JP2013529769A

JP2013529769A - 円筒状集光装置が具備された太陽位置追跡装置

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Publication number: JP2013529769A
Application number: JP2013514107A
Authority: JP
Inventors: ユビンシン，; ユヒョンシン，
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2013-07-22
Also published as: KR20100072157A; WO2011155729A3; WO2011155729A2; US20130074824A1; KR101042940B1

Abstract

本発明は太陽の移動を正確に追跡することができる装置に関し、さらに詳しくは、円筒状集光装置と太陽エネルギー吸収板で構成された吸収装置とそれぞれの吸収板に吸収されたエネルギー量を測定及び比較する装置とで構成された太陽位置追跡装置に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は地球の自転によって時々刻々と変わる太陽の位置を正確に追跡する太陽位置追跡装置に関し、さらに詳しくは、円筒状集光装置と、太陽エネルギー吸収装置と、吸収された太陽エネルギー量測定装置とを具備して、正確で且つ効果的に太陽を追跡する装置に関する。

本発明は、常に太陽の位置を追跡できるようにすることとともに、精密な追跡ができるようにする太陽位置追跡装置及び方法を提供することに目的がある。

地球温暖化防止と親環境問題によって、近来無限な太陽エネルギーを代替エネルギーとして活用する方案が提案されている。太陽エネルギーを活用する方案は、太陽光と太陽熱を電気エネルギーや熱エネルギーに直接変換する技術で、このような技術は、太陽エネルギーを最大に活用するために、一日中時々刻々と変わる太陽の方位角と高度角、太陽光の有無などを認識して太陽の位置を正確に追跡する太陽位置追跡装置が必要である。

一般に、従来の太陽位置追跡装置は、太陽エネルギーを吸収する複数の太陽センサー、太陽電池セルまたはフォトダイオードなどのエネルギー吸収装置に吸収されるエネルギー量の差があるように構成された装置で太陽位置を追跡する。例えば、韓国特許１０−０８３６８７０は、孔があいた円柱の底に設置された複数の同一形状の太陽センサーに入射するエネルギー量を、各センサーで発生する電流で測定、比較して太陽の位置を追跡するようにした。太陽に垂直または直接入射するほど、大きい電流値を有し、それぞれの太陽センサーの電流値が同一になるように追跡装置を動かせば、太陽は上記追跡装置と垂直になると判断する。韓国特許１０−０９０４２４３は光センサーの間に隔壁を設置して太陽を感知するようにした。しかし、このような方式は、朝や夕方のように太陽光が弱かったり太陽が雲などによって隠れる場合、各エネルギー吸収装置で発生するエネルギー量の差が小さくて、太陽の位置追跡が不可能になるという問題点がある。

一方、微弱な太陽光を凸レンズ、フレネルレンズなどで集光して差を大きくする技術がある。韓国特許１０−０４２７６９０は、上面に凸レンズを装着し、底面に４つのフォトダイオードが設置された円筒状の太陽位置追跡装置に関するもので、レンズを通じて集光された太陽光が４つのフォトダイオードに同一に照射されるように追跡装置を動かすのである。韓国特許１０−０９３３６６１は屈折レンズと凸レンズを利用したレンズ部とフォトダイオードを使って太陽位置を追跡する技術を含んでいる。レンズを透過して集光された太陽光の焦点を４つのフォトダイオードに照射して数値を比較するのである。しかし、このような技術は、レンズの焦点がフォトダイオードに入って来るまでは太陽の位置を追跡することができず、レンズの焦点をフォトダイオードに正確に合わせることが困難で、レンズの焦点を合わせる時ズレがあってフォトダイオードの表面を逸脱したり太陽光がなくなってからしばらく後に現われる場合、位置の追跡が困難であるという問題点があり、追跡装置が太陽について常に動かなければならない。

