太陽集光システム及び太陽熱発電システム
【課題】 集光率を向上させることができる太陽集光システム及び太陽熱発電システムを提供する。
【解決手段】本発明は、レシーバ１１に対して太陽光Ｔを集光する集光ミラー１２を備えた太陽集光システム１０であって、集光ミラー１２は、太陽光Ｔが入射する表面１５ａと表面１５ａの反対側の裏面１５ｂとを有する透明基板１５と、透明基板１５の裏面１５ｂに形成された反射層１７と、を備え、集光ミラー１２は、中心軸線Ｃを中心として回転可能に構成され、透明基板１５のうち中心軸線Ｃに垂直な断面は、反射層１７側に向かって凹む弧形状を成している。
【解決手段】本発明は、レシーバ１１に対して太陽光Ｔを集光する集光ミラー１２を備えた太陽集光システム１０であって、集光ミラー１２は、太陽光Ｔが入射する表面１５ａと表面１５ａの反対側の裏面１５ｂとを有する透明基板１５と、透明基板１５の裏面１５ｂに形成された反射層１７と、を備え、集光ミラー１２は、中心軸線Ｃを中心として回転可能に構成され、透明基板１５のうち中心軸線Ｃに垂直な断面は、反射層１７側に向かって凹む弧形状を成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽集光システム及び太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や二酸化炭素排出による諸問題に鑑み、再生可能な自然エネルギーである太陽光の利用が広く検討されている。太陽光エネルギーの利用には、太陽電池により太陽光を直接電気に変換する手法と太陽光を太陽熱として吸収して利用する手法とが知られている。太陽熱として利用する手法には、その熱を利用してタービンなどにより間接的に発電するものも含まれる。
【０００３】
太陽熱の利用は、蓄熱による安定供給を行うことができ、この点が太陽電池に対する優位性として注目されている。特に、発電せずに熱そのものを利用する場合に効率が高く、太陽熱を利用する意義が大きい。このため、特に産業用の蒸気の供給などの中規模なプラントにおいて太陽熱を利用できる太陽集光システムが日本だけではなく欧州などの世界各国でも検討されている。
【０００４】
太陽集光システムとしては、リニアフレネル方式、タワー方式、トラフ方式、ディッシュ方式などが知られており、ここではリニアフレネル方式について説明する。例えば特許文献１には、複数列並べた短冊状のミラーにより太陽光を反射することで直線状のレシーバに集光するリニアフレネル方式の太陽集光システムが開示されている。このようなリニアフレネル方式の太陽熱発電システムでは、管状のレシーバ内部を熱媒体が流れており、集光によってレシーバが受けた熱が熱媒体を介して蒸気タービンなどの発電設備へと送られることで、太陽熱を利用した発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開２０５１０２２Ａ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
リニアフレネル方式で用いるミラーには、表面がフラットなタイプと表面がレシーバに向かって樋状に湾曲したタイプとが存在する。フラットタイプは、ミラー幅以下に集光することはできないため、より集光率を上げたい場合は湾曲タイプのミラーが採用される。
【０００７】
ところで、リニアフレネル方式の特徴の一つとして、レシーバは地面に対して固定され、ミラーは太陽の動きに追従して回転する点が挙げられる。この構成では、湾曲タイプのミラーを用いた集光がいわゆる軸外の集光となり像面湾曲が発生するため、多くの場合、一本のレシーバの幅内に集光させることはできない。
【０００８】
このため、レシーバを複数列並べたり、レシーバの後方に逸れた光を再反射してレシーバに集光させる二次ミラーを設けたりすることで、反射光の漏れを少なくする手法が通常取られる。しかし、レシーバを複数列並べる手法では、レシーバ一本当たりの集光率が低下して伝熱損失が大きくなってしまう。一方、二次ミラーを設ける手法においても、入射した光を１００％レシーバに向けて集光させることは難しく、２０％程度の光がレシーバに到達せずに外へ逃れることが知られている。
【０００９】
そこで、本発明は、集光率を向上させることができる太陽集光システム及び太陽熱発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、レシーバに対して太陽光を集光する集光ミラーを備えた太陽集光システムであって、集光ミラーは、太陽光が入射する表面と表面の反対側の裏面とを有する透明基板と、透明基板の裏面に形成された反射層と、を備え、集光ミラーは、中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、中心軸に垂直な透明基板の断面は、反射層側に向かって凹む弧形状を成していることを特徴とする。
【００１１】
この太陽集光システムによれば、透明基板による太陽光の屈折及び反射層による反射を行う反射屈折系の集光ミラーとすることにより、表面反射である従来の集光ミラーと比べて、像面湾曲の影響を抑制することができるので、レシーバに対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、レシーバや二次ミラーに対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバに到達しない漏れ光を減少させることができる。
【００１２】
上記太陽集光システムにおいては、透明基板は射出成形により成形されても良い。
この場合、フロート法で作成した板ガラスを湾曲させることで透明基板を製造する従来の場合と比べて、正確な湾曲形状の透明基板を高い効率で製造することができる。
【００１３】
上記太陽集光システムにおいては、透明基板の表面には、反射防止膜が形成されていても良い。
この構成によれば、太陽光が透明基板の表面でレシーバ以外の方向に反射される可能性を低減することができるので、太陽光の集光率を一層向上させることができる。
【００１４】
上記太陽集光システムは、レシーバが中心軸に沿う方向で直線状に延在しており、集光ミラーがレシーバに向けて太陽光を集光するように樋状に形成されているリニアフレネル方式の太陽集光システムであっても良い。
この構成によれば、いわゆるリニアフレネル方式の太陽集光システムにおいて、集光率を大幅に向上させることができる。その結果、ある流速でレシーバ内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となるレシーバの長さ（流路の長さ）を短縮できるため、レシーバ内を流れる熱媒が伝熱及び放射により熱損失が生じることを抑制することができ、より効率的な太陽熱の利用を実現することができる。
【００１５】
上記太陽集光システムは、レシーバが地上に立設されたタワー上に設けられており、集光ミラーがレシーバに向けて太陽光を集光するように皿状に形成されているタワー方式の太陽集光システムであっても良い。
この構成によれば、いわゆるタワー方式の太陽集光システムにおいて、集光率を大幅に向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る太陽熱発電システムは、上述した太陽集光システムを備え、レシーバが得た熱を利用して発電を行うことを特徴とする。
本発明に係る太陽熱発電システムによれば、上述した太陽集光システムを備えることにより太陽光の集光率を大幅に向上させることができる。その結果、効率的に太陽光を吸収して太陽熱を得ることができるので、太陽熱発電の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、集光率を向上させることができる。その結果、レシーバや二次ミラーに対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバに到達しない漏れ光を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る太陽熱発電システムを示す斜視図である。
【図２】（ａ）太陽が真上に位置する場合の集光状態を説明するための側面図である。（ｂ）太陽が真上以外に位置する場合の集光状態を説明するための側面図である。
【図３】集光ミラーによる集光状態を説明するための側面図である。
【図４】ＹＺ平面に沿った集光ミラーの拡大断面図である。
【図５】集光ミラーを基準とした太陽光の反射状況を示す図である。
【図６】集光ミラーにおける２β＋αとφ１との関係を示すグラフである。
【図７】従来の集光ミラーにおける２β＋αとφ０との関係を示すグラフである。
