JP2003279165A - 太陽放射集中装置 - Google Patents

太陽放射集中装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】幅広い入射光の入射角の領域に対して高い集光
比を実現する太陽放射集中装置を提供することにある。 【解決手段】太陽放射の向きの変化に対応して設置面内
において回動される基体10と、複数の反射鏡連結体1
12、120、及び130と、互いに平行に配置される
複数の回転軸を定義する複数の回転軸提供部材30と、
該複数の反射鏡連結体をそれぞれ該複数の回転軸の回り
に回動するための運動体40と、該複数の反射鏡連結体
の形状を制御する複数のカム210、220、及び23
0を有するカム機構とを有する太陽放射集中装置が提供
される。それぞれの反射鏡連結体は旋回関節を介して長
手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡
を有する。これにより該反射鏡連結体の端部が自由端と
なる。該カム機構は該回動機構と協調してそれぞれの反
射鏡連結体の自由端の位置を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽熱システム、太
陽熱調理器、太陽炉、太陽光発電システム、蒸留装置、
太陽光照明装置、あるいは化学反応システム等に使用さ
れる太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法に関する。
【0002】
【従来の技術】太陽放射のエネルギーを利用する背景技
術として、例えば、太陽光発電システム、太陽熱システ
ム、太陽炉、塩水淡水化システム等の蒸留装置、化学反
応システム、あるいは太陽光照明システムがある。
【0003】太陽放射のエネルギー密度は約1kW/m
であるが、これらのエネルギーシステムを高いエネル
ギー密度で動作させる場合には太陽放射の集光が行われ
る。太陽放射を集光する集光素子として、例えば、フレ
ネルレンズ、放物面鏡がある。
【0004】このような集光素子を搭載する集光光学系
を用いて太陽放射が太陽エネルギー変換装置に集中され
る場合、一般的に、太陽放射の入射方向を該集光光学系
の光軸と一致させることが、高い集光比を得る上で重要
である。即ち、太陽放射の入射方向の変化に応じて、該
集光素子を回動させ、かつ該太陽エネルギー変換装置を
該集光素子の焦点と一致させる追尾機構を搭載した太陽
エネルギーシステムでは高い集光比で太陽放射が利用さ
れている。
【0005】このような太陽エネルギーシステムを長期
にわたり運用する為には、強風等への耐久性が要求され
る。集光素子の高さが増加する場合には、風圧による悪
影響が著しく増加する。このため高い高度に延伸する集
光素子を利用した場合には、該集光素子及び該追尾機構
の力学的強度を維持するためのコストが増加する。この
ため大型の集光素子の利用には一定の限界があった。
【0006】更に、平面鏡を利用して固定された領域に
太陽放射を照射する場合にも同様の追尾機構の大型化に
伴う問題点があった。
【0007】別の背景技術として、ヘリオスタットと呼
ばれるエネルギーシステムが知られている。このヘリオ
スタットは、複数の平面反射鏡と該複数の平面反射鏡を
それぞれ駆動する複数の追尾装置を有する。該複数の平
面反射鏡により反射された太陽放射は固定された照射領
域に集中して照射される。高い集光比で太陽放射を集光
するヘリオスタットでは、多数の高精度の追尾装置を搭
載する。しかしこの場合追尾機構のコストが高く、その
低減が要求されている。更に、大型の平面反射鏡を使用
する場合、上述した風圧による悪影響、あるいは追尾機
構の大型化に伴う問題点があった。
【0008】このような観点からなされた更に別の背景
技術として、それぞれ特定の軸を中心として回転可能な
多数の小反射鏡と、制御体と、各小反射鏡を該制御体と
連結する共通のリンクとを有する太陽光線集光装置が日
本国公開特許広報、特開昭51−27347に開示され
ている。該制御体が移動することにより各小反射鏡は同
量の変化量の角度で回転する。該制御体がある特定の位
置にある場合には、各小反射鏡はある特定の入射角の平
行光線を特定の集光位置に反射集光する角度を有してい
る。該平行入射光線の入射角の変化に対応して該制御体
の位置を制御することにより、該太陽光線集光装置は各
