JPH02500996A - 改良された太陽光エネルギー追尾装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された太陽光エネルギー追尾装置 背景技術 本発明は太陽光エネルギーを集光する分野、より詳しく言えば、太陽光エネルギ ー伝達装置の設計と構造とに関する。近年、太陽光エネルギーの能動的集光及び 分配装置に対する開発と利用が盛んに行われている。これらの能動装置は太陽光 エネルギーを集光する太陽電池を用いて入射した電磁エネルギーを１１源、蒸気 源などの有用な動力源に変換するものである。

集光装置は能動装置と受動装置との二つに大別されるが、このうち従来は能動集 光装置の開発に重゛点が置かれていた。能動集光ｖＲＷｌは一般に、多数の集光 要素を備えている。これらの集光装置には大型反射器を用いて反射光を中央吸収 体へ導くもの、太陽光エネルギーを直接吸収する吸収体を複数個備えたもの、さ らに太陽光エネルギーを直接変換するものを含有する。本願で用いられる「フレ フタ」とはこれらの様々な型式の集光要素をすべて包含している。

これらの集光装置において、いずれも実際の使用にあたっては、コレクタ群を適 当な方位に向ける必要がある。

ギーを中央吸収体に集光しなければならない、この種のレフレクタ式集光装置に おいては、レフレクタ要素の各々の向きが、該集光装置の作動時に、太陽光を該 吸収休に正確に当てフォーカスさせるように設定しなければならない。更に、レ フレクタに対して太陽の相対位置が変化するのに応じてコレクタ群の方位調整を 絶えず行う必要がある。したがって、方位を正確に維持することは集光装置の適 切な運転に不可欠になっている。

これらの太陽光エネルギー集光装置において、上記の反射式のものを含んで、方 位を正確に維持するために、太陽光エネルギー伝達装置を並進させることが当業 界の標準となっている。一般に、このような並進運動を可能にするために、集光 要素群を太陽追尾装置上に装着させ、また該太陽追尾装置をジンバル取付けにし て集光要素群の方位を常に正確に維持するようにする。

この種の太陽追尾ＩＩの基本設計は既に開発されていて当業者に周知のものであ る。従来の太陽追尾装置は、一般に構成部品を支持するためのベースまたは取付 スタンドと、駆動装置と、個々のレフレクタ要素を取付けたプレートまたは取付 面と、集光要素群とを備えている。

現在主に使用されている集光システムでは、これらの太陽追尾装置はそれを駆動 するための制御信号を発生する検出・制御装置に結合されており、太陽の移動に 対して太陽光を効率よく集光するように集光面の位置を調整する働きをする。

このような基本設計は当業者に周知されているが、その設計を更に改良すべく格 段の努力が払われている。太陽光エネルギー変換装置の設計と運転における主要 な関心事は総合集光効率である。効率のより優れた集光要素の設計を中心に引続 き活発な開発努力が実施されているが、その他の分野でも積極的に研究開発が進 められている。また、太陽光エネルギーの各集光フィールドごとに多数の太陽追 尾装置が必要なので該追尾装置の製造コスト及び維持費用の削減が極めて重要に なる。

集光効率を高める方法の一つは、太陽光エネルギー伝達装置上での集光要素群を 更に高密度に配置することに。

ある。各太陽追尾装置上に従来よりも多くの集光要素を搭載すればする程集光フ ィールド当たりの集光要素の配置密度が向上する。フィールド当たりの集光要素 の配置密度が高まると太陽光エネルギー集光システムの製造及び運転コストが低 減する。システム効率を大幅に向上できる余地はまさにこの点にある。

しかし、太陽追尾装置の大型化設計では大型化に伴って補正を要する種々な問題 点が生じる。第一の問題は追尾装置が大型化して重澁が増加するとそれを駆動す る電動機も大型化、強力型にする必要があるので、制御とコスト面で重大な問題 が生じる。太陽光エネルギー伝達装置が大型化するのに従って、その制御用電動 機も大型化する。制御用電動機が大型化すると該電動機の運動と位置決めをＲ密 １１ＪＩＩＩするのがより困難になる。