【図８】従来の集光ミラーの像面湾曲の発生を示す図である。
【図９】従来の集光ミラーにおける画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。
【図１０】本実施形態に係る集光ミラーの像面湾曲の発生を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る集光ミラーにおける画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。
【図１２】第１の実施形態に係る太陽熱発電システムの変形例を示す側面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る太陽集光システムを示す側面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る集光ミラーの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係る太陽熱発電システム１は、太陽光の集光により得られる太陽熱を利用して発電を行うシステムであり、太陽光を集光するリニアフレネル方式の太陽集光システム１０を備えている。
【００２１】
リニアフレネル方式の太陽集光システム１０は、直線状に延在するレシーバ１１と、レシーバ１１に向かって太陽光Ｔを集光する複数列の集光ミラー１２と、を備えている。以下、レシーバ１１の延在方向をＸ軸方向、鉛直方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の両方に直交する方向をＹ軸方向として説明を行う。
【００２２】
レシーバ１１は、内部を熱媒体が流れる管状の部材である。熱媒体はガス状であっても液体状であっても良い。レシーバ１１は、地面に対して固定されており、左右の支持台１３によって高所に支持されている。集光ミラー１２の集光によりレシーバ１１が得た太陽熱は、内部を流れる熱媒体を通じて発電設備に供給される。発電設備としては、例えば、蒸気タービンなどを用いることができ、熱媒体を通じて供給された太陽熱を利用して発電を行う。
【００２３】
集光ミラー１２は、レシーバ１１に沿ってＸ軸方向に列をなしており、この集光ミラー１２の列がＹ軸方向で複数配列されている。これらの集光ミラー１２は、支持脚１４によって支持され、太陽の動きに追従して回転可能に構成されている。
【００２４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、太陽の動きに追従して集光ミラー１２が回転する様子を示す側面図である。図２（ａ）は、太陽が太陽集光システム１０の真上に位置する場合を示している。また、図２（ｂ）は、太陽が太陽集光システム１０の真上から外れて位置する場合を示している。図３は、一列の集光ミラー１２の反射状態を示す側面図である。図３に、集光ミラー１２の中心軸線Ｃを示す。集光ミラー１２は、Ｘ軸方向に延びる中心軸線Ｃを中心として回転可能に構成されている。
【００２５】
図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図３に示されるように、樋状に湾曲した集光ミラー１２が中心軸線Ｃを中心として回転することにより、太陽の動きに追従した太陽光Ｔの集光が行われる。なお、集光ミラー１２は、図示しないアクチュエータによって回転駆動されている。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、リニアフレネル方式の太陽集光システム１０では、太陽光Ｔが集光ミラー１２の光軸以外の方向から入射してレシーバ１１に反射する状況（いわゆる軸外反射の状況）がほとんどであり、この軸外反射に起因して像面湾曲が発生する。
【００２７】
図４は、ＹＺ平面に沿った集光ミラー１２の拡大断面図である。図３及び図４に示されるように、集光ミラー１２は、透明基板１５、反射防止膜１６、及び反射層１７を備えている。
【００２８】
透明基板１５は、アクリル樹脂などの透明性の高い樹脂材料から構成されている。透明基板１５は、樋状に湾曲した板状の部材であり、中心軸線Ｃに垂直な断面（ＹＺ平面に沿った断面）は反射層１７側に向かって凹む弧形状を成している。透明基板１５は、その形状を維持するために十分な剛性を備えている。
【００２９】
透明基板１５は、レシーバ１１側（表側）の表面１５ａと、表面１５ａの反対側の裏面１５ｂと、を有している。樋状の透明基板１５では、表面１５ａ及び裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状（中心軸線Ｃに直交する断面上の形状）が円弧形状を成している。
【００３０】
なお、表面１５ａ及び裏面１５ｂは、断面形状の円弧の曲率が同一であっても異なっていても良い。また、表面１５ａ及び裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状は、円弧形状ではなく放物線形状などであっても良い。更に、表面１５ａ及び裏面１５ｂの断面形状のうち一方が円弧形状、他方が放物線形状であっても良い。
【００３１】
透明基板１５の表面１５ａには、太陽光Ｔの反射を防止するための反射防止膜１６が形成されている。反射防止膜１６は、例えばフッ化マグネシウムＭｇＦ２からなる膜である。反射防止膜１６は、複数の材料からなる多層の膜であっても良い。このような反射防止膜１６を形成することで、太陽光Ｔが表面１５ａで反射することを避けることができる。なお、反射防止膜１６を必ずしも備える必要はない。
【００３２】
透明基板１５の裏面１５ｂには、反射層１７が形成されている。反射層１７は、例えばアルミニウムＡｌや銀Ａｇなどから形成されている。反射層１７は、裏面１５ｂの全面に形成されていても良く、一部に形成されていても良い。
【００３３】
この透明基板１５は、加熱溶融させた樹脂材料を金型内に射出注入し、金型内で冷却することで成形を行う射出成形により製造される。射出成形は、複雑な形状の成形品を大量に製造することに適している。
【００３４】
次に、本実施形態に係る集光ミラー１２の基礎設計について説明する。図５は、集光ミラー１２を基準としたレシーバ１１の位置変化を示す図である。図５のＴ１〜Ｔ４は、各時刻における太陽光及び反射光を示している。
【００３５】
図５に示されるように、集光ミラー１２の中心（集光ミラー１２の中心軸線Ｃの位置に等しい）とレシーバ１１との距離ｆは常に一定であるため、各時刻におけるレシーバ１１の移動軌跡は集光ミラー１２を中心とした半径ｆの円弧を描く。このため、集光ミラー１２は、太陽光の入射角度に関わらず、距離ｆだけ離れた位置に像面（集点）が形成されるよう構成されることが好ましい。
【００３６】
ここで、三次の像面湾曲収差の収差係数αは、三次の非点収差の収差係数β及びペッツバール和Ｐを用いて下記の式（１）で表されることが知られている。
【数１】
なお、αの逆数がサジタル像面の像面湾曲の曲率半径に相当する。
【００３７】
本実施形態に係る樋状の集光ミラー１２のように曲率方向に画角を持つ線集光シリンドリカル系の場合、サジタル像面は無限遠となるためメリジオナル像面の像面湾曲が意味を持つことになる。また、集光ミラー１２の中心とレシーバ１１との距離（集点距離）ｆはメリジオナル像面の像面湾曲の曲率半径に等しい。このため、下記の式（２）を満たすことで像面湾曲を円弧状に近似してコントロールすることが可能となる。
【数２】
なお、式（２）に式（１）を適用することで下記の式（３）を得ることができる。
【数３】
【００３８】
次に、集光ミラー１２における全系のパワーΦについて考える。光入射時の透明基板１５の表面１５ａのパワーをΦ１、反射層１７（透明基板１５の裏面１５ｂ）のパワーをΦ２、光出射時の表面１５ａのパワーをΦ３、とする。この場合、全系のパワーΦは、集光ミラー１２の透明基板１５の厚さをゼロと仮定する薄肉近似により、下記の式（４）として表される。なお、Φ１及びΦ３は同じ表面１５ａのパワーであるため、等しい値となる。
【数４】
パワーΦは集点距離ｆの逆数であるため、下記の式（５）が得られる。
【数５】
【００３９】
以上の式（２）及び式（５）が満たされる場合、集点距離ｆを半径とする円弧状に像面湾曲を近似的にコントロールすることができる。なお、Φ１及びΦ３は、表面１５ａの曲率半径ｒ１と透明基板１５の屈折率ｎとの関数として下記の式（６）で表される。
【数６】
上記の式（６）より、屈折率ｎを固定値とすれば、Φ１又はΦ３とｒ１とは一対一の対応関係となる。
【００４０】
また、Φ２は、裏面１５ｂの曲率半径ｒ２と透明基板１５の屈折率ｎとの関数として下記の式（７）で表される。なお、表面１５ａの曲率半径ｒ１とは、表面１５ａのＹＺ平面に沿った断面形状である円弧の曲率半径である。裏面１５ｂの曲率半径ｒ２も同様である。
