JP2009103424A

JP2009103424A - 真空太陽熱収集システム

Info

Publication number: JP2009103424A
Application number: JP2007297248A
Authority: JP
Inventors: Shunsaku Nakauchi; 俊作中内
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: JP5190820B2

Abstract

【課題】真空太陽熱収集システムにおいて、太陽の位置の変動に追尾する場合に、南北方向の回転を駆動するモータの負荷を軽減することを課題とする。
【解決手段】真空太陽熱収集装置と反射鏡とを組み合わせた太陽熱コレクタを南北方向に回転させて太陽の位置の変動に追尾する真空太陽熱収集システムであって、真空太陽熱収集装置の集熱板９に直角に入射する太陽光を検出する筒１２と光センサ１３から成る測定装置１１を集熱板９に設け、光センサ１３の出力に基づいて太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させて太陽熱コレクタの仰角の補正を行うようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽の位置の変動に追尾する真空太陽熱収集システムに関するものである。

真空太陽熱収集装置と反射鏡を組み合わせて使用した真空太陽熱収集システムは効率が良いが、更に効率を高めるため、太陽の位置の変動に追尾するシステムが本発明者によって提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１１５９１７号公報

太陽は、１日を１周期として昼と夜を繰り返し、昼は日の出から日の入りまでその位置を変える。また、太陽は１年を１周期として、地球上で言う北回帰線から南回帰線までを往復して、南中時の位置（高さ）を変化させる。
特許文献１では、太陽の位置の１日の変動については、地球の自転に基づいているので、真空太陽熱収集システムを東西方向に長く設置することを提案している。

また、太陽の位置の１年の変動については、地球の公転に基づいているので、真空太陽熱収集システムの集熱板が常に太陽光に正対するように南北方向に１年周期で往復回転させ、春分、秋分（日本では緯度の関係で仰角は約５０度）を中心に冬至でミニマム、夏至でマキシマムになるように真空太陽熱収集装置と反射鏡を同時に回転させて仰角を補正している。
しかしながら、この南北方向の回転は、ＣＰＵの時計機能、即ちカレンダによって制御されるので、低速とは言え、モータは１年中動作することになるという問題があった。

本発明は、太陽の位置の変動に追尾する際、南北方向の回転を駆動するモータの負荷を軽減することを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明は、真空太陽熱収集装置と反射鏡とを組み合わせた太陽熱コレクタを南北方向に回転させて太陽の位置の変動に追尾する真空太陽熱収集システムであって、真空太陽熱収集装置の集熱板に直角に入射する太陽光を検出する測定装置を集熱板に設け、測定装置の出力に基づいて太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させて太陽熱コレクタの仰角の補正を行うようにしたものである。

本発明は、真空太陽熱収集装置の集熱板に直角に入射する太陽光を検出する測定装置を集熱板に設けることにより、測定装置の出力に基づいて南北方向の回転を停止させて仰角の補正を行うので、１〜２週間の間隔をあけて測定装置を動作させ、仰角の補正をすることが可能となり、モータの負荷を大幅に軽減することができる。
なお、太陽の位置の変動は１年周期であり、１〜２週間程度では大きな変化はないので、真空太陽熱収集システムの実用面では全く問題はない。

真空太陽熱収集装置と反射鏡とを組み合わせた太陽熱コレクタを南北方向に回転させて太陽の位置の変動に追尾する真空太陽熱収集システムであって、真空太陽熱収集装置の集熱板に直角に入射する太陽光を検出する測定装置を集熱板に設け、測定装置の出力に基づいて太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させて太陽熱コレクタの仰角の補正を行う。
測定装置は、集熱板に垂直に立てて固定され、垂直方向に広がる逆台形状で、内面を黒色にした筒と、筒の底部に配置され、集熱板に固定された光センサとを備え、光センサで太陽光を受光し、光センサの出力が最大値になった時点で太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させることによりモータの負荷軽減を実現した。

図１は本発明の実施例１を示す図、図５は本発明が適用される真空太陽熱収集システムを示す図、図６は真空太陽熱収集システムを構成する太陽熱コレクタを示す断面図である。
図５は北方向から見た説明図で、太陽熱コレクタ１は東西方向に複数個連なっており、各太陽熱コレクタ１はそれぞれ支持体２に取り付けられ、支持体２は共通の回転軸３に固定されている。
回転軸３はモータやＣＰＵ等で構成される回転装置４に接続されており、回転装置４のＣＰＵによりその南北の回転が制御される。