小反射鏡の反射光を該集光位置に集中させるように設計
されている。
【0009】しかしながら複数の反射鏡全体を所定の焦
点に太陽放射を収束させる集光光学系として考察した場
合、該太陽光線集光装置において、入射光の入射角の変
化量の増加と共に、集光比が著しく損なわれるという問
題点があった。該特開昭51−27347公報にはこの
ような集光比の低下に関する言及は無く、これを克服す
る教唆は開示されていない。
【0010】本発明は上記に鑑みなされたもので、本発
明の一目的は、幅広い入射光の入射角の領域に対して高
い集光比を実現する、複数の反射鏡を一斉に駆動する新
規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法を提供する
ことにある。
【0011】本発明の別の一目的は、高い集光比で太陽
エネルギーを利用する新規な太陽放射集中装置及び太陽
放射集中方法の提供にある。
【0012】本発明の別の一目的は、太陽放射の収集効
率の高い新規な太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法
の提供にある。
【0013】本発明の別の一目的は低コストの新規な太
陽放射集中装置及び太陽放射集中方法を提供することに
ある。
【0014】本発明の更に別の一目的は、太陽放射集中
装置における風などの外部環境に対する太陽エネルギー
システムの耐久性を向上させることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載された太
陽放射集中装置は、太陽放射の向きの変化に対応して設
置面内において回動される基体と、複数の反射鏡連結体
と、該基体上において互いに平行に配置される複数の回
転軸を定義する複数の回転軸提供部材と、太陽放射の追
尾の為に該複数の反射鏡連結体をそれぞれ該複数の回転
軸の回りに回動するための回動機構と、該複数の反射鏡
連結体の形状を制御するカム機構とを有する。それぞれ
の反射鏡連結体は単数または複数の旋回関節を介して長
手方向に沿って延伸するように連結される複数の反射鏡
を有する。これにより該反射鏡連結体の少なくとも1つ
の端部が自由端となるような構造が実現される。該カム
機構は、該回動機構と協調して、それぞれの反射鏡連結
体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位置となる
ように該自由端の位置を変化させるための所定の形状を
有するカムを有する。
【0016】請求項2に記載された太陽放射集中装置
は、太陽放射の向きの変化に対応して設置面内において
回動される基体と、反射鏡連結体と、該反射鏡連結体を
回動する為の回転軸を定義する回転軸提供部材と、太陽
放射の追尾の為に該反射鏡連結体を該回転軸の回りに回
動するための回動機構と、該反射鏡連結体の形状を制御
する制御機構とを有する。反射鏡連結体は単数または複
数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸するように
連結される複数の反射鏡を有する。これにより該反射鏡
連結体の少なくとも1つの端部が自由端となるような構
造が実現される。該制御機構は、該回動機構と協調し
て、該反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に
適する位置となるように該自由端の位置を変化させるた
めの所定の形状を有する部材を有する。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明をより詳細に説述するため
に、添付の図面を引用して本発明は説明される。いくつ
かの図を通して、同一の参照番号は同一もしくは対応す
る部分を示す。
【0018】本発明の一実施形態による太陽放射集中装
置は図1−8に言及して説明される。図1は、本発明の
一実施形態による太陽放射集中装置を説示する概念図で
ある。
【0019】図1において、太陽放射集中装置は、基体
10と、第1の反射鏡連結体110、第2の反射鏡連結
体120、第3の反射鏡連結体130、複数の回転軸提
供部材30と、運動体40と、第1の一対のカム21
0、第2の一対のカム220、及び第3の一対のカム2
30を有する。
【0020】基体10は、太陽放射の向きの変化に対応
して、設置面内において回動される。図1に説示される