また、従来の技術は太陽光の有無を把握するために別途のセンサーを設置することもある。

韓国特許１０−０８３６８７０韓国特許１０−０９０４２４３韓国特許１０−０４２７６９０韓国特許１０−０９３３６６１

本発明は、従来の太陽位置追跡技術が有する上記問題点を解決するために、太陽光を透過、屈折及び集中させる円筒状集光装置と、その後面の焦点軌跡に設置された太陽エネルギー吸収装置と吸収装置の単位吸収板に吸収されたエネルギー量を測定、比較して太陽の位置を追跡するようにする装置とを提供することを目的とする。

本発明によれば、集光装置を具備しているから集光された吸収板と集光されない吸収板に吸収された太陽エネルギー量は顕著に差があるので、朝や夕方のように微弱な太陽光の中でも正確に作動し、それぞれの吸収板で発生されるエネルギー量を比べて太陽光の有無、太陽の位置を把握することができ、集光装置は機械的に動く部分がなくて、常に太陽位置を追跡することができる。

上記のように、本発明によれば、太陽光を円筒状集光装置で集光して、その集光された太陽光をエネルギー吸収板に吸収させた時、それぞれの吸収板に吸収されたエネルギー量を比べて太陽光の有無及び方位と高度を容易且つ正確に把握することができる。

円筒状集光装置は、太陽の入射角や高度角には関係なく、動くことなく焦点を結ぶ長所がある。朝及び夕方または雲によって太陽が隠れている場合のように、太陽光が微弱な場合にも、集光された太陽光が吸収される吸収板と集光されない太陽光が吸収される吸収板の太陽エネルギー量の差が大きいので、別途の装置がなくても太陽の位置を正確に追跡することができる。

それぞれの吸収板が類似するエネルギー量またはエネルギー比率を表すと、太陽光がないことを意味し、エネルギー量に差があると太陽光があることを意味する。また、太陽光がなくなってからしばらく後に再び現われると、前述したように、エネルギー量の差が発生する部分が再び生じ、最大のエネルギー量を表す吸収板に太陽光が集中されているので、常に太陽光の有無及び位置を把握することができるという長所がある。

円筒状集光装置の集光原理概念図である。集光装置と９つの太陽エネルギー吸収板とで構成された実施例の斜視図である。図２の平面図（上）及び正面図（下）である。円筒状集光装置と複数の太陽エネルギー吸収板とで構成された太陽エネルギー吸収装置の模写図及びエネルギー吸収装置の断面拡大図である。円筒状集光装置と半円状帯形態の太陽エネルギー吸収装置との配置平面図（上）、正面図（左下）及び側面図（右下）である。太陽光の入射角度による円筒状集光装置の太陽光透過断面図である。太陽光の入射角度による焦点位置の変化図である。地上に設置された円筒状集光装置を透過、屈折及び集光された太陽光焦点位置及び太陽エネルギー吸収板の配置図である。

本発明に基づいた太陽位置追跡装置を用いれば、一日中で太陽が何れの位置にあっても、または太陽光の有無に関係なく、太陽位置追跡装置は動くことなく簡便に太陽の位置を追跡することができるように、円筒状集光装置と太陽エネルギー吸収装置とエネルギー量測定装置とを具備した太陽位置追跡装置を図面を参照して詳しく説明すれば次の通りである。

本発明の円筒状集光装置１０は断面が円形、楕円形または部分円形で、太陽光が入射される角度に関係なく同じ透過、屈折及び集光現象を有する特徴があって、凸レンズやフレネルレンズとは異なって、太陽を追跡して動く必要がなく、図１のように、日の出から日没まで太陽の移動に従って、円筒状集光装置の後面の焦点距離ほど離隔された位置に焦点軌跡を作る。

図２のように、幅が狭くて同一の板形状の複数の太陽エネルギー吸収板１１を日の出角度から日没角度まで太陽光焦点軌跡位置に円周方向に連続して配置して、それぞれの吸収板が太陽光を吸収するようにする太陽エネルギー吸収装置を設置する。