【数７】
上記の式（７）より、屈折率ｎを固定値とすれば、Φ２はｒ２と一対一の対応関係となる。
【００４１】
一方、三次の像面湾曲収差の収差係数α及び三次の非点収差の収差係数βは、透明基板１５の屈折率ｎと厚みｄとを固定値とすることで、Φ１及びΦ２の関数として表すことができる。すなわち、透明基板１５の屈折率ｎと厚みｄとを固定値とすることで、式（２）の左項である２β＋αは、Φ１及びΦ２の関数として表せる。なお、このような関数の導出については、例えばレンズ設計法（松居吉哉 著 共立出版（株））を参照することができる。
【００４２】
図６は、２α＋βとφ１との関係を示すグラフである。このグラフは、Φ１及びΦ２の関数として表した２α＋βをプロットすることで得ることができる。このグラフにおいて、ｆを１００００ｍｍとすると、ｆの逆数は０．０００１０となる。この値をグラフに反映させることで、Φ１の最適値である−０．００００７０が導かれる。グラフからΦ１の最適値を導出する状況を破線の矢印として視覚的に示す。
【００４３】
得られたΦ１の最適値を式（６）に代入することで、表面１５ａの曲率半径ｒ１の最適値が求められる。また、Φ１の最適値を式（５）に代入することで、Φ２の最適値を得ることができる。得られたΦ２の最適値を式（７）に代入することで、裏面１５ｂの曲率半径ｒ２の最適値が求められる。これらの最適値を曲率半径として有する表面１５ａ及び裏面１５ｂとすることで、レシーバ１１の位置に像面（集点）が形成されるように像面湾曲をコントロールすることができる。これにより、像面湾曲の影響の少ない集光ミラー１２の基本設計が達成される。
【００４４】
ここで、表面反射である従来の集光ミラーの場合について考える。従来の集光ミラーにおける表面（反射面）のパワーをΦ０とする。また、従来の集光ミラーの中心とレシーバとの距離をｆとする。この場合、レシーバに太陽光を集光させる必要性から、従来の集光ミラーのパワーΦ０はｆの逆数となるように設定される。
【００４５】
図７は、従来の集光ミラーにおける２α＋βとφ０との関係を示すグラフである。図７に示されるように、従来の集光ミラーにおいては、パワーΦ０がｆの逆数から一意に決まるため、ミラー表面の曲率半径に関する選択肢がない。
【００４６】
従来の集光ミラーの中心とレシーバとの距離ｆを１００００ｍｍとすると、ｆの逆数であるパワーΦ０は０．０００１００に決まる。このパワーΦ０に対応する２α＋βは０．０００２となり、２α＋βとｆの逆数とは一致しない。この状況を破線の矢印を用いて視覚的に示す。図７のグラフから、表面反射である従来の集光ミラーにおいては上記式（２）を満足する条件が存在せず、曲率の変更により像面湾曲をコントロールできないことが明らかとなる。
【００４７】
なお、図７では、２α＋βの値がｆの逆数の二倍に等しいため、従来の集光ミラーによる像面はｆの半分の距離（５０００ｍｍ）を半径とした円弧状に湾曲を発生させてしまう。その結果、従来の集光ミラーから距離ｆ（１００００ｍｍ）離れたレシーバに対する集光性の低下を招く。
【００４８】
続いて、表面反射である従来の集光ミラー５０と本実施形態に係る裏面反射の集光ミラー１２との比較シミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションでは、上述した基本設計に基づいて最適化による微調整を行い、詳細設計を行った状態を演算した。
【００４９】
このシミュレーションでは、集光ミラー１２の中心からレシーバ１１までの距離ｆを１００００ｍｍ、ミラー幅（中心軸線Ｃと直交する方向の幅）を５００ｍｍ、最大画角を±４５degとした。この場合の開口率ＮＡは、０．０２５となる。
【００５０】
また、透明基板１５の厚みを５ｍｍとし、透明基板１５における屈折率をアクリル樹脂の屈折率と同じとした。具体的には、２０℃、１気圧の環境下のアクリル樹脂の屈折率、１．５０７２４８５７（光の波長が４００nmの場合）、１．４９３５８００５（光の波長が５５０nmの場合）、１．４８３２７２９１（光の波長が１０００nmの場合）を採用した。また、表面１５ａのＹＸ平面に沿った断面形状（中心軸線Ｃと直交する断面上の形状）を曲率半径９２１９．７１ｍｍの円弧形状、裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状を曲率半径１４４９９．１９ｍｍの円弧形状とした。
【００５１】
従来の集光ミラー５０についても、集光ミラー５０の中心からレシーバ１１までの距離ｆを１００００ｍｍ、ミラー幅を５００ｍｍ、最大画角を±４５degとした。この場合の開口率ＮＡも、０．０２５となり、集光ミラー１２と同じ値となる。また、従来の集光ミラー５０の表面（反射面）のＹＺ平面に沿った断面形状を曲率半径２１９２０．７２ｍｍの円弧形状とした。
【００５２】
従来の集光ミラー５０におけるシミュレーションの結果を図８及び図９に示す。図８は、従来の集光ミラー５０における像面湾曲の発生を示す図である。図８のＵは、従来の集光ミラー５０の反射光の形成する像面（集点）の軌跡（像面湾曲の状態）を示している。図８のＷは、集点距離ｆを半径とする円弧であり、レシーバ１１の移動軌跡を示している。図９は、従来の集光ミラー５０における画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。画角に対する像面湾曲の変化をＦ０として示す。
【００５３】
図８及び図９に示されるように、従来の集光ミラー５０では、±１０００ｍｍを超える大きな像面湾曲が発生する結果となった。
【００５４】
続いて、本実施形態に係る集光ミラー１２におけるシミュレーションの結果を図１０及び図１１に示す。図１０は、集光ミラー１２における像面湾曲の発生を示す図である。図１１は、集光ミラー１２における画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。集光ミラー１２では、透明基板１５で起きる屈折により光が波長によって分けられる。波長が４００nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ１、波長が５５０nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ２、波長が１０００nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ３として示す。
【００５５】
図１０及び図１１に示されるように、本実施形態に係る集光ミラー１２では、最大でも２００ｍｍの像面湾曲しか発生しなかった。本実施形態に係る集光ミラー１２では、従来の集光ミラー５０の結果と比べて、集光性の悪化が約五分の一となった。
【００５６】
以上説明した第１の実施形態に係る太陽集光システム１０によれば、透明基板１５による太陽光Ｔの屈折及び反射層１７による反射を行う反射屈折系の集光ミラー１２とすることにより、表面反射である従来の集光ミラー５０と比べて、像面湾曲の影響を抑制することができ、レシーバ１１に対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、ある流速でレシーバ１１内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となるレシーバ１１の長さ（流路の長さ）を短縮できるため、レシーバ１１内を流れる熱媒が伝熱及び放射により熱損失が生じることを抑制することができ、より効率的な太陽熱の利用を実現することができる。その結果、レシーバ１１に対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバ１１に到達しない漏れ光を減少させることができる。
【００５７】
また、この太陽集光システム１０では、射出成形により透明基板１５の成形を行うことで、フロート法で作成した板ガラスを湾曲させることで透明基板を製造する従来の場合と比べて、正確な湾曲形状の透明基板１５を高い効率で製造することができる。更に、射出成形によれば、表面１５ａ及び裏面１５ｂの曲率半径が大きく異なっている透明基板１５を製造することも容易となる。
【００５８】
なお、反射層１７をインサート材とした射出成形により、反射層１７を備えた透明基板１５を一工程で製造するようにしても良い。この場合、集光ミラー１２の製造効率をより一層向上させることができる。
【００５９】
また、この太陽集光システム１０によれば、集光ミラー１２における透明基板１５の表面１５ａに反射防止膜１６が形成されているので、太陽光Ｔが表面１５ａでレシーバ１１以外の方向に反射される可能性を低減することができるので、太陽光Ｔの集光率を一層向上させることができる。
