(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在な第１軸と、該第１軸に直交する方向で回転自在な第２軸を設け、第２軸の両端に直交する支持部材を貫通させ、該支持部材の両端にそれぞれ複数のミラーを支持したヘリオスタットであって、
前記支持部材に一体的に形成され筒構造の前記第２軸内に進入するレバーであって、支持部材がレバーを介して前記第２軸に対して支持部材の軸心を中心に回転自在であるものと、
前記第１軸に位置固定され前記レバーの先端と圧接するカムプレートとを具備し、
朝夕の時に、前記カムプレートがレバーを回転させて、ミラーを前記第１軸のまわりに回転する方向で相互に開く方向へ角度変更させることを特徴とするヘリオスタット。
【請求項２】
回転自在な第１軸と、該第１軸に直交する方向で回転自在な第２軸を設け、第２軸の両端に直交する支持部材を貫通させ、該支持部材の両端にそれぞれ複数のミラーを支持したヘリオスタットであって、
前記第２軸に位置固定されたカム部と、
前記支持部材の両端にミラーと一体に設けられ前記第２軸のまわりに回転自在のブラケットと、
前記ブラケットに連結されるカムフォロワであって前記カム部と圧接するものとを具備し、
朝夕の時に、前記カムフォロワがブラケットを回転させて、ミラーを前記第２軸のまわりに回転する方向で相互に開く方向へ角度変更させることを特徴とするヘリオスタット。
【請求項３】
前記第１軸が地球の自転軸と平行で且つ軸心を中心に太陽の日周運動に関連する赤経方向で回転自在で、前記第２軸が太陽の季節運動に関連する赤緯方向で回転自在であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヘリオスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽を追尾しながら、太陽光を反射して一点に集光させることができるヘリオスタットに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光の有効利用のために、太陽を追尾した状態で、複数のミラーを同時に制御し、ミラーで反射した太陽光を一点に集光させる集光装置としてヘリオスタットが知られている。このようなヘリオスタットの複数のミラーは、日本国特許公報第３７８４０２１号に例示されるように、一団として例えば日周方向及び季節方向に回転して、ターゲットに複数のミラーのそれぞれのスポットを重ねた状態で当てることができる。
【発明の概要】
【０００３】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、複数のミラーにより構成されているものの、それらを一団として回転させるため、一団としての外径サイズに応じた収差が生じてしまう。すなわち、太陽高度の高い昼間は、複数のミラーのスポットが略円形な同一形状で重なり合い、略円形の集光スポットが得られるが、太陽高度の位置が低い朝夕は、ミラーに対する太陽光の角度が小さくなると各ミラーのスポットの光軸がずれて集光スポットの収差が増大する。そのため、個々のミラーのスポットが楕円状に変形して、昼間と同じ形状の集光スポットが得られないという課題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、一日を通じて形状が変化せずに、同形の集光スポットが得られるヘリオスタットを提供するものである。【０００５】
本発明の技術的側面によれば、ヘリオスタットは、回転自在な第１軸と、該第１軸に直交する方向で回転自在な第２軸を設け、第２軸の両端に直交する支持部材を貫通させ、該支持部材の両端にそれぞれ単数又は複数のミラーを支持し、前記支持部材に一体的に形成され筒構造を有する前記第２軸内に進入するレバーであって、支持部材がレバーを介して前記第２軸に対して支持部材の軸心を中心に回転自在であるものと、前記第１軸に位置固定され前記レバーの先端と圧接するカム手段とを具備し、前記第１軸に関連するミラーの回転角度が朝夕の時に、前記カム手段がレバーを回転させて、ミラーを前記第１軸に関連する回転方向で開く方向へ角度変更させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１軸に関連する回転角度が朝夕の時に、カム手段により、ミラーを第１軸に関連する回転方向で開く方向に角度変更させるため、朝夕の第１軸に関連する方向での収差をキャンセルすることができる。収差の原因が、太陽光の入射角度が斜めになると、ミラーで反射された太陽光が閉じる方向に交差して、一点に集光しなくなるため、それを是正するために、太陽高度が低くなる朝夕だけ、ミラーを開く方向へ回転させるようにした。そのため、朝夕の太陽高度が低い時でも、第１軸に関連する方向では、スポットの形状が楕円状に変形せず、昼間と同じ形状のスポットを１つに重ねた状態の集合スポットが得やすくなる。【０００７】
