JP2010002164A - 太陽熱収集システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽の位置の１年の変動に追隋するだけでなく、１日の変動に対しても追随して太陽熱の収集の効率を高めることを課題とする。
【解決手段】少なくとも下面から太陽光を入力させる集熱器と、集熱器の下面に太陽光を集中反射して入力する平面反射鏡とを一体にした太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置し、太陽熱コレクターを固定した回転軸と回転制御装置とを備え、１年に回転軸を４０〜６５度の範囲で往復回転させることにより太陽熱コレクターを南北方向に回転させて年間を通じて太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日に少なくとも０〜７度の範囲内で回転軸を往復回転させてその対地角度を微調整する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随する太陽熱収集システムに関するものである。

太陽熱を収集する集熱器と平面の反射鏡を一体に固定した太陽熱コレクターを複数個連結した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随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

地球から見て、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（高さ）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、南中時の位置を変化させる。
引用文献１では、太陽の位置の１日の変動については、地球の自転に基いているので、複数個の太陽熱コレクターを東西方向に長く設置することにより対処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、地球の公転に基いているので、太陽熱コレクターが常に太陽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、秋分を中心に冬至で最小、夏至で最大になるように太陽熱コレクターの仰角を補正している。

しかしながら、太陽の１日の変動に対して太陽熱コレクターを東西方向に長く設置するだけでは、十分に効率を上げることができないという問題があった。
東西方向に複数個の太陽熱コレクターを長く連結した太陽熱収集システムを、南北方向と同様に東西方向にも１日に９０°程度往復回転させることができれば効率を上げられるが、位置調整機の規模も膨大になり、多大な費用を要するので、その実現は非常に難しい。
特許文献１において、太陽の１日の変動に追随するか、又は１年の変動に追随するか選択するように提案しているのは、２次元に追随することが経済的に極めて困難であるからである。

本発明は、太陽の位置の１年の変動に追随するだけでなく、１日の変動に対しても追随して太陽熱の収集の効率を高めることを課題とする。

上記した課題を解決するため、少なくとも下面から太陽光を入力させる集熱器と、集熱器の下面に太陽光を集中反射して入力する平面反射鏡とを一体にした太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置し、太陽熱コレクターを固定した回転軸と回転軸を回転させる回転制御装置とを備え、１年に回転軸を４０〜６５度の範囲で往復回転させることにより太陽熱コレクターを南北方向に回転させて年間を通じて太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日に０〜７度の範囲内で回転軸を往復回転させてその対地角度を微調整するようにしたものである。

本発明は、平面反射鏡を使用した太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置した太陽熱収集システムを南北方向に往復回転させて年間を通じて太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日に０〜７度の範囲で南北方向に往復回転させてその対地角度を微調整することにより、経済的に太陽熱収集システムの熱収集の効率を高めることができ、平面反射鏡を使用することにより、経済的で、設置場所が制限されないという効果がある。

少なくとも下面から太陽光を入力させる集熱器と、集熱器の下面に太陽光を集中反射して入力する平面反射鏡とを一体にした太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置し、太陽熱コレクターを固定した回転軸と回転軸を回転させる回転制御装置とを備え、１年に回転軸を４０〜６５度の範囲で往復回転させることにより太陽熱コレクターを南北方向に回転させて年間を通じて太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日に回転軸を春分、秋分で０度、夏至、冬至で６度程度になるように日々変化する角度を最大微調整角度として往復回転させることにより太陽熱コレクターを南北方向に回転させてその対地角度を微調整することによって、経済的に太陽熱収集システムの熱収集の効率向上を実現した。

図１は本発明の実施例１を示す図、図２は図１の太陽熱収集システムを構成する太陽熱コレクターを示す断面図である。
図１は北方向から見た説明図で、太陽熱コレクター１は東西方向に複数個一列に並んで配置され、各太陽熱コレクター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。支持体２は例えばフレームを備えており、フレームに太陽熱コレクター１をはめ込むようにして取り付ける。
回転軸３はモータ、ＣＰＵ、電源等で構成される回転制御装置４に接続されており、回転制御装置４のＣＰＵによりその南北方向の往復回転が制御される。

