JP2015118360A - ヘリオスタット装置ならびに太陽熱集熱装置および太陽光集光発電装置 - Google Patents

ヘリオスタット装置ならびに太陽熱集熱装置および太陽光集光発電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】より低コストのヘリオスタット装置を提供する。
【解決手段】反射鏡を支持する1つのミラーフレーム3と、ミラーフレーム3を南北方向に回転させるための一対の南北回転軸棒16と、ミラーフレーム3を東西方向に回転させるための南北方向を回転軸方向とする東西回転軸棒5と、東西回転軸棒5から東側および西側に向かって突き出ている一対のアーム6と、東西回転軸棒5を軸回転可能に支持する支柱7とを有し、一対のアーム6の先端には、一対の南北回転軸棒16が互いに対向して配設されており、東西回転軸棒5を回転軸として、ミラーフレーム3等が一体的に東西方向に回転されることで、反射鏡2の反射面の東西方向の角度が調整されるものであり、一対の南北回転軸棒16を回転軸として、ミラーフレーム3が南北方向に回転されることで1枚以上の反射鏡2の反射面の南北方向の角度が調整される。
【選択図】図1

Description

本発明は、反射鏡によって所望の位置に向けて太陽光を反射させて集光するヘリオスタット装置ならびに太陽熱集熱装置および太陽光集光発電装置に関する。
従来より石油など化石燃料からエネルギーを得てきたが、近年では、これらの化石燃料の枯渇や、該化石燃料の使用により排出される二酸化炭素等の温室効果ガス、さらには化石燃料の購入のためのコスト(燃料費)が問題となっている。
そこで、再生可能であり、燃料費が不要の太陽光が、新たなエネルギー源の1つとして注目されている。
この太陽光をエネルギー源として利用する太陽熱集熱装置としては、太陽光の集光方式の違いから数種挙げられる(特許文献1等参照)。これらの中には、例えばトラフ型や線形フレネル型、タワー型と呼ばれるタイプの集熱装置がある。
ここで、トラフ型の集熱装置は、桶状の放物面鏡を用いて太陽光を反射し、該反射光をレシーバに集光して太陽熱を集熱するものである。
また、線形フレネル型の集熱装置は、南北方向に並列に設定した複数の反射ライン上に複数枚の反射鏡を設置するとともに、これらの反射鏡の上方に南北方向に設定した受光ライン上にレシーバを設置し、反射鏡により太陽光を反射してレシーバに集光して太陽熱を集熱するものである。
さらに、タワー型の集熱装置は、タワー周辺に配置した複数枚の反射鏡により反射した太陽光をタワーに設けたレシーバに集光して太陽熱を集熱するものである。
特開2012−63086号公報
上述したような集熱装置の他、クロスリニア型のものが挙げられる。
クロスリニア型の集熱装置は、南北方向に並列に設定した複数の反射ライン上に複数枚の反射鏡を設置するとともに、これらの反射鏡の上方に、反射ラインに直交して(すなわち東西方向に)設定した受光ライン上にレシーバを設置し、反射鏡により太陽光を反射してレシーバに集光して太陽熱を集熱するものである。
そして、このようなクロスリニア型のものにおいて、反射光をレシーバに集光させるために反射鏡の反射面の角度を調整する装置として、例えば図11に示すようなものが挙げられる。図11が従来のヘリオスタット装置の上面図である。
図11のヘリオスタット装置101では、1枚の反射鏡102を支持する2つのミラーフレーム103、104を有しており、ミラーフレーム104はミラーフレーム103を囲うよう形成されている。そして、ミラーフレーム103が東西棒105を回転軸にして南北方向に回転可能なようにミラーフレーム104に連結されている。さらには、ミラーフレーム104が南北棒106を回転軸として東西方向に回転可能なように構成されている。このような構成によって、反射鏡102が南北方向および東西方向に回転し、その反射面の角度が調整される。
しかしながら、このような従来のヘリオスタット装置では、1枚の反射鏡の反射面の角度調整をするにあたって、反射鏡を囲う、少なくとも2つの大きなミラーフレームが必要となってしまい、部品数も増え、コスト面等で問題が生じてくる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、より低コストのヘリオスタット装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、太陽光を反射する1枚以上の反射鏡の反射面の角度を太陽の動きに追従させて調整するヘリオスタット装置であって、前記1枚以上の反射鏡を支持する1つのミラーフレームと、該ミラーフレームと連結してミラーフレームを南北方向に回転させるための東西方向を回転軸方向とする一対の南北回転軸棒と、前記ミラーフレームを東西方向に回転させるための南北方向を回転軸方向とする東西回転軸棒と、該東西回転軸棒から東側および西側に向かって突き出ている一対のアームと、前記東西回転軸棒を軸回転可能に支持する支柱とを有しており、前記一対のアームの先端には、前記一対の南北回転軸棒が互いに対向して軸回転可能に配設されており、前記東西回転軸棒を回転軸として、前記一対のアームと前記一対の南北回転軸棒と前記ミラーフレームとが一体的に東西方向に回転されることで、前記ミラーフレームに支持された1枚以上の反射鏡の反射面の東西方向の角度が調整されるものであり、前記一対の南北回転軸棒を回転軸として、前記ミラーフレームが南北方向に回転されることで前記1枚以上の反射鏡の反射面の南北方向の角度が調整されるものであることを特徴とするヘリオスタット装置を提供する。
このようなものであれば、反射鏡を東西方向および南北方向に回転させて、反射面の角度を簡便に調整することができるとともに、従来では2つ必要だったミラーフレームの数を1つにすることができる。このため部品数を減少させ、コストの低減、運搬の容易化を図ることができる。
また、前記東西回転軸棒に接続されており該東西回転軸棒の軸回転を制御するモーターをさらに有するものとすることができる。
このようなものであれば、モーターによって、一対のアーム、一対の南北回転手段、ミラーフレームを介して反射鏡を東西方向に簡便に回転させることができる。
また、前記一対のアームの両端に取り付けられた東西チェーンと、該東西チェーンが掛けられた東西チェーン長さ調整手段とをさらに有しており、該東西チェーン長さ調整手段の駆動により、該東西チェーン長さ調整手段から前記アームの取り付け位置までの東西チェーンの長さが調整されつつ、前記一対のアームが前記ミラーフレームと一体的に前記東西回転軸棒を回転軸として東西方向に回転されるものとすることができる。
