JP2016513231A - 太陽追尾式集光装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、太陽追尾式集光装置に関し、ベースフレーム上部で太陽の東西の移動を追尾する東西追尾手段と、東西追尾手段上に立設された支持体と、支持体に軸支され、第１のパラボラの焦点位置よりも後方に第２のパラボラを配置して第１のパラボラの中央に高密度光を集光する集光用パラボラシステムと、集光用パラボラシステムが太陽の高度を追尾するように支持体上に設置された高度追尾手段と、を備え、第１のパラボラの中央に形成された光透過孔と、光透過孔の背面に位置し支持体に軸支されるとともに、高度追尾手段の高度追尾用モーターからの動力により回動するよう設置されたプリズムケースと、プリズムケースに結合された全反射直角プリズムにより構成された光誘導手段と、をさらに備え、光誘導手段は高度追尾手段の回動角の１／２だけ回動するようにし、高密度光を常に同じ位置に誘導し供給できるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽の位置変化に合わせてパラボラが移動できるように構成された太陽追尾式集光装置に関し、特に、パラボラによって集光された高密度光を全反射直角プリズムを用いて常に所定の位置（方向）に供給することで蓄熱装置を効率的に加熱することができる太陽追尾式集光装置に関する。

太陽熱ボイラー等に高密度の太陽熱を供給するための太陽追尾式集光装置が提案されている。

韓国登録特許第１０−０８７４５７５号公報、第１０−０８７４５７５号公報（２００８年１２月１０日）の太陽光集光器用太陽追尾装置、韓国公開特許第１０−２０１１−０１１９４４６号公報（２０１１年１１月２日）の太陽センサーを利用した太陽追尾システム及びこれを利用した太陽追尾方法、韓国公開特許第１０−２０１０−０１０２４０２号公報（２０１０年９月２４日）の太陽電池パネルの太陽追尾装置等が提案されている。

これらの従来技術は、日の出から日没まで太陽の高度と東西方向の位置を追尾して集光効果を高めたもので、太陽熱の効率的な集光を行うことができる。

一方、上記太陽追尾装置等によって集光された高密度光を利用する方法としては、韓国公開特許第１０−２００９−０１１７７３３号公報（２００９年１１月１２日）の太陽エネルギーの電気及び／または熱エネルギーへの変換に関する技術が提案されている。この技術は、光エネルギーを受光するとともに焦点位置に集光するよう構成され配置された凹面鏡を有する第１のパラボラ鏡と、第１のパラボラ鏡によって集光された光エネルギーを受光するとともに環状受光装置に集光するよう構成され配置された凸面鏡を有する第２の鏡と、を備え、環状受光装置は太陽光を受光するとともに焦点位置に集光するよう構成され配置された凹面鏡を有する。

しかし、上述した構成の場合、別個に設置される環状集光装置において熱交換を行うよう構成されるため、強力な熱源としての使用が困難で経済性に乏しく、産業分野での使用に課題を有していた。

韓国登録特許第１０―０８７４５７５号公報 韓国公開特許第１０―２０１１―０１１９４４６号公報 韓国公開特許第１０―２０１０―０１０２４０２号公報

そこで、本発明者は、上述した従来の太陽追尾式集光装置及びパラボラシステムの構成が抱える諸問題を解決すべく研究開発を行った。本発明は、パラボラによって集光された高密度光を全反射直角プリズムを用いて常に所定の位置（方向）に供給できるようにし、熱貯蔵装置を効率的に加熱することができる太陽追尾式集光装置を提供する。

課題を解決する手段として、本発明では、ベースフレームの上部で太陽の東西方向の移動を追尾する東西追尾手段と、東西追尾手段に立設された支持体と、支持体に軸支されるように設置されるとともに、広い面積を有する第１のパラボラの焦点位置よりも少し超えた位置に第２のパラボラを設置して第１のパラボラの中央部に高密度光を集光するようにした集光用パラボラシステムと、集光用パラボラシステムが太陽の高度を追尾するように支持体に設置された高度追尾手段と、を備える太陽追尾式集光装置において、集光用パラボラシステムの第１のパラボラの中央に形成された光透過孔と、光透過孔の背面に位置するように支持体に軸支されて設置されるとともに、高度追尾手段の高度追尾用モーターからの動力によって回動するように設置されたプリズムケースと、プリズムケースに結合された全反射直角プリズムによって構成された光誘導手段と、をさらに備え、光誘導手段は高度追尾手段の回動角の１／２だけ回動するようにして、常に同じ位置に高密度光を誘導し供給することができるようにした。

