太陽光集光システム
【課題】ヘリオスタットの状態は変化させずに得られる熱エネルギーの調整を図ることができる太陽光集光システムを提供する。
【解決手段】センタミラー１が上下方向に平行移動するため、センタミラー１からの反射光が一点に集光した状態から、センタミラー１を上下に平行移動させると、反射光の集光範囲が広がり、単位面積当たりで得られる熱エネルギーが低下する。従って、集光部の熱エネルギーが大きくなり過ぎる場合は、一部のヘリオスタット７の向きを変えるのではなく、センタミラー１を上下に平行移動させるだけで、その移動量に応じて、熱エネルギーが低下するため、熱エネルギーの調整が容易である。
【解決手段】センタミラー１が上下方向に平行移動するため、センタミラー１からの反射光が一点に集光した状態から、センタミラー１を上下に平行移動させると、反射光の集光範囲が広がり、単位面積当たりで得られる熱エネルギーが低下する。従って、集光部の熱エネルギーが大きくなり過ぎる場合は、一部のヘリオスタット７の向きを変えるのではなく、センタミラー１を上下に平行移動させるだけで、その移動量に応じて、熱エネルギーが低下するため、熱エネルギーの調整が容易である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光集光システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーにより、発電や、海水淡水化を行う技術が知られている。この種の太陽光集光装置は、所定の高さに設置された下向きのセンタミラーへ向けて、複数のヘリオスタットにより太陽光を反射し、センタミラーにて反射された太陽光をセンタミラーの下方の一点に集光させる構造になっている。複数のヘリオスタットからの反射光を一点に集中するため高い熱エネルギーが得られるようになっている。
【０００３】
この種の太陽光集光システムの場合、太陽光の弱い冬期などでも必要な熱エネルギーが得られるように、数多くのヘリオスタットをセンタミラーの周囲に配置している。従って、太陽光の強い夏期の日中などは全てのヘリオスタットを利用すると、一点に集中する熱エネルギーが大きくなり過ぎるため、一部のヘリオスタットの向きを変えてセンタミラーから外し、センタミラーに入光しないようにして、一点に集光される熱エネルギーの調整を図っている。曇りの状態から晴天に変化したような場合も同様の調整を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１１９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、一部のヘリオスタットの向きを変えることにより、得られる熱エネルギーの調整を行っているため、ヘリオスタットの制御が大変に面倒である。特に、各ヘリオスタットをセンサー方式により自律制御している場合は、いったん向きを変えたヘリオスタットを元の状態の戻すために別のセンサーが必要となり、センサーの構造が大変に複雑になる。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、ヘリオスタットの状態は変化させずに得られる熱エネルギーの調整を図ることができる太陽光集光システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、所定の高さに設置されるセンタミラーと、センタミラーを所定の高さ位置に支持するタワーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットとから成り、センタミラーにて反射された太陽光がセンタミラーの下方の一点に集光する太陽光集光システムであって、前記センタミラーがタワーに対して上下方向に平行移動自在であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、センタミラーがタワーの上部に伸縮機構を介して吊り下げ支持され、伸縮機構を伸縮させることにより、センタミラーが上下方向に平行移動することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、センタミラーが上下方向に平行移動するため、センタミラーからの反射光が一点に集光した状態から、センタミラーを上下に平行移動させると、反射光の集光範囲が広がり、単位面積当たりで得られる熱エネルギーが低下する。従って、集光部の熱エネルギーが大きくなり過ぎる場合は、一部のヘリオスタットの向きを変えるのではなく、センタミラーを上下に平行移動させるだけで、その移動量に応じて、熱エネルギーが低下するため、熱エネルギーの調整が容易である。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、センタミラーをタワーに対して吊り下げ支持している構造が伸縮機構のため、伸縮機構を伸縮させるだけで、センタミラーを上下方向で平行移動させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、センタミラーが楕円鏡のため、ヘリオスタットはセンタミラーの第１焦点へ向けて太陽光を反射するように制御すれば良い。そうすれば、第１焦点を通過した反射光は必ずセンタミラーで反射されて第２焦点に集光する。全てのヘリオスタットの反射ターゲットが一点（第１焦点）のため、ヘリオスタットの制御が行い易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好適な実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は太陽集光装置を示している。中心にはセンタミラー１が４本のタワー２により地面に対して所定高さ（約１０ｍ）に支持されている。センタミラー１は楕円鏡で、中央には円形の開口３が形成されている。この開口３は下方の熱気を上方へ逃がすためのものである。
