JP4473332B2 - 太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置 - Google Patents

太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置 Download PDF

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Description

本発明は、太陽を追尾し反射光を任意の点（焦点）に集光するための太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置に関するものである。
近年、石油資源の枯渇及びその価格の高騰が憂慮され、また、地球温暖化の原因の１つである石油資源から新たなエネルギー資源への移行が研究されている。新たなエネルギー源の１つとして、太陽光を集光してエネルギーとして使用する太陽熱発電がある。
この太陽熱発電において、太陽光を集光するヘリオスタットは、複数の反射鏡（ファセット）から構成されており、受熱部等に太陽光を反射・集光し、その熱で発電を行なうよう構成されているか、ファセットで反射した反射光を大型反射鏡（センターリフレクター）で再反射し受熱部に集光するセンターリフレクター型太陽熱発電プラントとして構成されている。ここで、発電効率を上げるために、ヘリオスタットは太陽光の動きを追尾する構成とする発明が提案されている（例えば特許文献１参照）。
図１４は太陽熱発電に使用されるヘリオスタットの１例の側面図を示しており、従来型ヘリオスタット５は、複数のファセット２０を有しており、前記ファセット２０を架台４７に設置して構成したものを、旋回機構４５条に複数台（図１４では３台）設置されている。設置されたファセット２０は台座をリンク機構４６で連結されており、このリンク機構４６により、従来型ヘリオスタット５は起伏４４の動作を行い、前記旋回機構４５により旋回４３の動作を行なうように構成されている。この動作により従来型ヘリオスタット５は太陽を追尾し、太陽光を任意の場所（例えば太陽熱発電における受熱部又は反射鏡等）に反射・集光するよう構成している。
図１５は従来型ヘリオスタット５に搭載されているファセット２０の様子を示した平面概略図であり、通常、複数枚のファセット２０は一定の枚数毎（図１５では１４枚）組み合わせて設置されている。ここで記載しているファセット２０は１辺が４５０ｍｍ程度となっている。
特開２００４−３７０３７
しかしながら、特許文献１に記載のヘリオスタットは、特許文献１の図３に示す様に、Ｘ軸上及びＹ軸上を回転させることで太陽光を追尾する構成であり、前記ヘリオスタットのＸ軸及びＹ軸の交点を中心としてファセットが移動するため、各ファセットの反射光が形成する焦点の位置がずれる現象（コマ収差）が発生し、集光効率が低下する問題を有している。図１４に示した前記従来型ヘリオスタット５も同様であり、旋回機構４５の中心を基点として旋回４３を行なうために、中心から離れた位置にあるファセット２０の焦点距離がずれてしまう問題を有している。
この焦点がずれる現象（コマ収差）に関して図８及び図９を参照して説明する。図８はヘリオスタット５に複数（図８では３枚）のファセット２０が設置されている模式図を示しており、起伏旋回中心Ｏを基点としてヘリオスタットが動作する様子を示している。
太陽４０から照射される太陽光Ｓを反射し、反射光Ｒが例えば受熱部又は反射鏡等に焦点Ｆを形成するように予めファセット２０の角度は調整して設置されている。図９は太陽
４０が移動した際の様子を示しており、太陽４０が移動することでファセット２０に照射する太陽光Ｓの角度が変わり、これに伴い集光する焦点位置を修正するためにヘリオスタット５が旋回及び起伏の動作を行なう。
