JP4717910B2 - 集光装置及びこの集光装置を用いた集光蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射鏡等の光学系を用いて太陽光を受光パネル上に集光させる集光装置、及び前記集光装置を用いて、太陽光の集光によって生じる熱を蓄熱する集光蓄熱装置に関する。

従来から、太陽光のエネルギーを蓄熱する装置として、例えば、湯沸かし装置等が知られている。この湯沸かし装置は一般的に屋根等に設置され、湯沸かし装置の受光パネル内に収容されたパイプが太陽光を受けて、パイプ内の水を温めるように構成されている。
このような、太陽光のエネルギーを蓄熱する従来の装置にあっては、太陽の移動を追従するものでなく屋根等の単に固定設置されていたため、太陽光を集光する能力が不十分であり、効率的に集光蓄熱することができなかった。また、受光パネル内に収容されたパイプに対して直接降り注ぐ太陽光によって、パイプ内の水を温めるように構成されているため、太陽光を集光する能力が不十分であり、効率的に集光蓄熱することができなかった。

かかる問題を解決するものとして、反射鏡等の光学系を備えた集光蓄熱装置が特許文献１において提案されている。この特許文献１に示された集光蓄熱装置を図７に示し、図７に基づいて説明する。
図７に示すように、入射した太陽光束Ｌはパラボラ反射主鏡１００によって集光され、次に収束しながら平面副鏡１０１で再び反射され下方に向かい、さらに平面斜鏡１０２にて直角に反射され焦点１０３を結ぶように構成されている。

前記光学系で収束された光束Ｌは、最深部に置かれたセラミック材で作られた発熱体１０４の内部に焦点１０３を結び、発熱体１０４を熱して得た熱を蓄熱保温炉１１０内に蓄熱保温する。また発熱体１０４と炉内壁の空間には、螺旋状導管１０５が配置され、その一方の給水口１０５ａより流し込まれた冷水は炉内の螺旋状導管１０５の内部で熱せられ一方の熱湯排出口１０５ｂより取り出される。

また、前記光学系の駆動させる機構は、仰角調整軸１０６と水平回転軸１０７の二つの駆動軸を持つ経緯儀である。パラボラ反射主鏡１００と平面副鏡１０１と平面斜鏡１０２は内枠１０８に固定され、仰角調整軸１０６と仰角調整軸車１０９の回転により一体となって移動する。また、前記焦点１０３の位置に設置された蓄熱保温炉１１０は外枠１１１に固定され、水平回転軸１０７と水平回転軸車１１２によって機構全体が水平回転できる。

このように仰角調整軸１０６と水平回転軸１０７の二軸の回転によって、時々刻々と移動する太陽に光学系を正対させ、常時光学系の焦点１０３を蓄熱保温炉１１０の内部に導くことが可能となるため、効率的に集光蓄熱することができる。また、光学系を用いて太陽光を集光するため、効率的に集光蓄熱することができる。
尚、図中、符号１１３は水平架台であって、水平回転軸車１１２を滑らかに駆動するための平らな板台であり、符号１１４は車輪であって、は機構全体を自由に移動設置するための移動用の車輪である。
特開２００６−６４３５６号公報

ところで、前記特許文献１に記載された集光蓄熱装置（集光装置）にあっては、パラボラ反射主鏡１００の上方に平面副鏡１０１が配置されている。したがって、太陽光Ｌの一部が平面副鏡１０１で遮られ外方に反射され、装置内に入射しない。即ち、太陽光Ｌのうち平面副鏡１０１によって遮られない太陽光がパラボラ反射主鏡１００に入射し、その後、平面副鏡１０１、平面斜鏡１０２によって反射し、焦点１０３に導かれる。
このように、この集光蓄熱装置（集光装置）にあっては、平面副鏡１０１によって遮られた太陽光（外方に反射した太陽光）は有効に活用することができず、より効率的に集光することができる装置が望まれていた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、装置に降り注ぐ太陽光を有効に活用することができ、より効率的に集光することができる集光装置及びこの集光装置を用いた集光蓄熱装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明は、太陽光を受光パネルに集光する集光装置において、基体と、前記基体に設けられた受光パネルと、前記受光パネルの外側に配置された第１の反射板と、前記基体の上方空間に配置された第２の反射板と、前記第２の反射鏡の上面に取付けられた太陽電池パネルと、前記基体の水平方向の回転を行なうモータと、前記基体の仰角の調整を行なうモータとを備え、前記第２の反射板は、前記受光パネルの外周囲上方に配置され、前記受光パネルに対して垂直方向からの太陽光が、前記第２の反射板によって遮蔽されることなく、前記受光パネルによって受光され、かつ、前記受光パネルの外側に降り注いだ太陽光が、第１の反射板及び第２の反射板とにより反射し、この反射光が前記受光パネルによって受光され、前記夫々のモータは前記第２の反射鏡の上面に取付けられた前記太陽電池パネルによって蓄電された電気により駆動されることを特徴としている。

