JP2012127575A - 太陽光集熱装置および太陽光集熱装置の太陽自動追尾方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽光集熱器10は、太陽光Lを反射して集光するコレクタ20と、このコレクタ20が集光した光を熱に変換する集熱管30と、日時と設置場所に基づいてコレクタ20が太陽の方向に正対する目標回転角度Θtを算出し、この目標回転角度Θtでコレクタ20を回転する駆動制御部と、集熱管30が集熱した熱量に基づいて、集熱効率を測定する集熱効率算出部とを有している。駆動制御部は、この目標回転角度Θtに所定のオフセット値ρを加えてコレクタ20を回転したのち、この所定のオフセット値ρにおける集熱効率を測定することを、この所定のオフセット値ρを変化させながら繰り返し、この所定のオフセット値ρと集熱効率との関係から、最適なオフセット値を求める。
【選択図】図1
Description
特許文献5には、太陽光の反射損失を低下させることで光/電変換効率を向上させた太陽電池を利用した太陽光発電システムの発明が開示されている。
そこで、本発明は、太陽光集熱装置および太陽光集熱装置の太陽自動追尾方法において、曲面鏡の方向の精密な制御と、太陽の位置の精度の高い検出とを提供することを目的とする。
前記集光部が集光した光を熱に変換する集熱部と、日時と設置場所に基づいて前記集光部が前記集熱部に太陽光を集光する所定角度を算出し、前記所定角度で前記集光部を回転する駆動制御部と、前記集熱部が集熱した熱量に基づいて集熱効率を測定し算出する集熱効率算出部とを有する太陽光集熱装置の太陽自動追尾方法であって、前記駆動制御部が前記所定角度に所定のオフセットを加えて前記集光部を回転し、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を算出する処理を、前記所定のオフセットを変化させながら繰り返す処理と、前記所定のオフセットと前記集熱効率との関係から、最適なオフセットを求める処理とを含むことを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
図1のトラフ式太陽光集熱装置の太陽追尾動作は以下のものである。
太陽光集熱器10は、制御装置80と、この制御装置80に接続された回転位置検出器70及び駆動装置50と、コレクタ20と、コレクタ20と連動して回転する直立日射計29と、集熱管30と、集熱管30の両端に設置された温度計212−1,212−2と、集熱管30の一端に設置された流量計211とを有している。制御装置80は更に、中央処理装置(以下、「CPU」という。)81と、計時部82と、駆動制御部83と、集熱効率算出部84と、記憶部85とを有し、記憶部85は太陽位置テーブル86を記憶している。
図3は、太陽光の光軸ズレ角度と集熱効率との関係の例を示す図である。縦軸は集光効率を%で示し、横軸は光軸ズレ角度を角度[°]で示している。
図4は、第1の実施形態に係る太陽光集熱器の回転角度補正動作を示すフローチャートである。
本実施形態に係る回転角度補正動作において、オフセット値ρの範囲は、図3に示した集熱管30の直径Φと光軸ズレ角度と集光効率の関係にもとづいて決定する。一例として、集熱管30の直径としてΦ1を選択した場合を考える。集熱効率が急激に低下するのは、光軸ズレ角度が±1°近傍の場合である。この場合には、オフセット値ρの範囲を−1.0°〜+1.0°として設定し、−1.0°から+0.1°ずつ、徐々に値を変更していく。
処理を開始すると、ステップS10〜S19において、制御装置80は、目標回転角度Θtのオフセット値ρの範囲を−1.0°から+1.0°まで+0.1°ずつ変更する処理を繰り返す。このオフセット値ρは、所定のオフセットであり、目標回転角度Θtを集光効率が最大となる回転角度Θmaxに補正するために用いられる。よって、オフセット値ρの範囲は、目標回転角度Θtと、集光効率が最大となる回転角度Θmaxとの差の最大値よりも、やや広く設定することが望ましい。
図6は、第1の実施形態に係る回転角度補正後の太陽光集熱器の集熱動作を示すフローチャートである。
処理を開始すると、ステップS31において、太陽光集熱器10の制御装置80は、記憶したオフセット最適値ρ0を読込む。
以上説明した第1の実施形態では、次の(A)〜(C)のような効果がある。
(A) コレクタ20の目標回転角度Θtを算出する際の算出誤差、太陽光集熱器10を構成する部品寸法の誤差、および太陽光集熱器10の設置位置の誤差、回転位置検出器70の検出誤差等によって、予測計算で決定した理論的な目標回転角度Θtで制御しても集熱効率が最大にならない場合がある。この場合においても、集光効率が最大となる回転角度Θmaxと、理論的な目標回転角度Θtとの差を学習し、目標回転角度Θtを補正することが可能である。
図7は、第2の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
本実施形態の太陽光集熱器10Aは、第1の実施形態の太陽光集熱器10に加えて、太陽の方向を検出する太陽位置検出部である太陽位置検出器90を備えているほかは、第1の実施形態の太陽光集熱器10と同様の構成を有している。この太陽位置検出器90は、コレクタ20と連動して回転する。更に、太陽と反対方向(図1の北方向)の支持バー23上に設置され、反射パネル21上に影を落とさないようになっている。
