JP3855160B2

JP3855160B2 - 太陽放射集中装置

Info

Publication number: JP3855160B2
Application number: JP2002124980A
Authority: JP
Inventors: 幹夫木下
Original assignee: 幹夫木下
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2022-03-25
Also published as: JP2003279165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽熱システム、太陽熱調理器、太陽炉、太陽光発電システム、蒸留装置、太陽光照明装置、あるいは化学反応システム等に使用される太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽放射のエネルギーを利用する背景技術として、例えば、太陽光発電システム、太陽熱システム、太陽炉、塩水淡水化システム等の蒸留装置、化学反応システム、あるいは太陽光照明システムがある。
【０００３】
太陽放射のエネルギー密度は約１ｋＷ／ｍ^２であるが、これらのエネルギーシステムを高いエネルギー密度で動作させる場合には太陽放射の集光が行われる。太陽放射を集光する集光素子として、例えば、フレネルレンズ、放物面鏡がある。
【０００４】
このような集光素子を搭載する集光光学系を用いて太陽放射が太陽エネルギー変換装置に集中される場合、一般的に、太陽放射の入射方向を該集光光学系の光軸と一致させることが、高い集光比を得る上で重要である。即ち、太陽放射の入射方向の変化に応じて、該集光素子を回動させ、かつ該太陽エネルギー変換装置を該集光素子の焦点と一致させる追尾機構を搭載した太陽エネルギーシステムでは高い集光比で太陽放射が利用されている。
【０００５】
このような太陽エネルギーシステムを長期にわたり運用する為には、強風等への耐久性が要求される。集光素子の高さが増加する場合には、風圧による悪影響が著しく増加する。このため高い高度に延伸する集光素子を利用した場合には、該集光素子及び該追尾機構の力学的強度を維持するためのコストが増加する。このため大型の集光素子の利用には一定の限界があった。
【０００６】
更に、平面鏡を利用して固定された領域に太陽放射を照射する場合にも同様の追尾機構の大型化に伴う問題点があった。
【０００７】
別の背景技術として、ヘリオスタットと呼ばれるエネルギーシステムが知られている。このヘリオスタットは、複数の平面反射鏡と該複数の平面反射鏡をそれぞれ駆動する複数の追尾装置を有する。該複数の平面反射鏡により反射された太陽放射は固定された照射領域に集中して照射される。高い集光比で太陽放射を集光するヘリオスタットでは、多数の高精度の追尾装置を搭載する。しかしこの場合追尾機構のコストが高く、その低減が要求されている。更に、大型の平面反射鏡を使用する場合、上述した風圧による悪影響、あるいは追尾機構の大型化に伴う問題点があった。
【０００８】
このような観点からなされた更に別の背景技術として、それぞれ特定の軸を中心として回転可能な多数の小反射鏡と、制御体と、各小反射鏡を該制御体と連結する共通のリンクとを有する太陽光線集光装置が日本国公開特許広報、特開昭５１−２７３４７に開示されている。該制御体が移動することにより各小反射鏡は同量の変化量の角度で回転する。該制御体がある特定の位置にある場合には、各小反射鏡はある特定の入射角の平行光線を特定の集光位置に反射集光する角度を有している。該平行入射光線の入射角の変化に対応して該制御体の位置を制御することにより、該太陽光線集光装置は各小反射鏡の反射光を該集光位置に集中させるように設計されている。
【０００９】
しかしながら複数の反射鏡全体を所定の焦点に太陽放射を収束させる集光光学系として考察した場合、該太陽光線集光装置において、入射光の入射角の変化量の増加と共に、集光比が著しく損なわれるという問題点があった。該特開昭５１−２７３４７公報にはこのような集光比の低下に関する言及は無く、これを克服する教唆は開示されていない。
【００１０】
本発明は上記に鑑みなされたもので、本発明の一目的は、幅広い入射光の入射角の領域に対して高い集光比を実現する、複数の反射鏡を一斉に駆動する新規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の一目的は、高い集光比で太陽エネルギーを利用する新規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法の提供にある。
【００１２】
本発明の別の一目的は、太陽放射の収集効率の高い新規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法の提供にある。
【００１３】