最終的に、精密側ｍ電動機を大型化すると製造コストが増大する。地上の広い集 光フィールドに比較的多数の太陽光エネルギー伝達装置を配設するので、該装置 の設置台数に掛けるとコストアップは重大な金額に達する。

このコストアップのほかに、駆動電動機とそれに関連した駆動装置の大型化とコ ストアップが必要である。

このような問題点を克服するための従来技術は高張力軽量材を用いて太陽光エネ ルギー伝達装置の軽口化と慣性の低減を図ることによって、問題を部分的に解消 した。

しかしこの従来技術は、第２の問題点、すなわち使用材料のグレードアップにか かわらず、該伝達装置の基本可動表面は平面状に形成しており、戸外に置いて自 然風が通過するとき、エアフォイル（翼）として作用することに配慮していない 。換言すれば、該装置を実質的に水平位置にして、その平面状表面に風が通過す る際に該伝達装置に対して揚力を加えるので、該伝達装置の調整など操作を行う 前にトルク荷重を減殺しないと駆動装置によって集光Ｈａｔを作動できない。

平面状の表面に対して形状変更を図る方法も実施されているが、この方法は集光 要素の方位の重要性に鑑みて問題点を部分的に解決するに過ぎない。従って、風 力に伴って不当なトルク荷重を平面状表面に与えるという重大問題が太陽追尾装 置の大型化と効率化を目的とした開発の重大な障害を呈している。

従って、太陽光エネルギー伝達装置を作動モードまたは収納モードのいずれの状 態にした場合でも該伝達装置に与えるトルク荷重を減殺するための装置が必要で ある。

本発明の目的は、太陽光伝達装置の平面状表面と風、との相互作用により該伝達 装置に揚力が与えられ、それに伴って該伝達装置に与えられるトルク荷重を減殺 するための装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、太陽光伝送装置の平面状表面と風との相互作用により該伝 達装置に与えられる揚力に抗して、該伝達装置を駆動するための駆動装置の所要 サイズと動力とを低減するための装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、地上のフィールドに太陽光エネルギー集光システムを 更にＩＴｌ！密度に並べることによって該集光システムの効率を高めるための装 置を提供することにある。

発明の開示 本発明に係わる太陽光エネルギー伝達装置スポイラは本発明の残りの要素を支持 するためのベースと、方位角及び昇降用駆動装置と、可動フレームと、複数個の 集光要素と、第１スポイラと第２スポイラとを備えている。

本明細書で用いられる「集光要素」とは太陽光エネルギー直接吸収体要素と、太 陽光エネルギー直接変換要素と、レフレクタ要素とを含有することに注目すべき である。

好ましい実１１Ｂ様では、ベースの一端は地上に固定され、その他端は方位角及 び昇降用駆動装置に連結されている。該駆動装置は方位角用駆動電動機とそれに 関連した伝動装置、さらに昇降用駆動電動機とそれに関連した伝動装置とを備え ている。

可動フレームは方位角及び昇降用駆動装置に並進運動可能に取着されていて該駆 動装置により自由にジンバル状の剛性フレームで、その上に複数個のレフレクタ 要素が配設している。好ましい実ｔＭ態様では該可動フレームは長方形に形成さ れている。平板状可動フレームでは各集光要素が太陽光に完全露出しているので 太陽光エネルギーを効率的に集光できる。

好ましい実施態様では、可動フレームの前端縁に第１スポイラが、あるいは可動 フレームが２つ割りの場合は一対のスポイラが取着されている。該第１スポイラ は可動フレームの各前端縁に沿って取着されていて、集光要素群の取付平面が第 １スポイラの幅方向寸法の中間点をほぼ横断するようにしである。