このようなものであれば、簡便にアーム等を介して反射鏡を東西方向に回転させることができる。
また、東西チェーンの張力によってアームを保持することができるため、風によって反射鏡が揺れるのを効果的に抑制することができる。したがって風による集光への悪影響を低減することができ、集光率を改善することができる。
また前記ミラーフレームに南北にわたって取り付けられた南北チェーンと、該南北チェーンが掛けられた南北チェーン長さ調整手段とをさらに有しており、該南北チェーン長さ調整手段の駆動により、該南北チェーン長さ調整手段から前記ミラーフレームの取り付け位置までの南北チェーンの長さが調整されつつ、前記ミラーフレームが前記南北回転軸棒を回転軸として南北方向に回転されるものとすることができる。
このようなものであれば、簡便にアーム等を介して反射鏡を南北方向に回転させることができる。
また、南北チェーンの張力によってアームを保持することができるため、風によって反射鏡が揺れるのを効果的に抑制することができる。したがって風による集光への悪影響を低減することができ、集光率を改善することができる。
また、前記ミラーフレームの形状を保持するための構造体をさらに有するものとすることができる。
上記のような東西チェーンを備えた場合、チェーンの張力によって、材質によってはアーム、さらにはミラーフレームに、しなりが発生する場合がある。南北チェーンを備えた場合についても同様である。
そこで、上記のような構造体を有するものであれば、しなりなどの変形が発生するのを防止することができ、それによって各チェーンの張力も十分となり、上記のような東西方向や南北方向のミラーフレームの回転機構に十分な強度を与えることができ、風などによる揺れも一層防止でき、回転の安定性や精度を向上させることができる。
また、前記ミラーフレームは、四角形の枠と裏面支持部材とを有しており、前記枠の四辺の各々には前記反射鏡が1枚ずつ枠の内側に向かって傾斜して配設されるものであり、前記裏面支持部材は前記傾斜して配設される反射鏡の裏面を支持するものとすることができる。
このようなものであれば、1つのヘリオスタット装置に対して4枚の反射鏡を配置することができ、より広い範囲で太陽光を反射させて集光することができる。しかも各反射鏡は上記のように傾斜配設されるので4枚分の焦点を簡単に合わすことができるし、裏面支持部材によって支えられているので、風によって揺れるのも抑制することができる。したがって集光率を改善することができる。
さらには、太陽光を反射させて集光する範囲が同面積の場合を考えた場合、従来のように大きな1枚の反射鏡を配設する場合に比べ、本発明のように4枚の反射鏡を配設する場合は、一枚あたりの反射鏡の面積を小さくすることができるため、製造や運搬の面で容易になり有効である。このためコスト面で改善を図ることができ、取り扱いの手間もかからない。
また一枚あたりの重量も小さくすることができ、自重によるたわみも抑制することができる。たわみによる集光への悪影響を低減することができるので、この点でも集光率を向上させることができる。
また、前記反射鏡の反射面が、フレネル面であるものとすることができる。
このようなものであれば、より簡便に、太陽光を反射して集光させることができる。
また、本発明は、上記ヘリオスタット装置を一つ以上備えており、各々のヘリオスタット装置により支持され、反射面の角度が調整された前記1枚以上の反射鏡による太陽光の反射光をレシーバに集光して太陽熱を集熱するものであることを特徴とする太陽熱集熱装置を提供する。
または、上記ヘリオスタット装置を一つ以上備えており、各々のヘリオスタット装置により支持され、反射面の角度が調整された前記1枚以上の反射鏡による太陽光の反射光を太陽電池に集光するものであることを特徴とする太陽光集光発電装置を提供する。
このように、本発明のヘリオスタット装置を用いた太陽熱集熱装置あるいは太陽光集光発電装置を提供することができ、低コストで効率良く太陽エネルギーを利用することができる。なお、本発明のヘリオスタット装置は、例えばタワー型やクロスリニア型の集熱装置や集光発電装置に利用することが挙げられる。
また、前記太陽電池には、熱交換器が設けられているものとすることができる。
このようなものであれば、集光による温度上昇で太陽電池での発電効率が低下するのを抑制することができる。しかも、熱交換器で熱エネルギーを回収することができる。
また、前記太陽電池には、前記1枚以上の反射鏡により集光された反射光を前記太陽電池の受光面に導くための筒状の二次集光器が設けられているものとすることができる。
このようなものであれば、反射鏡からの反射光を太陽電池に直接的に集光させるほか、二次集光器に集光させれば太陽電池へ集光させることができる。したがって集光範囲を広げることができ、より簡便に、より効率良く太陽電池に集光させることができる。
また、前記ヘリオスタット装置は、前記ミラーフレームにより支持された集光レシーバを備えており、該集光レシーバは、前記太陽電池と、太陽光により太陽の位置を感知して信号を発信するセンサとを有しており、前記センサにより発信された信号に基づき、太陽の動きに追従するように、前記太陽電池による電力で、前記一対のアームと一対の南北回転軸棒とミラーフレームの一体的な東西方向の回転、および、前記ミラーフレームの南北方向の回転が制御されて、前記1枚以上の反射鏡の反射面の東西方向および南北方向の角度が自動的に調整可能なものとすることができる。
このようなものであれば、太陽電池とセンサによって、太陽を自動追尾するように反射鏡の反射面の角度を自動調整することができるので、極めて簡単に太陽光の反射光を太陽電池に集光させることが可能である。従来のような太陽追尾のためのコンピュータによる複雑な計算も省略することができ、手間もコストも削減できる。すなわち、中央制御の必要がない自立型のものとすることができる。
また、前記ヘリオスタット装置は、補助蓄電池または補助太陽電池をさらに備えており、前記補助蓄電池または前記補助太陽電池による電力で、夜から翌日の朝に、前記一対のアームと前記一対の南北回転軸棒と前記ミラーフレームとが一体的に西から東へ回転して、前記1枚以上の反射鏡の反射面が東へ向くように自動的に角度調整可能なものとすることができる。
このようなものであれば、自動的に、翌日の朝に、前述したセンサによる太陽の自動追尾が可能な状態にしておくことができるため簡便である。したがって、より完全に自立型のものとすることができる。
