光を、第1入光パネル26への入射角度θiよりも第1入光パネル26を透過した後の出射角度θtの方が大きくなるように偏向する。図4に示すように、第1採光手段20に入射する光は、第1光学シート70によってなされる第1入光パネル26の偏向機能により、或いは、第1入光パネル26の偏向機能に加えて対向パネル27の対向反射面22による偏向機能により、第1採光手段20内において第1方向d1における一方の側に位置する第1接続面29に誘導され、第1接続面29に接続した導光手段50の第1導光部材61に取り込まれる。
次に、第2採光手段30について説明する。図2、図3(a)及び図6に示すように、第2採光手段30は、第2入光面31をなす第2入光パネル36と、第2入光パネル36に対向して配置された対向パネル37と、第2入光パネル36及び対向パネル37の間の隙間を側方から塞ぐ側パネル38と、を有している。第2入光パネル36は、第2入光面31が仮想平面vp上に位置するよう、配置されている。第2採光手段30は、第2入光パネル36の偏向機能が、第1入光パネル26の偏向機能と異なるだけであり、その他については第1採光手段20に対応する部分と同一に構成され得る。具体的には、第2採光手段30の対向パネル37を、第1採光手段20の対向パネル27と同一に構成することができ、第2採光手段30の側パネル38を、第1採光手段20の側パネル28と同一に構成することができる。以下、重複する説明を避け、第2入光パネル36の第1入光パネル26と異なる点のみについて説明する。
上述したように、第2入光面31をなす第2入光パネル36は、偏向機能を有しており、主として第1方向d1に直交し且つ仮想平面vpと平行な方向から観察した場合の光の進行方向を曲げる。第1採光手段20及び第2採光手段30においては、図4及び図6に示すように第1方向d1に直交し且つ仮想平面vpと平行な方向から観察した場合、入光パネル26,36での偏向機能により、入光面21,31に対して立ち上がった方向から入射する光の進行方向が、導光手段50に接続する接続面29,39に向くように曲げられる。ただし、第1採光手段20及び第2採光手段30では、偏向機能の程度が異なっている。上述したように、第2採光手段30の第2入光面31をなす第2入光パネル36は、仮想平面vpに直交し且つ第1方向d1と平行な面内における互いに平行な方向に進んで入射するようになる光の進行方向を、第1入光パネル26とは異なる方向に曲げる偏向機能を有している。すなわち、第1方向d1に直交し且つ仮想平面vpと平行な方向から観察した場合(すなわち、図4及び図6に示された観察状態)において、同一の方向から入光面21,31に入射する光を、第1入光パネル26と第2入光パネル36とでは、互いに異なる方向に曲げる、すなわち、入光パネル26,36からの出射方向が異なるようになる。言い換えると、第1採光手段20と第2採光手段30とでは、入光パネル26,36での偏向機能により接続面29,39に向けられるようになる光の入射方向が互いに異なっている。さらに言い換えると、第1採光手段20と第2採光手段30とでは、導光手段50に誘導することを意図された光の設計入射方向が互いに異なっている。
図4及び図6の比較から理解されるように、第2採光手段30の第2入光パネル36は、第1採光手段20の第1入光パネル26よりも、光の進行方向を大きく曲げることができる。とりわけ図示された実施の形態では、第2入光パネル36は、第1方向d1における一方の側から他方の側へ進んで第2入光面31へ入射する光の進行方向を大きく曲げて、第1方向d1における他方の側から一方の側へと進むように偏向し、第2接続面39へ誘導することも可能である。
図6には、第2入光パネル36の一例が示されている。図6に示された例において、第2入光パネル36は、上述した第1光学シート70と、第1光学シート70の入光側に配置され且つ第2入光面31を形成する第2光学シート75と、によって形成されている。第2光学シート75は、シート状の本体部76と、本体部76の入光側面76a面上に第1方向d1に沿って配列された複数の入光側単位プリズム77と、本体部76の出光側面76b面上に第1方向d1に沿って配列された複数の入光側単位プリズム78と、を有している。
入光側単位プリズム77は、第2光学シート75のシート面上において、その第1方向d1に直交する方向に直線状に延びている。入光側単位プリズム77は、その長手方向に直交する断面において、三角形形状の断面形状を有している。すなわち、入光側単位プリズム77は、第1方向d1に沿って一方の側に位置する第1面77aと、第1方向d1に沿って他方の側に位置する第2面77bと、を有している。入光側単位プリズム77は本体部76上に隙間無く配列され、第2光学シート75の入光側面、すなわち、第2採光手段30の第2入光面31は、入光側単位プリズム77によって、より厳密には入光側単位プリズム77の第1面77a及び第2面77bによって、形成されている。