図２は図１の西方向から見た太陽熱コレクターの断面図で、太陽熱コレクター１を構成する集熱器５と太陽光を集中的に反射して集熱器５に入力する平面の反射鏡６を示している。
集熱器５としては、ガラス筐体内又は上下両面をガラス窓にした筐体内に選択吸収膜で覆われた金属製の平板の集熱板或いは円筒型の集熱パイプを収容したもの等があり、太陽光は上下両面から入力できるように構成され、上面からは太陽光が直接入力し、下面からは反射鏡によって反射された太陽光が入力する。主たる太陽熱エネルギーは反射光から採っているので、上面からは太陽光を入射させずに、下面からのみ太陽光を入射させるようにしても良い。

実施例１では真空平板式の集熱器５を採用した例を示している。
集熱器５は筐体７と、筐体７の上下面に取り付けられた２枚のガラス窓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平板の集熱板９と、集熱板９に固定されたパイプ１０とを備えている。

平面反射鏡６は１個の集熱器５に対して複数枚設置されるが、集熱器５の受熱面積に対して１０〜２０倍位の総面積になるようにして使用する。
このように集熱器５の受熱面積に対して十分広い面積の反射鏡６を使用すると、太陽熱コレクター１の太陽熱の収集効率は出力温度にはほとんど左右されず、通常６０〜７０％位になる。
集熱器５本体の熱損失はその温度、表面積及び選択吸収膜の放射率によって決まるが、集熱器５の表面積が反射鏡６の総面積に比べて十分小さい場合、集熱器５本体の放射損失は反射鏡６からの入力に比べて無視できる程に小さくなる。

一方反射鏡６は常に常温に保たれており、その効率は反射鏡６そのものの反射性能によって決まり、出力温度とは無関係に一定で８０〜９０％位ある。
従って、この反射鏡６の反射光を収集する太陽熱コレクター１の効率は、出力温度に無関係に一定になり、集熱板９に当たらない多少の反射やガラスを透過する時の吸収を考慮しても６０〜７０％位になるのである。
太陽熱の収集効率が出力温度にほとんど関係ないということは、発電のように高温で使用する時などに特に有効な特性である。

複数の反射鏡６は太陽光を集中反射して集熱器５に入射するように、それぞれ所定の傾斜角を持って配置される必要があり、太陽からの平行な光はすべてガラス窓８を通して集熱板９に入力される。
太陽の位置（高さ）は季節によって変動するが、後述するように集熱器５と反射鏡６は一体に構成されており、太陽熱コレクター１として常に太陽に正対するように地表に対する角度、即ち対地角度を調整する。
なお、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。

図３は図１を上から見た太陽熱収集システムの平面図で、太陽熱コレクターの部分のみ示している。
太陽熱コレクター１は前述したように１個の集熱器５に対し複数の反射鏡６とを一体に固定して構成されるが、太陽熱収集システムにする場合にはそのような太陽熱コレクター１を複数個東西方向に一列に並べて配置する。
実際に設置する場合には設計したシステムの規模に応じた数の太陽熱コレクター１を収容できるようなフレームを用意しておき、集熱器５と反射鏡６をそのフレームにはめ込むようにしてシステムを完成させる。

図３に示したように、集熱器５と平面反射鏡６は共に矩形に形成され、１列の集熱器５に対して４列の反射鏡６になっているが、実際にはもっと多くの列の反射鏡６を使用することになる。
また、１列の集熱器５は実際には十数ｍから数百ｍの長さが想定されている。反射鏡６も同様の長さに構成されるが、朝夕の太陽の位置の変動をカバーするために東西方向の両側を集熱器５の列よりも長くしてある。
このように構成した１本の太陽熱収集システムを更に複数本設置することにより発電設備や大規模な淡水化設備の熱源として利用することが期待される。

