JP4402334B2 - 太陽光集光システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、太陽エネルギーを集光してエネルギー密度を高めて 直接熱源又はエネルギー変換して 有効利用を促進するものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，太陽光を集光する方法に 複数の平面鏡あるいは凹面鏡の反射角を複数制御して一点に集光するヘリオスタットが大規模集光に利用されているが、
１ それぞれの反射鏡を それぞれ制御して、太陽光を反射して一点に集まるよう制御している。
２ 反射板及び架台に剛性の高い構造をもって 高精度の角度制御を行っている。
以上のように 太陽光を角度制御するための機構が複雑かつ 多数必要で、構造物自身が重く駆動自身も大きな動力を必要とした。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、機構を単純化し、製作コストを下げ、設置の自由度を上げることであり、
１ 構造の単純化、軽量化で製作コストを低減する。
２ 作動動力を効率よく角度の制御に伝達する。
３ 制御装置及び駆動装置の数を少なくする。
４ 設置の自由度を向上させる。
以上の課題を解決することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽光を集光するヘリスタットの角度制御機構を簡略化し、軽量化することで、低コスト化及び設置自由度を拡大させるためになされた物である。図１において、太陽光集光ヘリオスタットの構成要素である反射面となる平面を、固定点とした自在支点ａ５０ａ一点と浮動できる自在支点ｂ５０ｂ三点又は三点の内一点を固定点と共用した点を同一平面上に配置し、複数の平面上の自在支点ｂ５０ｂ三点をそれぞれ距離をもって連結し、複数の平面を連動させ、複数の平面を同期して任意の三次元面角度制御を行い、各反射面のなす角を予め集光点との位置により設定しておくことで、二軸の制御のみにて複数の反射面を多重連動させ、複数の反射光を一点に集光することにより
１ 反射面の角度制御角は太陽の光軸変化角度の半分の９０度有れば良いので、簡単なリンク機構にて全動作角を制御可能となり、反射面の角度制御は図３における ΔＸ１及びΔＸ２の制御量をクランク機構あるいはネジ等による押し引きの駆動にて面角度を任意に制御でき駆動機構が簡単になる。
２ 複数の反射板を連動する連結部材には張力による伝達機構となるので、伝達効率がよく変形しにくい特徴をもち駆動部の軽量化も計れ、複数の反射面を同時制御しても累積誤差が生じにくい。
３ 自在支点ａ５０ａをＸ軸であるテンションシャフト５１に対して回転を拘束することで、複数よりなるテンションワイヤー５３にＸ軸のねじれの変形を防止することが可能でより動作精度を向上させることができる。
４ テンションワイヤー５３は可撓性のあるロープ等また剛性を持つパイプ、ロッドも利用可能で、剛性材料を用いる場合は横風などの外力に対して反射板４０の位置精度を高く保持することが可能で、テンションワイヤー５３にかける張力を低く設定することができる。可撓性材料を用いる場合は張力により剛性を保持する。
５ テンションワイヤー５３の剛性が不足する場合、中間部任意の反射板４０の自在支点ａ５０ａより支持することも可能で、外力によるテンションワイヤー５３に加わる応力を減少させることも可能であり、温度差による長さ変化があっても全体的に伸縮しても制御角度に及ぼす影響は少なくスパンを長くするができる。
６ 反射板４０の形状は、３点の自在支点ｂ５０ｂが構成する平面と平行であればどのような形状でもとることが出来る。
７ 多列の角度制御を行う場合でも簡単なリンク機構の連動リンクＸＡ４８及び連動リンクＸＢ４９を介して他のＸ軸に連動させることが可能である。
８ 複数の反射板４０の反射角を反射面のなす角を予め集光点との位置により設定されるオフセット角が予め設定してあれば制御に要する軸は二軸のみとなり制御にコストがかからない。
【０００５】
図４にて、反射面を 平面平行リンクにて同一軸上にて同角度多重連動するよう取り付け、その軸を回転させることにより任意の三次元面角度制御を行い、各反射面のなす角を予め集光点との位置により設定しておくことで、二軸の制御のみにて複数の反射面を多重連動させ、複数の反射光を一点に集光するにより
１ Ｙ揺動は平行リンク機構により制御角が制限があるが、Ｘ揺動角は無制限の回転が可能となる。
２ 制御可動部の連結を行う吊り支点ａ１２及び吊り支点ｂ１４が１軸方向のみ回転自在であれば良いので連結構造が簡単になる。
３ Ｘ軸は角度制御される反射膜１あるいは平面を太陽の方向１８０度以上に直角に制御できる動作角を持つことができるので。反射面を太陽電池又は集光レンズに置き換えて太陽を追尾することも可能である。
４ 多列の角度制御を行う場合でも簡単な伝導機構のＸ連動ベルト１８及びＹ連動ベルト１９を介して他のＸ軸に連動させることが可能である。
【０００６】
図３にて、動作を連動させる連結材の剛性又は張力により、反射面を 任意の三次元面角度制御を行うと共に空間支持をすることで
１ テンションワイヤー５３の剛性にて反射板４０の位置保持する場合、片側テンションシャフト５１を固定でもよく、また テンションワイヤー５３の張力のみにて反射板４０の位置保持する場合、両側テンションシャフト５１を固定するのみで設置可能なので、設置場所、設置方向の自由度が大きく、設置の作業も簡単になる。
２ 駆動部がテンションワイヤー５３とリンク機構だけなので、軽量になり慣性による駆動力が小さくて済み高速な制御が可能となり、船舶のような移動物体に設置しても制御が可能である。
３ 中間連動部の反射板４０は簡単な吊り構造のみで構成されるため、製作設置コストが激減する。
【０００７】
図６において、反射面を膜または薄板として透過膜２により構成される気膜構造内部に気室Ａ２０と気室Ｂ２１に通気できる仕切り面にて平面を形成し反射面とすることで
１ 反射膜１に穴などの通気口を設けることで、気膜構造内部の気室Ａ２０と気室Ｂ２１は同気圧となり、反射膜１は周辺より充填圧力により均一な引張りを受け平面を形成するので、剛性のない膜又は薄板状の反射面を風等の外力による変形がなく大型軽量にすることができる。
２ 気膜構造なので内部充填圧力にて外形の剛性を持たせる事が出来、内部反射面の角度制御を外形に固定した支持点より制御が可能である。
３ 単純な気膜構造なので大型でも製造コストは少なく、搬送時などは小さく折りたたみが可能で保管にも場所を取らない。
４ 外形形状を球形とすれば、風による外力をどの方向から受けても力は同じとなるので、反射面の角度制御にかかわる力の変化が少なく、平板より空気抵抗が少なく各部の強度を低くすることが可能となる。
【０００８】
図６にて、反射膜１と透過膜２により形成される気室Ａ２０と気室Ｂ２１それぞれ気密をもつ構造とし、気室Ａ２０と気室Ｂ２１に差圧を与え、弾性体の反射膜１を弾性変形させることにより、凹面による焦点距離を調節可能とすることで、
１ 気室Ａ２０と気室Ｂ２１の差圧により、反射膜１は圧力の高い側より均一な圧力を受け、近似回転放物面様に曲面変形し、変形の度合いは差圧によって制御が可能であり、簡単な構造で可変焦点反射凹面鏡を形成することができる。
