JP2012242057A - 太陽光集光システム - Google Patents

Abstract

【課題】風圧による反射鏡の傾きを補正する仕組みを備えた太陽光集光システムを提供する。
【解決手段】太陽光集光システム１００は、ヘリオスタット２と風向風速計４とコントローラ１０を備える。ヘリオスタット２は、反射鏡２６の向きを調整するモータ２３を有する。コントローラ１０は、モータ２３に対して目標角度指令を出力する。目標角度は、目標角度第１成分と目標角度第２成分を含む。目標角度第１成分は、反射光が予め定められたターゲット位置に向かうように定められる。目標角度第２成分は、風向風速計６によって計測された風向及び風速に基づいて、風圧によって生じるアクチュエータ出力軸から反射鏡支持軸の間のねじれ角の推定値に対応して定められる。
【選択図】図１

Description

本発明はヘリオスタットを用いた太陽光集光システムに関する。

電気エネルギ或いは熱エネルギを取得するシステムの一つに、太陽光を利用するシステムがある。ある種の太陽光利用システムは、太陽光を効率よく利用するため、太陽光を一点に集める集光システムを備える。太陽光を一点に集めるのに、ヘリオスタットと呼ばれるデバイスが知られている。ヘリオスタットは、反射鏡（通常は緩やかな凹面鏡）と、その反射鏡の向きを調整するアクチュエータから構成される。ヘリオスタットは、反射光が常に予め定められた一点（ターゲットポイント）に配置されたレシーバに集まるように、太陽の動きに同期して反射鏡の向きを調整する。反射光を常にレシーバに向けるには、反射鏡の向きを精密に制御する必要がある。太陽電池パネルを概ね太陽に向ければよい発電システムと異なり、ヘリオスタットでは高い制御精度が要求される。ヘリオスタットの制御性能についての考察が、非特許文献１に紹介されている。

"PERFORMANCE OF SOLAR CONCENTRATOR CONTROL SYSTEM", Kenneth W. Stone, Charles W. Lopez, Proceedings of Joint Solar Engineering Conference, ASME 1994

非特許文献１で紹介されているように、反射鏡の向き（方位角と迎角）は、基本的に太陽の位置（方位角と迎角）に基づいて決定される。即ち、太陽の位置に基づき、反射光がレシーバに向かうように反射鏡の向きが調整される。しかしながら、風が強いと風圧によって反射鏡が傾き、反射光がレシーバからずれてしてしまう虞がある。反射光がレシーバからわずかでもずれると集光効率が極端に落ちてしまう。本明細書は、風圧による反射光の向きのずれを補正する仕組みを備えた太陽光集光システムを提供する。

本明細書が開示する太陽光集光システムは、ヘリオスタットとコントローラを備える。ヘリオスタットは、前述したように、反射鏡の向きを調整するアクチュエータを有する。アクチュエータは典型的にはモータでよい。コントローラは、アクチュエータに対して目標角度指令を出力する。本明細書が開示するシステムはさらに風向風速計を備えており、コントローラが、太陽の位置と、風向風速計によって計測された風向及び風速に基づいて、目標角度指令値を決定することを特徴とする。

より具体的には、コントローラが決定する目標角度指令は、太陽の位置から決定される目標角度第１成分に、風向と風速に基づいて決定される目標角度第２成分を加えたものである。目標角度第１成分は、反射光が予め定められたターゲット位置（レシーバの位置）に向かうように定められる。目標角度第２成分は、風圧によって生じるアクチュエータ出力軸から反射鏡支持軸の間のねじれ角の推定値に対応する。この目標角度第２成分の存在が、風圧による反射光の向きのずれを補正する。なお、アクチュエータと反射鏡支持軸は減速機を介して連結されているので、「ねじれ角」は、減速機の入力軸と出力軸との間のねじれ角にも相当する。

本明細書が開示する技術は、反射鏡の向きをダイレクトに計測しないシステムに好適である。より具体的には、本明細書が開示する技術は、コントローラが、アクチュエータ出力軸の角度又は反射鏡の角度をフィードバックしないオープンループの制御系を有する場合、或いは、アクチュエータの出力軸の回転角と目標角度の偏差がゼロとなるようにアクチュエータを制御するフィードバック制御系を有する場合に有効である。本明細書が開示するシステムは、反射鏡の向きをダイレクトに計測してフィードバックする代わりに、目標角度第２成分が風圧による反射鏡の傾きを補償する。

