JP2013174363A - 太陽光集光システムおよびヘリオスタットの配置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリオスタットの配置を工夫することにより、太陽光集光システムの集光効率を向上させる。
【解決手段】集光タワーと、その周囲に配置された複数のヘリオスタットを含む太陽光集光システムが提供される。複数のヘリオスタットは、第１のヘリオスタットａ１，ａ２と、集光タワーの上方焦点から第１のヘリオスタットを視認した視認方向において、第１のヘリオスタットに対し相対的に外側に配置されかつ第１のヘリオスタットに最も隣接した第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２とを少なくとも含む。また、第１のヘリオスタットと第２のヘリオスタットは、視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部で接するとともに、直上から第１のヘリオスタットと第２のヘリオスタットを視認した場合、互いの影が掛かることを避けるために最低限確保される間隔であるシャドウレングスＳＬの長さだけ離れて配置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽光を集光する太陽光集光システムと、ヘリオスタットの配置方法に関するものである。

再生可能な自然エネルギーの中で、太陽光がエネルギー源である太陽熱エネルギーはその賦存量（潜在的なエネルギー資源量）の多さから、化石燃料に替わるエネルギーとして非常に有望視されている。太陽熱エネルギーの強度は場所によっても異なるが、約１ｋＷ／ｍ^２であり、太陽熱エネルギーは、熱化学反応プラントや発電プラント等を運転するためのエネルギー源として十分に活用が可能である。太陽熱エネルギーをエネルギー源として活用するためには、化学エネルギーや電気エネルギーに効率良く変換する必要があるが、変換効率を高めるには、太陽光を効率よく集光することが必要である。

ところで、太陽は地球の自転により、時間の経過とともに地上のある点に対する位置が変化するため、太陽光を集光し、太陽エネルギーを効率良く集めるためには、太陽光を集光する装置が太陽を追尾しなければならない。太陽を追尾する装置はヘリオスタット（Heliostat）と呼ばれる。

ヘリオスタットにおける太陽の追尾プロセスにおいては、有線または無線通信による各ヘリオスタットの集中制御や、光センサーを用いた制御が用いられてきている。太陽光を集光して効率的に太陽熱エネルギーを得るためには、太陽の運行による位置の変化にヘリオスタットを正確に追尾させる必要がある。太陽光の集光によって得られるエネルギーは、理論的にはヘリオスタットの鏡面の総面積に比例する。したがって、ヘリオスタットを設置する場合、大量のエネルギーを得るためには、ヘリオスタットの鏡面面積を大きくするか、ヘリオスタットの個数を増やす必要がある。

一方、ヘリオスタットにより太陽光を集光するシステムは、タワートップ式集光システムと、ビームダウン式集光システムとに分類される。タワートップ式集光システムは、ヘリオスタット群と集光タワーの上部に設置されたレシーバ（集熱器）とを含み、ヘリオスタット群により反射された光をレシーバに集光するシステムである。一方、ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット群と、集光タワーの頂部に設置されたリフレクターと、その直下に設置されたレシーバとを含み、ヘリオスタット群により１次反射させた太陽光をリフレクターで２次反射させ、レシーバに集光するシステムである。

さらに、タワートップ式集光システムは、レシーバの形状からフラットレシーバタイプと、キャビティーレシーバタイプと、円筒レシーバタイプとの３つのタイプに分類される。フラットレシーバタイプにおいては、タワーの上部に平面のレシーバが垂直にかつ北向き（北半球の場合）に配置され、ヘリオスタット群が集光タワーの北側のみに配置され、反射された光を集光タワーのレシーバに集光させる形式のものである。キャビティーレシーバタイプにおいては、集光タワー上部にキャビティ型のレシーバが、その開口が北向き斜め下方を向くように（北半球の場合）に配置され、ヘリオスタット群が集光タワーの北側のみに配置され、反射された光を集光タワーのレシーバに集光させる形式のものである。円筒レシーバタイプにおいては、集光タワーの上部に円筒型のレシーバが配置され、ヘリオスタット群が集光タワーの周囲に配置され、それぞれのヘリオスタットから反射された光を集光タワーのレシーバに集光させる形式のものである。

これに対して、ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット群、リフレクター、レシーバを含み、ヘリオスタット群により１次反射された光を集光タワーの上部のリフレクターで２次反射させ、その反射光をリフレクターの下方に設置されたレシーバに集光するシステムである。本システムにおいては、集光タワーの周囲にヘリオスタットが配置され、集光タワーの周囲から光を集光することができる（特許文献１〜３参照）。

ビームダウン集光システムにおいては、地上に分散して配置されたヘリオスタット群の間に所定の間隔をおいて二つ以上の集光タワーを設置することが可能であり、このような二つ以上の集光タワーを含むシステムは、マルチタワービームダウン集光システムと呼ばれる。

もっとも、円筒レシーバタイプのタワートップ式集光システムにおいても、地上に分散して配置されたヘリオスタット群の間に間隔をおいて２つ以上の集光タワーを設置することができ、このようなシステムはマルチタワータワートップ式集光システムと呼ばれる。

マルチタワータワートップ式集光システムと、マルチタワービームダウン式集光システムとを比較する。マルチタワータワートップ式集光システムでは、例えば図１２に示すように東西方向（図中のＥａｓｔ方向とＷｅｓｔ方向）に連続してヘリオスタット群が配置されている場合、太陽が東側にあるときには、集光タワー上部のレシーバの東側面と西側面とで集光量に大きな差が出てしまうことがわかる。