吸収板が太陽と接する投映面積は図３の平面図（上）に示す通りである。集光装置がない場合、それぞれの吸収板に吸収されるエネルギー量は吸収板の投映面積に連関されるという特性を有する。一方、図４に示すように、集光装置が具備される場合、集光装置を逸脱した太陽光を受ける吸収板は固有の特性値を表し、太陽光焦点が結ばれる吸収板Ｂ、Ｃ、Ｄは相当高いエネルギー量を表す。各吸収板に吸収されるエネルギー量を図４の拡大図で説明すれば、太陽光焦点の幅が約２つの吸収板の幅程度で、吸収板Ｂ、Ｃ、Ｄに渡っている場合、それぞれの吸収板で測定されるエネルギー量は照射される面積と比例するので、吸収板Ｃ＞吸収板Ｄ＞吸収板Ｂ＞吸収板Ａ≒吸収板Ｅ≒吸収板Ｆである。焦点の始めの部分がある吸収板Ｂのエネルギー量の変化で本発明の原理を説明すれば、焦点が回転方向３０°回転するので、吸収板Ｂは太陽光焦点を受ける面積が漸次に大きくなって、エネルギー量が漸次に増加し、焦点の始めの部分が吸収板Ｂを通過すると、エネルギー量が増加しないで、焦点の終わり部分が吸収板Ｂを通過し始めると、エネルギー量が漸次に減少し、焦点の終わり部分が吸収板Ｂを完全に通過すると、吸収板Ｂのエネルギー量は他の吸収板と大体同じになる。即ち、吸収板Ｂの太陽エネルギーの吸収量が太陽の位置によって変わり、このような現象はすべての吸収板で順次に発生し、それぞれの吸収板のエネルギー量の比較及び焦点が結ばれる吸収板のエネルギー量の変化によって太陽の位置を確認することができる。

太陽エネルギー吸収板の幅は集光装置の直径と屈折特性、焦点幅などの物理的特性によって決められる。例えば、円筒状集光装置の直径が３０ｃｍで、焦点軌道の直径が５０ｃｍである場合、幅が０．９ｃｍの吸収板８０個を０．１ｃｍの間隔で約１８０度の半円の焦点軌道上に配置することができる。一つの吸収板は約９分に相当する。必要によって吸収板を複数列に配置して時間間隔を細分化することができる。

それぞれの吸収板は吸収されるエネルギー量を測定する装置に連結されて、それぞれの吸収板のエネルギー量からエネルギー量の変化または変化率を計算して、吸収板同士のエネルギー量の差を比較して太陽の位置を決める。如何なる場合にも最大のエネルギー量を表す吸収板の集光装置の反対側の上空に太陽が存在する。エネルギー量測定装置はそれぞれの太陽エネルギー吸収板に吸収された太陽エネルギー量を電気エネルギー量または熱エネルギー量として測定する装置である。吸収板として太陽電池セルを用いると、太陽エネルギーはそれぞれの吸収板に吸収されて吸収板で電気エネルギーである電流または電力が発生され、エネルギー量測定装置は吸収板で発生される電流または電力を測定して電気エネルギー量を測定する装置で、吸収板として金属板のような熱エネルギーを吸収する装置を用いる場合、太陽エネルギーはそれぞれの吸収板に吸収されて吸収板の温度が変わり、エネルギー量測定装置は吸収板の温度を測定して熱エネルギー量を測定する装置である。

図５は上記の円筒状集光装置の後面部の焦点軌道附近に軸方向に連続された６つの半円帯形状の太陽エネルギー吸収板１２で構成された太陽エネルギー吸収装置とエネルギー量測定装置とを具備した太陽位置追跡装置の図面である。それぞれの吸収板は直径が異なるが集光装置の中心と同じ中心を有する。集光装置の中心からのそれぞれの吸収板の距離は太陽光の集中度に差を与えるために、少しずつ間隔を隔てて配置する。それぞれの吸収板はエネルギー量測定装置に連結されて、太陽光の吸収程度を把握することができる。

