WO2014054191A1 - 太陽光集光ユニットおよび太陽光集光装置 - Google Patents

太陽光集光ユニットおよび太陽光集光装置 Download PDF

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浩三 宇田
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Uda Kozo
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/81Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors flexible
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S25/10Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules extending in directions away from a supporting surface
    • F24S25/13Profile arrangements, e.g. trusses
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
    • F24S30/40Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
    • F24S30/42Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis
    • F24S30/425Horizontal axis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47Mountings or tracking

Definitions

  • the present invention relates to a solar light collecting unit capable of deforming a reflecting surface of a mirror body, which is a flat plate, into a parabolic cross section, and a trough-type solar light collecting device in which a plurality of such units are arranged.
  • this type of solar light collecting unit and solar light collecting device focuses sunlight on a portion of the light collecting tube by reflecting sunlight, and the working fluid (for example, oil or The temperature of the molten salt and the like is increased, and the steam turbine is rotated using the increased temperature to generate electric power. For this reason, it is important to increase the light collection magnification toward the light collection tube.
  • the one using a curved mirror with a parabolic cross section (for example, a parabolic trough type) is superior to the one using a plane mirror with a linear cross section (for example, a linear Fresnel type). ing.
  • a curved mirror having a predetermined cross-sectional shape is manufactured in a fixed manner (that is, having a predetermined shape without considering a change in shape) by using a press facility and a mold. It is a method (patent document 1).
  • the second concept is a method of elastically forming a predetermined curved mirror by elastically deforming an elastically deformable flat plate (Patent Documents 2 to 4).
  • JP 2002-154179 A Special table 2009-545186 JP 2011-169530 A JP 2000-146309 A JP 2001-201187 A
  • the tracking device changes the direction of the mirror in accordance with the change in the incident angle of sunlight, but the cross-sectional shape of the mirror is the same before and after the change in the direction. That is, the tracking device itself does not change the cross-sectional shape of the mirror in accordance with the change in the direction of the mirror.
  • an object of the present invention is to provide a technique for improving the light collection efficiency by changing the cross-sectional shape of the curved mirror or the reflecting surface of the mirror body in accordance with the change in the incident angle of sunlight. .
  • Another object of the present invention is to provide a sunlight collecting technology that can be combined with a tracking device at a low cost.
  • the cross-sectional shape of the reflecting surface of the mirror body is deformed symmetrically or asymmetrically.
  • the material preferably has the following conditions. 1) Do not creep. 2) Within the elastic deformation range. 3) There is little natural deflection. 4) Does not break.
  • the mirror body is made of a non-creeping material such as metal or glass, or a non-creeping base layer such as fiber carbon or metal corrugated plate, and is thinner than the one used alone. What laminated
  • the solar plane density reflected from the reflecting surface of the mirror main body and collected in the condenser tube is theoretically 108 times the maximum when the F value is 0.6.
  • an F value in a range that does not cause unreasonable elastic deformation of the mirror body should be adopted.
  • an F value of 1.5 as shown in FIG. 1B is appropriate, and the solar plane density at that time is 66 times. Since the light condensing magnification in the sunlight condensing technique is preferably as large as possible, for example, the F value is designed to be around 0.6.
  • the mirror body used in the present invention is a flat plate in a state where it does not receive a deformation force, but at the stage of actually reflecting and concentrating sunlight, it becomes a parabolic cross section by receiving the deformation force. From the point of parabolic cross section, it is the same as a parabolic trough type mirror.
  • the parabolic trough type mirror body has a large width of, for example, 5 m or more and is easily affected by wind, and sufficient measures for preventing wind pressure are required.
  • the mirror body in the present invention is, for example, a quadrangular shape having a width of 1 to 2 m, and is sized so that the influence of wind can be almost ignored. Since the size of the mirror body is small, maintenance such as cleaning is easy. Moreover, in addition to the difference in size, the mirror body of the present invention can be handled as a flat plate, so that it can be easily transported and installed.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the present invention.
  • the present invention includes several members for applying a deformation force to the mirror body 10.
  • One is a first bending member 21 that applies a bending moment to the first side portion P1 of the mirror body 10 that is a flat plate, and the other is the first bending member 21 of the mirror body 10 that faces the first side portion P1.
  • This is a second bending member 22 that applies a bending moment to the second side portion P2.
  • a distance regulating member 30 for regulating the distance between the first side portion P1 and the second side portion P2 is provided.
  • each bending moment by the 1st and 2nd bending members 21 and 22 and the 1st edge part P1 and the 2nd edge part P2 By changing the distance and the tilt angle of the mirror body 10, the cross-sectional shape of the reflecting surface of the mirror body 10 is deformed to be bilaterally symmetric or bilaterally asymmetric. Accordingly, the sunlight reflected by the reflecting surface of the mirror body 10 is condensed on a predetermined focal portion regardless of the change in the incident angle of sunlight with respect to the mirror body 10.
  • the solar light collecting unit 100 including the mirror body 10 further includes a support base 50 for support.