このように、受光パネルに対して垂直方向からの太陽光が、前記第２の反射板によって遮蔽されることなく受光されると共に、前記受光パネルの外側に降り注いだ太陽光を第１の反射板及び第２の反射板とにより反射させ、この反射光を受光パネルで受光するため、効率的に集光することができる。

前記夫々のモータは、センサーの出力に基づいて駆動され、受光パネルが太陽に正対することが望ましい。

また、前記集光装置を用いた集光蓄熱装置であって、前記受光パネル内に媒体を収容し、前記媒体に蓄熱することが望ましい。
ここで、前記受光パネル内にパイプを配設し、前記パイプに接続された熱交換パイプを配設したタンクを設け、このタンク内に水を収容し、前記熱交換パイプを流れる媒体からタンク内の水に熱交換がなされることが望ましい。

また、前記第２の反射鏡の上面には太陽電池パネルが取付けられ、更に前記タンク内にヒータが設けられ、前記ヒータは前記太陽電池パネルによって蓄電された電気により駆動され、タンク内の水が保温されることが望ましい。

本発明によれば、装置に降り注ぐ太陽光を有効に活用することができ、より効率的に集光できる集光装置、及び前記集光装置を用いて太陽光の集光によって生じる熱を蓄熱できる集光蓄熱装置を得ることができる。

本発明にかかる集光装置及び集光蓄熱装置の実施形態を図１乃至図５に基づいて説明する。尚、図１は、本発明にかかる集光装置及び集光蓄熱装置の断面図（図２におけるＩ−Ｉ方向からの矢視図）、図２は図１に示した集光蓄熱装置（集光装置）の集光部（光学系）の斜視図、図３は第２の反射鏡の構成を示す側面図、図４は集光蓄熱装置（集光装置）の受光パネルの平面図、図５は、図４におけるＩＩ−ＩＩ断面図、図６は、電気回路ブロック図である。

図１、２に示すように、この集光装置１の基体２は十字形状に形成され、その中央部には矩形形状の受光パネル２が設けられている。また、前記受光パネル３の各辺に対応して受光パネル２の外側に、第１の反射鏡４，５，６，７が設けられている。
この第１の反射鏡４，５，６，７の上面は、所謂凹面鏡４ａ，５ａ，６ａ，７ａに形成され、第１の反射鏡４，５，６，７は基体２に対して、所定の角度傾斜して取り付けられている。

また、前記第１の反射鏡４，５，６，７と受光パネル３間の上方には、第２の反射鏡８，９，１０，１１が形成されている。この第２の反射鏡８，９，１０，１１は、受光パネル３の上方領域には配置されず、受光パネル３の外周囲上方において、この受光パネル３を囲うように配置される。即ち、この第２の反射鏡８，９，１０，１１は、受光パネル３に直接入射する（受光パネル３に対して垂直に入射する）太陽光Ｌが遮られない位置に配置される。
また、この第２の反射鏡８，９，１０，１１は、図２、３に示すように、基体２から立設した支柱１２〜１９の上端部に取り付けられている。

この第２の反射鏡８，９，１０，１１は、第１の反射鏡４，５，６，７で反射した太陽光Ｌを反射し、前記受光パネル３に入射せしめるものであり、第２の反射鏡８，９，１０，１１の下面（第１の反射鏡４，５，６，７側の面）は、凸面鏡８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａで構成されている。また、この第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面は、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂが取り付けられている。

このように、第１の反射鏡４，５，６，７と第２の反射鏡８，９，１０，１１とが配置されているため、図１に示すように、受光パネル３に対して垂直に入射する太陽光Ｌはこれら反射鏡によって遮られることなく、受光パネル３に入射する。
また、受光パネル３の外側に降り注いだ太陽光Ｌ（受光パネル３の外側領域に入射した太陽光Ｌ）は、第１の反射鏡４，５，６，７で反射し、この反射光が第２の反射鏡８，９，１０，１１（凸面鏡８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａ）によって反射し、受光パネル３に入射する。
したがって、受光パネル３の外側に降り注いだ太陽光Ｌを、反射させることにより、受光パネル３に導くことができ、有効に太陽エネルギーを利用することができる。