3本の矢印XYZは、該基体10とともに動く動座標系
であるXYZ直交座標系を表わす。このXYZ座標系は
以降の説明の容易の為に使用される。太陽放射がX軸に
沿って入射するように該基体10は回動する。即ち、該
XYZ座標系において、入射太陽放射に平行なベクトル
のY成分は常時ゼロである。該基体10上に、該第1の
反射鏡連結体110、該第2の反射鏡連結体120、該
第3の反射鏡連結体130、該複数の回転軸提供部材3
0、該運動体40、該第1の一対のカム210、該第2
の一対のカム220、及び該第3の一対のカム230は
搭載される。
【0021】図2は、該第1の反射鏡連結体110を説
示する図である。図2において、該第1の反射鏡連結体
110は、主基板112、該主基板112上に搭載され
る反射面112R、一対の側基板114、該一対の側基
板114上にそれぞれ搭載される一対の反射面114
R、及び該一対の側基板114と該主基板112との接
続部それぞれ配備される一対の旋回関節118とを有す
る。該第1の反射鏡連結体110の両端110R及び1
10Lは該旋回関節118回りの回転が可能な自由端で
ある。
【0022】該主基板112は一対の回転軸提供部材3
0に接続される。該一対の回転軸提供部材30はそれぞ
れ基体10に強固に接続される。これにより該主基板1
12は該一対の回転軸提供部材30を通る直線の回りに
回転可能である。即ち、Y軸に平行な直線の回りに回転
可能である。該主基板112が回転する場合、該一対の
旋回関節118及び該一対の側基板114もY軸の回り
に回転する。
【0023】該反射面112Rは複数の正方形の平板反
射面が放物面に沿って配列された構造を有する。それぞ
れの反射面114Rも複数の正方形の平板反射面が放物
面に沿って配列された構造を有する。該反射面112R
及び該反射面114Rはそれぞれ太陽放射を所定の集光
領域に集光するために要求される焦点距離を有する。
【0024】図3は、該太陽放射集中装置の断面を説示
する図である。重力あるいはその他の力を利用して、該
一対のカム210はそれぞれ該一対の側基板114と摺
動可能な状態で接触する。即ち、それぞれの基板114
は該カム210により支持される。該一対のカム210
は該一対の側基板の向き、即ち該側基板114と該主基
板112との間の角Bを定める。
【0025】図2に説示された反射面に替わり、図4及
び5に説示される形状の反射面が使用されてもよい。図
4及び5において、主基板112上に反射面112Rと
しての放物面が描かれている。矢印Pは、該放物面の光
軸に沿って入射する入射光に平行なベクトルを表わす。
また、複数の矢印は該放物面により反射された光の進行
方向を説示する。この放物面により反射された光は集光
領域900に向けて進行する。なお、図4及び5におい
て、図示の容易の為、放物面のZ方向は拡大されて描か
れている。
【0026】図1において、該運動体40は該基体10
上をX軸に平行に運動する。該主基板112は直接該運
動体40と接触する。該運動体40の運動とともに、該
主基板112は該一対の回転軸提供部材30を通る直線
の回りに回動される。該主基板112の反射面により反
射された太陽放射が所定の集光領域に集中されるように
該運動体40の位置は制御される。
【0027】該第2の反射鏡連結体120及び該第3の
反射鏡連結体130は、それぞれ該第1の反射鏡連結体
110と同様の構造を有する。即ち、該第2の反射鏡連
結体120は主基板122及び一対の側基板124を有
し、該第3の反射鏡連結体130は主基板132及び一
対の側基板134を有する。更に、該第2の反射鏡連結
体120の主基板122と該運動体40との間に角度調
整部材129が配備される。更に、該第3の反射鏡連結
体130の主基板132と該運動体40との間に角度調
整部材139が配備される。
【0028】図6は、該太陽放射集中装置の断面を説示
する図である。図6において、該運動部材40は基体1
0上をX軸に平行な方向に運動する。重力あるいはその
他の力を利用して、該運動体40は該主基板112と接
触する。これにより該主基板112は該運動体40によ
り支持される。該運動体40が運動する場合、該主基板
112は該一対の回転軸提供部材を通る回転軸の回りに
回動される。
【0029】該第2の反射鏡連結体の主基板122の下
部に角度調整部材129が配備される。この角度調整部
