JP6188044B2 - ヘリオスタットのキャリブレーション装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、タワー型太陽熱集熱システムに用いられるヘリオスタットのキャリブレーション装置および方法に関する。

一般に、タワー型太陽熱集熱システムに用いられるヘリオスタットは、太陽光を反射する反射鏡と、この反射鏡を支持する支柱と、反射鏡を傾動させる駆動装置と、を備えている。タワーに設置されたレシーバに太陽光を集光させるために、ヘリオスタットは、反射鏡の傾動角度に関する制御信号に基づき、その姿勢（方位角と仰角）が調整される。

ヘリオスタットの姿勢を制御するための基本原理について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、反射鏡の方位角と仰角と法線ベクトルの関係を示している。一般的なヘリオスタットは、反射鏡の法線ベクトルの方位角あるいは仰角の少なくとも１つの角度（殆どの場合、方位角と仰角の両方）を任意に変更できる構成である。そのため、図１０に示すように、反射鏡の法線ベクトルが分かれば、太陽光をレシーバに集光させるためのヘリオスタットの方位角および仰角を算出できる。さらに、反射鏡の法線ベクトルは、反射の原理に基づき、入射光ベクトルと反射光ベクトルが分かれば算出できる。なお、以下の説明において、方位角および仰角をまとめて「制御角度」と言う場合がある。

図１１は、入射光ベクトルと反射光ベクトルの算出方法を示している。まず、入射光ベクトルは、ヘリオスタットの設置位置における経緯度情報と任意（制御したい時間）の日時情報とに基づいて太陽の方位角および仰角を算出できるため、それをベクトルに変換することにより求めることができる。次に反射光ベクトルは、ヘリオスタット（反射鏡の中心＝鏡の法線ベクトルの出発点）の位置と反射光が目標とする照準点（例えば、レシーバの受光面）の３次元座標が装置の図面上の段階で、あるいは据付した段階で既知のため、それらの３次元座標の位置関係から算出できる。

なお、入射光ベクトルおよび反射光ベクトルに基づいて求められた法線ベクトルにより算出されるヘリオスタットの制御角度（方位角および仰角）、即ち、上記した基本原理により算出されるヘリオスタットの制御角度のことを、以降「理論値」と言う。これに対して、反射光が照準点に実際に集光するときのヘリオスタットの制御角度（方位角および仰角）のことを、以降「実測値」と言う。

図１２は、時刻に伴う実測値と理論値とを比較したグラフである。図１２から分かるように、ヘリオスタット製造時および据付位置の誤差等、多種多様な要因により、一日のうちで実測値と理論値との間に例えば±１．５°以内で偏差が生じる。ヘリオスタットの高精度な据付や据付誤差測定によって、この偏差を例えば±０．２°以内に抑制することができれば、理論的にはヘリオスタットがレシーバの受光面に常に反射光を照射することができる。しかし、偏差をヘリオスタットの据付精度等によって吸収する解決策は、建設時間や建設コストが莫大にかかってしまうため、現実的な解決策とはなり得ない。

ここで、据付後のヘリオスタットに対してキャリブレーションを行うことにより、上記偏差を低減する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、キャリブレーションを行う際に、フィールド上に設けられたカメラ等の複数の照準点に反射光を集光し、その時の実測値と理論値の偏差からヘリオスタットの設定位置を推定している。特許文献１によれば、高精度な据付や据付誤差測定を必要としないため建設時間および建設コストを低減できる。