この時、ヘリオスタット２の旋回又は起伏が前記起伏旋回中心Ｏを基点に行なわれるため、図９に示す左方のファセット２０は図の上方にファセットの移動距離ｄだけ移動し、同様に右方のファセット２０も図の下方にファセットの移動距離ｄだけ移動してしまう。そのため、図９に示すように反射光Ｒは、受熱部等の焦点Ｆとなるべき場所で焦点を形成しなくなり、焦点からの移動距離ｅだけ反射光Ｒが拡散した状態となってしまう。この現象をコマ収差と呼び、ヘリオスタット５を設置する際に焦点Ｆで反射光Ｒが交わるように調整したとしても、旋回及び起伏の動作により焦点Ｆで反射光Ｒが交わらなくなってしまうというものである。
前述のコマ収差のため、集光効率が低下してしまい、特に前記ヘリオスタットを数百台、数千台の規模で利用する太陽熱発電のプラントでは、集光効率の低下がプラントの発電効率を大幅に低下させてしまうという問題を抱えている。
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、太陽光の集光ポイント（焦点）にずれが生じない太陽光の高集光率を実現し、旋回機構による旋回を行なわない構成とすることで高面積配置効率を実現した太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置を提供することにある。
また、太陽熱発電プラントに据え付ける際に、据付及びファセットの調整作業が容易に行える機器構成とすることで、据付工事のコストダウンを実現し、さらに、高効率の太陽熱発電プラントを提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明に係るヘリオスタット制御方法は、複数の反射鏡を有した太陽光集光用ヘリオスタットに、移動する太陽を追尾させ、太陽光を反射させ、予め定めた焦点に集光させる制御方法であって、前記複数の反射鏡を予め定めた距離に焦点を持つように調整する工程と、それぞれが連動して傾動するように構成した前記複数の反射鏡で太陽を追尾し、かつ前記反射鏡の反射光が任意の点で焦点を持つように制御する工程からなり、それぞれの前記反射鏡の予め定めた点の座標を固定した状態を維持しながら、それぞれの反射鏡を連動して動作させることを特徴とする。
この構成により、複数のファセットそれぞれに、ファセットを起伏及び旋回させる（傾動させる）際の中心がある制御としたため、コマ収差の発生を抑制することが可能となる。即ち、図１０に示すように各々のファセット２０が、起伏及び旋回の中心を持つように構成することで、ファセットの移動距離ｄをゼロとする制御方法のため、コマ収差の発生を防止することができる。
また、複数のファセットを連動させて太陽を追尾するように制御することで、初期段階で任意の位置に焦点を有するように調整した後は、これを容易に維持することが可能となる。
ここで、太陽熱発電においては、太陽（光源）の移動に対して、反射光が形成する焦点の位置を一定に保つように制御を行っているが、上記の焦点を移動させる制御と原理は同様のものである。
上記のヘリオスタット制御方法において、それぞれの前記反射鏡の中心の座標を固定し
た状態を維持しながら、それぞれの反射鏡を連動して動作させることを特徴とする。
この構成により、ファセットの中心を起伏及び旋回させる（傾動させる）中心としたため、ファセットの端部において発生するコマ収差さえも抑制することが可能となった。本発明では、ファセットは４５０ｍｍから１０００ｍｍ四方のものを想定しているが、例えば、ファセットの起伏旋回中心をファセットの隅とした場合、起伏旋回中心から他端の隅までの距離が大きくなり、ファセットの移動距離ｄが発生してしまう。
これに対して、この制御方法はファセットの中心を起伏旋回中心とするため、ファセットの移動距離ｄを極力ゼロに近づけるため、コマ収差の発生を極めて小さい範囲に抑制することができる。
上記のヘリオスタット制御方法において、複数の前記反射鏡により形成される焦点が、任意の半径を有した天球面上にコマ収差を発生することなく移動可能としたことを特徴とする。
上記のヘリオスタット制御方法において、複数の前記反射鏡の方向を、異なる２つのリンク機構で連動させて制御することを特徴とする。