出光側単位プリズム78は、第2光学シート75のシート面上において、その第1方向d1に直交する方向に直線状に延びている。出光側単位プリズム78は、その長手方向に直交する断面において、三角形形状の断面形状を有している。すなわち、出光側単位プリズム78は、第1方向d1に沿って一方の側に位置する第1面78aと、第1方向d1に沿って他方の側に位置する第2面78bと、を有している。出光側単位プリズム78は本体部76上に隙間無く配列され、第2光学シート75の出光側面は、出光側単位プリズム78の第1面78a及び第2面78bによって、形成されている。
図7に示すように、入光側単位プリズム77の第1面77a及び出光側単位プリズム78の第1面78aは、仮想平面vpへの法線方向ndに対する傾斜角度の小さい、立ち上がった面として形成されている。一方、入光側単位プリズム77の第2面77b及び出光側単位プリズム78の第2面78bは、仮想平面vpへの法線方向ndに対する傾斜角度の大きい寝た面として形成されている。そして、入光側単位プリズム77の第2面77b及び出光側単位プリズム78の第2面78bは、第1方向d1における一方の側から他方の側へ向けて本体部76に接近していく。このような第2光学シート75へ向かう光は、多くの場合、入光側単位プリズム77のうちの第2面77bを介して第2光学シート75へ入射し、さらに、出光側単位プリズム78の第2面78bを介して第2光学シート75から出射するようになる。また、上述しように、多くの光が、入光側単位プリズム72のうちの第2面72bを介して第1光学シート70へ入射し、さらに、本体部71の出光側面71bを介して第2光学シート75から出射するようになる。
このような光路を取る際、各界面での屈折により、光の進行方向は変化する。いずれの界面においても、仮想平面vpへの法線方向に対して第1方向d1における一方の側から他方の側へ傾斜して進む際の角度値を正の値とすると(すなわち、図7における第1光学シートへ入射する際の光の進行方向の法線方向ndに対する角度の値、および、図7における第1光学シートから出射した際の光の進行方向の法線方向ndに対する角度の値を正の値とすると)、光の進行方向が法線方向ndに対してなす角度はしだいに大きくなっていく傾向が生じる。これにより、第1方向d1に直交し且つ仮想平面vpと平行な方向から観察した場合、第1方向d1における一方の側から他方の側へと進む光も、第1方向d1において他方の側から一方の側へと向かうように偏向され得る。以上にようにして、図6及び図7に示すように、第2採光手段30に入射する光は、光学シート75,70によってなされる第2入光パネル36の偏向機能により、或いは、第2入光パネル36の偏向機能に加えて対向パネル37の対向反射面32による偏向機能により、第2採光手段30内において第1方向d1における一方の側に位置する第2接続面39に誘導され、第2接続面39に接続した導光手段50の第2導光部材62に取り込まれる。
次に、第3採光手段40について説明する。図8〜図10に示すように、第3採光手段40は、第3入光面41をなす第3入光パネル46と、第3入光パネル46に対向して配置された対向パネル47と、第3入光パネル46及び対向パネル47の間の隙間を側方から塞ぐ側パネル48と、を有している。第3入光パネル46は、第3入光面41が仮想平面vp上に位置するよう、配置されている。
図8に示すように、対向パネル47は、第3入光パネル46に対面する側の面として対向反射面42を有している。図8に示すように、第3入光面41に対向して配置された対向反射面42は、第2方向d2に沿って第3入光面41と略一定の間隔を保っている。また、第2方向d2に直交する方向の両側に側方反射面43が設けられ、第3入光面41と対向反射面42との間が塞がれている。側方反射面43は、側パネル48の内側面によって形成されている。
具体的な構成として、図8及び図10に示すように、第3採光手段40は、中空の筒状部材45を有しており、この筒状部材45の少なくとも一方が開口して導光手段50と接続する接続面を形成している。図示された実施の形態では、第2方向d2における両側に開口した筒状部材45の端面が、それぞれ、導光手段50と接続する接続面を形成している。具体的には、上述したように、第3導光部材63が、第2方向d2における一方の側から第3接続面49aを介して第3採光手段40に接続し、第4導光部材64が、第2方向d2における他方の側から第4接続面49bを介して第3採光手段40に接続している。各接続面49a,49bは、それぞれ、第3入光パネル46のパネル面に対して直交している。
