JP2019219451A - 太陽熱反応システム - Google Patents

Abstract

【課題】筒型集光鏡を用いずに太陽光を直接反応炉の内部に導入することができる太陽熱反応システムを提供する。【解決手段】楕円鏡１の内面を規定する回転楕円体３における長軸Ｙの長さＡと短軸Ｘとの長さＢとの比率Ａ／Ｂが１．５以下で球に近いため、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の距離が近く、楕円鏡１で反射された太陽光Ｒがあまり拡散されないうちに第２焦点Ｆ２に至る。そのため、従来のような筒型集光鏡を用いなくても、第２焦点Ｆ２に集光する太陽光Ｒの全てを反応炉６内に導入することができる。筒型集光鏡を用いないため太陽光Ｒのエネルギーの損失がない。【選択図】 図３

Description

本発明は太陽熱反応システムに関するものである。

太陽光を効率良く一点に集光して反応炉の内部に投入し、太陽光を熱エネルギーに変換して、その得られた熱エネルギーにより高い温度が必要とされる反応を反応炉内部で起こさせる太陽熱反応システムが知られている。

太陽光を集光する構造としては、所定の高さに設置された下向きの楕円鏡の第１焦点へ向けて、地上に配置された複数のヘリオスタットから太陽光を反射し、第１焦点を通過して楕円鏡にて反射された太陽光を第２焦点に集光させる構造になっている。

反応炉は地上に設置され、上面には入光口が形成されている。入光口の上部には筒型集光鏡が設けられている。この筒型集光鏡は上部開口が大きく、下部開口が小さいロート形状をしており、上部開口の中心に楕円鏡の第２焦点が位置している。

太陽光はこの筒型集光鏡内の第２焦点に向けて集光され、筒型集光鏡の内面で複数回反射された後に、小さな下部開口から取り出され、そのまま入光口より反応炉内に導入される。反応炉の入光口に筒型集光鏡を設けているのは、第１焦点から第２焦点までの距離が大きく、太陽光が拡散された状態で第２焦点に至るため、それを再度入光口に入る幅の太陽光に収束させるためである（例えば、特許文献１参照）。

特許第２９５１２９７号公報

しかしながら、このような関連技術にあっては、太陽光を筒型集光鏡の内面で複数回反射してから反応炉の内部に導入するため、筒型集光鏡の内面での反射された分、太陽光のエネルギーが吸収、散乱により減衰して、得られる熱エネルギーがかえって小さくなる。

本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、筒型集光鏡を用いずに太陽光を直接反応炉の内部に導入することができる太陽熱反応システムを提供することを目的としている。

本発明の第１の技術的側面によれば、所定の高さに設置され、内面が長軸を回転軸とした回転楕円体の上部だけを切り取った形状に合致する鏡面で、下方に長軸上に位置する第１焦点（上方）と第２焦点（下方）を有する楕円鏡と、該楕円鏡の全周の地上に設置され太陽に追尾して反射角度を変更しながら太陽光を楕円鏡の第１焦点へ向けて反射させる複数のヘリオスタットと、上面に太陽光を導入する入光口を有し、該入光口から取り入れた太陽光の熱により内部で反応を起こさせる反応炉と、を備えた太陽熱反応システムにおいて、前記楕円鏡の第２焦点が反応炉の入光口に合致し、楕円鏡の内面を規定する回転楕円体が以下の条件式を満足することを特徴とする。

Ａ／Ｂ≦１．５ ・・・（１）
Ｈ／Ａ≧１．０ ・・・（２）
ただし、Ａ＝長軸の長さ、Ｂ＝短軸の長さ、Ｈ＝地上に対する最下部の高さ。

本発明の第２の技術的側面によれば、反応炉が最も中心側のヘリオスタットから第１焦点に向かう太陽光の内側範囲に位置していることを特徴とする。

本発明の第３の技術的側面によれば、楕円鏡の中心に開口が形成されていることを特徴とする。

本発明の第１の技術的側面によれば、楕円鏡の内面を規定する回転楕円体の長軸（縦）と短軸（横）との比率Ａ／Ｂが１．５以下で球に近いため、第１焦点と第２焦点の距離が近く、楕円鏡で反射された太陽光があまり拡散されないうちに第２焦点に至る。そのため、従来のような筒型集光鏡を用いなくても、第２焦点に集光する太陽光の全てを入光口から反応炉内に導入することができる。筒型集光鏡を用いないため、太陽光はエネルギーが損なわれることなく反応炉内に導入される。第１焦点と第２焦点が近くても、楕円鏡の内面を規定する回転楕円体自体の位置が高いため（少なくともその回転楕円体の長軸以上の高さを有する）、地上に多くのヘリオスタットを配置して、十分な太陽光を集光することができる。

本発明の第２の技術的側面によれば、反応炉が最も中心側のヘリオスタットから第１焦点に向かう太陽光の内側範囲に位置しているため、ヘリオスタットから第１焦点位置に向かう太陽光が反応炉により遮られることはない。

本発明の第３の技術的側面によれば、楕円鏡の中心に開口が形成されているため、第１焦点付近で発生する熱気が開口から上方へ抜け、楕円鏡の内面がその熱気による熱ダメージを受けることがない。