更に、前記したように第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面には、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂが設けられているため、第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面に入射した太陽光を有効に活用できる。この太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂは既存の太陽電池パネルを用いることができ、図６に示すように、この太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂによって発電された電気をバッテリー等（図示せず）に蓄電するように構成されている。

また、図４、図５に示すように、受光パネル３の内部には、複数回屈曲したパイプ２０が収納されている。特に、前記受光パネル３内にパイプ２０をより高い密度で収納するために、前記パイプ２０は屈曲する毎に高さを変え、即ち、パイプ２０が屈曲する毎に交互に高低を変えて収容されている。
また、パイプ２０は、複数枚の伝熱板２１（図４にあっては７枚の伝熱板）に嵌合している。このようにパイプが伝熱板２１と接しているため、パイプ２０内の媒体をより均一に加熱することができる。

また、このパイプ２０の一端部は、図１に示すように、蛇腹管２２、連結管２３、熱交換パイプ２４、連結管２３、蛇腹管２２を介して前記パイプ２０の他端部に接続されている。このパイプ２０、蛇腹管２２、連結管２３、熱交換パイプ２４の内部には、例えば、油、水等の媒体が収容され、前記受光パネル３において加熱され、加熱された媒体がポンプＰ２によって循環するように構成されている。

前記熱交換パイプ２４は、タンク２５の底部に配設されている。このタンク２５には、タンク内に、例えば水を供給する供給口２６と、温められた水を外部に導出する導出口２７と、前記導出口２７に接続されたポンプＰ１とを備えている。
尚、図において、符号２８はタンク２５内の水を排出するためのドレイン管、符号２９はタンク２５に対して過剰に水を供給した際、水を排出するためのオーバフロー管である。また、符号３０，３１は弁である。

このタンク２５の内部には例えば水が貯蔵され、熱交換パイプ２４内を流れる蓄熱された（加熱された）媒体、例えば油との間で熱交換がなされる。
即ち、前記加熱された油は、タンク２５内部の水によって冷却され、連結管２３、蛇腹管２２、パイプ２０へと流れ、再び油は受光パネル内において加熱される。そして、加熱された（蓄熱された）油は、熱交換パイプ２４まで再び移動し、タンク２５内の水と熱交換をなし、前記水を湯となすことによって太陽エネルギーを蓄熱する。
このように、パイプ内の媒体を介して、最終的にタンク内の水を加熱し、湯として蓄熱し、必要に応じてポンプＰ１を駆動してタンク２５の外部に前記湯を導出する。

また、図６に示すように、タンク２５内にヒータ３２を設け、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂによって蓄電されたバッテリー３３の電気を用いて、タンク２５内の湯を保温しても良い。このように、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂによって蓄電されたバッテリー３３の電気を用いてヒータ３２で加熱することにより、夜間においても、タンク２５内の湯の温度を略一定の温度になすことができる。
尚、図６に示すように、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂによって蓄電されたバッテリー３３はヒータ３２の駆動源以外に、切換器３４を介して、後述する光学系を太陽移動にあわせて追従する機構のモータ４３，４８の駆動源３５として用いることができる。

また、この集光装置１における光学系（集光系）を駆動させる機構は、仰角調整軸４０と水平回転軸４１の二つの駆動軸を持つ経緯儀である。
前記基体２の下面に設けられた首部２ａは、支持板４２上に設けられた支持フレーム４２ａに対して、仰角調整軸４０によって揺動自在に軸支されている。そして、この支持板４２上に設けられたモータ４３によって、スプロケット４４を回し、チェーン４５を介して基体側（仰角調整軸４０）に設けられたスプロケット４６を回動させることにより、基体２を仰角調整軸４０を中心に揺動させ、仰角を調整するように構成されている。

また、前記支持板４２は、タンク２５の上部に固定された固定フレーム４７に対して、回転可能に軸支されている。この固定フレーム４７上に設けられたモータ４８によって、スプロケット４９を回し、チェーン５０を介して支持板４２側（水平回転軸４１）に設けられたスプロケット５１を回動させることにより、支持板４２を水平回転軸４１を中心に水平回転させ、方向を調整するように構成されている。