図４は図３の太陽熱収集システムを北から見た正面図で、集熱器と平面反射鏡との関係を示している。
反射鏡６は集熱器５と平行に設置されるが、その全長は図示したように集熱器５の全長より長くしてある。矢印は朝の太陽光ＡＭ９と夕の太陽光ＰＭ３の進路を示しており、この太陽光が集熱器５に入射されるように反射鏡６の全長を集熱器５より長くしている。
このように構成することにより、午前９時から午後３時までの反射鏡６による太陽光の反射光はほとんど集熱器５によって吸収される。太陽光の有効な熱エネルギーの大半はこの時刻の間に集中しているので、反射鏡６の全長を集熱器５より長くすることは太陽の位置の１日の変動に対しては有効な対策となる。

図５及び図６は太陽熱コレクターの設置例を示す図である。
太陽熱収集システムのすべての太陽熱コレクターは、１年間を通じて太陽に正対するように地表に対して対地角度（仰角）を持って設置される。このように設置することにより太陽光Ｌ１は集熱器５の上面から直接光として入力され、太陽光Ｌ２は反射鏡６によって集中するように反射され、集熱器５の下面から反射光として入力される。

太陽の位置は最も高い夏至から最も低い冬至まで変動するが、図５は夏至の時、図６は冬至の時の状態を示している。
春分や秋分の南中高度は、（９０度−観測地点の北緯）とされており、東京の北緯は３５．６度であるので、春分、秋分の南中高度は５４．４度になる。
夏至、冬至の南中高度は、（春分、秋分の南中高度±２３．４度）とされているので、それぞれ７７．８度、３１．０度になる。従って、図５における太陽熱コレクターの中心線と地表との対地角度θ１は約７８度、図６の対地角度θ２は３１度ということになる。

このように１年の太陽の高度変化に追随して対応するために、太陽熱コレクターは１年間に対地角度を３１度から約７８度まで約４７度を往復回転して対地角度を調整し、補正することになる。
太陽が赤道上にある春分、秋分を中心に考えると、夏至の南中高度は（春分、秋分の南中高度＋２３．４度）であり、冬至の南中高度は（春分、秋分の南中高度−２３．４度）になる。
従って、太陽熱コレクターの対地角度の調整角度もこれに対応して変化するが、この状態を示したのが図７である。

図７は１年の太陽の位置変化に対する調整角度を示した図で、近似的に直線で示している。春分、秋分で０度、夏至で＋２３．４度、冬至で−２３．４度であり、往復回転させてこれを１年周期として繰り返すことになる。
この往復回転は図１に示した太陽熱コレクター１を固定した回転軸３を回転制御装置４の制御で往復回転させることにより実現されるが、その角度は４７度に厳しく限定されるものではなく、実用上は余裕を持って４０〜６５度の範囲で調整すれば十分である。

約４７度を１年間に往復回転するので、１日にすると角度変化はわずかに約０．２５度に過ぎない。実用範囲としても０．２〜０．４度で回転制御すれば良い。
そのため、多数の太陽熱コレクター１を１本の回転軸３で回転させるのに必要な仕事率は小さいので、回転軸３を駆動する回転制御装置４のモーターの動力も少なくて良いことになる。
また、対地角度の調整は回転軸３を常時回転させる必要はなく、仮に１日当り０．２５度とした場合、例えば１日１回午前８時に運転して０．２５度回転させても良い。また１週間に１日回転して７日分の１．７５度回転させても良い。要は所定期間に１回運転して回転させることで十分対応できる。１日に０．２５度程度と小さい角度なので所定期間が長期にならない限り、１〜２週間の間隔は実用上問題はない。
これらの制御はソフトウェアによって回転制御装置４のＣＰＵから容易に実行することができる。