図10に示された例では、筒状部材45が四角筒状に形成され、四角筒の各側面が、それぞれ、第3入光パネル46、対向パネル47、一対の側パネル48をなしている。対向パネル47および一対の側パネル48をなす筒状部材45の内面は、反射面として形成されている。対向反射面42及び側方反射面43は、光を反射する機能、好ましくは、光を正反射、すなわち鏡面反射する機能を有している。筒状部材45は、一例として、銀等の高反射率材料によって内面をコートされることによって、反射機能を発現するようにしてもよい。
第3採光手段40の第3入光パネル46は、第3入光面41をなすため、或る程度の可視光透過性を有している。このため、第3入光面41を形成する第3入光パネル46は、少なくとも可視光帯域の光を透過する機能を有している。
理想的には、第3入光パネル46を介して第3採光手段40の内部に入射した光は、そのまま接続面49a,49bに入射する、或いは、対向反射面42で一度だけ反射して接続面49a,49bに入射する。その一方で、より多くの光を接続面49a,49bに導く観点からは、図8に示すように、第3入光パネル46がいくらか反射機能を発揮するようにしてハーフミラーとしてもよい。このような第3入光パネル46として、アルミ等の金属膜や、誘電体の単層または多層コートを内面に施されたパネルを用いることができる。
また、他の例として、図9に二点鎖線で示すように、第3入光パネル46が、シート状の本体部46aと、本体部46aの入光側面上に第2方向d2に沿って配置された複数の単位プリズム46bと、を有するようにしてもよい。本体部46aの出光側面は平滑面として形成されていることが好ましい。単位プリズム46bを有する第3入光パネル46によれば、図9に示された視野において、すなわち、仮想平面vpに平行且つ第2方向d2に直交する方向から観察した場合、第3入光パネル46は、第3入光パネル46への入射角度よりも第3入光パネル46から第3採光手段40の内部に向けた出射角度の方が大きくなるように、第3入光パネル46を透過する光の進行方向を偏向することが可能となる。このような単位プリズム46bの偏向機能により、第3採光手段40への入射光をより効率的に接続面49a,49bに導くことが可能となる。
以上のような第3採光手段40は、上述したように、導光手段50によって第2方向d2における両側から接続されているので、第3入光面41に入射した後に第2方向d2における他方の側から一方の側へ進む光、並びに、第2方向d2における一方の側から他方の側へ進む光を高い採光効率にて、とりわけ図1の設置状態では鉛直方向vdからの観察において第2方向d2に沿って進む太陽光を高い採光効率にて、採光することができる。加えて、第3採光手段40は、簡易な構成を有するとともに、仮想平面vpに対して大きく傾斜しない方向に進む光を非常に効率的に接続面49a,49bに導くことが可能となる。したがって、第3入光パネル46を有した第3採光手段40は、仮想平面vpの水平面hpに対する傾斜角度にも依存するが、比較的に低い高度に位置する太陽からの光であって、第2方向d2における他方の側から一方の側、又は、一方の側から他方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。この点から、第3採光手段40は、仮想平面vpの水平面hpに対する傾斜角度にも依存するが、真昼ではなく朝夕の太陽からの光を採光することに適している。したがって、第3採光手段40を配置するに当たっては、鉛直方向vdからの観察において、第2方向d2が東西方向に対してなす角度が小さくなっていることが好ましい。この場合、比較的に太陽の高度が低くなる朝及び夕の時間帯に、太陽光を高い効率にて採光することができる。
次に、図示された実施の形態における第1〜第3の採光手段20,30,40の配列について説明する。
まず上述したように、第1採光手段20及び第2採光手段30は、比較的に高い高度に位置する太陽からの光であって第1方向d1における他方の側から一方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。第2採光手段30は、第1採光手段20よりも高高度の太陽からの光の採光に適しており、第1方向d1における一方の側から他方の側へと進む高高度の太陽からの光をも効率的に採光して導光手段50に導くことができる。したがって、第1採光手段20及び第2採光手段30を配置するにあたっては、設置された太陽光採光システム10を鉛直方向vdから観察した場合に、第1方向d1が南北方向に対してなす角度の大きさが、第1方向d1が東西方向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが優位な条件となる。さらに、第1方向d1における一方の側は、南北方向における北側であることが好ましい。
