JP2010223462A - 太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置で少ないエネルギーにより、大重量の太陽エネルギー吸収システムを、太陽の動きに合わせて追従して回転駆動可能とする。
【解決手段】太陽光エネルギー吸収部２の重心３の位置を支点として支柱５０で支え、吸収部２の頂点４と６の位置から作用棒１０、２０でおもり１１、２１がつながっている。各おもり１１、２１の上面が、水面になるように角形容器１３、２３に水を注入する。吸収部の４の位置には、おもり１１の重力と浮力の差の力が作用棒１０でかかる。吸収部の６の位置には、おもり２１の重力と浮力の差の力が作用棒２０でかかる。従って、角形容器１３、２３の水位を変えると、おもり１１、２１が上下動でき、吸収部２は、支点３を中心に回転する。角形容器１３、２３には、浮遊体１４、２４を水面に浮かべ、おもり１１、２１の紙面上下方向の動き、および、紙面法線方向の水位の変化によらない動きを抑制している。
【選択図】図１

Description

この発明は太陽熱温水供給システム等の太陽エネルギーを利用するシステムにおいて、太陽エネルギーを吸収する装置を太陽の移動に合わせて回転駆動する装置に関する。

ほとんどの太陽熱温水供給システムの太陽光吸収部は固定式であるが、太陽追尾式の装置も提案されており、例えば特開２００２−８１７６０号公報（特許文献１）において太陽エネルギー利用システムとして開示されている。追尾の原理は、図６に示すように、回転台８によって吸収部２を太陽１の方向に制御する方法であった。特開２００８−２３２５７７号公報には、太陽エネルギー受恵体装置として、太陽追尾型のシステムが開示されている。これも、太陽熱温水器用集熱パネルの軸塔を中心にして、外周部の車輪で駆動するものである。

特開２００２−８１７６０号公報 特開２００８−２３２５７７号公報

太陽熱温水供給システムの吸収部を固定した場合、地球の自転、公転によって、吸収部への太陽光の入射角度が変わり、太陽光エネルギーの利用効率が低かった。吸収部を夏至の南中する太陽の方向に固定していると、夏至の１日の利用効率は６４％であり、冬至の１日の利用効率は４５％と低下する問題があった。

また、前記のような従来の太陽追尾式の装置の場合、利用効率はほぼ１００％に近くなるものの、水を充填した重い吸収部を回転させるため多量のエネルギーを供給する必要があり、システムとしてエネルギー効率が低下する問題があった。このことは前記のような太陽熱温水供給システムに限らず、太陽電池等の太陽エネルギー利用システムにおいて、共通する問題である。

したがって本発明は、太陽光エネルギーの吸収効率を向上させるため太陽追尾式のシステムを採用しながら、重量の大きな太陽光エネルギーを吸収するシステムであっても、少ないエネルギーで、しかも簡単な装置によって太陽を追尾することができるようにした太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置は、前記課題を解決するため、太陽光エネルギー吸収部の重心を支点として支え、前記重心を通って交差する２本の線分上において各線分における前記重心を挟む２点の合計４カ所の位置に、前記吸収部に対して回動自在に作用棒の一端部を連結し、前記作用棒の他端部を角形容器内に配置するおもりを固定し、前記おもりを水に入れたとき、該おもりの上面が水面となるようにおもりを設定すると共に、各角形容器に水を注入し、前記各角形容器の水位を調節することによって角形容器内のおもりを上下動させて吸収部を回転させることを特徴とする。

また、本発明に係る他の太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置は、前記太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置において、前記角形容器内のおもりと独立して水面に追従して上下動する、内部が中空の浮遊体を備え、前記おもりを前記浮遊体の中空内部で移動可能に、且つ所定の上下の間隔で浮遊体により拘束可能に設け、前記各角形容器の水位を調節することによって角形容器内のおもりを上下動させて吸収部を回転させるとともに、角形容器の水面に浮かべた浮遊体によって吸収部の水位の変化によらない動きを抑制することを特徴とする。

また、本発明に係る他の太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置は、前記太陽エネルギー利用システムに適用したことを特徴とする。

本発明に係る太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置は上記のように構成したので、太陽光エネルギーの吸収効率を向上させるため太陽追尾式のシステムを採用しながら、重量の大きなシステムであっても、少ないエネルギーで、しかも簡単な装置によって確実に太陽を追尾することができるようになる。

