JP5337881B2 - 小型ヘリオスタット - Google Patents

Description

本発明は、太陽を追尾しながら、太陽光を反射して一点に集光させることができる小型ヘリオスタットに関する。

太陽光の有効利用のために、太陽を追尾しながら、複数のメインミラーを同時に制御し、メインミラーで反射した太陽光を一点に集光させるヘリオスタットが知られている。このようなメインミラーの制御では、メインミラーとは別に設けられた一枚のセンサーミラーにて反射された太陽光を検出する。

センサーミラーで反射された太陽光を、メインミラーの動きとは無関係な位置に設置されたセンサーにて受光し、そのセンサーミラーからの太陽光が常にセンサーにて検出されるように、メインミラーの駆動部をフィードバック制御している。センサーミラーとメインミラーは動きが一緒のため、センサーミラーからの太陽光が常に同じ方向に向けば、メインミラーからの太陽光も常に同じ方向を向くようになる。

この種のヘリオスタットの構造としては、日本国特許公開公報特開２００４−３３３００３号に例示されるように、複数メインミラーにて構成されたミラー構成体の両側をＵ字状の大型フレームにて支持し、メインミラーの中の１つをセンサーミラーとして選定して利用する構造になっている。

しかしながら、このような関連技術にあっては、複数のメインミラーによるミラー構成体の外側を大型フレームにより支持するため、構造が大掛かりになり、重量も増していた。そのため、従来の構造では、小型で軽量なヘリオスタットを実現することができなかった。

本発明はこのような関連する技術に着目してなされたものであり、本発明によれば、小型で軽量な構造を実現した小型ヘリオスタットを提供することができる。

本発明の技術的側面によれば、小型ヘリオスタットが、地球の自転軸と平行で且つ軸心を中心に太陽の日周運動に関連する赤経方向で回転自在な第１軸と、前記第１軸の先端に固定されたＵ字形のフレームと、前記フレームを貫通する第２軸であって、前記第１軸の仮想軸心と前記第２軸の仮想軸心は直交しかつ前記第２軸がその仮想軸心のまわりに太陽の年周運動に関連する赤緯方向で回転自在なものと、前記第２軸におけるフレームの両外側に支持される複数のメインミラーと、前記第２軸におけるフレームの内側に支持されるセンサーミラーと、前記第１軸及び第２軸の仮想軸心の交点に対して位置固定され、前記センサーミラーにて反射された太陽光を受光するセンサーであって、前記センサーは不動の光軸を有しその光軸の延長線は前記仮想軸心の交点を通るものと、前記センサーミラーにて反射された太陽光が常に前記センサーにて受光されるように前記第１軸及び第２軸を回転制御する駆動部とを具備することを特徴とする。

ビームダウン型の集光装置を示す側面部。 ヘリオスタットを示す斜視図。 ヘリオスタットを示す分解斜視図。 センサーミラーによる太陽光の反射を示す側面部。 メインミラーによる太陽光の反射を示す断面図。 メインミラーの支持構造を示す概略説明図。 センサーミラーを示す正面図。 センサーミラーによる太陽の日周運動に関連した赤経方向での反射を示す断面図。 センサーミラーによる太陽の季節運動に関連した赤緯方向での反射を示す断面図。 メインミラーの洗浄後の反射率の復帰を示すグラフ。

図１〜図１０は、本発明の好適な実施形態を示す図である。図１はビームダウン型の太陽集光装置を示している。中央には楕円鏡１が図示せぬ支持タワーにより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はその鏡面形状が回転楕円体の一部で、下方には、共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。この楕円鏡１の下方には、太陽光Ｌを熱エネルギーに変換するための熱変換装置２が設置されており、該熱変換装置２の上部には、テーパ筒状の集光鏡３が設置されている。そして、熱変換装置２の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲むように多数のヘリオスタット４が設けられている。

各ヘリオスタット４は太陽光Ｌを常に第１焦点Ａに向かわせるように姿勢制御される。ヘリオスタット４で反射された太陽光Ｌが第１焦点Ａを通過しさえすれば、楕円鏡１で下向きに反射されて、必ず第２焦点Ｂに集光され、集光鏡３を経由して熱変換装置２に到達する。