【００１３】
タワー２の頂部４は内側に曲折している。センタミラー１の四方にはタワー２の頂部４の下方に位置する突片５が形成されている。そして、この突片５と頂部４とが、伸縮機構としてのリニアアクチュエータ６により上下方向で連結されている。従って、センタミラー１はこのアクチュエータ６を介してタワー２の頂部４に吊り下げ支持された状態になっている。４本のアクチュエータ６は油圧で作動し、全てが同じ長さだけ精密に同期して伸縮することができる。
【００１４】
センタミラー１は下面が反射面で、その反射面の鏡面形状が回転楕円面の一部（オフセット楕円鏡）を構成している。従って、このセンタミラー１の下方には楕円面の長軸上に第１焦点Ａ（高位置）と第２焦点Ｂ（低位置）が存在する。
【００１５】
センタミラー１の周囲には、多数のヘリオスタット７がセンタミラー１を取り囲むように放射状に設置されている。ヘリオスタット７は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、センターミラー１の高さとは独立に地面に対して位置固定された仮想点に向けて反射するように制御される。そしてセンターミラー１が地面に対して所定の高さに位置づけられて第１焦点Ａが仮想点に一致したときに、ヘリオスタット７は常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンタミラー１にて反射され、そして第２焦点Ｂに集光する。第２焦点Ｂに集光した太陽光Ｌは熱変換装置８導入されて熱エネルギーに変換される。得られた熱エネルギーは蒸気タービンを回転させる蒸気発生等に利用される。
【００１６】
太陽光Ｌは第２焦点Ｂに集光するが、完全な点ではなく、第２焦点Ｂにおいて一定の大きさの太陽の像ｄを結ぶ。第１焦点Ａを通過して第２焦点Ｂに集光する像ｄが一番小さいサイズとなる。この状態では高温が得られ、熱変換装置８において大きな熱エネルギーが得られる。
【００１７】
そして、熱変換装置８で発生する熱エネルギーをモニターした結果、必要量よりも熱エネルギーが大きくなり過ぎた場合には、これを検出し、その検出信号を図示せぬ制御部へ出力する。検出信号を入力した制御部はアクチュエータ６を制御して、全てのアクチュエータ６を所定の同じ長さだけ長くする。全てのアクチュエータ６が同じだけ長くなるため、センタミラー１は下方へ平行移動する。
【００１８】
センタミラー１が下方へ平行移動すると、第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂも地面に対して平行移動し地面に対して固定された仮想点から第１焦点Ａがずれるため、太陽光Ｌが第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂに集まらなくなって、第２焦点Ｂにおける集光面積Ｄが大きくなる。従って、単位面積当たりの熱エネルギー量が低下し、熱変換装置８で発生する熱量も低下する。
【００１９】
熱変換装置８で発生する熱エネルギーが下がり過ぎると、その信号が制御部へ出力され、制御部がアクチュエータ６を元の長さに戻す。アクチュエータ６が元の長さに戻ると、センタミラー１が上昇し、第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂの幾何学的関係が成立し、第２焦点Ｂに小さな太陽の像ｄを結ぶ。
【００２０】
以上の制御を繰り返すことにより、熱変換装置８で得られる熱エネルギーが大きくなりすぎるのを防止することができる。ヘリオスタット７の向きはそのままで、センタミラー１を上下方向で平行移動させるだけで熱エネルギーの制御を行うことができるため、熱エネルギーの調整が容易である。
【００２１】
以上に実施形態では、集光面積Ｄを広げるために、センタミラー１は下降させる例を示したが、正規位置から上昇させても良い。
【００２２】
センタミラー１を楕円鏡例にしたが球面鏡でも良い。下側に凸の鏡面でも良い。複数のリング状のミラーをフレネル状に中心から隙間を設けて状態で組み合わせた構造でも良い。要は、高い位置に設置したセンタミラーにミラーに向けてヘリオスタット７から太陽光Ｌを反射し、センタミラーで反射された太陽光Ｌがセンタミラー１の下方である程度の範囲に集光する太陽光集光システムであれば、本発明を適用することができる。
【００２３】
伸縮機構として油圧式のアクチュエータ６を例にしたが、その他のスクリュー構造等を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽集光装置を示す一部断面の全体図。
【図２】センタミラーを示す拡大断面図。
【図３】センタミラーを示す斜視図。
【図４】センタミラーを示す平面図。
【図５】正規位置にあるセンタミラーの光路を示す図。
【図６】下方へ平行移動させたセンタミラーの光路を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１ センタミラー
２ タワー
６ アクチュエータ（伸縮機構）
７ ヘリオスタット
８ 熱変換装置
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光集光システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーにより、発電や、海水淡水化を行う技術が知られている。この種の太陽光集光装置は、所定の高さに設置された下向きのセンタミラーへ向けて、複数のヘリオスタットにより太陽光を反射し、センタミラーにて反射された太陽光をセンタミラーの下方の一点に集光させる構造になっている。複数のヘリオスタットからの反射光を一点に集中するため高い熱エネルギーが得られるようになっている。
【０００３】