このような場合は、レシーバの東側面では、集光量が不足し、集熱効率が著しく低下してしまうことになる。これに対し、マルチタワービームダウン式集光システムにおいては、図１３に示すように、どの方向に設置されたヘリオスタットからの光もタワーの下部に設置されたレシーバ上面に理論上、均一化されて集光される。すなわち、マルチタワービームダウン式集光システムにおいては、マルチタワータワートップ式で生ずる集光量不足による集熱効率の低下を抑制することが可能であり、高い集熱効率を得ることができる。

上述した理由から、一般的にマルチタワータワートップ式集光システムに比べてマルチタワービームダウン式集光システムが有利であることがわかる。一方、集光タワーの周囲にヘリオスタットを配置する基本的な考え方として、コンセントリックレイアウトの配列方法が知られている。

コンセントリックレイアウトの基本コンセプトは、集光タワーを中心とするいくつかの同心円に沿ってヘリオスタットを配置する方法である。具体的には、集光タワー４を中心として図１４に示すようにヘリオスタット１を多重の同心円の円周上に、等間隔で配置する方法である。

ビームダウン集光方式においては、各ヘリオスタットが狙う反射方向は集光タワーの上部のリフレクターの位置、すなわち上方焦点になる。へリオスタットを配置する際は、任意に選んだ２つのヘリオスタット同士は「シャドウレングス」（ＳＬ）という所定の距離以上をもって離されなければならない。シャドウレングスＳＬとは、ヘリオスタットに別のへリオスタットの影が掛かることを避けるために、へリオスタット間に最低限確保される間隔として定められた値であり、直上からヘリオスタットを視認したとき両者間に確保されている。シャドウレングスはヘリオスタットの形状に依存して予め設定された値であり、集光タワーからの距離に依存しない。

また、ヘリオスタットが多重に配列される複数の同心円の各円の半径は、互いに隣接する同心円上のヘリオスタットからの反射光が互いに遮り合わないよう設定される。したがって、隣接する同心円が半径方向において所定の間隔であるラジアルレングス「ＲＬ」以上を保つように、それぞれの円の半径が設定される。この「ＲＬ」は、以下の（１）式で表わされる。（１）式でｖはヘリオスタットの反射鏡の縦の長さ、Ｒｎ当該へリオスタットが位置する円の半径、ｈは上方焦点の高さである。コンセントリックレイアウトは、（１）式の原則に則ってヘリオスタットが配置されたレイアウトである。（１）式の中で、max（ ）内のいずれかの値で大きいものがＲＬとして設定される。

図１５はコンセントリックレイアウトの例を示す。図１５において、集光タワーの位置Ｏを中心として、半径Ｒｎの円Ａおよびその外周に半径Ｒ（ｎ＋１）の円Ｃが存在すると想定する。そして、円Ａの円周上には、ヘリオスタットａ１、ａ２、・・・が配置され、円Ｃの円周上にそれぞれヘリオスタットｃ１、ｃ２、・・・が配置されている。この場合、ヘリオスタットａ１とａ２との間の距離及びヘリオスタットｃ１とｃ２との間の距離は、シャドウレングス（ＳＬ）の間隔以上に設定され、円Ａと円Ｃとの間の距離Ｒ（ｎ＋１）―Ｒｎが、ラジアルレングス「ＲＬ」に設定されているという意味である。

したがって、コンセントリックレイアウトによりへリオスタットを配置する場合は、ヘリオスタットａ１とａ２との間及びヘリオスタットｃ１とｃ２との間を、シャドウレングス（ＳＬ）の間隔以上の間隔を置いて配置しなければならない。そして、シャドウレングス（ＳＬ）の間隔を確保することは、ヘリオスタットの配置密度が低下することを意味する。

特許第２９５１２９７号公報 特開２０００−１４６３１０公報 特開２００４−３７０３７公報

上述したように、コンセントリックレイアウトによりへリオスタットを配置する場合、円周方向に少なくともシャドウレングス（ＳＬ）という一定の間隔を開けなければならないため、互いに隣接するへリオスタット相互の間に隙間が生ずることとなる。本隙間の存在によってヘリオスタットの配置密度が低下することは避けられず、ヘリオスタットの配置領域に無駄なスペースが生じることとなる。

本発明は、集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムであって、前記集光タワーは前記ヘリオスタットから反射された太陽光を受光するレシーバを有し、前記複数のヘリオスタットは、第１のヘリオスタットと、前記集光タワーの上方焦点から前記第１のヘリオスタットを視認した視認方向において、前記第１のヘリオスタットに対し相対的に遠方に配置され、かつ前記複数のヘリオスタットのうち前記第１のヘリオスタットに最も隣接した第２のヘリオスタットとを少なくとも含み、前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、前記視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部で接するとともに、前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、直上から前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットを視認したとき、各々の影が互いにかかることを避けるために確保される間隔であるシャドウレングスの長さだけ少なくとも離れた状態で配置された、太陽光集光システムを提供する。

太陽光集光システムにおいて、前記第１及び第２のヘリオスタットを含む複数のヘリオスタットが、直上から視認してスパイラル状に延びる曲線によって形成されるスパイラルレイアウトにしたがって配置される。

太陽光集光システムにおいて、前記第１及び第２のヘリオスタットよりも前記集光タワーの近くに配置された第１のヘリオスタット群は、直上から視認して複数の同心円によって形成されるコンセントリックレイアウトにしたがって配置された複数のヘリオスタットからなり、前記第１及び第２のヘリオスタットを含む第２のヘリオスタット群は、前記視認方向において前記第１のヘリオスタット群よりも遠方において、前記スパイラルレイアウトにしたがって配置された複数のヘリオスタットからなる。