以上のように、本発明によれば、大きなミラーフレームの数やそれに必要な材料の量を減らすことができ、コストが低減され、運搬等の取り扱いも容易な上、簡便に反射面の角度調整をすることができるヘリオスタット装置を提供することができる。
本発明のヘリオスタット装置の一例を示す概略図である。 支柱と東西回転軸棒との関係の一例を示す説明図である。 アーム等を東西方向に回転させるための機構の一例を示す説明図である。 鼓型プーリーの一例を示す概略図である。 南北回転手段の一例を示す説明図である。 南北回転手段の他の一例を示す説明図である。 ミラーフレームの一例を示す説明図である。 枠と裏面支持部材との位置関係の一例を示す説明図である。 太陽熱集熱装置の一例を示す概略図である。 太陽光集光発電装置の一例を示す概略図である。 従来のヘリオスタット装置の一例を示す説明図である。 従来のヘリオスタット装置の他の一例を示す説明図である。 アーム等を東西方向に回転させるための機構の他の一例を示す説明図である。 南北回転手段の他の一例を示す説明図である。 南北チェーン長さ調整手段34の一例を示す説明図である。 ミラーフレームの他の一例を示す説明図である。 ミラーフレームと他の部材との位置関係の一例を示す説明図である。 ミラーフレームの形状を保持する構造体の一例を示す説明図である。 反射面がフレネル面である形態の一例を示す説明図である。 反射鏡が複数枚であり、反射面がフレネル面である形態の一例を示す説明図である。 アーム等を東西方向に回転させるための機構の他の一例を示す説明図である。 太陽電池の周辺構造の一例を示す説明図である。 太陽光集光発電装置の他の一例を示す概略図である。 補助太陽電池を備えた一例を示す説明図である。 補助蓄電池を備えた一例を示す説明図である。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1に本発明のヘリオスタット装置の一例を示す。
まず、ヘリオスタット装置1の全体的な仕組みについて説明する。主な構成としては、反射鏡2を支持する1つのミラーフレーム3と、一対の南北回転軸棒16と、東西回転軸棒5と、一対のアーム6と、支柱7が挙げられる。なお、取り付け可能な反射鏡2の枚数は、1枚以上であれば良く、したがって複数枚とすることもできるが、以下では1枚の反射鏡を取り付ける場合を例に挙げて説明する。また、説明上、ヘリオスタット装置1の構造が分かりやすいようにするため、図1を含めて図中において反射鏡2は透明にしている。
地面等に設置された支柱7に対し、東西回転軸棒5が軸回転可能なように取り付けられている。なお南北方向が回転軸方向である。また、東西回転軸棒5から東側および西側に向かって、それぞれアーム6が突き出ている。そして各々のアーム6の先端には、南北回転軸棒16が互いに対向するようにして軸回転可能に配設されている。なお、これらの一対の南北回転軸棒16は一直線上に並んでいて回転軸を共有しており、その回転軸方向は東西方向である。また、これらの南北回転軸棒16はミラーフレーム3と連結している。
反射鏡2の反射面の角度調整に関しては以下の通りである。
東西方向については、東西回転軸棒5を回転軸として、アーム6、南北回転軸棒16、ミラーフレーム3とが一体的に東西方向に回転されることで、反射鏡2の角度が調整される。
一方、南北方向については、一対の南北回転軸棒16を回転軸として、ミラーフレーム3が南北方向に回転されることで、反射鏡2の角度が調整される。
以下、さらに詳述する。
(東西方向の回転について)
東西回転軸棒5は、前述したように南北方向が回転軸方向となるように支柱7に取り付けられている。支柱7への取り付け方法は特に限定されず、東西回転軸棒5が軸回転可能であれば良い。また、支柱7の形状等は特に限定されず、東西回転軸棒5等や反射鏡2を強固に支持できるものであれば良い。
図2に支柱と東西回転軸棒との関係の一例を示す。図2は図1におけるA矢視図である。
図2のように、支柱7の上部に貫通孔8を設け、東西回転軸棒5と接続された支軸9を、貫通孔8を通して配設することができる。このような構造であれば、支軸9を軸回転させることにより、東西回転軸棒5を軸回転させることができる。
東西回転軸棒5は、その長さは特に限定されないが、ミラーフレーム3の南北方向の回転の妨げにならないように短くすることができる。長さが短ければ材料費も低減することができるし、取り扱いや運搬も容易である。
また、図1に示すように東西回転軸棒5の両側(東西方向)には一対のアーム6が取り付けられている。このアーム6の長さは南北回転手段4を介して連結されたミラーフレーム3の大きさに応じて決定することができる。またアーム6の形状は特に限定されず、円柱状のものや板状のものなど適宜決定することができる。ミラーフレーム3や反射鏡2の重さ等に応じて、適切に支持できるものを用意することができる。
東西回転軸棒5の軸回転により、アーム6をミラーフレーム3と一体になって東西方向に回転させることができる。
また、東西回転軸棒5を軸回転させる手段は特に限定されないが、例えばモーターを用いることができる。
図2に示すように、モーター10を設けて支軸9と接続する。モーター10の駆動制御によって、支軸9の軸回転および東西回転軸棒5の軸回転を制御することが可能である。モーター10は東西回転軸棒5等を介してアーム6等を回転させるのに必要な出力を有するものであれば良い。そもそもアーム6等の東西方向の回転は東西回転軸棒5を中心に回転するものであるため、比較的出力の小さいモーターでも十分である。小型のモーターであればコストを低減することができる。
また、図3にアーム等を、東西回転軸棒を回転軸として東西方向に回転させるための機構の他の一例を示す。
図3に示すように、一対のアーム6の両端に取り付けられた東西チェーン11と、該東西チェーン11が掛けられている東西チェーン長さ調整手段30とを有している。なお、ここでは東西チェーン長さ調整手段30の一例として鼓型プーリー12を有しているものを例に示す。
東西チェーン11は例えばラダーチェーンとすることができるが特には限定されない。鼓型プーリー12に適切に引っ掛かることができ、鼓型プーリーの回転により巻き取られ、反対側へと送り出されるものであれば良い。
また、鼓型プーリー12の一例を図4に示す。鼓型プーリー12は回転駆動可能なものであり、回転軸方向で鼓のように外径が変化している。すなわち、回転軸方向において内側に向かって外径が小さくなっている。
そして外周には、溝あるいは図4のように歯車のように突起13が螺旋状に設けられており、該突起13にラダーチェーン等のチェーン11を掛けることが可能である。