  • the first and second bending members 21 and 22 and the distance regulating member 30 constitute a motion mechanism that generates a mechanical restraining motion.
  • the first and second bending members 21 and 22 are elongated members, respectively, and one end thereof is on the first or second side portion P1 or P2 side of the mirror body 10.
  • the other end portion is configured to move along a cam groove or cam hole 70 provided in the support base 50, and the distance regulating member 30 is also another elongated member, and one end portion thereof.
  • the first bending member 21 is rotatably coupled and the other end is rotatably coupled to the second bending member 22.
  • the distance regulating member 30 can change the inclination in accordance with the change in the incident angle of sunlight, whereby each angle of the first and second side portions P1, P2 is changed to the first angle.
  • the distance between the side portion P1 and the second side portion P2 and the tilt angle of the mirror body 10 are controlled.
  • a support shaft 60 is provided at the center in the longitudinal direction of the distance regulating member 30 (in the following description, the support shaft 60 is also referred to as an equipment center axis point R).
  • the support base 50 can be rotatably supported.
  • the distance regulating member 30 can change the inclination through the support shaft 60.
  • the support shaft 60 can be used as a drive shaft in the tracking device by providing an actuator that rotationally drives the support shaft 60.
  • fixing members 81 and 82 for sandwiching the mirror main body 10 on the first and second side portions P1 and P2 of the mirror main body 10, respectively. Accordingly, the side portions P1 and P2 of the mirror main body 10 can be protected, and the mirror main body 10 is arranged in the longitudinal direction of the fixing members 81 and 82 (that is, the first and second side portions P1 and P2). Unnecessary deformation in the direction along the direction can be prevented. Further, the fixing members 81 and 82 extending over the entire lengths of the first and second side portions P1 and P2 are coupled to the first and second bending members 21 and 22, respectively. A bending moment can be effectively applied to the side portions P1 and P2. In order to smoothly deform the mirror body 10, it is preferable to dispose the above-described motion mechanisms that generate the mechanical restraint motion on both sides of each of the side portions P1 and P2.
  • the first and second bending members 21 and 22 and the distance regulating member 30 constituting such a movement mechanism are coupled to each other, thereby exhibiting an inverted A-shape as a whole.
  • the basic unit of the present invention is a sunlight condensing unit 100 that can deform a mirror body 10 that is essentially a flat plate by a motion mechanism.
  • a plurality of such condensing units 100 usually about 3 to 6, are arranged side by side.
  • the solar light collecting device (that is, the equipment) according to the present invention has a parabolic trough-type large mirror body divided into a plurality of parts, and the divided mirror bodies are arranged in a Fresnel shape.
  • the light collecting magnification on the light collecting tube is equivalent to the parabolic trough type.
  • the basic idea which supports this invention is to make variable the cross-sectional shape of the reflective surface of each divided mirror main body 10.
  • the cross section of the reflecting surface formed by elastic deformation of the mirror body 10 used in the present invention is a parabola or a curve approximated thereto.
  • attention is paid to the geometric characteristics of a curved surface having a parabolic cross section, and a curved mirror capable of focusing on a predetermined focal portion is obtained by the motion mechanism described above.
  • the coordinates of the focal point F are (0, f)
  • f 1 / (4 * a)
  • f 1500
  • a 1 / (4 * f)
  • a 1/6000 It becomes.
  • the length of the mirror portion (the arc length of the parabola in FIG. 3) is 1000
  • the coordinates of the end points P1 and P2 are as follows.
  • FIG. 4 shows a basic configuration of a right and left symmetrical fixed trough solar condensing unit.
  • 10 is a reflecting plate (mirror body)
  • 81 and 82 are reflecting plate fixing frames (fixing members) for fixing the reflecting plate (mirror body)
  • 21 and 22 are angle adjusting frames (bending members) for defining angles
  • Reference numeral 30 denotes a main frame (distance regulating member) that defines the distance between both end points (distance from P1 to P2), and these frame members are fixed to the inverted A type by some method such as pins or bolts.
  • the reflector 10 is made of a material that does not creep and elastically deforms, such as a glass mirror.
  • the reflection plate fixing frames 81 and 82 members having strengths that are parallel to each other and are not twisted by the repulsion of the reflection plate 10 are used.
  • the angle adjusting frames 21 and 22 are made of a member such as a square pipe that is not easily deformed even when bending stress is applied.
  • FIG. 5A is a theoretical diagram of an asymmetrical fixed parabolic reflector. Similar to the symmetric type, each point P1, P2, P0, M1, M2 can be determined from geometric theory, and light from a predetermined direction can be focused at a predetermined position.
  • FIG. 5B is a schematic diagram when the light incident from the horizontal direction is focused right above the reflecting plate, and is a diagram in which A is rotated 90 degrees around the focal point F.
  • FIG. 6 shows a conceptual diagram of a variable angle trough solar condensing unit of a fixed angle free focus type.
  • This is a variable parabolic reflector that can always form a focal point at the same point F with respect to incident light from all angles.