米国特許第７，９９４，４５９号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の技術（以下、従来手法と言う）では、一日のうちキャリブレーションを実施した時間帯に関する実測値と理論値の偏差しか補正できない。これについて図１３を用いて詳しく説明する。図１３は、実測値と、上記した基本原理に基づく理論値と、従来手法を用いてキャリブレーションを行った場合の理論値とを比較した図である。図１３に示すように、従来手法を用いれば、キャリブレーションを行った時間帯では実測値１と従来手法による理論値３とは良く一致するが、それ以外の時間帯では実測値１と従来手法による理論値３との偏差が大きく、時間帯によっては、実測値１と理論値２との偏差よりも大きくなる状況も生じてしまう。このように、特許文献１では、ヘリオスタットからの反射光を長期間に亘ってレシーバに確実に集光させることは困難であり、太陽光を確実にレシーバに集光させるためには、キャリブレーションの回数が多くなるという課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、キャリブレーションの回数を低減でき、長期間に亘ってレシーバに太陽光を集光させることのできるヘリオスタットのキャリブレーション装置および方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、太陽を追尾して太陽光をレシーバに向けて反射させるヘリオスタットのキャリブレーション装置であって、前記ヘリオスタットの初期位置情報を取得する初期位置情報取得部と、前記ヘリオスタットの初期位置情報と太陽の位置情報とから前記ヘリオスタットの姿勢に関する理論値を演算する理論値演算部と、前記ヘリオスタットの姿勢の実測値を入力として、前記理論値と前記実測値との偏差を１日のうち少なくとも２時刻において演算する偏差演算部と、前記偏差が閾値を超えている場合に、前記偏差が前記閾値以下になるような前記ヘリオスタットの座標に較正する座標較正部と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は、太陽を追尾して太陽光をレシーバに向けて反射させるヘリオスタットのキャリブレーション方法であって、前記ヘリオスタットの初期位置情報を取得するステップと、前記ヘリオスタットの初期位置情報と太陽の位置情報とから前記ヘリオスタットの姿勢に関する理論値を演算するステップと、前記ヘリオスタットの姿勢の実測値を入力として、前記理論値と前記実測値との偏差を１日のうち少なくとも２時刻において演算するステップと、前記偏差が閾値を超えている場合に、前記偏差が前記閾値以下になるような前記ヘリオスタットの座標に較正するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、キャリブレーションの回数を低減でき、長期間に亘ってレシーバに太陽光を集光させることができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用されるタワー型太陽熱集熱システムの全体構成図である。 本発明の実施形態に係るキャリブレーション装置のブロック図である。 ヘリオスタットのキャリブレーション手順を示すフローチャートである。 図３のステップＳ１〜Ｓ３の詳細を説明するための図である。 図３のステップＳ１〜Ｓ３の詳細を説明するための図である。 図３のステップＳ４の詳細を説明するための図である。 図３のステップＳ６〜Ｓ８の詳細を説明するための図である。 本発明に係るキャリブレーションを行った場合の効果を初期状態との比較において説明した図である。 図３のステップＳ９の詳細を説明するための図である。 ヘリオスタットの方位角と仰角を制御するための基本原理を説明した図である。 ヘリオスタットの方位角と仰角を制御するための基本原理を説明した図である。 ヘリオスタットの理論値と実測値との関係を示す図である。 従来手法によるキャリブレーションを行った場合のヘリオスタットの方位角と仰角の変化を示す図である。 方位角と仰角で分けてヘリオスタットをキャリブレーションする際の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るヘリオスタットのキャリブレーション装置が適用されるタワー型太陽熱集熱システムの全体構成図であり、図２は、本発明の実施形態に係るヘリオスタットのキャリブレーション装置のブロック図である。

図１に示すように、タワー型太陽熱集熱システム１は、太陽４から入射する入射光５を、太陽４を追尾するヘリオスタット６に備え付けられた反射鏡７で反射光８として反射し、タワー９の上部に設置されたレシーバ１０の受光面に反射光８を集光する構成である。なお、本実施形態におけるタワー型太陽熱集熱システムは、レシーバ１０に対してヘリオスタット６を南側に配置した、いわゆる南配置のシステムである（図４参照）が、本発明はこのシステムに限定されるものではない。

ヘリオスタット６は、地表面に据付固定される支柱１１と、支柱１１の上方に傾動自在に配置される反射鏡７と、反射鏡７の傾動角度（姿勢）を制御信号１２に基づいて調整する駆動装置１３とで構成されている。ヘリオスタット６の制御装置（キャリブレーション装置）２は、レシーバ１０を観測する照準点情報出力端末３０としてのレシーバ観測装置１５からの画像情報、光量情報、および温度情報と、指令情報出力端末３５からの幾何情報指令、キャリブレーション指令、および、照射指令情報とに基づいて、後述する演算を行ってヘリオスタット６の三次元座標を較正し、ヘリオスタット６の駆動装置１３に駆動指令となる制御信号１２を出力する。駆動装置１３はこの制御信号１２に基づいて反射鏡７の方位角および仰角を制御する。

