JP2017180998A - 集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射して、集光効率を向上させることが可能な集光装置を提供する。【解決手段】集光装置１０は、北側反射板１４及び北側追尾機構２０を備える。北側反射板１４は、下端１４ｂが集光位置１２よりも上側に配置され、且つ反射面１４ａが集光位置１２に北側から臨むように集光位置１２よりも北側に配置される。北側追尾機構２０は、鉛直方向に沿う北側第１回転軸３１を中心に北側反射板１４を回動させる北側第１駆動部２８と、水平方向に沿う北側第２回転軸３２を中心に北側反射板１４を回動させる北側第２駆動部３０と、北側第１駆動部２８と北側第２駆動部３０を制御する北側制御部とを備え、太陽Ｓの位置に応じて北側反射板１４の反射面１４ａの向きを調整可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽の直射光及び反射光の両方を集光位置に入射するための集光装置に関する。

受光面（集光位置）に太陽光を集光して集光効率を向上させるための集光装置として、例えば、特許文献１に、ルーフに設置された太陽電池の受光面に対し、反射板で反射された太陽光を入射するものが開示されている。しかしながら、この集光装置は、反射光を入射するのみであり、直射光を受光面に入射する構成は設けられていない。このため、受光面に対する集光効率を向上させることは容易ではない。

そこで、特許文献２には、集熱板の受光面（集光位置）に直射光及び反射光の両方を入射する構成が提案されている。この構成では、直射光が入射されるように設置された集熱板の下端縁に、該下端縁に沿う方向を回転軸として、回動可能に反射鏡体の一端縁が連結支持されている。従って、反射鏡体を回動させて、集熱板の受光面に対する反射鏡体の反射面の傾斜角度を調整することにより、集熱板に対して直射光と、反射鏡体を介した反射光との両方が入射される。また、特許文献２には、太陽の高度に応じて前記傾斜角度を調整することで、集光効率を向上させることが提案されている。

特開平６−８６４０６号公報 特開平１１−５１４９６号公報

ところで、太陽は、地球の公転及び自転に伴って、高度のみではなく方位角も時間や季節ごとに変化する。特許文献２記載の構成では、太陽の方位角の変化に伴う太陽光の入射角度の変化に対応することが容易ではない。

つまり、特許文献２記載の構成では、例えば、集光効率を向上させるべく受光面を南に向けて集熱板を設置した場合、集熱板の東西方向（下端縁の延在方向）に沿う長さと、反射鏡体の東西方向（一端縁の延在方向）に沿う長さが同じである。このため、東側（方位角９０°付近）にある太陽の太陽光を反射鏡体で反射させた反射光は、集熱板の受光面よりも西側にずれて入射する懸念がある。これとは逆に、西側（方位角２７０°付近）にある太陽の太陽光を反射鏡体で反射させた反射光は、集熱板の受光面よりも東側にずれて入射する懸念がある。

また、上記の通り太陽の方位角が変化することに伴い、反射鏡体に対して東西方向にずれる太陽光に対しては、特許文献２記載の構成のように、東西方向を回転軸として反射鏡体を回動させても、反射光を受光面に導くことができる範囲に限界がある。従って、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射して、集光効率を向上させることは容易ではない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射して、集光効率を向上させることが可能な集光装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、太陽の直射光及び反射光の両方を集光位置に入射するための集光装置であって、下端が前記集光位置よりも上側に配置され、且つ前記集光位置に向かって太陽光を反射する反射面が前記集光位置に北側から臨むように前記集光位置よりも北側に配置される北側反射板と、太陽の位置に応じて前記北側反射板の反射面の向きを調整可能とする北側追尾機構と、を備え、前記北側追尾機構は、鉛直方向に沿う北側第１回転軸を中心に前記北側反射板を回動させて、東西方向と該北側反射板とがなす北側第１角度を調整可能とする北側第１駆動部と、水平方向に沿う北側第２回転軸を中心に前記北側反射板を回動させて、鉛直方向と該北側反射板とがなす北側第２角度を調整可能とする北側第２駆動部と、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた前記北側第１角度及び前記北側第２角度を北側設定値として求め、前記北側第１駆動部及び前記北側第２駆動部を制御して、前記北側第１角度及び前記北側第２角度が前記北側設定値となるように前記北側反射板を回動可能とする北側制御部と、を有し、前記北側制御部は、前記集光位置の緯度データ及び経度データと、前記北側反射板の反射面の位置及び形状と前記集光位置との関係を示すデータと、年間の日付及び時刻と前記北側第１角度との相関を示す北側第１相関データと、年間の日付及び時刻と前記北側第２角度との相関を示す北側第２相関データと、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとに基づいて、前記北側設定値を求めることを特徴とする。

本発明に係る集光装置では、上記の通り、北側反射板が集光位置と太陽との間に介在することなく配置されるため、集光位置に入射される太陽の直射光が該北側反射板により遮られることがない。このため、集光位置に対して、直射光と、該北側反射板による反射光との両方を良好に入射することができる。

また、北側追尾機構では、鉛直方向に沿う北側第１回転軸及び水平方向に沿う北側第２回転軸の両方を中心として北側反射板を回動させることにより、太陽の位置（高度及び方位角）に応じて反射面の向きを調整することができる。

具体的には、北側追尾機構では、北側制御部により、北側第１相関データ及び北側第２相関データに基づいて、集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた北側第１角度及び北側第２角度を北側設定値として求める。そして、この北側設定値に応じて北側反射板を回動させるように北側第１駆動部及び北側第２駆動部を制御する。

これらの北側第１相関データ及び北側第２相関データは、以下のようにして求めることができる。すなわち、集光位置の緯度データ及び経度データから、年間の日付及び時刻のそれぞれにおける太陽の位置（高度及び方位角）が特定されるため、この太陽の位置から集光位置に対する太陽光の入射角度を求めることができる。この太陽光の入射角度と、北側反射板の反射面の位置及び形状と集光位置との関係を示すデータとに基づいて、年間の日付及び時刻ごとの、北側反射板による反射光が集光位置に良好に入射する北側第１角度及び北側第２角度を、それぞれ北側第１相関データ及び北側第２相関データとして得る。