  • a focal point is formed at point F.
  • FIG. 7 is a mechanism diagram of the variable parabolic mirror.
  • the equipment configuration is almost the same as the fixed type shown in FIG.
  • the sunlight collecting unit 100 already shown in FIG. 2 has the same mechanism as that of FIG.
  • Rotation axes M1 and M2 are set at a distance of Sn in the normal direction and St in the tangential direction from the end points (side portions) P1 and P2 of the reflecting mirror (mirror body) 10. These two points are set on angle adjusting frames (bending members) 21 and 22 that are completely fixed to the mirror body 10, and are connected to the main frame (distance regulating member) 30 so as to freely rotate with respect to the rotation direction. Is done.
  • An equipment center axis R is set at a distance d perpendicularly from the center point of the main frame 30, and a rotary actuator is connected thereto.
  • Slide pins are installed at the ends of the angle adjustment frames 21 and 22 and are inserted into cam grooves or cam holes 70 formed on a plate (component of the support base 50) fixed to the ground. The slide pin slides the cam groove or the cam hole 70 so that the angle adjusting frames 21 and 22 have a predetermined angle.
  • the geometrical conditions are such that the distance Lm from M1 to M2 and the distance Lf from the equipment center R to the focal point F do not always change or hardly change for all incident angles in the movable range. It is necessary to derive from the theoretical calculation.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for geometrically calculating these.
  • Sunlight is emitted from the Y axis + infinity direction toward the X axis.
  • Each of the three curves is a parabola having a focal point at the point F, and a thick solid line is a reflecting mirror (mirror body 10).
  • the distances from the facility center points R 0 and R 90 to the focal point F are both Lf.
  • the subscript 0 indicates the angle between the solar incident direction, that is, the Y axis, and the straight line R 0 -F
  • 90 indicates the angle formed by the Y axis and the straight line R 90 -F.
  • this angle is expressed as a “reflection angle”.
  • a reflection angle of 0 assumes the daytime southern sky
  • a reflection angle of 90 assumes the sunrise and sunset.
  • the two conditions namely that the distance Lf from the reflection angle 0 and the reflection angle axis length Lm and equipment center point of the main frame in either case (distance regulating member 30) of 90 R 0 and R 90 to the focal point F is the same
  • the relationship between Sn and St can be calculated.
  • Figure 9 shows the calculation flow diagram.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the reflection angle and Lm in each of types 1 to 3, and the vertical axis represents Lm ⁇ -Lm0.
  • Type 3 it is the largest at a reflection angle of around 60 degrees, but the value is 0.053 mm (53 ⁇ m), which is within the processing error range (when the unit of plate length is mm).
  • the mirror body 10 which is a flat plate, is sandwiched between the frames of the fixing members 81 and 82, and the mirror body 10 is bent by the frames of the bending members 21 and 22.
  • the fixing members 81 and 82 are not twisted and deformed by the repulsion of the mirror body 10, and the frames of the bending members 21 and 22 are members that are not bent by the rebound of the mirror body 10.
  • the frames of the bending members 21 and 22 are connected to the distance regulating member 30 via the rotation pins 91 and 92. Therefore, the bending members 21 and 22 and the distance regulating member 30 freely rotate in the rotation direction around the rotation pins 91 and 92.
  • the main frame of the distance regulating member 30 has a structure so that the distance between the left and right rotating pins 91 and 92 does not change and does not bend even when the entire load is applied.
  • a rotation center axis R for rotating the entire equipment is provided at the center of such a main frame 30, a rotation center axis R for rotating the entire equipment is provided.
  • a slide pin (not shown) is provided at the tip of each bending member 21, 22, and the frame of each bending member 21, 22 is tilted appropriately by sliding each slide pin in the cam groove or cam hole 70. Restrained to become.
  • FIG. 11 is a diagram showing that the same place (focal point F) is focused on incident light from all angles using this facility, that is, the sunlight collecting unit 100.
  • FIG. The left shows the time of southern sky, the right shows the sunrise and sunset.
  • FIG. 12 is a configuration diagram when the variable trough type solar light collecting unit 100 is arranged in a Fresnel type.
  • the left and right parabolas are designed with a longer focal length than the center, and all reflected light can be collected at the same focal point F.
  • FIG. 13 shows that the several sunlight condensing unit 100 arrange
  • FIG. The following Table 2 gives specific numerical examples of the solar light collecting unit 100.
  • the present invention is based on the basic concept of making the reflecting surface shape of the mirror body variable, and for example, the following effects can be obtained.
  • a reflection paraboloid is obtained by elastically deforming a flat mirror, a mirror or a mirror body can be obtained at low cost.
  • the shape of the reflecting surface of the mirror body can be changed according to the incident angle of the sun.
  • the tracking drive is a mechanism that requires only one parabolic mirror, and can collect light efficiently with inexpensive equipment.
