JP2004037037A - 太陽光集光システム用のヘリオスタットおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光の集光効率を高めることができる太陽光集光システム用のヘリオスタットを提供する。
【解決手段】ヘリオスタット５は、小さな複数の凹面鏡要素８で構成し、個々の凹面鏡要素８で反射した太陽光Ｌを、１枚の大きな凹面鏡９で反射したように集光部Ａへ反射収束させる。さらに各凹面鏡要素８の角度を変更して所定の曲率を有する１つの凹面鏡９を規定する。すなわち、凹面鏡９への太陽光Ｌの入射角度が大きい場合は、曲率を小さく（浅い皿のような）変更し、入射角度が小さい場合は、曲率を大きく（深い皿のような）変更する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光をエネルギーとして利用するための太陽光集光システムに用いられるヘリオスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境において二酸化炭素問題は大きく、石油エネルギーに頼る現在社会のシステムは各国の問題となっている。そのため、環境に影響を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽エネルギーが着目されている。太陽光をエネルギーとして利用するためには、まず太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーを電気に変えなければならない。そのために用いられるのがヘリオスタットである。ヘリオスタットは大きな凹面鏡を有し、このヘリオスタットを集光部の周りに多数設置し、ヘリオスタットの凹面鏡の向きを制御して太陽光を常に一定の集光部へ反射収束させる（類似技術として、特許第２９５１２９７号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、大きな熱エネルギーを得るために、数多くのヘリオスタットを集光部周辺の広い範囲にわたって配置する必要があるため、太陽光集光システム構造自体の巨大化を招いていた。そのため、現在では、ヘリオスタットによる太陽光の集光効率を更に高めて、少ないヘリオスタットでも十分な熱エネルギーが得られる太陽光集光システムの構築が望まれている。
【０００４】
本発明はこのような従来の技術に着目したものであり、太陽光の集光効率を高めることができる太陽光集光システム用のヘリオスタットを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の技術的側面によれば、太陽光を常に一定の集光部へ反射収束させる太陽光集光システム用のヘリオスタットは、各々の主軸の向きが変更可能で且つ第１の曲率を有する複数の凹面鏡要素により、第２の曲率を有する１つの凹面鏡を規定するものである。更に、凹面鏡を構成する個々の凹面鏡要素の少なくとも日周運動に関連する方向での角度を、太陽光の凹面鏡の主軸に対する入射角度が大きい場合には、凹面鏡の曲率を小さく変化させ、太陽光の凹面鏡の主軸に対する入射角度が小さい場合には、凹面鏡の曲率を大きく変化させる。
【０００６】
本発明の第２の技術的側面によれば、前記ヘリオスタットは、複数の凹面鏡要素は赤道儀型フレームに取り付けられる。
【０００７】
本発明の第３の技術的側面によれば、前記ヘリオスタットは、複数の凹面鏡要素は経緯台型フレームに取り付けられる。
【０００８】
本発明の第４の技術的側面によれば、前記ヘリオスタットは、凹面鏡要素が赤緯軸と交差する向きの理論軸のまわりに節動可能に取付けられる。
【０００９】
本発明の第５の技術的側面によれば、前記ヘリオスタットは、凹面鏡要素が四角形である。
【００１０】
本発明の第６の技術的側面によれば、太陽光を常に一定の集光部へ反射収束させる太陽光集光システム用のヘリオスタットの制御方法は、第１の曲率を有する複数の凹面鏡要素が第２の曲率を有する１つの凹面鏡を規定するように各凹面鏡要素の主軸の向きを決定し、入射した太陽光が常に集光部へ反射するように凹面鏡の主軸の向きを少なくとも赤経方向に制御し、凹面鏡の主軸に対する太陽光の入射角度が大きい場合には第２の曲率を小さくするように各凹面鏡要素の主軸の向きを変更し、凹面鏡の光軸に対する太陽光の入射角が小さい場合には第２の曲率を大きくするように各凹面鏡要素の主軸の向きを変更する。
【００１１】