この構成により、反射光を任意の方向に導くために行うファセットの制御を、少なくとも異なる２つの異なるベクトル方向を有するリンク機構で、かつ複数のファセットに対して同時に行うため、ファセットの姿勢制御を単純な機構で容易かつ確実に実現することができる。
上記の目的を達成するためのヘリオスタットは、複数の反射鏡が焦点を有するように配列して構成した太陽光集光用ヘリオスタットにおいて、複数の反射鏡を、それぞれの傾動機構を介してそれぞれの架台に設置し、複数の前記傾動機構を２つの異なる方向の第１軸リンク（Ｘ軸リンク）及び第２軸リンク（Ｙ軸リンク）で連結し、前記リンクにより前記複数の傾動機構が連動して向きを変えることを特徴とする。
この構成により、複数の傾動機構を第１軸リンク及び第２リンクの異なる方向の２軸で連結するため、複数のファセットを同時に傾動させ、反射光の焦点を維持したまま制御すること容易にできる。
上記のヘリオスタットにおいて、前記第１軸リンク（Ｘ軸リンク）及び第２軸リンク（Ｙ軸リンク）が、棒状のリンクであり、互いに直角に交わる方向に設けられており、かつそれぞれが駆動装置に連結されており、前記駆動装置を制御することで、それぞれのリンク及び傾動機構を介して前記複数の反射鏡の焦点位置を移動可能に構成したことを特徴とする。
この構成により、第１軸リンク（Ｘ軸リンク）及び第２軸リンク（Ｙ軸リンク）の直交したリンクで複数の傾動機構を連結するため、前記駆動装置の作動量と焦点の移動距離の関係を計算することが容易となり、ファセットの制御自体を容易に行うことができる。さらに、棒状のリンクを利用することで、ファセットの可動領域を広く確保することが可能となり、特に大型の太陽熱発電プラントでは、太陽の動きを広い範囲で追尾が可能なため、発電効率を向上させることができる。
上記の目的を達成するための太陽熱発電プラントは、上記のヘリオスタットを複数基配置し、溶融塩を熱媒とする受熱部に太陽光を集光することで、太陽熱発電を行なうことを特徴とする。
この構成により、太陽熱発電プラントにおけるヘリオスタットの設置の面積効率が向上し、かつ、反射光を受熱部又は反射鏡等に集中させることができるため、極めて発電効率の高い太陽熱発電プラントを提供することができる。また、複数のファセットの傾動を２軸のリンク機構により行うため、太陽熱発電プラントを設置する現地への機材の運搬、据付が容易に行えるため、発電プラントの据付コストを低減させることが可能となる。
本発明のヘリオスタットの制御方法及びその装置によれば、太陽光の集光ポイント（焦点）にずれが生じない太陽光の高集光率を実現し、旋回機構による旋回を行なわない構成とすることで高面積配置効率を実現した太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置を提供することができる。
また、太陽熱発電プラントに据え付ける際に、据付及びファセットの調整作業が容易に行える機器構成とすることで、据付工事のコストダウンを実現し、さらに、高効率の太陽熱発電プラントを提供することができる。
以下、本発明を図に示す実施形態を参照して具体的に説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例であるヘリオスタット１Ａの部分拡大図を示しており、図２は９つのファセット２０から成るヘリオスタット１Ａの斜視図を示している。各ファセット２０はファセットボルト１９により傾動機構１０Ａに固定されており、前記傾動機構１０Ａは架台１６Ａに設置されている。また、前記傾動機構１６ＡはＸ軸方向に、それぞれＸ軸腕部１３を介してＸ軸リンク１１Ａにより連結されており、Ｙ軸方向に、ユニバーサルジョイント１５及びシリンダ機構１４Ａを介してＹ軸リンク１２Ａにより連結され、互いに連動して動くよう構成している。ここで、前記ファセット２０は、予め任意の点に焦点を持つように、ファセットボルト１９により取付角度を調整されている。
図２は複数のファセット２０を組み合わせて、ヘリオスタット１Ａとする場合の１例を示しており、ここでは９つのファセット２０を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれリンクにより連結しており、そのリンクの端部にはＸ軸駆動装置１７及びＹ軸駆動装置１８をそれぞれ連結している。