また、第3採光手段40は、比較的に低い高度に位置する太陽からの光であって、第2方向d2における他方の側から一方の側、又は、第2方向d2における一方の側から他方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。したがって、第3採光手段40を配置するにあたっては、設置された太陽光採光システム10を鉛直方向vdから観察した場合に、第2方向d2が東西方向に対してなす角度の大きさが、第2方向d2が南北方向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが優位な条件となる。
そして、第1採光手段20及び第2採光手段30の少なくとも一方と、第3採光手段40と、を配置するにあたっては、設置された太陽光採光システム10を鉛直方向vdから観察した場合に、第1方向d1が南北方向に対してなす角度の大きさが、第2方向d2が南北方向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが好ましい。また、第2方向d2が東西方向に対してなす角度の大きさが、第1方向d1が東西方向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが好ましい。さらに、第1方向d1における一方の側は、南北方向における北側であることが好ましい。このような条件を満たす上で、第1方向d1と第2方向とがなす角度の大きさは、45°より大きく90°以下であることが好ましい。
図2に示された太陽光採光システム10には、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の三種類の採光手段が設けられている。そして、鉛直方向vdからの観察において、第1方向d1が南北方向と一致し、且つ、第1方向d1における一方の側が北を向くともに他方の側が南を向いている。したがって、第1採光手段20及び第2採光手段30は、極めて効率的に太陽光を採光することができる。一方、鉛直方向vdからの観察において、第2方向d2は、第1方向d1と直交し、東西方向と一致している。したがって、第3採光手段40は、極めて効率的に太陽光を採光することができる。
このような太陽光採光システム10では、第1採光手段20及び第2採光手段30の二つの採光手段が含まれていることにより、太陽の高度によらず、安定して高い効率にて採光することが可能となる。すなわち、同一の方角からの太陽光を太陽の高度に応じて大きな変動を来すことなく安定した効率にて、例えば季節に応じて大きな変動を来すことなく太陽光を安定した効率にて、採光することができる。さらに、第1採光手段20及び第2採光手段30に加えて、第3採光手段40が設けられているので、鉛直方向vdからの観察において互いに異なる二つの方向d1,d2からの光をそれぞれ効率的に採光するようになる。したがって、太陽の位置する方角に応じて大きな変動を来すことなく安定した効率にて、例えば時間帯に応じて大きな変動を来すことなく安定した効率にて、太陽光を採光することができる。以上のことから、本実施の形態による太陽光採光システム10によれば、構造の複雑化を回避しながら、季節や時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができ、これにより、一年を通して安定した光量の太陽光を採光することができる。すなわち、従来におけるこの種の太陽光採光システム10が抱えていた問題を取り除くことにより、太陽光採光システム10の普及を通じて、省エネルギー及びCO2削減に大いに寄与することが可能となる。
ところで、図1に示すように、各採光手段20,30,40の入光面21,31,41が位置する仮想平面vpは、水平面hpに傾斜することもある。図1に示された例では、東西方向から観察した場合に、仮想平面vpは水平面hpに対して24°傾斜している。ここで、図11は、東経135.5°、北緯35.5°に建物90が設置されているとの仮定において、当該建物90が設置された水平面hpを基準として、太陽の移動経路を示した図である。一方、図12は、当該建物90の屋根91によって画成される仮想平面vpを基準として、太陽の移動経路を示した図である。また、図13は、仮想平面vpへの法線方向ndから太陽の移動経路を示す図である。太陽は、夏至の移動経路t1と冬至の移動経路t2によって挟まれた領域内を移動するようになる。そして、図示された例によれば、第1採光手段20が領域A1内に位置する太陽からの光を効率的に吸収することができ、第2採光手段30が領域A2内に位置する太陽からの光を効率的に吸収することができ、第3採光手段40が領域A3内に位置する太陽からの光を効率的に吸収することができる。