このような鼓型プーリー12の構成により、回転軸方向において外径の大きな外側では東西チェーン11が掛かっている範囲が広くなり(東西チェーン11が巻き取られている範囲が長くなり)、回転軸方向において外径の小さな内側では東西チェーン11が掛かっている範囲が狭くなる(東西チェーン11が巻き取られている範囲が短くなる)。
そして、鼓型プーリー12の回転駆動によって、鼓型プーリー12からアーム6の取り付け位置までの東西チェーン11の長さが調整され、併せて一対のアーム6等を東西回転軸棒5を回転軸として東西方向に回転させることができる。
スムーズにアーム6等が回転するように、突起13の配置等を適宜決定することができる。
なお、鼓型プーリー12を回転させる手段は特に限定されないが、例えば図3のように別のモーター14を用いることができる。この場合においてもアーム6等は東西回転軸棒5を中心に回転するので、小型のモーターでも十分にアーム6等を適切に回転させることができる。
鼓型プーリー12やモーター14を配設する位置は特に限定されないが、これらをアーム6よりも下方に配設することで、ヘリオスタット装置1全体の重心を下げることができ、安定性を増すことができる。
また、東西チェーン長さ調整手段の他の例について図13を参照して説明する。
図13に示すように、東西チェーン長さ調整手段30は、東西チェーン11が掛けられているプーリー32、該プーリー32の上方および下方に接続される2つのスプリング33、プーリー32を回転させるためのモーター31からなっている。スプリング33の他端の固定位置は特に限定されず、例えば支柱等に固定可能である。
そしてモーター31を回転駆動させることでプーリー32を回転させて、プーリー32から取り付け位置aまでの東西チェーン11の長さと、プーリー32から取り付け位置bまでの東西チェーン11の長さが調整されつつ、例えば東端が下がり西端が上がるようにしてアーム6がミラーフレームと一体的に回転する。
なお、スプリング33による引力や東西チェーンの張力などのバランスによってプーリー32の位置は決まる。このプーリー32の回転に伴い東西チェーン11の張力の変化が生じるものの、その変化した東西チェーン11の張力とスプリング33による引力との間で再度バランスが自動構築される。このためプーリー32は、その回転に応じて上記バランスが保たれるように位置が上下動することになる。
また、東西チェーン長さ調整手段のさらに他の例について図21を参照して説明する。
図21に示すように、東西チェーン長さ調整手段30は、東西チェーン11が掛けられているギア44、支柱7に設けられたレール45、ギア44と連結されており、レール45に沿って昇降可能な昇降体46からなっている。なお、ここでは昇降体46にギア44を回転させるためのモーターが内蔵されているが、昇降体46と分離してモーターを用意することも可能である。
そして、昇降体46内のモーターを回転駆動させることでギア44を回転させて、ギア44から取り付け位置Aまでの東西チェーン11の長さと、ギア44から取り付け位置Bまでの東西チェーン11の長さが調整されつつ、アーム6がミラーフレームと一体的に東西方向に回転する。
また、ギア44の回転によって東西チェーン11の張力に変化が生じ、該張力の変化に応じて、自動的に、ギア44と連結している昇降体46がレール45に沿って昇降してそれらの高さ位置が決まる。
以上、東西方向の回転に関して東西チェーン長さ調整手段について説明してきたが、図3や図13、図21などのような機構を有していれば、単にアーム6等を東西方向に回転させるばかりでなく、東西チェーン11の張力によって、アーム6をその位置に保持することができる。したがって風によって、アーム6や反射鏡2が揺れるのを防ぐことができ、太陽光を反射させるべき位置から反射光がずれてしまうのを抑制することができる。このため、所定位置に太陽光を安定して反射させることができ、集光率の向上を図ることができる。
なお、図4のような鼓型プーリーや、図13のようなスプリング付のプーリー、図21のギアと昇降体に限定されない。東西チェーン11を適切に巻き取り、これらのプーリーから取り付け位置までの東西チェーン11の長さを適切に調整することができ、アーム6等を適切に回転させることができるものであれば良く、他の形状のプーリーを用いることができるし、あるいは他の器具を用いたものとすることもできる。また、チェーンに限らずワイヤ等を用いた機構とすることもできる。
また、アーム6等を回転させる機構として、図2に示すモーター10のみの構成とすることもできるし、図3や図13、図21に示す機構のみとすることもできるが、図2と図3(または図13、図21)の構成を併設することもできる。
(南北方向の回転について)
次に、南北回転軸棒16について説明する。
図5は、一方のアーム6の先端付近の拡大図を示しており、特には南北回転軸棒16を有する南北回転手段の一例を示している。
南北回転手段4は、一対のアーム6のそれぞれの両端に設けられている。図5に示す例では、各々のアーム6の円柱状の先端部15の内側に、南北回転軸棒16を有する南北回転手段4が設けられている。この南北回転軸棒16にはモーターが付属しており、該付属モーターにより南北回転軸棒16を軸回転可能である。そして、各々の南北回転軸棒16は対向しており、ミラーフレーム3(ここでは四角形の枠)と連結されており、その軸回転によりミラーフレーム3を南北方向に回転させることが可能である。
図6に南北回転手段の他の一例を示す。
図5と異なって南北回転軸棒16には備え付けのモーターは設けられていないものの、アーム6の先端部15にはアクチュエータ17が併せて設けられており、かつ、該アクチュエータ17の先端部が南北回転軸棒16の側面と連結されている。アクチュエータ17の駆動により先端部が前進後退運動し、それによって連結された南北回転軸棒16が周方向に回転(すなわち軸回転)し、さらにはミラーフレーム3が南北方向に回転するように構成されている。
南北回転手段4はこれらの態様に限定されず、南北回転軸棒16を回転軸として、ミラーフレーム3を南北方向に適切に回転させることができる機構であれば十分である。なお、図5、6のような南北回転軸棒16の軸回転を利用する機構であれば、ミラーフレーム3を比較的小さなトルクで回転させることができるため、南北回転軸棒16の付属モーター等は小型のものでも済ますことができる。