従って、北側第１相関データ及び北側第２相関データと、集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとから求められる北側設定値は、該日付及び時刻において、北側反射板による反射光が集光位置に良好に入射する北側第１角度及び北側第２角度である。このため、北側追尾機構により、太陽の位置に応じて北側反射板の反射面の向きを調整することで、該反射面での反射光を季節や時間帯を問わず効率的に集光位置に入射することができる。

また、上記の通り、太陽の方位角が変化することに伴い、北側反射板の反射面に入射する太陽光が東西方向（水平方向）に変化することに応じて、鉛直方向に沿う北側第１回転軸まわりに北側反射板を回動させて反射面の向きを調整することができる。このため、北側反射板の東西方向の長さを増大させることなく、反射光を集光位置に効率的に導くことができる。

同様に、太陽の高度が変化することに伴い、北側反射板の反射面に入射する太陽光が鉛直方向に変化することに応じて、水平方向に沿う北側第２回転軸まわりに北側反射板を回動させて反射面の向きを調整することができる。このため、北側反射板の鉛直方向の長さを増大させることなく、反射光を集光位置に効率的に導くことができる。すなわち、この集光装置では、北側反射板の反射面の面積を増大させることなく集光効率を向上させることができるため、効果的に小型化を図ることができる。

以上から、この集光装置によれば、北側反射板の小型化を図りつつ、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射して、集光効率を向上させることが可能である。

上記の集光装置において、下端が前記集光位置よりも上側に配置され、北側端部が集光位置よりも南側に配置され、前記集光位置に向かって太陽光を反射する反射面が前記集光位置に東側又は西側の少なくとも一方から臨むように前記集光位置よりも東側又は西側の少なくとも一方に配置される東西側反射板と、太陽の位置に応じて前記東西側反射板の反射面の向きを調整可能とする東西側追尾機構と、を備え、前記東西側追尾機構は、鉛直方向に沿う東西側第１回転軸を中心に前記東西側反射板を回動させて、南北方向と該東西側反射板とがなす東西側第１角度を調整可能とする東西側第１駆動部と、水平方向に沿う東西側第２回転軸を中心に前記東西側反射板を回動させて、鉛直方向と該東西側反射板とがなす東西側第２角度を調整可能とする東西側第２駆動部と、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた前記東西側第１角度及び前記東西側第２角度を東西側設定値として求め、前記東西側第１駆動部及び前記東西側第２駆動部を制御して、前記東西側第１角度及び前記東西側第２角度が前記東西側設定値となるように前記東西側反射板を回動可能とする東西側制御部と、を有し、前記東西側制御部は、前記集光位置の緯度データ及び経度データと、前記東西側反射板の反射面の位置及び形状と前記集光位置との関係を示すデータと、年間の日付及び時刻と前記東西側第１角度との相関を示す東西側第１相関データと、年間の日付及び時刻と前記東西側第２角度との相関を示す東西側第２相関データと、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとに基づいて、前記東西側設定値を求めることが好ましい。

この場合、北側反射板による集光位置の北側からの反射光に加え、東西側反射板による集光位置の東側及び西側の少なくとも一方からの反射光を集光位置に入射することができる。また、集光位置に対して、東西側反射板の北端よりも南側から太陽の直射光が入射するため、該直射光と上記の反射光との両方を良好に入射することができる。

さらに、東西側追尾機構も北側追尾機構と同様に、鉛直方向に沿う東西側第１回転軸及び水平方向に沿う東西側第２回転軸の両方を中心として東西側反射板を回動させることにより、太陽の位置に応じて反射面の向きを調整することができる。

すなわち、東西側制御部で、集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻において、東西側反射板による反射光が集光位置に良好に入射する東西側第１角度及び東西側第２角度を東西側設定値とし、該東西側設定値に応じて東西側反射板を回動させるように東西側第１駆動部及び東西側第２駆動部を制御する。これによって、太陽光を反射面で反射させた反射光を、季節や時間帯を問わず効率的に集光位置に入射することができる。

従って、北側反射板に加え、東西側反射板によっても、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射することができるため、集光効率を一層向上させることが可能である。

上記の集光装置において、前記東西側反射板は、前記集光位置よりも東側に配置される東側反射板と、前記集光位置よりも西側に配置される西側反射板とからなり、前記東西側追尾機構は、前記東側反射板の反射面の向きを調整可能とする東側追尾機構と、前記西側反射板の反射面の向きを調整可能とする西側追尾機構とからなることが好ましい。この場合、東西側反射板による反射光として、東側反射板による集光位置の東側からの反射光と、西側反射板による集光位置の西側からの反射光との両方を集光位置に入射することができる。これによって、集光効率を一層向上させることが可能になる。

上記の集光装置において、前記東側追尾機構は、前記太陽の方位角が９０°より大きく１８０°より小さい場合に、前記集光位置に対する前記東側反射板の傾斜角度を、前記集光位置に対する前記直射光の入射角度に近づけることが可能であり、前記西側追尾機構は、前記太陽の方位角が１８０°より大きく２７０°より小さい場合に、前記集光位置に対する前記西側反射板の傾斜角度を、前記集光位置に対する前記直射光の入射角度に近づけることが好ましい。

上記のように、集光位置に対する東側反射板の傾斜角度を、集光位置に対する直射光の入射角度に近づけることにより、直射光が東側反射板に遮られて形成される影の面積を最小にすることができる。同様に、集光位置に対する西側反射板の傾斜方向を、集光位置に対する直射光の入射角度に近づけることにより、直射光が該西側反射板に遮られて形成される影の面積を最小にすることができる。その結果、集光位置に対して、太陽の直射光を一層効率的に集光することが可能になる。

