JP3833706B2 - 新規な焦点収集域を備えた改良型太陽エネルギ集中システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、改良型太陽エネルギ集中システム、ならびにこうしたシステムに好ましい新規な焦点収集域に関する。一般に、このようなシステムは、円筒状のアーチ型太陽エネルギ集中反射器と、その上に支持された可動線形太陽エネルギ収集器から成る。太陽エネルギ収集器は、断面が複合放射線を描き、好ましくは、非結像光学系を利用したものである。好ましい実施例においては、反射器の曲率中心を基準に回転し、曲率中心から反射器の間の途中まで下がって延びるように収集器を構成する代りに、本発明によれば、太陽エネルギ収集器を、特定のアルゴリズムに応じて、さらに下がって延びるようにする。
関連出願
本発明は、本願と同時に出願され引用することにより本明細書に組み込まれている出願「統合型太陽エネルギ収集システムを備えた屋根（A Roof Having an Integral Solar Energy Concentrating System）」に記載されているようなモジュラー形式で構成可能である。
本発明は、本願と同時に出願され引用することにより本明細書に組み込まれている出願「置換可能な反射器を備えた改良型太陽エネルギ集中システム（An Improved Solar Energy Concentrating System Having Replaceable Reflectors）」に記載されている置換型太陽エネルギ集中反射器の使用も可能である。
本発明は、本願と同時に出願され引用することにより本明細書に組み込まれている出願「自動安全手段を備えた改良型太陽エネルギ集中システム（An Improved Solar Energy Concentrating System Having An Automatic Safety Means）」に記載されている第２収集器用の自動安全手段を使用することもできる。
背景技術
これまで、太陽エネルギ集中システムは、円筒状のアーチ型主集中反射器と可動２次太陽エネルギ収集器の組合せから最大の太陽エネルギを収集するための様々な方法を用いてきた。たとえば、Barrによる米国特許4602613号には、固定式円筒状アーチ型主収集器と可動２次収集器の組合せが開示されている。ただし、２次収集器は、水平方向に移動する平坦な板状収集器である。
米国特許3868823号に記載されている他の従来の構成では、円弧状に並べられた複数のスラットから形成された円形主収集器と共に、単純な導管が２次太陽エネルギ収集器として使用されている。この導管は、主反射器の曲率中心を基準にピボット作動する。導管は、前記曲率中心から上方に延在する回転部材に置かれている。回転部材は、反射器の曲率半径の半分までは延びる。
太陽エネルギを収集するには、複合パラボラ状光学機器が使用されてきた。米国特許第4230095号、第4359265号、第4387961号、第5289356号に示されているように、Roland Winston博士の論文を基本としてこの技術が具体化された。（本発明における、「複合パラボラ状（compound parabolic）」や「非結像光学系（non-imaging optics）」という語句は、Winstonの論文にその定義が詳述されている。）しかし、上記の開示のどれにおいても、複合パラボラ状光学集中器は、常に主太陽エネルギ集中器として孤立して使用されており、主反射器と対になっている２次太陽エネルギ集中器と連携してはいない。
発明の開示
発明は、太陽エネルギ収集効率の高い改良型太陽エネルギ集中システムに関する。本発明の要素はすべて従来技術で使用されてきたであろうものである。本願の改良の新規性は、こうした要素間の関係の変更、具体的には、２次太陽エネルギ収集器としての複合パラボラ状太陽エネルギ収集器と主収集器の円筒状アーチ型太陽エネルギ集中反射器の組合せと、それによる予期し得なかった効果にある。