また、図5、6では南北回転軸棒16を先端部15の内側に設けたが、配設位置はこれに限定されない。例えば、図14の他の一例のように、アーム6に対して垂直に、先端部15から突き出た箇所の端部に配設することもできる。このような端部に南北回転軸棒16を設けることで、該南北回転軸棒16に連結されたミラーフレーム3とアーム6とをより一層離すことができる。すなわち、ミラーフレーム3とアーム6との間に比較的広い空間を設けることができる。このような空間を設けておけば、ミラーフレーム3が、後述するような裏面支持部材を備える場合であっても、該裏面支持部材がアーム6と接触してミラーフレーム3の回転が阻害されることを効果的に防ぐことができる。
また、図5、6、14に示す例では、付属モーターやアクチュエータを利用して南北回転軸棒16自体を回転駆動させているが、これに限定されない。例えば、図3、13、21等のようにチェーンを利用する形態が挙げられる。
上記のように図3、13、21では東西回転軸棒を回転軸とするアームの東西回転のためにアームの東端と西端に東西チェーンを取り付けているが、南北回転軸棒を回転軸としてミラーフレームを南北方向に回転させるにあたっては、ミラーフレームの南北の2箇所に南北チェーンを取り付ける。例えば、ミラーフレームが四角形の枠である図1の場合、四隅のうちの北側と南側の角に取り付けることができる。
図15に南北チェーン長さ調整手段34の一例を示す。図15に示すように、南北チェーン長さ調整手段34は、南北チェーン38が掛けられているプーリー35、該プーリー35の上方および下方に接続される2つのスプリング36、プーリー35を回転させるためのモーター37からなっている。スプリング36の他端の固定位置は特に限定されず、例えば支柱等に固定可能である。
なお、南北チェーン長さ調整手段34の駆動やミラーフレーム3の回転(南北方向)の仕組みは、例えば図13の東西チェーン長さ調整手段の駆動やアームの回転(東西方向)の仕組みと同様とすることができる。
また、南北チェーン調整手段として、図15のようなスプリング付のプーリーではなく、鼓型プーリーを用いることもできる。この場合は、例えば図3の鼓型プーリーと同様のものとすることができ、同様の仕組みとすることができる。
あるいは、図21のようなギアと昇降体の組み合わせを用いることも可能である。
以上のように本発明における回転機構について説明してきたが、一方で従来のヘリオスタット装置としては、図11に挙げたようなものの他、図12のようなヘリオスタット機構が用いられている。反射鏡の裏面にT字の支柱(Tボーン)が取り付けられており、図12に示すようにTボーンの各部を回転させることによって、太陽の動きに合わせて反射鏡を任意に回転させることができる。
しかしながら、特には支柱周りに回転させる場合に(回転R)大きなトルクが必要となってしまう。すなわち、反射鏡の角度を制御するにあたって小型のモーターでは不十分な場合が生じる。
一方、図1−図6、図13−図15、図21のような東西方向および南北方向の回転機構であれば、前述したように小型のモーター等を用いて、より小さなトルクで十分にアーム6やミラーフレーム3を回転させ、反射鏡2の角度を所望の角度に調整することが可能である。
また、反射面の角度調整を東西方向と南北方向に分けて行うことができるので、Tボーンよりも制御を単純なものとすることができるとともに、精度を大幅に高めることができ、集光効率の向上を図ることができる。
次に、ミラーフレーム3について説明する。
ミラーフレーム3は1つだけ配設されており、反射鏡2を1枚以上支持することができるものであれば良く、その形状等は特に限定されない。図1のように、単に1枚のミラーの外周を囲う枠のものとすることもできるし、あるいは図7のようなものとすることもできる。
図7はミラーフレーム3の平面図である。位置関係が分かりやすいように、南北回転軸棒16、東西回転軸棒5、アーム6等も併せて図示した。
図7に示すミラーフレーム3は1つの四角形の枠(枠18)の他、裏面支持部材19からなっている。なお、ここでは枠18の4つの角がそれぞれ東西南北の方向に位置するよう配設されており、裏面支持部材19が北東から南西にかけて配設されていて枠18の北東の辺と南西の辺に接続されている。
なお、反射鏡2も併せて図示している。反射鏡2は、ここでは四角形のものが4枚配設されているが、四角形に限られず、円形のものなど適宜決定できる。枠18の四辺の各々の上に各々の反射鏡2が載置されている。反射鏡2の対角線と枠18の辺の位置が重なるように載置されており、反射鏡2は枠18の辺を支点に回転可能になっている。ここでは反射鏡2は枠18の内側に向かって傾斜するように配設されており(傾斜配設した反射鏡2は実線で描かれている。なお、参考として、傾斜させない場合(水平配設)を点線で示している)、その裏面は裏面支持部材19によって支持されている。このように傾斜して配設されており、4枚の反射鏡による太陽光の反射光を一点に集光することができる。傾斜角は焦点の位置に応じて適宜決定することができる。
また、例えば4枚とも傾斜せずに配設した場合、すなわち、4枚全体で1枚の平らな反射鏡のような状態では、反射鏡の正面方向から吹いてくる風をまともに受けてしまい、たわんだり揺れやすくなり、太陽光を集光させるのに効率が悪くなる。一方、上記のように4枚の反射鏡を傾斜配設することによって、正面からの風による抵抗を減らすことができ、集光率が低下するのを抑制できる。また、風による抵抗の影響を受けにくいので、反射鏡を回転させるための動力源の出力も比較的小さなものとすることが可能になる。
図8に枠18と裏面支持部材19との位置関係をさらに示す。図8は、図7におけるB矢視図である(すなわち、裏面支持部材19の縦断面図である)。なお、位置関係が分かりやすいようにミラーフレーム3の平面図も図8に併せて示す。
裏面支持部材19の形状等は特に限定されないが、ここでは複数の板材を組み合わせて構成されている。一端が枠18の辺と接続された2枚の支持板20や、支持板20の他の一端同士を接続する底板21、さらには梁22等から構成されている。支持板20の交差する箇所は切れ目の加工を入れて互いに嵌合し合うようにするなどの工夫を施すことができる。支持板20は傾斜して配設されており、その上面で反射鏡2の裏面を支持することができる。傾斜角は、前述したように反射光の焦点の位置に応じて適宜決定することができる。
なお、底板21や梁22を設けることによって、裏面支持部材19の構造をより強固にすることができ、反射鏡2をより一層強固に支持することができる。
当然これらの構造に限定されず、反射鏡2の裏面を支持できるものであればよく、適宜その構造を決定することができる。