本発明の別の一目的は低コストの新規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の更に別の一目的は、太陽放射集中装置における風などの外部環境に対する太陽エネルギーシステムの耐久性を向上させることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された太陽放射集中装置は、太陽放射の向きの変化に対応して設置面内において回動される基体と、複数の反射鏡連結体と、該基体上において互いに平行に配置される複数の回転軸を定義する複数の回転軸提供部材と、太陽放射の追尾の為に該複数の反射鏡連結体をそれぞれ該複数の回転軸の回りに回動するための回動機構と、該複数の反射鏡連結体の形状を制御するカム機構とを有する。それぞれの反射鏡連結体は単数または複数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡を有する。これにより該反射鏡連結体の少なくとも１つの端部が自由端となるような構造が実現される。該カム機構は、該回動機構と協調して、それぞれの反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させるための所定の形状を有するカムを有する。
【００１６】
請求項２に記載された太陽放射集中装置は、太陽放射の向きの変化に対応して設置面内において回動される基体と、反射鏡連結体と、該反射鏡連結体を回動する為の回転軸を定義する回転軸提供部材と、太陽放射の追尾の為に該反射鏡連結体を該回転軸の回りに回動するための回動機構と、該反射鏡連結体の形状を制御する制御機構とを有する。反射鏡連結体は単数または複数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡を有する。これにより該反射鏡連結体の少なくとも１つの端部が自由端となるような構造が実現される。該制御機構は、該回動機構と協調して、該反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させるための所定の形状を有する部材を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面を引用して本発明は説明される。いくつかの図を通して、同一の参照番号は同一もしくは対応する部分を示す。
【００１８】
本発明の一実施形態による太陽放射集中装置は図１−８に言及して説明される。図１は、本発明の一実施形態による太陽放射集中装置を説示する概念図である。
【００１９】
図１において、太陽放射集中装置は、基体１０と、第１の反射鏡連結体１１０、第２の反射鏡連結体１２０、第３の反射鏡連結体１３０、複数の回転軸提供部材３０と、運動体４０と、第１の一対のカム２１０、第２の一対のカム２２０、及び第３の一対のカム２３０を有する。
【００２０】
基体１０は、太陽放射の向きの変化に対応して、設置面内において回動される。図１に説示される３本の矢印ＸＹＺは、該基体１０とともに動く動座標系であるＸＹＺ直交座標系を表わす。このＸＹＺ座標系は以降の説明の容易の為に使用される。太陽放射がＸ軸に沿って入射するように該基体１０は回動する。即ち、該ＸＹＺ座標系において、入射太陽放射に平行なベクトルのＹ成分は常時ゼロである。該基体１０上に、該第１の反射鏡連結体１１０、該第２の反射鏡連結体１２０、該第３の反射鏡連結体１３０、該複数の回転軸提供部材３０、該運動体４０、該第１の一対のカム２１０、該第２の一対のカム２２０、及び該第３の一対のカム２３０は搭載される。
【００２１】
図２は、該第１の反射鏡連結体１１０を説示する図である。図２において、該第１の反射鏡連結体１１０は、主基板１１２、該主基板１１２上に搭載される反射面１１２Ｒ、一対の側基板１１４、該一対の側基板１１４上にそれぞれ搭載される一対の反射面１１４Ｒ、及び該一対の側基板１１４と該主基板１１２との接続部それぞれ配備される一対の旋回関節１１８とを有する。該第１の反射鏡連結体１１０の両端１１０Ｒ及び１１０Ｌは該旋回関節１１８回りの回転が可能な自由端である。
【００２２】
該主基板１１２は一対の回転軸提供部材３０に接続される。該一対の回転軸提供部材３０はそれぞれ基体１０に強固に接続される。これにより該主基板１１２は該一対の回転軸提供部材３０を通る直線の回りに回転可能である。即ち、Ｙ軸に平行な直線の回りに回転可能である。該主基板１１２が回転する場合、該一対の旋回関節１１８及び該一対の側基板１１４もＹ軸の回りに回転する。
【００２３】
該反射面１１２Ｒは複数の正方形の平板反射面が放物面に沿って配列された構造を有する。それぞれの反射面１１４Ｒも複数の正方形の平板反射面が放物面に沿って配列された構造を有する。該反射面１１２Ｒ及び該反射面１１４Ｒはそれぞれ太陽放射を所定の集光領域に集光するために要求される焦点距離を有する。
【００２４】