可動フレームの後端縁に、あるいは２つ割り式可動フレームの場合にはユニット ごとに、第２スポイラが取着されている。好ましい実施態様では、集光要素群の 取付平面が第２スポイラまたは第２対のスポイラの幅方向寸法の中間点をほぼ横 断するように、第２対のスポイラが装着されている。

これらのスポイラの組合わせが可動フレームの上方と下方を通過する気流を乱す ことによって可動フレームに対する空気力学的な揚力が減殺される。

第１変更例では、スポイラ群の可動フレームに対する取付けは、各スポイラの下 端縁が可動フレームの平面を横断するようにしであるので、太陽光エネルギー伝 達装置を作動モードにしたとき各スポイラは可動フレームの平面から上方に突出 する。

第２変更例では、長方形の剛性フレームが用いられており、第３及び第４スポイ ラがそれぞれ該フレームの左右各側上に装着されている。第３及び第４スポイラ の設置目的は集光フィールドを通過する風向きの変化に対応するためである。ま た第３及び第４スポイラはレフレフ。

夕要素群を収容することができ、レフレクタ要素群を用いる場合には、実質的に 吸収体のまわりに該レフレクタ要素群を円形状に配置するとともに、各太陽追尾 装置を中央吸収体の方向に指向させる。スポイラ群をフレームの前後左右に設け ることで太陽追尾装置の設計が一様になり、据付けが容易になる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に係わる風力に伴うトルクを減殺するための太陽光エネルギー伝 達装置スポイラの好ましい実施態様であって、可動フレームの平面が前後両端ス ポイラの幅方向のほぼ中間点に存するようなスポイラ構造体を示す側面絵画図で ある。

第２図は本発明に係わる別の実ＩＭ態様であって、可動フレームの平面が前後両 端スポイラの下端縁とほぼ一致しているようなスポイラ構造体を示す側面絵画図 である。

第３図は本発明に係わる別の実ｍ態様であって、二分割式フレームにおいてスポ イラを完全に回転させ収納位置にした状態を示す等内因である。

第４図はスポイラを取付けないフレームに対するトルクと、好ましい実７Ｊ！ｓ 様の小形スポイラを設けたフレームに対するトルクとを比較したグラフである。

第５図はスポイラを取付けないフレームに作用するトルクと、好ましい実ｙＡ態 様の大形スポイラを設けたフレームに作用するトルクとを比較したグラフである 。

第６図はスポイラを取付けないフレームに作用するトルクと、別の実施態様のス ポイラを設けたフレームに作用するトルクとを比較したグラフである。

明を　施するための最良の形態 第１図、第２図及び第３図に示すように、本発明の太陽光エネルギー伝達装置及 びスポイラ組立体（１）は、該組立体（１）の残りの構成要素を支持するベース （２）と、方位角及び昇降用駆動ｉｉ置（３）と、可動フレーム（４）と、複数 個の集光要素（５）とを備えており、スポイラ組立体は第１スポイラ（６）及び 第２スポイラ（１）とを含有している。

好ましい実施態様の集光要素について、まず集光要素群（５）を用いて説明を進 めるが、太陽光エネルギー集光システムは大形レフレクタを用いて放射光を中央 吸収体に集めるようにしたシステムと、複数個の太陽光直接吸収体要素を有する システムと、太陽光直接変換要素群を有するシステムとを含有している。本明細 書において「集光要素」という用語はこれらの各要素を包含するものである。

好ましい実施態様では、ベース（２）の一端は地上（８）またはその他の永久構 造体に固定され、またその他端は方位角及び昇降用駆動装置（３）に取着されて いる。

該駆動装置（３）は当業者には周知のもので、方位角制御用電動機及びそれに関 連した伝動装置（９）と、昇降用電動機及びそれに関連した伝動装置（１ｏ）と を備えている。

