JP5759235B2 - 太陽光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は太陽光検出装置に関するものである。

駆動型の太陽電池パネルを太陽に向けた状態のまま太陽に追従して回転させたり、或いは太陽を追尾した状態で太陽光を一定の位置に反射し続けるヘリオスタットの反射鏡を回転させるために太陽光検出装置が用いられている。

この種の太陽光検出装置は、例えば円筒内面を有するボックスの一面に太陽光を導入する円形の導入孔を形成し、反対側の内部底面には十字状に直交する二方向でそれぞれ対向する一対の光検出センサが合計で４個設けられている。この光検出センサとしては一般的な太陽電池やフォトダイオードが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

太陽光検出装置により向きを制御するものが、例えば水平方向と高度方向の２軸制御の場合はそれらの方向に関連した方向性で光検出センサが配置される。光検出センサは太陽光を受光するために１つの受光領域を隙間のない４つの小領域に分割しそれぞれをカバーする大面積のセンサが採用されている。

そして、導入孔から導入された太陽光のスポットが光検出センサの各対の中心を照らした場合には各対の光検出センサの受光量は等しくなり、光検出センサからの出力も等しいので、制御部から外部の駆動系に信号は出力されないが、太陽光のスポットが光検出センサの中心からずれようとすると対の光検出センサの受光量が相違するため、光検出センサからの出力も異なり、その状態を制御部が検知して、受光量が等しくなるように外部へ信号を出力する。従って、光検出センサは常に受光量が等しくなるように維持され、制御されるものが例えば駆動型の太陽電池パネルの場合は、太陽電池パネルが常に太陽を向いた状態で維持される。

特開平９−２４３３５４号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、大面積の光検出センサを採用しているためコストにおいて不利であった。すなわち大面積の光検出センサは高価であり、多数の太陽光検出装置を含むシステムの場合は、全体のコストにも影響していた。

そこで発明者は鋭意研究の結果、大面積の光検出センサの場合にはその大部分がスポット内に位置しているためむしろセンサとして無駄な部分を含んでいることに着目し、光検出センサはその一部が太陽光のスポット内に位置する構成であってもスポットの位置が検出可能であることを見いだした。

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、小面積の光検出センサでも太陽光の捕捉角度を確実に確保することができる太陽光検出装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、ボックスの一面の中心に太陽光の導入孔を形成すると共に、ボックスの一面とは反対側の内部底面に十字状に直交する二方向でそれぞれ底面中心をはさんだ状態で対向する一対の光検出センサをそれぞれ配置し、導入孔から導入された太陽光のスポットにより各方向で対の光検出センサが受ける受光量が等しくなるように外部へ信号を出力する制御部を設けた太陽光検出装置であって、前記光検出センサが導入孔から導入された太陽光のスポットの外縁が通過する位置に設けられ、光検出センサとボックスの内面との間に太陽光のスポットの径以上の間隔が設けられていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、光検出センサの各方向における長さ寸法が幅寸法の２倍以内の非長尺形状であり且つ対向する光検出センサの間隔が太陽光のスポットの大きさに関連づけられて配置されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、ボックスが円筒状の内面を有する形状で、導入孔が円形であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、光検出センサを配置する直交する二方向が、赤道儀式ヘリオスタットの赤緯方向に関する方向と、赤経方向に関連する方向であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、導入孔から導入される太陽光はヘリオスタットの反射面で反射された太陽光であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、光検出センサが導入孔から導入された太陽光内側縁が通過する位置に設けられているため、小面積でもその内側縁の一部がほんの僅かでも含まれれば、センサとして制御可能である。また、光検出センサとボックスの内面との間には、スポットの径以上の間隔が確保されているため、光検出センサの端末に掛かるスポットがボックスの内面に掛かることなく、光検出センサによる制御時に内面で反射された不規則な反射光が悪影響を及ぼすことはない。