図３は、該太陽放射集中装置の断面を説示する図である。重力あるいはその他の力を利用して、該一対のカム２１０はそれぞれ該一対の側基板１１４と摺動可能な状態で接触する。即ち、それぞれの基板１１４は該カム２１０により支持される。該一対のカム２１０は該一対の側基板の向き、即ち該側基板１１４と該主基板１１２との間の角Ｂを定める。
【００２５】
図２に説示された反射面に替わり、図４及び５に説示される形状の反射面が使用されてもよい。図４及び５において、主基板１１２上に反射面１１２Ｒとしての放物面が描かれている。矢印Ｐは、該放物面の光軸に沿って入射する入射光に平行なベクトルを表わす。また、複数の矢印は該放物面により反射された光の進行方向を説示する。この放物面により反射された光は集光領域９００に向けて進行する。なお、図４及び５において、図示の容易の為、放物面のＺ方向は拡大されて描かれている。
【００２６】
図１において、該運動体４０は該基体１０上をＸ軸に平行に運動する。該主基板１１２は直接該運動体４０と接触する。該運動体４０の運動とともに、該主基板１１２は該一対の回転軸提供部材３０を通る直線の回りに回動される。該主基板１１２の反射面により反射された太陽放射が所定の集光領域に集中されるように該運動体４０の位置は制御される。
【００２７】
該第２の反射鏡連結体１２０及び該第３の反射鏡連結体１３０は、それぞれ該第１の反射鏡連結体１１０と同様の構造を有する。即ち、該第２の反射鏡連結体１２０は主基板１２２及び一対の側基板１２４を有し、該第３の反射鏡連結体１３０は主基板１３２及び一対の側基板１３４を有する。更に、該第２の反射鏡連結体１２０の主基板１２２と該運動体４０との間に角度調整部材１２９が配備される。更に、該第３の反射鏡連結体１３０の主基板１３２と該運動体４０との間に角度調整部材１３９が配備される。
【００２８】
図６は、該太陽放射集中装置の断面を説示する図である。図６において、該運動部材４０は基体１０上をＸ軸に平行な方向に運動する。重力あるいはその他の力を利用して、該運動体４０は該主基板１１２と接触する。これにより該主基板１１２は該運動体４０により支持される。該運動体４０が運動する場合、該主基板１１２は該一対の回転軸提供部材を通る回転軸の回りに回動される。
【００２９】
該第２の反射鏡連結体の主基板１２２の下部に角度調整部材１２９が配備される。この角度調整部材１２９の底面は該主基板１１２の底面に常時平行となるように駆動される。該角度調整部材１２９により該主基板１１２と該主基板１２２との間の角度は常時所定の値に維持される。
【００３０】
該第３の反射鏡連結体の主基板１３２の下部に角度調整部材１３９が配備される。この角度調整部材１３９の底面は該主基板１１２の底面に常時平行となるように駆動される。該角度調整部材１３９により該主基板１１２と該主基板１３２との間の角度は常時所定の値に維持される。
【００３１】
これにより該第１の反射鏡連結体１１０の主基板１１２と、該第２の反射鏡連結体１２０の主基板１２２と、該第３の反射鏡連結体１３０の主基板１３２とは等角度の変化量で一括して駆動される。このため、該主基板１１２、１２２、１３２のそれぞれの反射面により反射された太陽放射は所定の集光位置９００に向かう。該集光位置９００及びそれぞれの反射鏡連結体の主基板はそれぞれＹ座標がゼロである部分を有する。該集光位置９００は該主基板１２２の上部にある。該集光位置９００は図６の矢印Ｓは入射太陽放射に平行なベクトルを表わす。また、複数の矢印は反射された太陽放射の進行方向を表わす。太陽放射の向きが変化した場合は、該運動体を移動させることにより該第１の反射鏡連結体１１０の主基板１１２と、該第２の反射鏡連結体１２０の主基板１２２と、該第３の反射鏡連結体１３０の主基板１３２とは等角度の変化量で向きを変える為、このような集光状態が維持される。
【００３２】
図７は、図１、３、及び６に説示された状態における該太陽放射集中装置の正面を説示する図である。上述したように、該カム２１０は、該第１の反射鏡連結体１１０の側基板１１４と主基板１１２との間の角度が太陽放射の集中に適する値となるように該側基板１１４を支持する。同様に、該カム２２０は、該第２の反射鏡連結体１２０の側基板１２４と主基板１２２との間の角度が太陽放射の集中に適する値となるように該側基板１２４を支持する。更に、該カム２３０は、該第３の反射鏡連結体１３０の側基板１３４と主基板１３２との間の角度が太陽放射の集中に適する値となるように該側基板１３４を支持する。太陽放射の集中を行う上で、一般的には、該側基板１２４と該主基板１２２との間の角度は、該側基板１１４と該主基板１１２との間の角度と異なる。更に、該側基板１３４と該主基板１３２との間の角度は、該側基板１１４と該主基板１１２との間の角度と異なる。
【００３３】
図８は、図７に説示された状態から入射太陽放射の向きが変化した場合の該太陽放射集中装置の正面を説示する図である。該運動体４０はＸ座標が減少する方向に移動している。これにより複数の反射鏡連結体１１０、１２０、及び１３０の向きが一斉に変更される。
【００３４】