また、東西追尾手段を構成する回転支持板上に、光誘導手段の全反射直角プリズムから供給される高密度光を誘導する高密度光透過用安全管を立設し、高密度光透過用安全管の下側のベースフレームには、第３の区域に高密度光を誘導し供給する誘導用全反射直角プリズムをさらに設置した。

本発明にかかる太陽追尾式集光装置を利用することで、日の出から日没まで太陽光を連続的に集光することができ、太陽光の集光率を画期的に高めることができる。

また、本発明では、光誘導手段が高度追尾手段の回動角の１／２だけ回動するように設計される。このような構成によって、パラボラシステムの位置変化に関係なく常に同じ位置に高密度光を誘導した状態で、高密度光透過用安全管の下方に設置される全反射直角プリズムを用いて高密度光を第３の区域に誘導し供給することができる。それゆえ、複数の太陽追尾式集光装置によって集光された高密度光を１ヶ所に集めることで１０００℃以上の加熱温度を供給することが可能となり、太陽熱ボイラー等として好適に用いることができるという効果が期待される。

本発明の一実施形態にかかる太陽追尾式集光装置の正面図である。 図１の側面図である。 図１の平面図である。 本発明の一実施形態にかかる光誘導手段の構成を示した斜視図である。 本発明の一実施形態における高度追尾手段及び光誘導手段の回動に応じた全反射直角プリズムでの高密度光の移動状態を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる太陽追尾式集光装置を配列して構成された太陽熱ボイラーの一例を示した正断面図及び平面図である。

以下において、本発明の一実施形態にかかる太陽追尾式集光装置を図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置の正面図であり、図２は図１の側面図であり、図３は図１の平面図である。

本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置１は、ベースフレーム２が地面上に水平に設置されるよう構成される。

ベースフレーム２の上部には太陽の東西方向の移動を追尾する東西追尾手段３が設置され、東西追尾手段３には支持体４が立設され、支持体４の上端には集光用パラボラシステム５が軸設される。集光用パラボラシステム５は、支持体４上に設置た太陽の高度を追尾する高度追尾手段６によって、太陽の高度に合わせて回動する。

ベースフレーム２の上面に接する車輪３２は東西追尾手段３に結合される。回転支持板３１は、東西追尾手段３の中心にある回転軸管３３に設置され、ベアリング２ａによってベースフレーム２と結合されることにより回転する。回転支持板３１の前方端には、駆動チェーン３４が取り付けられており、ベースフレーム２に設置されるとともに正方向及び逆方向に駆動可能な東西追尾用モーター３５に結合されるスプロケット３６は、駆動チェーン３４と結合され、回転支持板３１を所定角度だけ回転させることができる。

支持体４は回転支持板３１上に左右対称に２つ設けられ、支持体４の上端にはベアリング４ａによって支持される回動軸７が設置される。

ブラケット５２は、集光用パラボラシステム５の第１のパラボラ５１の背面に突出し、回動軸７に固定される。

集光用パラボラシステム５において、第２のパラボラ５３は半球形（凹面鏡）の形状を有するとともに、中央に光透過孔５１ａが形成された第１のパラボラ５１の前方かつ第１のパラボラの焦点位置の少し超えた位置に設置され、これにより高密度光が第１のパラボラ５１の中心部に反射される。第２のパラボラ５３は、第１のパラボラ５１の端部に設けられた数個のパラボラ支持体５４によって支持される。

第２のパラボラ５３の設置位置に関して、第２のパラボラ５３を第１のパラボラ５１の焦点位置より前方に設置すると、反射される光の直進性が低下する。また、第２のパラボラ５３を第１のパラボラ５１の焦点位置に設置すると、第２のパラボラ５３の光集積度が高くなり使用できなくなる。そこで、第２のパラボラ５３を第１のパラボラ５１の焦点位置より少し超えた位置に設置するようにし、第１のパラボラ５１の焦点距離が２〜３ｍである場合には、第２のパラボラ５３を第１のパラボラ５１の焦点位置から２０〜３０ｍｍ超えた位置に設置することが好ましい。