太陽光集光システムにおいて、前記第１のヘリオスタット群において、同一の同心円上で隣接する二つのヘリオスタットは、シャドウレングスの長さだけ離れて配置される。

太陽光集光システムにおいて、前記第２のヘリオスタット群において、前記第１のヘリオスタットが同一の同心円上に、ヘリオスタットの横幅の２倍の長さだけ離れて配置された、太陽光集光システム。

太陽光集光システムにおいて、前記スパイラル状に延びる曲線の接触角θは、ＣＯＳθ＝ＨＬ／ＳＬの条件を満たし、ここでＨＬは前記ヘリオスタットの横幅であり、ＳＬはシャドウレングスである。

さらに本発明は、集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムであって、前記複数のヘリオスタットは第１のヘリオスタット群と第２のヘリオスタット群に分類され、前記第１のヘリオスタット群のヘリオスタットは、前記集光タワーを中心として形成された複数の同心円によって形成されるコンセントリックレイアウトにしたがって配置され、前記第２のヘリオスタット群のヘリオスタットは、前記第１のヘリオスタット群の最外周からスパイラル状に延びる曲線によって形成されるスパイラルレイアウトにしたがって配置された、太陽光集光システムを提供する。

さらに本発明は、集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムの製造にあたって用いられるヘリオスタットの配置方法であって、前記複数のヘリオスタットのうち任意の第１のヘリオスタットを配置する工程と、前記集光タワーの上方焦点から前記第１のヘリオスタットを視認した視認方向において、前記第１のヘリオスタットに対し相対的に遠方において前記第１のヘリオスタットに最も隣接した第２のヘリオスタットを配置する工程と、を含み、前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、前記視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部で接するとともに、直上から前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットを視認したとき、各々の影が互いにかかることを避けるために確保される間隔であるシャドウレングスの長さだけ少なくとも離れた状態で配置される、ヘリオスタットの配置方法を提供する。

ヘリオスタットの配置方法において、前記集光タワーを中心とする複数の同心円を設定し、前記第１のヘリオスタットを第１の同心円上に配置し、前記第２のヘリオスタットを、前記第１の同心円に対し相対的に遠方の第２の同心円上において、当該第２のヘリオスタットの横方向の端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第１のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置し、第３のヘリオスタットを前記第２の同心円に対し相対的に遠方の第３の同心円上において、当該第３のヘリオスタットの横方向の端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第２のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置する。

ヘリオスタットの配置方法において、前記第３のヘリオスタットの縦方向の下端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第１のヘリオスタットの縦方向の上端部に接するように配置する。

ヘリオスタットの配置方法において、前記第３のヘリオスタットの横方向の端部を前記第２のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置するとき、当該第２のヘリオスタットと同一同心円上でかつ前記第１のヘリオスタットに隣接した他のヘリオスタットと、前記第３のヘリオスタットとの間に、前記視認方向に沿って視認したときに観察される隙間δを確保し、前記第１のヘリオスタットと、前記第２のヘリオスタットと、前記第３のヘリオスタットと同様な配置の手順にしたがって、前記視認方向に沿って遠方へ第１のヘリオスタットと第２のヘリオスタットと第３のヘリオスタットの配置を繰り返すことにより、前記隙間δを拡大させ、当該隙間δが所定の大きさになったとき、前記視認方向に沿って視認したときに観察可能な第４のヘリオスタットを当該隙間δの位置に配置する。

本発明においてはヘリオスタットが配置される円の円周方向の隙間をなくすことによって、一定の領域内におけるヘリオスタットの配置密度を高め、太陽光の集光効率の向上を図ることができる。

本発明によれば、ヘリオスタット配置を工夫することにより、特別な装置を用いる場合のようなコストの増加をともなわずに太陽光集光システムの集光効率を向上させることができる。

ヘリオスタットを用いた太陽光集光システムとしてのビームダウン式集光システムの基本構造を示す図 ヘリオスタットの構成例を示す図 リフレクターの構成例を示す図 太陽光集光システムを直上から見たときの平面図 本実施形態のスパイラルレイアウトを構成するための基礎となる第１周と第２周の同心上のヘリオスタットの配列を示す図 図５のヘリオスタットの配列に、本実施形態のスパイラルレイアウトによる第１周から第３周の同心円上のヘリオスタットの配置例を示す図 （ａ）〜（ｃ）は本実施形態によるスパイラルレイアウトの配列要領を示す図 集光タワーから十分遠い領域でのヘリオスタットの配置を示す図 本実施形態のスパイラルレイアウトによるヘリオスタットの配列例を示す図 ヘリオスタット及びその配列のディメンションを示す図 集光タワーからの距離とコンセントリックレイアウトに対するへリオスタットの配置密度の比の関係を示した図 マルチタワータワートップ式集光システムの集光の状態を示す図 マルチタワービームダウン式集光システムの集光の状態を示す図 コンセントリックレイアウトのコンセプトを示す図 コンセントリックレイアウトの配置要領を示す図

以下、本発明の実施形態として、ビームダウン式集光システムを採用した太陽光集光システムを挙げる。ビームダウン式集光システムは、集光タワーの周囲に配置されたヘリオスタットから１次反射された光を集光タワーの上部のリフレクターで２次反射させ、その直下のレシーバに集光する太陽光集光システムの一方式である。図１はヘリオスタットを用いた太陽光集光システムとしてのビームダウン式集光システムの基本構造を示す。