請求項２記載の発明によれば、光検出センサは長さ寸法が幅寸法の２倍以内の非長尺形状であるため、長尺形状に比べて安価である。

請求項３記載の発明によれば、ボックスが円筒状の内面を有する形状で、導入孔が円形であるため、太陽光のスポットがほぼ円形となり、光検出センサの配置が容易である。

請求項４記載の発明によれば、光検出センサを配置する直交する二方向が、赤道儀式ヘリオスタットの赤緯方向と赤経方向に関連する方向であるため、ヘリオスタットの制御を精度良く行うことができる。

請求項５記載の発明によれば、ヘリオスタットで現実に反射された太陽光を検出することができるのでより精度の高いヘリオスタットの制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係る赤道儀式ヘリオスタットを示す斜視図。 ヘリオスタットのミラーの回転方向を示す概略説明図。 ボックスを示す斜視図。 図３中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿うボックスの断面図。 図３中矢示ＳＢ−ＳＢ線に沿うボックスの断面図。 光検出センサの制御部を示す図。 センサーミラーによる太陽光の制御前の反射状態を示す平面図。 センサーミラーによる太陽光の制御中の反射状態を示す平面図。 光検出センサの出力を示す説明図。 スポットＰの位置と光検出センサの出力の関係を表す模式図。

図１〜図１０は本発明の好適な実施形態を示す図である。この実施形態では、タワー型或いはビームダウン型の太陽熱発電等に使用されるヘリオスタット用の太陽光検出装置について説明する。

＜ヘリオスタット＞
ヘリオスタット１は、ミラー要素としての４枚のミラー２に反射機能を分散させたマルチミラー型のものである。ヘリオスタット１のベース３にはバー４が立設され（地中立設でも可）、その上端に太陽光検出装置５のボックス６が斜めに固定されている。ボックス６がある方向が太陽光Ｌを反射したい方向であり、そのボックス６側の離れた位置に太陽光Ｌを集光するターゲットが存在する。

ベース３のバー４とは反対側に支柱７が設けられ、その上端に第１駆動部８が設けられている。第１駆動部８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９が設けられている。この第１軸９は第１駆動部８により軸心を中心に日周運動に関連した赤経方向Ａ（図２参照）へ回転自在である。この第１軸９を有するため、このヘリオスタット１は赤道儀式である。

第１軸９の先端にはコ字形のフレーム１０が固定されている。このフレーム１０の両側のフランジには第１軸９と直交する方向に第２軸１１が貫通している。第２軸１１は金属パイプで、フランジの外側へ両側が突出している。フレーム１０と第２軸１１との間には、第２軸１１を季節運動に関連した赤緯方向Ｂ（図２参照）へ回転させる第２駆動部１２が設けられている。

フレーム１０から外側へ突出した第２軸１１の両端には別の支持パイプ１３が直交方向に貫通している。第２軸１１と支持パイプ１３でＨ形を形成し、その四隅となる支持パイプ１５端にミラー２がそれぞれ金具１４により取り付けている。ミラー２は直径５０ｃｍの円形で、その表面はターゲットまでの焦点距離に応じた凹球面になっている。

フレーム１０の内側の第２軸１１には一対のブラケット１５を介してセンサーミラー１６が設けられている。センサーミラー１６は横長の長方形で、表面はフラットである。

センサーミラー１６で反射された太陽光Ｌは太陽光検出装置５により受光される。太陽光検出装置５は、センサーミラー１６と図示せぬターゲットとの間に位置している。従って、センサーミラー１６からの太陽光Ｌを常に太陽光検出装置５にて受光されるように反射すると、その太陽光Ｌは太陽光検出装置５の先のターゲットに必ず向かうことになる。４枚のミラー２は、センサーミラー１６にて反射された太陽光Ｌを光軸として、その光軸上における焦点距離位置で１つの集光スポットとして完全に重なり合うように予め角度が調整されている。

