JP5135202B2 - 太陽光集光システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光集光システム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センタミラーへ向けて、複数のヘリオスタットにより太陽光を反射し、センタミラーにて反射された太陽光をセンタミラーの下方の一点に集光させる構造になっている。

一点に集光すると言っても、太陽光自体がある程度の幅をもった光束のため集光面積に限界がある。そのため、センタミラーで集光した太陽光を筒型集光鏡を用いて更に集光させている。すなわち、筒型集光鏡の上部開口から太陽光を導入し、上部開口よりも狭い下部開口から太陽光を出射している。筒型集光鏡の下部開口は加熱対象に接近した状態で配置され、狭い下部開口の範囲で加熱対象に対して太陽光を出射する構造になっている。従って、太陽光が更に狭い範囲に集光されるため、高い熱エネルギーが得られるようになっている。

この種の太陽光集光システムの場合、太陽光の弱い冬期などでも必要な熱エネルギーが得られるように、数多くのヘリオスタットをセンタミラーの周囲に配置している。従って、太陽光の強い夏期の日中などは全てのヘリオスタットを利用すると、一点に集中する熱エネルギーが大きくなり過ぎるため、一部のヘリオスタットの向きを変えてセンタミラーから外し、センタミラーに入光しないようにして、一点に集光される熱エネルギーの調整を図っている。曇りの状態から晴天に変化したような場合も同様の調整を図っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１９１０５号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、一部のヘリオスタットの向きを変えることにより、得られる熱エネルギーの調整を行っているため、ヘリオスタットの制御が大変に面倒である。特に、ヘリオスタットをセンサー方式により制御している場合は、いったん向きを変えたヘリオスタットを元の状態の戻すために別のセンサーが必要となり、センサーの構造が大変に複雑になる。

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、ヘリオスタットの状態は変化させずに得られる熱エネルギーの調整を図ることができる太陽光集光システム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るセンタミラーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットと、センタミラーで反射されて集光した太陽光を上部開口より導入して該上部開口よりも狭い下部開口から拡散方向へ出射する筒型集光鏡とから成る太陽光集光システムであって、前記筒型集光鏡が上下動自在に支持されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、筒型集光鏡の上部開口から導入されて下部開口より出射される太陽光は、下部開口より拡散方向へ広がるため、筒型集光鏡を上方へ移動させると太陽光の集光面積が広がり、単位面積当たりで得られる熱エネルギーが低下する。従って、筒型集光鏡の下部開口より出射される太陽光の熱エネルギーが大きくなり過ぎる場合は、一部のヘリオスタットの向きを変えるのではなく、筒型集光鏡を上下動させるだけで、その移動量に応じて、熱エネルギーが低下するため、熱エネルギーの調整が容易である。

請求項２記載の発明によれば、センタミラーが楕円鏡のため、ヘリオスタットはセンタミラーの第１焦点へ向けて太陽光を反射するように制御すれば良い。そうすれば、第１焦点を通過した反射光は必ずセンタミラーで反射されて第２焦点に集光する。全てのヘリオスタットの反射ターゲットが一点（第１焦点）のため、ヘリオスタットの制御が行い易い。

本発明の好適な実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１は太陽集光装置を示している。中心にはセンタミラー１が４本のタワー２により地面に対して所定高さ（約１０ｍ）に支持されている。センタミラー１は楕円鏡で、中央には円形の開口３が形成されている。この開口３は下方の熱気を上方へ逃がすためのものである。

タワー２の頂部４は内側に曲折している。センタミラー１の四方にはタワー２の頂部４の下方に位置する突片５が形成されている。そして、この突片５が頂部４に支持されている。

センタミラー１は下面が反射面で、その反射面の鏡面形状が回転楕円面の一部（オフセット楕円鏡）を構成している。従って、このセンタミラー１の下方には楕円面の長軸上に第１焦点Ａ（高位置）と第２焦点Ｂ（低位置）が存在する。

センタミラー１の周囲には、多数のヘリオスタット６がセンタミラー１を取り囲むように放射状に設置されている。ヘリオスタット６は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、センターミラー１の高さとは独立に地面に対して位置固定された仮想点に向けて反射するように制御される。そしてセンターミラー１が第１焦点Ａを仮想点に一致させるように位置づけられているために、ヘリオスタット６は常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンタミラー１にて反射され、そして第２焦点Ｂに集光する。