本発明の第７の技術的側面によれば、前記ヘリオスタットの制御方法は、各凹面鏡要素の主軸の向きは少なくとも赤緯軸と交差する向きの理論軸のまわりに変更される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１〜図７は、この発明の第１実施形態を示す図である。符号１は楕円鏡で、支持タワー２により所定の高さ位置に、下向き状態で設置されている。楕円鏡１はその鏡面形状が楕円体の一部をなし、下方には、「集光部」としての第１焦点Ａと、第２焦点Ｂが存在する。この楕円鏡１の下方には、太陽光Ｌを熱エネルギーに変換するための熱交換施設３が設置されており、該熱交換施設３の上部には、テーパ筒状の集光鏡４が設置されている。そして、熱交換施設３の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット５が設けられている。
【００１４】
従って、各ヘリオスタット５で反射された太陽光Ｌは第１焦点Ａを通過しさえすれば必ず第２焦点Ｂ、集光鏡４を経由して熱交換施設３に到達するので、各ヘリオスタット５の主軸や曲率等の制御を独立に行うことが可能である。図１，２では、北半球の中緯度または低緯度地域に集光システムを設置した場合を想定して、紙面の裏面（東）から紙面上右側（南）を通って紙面の表面（西）に太陽が移動するように表現されている（図では太陽光Ｌは南方から入射する。）。なお、図２の実施形態ではヘリオスタット５は実質的に水平な土台を基準に設置されているが、設置場所に応じて（たとえば高緯度地域）傾斜した土台を基準に設置しても良い。
【００１５】
赤経軸（極軸）Ｘを構成する固定軸６の先端に、赤経軸（極軸）Ｘのまわりに赤経方向αへ回転自在で、且つ赤緯軸Ｙのまわりに赤緯方向βに回転自在なフレーム７が取り付けられる。ヘリオスタット５は、このフレーム７に複数の凹面鏡要素８を取付けた赤道儀型の構造である。複数の凹面鏡要素８はそれぞれ丸型形状をなし、全体で所定の曲率を有する１つの凹面鏡（疑似凹面鏡）９を規定する。凹面鏡９により太陽光Ｌを楕円鏡１の第１焦点Ａへ向けて反射収束させる。凹面鏡９全体の向きは、光量センサーで太陽を追尾しても良いし、コンピュータで制御しても良い。
【００１６】
凹面鏡９の鏡面形状は好ましくは球面であり、より好ましくは放物面である。以下では各ヘリオスタット５が規定する凹面鏡９の鏡面形状が第２の曲率を有する球面形状であるとして説明する。従って、たとえば放物面の場合には球面で近似した曲率を第２の曲率としてもよいし、（放物面の）所定の焦点距離を鏡面形状を特徴づけるものとして適宜読み替えられることは当業者に理解されるであろう。
【００１７】
各ヘリオスタット５を構成する凹面鏡要素８の鏡面形状は、好ましくは球面形状、または平面形状であって、同一の鏡面形状を有する。以下では各凹面鏡要素８の鏡面形状が第１の曲率を有する球面形状であるとして説明する。
【００１８】
また、各ヘリオスタット５と第１焦点Ａとの距離に応じてヘリオスタット５毎に鏡面形状を決定しても良い。たとえば、図１において第１焦点Ａに近接するヘリオスタット５のグループ（Ｉ）の凹面鏡要素８には第１曲率ＣＩを、中ぐらいの距離にあるグループ（ＩＩ）の凹面鏡要素には第１曲率ＣＩＩを、遠方の距離にあるグループ（ＩＩＩ）の凹面鏡要素には第１曲率ＣＩＩＩ（ＣＩ≧ＣＩＩ≧ＣＩＩＩ≧０）を適用することも可能である。曲率がゼロの平面鏡であっても所望の凹面鏡９を規定することができることは当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００１９】
また、凹面鏡９を構成する凹面鏡要素８は、図４に示すように、それぞれがフレーム７に対して赤緯軸Ｙと交差する方向（好ましくは直交方向）に理論軸を有する節動部（図４の例ではヒンジ）１０のまわりに、日周運動に関連する方向（疑似赤経方向という）α’に角度変更可能である。
【００２０】
凹面鏡要素８を疑似赤経方向の角度α’を変化させて、凹面鏡９の曲率を小さくした場合（浅い皿のよう）に等価な角度分布にすることもできるし、曲率が大きくした場合（深い皿のよう）に等価な角度分布にすることもできる。つまり、後述するように、凹面鏡９の鏡面形状を実際に変化させるのではなく、凹面鏡９を規定する個々の凹面鏡要素８の角度だけを変化させて、所定の曲率を有する凹面鏡９と等価な集光特性を実現することができる。
【００２１】
〔小さい凹面鏡要素で凹面鏡を構成した構造〕