【００６０】
本実施形態に係る太陽熱発電システム１は、太陽集光システム１０を備えることにより太陽光Ｔの集光率を大幅に向上させることができる。その結果、効率的にレシーバ１１に太陽光Ｔを吸収させて太陽熱を得ることができるので、太陽熱発電の効率を向上させることができる。
【００６１】
ここで、図１２を参照して第１の実施形態に係る太陽集光システム１０の変形例を説明する。図１２に示されるように、第１の実施形態に係る太陽集光システム１０は、レシーバ１１の上方を覆う二次ミラー２０を備えることができる。
【００６２】
略樋状の二次ミラー２０は、レシーバ１１に向かって下向きに開口して配置されている。二次ミラー２０は、レシーバ１１に沿ってＸ軸方向に延在して配置されている。この二次ミラー２０は、集光ミラー１２からの反射光がレシーバ１１を逸れた場合に、再反射によって太陽光Ｔをレシーバ１１に到達させるためのものである。
【００６３】
二次ミラー２０は、開口面積が大きいほど多くのレシーバ１１から離れた反射光を拾うことができるが、開口面積が大きくなると再反射した光がレシーバ１１に到達せずに逃れる確率が高くなる。開口面積の大きい従来の二次ミラーを破線で図１２に示す。
【００６４】
図１２に示す構成の太陽集光システム１０によれば、二次ミラー２０を備えることで、レシーバ１１から逸れた光を再反射してレシーバ１１に到達させることができるので、システム全体の集光率の更なる向上を図ることができる。しかも、集光ミラー１２の集光率向上により反射光がレシーバ１１に集まるので、従来と比べて二次ミラー２０の小型化を実現することができる。このことは、システム全体の低コスト化に有利である。
【００６５】
また、小型化により二次ミラー２０の開口面積を小さくすることができるので、二次ミラー２０で再反射した光が開口から再び外へ逃れる確率を低減させることができる。
【００６６】
なお、太陽集光システム１０では、集光率の向上により集光スポットを小さくすることができるので、従来のシステムにおいては二次ミラーが必須な場合でも、二次ミラーを不要とすることもできる。その結果、太陽集光システム１０では、システムのコスト削減を図ることができると共に、一次ミラー（集光ミラー１２）上にできる二次ミラーの影による効率低下を避けることができる。
【００６７】
［第２の実施形態］
図１３に示されるように、第２の実施形態に係る太陽集光システム３０は、いわゆるタワー方式の太陽集光システムである。太陽集光システム３０は、地上に立設されたタワー３１と、タワー３１の上部に設けられたレシーバ３２と、レシーバ３２に対して太陽光Ｔを集光する集光ミラー３３と、を備えている。
【００６８】
円筒形状のレシーバ３２は、タワー３１を介して地面に固定されている。レシーバ３２の内部には熱媒体の循環流路が形成されており、集光によりレシーバ３２が得た熱は熱媒体を通じて各種設備に供給される。
【００６９】
集光ミラー３３は、いわゆるディッシュ状（皿状）のミラーである。皿状の集光ミラー３３の反射光は、レシーバ３２に向かって一点に集光する。集光ミラー３３は、タワー３１の周囲に配置されている。これらの集光ミラー３３は、二つの回転軸線（中心軸線）を有しており、これらの回転軸線に対してそれぞれ回転可能に構成されている。集光ミラー３３は、太陽の一日の動き及び太陽の一年間の軌道の変化に対応できるよう、直交する二つの回転軸線を有している。
【００７０】
図１４は、集光ミラー３３のＹＺ平面に沿った拡大断面図である。図１４に示されるように、集光ミラー３３は、透明基板３４、反射防止膜３５、及び反射層３６を有している。皿状の集光ミラー３３は、第１の実施形態に係る樋状の集光ミラー１２と比べて、全体形状のみが異なっている。
【００７１】
樹脂製の透明基板３４は、中央に向かって凹む皿状に形成されている。この透明基板３４も、射出成形により成形される。透明基板３４の表面３４ａ及び裏面３４ｂは、球面形状であり、ＹＺ平面に沿った断面形状（中心軸線に直交する断面上の形状）は円弧形状を成している。
【００７２】
なお、表面３４ａ及び裏面３４ｂは、断面形状の円弧の曲率が同一であっても異なっていても良い。また、表面３４ａ及び裏面３４ｂの断面形状は、円弧形状ではなく放物線形状などであっても良い。更に、表面３４ａ及び裏面３４ｂの断面形状のうち一方が円弧形状、他方が放物線形状であっても良い。
【００７３】
透明基板３４の表面３４ａには、反射防止膜３５が形成されている。また、透明基板３４の裏面３４ｂには、反射層３６が形成されている。反射防止膜３５及び反射層３６の機能については、第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。
【００７４】
以上説明した第２の実施形態に係る太陽集光システム３０によれば、第１の実施形態に係る太陽集光システム１０と同様に、透明基板３４による太陽光Ｔの屈折及び反射層３６による反射を行う反射屈折系の集光ミラー３３とすることにより、表面反射である従来の集光ミラーと比べて、像面湾曲の影響を抑制することができ、レシーバ３２に対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、レシーバ３２内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となる集光ミラー３３の合計面積が少なくなるので、より効率的な土地利用を実現することができる。
【００７５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００７６】
例えば、本実施形態に係る太陽集光システム１０は、太陽熱発電への利用に限られない。太陽熱を利用した給湯、蒸気供給、暖房空調、冷房空調（吸収式冷凍機の高温熱源）など、様々な分野に活用することができる。特に、中規模プラントにおける工場の空調や蒸気供給などの用途に適している。また、レシーバ１１に太陽電池を配置することにより、集光型の太陽電池システムとして活用することもできる。
【００７７】
また、集光ミラー１２，３３は、必ずしも３６０度回転可能な構成である必要はなく、３６０度未満で揺動可能な構成であっても良い。集光ミラー１２，３３の構成は、上述したものに限られず、支持フレームなどの他の部材を備えていても良く。また、透明基板１５，３４における表面１５ａ，３４ａ及び裏面１５ｂ，３４ｂの形状は、全ての面の断面形状が弧状である必要はなく、一部に断面形状が異なる部位を有していても良い。なお、弧状とは、円弧状や放物線状を含む形状を意味する。例えば、透明基板３４の表面３４ａ及び裏面３４ｂは、非球面形状であっても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１…太陽熱発電システム １０，３０…太陽集光システム １１，３２…レシーバ １２，３３…集光ミラー １５，３４…透明基板 １５ａ，３４ａ…表面 １５ｂ，３４ｂ…裏面 １６，３５…反射防止膜 １７，３６…反射層 ２０…二次ミラー ３１…タワー ５０…従来の集光ミラー Ｃ…中心軸線 Ｔ…太陽光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽集光システム及び太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や二酸化炭素排出による諸問題に鑑み、再生可能な自然エネルギーである太陽光の利用が広く検討されている。太陽光エネルギーの利用には、太陽電池により太陽光を直接電気に変換する手法と太陽光を太陽熱として吸収して利用する手法とが知られている。太陽熱として利用する手法には、その熱を利用してタービンなどにより間接的に発電するものも含まれる。
【０００３】
太陽熱の利用は、蓄熱による安定供給を行うことができ、この点が太陽電池に対する優位性として注目されている。特に、発電せずに熱そのものを利用する場合に効率が高く、太陽熱を利用する意義が大きい。このため、特に産業用の蒸気の供給などの中規模なプラントにおいて太陽熱を利用できる太陽集光システムが日本だけではなく欧州などの世界各国でも検討されている。
【０００４】
太陽集光システムとしては、リニアフレネル方式、タワー方式、トラフ方式、ディッシュ方式などが知られており、ここではリニアフレネル方式について説明する。例えば特許文献１には、複数列並べた短冊状のミラーにより太陽光を反射することで直線状のレシーバに集光するリニアフレネル方式の太陽集光システムが開示されている。このようなリニアフレネル方式の太陽熱発電システムでは、管状のレシーバ内部を熱媒体が流れており、集光によってレシーバが受けた熱が熱媒体を介して蒸気タービンなどの発電設備へと送られることで、太陽熱を利用した発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開２０５１０２２Ａ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