２ 凹面鏡より反射された平行光の焦点距離は、反射角により変化するので、その変化量に応じた凹面により焦点距離を一定に保つことで、ヘリオスタットの集光部に効率よく集中させることが可能となる。
【０００９】
以上のような手段を単独又は組み合わせて講じる。
また 集光された太陽光は、太陽電池にて直接発電、一旦熱より熱電変換素子,熱機関を利用しての発電、又は直接熱源、光源として利用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態の違いにより、その構造 特徴を説明する。
【００１１】
図３に動作角度作用図を示し、これを説明する。
２枚の反射板４０がそれぞれ 回転中心となる自在支点ａ５０ａにて空間上に固定され、それぞれの同一面上の自在支点ｂ５０ｂを３点以上のテンションワイヤー５３にて平行面となるように連結する。同一面上２点の自在支点ｂ５０ｂをそれぞれΔＸ１及びΔＸ２と個別にＸ軸上の位置を制御するとき、ΔＸ１及びΔＸ２が同方向同距離移動するとＺＸ投影角で表わされる角度αが可変制御でき、ΔＸ１及びΔＸ２が異方向同距離移動するとＸＹ投影角で表わされる角度βが可変制御でき、ΔＸ１及びΔＸ２の制御にて角度α及びβが任意の角度に機械的に干渉しない範囲で動作制御が可能となる。また揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して円運動、直線運動を自在支点ｂ５０ｂの自在支点ａ５０ａによる円弧拘束移動点に作用を伝える。この機構によりリンク機構による回転角伝達は１２０度程度の動作範囲にて角度制御が可能となる。自在支点ａ５０ａは球面軸受けでも良いが、回転軸の直交する回転伝達できる自在継ぎ手機構を用いてＸ軸の回転を拘束することでそれぞれの平面間のねじれを防ぎ機械的精度を向上させることができる。
【００１２】
図５に反射角度相関図を示し、これを説明する。
Ｘ軸上に複数の反射面を連動させ反射光を同一の焦点位置２６に集光させるためには各反射面にオフセット角度を設定する必要が有り、そのオフセット角をβとすると 焦点位置２６から各反射面のＸ軸交点を結ぶ角度の差αの１／２となり、焦点位置２６と反射面の距離Ｌと軸からの高さＨより計算できる。
複数Ｘ軸を設ける場合も、図中のＸ軸をＹ軸に置き換えることでそれぞれの軸を座標変換すればそれぞれのＸ軸とＹ軸のオフセット角をもってどのように配置されようともオフセット角が設定されていれば全ての反射面からの反射光軸を一点に集めることが出来、太陽光の角度により制御する反射面の角度変位量は同じとなる。
言い換えれば、巨大な回転放物面の一部を反射面として回転放物面の焦点を中心に一体として角度制御を行い、回転放物面の一部を 任意の位置に焦点からの放射線に沿って平行移動させたものと考えることができる。
よって、各反射面のオフセット角は回転放物面の精度、連動駆動系は回転放物面の剛性と言い換えることもできる。
【００１３】
図６に反射部詳細図を示し、これを説明する。
光の反射率の高いアルミ、銀などによりコーティングされた反射膜１を光の透過性に優れた透過膜２で挟み込み周囲を融着など手段で気密構造とし、内部に空気などの気体を充填加圧することで、透過膜２は内部圧力により伸び変形して球体に近づこうとして反射膜１を周囲に引張りの力が働き反射膜１は膜接合面に対して最小面積となる面を形成する、膜接合面が円系であれば円盤状平面となりそのままで平面反射することが出来る。
反射膜１と透過膜２による気室Ａ２０と気室Ｂ２１の充填圧力を反射膜１の一部を開口部とすることで差圧をなくすれば反射膜１は平面の無差圧反射膜２２となり、また気室Ａ２０と気室Ｂ２１を独立した気密構造とし差圧をかけることで反射膜１は凹面又は凸面の有差圧反射膜２３となり、これにより形成される曲面は回転放物面の底面に近似したものとなり、平行光を反射した場合焦点を生じ、気室Ａ２０と気室Ｂ２１の差圧による変形度合いにより曲率が変化して その焦点距離を変化させることができ、差圧を大きくすれば長焦点２５より短焦点２４に移行する。
この機能を利用して、反射角による焦点距離の変化および 集光位置と各反射面の距離の補正を行い、単面反射集光と多面多重集光をあわせて行い集高度を上げることができる。
曲面変形度合いは、膜厚及び弾性率、差圧により変化するので、同一性状の膜にて行う場合は 差圧の関数として取り扱え 反射角、位置ごとのデータを加味してコンピュータ上に記憶して制御することにて容易に制御は可能となる。
また 反射膜１と透過膜２は変形させる曲率、差圧により板状の物を用いることも可能である。
【００１４】
図１に面同期ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
駆動フレーム１１に角度制御を行うためのアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２を設け出力軸にそれぞれクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にて回転運動を揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して駆動側反射板４０外周部に設けた自在支点ｂ５０ｂ二点と回転自在に連結する。
駆動側反射板４０のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら駆動フレーム１１に固定し、駆動側反射板４０外周部３点の自在支点ｂ５０ｂと従動側反射板４０外周部３点の自在支点ｂ５０ｂをテンションワイヤー５３で接続し、その間に複数の反射板４０を自在支点ｂ５０ｂを介して支持させ、従動側反射板４０のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら吊りフレーム１５に固定する。
各反射板４０は図５により説明されたオフセット角をテンションワイヤー５３の接合位置を調整して取り付けられ、隣接するＸ軸側に連動リンクＸＡ４８と連動リンクＸＢ４９を介してそれぞれのＸ軸のクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にクランク軸の角度に図５により説明されたオフセット角をもって連接される。
この構造によりアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２の制御回転角は図３にて説明された作用をもって各反射板４０をオフセット角を維持しながら角度を制御される。軸間の連動は直列でも並列でも可能であるので、駆動部のみ単独で設置して複数の軸に並列に連接させても可能である。
またこのとき簡易的に反射板４０のオフセット角をテンションワイヤー５３の位置調整のみで行っているため動作角度によってサイン誤差が発生して各反射板４０の角度を高精度をにて制御できないがオフセット角が小さくて済む場合はその誤差は少なく無視することが可能であり、サイン誤差を修正するために任意の中間部に図１２のオフセット補正に示す機構を用いて補正することができる。