図１において、ビームダウン式集光システムは、リフレクター２及びレシーバ３とを備えた集光タワー４と、当該集光タワー４の周囲の地上に分散して配置されたヘリオスタット１、１、・・・（ヘリオスタット群）とを含む。リフレクター２は、集光タワー４の上部位置に設置された反射鏡であり、いわゆる上方焦点の近傍（正確には図３のＦＰの近傍）に設置されている。一方、レシーバ３は、集光タワー４の直下（本例では地上）の位置である下方焦点の位置において、リフレクター２と向かい合わせの状態で設置されている。ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット１により１次反射された太陽光を上方焦点のリフレクター２で２次反射させ、下方焦点のレシーバ３に集光するシステムである。

ヘリオスタット（１次反射鏡）１は、図２に示すように鏡５を任意の方向に向け、鏡５が向けられた方向へ太陽光を反射することができる装置である。リフレクター（中央反射鏡、２次反射鏡）２は、図３に示すようにヘリオスタット１から反射された太陽光Ｌを下凸の鏡面６により、レシーバ３に向けて再度反射させる装置である。リフレクター２には、回転双曲面型、セグメント型などの種類が存在するが特に限定はされない。なお、レシーバ３はヘリオスタット１からリフレクター２を介して集光された光を受光する集光器であり、その形状により平面型、円筒型、キャビティ型などに分類されるが特に限定はされない。

図４は本実施形態による太陽光システムを直上から（空中から）視認した平面図である。本実施形態においては、集光タワー４を中心として所定の半径の円内に設置されるヘリオスタット１は、いわゆるコンセントリックレイアウトＣＣＬにしたがって配置されている。コンセントリックレイアウトＣＣＬは、同心状に設定された複数の同心円の円周に沿ってヘリオスタット１を配置する方法である。コンセントリックレイアウトＣＣＬにしたがって配置された複数のヘリオスタット１の群（グループ）は第１のヘリオスタット群と定義付けられる。図１５に示すように、第１のヘリオスタット群において、同一の同心円上で隣接する二つのヘリオスタットは、シャドウレングスＳＬの長さだけ離れて配置されている。また、隣接した同心円の間隔は、（１）式で求められるラジアルレングスＲＬの長さだけ離れている。

また、コンセントリックレイアウトＣＣＬにしたがって配置された第１のヘリオスタット群の平面内外周（集光タワー４から視認して遠方側）には、スパイラルレイアウトＳＰＬにしたがって配置された複数のヘリオスタット１が存在する。スパイラルレイアウトＳＰＬは、コンセントリックレイアウトＣＣＬの最外周の円の円周上に出発点をもち、放射方向にスパイラル状に拡径する曲線に沿ってヘリオスタット１を配置する方法である。スパイラルレイアウトＳＰＬにしたがって配置された複数のヘリオスタット１の群（グループ）は第２のヘリオスタット群と定義付けられる。以下、スパイラルレイアウトの形成方法を具体的に説明する。

図５は、集光タワー４の上方焦点から第２のヘリオスタット群を視認したときのヘリオスタット１を示す。図５は、第２のヘリオスタット群を形成するスパイラルレイアウトの第１周の同心円（第１の同心円）Ａ上に配置された第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・と、同心円Ａに隣接した外側の第２周の同心円（第２の同心円）Ｂ上に配置された第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２・・・とを示す。スパイラルレイアウトＳＰＬにおいても、コンセントリックレイアウトＣＣＬと同様、同心円が仮想的に存在する。

第１周の同心円Ａ上では、第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・は、ヘリオスタットの横幅の間隔（ＨＬ）をあけて配置されている。そして、第２周の同心円Ｂ上では、第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２，・・・は、集光タワー４の上方焦点から第２のヘリオスタット群を視認したとき、第１のヘリオスタット１（ａ１、ａ２、ａ３、・・・）の横幅の間隔内に配置される。

ここで、本実施形態のスパイラルレイアウトにおいては、相対的に内周側の同心円Ｎ（但しＮ＝１，２，・・・Ｎ）と、外周側の同心円（Ｎ＋１）との半径方向の間隔であるラジアルレングスＲＬ（例えば図５の円Ａと円Ｂとの間隔）は、通常のコンセントリックレイアウトによる同心円の間隔ＲＬの半分に設定されている（ＲＬ／２）。さらに本実施形態のスパイラルレイアウトにおいては、同心円Ｎの円周上のヘリオスタット１と、同心円（Ｎ＋１）の円周上のヘリオスタット１との間で互いに最も隣接したへリオスタット（図５の例では例えばａ１とｂ１）の距離が、シャドウレングスＳＬ以上に設定される。シャドウレングスとは、ヘリオスタットに別のへリオスタットの影がかかることを避けるために、へリオスタット間に最低限確保される間隔として定められた値である。シャドウレングスＳＬはヘリオスタットの形状に依存して予め設定された値であり、集光タワー４からの距離に依存しない。

一般的なコンセントリックレイアウトＣＣＬにおいてヘリオスタット１を配置する際の注意点を説明する。一般的に、集光タワー４から視認したへリオスタット１の影は、集光タワー４から遠ざかるほど大きくなる。この現象からも直感的に理解されるが、式（１）で示したように、集光タワー４から遠ざかるほど（式（１）でＲｎが大きくなるほど）コンセントリックレイアウトにおいてより大きな同心円間隔ＲＬが確保される必要がある。