第１図に示す好ましい実施態様において、方位角制御用電動機と伝動装置（９） はベース（２）に固定されている。

また昇降用電動機及び伝動装置（１０）は、方位角制御用電動様および伝動装置 （９）の軸線に対して垂直な軸線のまわりに回転可能に取着しである。

可動フレーム（４）は昇降用電動機及び伝動装！（１０）に固定されていて、可 動フレーム（４）が水平方向での回転と上下方向での傾斜運動をするように、駆 動装置によって駆動可能にしである。

好ましい実ｍｓ様の可動フレーム（４）は、第１図、第２図及び第３図に示すよ うに、長方形に形成されていて、向きを一様にした複数個の集光要素（５）を載 設、支持している。可動フレーム（４）を平面状にすれば各集光要素（５）が太 陽光に完全露出するので、該集光要素（５）からの反射光がコレクタ（図示省略 ）に当てられる。

好ましい実ＩＭ態様では、ベース（２）が、第１図及び第２図に示すように、可 動フレーム（４）を地上（８）などの永久構造物から十分に離隔させることによ って可動フレーム（４）を３６０°フルに回転させるようにしである。

従って、太陽光エネルギー伝達装置組立体（１）が、太陽光エネルギーの入射角 にかかわらず、太陽の移動に対して追尾できるようになる。このようなフル回転 に対応するために、可動フレーム（４）の好ましい実施態様は、第３図に示すよ うに、２個の別々のユニット（４ａ）、　（４ｂ）を有していて、各ユニットが 昇降用電動機及び伝動装置（１０）の各側に取着しである。このような構造を持 つ可動フレーム（４）を回転して収納位置にしたとき、集光要素群（５）も回転 して下向きの保護位置になることに注目されたい。

可動フレーム（４）の前端縁（１１）に沿って、第１図、第２図及び第３図に示 すように、第１スポイラ（６）が取着しである。好ましい実施態様の第１スポイ ラ（６）は、可動フレーム（１１）の各前端縁（１１）に沿って取着されていて 、集光要素群（５）の取付平面の中心が該第１スポイラ（６）の幅方向寸法の中 間点とほぼ交差するようにしである。

第１スポイラ（６）の好ましい実ＩＭＢ様は可動フレーム（４）の平面とほぼ直 角に向けられている。

第１図、第２図及び第３図に示すように、可動フレーム（５）ノ各ユニット（４ ａ）、　（４ｂ）の後端縁（１２）には第２スポイラ（７）が取着しである。好 ましい実施態様の第２スポイラ（１）は、集光要素群（５）の取付平面の中心が 該第２スポイラ（７）の幅方向寸法の中間点とほぼ交差するように、取着されて いる。

第１スポイラ（６）と第２スポイラ（７）との間のオフセットは可動フレーム（ ４）の構成によって決められるが、一般に実験と評価によって決まることに注目 すべきである。しかし、実験結果によれば、第１スポイラ（６）と第２スポイラ （７）の長さ方向寸法を、それぞれ可動フレーム（４）の前端縁、後端縁の幅方 向寸法に少なくとも同等にすべきであること、また第１スポイラ（６）は可動フ レーム（４）の平面と直角に向けること、さらに第２スポ。

イラ（７）の平面は第１スポイラ（６）の平面と平行にすべきことが判明した。

これらのスポイラ（６）、　（７）の組合わせが可動フレーム（４）の上方と下 方とを通る気流を乱すので、可動フレーム（４）に対する空気力学的揚力が減殺 される。この揚力は太陽光エネルギー伝達装置組立体（１）に追加トルク荷重を 与えるので、フレームの強化と駆動装置の大型化が必要になる。

本発明の別の実施態様は、第３図に示すように、第１スポイラ（６）と第２スポ イラ（７）とを可動フレーム（４）の平面から下方に突出させることによって、 可動フレームを収納位置にしたとき、スポイラ（６）、　（７）が上方に突出す るように構成しである。従って、このように構成すれば、太陽光エネルギー伝達 装置組立体（１）を収納位置にした際の気流の乱れが更に増大する。