  • each mirror body itself is relatively small, and the distance from the mirror body to the focal point (that is, the place where the condenser tube is disposed) is relatively large, so that the reflection of the mirror body Surface cleaning and other maintenance can be easily performed.

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Abstract

平板であるミラー本体10の両端に力を加えることにより、ミラー本体10の反射面の断面形状を可変させ、あらゆる方向からの太陽入射光を集光管に集光させる技術の提供する事を目的とし、設備中心軸60を回転駆動することにより、ミラー本体10の第1および第2の辺部分P1,P2の角度、それら辺部分P1,P2間の距離、ミラー本体10の傾きを制御する。それにより、ミラー本体10の反射面の断面形状を、左右対称あるいは左右非対称に変形させる。その結果として、ミラー本体10に対する太陽光の入射角の変化にかかわらず、ミラー本体10の反射面で反射する太陽光を所定の集光管の部分に有効に集光させる。

Description

太陽光集光ユニットおよび太陽光集光装置
 この発明は、平板であるミラー本体の反射面を断面放物線状に変形可能な太陽光集光ユニット、およびそのユニットを複数配列したトラフ式の太陽光集光装置に関する。
 この種の太陽光集光ユニットおよび太陽光集光装置は、一般に、太陽光を反射させることにより集光管の部分に集光し、その熱により集光管内部の作動流体(たとえば、オイルや溶融塩など)を昇温させ、その昇温した熱を利用して蒸気タービンを回転させて発電する。そのため、集光管に向けての集光倍率を高めることが大事である。集光倍率の点からすれば、断面直線状の平面ミラーを用いるもの(たとえば、リニア・フレネル式)よりも、断面放物線状の曲線ミラーを用いるもの(たとえば、パラボリック・トラフ式)の方が優れている。
 後者の曲線ミラーを用いるものに着目すると、曲線ミラーを得る方法として、2つの考え方が知られている。第1の考え方は、プレス設備および金型を用いることにより、所定の断面形状をもった曲線ミラーを固定的に(つまり、形の変化を考えることなく所定の形をもったものとして)製造する方法である(特許文献1)。また、第2の考え方は、弾性変形可能な平板を弾性変形させることにより所定の曲面ミラーを弾性的に形作る方法である(特許文献2~4)。
 また、地球の自転に応じて、太陽は日の出から日の入りにわたって動くことから、地球の表面上に設置する太陽光集光ユニットあるいは集光装置に対し、太陽光の入射角は変化する。そのため、集光管に対し太陽光の反射光を有効に集光させるためには、太陽の動きに追従させてミラーの向きを調整することが必要である。このような調整機構自体は、たとえば特許文献5が示すように、この種の装置において追尾装置として一般的である。
特開2002-154179号公報 特表2009-545186号公報 特開2011-169530号公報 特開2000-146309号公報 特開2001-201187号公報
 曲面ミラーの断面形状を固定的に、あるいは弾性的に得ること自体は、上で述べたようにすでに知られているが、太陽光の入射角の変化に応じて、曲面ミラーの断面形状を変えるという、ミラー形状可変の考え方は今まで知られていない。その点、追尾装置は、太陽光の入射角の変化に応じて、ミラーの向きを変化させるが、その向きの変化の前後において、ミラーの断面形状は同じである。すなわち、追尾装置それ自体は、ミラーの向きの変化に応じて、ミラーの断面形状を変えるものではない。
 しかし、たとえば、トラフ式の曲面ミラーを複数並べて用い、それら各曲面ミラーからの反射光を一つの集光管に集光させる形態をとるとき、より高い集光効率を得るためには、太陽光の入射角の変化に応じて、曲面ミラーあるいはミラー本体の反射面の断面形状を、左右対称あるいは左右非対称に変形させることが望ましい。
 したがって、この発明は、太陽光の入射角の変化に応じて、曲面ミラーあるいはミラー本体の反射面の断面形状を可変とすることにより、集光効率を向上させる技術を提供することを目的とする。
 また、この発明の他の目的は、追尾装置と安価に組み合わせることができる、太陽光集光技術を提供することである。
 この発明のさらに他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。
 この発明では、4角形の平板であり、一面が反射面となり、全体的に弾性変形可能なミラー本体を用いることにより、ミラー本体の反射面の断面形状を、左右対称あるいは左右非対称に変形させる。
 ミラー本体が繰り返しかつ適切に弾性変形するようにするため、その材料には、下記の条件を備えることが好ましい。