楕円鏡１で反射された太陽光Ｌを狭い集光鏡３内に導入するために、ヘリオスタット４で反射される太陽光Ｌの光束は小さいスポットで集光する必要がある。そのため、この実施形態におけるヘリオスタット４は、メインミラー５が４枚の小型構造になっている。

次に、ヘリオスタット４の構造を説明する。ベース６には南側にはバー７が立設され、上端にセンサー８が設けられている。ベース６の北側には支柱９が設けられ、その上端には第１駆動部１０が設けられている。第１駆動部１０には、地球の自転軸と平行で地面に対して所定の角度を有する第１軸１１設けられている。この第１軸１１は第１駆動部１０により軸心を中心に日周運動に関連する赤経方向Ｘ（図６参照）へ回転自在である。

第１軸１１の先端にはＵ字形のフレーム１２が固定されている。このフレーム１２は小型で、その両側のフランジには第１軸１１と直交する方向に第２軸１３が貫通している。すなわち、Ｕ字形のフレーム１２により第１軸１１と第２軸１３の仮想軸心が直交するように構成される。第２軸１３は所定径を有する金属パイプで、フランジの外側へ両側が突出している。フレーム１２と第２軸１３との間には、第２軸１３を年周運動に関連する赤緯方向Ｙ（図６参照）へ回転させる第２駆動部１４が設けられている。

フレーム１２から外側へ突出した第２軸１３の両端には支持パイプ１５が直交方向に貫通している。第２軸１３と支持パイプ１５でＨ形状を形成し、その四隅となる支持パイプ１５の両端に円形のメインミラー５がそれぞれ金具１６により取り付けられている。メインミラー５は径が５０ｃｍで、鏡面が凹球面になっている。メインミラー５の焦点距離（球面の半径の半分）はそれぞれ楕円鏡１の第１焦点Ａまでの距離に設定されている。

このメインミラー５の表面には酸化チタンの光触媒層が蒸着により形成されている。メインミラー５が小さいため、蒸着釜に入れる際も多数枚を一度に入れて蒸着できるため、コスト的に有利である。

フレーム１２の内側の第２軸１３には一対のブラケット１７を介してセンサーミラー１８が設けられている。したがって、センサーミラー１８はメインミラー５に対して位置固定されている。センサーミラー１８は横寸法が３０ｃｍで、縦寸法が２０ｃｍの横長の長方形である。

第１軸１１の仮想軸心と第２軸１３の仮想軸心が交差する構造であるため、センサーミラー１８がフレーム１２の内側に設けられることにより、常に２つの仮想軸心の交点近傍に位置づけられる。

センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌはセンサー８により受光し検出される。センサー８は、センサーミラー１８と第１焦点Ａの間に位置しており、センサーミラー１８とセンサー８を結ぶ線の延長線上に第１焦点Ａが存在する。従って、センサーミラー１８からの太陽光Ｌを常にセンサー８にて検出されるようにセンサーミラー１８の姿勢を制御すると、メインミラー５で反射された太陽光Ｌはセンサー８の先の第１焦点Ａに必ず向かうことになる。第１焦点Ａに向かう太陽光Ｌは、前述のように、楕円鏡１で反射されて必ず第２焦点Ｂに至る。

４枚のメインミラー５は、図５に示すように、センサーミラー１８にて反射された太陽光Ｌを光軸とし、その光軸の延長上に集光するように向きが予め調整されている。したがって太陽光Ｌが集束すべき位置Ａを各メインミラー５の太陽光Ｌが通過する。

センサー８の内部には太陽光Ｌの上下方向及び左右方向での中立位置（光学的重心）を検出する光検出素子が十字状に設けられており、センサー８から第１駆動部１０及び第２駆動部１４へ信号を出力している。すなわち、センサー８は太陽光Ｌを透過する開口部と光検出素子における中立位置によって規定される固有の光軸を有する。そして、センサーミラー１８で反射される太陽光Ｌが必ずセンサー８にて受光されるように、第１駆動部１０及び第２駆動部１４をフィードバック制御し、第１軸１１及び第２軸１３を回転させて、センサーミラー１８とメインミラー５の姿勢を一体的に制御する。