ここで図１２のオフセット補正を説明すると、オフセットフレーム５６は自在支点ａ５０ａを中心に自由に回転し、それぞれのオフセット角をもつ反射板４０と平行となる面に３点の自在支点ｂ５０ｂを持ち、それぞれが反射板４０の自在支点ｂ５０ｂにテンションワイヤー５３にて連接されたオフセットフレーム５６はオフセット角をもつ二つの面を構成する、それぞれ３対の自在支点ａ５０ａを中心とする球面上の点となる自在支点ｂ５０ｂをオフセットロッド５５にて角度を保持する。オフセットロッド５５のそれぞれの長さを調節することによりオフセット角は自在に調節可能でオフセットフレーム５６の自在支点ａ５０ａを中心にして補正された角度にて伝達が可能となり、Ｘ軸の角度変更しても自在支点ａ５０ａにテンションワイヤー５３の引張り合力を張力により支持しておけば任意のＸ軸の角度を変更することも可能となり、Ｘ軸の角度変更しない場合は支持なしにて空間にテンションワイヤー５３の引張りにて固定される。
駆動側及び従動側の反射板４０にはテンションワイヤー５３に加える張力が板の曲げ応力として加わるので 適宜反射面の裏側に補強を設ける。
本構造にてヘリオスタットを構成することで、低コスト、低資材にて設置が可能となる。
【００１５】
図２に軸同期ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
駆動フレーム１１に角度制御を行うためのアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２を設け出力軸にそれぞれクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にて回転運動を揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して駆動側反射板４０の従動アーム１３に設けた自在支点ｂ５０ｂ二点と回転自在に連結する。
従動アーム１３はオフセット軸５４の一端に固定され、駆動側反射板４０と軸角度を調整可能に固定されオフセット軸５４軸上のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら駆動フレーム１１に固定し、従動アーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂを従動側反射板４０の従動アーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂをテンションワイヤー５３で接続し、その間に複数の反射板４０もアーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂを介して支持させ、従動側反射板４０のオフセット軸５４軸上のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら吊りフレーム１５に固定する。
各反射板４０は図５により説明されたオフセット角をオフセット軸５４の角度を調整して取り付けられ、隣接するＸ軸側に連動リンクＸＡ４８と連動リンクＸＢ４９を介してそれぞれのＸ軸のクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にクランク軸の角度に図５により説明されたオフセット角をもって連接される。
この構造によりアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２の回転角により 図３にて説明された作用をもって各反射板４０をオフセット角を維持しながら角度を制御される。
駆動側及び従動側の反射板４０のオフセット軸５４にはテンションワイヤー５３に加える張力が軸の曲げ応力として加わるので 適宜軸強度を上げておく。
本構造にてヘリオスタットを構成することで、低コスト、低資材にて高精度な設置が可能となる。
【００１６】
図４に軸回転ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
Ｘ駆動モータ９の回転は二重軸構造のＸ軸６を介して直交ギヤ５自身を回転させ、Ｙ駆動モータ１０の回転はＸ軸６を介して直交ギヤ５を駆動してＹ軸７に固定されている揺動アーム４を回転させる。
従動側は従動アーム１３を従動Ｙ軸７ａに固定し、Ｘ軸位置をＸ軸に回転自在に吊りフレーム１５の吊り支点ｂ１４に引っ張りながら接続し、吊りロープ３にて従動アーム１３が平行リンクをなして相互にＹ軸に回転自在な吊り支点ａ１２を介して連接される。駆動フレーム１１より吊りフレーム１５に張られた吊りロープ３の中間位置に複数の反射膜１を透過膜２に内蔵した反射体を反射面の回転制御中心をＸ軸に合わせ、Ｙ軸にオフセット角を持たせて吊り支点ｂ１４により連接する。反射体の取り付けと同様にセンサーミラー１６を取り付けオフセット角をセンサー１７方向に単独に向けておくことで、センサーミラー１６の反射光がセンサー１７方向に向くと全ての反射体は集光点に向けて反射光が向く構造となる。
センサー１７は複数の角度をもつ受光センサーよりなり、ある角度の受光強度が強いときその方向に太陽があると想定し反射体角度をおおまかに制御し、反射による一方向の受光強度が最高になるよう反射体角度を微調整することで、容易に制御することができ、また 反射光一方向の受光強度のみの感知でも反射体を無作為に回転させ受光強度が強くなったときに比例制御をすれば反射光が強くなる角度に制御可能である。またセンサー１７の位置を特定の反射面と集光位置の軸線上に設置しても同様な制御が可能である。
【００１７】
図７に復列ヘリオスタット構成図を示し、これを説明する。
これは図４にて説明した単列のものを、Ｘ駆動モータ９とＹ駆動モータ１０Ｘの動作角をＸ連動ベルト１８及びＹ連動ベルト１９にて他軸にオフセット角を持たせて連動するように設置する物で、無制限に連動させることが可能である。
連動させる為の伝導はベルトに限らず、シャフトと継ぎ手等回転を伝達できれば方法は限定されないので設置状況に合わせて選定すればよい。
【００１８】
図８に谷型配置図を示し、これを説明する。
補強ワイヤー２９にて補強された支柱２８に吊り支点ｂ１４を設け、駆動フレーム１１とのなすＸ軸の角度を谷型に配置した例で、反射面によって反射された太陽光は全て集光部２７に集光される。
【００１９】
図９に山型配置図を示し、これを説明する。
谷型配置図と同様であるが、この配置では太陽光は一旦ヘリオスタットアレイ部を透過して全て集光部２７に集光することが可能となり、巨大な凸レンズ又はフレネルレンズにて集光するのと同様な配置とすることが出来、谷型、山型、垂直、平行と設置方法が自由に設定できるので、設置場所の地形などに合わせ効率的な設置を可能とする。
【００２０】
図１０に採光システムを示し、これを説明する。
建造物に小型の集光システムを配置して 反射光を採光に利用した物で、
屋根３４に駆動フレーム１１と吊り支点ａ１２を固定して吊りロープ３に風の抵抗を低減する透明風防３１の中に小型反射板３０を設け、反射光を二次反射板３２を介して窓３３ より直接採光できるようにしたものである。
設置場所は屋根に限らず垂直な壁面にも設置可能なので、陽のあたる場所であれば設置可能で二次反射板３２の位置及び角度にて採光する位置を任意に設定することができる。
【００２１】
図１１に温水システムを示し、これをを説明する。
建造物に小型の集光システムを配置して 集光した反射光を熱として温水に利用した物で、