式（１）によれば、集光タワー４からの距離が近い領域においては同心円間隔ＲＬが小さいため、スパイラルレイアウトを採用した場合、同心円Ｎの円周上のヘリオスタット１と、同心円（Ｎ＋１）の円周上のヘリオスタット１との間で互いに最も隣接したへリオスタット（図５の例では例えばａ１とｂ１）の距離が、シャドウレングスＳＬ以上とならない（ＲＬがＳＬになってもａ１とｂ１の間ではＳＬが確保されない）。したがって、当該領域においては式（１）にしたがって算出された同心円間隔ＲＬをもつコンセントリックレイアウトが採用される（図４のＣＣＬ）。ただし、一つの同心円上で隣接したヘリオスタット１の間隔としてシャドウレングスＳＬが少なくとも確保される。

コンセントリックレイアウトにおいて一つの同心円上で隣接したヘリオスタット１の間隔としてシャドウレングスＳＬが少なくとも確保されることは、前記集光タワーの上方焦点からヘリオスタット１を視認した視認方向において、ヘリオスタット１の隙間が同心円方向において確認されることとなり、ヘリオスタット密度が低下する要因となる。そこで発明者は、前記視認方向において、隣接したヘリオスタット１の間隔としてシャドウレングスＳＬが確保されている状態で、横方向に接する状態が実現できないか否か検討した。

このような検討結果を具体的に表現したものが図５である。すなわち、内周側の同心円Ｎに対し、コンセントリックレイアウトで想定される同心円間隔ＲＬの半分の距離であるＲＬ／２だけ離れた新しい同心円（Ｎ＋１）が設定される。そして、本実施形態では、外周側の新しい同心円（Ｎ＋１）上の円周上で、集光タワー４から視認したとき、同心円Ｎ上のヘリオスタット１の横方向の端部に接するように、ヘリオスタット１が設置される。

具体的には、集光タワー４の上方焦点から第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・を視認した視認方向において、第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２・・・は、第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・に対し相対的に遠方に配置される。図５では示していないが、第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２・・・は、スパイラルレイアウトＳＰＬにおいて配置された総てのヘリオスタットの中で、第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・に最も隣接したヘリオスタットである。そして、第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・と第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２・・・は、この視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部（左右の端部）で接する。

図５の実施形態では、集光タワー４から視認したとき、同心円Ｎ上の第１のヘリオスタットａ１の横方向の端部である右側の辺に、新しい同心円（Ｎ＋１）上の第２のヘリオスタットｂ１の横方向の端部である左側の辺が接するよう、第２のヘリオスタットｂ１が配置されている。そして、第１のヘリオスタットａ２と第２のヘリオスタットｂ２及び第１のヘリオスタットａ３と第２のヘリオスタットｂ２との距離はシャドウレングスＳＬとなっている。第１のヘリオスタットａ１と第２のヘリオスタットｂ１及び第１のヘリオスタットａ２と第２のヘリオスタットｂ１においても同様の関係が成立している。

シャドウレングスＳＬは、二つのヘリオスタットの各々の面内中心（矩形ヘリオスタットの場合は対角線の交わる点）間の距離によって定義されるが、特に第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３・・・と第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２・・・を直上から視認したとき、各々の面内中心間の距離として把握される。また、同一同心円上でのヘリオスタット（例えばａ１，ａ２，ａ３）の円周上の距離は、ヘリオスタットの横幅ＨＬの２倍の長さである２ＨＬに設定されており（間隔はＨＬ）、２ＨＬ＞ＳＬの関係が成立している。この円周上の距離も、二つのヘリオスタットの各々の面内中心間の距離によって定義される。

図６は、図５の構成に加え、新しい同心円（Ｎ＋１）のさらに外側の同心円（Ｎ＋２）である第３周の同心円（第３の同心円）上に配置された第３のヘリオスタットｃ１，ｃ２，・・・をも示す図である。第３のヘリオスタットｃ１，ｃ２，・・・は、上方焦点から視認して第１周のヘリオスタット１（ａ１，ａ２，ａ３、・・・）の上辺（縦方向の上端部）にその下辺（縦方向の下端部）がそれぞれ接する位置で、それぞれのヘリオスタットｃ１，ｃ２，・・・の左辺（横方向の端部）が、第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２，ｂ３の各々の右辺に接する位置まで左側に寄せられ、配置されている。

このような配置の結果、図６に示すように、第２のヘリオスタットｂ２と、第３のヘリオスタットｃ１との間には隙間δが形成される。すなわち、第３のヘリオスタットｃ１の横方向の端部（左側端部）を第２のヘリオスタットｂ１の横方向の端部（右側端部）に接するように配置する。ここで当該第２のヘリオスタットｂ１と同一同心円上でかつ第１のヘリオスタットａ２に隣接した他のヘリオスタットｂ２（第２のヘリオスタットでもある）と、第３のヘリオスタットｃ１との間に、視認方向に沿って視認したとき隙間δが確保される。

図示は省略するが、第４周の同心円上のヘリオスタットも同様にその下辺が第２周のそれぞれのヘリオスタットｂ１，ｂ２，ｂ３，・・・の上辺に接し、かつその左辺が第３周のそれぞれのヘリオスタットｃ１，ｃ２，ｃ３、・・・の右辺に接する位置まで左側に寄せられて配置される。以下同様に相対的に内周のヘリオスタットに対し、外周のヘリオスタットが左側に寄せられて配置される。