図６は西方向から見た図で、太陽熱コレクタ１を構成する真空太陽熱収集装置５と太陽光を反射する複数の反射鏡６を示している。
真空太陽熱収集装置５は筐体７と、筐体７の上下に取り付けられた２枚の透明窓８と、筐体７の内部に収容され、表面に選択吸収膜が形成された集熱板９と、集熱板９に固定された集熱パイプ１０とを備えている。
上の透明窓８からは太陽光が直接入射し、下の透明窓８からは反射鏡６で反射された太陽光が入射するように構成されている。

反射鏡６は複数の平面鏡を図示しているが、凹面鏡等でも良い。要は太陽光を反射して集熱板９に太陽光が当たるように構成されていれば良い。そのためには複数の反射鏡６がそれぞれ所定の傾斜角（仰角）を持って配置される必要がある。
複数の反射鏡６の間に隙間が存在するのは風の通り道を確保して、装置が強風で破壊されないようにするためである。

さて、図１は上記した真空太陽熱収集システムに適用される実施例１の測定装置１１を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
測定装置１１は、図５におけるいずれかの太陽熱コレクタ１の図６に示した集熱板９上に垂直に立てて固定され、東西方向に広がる逆台形状で内面を黒色にした中空の筒１２と、筒１２の下底部に配置され、集熱板８に固定された光センサ１３とを備えており、光センサ１３で太陽光を受光し、光センサ１３の出力がピーク即ち最大値になった時点で集熱板９に直角に入射する太陽光を検出する。
なお、光センサ１３は図５に示した回転装置４のＣＰＵに接続されている。

筒１２の逆台形を形成している２つの斜面１４はそれぞれ集熱板９に対して傾斜角を４５度に形成されている。
この４５度の角度は日本における午前９時から午後３時までの太陽光の入射を可能にするためである。正午の太陽光を入射させるだけであれば円筒や角筒で十分であるが、正午が晴天とは限らないので、広い時間帯で測定できるようにしたものである。なお、この角度は４５度に限定されない。
また、内面を全て黒色にしたのは、太陽光が当たった際に反射して光センサ１３に入射するのを防ぐためである。
そのため、筒１２は内面を黒色の塗料で塗ったり、黒色の材料をプラスチックに混ぜ込んで成形させて作成する。

次に測定装置１１の動作について説明する。
まず、太陽光の入射は夜間、雨天、曇天では測定できないので、昼間の晴天時や薄曇時に測定するものとする。
例えば、午前９時から午後３時までの時間帯において、晴天時に測定装置１１の電源を入れる。すると測定装置１１がオンすることによりその信号が図４の回転装置４のＣＰＵに送信される。
ＣＰＵは回転装置４内のモータを駆動し、モータに連結されている回転軸３を南北方向に回転させる。春分、秋分を中心に夏至、冬至で南北方向にそれぞれ最大約２５度の角度回転する。

回転軸３に支持体２を介して固定されている太陽熱コレクタ１は回転軸３の回転に伴い、太陽を追尾するように南北方向に回転し、太陽光が幅の狭い筒に入射するようになる。
しかし、筒１２の内面は黒色になっているので、斜めに入射した太陽光は黒色の壁に吸収されて筒１２の底部に配置された光センサ１３には到達しない。
太陽熱コレクタ１が更に回転すると、太陽光は光センサ１３に入射するようになり、光センサ１３の出力は増大していく。太陽光が集熱板９に直角に入射するようになると、光センサ１３の出力はピーク即ち最大値に達し、更に回転が進むと筒１２の壁に遮られて光センサ１３に太陽光が入射しなくなる。

太陽光が集熱板９に直角に入射している時は光センサ１３の出力は最大値になっており、回転と共にその出力は下がり始める。
そこで、光センサ１３の出力が最大値に達してから下降する瞬間をＣＰＵで測定して太陽光が集熱板９に直角に入射したことを検出する。
ＣＰＵはその時点でモータを停止し、回転軸３の回転即ち太陽熱コレクタ１の南北方向の回転を停止させる。測定装置１１はこの時点でオフになる。

これにより太陽熱コレクタ１即ち真空太陽熱収集装置５及び反射鏡６の仰角を同時に補正することができる。
突然、雲が出現して光センサ１３の出力が下降し、ピークに達したと誤解する場合や不明の場合は、雲がなくなった晴天時に測定装置１１を再度オンさせて、ピークに達してから下降する瞬間を検出するようにする。

上記したように実施例１によれば、真空太陽熱収集装置の集熱板に直角に入射する太陽光を検出する光センサと太陽光の入射を制限する筒とを備えた測定装置を集熱板に設けることにより、光センサの出力の最大値を検出した時点で太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させて、太陽の位置の変動に追尾して太陽熱コレクタの仰角の補正を行うので、１年中でなく１〜２週間の間隔をあけて測定装置を動作させることができ、回転装置のモータの負担を大幅に軽減することができる。