材129の底面は該主基板112の底面に常時平行とな
るように駆動される。該角度調整部材129により該主
基板112と該主基板122との間の角度は常時所定の
値に維持される。
【0030】該第3の反射鏡連結体の主基板132の下
部に角度調整部材139が配備される。この角度調整部
材139の底面は該主基板112の底面に常時平行とな
るように駆動される。該角度調整部材139により該主
基板112と該主基板132との間の角度は常時所定の
値に維持される。
【0031】これにより該第1の反射鏡連結体110の
主基板112と、該第2の反射鏡連結体120の主基板
122と、該第3の反射鏡連結体130の主基板132
とは等角度の変化量で一括して駆動される。このため、
該主基板112、122、132のそれぞれの反射面に
より反射された太陽放射は所定の集光位置900に向か
う。該集光位置900及びそれぞれの反射鏡連結体の主
基板はそれぞれY座標がゼロである部分を有する。該集
光位置900は該主基板122の上部にある。該集光位
置900は図6の矢印Sは入射太陽放射に平行なベクト
ルを表わす。また、複数の矢印は反射された太陽放射の
進行方向を表わす。太陽放射の向きが変化した場合は、
該運動体を移動させることにより該第1の反射鏡連結体
110の主基板112と、該第2の反射鏡連結体120
の主基板122と、該第3の反射鏡連結体130の主基
板132とは等角度の変化量で向きを変える為、このよ
うな集光状態が維持される。
【0032】図7は、図1、3、及び6に説示された状
態における該太陽放射集中装置の正面を説示する図であ
る。上述したように、該カム210は、該第1の反射鏡
連結体110の側基板114と主基板112との間の角
度が太陽放射の集中に適する値となるように該側基板1
14を支持する。同様に、該カム220は、該第2の反
射鏡連結体120の側基板124と主基板122との間
の角度が太陽放射の集中に適する値となるように該側基
板124を支持する。更に、該カム230は、該第3の
反射鏡連結体130の側基板134と主基板132との
間の角度が太陽放射の集中に適する値となるように該側
基板134を支持する。太陽放射の集中を行う上で、一
般的には、該側基板124と該主基板122との間の角
度は、該側基板114と該主基板112との間の角度と
異なる。更に、該側基板134と該主基板132との間
の角度は、該側基板114と該主基板112との間の角
度と異なる。
【0033】図8は、図7に説示された状態から入射太
陽放射の向きが変化した場合の該太陽放射集中装置の正
面を説示する図である。該運動体40はX座標が減少す
る方向に移動している。これにより複数の反射鏡連結体
110、120、及び130の向きが一斉に変更され
る。
【0034】図8に説示された状態における該側基板1
14と該主基板112との間の角度は図7に説示された
状態における該側基板114と該主基板112との間の
角度より大きい値を有する。
【0035】図8に説示された状態における該側基板1
24と該主基板122との間の角度は図7に説示された
状態における該側基板124と該主基板122との間の
角度より大きい値を有する。該第2の反射鏡連結体12
0における該側基板124と該主基板122との間の角
度の増加量は、該第1の反射鏡連結体110における該
側基板114と該主基板112との間の角度の増加量よ
り小さい。
【0036】図8に説示された状態における該側基板1
34と該主基板132との間の角度は図7に説示された
状態における該側基板134と該主基板132との間の
角度とほぼ等しい。
【0037】それぞれのカムの形状はこれらの事項を考
慮して決定される。即ち、該複数のカムの形状を変化さ
せることにより、それぞれの反射鏡連結体の側基板の角
度を独立に、かつ連続的に変化させることが可能とな
る。これにより幅広い太陽放射の入射角領域において、
高い集光比が実現される。即ち、このようなカムを有す
る制御機構が上記運動体を有する回動機構と協調して、
それぞれの反射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集
中に適する位置となるように該自由端の位置を変化させ
る。
【0038】図9は、本発明の別の一実施形態による太
陽放射集中装置を説示する概念図である。図9におい
て、太陽放射集中装置は、基体10と、第1の反射鏡連