太陽光集光システムの全体図である。 ヘリオスタットの制御ブロック図である。 風圧に起因して反射鏡支持軸に加わるモーメントを説明する図である。

図１に、実施例の太陽光集光発電システム１００の概略図を示す。以下、太陽光集光発電システム１００を単にシステム１００と称する。このシステム１００は、複数のヘリオスタット２によって太陽光をレシーバ９に集めて発電する。レシーバ９には気化装置が配置されており、集められた太陽光の熱によって水が加熱され、蒸気が生成される。蒸気はパワータワー８を通じてタービン発電機（不図示）に送られる。太陽光によって生成した蒸気がタービンを駆動し、電力を発生する。

システム１００には他に、太陽光の位置（方位角と迎角）を計測する太陽追尾センサ６、システム１００の付近を流れる風の風向と風速を計測する風向風速計４、及び、ヘリオスタット２を制御するコントローラ１０を備える。

ヘリオスタット２には、モータ２３と減速機２５が内蔵されており、それらによって反射鏡２６の向きを調整することができる。コントローラ１０は、主として、太陽追尾センサ６のセンサデータから太陽の位置を取得し、太陽光の反射光がレシーバ９に到達するように、反射鏡２６の向きを制御する。具体的にはコントローラ１０は、太陽の位置とレシーバ９の位置から反射鏡の目標角度を算出し、その角度を指令値（目標角度指令）としてモータ２３のドライバへ出力する。なお、反射鏡２６は僅かに凹面に湾曲しており、レシーバ９の位置において反射光が焦点を結ぶようになっている。

また、コントローラ１０は、風向風速計４のセンサデータからシステム１００の付近に流れる風の風向と風速のデータを取得し、それらのデータに基づいて、太陽追尾センサ６のセンサデータに基づいて算出された目標角度指令を補正する。補正値は、風圧を受けて反射鏡２６が傾く角度を補償する大きさに定められる。コントローラ１０は、複数のヘリオスタットの夫々に対して、補正値を含む目標角度指令を算出し、各ヘリオスタットのモータのドライバへ送る。なお、各ヘリオスタット２は、方位角と迎角の２軸の駆動機構を備えており、目標角度指令も各軸毎に算出される。しかし以下では説明を簡単にするため、反射鏡の駆動軸を１軸と仮定して説明する。

図２に、コントローラ１０とヘリオスタット２の制御ブロック図を示す。なお、図２は、一つのヘリオスタットについての制御ブロックを示している。同様の制御ブロックが各ヘリオスタットに用意されている。以下、太陽追尾センサ６のセンサデータに基づいて太陽光がレシーバ９に到達するように算出される反射鏡の角度を目標角度第１成分Ａｒ１と称し、風向と風圧による反射鏡の傾きを補償する補償値を目標角度第２成分Ａｒ２と称する。目標角度第１成分Ａｒ１と目標角度第２成分Ａｒ２を加えた値が目標角度Ａｒに相当する。

図２を参照して先にヘリオスタット２の構造について説明する。反射鏡２６は、支持軸２７を介して減速機２５の出力軸に連結している。他方、モータ２３の出力軸２３ａは減速機２５の入力軸に連結している。別言すれば、反射鏡２６は減速機２５を介してモータ２３に連結している。減速機２５は、一例として、８０００程度の減速比を有する。モータ２３の出力軸２３ａには角度センサ２４が備えられている。角度センサ２４は、具体的にはエンコーダであり、出力軸１回転当たり１００パルスを出力する。別言すれば、このエンコーダの分解能は１００ＰＰＲ（Pulse Per Rotation）である。減速比が８０００の場合、このエンコーダの減速機出力軸相当の分解能は、８００，０００ＰＰＲとなる。ただし、後述するように、反射鏡２６が受ける風圧の影響により減速機の入力軸と出力軸の間にはねじれが生じるため、角度センサ２４（エンコーダ）のセンサデータを反射鏡の現実の傾斜角とみなすことはできない。それでもコントローラ１０は、角度センサ２４のセンサデータに基づいてモータを制御する。システム１００は、減速機の入力軸と出力軸の間に生じるねじれは風向風速計４で計測した風向と風速に基づいて補償する。

前述したように、角度センサ２４のセンサデータはモータ２３の出力軸の回転角度を示している。この角度は、変換部２１に送られる。変換部２１では、モータ２３の出力軸の回転角度を反射鏡２６の角度に換算して出力する。変換部２１の出力は、反射鏡の推定角としてモータ２３のフィードバック制御に用いられる。