外側の同心円ほど、一つのヘリオスタットに対応した円周の長さは長い。したがって、上記過程において、ヘリオスタットが左側に寄せられる長さは外側の同心円ほど大きくなる。このような配置の結果、第１から第３のヘリオスタット（ａ１，ｂ１，ｃ１，・・・）、第１から第３のヘリオスタット（ａ２，ｂ２，ｃ２，・・・）は、放射方向にスパイラル状に拡径する曲線上に配置されることとなる。太陽光集光システムを直上から視認した場合、ヘリオスタット１は、図４のＳＰＬに示すように集光タワー４を中心とする円から放射方向に左回りのスパイラル状に延びた曲線上に配置される。このような配置の方式がスパイラルレイアウトとして定義される。

図４のような太陽光システムの製造にあたっては、一般的に集光タワー４を出発点としてヘリオスタットの配置を開始する。本発明においては製造過程（配置過程）において、ヘリオスタットはまずコンセントリックレイアウトＣＣＬにしたがって配置された後、スパイラルレイアウトＳＰＬにしたがって配置される。そこで、本発明のヘリオスタットの配置過程においては、コンセントリックレイアウトからスパイラルレイアウトへ切り替えられるタイミングを考える必要がある。図５、図６の結果から、相対的に内周側の同心円（Ｎ）のヘリオスタットと外周側の同心円（Ｎ＋１）のヘリオスタットにおいて、互いに隣接するへリオスタット（図５においては、例えばａ１とｂ１）の距離として、シャドウレングスＳＬ以上の距離が確保可能となったときがそのような切り替えのタイミングである。

ここでいう隣接する同心円上の二つのヘリオスタットとしては、例えばヘリオスタットａ１とヘリオスタットｂ１の関係が挙げられる。すなわち、集光タワー４の上方焦点の位置から対象となる二つのヘリオスタットを視認したとき、両者が隣接する二つの同心円上であって、かつ二つの同心円の円周方向で隣接して配置されたヘリオスタットのことを意味する。スパイラルレイアウトＳＰＬを行うには、このような二つのヘリオスタット間においてシャドウレングスＳＬが確保される必要がある。

図７（ａ）は、第１のヘリオスタットａ１，ａ２，ａ３、・・・と、第２のヘリオスタットｂ１，ｂ２，ｂ３，・・・と、第３のヘリオスタットｃ１，ｃ２，・・・を、これまでの説明と同様な配置の手順を繰り返すことにより（図６の方法）、集光タワー４の上方焦点から視認した視認方向に沿って遠方に配置した状態を示す。

このとき、図６に示した他のヘリオスタットｂ２（第２のヘリオスタットでもある）と、第３のヘリオスタットｃ１との間に形成された隙間δは、図７（ａ）のδ０、δ１、δ２、δ３、・・δｎの順に示すようにＮが増大するほど横方向に拡大する（斜線部分参照）。第（Ｎ−１）周のヘリオスタットと、第（Ｎ）周のヘリオスタットとの間には隙間δｎが形成されている。すなわち、集光タワー４の上方焦点から視認して遠方側（放射方向外側）ほど、同心円の半径が拡大されるとともに１つのヘリオスタットに対応する円周も長くなる。したがって、図６を用いて説明したヘリオスタットのｃ１の左側への移動に対応する移動量が大きくなり、隙間δも拡大する。

δが拡大して所定の大きさに達することにより、本例ではＮ周目に形成される同心円上で、２つのヘリオスタット間に形成された隙間δｎ内に、新たに第４のヘリオスタットｎを追加することが可能となっている。ここで第４のヘリオスタットｎの横幅は、隙間δｎの大きさに等しく、焦光タワー４の上方焦点から視認したときに観察可能である。

さらに、その配列要領を具体的に図７（ｂ）、（ｃ）によって説明する。図７（ｂ）において、内外多重の同心円のうちのある円の円周上に設置されたヘリオスタットの近くにもう１つのヘリオスタットが追加される。集光タワー４の上方焦点を基準として見たときには、相対的に外周側の円Ｎの円周上にされたヘリオスタットｎ（ｎ）は、放射方向にスパイラル状に拡径する曲線上で相対的に内周側の円（Ｎ−１）の円周上に設置されているヘリオスタットｎ（ｎ−１）の斜め後方に位置する。

この関係を上方焦点から見た場合には、相対的に外周側に設置されるヘリオスタットｎ（ｎ）と、相対的に内周側に設置されているヘリオスタットｎ（ｎ−１）とは、上方焦点から見たときに放射方向にスパイラル状に拡径する曲線上で図７（ｂ）のように互いに左右に接する。また、直上から見たときには図７（ｃ）のように外周側のヘリオスタットｎ（ｎ）と、内周側のヘリオスタットｎ（ｎ−１）とはシャドウレングスＳＬの長さだけ離れて配置されることになる。

図８は、集光タワー４から十分離れた位置におけるヘリオスタット１の配置を示す。集光タワーは図８の下方に位置し、縦線が同心円の半径方向、横線が同心円の円周方向を示す。集光タワー４から十分離れた位置では、ヘリオスタット１の大きさに比して、半径方向の縦線は互いに平行な直線に近似でき、円周方向の横線は互いに平行な直線に近似することができる。