図２に示すように、制御装置２は、指令情報判別部４１と、位置情報記憶部４２と、指令値算出部４３と、照射自動検出部４４と、照射情報記憶部４５と、位置情報調整部４６と、時間補正関数作成部４７と、時間補正関数記憶部４８と、を主に備えて構成される。なお、本発明の初期位置情報取得部、理論値演算部、偏差演算部、および座標較正部の各機能は、制御装置２の図示しないＣＰＵによって実現される。

指令情報判別部４１は、指令情報出力端末３５からの幾何情報指令（対象ヘリオスタット、据付位置情報、経緯度情報）と、キャリブレーション指令（対象ヘリオスタット、測定回数）と、照射指令情報（対象ヘリオスタット、照射日時情報）とを入力として、照射指令日時情報を指令値算出部４３に出力し、キャリブレーション指令を照射自動検出部４４に出力し、据付位置情報および経緯度情報を位置情報記憶部４２に記憶させる。

照射自動検出部４４は、照準点情報出力端末３０から入力された画像情報、光量情報、および温度情報と、指令情報判別部４１から入力されたキャリブレーション指令とに基づき、駆動装置１３にキャリブレーション後のヘリオスタットの位置情報（指令値）を出力する。

また、照射自動検出部４４は、日時情報と指令値情報を照射情報記憶部４５に記憶させる。位置情報調整部４６は照射自動検出部４４からの出力に基づき、照射情報記憶部４５に記憶された日時情報および指令値情報を読み出して、時間補正関数作成部４７に時間補正関数を作成するための指示を行う。この際、位置情報記憶部４２との間でデータの読み書きや各種演算等が行われる。

時間補正関数作成部４７は後述する誤差補正関数を用いて時間補正関数を作成し、時間補正関数記憶部４８に記憶させる。指令値算出部４３は、指令情報判別部４１からの照射指令日時情報と、位置情報記憶部４２に記憶されている据付位置情報および経緯度情報と、時間補正関数記憶部４８に記憶されている時間補正関数とに基づき、ヘリオスタット６の制御角度の指令値を演算し、ヘリオスタット６の駆動装置１３に出力する。

次に、制御装置２によるキャリブレーションの詳細について説明する。図３は、制御装置２が行うキャリブレーション手順の詳細を示すフローチャートである。なお、以下の処理はヘリオスタット６の枚数分行われる。

まず、制御装置２は、ステップＳ１において、ヘリオスタット６のパラメータを取得する。具体的には、ヘリオスタット６の反射光が目標とする照準点の３次元座標を原点として、ヘリオスタット６の経緯度情報およびヘリオスタット６の初期の設定位置Ｐｉｎｔの３次元座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を取得する。ステップＳ１において取得する情報は、設計図上のデータである。なお、反射光ベクトルを算出することができれば、必ずしも照準点を原点としなくても良い。

次に、制御装置２は、時刻ｔにおけるヘリオスタット６の制御角度の実測値およびＰｉｎｔに基づく理論値を算出し、実測値と理論値の偏差を算出する処理（ステップＳ２）を、時刻ｔが設定された回数だけ実行する（ステップＳ３）。ステップＳ２〜Ｓ３の処理について、図４および図５を用いて詳細に説明する。ヘリオスタット６に対してキャリブレーションを実施することとなった際に、ヘリオスタット６の反射鏡７と、照準点１８と、キャリブレーションする日時の太陽４とのなす方位角が０°になる時刻を、当該ヘリオスタット６の南中ライン通過時刻ｔｓと設定する。

そして、日の出からｔｓ前の時刻を時刻ｔＦ、ｔｓ後から日没までの時刻を時刻ｔＬとしたときに、一日の内で少なくとも２時刻以上、望ましくは、時刻ｔＦと時刻ｔＬのそれぞれ各１時刻以上の各時刻において、図５に示すように、照準点１８へ集光させる当該ヘリオスタット６の方位角ＤＡについて実測値ＤＡｍ，ｔと、理論値であるＤｉｎｔＡｉ，ｔと、その方位角偏差であるｄｐＤＡ，ｔを算出する。同様に、照準点１８へ集光させる当該ヘリオスタット６の仰角ＤＥについて実測値ＤＥｍ，tと、理論値であるＤｉｎｔＥｉ，ｔと、その仰角偏差であるｄｐＤＥ，ｔを算出する。そして、例えば、時刻ｔＦと時刻ｔＬのそれぞれに１時刻（合計２時刻）を設定した場合、ステップＳ３における設定回数が２回となり、制御装置２はステップＳ２の処理を２回実行する。