【００２２】
本発明の太陽光集光効率の改善に関する第１の特徴は、凹面鏡９を複数の小さな凹面鏡要素８で構成して収差を少なくした点である。すなわち、図５Ｂに示すように、実際に１枚の大きな凹面鏡Ｍで太陽光Ｌを反射すると、光軸Ｓに対する太陽光Ｌの入射角度θが大きくなった場合に収差Ｄが大きくなる。これに対して、図５Ａのように小さな凹面鏡要素ｍで太陽光Ｌを反射すると、同じ入射角度θであっても凹面鏡Ｍを使用した場合に比べて収差ｄが小さい（ｄ＜Ｄ）。従って、本発明によれば小さな複数の凹面鏡要素８で反射した太陽光Ｌを、楕円鏡１の第１焦点Ａへ収束させることにより、収差の少ない効率的な集光を行うことができる。
【００２３】
〔入射角に応じて凹面鏡要素の角度を変化させる構造〕
【００２４】
本発明の太陽光集光効率の改善に関する２つ目の特徴は、凹面鏡９の主軸Ｓに対する太陽光Ｌの入射角度の日周運動に伴う変化に応じて、個々の凹面鏡要素８の傾斜角度を収差の少ない角度に変更する点である。図６Ａ−Ｃでは複数の凹面鏡要素で構成される凹面鏡９の主軸方向Ｓは紙面の左方向に固定して表現されている。図２からも明らかなように各凹面鏡９は、日周運動に応じてほぼ赤経方向に角度変更する太陽光Ｌを入射し、常に反射した太陽光Ｌを固定された第１焦点Ａに収束させるために主軸Ｓを追尾運動させなければならない。
【００２５】
すなわち、凹面鏡９の主軸方向Ｓを赤経軸（極軸）Ｘのまわりの回転角度（第１回転角という）でαｍ（ｔ）、赤緯軸Ｙのまわりの回転角度（第２回転角度）でβｍと表し、同様に太陽の位置を（第１回転角、第２回転角）＝（αｓ（ｔ）、βｓ）と表し、そして特定の凹面鏡９からみた第１焦点Ａの見かけ上の方向を（第１回転角、第２回転角）＝（αｆ、βｆ）と表す（ｔは時刻を表す）。
【００２６】
このとき、主軸Ｓを向けるべき方向（αｍ（ｔ）、βｍ）は、凹面鏡９から太陽（αｓ（ｔ）、βｓ）および第１焦点（αｆ、βｆ）を見る方向のほぼ中心方向を目安とする。具体的には、たとえば各ヘリオスタット５が太陽の位置および第１焦点Ａの位置を検出して主軸Ｓの向きを調整して、太陽の追尾を行うことができる。第２回転角βｍは時刻にあまり依存しないので、主軸Ｓの向きの制御に赤道儀を使用し、いったん太陽を捕捉したあとは日周運動にともなって極軸Ｘのまわりに回転し赤経方向の追尾をするだけでよい。このときの凹面鏡９の主軸Ｓの極軸Ｘまわりの回転速度はおよそ日周運動の半分である。
【００２７】
また上述したように、太陽の第２回転角βｓは日周運動により大きく変化しないので主軸Ｓの方向制御に赤道儀を使用する場合には第２回転角βｍを日周運動とともに変更する必要がない。なお、太陽の第２回転角βｓは季節（地球の公転位置）に依存して時刻とともに緩やかに変化するので主軸の第２回転角βｍは季節毎に変更調整してもよいし、毎日あるいは逐次太陽（黄道）の位置（見かけ上の赤緯）を検出して調整してもよい。
【００２８】
図６Ａ−Ｃに示すように、凹面鏡９への太陽光Ｌの入射角θ１によって第１焦点Ａ（破線の位置）における収差が変化するので、各鏡面形状（曲率）に対応して最も収差が少なくなる入射角が存在する（図中丸印で示す）。従って、所定の入射角に対して最適な鏡面形状（曲率）を有する適用型凹面鏡９を実現することができる。
【００２９】
より具体的には、小さい入射角度θ１の場合は、より大きい曲率の（深い皿のような）凹面鏡９ａが凹面鏡９ａ全体で反射収束される太陽光Ｌの収差がより少なく（図６Ａ）、中位の入射角度θ２の場合は、中位の曲率（やや深い皿のような）の凹面鏡９ｂが凹面鏡９ｂ全体で反射収束される太陽光Ｌの収差がより少なく（図６Ｂ）、大きい入射角度θ３の場合は、小さい曲率の（浅い皿のような）凹面鏡９ｃの方が凹面鏡９ｃ全体で反射収束される太陽光Ｌの収差がより少ない（図６Ｃ）。従って、太陽の日周運動に応じて各凹面鏡９を追尾する結果、太陽光Ｌの（各凹面鏡９への）入射角度が変化するので、常に当該入射角度に最適の鏡面形状（曲率）を実現するように各凹面鏡９を構成する個々の凹面鏡要素８の傾斜角度を変化させる。
【００３０】
尚、前記の「浅い皿」「深い皿」という表現は、相対的な鏡面形状の相違を強調して表示したものであって、実際の鏡面形状の違いは非常に僅かなものである。
【００３１】
凹面鏡９を構成する各凹面鏡要素８の角度の組み合わせにより、大きな曲率の凹面鏡９ａを規定したり、小さな曲率の凹面鏡９ｃを規定するように変化させることは、各凹面鏡要素８自体の鏡面形状（第１の曲率）は変化させず、凹面鏡９の鏡面形状（第２の曲率）を変化させるように各凹面鏡要素８傾斜角度を変化させることである。