屋根３４に駆動フレーム１１と吊り支点ａ１２を固定して吊りロープ３に風の抵抗を低減する透明風防３１の中に小型反射板３０を設け、反射光を二次反射板３２を介して地上に設置した外気と断熱された保温タンク３５の入光窓３６に入光させ直接及び間接的に温水３８に光を通過させ光エネルギーを熱エネルギーに変換させ温水を得ることができるようにした物である。
入光窓３６には集光反射板３７で更に集光し入光窓３６の面積を少なくして断熱効率を上げ、保温タンク３５内部に高熱伝導体の熱撹拌棒３９を設け温水３８がなるべく均一な温度になるようにしてある。集光部を保温タンク３５と一体構造として一つのユニット化することもでき、設置がより簡単にすることもできる。
また 集光面積を大きくすれば 熱水を得ることも容易であるので保温タンク３５を圧力容器とすれば加熱蒸気を得ることも出来る。
同様に加熱物を換えることで保温太陽炉となり、化学分解などに容易に利用可能である。
【００２２】
以上のようにそれぞれの構造と特徴をもち、各構造、機能の組合せ、構成材質により、さまざまな環境に合わせることが可能である。
また安全対策に尽いては、風による外力が一番大きく変動も激しいため、風の強い時は 集光部を空力的に抵抗が最小となるよう向きを制御するか、制御軸をフリーとして風の向きに倣わせる方法をとることも可能であり、気膜構造の場合機械部との接合部を可逆可能な方法で取り付け、過負荷時には気膜構造部のみ結合が外れ風に流されてしまう構造とする事で対策することが出来る。
【００２３】
【実施例】
本発明の動作を検証するために、図３に示す基本構造を試作し、動作の検証を行った。
反射板４０として軽量で容易に入手にできるアルミ蒸着面をもつＣＤＲＯＭ盤を用い、自在支点ｂ５０ｂとしてＣＤＲＯＭ盤の外周部に等分角度で穴を開け、その穴にテンションワイヤー５３としてナイロン糸を位置調整できるようにゴム管を介して貫通固定させたＣＤＲＯＭ盤を５枚約１５０ｍｍピッチにて取り付け両端ＣＤＲＯＭ盤には自在支点ａ５０ａとして中心部に穴にナイロン糸を固定した２ｍｍ板厚でＣＤＲＯＭ盤と同形状のメクラフランジを反射面の裏に接着した物を自在支点ａ５０ａとなるナイロン糸の単部を引張りばねで張力をかけて支柱に固定する。太陽光を反射させＸ回転軸の２ｍ程度はなれた場所に５枚のＣＤＲＯＭ盤の反射光が一致するように目視にてナイロン糸の固定点をそれぞれ調整して各反射面のオフセット角を設定した。
【００２４】
図３のΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量を指先にて自在支点ｂ５０ｂと連接されているナイロン糸を引っ張って調整すると反射光の集光点は集光を保ちながらΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量に応じ移動した。また一方の自在支点ａ５０ａとなるナイロン糸の固定位置を移動させ、太陽光の角度が変化したと想定し、ΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量のみを変化させて移動前の調整集光点と同点に集光できるかを確認した。
オフセット角を調整するために、重力方向に赤色レーザーを発するレーザーポインターに重りをつけフリサゲ状のものを利用して、複数の反射面より一枚のみを特定し、特定した反射面上にレーザーを垂直重力方向に当てて反射させ集光位置にて特定した反射面の角度を目視確認ができるので容易に調整することもできる。
【００２５】
以上の簡単な実験を垂直、水平、斜めと確認し、図５におけるＸ軸より集光点の距離Ｈ及びＬが大きく変らなければ実際上の集光に機能上問題はないと判断でき、また実際の場合は反射面の平面度、風の影響が作用して集光精度を下げる要因はあるが、集光部に二次集光反射器を設けることで十分な集光が可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の効果を以下に列記する。
【００２７】
装置及び設備の製造コストの低減により
１ 反射面の設置及び追尾装置の製造コストが激減するため 低コストで太陽熱、太陽光の利用が可能となる。
２ 高効率温水器など良質な高温エネルギーを簡単に低コストにて利用できるようになる。
３ システムの設置方法の自由度が大きく設置場所を選ばない。
支持点は既存の建造物を利用することが可能であり、補強を要する場合も殆んどはワイヤーによる補強程度で済む。
【００２８】
気膜構造反射体を利用する場合は、装置、設備の設置及び復元の容易性により
１ 移動を伴う設置でキャンプなど、電源、熱源のない場所で電源、熱源の確保が容易に出来る。
２ 緊急災害時など電力、動力が利用不可能になったとき、容易に設置して緊急電源、緊急動力とする事ができる。
３ 搬送が困難なために設置する事ができなかった場所でも設置が可能となる。
４ 台風等の非常時には、即座に撤去でき、設備の安全性を確保する事が容易である。
５ 気膜構造の場合、設備が何らかの異常で破壊されても、硬く重い部品がなく、破壊 故障による二次災害が防止できる
【００２９】
直接光エネルギーを利用出来る事が可能なので
１ 直接室内の照明用の光源として利用可能で晴天時の屋内照明の省エネルギーが計れる。
２ 太陽光の持つ殺菌効果 露光効果などを利用できる。
３ 熱変換する場合、断熱された構造の中で熱に変るので変換効率が高く、高温を作り出すことが可能。
４ 高強度の光の性質を利用し、化学反応炉にて水の高温分解、ダイオキシンなどの高温分解などに応用できる。
【００３０】
以上のように本発明の効果はさまざまな環境に対応でき、装置、設備のコストが削減出来、稼動時の環境負荷は皆無である。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】面同期ヘリオスタット全体図
【図２】軸同期ヘリオスタット全体図
【図３】動作角度作用図
【図４】軸回転ヘリオスタット全体図
【図５】反射角度相関図
【図６】反射部詳細図
【図７】復列ヘリオスタット構成図
【図８】谷型配置図
【図９】山型配置図
【図１０】採光システム
【図１１】温水システム
【図１２】オフセット補正
【符号の説明】
１ 反射膜
２ 透過膜
３ 吊りロープ
４ 揺動アーム
５ 直交ギヤ
６ Ｘ軸
７ Ｙ軸
７ａ 従動Ｙ軸
８ ギヤボックス
９ Ｘ駆動モータ
１０ Y駆動モータ
１１ 駆動フレーム
１２ 吊り支点ａ
１３ 従動アーム
１４ 吊り支点ｂ
１５ 吊りフレーム
１６ センサーミラー
１７ センサー
１８ Ｘ連動ベルト
１９ Ｙ連動ベルト
２０ 気室Ａ
２１ 気室Ｂ
２２ 無差圧反射膜
２３ 有差圧反射膜
２４ 短焦点
２５ 長焦点
２６ 焦点位置
２７ 集光部
２８ 支柱
２９ 補強ワイヤー
３０ 小型反射板
３１ 透明風防
３２ 二次反射板
３３ 窓
３４ 屋根
３５ 保温タンク
３６ 入光窓
３７ 集光反射板
３８ 温水
３９ 熱撹拌棒
４０ 反射板
４１ アクチュエータＸＡ
４２ アクチュエータＸＢ
４３ クランクＸＡ
４４ クランクＸＢ
４５ 揺動リンクＸＡ
４６ 揺動リンクＸＢ
４８ 連動リンクＸＡ
４９ 連動リンクＸＢ
５０ａ 自在支点ａ
５０ｂ 自在支点ｂ
５１ テンションシャフト
５２ 揺動シャフト
５３ テンションワイヤー
５４ オフセット軸
５５ オフセットロッド
５６ オフセットフレーム
【発明が属する技術分野】