このような構成を有する集光用パラボラシステム５では、太陽光は第１のパラボラ５１によって反射され、反射された太陽光は第１のパラボラ５１の焦点位置の後方に設置された第２のパラボラ５３に集光され、集光された高密度光は第２のパラボラ５３によって第１のパラボラ５１の中央に形成された光透過孔５１ａに向かって再び反射される。このようにして、広い集光面を有する第１のパラボラ５１から供給される光を圧縮する効果が得られる。

一方、集光用パラボラシステム５は、上述したように、支持体４上に設置された高度追尾手段６によって太陽の高度に合わせて回動する。

高度追尾手段６は、支持体４に正方向及び逆方向の両方向の動力を供給する高度追尾用モーター６１と、集光用パラボラシステム５が結合された回動軸７にそれぞれ設置された第１の駆動スプロケット６２及び第１の従動スプロケット６３とが設置され、チェーン６４によって連結された構成となっている。

東西追尾用モーター３５及び高度追尾用モーター６１の移動距離及び時間は季節によって異なってもよく、これらは図示しない別途の制御手段によって一括的に駆動制御される。

上記で説明した太陽追尾式集光装置１の構成は、一般的に知られた技術であり、東西追尾手段３、集光用パラボラシステム５、及び高度追尾手段６の構成は、種々の公知の構成に置き換えてもよい。

本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置１は、上記のような構成によって集光された高密度光を他の区域に移送して使用できるようにする独自の技術をさらに備える。

すなわち、本実施形態では、光誘導手段８が集光用パラボラシステム５の第１のパラボラ５１の中央に形成された光透過孔５１ａと直線上に位置合わせされるように第１のパラボラ５１の背面に設置され、集光用パラボラシステム５によって集光された高密度光を常に同じ方向に供給することができる。

本実施形態では、光誘導手段８は２つの支持体４の両方に支持されるようにプリズム用回動軸８１が設置され、プリズムケース８２はプリズム用回動軸８１に結合される。

全反射直角プリズム８３はプリズムケース８２内に設置され、光透過孔５１ａを通じて供給される高密度光を他の区域に反射する。ここで、全反射直角プリズム８３は、直角部分が集光用パラボラシステム５の方向を向くように配置される。

また、高度追尾用モーター６１に設置された第２の駆動スプロケット８４とチェーン８６によって連結された第２の従動スプロケット８５は、プリズム用回動軸８１上に設置され、高度追尾の際に集光用パラボラシステム５と一緒に駆動される。

ここで、集光用パラボラシステム５を駆動する第１の駆動スプロケット６２とチェーン６４によって連結された第１の従動スプロケット６３が１回転する時、光誘導手段８を駆動する高度追尾用モーター６１に設置された第２の駆動スプロケット８４とチェーン８６によって連結された第２の従動スプロケット８５が０．５回転するようにギア比を構成する。

このような構成によれば、集光用パラボラシステム５に動きがある場合でも常に同じ方向に高密度光を誘導することができる。

本実施形態は集光用パラボラシステム５及び光誘導手段８を備えるため、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、供給される高密度光の角度が変わっても常に同じ方向に高密度光を誘導することができる。

すなわち、図５（ａ）に示すように、日の出時において、集光用パラボラシステム５の第１のパラボラ５１に形成された光透過孔５１ａが水平状態に配置される場合、光誘導手段８を構成する全反射直角プリズム８３の入射面８３ａ及び出射面８３ｂが互いに直角に配置され、高密度光を下方に誘導する。図５（ｂ）は第１のパラボラ５１に形成された光透過孔５１ａが水平な状態から２４度回動した状態を示すものであり、光誘導手段８を構成する全反射直角プリズム８３の入射面８３ａ及び出射面８３ｂが１２度回動し、出射面８３ｂから高密度光を下方に誘導する。

また、図５（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は、第１のパラボラ５１に形成された光透過孔５１ａが水平な状態からそれぞれ４８度、７２度、９０度回動した状態を示すものであり、光誘導手段８を構成する全反射直角プリズム８３の入射面８３ａ及び出射面８３ｂがそれぞれ半分の２４度、３６度、４５度だけ回動して、高密度光を下方に誘導する。集光用パラボラシステム５が太陽の高度に合わせて動いていても、高密度光を常に一方向に、すなわち下方に誘導して供給する。