また、第２軸に関連する回転角度が朝夕の時に、カム手段により、ミラーを第２軸に関連する回転方向で開く方向に角度変更させるため、朝夕の第２軸に関連する方向での収差をキャンセルすることができる。収差の原因が、太陽光の入射角度が斜めになると、ミラーで反射された太陽光が閉じる方向に交差して、一点に集光しなくなるため、それを是正するために、太陽高度が低くなる朝夕だけ、ミラーを開く方向へ回転させるようにした。そのため、朝夕の太陽高度が低い時でも、第２軸に関連する方向では、スポットの形状が楕円状に変形せず、昼間と同じ形状のスポットを１つに重ねた状態の集合スポットが得やすくなる。【０００８】
更に、第１軸が赤経方向に回転自在で、第２軸が赤緯方向に回転自在であるため、太陽を追尾制御しやすい。【０００９】
また、各ミラー５の方向を修正するためにエンコーダ、アクチュエータ、マイクロコントローラを使用せず、受動的なメカニズムのみにより自動修正することができるため信頼性が高く、コストもかからない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ビームダウン型の集光システムを示す概略図。
【図２】図２は、ヘリオスタットを示す斜視図。
【図３】図３は、ヘリオスタットの集光スポットを示す概略図。
【図４】図４は、ヘリオスタットの図３中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う方向での概略図。
【図５】図５は、朝夕の回転状態における図４相当の概略図。
【図６】図６は、カム手段を示す拡大断面図。
【図７】図７は、図４図中矢示ＤＡ方向から見た概略平面図。
【図８】図８は、ヘリオスタットの図３中矢示ＳＢ−ＳＢ線に沿う方向での概略図。
【図９】図９は、朝夕の回転状態における図８相当の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜図９は、本発明の好適な実施形態を示す図である。図１はビームダウン型の太陽集光装置を示している。中央には楕円鏡１が図示せぬ支持タワーにより所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１はその鏡面形状が回転楕円体の一部で、下方には、第１焦点Ａと、第２焦点Ｂが存在する。この楕円鏡１の下方には、太陽光Ｌを熱エネルギーに変換するための熱変換装置２が設置されており、該熱変換装置２の上部には、テーパ筒状の集光鏡３が設置されている。そして、熱変換装置２の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット４が設けられている。
【００１２】
各ヘリオスタット４は太陽Ｓを追尾しながら太陽光Ｌを必ず第１焦点Ａに向かわせるように姿勢制御される。ヘリオスタット４で反射された太陽光Ｌが第１焦点Ａを通過すれば、太陽光Ｌは楕円鏡１で下向きに反射されて、必ず第２焦点Ｂに集光され、集光鏡３を経由して熱変換装置２に到達する。
【００１３】
楕円鏡１で反射された太陽光Ｌを狭い集光鏡３内に導入するために、ヘリオスタット４で反射される太陽光Ｌは小さくて同じ形状のスポットで集光する必要がある。そのため、この実施形態におけるヘリオスタット４は、ミラー５が４枚の小型構造になっている。
【００１４】
次に、ヘリオスタット４の構造を説明する。ベース６には南側にはバー７が立設され、上端にセンサー８が設けられている。ベース６の北側には支柱９が設けられ、その上端には第１駆動部１０が設けられている。第１駆動部１０には、地球の自転軸と平行で地面に対して所定の角度を有する第１軸１１設けられている。この第１軸１１は第１駆動部１０により軸心を中心に赤経方向Ｘへ回転自在である（図３参照）。
【００１５】
第１軸１１の先端にはＵ字形のフレーム１２が固定されている。このフレーム１２は小型で、その両側のフランジには第１軸１１と直交する方向に筒構造を有する第２軸１３が貫通している。具体的には第２軸１３は所定径を有する金属パイプで、フランジの外側へ両側が突出している。フレーム１２と第２軸１３との間には、第１軸１１に対して第２軸１３を回転させる第２駆動部１４が設けられている。
【００１６】
フレーム１２から外側へ突出した第２軸１３の両端には別のフレーム１５を介して支持パイプ１６が直交方向に貫通している。第２軸１３と支持パイプ１６で全体としてＨ形を形成し、その四隅となる支持パイプ１６の両端に円形のミラー５をそれぞれ支持パイプ１６に対して回転自在なブラケット１７により取り付けている。ミラー５は径が５０ｃｍで、鏡面が凹球面になっている。ミラー５の実効的な焦点距離はそれぞれ楕円鏡１の第１焦点Ａまでの距離に設定されている。
【００１７】
フレーム１２の内側の第２軸１３には一対のセンサーミラー１８が設けられている。センサーミラー１８は横寸法が３０ｃｍで、縦寸法が２０ｃｍの横長の長方形である。
【００１８】
センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌはセンサー８により受光される。センサー８は、センサーミラー１８と第１焦点Ａの間に位置しており、センサーミラー１８とセンサー８を結ぶ線の延長線上に第１焦点Ａが存在する。従って、センサーミラー１８からの太陽光Ｌを常にセンサー８の中心位置に向かうようにミラー５の姿勢を制御すると、反射された太陽光Ｌはセンサー８の先の第１焦点Ａに必ず向かうことになる。第１焦点Ａに向かう太陽光Ｌは、前述のように、楕円鏡１で反射されて必ず第２焦点Ｂに至る。
【００１９】
