JPS5932664B2 - Solar Stirling cycle engine with Fresnel lens - Google Patents

Solar Stirling cycle engine with Fresnel lens

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JPS5932664B2 JP53145182A JP14518278A JPS5932664B2 JP S5932664 B2 JPS5932664 B2 JP S5932664B2 JP 53145182 A JP53145182 A JP 53145182A JP 14518278 A JP14518278 A JP 14518278A JP S5932664 B2 JPS5932664 B2 JP S5932664B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフレネルレンズ併用形のソーラースターリング
サイクル機関に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a solar Stirling cycle engine combined with a Fresnel lens.

そもそも太陽熱を用いて作動するいわゆるソーラー機関
なるものができれば、例えば太陽熱冷暖房システムを作
動させるものとして使用した場合、日射量に応じた作動
をすることからシステム系そのものが日射量に即応した
動きをすることになり、システム系の制御を考える上で
便利である。
In the first place, if we could create a so-called solar engine that operates using solar heat, for example, when used to operate a solar heating and cooling system, the system itself would operate in accordance with the amount of solar radiation, so the system itself would immediately respond to the amount of solar radiation. This is convenient when considering system control.

このように太陽熱に関係する各種のシステム系の作動に
対して、その特質を生かした使用の仕方があるばかりで
なく、他の種々の仕事をさせるものとして使用できるこ
とから電気エネルギーの節約、引いては省エネルギー上
寄与するところが犬である。
In this way, not only can solar heat be used to take advantage of its characteristics in the operation of various systems related to solar heat, but it can also be used to perform a variety of other tasks, saving electrical energy. Dogs contribute to energy conservation.

従来、ソーラー機関としては第1図に示すような放物曲
面をした太陽熱反射鏡を備えたソーラー機関が考えられ
ていたが、反射鏡の頂点から焦点までの距離りは同放物
面鏡の曲面の形に太いに関係し、hの値を決めてしまえ
ば自ずから放物曲面の形は決まってしまい、そのため例
えば日射面積の拡大を計るべく、放物曲面の曲率の第2
図のごとく太き(すればhの値が大きくなってしまう。
Conventionally, a solar engine equipped with a parabolic solar heat reflector as shown in Figure 1 was considered, but the distance from the apex of the reflector to the focal point was The thickness is related to the shape of the curved surface, and once the value of h is determined, the shape of the parabolic curved surface is automatically determined.
As shown in the figure, it is thick (if this is done, the value of h will become large).

一方、第3図のようにhの値を変えずに日射面積の拡大
を計れば反射鏡そのものが異常に大きくなるという欠点
がある。
On the other hand, if the solar radiation area is expanded without changing the value of h as shown in FIG. 3, there is a drawback that the reflecting mirror itself becomes abnormally large.

また第1図のように反射鏡と機関部との一体型では太陽
の動きと共に機関部をも逐次、太陽の追尾の必要から姿
勢が変ることになり、この不都合さを避けるべく機関本
体から反射鏡部を分離すれば、反射鏡は太陽の追尾を行
わなければならないことから第4図のごとく反射鏡中央
部にかなりの大きさの切欠き孔を明ける必要が生じ、こ
のことはそれ相応の太陽光受光面積の減少をもたらすこ
とになる。
In addition, when the reflector and the engine are integrated as shown in Figure 1, the attitude of the engine changes as the sun moves and the engine needs to track the sun.In order to avoid this inconvenience, the reflection from the engine body If the mirror parts were separated, the reflector would have to track the sun, so it would be necessary to make a fairly large notch in the center of the reflector, as shown in Figure 4. This results in a decrease in the sunlight receiving area.

従って切欠き孔をできるだけ小さくする必要から機関部
受熱部にしてもそれ程、太くすることもできず同部外表
面からの熱漏えい軽減の処置も思うように行えないのが
実状であり、それだけソーラーエンジンそのものの熱効
率も低下する結果となっている。
Therefore, it is necessary to make the notch hole as small as possible, so even in the heat receiving part of the engine part, it is not possible to make it that thick, and measures to reduce heat leakage from the external surface of the part cannot be taken as desired. This also results in a decrease in the thermal efficiency of the engine itself.

更に従来のソーラー機関は、反射鏡により太陽光を集め
得られた熱を単に熱機関の高熱源としてだけ用いるもの
であった。
Furthermore, conventional solar engines simply collect sunlight with a reflector and use the resulting heat as a high heat source for the heat engine.