なお、図12及び図13に示すように、仮想平面vpが水平面hpに対して傾斜することから、太陽光採光システム10には、仮想平面vpへの法線方向ndに対して南北方向における北側に傾斜した方向からも太陽光が入射するようになる。上述したように、また、図7に示すように、第2採光手段30は、第1方向d1における一方の側から他方の側に進んで第2入光面31に入射する光の進行方向を、第1方向d1における他方の側から一方の側へ進むように変えることが可能である。このため、この第2採光手段30によれば、仮想平面vpへの法線方向ndに対して北側に傾斜した方向からの太陽光をも、すなわち図12及び図13の領域A1内に位置する太陽からの光をも効率的に採光することができる。
また、図示された例においては、第1採光手段20及び第2採光手段30が、第1方向d1に非平行な方向、より具体的には、第1方向d1に直交する方向、言い換えると第2方向d2、さらに言い換えると東西方向に並べて配置されている。第3採光手段40は、第1採光手段20及び第2採光手段30の第1方向d1における他方の側、言い換えると、第1採光手段20及び第2採光手段30の南北方向における南側に配置されている。このような太陽光採光システム10によれば、図2に示すように、建物90の屋根91の限られたスペースを有効に活用しながら、各採光手段20,30,40を用いて極めて効率的に太陽光を採光することができる。
なお、図3(a)に示すように、第1採光手段20及び第2採光手段30が並べて配列される形態においては、第1採光手段20に組み込まれた第1入光パネル26の第1光学シート70及び第2採光手段30の第2入光パネル36の第1光学シート70が接続されていてもよい。すなわち、第1入光パネル26の第1光学シート70が、第2入光パネル36の第1光学シート70と一体的に形成されていてもよい。図3(a)に示された例では、第1光学シート70の一部分上に第2光学シート75が配置され、第2光学シート75が配置されている部分が第2採光手段30をなし、第2光学シート75が配置されていない部分が第1採光手段20をなしている。このような構成によれば、太陽光採光システム10の構成をさらに簡略化することができる。また、このような構成においては、図3(c)に示すように、第2光学シート75が、第1光学シート70の第2方向d2における中央部分に配置されるようにしてもよい。すなわち、第1採光手段20が、第2方向d2における第2採光手段30の両側にそれぞれ並べて配置されるようにしてもよい。
また、第1採光手段20及び第2採光手段30が第2方向d2に配列される場合、第1採光手段20及び第2採光手段30の間を側パネル28,38で区画する必要はない。図3(b)に示すように、第1採光手段20及び第2採光手段30の間の側パネルを取り除いてもよい。すなわち、第1採光手段20の内部と第2採光手段30の内部とが、その間に区画を設けることなく、その配列方向に連通するようにしてもよい。このような態様によれば、取り除いた側パネルでの反射損失が生じなくなるので、太陽光採光システム10の採光効率をさらに改善することもできる。
ここで、本件発明者が行ったシミュレーション結果及び実験結果の一部として、以下のシミュレーション結果を説明する。
まず、図14に、シミュレーション対象とした太陽光採光システム10のモデルを示す。このシミュレーションモデルでは、図2から図10を参照して説明した太陽光採光システム10の構成及び配列と同一の構成及び配列とした。図14には、モデルの各寸法を示している。図14に示されていない寸法等は以下のように設定した。
第1採光手段20及び第2採光手段30に関して、第1光学シート70における入光側単位プリズム72の第1方向d1への配列ピッチを0.2mmとした。入光側単位プリズム72の第1面72aが仮想平面vpに対してなす角度θ11(図5参照)の大きさを49°とし、入光側単位プリズム72の第2面72bが仮想平面vpに対してなす角度θ12(図5参照)の大きさを20°とした。第2光学シート75における入光側単位プリズム77及び出光側単位プリズム78の第1方向d1への配列ピッチを共に0.2mmとした。各単位プリズム77,78の第1面77a,78aが仮想平面vpに対してなす角度θ21,θ31(図7参照)の大きさを90°とし、各単位プリズム77,78の第2面77b,78bが仮想平面vpに対してなす角度θ22,θ32(図7参照)の大きさを30°とした。第1光学シート70及び第2光学シート75は、真鍮板をダイヤモンドバイトにて切削して作製した金型を用いて、ポリメタクリル酸メチル樹脂からなる基材の表面に、屈折率1.55の紫外線硬化型樹脂を賦型することにより作製したものとした。第2採光手段30においては、第1光学シート70と第2光学シート75との間に0.5mmのスペースを設けた。対向反射面22,32及び側方反射面23,33の反射率は95%とした。