結体110と、第2の反射鏡連結体120と、第3の反
射鏡連結体130と、複数の回転軸提供部材30と、運
動体40とを有する。
【0039】図10は該第1の反射鏡連結体110を説
示する図である。該第1の反射鏡連結体110は、主基
板112及び一対の側基板114を有する。該一対の側
基板114は、それぞれ該主基板112の両端に接続さ
れる。それぞれの側基板114と該主基板112との間
には旋回関節118が配備される。該主基板112及び
該一対の側基板114の底面が平行な状態で、反射面1
12、114Rは該底面に対し所定の角度で入射する太
陽放射を一点に集中する光学特性を有している。しかし
ながら、この所定の角度から大きく変化した状態で太陽
放射が入射する場合、反射鏡の収差に起因して、集光比
が大きく低下する。この場合、該側基板114を該旋回
関節118の回りに回転させることにより該側基板11
4と該主基板との間の角度を集光に適する値にすること
ができる。これにより集光比の低下が抑制される。
【0040】図11は、該第1の反射鏡連結体110の
側基板114の底部を説示する図である。該底部に側基
板傾斜部材214が配備される。この側基板傾斜部材2
14は、上記収差が大きな領域で該運動体40と接触す
る。これにより該側基板114を該主基板112と非平
行状態とすることが可能である。該側基板傾斜部材21
4の形状は、このような収差が最小となるように決定さ
れる。
【0041】図12は、該第2の反射鏡連結体120の
側基板124の底部を説示する図である。該底部に角度
調整部材129が配備される。この角度調整部材は、上
述した角度調整部材と同様に作用する。更に、側基板傾
斜部材224が配備される。この側基板傾斜部材224
の形状は上記第1の反射鏡連結体110に配備される側
基板傾斜部材214と形状が異なる。
【0042】図13は、該第3の反射鏡連結体130の
側基板134の底部を説示する図である。該底部に角度
調整部材139が配備される。該第3の反射鏡連結体1
30による集光の収差は比較的小さい為、側基板傾斜部
材は配備されない。
【0043】図14は、該太陽放射集光装置による集光
を説示する概念図である。固定された集光領域900に
向けて太陽放射が集中される。
【0044】図15は本発明の更に別の一実施形態によ
る太陽放射集中装置の正面を説示する図である。該太陽
放射集中装置は、図7に説示された太陽放射集中装置に
加え、複数の弾性紐740を有する。それぞれの弾性紐
740は側基板を所定の力でカムに押し当てる。これに
より風などの外力により側基板が遊離することが防止さ
れる。
【0045】図16は本発明の更に別の一実施形態によ
る太陽放射集中装置の正面を説示する図である。該太陽
放射集中装置は、図7に説示された太陽放射集中装置に
加え、複数の弾性紐740を有する。それぞれの弾性紐
740は主基板112と基体10とを連結する。これに
より風などの外力により主基板112が遊離することが
防止される。
【0046】以上において、本発明による太陽放射集中
装置は詳細に説明された。その他、本発明による太陽放
射集中装置及び太陽放射集中方法を好適に動作させるた
めの補助的な手段、例えば、該太陽放射集中装置により
反射された収束光ビームを平行光ビームに変換するフレ
ネル凹レンズ、分光素子、反射光量調節手段、蓄熱装
置、伝熱部材、断熱部材、温度調節手段、光パワーメー
タ、集光比を調整するための調整手段、集光領域からの
反射光が外部の領域へ到達することを防止する遮光側
壁、情報蓄積媒体、演算プロセッサ、及び/または運動
部材の位置データに関するエンコーダ等を伴って本発明
が実施されてもよい。
【0047】更に、上記に説明された構造は、種々の変
化を伴って実施されてもよい。例えば、該側基板114
に更に別の側基板が旋回関節を介して接続されてもよ
い。この場合、所定の形状を有するカムが追加される。
更に、主基板あるいは側基板を駆動するための棒や該棒
を所定の軌道で案内する為の案内部材が配備されてもよ
い。
【0048】即ち、ここに開示された本発明は、新規な
太陽放射集中装置を提供するが、以上の詳細な説明に開
示された教唆に鑑み、本発明の実施は、本発明の最良の
形態を説明するためになされた上記実施例に限定される
ものではなく、以下の請求の範囲の中で、諸変化を伴っ
てその他の形態で実施してもよく、あるいは上記実施例