そして、一つのスパイラルライン上に隣接するヘリオスタット１同士の互いの中心間距離はＳＬとなり、且つ円周方向成分の互いの距離は、ヘリオスタットの横幅ＨＬとなる。したがって、スパイラルの接触角θ、ＳＬ、ＨＬは以下の式（２）の関係を持つこととなる。

さらに外周にヘリオスタットを配設するときには、外周側の追加対象であるヘリオスタットが、前周に配置されたヘリオスタットを含めて右端に接する位置まで左側に寄せて配置される。この結果、ヘリオスタット１，１、・・・は、図４に示す集光タワー４を中心ＯとするコンセントリックレイアウトＣＣＬの最外周から放射方向に延びるスパイラル状の曲線に並び、図９に示すようにヘリオスタットを高密度に配置することが可能となる。

本実施形態によれば、前述のようにコンセントリックレイアウト、スパイラルレイアウトを組み合わせることによって太陽光を効率よく集光することができる。

以下、本実施形態におけるスパイラルレイアウトのシミュレーションを示す。各種パラメーターを表１に示す。このシミュレーションにおいてはヘリオスタットの数を３０００台で固定した。ＶＬとＨＬとは計算のためのヘリオスタットの想定範囲の長方形の辺の長さで、実際のヘリオスタットのサイズである。

図１０は、ヘリオスタット１を集光タワー４の上方焦点から見た状態を示す図であり、各々のヘリオスタットは、互いに重ならないように（相互間にＳＬ以上の間隔を確保して）配置されている。図１０において、ヘリオスタットの大きさはパラメーターＶＬとＨＬとによって決定される。パラメーターＶＬとＨＬで規定される長方形の中心はヘリオスタットの中心と一致する。すべての配置計算において、ヘリオスタットの実サイズは３ｍ角である。ＳＬは任意の２つのヘリオスタットの距離の最小値を規定するものである。なお、表１に示す値は実験のために設定した数値であって、最適値を示すものではない。

図１１は集光タワーからの距離に対応した、コンセントリックレイアウトにおけるヘリオスタットの配置密度に対するスパイラルレイアウトにおけるへリオスタットの配置密度の比を示すグラフである。ここでレイアウト方法はコンセントリックレイアウトとスパイラルレイアウトの組み合わせたものであり、集光タワーからの距離がおよそ７０ｍまでの領域ではコンセントリックレイアウトを採用し、集光タワーからの距離がおよそ７０ｍより大きい領域ではスパイラルレイアウトを採用している。この図から、集光タワーからの距離がおよそ７０ｍまでの領域では、コンセントレイアウトと同等の設置密度であり、集光タワーからの距離がおよそ７０ｍ〜８０ｍの領域ではコンセントリックレイアウトより低い設置密度となり、集光タワーからの距離が８０ｍ以上の領域では、半径が増大するにしたがって、スパイラルレイアウトによる配置がコンセントリックレイアウトより高密度を達成できることがわかる。

本実施形態においては、相対的に内周のヘリオスタットに対し、外周のヘリオスタットを左側に寄せて左回りのスパイラル状のレイアウトになる例を示したが、相対的に内周のヘリオスタットに対し、外周のヘリオスタットの列を右側に寄せたときには、右回りのスパイラル状のレイアウトになる。

また、本実施形態は、ヘリオスタットのスパイラルレイアウトを集光タワーが一つしかないビームダウン式集光システムに適用した例であるが、タワートップ式の集光システム、集光タワーが複数あるマルチタワービームダウン式集光システムなどについても本発明を同様に適用することができる。ヘリオスタットを使用する太陽光集光システム全般に本発明は適用可能である。

また、本実施形態ではヘリオスタットは矩形の例を示したが、完全な矩形でない略矩形であってもよい。さらにヘリオスタットの形状が矩形以外のものであっても、本発明の思想が適用される限り、本発明に含まれ得る。

以上のように本発明によれば、へリオスタットの円周方向の隙間をなくすために、ヘリオスタットのレイアウト方法として内周側に配置されたヘリオスタットに対し、相対的に外周側に配置されるヘリオスタットの位置を順次左側または右側のいずれか一側に寄せて配置される。ヘリオスタットは放射方向にスパイラル状に延びる曲線上に沿って配置されることになり、ヘリオスタットの数、配置密度を高めるとともに集光タワーにより近い位置にヘリオスタットを配置することが可能となり、この結果、太陽光集光の効率向上を図ることが可能となる。

太陽光は再生可能なエネルギー源として、エネルギー量が膨大で、環境汚染のないクリーンなエネルギー源である。太陽光をエネルギー源として採用することにより、集光太陽熱エネルギーを化学反応の吸熱反応に利用した燃料生産や、太陽熱発電システムとして希薄な太陽エネルギーを集めて安定した発電電力の供給が可能となる。さらには、石炭ガス化と天然ガス水蒸気改質から製造された水素と一酸化炭素からメタノールを合成する技術に適用することにより、原料の石炭およびメタンの総熱量を６〜１０％以上回るメタノールの製造が可能となり、メタノール製造工程における二酸化炭素の排出を大幅に削減できるものとして大いに期待される。もちろん、太陽光の応用可能性はこれらに限定されない。

なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明によれば、太陽光集光システムにおけるヘリオスタットの配置密度を高めることが可能となり、集光効率、発電効率を向上させる技術が提供される。

１ ヘリオスタット
２ リフレクター
３ レシーバ
４ 集光タワー
５ 鏡
６ 鏡面

Claims (11)