即ち、例えば太陽熱温水供給システムの重量のある吸収部を、天秤のように、重心の位置を支点として支え、左右のおもりで入れた角形容器の水位を調節するだけで、太陽光の移動に合わせて吸収部を回転できる。それにより、吸収部を太陽に合わせて駆動するために、大きな力、すなわち、多量のエネルギーを要しない。また、浮遊体で吸収部の水位の変化によらない動きも抑制することができ、特にこのシステムは屋外に設置することとなるが、その際に強風の力が作用しても安定した作動が可能となる。また、太陽熱温水供給システムに用いると、このシステムで用いる水の供給装置をそのまま利用することができ、安価に本システムを実施することが可能となる。更にこのことによって、太陽熱温水供給システムの駆動システムの普及は拡大する。また、太陽光発電システムの太陽電池パネルの太陽の移動に合わせた駆動にも同じ手法が適応できる。従って、本駆動装置の適用範囲は大きなものとなる。

本発明の全体概要図である。 同回転駆動装置の一部の断面図である。 同回転駆動装置の他の一部の断面図である。 本発明における回転駆動装置の原理図である。 本発明における回転駆動装置の角形容器部分を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部分断面図である。 従来例の模式図である。

本発明における太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置においては、太陽光エネルギー吸収部の重心を支点として支え、重心を通って交差する２本の線分上において各線分における前記重心を挟む２点の合計４カ所の位置に、前記吸収部に対して回動自在に作用棒の一端部を連結し、作用棒の他端部におもりをつけること、そのおもりを角形容器中に入れておもりの上面が水面となるように角形容器に水を注入し、水位を調節することによって吸収部を回転させること、および、角形容器の水面に浮遊体を浮かべることによって吸収部の水位の変化によらない動きを抑制することという手段によって、太陽光エネルギー吸収部を太陽の移動に合わせて回転させ、太陽光エネルギー利用効率を上げることができる。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１に本発明による太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置を、太陽熱温水供給システムの回転駆動装置として利用した例の斜視図を示している。太陽光１は吸収部２に入射している。吸収部２の上から見た形状は正方形または長方形である。吸収部２は重心の位置である重心支点３で支柱５０によって支えられている。直交する線分を対角線とし、その対角線と外周との交点である吸収部の頂点の位置である頂点４、５、６、７には、それぞれ、おもり１１、１６、２１、２６が作用棒１０、１５、２０、２５でつながっている。各おもりの上面は角形容器内の水面となっている。各角形容器の水面には、それぞれ、浮遊体１４、１９、２４、２９がある。

図２は、図１の吸収部２の頂点４、重心支点３、頂点６の各点を結ぶ線で垂直に切った回転駆動装置の断面図であり、図３は、図１の吸収部２の頂点５、重心支点３、頂点７の各点を結ぶ線で垂直に切った回転駆動装置の断面図であり、回転駆動装置の詳細を示している。

図４は、太陽の移動に合わせて、吸収部２の支点の位置３を中心にして、おもり１１、２１によって回転させる原理を示している。この状態は、吸収部２を水平方向から時計と反対方向に回った状態である。ここでは、水面に浮かべて浮遊体１４、２４は見やすくするために記載していない。吸収部２は重心支点３で左右は同じ重さである。吸収部の頂点４と６には作用棒１０と２０がつながっている。

作用棒１０の下におもり１１、作用棒２０にはおもり２１があり、おもりの上面は角形容器１３、２３の水面の高さにある。吸収部２の頂点４の位置には、おもり１１の重力と浮力の差の力がかかり、吸収部２の頂点６の位置には、おもり２１の重力と浮力の差の力がかかる。左右のおもり１１、２１の重力と浮力の差は同じであるので、吸収部２の頂点４と頂点６の位置にかかる力は釣り合い、図４に示した反時計方向に回転した角度で吸収部２は維持される。

例えば、図４の吸収部２の状態から時計方向に回転させるためには、角形容器１３の水位を上げ、同じ速度で角形容器２３の水位を下げると、おもり１１は水中に入るが、おもり２１は水面から出る。このため、おもり１１の重力と浮力の差の力は変わらないが、おもり２１の浮力は、おもりが水面から出た分だけ小さくなる。吸収部２の頂点６へのおもり２１の重力と浮力の差の力が、吸収部２の頂点４へのおもり１１の重力と浮力の差の力より大きくなり、吸収部２は時計方向に回転する。角形容器１３と２３の水位の変化速度は同じであるので、おもり２１の上面が水面に達したとき、おもり１１の上面も水面となる。このとき、おもりの重力から浮力を引いた力は左右で同じとなり、その状態で止まる。角形容器の水位の変化速度を図１に示すような太陽の軌道データを備えた制御装置によりバルブの開閉制御を行うと、吸収部２を太陽の移動に合わせて自動的に回転させることもできる。