次に太陽の１日の位置変動について検討する。
前述したように、南中時の正午に対して朝夕では、太陽熱コレクター１に対する太陽光の入射角度は図４に示したように低くなり、大きく変化するが、この変化によって太陽光の反射光が集熱器５から外れないように、集熱器５を太陽の運行する道に合わせて東西方向に正確に設置し、反射鏡６の全長を集熱器５の全長より長くすることにより、朝夕を含めて特に午前９時から午後３時までの太陽光を効率的に取り入れるようにしている。

ここで平面反射鏡６の反射状態を詳細に検討する。
太陽に向かって直角に回転軸を持つ回転体に取り付けた平面鏡に太陽光を入射すると、反射像は正午を中心にして移動する。これは地球が公転軸に対して２３．４度傾いて自転しているからであり、夏至の時は午前から正午までは上方に、正午から午後は下方に移動し、冬至の時は反対に午前から正午までは下方に、正午から午後は上方に移動する。
今、夏至の正午に、太陽に向かって直角にある地球上の軸Ｘを考えると、公転軸に対して軸Ｘは傾きは０度である。地球の自転により軸Ｘが回転し、１時間後の軸Ｘは公転軸に対して約０．７度傾き、２時間後には約２．９度、３時間後には約６．４度、６時間後には２３．４度の傾きとなる。
従って、軸Ｘ上に配置された太陽熱コレクターの反射鏡による反射光に位置ずれが生ずることになる。

図８は上記した軸Ｘに取り付けられた反射鏡による反射像の移動角度を時間と共に表示した図である。
午前９時の時点では移動角度は６．４度、徐々に減り、正午には０度になり、また増加して午後３時にはまた６．４度になる。即ち午前９時の時点では約６度傾いた状態から正午に向かって徐々に０度に傾いていくので、反射光は徐々に上方にずれていき、正午を過ぎると徐々に下がっていく。
冬至の場合は、同じ角度変化であるが、午前中は上方へ、午後からは下方への反対の変化となる。
春分、秋分の時は公転軸に対して自転軸は直角になっているので、軸Ｘの傾きの変動はなくなり、反射光の位置ずれは発生しない。

上記した考察から、太陽光をより効率的に取り込むためには、１日の太陽の位置変化に追随して図１の回転軸３を南北方向に往復回転させ、太陽熱コレクター１の対地角度を１日当り０〜約６度の範囲内で微調整して補正する必要がある。
図９は１日の太陽の位置変化に対する最大微調整角度を示す図で、１年間の季節変化に対応して近似的に直線で示している。
即ち、春分、秋分では０度、夏至、冬至では約６度であり、その間は図示のように最大微調整角度は日々変化する。

図１０は１日の太陽の位置変化に対する微調整角度を示す図で、１日の時間変化に対応して太陽熱エネルギーの多い時間帯である午前９時から午後３時までに変化する微調整角度を示している。
午前９時前及び午後３時後の時間帯では太陽の位置変化は急激に大きくなるので微調整に適当でなく、また太陽熱エネルギーを効率的に取り込む時間帯を大体カバーしていれば実用性の点では十分と思われる。
従って、最大微調整角度は１日当り０〜７度の範囲内で時間との関連で設定すれば良い。即ち、午前９時から午後３時までフルに太陽熱を収集したい場合には０〜６．４度、多少長い時間とする場合には０〜７度、多少短い時間例えば午前９時２０分から午後２時４０分までにする場合は０〜５度の範囲で設定する。

１日の太陽の位置変化に対する微調整は、１年の太陽の位置変動に対する調整と同様に、図１の回転軸３を回転制御装置４によって南北方向に往復回転させることにより実行される。
１日に最大７度程度の小さい角度の回転なので、制御構成は簡単なもので良い。
具体的には、午前９時から午後３時までの間、常時又は所定時間、例えば１時間に１回回転して最大約２度の回転、３０分に１回とすると約１度の回転、１０分に１回とすると約０．３度の回転としても良い。