 1)クリープしない。
 2)弾性変形範囲内である。
 3)自然たわみが少ない。
 4)割れない。
 また、ミラー本体は、金属あるいはガラスなどの非クリープ性のものを単体で用いるか、または、繊維カーボンや金属波板のような非クリープ性のベース層と、前記単体で用いるものに比べて薄い金属あるいはガラスなどの薄板層とを積層したものを用いることができる。
 ここで、図1のAに示すように、ミラー本体の反射面から反射し、集光管に集まる太陽光平面密度は、F値が0.6のとき理論上最大で108倍となるが、この発明を適用する上では、ミラー本体の弾性変形に無理を生じない範囲のF値を採用すべきである。ミラー本体の材料にもよるが、一般的には、図1のBのようなF値1.5が妥当であり、そのときの太陽光平面密度は66倍である。太陽光集光技術における集光倍率はなるべく大きい方が良いので、たとえば、F値が0.6前後となるように設計する。
 この発明で用いるミラー本体は、変形力を受けない状態では平板であるが、実際に太陽光を反射し集光する段階では、変形力を受けることにより、断面放物線状になる。断面放物線状である点からすれば、パラボリック・トラフ式などの曲線ミラーと同様である。しかし、パラボリック・トラフ式のミラー本体はたとえば5m以上の幅をもつなど、巨大であり風の影響を受けやすく、風圧防止のための充分な対策が必要である。それに対し、この発明におけるミラー本体は、たとえば1~2m幅の4角形であり、風の影響をほとんど無視できるような大きさである。ミラー本体の大きさが小さいことから、その清掃などの維持管理も容易である。しかもまた、大きさの差異に加えて、この発明のミラー本体は、平板として取り扱うことができるため、運搬や設置なども容易に行うことができる。
 図2は、この発明の好ましい実施形態を示す。その図2を参照しながら、この発明の内容を順次明らかにする。この発明は、ミラー本体10に変形力を与えるため、いくつかの部材を備える。一つは、平板であるミラー本体10の第1の辺部分P1に曲げモーメントを加える第1の曲げ部材21であり、もう一つは、第1の辺部分P1に対向するミラー本体10の第2の辺部分P2に曲げモーメントを加える第2の曲げ部材22である。さらにまた、第1の辺部分P1と第2の辺部分P2との距離を規制するための距離規制部材30を備える。
 この発明では、ミラー本体10に対する太陽光の入射角の変化に応じて、第1および第2の曲げ部材21,22による各曲げモーメント、第1の辺部分P1と第2の辺部分P2との距離、ならびにミラー本体10の傾斜角度を変化させることにより、ミラー本体10の反射面の断面形状を、左右対称あるいは左右非対称に変形させる。それによって、ミラー本体10に対する太陽光の入射角の変化にかかわらず、ミラー本体10の反射面で反射する太陽光を所定の焦点部分に集光させるようにする。
 ミラー本体10を含む太陽光集光ユニット100は、支持のための支持台50をさらに含む。その支持台50を機素の一つとして、第1および第2の両曲げ部材21,22、ならびに距離規制部材30は、機械的な拘束運動を生み出す運動機構を構成する。その運動機構の好ましい形態として、第1および第2の曲げ部材21,22がそれぞれ細長い部材であり、その一方の端部がミラー本体10の第1あるいは第2の辺部分P1,P2の側に固定され、他方の端部は支持台50に設けたカム溝あるいはカム孔70に沿って移動する構成であり、しかもまた、距離規制部材30もまた別の細長い部材であり、その一方の端部は第1の曲げ部材21に回転可能に結合され、他方の端部は第2の曲げ部材22に回転可能に結合された例を挙げることができる。
 そのような好ましい形態において、距離規制部材30は、太陽光の入射角の変化に応じて傾きを変えることができ、それにより、第1および第2の辺部分P1,P2の各角度、第1の辺部分P1と第2の辺部分P2との距離、ならびにミラー本体10の傾斜角度を制御する。距離規制部材30の傾きを変えるため、その距離規制部材30の長手方向中央部に支持軸60を設け(後の説明において、支持軸60を設備中心軸点Rとも称する)、その支持軸60を支持台50に回転可能に支持することができる。距離規制部材30は、その支持軸60を通して傾きを変えることができる。支持軸60には、それを回転駆動するアクチュエータを設けることにより、追尾装置における駆動軸として用いることができる。
 なお、ミラー本体10の第1および第2の辺部分P1,P2には、ミラー本体10を挟み込む固定部材81,82をそれぞれ設けるのが好ましい。それによって、ミラー本体10の各辺部分P1,P2の保護を図ることができるし、ミラー本体10が固定部材81,82の長手方向(つまり、第1および第2の各辺部分P1,P2に沿う方向)における無用な変形を防ぐことができる。また、第1および第2の各辺部分P1,P2の全長にわたる各固定部材81,82は、第1および第2の曲げ部材21,22と結合し、それらの各曲げ部材21,22から各辺部分P1,P2に対し、有効に曲げモーメントを加えることができる。ミラー本体10の変形を円滑に行わせるため、各辺部分P1,P2の両側それぞれに、前記した機械的な拘束運動を生み出す運動機構を配置するのが好ましい。