図８に説示された状態における該側基板１１４と該主基板１１２との間の角度は図７に説示された状態における該側基板１１４と該主基板１１２との間の角度より大きい値を有する。
【００３５】
図８に説示された状態における該側基板１２４と該主基板１２２との間の角度は図７に説示された状態における該側基板１２４と該主基板１２２との間の角度より大きい値を有する。該第２の反射鏡連結体１２０における該側基板１２４と該主基板１２２との間の角度の増加量は、該第１の反射鏡連結体１１０における該側基板１１４と該主基板１１２との間の角度の増加量より小さい。
【００３６】
図８に説示された状態における該側基板１３４と該主基板１３２との間の角度は図７に説示された状態における該側基板１３４と該主基板１３２との間の角度とほぼ等しい。
【００３７】
それぞれのカムの形状はこれらの事項を考慮して決定される。即ち、該複数のカムの形状を変化させることにより、それぞれの反射鏡連結体の側基板の角度を独立に、かつ連続的に変化させることが可能となる。これにより幅広い太陽放射の入射角領域において、高い集光比が実現される。即ち、このようなカムを有する制御機構が上記運動体を有する回動機構と協調して、それぞれの反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させる。
【００３８】
図９は、本発明の別の一実施形態による太陽放射集中装置を説示する概念図である。図９において、太陽放射集中装置は、基体１０と、第１の反射鏡連結体１１０と、第２の反射鏡連結体１２０と、第３の反射鏡連結体１３０と、複数の回転軸提供部材３０と、運動体４０とを有する。
【００３９】
図１０は該第１の反射鏡連結体１１０を説示する図である。該第１の反射鏡連結体１１０は、主基板１１２及び一対の側基板１１４を有する。該一対の側基板１１４は、それぞれ該主基板１１２の両端に接続される。それぞれの側基板１１４と該主基板１１２との間には旋回関節１１８が配備される。該主基板１１２及び該一対の側基板１１４の底面が平行な状態で、反射面１１２、１１４Ｒは該底面に対し所定の角度で入射する太陽放射を一点に集中する光学特性を有している。しかしながら、この所定の角度から大きく変化した状態で太陽放射が入射する場合、反射鏡の収差に起因して、集光比が大きく低下する。この場合、該側基板１１４を該旋回関節１１８の回りに回転させることにより該側基板１１４と該主基板との間の角度を集光に適する値にすることができる。これにより集光比の低下が抑制される。
【００４０】
図１１は、該第１の反射鏡連結体１１０の側基板１１４の底部を説示する図である。該底部に側基板傾斜部材２１４が配備される。この側基板傾斜部材２１４は、上記収差が大きな領域で該運動体４０と接触する。これにより該側基板１１４を該主基板１１２と非平行状態とすることが可能である。該側基板傾斜部材２１４の形状は、このような収差が最小となるように決定される。
【００４１】
図１２は、該第２の反射鏡連結体１２０の側基板１２４の底部を説示する図である。該底部に角度調整部材１２９が配備される。この角度調整部材は、上述した角度調整部材と同様に作用する。更に、側基板傾斜部材２２４が配備される。この側基板傾斜部材２２４の形状は上記第１の反射鏡連結体１１０に配備される側基板傾斜部材２１４と形状が異なる。
【００４２】
図１３は、該第３の反射鏡連結体１３０の側基板１３４の底部を説示する図である。該底部に角度調整部材１３９が配備される。該第３の反射鏡連結体１３０による集光の収差は比較的小さい為、側基板傾斜部材は配備されない。
【００４３】
図１４は、該太陽放射集光装置による集光を説示する概念図である。固定された集光領域９００に向けて太陽放射が集中される。
【００４４】
図１５は本発明の更に別の一実施形態による太陽放射集中装置の正面を説示する図である。該太陽放射集中装置は、図７に説示された太陽放射集中装置に加え、複数の弾性紐７４０を有する。それぞれの弾性紐７４０は側基板を所定の力でカムに押し当てる。これにより風などの外力により側基板が遊離することが防止される。
【００４５】
図１６は本発明の更に別の一実施形態による太陽放射集中装置の正面を説示する図である。該太陽放射集中装置は、図７に説示された太陽放射集中装置に加え、複数の弾性紐７４０を有する。それぞれの弾性紐７４０は主基板１１２と基体１０とを連結する。これにより風などの外力により主基板１１２が遊離することが防止される。
【００４６】
以上において、本発明による太陽放射集中装置は詳細に説明された。その他、本発明による太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法を好適に動作させるための補助的な手段、例えば、該太陽放射集中装置により反射された収束光ビームを平行光ビームに変換するフレネル凹レンズ、分光素子、反射光量調節手段、蓄熱装置、伝熱部材、断熱部材、温度調節手段、光パワーメータ、集光比を調整するための調整手段、集光領域からの反射光が外部の領域へ到達することを防止する遮光側壁、情報蓄積媒体、演算プロセッサ、及び／または運動部材の位置データに関するエンコーダ等を伴って本発明が実施されてもよい。