本発明に係る集光装置によれば、反射面の面積を増大させることなく、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽の直射光及び反射光を効率的に集光位置に入射して、集光効率を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態に係る集光装置の全体概略斜視図である。 図１の集光装置において、太陽の位置に応じて北側反射板、東側反射板及び西側反射板の反射面の向きを変更した状態を示す要部概略平面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、太陽の位置に応じて北側反射板を北側第２回転軸まわりに回動させた状態を示す要部概略側面図である。 東側反射板及び西側反射板のそれぞれを東側第１回転軸及び西側第１回転軸まわり回動させた状態を示す要部概略平面図である。 東側反射板及び西側反射板のそれぞれを東側第２回転軸及び西側第２回転軸まわり回動させた状態を示す要部概略側面図である。 図２の東側反射板を南側から見た要部概略側面図である。 太陽の位置に応じて北側反射板、東側反射板及び西側反射板の反射面の向きを変更した別の状態を示す要部概略平面図である。 太陽の位置に応じて北側反射板、東側反射板及び西側反射板の反射面の向きを変更したまた別の状態を示す要部概略平面図である。

以下、本発明に係る集光装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明に係る集光装置は、例えば、駐車された自動車の太陽電池が配置された部位を集光位置とし、該太陽電池で発電を行うべく、集光位置に太陽光を集光して入射する場合に好適に用いることができる。そこで、本実施形態では、図１に示す集光装置１０のように、自動車の太陽電池（不図示）が配置された部位を集光位置１２とする例について説明する。しかしながら、本発明に係る集光装置によって、太陽光を入射する対象は、特に太陽電池に限定されず、太陽熱利用設備等の他の太陽光を入射する必要があるものであってもよい。

集光装置１０は、北側反射板１４と、東側反射板１６及び西側反射板１８からなる東西側反射板と、北側追尾機構２０と、東側追尾機構２２及び西側追尾機構２４からなる東西側追尾機構とを備える。北側反射板１４、東側反射板１６及び西側反射板１８のそれぞれは、北側追尾機構２０、東側追尾機構２２及び西側追尾機構２４を介して、地面に設置された支持部材２６ａ、２６ｂ、２６ｃに支持される。

北側反射板１４は、例えば、アルミ鏡面板や銀蒸着反射板等の、反射面１４ａが鏡状加工された板から好適に形成され、その一辺が東西方向（水平方向）に沿い、且つ下端１４ｂが集光位置１２よりも上側に配置される。また、太陽光を反射する反射面１４ａが集光位置１２に北側から臨むように、北側反射板１４は、集光位置１２よりも北側に配置される。なお、反射面１４ａの形状は、特に限定されるものではなく、例えば、平面鏡や凸面鏡とすることができる。反射面１４ａを平面鏡とした場合、簡素な構成で容易に北側反射板１４を形成することができる点で好ましい。

また、反射面１４ａを、集光位置１２に向かって突出する凸面鏡とした場合、反射光の照射範囲を広げることができるため、反射面１４ａの面積あたりの集光効率を向上させることができる点で好ましい。この場合、北側反射板１４の小型化を図ることも可能になる。

東側反射板１６も、北側反射板１４と同様に、反射面１６ａが鏡状加工された板から好適に形成され、その一辺が南北方向（水平方向）に沿い、下端１６ｂが集光位置１２よりも上側に配置され、北側端部１６ｃが集光位置１２の北側端部よりも南側に配置される。また、東側反射板１６は、反射面１６ａが集光位置１２に東側から臨むように集光位置１２よりも東側に配置される。

西側反射板１８も、北側反射板１４と同様に、反射面１８ａが鏡状加工された板から好適に形成され、その一辺が南北方向（水平方向）に沿い、下端１８ｂが集光位置１２よりも上側に配置され、北側端部１８ｃが集光位置１２の北側端部よりも南側に配置される。また、西側反射板１８は、反射面１８ａが集光位置１２に西側から臨むように集光位置１２よりも西側に配置される。

北側追尾機構２０は、モータ等から好適に構成される北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０と、該北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０のそれぞれを制御可能である北側制御部（不図示）とを有する。北側第１駆動部２８は、例えば、鉛直方向（図１等のＸ方向）に沿う北側第１回転軸３１を中心に回動可能に支持部材２６ａの上部に取り付けられる。北側第２駆動部３０は、北側第１駆動部２８上に取り付けられ、該北側第１駆動部２８が上記のように回動すると、これとともに回動する。また、北側第２駆動部３０は、水平方向（図１等の東西方向）に沿う北側第２回転軸３２を中心に、北側第１駆動部２８とは独立に回動可能となっている。

さらに、北側第２駆動部３０には、該北側第２駆動部３０とともに回動する支持軸３３が取り付けられている。これによって、支持軸３３は、北側第１回転軸３１を中心として北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０が回動すると、同様に北側第１回転軸３１まわりに回動する。また、支持軸３３は、北側第２回転軸３２を中心として北側第２駆動部３０が回動すると、同様に北側第２回転軸３２まわりに回動する。

この支持軸３３の一端側は、北側反射板１４の反射面１４ａの裏面の略中央部（水平方向に沿う第１辺及び該第１辺に直交する第２辺の両方の略中心）に対して固定されている。このため、北側第１駆動部２８は、北側第２駆動部３０及び支持軸３３を介して、北側第１回転軸３１を中心に北側反射板１４を回動させる。これによって、図２に示すように、東西方向と北側反射板１４の第１辺とがなす北側第１角度θ１を調整可能とする。

なお、図２〜図８では、説明の便宜上、北側追尾機構２０、東側追尾機構２２及び西側追尾機構２４の図示を省略している。

本実施形態では、北側反射板１４の第１辺が東西方向に沿うときの北側第１角度θ１を０°とする。北側反射板１４の第１辺の略中心を通る北側第１回転軸３１を中心として、該北側反射板１４の東側端部１４ｃが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