 そのような運動機構を構成する、第1および第2の曲げ部材21,22、ならびに距離規制部材30は、互いに結合することにより、全体として逆A字型を呈している。
 この発明の基本ユニットは、本来的に平板であるミラー本体10を運動機構によって変形させることができる太陽光集光ユニット100である。実際の集光設備においては、そのような集光ユニット100を複数、通常は3~6程度互いに並べるように配列する。その点からすると、この発明による太陽光集光装置(つまり、設備)は、パラボリック・トラフ式の大きなミラー本体を複数に分割した形態であり、しかもまた、分割したミラー本体をフレネル状に配置することにより、集光管への集光倍率をパラボリック・トラフ式と同等にしたものということができる。そして、この発明を支える基本的な考え方は、分割した各ミラー本体10の反射面の断面形状を可変にすることである。
 さて、この発明で用いるミラー本体10が弾性変形することにより形作る反射面の断面は、放物線あるいはそれに近似した曲線である。この発明では、断面放物線状の曲面がもつ幾何学的な特徴に着目し、すでに述べた運動機構によって、所定の焦点部分に集光可能な曲面ミラーを得る。
平板ミラーを断面放物線状に変形させるための基本理論
 放物線は、図3に示すように、Y=aXの方程式で表される。その放物線上、Y軸の+無限大方向から光を当てると、その放物線上で光が反射し、距離fだけ離れた焦点Fに光が集まる。ここで焦点Fの座標を(0,f)と置くと、f=1/(4*a)の関係がある。
仮にf=1500とすると
  a=1/(4*f)なので、a=1/6000
となる。仮にミラー部分の長さ(図3の放物線の弧長)を1000とすると、端点P1,P2の座標は、それぞれ次のとおりである。
P1(-497.726 ,
41.289)
P2(497.726 ,
41.289)
 また、各端点P1,P2の傾きγ1およびγ2はY’=2aXで計算することができ、
γ1=-0.1644 rad
γ2=0.1644 rad
となる。平面状の板を曲げる場合、この端点どうしの距離、すなわちP1,P2の距離と、それぞれの端点の傾きを幾何学的計算に基づいて規定すれば、所定の位置に焦点をもつ放物面を得ることができる。
固定放物面ミラーの基本構成
 図4は左右対称固定型のトラフ式太陽光集光ユニットの基本構成である。
 10は反射板(ミラー本体)、81,82は反射板(ミラー本体)10を固定する反射板固定フレーム(固定部材)、21,22は角度を規定する角度調整フレーム(曲げ部材)、そして、30は両端点の距離(P1からP2までの距離)を規定するメインフレーム(距離規制部材)であり、これらフレーム部材を逆A型にピンまたはボルトなど何らかの方法で固定する。反射板10にはクリープせず弾性変形する材料、たとえばガラスミラーを用いる。反射板固定フレーム81,82としては、表裏面が平行であり、かつ反射板10の反発でねじれない強度をもった部材を用いる。また、角度調整フレーム21,22には、曲げ応力がかかっても変形しにくい角パイプなどの部材を用いる。メインフレーム30としては、全体の荷重がかかっても変形しない部材が適している。
非対称形状固定放物面の基礎理論
 図5のAは非対称固定型の放物面反射鏡の理論図である。対称型と同様に幾何学的理論から各々の点P1、P2、P0、M1、M2を決定でき、所定の方向からの光を所定の位置に焦点を結ぶことが可能である。また、図5のBは水平方向から入射した光を反射板の直上に焦点を結ぶときの模式図で、Aのものを、焦点Fを中心に90度回転した図である。
可変放物面鏡の概念
 図6は、角度フリー焦点固定型の可変トラフ式太陽光集光ユニットの概念図を示す。あらゆる角度からの入射光に対して、常に同じ点Fに焦点を形成できる可変放物面反射板である。反射ミラーの回転軸中心あるいは設備中心軸RをY軸線上の任意の場所に設定し、ひとつの駆動で各々の点P1、P2、M1、M2を規定することで、すべての入射角において決まった点Fに焦点を形成する。
 
可変放物面鏡の機構
 図7は可変放物面鏡の機構図である。設備構成は、図4で示した固定型とほぼ同じである。また、図2にすでに示した太陽光集光ユニット100も、この図7と同様の機構をもつ。反射鏡(ミラー本体)10の端点(辺部分)P1,P2から法線方向にSn、接線方向にStの距離に回転軸M1、M2を設定する。この2点はミラー本体10と完全に固定された角度調整フレーム(曲げ部材)21,22上に設定し、それぞれメインフレーム(距離規制部材)30と回転方向に対して自由に回転するように連結される。メインフレーム30の中心点から垂直にdの距離に設備中心軸Rを設定し、ここに回転アクチュエータを連結する。
角度調整フレーム21,22の先端にはスライドピンを設置し、地面に固定された板(支持台50の構成部品)に加工されたカム溝あるいはカム孔70に入れる。スライドピンはカム溝あるいはカム孔70をスライドすることで、角度調整フレーム21,22が所定の角度になるようにする。この構成により点Rを中心とする回転方向にメインフレーム30を回転させるだけで、あらゆる角度からの入射光をミラー本体10上、決まった位置Fに集光させることができる。これを可能にするためには、可動範囲のすべての入射角に対してM1からM2の距離Lmと、設備中心Rから焦点Fまでの距離Lfが常に変わらないか、あるいはほとんど変化しない条件を幾何学的理論計算から導きだすことが必要である。