【００３２】
図７Ａ、Ｂを用いてより詳細に説明する。図７Ａではより小さな曲率の凹面鏡９ｃが実線で示される複数の凹面鏡要素８によって実現されている。この凹面鏡９ｃをより大きな曲率に変更する場合には、各節動部１０のまわりの凹面鏡要素８の角度を破線で示されるように変更する。その結果、図７Ｂで示されるより大きな凹面鏡９ａと等価な光学特性が実現される。尚、各節動部１０の理論軸はフレーム７に固定されている。また、図７Ａでは節動部１０の理論軸が実質的に所定の曲率を有する凹面鏡９を規定するように配置されているが、平面上に配置されても良い。
【００３３】
このようにすることにより、凹面鏡９の角凹面鏡要素８の角度を、収差を少なくする最適角度とすることができ、各入射角度において、最も収差の少ない効率的な集光が行える。この凹面鏡要素８の傾斜角度の制御は、少なくとも日周運動に関連した疑似赤経方向α’で行えば、収差のない効率的な集光が行える。なぜならば、日周運動による入射角度の変化で大きな収差が発生するからであり、日周運動に関連する角度を変化させることにより、この収差を少しでも小さくすることができれば、集光効率がその分向上する。
【００３４】
尚、図７では節動部１０の理論軸が凹面鏡要素８の鏡面上にある場合を図示しているが、図４のように凹面鏡要素８を支持する節動部１０をヒンジで構成してヒンジのまわりの回動により凹面鏡要素８の傾斜角度を変更しても良い。また、節動部１０の構造を変更して、凹面鏡要素８の角度を赤緯方向βにも変化させるようにしてもよい。
【００３５】
本実施形態によれば、集光効率の改善に関して２つの大きな特徴がある。１つ目は、凹面鏡９を小さな凹面鏡要素８で形成して収差を少なくした点である。すなわち、従来のように大きな１枚の凹面鏡で太陽光Ｌを反射するのではなく、１つの凹面鏡（疑似凹面鏡）９を、小さな複数の凹面鏡要素８で規定し、個々の凹面鏡要素８で反射した太陽光Ｌを、あたかも１枚の大きな凹面鏡で反射したように集光部Ａへ反射収束させるため、収差の少ない効率的な集光が行える。
【００３６】
２つ目は、凹面鏡９に対する太陽光Ｌの入射角度に応じて、個々の凹面鏡要素８の角度を収差の少ない角度に変更する点である。すなわち、太陽光Ｌの入射角度が大きい場合は、曲率の小さい（浅い皿のような）凹面鏡の方が凹面鏡全体で反射収束される太陽光の収差が少なく、入射角度が小さい場合は、曲率の大きい（深い皿のような）凹面鏡の方が凹面鏡全体で反射収束される太陽光の収差が少ないので、そのような最適鏡面形状を個々の凹面鏡要素の傾斜角度の制御により実現する。
【００３７】
図８は、本発明の第２実施形態を示す図である。この実施形態では、ヘリオスタット１１における凹面鏡要素１２を四角形にしたものである。このようにすることにより、凹面鏡１３において、凹面鏡要素１２を隙間なく配置することができ、より多くの太陽光Ｌを集光することができる。その他の構成及び作用効果は、第１実施形態と同様に付き重複説明を省略する。
【００３８】
図９は、この発明の第３実施形態を示す図である。ヘリオスタット１４の支柱１５の上部に、方位方向Ｈへ回転自在なホーク１６を取付け、該ホーク１６に高度方向Ｖへ回転自在なフレーム１７を取付け、該フレーム１７に複数の凹面鏡要素８を取付けて凹面鏡９を構成している。凹面鏡９は、図示せぬ方位センサー及び高度センサーにより向きが制御され、太陽光Ｌを常に同じ集光部へ向けて反射収束させるようになっている。そして、各凹面鏡要素８は、図示せぬ方位センサー及び高度センサーにより検出された日周運動に関連する方向へ角度変更可能である。この実施形態のヘリオスタット１４は、方位方向Ｈ及び高度方向Ｖへ回動自在な経緯台型にしたため、構造が簡単である。その他の構成及び作用効果は、先の実施形態と同様に付き重複説明を省略する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、凹面鏡を小さな凹面鏡要素で形成し且つ凹面鏡に対する太陽光の入射角度に応じて個々の凹面鏡要素の角度を収差の少ない角度に変更するため、太陽光の集光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光集光システムを示す平面図。
【図２】本発明に係る太陽光集光システムを示す側面図。