本発明は、太陽エネルギーを集光してエネルギー密度を高めて 直接熱源又はエネルギー変換して 有効利用を促進するものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，太陽光を集光する方法に 複数の平面鏡あるいは凹面鏡の反射角を複数制御して一点に集光するヘリオスタットが大規模集光に利用されているが、
１ それぞれの反射鏡を それぞれ制御して、太陽光を反射して一点に集まるよう制御している。
２ 反射板及び架台に剛性の高い構造をもって 高精度の角度制御を行っている。
以上のように 太陽光を角度制御するための機構が複雑かつ 多数必要で、構造物自身が重く駆動自身も大きな動力を必要とした。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、機構を単純化し、製作コストを下げ、設置の自由度を上げることであり、
１ 構造の単純化、軽量化で製作コストを低減する。
２ 作動動力を効率よく角度の制御に伝達する。
３ 制御装置及び駆動装置の数を少なくする。
４ 設置の自由度を向上させる。
以上の課題を解決することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽光を集光するヘリスタットの角度制御機構を簡略化し、軽量化することで、低コスト化及び設置自由度を拡大させるためになされた物である。図１において、太陽光集光ヘリオスタットの構成要素である反射面となる平面を、固定点とした自在支点ａ５０ａ一点と浮動できる自在支点ｂ５０ｂ三点又は三点の内一点を固定点と共用した点を同一平面上に配置し、複数の平面上の自在支点ｂ５０ｂ三点をそれぞれ距離をもって連結し、複数の平面を連動させ、複数の平面を同期して任意の三次元面角度制御を行い、各反射面のなす角を予め集光点との位置により設定しておくことで、二軸の制御のみにて複数の反射面を多重連動させ、複数の反射光を一点に集光することにより
１ 反射面の角度制御角は太陽の光軸変化角度の半分の９０度有れば良いので、簡単なリンク機構にて全動作角を制御可能となり、反射面の角度制御は図３における ΔＸ１及びΔＸ２の制御量をクランク機構あるいはネジ等による押し引きの駆動にて面角度を任意に制御でき駆動機構が簡単になる。
２ 複数の反射板を連動する連結部材には張力による伝達機構となるので、伝達効率がよく変形しにくい特徴をもち駆動部の軽量化も計れ、複数の反射面を同時制御しても累積誤差が生じにくい。
３ 自在支点ａ５０ａをＸ軸であるテンションシャフト５１に対して回転を拘束することで、複数よりなるテンションワイヤー５３にＸ軸のねじれの変形を防止することが可能でより動作精度を向上させることができる。
４ テンションワイヤー５３は可撓性のあるロープ等また剛性を持つパイプ、ロッドも利用可能で、剛性材料を用いる場合は横風などの外力に対して反射板４０の位置精度を高く保持することが可能で、テンションワイヤー５３にかける張力を低く設定することができる。可撓性材料を用いる場合は張力により剛性を保持する。
５ テンションワイヤー５３の剛性が不足する場合、中間部任意の反射板４０の自在支点ａ５０ａより支持することも可能で、外力によるテンションワイヤー５３に加わる応力を減少させることも可能であり、温度差による長さ変化があっても全体的に伸縮しても制御角度に及ぼす影響は少なくスパンを長くするができる。
６ 反射板４０の形状は、３点の自在支点ｂ５０ｂが構成する平面と平行であればどのような形状でもとることが出来る。
７ 多列の角度制御を行う場合でも簡単なリンク機構の連動リンクＸＡ４８及び連動リンクＸＢ４９を介して他のＸ軸に連動させることが可能である。
８ 複数の反射板４０の反射角を反射面のなす角を予め集光点との位置により設定されるオフセット角が予め設定してあれば制御に要する軸は二軸のみとなり制御にコストがかからない。
【０００５】
図４にて、反射面を 平面平行リンクにて同一軸上にて同角度多重連動するよう取り付け、その軸を回転させることにより任意の三次元面角度制御を行い、各反射面のなす角を予め集光点との位置により設定しておくことで、二軸の制御のみにて複数の反射面を多重連動させ、複数の反射光を一点に集光するにより
１ Ｙ揺動は平行リンク機構により制御角が制限があるが、Ｘ揺動角は無制限の回転が可能となる。
２ 制御可動部の連結を行う吊り支点ａ１２及び吊り支点ｂ１４が１軸方向のみ回転自在であれば良いので連結構造が簡単になる。
３ Ｘ軸は角度制御される反射膜１あるいは平面を太陽の方向１８０度以上に直角に制御できる動作角を持つことができるので。反射面を太陽電池又は集光レンズに置き換えて太陽を追尾することも可能である。
４ 多列の角度制御を行う場合でも簡単な伝導機構のＸ連動ベルト１８及びＹ連動ベルト１９を介して他のＸ軸に連動させることが可能である。
【０００６】
図３にて、動作を連動させる連結材の剛性又は張力により、反射面を 任意の三次元面角度制御を行うと共に空間支持をすることで
１ テンションワイヤー５３の剛性にて反射板４０の位置保持する場合、片側テンションシャフト５１を固定でもよく、また テンションワイヤー５３の張力のみにて反射板４０の位置保持する場合、両側テンションシャフト５１を固定するのみで設置可能なので、設置場所、設置方向の自由度が大きく、設置の作業も簡単になる。
２ 駆動部がテンションワイヤー５３とリンク機構だけなので、軽量になり慣性による駆動力が小さくて済み高速な制御が可能となり、船舶のような移動物体に設置しても制御が可能である。
３ 中間連動部の反射板４０は簡単な吊り構造のみで構成されるため、製作設置コストが激減する。
【０００７】
図６において、反射面を膜または薄板として透過膜２により構成される気膜構造内部に気室Ａ２０と気室Ｂ２１に通気できる仕切り面にて平面を形成し反射面とすることで
１ 反射膜１に穴などの通気口を設けることで、気膜構造内部の気室Ａ２０と気室Ｂ２１は同気圧となり、反射膜１は周辺より充填圧力により均一な引張りを受け平面を形成するので、剛性のない膜又は薄板状の反射面を風等の外力による変形がなく大型軽量にすることができる。
２ 気膜構造なので内部充填圧力にて外形の剛性を持たせる事が出来、内部反射面の角度制御を外形に固定した支持点より制御が可能である。
３ 単純な気膜構造なので大型でも製造コストは少なく、搬送時などは小さく折りたたみが可能で保管にも場所を取らない。
４ 外形形状を球形とすれば、風による外力をどの方向から受けても力は同じとなるので、反射面の角度制御にかかわる力の変化が少なく、平板より空気抵抗が少なく各部の強度を低くすることが可能となる。
【０００８】
図６にて、反射膜１と透過膜２により形成される気室Ａ２０と気室Ｂ２１それぞれ気密をもつ構造とし、気室Ａ２０と気室Ｂ２１に差圧を与え、弾性体の反射膜１を弾性変形させることにより、凹面による焦点距離を調節可能とすることで、
１ 気室Ａ２０と気室Ｂ２１の差圧により、反射膜１は圧力の高い側より均一な圧力を受け、近似回転放物面様に曲面変形し、変形の度合いは差圧によって制御が可能であり、簡単な構造で可変焦点反射凹面鏡を形成することができる。
２ 凹面鏡より反射された平行光の焦点距離は、反射角により変化するので、その変化量に応じた凹面により焦点距離を一定に保つことで、ヘリオスタットの集光部に効率よく集中させることが可能となる。
【０００９】
以上のような手段を単独又は組み合わせて講じる。