の中の最良の一実施形態を説明するために附加された付
加的な形態や構成要素を伴わずに実施されてもよい。
【0049】
【発明の効果】本発明は上記のごとくなした故に、幅広
い太陽放射の入射角度領域に対して、高い集光比を有す
る太陽放射集中装置が提供される。更に、本発明による
太陽放射集中装置及び太陽放射集中方法により、太陽光
照射装置、太陽光発電システム、太陽熱システム、蒸留
装置、熱機関、太陽熱発電システム、太陽熱閉流路ガス
タービン発電システム、太陽光照明システム、及び太陽
炉などを伴った新規な太陽エネルギーシステムが実現さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による太陽放射集中装置を
説示する概念図である。
【図2】第1の反射鏡連結体を説示する図である。
【図3】図1に説示された太陽放射集中装置の断面を説
示する図である。
【図4】反射面を説示する図である。
【図5】図4に説示された反射面を説示する図である。
【図6】図1に説示された太陽放射集中装置の断面を説
示する図である。
【図7】図1、3、及び6に説示された状態における太
陽放射集中装置の正面を説示する図である。
【図8】図7に説示された状態から入射太陽放射の向き
が変化した場合の該太陽放射集中装置の正面を説示する
図である。
【図9】本発明の別の一実施形態による太陽放射集中装
置を説示する概念図である。
【図10】第1の反射鏡連結体を説示する図である。
【図11】第1の反射鏡連結体の側基板の底部を説示す
る図である。
【図12】第2の反射鏡連結体の側基板の底部を説示す
る図である。
【図13】第3の反射鏡連結体の側基板の底部を説示す
る図である。
【図14】太陽放射集光装置による集光を説示する概念
図である。
【図15】本発明の更に別の一実施形態による太陽放射
集中装置の正面を説示する図である。
【図16】本発明の更に別の一実施形態による太陽放射
集中装置の正面を説示する図である。
【符号の説明】
10 基体 30 回転軸提供部材 40 運動体 110 第1の反射鏡連結体 120 第2の反射鏡連結体 130 第3の反射鏡連結体 210 第1のカム 220 第2のカム 230 第3のカム

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】太陽放射の向きの変化に対応して設置面内
    において回動される基体と、複数の反射鏡連結体と、該
    基体上において互いに平行に配置される複数の回転軸を
    定義する複数の回転軸提供部材と、太陽放射の追尾の為
    に該複数の反射鏡連結体をそれぞれ該複数の回転軸の回
    りに回動するための回動機構と、該複数の反射鏡連結体
    の形状を制御するカム機構とを有し、それぞれの反射鏡
    連結体が単数または複数の旋回関節を介して長手方向に
    沿って延伸するように連結される複数の反射鏡を有する
    ことにより該反射鏡連結体の少なくとも1つの端部が自
    由端となるような構造を有し、該カム機構が該回動機構
    と協調してそれぞれの反射鏡連結体の自由端の位置が太
    陽放射の集中に適する位置となるように該自由端の位置
    を変化させるための所定の形状を有するカムを有するこ
    とを特徴とする太陽放射集中装置。
  2. 【請求項2】太陽放射の向きの変化に対応して設置面内
    において回動される基体と、反射鏡連結体と、該反射鏡
    連結体を回動する為の回転軸を定義する回転軸提供部材
    と、太陽放射の追尾の為に該反射鏡連結体を該回転軸の
    回りに回動するための回動機構と、該反射鏡連結体の形
    状を制御する制御機構とを有し、反射鏡連結体が単数ま
    たは複数の旋回関節を介して長手方向に沿って延伸する
    ように連結される複数の反射鏡を有することにより該反
    射鏡連結体の少なくとも1つの端部が自由端となるよう
    な構造を有し、該制御機構が該回動機構と協調して該反
    射鏡連結体の自由端の位置が太陽放射の集中に適する位
    置となるように該自由端の位置を変化させるための所定
    の形状を有する部材を有することを特徴とする太陽放射
    集中装置。
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