【図３】ヘリオスタットを示す斜視図。
【図４】凹面鏡本体の取付構造を示す側面図。
【図５】大きい凹面鏡本体と小さい凹面鏡本体の収差の違いを表す図で、図５Ａは小さい凹面鏡が第１焦点Ａに生ずる収差を表し、図５Ｂは大きい凹面鏡の収差を表す。
【図６】各鏡面形状を有する凹面鏡に入射する太陽光を第１焦点Ａに集光したときの収差を表す図で、図６Ａは大きい曲率の凹面鏡、図６Ｂは中ぐらいの曲率の凹面鏡、図６Ｃは小さい曲率の凹面鏡を表す。
【図７】凹面鏡本体の角度変更を表す図で、図７Ａは第１の曲率を有する凹面鏡要素が第２の曲率を有する凹面鏡９ｃを規定することを表し、図７Ｂは図７Ａで凹面鏡要素の角度を変更した結果変更された第２の曲率を有する凹面鏡９ａが構成されたことを表す。
【図８】この発明の第２実施形態に係るヘリオスタットを示す斜視図。
【図９】この発明の第３実施形態に係るヘリオスタットを示す斜視図。
【符号の説明】
１　楕円鏡
２　支持タワー
３　熱交換施設
４　集光鏡
５、１１、１４　ヘリオスタット
６　固定軸
７、１７　フレーム
８、１２、凹面鏡要素
９、１３　凹面鏡
１０　ヒンジ
１５　支柱
１６　ホーク
Ａ　第１焦点（集光部）
Ｂ　第２焦点
Ｌ　太陽光
Ｘ　赤経軸（極軸）
Ｙ　赤緯軸
α　赤経方向
β　赤緯方向
Ｈ　方位方向
Ｖ　高度方向

Claims (7)

1. 各々の主軸の向きが変更可能で且つ第１の曲率を有する複数の凹面鏡要素により、第２の曲率を有する１つの凹面鏡を規定し、該凹面鏡の主軸の向きを常に入射した太陽光が集光部へ反射するように制御して、太陽光を集光部へ反射収束させる太陽光集光システム用のヘリオスタットであって、
   前記凹面鏡の主軸に対する太陽光の入射角度が大きい場合には第２の曲率を小さくするように凹面鏡要素の主軸の向きが変更され、
   凹面鏡の主軸に対する太陽光の入射角が小さい場合には第２の曲率を大きくするように凹面鏡要素の主軸の向きが変更されることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタット。
2. 請求項１記載の太陽光集光システム用のヘリオスタットであって、
   複数の凹面鏡要素が、極軸および赤緯軸のまわりに回動自在なフレームに取付けられていることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタット。
3. 請求項１記載の太陽光集光システム用のヘリオスタットであって、
   複数の凹面鏡要素が、高度方向および方位方向に回動自在なフレームに取付けられていることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタット。
4. 請求項２記載の太陽光集光システム用のヘリオスタットであって、
   複数の凹面鏡要素が、フレームに対し、赤緯軸と交差する向きの理論軸のまわりに節動可能に取付けられていることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタット。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光集光システム用のヘリオスタットであって、
   凹面鏡要素が四角形であることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタット。
6. 太陽光を集光部へ反射収束させる太陽光集光システム用のヘリオスタットの制御方法であって、
   第１の曲率を有する複数の凹面鏡要素が第２の曲率を有する１つの凹面鏡を規定するように各凹面鏡要素の主軸の向きを決定し、
   入射した太陽光が常に集光部へ反射するように凹面鏡の主軸の向きを少なくとも赤経方向に制御し、
   凹面鏡の主軸に対する太陽光の入射角度が大きい場合には第２の曲率を小さくするように各凹面鏡要素の主軸の向きを変更し、
   凹面鏡の光軸に対する太陽光の入射角が小さい場合には第２の曲率を大きくするように各凹面鏡要素の主軸の向きを変更することを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタットの制御方法。
7. 請求項６記載の太陽光集光システム用のヘリオスタットの制御方法であって、
   各凹面鏡要素の主軸の向きは少なくとも赤緯軸と交差する向きの理論軸のまわりに変更されることを特徴とする太陽光集光システム用のヘリオスタットの制御方法。

Images