ここで、南中ライン通過時刻ｔｓの前後でそれぞれ１時刻以上の実測値と理論値とから偏差を算出するのが望ましい理由は、南中ライン通過時刻ｔｓの前後で実測値と理論値の偏差が反転するからである。即ち、図１２に示すように、時刻ｔｓの前後で方位角および仰角の実測値と理論値の偏差が反転するため、南中ライン通過時刻ｔｓの前後で実測値と理論値との偏差を求めてヘリオスタット６のキャリブレーションを行うことで、より長期間に亘ってヘリオスタット６からの反射光を照準点であるレシーバ１０の受光面に集光させることができる。

次に、ステップＳ４において、制御装置２は、ヘリオスタット６の方位角ＤＡと仰角ＤＥの各偏差が閾値以下であるか否かを判定する。具体的には、図６に示すように、方位角の偏差ｄｐＤＡ，ｔの最大値ｄｐＤＡｍａｘおよび最小値ｄｐＤＡｍｉｎ、仰角の偏差ｄｐＤＥ，ｔの最大値ｄｐＤＥｍａｘおよび最小値ｄｐＤＥｍｉｎを抽出し、その差分である（ｄｐＤＡｍａｘ−ｄｐＤＡｍｉｎ）および（ｄｐＤＥｍａｘ−ｄｐＤＥｍｉｎ）が予め設定した閾値以下であるか否かを判定する。閾値以下（Ｓ４／Ｙｅｓ）であれば、制御装置２は、Ｐｉｎｔ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）をメモリに記憶し（ステップＳ５）、演算を終了する。

一方、前記差分が閾値を超えている場合は、ステップＳ６以降の処理に進む。ヘリオスタット６の位置の推定方法は様々な方法があるが、例えば、刻み幅定数（変化量）αを入力し、初期のヘリオスタット位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）に対して、刻み幅定数を含んだ（Ｘｐ＋α，Ｙｐ，Ｚｐ）、（Ｘｐ−α，Ｙｐ，Ｚｐ）、（Ｘｐ，Ｙｐ＋α，Ｚｐ）、（Ｘｐ，Ｙｐ−α，Ｚｐ）、（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ＋α）、（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ＋α）、の６つのパラメータを用意し、実測値と６つのパラメータとに基づいて算出された理論値から差分（ｄｐＤＡｍａｘ−ｄｐＤＡｍｉｎ）および差分（ｄｐＤＥｍａｘ−ｄｐＤＥｍｉｎ）が閾値以下で差分が最小となるＰｉｎｔ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を求める（ステップＳ６〜Ｓ８）。

ステップＳ６〜Ｓ８の処理を図で示したものが図７である。図７から分かるように、ヘリオスタット６の位置情報（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を変更してやると、それに伴い理論値が変化する（一日の理論値のグラフが変化する）。その中で実測値と良くマッチングする理論値となったヘリオスタット６の座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を新たなヘリオスタット６の座標に較正し、ヘリオスタット６の制御に使用する。図７の例では、ヘリオスタット６の初期座標を座標（ｘ２，ｙ２，ｚ２）に較正する。

図８に、ヘリオスタット６の初期設定位置に基づいて算出された差分（ｄｐＤＡｍａｘ−ｄｐＤＡｍｉｎ）および（ｄｐＤＥｍａｘ−ｄｐＤＥｍｉｎ）と、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を行った後の差分（ｄｐＤＡｍａｘ−ｄｐＤＡｍｉｎ）および（ｄｐＤＥｍａｘ−ｄｐＤＥｍｉｎ）との比較を示す。図８に示すように、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を行ってヘリオスタット６の位置を変更した場合の偏差の方が初期位置に基づく偏差より１日における偏差の振れ幅が小さいことが分かる。このことは、本発明に係るキャリブレーションを行うことによって、経時変化によるヘリオスタット６の制御誤差が小さくなることを意味する。

次に、制御装置２は、Ｓ９において、上記した差分が最小となるＰｉｎｔ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）をメモリに記憶し、残りの偏差を補正するために誤差補正関数を作成する。図９はＳ９で作成される誤差補正関数を説明した図である。ヘリオスタット６の制御角度の誤差は、太陽が南中ラインを通過する時刻付近を跨いで対称に発生することは公知である。そこで、誤差に対しても良くマッチングする誤差補正関数を作成する。例えば、南中ライン付近で変化し、残りの誤差の最大値および最小値で変化するようなシグモイド関数等が考えられる。このシグモイド関数は、多項式と異なり、一日のうち二点設定しておけば、作成可能な関数であるため、最低２回の実測値測定により、偏差の補正を実施できる。