モータ２３は、ドライバ２２によって駆動される。ドライバ２２は、コントローラ１０から角度指令を受け、その角度指令に応じてモータ２３を駆動する。なお、具体的には、モータ２３はドライバ２２によって電流制御（即ちトルク制御）されるが、図２では詳細を省略しており、モータ２３とドライバ２２は角度指令で駆動されると仮定して説明を続ける。

コントローラ１０について説明する。コントローラ１０は、太陽追尾センサ６のセンサデータを取得し、第１演算ユニット３４が、反射光をレシーバ９へ向ける反射鏡角度（目標角度第１成分Ａｒ１）を算出する。太陽の位置とレシーバ９の位置から反射鏡の角度を算出する演算は、通常の集光システムでも実施されているので詳しい説明は省略する。

また、コントローラ１０の第２演算ユニット３２は、風向風速計４のセンサデータに基づき、風圧によって生じる反射鏡の傾きを補償する補償値（目標角度第２成分Ａｒ２）を算出する。目標角度第２成分Ａｒ２については後に具体的に説明する。目標角度第１成分Ａｒ１と第２成分Ａｒ２は加算され、目標角度指令値Ａｒとなる。コントローラ１０内では、目標角度指令値Ａｒと角度センサ２４のセンサデータに基づく反射鏡の推定角の差分をドライバ２２に送る。従って、コントローラ１０は、反射鏡２６の角度が目標角度指令Ａｒに一致するようにヘリオスタット２を制御する。モータ２３は、反射鏡の推定角度（Ａｓ１＋Ａｓ２）に相当する角度で停止する。以下、角度Ａｓ１は、目標角度第１成分Ａｒ１に対応した反射鏡の現実の角度を表し、角度Ａｓ２は、目標角度第２成分Ａｒ２に対応した現実の角度を表す。

風向と風速に起因する反射鏡の傾きを補償する補償値（目標角度第２成分Ａ２）について説明する。今、風がなければ、反射鏡２６の角度は、モータ出力軸２３ａの回転角に減速機２５の減速比を乗じた値で表すことができる。このとき、反射鏡２６の現実の角度Ａｓは、目標角度Ａｒに等しい。また、風向風速計４のセンサデータがゼロであるので、目標角度第２成分Ａｒ２はゼロである。即ち、風がなければ、コントローラ１０が出力する目標角度指令ＡｒはＡｒ１であり、反射鏡の現実の角度も目標角度第１成分Ａｒ１に対応した値、即ち角度Ａｓ１となる。反射鏡の現実の角度がＡｓ１であれば、反射光は正確にレシーバ９に向かう。

反射鏡は巨大な平板であるので、風圧を受けると相当の力が発生する。この力を以下、風圧荷重Ｆと称する。この風圧荷重Ｆを受け、モータの出力軸（減速機の入力軸）と反射鏡支持軸（減速機の出力軸）の間にねじれが生じる。そのため、モータ２３の出力軸２３ａの角度を計測する角度センサ２４のセンサデータに基づいた反射鏡の推定角度と実際の角度にずれが生じる。目標角度第２成分Ａｒ２は、このずれを補償するものである。

図３を参照して、目標角度第２成分Ａｒ２の算出過程の一例を説明する。なお、繰り返すが、本実施例では説明を分かりやすくするため、反射鏡の回転を１軸に限定して説明する。図３は、反射鏡２６を、その支持軸２７の長手方向から見た図である。風圧によって反射鏡２６が受ける風圧荷重Ｆは、次の式（数１）で表すことができる。

ここで、係数Ｃｗは風力係数であり、受圧面（反射鏡の表面）が矩形の場合はＣｗ＝1.2である。変数Ａｗは、受圧面の面積である。図３に示すように、反射鏡２６の平面と風向のなす角度をＴａとし、反射鏡の面積をＳとすると、Ａｗ＝Ｓ×ｃｏｓ（Ｔａ）である。変数ｑは設計用速度圧と呼ばれており、風速Ｖの影響を表す。設計用速度圧ｑは、次の式（数２）によって与えられる。

数２において、Ｅは環境変数であり、Ｉは用途変数である。数１、数２は、日本工業規格（ＪＩＳ）で詳しく説明されている。風力係数Ｃｗ、環境変数Ｅ、及び、用途変数ＩについてもＪＩＳにて定義されている。詳しくは「ＪＩＳ Ｃ ８９５５」を参照されたい。

図３に示すように、風圧荷重Ｆは、反射鏡２６の中心Ｃに集中作用すると仮定する。反射鏡２６を支持する支持軸２７の中心から反射鏡中心Ｃまでの距離をｄとすると、風圧に起因して支持軸２７に作用するモーメントＭは、次の式（数３）で求まる。