また 集光された太陽光は、太陽電池にて直接発電、一旦熱より熱電変換素子,熱機関を利用しての発電、又は直接熱源、光源として利用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態の違いにより、その構造 特徴を説明する。
【００１１】
図３に動作角度作用図を示し、これを説明する。
２枚の反射板４０がそれぞれ 回転中心となる自在支点ａ５０ａにて空間上に固定され、それぞれの同一面上の自在支点ｂ５０ｂを３点以上のテンションワイヤー５３にて平行面となるように連結する。同一面上２点の自在支点ｂ５０ｂをそれぞれΔＸ１及びΔＸ２と個別にＸ軸上の位置を制御するとき、ΔＸ１及びΔＸ２が同方向同距離移動するとＺＸ投影角で表わされる角度αが可変制御でき、ΔＸ１及びΔＸ２が異方向同距離移動するとＸＹ投影角で表わされる角度βが可変制御でき、ΔＸ１及びΔＸ２の制御にて角度α及びβが任意の角度に機械的に干渉しない範囲で動作制御が可能となる。また揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して円運動、直線運動を自在支点ｂ５０ｂの自在支点ａ５０ａによる円弧拘束移動点に作用を伝える。この機構によりリンク機構による回転角伝達は１２０度程度の動作範囲にて角度制御が可能となる。自在支点ａ５０ａは球面軸受けでも良いが、回転軸の直交する回転伝達できる自在継ぎ手機構を用いてＸ軸の回転を拘束することでそれぞれの平面間のねじれを防ぎ機械的精度を向上させることができる。
【００１２】
図５に反射角度相関図を示し、これを説明する。
Ｘ軸上に複数の反射面を連動させ反射光を同一の焦点位置２６に集光させるためには各反射面にオフセット角度を設定する必要が有り、そのオフセット角をβとすると 焦点位置２６から各反射面のＸ軸交点を結ぶ角度の差αの１／２となり、焦点位置２６と反射面の距離Ｌと軸からの高さＨより計算できる。
複数Ｘ軸を設ける場合も、図中のＸ軸をＹ軸に置き換えることでそれぞれの軸を座標変換すればそれぞれのＸ軸とＹ軸のオフセット角をもってどのように配置されようともオフセット角が設定されていれば全ての反射面からの反射光軸を一点に集めることが出来、太陽光の角度により制御する反射面の角度変位量は同じとなる。
言い換えれば、巨大な回転放物面の一部を反射面として回転放物面の焦点を中心に一体として角度制御を行い、回転放物面の一部を 任意の位置に焦点からの放射線に沿って平行移動させたものと考えることができる。
よって、各反射面のオフセット角は回転放物面の精度、連動駆動系は回転放物面の剛性と言い換えることもできる。
【００１３】
図６に反射部詳細図を示し、これを説明する。
光の反射率の高いアルミ、銀などによりコーティングされた反射膜１を光の透過性に優れた透過膜２で挟み込み周囲を融着など手段で気密構造とし、内部に空気などの気体を充填加圧することで、透過膜２は内部圧力により伸び変形して球体に近づこうとして反射膜１を周囲に引張りの力が働き反射膜１は膜接合面に対して最小面積となる面を形成する、膜接合面が円系であれば円盤状平面となりそのままで平面反射することが出来る。
反射膜１と透過膜２による気室Ａ２０と気室Ｂ２１の充填圧力を反射膜１の一部を開口部とすることで差圧をなくすれば反射膜１は平面の無差圧反射膜２２となり、また気室Ａ２０と気室Ｂ２１を独立した気密構造とし差圧をかけることで反射膜１は凹面又は凸面の有差圧反射膜２３となり、これにより形成される曲面は回転放物面の底面に近似したものとなり、平行光を反射した場合焦点を生じ、気室Ａ２０と気室Ｂ２１の差圧による変形度合いにより曲率が変化して その焦点距離を変化させることができ、差圧を大きくすれば長焦点２５より短焦点２４に移行する。
この機能を利用して、反射角による焦点距離の変化および 集光位置と各反射面の距離の補正を行い、単面反射集光と多面多重集光をあわせて行い集高度を上げることができる。
曲面変形度合いは、膜厚及び弾性率、差圧により変化するので、同一性状の膜にて行う場合は 差圧の関数として取り扱え 反射角、位置ごとのデータを加味してコンピュータ上に記憶して制御することにて容易に制御は可能となる。
また 反射膜１と透過膜２は変形させる曲率、差圧により板状の物を用いることも可能である。
【００１４】
図１に面同期ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
駆動フレーム１１に角度制御を行うためのアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２を設け出力軸にそれぞれクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にて回転運動を揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して駆動側反射板４０外周部に設けた自在支点ｂ５０ｂ二点と回転自在に連結する。
駆動側反射板４０のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら駆動フレーム１１に固定し、駆動側反射板４０外周部３点の自在支点ｂ５０ｂと従動側反射板４０外周部３点の自在支点ｂ５０ｂをテンションワイヤー５３で接続し、その間に複数の反射板４０を自在支点ｂ５０ｂを介して支持させ、従動側反射板４０のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら吊りフレーム１５に固定する。
各反射板４０は図５により説明されたオフセット角をテンションワイヤー５３の接合位置を調整して取り付けられ、隣接するＸ軸側に連動リンクＸＡ４８と連動リンクＸＢ４９を介してそれぞれのＸ軸のクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にクランク軸の角度に図５により説明されたオフセット角をもって連接される。
この構造によりアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２の制御回転角は図３にて説明された作用をもって各反射板４０をオフセット角を維持しながら角度を制御される。軸間の連動は直列でも並列でも可能であるので、駆動部のみ単独で設置して複数の軸に並列に連接させても可能である。
またこのとき簡易的に反射板４０のオフセット角をテンションワイヤー５３の位置調整のみで行っているため動作角度によってサイン誤差が発生して各反射板４０の角度を高精度をにて制御できないがオフセット角が小さくて済む場合はその誤差は少なく無視することが可能であり、サイン誤差を修正するために任意の中間部に図１２のオフセット補正に示す機構を用いて補正することができる。
ここで図１２のオフセット補正を説明すると、オフセットフレーム５６は自在支点ａ５０ａを中心に自由に回転し、それぞれのオフセット角をもつ反射板４０と平行となる面に３点の自在支点ｂ５０ｂを持ち、それぞれが反射板４０の自在支点ｂ５０ｂにテンションワイヤー５３にて連接されたオフセットフレーム５６はオフセット角をもつ二つの面を構成する、それぞれ３対の自在支点ａ５０ａを中心とする球面上の点となる自在支点ｂ５０ｂをオフセットロッド５５にて角度を保持する。オフセットロッド５５のそれぞれの長さを調節することによりオフセット角は自在に調節可能でオフセットフレーム５６の自在支点ａ５０ａを中心にして補正された角度にて伝達が可能となり、Ｘ軸の角度変更しても自在支点ａ５０ａにテンションワイヤー５３の引張り合力を張力により支持しておけば任意のＸ軸の角度を変更することも可能となり、Ｘ軸の角度変更しない場合は支持なしにて空間にテンションワイヤー５３の引張りにて固定される。