また、図４の状態から角形容器の水位は変えないのに、吸収部２の頂点４が上昇し、頂点６が下降したとすると、作用棒１０は上がり、おもり１１が水面から出る。作用棒２０は下がり、おもり２１は水中に入る。おもり２１の浮力は同じであるが、おもり１１の浮力は小さくなるので、吸収部２の頂点６へのおもり２１の重力と浮力の差の力が、吸収部２の頂点４へのおもり１１の重力と浮力の差の力より小さくなる。このように、水位の変化に伴わない吸収部２の回転には、回転を妨げる方向に力がかかり、角形容器の水位で決まる角度に吸収部２は戻る。

上記のように、重い吸収部２は天秤のように支点の位置３で支柱５０により支え、左右のおもり１１と２１を入れた角形容器の水位を変えるだけで、吸収部２を太陽の方向に合わせて回転させることができる。吸収部２の水位の変化によらない回転を抑制する作用もある。

図５（ａ）は、図２の角形容器１３、２３、および、図３の角形容器２８、１８の水面に浮かべている浮遊体１４、１９、２４、２９のうちの浮遊体１４の詳細を示す斜視図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部分断面図である。浮遊体１４を上からみると角形容器１３と同じ形状で、角形容器１３内で上下に動くことができるように、寸法は少し小さくなっている。浮遊体１４の中空部分に、おもりは１１は隙間をあけて入っている。浮遊体１４の側面には、水を浮遊体の中空部に送るために、４個の穴６２、６３、６４、６５があいている。底面には穴がなく、板状である。浮遊体１４の上面には、作用棒１０が通るスリット６１がある。スリット６１の幅は、作用棒１０の太さとほぼ同じで、スリット６１の長さは、図２の吸収部２が回転する時、作用棒１０が左右に移動するための空間である。浮遊体１４は、角形容器１３の水位６６まで水に沈むような比重としている。

次に、浮遊体によるおもりの水位の変化によらない動きを抑制する作用について説明する。図５でおもり１１がスリット６１の幅方向に動くと、浮遊体１４は角形容器１３の中にあるのでスリット６１の幅方向には動けず、作用棒１０はスリット６１の側面によって止められる。また、図５の浮遊体１４は、水位によらずおもり１１が上方に動くと、おもりは、浮遊体１４を水面から上げていくこととなり、おもり１１に下方向の力がかかる。逆に、おもり１１が下がると浮遊体１４を水中に沈めることになり、おもり１１に上方向への力がかかる。浮遊体１４によって、おもり１１の上下方向の動きに対して逆方向の力がかかるので、水位の変化によらない動きは抑制される。

上記のような装置を実施するに際して、地球の自転による太陽の移動と公転による移動に対応するために、自転への対応は、図１に示した吸収部２の頂点５、重心支点３、頂点７の位置を結ぶ線分を軸とした回転（図２に示した回転）、公転への対応は吸収部２の頂点４、重心３、頂点６の位置を結ぶ線分を軸とした回転（図３に示した回転）で行った。従って、吸収部は正方形の形状で、頂点４と６の位置を結ぶ線分は東西方向、頂点２、５の位置を結ぶ線分は南北方向とした。

図２の状態で、朝、太陽が紙面の左から昇ってくる時、角形容器１３の水を少なくし、おもり１１を角形容器の底面におろし、角形容器２３に多くの水を入れて、おもり２１の上面を水面の位置とする。太陽が上空に昇るのに合わせ、注水管４０と排水管４５の流量調整で、角形容器１３には注水し、角形容器２３からは同量排水する。左右のおもりの上面は水面と同じになるように動くので、おもり１１は上がり、おもり２１は下がる。吸収部は時計方向に回転し、太陽の移動に合わせることができる。

地球の公転による太陽の位置の違いに対する吸収部２の角度の調整は、図３の吸収部２の回転で行った。図３の状態が、春分の日の南中時の太陽の方向に吸収部をあわせているとすると、夏至に向かって太陽の地平線からの角度は大きくなっていくので、角形容器２８から排水し、角形容器１８に注水して、おもり１６を上げ、おもり２６を下げる。このことで、吸収部２は反時計方向に回り、吸収部２を太陽の方向に合わすことができる。

本発明の太陽熱温水供給システムを実施した例を図１に示す。設置場所は、北緯３６度の茨城県つくば市とする。地球の自転による太陽の移動に合わせる吸収部の回転角度は、東の地平線から上空に上がり、西の地平線までの１８０度である。地球の公転による吸収部の回転角度は、冬至の日の南中時に地平線から３１度、夏至の南中時に７７度である。 吸収部２の大きさは,横１ｍ、縦１ｍ、厚さ０．２ｍで、重量は３００ｋｇである。