この種の太陽光集光システムの場合、太陽光の弱い冬期などでも必要な熱エネルギーが得られるように、数多くのヘリオスタットをセンタミラーの周囲に配置している。従って、太陽光の強い夏期の日中などは全てのヘリオスタットを利用すると、一点に集中する熱エネルギーが大きくなり過ぎるため、一部のヘリオスタットの向きを変えてセンタミラーから外し、センタミラーに入光しないようにして、一点に集光される熱エネルギーの調整を図っている。曇りの状態から晴天に変化したような場合も同様の調整を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１１９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、一部のヘリオスタットの向きを変えることにより、得られる熱エネルギーの調整を行っているため、ヘリオスタットの制御が大変に面倒である。特に、各ヘリオスタットをセンサー方式により自律制御している場合は、いったん向きを変えたヘリオスタットを元の状態の戻すために別のセンサーが必要となり、センサーの構造が大変に複雑になる。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、ヘリオスタットの状態は変化させずに得られる熱エネルギーの調整を図ることができる太陽光集光システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、所定の高さに設置されるセンタミラーと、センタミラーを所定の高さ位置に支持するタワーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットとから成り、センタミラーにて反射された太陽光がセンタミラーの下方の一点に集光する太陽光集光システムであって、前記センタミラーがタワーに対して上下方向に平行移動自在であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、センタミラーがタワーの上部に伸縮機構を介して吊り下げ支持され、伸縮機構を伸縮させることにより、センタミラーが上下方向に平行移動することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、センタミラーが上下方向に平行移動するため、センタミラーからの反射光が一点に集光した状態から、センタミラーを上下に平行移動させると、反射光の集光範囲が広がり、単位面積当たりで得られる熱エネルギーが低下する。従って、集光部の熱エネルギーが大きくなり過ぎる場合は、一部のヘリオスタットの向きを変えるのではなく、センタミラーを上下に平行移動させるだけで、その移動量に応じて、熱エネルギーが低下するため、熱エネルギーの調整が容易である。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、センタミラーをタワーに対して吊り下げ支持している構造が伸縮機構のため、伸縮機構を伸縮させるだけで、センタミラーを上下方向で平行移動させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、センタミラーが楕円鏡のため、ヘリオスタットはセンタミラーの第１焦点へ向けて太陽光を反射するように制御すれば良い。そうすれば、第１焦点を通過した反射光は必ずセンタミラーで反射されて第２焦点に集光する。全てのヘリオスタットの反射ターゲットが一点（第１焦点）のため、ヘリオスタットの制御が行い易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好適な実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は太陽集光装置を示している。中心にはセンタミラー１が４本のタワー２により地面に対して所定高さ（約１０ｍ）に支持されている。センタミラー１は楕円鏡で、中央には円形の開口３が形成されている。この開口３は下方の熱気を上方へ逃がすためのものである。
【００１３】
タワー２の頂部４は内側に曲折している。センタミラー１の四方にはタワー２の頂部４の下方に位置する突片５が形成されている。そして、この突片５と頂部４とが、伸縮機構としてのリニアアクチュエータ６により上下方向で連結されている。従って、センタミラー１はこのアクチュエータ６を介してタワー２の頂部４に吊り下げ支持された状態になっている。４本のアクチュエータ６は油圧で作動し、全てが同じ長さだけ精密に同期して伸縮することができる。
【００１４】
センタミラー１は下面が反射面で、その反射面の鏡面形状が回転楕円面の一部（オフセット楕円鏡）を構成している。従って、このセンタミラー１の下方には楕円面の長軸上に第１焦点Ａ（高位置）と第２焦点Ｂ（低位置）が存在する。
【００１５】
センタミラー１の周囲には、多数のヘリオスタット７がセンタミラー１を取り囲むように放射状に設置されている。ヘリオスタット７は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、センターミラー１の高さとは独立に地面に対して位置固定された仮想点に向けて反射するように制御される。そしてセンターミラー１が地面に対して所定の高さに位置づけられて第１焦点Ａが仮想点に一致したときに、ヘリオスタット７は常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンタミラー１にて反射され、そして第２焦点Ｂに集光する。第２焦点Ｂに集光した太陽光Ｌは熱変換装置８導入されて熱エネルギーに変換される。得られた熱エネルギーは蒸気タービンを回転させる蒸気発生等に利用される。
【００１６】
太陽光Ｌは第２焦点Ｂに集光するが、完全な点ではなく、第２焦点Ｂにおいて一定の大きさの太陽の像ｄを結ぶ。第１焦点Ａを通過して第２焦点Ｂに集光する像ｄが一番小さいサイズとなる。この状態では高温が得られ、熱変換装置８において大きな熱エネルギーが得られる。
【００１７】