図２は本発明の実施例２を示す正面図である。
実施例２は測定装置２１を示しており、実施例１に参照用光センサ２２を付加したもので、筒１２、光センサ１３等は実施例１と同じである。
参照用光センサ２２は筒１２の外部に配置され、集熱板９に固定されており、測定装置２１は筒１２と光センサ１３と参照用光センサ２２を備えて構成される。
なお、参照用光センサ２２は図５の回転装置４のＣＰＵに接続されている。

実施例１と同様に、晴天時に太陽光の測定を開始すると、参照用光センサ２２には太陽光が入射され、その出力は回転装置４のＣＰＵに送信される。
一方、測定装置２１のオンにより、ＣＰＵはモータを駆動して回転軸３を回転させ、太陽熱コレクタ１を南北方向に回転させる。
太陽熱コレクタ１の回転により、実施例１と同様に集熱板９に直角に当たる太陽光が光センサ１３に入射され、その出力が回転装置４のＣＰＵに送信される。

ＣＰＵでは測定時における参照用光センサ２２の出力Ｍと光センサ１３の出力Ｘを比較し、Ｘ−Ｍ＝０又はＸ／Ｍ＝１を検出して光センサ１３の出力の最大値を検出する。
ＣＰＵは実施例１と同様にこの時点でモータを停止し、太陽熱コレクタ１の南北方向の回転を停止させ、仰角の補正を終了する。

上記したように実施例２によれば、実施例１の効果に加えて、光センサの出力と、参照用光センサの出力とを比較して、光センサの出力の最大値を検出するので、光センサの出力がピークに達しないうちに雲等により出力が下降しても、最大値を検出したと間違えることはないという利点がある。

図３は本発明の実施例３を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
測定装置３１は、いずれかの太陽熱コレクタ１の図５に示した集熱板９上に垂直に立てて固定され、東西方向に広がる中央壁３２と、中央壁３２の両端にそれぞれの中央部が固定された２枚の対称的な側壁３３と、中央壁３２を挟んで対称的に配置され、集熱板９に固定された第１及び第２の光センサ３４，３５とを備えている。
なお、第１及び第２の光センサ３４，３５は回転装置４のＣＰＵに接続されている。

中央壁３２の両面と、２枚の側壁３３の内面は黒色にされている。黒色にする方法及び黒色の作用は実施例１と同じである。
一方の側壁３３の上端と第１の光センサ３４を結ぶ面と集熱板９との傾斜角度が４５度になるように側壁３３の高さを設定する。他方の側壁３３も同様に第２の光センサ３５と結ぶ面が集熱板９から４５度の傾斜角度になるように高さを設定する。
中央壁３２の高さは特定する必要はないが、作り易さから考えて側壁３３と同じ高さにすると良い。中央壁３２の横幅は側壁３３との関連で側壁３３の高さの約２倍に設定される。
側壁３３の高さを設定して４５度の傾斜角度にするのは、実施例１と同様に午前９時から午後３時の時間帯に対応するためであり、特に４５度に限定されるものではない。
また、側壁３３自体をなくしても良いが、中央壁３２の安定した固定に役立つので例示した。

実施例１と同様に、晴天時に太陽光の測定を開始すると、太陽熱コレクタ１は回転を始める。季節を春とすると、太陽光は第１の光センサ３４に入射しているので出力は回転と共に上昇する。この時点では太陽光は中央壁３２に遮られて第２の光センサ３５には入射しないので出力はほとんどない。
更に太陽熱コレクタ１が回転すると、太陽光は集熱板９に直角に当たるようになり、第１の光センサ３４及び第２の光センサ３５に太陽光が入射し、第１及び第２の光センサ３４，３５の出力は最大値になる。
これらの出力は回転装置４のＣＰＵに送信されているので、ＣＰＵは第１の光センサ３４の出力Ｙ１と第２の光センサ３５の出力Ｙ２とを比較し、両者の出力が等しくなったこと即ちＹ１−Ｙ２＝０又はＹ１／Ｙ２＝１を検出して、第１及び第２の光センサ３４，３５の出力の最大値を検出する。
その時点でＣＰＵはモータの回転を停止し、太陽熱コレクタ１の回転を停止して仰角の補正を終了する。
上記したように実施例３によれば、実施例１と同等の効果を有する。