太陽熱反応システムを示す斜視図。 太陽熱反応システムを示す側面図。 楕円鏡と反応炉の位置関係を示す説明図。

図１〜図３は、本発明の好適な実施形態を示す図である。

楕円鏡１は４本のタワー２により所定の高さ位置に設置されている。楕円鏡１の内面は鏡面で、光を反射することができる。

楕円鏡１の内面は、鉛直方向に沿う長軸Ｙを回転軸とした回転楕円体３の上部だけを切り取った形状に合致しており、楕円鏡１の下方に長軸Ｙ上に位置する第１焦点（上方）Ｆ１と第２焦点（下方）Ｆ２が存在する。楕円鏡１の長軸Ｙに合致する中心部には円形の開口４が形成されている。

楕円鏡１の全周囲には、地上に多数のヘリオスタット５が設置されている。ヘリオスタット５は図示せぬセンサーにより太陽Ｓの動きに連動して向きを変化させる構造となっており、常に太陽光Ｒを第１焦点Ｆ１へ向けて反射するように制御される。第１焦点Ｆ１を通過した太陽光Ｒは楕円鏡１の内面で反射されて第２焦点Ｆ２に集光する。

反応炉６は支持塔７により所定の高さ位置に設置されている。反応炉６の上面には入光口８が形成されており、この入光口８の中心に第２焦点Ｆ２が位置している。従って、第２焦点Ｆ２に集光された太陽光Ｒはそのまま反応炉６の内部に導入され、反応炉６内で太陽光Ｒにより作り出された熱エネルギーを利用して、高温が必要な反応を起こさせることができる。従来のような筒型集光鏡を用いないため、太陽光Ｒのエネルギーが反応炉６に導入される前に吸収や散乱により散逸することはない。

尚、反応炉６は、ヘリオスタット５のうち最も中心寄りのヘリオスタット５ａから第１焦点Ｆ１に向かう太陽光Ｒａの内側範囲に位置していることが必須である。そうしないと、そのヘリオスタット５ａから第１焦点Ｆ１に向かう太陽光Ｒａが反応炉６により遮られ、必要な熱エネルギーが得られなくなる。

また楕円鏡１に近い第１焦点Ｆ１に太陽光Ｒが集光するため、空気中に存在する塵等が加熱されて、高温の熱気による上昇気流が発生する。しかし、そのような熱気が発生しても、楕円鏡１の中心には開口４が形成されているため、その熱気はそのまま開口４から上方へ抜けることとなり、楕円鏡１の内面が熱気による熱ダメージを受けることがない。

ここで楕円鏡１と反応炉６の位置関係について説明する。

楕円鏡１の内面を規定する回転楕円体３は、長軸Ｙの長さＡと短軸Ｘの長さＢの比率が１．５：１で、どちらかと言えば球に近い。従って、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の距離が近く、楕円鏡１で反射された太陽光Ｒはあまり拡散されないうちに第２焦点Ｆ２に至る。従って、従来のような筒型集光鏡を用いなくても、太陽光Ｒの全てを入光口８から反応炉６内に導入することができる。筒型集光鏡を用いないため、楕円鏡１で反射された太陽光Ｒはエネルギーが損なわれることなく反応炉６内に導入される。長軸Ｙの長さＡ／短軸Ｘの長さＢは１．５以下でなければならず（Ａ／Ｂ≦１．５）、これより大きくなると、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の距離が大きくなる。そうすると、楕円鏡１から第２焦点Ｆ２に至る間に太陽光Ｒが拡散し、第２焦点Ｆ２における太陽光Ｒのスポット径が大きくなり、従来のような筒型集光鏡が必要となる。

また楕円鏡１の内面を規定する回転楕円体３の最下部の位置は、少なくとも地上からその回転楕円体３自体の高さＨ以上の高さにする必要がある。つまり回転楕円体３の高さＨと回転楕円体３の長軸Ｙの長さとの比率は１．０以上である必要がある（Ｈ／Ａ≧１．０）。

そのため、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２が近くても、回転楕円体３（楕円鏡１）自体の位置を高くすることにより、地上に多くのヘリオスタット５を配置して、十分な太陽光Ｒを集光することができる。

１ 楕円鏡
３ 回転楕円体
４ 開口
５ ヘリオスタット
６ 反応炉
８ 入光口
Ａ 長軸の長さ
Ｂ 短軸の長さ
Ｆ１ 第１焦点
Ｆ２ 第２焦点
Ｈ 高さ
Ｒ 太陽光
Ｙ 長軸
Ｘ 短軸

Claims (3)

1. 所定の高さに設置され、内面が長軸を回転軸とした回転楕円体の上部だけを切り取った形状に合致する鏡面で、下方に長軸上に位置する第１焦点（上方）と第２焦点（下方）を有する楕円鏡と、
   該楕円鏡の全周の地上に設置され太陽に追尾して反射角度を変更しながら太陽光を楕円鏡の第１焦点へ向けて反射させる複数のヘリオスタットと、
   上面に太陽光を導入する入光口を有し、該入光口から取り入れた太陽光の熱により内部で反応を起こさせる反応炉と、を備えた太陽熱反応システムにおいて、
   前記楕円鏡の第２焦点が反応炉の入光口に合致し、
   楕円鏡の内面を規定する回転楕円体が以下の条件式を満足することを特徴とする太陽熱反応システム。
   Ａ／Ｂ≦１．５ ・・・（１）
   Ｈ／Ａ≧１．０ ・・・（２）
   ただし、Ａ＝長軸の長さ、Ｂ＝短軸の長さ、Ｈ＝地上に対する最下部の高さ。
2. 反応炉が最も中心側のヘリオスタットから第１焦点に向かう太陽光の内側範囲に位置していることを特徴とする請求項１記載の太陽熱反応システム。
3. 楕円鏡の中心に開口が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽熱反応システム。

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