リニアフレネル方式で用いるミラーには、表面がフラットなタイプと表面がレシーバに向かって樋状に湾曲したタイプとが存在する。フラットタイプは、ミラー幅以下に集光することはできないため、より集光率を上げたい場合は湾曲タイプのミラーが採用される。
【０００７】
ところで、リニアフレネル方式の特徴の一つとして、レシーバは地面に対して固定され、ミラーは太陽の動きに追従して回転する点が挙げられる。この構成では、湾曲タイプのミラーを用いた集光がいわゆる軸外の集光となり像面湾曲が発生するため、多くの場合、一本のレシーバの幅内に集光させることはできない。
【０００８】
このため、レシーバを複数列並べたり、レシーバの後方に逸れた光を再反射してレシーバに集光させる二次ミラーを設けたりすることで、反射光の漏れを少なくする手法が通常取られる。しかし、レシーバを複数列並べる手法では、レシーバ一本当たりの集光率が低下して伝熱損失が大きくなってしまう。一方、二次ミラーを設ける手法においても、入射した光を１００％レシーバに向けて集光させることは難しく、２０％程度の光がレシーバに到達せずに外へ逃れることが知られている。
【０００９】
そこで、本発明は、集光率を向上させることができる太陽集光システム及び太陽熱発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、レシーバに対して太陽光を集光する集光ミラーを備えた太陽集光システムであって、集光ミラーは、太陽光が入射する表面と表面の反対側の裏面とを有する透明基板と、透明基板の裏面に形成された反射層と、を備え、集光ミラーは、中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、中心軸に垂直な透明基板の断面は、反射層側に向かって凹む弧形状を成していることを特徴とする。
【００１１】
この太陽集光システムによれば、透明基板による太陽光の屈折及び反射層による反射を行う反射屈折系の集光ミラーとすることにより、表面反射である従来の集光ミラーと比べて、像面湾曲の影響を抑制することができるので、レシーバに対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、レシーバや二次ミラーに対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバに到達しない漏れ光を減少させることができる。
【００１２】
上記太陽集光システムにおいては、透明基板は射出成形により成形されても良い。
この場合、フロート法で作成した板ガラスを湾曲させることで透明基板を製造する従来の場合と比べて、正確な湾曲形状の透明基板を高い効率で製造することができる。
【００１３】
上記太陽集光システムにおいては、透明基板の表面には、反射防止膜が形成されていても良い。
この構成によれば、太陽光が透明基板の表面でレシーバ以外の方向に反射される可能性を低減することができるので、太陽光の集光率を一層向上させることができる。
【００１４】
上記太陽集光システムは、レシーバが中心軸に沿う方向で直線状に延在しており、集光ミラーがレシーバに向けて太陽光を集光するように樋状に形成されているリニアフレネル方式の太陽集光システムであっても良い。
この構成によれば、いわゆるリニアフレネル方式の太陽集光システムにおいて、集光率を大幅に向上させることができる。その結果、ある流速でレシーバ内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となるレシーバの長さ（流路の長さ）を短縮できるため、レシーバ内を流れる熱媒が伝熱及び放射により熱損失が生じることを抑制することができ、より効率的な太陽熱の利用を実現することができる。
【００１５】
上記太陽集光システムは、レシーバが地上に立設されたタワー上に設けられており、集光ミラーがレシーバに向けて太陽光を集光するように皿状に形成されているタワー方式の太陽集光システムであっても良い。
この構成によれば、いわゆるタワー方式の太陽集光システムにおいて、集光率を大幅に向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る太陽熱発電システムは、上述した太陽集光システムを備え、レシーバが得た熱を利用して発電を行うことを特徴とする。
本発明に係る太陽熱発電システムによれば、上述した太陽集光システムを備えることにより太陽光の集光率を大幅に向上させることができる。その結果、効率的に太陽光を吸収して太陽熱を得ることができるので、太陽熱発電の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、集光率を向上させることができる。その結果、レシーバや二次ミラーに対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバに到達しない漏れ光を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る太陽熱発電システムを示す斜視図である。
【図２】（ａ）太陽が真上に位置する場合の集光状態を説明するための側面図である。（ｂ）太陽が真上以外に位置する場合の集光状態を説明するための側面図である。
【図３】集光ミラーによる集光状態を説明するための側面図である。
【図４】ＹＺ平面に沿った集光ミラーの拡大断面図である。
【図５】集光ミラーを基準とした太陽光の反射状況を示す図である。
【図６】集光ミラーにおける２β＋αとφ１との関係を示すグラフである。
【図７】従来の集光ミラーにおける２β＋αとφ０との関係を示すグラフである。
【図８】従来の集光ミラーの像面湾曲の発生を示す図である。
【図９】従来の集光ミラーにおける画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。
【図１０】本実施形態に係る集光ミラーの像面湾曲の発生を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る集光ミラーにおける画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。
【図１２】第１の実施形態に係る太陽熱発電システムの変形例を示す側面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る太陽集光システムを示す側面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る集光ミラーの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係る太陽熱発電システム１は、太陽光の集光により得られる太陽熱を利用して発電を行うシステムであり、太陽光を集光するリニアフレネル方式の太陽集光システム１０を備えている。
【００２１】
リニアフレネル方式の太陽集光システム１０は、直線状に延在するレシーバ１１と、レシーバ１１に向かって太陽光Ｔを集光する複数列の集光ミラー１２と、を備えている。以下、レシーバ１１の延在方向をＸ軸方向、鉛直方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の両方に直交する方向をＹ軸方向として説明を行う。
【００２２】
レシーバ１１は、内部を熱媒体が流れる管状の部材である。熱媒体はガス状であっても液体状であっても良い。レシーバ１１は、地面に対して固定されており、左右の支持台１３によって高所に支持されている。集光ミラー１２の集光によりレシーバ１１が得た太陽熱は、内部を流れる熱媒体を通じて発電設備に供給される。発電設備としては、例えば、蒸気タービンなどを用いることができ、熱媒体を通じて供給された太陽熱を利用して発電を行う。
【００２３】
集光ミラー１２は、レシーバ１１に沿ってＸ軸方向に列をなしており、この集光ミラー１２の列がＹ軸方向で複数配列されている。これらの集光ミラー１２は、支持脚１４によって支持され、太陽の動きに追従して回転可能に構成されている。