一方、本実施形態では上記のような光誘導手段８によって高密度光を誘導した後、第３の区域に供給することができる。

このために、本実施形態では、安全管９が、光誘導手段８を構成する全反射直角プリズム８３の下方かつ支持体４が立設される回転支持板３１の中央部に立設され、さらに、回転支持板３１の下方のベースフレーム２には、高密度光を第３の区域に誘導し供給する誘導用全反射直角プリズム１０が安全管９の中心と位置合わせされた場所に設置される。

図面において、未説明符号１００は、本実施形態にかかる複数の太陽追尾式集光装置１によって供給される高密度光を貯蔵する蓄熱装置を示す。

図６に示すように、上記のような構成を有する本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置１を複数配置して熱貯蔵装置１００に高密度光を供給することで、家庭用又は商業用の太陽熱ボイラーとして用いることができる。以下、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置１は、図示しない制御手段によって制御され、日の出から日没まで太陽を追尾して太陽光を集光する。

すなわち、本実施形態によれば、日の出とともに東西追尾手段３の東西追尾用モーター３５と高度追尾手段６の高度追尾用モーター６１とが同時に駆動し、集光用パラボラシステム５の第１のパラボラ５１が太陽を追尾する。

上記のように太陽を追尾する第１のパラボラ５１によって集光された高密度光は、第１のパラボラ５１の焦点位置より後方に位置する第２のパラボラ５３によって再集光された後、第１のパラボラ５１の中央に形成された光透過孔５１ａに供給される。

上記のように光透過孔５１ａに供給された高密度光は、高度追尾手段６によって回動する第１のパラボラ５１の回動角の１／２だけ回動するよう設置されているため、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、集光用パラボラシステム５の回動に関係なく高密度光を一方向に誘導する。光誘導手段８によって誘導された高密度光は、ベースフレーム２に固設された誘導用全反射直角プリズム１０によって第３の区域に供給される。

以上において本発明の特定の実施形態についての詳細な説明を行ったが、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様な変形が可能であることは言うまでもない。よって、本発明の技術的範囲は上記で説明した実施形態に限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲、及びそれらの均等な範囲等によって定められるべきである。

本発明にかかる太陽追尾式集光装置は、家庭用太陽熱ボイラー以外にも、産業用太陽熱ボイラー、発電用蓄熱装置の熱源等として用いることができる。

Claims (2)

1. ベースフレーム（２）の上部で太陽の東西方向の移動を追尾する東西追尾手段（３）と、
   前記東西追尾手段（３）上に立設された支持体（４）と、
   前記支持体（４）に軸支されるように設置されるとともに、広い面積を有する第１のパラボラ（５１）の焦点位置よりも後方に第２のパラボラ（５３）を配置して第１のパラボラ（５１）の中央部に高密度光を集光するようにした集光用パラボラシステム（５）と、
   前記集光用パラボラシステム（５）が太陽の高度を追尾するように前記支持体（４）上に設置された高度追尾手段（６）と、
   を備える太陽追尾式集光装置（１）であって、
   前記集光用パラボラシステム（５）の前記第１のパラボラ（５１）の中央に形成された光透過孔（５１ａ）と、
   前記光透過孔（５１ａ）の背面に位置するように前記支持体（４）に軸支されて設置されるとともに、前記高度追尾手段（６）の高度追尾用モーター（６１）からの動力によって回動するように設置されたプリズムケース（８２）と、
   前記プリズムケース（８２）に結合された全反射直角プリズム（８３）によって構成された光誘導手段（８）と、をさらに備え、
   前記光誘導手段（８）は前記高度追尾手段（６）の回動角の１／２だけ回動するようにして、高密度光を常に同じ位置に誘導し供給する
   太陽追尾式集光装置。
2. 前記東西追尾手段（３）の回転支持板（３１）上に、前記光誘導手段（８）の前記全反射直角プリズム（８３）から供給された高密度光を誘導する高密度光透過安全管（９）が立設され、
   前記高密度光透過安全管（９）の下方の前記ベースフレーム（２）に、高密度光を第３の区域に誘導し供給する誘導用全反射直角プリズム（１０）がさらに設置される
   請求項１に記載の太陽追尾式集光装置。

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