JPH08222017A - 太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】大量の太陽光線を受光、集光し小面積の光ダク
ト等で所定の場所へ伝送するための太陽光集光装置を提
供することを目的とする。 【構成】焦点および中心線を共有して配置した球面反射
鏡１、双曲面反射鏡２と平面反射鏡３で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は太陽光を集光して伝送
する太陽光集光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、太陽光を集光して伝送する方法と
しては、凸レンズもしくはフレネルレンズを使用する方
式と平面鏡を使用する方式がある。

【０００３】凸レンズもしくはフレネルレンズを使用す
る方式は図１に示すように太陽追従機構を具備した単体
もしくは複数のレンズで太陽光を集光し、焦点付近に配
置した光ファイバーで伝送する方式が一般的である。し
かしながら、この方式では、光ファイバーは伝送損失も
少なく屈曲性に優れ自在に所定の場所に太陽光を伝送出
来る利点はあるが断面積が小さいため大量の光線を伝送
出来ない、光ファイバーの価格も高く単位集光面積あた
りの価格も割高となる、色収差等のため凸レンズ、フレ
ネルレンズの口径の大きさに制約がある等の欠点があっ
た。

【０００４】平面鏡を使用する方式は、図２に示すよう
に、太陽追尾機構を具備した単体もしくは複数の平面鏡
を使って垂直下方へ反射させ、この反射光を光グクトで
受けて伝送する方式が一般的である。しかしながら、こ
の方式では、単に、光の方向を屈折するだけで集光され
ていないため、光ダクトで伝送するには受光面積と同じ
面積を必要とする、また、光ダクト内での反射損失のた
め遠くへの伝送は困難である等の欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の欠点
を除くためになされたもので、大量の太陽光線を受光、
集光し小断面積の光ダクト等で所定の場所へ伝送するた
めの太陽光集光装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】背面側の中心線上の１点
で交差する水平、垂直回転軸を有し、中心部に双曲面反
射鏡光線通過孔３８を設けた球面反射鏡１と、球面反射
鏡１と中心線を共有して、焦点を球面反射鏡１と同一点
または近傍に、反射鏡面を球面反射鏡１の反射鏡面と対
向して設けた双曲面反射鏡２と、球面反射鏡１と水平、
垂直回転軸を共有し水平方向の回転は球面反射鏡１と同
じ回転をし垂直方向回転は球面反射鏡１の中心線が水平
なときは水平面と４５°の角度をなし球面反射鏡１の垂
直回転角度の増減に従い４５°にその増減分の１／２を
増減した角度に回転する機構を備え、その反射鏡面を双
曲面反射鏡２の反射鏡面に向けて配置された平面反射鏡
３を装置することを特徴とする太陽光集光装置。背面側
の中心線上の１点で交差する水平、垂直回転軸を有し、
中心部に双曲面反射鏡光線通過孔３８を設けた球面反射
鏡１と、球面反射鏡１の中心線及び焦点を共有してその
反射鏡面を球面反射鏡１の反射鏡面と対向して設けられ
た双曲面反射鏡２と、球面反射鏡１と水平、垂直回転軸
を共有し水平方向の回転は球面反射鏡１と同じ回転をし
垂直方向回転は球面反射鏡１の中心線が水平なときは水
平面と４５°の角度をなし球面反射鏡１の垂直回転角度
の増減に従い４５°にその増減分の１／２を増減した角
度に回転する機構を備え、その反射鏡面を双曲面反射鏡
２の反射鏡面に向けて配置された平面反射鏡３を装置す
ることを特徴とする太陽光集光装置である。

【０００７】以下、図３、図４を参照しつつ説明する。
図３は課題を解決するための手段を示す斜視図で、本発
明の球面反射鏡１が、その中心線（以下、光軸と略称）
が水平なときの要約斜視図である。図４は課題を解決す
るための手段を示す斜視図で、球面反射鏡１が上向きに
垂直回転して光軸が水平線（Ｘ軸）とΘの角度をなして
いる時の要約斜視図である。

【０００８】図３、図４において説明の都合上、球面反
射鏡１の背面側の中心線上の１点を原点として互いに直
交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を設定する、なを、Ｘ軸は球面反射
鏡１が垂直な状態のとき、即ち、光軸が水平な時この水
平線と一致するように設定する。

【０００９】球面反射鏡１を装置して、Ｚ軸を回転軸と
する垂直回転及びＹ軸を回転軸とする水平回転によって
太陽の直達光線が球面反射鏡１の反射鏡面に光軸に沿っ
て平行に入射するように太陽位置の検出、演算、制御駆
動を行う。