以上のように、前記モータ４３、４８によって仰角調整軸４０と水平回転軸４１の二軸の回転によって、時々刻々と移動する太陽に光学系（受光パネルを含む）を正対させ、受光パネル３に対して垂直方向から太陽光Ｌが入射するように調整される。尚、モータ４３，４８の駆動はセンサー５２の出力によって調整され、太陽に光学系（受光パネルを含む）が正対するようになされる。
その結果、受光パネル３に直接太陽光Ｌが入射すると共に、受光パネル３の外側に降り注いだ太陽光Ｌを第１の反射鏡４，５，６，７、第２の反射鏡８，９，１０，１１を用いて、前記受光パネル３に入射せしめることができるため、より広い領域に降り注ぐ太陽光Ｌを効率的に集光でき、受光パネル３に入射せしめることができる。

また、第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面に太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂを設置したため、第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面に降り注ぐ太陽光Ｌを有効に利用することができる。
更に、第２の反射鏡８，９，１０，１１の上面の太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂをモータ４３，４８の駆動用センサーとして用いることができる。即ち、太陽に光学系が正対している場合には、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂから同一の電気的出力が得られる。そして、太陽電池パネル８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂからの電気的出力が同一になるようにモータ４３，４８を駆動することにより、太陽に光学系を常に正対させることができる。この場合、前記センサー５２を省略することができる。
尚、前記太陽電池パネルの電力をヒータ３２、あるいはモータ４３，４８に用いた場合を説明したが、これに限定されるものではなく、他の用途に用いても良い。

図１は、本発明にかかる集光装置及び集光蓄熱装置の断面図である。 図２は図１に示した集光装置及び集光蓄熱装置の集光部（光学系）の斜視図である。 図３は第２の反射鏡の構成を示す側面図である。 図４は集光蓄熱装置の蓄熱部の平面図である。 図５は、図４のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図５は、電気回路ブロック図である。 図７は、従来の集光蓄熱装置を示す断面図である。

１ 集光装置
２ 基体
３ 受光パネル
４，５，６，７ 第１の反射鏡
８，９，１０，１１ 第２の反射鏡
８ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂ 太陽電池パネル
１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９ 支柱
２０ パイプ
２４ 熱交換パイプ
２５ タンク
３２ ヒータ
３３ バッテリー
３４ 切換器
３５ モータ駆動

Claims (5)

1. 太陽光を受光パネルに集光する集光装置において、
   基体と、前記基体に設けられた受光パネルと、前記受光パネルの外側に配置された第１の反射板と、前記基体の上方空間に配置された第２の反射板と、前記第２の反射鏡の上面に取付けられた太陽電池パネルと、前記基体の水平方向の回転を行なうモータと、前記基体の仰角の調整を行なうモータとを備え、
   前記第２の反射板は、前記受光パネルの外周囲上方に配置され、前記受光パネルに対して垂直方向からの太陽光が、前記第２の反射板によって遮蔽されることなく、前記受光パネルによって受光され、かつ、前記受光パネルの外側に降り注いだ太陽光が、第１の反射板及び第２の反射板とにより反射し、この反射光が前記受光パネルによって受光され、
   前記夫々のモータは前記第２の反射鏡の上面に取付けられた前記太陽電池パネルによって蓄電された電気により駆動されることを特徴とする集光装置。
2. 前記夫々のモータは、センサーの出力に基づいて駆動され、受光パネルが太陽に正対することを特徴とする請求項１記載の集光装置。
3. 前記請求項１または請求項２に記載された集光装置を用いた集光蓄熱装置であって、
   前記受光パネル内に媒体を収容し、前記媒体に蓄熱することを特徴とする集光蓄熱装置。
4. 前記受光パネル内にパイプを配設し、前記パイプに接続された熱交換パイプを配設したタンクを設け、このタンク内に水を収容し、
   前記熱交換パイプを流れる媒体からタンク内の水に熱交換がなされることを特徴とする請求項３記載の集光蓄熱装置。
5. 前記第２の反射鏡の上面には太陽電池パネルが取付けられ、更に前記タンク内にヒータが設けられ、
   前記ヒータは前記太陽電池パネルによって蓄電された電気により駆動され、タンク内の水が保温されることを特徴とする請求項４記載の集光蓄熱装置。

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