４枚のミラー５は、南中時に第１焦点Ａにおいて各ミラー５の反射光が集光スポットＰとして１つに重なり合うように向きが予め調整されている（図３参照）。すなわち、４枚のミラー５の集合体は１つの仮想的な球面鏡とみなすことができる。さらに、第１焦点Ａにおいて集光スポットＰが小さく、一日の稼動中にその形状が変形しないことが要求される。集光スポットＰの形状が変形して球面収差が生ずると、最終集光部である熱変換装置２のレシーバーから外れる反射光が生じるからである。
【００２０】
第２軸１３のフレーム１２の外側には外筒部１９が設けられている。この外筒部１９は第２軸１３に対して長手方向のみにスライド自在で、図示せぬスプリングにより第１軸１１側へ向けて付勢されている。第１軸１１には、第１駆動部１０の本体および支柱９に位置固定されたカムプレート２０が設けられている。そこに外筒部１９に一体形成されたカムフォロア２１が図示せぬスプリングにより圧接している。カムプレート２０のカム面は円弧よりも大きい曲率を有する曲面を規定し、第１軸１１が赤経方向Ｘで大きく回転した時、すなわち朝夕の場合は、カムフォロア２１を外側（第１軸１１の半径方向）に向かって押す構造になっている。外筒部１９の端面にも別のカム面２２が形成されている。
【００２１】
また第２軸１３内には支持パイプ（支持部材）１６と一体回転するレバー２３が設けられ、その先端に前記カム面２２に圧接するカムフォロア２４が設けられている。レバー２３はバネ２５によりカムフォロア２４をカム面２２に押し当てる方向に付勢されている。
【００２２】
支持パイプ１６の両端のブラケット１７には棒状のカムバー２６が連結されている。各カムバー２６はカムフォロア２７にて結合されている。また第２軸１３（外筒部１９の外面）にはカム面２８が位置固定されている。カムフォロア２７はカム面２８に図示せぬ付勢手段により押し付けられる。カムバー２６は支持パイプ１６とオフセットした位置に平行に配置されており、前記カムバー２６とブラケット１７との結合部も支持パイプ１６とはオフセットした位置になっている（図示省略）。カム面２８は図８に示すように概略楕円形状の曲面を有し、第２軸１３が赤緯方向Ｙで大きく回転した時、すなわち朝夕の場合は、カムフォロア２７を外側に押し、カムバー２６を内側に引く構造になっている。
【００２３】
なお、カムプレート２０のカム面の曲面形状とカム面２８の曲面形状はミラー５の鏡面形状、ヘリオスタット４と第１焦点Ａの位置関係、太陽の高度等に基づいて適宜設定することができる。
【００２４】
次に作用を説明する。ミラー５が第１軸１１を中心に赤経方向Ｘで回転するとき、昼間は４つのミラー５の集光スポットＰは全て略円形で１つに重なりあっている。朝夕になり、太陽Ｓの位置が低くなると、従来は収差により、赤経方向Ｘでスポットが楕円状になっていたが、この実施形態によれば、図５に示すように、朝夕になった時、カムフォロア２１がカムプレート２０により押されて、外筒部１９を外側に押す。すると、外筒部１９のカム面２２と、レバー２３のカムフォロア２４の変化により、レバー２３が支持パイプ１６ごと回転して、ミラー５をそれぞれ開く方向へ回転させてミラー５の光軸を修正する。そのため、朝夕になっても、集光スポットＰの形状は赤経方向Ｘにおいて楕円状に変形しない。従来は１つの仮想的な球面鏡の一部を構成するミラー５の球面収差により、各ミラー５による反射光が内側に向いて相互に交差していたため、集光スポットＰが楕円状に変形していた。これに対して本発明では、各ミラー５を相互に開く方向に修正して各光軸をずれをキャンセルすることにより反射光の交差がなくなり、集光スポットＰの一点に集光するようになる。すなわち、球面収差が大きくなる条件下では仮想的な球面鏡を非球面形状に変形可能としたことに対応する。
【００２５】
同様に、赤緯方向Ｙでも、図９に示すように、カムバー２６のカムフォロア２７とカム面２８との位置変化により、ブラケット１７がカムバー２６により引っ張られてミラー５ごと開く方向に回転するため、朝夕になっても、集光スポットＰの形状は赤緯方向Ｙにおいて楕円状に変形しない。
【００２６】
このように、赤経方向Ｘでも赤緯方向Ｙでも、集光スポットＰの形状は変形せず、常に１つの円形の集光スポットＰとして重なった状態となるため、太陽熱の利用がしやすい。
【００２７】
尚、以上に説明では、２本の支持パイプ１６の両端に１枚ずつのミラー５を設けた４枚式のヘリオスタットを例にしたが、支持パイプ１６の両端に複数のミラー５を設けて、８枚式又は１０枚式のヘリオスタットにしても良い。
【００２８】
また、ミラー５として直径５０ｃｍの円形を例にしたが、これに限定されず、直径は５０ｃｍ以外でも良いし、円形でなくても良い。
【００２９】
また、ビームダウン型の太陽集光装置の例を示したが、本発明のヘリオスタット４はタワー型の太陽集光装置にも使用可能である。
【００３０】
（米国指定）
本国際特許出願は米国指定に関し、２０１０年４月２２日に出願された日本国特許出願第２０１０−９９０１６号（２０１０年４月２２日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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