これらの制御はカレンダーに基いてソフトウェアによって１年の対地角度の調整と同様に実行しても、また集熱器５に太陽光が直角に当たったことを検出するセンサーを設けて太陽光が集熱器５に常に直角に当たるようにするサーボ機構によっても良い。

以上のように実施例１によれば、集熱器と平面反射鏡を一体にした太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置し、太陽熱コレクターを固定した回転軸と回転軸を回転させる回転制御装置とを備え、１年の太陽の位置変化に追随して回転軸を往復回転させることにより太陽熱コレクターを南北方向に回転させて年間を通じて太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日の太陽の位置に追随して回転軸を往復回転させてその対地角度を微調整するので、太陽熱を極めて効率よく収集することができ、平面反射鏡を使用することにより、経済的で、設置場所が制限されないという効果がある。

また、１年の太陽の位置変化と１日の太陽の位置変化に対する太陽熱コレクターの対地角度の補正を、同じ回転軸の少ない角度の往復回転で実現できるので、その回転機構や回転制御装置を簡単に低価格で構成でき、更に故障も少なく保守も容易になり、極めて経済的に太陽熱を収集することができる。
更に、１本の太陽熱収集システムは１本の回転軸と１個の回転制御装置で良いので、太陽熱コレクター毎に制御装置を設けるシステムとは比較にならない程経済的である。また複数本の太陽熱収集システムに構成する場合にも同一の制御内容の回転制御装置をシステムの本数分だけ準備すれば良く、大規模なシステムに対しても容易に対応することができる。

本発明の実施例１を示す図である。 太陽熱コレクターを示す断面図である。 実施例１の太陽熱収集システムの平面図である。 実施例１の太陽熱収集システムの正面図である。 太陽熱コレクターの設置例を示す図である。 太陽熱コレクターの設置例を示す図である。 １年の太陽の位置変化に対する調整角度を示す図である。 反射像の移動角度を示す図である。 １日の太陽の位置変化に対する最大微調整角度を示す図である。 １日の太陽の位置変化に対する微調整角度を示す図である。

符号の説明

１ 太陽熱コレクター
２ 支持体
３ 回転軸
４ 回転制御装置
５ 集熱器
６ 反射鏡
７ 筐体
８ ガラス窓
９ 集熱板
１０ パイプ

Claims (5)

1. 少なくとも下面から太陽光を入力させる集熱器と、前記集熱器の下面に太陽光を集中反射して入力する平面反射鏡とを一体にした太陽熱コレクターを東西方向に複数個一列に並べて配置し、前記太陽熱コレクターを固定した回転軸と前記回転軸を回転させる回転制御装置とを備え、
   １年に前記回転軸を４０〜６５度の範囲で往復回転させることにより前記太陽熱コレクターを南北方向に回転させて年間を通じて前記太陽熱コレクターを太陽に正対するようにその対地角度を調整し、かつ１日に０〜７度の範囲内で前記回転軸を往復回転させてその対地角度を微調整することを特徴とする太陽熱収集システム。
2. 春分又は秋分に前記太陽熱コレクターを太陽に正対するように設置し、その時の前記太陽熱コレクターの対地角度を基準にして、夏至に＋２３．４±５度、冬至に−２３．４±５度になるように１日当り０．２〜０．４度で前記回転軸を所定方向に回転制御することを特徴とする請求項１記載の太陽熱収集システム。
3. 春分、秋分で０度、夏至、冬至で６度程度になるように日々変化する角度を最大微調整角度として１日に前記回転軸を往復回転させることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽熱収集システム。
4. １日で少なくとも正午を中心に前後３時間に前記回転軸を０〜７度の範囲内で往復回転させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽熱収集システム。
5. １日で正午に０度、午前９時及び午後３時に最大微調整角度になるように前記回転軸を往復回転させることを特徴とする請求項４記載の太陽熱収集システム。

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