この駆動装置１７、１８を作動させることで、リンク機構を動かし、ファセット２０の傾きを２軸で制御するよう構成している。ファセット２０は予め、任意の点に焦点を持つように調整されており、その状態から全てのファセット２０を同時にリンク機構により動かすことで、反射光は焦点を結んだまま、その焦点の位置のみを動かすことができる。これにより、例えば、太陽熱発電プラントにおいて、太陽が動いても、常に反射光は受熱部又は反射鏡等に焦点を持つため、コマ収差が発生せず、又は最小のコマ収差で、発電効率の極めて高いプラントを提供することが可能となる。
また、リンク機構を図２のように構成することにより、ファセット２０の可動領域が大きく取れ、太陽熱発電プラントにおいて、太陽を追尾可能とする範囲を広くすることが可能となり、発電効率を向上することができる。さらに傾動機構１０Ａの形状を変更することで、ファセット２０を全方向に９０度近くまで傾動可能な構成とすることが可能となる。特に数百メートル四方以上の大きさとなる巨大太陽熱発電プラントでは、ファセット２０を大きく傾ける必要があり、また、ファセット２０の可動領域が大きくなれば、受熱部又は反射鏡等を設置する位置を低くすることが可能となるため、太陽熱発電プラントの建造費のコストダウンを実現することも可能である。
（第２の実施例）
図３は本発明の第２の実施例であるヘリオスタット１Ｂの正面概略図を示しており、図４は側方概略図を示している。ヘリオスタット１Ｂは、下方に傾動機構１０Ｂを有したファセット２０が、Ｙ軸リンク１２Ｂを中心とし図３に示す左右方向に回転するよう構成している。複数の傾動機構１０Ｂはリンク機構であるＸ軸リンク１１Ｂで連結されており、図３の左右方向（Ｘ軸方向）にある複数のファセット２０を連結し、連動して起伏するよう構成している。
また、図３のＸ軸方向に垂直なＹ軸方向（図３の紙面に対する奥手前方向又は図４の左右方向）の起伏は、図４に示す様に、Ｙ軸リンク１２Ｂに複数のファセット２０からそれぞれ連結したリンクにより実現することができる。
この実施例によりリンク機構をコンパクトに形成することができるため、ヘリオスタット１Ｂ自体の構造を小さくすることが可能であり、これに伴いヘリオスタット１Ｂの製造及び運搬コストを削減することができる。
（第３の実施例）
図５は本発明の第３の実施例であるヘリオスタット３Ａの概略を示しており、図６は太陽光を追尾した際の様子を示している。ヘリオスタット３Ａは、下方に柱状の支持部材３６を有したファセット２０を複数具備し、前記複数のファセット２０が焦点を有するように配列しており、前記支持部材３６が伸縮自在のシリンダ機構３４で構成され、球面接手で構成された首部は回転機構３１を介して、中間固定板３２により回転可能に支持されている。首部の回転機構３１は、前記球面接手以外には２自由度の接手によっても実現することができる。
前記支持部材３６の上部は取付角度調整機構３０を介してファセット２０が接続されており、複数のファセット２０の反射光が任意の距離で焦点を持つように、ヘリオスタットを設置する際に、前記取付角度調整機構３０によりファセット２０の取付角度が調整される。前記支持部材３６の下部はリンク機構３５により連結されており、前記リンク機構３５が平面上を移動することで、複数のファセット２０の傾きを連動させて調整することを可能としている。また、前記リンク機構３５は平面上の所謂ＸＹ軸平面を移動するため、前記支持部材３６とリンク機構３５の連結はＸＹの２軸で動作可能な接手を使用するが、望ましくは球面接手を使用する。