本発明では、主太陽エネルギ反射器は、凹状かつ円筒状アーチ型であり、約２２０度まで拡がり、下端部、上端部、湾曲した側端部から構成される。（本発明では、「上」や「下」とは必ずしも端部間の相対的な位置関係を表してはいない。たとえば、反射器が水平に１８０度に置かれている場合、こうした端部は反射器の支持面からは等距離である。）反射器の空に向いた表面は凹状である。構造支持手段は反射器の下に置かれている。この支持手段は、少なくとも反射器、太陽エネルギ収集器ならびに収集器支持手段の重みを支えられる程の寸法と構造を有している。収集器支持手段は、反射器の上端部から下端部にわたっている。この収集器支持手段は、複合パラボラ状２次太陽エネルギ収集器ならびに反射器、構造支持手段または前記構造支持手段を支える支持表面のどれかに接続されている。収集器支持手段は、太陽エネルギ収集器を支持し、収集器が主反射器の上にある焦点収集域内に納まるように弓状経路に沿って移動できるよう、大きさと構造が決められている。
線形複合パラボラ状太陽エネルギ２次収集器は、反射器の１つの湾曲側端部から他の湾曲側端部へと、長さ方向に延びている。収集器は、収集器支持手段により、その上に支持されて、所定の焦点域内を円弧あるいは弓状軌跡を描くように移動して、反射器から反射した太陽エネルギを収集する。焦点域の位置は、収集器に使用された複合パラボラ状の断面の弧度に応じて変化する。通常は、焦点域は、主反射器の曲率中心からの半径の約半分の位置にある。この反射器は、反射された太陽エネルギを導管内に受け入れて、その中を通ってエネルギ移送流体が流れることができるような寸法と構造を有している。
さらに、収集器を位置づける手段も本発明の好ましい実施例に含まれている。位置づけ手段は、収集器支持手段に接続されており、焦点収集域内の最適な位置に収集器を位置づけて、日周圏など一定の太陽サイクルで太陽エネルギを収集する。
最後の要素は流体輸送手段である。この手段は、導管を熱エネルギ使用手段またはエネルギ貯蔵手段に接続する。太陽が出ているときには、太陽エネルギは反射器から反射して集中器に向かい、導管に当たる。収集器の導管内の流体が加熱される。流体輸送手段は、熱エネルギ使用手段またはエネルギ貯蔵手段を介して加熱流体を循環させる。
非結像複合パラボラ状２次収集器を使用する好ましい実施例では、本発明は、反射器の曲率中心を基準にピボット作動する収集器を含み、この収集器は、式Ｌ＝（Ｒ＊１．１）／２に応じて、距離Ｌプラスマイナス5％分、曲率中心から下方に配置されている。この式中、Ｒは太陽エネルギ集中反射器の曲率半径である。こうした位置を使用することにより、従来技術にみられる途中位置に収集器を取り付けたりするような、これまでの周知の位置によるよりも、より多くの反射太陽エネルギが集積される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の断面図である。
図２は、本発明の等角図である。
本発明の最適実施態様
本発明の好適実施例が図１に示してある。凹状かつ円筒状で約６０度のアーチ型の太陽エネルギ集中主反射器（１０）は、下端部（１２）と、上端部（１４）と、湾曲側端部（１６）とを備えている。反射器に適切な材料は、コーティングを施した研磨金属または反射材料などである。好適実施例では、反射器は、紫外線安定化プラスチックまたはポリマーを含み、その上にはアルミニウムの反射面が被覆されている。反射器の空に向いた表面は凹状である。他の実施例では、第１反射器は、その湾曲側端または下端に沿って、第２反射器に隣接可能である。後者の例では、第１反射器の下端は下端全体に沿って第２反射器の下端に隣接しており、各反射器は最高ほぼ９０度まで拡がる円筒状のアーチ式に構成され、一対で最高ほぼ１８０度まで拡がる円筒状のアーチ型に構成される。
空間トラスなど構造支持手段（２０）は、反射器の下に配置されている。構造支持手段は、少なくとも反射器、複合パラボラ状２次太陽エネルギ収集器、太陽エネルギ収集器支持手段ならびに従来からの移動荷重と固定荷重の重量を支持する寸法と構造に構成されている。当技術分野に習熟した人には数多くの代替構成を設計可能である。収集器支持手段は、上端部（１４）から下端部（１２）に延在する軸により画定されるように、反射器の上を横切るように配置されている。収集器支持手段は、２つのアーチ部（２２）と、各アーチに配置された軸受け手段（２４）と、軸受け手段に接続された駆動軸部材（２６）（回転手段を構成することになる）と、２つの下方隔置部材（２８）とから構成される。回転手段は、図１の円形路（２９）に示してあるように、反射器の曲率中心に配置されている。下方隔置部材は、反射器が以下の式に応じて、距離Ｌプラスマイナス５％分、曲率中心から下方に配置できるような寸法に形成されている。この式は、