【００４７】
更に、上記に説明された構造は、種々の変化を伴って実施されてもよい。例えば、該側基板１１４に更に別の側基板が旋回関節を介して接続されてもよい。この場合、所定の形状を有するカムが追加される。更に、主基板あるいは側基板を駆動するための棒や該棒を所定の軌道で案内する為の案内部材が配備されてもよい。
【００４８】
即ち、ここに開示された本発明は、新規な太陽放射集中装置を提供するが、以上の詳細な説明に開示された教唆に鑑み、本発明の実施は、本発明の最良の形態を説明するためになされた上記実施例に限定されるものではなく、以下の請求の範囲の中で、諸変化を伴ってその他の形態で実施してもよく、あるいは上記実施例の中の最良の一実施形態を説明するために附加された付加的な形態や構成要素を伴わずに実施されてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上記のごとくなした故に、幅広い太陽放射の入射角度領域に対して、高い集光比を有する太陽放射集中装置が提供される。更に、本発明による太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法により、太陽光照射装置、太陽光発電システム、太陽熱システム、蒸留装置、熱機関、太陽熱発電システム、太陽熱閉流路ガスタービン発電システム、太陽光照明システム、及び太陽炉などを伴った新規な太陽エネルギーシステムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による太陽放射集中装置を説示する概念図である。
【図２】第１の反射鏡連結体を説示する図である。
【図３】図１に説示された太陽放射集中装置の断面を説示する図である。
【図４】反射面を説示する図である。
【図５】図４に説示された反射面を説示する図である。
【図６】図１に説示された太陽放射集中装置の断面を説示する図である。
【図７】図１、３、及び６に説示された状態における太陽放射集中装置の正面を説示する図である。
【図８】図７に説示された状態から入射太陽放射の向きが変化した場合の該太陽放射集中装置の正面を説示する図である。
【図９】本発明の別の一実施形態による太陽放射集中装置を説示する概念図である。
【図１０】第１の反射鏡連結体を説示する図である。
【図１１】第１の反射鏡連結体の側基板の底部を説示する図である。
【図１２】第２の反射鏡連結体の側基板の底部を説示する図である。
【図１３】第３の反射鏡連結体の側基板の底部を説示する図である。
【図１４】太陽放射集光装置による集光を説示する概念図である。
【図１５】本発明の更に別の一実施形態による太陽放射集中装置の正面を説示する図である。
【図１６】本発明の更に別の一実施形態による太陽放射集中装置の正面を説示する図である。
【符号の説明】
１０基体
３０回転軸提供部材
４０運動体
１１０第１の反射鏡連結体
１２０第２の反射鏡連結体
１３０第３の反射鏡連結体
２１０第１のカム
２２０第２のカム
２３０第３のカム

Claims

太陽放射の向きの変化に対応して設置面内において回動される基体と、複数の反射鏡連結体と、該基体上において互いに平行に配置される複数の回転軸を定義する複数の回転軸提供部材と、太陽放射の追尾の為に該複数の反射鏡連結体をそれぞれ該複数の回転軸の回りに回動するための回動機構と、該複数の反射鏡連結体の形状を制御するカム機構とを有し、それぞれの反射鏡連結体が単数または複数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡を有することにより該反射鏡連結体の少なくとも１つの端部が自由端となるような構造を有し、該カム機構が該回動機構と協調してそれぞれの反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させるための所定の形状を有するカムを有することを特徴とする太陽放射集中装置。
太陽放射の向きの変化に対応して設置面内において回動される基体と、反射鏡連結体と、該反射鏡連結体を回動する為の回転軸を定義する回転軸提供部材と、太陽放射の追尾の為に該反射鏡連結体を該回転軸の回りに回動するための回動機構と、該反射鏡連結体の形状を制御する制御機構とを有し、反射鏡連結体が単数または複数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡を有することにより該反射鏡連結体の少なくとも１つの端部が自由端となるような構造を有し、該制御機構が該回動機構と協調して該反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させるための所定の形状を有する部材を有することを特徴とする太陽放射集中装置。