【００２４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、太陽の動きに追従して集光ミラー１２が回転する様子を示す側面図である。図２（ａ）は、太陽が太陽集光システム１０の真上に位置する場合を示している。また、図２（ｂ）は、太陽が太陽集光システム１０の真上から外れて位置する場合を示している。図３は、一列の集光ミラー１２の反射状態を示す側面図である。図３に、集光ミラー１２の中心軸線Ｃを示す。集光ミラー１２は、Ｘ軸方向に延びる中心軸線Ｃを中心として回転可能に構成されている。
【００２５】
図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図３に示されるように、樋状に湾曲した集光ミラー１２が中心軸線Ｃを中心として回転することにより、太陽の動きに追従した太陽光Ｔの集光が行われる。なお、集光ミラー１２は、図示しないアクチュエータによって回転駆動されている。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、リニアフレネル方式の太陽集光システム１０では、太陽光Ｔが集光ミラー１２の光軸以外の方向から入射してレシーバ１１に反射する状況（いわゆる軸外反射の状況）がほとんどであり、この軸外反射に起因して像面湾曲が発生する。
【００２７】
図４は、ＹＺ平面に沿った集光ミラー１２の拡大断面図である。図３及び図４に示されるように、集光ミラー１２は、透明基板１５、反射防止膜１６、及び反射層１７を備えている。
【００２８】
透明基板１５は、アクリル樹脂などの透明性の高い樹脂材料から構成されている。透明基板１５は、樋状に湾曲した板状の部材であり、中心軸線Ｃに垂直な断面（ＹＺ平面に沿った断面）は反射層１７側に向かって凹む弧形状を成している。透明基板１５は、その形状を維持するために十分な剛性を備えている。
【００２９】
透明基板１５は、レシーバ１１側（表側）の表面１５ａと、表面１５ａの反対側の裏面１５ｂと、を有している。樋状の透明基板１５では、表面１５ａ及び裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状（中心軸線Ｃに直交する断面上の形状）が円弧形状を成している。
【００３０】
なお、表面１５ａ及び裏面１５ｂは、断面形状の円弧の曲率が同一であっても異なっていても良い。また、表面１５ａ及び裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状は、円弧形状ではなく放物線形状などであっても良い。更に、表面１５ａ及び裏面１５ｂの断面形状のうち一方が円弧形状、他方が放物線形状であっても良い。
【００３１】
透明基板１５の表面１５ａには、太陽光Ｔの反射を防止するための反射防止膜１６が形成されている。反射防止膜１６は、例えばフッ化マグネシウムＭｇＦ２からなる膜である。反射防止膜１６は、複数の材料からなる多層の膜であっても良い。このような反射防止膜１６を形成することで、太陽光Ｔが表面１５ａで反射することを避けることができる。なお、反射防止膜１６を必ずしも備える必要はない。
【００３２】
透明基板１５の裏面１５ｂには、反射層１７が形成されている。反射層１７は、例えばアルミニウムＡｌや銀Ａｇなどから形成されている。反射層１７は、裏面１５ｂの全面に形成されていても良く、一部に形成されていても良い。
【００３３】
この透明基板１５は、加熱溶融させた樹脂材料を金型内に射出注入し、金型内で冷却することで成形を行う射出成形により製造される。射出成形は、複雑な形状の成形品を大量に製造することに適している。
【００３４】
次に、本実施形態に係る集光ミラー１２の基礎設計について説明する。図５は、集光ミラー１２を基準としたレシーバ１１の位置変化を示す図である。図５のＴ１〜Ｔ４は、各時刻における太陽光及び反射光を示している。
【００３５】
図５に示されるように、集光ミラー１２の中心（集光ミラー１２の中心軸線Ｃの位置に等しい）とレシーバ１１との距離ｆは常に一定であるため、各時刻におけるレシーバ１１の移動軌跡は集光ミラー１２を中心とした半径ｆの円弧を描く。このため、集光ミラー１２は、太陽光の入射角度に関わらず、距離ｆだけ離れた位置に像面（集点）が形成されるよう構成されることが好ましい。
【００３６】
ここで、三次の像面湾曲収差の収差係数αは、三次の非点収差の収差係数β及びペッツバール和Ｐを用いて下記の式（１）で表されることが知られている。
【数１】
なお、αの逆数がサジタル像面の像面湾曲の曲率半径に相当する。
【００３７】
本実施形態に係る樋状の集光ミラー１２のように曲率方向に画角を持つ線集光シリンドリカル系の場合、サジタル像面は無限遠となるためメリジオナル像面の像面湾曲が意味を持つことになる。また、集光ミラー１２の中心とレシーバ１１との距離（集点距離）ｆはメリジオナル像面の像面湾曲の曲率半径に等しい。このため、下記の式（２）を満たすことで像面湾曲を円弧状に近似してコントロールすることが可能となる。
【数２】
なお、式（２）に式（１）を適用することで下記の式（３）を得ることができる。
【数３】
【００３８】
次に、集光ミラー１２における全系のパワーΦについて考える。光入射時の透明基板１５の表面１５ａのパワーをΦ１、反射層１７（透明基板１５の裏面１５ｂ）のパワーをΦ２、光出射時の表面１５ａのパワーをΦ３、とする。この場合、全系のパワーΦは、集光ミラー１２の透明基板１５の厚さをゼロと仮定する薄肉近似により、下記の式（４）として表される。なお、Φ１及びΦ３は同じ表面１５ａのパワーであるため、等しい値となる。
【数４】
パワーΦは集点距離ｆの逆数であるため、下記の式（５）が得られる。
【数５】
【００３９】
以上の式（２）及び式（５）が満たされる場合、集点距離ｆを半径とする円弧状に像面湾曲を近似的にコントロールすることができる。なお、Φ１及びΦ３は、表面１５ａの曲率半径ｒ１と透明基板１５の屈折率ｎとの関数として下記の式（６）で表される。
【数６】
上記の式（６）より、屈折率ｎを固定値とすれば、Φ１又はΦ３とｒ１とは一対一の対応関係となる。
【００４０】
また、Φ２は、裏面１５ｂの曲率半径ｒ２と透明基板１５の屈折率ｎとの関数として下記の式（７）で表される。なお、表面１５ａの曲率半径ｒ１とは、表面１５ａのＹＺ平面に沿った断面形状である円弧の曲率半径である。裏面１５ｂの曲率半径ｒ２も同様である。
【数７】
上記の式（７）より、屈折率ｎを固定値とすれば、Φ２はｒ２と一対一の対応関係となる。
【００４１】
一方、三次の像面湾曲収差の収差係数α及び三次の非点収差の収差係数βは、透明基板１５の屈折率ｎと厚みｄとを固定値とすることで、Φ１及びΦ２の関数として表すことができる。すなわち、透明基板１５の屈折率ｎと厚みｄとを固定値とすることで、式（２）の左項である２β＋αは、Φ１及びΦ２の関数として表せる。なお、このような関数の導出については、例えばレンズ設計法（松居吉哉 著 共立出版（株））を参照することができる。
【００４２】
図６は、２α＋βとφ１との関係を示すグラフである。このグラフは、Φ１及びΦ２の関数として表した２α＋βをプロットすることで得ることができる。このグラフにおいて、ｆを１００００ｍｍとすると、ｆの逆数は０．０００１０となる。この値をグラフに反映させることで、Φ１の最適値である−０．００００７０が導かれる。グラフからΦ１の最適値を導出する状況を破線の矢印として視覚的に示す。
【００４３】
得られたΦ１の最適値を式（６）に代入することで、表面１５ａの曲率半径ｒ１の最適値が求められる。また、Φ１の最適値を式（５）に代入することで、Φ２の最適値を得ることができる。得られたΦ２の最適値を式（７）に代入することで、裏面１５ｂの曲率半径ｒ２の最適値が求められる。これらの最適値を曲率半径として有する表面１５ａ及び裏面１５ｂとすることで、レシーバ１１の位置に像面（集点）が形成されるように像面湾曲をコントロールすることができる。これにより、像面湾曲の影響の少ない集光ミラー１２の基本設計が達成される。
【００４４】
ここで、表面反射である従来の集光ミラーの場合について考える。従来の集光ミラーにおける表面（反射面）のパワーをΦ０とする。また、従来の集光ミラーの中心とレシーバとの距離をｆとする。この場合、レシーバに太陽光を集光させる必要性から、従来の集光ミラーのパワーΦ０はｆの逆数となるように設定される。
【００４５】
図７は、従来の集光ミラーにおける２α＋βとφ０との関係を示すグラフである。図７に示されるように、従来の集光ミラーにおいては、パワーΦ０がｆの逆数から一意に決まるため、ミラー表面の曲率半径に関する選択肢がない。
【００４６】
従来の集光ミラーの中心とレシーバとの距離ｆを１００００ｍｍとすると、ｆの逆数であるパワーΦ０は０．０００１００に決まる。このパワーΦ０に対応する２α＋βは０．０００２となり、２α＋βとｆの逆数とは一致しない。この状況を破線の矢印を用いて視覚的に示す。図７のグラフから、表面反射である従来の集光ミラーにおいては上記式（２）を満足する条件が存在せず、曲率の変更により像面湾曲をコントロールできないことが明らかとなる。