また、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、北側第２駆動部３０は、支持軸３３を介して、北側第２回転軸３２を中心に北側反射板１４を回動させて、鉛直方向と北側反射板１４の第２辺とがなす北側第２角度θ２を調整可能とする。なお、本実施形態では、北側反射板１４の第２辺が鉛直方向に沿うときの北側第２角度θ２を０°とする。北側反射板１４の第２辺の略中心を通る北側第２回転軸３２を中心として、該北側反射板１４の上端１４ｄが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

北側制御部は、有線又は無線の通信手段による通信を介して、北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０を制御可能となるように、例えば、支持部材２６ａ等に取り付けられる。なお、北側制御部は、支持部材２６ａ周辺の地上等に配設されてもよい。この北側制御部は、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた北側第１角度θ１及び北側第２角度θ２の北側設定値を求め、該北側設定値となるように北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０を制御して北側反射板１４を回動可能とする。

具体的には、北側制御部は、集光位置１２の緯度データ及び経度データ（以下、単に、緯度データ及び経度データともいう）と、北側反射板１４の反射面１４ａの位置及び形状と集光位置１２との関係を示すデータ（以下、北側反射面−集光位置データともいう）と、これらのデータから求められる北側第１相関データ及び北側第２相関データと、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとを有する。

なお、北側反射面−集光位置データとしては、以下に示すものが挙げられる。すなわち、反射面１４ａの鉛直方向の中央位置の地表面からの高さ。反射面１４ａが平面鏡である場合、その水平方向に沿う辺及び該辺に直交する辺の長さ。一方、反射面１４ａが凸面鏡である場合、その弧の半径、水平方向の長さ、弧の弦の長さ。集光位置１２の形状（矩形状とする場合、長辺及び短辺の長さ）。集光位置１２の地表面からの高さ。北側第１角度θ１及び北側第２角度θ２を何れも０°としたときの反射面１４ａと、集光位置１２の中心との距離。

北側制御部では、緯度データ及び経度データから、年間の日付及び時刻のそれぞれにおける太陽Ｓの位置（高度及び方位角）が特定されるため、該太陽Ｓの位置から集光位置１２に対する太陽光の入射角度を求める。この太陽光の入射角度と、北側反射面−集光位置データとに基づいて、年間の日付及び時刻ごとの、反射面１４ａでの反射光が集光位置１２に良好に入射する北側第１角度θ１及び北側第２角度θ２のそれぞれを、北側第１相関データ及び北側第２相関データとして得る。

このようにして得られる北側第１相関データ及び北側第２相関データと、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻データとに基づいて求められる北側設定値は、該日付及び時刻において、反射面１４ａでの反射光が集光位置１２に良好に入射する北側第１角度θ１及び北側第２角度θ２である。このため、上記の通り、北側追尾機構２０により、北側設定値となるように北側反射板１４を回動させて反射面１４ａの向きを調整することで、該反射面１４ａでの反射光を季節や時間帯を問わず効率的に集光位置１２に入射することが可能になる。

東側追尾機構２２は、基本的には北側追尾機構２０と同様の構成要素を有する。すなわち、東側第１駆動部（東西側第１駆動部）３４及び東側第２駆動部（東西側第２駆動部）３６と、東側制御部（東西側制御部、不図示）とを有する。

東側第１駆動部３４及び東側第２駆動部３６は、上記の北側第１駆動部２８及び北側第２駆動部３０が北側反射板１４を回動可能とする構成と同様の構成により、支持軸３７を介して、東側反射板１６を回動可能とする。

つまり、東側第１駆動部３４は、東側第２駆動部３６及び支持軸３７を介して、鉛直方向に沿う東側第１回転軸（東西側第１回転軸）３８を中心に東側反射板１６を回動させる。これによって、図４に示すように、南北方向と東側反射板１６の水平方向に沿う第１辺とがなす東側第１角度θ３（東西側第１角度）を調整可能とする。なお、本実施形態では、東側反射板１６の第１辺が南北方向に沿うときの東側第１角度θ３を０°とする。東側反射板１６の第１辺の略中心を通る東側第１回転軸３８を中心として、該東側反射板１６の北側端部１６ｃが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

また、図５に示すように、東側第２駆動部３６は、支持軸３７を介して、水平方向（図１等の南北方向）に沿う東側第２回転軸（東西側第２回転軸）３９を中心に東側反射板１６を回動させて、東側反射板１６の第１辺に直交する第２辺と鉛直方向とがなす東側第２角度θ４を調整可能とする。なお、本実施形態では、東側反射板１６の第２辺が鉛直方向に沿うときの東側第２角度θ４を０°とする。東側反射板１６の第２辺の略中心を通る東側第２回転軸３９を中心として、該東側反射板１６の上端１６ｄが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

東側制御部も、北側制御部と同様に、東側第１駆動部３４及び東側第２駆動部３６を制御可能となるように配設される。また、東側制御部は、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた東側第１角度θ３及び東側第２角度θ４の東側設定値（東西側設定値）を求め、該東側設定値となるように東側第１駆動部３４及び東側第２駆動部３６を制御して東側反射板１６を回動可能とする。

具体的には、東側制御部は、緯度データ及び経度データと、東側反射板１６の反射面１６ａの位置及び形状と集光位置１２との関係を示すデータ（以下、東側反射面−集光位置データともいう）と、これらのデータから求められる東側第１相関データ（東西側第１相関データ）及び東側第２相関データ（東西側第２相関データ）と、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとを有する。なお、東側反射面−集光位置データは、上記の北側反射面−集光位置データと基本的には同様の内容とすることができ、北側反射板１４の反射面１４ａに関する値を東側反射板１６の反射面１６ａに関する値とすればよい。

東側制御部では、上記と同様に、緯度データ及び経度データから特定される太陽光の入射角度と、東側反射面−集光位置データとに基づいて、年間の日付及び時刻ごとの、反射面１６ａによる反射光が集光位置１２に良好に入射する東側第１角度θ３及び東側第２角度θ４を、東側第１相関データ及び東側第２相関データとして得る。