【００１０】双曲面反射鏡２を、球面反射鏡１の焦点Ｆ
と光軸を共有する位置にその反射鏡面を原点Ｏの方に向
けて配置する。

【００１１】平面反射鏡３を反射鏡面を双曲面反射鏡２
の反射鏡面と対向させ中心を原点Ｏに一致させてＹ軸を
回転軸とする水平回転とＺ軸を回転軸とする垂直回転を
行えるように装置する。水平回転は球面反射鏡１と同じ
方向に同じ角度だけ回転する、垂直回転は光軸とＸ軸と
の角度が０度の時４５度の角度をなしているが球面反射
鏡１の中心線とＸ軸との角度の増減に従い増減角度の１
／２ずつを４５度から増減するような角度に駆動する機
構を設ける。このように装置すれば、光軸とＸ軸との角
度がΘの時、平面反射鏡３は４５度＋Θ／２の角度をな
す。

【００１２】ここで、球面反射鏡１は凹面部を光学的に
反射率の高いアルミ蒸着、銀メッキあるいは超高性能反
射フイルムを等を張り付けあるいは凹面部を反射率の高
いアルミバネル等構成し中心部に双曲面反射鏡３の投影
面積とほぼ同程度の開口部を設けたものをいうが特に形
状にはこだはらない凹面側正面から受けた平行光線を焦
点に向けて反射するような球面反射鏡あるいは放物面反
射鏡等でも良い。

【００１３】

【作用】本発明の作用について、図５を参照しつつ説明
する。図５は本発明の作用を示す断面図で、前述の手段
を講じたもので、太陽高度がΘの時の状態を示す。光軸
を太陽に向けると、太陽光線は光軸に平行に入射し、球
面反射鏡１の反射鏡面はその焦点に向けて反射する。焦
点、光軸を共有して配置されている双曲面反射鏡２は球
面反射鏡１からの反射光を受けて平行光線もしくは平行
光線に近い状態で光軸に沿って双曲面反射鏡光線通過孔
３８を通過して平面反射鏡３に向かって反射する。

【００１４】平面反射鏡３は水平面（Ｘ軸）と４５度＋
Θ／２の角度をなしているため、双曲面反射鏡２の反射
光は、平面反射鏡３の反射鏡面を基準にして入射角４５
度−Θ／２で受けてこれを４５度−Θ／２の反射角度で
反射する、この反射角はＸ軸上では２７０度となり、平
面反射鏡３の反射光は平行もしくは平行光線に近い状態
で垂直下方に反射する。

【００１５】以上の如く、太陽の位置に関わり無く集光
し平行光線、もしくは、近似平行光線として垂直下方に
放射することが可能である。

【００１６】

【実施例】

実施例１ 本発明の実施例１を図６、７図および図８を参照しつつ
説明する。図６は本発明の要部斜視図である図７はセン
サー３０の要部斜視図である。図８は制御装置の制御回
路図である図９は制御のフローチャートである。本発明
の集光装置は太陽光線を受光して集束された平行光線と
して放出する光学系と装置を太陽に追従させる制御系に
大別できる。まず、光学系について図６を参照しつつ説
明する。

【００１７】外周側面に丸ベルト７で回転させるための
半円溝を有し中心部に平面鏡反射光線通過孔５を設けた
ターンテーブル４を装置する。水平回転用モーター６を
装置してターンテーブル４と丸ベルト７を介して動力的
に連結する。

【００１８】支柱８、支柱９、支柱１０、支柱１１をタ
ーンテーブル４の直経線上に１列に並べて配置する。シ
ャフト１２をその中心線がターンテーブル４の直経線と
が平行、かつ、垂直上方にくるように支柱８、支柱９を
貫通して固定する。シャフト１３をその中心線がターン
テーブル４の直経線とが平行に、かつ、シャフト１２の
中心線の延長線と一致するように貫通させて支柱１０、
支柱１１に固定する。

【００１９】回転の中心がシャフト１２の中心線と一致
するように製作した球面反射鏡駆動ローラ１４をシャフ
ト１２にはめ込む。

【００２０】球面反射鏡１を球面反射鏡支持アーム１５
および球面反射鏡支持アーム１６を介して、光軸がシャ
フト１３，シャフト１４の中心線の延長線と交差するよ
うに、それぞれ、球面反射鏡駆動ローラ１４およびシャ
フト１３に装着する。