換言すれば、センサー８は開口部を透過しかつ特定の方向（光軸）を指向する反射光線を選択するものであって、太陽光Ｌが中立位置で検出された場合にはセンサーミラー１８で反射された太陽光Ｌの入射光の向きがセンサー８の特定の方向と平行である。また、センサー８の光軸の延長線は第１焦点Ａとメインミラー５の回動軸としての第１軸１１および第２軸１３の仮想軸心の交点を通る。

センサーミラー１８は太陽の日周運動に関連する赤経方向Ｘでは第１軸１１を中心に回転し、太陽の季節運動に関連する赤緯方向Ｙでは第２軸１３を中心に回転するため、図８及び図９に示すように、センサーミラー１８の表面で太陽光Ｌを反射する反射点はセンサーミラー１８のセンターＭに対してそれぞれ移動する。

この実施形態では、センサーミラー１８が第１軸１１に対しても、第２軸１３に対してもきわめて近い位置に固定されているため、センサーミラー１８の動きが小さく、センサーミラー１８のセンターＭに対する反射点の変位量が小さくなりセンサーミラー１８を小型化することができる。なお、センサー８の光軸の延長線と交差するように第１軸１１および第２軸１３が位置づけられるため、センサーミラー１８を回転軸１１、１３上の仮想位置（仮想軸心の交点）に配置した場合と同一条件でメインミラー５の姿勢を制御することができる。

太陽Ｓは日周運動の方が季節運動よりも回転角が大きく、日周運動に関連する赤経方向Ｘでの反射点の変位が多いが、センサーミラー１８が赤経方向Ｙに対応する横寸法の大きい長方形をしているため、太陽Ｓの日周運動にも確実に対応することができる。

このようにセンサーミラー１８及びフレーム１２を小さくして、フレーム１２から外側に突出した第２軸１３にメインミラー５を取付ける構造にしたため、ヘリオスタット４全体の小型且つ軽量化を図ることができる。

小型のヘリオスタット４はメインミラー５で反射された太陽光Ｌの光束を細い状態にできるためビームダウン型の太陽集光装置に好適である。しかも、この実施形態では、メインミラー５が直径５０ｃｍの円形で、且つメインミラー５の表面が凹球面に湾曲形成されているため、メインミラー５で反射される太陽光Ｌを更に小さいスポットに集光して、第２焦点Ｂにおいて高温を得ることができる。つまり、直径５０ｃｍの小型で且つ円形であるため、メインミラー５が変形しづらく、小さなスポットが得られる。またヘリオスタット４が小型且つ軽量であることは持ち運びも便利であり、ヘリオスタット４の初期設置作業も容易である。

更に、この実施形態のメインミラー５の表面には光触媒層が蒸着されているため、表面が親水性になり、洗浄した際の汚れの再付着が防止される。すなわち、光触媒作用によって共役して起きる酸化還元反応により、表面に吸着した水分子からヒドロキシラジカルが生成されて表面の汚れを炭酸ガスや水に分解する。また、紫外線を含む太陽光照射により超親水性となって吸着した汚れを剥がす効果も期待できる。

メインミラー５は、図１０に示すように、一定期間ごとに蒸留水で洗浄（クリーニング）する。メインミラー５は、新品ではある程度高い反射率を有しているが、それがフィールドに設置されると、次第に埃が付着して、徐々に反射率が低下する。その反射率が下限反射率まで低下する頃に、メインミラー５をクリーニングする。

メインミラー５はクリーニングすると、復帰反射率まで復帰する。蒸留水で洗浄した際、メインミラー５の表面が光触媒により親水性となっているため、洗浄水が水玉とならず、薄い水の膜となって瞬時に蒸発して無くなる。そのため、埃などの汚れが再付着しない。表面が親水性になっていないと、メインミラー５の表面に水が水滴となって存在し蒸発が遅れるため、その間に、埃が再付着して、メインミラー５の反射率が必要な反射率まで復帰しないことになる。このように、クリーニングした際に、必要な反射率まで確実に復帰することにより、年間を通したメインミラー５の反射能力（太陽光Ｌのトータルの反射量）が維持されることになる。