図４は本発明の実施例４を示す正面図である。
上記した実施例１〜３では、集熱板９の表面、換言すると太陽光が直接当たる上面に光センサ等を配置していたが、実施例４では測定装置４１を構成する参照用光センサ４２を集熱板９の表面に配置し、光センサ４３を集熱板９の裏面、即ち図６に示した反射鏡６で反射された太陽光が当たる下面に配置している。
なお、参照用光センサ４２及び光センサ４３は図５の回転装置４のＣＰＵに接続されている。

実施例１と同様に、晴天時に測定装置４１をオンさせて太陽光の測定を開始すると、参照用光センサ４２には太陽光が直接入射され、その出力である現在値（参照値）Ｒは回転装置４のＣＰＵに送信される。
ＣＰＵは測定装置４１のオン信号によりモータを駆動して回転軸３を回転させ、太陽熱コレクタ１を南北方向に回転させる。
太陽熱コレクタ１の回転により、太陽光が反射鏡６に反射され、反射光が集熱板９の下面に設けられた光センサ４３に入射されるようになり、その出力Ｚが同じくＣＰＵに送信される。

ＣＰＵでは受信した光センサ４３の出力と参照用光センサ４２の出力とを比較し、Ｚ／Ｒ又はＲ／Ｚを演算する。
出力Ｒは複数の反射鏡６からの反射光の合計なので出力Ｚより大きく、Ｚ／Ｒの最小値又はＲ／Ｚの最大値を算出することにより、光センサ４３の出力の最大値、即ち太陽光が集熱板９に直角に当たるようになったことを検出することができる。
ＣＰＵはこの時点でモータの回転を停止し、太陽熱コレクタ１の回転を停止して仰角の補正を終了する。

上記したように実施例４によれば、実施例１〜３の効果に加えて、筒や中央壁を必要としないので測定装置を低コストで製作できるという利点もある。
なお、上記した実施例ではＣＰＵを回転装置４のＣＰＵとして説明したが、これとは別に測定装置１１，２１，３１，４１にＣＰＵを設けて光センサの出力の最大値を検出するようにしても良い。

本発明の実施例１を示す図である。本発明の実施例２を示す正面図である。本発明の実施例３を示す図である。本発明の実施例４を示す正面図である。本発明が適用される真空太陽熱収集システムを示す図である。太陽熱コレクタを示す断面図である。

符号の説明

１太陽熱コレクタ
２支持体
３回転軸
４回転装置
５真空太陽熱収集装置
６反射鏡
７筐体
８透明窓
９集熱板
１０集熱パイプ
１１，２１，３１，４１測定装置
１２筒
１３光センサ
１４斜面
２２参照用光センサ
３２中央壁
３３側壁
３４第１の光センサ
３５第２の光センサ
４２参照用光センサ
４３光センサ

Claims

真空太陽熱収集装置と反射鏡とを組み合わせた太陽熱コレクタを南北方向に回転させて太陽の位置の変動に追尾する真空太陽熱収集システムであって、
前記真空太陽熱収集装置の集熱板に直角に入射する太陽光を検出する測定装置を前記集熱板に設け、前記測定装置の出力に基づいて前記太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させて前記太陽熱コレクタの仰角の補正を行うことを特徴とする真空太陽熱収集システム。
前記測定装置は、前記集熱板に垂直に立てて固定され、東西方向に広がる逆台形状で内面を黒色にした筒と、前記筒の底部に配置され、前記集熱板に固定された光センサとを備え、前記光センサで太陽光を受光し、前記光センサの出力が最大値になった時点で前記太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止させることを特徴とする請求項１記載の真空太陽熱収集システム。
前記筒の外部に太陽光を受光する参照用光センサを配置し、前記光センサの出力と前記参照用光センサの出力とを比較して前記光センサの出力とを検出することを特徴とする請求項２記載の真空太陽熱収集システム。
前記測定装置は、前記集熱板に垂直に立てて固定され、両面を黒色にした東西方向に広がる中央壁と、前記中央壁を挟んで配置され、前記集熱板に固定された第１及び第２の光センサとを備え、前記第１及び第２の光センサで太陽光を受光し、前記第１及び第２の光センサの出力を比較して両者の出力が等しくなった時点で前記集熱板に直角に入射する太陽光を検出することを特徴とする請求項１記載の真空太陽熱収集システム。
前記測定装置は、前記集熱板の表面に太陽光を直接受光する参照用光センサを配置し、前記集熱板の裏面に前記反射鏡で反射された太陽光を受光する光センサを配置し、前記光センサの出力Ｚと前記参照用光センサの出力Ｒとを比較し、Ｚ／Ｒの最小値又はＲ／Ｚの最大値を算出した時点で前記太陽熱コレクタの南北方向の回転を停止することを特徴とする請求項１載の真空太陽熱収集システム。