可変放物面鏡の理論
 図8はこれらを幾何学的に計算するための概要図である。太陽光はY軸+無限大方向からX軸に向かって放射されるものとする。3本の曲線はいずれも点Fに焦点をもつ放物線であり、太い実線は反射ミラー(ミラー本体10)である。設備中心点R0およびR90から焦点Fまでの距離はいずれもLfである。添字の0は太陽入射方向すなわちY軸と、直線R0-Fとのなす角度を示し、90はY軸と直線R90-Fとのなす角度を示す。この角度を以降は「反射角度」と表現することとする。反射角度0は昼の南天時を、反射角度90は日の出、日の入りを想定している。この二つの条件、すなわち反射角度0と反射角度90のいずれの場合もメインフレーム(距離規制部材30)の軸長さLmおよび設備中心点R0およびR90から焦点Fまでの距離Lfが同じになるためのSn、Stの関係を計算することができる。
計算手順
 図9に計算フロー図を示す。
計算結果一例
 そのような計算フローによる計算結果の一例を表1に示す。ここではSnを-10、0、+10の3つのタイプ(Type)で計算した。図7のSnの矢印方向をプラス、矢印の逆方向をマイナスとしている。共通条件は、ミラー本体10の板長さ1000、焦点FのY座標1500、反射角度θ=0のときの設備中心Y軸上Y座標を-20としている。反射角度が0度と90度のときにLfとLmが同じ長さになるStの長さを求めている。Stは各タイプで2つの解があるが、記載されていない方の解はミラーの横方向のかなり離れた外側に存在し、設備上無用な解なのでここでは無視する。SnとStは関係(式St=f(Sn))があり、したがって組み合わせは無限に存在する。ただし、R0をY軸マイナス方向に極端に離れたところに設置したり、反射角度が極端に大きい場合は解が無くなる。反射角度0度と90度でLmを一致させる計算をした場合、反射角度が0度と90度以外のとき(たとえば60度)、Lmの長さは一致しない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 図10は、Type1から3の各タイプにおける反射角度とLmの関係を示したグラフで、縦軸はLmθ-Lm0を表している。Type3において反射角度60度付近で最も大きくなるが、その値は0.053mm(53μm)であり、加工誤差範囲内である(板長さの単位をmmとした場合)。
可変放物面鏡の構成
 ここで、可変放物面鏡の設備構成について、図2に戻って再確認する。平板であるミラー本体10を固定部材81,82のフレームで挟み、曲げ部材21,22の各フレームでミラー本体10を曲げる構造である。各固定部材81,82はミラー本体10の反発でねじれ変形せず、また、各曲げ部材21,22のフレームはミラー本体10の反発で曲がらない部材にする。各曲げ部材21,22のフレームは回転ピン91,92を介して距離規制部材30に連結されている。そこで、各曲げ部材21,22および距離規制部材30は、回転ピン91,92を中心に回転方向に自由に回転する。距離規制部材30のメインフレームは左右の回転ピン91,92の距離が変わらないように、また全体の荷重がかかっても曲がらない構造である。そのようなメインフレーム30の中央には、設備全体を回転するための回転中心軸Rを設ける。さらにまた、各曲げ部材21,22の先端にそれぞれスライドピン(図示しない)を設け、各スライドピンをカム溝あるいはカム孔70をスライドさせることにより、各曲げ部材21,22のフレームが適切な傾きになるように拘束する。
 図11は、この設備、つまり太陽光集光ユニット100を使ってあらゆる角度からの入射光に対して同じ場所(焦点部分F)に焦点が当たることを示した図である。左は南天時の、右は日の出、日の入り時を示す。
フレネル配置の可変放物面鏡の構成
 図12は、可変トラフ式の太陽光集光ユニット100をフレネル式配置させた時の構成図である。左右の放物面は中央よりも長い焦点距離で設計され、すべての反射光を同じ焦点Fに集光させることができる。また、図13は、フレネル式に配置した複数の太陽光集光ユニット100が、あらゆる方向からの光を同じ焦点Fに集光できることを示す。次に示す表2によって、太陽光集光ユニット100の具体的な数値例を挙げる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 以上のように、この発明は、ミラー本体の反射面形状を可変にするという基本的な考え方を基礎にするものであり、たとえば、次のような効果を得ることができる。一つには、平板ミラーを弾性的に変形させて反射放物面を得るため、ミラーあるいはミラー本体を安価に得ることができる。また、ミラー本体の反射面形状を太陽入射角度にあわせて変形させることにより、複数台のミラー本体から反射した光を同一の集光管に集光することができ、集光効率を下げることなく風の影響がほとんど無い設計を可能とする。さらには、追尾駆動は1台の放物面鏡で1台で済む機構であり、安価な設備で効率よく集光することができる。そしてまた、各ミラー本体自体の大きさが比較的に小さく、しかもまた、ミラー本体から焦点部分(つまり、集光管を配置する箇所)までの距離が比較的に離れることから、ミラー本体の反射面の清掃その他の維持管理を容易に行うこともできる。