第２焦点Ｂには筒型集光鏡７が設置されている。筒型集光鏡７は上部開口８よりも下部開口９が狭い概略テーパー筒形状で、内面は鏡面になっている。この筒型集光鏡７は両側にバー１０が設けられ、このバー１０が筒型集光鏡７の両側に立設されたスライドタワー１１に沿って上下動するようになっている。

筒型集光鏡７は、通常時は熱変換装置１２の上面の受光板１３に接近した上下位置に支持されている。受光板１３は筒型集光鏡７の下部開口９に略相当するサイズを有している。この受光板１３に太陽光Ｌを当てることにより、太陽光Ｌが熱エネルギーに変換される。得られた熱エネルギーは蒸気タービンを回転させる蒸気発生等に利用される。

太陽光Ｌは第２焦点Ｂに集光するが、太陽光Ｌ自体が所定の幅を有する光束のため、完全な点ではなく一定の集光面積をもっている。この第２焦点Ｂにおける集光面積を更に狭くするために、太陽光Ｌを筒型集光鏡７内に導入する。筒型集光鏡７内に導入された太陽光Ｌは内面で反射されて、狭い下部開口９から出射することにより、下部開口９に相当する狭い面積に集光される。但し、下部開口９から出射された太陽光Ｌは下部開口９から拡散方向に広がるため、下部開口９から離れる程、集光面積が広がり、筒型集光鏡７の効果が小さくなる。

そのため、通常時は、図７（ａ）で示すように、筒型集光鏡７の下部開口９を熱変換装置１２の受光板１３に接近した状態で支持する。そうすると、下部開口９に略相当する狭い集光面積ｄで太陽光Ｌを受光板１３に当てることができ、大きな熱エネルギーが得られる。

そして、熱変換装置１２で発生する熱エネルギーをモニターした結果、必要量よりも熱エネルギーが大きくなり過ぎた場合には、その信号を図示せぬ制御部へ出力する。信号を入力した制御部はスライドタワー１１を制御して、図７（ｂ）に示すように、筒型集光鏡７を上方へ移動させる。

筒型集光鏡７が上方へ移動すると、下部開口９からの太陽光Ｌが拡散方向に広がるため、集光面積Ｄが大きくなる。従って、受光板１３に当たる太陽光Ｌの単位面積当たりの光量が低下し、熱変換装置１２で変換される熱エネルギー量が低下する。

熱変換装置１２で発生する熱エネルギーが下がり過ぎると、その信号が制御部へ出力され、制御部がスライドタワー１１が筒型集光鏡７を下降させて元の位置に戻す。筒型集光鏡７が元に位置に戻ると、集光面積ｄが小さくなり、熱変換装置１２で変換される熱エネルギーが大きくなる。

以上のフィードバック制御を繰り返すことにより、熱変換装置１２で得られる熱エネルギーが大きくなりすぎるのを防止することができる。ヘリオスタット６の向きはそのままで、筒型集光鏡７を上下動させるだけで熱エネルギーの制御を行うことができるため、熱エネルギーの調整が容易である。

本実施形態ではセンタミラー１を楕円鏡にしたが球面鏡でも良い。下側に凸の鏡面でも良い。複数のリング状のミラーをフレネル状に中心から隙間を設けて状態で組み合わせた構造でも良い。要は、高い位置に設置したセンタミラーに向けてヘリオスタット６により太陽光Ｌを反射し、センタミラーで反射された太陽光Ｌがセンタミラーの下方で、ある程度の範囲に集光する太陽光集光システムであれば、本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る太陽集光装置を示す一部断面の全体図。 センタミラーを示す平面図。 センタミラーを示す斜視図。 筒型集光鏡の支持構造を示す断面図。 筒型集光鏡を示す斜視図。 センタミラーから筒型集光鏡へ導入される太陽光の光路を示す図。 筒型集光鏡を上下動させた場合の集光面積を示す対比図。

符号の説明

１ センタミラー
６ ヘリオスタット
７ 筒型集光鏡
８ 上部開口
９ 下部開口
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光

Claims (2)

1. 所定の高さに設置されるセンタミラーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットと、センタミラーで反射されて集光した太陽光を上部開口より導入して該上部開口よりも狭い下部開口から拡散方向へ出射する筒型集光鏡とから成る太陽光集光システムであって、
   前記筒型集光鏡が上下動自在に支持されていることを特徴とする太陽光集光システム。
2. センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光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。

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