本発明はフレネルレンズとスターリングサイクル機関と
を組み合せることにより前記反射鏡を用いることによる
種々の欠点を解消して太陽熱の集熱効率を高めると共に
、フレネルレンズとスターリングサイクル機関とを効果
的に組み合せることにより空気の自然対流が誘起される
ことに着目し、この対流空気をスターリングサイクル機
関の冷熱源に利用することにより熱効率も優れ、簡素で
コンパクトにまとめられたソーラースターリングサイク
ル機関を得ることを目的としている。
By combining a Fresnel lens and a Stirling cycle engine, the present invention eliminates the various drawbacks caused by using the reflector and increases solar heat collection efficiency, and also effectively combines a Fresnel lens and a Stirling cycle engine. By focusing on the fact that natural convection of air is induced by this, and by using this convective air as the cooling heat source of the Stirling cycle engine, the aim is to obtain a simple and compact solar Stirling cycle engine with excellent thermal efficiency. It is said that

更に本発明は、スターリングサイクル機関の作動流体加
熱部外表面からの熱漏えいを低減させると共に、強度的
にも優れたフルネルレンズを備えたソーラースターリン
グサイクル機関を得ることを目的としている。
A further object of the present invention is to provide a solar Stirling cycle engine that is equipped with a Fresnel lens that reduces heat leakage from the outer surface of the working fluid heating section of the Stirling cycle engine and has excellent strength.

そこで本発明ではレンズ面に太陽光が常に垂直に当るよ
うに追尾される曲率を有スるフレネルレンズの焦点部付
近にスターリングサイクル機関の作動流体加熱部を有し
、かつ、この部分の外表面からの熱漏えいを低減するた
め同部分は概して透明真空容器内に収められており、更
に前記スターリングサイクル機関は直立させ、その冷却
部を前記加熱部の下方に配置させることにより、前記目
的を達成しようとするものである。
Therefore, in the present invention, a working fluid heating section of a Stirling cycle engine is provided near the focal point of a Fresnel lens, which has a curvature that allows sunlight to always be tracked perpendicularly to the lens surface, and the outer surface of this section The Stirling cycle engine is generally housed in a transparent vacuum container to reduce heat leakage from the engine, and the Stirling cycle engine is placed upright and its cooling section is placed below the heating section to achieve this purpose. This is what I am trying to do.

以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第5図は、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースタ
ーリングサイクル機関の一実施例である。
FIG. 5 shows an embodiment of a solar Stirling cycle engine combined with a Fresnel lens according to the present invention.

1はフレネルレンズで、平板形フレネルレンズの面積が
大きくなった場合に生ずるレンズのたわみを防ぎ、かつ
レンズの曲げ強度を増す意味で若干の曲率を持たせてい
る。
Reference numeral 1 is a Fresnel lens, which has a slight curvature to prevent bending of the lens that occurs when the area of a flat Fresnel lens increases and to increase the bending strength of the lens.

3は直立したスターリング機関の作動流体加熱部、5は
作動流体膨張空間部である。
3 is a working fluid heating section of an upright Stirling engine, and 5 is a working fluid expansion space.

6はディスプレーサ、7はパワーピストン、8はフライ
ホイール、10は再生器である。
6 is a displacer, 7 is a power piston, 8 is a flywheel, and 10 is a regenerator.

11はスターリングサイクル機関の冷却室9の周囲に取
りつけられた冷却フィンであり、冷却室9と冷却フィン
11とで冷却部を構成し、冷却室9の作動流体を対流空
気で冷却している。
Reference numeral 11 denotes cooling fins attached around the cooling chamber 9 of the Stirling cycle engine.The cooling chamber 9 and the cooling fins 11 constitute a cooling section, and the working fluid in the cooling chamber 9 is cooled by convection air.

2は透明真空容器で作動流体加熱部3や再生器10との
間には真空間げき4を設けている。
2 is a transparent vacuum container, and a vacuum space 4 is provided between it and the working fluid heating section 3 and the regenerator 10.

又、第7図では、スターリングサイクル機関部13と太
陽光捕獲のためのフレネルレンズ部1とを分離し、この
間を光ファイバー14で連結している。
Further, in FIG. 7, the Stirling cycle engine section 13 and the Fresnel lens section 1 for capturing sunlight are separated, and an optical fiber 14 connects them.