このようにして得られる東側第１相関データ及び東側第２相関データに基づいて求められる東側設定値は、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻において、反射面１６ａによる反射光が集光位置１２に良好に入射する東側第１角度θ３及び東側第２角度θ４である。このため、上記の通り、東側追尾機構２２により、東側設定値となるように東側反射板１６を回動させて反射面１６ａの向きを調整することで、該反射面１６ａでの反射光を季節や時間帯を問わず効率的に集光位置１２に入射することが可能になる。

西側追尾機構２４は、東側反射板１６に代えて、西側反射板１８を回転させて、集光位置１２に対する反射面１８ａの向きを調整可能とすることを除いて、基本的には、東側追尾機構２２と同様に構成される。すなわち、西側追尾機構２４は、西側第１駆動部（東西側第１駆動部）４０と、西側第２駆動部（東西側第２駆動部）４２と、西側制御部（東西側制御部、不図示）とを有する。

西側第１駆動部４０は、西側第２駆動部４２及び支持軸４３を介して、鉛直方向に沿う西側第１回転軸（東西側第１回転軸）４４を中心に西側反射板１８を回動させる。これによって、図４に示すように、南北方向と西側反射板１８の水平方向に沿う第１辺とがなす西側第１角度θ５（東西側第１角度）を調整可能とする。なお、本実施形態では、西側反射板１８の第１辺が南北方向に沿うときの西側第１角度θ５を０°とする。西側反射板１８の第１辺の略中心を通る西側第１回転軸４４を中心として、該西側反射板１８の北側端部１８ｃが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

西側第２駆動部４２は、支持軸４３を介して、図５に示すように、水平方向（図１等の南北方向）に沿う西側第２回転軸（東西側第２回転軸）４５を中心に西側反射板１８を回動させて、西側反射板１８の第１辺に直交する第２辺と鉛直方向とがなす西側第２角度θ６（東西側第２角度）を調整可能とする。なお、本実施形態では、西側反射板１８の第２辺が鉛直方向に沿うときの西側第２角度θ６を０°とする。西側反射板１８の第２辺の略中心を通る西側第２回転軸４５を中心として、該西側反射板１８の上端１８ｄが集光位置１２に接近する方向を＋方向とし、離間する方向を−方向とする。

西側制御部も、北側制御部と同様に、西側第１駆動部４０及び西側第２駆動部４２を制御可能となるように配設される。また、西側制御部は、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた西側第１角度θ５及び西側第２角度θ６の西側設定値（東西側設定値）を求め、該西側設定値となるように西側第１駆動部４０及び西側第２駆動部４２を制御して西側反射板１８を回動可能とする。

具体的には、西側制御部は、緯度データ及び経度データと、西側反射板１８の反射面１８ａの位置及び形状と集光位置１２との関係を示すデータ（以下、西側反射面−集光位置データともいう）と、これらのデータから求められる西側第１相関データ（東西側第１相関データ）及び西側第２相関データ（東西側第２相関データ）と、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとを有する。なお、西側反射面−集光位置データも、上記の北側反射面−集光位置データと基本的には同様の内容とすることができ、北側反射板１４の反射面１４ａに関する値を西側反射板１８の反射面１８ａに関する値とすればよい。

西側制御部では、上記と同様に、緯度データ及び経度データから特定される太陽光の入射角度と、西側反射面−集光位置データとに基づいて、年間の日付及び時刻ごとに、反射面１８ａによる反射光が集光位置１２に良好に入射する西側第１角度θ５及び西側第２角度θ６を、西側第１相関データ及び西側第２相関データとして得る。

このようにして得られる西側第１相関データ及び西側第２相関データと、集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとに基づいて求められる西側設定値は、該日付及び時刻において、反射面１８ａによる反射光が集光位置１２に良好に入射する西側第１角度θ５及び西側第２角度θ６である。このため、上記の通り、西側追尾機構２４により、西側設定値となるように西側反射板１８を回動させて反射面１８ａの向きを調整することで、該反射面１８ａでの反射光を季節や時間帯を問わず効率的に集光位置１２に入射することが可能になる。

本実施の形態に係る集光装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、太陽Ｓの位置との関係でその作用効果について説明する。

例えば、北緯３６°付近では、１年間の太陽Ｓの南中高度は、春分から夏至を経て秋分に至るまでの間に比して、秋分から冬至を経て春分に至るまでの間の方が低くなる。また、１日の太陽Ｓの高度は、日の出から正午を経て日の入りに至るまでの間に、地平線上から上記の季節に応じた南中高度を経て再び地平線上へと変化する。

１年間の太陽Ｓの方位角は、春分から夏至を経て秋分に至るまでの間では、日の出の方位角が略６０°〜９０°であり、且つ日の入りの方位角が略２７０°〜３００°である。一方、秋分から冬至を経て春分に至るまでの間では、日の出の方位角が略９０°〜１２０°であり、且つ日の入りの方位角が略２４０°〜２７０°である。また、１日の太陽Ｓの方位角は、日の出から正午を経て日の入りに至るまでの間に、上記の季節に応じた日の出の方位角から１８０°を経て、上記の季節に応じた日の入りの方位角へと変化する。

例えば、図２に示すように、太陽Ｓの方位角が９０°より大きく１８０°より小さい季節及び時間帯では、南よりも東側に位置する太陽Ｓの直射光が、東側反射板１６の北側端部１６ｃと、北側反射板１４の反射面１４ａとの間を介して、集光位置１２に照射される。この際、太陽光を北側反射板１４及び西側反射板１８の反射面１８ａで反射させた反射光を集光位置１２へと良好に導くことができるように、北側設定値及び西側設定値が設定される。