パラボリック・トラフ式放物面鏡の側面概要および放物面のF値を説明するための図である。 この発明の太陽光集光ユニット一実施例を示す斜視図である。 平板を弾性変形させるときの理論図である。 平板を弾性変形させるときの基本構成図である。 平板を左右非対称に弾性変形させるときの理論図である。 入射光にあわせて反射鏡を変形させるときの概念図である。 可変トラフ式放物面鏡の機構図である。 可変トラフ式放物面鏡を設計計算するときの理論図である。 可変トラフ式放物面鏡を設計計算するときのフロー図である。 入射角度とLmの変化を示したグラフである。 放物面が変形する放物面鏡の駆動変形を示す側面図である。 可変トラフ式放物面鏡をフレネル式に複数台設置した場合の概要図である。 可変トラフ式放物面鏡をフレネル式に複数台設置した場合の別の概要図である。
10 反射ミラー(ミラー本体)
21,22 角度調整フレーム(曲げ部材)
30 メインフレーム(距離規制部材)
50 支持台
60 設備中心軸(支持軸)
70 角度調整用長穴(カム溝あるいはカム孔)
81,82 反射板固定フレーム(固定部材)
91,92 ピン(回転ピン)
100 太陽光集光ユニット
 F 焦点(集光部分)
 f 焦点Y軸座標
 P1 放物面左端点(第1の辺部分)
 P2 放物面右端点(第2の辺部分)
 M1,M2 角度調整フレームとメインフレームの交点
 P0 左右の角度調整フレーム同士の交点
 R 設備中心軸点
 Sn 放物面端点からの法線方向距離
 St 放物面端点からの接線方向距離
 Lm M1,M2間距離
 Lf 設備中心軸点と焦点との距離
 γ 放物線端点の傾き角度
 θ 反射角度
 

Claims (9)

  1.  4角形の平板であり、一面が反射面となり、全体的に弾性変形可能なミラー本体と、平板であるミラー本体の第1の辺部分に曲げモーメントを加える第1の曲げ部材と、第1の辺部分に対向するミラー本体の第2の辺部分に曲げモーメントを加える第2の曲げ部材と、第1の辺部分と第2の辺部分との距離を規制するための距離規制部材とを備え、それら距離規制部材ならびに第1および第2の曲げ部材によって、ミラー本体の反射面を断面放物線状に変形可能な太陽光集光ユニットであり、ミラー本体に対する太陽光の入射角の変化に応じて、第1および第2の曲げ部材による各曲げモーメント、第1の辺部分と第2の辺部分との距離、ならびにミラー本体の傾斜角度を変化させることにより、ミラー本体の反射面の断面形状を、左右対称あるいは左右非対称に変形させ、それによって、ミラー本体に対する太陽光の入射角の変化にかかわらず、ミラー本体の反射面で反射する太陽光を所定の焦点部分に集光させるようにした、太陽光集光ユニット。
  2.  支持のための支持台をさらに含む、請求項1の太陽光集光ユニット。
  3.  第1および第2の曲げ部材は、それぞれ細長い部材であり、その一方の端部がミラー本体の第1あるいは第2の辺部分の側に固定され、他方の端部は支持台に設けたカム溝あるいはカム孔に沿って移動する構成であり、しかもまた、距離規制部材もまた、別の細長い部材であり、その一方の端部は第1の曲げ部材に回転可能に結合され、他方の端部は第2の曲げ部材に回転可能に結合されている、請求項2の太陽光集光ユニット。
  4.  距離規制部材は、太陽光の入射角の変化に応じて傾きを変えることができ、それにより、第1および第2の辺部分の各角度、第1の辺部分と第2の辺部分との距離、ならびにミラー本体の傾斜角度を制御する、請求項3の太陽光集光ユニット。
  5.  距離規制部材は、その長手方向中央部に位置する支持軸によって、支持台に回転可能に支持されており、それにより、その支持軸を通して傾きを変えることができる、請求項4の太陽光集光ユニット。
  6.  第1および第2の曲げ部材、ならびに距離規制部材は、互いに結合することにより、全体として逆A字型を呈する、請求項3の太陽光集光ユニット。
  7.  ミラー本体の第1および第2の辺部分には、ミラー本体を挟み込む固定部材がそれぞれあり、それらの各固定部材に第1および第2の曲げ部材が固定されている、請求項3の太陽光集光ユニット。
  8.  請求項1の太陽光集光ユニットを複数配列した、トラフ式の太陽光集光装置。
  9.  ミラー本体は、金属あるいはガラスなどの非クリープ性のものを単体で用いるか、または、繊維カーボンや金属波板のような非クリープ性のベース層と、前記単体で用いるものに比べて薄い金属あるいはガラスなどの薄板層とを積層したものを用いる、請求項1の太陽光集光ユニット。
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