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
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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