図６に示すように、リンク機構３５が底板３３の上面を移動することで、ファセット２０は、ファセットの法線ｎの方向を見ても明らかなように、鏡面方向を変えることができる。このリンク機構３５の移動は、シリンダ機構３４が伸びることで実現されている。また、太陽熱発電プラント等で実施する場合には、ファセット２０が太陽を追尾する際に、前記リンク機構３５を制御することで、常に受熱部又は反射鏡等の焦点に太陽光を集光することを可能としている。前記ヘリオスタット３Ａは上記の構成となっており、概観は底板３３と中間固定板３２の２層を有したヘリオスタットに、ファセット２０の下方に支持部材３６が伸びたものが、林立したようになっている。そして、中間固定板３２からは、頭部であるかのようなファセット２０が突出している状態である。
（第４の実施例）
図７は本発明の第４の実施例であるヘリオスタット３Ｂの概略図を示しており、これは、第３の実施例の伸縮自在のシリンダ機構の変わりに、伸縮しない支持部材３６を用いた場合の実施例である。支持部材３６は、首部の回転機構３１を中間固定板３２に支持されているため、伸縮性のない支持部材３６を用いる場合は、リンク機構３５が底板３３から浮き上がるように、３次元空間を移動するようになる。
シリンダ機構３４を使用しない構成により、ヘリオスタット３Ｂの構造を単純化することができ、例えば太陽熱発電プラントが砂漠上に建設されている場合、砂や熱による故障等のリスクを低減することが可能であり、前記ヘリオスタット３Ｂを数百、数千台使用する太陽熱発電プラントではメンテナンスの必要性が低いヘリオスタットであることが、極めて重要となる。即ち、メンテナンスの必要量に応じて、発電コストが大きく影響されるため、この実施例により発電コストを低下することができる。
（本発明の実施による効果）
図１０は本発明の制御方法及びその装置を適応したヘリオスタット１Ａ、１Ｂにおける太陽光Ｓと反射光Ｒの様子を示した概略図である。ファセット２０の起伏旋回中心Ｏが、それぞれのファセット２０にあるため、太陽４０を追尾してファセット２０が移動した場合であっても、図９に示すような焦点Ｆにおける反射光Ｒのずれ（焦点からの移動距離ｅ）は発生しない。特に太陽熱発電プラントでは、プラントの規模により、焦点からファセット２０の距離が数百メートルから数千メートルまで離れる場合があり、この時は、ファセットの移動距離ｄが僅かなものであったとしても、焦点からの移動距離ｅは巨大なものとなるため、コマ収差の発生しない（ｅ≒０）となる本発明のヘリオスタット制御方法及びその装置により、高効率の太陽熱発電プラントを提供することが可能となった。
図１１はコマ収差の発生しない状態における、焦点Ｆの移動軌跡を模式的に示したものである。ファセット２０の傾動により焦点Ｆの位置を移動させた場合、前記焦点Ｆは焦点距離を一定とした天球４１上を移動することになる。これが、コマ収差がゼロの状態を示したものである。
ただし、太陽熱発電プラントにおいては、反射光Ｒは受熱部又は反射鏡（センターリフレクター）等に常に集光するよう構成し、つまり焦点Ｆは固定された状態であり、光源である太陽を追尾することになる。これも、コマ収差の影響を同様に受けるため、本発明を利用することで、太陽の移動に対して、コマ収差の影響がなく一定の位置に反射光Ｒを集光することを可能としている。即ち、太陽光の高集光率を実現したヘリオスタット制御方法及びその装置の提供が可能となる。
（太陽熱発電プラントにおける敷設）
図１３は従来型ヘリオスタット５を設置した太陽熱発電プラント６の概略図を示している。従来型ヘリオスタット５は図１４に示す様に、旋回機構４５により旋回するため、図１３に示すヘリオスタット旋回範囲４２が重ならないように設置する必要があった。
これに対して、本発明のヘリオスタット１Ａ、１Ｂは従来のような旋回機構を具備しないため、図１２に示す様に、隣接するヘリオスタットの間隔を詰めて配置することが可能であり、高面積配置効率を実現している。即ち、焦点Ｆに設置した受熱部又はセンターリフレクターに対して設置可能なヘリオスタットの数を大幅に増加させることが可能となり、太陽熱発電プラント２における発電効率の大幅な向上を実現することが可能となった。
以上、本発明により、太陽光の集光ポイント（焦点Ｆ）にずれが生じない太陽光の高集光率を実現し、旋回機構による旋回を行なわない構成とすることで高面積配置効率を実現した太陽光集光用ヘリオスタットの制御方法及びその装置を提供することできる。