次に、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリ
ングサイクル機関の作用を述べる。
Next, the operation of the solar Stirling cycle engine combined with a Fresnel lens according to the present invention will be described.

いま、太陽光追尾可能な、かつ、作動流体加熱部3方向
に曲率を有するフレネルレンズ1を通過した太陽光は更
に透明真空容器2をも透過して作動流体加熱部3の外表
面に当り発熱、同壁面を加熱する。
Now, the sunlight that has passed through the Fresnel lens 1, which can track sunlight and has a curvature in the direction of the working fluid heating section 3, further passes through the transparent vacuum container 2 and hits the outer surface of the working fluid heating section 3, generating heat. , heating the same wall surface.

従って同壁面温度は上昇するが壁面外側の空げき4は真
空であるため大部分の熱はエンジン膨張空間部5にある
作動流体の加熱に費やされ、同流体は膨張する。
Therefore, the temperature of the wall surface increases, but since the cavity 4 outside the wall surface is a vacuum, most of the heat is used to heat the working fluid in the engine expansion space 5, and the fluid expands.

その結果、ディスプレーサ6は下へ押し下げられ更にパ
ワーピストン7を伴なって更に下方へと押し下げられる
As a result, the displacer 6 is pushed down and is further pushed down together with the power piston 7.

その後、フライホイール8の慣性力で先ずディスプレー
サ6が上へ再び押し上げられ、空間5にあった高温作動
流体はディスプレーサ6の側面に沿って下方へと流れ再
生器10に熱を与えて冷却室9に入り回部壁面を通じて
冷却される。
Thereafter, the displacer 6 is pushed upward again by the inertia of the flywheel 8, and the high-temperature working fluid in the space 5 flows downward along the side of the displacer 6, giving heat to the regenerator 10 and cooling chamber 9. It enters the circuit and is cooled through the wall of the circuit.

次にパワーピストン7が上昇してきて冷却された作動流
体は圧縮される。
Next, the power piston 7 rises and the cooled working fluid is compressed.

この状態で再びディスプレーサ6が下がり始めるため作
動流体は再び再生器10のもつ熱を回収しつつ加熱膨張
空間5にもどる。
In this state, the displacer 6 begins to fall again, so the working fluid returns to the heating expansion space 5 while recovering the heat of the regenerator 10 again.

このようなサイクルを繰り返しながらエンジンは作動す
るわけで、この場合の作動流体は空気であるがヘリウム
とか水素を作動流体として機関部内に封じ込めて加圧し
たタイプの機関についても同様な原理で作動する。
The engine operates by repeating this cycle, and the working fluid in this case is air, but the same principle applies to engines that use helium or hydrogen as the working fluid and are sealed and pressurized inside the engine. .

又、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリン
グ機関においては、第6図に模式的に示すように透明真
空容器2の近傍で温められた空気が上昇し、いわゆる空
気の自然対流により生じた対流空気がスターリングサイ
クツ場関の冷却部を冷却している。
In addition, in the Solar Stirling engine combined with a Fresnel lens of the present invention, as schematically shown in FIG. is cooling the cooling section of the Sterling Cycle Station.

次に、本発明の効果を述べる。Next, the effects of the present invention will be described.

本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリングサ
イクル機関は作動流体加熱部3とフレネルレンズ1との
距離Hをレンズの焦点距離だけで決めることができる。
In the Fresnel lens combined solar Stirling cycle engine of the present invention, the distance H between the working fluid heating section 3 and the Fresnel lens 1 can be determined only by the focal length of the lens.

(第5図参照)。そして最も重要な利点はフレネルレン
ズと加熱部間に有効な空間を確保できることである。
(See Figure 5). The most important advantage is that an effective space can be secured between the Fresnel lens and the heating section.

しかもその焦点距離もおおむね任意に選んで簡単にレン
ズを製作することが可能であることから距離Hも自由に
決めることができ、従って、小型化を計ることができる
ことにもなる。
Moreover, since it is possible to easily manufacture a lens by selecting its focal length almost arbitrarily, the distance H can also be determined freely, and therefore, miniaturization can be achieved.

