JP5135201B2 - 太陽光集光システムの光学位置合わせ方法および構造 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光集光システムの光学位置合わせ方法に関するものである。

太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーにより、発電や、海水淡水化を行う技術が知られている。この種の太陽光集光装置は、所定の高さに設置された下向きの楕円鏡の第１焦点へ向けて、ヘリオスタットにより太陽光を反射し、第１焦点を通過して楕円鏡にて反射された太陽光を第２焦点に収束させる構造になっている。ヘリオスタットによる反射光の向きはヘリオスタットの土台に固定された不動のセンサーの角度により決定される。楕円鏡で反射される反射光の向きは楕円鏡を構成する複数のミラーの個々の角度により決定される（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１９１０５号公報

このように従来の技術にあっては、ヘリオスタットのセンサーの角度及び楕円鏡の固定ミラーの角度により、それぞれ反射光の向きが規定されるため、センサー及び固定ミラーの初期設定時にそれらの角度を正確に位置決めする作業が大変に重要である。しかし、現実的には有効な位置決め方法がなく、太陽光を実際に反射しながらセンサー及び固定ミラーの位置決めを試行錯誤により行っていたため、作業が大変に困難であった。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、センサー及び固定ミラーを正確な角度に位置決めする作業が容易な太陽光集光システムの光学位置合わせ方法を提供するものである。

請求項１記載の発明は、所定の高さに設置された複数の固定ミラーにより形成された下向きの楕円鏡と、該楕円鏡の周囲の地上に設置されてセンサーにより太陽光を楕円鏡へ向けて反射させる可動ミラーを各々備えた複数のヘリオスタットとから成り、該ヘリオスタットの可動ミラーにて反射された太陽光の焦点を楕円鏡の第１焦点に合わせることで、楕円鏡にて反射した太陽光を楕円鏡の第２焦点に集光させることを特徴とする太陽光集光システムの光学位置合わせ方法であって、１本の直線状に沿って互いに反対方向へレーザー光を照射自在で且つ回動中心を中心に自由方向へ回動自在なレーザー照射器を、その回動中心が楕円鏡の第１焦点に一致するように支持し、一端から照射されるレーザー光により固定ミラー又は可動ミラー用センサーの一方の向きを位置決めし、その一方の向きを位置決めした状態のまま、他方の向きを位置決めすることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、第２焦点にレーザー光の位置を検出自在なシートを設置することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、センサーの背面にミラーを取付け、レーザー照射器のレーザー照射口の周囲にレーザー光の位置を検出自在なシートを設置したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、レーザー照射器のレーザー照射口の周囲にレーザー光の位置を検出自在な検出器を設置したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、所定の高さに設置された複数の固定ミラーにより形成された下向きの楕円鏡と、地上に設置され太陽光を前記楕円鏡へ向けて反射させる可動ミラーを各々備えた複数のヘリオスタットとを具備する太陽光集光システムの光学位置合わせ構造であって、１つの直線状の光路を規定するように第１の方向およびその反対の第２の方向にレーザー光を照射し、前記規定された光路が前記楕円鏡の第１の焦点を通るように位置づけられるレーザー照射器と、地上に位置固定され、各ヘリオスタットの可動ミラーで反射された太陽光の光路の方向を検出する太陽センサーと、前記太陽センサーに位置固定され前記レーザー照射器から照射されたレーザ光を反射するミラーであって反射面が前記太陽センサーの主軸に垂直に位置づけられるものとを具備し、前記太陽センサーが太陽光の光路の方向を検出したときに前記太陽センサーの主軸と太陽光の光路が平行となることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記楕円鏡の第２焦点にレーザー光を検出するシートが設置されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記レーザー照射器は前記直線状の光路上に位置づけられる回動軸の廻りに回動自在であることを特徴とする。

請求項１および５記載の発明によれば、互いに反対方向へレーザー光を照射自在なレーザー照射器の回動中心を、楕円鏡の第１焦点に合致させたため、レーザー光により第１焦点を通過する太陽光の光路を知ることができる。従って、このレーザー光をガイドにして、楕円鏡の固定ミラーの角度と、ヘリオスタットからのセンサーの角度を決めることにより、太陽光集光システムの光学位置合わせを容易に行うことができる。

請求項２および６記載の発明によれば、第２焦点にレーザー光の位置を検出自在なシートを設置したため、シート上でレーザー光の位置を目視で観察することができ、固定ミラーの角度調整を容易に行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、レーザー照射器のレーザー照射口の周囲に、センサーの背面に取付けられたミラーにて反射されたレーザー光の位置を検出自在なシートを設置したため、シート上でレーザー光の位置を目視で観察することができ、センサーの角度調整を容易に行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、レーザー照射器のレーザー照射口の付近に、センサーの背面に取付けられたミラーにて反射されたレーザー光の位置を検出自在な検出器を設置したため、シート上でレーザー光の位置を電気的に検出することができ、センサーの角度調整を容易に行うことができる。