図６は円筒状集光装置に入射する太陽光の角度による断面を示し、この断面を通過する太陽光の焦点距離は相異する。集光装置の中心からの太陽光焦点距離３１は図４のように垂直する時最も長い。

図８は本発明の太陽位置追跡装置を地上に設置して、午前／午後と正午で作動する原理図で、午前と午後に太陽の高度が低くて、斜線で集光装置を通過した太陽光は吸収板Ｋに焦点を結ぶ。それぞれの吸収板に集光されるエネルギー吸収量は、午前には吸収板Ｋ＞吸収板Ｊ＞吸収板Ｌ＞吸収板Ｍ＞吸収板Ｎの順序である。時間が経つにつれて、太陽光の入射角は漸次に大きくなり、焦点距離は長くなって正午には吸収板Ｍに焦点が結ばれ、この吸収板で最大のエネルギー量が測定される。正午には吸収板Ｍ＞吸収板Ｌ＞吸収板Ｎ＞吸収板Ｋ＞吸収板Ｊの順序である。午後には再び逆方向に進行する。それぞれの吸収板のエネルギー量及びエネルギー量の比率を比較すると太陽光の入射角を把握することができるので、太陽の位置を正確に追跡することができる。

１０：円筒状集光装置
１１：板状のエネルギー吸収装置
１２：帯状のエネルギー吸収装置
２０：太陽
２１：集光装置に入射する前の太陽光線
２２：集光装置の内部で屈折された太陽光線
２３：集光装置後面の太陽光線
２５：太陽移動軌跡
３０：太陽光焦点の移動方向
３１：焦点位置

Claims

長手（軸）方向に長くて中実の棒（柱）状で、前面部に入射する太陽光を透過、屈折及び集中させて、棒の後面部から焦点距離だけ離隔された位置に焦点を結ぶようにする円筒状集光装置と、
円筒状集光装置の物理的直径より小さい幅を有し、同じ大きさと形態を有する複数の太陽エネルギー吸収板を太陽の移動によって円筒状集光装置の後面部に生じる焦点軌道上に円筒状集光装置と中心が同じで、円周方向に連続的に配置した太陽エネルギー吸収装置と、
それぞれの太陽エネルギー吸収板に吸収されたエネルギーの量を測定するエネルギー量測定装置とを含む太陽位置追跡装置。
長手（軸）方向に長くて中実の棒（柱）状で、前面部に入射する太陽光を透過、屈折及び集中させて、棒の後面部から焦点距離だけ離隔された位置に焦点を結ぶようにする円筒状集光装置と、
半円状の帯状で、直径の異なる複数の太陽エネルギー吸収板を円筒状集光装置の後面部に生じる焦点位置附近に円筒状集光装置と中心が同じにして柱の長手方向に連続的に配置した太陽エネルギー吸収装置と、
それぞれの太陽エネルギー吸収板に吸収されたエネルギーの量を測定するエネルギー量測定装置とを含む太陽位置追跡装置。
円筒状集光装置は太陽光が入射される方向の反対側に焦点が結ばれるようにするもので、円形、楕円形または部分円形の断面を有する集光装置を含む請求項１及び２に記載の太陽位置追跡装置。
円筒状集光装置は内部に水のような液体物質が流れるようにして、太陽光の一部を吸収して太陽エネルギー吸収板の温度を調節することができるパイプ状の集光装置を含む請求項１及び２に記載の太陽位置追跡装置。
円筒状集光装置は焦点距離を調整することができるように集光装置の内部と外部が異なる屈折率を有する材質で構成された集光装置を含む請求項１及び２に記載の太陽位置追跡装置。
太陽エネルギー吸収装置は太陽電池セルで構成され、エネルギー量測定装置は太陽電池セルから発生する電気エネルギー量を測定する装置を含む請求項１及び２に記載の太陽位置追跡装置。
エネルギー量測定装置は太陽エネルギー吸収装置に吸収された熱エネルギーを測定する装置を含む請求項１及び２に記載の太陽位置追跡装置。