図8は、第2の実施形態に係る太陽光集熱器の制御装置を示す図である。
図9(a),(b)は、第2の実施形態に係る太陽位置検出器を示す図である。
図9(b)は、フォトダイオード位置Xと出力電流との関係を示す図である。横軸はフォトダイオード位置Xを示し、縦軸は位置Xにおけるフォトダイオード93の出力電流を示している。
図10(a),(b)は、第2の実施形態に係る太陽位置検出器の動作を示す図である。
図10(a)は、太陽位置検出器90の取付誤差がなく、且つコレクタ20が正常に太陽を追尾している場合を示す図である。このとき太陽光Lは、スリット92から垂直に入射し、中央列のフォトダイオード93−11に照射され、フォトダイオード93−11は、フォトダイオード93−1〜93−21のうち最も高い電流を出力する。太陽光Lは、太陽位置検出器90が固定されているコレクタ20の反射パネル21によって反射し、集熱管30に集光する。
図11(a),(b)は、第2の実施形態に係る太陽位置検出器の取付誤差の修正を示す図である。
図12は、第2の実施形態に係る太陽光集熱器の取付誤差修正動作を示すフローチャートである。
ステップS52において、制御装置80は、オフセット値Ψを0に設定する。
ステップS53〜S62において、制御装置80は、所定の学習時間の間、繰り返す。
ステップS56において、制御装置80は、コレクタ20を、算出した目標回転角度Θtにオフセット値Ψを加算した角度である(Θt+Ψ)で回転する。
ステップS57において、制御装置80は、太陽位置検出器90のフォトダイオード93(=93−1〜93−21)のそれぞれの電流値を測定する。
ステップS61において、制御装置80は、曇りを検出したと判断して、その旨を記録する。
図13(a),(b)は、フォトダイオード位置と集熱効率の関係の例を示す図である。横軸はフォトダイオード位置Xを示し、縦軸は集光効率を示している。
図14は、第2の実施形態に係る太陽光集熱器の集光動作のフローチャートである。
処理を開始すると、ステップS71において、太陽光集熱器10Aの制御装置80は、学習された基準ダイオード位置X0を読込む。
ステップS72において、制御装置80は、オフセット値Ψを0に設定する。
ステップS75において、制御装置80は、コレクタ20を、算出した目標回転角度Θtにオフセット値Ψを加算した角度である(Θt+Ψ)で回転する。
ステップS76において、制御装置80は、太陽位置検出器90のフォトダイオード93(=93−1〜93−21)のそれぞれの電流値を測定する。
ステップS79において、太陽光集熱器10Aは、集熱運転を実施したのち、ステップS73の処理に戻る。
以上説明した第2の実施形態では、次の(D)〜(F)のような効果がある。
(D) コレクタ20に太陽位置検出器90を設けて、集熱運転中に、常にコレクタ20の目標回転角度Θtを太陽光Lにあわせて補正するように制御している。これにより、太陽位置テーブル86の精度によらず、常に最適な集熱効率が得られる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(k)のようなものがある。
(c) 第1及び第2の実施形態は、熱媒体として水を使用している。しかし、これに限られず、油やその他の物質であっても良い。
20 コレクタ(集光部)
21 反射パネル
22 支持フレーム
23 支持バー
24 枠フレーム
29 直立日射計
30 集熱管(集熱部)
31 保持脚
40 支柱
50 駆動装置
70 回転位置検出器
80 制御装置
81 CPU
82 計時部
83 駆動制御部
84 集熱効率算出部
85 記憶部
86 太陽位置テーブル
90 太陽位置検出器(太陽位置検出部)
91 ケーシング
92 スリット
93 フォトダイオード(光方向検出手段)
200 空調システム
211 流量計
212−1,212−2 温度計
220 ポンプ
320−1 熱媒体復路
320−2 熱媒体往路
Claims (15)
- 太陽光を反射して集光する集光部と、
前記集光部が集光した光を熱に変換する集熱部と、
日時と設置場所に基づいて前記集光部が前記集熱部に太陽光を集光する所定角度を算出し、前記所定角度で前記集光部を回転する駆動制御部と、
前記集熱部が集熱した熱量に基づいて集熱効率を測定し算出する集熱効率算出部と、
を有する太陽光集熱装置であって、
前記駆動制御部が前記所定角度に所定のオフセットを加えて前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定することを、前記所定のオフセットを変化させながら繰り返して行い、変化させた前記所定のオフセットと前記集熱効率との関係から、最適なオフセットを求めること
を特徴とする太陽光集熱装置。 - 前記最適なオフセットとは、前記集熱効率のピーク値における前記所定のオフセットであること
を特徴とする請求項1に記載の太陽光集熱装置。 - 前記最適なオフセットとは、前記集熱効率が所定値以上である前記所定のオフセットの範囲の中間値であること
を特徴とする請求項1に記載の太陽光集熱装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の太陽光集熱装置は、前記最適なオフセットを求めたのち、前記駆動制御部が前記所定角度に前記最適なオフセットを加えて前記集光部を回転して、前記集熱部による集熱を行うこと