請求項７記載の発明によれば、２つのレーザー光の光軸はいずれも回動中心を通る１本の光路に一致するため楕円鏡に入射するあらゆる太陽光線を追跡することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図１３に基づいて説明する。図１は太陽集光装置を示している。中心には楕円鏡１が所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１の中央部には開口２が形成され、全体がタワー３にて支持されている。

楕円鏡１は複数の固定ミラー４により形成されている。固定ミラー４はそれぞれ角度を調整可能な構造になっている。楕円鏡１は複数の固定ミラー４により構成される鏡面形状が楕円面の一部を構成しており、下方には第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。

楕円鏡１の周囲には、多数のヘリオスタット５が設置されている。各ヘリオスタット５は、モーター駆動により向きを変化させることができる可動ミラー６を備えている。ヘリオスタット５には土台に位置固定されたセンサー７が設けられており、このセンサー７の向きにより可動ミラー６の向く方向（反射光の方向）が制御される。すなわち、可動ミラー６にて反射された太陽光Ｌの一部はセンサー７のスリット９から内部へ入り、内部の二分割センサー本体８に当たる。そして、センサー７内に進入した太陽光Ｌが常に二分割センサー本体８の中立位置に当たるように可動ミラー６の向きを制御する。このときにセンサー７内に進入した太陽光Ｌの光路とセンサ７の軸心（主軸）が平行となる。従って、可動ミラー６により反射される太陽光Ｌの向きはこのセンサー７の向きにより決定される。センサー７の向きは一度決めると不動であり、常に太陽光Ｌを同じ方向へ導く。センサー７の背面にはセンサー７の軸心に垂直な反射面をもつミラー１５が取付けられている。

このセンサー７の向きは初期設定時に太陽光Ｌを楕円鏡１の第１焦点Ａに導くように決定される。すなわち、太陽光Ｌが二分割センサー本体８の中立位置に当たると、可動ミラー６にて反射された太陽光Ｌが楕円鏡１の第１焦点Ａを通過するようになっている。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌは楕円鏡１にて反射され、そして第２焦点Ｂに集光する。集光した太陽光Ｌは熱変換装置１０に導入されて熱に変換され、発電等に利用される。

可動ミラー６はセンサー７により制御されるため、センサー７の向きが正確でないと、可動ミラー６で反射された太陽光Ｌは第１焦点Ａから外れることなり、結果的に第２焦点Ｂに集光しない。

そのために、楕円鏡１を支持するタワー３の頂部には、レーザー照射器１１が上下動自在に支持されている。レーザー照射器１１はシャフト１２に支持され、そのシャフト１２を上下動自在に支持している。レーザー光Ｒは両端のレーザー照射口からレーザー光Ｒを１本の直線状で且つ反対側へそれぞれ照射することができる。一方の照射口の周辺にはリング状のシート１３が形成されている。

レーザー照射器１１はシャフト１２の下端に設けられたジンバル機構１４により、回動中心Ｓを中心にして上下方向へ回動させることができる。ジンバル機構１４自体もシャフト１２に対して水平方向で回動自在になっている。

レーザー照射器１１の２つのレーザー光Ｒの光軸はいずれも回動中心Ｓを通る１本の仮想直線（光路）に一致する。すなわち、２つのレーザ光は直線状の光路を規定するように第１の方向（たとえばミラー１５から楕円鏡１に向かう方向）とその反対の第２の方向（たとえば楕円鏡１からミラー１５に向かう方向）に照射される。そして、このレーザー照射器１１を楕円鏡１の開口２から下降させ、その回動中心Ｓを第１焦点Ａに合致させると、第１焦点Ａを通過する光路を知ることができる。すなわち、レーザー照準器１１の２方向に照射されるレーザー光Ｒは第１焦点Ａおよび第２焦点Ｂを通る太陽光の１つの光路を規定することができる。従って、このレーザー光Ｒを利用して、楕円鏡１の固定ミラー４と、ヘリオスタット５の可動ミラー６を制御するセンサー７の向きを調整することができる。

例えば、図１０に示すように、まずレーザー照射器１１からのレーザー光Ｒを１つのヘリオスタット５のセンサー７に当てる。センサー７の背面にはミラー１５が固定されているため、レーザー光Ｒはミラー１５で反射されて、レーザー照射器１１周辺に当たる。レーザー照射口の周囲にはリング状のシート１３が設けられているため、センサー７のミラー１５で反射されたレーザー光Ｒはシート１３に当たる。レーザー光Ｒがシート１３に当たる位置は、例えば赤い点として目視できるので、そのレーザー光Ｒの位置を確認しながら、該当するセンサー７の軸心の向きを正確に調整することができる。つまり、図１１のようにセンサー７の向きが正確でない場合も、図１２のように正確な向きに容易に調整することができる。

次に、その状態のまま、図１３に示すように、レーザー照射器１１の反対側から照射されるレーザー光Ｒを楕円鏡１の対応する固定ミラー４に当てる。第２焦点Ｂにはシート１６を設置する。もし、レーザー光Ｒを当てた固定ミラー４の向きが正確であれば、レーザー光Ｒはシート１６上の第２焦点Ｂに合致した位置に当たる。レーザー光Ｒがシート１６に当たる位置は、前記同様に目視できるので、そのレーザー光Ｒの位置を確認しながら、該当する固定ミラー４の向きに正確に調整することができる。以上の作業を繰り返すことにより、全てのセンサー７及び固定ミラー４の向きを正確且つ容易に調整することができる。