駆動側及び従動側の反射板４０にはテンションワイヤー５３に加える張力が板の曲げ応力として加わるので 適宜反射面の裏側に補強を設ける。
本構造にてヘリオスタットを構成することで、低コスト、低資材にて設置が可能となる。
【００１５】
図２に軸同期ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
駆動フレーム１１に角度制御を行うためのアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２を設け出力軸にそれぞれクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にて回転運動を揺動リンクＸＡ４５及び揺動リンクＸＢ４６を介して駆動側反射板４０の従動アーム１３に設けた自在支点ｂ５０ｂ二点と回転自在に連結する。
従動アーム１３はオフセット軸５４の一端に固定され、駆動側反射板４０と軸角度を調整可能に固定されオフセット軸５４軸上のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら駆動フレーム１１に固定し、従動アーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂを従動側反射板４０の従動アーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂをテンションワイヤー５３で接続し、その間に複数の反射板４０もアーム１３の２点とオフセット軸５４端１点の自在支点ｂ５０ｂを介して支持させ、従動側反射板４０のオフセット軸５４軸上のＸ軸に自在支点ａ５０ａを介してテンションシャフト５１にて引張りながら吊りフレーム１５に固定する。
各反射板４０は図５により説明されたオフセット角をオフセット軸５４の角度を調整して取り付けられ、隣接するＸ軸側に連動リンクＸＡ４８と連動リンクＸＢ４９を介してそれぞれのＸ軸のクランクＸＡ４３とクランクＸＢ４４にクランク軸の角度に図５により説明されたオフセット角をもって連接される。
この構造によりアクチュエータＸＡ４１とアクチュエータＸＢ４２の回転角により 図３にて説明された作用をもって各反射板４０をオフセット角を維持しながら角度を制御される。
駆動側及び従動側の反射板４０のオフセット軸５４にはテンションワイヤー５３に加える張力が軸の曲げ応力として加わるので 適宜軸強度を上げておく。
本構造にてヘリオスタットを構成することで、低コスト、低資材にて高精度な設置が可能となる。
【００１６】
図４に軸回転ヘリオスタット全体図を示し、これを説明する。
Ｘ駆動モータ９の回転は二重軸構造のＸ軸６を介して直交ギヤ５自身を回転させ、Ｙ駆動モータ１０の回転はＸ軸６を介して直交ギヤ５を駆動してＹ軸７に固定されている揺動アーム４を回転させる。
従動側は従動アーム１３を従動Ｙ軸７ａに固定し、Ｘ軸位置をＸ軸に回転自在に吊りフレーム１５の吊り支点ｂ１４に引っ張りながら接続し、吊りロープ３にて従動アーム１３が平行リンクをなして相互にＹ軸に回転自在な吊り支点ａ１２を介して連接される。駆動フレーム１１より吊りフレーム１５に張られた吊りロープ３の中間位置に複数の反射膜１を透過膜２に内蔵した反射体を反射面の回転制御中心をＸ軸に合わせ、Ｙ軸にオフセット角を持たせて吊り支点ｂ１４により連接する。反射体の取り付けと同様にセンサーミラー１６を取り付けオフセット角をセンサー１７方向に単独に向けておくことで、センサーミラー１６の反射光がセンサー１７方向に向くと全ての反射体は集光点に向けて反射光が向く構造となる。
センサー１７は複数の角度をもつ受光センサーよりなり、ある角度の受光強度が強いときその方向に太陽があると想定し反射体角度をおおまかに制御し、反射による一方向の受光強度が最高になるよう反射体角度を微調整することで、容易に制御することができ、また 反射光一方向の受光強度のみの感知でも反射体を無作為に回転させ受光強度が強くなったときに比例制御をすれば反射光が強くなる角度に制御可能である。またセンサー１７の位置を特定の反射面と集光位置の軸線上に設置しても同様な制御が可能である。
【００１７】
図７に復列ヘリオスタット構成図を示し、これを説明する。
これは図４にて説明した単列のものを、Ｘ駆動モータ９とＹ駆動モータ１０Ｘの動作角をＸ連動ベルト１８及びＹ連動ベルト１９にて他軸にオフセット角を持たせて連動するように設置する物で、無制限に連動させることが可能である。
連動させる為の伝導はベルトに限らず、シャフトと継ぎ手等回転を伝達できれば方法は限定されないので設置状況に合わせて選定すればよい。
【００１８】
図８に谷型配置図を示し、これを説明する。
補強ワイヤー２９にて補強された支柱２８に吊り支点ｂ１４を設け、駆動フレーム１１とのなすＸ軸の角度を谷型に配置した例で、反射面によって反射された太陽光は全て集光部２７に集光される。
【００１９】
図９に山型配置図を示し、これを説明する。
谷型配置図と同様であるが、この配置では太陽光は一旦ヘリオスタットアレイ部を透過して全て集光部２７に集光することが可能となり、巨大な凸レンズ又はフレネルレンズにて集光するのと同様な配置とすることが出来、谷型、山型、垂直、平行と設置方法が自由に設定できるので、設置場所の地形などに合わせ効率的な設置を可能とする。
【００２０】
図１０に採光システムを示し、これを説明する。
建造物に小型の集光システムを配置して 反射光を採光に利用した物で、
屋根３４に駆動フレーム１１と吊り支点ａ１２を固定して吊りロープ３に風の抵抗を低減する透明風防３１の中に小型反射板３０を設け、反射光を二次反射板３２を介して窓３３ より直接採光できるようにしたものである。
設置場所は屋根に限らず垂直な壁面にも設置可能なので、陽のあたる場所であれば設置可能で二次反射板３２の位置及び角度にて採光する位置を任意に設定することができる。
【００２１】
図１１に温水システムを示し、これをを説明する。
建造物に小型の集光システムを配置して 集光した反射光を熱として温水に利用した物で、
屋根３４に駆動フレーム１１と吊り支点ａ１２を固定して吊りロープ３に風の抵抗を低減する透明風防３１の中に小型反射板３０を設け、反射光を二次反射板３２を介して地上に設置した外気と断熱された保温タンク３５の入光窓３６に入光させ直接及び間接的に温水３８に光を通過させ光エネルギーを熱エネルギーに変換させ温水を得ることができるようにした物である。
入光窓３６には集光反射板３７で更に集光し入光窓３６の面積を少なくして断熱効率を上げ、保温タンク３５内部に高熱伝導体の熱撹拌棒３９を設け温水３８がなるべく均一な温度になるようにしてある。集光部を保温タンク３５と一体構造として一つのユニット化することもでき、設置がより簡単にすることもできる。
また 集光面積を大きくすれば 熱水を得ることも容易であるので保温タンク３５を圧力容器とすれば加熱蒸気を得ることも出来る。
同様に加熱物を換えることで保温太陽炉となり、化学分解などに容易に利用可能である。