また、北西から南東にかけて同様の裏面支持部材を設けることもできる。あるいは2つの裏面支持部材を適切に組み合わせて一体化させ、4枚全ての反射鏡の裏面を支持可能なものを用いることもできる。アームや東西回転軸棒などの回転機構の部品と干渉しないように適切な形状の裏面支持部材を用意することができる。
用いる反射鏡が大きくなればなるほど、それ自体の重さが重くなり、反射鏡自体に大きな撓みが生じやすく集光に悪影響が生じてしまう。しかし、上記のようなミラーフレーム3を使用し、複数の反射鏡を用いる形態であれば、1枚あたりの面積や重さを小さくすることができるため、撓みを抑制することができる。したがって集光率の向上を図ることができる。また反射鏡の製造や運搬をより容易に行うことができ、コスト面や取り扱いの面での改善を図ることができる。
さらには、反射鏡2の裏面を裏面支持部材19で支えることができるので、風による反射鏡の揺れを極めて抑制することができる。この点も集光率の向上につなげることができる。
なお、反射鏡2やミラーフレーム3を南北回転させる際に、ミラーフレーム3(特には裏面支持部材19)が、アーム6や東西回転軸棒5と接触しないように、それらの間に適当な間隔が設けられるよう、裏面支持部材19やアーム6等の形状を適宜決定することができる。
また、図16に他の形態のミラーフレームを示す。
このミラーフレーム40は、隣接する2つの菱形(正方形)の枠をさらに2本の棒で連結した形状となっている。
また、ミラーフレーム40と他の部材との位置関係を、図17において平面図(上図)と縦断面図(下図)で示す。ここでは、特に東西回転軸棒5、アーム6、南北回転軸棒16、支柱7との関係を示した。また、一例として、後述するような太陽光集光発電装置に用いられるものとし、太陽電池41およびそれを支持する支持台42も図示している。
図17に示すように、計2枚の反射鏡2が載置可能なものである。なお、各々分割して計8枚の反射鏡を載置させることもできる。またミラーフレーム40には上方に支持台42が連結されており、該支持台42に2つの太陽電池41が配設されており、反射鏡2による太陽光の反射光が太陽電池41に集光できるようになっている。
このように、ミラーフレームの形状は特に限定されず、種々の形状とすることができる。
また、図3や図15などのように、回転機構として東西チェーンや南北チェーンを備える形態の場合、ミラーフレームに、その形状を保持するための構造体をさらに設けることができる。
図18に形状保持のための構造体の一例を示す。なお、図18にはミラーフレーム3に南北チェーン38を取り付けた場合を示したが、東西チェーンを取り付ける場合も仕組みとしては基本的に同様である。構造体43はミラーフレーム3に対し、南北チェーン38と反対側に設けると特に良い。このような構造体43を設けてミラーフレーム3を保持することで、反対側からミラーフレーム3を引っ張る南北チェーン38に十分な張力を付与することができる。このため、チェーンの弛みなども防止することができ、回転機構に強度を付与して風などにも対抗しやすく、ミラーフレーム3の回転をより高精度で制御することができる。
なお、太陽光集光発電装置に用いる場合は、図17のような支持台42(レシーバ)を上記構造体43の機能を兼ね備えたものとすることもできる。
また、ミラーフレームにより支持される反射鏡の形態について説明する。
前述したように反射鏡の枚数は1枚以上であれば良く、その形状などは特に限定されない。例えば反射面がフレネル面であるものを用いることができる。図19の断面図は反射面にフレネル面を有するものを用いた場合の一例である。このようなフレネル面であれば、より簡便に太陽光を反射して1点に集光させることができる。
特には、図20のように複数枚の反射鏡を配設し(例えば4枚配設)、各反射鏡を傾斜配設して1点に集光させる場合と組み合わせると有効である。すなわち、図20は、図19のような1枚の大きな反射鏡を4分割したような形態であるが、反射鏡を傾斜配置させるのであれば、図19と同様の位置に焦点を合わせる場合、反射鏡の厚さをより一層小さくすることができる。傾斜配置させる分、フレネル面における角度を小さくすることができるからである。これによって反射鏡をより軽くすることができ、その扱いも容易にすることができる。なお、図20での傾斜角は5°であるが、当然これに限定されず、適宜決定することができる。
また、4枚の反射鏡の場合、フレネル面の切削構造は、その4枚の反射鏡全体の中心点を基準にした点対称となる。したがって各々の反射鏡が正方形の場合はフレネル面の切削構造は1種類のみとなる。また、長方形の場合は2種類となる。このように、反射鏡のフレネル面の切削構造の種類も半分以下にすることができる。
そして、上記本発明のヘリオスタット装置1を1つ以上備えた太陽熱集熱装置や太陽光集光発電装置を提供することができる。これらの装置は、効率良く簡便に反射鏡で集光することができる上、従来よりも低コストのヘリオスタット装置1を用いるため、装置全体のコストも低減することが可能である。
図9は太陽熱集熱装置の一例である。この太陽熱集熱装置23はクロスリニア型であり、複数本の反射ライン(南北方向)と1本以上の受光ライン(東西方向)が設定されている。各々の反射ラインにはヘリオスタット装置1が1つ以上配設されている。そして、受光ラインには1基以上のレシーバ24が配設されている。
反射ライン上のヘリオスタット装置1で角度調整された反射鏡2からの太陽光の反射光をレシーバ24に集光することで太陽熱を集熱することが可能になっている。そして、レシーバ24に集熱された熱を利用して媒体を温め、不図示の蒸気タービンやガスタービン等へ送られて発電することができる。
また、図10に太陽光集光発電装置の一例を示す。太陽光集光発電装置25(クロスリニア型)では、複数本の反射ライン上にヘリオスタット装置1が1つ以上配設されており、1本以上の受光ラインに配設されたレシーバには太陽電池26が支持されている。
そして、ヘリオスタット装置1で角度調整された反射鏡2からの太陽光の反射光を太陽電池26に集光することで発電することができる。
なお、図9や図10ではクロスリニア型の装置について説明したが、これに限定されず、例えばタワー型のものに本発明のヘリオスタット装置1を用いることも可能である。
また、図10や図17のような太陽電池に集光する装置に関して、太陽電池の周辺構造の一例について図22を参照してさらに説明する。
この例では、太陽電池47に対して、熱交換器48や二次集光器49を設けている。