＜太陽光検出装置＞
次に、太陽光検出装置５の構造を説明する。太陽光検出装置５のボックス６は円筒状の内面を有する中空形状で、円形の導入面１７と底面１８を両端に有する。ボックス６の直径は４５ｍｍで、長さは６０ｍｍであり、導入面１７を下に斜め状態で固定されている。

導入面１７の中央には円形でテーパー状の導入孔１９が形成されている。導入孔１９は外側から樹脂製の透明カバー２４より覆われている。ボックス６の底面１８には、直交する十字状に一対の光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂが離散配置されている。光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは正方形の小面積サイズである。光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの形状は正方形の他に、各方向Ｘ、Ｙにおける長さ寸法ｄが幅寸法の２倍以内の非長尺形状でも良い。

２つの光検出センサ２０ａ、２０ｂはヘリオスタット１の赤経方向Ａに関連する方向Ｘで対向しており、他の２つの光検出センサ２１ａ、２１ｂは、赤緯方向Ｂに関連する方向Ｙで対向している。

ボックス６の底面１８の中心には、真っ直ぐに導入孔１９から導入された太陽光Ｌの円形状のスポットＰが形成され、各光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂはこのスポットＰの外縁を通過する位置に配置されている。本実施形態では相互に対向する光検出センサ２０ａ（２１ａ）と２０ｂ（２１ｂ）はその間隔がスポットＰの大きさ（実効径）Ｒに関連づけられるように配置される。

導入孔１９が円形で、太陽光ＬのスポットＰが実効径Ｒの円形のため、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの配置が容易である。光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂとボックス６の内面との間には、スポットＰの実効径Ｒ以上の間隔Ｄが確保されている。

スポットＰが各光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの中心（中立位置）にいる状態では、方向Ｘ及び方向Ｙのいずれにおいても、一対の光検出センサ２０ａ、２０ｂ及び２１ａ、２１ｂ同士の受光量は等しく、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂからの出力は等しい。各光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは所定の間隔をおいて離散的に配置することができ、図５に示すように、スポットＰが中立位置にある状態でスポットＰが全ての光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの受光領域の一部に届くように配置されていることが好ましい（上限間隔）。

光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂからの出力は制御部２２、２３にて検知され、一対の光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの出力が等しい場合には相互の差動出力がゼロとなる。この場合には所定の方向に反射光が指向しているため、第１駆動部８及び第２駆動部１２に駆動信号を出力しない。

導入孔１９のからの太陽光ＬのスポットＰが中立位置からずれて、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの出力が異なる場合には、その状態を制御部２２、２３が検知して、第１駆動部８及び第２駆動部１２に駆動信号を出力し、ヘリオスタット１のミラー２を回転させて、出力の不均等状態を是正するようにフィードバック制御する。

図４に示すように、このスポットＰはその外縁が光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの内側の端末の一部にだけでも当たっていれば、太陽光Ｌを受光して制御可能である。各方向Ｘ、Ｙにおける両側の一番外側の端末に受光する太陽光Ｌ同士のなす角度が捕捉角度θである。スポットＰの中立位置を検出するために必要な上限間隔が確保されていれば、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの外側の端末がより外側に位置するほど捕捉角度θを大きくすることができる。

また、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの一番外側の端末に受光する場合も、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂとボックス６の内面との間にスポットＰの径以上の間隔Ｄが確保されているため、スポットＰが内面に当たって不規則反射して、光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの受光状態に悪影響を与えることない。

以上の制御方法を、ヘリオスタット１の赤経方向Ａに関連した方向Ｘを例にして説明する。図９は光検出センサの出力を示す説明図であり、図１０（Ａ）はスポットＰの光学的重心のＸ方向の位置と光検出センサ２０ａ，２０ｂの出力の関係を模式的に表したものである。なお、光検出センサの受光面におけるスポットＰの実効径をＲとする。