【００４７】
なお、図７では、２α＋βの値がｆの逆数の二倍に等しいため、従来の集光ミラーによる像面はｆの半分の距離（５０００ｍｍ）を半径とした円弧状に湾曲を発生させてしまう。その結果、従来の集光ミラーから距離ｆ（１００００ｍｍ）離れたレシーバに対する集光性の低下を招く。
【００４８】
続いて、表面反射である従来の集光ミラー５０と本実施形態に係る裏面反射の集光ミラー１２との比較シミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションでは、上述した基本設計に基づいて最適化による微調整を行い、詳細設計を行った状態を演算した。
【００４９】
このシミュレーションでは、集光ミラー１２の中心からレシーバ１１までの距離ｆを１００００ｍｍ、ミラー幅（中心軸線Ｃと直交する方向の幅）を５００ｍｍ、最大画角を±４５degとした。この場合の開口率ＮＡは、０．０２５となる。
【００５０】
また、透明基板１５の厚みを５ｍｍとし、透明基板１５における屈折率をアクリル樹脂の屈折率と同じとした。具体的には、２０℃、１気圧の環境下のアクリル樹脂の屈折率、１．５０７２４８５７（光の波長が４００nmの場合）、１．４９３５８００５（光の波長が５５０nmの場合）、１．４８３２７２９１（光の波長が１０００nmの場合）を採用した。また、表面１５ａのＹＸ平面に沿った断面形状（中心軸線Ｃと直交する断面上の形状）を曲率半径９２１９．７１ｍｍの円弧形状、裏面１５ｂのＹＺ平面に沿った断面形状を曲率半径１４４９９．１９ｍｍの円弧形状とした。
【００５１】
従来の集光ミラー５０についても、集光ミラー５０の中心からレシーバ１１までの距離ｆを１００００ｍｍ、ミラー幅を５００ｍｍ、最大画角を±４５degとした。この場合の開口率ＮＡも、０．０２５となり、集光ミラー１２と同じ値となる。また、従来の集光ミラー５０の表面（反射面）のＹＺ平面に沿った断面形状を曲率半径２１９２０．７２ｍｍの円弧形状とした。
【００５２】
従来の集光ミラー５０におけるシミュレーションの結果を図８及び図９に示す。図８は、従来の集光ミラー５０における像面湾曲の発生を示す図である。図８のＵは、従来の集光ミラー５０の反射光の形成する像面（集点）の軌跡（像面湾曲の状態）を示している。図８のＷは、集点距離ｆを半径とする円弧であり、レシーバ１１の移動軌跡を示している。図９は、従来の集光ミラー５０における画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。画角に対する像面湾曲の変化をＦ０として示す。
【００５３】
図８及び図９に示されるように、従来の集光ミラー５０では、±１０００ｍｍを超える大きな像面湾曲が発生する結果となった。
【００５４】
続いて、本実施形態に係る集光ミラー１２におけるシミュレーションの結果を図１０及び図１１に示す。図１０は、集光ミラー１２における像面湾曲の発生を示す図である。図１１は、集光ミラー１２における画角と像面湾曲との関係を示すグラフである。集光ミラー１２では、透明基板１５で起きる屈折により光が波長によって分けられる。波長が４００nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ１、波長が５５０nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ２、波長が１０００nmの光の画角に対する像面湾曲の変化をＦ３として示す。
【００５５】
図１０及び図１１に示されるように、本実施形態に係る集光ミラー１２では、最大でも２００ｍｍの像面湾曲しか発生しなかった。本実施形態に係る集光ミラー１２では、従来の集光ミラー５０の結果と比べて、集光性の悪化が約五分の一となった。
【００５６】
以上説明した第１の実施形態に係る太陽集光システム１０によれば、透明基板１５による太陽光Ｔの屈折及び反射層１７による反射を行う反射屈折系の集光ミラー１２とすることにより、表面反射である従来の集光ミラー５０と比べて、像面湾曲の影響を抑制することができ、レシーバ１１に対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、ある流速でレシーバ１１内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となるレシーバ１１の長さ（流路の長さ）を短縮できるため、レシーバ１１内を流れる熱媒が伝熱及び放射により熱損失が生じることを抑制することができ、より効率的な太陽熱の利用を実現することができる。その結果、レシーバ１１に対する集光スポットの大きさが小さくなるので、太陽に対する追尾制御の精度が緩和されると共に、レシーバ１１に到達しない漏れ光を減少させることができる。
【００５７】
また、この太陽集光システム１０では、射出成形により透明基板１５の成形を行うことで、フロート法で作成した板ガラスを湾曲させることで透明基板を製造する従来の場合と比べて、正確な湾曲形状の透明基板１５を高い効率で製造することができる。更に、射出成形によれば、表面１５ａ及び裏面１５ｂの曲率半径が大きく異なっている透明基板１５を製造することも容易となる。
【００５８】
なお、反射層１７をインサート材とした射出成形により、反射層１７を備えた透明基板１５を一工程で製造するようにしても良い。この場合、集光ミラー１２の製造効率をより一層向上させることができる。
【００５９】
また、この太陽集光システム１０によれば、集光ミラー１２における透明基板１５の表面１５ａに反射防止膜１６が形成されているので、太陽光Ｔが表面１５ａでレシーバ１１以外の方向に反射される可能性を低減することができるので、太陽光Ｔの集光率を一層向上させることができる。
【００６０】
本実施形態に係る太陽熱発電システム１は、太陽集光システム１０を備えることにより太陽光Ｔの集光率を大幅に向上させることができる。その結果、効率的にレシーバ１１に太陽光Ｔを吸収させて太陽熱を得ることができるので、太陽熱発電の効率を向上させることができる。
【００６１】
ここで、図１２を参照して第１の実施形態に係る太陽集光システム１０の変形例を説明する。図１２に示されるように、第１の実施形態に係る太陽集光システム１０は、レシーバ１１の上方を覆う二次ミラー２０を備えることができる。
【００６２】
略樋状の二次ミラー２０は、レシーバ１１に向かって下向きに開口して配置されている。二次ミラー２０は、レシーバ１１に沿ってＸ軸方向に延在して配置されている。この二次ミラー２０は、集光ミラー１２からの反射光がレシーバ１１を逸れた場合に、再反射によって太陽光Ｔをレシーバ１１に到達させるためのものである。
【００６３】
二次ミラー２０は、開口面積が大きいほど多くのレシーバ１１から離れた反射光を拾うことができるが、開口面積が大きくなると再反射した光がレシーバ１１に到達せずに逃れる確率が高くなる。開口面積の大きい従来の二次ミラーを破線で図１２に示す。
【００６４】
図１２に示す構成の太陽集光システム１０によれば、二次ミラー２０を備えることで、レシーバ１１から逸れた光を再反射してレシーバ１１に到達させることができるので、システム全体の集光率の更なる向上を図ることができる。しかも、集光ミラー１２の集光率向上により反射光がレシーバ１１に集まるので、従来と比べて二次ミラー２０の小型化を実現することができる。このことは、システム全体の低コスト化に有利である。
【００６５】
また、小型化により二次ミラー２０の開口面積を小さくすることができるので、二次ミラー２０で再反射した光が開口から再び外へ逃れる確率を低減させることができる。
【００６６】
なお、太陽集光システム１０では、集光率の向上により集光スポットを小さくすることができるので、従来のシステムにおいては二次ミラーが必須な場合でも、二次ミラーを不要とすることもできる。その結果、太陽集光システム１０では、システムのコスト削減を図ることができると共に、一次ミラー（集光ミラー１２）上にできる二次ミラーの影による効率低下を避けることができる。
【００６７】
［第２の実施形態］
図１３に示されるように、第２の実施形態に係る太陽集光システム３０は、いわゆるタワー方式の太陽集光システムである。太陽集光システム３０は、地上に立設されたタワー３１と、タワー３１の上部に設けられたレシーバ３２と、レシーバ３２に対して太陽光Ｔを集光する集光ミラー３３と、を備えている。
【００６８】