又、太陽光受光面積にしても集光にかかわる問題だけで
自由に選択することができ、かつ太陽の追尾にしてもエ
ンジン本体を動かさずにレンズ間の空間を利用してレン
ズのみを動かすことによって容易に達成できる。
In addition, the sunlight receiving area can be freely selected based only on issues related to light collection, and even when tracking the sun, the space between the lenses can be used to move only the lenses without moving the engine itself. This can be easily achieved by

更にレンズに切欠き孔を設ける必要もない。Furthermore, there is no need to provide a cutout hole in the lens.

又、放物曲面反射鏡の場合に比して曲率の差からくる展
開面積の減少から太陽光集光部そのものの軽量化が計ら
れ、このことはソーラー機関そのものの軽量化、かつ簡
素化につながっている。
In addition, compared to the case of a parabolic curved reflector, the solar light condensing part itself can be made lighter due to the reduction in the development area due to the difference in curvature, which makes the solar engine itself lighter and simpler. linked.

更に本ソーラースターリングサイクル機関では作動流体
加熱部、いわゆる太陽光集受光部の大きさにしても何ら
外的な制限を受けることがないので間部ならびにその付
近(再生器相当部)の外表面からの熱損失を少なくする
意味でこれらを透明容器で覆い、それらの間にできる空
げきを真空にすることができる。
Furthermore, in this solar Stirling cycle engine, there are no external restrictions on the size of the working fluid heating section, the so-called solar light collecting and receiving section, so that the size of the working fluid heating section, the so-called solar light collecting and receiving section, is not subject to any external restrictions. In order to reduce heat loss, these can be covered with transparent containers, and the gaps created between them can be evacuated.

その結果、これらの部分からの熱伝導や対流熱伝達によ
る熱損失は極めて小さく押えることができ、作動流体加
熱部の温度は飛躍的に上昇し、かつ風などの外気の影響
を直接に受けないことから同温度も安定して機関の熱効
率は一層よくなっている。
As a result, heat loss due to heat conduction and convection heat transfer from these parts can be kept to an extremely low level, the temperature of the working fluid heating section increases dramatically, and it is not directly affected by outside air such as wind. As a result, the temperature remains stable and the thermal efficiency of the engine is further improved.

もし、真空部を形成しない場合、風があると熱が持ち去
られたりして効率が大幅に低下することが実験の結果判
った。
Experiments have shown that if a vacuum section is not formed, heat is carried away in the presence of wind, resulting in a significant drop in efficiency.

−伊lとして、加熱部の表面温度が真空部のない場合2
00℃であったものがある場合には500°C以上にな
ることが測定されている。
- If the surface temperature of the heating part is not a vacuum part 2
In some cases, the temperature has been measured to be 500°C or higher.

これは被った場合、対流ならびに熱伝導による熱損失が
充分に阻止できるからで、このことは熱機関としての熱
効率を大いに上昇せしめることにつながっている。
This is because heat loss due to convection and heat conduction can be sufficiently prevented if the engine is exposed to heat, and this has led to a significant increase in the thermal efficiency of the heat engine.

又、本発明で用いられるフレネルレンズは曲率を持たせ
ることによってレンズそのものの曲げ強さを向上させる
Further, the Fresnel lens used in the present invention has curvature to improve the bending strength of the lens itself.

その結果、余分な補強材や支持部材を必要とせずその分
レンズを大型化できる。
As a result, the lens can be made larger without requiring extra reinforcing materials or supporting members.

又、フレネルレンズを曲面としているので、その曲面側
が機関側であることもスターリングサイクル機関部の保
護や全体の寸法の点からみてもコンパクトとなり一層好
ましいものである。
Further, since the Fresnel lens has a curved surface, it is more preferable that the curved surface side is on the engine side, which is more compact in terms of protection of the Stirling cycle engine section and overall size.

更に、本発明ではフレネルレンズ併用形ソーラースター
リングサイクル機関とすることにより、空気の自然対流
を誘起せしめ、その対流空気によりスターリングサイク
ル機関の冷却部を冷却させているので、冷却部の構造が
簡単となり、かつ経済的である。
Furthermore, in the present invention, by using a solar Stirling cycle engine combined with a Fresnel lens, natural convection of air is induced, and the convection air cools the cooling section of the Stirling cycle engine, so the structure of the cooling section is simplified. , and economical.