例えば図７に示すように、ヘリオスタット１の最初の制御スタート時において、センサーミラー１６の向きが正規の位置からずれていた場合、センサーミラー１６にて反射された太陽光Ｌは太陽光検出装置５の導入孔１９から真っ直ぐに導入されず、図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、スポットＰはずれた状態になる。すると、光検出センサ２０ａ、２０ｂからの出力も不均等になり、スポットＰのずれ方に応じて図１０（Ａ）の領域（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような出力が現れる。さらに２つの出力の差をとると図１０（Ｂ）に示すように、中立位置近傍の領域（ｂ）においてはずれに対して敏感である。なお、この領域の範囲ｄは各光センサ２０ａ、２０ｂのＸ方向の幅、光センサ間の距離、スポットＰの実効径Ｒで定まる。

スポットＰのずれが大きい（ｃ）（ｄ）領域では光検出センサ２０ｂにはスポットＰが当たらない状態であるが光センサ２０ａがスポットＰを検出することによりスポットＰの大まかな位置を捉えることができる。

したがって、それぞれの状態を光検出センサ２０ａ、２０ｂの出力や差動出力等に基づいて制御部２２が検知して、第１駆動部８に信号を出し、ヘリオスタット１を回転させ、センサーミラー１６を正しい位置まで回転させる。そうすると、図９（ａ）および図１０（Ａ）の領域（ａ）に示すように、各光検出センサ２０ａ、２０ｂからの出力は等しくなり、ヘリオスタット１で反射される太陽光Ｌが光検出センサ５を通過して、その先のターゲットに正しく導かれる。

一度、光検出センサ２０ａ、２０ｂにて制御されると、スポットＰが中立位置近傍にあるためずれの位置が高倍率で検出され、そのまま太陽を追尾して正しい状態が維持される。赤緯軸に関連したＹ方向についても同様に太陽を追尾することができる。また、スポットＰが中立位置の近傍からはずれた場合であっても、上述したように光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの出力やこれらの差動、加算演算等に基づいてスポットＰを中立位置近傍に収束させ、維持するようにフィードバック制御することができる。

本実施形態によれば、小面積の光検出センサ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを用いたので、コスト的に有利である。従って、多数のヘリオスタット１を用いて太陽熱発電所を建設する場合も全体コストの低減を図ることができる。また、本実施形態では赤道儀式のヘリオスタット１を例にしたが経緯台式のヘリオスタットでもよい。

１ ヘリオスタット
５ 光検出センサ
６ ボックス
１８ 底面
１９ 導入孔
２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ 光検出センサ
２２、２３ 制御部
Ｌ 太陽光
Ａ 赤経方向
Ｂ 赤緯方向
Ｘ 赤経方向に関連する方向
Ｙ 赤緯方向に関連する方向
Ｐ スポット
Ｄ 間隔

Claims (5)

1. ボックスの一面の中央に太陽光の導入孔を形成すると共に、ボックスの一面とは反対側の内部底面に十字状に直交する二方向でそれぞれ底面中心をはさんだ状態で対向する一対の光検出センサをそれぞれ配置し、導入孔から導入された太陽光のスポットにより各方向で対の光検出センサが受ける受光量が等しくなるように外部へ信号を出力する制御部を設けた太陽光検出装置であって、
   前記光検出センサが導入孔から導入された太陽光のスポットの外縁が通過する位置に相互に離散して設けられ、
   光検出センサとボックスの内面との間に太陽光のスポットの径以上の間隔が設けられていることを特徴とする太陽光検出装置。
2. 光検出センサの各方向における長さ寸法が幅寸法の２倍以内の非長尺形状であり且つ対向する光検出センサの間隔が太陽光のスポットの大きさに関連づけられて配置されることを特徴とする請求項１記載の太陽光検出装置。
3. ボックスが円筒状の内面を有する形状で、導入孔が円形であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽光検出装置。
4. 光検出センサを配置する直交する二方向が、赤道儀式ヘリオスタットの赤緯方向に関する方向と、赤経方向に関連する方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光検出装置。
5. 導入孔から導入される太陽光はヘリオスタットの反射面で反射された太陽光であることを特徴とする請求項４記載の太陽光検出装置。
   

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