【００２１】垂直回転駆動モーター１７をターンテーブ
ル４の上に装置して丸ベルト１８を介して球面反射鏡駆
動ローラ１４と動力的に連結する。

【００２２】双曲面反射鏡２を球面反射鏡１の光軸と焦
点を共有する位置に反射鏡面を球面反射鏡１の反射鏡面
に向けて双曲面反射鏡支持金具２７、双曲面反射鏡支持
金具２８および双曲面反射鏡支持金具２９を介して球面
反射鏡１に装着する。

【００２３】回転の中心がシャフト１２の中心線と一致
するように製作した平面反射鏡駆動ローラ１９をシャフ
ト１２にはめ込み球面反射鏡駆動ローラ１４に固定す
る。

【００２４】片方の側面に平面反射鏡駆動ローラ１９の
２倍の直経を有する平面反射鏡ローラ２５を、他方の側
面に平面反射鏡ベアリング２６を取り付けて回転中心が
シャフト１２、シャフト１３の中心線と一致するように
製作された平面反射鏡３をシャフト１２，シャフト１３
にはめ込む。

【００２５】平面反射鏡駆動ローラ１９と平面反射鏡ロ
ーラ２５を丸ベルト２４でローラーガイド２０、ローラ
ーガイド２１、ローラーガイド２２およびローラーガイ
ド２３を介して動力的に連結する。

【００２６】次に、太陽位置検出、演算、制御駆動機構
について説明する。初めに、太陽位置の検出を行う太陽
位置検出センサー３０の構造について図７を参照しつつ
説明する。図７は太陽位置を検出するための太陽位置検
出センサー３０の要部斜視図である。

【００２７】太陽位置検出センサー３０は太陽位置検出
センサー台板３０−１の垂直中心線および水平中心線を
対称線として太陽電池３０−２、太陽電池３０−３およ
び太陽電池３０ー４がそれぞれ対称に配置し、垂直中心
線、水平中心線上に十字形の断面の光を反射しない材質
で製作した遮蔽板３０−５を装着したものである。

【００２８】以上のような構成で出来ている太陽位置検
出センサー３０を、球面反射鏡１の外周付近に中心線を
光軸と平行になるようにセンサー取付け金具３１を介し
て装着する。

【００２９】次に、演算、制御、駆動機構について図８
を参照しつつ説明する。図８は演算、制御、駆動機構の
制御回路図である。 太陽電池３０−２、太陽電池３０
−３および太陽電池３０−４の出力端子を可変抵抗３
５，可変抵抗３６および可変抵抗３７を経てプログラム
コントローラ３２に装着したＡＤ変換ユニット３２−１
の各入力端子ＡＤ１、ＡＤ２およびＡＤ３に接続する。
ここに、可変抵抗３５、可変抵抗３６および可変抵抗３
７は同一太陽光照射量に対する太陽電池の発生電圧のば
らつきを調整するためのものである。直流電源３３をプ
ログラムコントローラ３２の電源端子に接続する。

【００３０】リレー出力ユニット３２−２をプログラム
コントローラ３２に装着しその出力端子ＯＲ１、ＯＲ
２、ＯＲ３、ＯＲ４、ＯＲ５、ＯＲ６、ＯＲ７およびＯ
Ｒ８と直流電源３３、電源スイッチ３４を経て水平回転
用モータ６、垂直回転用モータとを接続する。

【００３１】実施例１の作動について図９を参照しつつ
説明する。図９はプログラマブルコントローラ３２のプ
ログラム領域に書き込んだ本実施例を駆動するためのプ
ログラムのフローチャートである。制御の基本的な考え
方は太陽位置が光軸上にある時は、太陽位置検出センサ
ー３０を構成している太陽電池３０−２、太陽電池３０
−３および太陽電池３０−４の受光面は遮蔽板３０−５
の陰影を等しく受けて、発生電圧は同じであるが、太陽
位置が光軸からそれた時は、遮蔽板３０−５から受ける
陰影に差異が生じて発生電圧に差異を生ずる。これらの
差異によって太陽位置と光軸とのずれの水平方向成分、
垂直方向成分を測定し、太陽位置と光軸とのずれを許容
誤差内で一致させるように水平回転用モーター６および
垂直回転用モーター１７を駆動するもので以下、各ステ
ップ順を追って説明する。なを、フローチャートの説明
に際して左右、上下の語を使うがこれらは光軸土の双曲
面反射鏡２側から見た時の位置関係で使用する。