また、東側設定値については、図２及び図６に示すように、集光位置１２に対する東側反射板１６の傾斜角度θ７（図６参照）が、集光位置１２に対する直射光の入射角度に近づくように設定されることが好ましい。これによって、東側の太陽Ｓからの直射光が東側反射板１６に遮られて形成される影Ａの面積を最小にすることができるため、集光位置１２に対して、太陽Ｓの直射光を一層効率的に集光することが可能になる。なお、東側設定値は、上記の通り影Ａの面積を最小にするように設定されることに限定されるものではなく、例えば、影Ａが集光位置１２と重ならないように設定されてもよい。

例えば、図７に示すように、太陽Ｓの方位角が１８０°付近となる季節及び時間帯では、南からの太陽Ｓの直射光が、東側反射板１６及び西側反射板１８の間から、集光位置１２に入射される。この際、北側反射板１４の反射面１４ａで反射させた反射光が集光位置１２へと良好に導かれるように、北側設定値が設定される。また、太陽光の散乱光も東側反射板１６及び西側反射板１８の反射面１６ａ、１８ａで反射させて集光位置１２へと導くことができるように東側設定値及び西側設定値が設定される。

例えば、図８に示すように、太陽Ｓの方位角が１８０°より大きく２７０°より小さい季節及び時間帯では、南よりも西側の太陽Ｓの直射光が、西側反射板１８の北側端部１８ｃと、北側反射板１４の反射面１４ａとの間を介して、集光位置１２に照射される。この際、太陽光を北側反射板１４及び東側反射板１６の反射面１６ａで反射させた反射光を集光位置１２へと良好に導くことができるように、北側設定値及び東側設定値が設定される。

また、西側設定値については、集光位置１２に対する西側反射板１８の傾斜角度が、集光位置１２に対する直射光の入射角度に近づくように設定されることが好ましい。これによって、西側の太陽Ｓからの直射光が西側反射板１８に遮られて形成される影Ｂの面積を最小にすることができるため、集光位置１２に対して、太陽Ｓの直射光を一層効率的に集光することが可能になる。なお、西側設定値は、上記の通り影Ｂの面積を最小にするように設定されることに限定されるものではなく、例えば、影Ｂが集光位置１２と重ならないように設定されてもよい。

さらに、例えば、図３Ａに示すように、太陽Ｓの高度が高いとき、集光装置１０では、反射面１４ａでの反射光を良好に集光位置１２に導くべく、北側第２角度θ２の北側設定値が設定される。また、太陽Ｓの高度が低いとき、図３Ｂに示すように、反射面１４ａでの反射光を良好に集光位置１２に導くべく、例えば、太陽Ｓの高度が高いときに比して、北側第２角度θ２が＋方向に大きくなるように北側設定値が設定される。東側反射板１６及び西側反射板１８についても同様に、東側設定値及び西側設定値に基づいて、反射面１６ａ、１８ａの向きを調整することにより、太陽Ｓの高度に関わらず、反射光を良好に集光位置１２に入射することが可能になる。

上記の通り、集光装置１０では、太陽Ｓの方位角が変化することに伴い、北側反射板１４の反射面１４ａに入射する太陽光が東西方向（水平方向）に変化しても、これに応じて、鉛直方向に沿った北側第１回転軸３１まわりに北側反射板１４を回動させて反射面１４ａの向きを調整することができる。このため、北側反射板１４の東西方向の長さを増大させることなく、反射光を集光位置１２に効率的に導くことができる。

同様に、太陽Ｓの高度が変化することに伴い、北側反射板１４の反射面１４ａに入射する太陽光が鉛直方向に変化しても、これに応じて、水平方向に沿った北側第２回転軸３２まわりに北側反射板１４を回動させて反射面１４ａの向きを調整することができる。このため、北側反射板１４の鉛直方向の長さを増大させることなく、反射光を集光位置１２に効率的に導くことができる。

すなわち、この集光装置１０では、北側反射板１４の反射面１４ａの面積を増大させることなく集光効率を向上させることができるため、効果的に小型化を図ることができる。東側反射板１６及び西側反射板１８についても同様である。

以上から、この集光装置１０によれば、小型化を図りつつ、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽Ｓの直射光及び反射光の両方を効率的に集光位置１２に入射して、集光効率を向上させることが可能である。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態に係る集光装置１０では、東西側反射板として、東側反射板１６及び西側反射板１８の両方を備え、東西側追尾機構として、東側追尾機構２２及び西側追尾機構２４の両方を備えることとしたが、特にこれに限定されるものではない。本発明に係る集光装置は、東側反射板１６及び東側追尾機構２２と、西側反射板１８及び西側追尾機構２４の何れか一組のみを備えてもよい。また、東側反射板１６及び東側追尾機構２２と、西側反射板１８及び西側追尾機構２４の何れも備えず、北側反射板１４及び北側追尾機構２０のみを備えてもよい。これらの場合、集光装置の構成を簡素化して、一層の小型化を図ることが可能になる。

［実施例１］
光学解析シミュレーションソフトウエア（株式会社ベストメディア製の商品名「照明Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ」）を用いて、集光装置１０による入射状態をシミュレーションした。このシミュレーションでは以下のように前提条件を設定した。

（１） 集光装置１０（集光位置１２）を設置した場所の北緯を３６°、東経を１４０°とした。

（２） 北側反射板１４について、支持軸３３の一端が固定された北側反射板１４の略中央の地上からの高さを２５６０ｍｍとした。北側第１角度θ１及び北側第２角度θ２を何れも０°としたときの反射面１４ａと、集光位置１２の中心との距離を１０００ｍｍとした。反射面１４ａを凸面鏡とし、弧の半径を１００００ｍｍ、水平方向の長さを１５００ｍｍ、弦（鉛直方向）の長さを１５００ｍｍとした。反射面１４ａでの反射率を１００％とした。