このモーメントＭによって支持軸２７がねじられる。今、モータの出力軸２３ａ（減速機の入力軸）と反射鏡支持軸２７（減速機の出力軸）の間のねじれ剛性をＫとすると、風圧に起因するねじれ角度Ａｓ２（反射鏡の傾き）は、Ｍ＝Ｋ×Ａｓ２で表される。結局、風圧に起因する反射鏡の傾きＡｒ２は、次の式（数４）で表すことができる。

（数４）で求まる角度Ａｒ２が、目標角度第２成分に相当する。（数２）に示したように、設計用速度圧ｑには風速Ｖが含まれる。また、反射鏡２６の平面と風向のなす角度Ｔａは、風向と等しい。風速Ｖと風向Ｔａは、風向風速計４で計測される。

図２の第２演算ユニット３２は、（数４）に基づいて、風向と風圧による反射鏡の傾きを補償する補償値、即ち目標角度第２成分Ａｒ２を算出する。図２に示すように、目標角度指令値Ａｒ＝Ａｒ１＋Ａｒ２のとき、モータ２３の出力軸２３ａは、目標角度指令値Ａｒに対応する角度となる。このときの出力軸２３ａの角度は、反射鏡支持軸の角度Ａｓ１＋Ａｓ２に相当するはずである。ただし、モータ２３の出力軸２３ａから反射鏡の支持軸２７の間には風圧によるねじれが生じるため、現実には反射鏡支持軸２７の角度はＡｓ１＋Ａｓ２にならない。反射鏡支持軸２７は、風圧によって角度Ａｓ２だけねじれる。このねじれ角Ａｓ２は目標角度第２成分Ａｒ２によって相殺されるので、結局、実現される反射鏡の角度はＡｓ１となる。こうして、風の中でも反射鏡２６の角度はＡｓ１となり、反射光は正確にレシーバに向かうことになる。

以上のとおり、風圧に起因する反射鏡の傾きを相殺する補償値（目標角度第２成分）を含む目標角度指令値によって反射鏡の角度を調整することによって、風の中でも反射光の正確にレシーバ９に向けることができる。

実施例のシステム１００について留意点を述べる。実施例のシステム１００では、モータの出力軸の回転角度のフィードバック制御を採用した。モータドライバの性能が十分に高い場合には、モータ出力軸の回転角についてはオープンループ制御を採用してもよい。

また、実施例では、太陽の位置を取得するのに太陽追尾センサを使用したが、これに代えて、ＧＰＳデータ（緯度、経度、日時）から計算で太陽の位置を求めてもよい。

また、コントローラ１０が出力する目標角度指令は、目標角度第１成分Ａｒ１、第２成分Ａｒ２に加えて、第３成分を含んでもよい。ここで、目標角度第３成分は、反射鏡の自重によって生じる反射鏡の傾きを補償する大きさに定められる。

モータの出力軸２３ａ（減速機の入力軸）と反射鏡支持軸２７（減速機の出力軸）の間のねじれ剛性Ｋは、実験等により予め求めておけばよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ヘリオスタット
４：風向風速計
６：太陽追尾センサ
８：パワータワー
９：レシーバ
１０：コントローラ
２１：変換部
２２：ドライバ
２３：モータ
２４：角度センサ
２５：減速機
２６：反射鏡
３２：第２演算ユニット
３４：第１演算ユニット

Claims (4)

1. 反射鏡の向きを調整するアクチュエータを有するヘリオスタットと、
   アクチュエータに対して目標角度指令を出力するコントローラと、
   風向風速計と、
   を備えており、
   コントローラは、太陽の位置と、風向風速計によって計測された風向及び風速に基づいて、目標角度指令値を決定することを特徴とする太陽光集光システム。
2. コントローラが決定する目標角度指令は、太陽の位置から決定される目標角度第１成分に、風向と風速に基づいて決定される目標角度第２成分を加えたものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光システム。
3. アクチュエータの出力軸の回転角を計測する角度センサをさらに備えており、コントローラは、角度センサによって計測される計測角と目標角度の偏差がゼロとなるようにアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光集光システム。
4. 目標角度第１成分は、反射光が予め定められたターゲット位置に向かうように定められ、目標角度第２成分は、風圧によって生じるアクチュエータ出力軸から反射鏡支持軸の間のねじれ角の推定値に対応することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光集光システム。

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