Ｌ＝（Ｒ＊１．１）／２
であり、Ｒは反射器の曲率の半径である。上記のように各要素を構成すると、２次収集器は所定の焦点域内に移動可能であり、主反射器から反射された太陽エネルギを収集する。
複合パラボラ状非結像太陽エネルギ収集器（３０）は、収集器支持手段により構造支持手段（２０）に接続されている。接続点（３２）は反射器の上端部と下端部に隣接しており、アーク（２２）にも接続されている。代りに、収集器支持手段を、構造支持手段の下にある支持面に接続することも可能である。収集器支持手段は、収集器を支持する寸法と構造を有し、収集器を正確に移動可能である。当技術分野に習熟な人には他の設計も周知である。
ある好ましい実施例においては、収集器が、図１に示す実施例のように、真の東西方向の軸の３０度の範囲で長手方向に向いている。しかし、もし図１の非反射式パネル（４０）で反射器と置換すると、収集器を真の南北方向の軸の３０度の範囲内で長手方向に向けることが可能である。
好ましくは、太陽エネルギ収集器（３４）を位置づける手段は、駆動軸部材（２６）に接続されている。位置づけ手段は、水圧ポンプと制御手段により駆動される水圧モータ、電気ステップモータ、または機械式鎖／歯車手段またはケーブル／ベルト車手段などの多数の従来手段で構成できる。こうした形式のどれでも、位置づけ手段は収集器を最適な位置に維持して、一定の太陽のサイクル、好ましくは、日周圏で太陽エネルギを収集する。したがって、マイクロプロセッサを位置づけ手段に組み込むことができ、緯度、日付、時間を考慮したアルゴリズムに応じて最適な太陽エネルギ収集位置を定期的に計算する。こうしたアルゴリズムは、当技術分野に習熟した人には周知である。
収集器は、反射された太陽エネルギを内部の導管に受け入れて、導管を通ってエネルギ移送流体が流れるような寸法に構成されている。円筒状のアーク型反射器と共に使用される複合パラボラ状２次収集器の好ましい実施例の断面図は、米国特許第5274497号または第5289356号に開示されている。収集器の導管に使用される適切な流体には、市販の熱移送流体が利用できる。流体移送システム（図示せず）は、収集器の導管を熱エネルギ使用手段または熱エネルギ貯蔵手段に接続する。流体移送手段は太陽エネルギに加熱された流体を循環させる。この流体移送手段は、当技術分野に習熟した人には周知の従来の設計が利用できる。
本明細書に記載の特許公報または未公開特許出願は、引用することによりすべて本明細書に組み込まれている。
当技術分野に習熟した人には明らかな本発明の他の実施例は、本明細書には示されていないが、現時点または本特許明細書から得られる特許の存続期間中、こうした他の実施例も本発明の精神と範囲に属している。

Claims (12)

1. ａ）約２２０度以下の角度に拡がる凹状かつ円筒状のアーチ型に構成され、下端部と、上端部と、湾曲側端部とから成り、空に向けられた表面は凹状である少なくとも１つの太陽エネルギ主集中反射器と、
   ｂ）前記反射器の下に配置され接続され、少なくとも前記反射器と、複合パラボラ状２次太陽エネルギ収集器と、収集器支持手段との重量を支持するような寸法と構造を有する構造支持手段と、
   ｃ）前記構造支持手段の下にある支持表面あるいは前記構造支持手段と、太陽エネルギ収集器に接続され、前記太陽エネルギ収集器を支持し前記収集器を弓状軌跡に沿って移動させることができる、前記反射器の上を横切ってわたる収集器支持手段と、
   ｄ）断面が複合パラボラ状であり、反射器の上を横切ってわたる、所定の焦点域内に弓状に移動するように配置されて、前記反射器から反射された太陽エネルギを収集して、前記反射太陽エネルギを導管に受け入れて、導管を通してエネルギ移送流体が流れて、前記流体は前記反射太陽エネルギにより加熱される線形２次太陽エネルギ収集器と、