【００３２】ステップ１（Ｓ１）：ＳＷがオンされると
プログラムコントローラ３２に電源がはいりプログラム
の実行を開始する。

【００３３】ステップ１（Ｓ２）：太陽電池３０−２太
陽電池３０−３太陽電池３０−４の発生電圧を取込みＡ
Ｄ変換ユニット３２−１でＡＤ変換しメモリーに記憶す
る。

【００３４】ステップ３（Ｓ３）：Ｖ１とＶ２およびＶ
２とＶ３の電圧差を演算しそれぞれの値を変数Ａ１、Ａ
２に代入する。

【００３５】ステップ４（Ｓ４）：太陽位置と光軸との
水平方向成分のずれを調べる。 Ａ１＞Ｋ１：この時、太陽位置は光軸より左側にありス
テップ５（Ｓ５）へ進む。 Ａ１＜−Ｋ１：この時、太陽位置は光軸より右側にあり
ステップ６（Ｓ６）へ進む。 Ｋ１≧Ａ１≧−Ｋ１：この時、太陽位置と光軸のずれは
許容範囲内にありステップ７（Ｓ７）へ進む。 ここに、Ｋ１はオフセット値で雑音、微少な変動による
誤動作を防止するための定数値で実際の作動によって経
験的に求めて設定する。

【００３６】ステップ５（Ｓ５）：出力リレーＯＲ５，
ＯＲ６を接とする出力命令をだし水平回転用モーター６
を回転させ球面反射鏡１を左方向に回転させる。

【００３７】ステップ６（Ｓ６）：出力リレーＯＲ７，
ＯＲ８を接とする出力命令をだし水平回転用モーター６
を回転をさせ球面反射鏡１を右方向に回転させる。

【００３８】ステップ７（Ｓ７）：出力リレーＯＲ５，
ＯＲ６、ＯＲ７，ＯＲ８を断とする出力命令をだし、球
面反射鏡１の水平回転を停止する。

【００３９】ステップ８（Ｓ８）：太陽位置と光軸との
垂直方向成分のずれを調べる。Ａ２＞Ｋ２：この時、太
陽位置は光軸より上側にありステップ９（Ｓ９）へ進
む。 Ａ２＜−Ｋ２：この時、太陽位置は光軸より下側にあり
ステップ１０（Ｓ１０）へ進む。 Ｋ２≧Ａ１≧−Ｋ２：この時、太陽位置と光軸とのずれ
は許容範囲内にありステップ１１（Ｓ１１）へ進む。 ここに、Ｋ２はオフセット値で雑音、微少な変動による
誤動作を防止するための定数値で実際の作動によって経
験的に求めて設定する。

【００４０】ステップ９（Ｓ９）：出力リレーＯＲ１，
出力リレーＯＲ２を接とする出力命令をだし垂直回転用
モーター１７を回転させ球面反射鏡１を上方向に回転さ
せる。

【００４１】ステップ１０（Ｓ１０）：出力リレーＯＲ
３，出力リレーＯＲ４を接とする出力命令をだし垂直回
転用モーター１７を回転させ球面反射鏡１を下方向に回
転させる。

【００４２】ステップ７（Ｓ１１）；出力リレーＯＲ
１、出力リレーＯＲ２、出力リレーＯＲ３および出力リ
レーＯＲ４を断とする出力命令を出し、球面反射鏡１の
垂直回転を停止する。

【００４３】ステツプ１（Ｓ１）へ戻りＳＷが断の時は
作動を停止し接の状態の時はステップ２（Ｓ２）へ進
む。以上の如くして、太陽位置と光軸とのずれが許容範
囲内にあるように制御駆動する。

【００４４】

【発明の効果】以下図１０、図１１、図１２および図１
３を参照しつつ説明する。図１０は本発明に係わる太陽
集光装置を使用して光ダクトへ集光した光線を光ダクト
４３内へ放射する要約断面図である。図のように、光ダ
クトへ放射する時、ダクトの屈折部での反射に伴う損失
は発生するが光ダクト４３内部の直線部での反射が少な
いため効率的な光の伝送が可能である。

【００４５】図１１は本発明に係わる太陽集光装置を使
用して光ファイバーケーブルに放射する要約断面図であ
る。図のように、熱線吸収器を配置することによって熱
線部分を除去した光線を光ファイバーに放射することに
よって光ファイバーでの伝送が可能となる、なを、この
場合、光ファイバーの端末受光部が太陽の位置にかかわ
らず固定するため折損等の損傷が少なくなり耐久性を増
す利点がある。