そして、熱変換装置８で発生する熱エネルギーをモニターした結果、必要量よりも熱エネルギーが大きくなり過ぎた場合には、これを検出し、その検出信号を図示せぬ制御部へ出力する。検出信号を入力した制御部はアクチュエータ６を制御して、全てのアクチュエータ６を所定の同じ長さだけ長くする。全てのアクチュエータ６が同じだけ長くなるため、センタミラー１は下方へ平行移動する。
【００１８】
センタミラー１が下方へ平行移動すると、第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂも地面に対して平行移動し地面に対して固定された仮想点から第１焦点Ａがずれるため、太陽光Ｌが第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂに集まらなくなって、第２焦点Ｂにおける集光面積Ｄが大きくなる。従って、単位面積当たりの熱エネルギー量が低下し、熱変換装置８で発生する熱量も低下する。
【００１９】
熱変換装置８で発生する熱エネルギーが下がり過ぎると、その信号が制御部へ出力され、制御部がアクチュエータ６を元の長さに戻す。アクチュエータ６が元の長さに戻ると、センタミラー１が上昇し、第１焦点Ａ及び第２焦点Ｂの幾何学的関係が成立し、第２焦点Ｂに小さな太陽の像ｄを結ぶ。
【００２０】
以上の制御を繰り返すことにより、熱変換装置８で得られる熱エネルギーが大きくなりすぎるのを防止することができる。ヘリオスタット７の向きはそのままで、センタミラー１を上下方向で平行移動させるだけで熱エネルギーの制御を行うことができるため、熱エネルギーの調整が容易である。
【００２１】
以上に実施形態では、集光面積Ｄを広げるために、センタミラー１は下降させる例を示したが、正規位置から上昇させても良い。
【００２２】
センタミラー１を楕円鏡例にしたが球面鏡でも良い。下側に凸の鏡面でも良い。複数のリング状のミラーをフレネル状に中心から隙間を設けて状態で組み合わせた構造でも良い。要は、高い位置に設置したセンタミラーにミラーに向けてヘリオスタット７から太陽光Ｌを反射し、センタミラーで反射された太陽光Ｌがセンタミラー１の下方である程度の範囲に集光する太陽光集光システムであれば、本発明を適用することができる。
【００２３】
伸縮機構として油圧式のアクチュエータ６を例にしたが、その他のスクリュー構造等を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽集光装置を示す一部断面の全体図。
【図２】センタミラーを示す拡大断面図。
【図３】センタミラーを示す斜視図。
【図４】センタミラーを示す平面図。
【図５】正規位置にあるセンタミラーの光路を示す図。
【図６】下方へ平行移動させたセンタミラーの光路を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１ センタミラー
２ タワー
６ アクチュエータ（伸縮機構）
７ ヘリオスタット
８ 熱変換装置
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高さに設置されるセンタミラーと、センタミラーを所定の高さ位置に支持するタワーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットとから成り、センタミラーにて反射された太陽光がセンタミラーの下方の所定の一点に集光する太陽光集光システムであって、
前記センタミラーがタワーに対して上下方向に平行移動自在であることを特徴とする太陽光集光システム。
【請求項２】
センタミラーがタワーの上部に伸縮機構を介して吊り下げ支持され、伸縮機構を伸縮させることにより、センタミラーが上下方向に平行移動することを特徴とする請求項１記載の太陽光集光システム。
【請求項３】
センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽光集光システム。
【請求項１】
所定の高さに設置されるセンタミラーと、センタミラーを所定の高さ位置に支持するタワーと、センタミラーの周囲の地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットとから成り、センタミラーにて反射された太陽光がセンタミラーの下方の所定の一点に集光する太陽光集光システムであって、
前記センタミラーがタワーに対して上下方向に平行移動自在であることを特徴とする太陽光集光システム。
【請求項２】
センタミラーがタワーの上部に伸縮機構を介して吊り下げ支持され、伸縮機構を伸縮させることにより、センタミラーが上下方向に平行移動することを特徴とする請求項１記載の太陽光集光システム。
【請求項３】
センタミラーが楕円鏡で、ヘリオスタットからの反射光がセンタミラーの第１焦点に向けて反射され、第１焦点を通過した反射光がセンタミラーで反射されて第２焦点に集光することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽光集光システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１５１３４６（Ｐ２０１０−１５１３４６Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２８３０９（Ｐ２００８−３２８３０９）
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（３９００１３０３３）三鷹光器株式会社 (114)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（３９００１３０３３）三鷹光器株式会社 (114)
【Ｆターム（参考）】
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