1. 集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムであって、前記集光タワーは前記ヘリオスタットから反射された太陽光を受光するレシーバを有し、
   前記複数のヘリオスタットは、第１のヘリオスタットと、前記集光タワーの上方焦点から前記第１のヘリオスタットを視認した視認方向において、前記第１のヘリオスタットに対し相対的に遠方に配置され、かつ前記複数のヘリオスタットのうち前記第１のヘリオスタットに最も隣接した第２のヘリオスタットとを少なくとも含み、
   前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、前記視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部で接するとともに、
   前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、直上から前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットを視認したとき、各々の影が互いにかかることを避けるために確保される間隔であるシャドウレングスの長さだけ少なくとも離れた状態で配置された、太陽光集光システム。
2. 請求項１に記載の太陽光集光システムであって、
   前記第１及び第２のヘリオスタットを含む複数のヘリオスタットが、直上から視認してスパイラル状に延びる曲線によって形成されるスパイラルレイアウトにしたがって配置された、太陽光集光システム。
3. 請求項２に記載の太陽光集光システムであって、
   前記第１及び第２のヘリオスタットよりも前記集光タワーの近くに配置された第１のヘリオスタット群は、直上から視認して複数の同心円によって形成されるコンセントリックレイアウトにしたがって配置された複数のヘリオスタットからなり、
   前記第１及び第２のヘリオスタットを含む第２のヘリオスタット群は、前記視認方向において前記第１のヘリオスタット群よりも遠方において、前記スパイラルレイアウトにしたがって配置された複数のヘリオスタットからなる、太陽光集光システム。
4. 請求項３に記載の太陽光集光システムであって、
   前記第１のヘリオスタット群において、同一の同心円上で隣接する二つのヘリオスタットは、シャドウレングスの長さだけ離れて配置された、太陽光集光システム。
5. 請求項３に記載の太陽光集光システムであって、
   前記第２のヘリオスタット群において、前記第１のヘリオスタットが同一の同心円上に、ヘリオスタットの横幅の２倍の長さだけ離れて配置された、太陽光集光システム。
6. 請求項２に記載の太陽光集光システムであって、
   前記スパイラル状に延びる曲線の接触角θは、ＣＯＳθ＝ＨＬ／ＳＬの条件を満たし、ここでＨＬは前記ヘリオスタットの横幅であり、ＳＬはシャドウレングスである、太陽光集光システム。
7. 集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムであって、前記複数のヘリオスタットは第１のヘリオスタット群と第２のヘリオスタット群に分類され、
   前記第１のヘリオスタット群のヘリオスタットは、前記集光タワーを中心として形成された複数の同心円によって形成されるコンセントリックレイアウトにしたがって配置され、
   前記第２のヘリオスタット群のヘリオスタットは、前記第１のヘリオスタット群の最外周からスパイラル状に延びる曲線によって形成されるスパイラルレイアウトにしたがって配置された、太陽光集光システム。
8. 集光タワーと、当該集光タワーの周囲に配置された複数のヘリオスタットとを含む太陽光集光システムの製造にあたって用いられるヘリオスタットの配置方法であって、
   前記複数のヘリオスタットのうち任意の第１のヘリオスタットを配置する工程と、
   前記集光タワーの上方焦点から前記第１のヘリオスタットを視認した視認方向において、前記第１のヘリオスタットに対し相対的に遠方において前記第１のヘリオスタットに最も隣接した第２のヘリオスタットを配置する工程と、を含み、
   前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットは、前記視認方向に沿って視認したとき互いに横方向の端部で接するとともに、直上から前記第１のヘリオスタットと前記第２のヘリオスタットを視認したとき、各々の影が互いにかかることを避けるために確保される間隔であるシャドウレングスの長さだけ少なくとも離れた状態で配置される、ヘリオスタットの配置方法。
9. 請求項８に記載のヘリオスタットの配置方法であって、
   前記集光タワーを中心とする複数の同心円を設定し、
   前記第１のヘリオスタットを第１の同心円上に配置し、
   前記第２のヘリオスタットを、前記第１の同心円に対し相対的に遠方の第２の同心円上において、当該第２のヘリオスタットの横方向の端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第１のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置し、
   第３のヘリオスタットを前記第２の同心円に対し相対的に遠方の第３の同心円上において、当該第３のヘリオスタットの横方向の端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第２のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置する、ヘリオスタットの配置方法。
10. 請求項９に記載のヘリオスタットの配置方法であって、
    前記第３のヘリオスタットの縦方向の下端部が前記視認方向に沿って視認したとき前記第１のヘリオスタットの縦方向の上端部に接するように配置する、ヘリオスタットの配置方法。
11. 請求項８に記載のヘリオスタットの配置方法であって、
    前記第３のヘリオスタットの横方向の端部を前記第２のヘリオスタットの横方向の端部に接するように配置するとき、当該第２のヘリオスタットと同一同心円上でかつ前記第１のヘリオスタットに隣接した他のヘリオスタットと、前記第３のヘリオスタットとの間に、前記視認方向に沿って視認したときに観察される隙間δを確保し、
    前記第１のヘリオスタットと、前記第２のヘリオスタットと、前記第３のヘリオスタットと同様な配置の手順にしたがって、前記視認方向に沿って遠方へ第１のヘリオスタットと第２のヘリオスタットと第３のヘリオスタットの配置を繰り返すことにより、前記隙間δを拡大させ、
    当該隙間δが所定の大きさになったとき、前記視認方向に沿って視認したときに観察可能な第４のヘリオスタットを当該隙間δの位置に配置する、ヘリオスタットの配置方法。