第3採光手段40に関して、第3入光パネル46は、厚み4mmのポリメタクリル酸メチル樹脂の板とした。対向反射面42及び側方反射面43の反射率は95%とした。
シミュレーションモデルでは、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40を、東経135.5°、北緯35.5°に位置する建物90の屋根91に設置することを想定した。屋根91と平行であり且つ入光面21,31,41とも平行な仮想平面vpは、南北方向において北側が上方に位置するよう水平面hpに対して24°傾斜していると想定した。
以上のモデルに対して、次の条件で採光効率をシミュレーションした。ここで採光効率とは、太陽から入光面に直接入射する入射光の光量に対する、当該入射光のうち各採光手段の接続面に到達する光の光量の割合とした。採光効率は、季節を冬至(12月21日)から夏至(6月21日)まで一ヶ月おき、且つ、時刻を午前5時から正午まで一時間おきに調査した。なお、夏至から冬至までの季節、並びに、正午から夕方までの時間帯についての採光効率は、ほぼ対称となることから省略した。採光効率は、第1採光手段20単独についての結果、第2採光手段30単独についての結果、第3採光手段40単独についての結果、並びに、第1〜第3採光手段20,30,40を含む太陽光採光システム10全体としての結果について調査した。第1採光手段20についての結果を表1及び図15に示し、第2採光手段30についての結果を表2及び図16に示し、第3採光手段40についての結果を表3及び図17に示し、太陽光採光システム10全体についての結果を表4及び図18に示す。なお、表1,表2,表3中の空欄は太陽が日没している時間に対応する。
以上のような実施の形態によれば、図15〜図18並びに表1〜表4における結果でも実証されているように、季節又は時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる。したがって、採光効率の低い時間帯において、太陽光採光手段以外の照明手段を用いる必要を無くすことができる。また、屋外と異なる明暗が生じることによる違和感をなくすことができる。また、太陽光採光システム10によって採光された太陽光を利用することにより、省エネルギー及びCO2の削減に貢献することができる。
以上、本発明を図示する実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。
例えば、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の具体的構成を適宜変更してもよい。
また、上述した実施の形態とは異なり、太陽光採光システム100の採光手段を、図19に示すように、建物90の外壁92に設置するようにしてもよい。図19に示す例では、太陽光採光システム100の採光手段は、南側を向く外壁92に取り付けられている。この太陽光採光システム100は、図19の設置された状態にて、仮想平面vpが鉛直方向に対してなす角度が非常に小さくなり、典型的には0°となる。図19に示された太陽光採光システム100において、上述した実施の形態と同様に、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の少なくとも二以上を有している。この結果、図19に示された例によっても、上述した実施の形態と同様の作用効果を奏することができ、季節又は時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる。
図19の太陽光採光システム100に組み込まれ得る第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40は、上述した実施の形態の各採光手段と同様に構成され得る。図20には、図19の太陽光採光システム100に組み込まれる第1採光手段20の一例が示され、図21には、図19の太陽光採光システム100に組み込まれる第2採光手段30の一例が示されている。図20に示された第1採光手段20では、光学シート70,75に含まれるプリズムの断面形状が異なり且つ第2光学シート75の入光側単位プリズム77が設けられていないことによって偏光機能の程度が、上述した実施の形態で説明した第1採光手段と異なっているが、その他は同一に構成されている。また、図21に示された第2採光手段30では、光学シート70に含まれるプリズムの断面形状が異なることによって偏光機能の程度が、上述した実施の形態で説明した第2採光手段と異なっているが、その他は同一に構成されている。図19の太陽光採光システム100の第1採光手段20及び第2採光手段30は、第1方向d1における他方の側から一方の側へ進む光を効率的に採光して導光手段50に導くことができる。一方、図19の太陽光採光システム100の第3採光手段40は、上述した実施の形態の第3採光手段と同様に構成されている。したがって、図19の太陽光採光システム100の第3採光手段40は、第2方向d2における一方の側から他方の側へ進む光並びに第2方向d2における他方の側から一方の側へと進む光を高い採光効率にて、採光することができる。