組立体（１）の効果は第４図、第５図及び第６図に示すグラフに示されている。

第４図、第５図及び第６図において、横軸はフレーム（４）上の気流の迎え角を 示し、縦軸はトルク（ｉｎ−１ｂ）を示している。第４図、第５図及び第６図で は、実線（１３）は、スポイラ（６）、（７）を取付けない場合のフレーム（４ ）に作用するトルクと様々な迎え角との関係を示しており、点線（１４）は、ス ポイラ（６）。

（７）を所要の位置に取付けた場合のトルクを示している。

第４図のグラフは、スポイラを取付けない場合のフレーム（４）に作用する揚力 、従ってトルクと、好ましい実ＩＭｔ！Ａ様の小形スポイラ（６）、（７）を取 付けたフレームに作用する揚、力との差異を比較している。

第５図は好ましい実施態様の大形スポイラを取付けた場合のトルクの差異を示し 、第６図は別の実ＩＭ態様のスポイラ（６）、　（７）を用いた場合のトルクの 差異を表わしている。

長方形の剛性フレームと共に用いられる更に別の実施態様（図示省略）において 、第３及び第４スポイラがそれぞれフレームの左右各側に取着されている。これ らの第３及び第４スポイラをフレームの左右各側に取着することによって、集光 フィールドを通過する風向きの変化に対応することができる。この更に別の実Ｉ Ｍ態様はレフレクタ要素群を収容することができ、これらのレフレクタ要素群を 、用いるとき、太陽追尾装置を実質的に吸収体のまわりに円形状に並べる必要が ある。スポイラをフレームの前後左右に配置すれば太陽追尾装置の設計が一様に なり、据付が容易になる。

以上の説明からして、本発明を多くの変更態様とすること、またスポイラ組立体 （１）が他の分野にも応用できることは明らかである。ゆえに、以上に詳述した 実施態様に制約されるものではなく、本発明の請求の範囲内で、実施することが できるものである。