（３） 東側反射板１６について、東側第１角度θ３及び東側第２角度θ４を何れも０°としたときの反射面１６ａと、集光位置１２の中心との距離を１５００ｍｍとし、北側端部１６ｃと集光位置１２の北側端部との距離を３７５ｍｍとした。支持軸３７の一端が固定された東側反射板１６の略中央の地上からの高さを２５６０ｍｍとした。反射面１６ａについては、北側反射板１４の反射面１４ａと同様とした。

（４） 西側反射板１８について、西側第１角度θ５及び西側第２角度θ６を何れも０°としたときの反射面１８ａと、集光位置１２の中心との距離を１５００ｍｍとし、北側端部１８ｃと集光位置１２の北側端部との距離を３７５ｍｍとした。支持軸４３の一端が固定された西側反射板１８の略中央の地上からの高さを２５６０ｍｍとした。反射面１８ａについては、北側反射板１４の反射面１４ａと同様とした。

（５） 集光位置１２について、矩形状の長辺である南北方向の長さを１２５０ｍｍとし、短辺である東西方向の長さを６００ｍｍとした。また、集光位置１２の地表面からの高さを１５６０ｍｍとした。

（６） 集光位置１２に太陽光を入射する日付を春分、夏至、秋分、冬至のそれぞれとし、各日付の時刻を９時〜１５時までの１時間毎とした。

なお、反射面１４ａの水平方向の長さは、太陽の方位角が９０°より大きく２７０°よりも小さい場合に、集光位置１２の東西方向の長さにわたって反射光が入射するように設定されている。また、反射面１４ａの鉛直方向の長さは、夏至の南中時近傍であっても集光位置１２の南北方向の長さにわたって反射光が入射するように設定されている。

反射面１６ａの水平方向の長さは、太陽の方位角が１８０°より大きく２７０°よりも小さい場合に、集光位置１２の南北方向の長さにわたって反射光が入射するように設定されている。また、反射面１６ａ、１８ａの鉛直方向の長さは、夏至の南中時近傍であっても集光位置１２の東西方向の長さにわたって反射光が入射するように設定されている。

反射面１８ａの水平方向の長さは、太陽の方位角が９０°より大きく１８０°よりも小さい場合に、集光位置１２の南北方向の長さにわたって反射光が入射するように設定されている。

つまり、北側制御部は、上記の（１）を緯度データ及び経度データとして有し、上記の（２）及び（５）を北側反射面−集光位置データとして有する。また、これらのデータから求められる北側第１相関データ及び北側第２相関データと、上記の（６）を集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとして有する。

東側制御部は、上記の（１）を緯度データ及び経度データとして有し、上記の（３）及び（５）を東側反射面−集光位置データとして有する。また、これらのデータから求められる東側第１相関データ及び東側第２相関データと、上記の（６）を集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとして有する。

西側制御部は、上記の（１）を緯度データ及び経度データとして有し、上記の（４）及び（５）を西側反射面−集光位置データとして有する。また、これらのデータから求められる西側第１相関データ及び西側第２相関データと、上記の（６）を集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとして有する。

これらのデータに基づいて得られた北側設定値、東側設定値、西側設定値（以下では、これらを総称して設定値ともいう）のそれぞれを表１に示す。なお、表１では、北側第１角度θ１の北側設定値を「北側第１」とし、北側第２角度θ２の北側設定値を「北側第２」とする。東側第１角度θ３の東側設定値を「東側第１」とし、東側第２角度θ４の東側設定値を「東側第２」とする。西側第１角度θ５の西側設定値を「西側第１」とし、西側第２角度θ６の西側設定値を「西側第２」とする。

このシミュレーションでは、太陽の方位角が９０°より大きく１８０°より小さいとき、東側反射板１６の傾斜角度θ７を太陽光の入射角度に近づけるように東側設定値を設定した。また、太陽の方位角が１８０°より大きく２７０°より小さいとき、西側反射板１８の傾斜角度を太陽光の入射角度に近づけるように西側設定値を設定した。

表１に示す設定値に基づいて、集光装置１０では、上記の日付及び時刻ごとに北側反射板１４、東側反射板１６及び西側反射板１８を回動させながら集光位置１２に太陽Ｓの直射光及び反射光を入射した。このときの太陽光の入射量Ｙ１と、集光装置１０を用いることなく、太陽Ｓの直接光のみを集光位置１２に入射したときの太陽光の入射量Ｚ１とを上記の日付及び時刻ごとに比較して集光比（Ｙ１／Ｚ１）を求めた結果を表２に示す。

表２から、集光比の平均値は、２．０〜３．６であり、全ての日付及び時間帯において、集光装置１０による入射量Ｙ１が、太陽Ｓの直射光のみの入射量Ｚ１を上回っていることがわかる。特に、太陽Ｓの南中高度が最も低くなる冬至において、集光比が大きくなっていることから、日照時間が少ない場合であっても集光装置１０により効率的に集光位置１２に太陽光を入射できる。

以上から、集光装置１０によれば、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽Ｓの直射光及び反射光の両方を効率的に集光位置１２に入射して、集光効率を向上させることができる。

［実施例２］
東側反射板１６及び東側追尾機構２２と、西側反射板１８及び西側追尾機構２４との両方を備えず、北側反射板１４及び北側追尾機構２０のみを備えること以外、集光装置１０と同様に構成された他の実施形態に係る集光装置についても、上記と同様のシミュレーションを行った。

つまり、北側制御部は、上記の（１）を緯度データ及び経度データとして有し、上記の（２）及び（５）を北側反射面−集光位置データとして有する。また、これらのデータから求められる北側第１相関データ及び北側第２相関データと、上記の（６）を集光位置１２に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとして有する。

これらのデータに基づいて得られた北側設定値を表３に示す。なお、表３では、北側第１角度θ１の北側設定値を「北側第１」とし、北側第２角度θ２の北側設定値を「北側第２」とする。