反射光の集光によって太陽電池の温度が上昇するが、この温度上昇に伴って太陽電池での発電効率が低下するのを、熱交換器48を設けることで抑制することができる。この熱交換器自体は特に限定されない。例えば種々の冷媒(ガス、液体等)を用いた熱交換器とすることができる。太陽電池により電気エネルギーを得られるだけでなく、熱交換器48によって熱エネルギーをも回収できるので好ましい。
また、二次集光器49も、太陽電池47に対して配設され、太陽電池47の受光面55に反射光を集光できるものであれば良く、形状、素材等は特に限定されない。反射光が、太陽電池そのものから外れるように反射されたとしても、二次集光器の内側に向かって反射されていれば太陽電池に集光できる。したがって、集光範囲(反射許容範囲)を拡げることができ、反射鏡の反射角の精度等を弛めることができるので簡便である。効率良く集光することができる。
形状としては、筒状のものが挙げられる。例えば、太陽電池の配設側が窄まっている円錐や角錐のようなものとすることができる。また、太陽電池の配設位置と反対側、すなわち、反射光の入口側は、例えば、図22に示すように縁が丸まっているトランペット型のものとすることができる。このようなものであれば、縁に向かって反射された反射光を二次集光器の内側に向かって(すなわち太陽電池に向かって)取り入れ易く、効率良く集光することができる。なお、二次集光器は、当然、このような縁の形状のものに限られるものではない。
また、素材としては、例えばアルミを用いることができ、表面にその酸化皮膜を形成したものとすることができる。アルミを基材とすることで重さが軽いものとすることができ、運搬もし易くなる。また、図17のように太陽電池を支持するもの等が反射鏡やミラーフレーム等と一体になっている場合(この場合では二次集光器も含めて一体になっている場合)、共に回転させる際に二次集光器の重さが負荷になりにくいので好ましい。
また、太陽光集光発電装置の他の一例について図23を参照して説明する。
この太陽光集光発電装置のヘリオスタット装置では、ミラーフレーム3に集光レシーバ50が固定されている。該集光レシーバ50には、内側に太陽電池51が配設されており反射鏡2からの反射光が集光されるようになっている。一方、集光レシーバ50の外側にはセンサ52が配設されている。
ミラーフレームの形状は特に限定されず、また、それに固定された集光レシーバの形状も特に限定されない。ただし、集光レシーバの存在によって、反射鏡への太陽光が遮断されるのを抑制し、より多くの太陽光が反射鏡に照射されるように、その形状を考慮するのが好ましい。
このセンサ52は、太陽光の照射によってその照射方向を感知するものである。すなわち、太陽光の照射によって太陽の位置を感知するものであり、該太陽の位置・方向に関する信号を発信することができる。また、センサ52は、前述したような、東西方向および南北方向の反射鏡等の角度を制御する各手段に接続されている。そして、センサ52から発信された太陽の位置に関する信号に基づき、太陽の動きに追従するように、各手段によって自動的に反射鏡等の角度が自動調整されるようにプログラムが組まれている。図23に示す例では、集光レシーバ50の頭頂部にセンサ52が設けられており、太陽が昇っている間は、太陽を追いかけるので、常に、反射面の法線上に、太陽電池、センサ、太陽が並ぶようになっている。
当然、このセンサ52の配設位置は特に限定されず、太陽光を受けやすい位置に配設されていれば良い。
また、太陽電池51も、反射鏡等の角度を制御する各手段に接続されており、反射光が集光されることによって太陽電池51で発電された電力の一部で各手段を駆動させることが可能である。例えば図1等に示した各手段であれば、前述したように比較的少ない電力で反射鏡等を回転制御できるので、太陽電池51からの一部の電力で十分に制御可能である。
このように上記の太陽電池51やセンサ52を備えていることによって、日中、反射鏡等の角度の駆動、具体的な角度制御を自動的に行うことができる。たとえ、太陽の位置を計算して各手段に知らせる中央制御に相当するようなコンピュータがなくとも自動的に制御できるため簡便である。また、中央制御も必要なくなり、自立型の装置となるので、中央制御と接続するケーブル等も要らず、場所やコストの低減を図ることができる。
上記のような装置であれば、日中はセンサ52等の利用によって、太陽を自動追尾することができる。したがって太陽が沈む頃、反射鏡2の反射面やセンサ52は西を向くことになる。すると、太陽が沈んで翌朝に太陽が東から昇っても、太陽電池51、反射鏡の反射面、センサ52が反射鏡2の陰に隠れて太陽光が照射されず、反射鏡等の角度の自動調整ができない。そこで、夜間あるいは朝方に、前日の夕方に西を向いた反射鏡等を東へ自動的に回転させて角度調整するための補助太陽電池を設けると良い。
また、曇りが多い日で、センサ52で太陽の位置を捉えきれないとき(すなわち、センサ52が太陽を見失い、太陽の位置に関する信号を発信できないとき)などにも、補助太陽電池の存在は有効である。
この補助太陽電池を備えた例を図24に示す。図24に示すように、朝方の太陽光の照射によって補助太陽電池53で発電され、その電力を用いて反射鏡の反射面を東へ向くように回転駆動させることが可能である。補助太陽電池53の形状や配設位置としては、例えばミラーフレームの端部に半球状のものを設けることができる。しかしながら、当然これに限定されず、朝方や、曇りから回復したときに、太陽光が照射されやすい位置、形状であれば良い。例えば、反射鏡の裏側や支柱に配設したり、湾曲した板状のものとすることもできる。
また、補助太陽電池の代わりに、図25に示すように補助蓄電池54を備えたものとすることもできる。一日に一度、あるいは曇りのときを想定して数度程度、反射鏡等を回転させることができれば良いので、低容量のもので十分に済ますことができる。また太陽電池51による電力の一部で充電できるものとすることもできる。
このようなものであれば、夜のうちに反射鏡の反射面を東に向くように角度調整可能である。
このような補助手段をも備えておくことで、より一層、完全な自立型の装置とすることができる。コストや、設置地域の日照条件等によって、その装備を適宜決定することができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
1…本発明のヘリオスタット装置、 2…反射鏡、 3、40…ミラーフレーム、
4…南北回転手段、 5…東西回転軸棒、 6…アーム、 7…支柱、
8…貫通孔、 9…支軸、 10、14、31、37…モーター、
11…東西チェーン、 12…鼓型プーリー、 13…突起、
15…アームの先端部、 16…南北回転軸棒、 17…アクチュエータ、
18…四角形の枠、 19…裏面支持部材、 20…支持板、 21…底板、