タフ　−ｍ　Ｓ！ｔｃｈ　ｅｙ＞　）ＩＬ、り　（Ｉｎｃｈ−１ｂ）夕、７−Ｈ ｔｌｋＡ）−＋ｕり　（Ｉｎｃｈ−）ｂ）り７−ｈ　ａｂｎ　ｈレフ　（１ｎｃ ｈ−１ｂ）国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　風によってその並進運動部分に加わるトルク荷重を減殺するような太陽追尾 装置であって、一端を地上に固定するとともに他端に上記太陽追尾装置の残りの 構成部品を支持させた固定ベースと、太陽光エネルギーを集光する装置と、 上記集光装置が太陽光エネルギーの集光に適当な姿勢を維持できるように、太陽 の移動に対して上記集光装置を完全に並進運動させるための装置と、上記太陽光 エネルギーを集光するための並進運動装置に取着され、かつ風によって上記集光 装置に加わるトルク荷重を減殺するように上記集光装置と協働するようなスポイ ラ装置とを含む太陽追尾装置。 ２　上記太陽光エネルギーを集光し伝達する装置が、上記並進運動装置によって 自由に並進運動をし得るように、上記並進運動装置に固定された可動フレームと 、 上記可動フレームと一緒に固定並進運動をし得るように上記可動フレームの適所 に固着された複数個の太陽光エネルギー集光要素とを含有することを特徴とする 、請求項１記載の太陽追尾装置。 ３　上記太陽光エネルギー集光装置が、太陽光エネルギーを集光し、かつ上記太 陽光エネルギーをエネルギー吸収変換装置へ伝達するための複数個のレフレクタ 要素を含有することを特徴とする、請求項２記載の太陽追尾装置。 ４　上記太陽光エネルギー集光装置が、太陽光エネルギーを集光しかつ上記太陽 光エネルギーを有用エネルギーに変換するための複数個の吸収体要素を含有して いることを特徴とする、請求項２記載の太陽追尾装置。 ５　上記太陽光エネルギー集光装置が、太陽光エネルギーを集光しかつ上記太陽 光エネルギーを電気エネルギーに変換するための複数個の太陽光直接変換要素を 含有することを特徴とする、請求項２記載の太陽追尾装置。 ６　上記太陽光エネルギー集光装置を太陽の移動に対して完全に並進させるため の装置が、上記太陽光エネルギー集光要素群を太陽の移動に追尾させるために、 上記可動フレームと集光要素群とを水平方向及び方位角によって並進連動をさせ るための方位角及ひび昇降用駆動装置を含有することを特徴とする、請求項２記 載の太陽追尾装置。 ７　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの前端縁に取着され形状が長方形の第１スポイラであって、上 記第１スポイラの長さ方向寸法を上記可動フレームの前端縁の幅方向寸法と少な くとも同等にし、かつ上記太陽追尾装置を収納位置にした際に上記第１スポイラ の平面が風ベクトルと直角に向けられるように、上記可動フレームに固着された 第１スポイラと、 上記可動フレームの後端縁に取着され、形状が長方形の第２スポイラであって、 上記第２スポイラの長さ方向寸法を上記可動フレームの前端縁の幅方向寸法と少 なくとも同等にし、かつ上記第２スポイラの平面を第１スポイラの平面と平行に するように、上記可動フレームに固着された第２スポイラとを含有することを特 徴とする、請求項６記載の太陽追尾装置。 ８　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの一側縁に固着され、形状が長方形の第３スポイラであって、 上記第３スポイラの長さ方向寸法を上記可動フレームの一側縁の幅方向寸法と少 なくとも同等にした第３久ボイラと、上記可動フレームの他側縁に固着され、形 状が長方形の第４スポイラであって、上記第４スポイラの長さ方向寸法を上記可 動フレームの他側縁の幅方向寸法と少なくとも同等にした第４スポイラとを含有 することを特徴とする、請求項７記載の太陽追尾装置。 ９　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの前端縁に取着された上記第１スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第１スポイラの幅方向寸法の中間点をほほ横断する ようにした第１スポイラと、 上記可動フレームの後端縁に取着された上記第２スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第２スポイラの幅方向寸法の中間点をほほ横断する ようにした第２スポイラとを含有することを特徴とする、請求項７記載の太陽追 尾装置。 １０　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの一側縁に固着された上記第３スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第３スポイラの幅方向寸法の中間点をほほ横断する ようにした第３スポイラと、 上記可動フレームの他側縁に固着された上記第４スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第４スポイラの幅方向寸法の中間点をほほ横断する ようにした第４スポイラとを含有することを特徴とする、請求項９記載の太陽追 尾装置。 １１　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの前端縁に取着された上記第１スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第１スポイラの幅方向寸法の下端縁をほほ横断する ようにした第１スポイラと、 上記可動フレームの後端縁に取着された上記第２スポイラであって、上記集光要 素群の取付平面の中心が上記第２スポイラの幅方向寸法の下端縁をほほ横断する ようにした第２スポイラとを含有することをを特徴とする、請求項７記載の太陽 追尾装置。 １２　上記スポイラ装置が、 上記可動フレームの一側縁に取着された第３スポイラであって、上記集光要素群 の取付平面の中心が、上記第３スポイラの幅方向寸法の下端縁をほほ横断するよ うにした第３スポイラと、 上記可動フレームの他側縁に取着された第４スポイラであって、上記集光要素群 の取付平面の中心が、上記第４スポイラの幅方向寸法の下端縁をほほ横断するよ うにした第４スポイラとを含有することを特徴とする、請求項１１記載の太陽追 尾装置。