【００２２】
以上のようにそれぞれの構造と特徴をもち、各構造、機能の組合せ、構成材質により、さまざまな環境に合わせることが可能である。
また安全対策に尽いては、風による外力が一番大きく変動も激しいため、風の強い時は 集光部を空力的に抵抗が最小となるよう向きを制御するか、制御軸をフリーとして風の向きに倣わせる方法をとることも可能であり、気膜構造の場合機械部との接合部を可逆可能な方法で取り付け、過負荷時には気膜構造部のみ結合が外れ風に流されてしまう構造とする事で対策することが出来る。
【００２３】
【実施例】
本発明の動作を検証するために、図３に示す基本構造を試作し、動作の検証を行った。
反射板４０として軽量で容易に入手にできるアルミ蒸着面をもつＣＤＲＯＭ盤を用い、自在支点ｂ５０ｂとしてＣＤＲＯＭ盤の外周部に等分角度で穴を開け、その穴にテンションワイヤー５３としてナイロン糸を位置調整できるようにゴム管を介して貫通固定させたＣＤＲＯＭ盤を５枚約１５０ｍｍピッチにて取り付け両端ＣＤＲＯＭ盤には自在支点ａ５０ａとして中心部に穴にナイロン糸を固定した２ｍｍ板厚でＣＤＲＯＭ盤と同形状のメクラフランジを反射面の裏に接着した物を自在支点ａ５０ａとなるナイロン糸の単部を引張りばねで張力をかけて支柱に固定する。太陽光を反射させＸ回転軸の２ｍ程度はなれた場所に５枚のＣＤＲＯＭ盤の反射光が一致するように目視にてナイロン糸の固定点をそれぞれ調整して各反射面のオフセット角を設定した。
【００２４】
図３のΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量を指先にて自在支点ｂ５０ｂと連接されているナイロン糸を引っ張って調整すると反射光の集光点は集光を保ちながらΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量に応じ移動した。また一方の自在支点ａ５０ａとなるナイロン糸の固定位置を移動させ、太陽光の角度が変化したと想定し、ΔＸ１及びΔＸ２にあたる制御量のみを変化させて移動前の調整集光点と同点に集光できるかを確認した。
オフセット角を調整するために、重力方向に赤色レーザーを発するレーザーポインターに重りをつけフリサゲ状のものを利用して、複数の反射面より一枚のみを特定し、特定した反射面上にレーザーを垂直重力方向に当てて反射させ集光位置にて特定した反射面の角度を目視確認ができるので容易に調整することもできる。
【００２５】
以上の簡単な実験を垂直、水平、斜めと確認し、図５におけるＸ軸より集光点の距離Ｈ及びＬが大きく変らなければ実際上の集光に機能上問題はないと判断でき、また実際の場合は反射面の平面度、風の影響が作用して集光精度を下げる要因はあるが、集光部に二次集光反射器を設けることで十分な集光が可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の効果を以下に列記する。
【００２７】
装置及び設備の製造コストの低減により
１ 反射面の設置及び追尾装置の製造コストが激減するため 低コストで太陽熱、太陽光の利用が可能となる。
２ 高効率温水器など良質な高温エネルギーを簡単に低コストにて利用できるようになる。
３ システムの設置方法の自由度が大きく設置場所を選ばない。
支持点は既存の建造物を利用することが可能であり、補強を要する場合も殆んどはワイヤーによる補強程度で済む。
【００２８】
気膜構造反射体を利用する場合は、装置、設備の設置及び復元の容易性により
１ 移動を伴う設置でキャンプなど、電源、熱源のない場所で電源、熱源の確保が容易に出来る。
２ 緊急災害時など電力、動力が利用不可能になったとき、容易に設置して緊急電源、緊急動力とする事ができる。
３ 搬送が困難なために設置する事ができなかった場所でも設置が可能となる。
４ 台風等の非常時には、即座に撤去でき、設備の安全性を確保する事が容易である。
５ 気膜構造の場合、設備が何らかの異常で破壊されても、硬く重い部品がなく、破壊 故障による二次災害が防止できる
【００２９】
直接光エネルギーを利用出来る事が可能なので
１ 直接室内の照明用の光源として利用可能で晴天時の屋内照明の省エネルギーが計れる。
２ 太陽光の持つ殺菌効果 露光効果などを利用できる。
３ 熱変換する場合、断熱された構造の中で熱に変るので変換効率が高く、高温を作り出すことが可能。
４ 高強度の光の性質を利用し、化学反応炉にて水の高温分解、ダイオキシンなどの高温分解などに応用できる。
【００３０】
以上のように本発明の効果はさまざまな環境に対応でき、装置、設備のコストが削減出来、稼動時の環境負荷は皆無である。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】面同期ヘリオスタット全体図
【図２】軸同期ヘリオスタット全体図
【図３】動作角度作用図
【図４】軸回転ヘリオスタット全体図
【図５】反射角度相関図
【図６】反射部詳細図
【図７】復列ヘリオスタット構成図
【図８】谷型配置図
【図９】山型配置図
【図１０】採光システム
【図１１】温水システム
【図１２】オフセット補正
【符号の説明】
１ 反射膜
２ 透過膜
３ 吊りロープ
４ 揺動アーム
５ 直交ギヤ
６ Ｘ軸
７ Ｙ軸
７ａ 従動Ｙ軸
８ ギヤボックス
９ Ｘ駆動モータ
１０ Y駆動モータ
１１ 駆動フレーム
１２ 吊り支点ａ
１３ 従動アーム
１４ 吊り支点ｂ
１５ 吊りフレーム
１６ センサーミラー
１７ センサー
１８ Ｘ連動ベルト
１９ Ｙ連動ベルト
２０ 気室Ａ
２１ 気室Ｂ
２２ 無差圧反射膜
２３ 有差圧反射膜
２４ 短焦点
２５ 長焦点
２６ 焦点位置
２７ 集光部
２８ 支柱
２９ 補強ワイヤー
３０ 小型反射板
３１ 透明風防
３２ 二次反射板
３３ 窓
３４ 屋根
３５ 保温タンク
３６ 入光窓
３７ 集光反射板
３８ 温水
３９ 熱撹拌棒
４０ 反射板
４１ アクチュエータＸＡ
４２ アクチュエータＸＢ
４３ クランクＸＡ
４４ クランクＸＢ
４５ 揺動リンクＸＡ
４６ 揺動リンクＸＢ
４８ 連動リンクＸＡ
４９ 連動リンクＸＢ
５０ａ 自在支点ａ
５０ｂ 自在支点ｂ
５１ テンションシャフト
５２ 揺動シャフト
５３ テンションワイヤー
５４ オフセット軸
５５ オフセットロッド
５６ オフセットフレーム
Claims (1)
- 太陽光集光ヘリオスタットの構成要素である反射面となる平面の角度制御において、駆動側及び従動側にて支持される固定点とした自在支点ａ５０ａを回転中心として角度制御される自在支点ｂ５０ｂ三点を自在支点ａ５０ａの回転中心と同一平面上に配置し、それぞれを自在支点ｂ５０ｂ三点よりテンションワイヤー５３にて連接連動して、駆動側と従動側の自在支点ｂ５０ｂ三点のなす平面が平行として連動させ、連結材であるテンションワイヤー５３の中間に複数の平面上の自在支点ｂ５０ｂ三点をそれぞれ距離をもって連結し、複数の平面を平行に連動させることにより複数の平面を同期して任意の三次元面角度制御を行い、各反射面のなす角を予め集光点との位置により設定しておくことで、二軸の制御のみにて複数の反射面を多重連動させ、複数の反射光を一点に集光する太陽光集光システム。
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