22…梁、 23…太陽熱集熱装置、 24…レシーバ、
25…太陽光集光発電装置、 26、41、47、51…太陽電池、
30…東西チェーン長さ調整手段、 32、35…プーリー、
33、36…スプリング、 34…南北チェーン長さ調整手段、
38…南北チェーン、 42…支持台、 43…構造体、
44…ギア、 45…レール、46…昇降体、 48…熱交換器、
49…二次集光器、 50…集光レシーバ、
52…センサ、 53…補助太陽電池、 54…補助蓄電池、
55…太陽電池の受光面。

Claims (13)

  1. 太陽光を反射する1枚以上の反射鏡の反射面の角度を太陽の動きに追従させて調整するヘリオスタット装置であって、
    前記1枚以上の反射鏡を支持する1つのミラーフレームと、該ミラーフレームと連結してミラーフレームを南北方向に回転させるための東西方向を回転軸方向とする一対の南北回転軸棒と、前記ミラーフレームを東西方向に回転させるための南北方向を回転軸方向とする東西回転軸棒と、該東西回転軸棒から東側および西側に向かって突き出ている一対のアームと、前記東西回転軸棒を軸回転可能に支持する支柱とを有しており、
    前記一対のアームの先端には、前記一対の南北回転軸棒が互いに対向して軸回転可能に配設されており、
    前記東西回転軸棒を回転軸として、前記一対のアームと前記一対の南北回転軸棒と前記ミラーフレームとが一体的に東西方向に回転されることで、前記ミラーフレームに支持された1枚以上の反射鏡の反射面の東西方向の角度が調整されるものであり、
    前記一対の南北回転軸棒を回転軸として、前記ミラーフレームが南北方向に回転されることで前記1枚以上の反射鏡の反射面の南北方向の角度が調整されるものであることを特徴とするヘリオスタット装置。
  2. 前記東西回転軸棒に接続されており該東西回転軸棒の軸回転を制御するモーターをさらに有するものであることを特徴とする請求項1に記載のヘリオスタット装置。
  3. 前記一対のアームの両端に取り付けられた東西チェーンと、該東西チェーンが掛けられた東西チェーン長さ調整手段とをさらに有しており、
    該東西チェーン長さ調整手段の駆動により、該東西チェーン長さ調整手段から前記アームの取り付け位置までの東西チェーンの長さが調整されつつ、前記一対のアームが前記ミラーフレームと一体的に前記東西回転軸棒を回転軸として東西方向に回転されるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヘリオスタット装置。
  4. 前記ミラーフレームに南北にわたって取り付けられた南北チェーンと、該南北チェーンが掛けられた南北チェーン長さ調整手段とをさらに有しており、
    該南北チェーン長さ調整手段の駆動により、該南北チェーン長さ調整手段から前記ミラーフレームの取り付け位置までの南北チェーンの長さが調整されつつ、前記ミラーフレームが前記南北回転軸棒を回転軸として南北方向に回転されるものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヘリオスタット装置。
  5. 前記ミラーフレームの形状を保持するための構造体をさらに有するものであることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヘリオスタット装置。
  6. 前記ミラーフレームは、四角形の枠と裏面支持部材とを有しており、
    前記枠の四辺の各々には前記反射鏡が1枚ずつ枠の内側に向かって傾斜して配設されるものであり、前記裏面支持部材は前記傾斜して配設される反射鏡の裏面を支持するものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のヘリオスタット装置。
  7. 前記反射鏡の反射面が、フレネル面であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のヘリオスタット装置。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のヘリオスタット装置を一つ以上備えており、各々のヘリオスタット装置により支持され、反射面の角度が調整された前記1枚以上の反射鏡による太陽光の反射光をレシーバに集光して太陽熱を集熱するものであることを特徴とする太陽熱集熱装置。
  9. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のヘリオスタット装置を一つ以上備えており、各々のヘリオスタット装置により支持され、反射面の角度が調整された前記1枚以上の反射鏡による太陽光の反射光を太陽電池に集光するものであることを特徴とする太陽光集光発電装置。
  10. 前記太陽電池には、熱交換器が設けられているものであることを特徴とする請求項9に記載の太陽光集光発電装置。
  11. 前記太陽電池には、前記1枚以上の反射鏡により集光された反射光を前記太陽電池の受光面に導くための筒状の二次集光器が設けられているものであることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の太陽光集光発電装置。
  12. 前記ヘリオスタット装置は、前記ミラーフレームにより支持された集光レシーバを備えており、該集光レシーバは、前記太陽電池と、太陽光により太陽の位置を感知して信号を発信するセンサとを有しており、
    前記センサにより発信された信号に基づき、太陽の動きに追従するように、前記太陽電池による電力で、前記一対のアームと一対の南北回転軸棒とミラーフレームの一体的な東西方向の回転、および、前記ミラーフレームの南北方向の回転が制御されて、前記1枚以上の反射鏡の反射面の東西方向および南北方向の角度が自動的に調整可能なものであることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか一項に記載の太陽光集光発電装置。
  13. 前記ヘリオスタット装置は、補助蓄電池または補助太陽電池をさらに備えており、
    前記補助蓄電池または前記補助太陽電池による電力で、夜から翌日の朝に、前記一対のアームと前記一対の南北回転軸棒と前記ミラーフレームとが一体的に西から東へ回転して、前記1枚以上の反射鏡の反射面が東へ向くように自動的に角度調整可能なものであることを特徴とする請求項12に記載の太陽光集光発電装置。
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