加えて、第7図のものにあってはスターリングサイクル
機関部13が常にフレネルレンズ1に付スいして屋外に
なければならないという不便さは解消される。
In addition, in the case of the one shown in FIG. 7, the inconvenience that the Stirling cycle engine section 13 must always be attached to the Fresnel lens 1 outdoors is eliminated.

このように太陽光集光を曲率を持たせたフレネルレンズ
によったことから従来のものと比較してスターリングサ
イクル機関全体として簡素化かつコンパクトにまとめら
れ、このことは設計も容易、かつ太陽光受光面積の無だ
もなく機関そのものを地にしっかりと固定、設置できる
ことから安定性もよく、かつ熱損失の低減も計ることも
できてスターリングサイクル機関の熱効率も高め得るな
ど幾多の優れた効果を奏することが可能となる。
In this way, since the Fresnel lens with curvature is used to collect sunlight, the Stirling cycle engine as a whole can be simplified and compact compared to conventional ones. Since the engine itself can be firmly fixed and installed on the ground without any light-receiving area, it has good stability, and it also has many excellent effects such as reducing heat loss and increasing the thermal efficiency of the Stirling cycle engine. It becomes possible to perform.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は放物曲面反射鏡を用いたソーラー機関を、第2
図、第3図は同反射鏡の放物曲面の形状と焦点距離の関
係を示す。 第4図はスターリングサイクル機関部本体を固定し、放
物曲面反射鏡のみを動かした場合の動きの状況を示し、
切欠き孔の大きさを示唆している。 第5図は本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースクー
リングサイクル機関の一実施例である。 第6図は本フレネルレンズ併用形ソーラースターリング
サイクル機関の自然対流による冷却空気流の様子を模式
的に示したものである。 第7図はスターリングサイクル機関部とフレネルレンズ
部とを分離した使用例を示す。 1・・・フレネルレンズ、2・・・透明真空容器、3・
・・作動流体加熱部、4・・・真空部げき、5・・・作
動流体膨張空間部、6・・・ディスプレーサ、7・・・
パワーピストン、8・・・フライホイール、9・・・冷
却室、10・・・再生器、11・・・冷却フィン、12
・・・放物曲面反射鏡、13・・・スターリングサイク
ル機関部、14・・・光ファイバー、15・・・凹レン
ズ。
Figure 1 shows a solar engine using a parabolic curved reflector.
Figure 3 shows the relationship between the shape of the parabolic curved surface of the reflecting mirror and the focal length. Figure 4 shows the movement when the Stirling cycle engine body is fixed and only the parabolic curved reflector is moved.
This indicates the size of the notch hole. FIG. 5 shows an embodiment of a solar schooling cycle engine combined with a Fresnel lens according to the present invention. FIG. 6 schematically shows the state of the cooling air flow due to natural convection in this solar Stirling cycle engine combined with a Fresnel lens. FIG. 7 shows an example of use in which the Stirling cycle engine section and Fresnel lens section are separated. 1... Fresnel lens, 2... Transparent vacuum container, 3...
... Working fluid heating section, 4... Vacuum section, 5... Working fluid expansion space section, 6... Displacer, 7...
Power piston, 8... Flywheel, 9... Cooling chamber, 10... Regenerator, 11... Cooling fin, 12
... Parabolic curved reflector, 13... Stirling cycle engine section, 14... Optical fiber, 15... Concave lens.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 レンズ面に太陽光が常に垂直に当るように追尾され
る曲率を有するフレネルレンズの焦点部付近にスターリ
ングサイクル機関の作動流体加熱部を有し、かつ、この
部分の外表面からの熱漏えいを低減するために同部分は
概して透明真空容器内に収められており、更に前記スタ
ーリングサイクル機関は直立させ、その冷却部を前記加
熱部の下方に配置させたことを特徴とするソーラースタ
ーリングサイクル機関。
1. The working fluid heating section of the Stirling cycle engine is located near the focal point of the Fresnel lens, which has a curvature that allows sunlight to be tracked so that it always hits the lens surface perpendicularly, and heat leakage from the outer surface of this section is prevented. A solar Stirling cycle engine, characterized in that the part is generally housed in a transparent vacuum container in order to reduce the temperature, and further, the Stirling cycle engine is stood upright, and its cooling part is disposed below the heating part.
JP53145182A 1978-11-24 1978-11-24 Solar Stirling cycle engine with Fresnel lens Expired JPS5932664B2 (en)

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