地球の自転による太陽の移動に合わせる吸収部の回転は図２に示している。おもり１１は朝、角形容器の最も低い位置にあり、夕方最も高い位置にあがる。その移動距離は１．４ｍである。角形容器内でのおもり１１の左右方向の移動は、朝、支柱５０に近い位置にあり、昼に吸収部が水平となる時支柱から最も離れ、夕方、支柱５０の位置に戻ってくる。移動範囲は、０．７ｍである。

この移動が可能となるように、角形容器の寸法は、高さ１．６ｍ、横幅０．９ｍ、奥行０．５ｍである。角形容器２３でのおもり２１の上下方向、左右方向の動きはおもり１１と逆で、移動距離は同じであるから、角形容器２３の寸法は、角形容器１３と同じである。おもり１１、２１は、ステンレス製の０．１ｍ、０．２ｍ、０．１ｍの長方体で、重さは１６ｋｇである。浮遊体１４、２４の寸法は、角形容器の中にはいるように、横幅０．８８ｍ、奥行０．４８ｍ、高さ０．３ｍである。おもりの入る中空部の高さは、０．１１ｍである。浮遊体の材料は、水に浮く発泡スチロールで、その表面をステンレス板で補強をしたものである。

地球の公転による太陽の移動に合わせる吸収部の回転は図３に示している。おもり１６は冬至の日に角形容器の最も低い位置にあり、夏至の日に角形容器の最も高い位置に上がる。その移動距離は０．４５ｍである。角形容器内でのおもり１５の左右方向の移動は、冬至の日、支柱５０に近い位置にあり、夏至の日に最も離れる。支柱にもっとも近い距離は０．３６ｍで、移動範囲は０．３２ｍである。この移動が可能となるように、角形容器の寸法は、高さ０．７ｍ、横幅０．７ｍ、奥行０．５ｍである。角形容器２８でのおもり２６の動きはおもり１６と逆で、左右方向の動きは同じで、移動距離は同じであるから、角形容器２８の寸法は、角形容器１８と同じである。

おもり１６、２６は、ステンレス製の０．１ｍ、０．２ｍ、０．１ｍの長方体で、重さは１６ｋｇである。浮遊体１９、２９の寸法は、角形容器の中にはいるように、横幅０．６８ｍ、奥行０．４８ｍ、高さ０．３ｍである。おもりの入る中空部の高さは、０．１１ｍである。浮遊体の材料は、水に浮く発泡スチロールで、その表面をステンレス板で補強をしたものである。以下にこのときの太陽熱温水供給システムの性能を示す。
吸収部への太陽光入射量 ３．６×１０^７Ｊ
（晴天の日、１０時間の太陽光エネルギーを吸収したとしている。）
吸収部の水の量 ２００ｋｇ
吸収部の水温の上昇温度 ６３度 （初期水温を２０度）

１ 太陽光
２ 吸収部
３ 重心支点
４、５、６、７ 頂点
１０、１５、２０、２５ 作用棒
１１、１６、２１、２６ おもり
１３、１８、２３、２８ 角形容器
１４、１９、２４、２９ 浮遊体

Claims (3)

1. 太陽光エネルギー吸収部の重心を支点として支え、
   前記重心を通って交差する２本の線分上において各線分における前記重心を挟む２点の合計４カ所の位置に、前記吸収部に対して回動自在に作用棒の一端部を連結し、
   前記作用棒の他端部を角形容器内に配置するおもりを固定し、
   前記おもりを水に入れたとき、該おもりの上面が水面となるようにおもりを設定すると共に、各角形容器に水を注入し、
   前記各角形容器の水位を調節することによって角形容器内のおもりを上下動させて吸収部を回転させることを特徴とする太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置。
2. 前記角形容器内のおもりと独立して水面に追従して上下動する、内部が中空の浮遊体を備え、
   前記おもりを前記浮遊体の中空内部で移動可能に、且つ所定の上下の間隔で浮遊体により拘束可能に設け、
   前記各角形容器の水位を調節することによって角形容器内のおもりを上下動させて吸収部を回転させるとともに、角形容器の水面に浮かべた浮遊体によって吸収部の水位の変化によらない動きを抑制することを特徴とする太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置。
3. 前記太陽エネルギー利用システムは太陽熱温水供給システムであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽エネルギー利用システムの回転駆動装置。

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