【００４６】図１２はは本発明に係わる太陽集光装置を
使用して、双曲面反射鏡２の焦点を球面反射鏡１の焦点
位置からずらして拡散反射させる要約断面図である。図
のように、受光した太陽光を拡散放射させることによっ
て、たとえば、建物の屋上に本発明の太陽集光装置を設
置して天窓とし、あるいは、建築物外壁等の太陽光線に
よる劣化の加速試験等に利用できる。

【００４７】図１３は本発明に係わる太陽集光装置を使
用して、双曲面反射鏡２の焦点を球面反射鏡１の焦点位
置からずらして集束反射させる要約断面図である。図の
ように集光光線の集束部にるつぼ４４を配置することに
よって太陽炉として利用できる。この場合、光線方向が
垂直上部であり固定しているため溶融物の取扱い易さや
各種雰囲気のもとでの研究などに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の方式を示す説明図である。

【図２】従来の方式を示す説明図である。

【図３】課題を解決するための手段を示す斜視図であ
る。

【図４】課題を解決するための手段を示す斜視図であ
る。

【図５】作用を示す断面図である。

【図６】 実施例１を示す要約斜視図である。

【図７】 実施例１の太陽位置検出センサーの斜視図で
ある。

【図８】 実施例１の制御機構の制御回路図である。

【図９】 実施例１の制御機構のフローチャート図であ
る。

【図１０】発明の効果を示す要約断面図である。

【図１１】発明の効果を示す要約断面図である。

【図１２】発明の効果を示す要約断面図である。

【図１３】発明の効果を示す要約断面図である。

【符号の説明】

１・・・ 球面反射鏡 ２・・・ 双曲面反射鏡 ３・・・ 平面反射鏡 ４・・・ ターンテーブル ５・・・ 平面反射鏡光線通過孔 ６・・・ 水平回転用モータ ７・・・ 丸ベルト ８・・・ 支柱 ９・・・ 支柱 １０・・・ 支柱 １１・・・ 支柱 １２・・・ シャフト １３・・・ シャフト １４・・・ 球面反射鏡駆動ローラー １５・・・ 球面反射鏡支持アーム １６・・・ 球面反射支持アーム １７・・・ 垂直回転用モーター １８・・・ 丸ベルト １９・・・ 平面反射鏡駆動ローラー ２０・・・ ローラーガイド ２１・・・ ローラーガイド ２２・・・ ローラーガイド ２３・・・ ローラーガイド ２４・・・ 丸ベルト ２５・・・ 平面反射鏡ローラー ２６・・・ 平面反射鏡ベアリング ２７・・・ 双曲面反射鏡支持金具 ２８・・・ 双曲面反射鏡支持金具 ２９・・・ 双曲面反射鏡支持金具 ３０・・・ 太陽位置検出センサー ３０−１・ 太陽位置検出センサー台盤 ３０−２・ 太陽電池 ３０−３・ 太陽電池 ３０−４・ 太陽電池 ３０−５・ 遮蔽板 ３１・・・ センサー取付け金具 ３２・・・ プログラムコントローラ ３２−１・ ＡＤ変換ユニット ３２−２・ 出力ユニット ３３・・・ 直流電源 ３４・・・ 電源スイッチ ３５・・・ 可変抵抗 ３６・・・ 可変抵抗 ３７・・・ 可変抵抗 ３８・・・ 双曲面反射鏡光線通過孔 ４０・・・ フレネルレンズまたは凸レンズ ４１・・・ 光ファイバー ４２・・・ 平面鏡 ４３・・・ 光ダクト ４４・・・ るつぼ ４５・・・ 熱線吸収装置

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【手続補正書】

【提出日】平成８年３月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】背面側の中心線上の１点で交差する水平、
   垂直回転軸を有し、中心部に双曲面反射鏡光線通過孔
   （３８）を設けた球面反射鏡（１）と、球面反射鏡
   （１）と中心線を共有して、焦点を球面反射鏡（１）と
   同一点または近傍に、反射鏡面を球面反射鏡（１）の反
   射鏡面と対向して設けた双曲面反射鏡（２）と、球面反
   射鏡（１）と水平、垂直回転軸を共有し水平方向の回転
   は球面反射鏡（１）と同じ回転をし垂直方向回転は球面
   反射鏡（１）の中心線が水平なときは水平面と４５°の
   角度をなし球面反射鏡（１）の垂直回転角度の増減に従
   い４５°にその増減分の１／２を増減した角度に回転す
   る機構を備え、その反射鏡面を双曲面反射鏡（２）の反
   射鏡面に向けて配置された平面反射鏡（３）を装置する
   ことを特徴とする太陽光集光装置。