尚、以上の説明では、メインミラー５の径を５０ｃｍにする例を示したが、これに限定されず４０〜６０ｃｍの径であれば好適である。

また、センサーミラー１８からの太陽光Ｌを光軸として、その光軸上にメインミラー５からの太陽光Ｌを収束させるようにしたが、メインミラー５からの太陽光Ｌの集光点と、センサーミラー１８からの太陽光Ｌの集光点を相違させても良い。すなわちセンサーミラー１８からの太陽光Ｌがセンサー８にて受光された状態で、メインミラー５からの太陽光Ｌが第１焦点Ａを通るようにメインミラー５が指向していれば良い。

更に、ビームダウン型の太陽集光装置の例を示したが、本発明のヘリオスタット４はタワー型の太陽集光装置にも使用可能である。

発明の効果
本発明によれば、第１軸の先端に固定されたコ字形のフレームに第２軸を貫通させ、フレームの外側に突出した第２軸にメインミラーを支持する構造にしたため、フレームは小さくて済み、ヘリオスタットの小型且つ軽量化を図ることができる。センサーミラーはフレームの内側の第２軸に支持されており、またフレーム自体は第１軸の先端に固定されているため、センサーミラーは第１軸と第２軸に近い。従って、第１軸及び第２軸を中心とした回転運動があっても、センサーミラーの動きは最小限となるため、センサーミラーが小さくても、太陽光を反射する性能に支障はない。

また、センサーミラーが横長の長方形であるため、センサーミラーを小さくしても、太陽の日周運動に関連する赤経方向での反射点の変位に対応することができる。

メインミラーが直径４０〜６０ｃｍの小型であるため、メインミラーが変形しずらく、小さな集光スポットを得ることができる。また、円形の方が角形よりも変形しづらく、この点においても、同様に小さな集光スポットを得る上で有利である。

さらに、メインミラーの表面に光触媒層が形成されているため、水で洗浄した際に、表面が親水性となり、水滴が薄い膜となって水玉とならない。そのため、洗浄後の汚れの再付着がなく、メインミラーが高い反射率に復帰する。

メインミラーが第２軸の両端に２枚づつ支持された４枚構造であるため、小型で持ち運びに便利である。

（米国指定）
本国際特許出願は米国指定に関し、２００９年１０月２７日に出願された日本国特許出願第２００９−２４６５６２号（２００９年１０月２７日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (5)

1. 小型ヘリオスタットであって、
   地球の自転軸と平行で且つ軸心を中心に太陽の日周運動に関連する赤経方向で回転自在な第１軸と、
   前記第１軸の先端に固定されたＵ字形のフレームと、
   前記フレームを貫通する第２軸であって、前記第１軸の仮想軸心と前記第２軸の仮想軸心は直交しかつ前記第２軸がその仮想軸心のまわりに太陽の年周運動に関連する赤緯方向で回転自在なものと、
   前記第２軸におけるフレームの両外側に支持される複数のメインミラーと、
   前記第２軸におけるフレームの内側に支持されるセンサーミラーと、
   前記第１軸及び第２軸の仮想軸心の交点に対して位置固定され、前記センサーミラーにて反射された太陽光を受光するセンサーであって、前記センサーは不動の光軸を有しその光軸の延長線は前記仮想軸心の交点を通るものと、
   前記センサーミラーにて反射された太陽光が常に前記センサーにて受光されるように前記第１軸及び第２軸を回転制御する駆動部と
   を具備することを特徴とする小型ヘリオスタット。
2. 前記センサーミラーが横長の長方形であることを特徴とする請求項１記載の小型ヘリオスタット。
3. 前記メインミラーが直径４０〜６０ｃｍの円形であることを特徴とする請求項１または２記載の小型ヘリオスタット。
4. 前記メインミラーの表面に光触媒層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の小型ヘリオスタット。
5. 前記メインミラーが前記第２軸の両端に２枚づつ支持された４枚構造であることを特徴とする請求項３記載の小型ヘリオスタット。

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