   ｅ）一定の太陽サイクルで前記焦点収集域内に最適に収集器を位置づけて、前記収集支持手段に接続されている位置づけ手段と、
   ｆ）前記収集器の前記導管を熱エネルギ使用手段またはエネルギ貯蔵手段に接続し、前記導管内の太陽エネルギにより加熱された流体を循環させる流体移送手段と
   を含むことを特徴とする改良型太陽エネルギ集中システム。
2. 前記位置づけ手段は、前記収集器が前記反射器から反射された太陽エネルギを受け取れるように前記焦点収集域内の最適な位置を定期的に計算するマイクロプロセッサにより制御される、請求項１に記載の太陽エネルギ集中システム。
3. 前記収集器は真の東西軸から３０度範囲で長手方向に配向されている、請求項１に記載の太陽エネルギ集中システム。
4. ２台の反射器を含み、第１の反射器は第２反射器の下端部に下端部全体に沿って隣接しており、各反射器はほぼ１１０度以下の角度だけ拡がった円筒状のアーチ構成である、請求項１に記載の太陽エネルギ集中システム。
5. 前記収集器支持手段は少なくとも２つの収集器支持部材を含み、各部材は前記収集器の一方の端部に配置されている、請求項１に記載の太陽エネルギ集中システム。
6. 前記収集器は、真南北軸の３０度以内に長手方向に向けられている、請求項４に記載の太陽エネルギ集中システム。
7. ａ）約２２０度以下の角度に拡がる凹状かつ円筒状のアーチ型に構成され、下端部と、上端部と、湾曲側端部とから成り、空に向けられた表面は凹状である少なくとも１つの太陽エネルギ主集中反射器と、
   ｂ）前記反射器の下に配置され接続され、少なくとも前記反射器と、太陽エネルギ収集器と、収集器支持手段との重量を支持するような寸法と構造を有する構造支持手段と、
   ｃ）前記反射器の上方を横切ってわたり、前記構造支持手段の下にある支持表面あるいは前記構造支持手段と、太陽エネルギ収集器とに接続され、前記太陽エネルギ収集器を支持し前記収集器を弓状の軌跡に沿って移動させることができる収集器支持手段と、
   ｄ）断面が複合パラボラ状であり、反射器の上を横切ってわたり、所定の焦点域内に弓状の軌跡に沿って移動するように配置されて、前記反射器から反射された太陽エネルギを収集して、前記反射太陽エネルギを導管に受け入れて、導管を通してエネルギ移送流体が流れて、前記流体は前記反射太陽エネルギにより加熱される線形２次太陽エネルギ収集器と、
   ｅ）一定の太陽サイクルで前記焦点収集域内に最適に収集器を位置づけて、前記収集支持手段に接続されている位置づけ手段と、
   ｆ）前記収集器の前記導管を熱エネルギ使用手段またはエネルギ貯蔵手段に接続し、前記導管内の太陽エネルギにより加熱された流体を循環させる流体移送手段と、を含み、
   前記収集器は、前記反射器の曲率中心を基準にピボット移動し、公式Ｌ＝（Ｒ＊１．１）／２（Ｒは太陽エネルギ集中反射器の曲率半径）に応じて距離Ｌプラスマイナス５％だけ曲率中心から下方に配置されていることを特徴とする改良型太陽エネルギ集中システム。
8. 前記位置づけ手段は、前記収集器が前記反射器から反射された太陽エネルギを受け取れるのに最適な前記焦点収集域内の位置を定期的に計算するマイクロプロセッサにより制御される、請求項７に記載の太陽エネルギ集中システム。
9. 前記収集器は真東西軸の３０度範囲で長手方向に向けられている、請求項７に記載の太陽エネルギ集中システム。
10. ２台の反射器を含み、第１の反射器は第２反射器の下端部に下端部全体に沿って隣接しており、各反射器はほぼ１１０度まで拡がった円筒状のアーチ構成である、請求項７に記載の太陽エネルギ集中システム。
11. 前記収集器支持手段は少なくとも２つの収集器支持部材を含み、各部材は前記収集器の一方の端部に配置されている、請求項７に記載の太陽エネルギ集中システム。
12. 前記収集器は、真の南北軸の３０度以内に長手方向に配向されている、請求項１０に記載の太陽エネルギ集中システム。

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