を特徴とする太陽光集熱装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の太陽光集熱装置は更に、太陽光の熱エネルギを測定する太陽光エネルギ検出部を有し、
前記集熱効率算出部は、前記集熱部が集熱した熱量と、前記測定した太陽光の熱エネルギと、前記集熱部の投影面積とに基づいて、集熱効率を測定し算出すること
を特徴とする太陽光集熱装置。 - 前記太陽光エネルギ検出部は、前記集熱部に固定され、且つ前記集熱部の太陽と反対方向の箇所に設置されていること
を特徴とする請求項5に記載の太陽光集熱装置。 - 前記駆動制御部が前記所定角度に前記所定のオフセットを加えて前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定しているとき、前記測定した太陽光の熱エネルギが所定値以下であったことを検出した場合、前記測定した集熱効率を破棄し、新たに前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定すること
を特徴とする請求項5または請求項6に記載の太陽光集熱装置。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の太陽光集熱装置は更に、
それぞれ異なった方向の光を検出する複数の光方向検出手段を備え、且つ前記集光部に固定されている太陽位置検出部を有し、
前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち1つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における集熱効率を測定することを、前記選択された光方向検出手段を変更しながら繰り返して行い、前記選択された光方向検出手段の位置と前記集熱効率との関係から、最適な光方向検出手段を求めること
を特徴とする太陽光集熱装置。 - 前記最適な光方向検出手段とは、前記集熱効率のピーク値における前記選択された光方向検出手段であること
を特徴とする請求項8に記載の太陽光集熱装置。 - 前記最適な光方向検出手段とは、前記集熱効率が所定値以上である前記選択された光方向検出手段の範囲の中間に位置していること
を特徴とする請求項8に記載の太陽光集熱装置。 - 請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の太陽光集熱装置は、前記最適な光方向検出手段を求めたのち、前記駆動制御部は、前記太陽位置検出部が前記最適な光方向検出手段を検出するよう前記集光部を回転し、前記集熱部による集熱を行うこと
を特徴とする太陽光集熱装置。 - 前記太陽位置検出部は、前記集熱部における太陽と反対方向の箇所に設置されていること
を特徴とする請求項11に記載の太陽光集熱装置。 - 前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち1つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における前記集熱効率を測定しているとき、前記測定した太陽光の熱エネルギが所定値以下であったことを検出したならば、
前記集熱効率算出部は、前記測定した集熱効率を破棄し、新たに前記選択された光方向検出手段における前記集熱効率を測定すること
を特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載の太陽光集熱装置。 - 太陽光を反射して集光する集光部と、
前記集光部が集光した光を熱に変換する集熱部と、
日時と設置場所に基づいて前記集光部が前記集熱部に太陽光を集光する所定角度を算出し、前記所定角度で前記集光部を回転する駆動制御部と、
前記集熱部が集熱した熱量に基づいて集熱効率を測定し算出する集熱効率算出部と、
を有する太陽光集熱装置の太陽自動追尾方法であって、
前記駆動制御部が前記所定角度に所定のオフセットを加えて前記集光部を回転し、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定する処理を、前記所定のオフセットを変化させながら繰り返す処理と、
前記所定のオフセットと前記集熱効率との関係から、最適なオフセットを求める処理と、
を含むことを特徴とする太陽光集熱装置の太陽自動追尾方法。 - 請求項14に記載の太陽光集熱装置は更に、
それぞれ異なった方向の光を検出する複数の光方向検出手段を有し、且つ前記集光部に固定されている太陽位置検出部を有し、
前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち1つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における集熱効率を測定することを、前記選択された光方向検出手段を変更しながら繰り返す処理と、
前記選択された光方向検出手段の位置と前記集熱効率との関係から、最適な光方向検出手段を求める処理
を含むことを特徴とする太陽光集熱装置。
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