円筒形状のレシーバ３２は、タワー３１を介して地面に固定されている。レシーバ３２の内部には熱媒体の循環流路が形成されており、集光によりレシーバ３２が得た熱は熱媒体を通じて各種設備に供給される。
【００６９】
集光ミラー３３は、いわゆるディッシュ状（皿状）のミラーである。皿状の集光ミラー３３の反射光は、レシーバ３２に向かって一点に集光する。集光ミラー３３は、タワー３１の周囲に配置されている。これらの集光ミラー３３は、二つの回転軸線（中心軸線）を有しており、これらの回転軸線に対してそれぞれ回転可能に構成されている。集光ミラー３３は、太陽の一日の動き及び太陽の一年間の軌道の変化に対応できるよう、直交する二つの回転軸線を有している。
【００７０】
図１４は、集光ミラー３３のＹＺ平面に沿った拡大断面図である。図１４に示されるように、集光ミラー３３は、透明基板３４、反射防止膜３５、及び反射層３６を有している。皿状の集光ミラー３３は、第１の実施形態に係る樋状の集光ミラー１２と比べて、全体形状のみが異なっている。
【００７１】
樹脂製の透明基板３４は、中央に向かって凹む皿状に形成されている。この透明基板３４も、射出成形により成形される。透明基板３４の表面３４ａ及び裏面３４ｂは、球面形状であり、ＹＺ平面に沿った断面形状（中心軸線に直交する断面上の形状）は円弧形状を成している。
【００７２】
なお、表面３４ａ及び裏面３４ｂは、断面形状の円弧の曲率が同一であっても異なっていても良い。また、表面３４ａ及び裏面３４ｂの断面形状は、円弧形状ではなく放物線形状などであっても良い。更に、表面３４ａ及び裏面３４ｂの断面形状のうち一方が円弧形状、他方が放物線形状であっても良い。
【００７３】
透明基板３４の表面３４ａには、反射防止膜３５が形成されている。また、透明基板３４の裏面３４ｂには、反射層３６が形成されている。反射防止膜３５及び反射層３６の機能については、第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。
【００７４】
以上説明した第２の実施形態に係る太陽集光システム３０によれば、第１の実施形態に係る太陽集光システム１０と同様に、透明基板３４による太陽光Ｔの屈折及び反射層３６による反射を行う反射屈折系の集光ミラー３３とすることにより、表面反射である従来の集光ミラーと比べて、像面湾曲の影響を抑制することができ、レシーバ３２に対する集光率を大幅に向上させることができる。その結果、レシーバ３２内を流れる熱媒を所望の温度にするために必要となる集光ミラー３３の合計面積が少なくなるので、より効率的な土地利用を実現することができる。
【００７５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００７６】
例えば、本実施形態に係る太陽集光システム１０は、太陽熱発電への利用に限られない。太陽熱を利用した給湯、蒸気供給、暖房空調、冷房空調（吸収式冷凍機の高温熱源）など、様々な分野に活用することができる。特に、中規模プラントにおける工場の空調や蒸気供給などの用途に適している。また、レシーバ１１に太陽電池を配置することにより、集光型の太陽電池システムとして活用することもできる。
【００７７】
また、集光ミラー１２，３３は、必ずしも３６０度回転可能な構成である必要はなく、３６０度未満で揺動可能な構成であっても良い。集光ミラー１２，３３の構成は、上述したものに限られず、支持フレームなどの他の部材を備えていても良く。また、透明基板１５，３４における表面１５ａ，３４ａ及び裏面１５ｂ，３４ｂの形状は、全ての面の断面形状が弧状である必要はなく、一部に断面形状が異なる部位を有していても良い。なお、弧状とは、円弧状や放物線状を含む形状を意味する。例えば、透明基板３４の表面３４ａ及び裏面３４ｂは、非球面形状であっても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１…太陽熱発電システム １０，３０…太陽集光システム １１，３２…レシーバ １２，３３…集光ミラー １５，３４…透明基板 １５ａ，３４ａ…表面 １５ｂ，３４ｂ…裏面 １６，３５…反射防止膜 １７，３６…反射層 ２０…二次ミラー ３１…タワー ５０…従来の集光ミラー Ｃ…中心軸線 Ｔ…太陽光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レシーバに対して太陽光を集光する集光ミラーを備えた太陽集光システムであって、
前記集光ミラーは、
太陽光が入射する表面と前記表面の反対側の裏面とを有する透明基板と、
前記透明基板の前記裏面に形成された反射層と、を備え、
前記集光ミラーは、所定の中心軸線を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、
前記透明基板のうち前記中心軸線に垂直な断面は、前記反射層側に向かって凹む弧形状を成していることを特徴とする太陽集光システム。
【請求項２】
前記透明基板は、射出成形により成形される樹脂製の基板であることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光システム。
【請求項３】
前記透明基板の前記表面には、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽集光システム。
【請求項４】
前記レシーバは前記中心軸に沿う方向で直線状に延在しており、前記集光ミラーは前記レシーバに向けて太陽光を集光するように樋状に形成されているリニアフレネル方式の太陽集光システムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽集光システム。
【請求項５】
前記レシーバは地上に立設されたタワー上に設けられており、前記集光ミラーは前記レシーバに向けて太陽光を集光するように皿状に形成されているタワー方式の太陽集光システムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽集光システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか一項に記載の太陽集光システムを備え、前記レシーバが得た熱を利用して発電を行うことを特徴とする太陽熱発電システム。
【請求項１】
レシーバに対して太陽光を集光する集光ミラーを備えた太陽集光システムであって、
前記集光ミラーは、
太陽光が入射する表面と前記表面の反対側の裏面とを有する透明基板と、
前記透明基板の前記裏面に形成された反射層と、を備え、
前記集光ミラーは、所定の中心軸線を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、
前記透明基板のうち前記中心軸線に垂直な断面は、前記反射層側に向かって凹む弧形状を成していることを特徴とする太陽集光システム。
【請求項２】
前記透明基板は、射出成形により成形される樹脂製の基板であることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光システム。
【請求項３】
前記透明基板の前記表面には、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽集光システム。
【請求項４】
前記レシーバは前記中心軸に沿う方向で直線状に延在しており、前記集光ミラーは前記レシーバに向けて太陽光を集光するように樋状に形成されているリニアフレネル方式の太陽集光システムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽集光システム。
【請求項５】
前記レシーバは地上に立設されたタワー上に設けられており、前記集光ミラーは前記レシーバに向けて太陽光を集光するように皿状に形成されているタワー方式の太陽集光システムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽集光システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか一項に記載の太陽集光システムを備え、前記レシーバが得た熱を利用して発電を行うことを特徴とする太陽熱発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−７９７８７（Ｐ２０１３−７９７８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０９９０（Ｐ２０１１−２２０９９０）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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