表３に示す北側設定値に基づいて、他の実施形態に係る集光装置においても、上記の日付及び時刻ごとに北側反射板１４を回動させながら集光位置１２に太陽Ｓの直射光及び反射光を入射した。このときの太陽光の入射量Ｙ２と、該集光装置を用いることなく、太陽Ｓの直接光のみを集光位置１２に入射したときの太陽光の入射量Ｚ２とを上記の日付及び時刻ごとに比較して集光比（Ｙ２／Ｚ２）を求めた結果を表４に示す。

表４から、集光比の平均値は、１．６〜３．１であり、全ての日付及び時間帯において入射量Ｙ２が入射量Ｚ２を上回っていることが分かった。つまり、北側反射板１４及び北側追尾機構２０のみを備える集光装置を用いた場合も、集光装置１０と同様に、年間の季節を通じた日の出から日の入りまで、太陽Ｓの直射光及び反射光の両方を効率的に集光位置１２に入射して、集光効率を向上させることができる。

１０…集光装置 １２…集光位置
１４…北側反射板 １４ａ、１６ａ、１８ａ…反射面
１４ｂ、１６ｂ、１８ｂ…下端 １４ｃ…東側端部
１４ｄ、１６ｄ、１８ｄ…上端 １６…東側反射板
１６ｃ、１８ｃ…北側端部 １８…西側反射板
２０…北側追尾機構 ２２…東側追尾機構
２４…西側追尾機構 ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…支持部材
２８…北側第１駆動部 ３０…北側第２駆動部
３１…北側第１回転軸 ３２…北側第２回転軸
３３、３７、４３…支持軸 ３４…東側第１駆動部
３６…東側第２駆動部 ３８…東側第１回転軸
３９…東側第２回転軸 ４０…西側第１駆動部
４２…西側第２駆動部 ４４…西側第１回転軸
４５…西側第２回転軸

Claims (4)

1. 太陽の直射光及び反射光の両方を集光位置に入射するための集光装置であって、
   下端が前記集光位置よりも上側に配置され、且つ前記集光位置に向かって太陽光を反射する反射面が前記集光位置に北側から臨むように前記集光位置よりも北側に配置される北側反射板と、
   太陽の位置に応じて前記北側反射板の反射面の向きを調整可能とする北側追尾機構と、
   を備え、
   前記北側追尾機構は、
   鉛直方向に沿う北側第１回転軸を中心に前記北側反射板を回動させて、東西方向と該北側反射板とがなす北側第１角度を調整可能とする北側第１駆動部と、
   水平方向に沿う北側第２回転軸を中心に前記北側反射板を回動させて、鉛直方向と該北側反射板とがなす北側第２角度を調整可能とする北側第２駆動部と、
   前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた前記北側第１角度及び前記北側第２角度を北側設定値として求め、前記北側第１駆動部及び前記北側第２駆動部を制御して、前記北側第１角度及び前記北側第２角度が前記北側設定値となるように前記北側反射板を回動可能とする北側制御部と、
   を有し、
   前記北側制御部は、前記集光位置の緯度データ及び経度データと、前記北側反射板の反射面の位置及び形状と前記集光位置との関係を示すデータと、年間の日付及び時刻と前記北側第１角度との相関を示す北側第１相関データと、年間の日付及び時刻と前記北側第２角度との相関を示す北側第２相関データと、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとに基づいて、前記北側設定値を求めることを特徴とする集光装置。
2. 請求項１記載の集光装置において、
   下端が前記集光位置よりも上側に配置され、北側端部が集光位置よりも南側に配置され、前記集光位置に向かって太陽光を反射する反射面が前記集光位置に東側又は西側の少なくとも一方から臨むように前記集光位置よりも東側又は西側の少なくとも一方に配置される東西側反射板と、
   太陽の位置に応じて前記東西側反射板の反射面の向きを調整可能とする東西側追尾機構と、
   を備え、
   前記東西側追尾機構は、
   鉛直方向に沿う東西側第１回転軸を中心に前記東西側反射板を回動させて、南北方向と該東西側反射板とがなす東西側第１角度を調整可能とする東西側第１駆動部と、
   水平方向に沿う東西側第２回転軸を中心に前記東西側反射板を回動させて、鉛直方向と該東西側反射板とがなす東西側第２角度を調整可能とする東西側第２駆動部と、
   前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻に応じた前記東西側第１角度及び前記東西側第２角度を東西側設定値として求め、前記東西側第１駆動部及び前記東西側第２駆動部を制御して、前記東西側第１角度及び前記東西側第２角度が前記東西側設定値となるように前記東西側反射板を回動可能とする東西側制御部と、
   を有し、
   前記東西側制御部は、前記集光位置の緯度データ及び経度データと、前記東西側反射板の反射面の位置及び形状と前記集光位置との関係を示すデータと、年間の日付及び時刻と前記東西側第１角度との相関を示す東西側第１相関データと、年間の日付及び時刻と前記東西側第２角度との相関を示す東西側第２相関データと、前記集光位置に太陽光を入射する日付及び時刻のデータとに基づいて、前記東西側設定値を求めることを特徴とする集光装置。
3. 請求項２記載の集光装置において、
   前記東西側反射板は、前記集光位置よりも東側に配置される東側反射板と、前記集光位置よりも西側に配置される西側反射板とからなり、
   前記東西側追尾機構は、前記東側反射板の反射面の向きを調整可能とする東側追尾機構と、前記西側反射板の反射面の向きを調整可能とする西側追尾機構とからなることを特徴とする集光装置。
4. 請求項３記載の集光装置において、
   前記東側追尾機構は、前記太陽の方位角が９０°より大きく１８０°より小さい場合に、前記集光位置に対する前記東側反射板の傾斜角度を、前記集光位置に対する前記直射光の入射角度に近づけることが可能であり、
   前記西側追尾機構は、前記太陽の方位角が１８０°より大きく２７０°より小さい場合に、前記集光位置に対する前記西側反射板の傾斜角度を、前記集光位置に対する前記直射光の入射角度に近づけることが可能であることを特徴とする集光装置。

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