以上説明したように、本実施形態では、キャリブレーションを行って、少なくとも２時刻以上の実測値と理論値との偏差が閾値以下となるヘリオスタット６の位置情報を記憶させることができるため、ヘリオスタット６の制御誤差を小さくでき、太陽光をレシーバ１０の受光面に長期間に亘って集光させることができる。即ち、１度キャリブレーションを行えば、長期間に亘って太陽光がレシーバ１０から外れにくくなる。また、太陽光がレシーバ１０から外れにくくなれば、キャリブレーションの回数を低減できるため、キャリブレーションの手間を大幅に削減できる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、本発明に係るキャリブレーション装置は、タワー型の太陽熱集熱システム以外にも、例えば、フレネル式等の各種太陽熱集熱システムにも適用することができる。

さらに、本発明の実施形態に係る制御装置２は、図３に示すキャリブレーション手順に代えて、図１４に示すように、ヘリオスタット６の方位角と仰角とで分けてキャリブレーションを実施することができる。すなわち、図１４に示すように、制御装置２は、Ｓ１０１〜Ｓ１０９においてヘリオスタット６の方位角に関する位置情報及びシグモイド関数を作成し、また並行して、Ｓ１１１〜Ｓ１１９においてヘリオスタット６の仰角に関する位置情報及びシグモイド関数を作成する。このようにしても、上記した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

２ 制御装置（キャリブレーション装置）
４ 太陽
１０ レシーバ
４１ 指令情報判別部（初期位置情報取得部）
４２ 位置情報記憶部
４３ 指令値算出部
４４ 照射自動検出部
４５ 照射情報記憶部
４６ 位置情報調整部（理論値演算部、偏差演算部、座標較正部）
４７ 時間補正関数作成部
４８ 時間補正関数記憶部
ｔｓ 南中ライン通過時刻

Claims (5)

1. 太陽を追尾して太陽光をレシーバに向けて反射させるヘリオスタットのキャリブレーション装置であって、
   前記ヘリオスタットの初期位置情報を取得する初期位置情報取得部と、
   前記ヘリオスタットの初期位置情報と太陽の位置情報とから前記ヘリオスタットの姿勢に関する理論値を演算する理論値演算部と、
   前記ヘリオスタットの姿勢の実測値を入力として、前記理論値と前記実測値との偏差を１日のうち少なくとも２時刻において演算する偏差演算部と、
   前記偏差が閾値を超えている場合に、前記偏差が前記閾値以下になるような前記ヘリオスタットの座標に較正する座標較正部と、を含むことを特徴とするヘリオスタットのキャリブレーション装置。
2. 請求項１において、
   前記ヘリオスタットとレシーバと太陽とのなす方位角が０°になる時刻を南中ライン通過時刻としたときに、前記偏差演算部は、前記南中ライン通過時刻の前後で各１時刻以上における前記偏差を演算することを特徴とするヘリオスタットのキャリブレーション装置。
3. 請求項２において、
   前記座標較正部は、前記偏差が前記閾値以下かつ最小となる座標に較正することを特徴とするヘリオスタットのキャリブレーション装置。
4. 請求項２において、
   前記座標校正部は、前記ヘリオスタットの方位角および仰角ごとに座標を校正することを特徴とするヘリオスタットのキャリブレーション装置。
5. 太陽を追尾して太陽光をレシーバに向けて反射させるヘリオスタットのキャリブレーション方法であって、
   前記ヘリオスタットの初期位置情報を取得するステップと、
   前記ヘリオスタットの初期位置情報と太陽の位置情報とから前記ヘリオスタットの姿勢に関する理論値を演算するステップと、
   前記ヘリオスタットの姿勢の実測値を入力として、前記理論値と前記実測値との偏差を１日のうち少なくとも２時刻において演算するステップと、
   前記偏差が閾値を超えている場合に、前記偏差が前記閾値以下になるような前記ヘリオスタットの座標に較正するステップと、を含むことを特徴とするヘリオスタットのキャリブレーション方法。