また、太陽熱発電プラントに据え付ける際に、据付及びファセットの調整作業が容易に行える機器構成とすることで、据付工事のコストダウンを実現し、さらに、高効率の太陽熱発電プラントを提供することができる。
本発明の第１の実施例の部分拡大図である。 本発明の第１の実施例の概略図である。 本発明の第２の実施例の側面図である。 本発明の第２の実施例の側面図である。 本発明の第３の実施例の側面図である。 本発明の第３の実施例の作動時の様子を示した概略図である。 本発明の第４の実施例の側面図である。 従来のヘリオスタットにおける太陽光と反射光の関係を示した概略図である。 従来のヘリオスタットにおけるコマ収差の発生を示した概略図である。 本発明のヘリオスタットにおける太陽光と反射光の関係を示した概略図である。 本発明のヘリオスタットにおける焦点の移動軌跡を示した概略図である。 本発明のヘリオスタットを利用した太陽熱発電プラントの概略図である。 従来のヘリオスタットを利用した太陽熱発電プラントの概略図である。 従来のヘリオスタットを示した概略図である。 従来のヘリオスタットに設置されたファセットを示した平面概略図である。
符号の説明
１Ａ、１Ｂ ＸＹ駆動式ヘリオスタット
２ 太陽熱発電プラント
３Ａ、３Ｂ ＸＹ駆動式ヘリオスタット
１０ 傾動機構
１１ Ｘ軸リンク
１２ Ｙ軸リンク
１３ Ｘ軸腕部
１４ シリンダ機構
１５ ユニバーサルジョイント
１６ 架台
１７ Ｘ軸駆動装置
１８ Ｙ軸駆動装置
１９ ファセットボルト
２０ ファセット（反射鏡）

Claims (5)

  1. 複数の反射鏡が焦点を有するように配列して構成した太陽光集光用ヘリオスタットが、移動する太陽を追尾し、太陽光を反射して、予め定めた焦点に集光するための制御方法であって、
    前記複数の反射鏡を、２つの異なる方向の第１軸リンク及び第２軸リンクで連結し、連動して傾動するように構成し、且つ予め定めた距離に焦点を持つように調整する工程と、
    前記複数の反射鏡の中心の座標を固定した状態を維持しながら、前記焦点が任意の半径を有した天球面上にコマ収差を抑制するように移動する工程を有することを特徴とするヘリオスタット制御方法。
  2. 複数の反射鏡が焦点を有するように配列して構成した太陽光集光用ヘリオスタットが、移動する太陽を追尾し、太陽光を反射して、予め定めた焦点に集光するための制御方法であって、
    前記複数の反射鏡を、それぞれの傾動機構を介してそれぞれの架台に設置し、複数の前記傾動機構を２つの異なる方向の第１軸リンク及び第２軸リンクで連結し、連動して傾動するように構成し、且つ前記複数の反射鏡が予め定めた距離に焦点を持つように調整する工程と、
    前記複数の反射鏡の中心の座標を固定した状態を維持しながら、前記焦点が任意の半径を有した天球面上にコマ収差を抑制するように移動する工程を有することを特徴とするヘリオスタット制御方法。
  3. 複数の反射鏡が焦点を有するように配列して構成した太陽光集光用ヘリオスタットにおいて、複数の反射鏡を、それぞれの傾動機構を介してそれぞれの架台に設置し、複数の前記傾動機構を２つの異なる方向の第１軸リンク及び第２軸リンクで連結し、前記リンクにより前記複数の傾動機構が連動して向きを変えることを特徴とするヘリオスタット。
  4. 前記第１軸リンク及び第２軸リンクが、棒状のリンクであり、互いに直角に交わる方向に設けられており、かつそれぞれが駆動装置に連結されており、前記駆動装置を制御することで、それぞれのリンク及び傾動機構を介して前記複数の反射鏡の焦点位置を移動可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載のヘリオスタット。
  5. 請求項３又は４に記載のヘリオスタットを複数基配置し、溶融塩を熱媒とする受熱部に太陽光を集光することで、太陽熱発電を行なうことを特徴とする太陽熱発電プラント。
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