このような太陽光採光システム100では、第1採光手段20は、比較的に高い高度に位置する太陽からの光であって第1方向d1における他方の側から一方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。第2採光手段30は、第1採光手段20よりも低高度の太陽からの光の採光に適している。したがって、第1採光手段20及び第2採光手段30を配置するにあたっては、外壁92に設置された太陽光採光システム100をその仮想平面vpへの法線方向ndから観察した場合に、言い換えると、仮想平面vpへの法線方向ndに沿って仮想平面vp上に投影した状態で判断した場合に、第1方向d1が鉛直方向に対してなす角度の大きさが、第1方向d1が水平方向hdに対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが優位な条件となる。さらに、第1方向d1における導光手段50が接続している側となる一方の側は、鉛直方向における下側であることが好ましい。
また、この太陽光採光システム100では、第3採光手段40は、比較的に低い高度に位置する太陽からの光であって、第2方向d2における他方の側から一方の側、又は、第2方向d2における一方の側から他方の側へと進む光を、非常に効率的に採光して導光手段50に導くことができる。したがって、第3採光手段40を配置するにあたっては、外壁92に設置された太陽光採光システム100をその仮想平面vpへの法線方向ndから観察した場合に、言い換えると、仮想平面vpへの法線方向ndに沿って仮想平面vp上に投影した状態で判断した場合に、第2方向d2が水平方向hdに対してなす角度の大きさが、第2方向d2が鉛直方向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが優位な条件となる。
そして、第1採光手段20及び第2採光手段30の少なくとも一方と、第3採光手段40と、を配置するにあたっては、外壁92に設置された太陽光採光システム100をその仮想平面vpへの法線方向ndから観察した場合に、言い換えると、仮想平面vpへの法線方向ndに沿って仮想平面vp上に投影した状態で判断した場合に、第1方向d1が鉛直方向に対してなす角度の大きさが、第2方向d2が鉛方向向に対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが好ましい。また、第2方向d2が水平方向hdに対してなす角度の大きさが、第1方向d1が水平方向hdに対してなす角度の大きさよりも小さくなっていることが好ましい。さらに、第1方向d1における一方の側は、鉛直方向における下側であることが好ましい。このような条件を満たす上で、第1方向d1と第2方向とがなす角度の大きさは、45°より大きく90°以下であることが好ましい。
図22〜図24に示された太陽光採光システム100には、第1採光手段20、第2採光手段30及び第3採光手段40の三種類の採光手段が設けられている。なお、図22〜図24は、太陽光採光システム100を、仮想平面vpへの法線方向ndから観察した状態にて、言い換えると、仮想平面vpへの法線方向ndに沿って仮想平面vp上に投影した状態にて、示している。そして、図22〜図24に示された例では、仮想平面vpへの法線方向ndから観察において、第1方向d1が鉛直方向と一致し、且つ、第1方向d1における一方の側が鉛直方向における下を向くともに他方の側が上を向いている。したがって、第1採光手段20及び第2採光手段30は、極めて効率的に太陽光を採光することができる。一方、仮想平面vpへの法線方向ndから観察において、第2方向d2は、第1方向d1と直交し、水平方向hdと一致している。したがって、第3採光手段40は、極めて効率的に太陽光を採光することができる。
また、図22〜図24に示された例において、第3採光手段40は、第1採光手段20および第2採光手段30の第1方向における他方の側に配置されている。この結果、第1採光手段20および第2採光手段30に接続する導光手段50に干渉することなく第3採光手段40を配置することができ、また、第3採光手段40に接続する導光手段50に干渉することなく第1採光手段20及び第2採光手段30を配置することができる。