（第２実施形態）
図１４は、本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態のレーザー照射器１１は、一端からのレーザー光Ｒをハーフミラー１７を介して照射する。ハーフミラー１７は図示せぬフレームを介してレーザー照射器１１に固定されている。そして、ハーフミラー１７を通過した後、センサー７のミラー１５で反射されたレーザー光Ｒをハーフミラー１７を介して二分割式の検出器１８に導き、目視でなく、電気的にレーザー光Ｒの位置を知ることができる。検出されたレーザー光Ｒの位置に応じてセンサー７の向きを正しく調整することができる。電気的にレーザー光Ｒの位置を検出するため、センサー７の角度調整を更に容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る太陽集光装置を示す全体図。 楕円鏡の光路を示す図。 ヘリオスタットを示す側面図。 楕円鏡を示す平面図。 楕円鏡を示す拡大断面図。 正しい向きのセンサーを示す断面図。 正しくない向きのセンサーを示す断面図。 レーザー照射器を示す斜視図。 レーザー照射器を示す側面図。 レーザー光をセンサーへ向けて照射した状態を示す断面図。 レーザー光を正しくない向きのセンサーへ向けて照射した状態を示す拡大図。 レーザー光を正しい向きのセンサーへ向けて照射した状態を示す拡大図。 レーザー光を固定ミラーへ向けて照射した状態を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係るレーザー照射器を示す拡大図。

符号の説明

１ 楕円鏡
４ 固定ミラー
５ ヘリオスタット
６ 可動ミラー
７ センサー
１１ レーザー照射器
１３ シート
１５ ミラー
１６ シート
１７ ハーフミラー
１８ 検出器
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光
Ｒ レーザー光
Ｓ 回動中心

Claims (7)

1. 所定の高さに設置された複数の固定ミラーにより形成された下向きの楕円鏡と、該楕円鏡の周囲の地上に設置されてセンサーにより太陽光を楕円鏡へ向けて反射させる可動ミラーを各々備えた複数のヘリオスタットとから成り、該ヘリオスタットの可動ミラーにて反射された太陽光の焦点を楕円鏡の第１焦点に合わせることで、楕円鏡にて反射した太陽光を楕円鏡の第２焦点に集光させることを特徴とする太陽光集光システムの光学位置合わせ方法であって、
   １本の直線状に沿って互いに反対方向へレーザー光を照射自在で且つ回動中心を中心に自由方向へ回動自在なレーザー照射器を、その回動中心が楕円鏡の第１焦点に一致するように支持し、一端から照射されるレーザー光により固定ミラー又は可動ミラー用センサーの一方の向きを位置決めし、その一方の向きを位置決めした状態のまま、他方の向きを位置決めすることを特徴とする太陽光集光システムの光学位置合わせ方法。
2. 第２焦点にレーザー光の位置を検出自在なシートを設置することを特徴とする請求項１記載の太陽光集光システムの光学位置合わせ方法。
3. センサーの背面にセンサーの断面軸心と垂直なミラーを取付け、レーザー照射器のレーザー照射口の周囲にレーザー光の位置を検出自在なシートを設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽光集光システムの光学位置合わせ方法。
4. センサーの背面にセンサーの断面軸心と垂直なミラーを取付け、レーザー照射器のレーザー照射口の付近にレーザー光の位置を電気的に検出自在な検出器を設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光集光システムの光学位置合わせ方法。
5. 所定の高さに設置された複数の固定ミラーにより形成された下向きの楕円鏡と、地上に設置され太陽光を前記楕円鏡へ向けて反射させる可動ミラーを各々備えた複数のヘリオスタットとを具備する太陽光集光システムの光学位置合わせ構造であって、
   １つの直線状の光路を規定するように第１の方向およびその反対の第２の方向にレーザー光を照射し、前記規定された光路が前記楕円鏡の第１の焦点を通るように位置づけられるレーザー照射器と、
   地上に位置固定され、各ヘリオスタットの可動ミラーで反射された太陽光の光路の方向を検出する太陽センサーと、
   前記太陽センサーに位置固定され前記レーザー照射器から照射されたレーザ光を反射するミラーであって、反射面が前記太陽センサーの主軸に垂直に位置づけられるものとを具備し、
   前記太陽センサーが太陽光の光路の方向を検出したときに前記太陽センサーの主軸と太陽光の光路が平行となることを特徴とする太陽光集光システムの光学位置合わせ構造。
6. 前記楕円鏡の第２焦点にレーザー光を検出するシートが設置されることを特徴とする請求項５記載の太陽光集光システムの光学位置合わせ構造。
7. 前記レーザー照射器は前記直線状の光路上に位置づけられる回動軸の廻りに回動自在であることを特徴とする請求項５記載の太陽光集光システムの光学位置合わせ構造。

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