(57)【要約】【課題】エネルギー効率が高く低コストな太陽光集光装置を提供する。【解決手段】本願発明の太陽光集光装置は、複数のヘリオスタットと、前記ヘリオスタットにより集光された太陽光の受光面を有するタワーを備えた太陽光集光装置において、前記ヘリオスタットに設置されている反射鏡が平面鏡であり、かつ、その形状と大きさが、前記受光面に予め設定された集光スポットの形状と大きさと、当該反射鏡と前記受光面との距離と、太陽の視直径に基づき決定されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヘリオスタットと、前記ヘリオスタットにより集光された太陽光の受光面をを有するタワーを備えた太陽光集光装置において、前記ヘリオスタットに設置されている反射鏡が平面鏡であり、かつ、その形状と大きさが、前記受光面に予め設定された集光スポットの形状と大きさと、当該反射鏡と前記受光面との距離と、太陽の視直径に基づき決定されていることを特徴とする太陽光集光装置。
【請求項２】
前記反射鏡は、前記予め設定された集光スポットの形状と大きさに対してその外縁から内部に向かって太陽の視直径および前記受光面までの距離に基づいて規定される幅をもつ内接領域を取り除いた形状と大きさを有する平面鏡であることを特徴とする請求項１記載の太陽光集光装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の太陽光集光装置を備えた太陽エネルギー利用プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリオスタットを用いて太陽光を集光する太陽光集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽の日周運動に連動して反射鏡を制御して太陽光を集光するヘリオスタットとしては平面鏡や凹面鏡を反射鏡として利用するものが知られている。このようなヘリオスタットにより集光された太陽光は、太陽電池セル等のエネルギー変換を行なうレシーバ等の受光部や、ヘリオスタットでの集光光を再び反射する反射鏡等の受光面で受光され、そのエネルギーが発電等に利用される。各ヘリオスタットは太陽を追尾して反射鏡の反射光が常にレシーバに到達するように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５７−６３５０４号公報
【特許文献２】特開２００４−３７０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヘリオスタットにより集光された太陽光の受光面は所定の面積を有するため、集光強度分布が均一でないと太陽エネルギーを最大限に有効に利用できない。反射鏡として凹面鏡を利用した場合にその実質的な焦点は受光面に位置づけられるが、狭い領域に集光するスポットとなるため受光面での集光強度分布にむらができやすい。また、反射鏡として平面鏡を利用した場合には反射光は収束する光束ではないため受光面では拡がったスポットとなるので反射光のエネルギーを十分に利用することができない。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、本発明によれば、エネルギー効率が高く低コストな太陽光集光装置を構成することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願発明の太陽光集光装置は、複数のヘリオスタットと、前記ヘリオスタットにより集光された太陽光の受光面を有するタワーを備えた太陽光集光装置において、前記ヘリオスタットに設置されている反射鏡が平面鏡であり、かつ、その形状と大きさが、前記受光面に予め設定された集光スポットの形状と大きさと、当該反射鏡と前記受光面との距離と、太陽の視直径に基づき決定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受光面の集光強度分布が均一で、エネルギー効率が高くなおかつ低コストな太陽光集光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る太陽光集光装置を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図２】反射鏡幅と集光スポット幅の関係を示す図である。
【図３】反射鏡形状と集光スポット形状の関係を示す図である。
【図４】本実施形態に係るヘリオスタットの設置位置を示す表である。
【図５】本実施形態に係るヘリオスタットにより発電した場合の電流電圧特性である。
【図６】本実施形態に係るヘリオスタットにより発電した場合の電圧電力特性である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明にかかる好適な実施形態について説明する。
【００１０】
本実施形態にかかる太陽光利用装置は図１に例示するようにヘリオスタット２０で反射した太陽光がタワー１０の所定高さに設置されたレシーバ１２の受光面１１に集光してこれを利用する。各ヘリオスタット２０は複数枚の反射鏡２１を有し太陽の日周運動に伴う移動に応じて追尾し常に反射光が受光面１１を指向するように制御する。
【００１１】
図１の実施形態ではヘリオスタット１基あたり１０枚の円形反射鏡を用いる。なお、本実施形態では太陽光利用装置は北半球に設置され、レシーバ１２の受光面１１は概ね北方を向き、ヘリオスタット２０はタワー１０の北側に配置されるものとする。
【００１２】
太陽光は完全な平行光ではなく視直径が約９．３ｍｒａｄ（０．５３３°）の拡がりをもった光束である。反射鏡２１が平面鏡の場合には図２に示すように集光スポット幅Ｄは反射鏡幅ａよりも大きくなる。集光スポットの拡がり幅は太陽の視直径に関連した拡がり係数α［ｒａｄ］、反射鏡２１と受光面１１の直線距離Ｌ［ｍ］に関連づけられる。すなわち、平面鏡（曲率半径Ｒ＝∞）の場合には集光スポット幅ＤはＤ≒ａ＋αＬとなる。ここで、αは太陽の視直径９．３［ｍｒａｄ］とする。
【００１３】
また、反射鏡２１がヘリオスタットの回転中心から所定距離離れており、太陽光の日周運動に応じて移動するため、直線距離Ｌは反射鏡２１ごとに相違し時刻とともに変動する性質をもつ。
【００１４】
平面鏡における集光スポットの拡がり幅αＬはピンホールを通過した光束が距離Ｌの位置につくる太陽像の大きさに対応する。そこで本発明では太陽の視直径に基づく集光スポットの拡がりに注目し、エネルギー変換効率に密接に関連する集光スポットの形状に基づいて平面鏡の形状を規定する。
【００１５】
図３には集光スポットの典型的な形状として（ａ）方形（正方形を含む）の場合と（ｂ）円形の場合の平面鏡との関係を示す。集光スポットの形状と大きさはターゲットであるレシーバ１２の受光部１１の形状と大きさに基づいて適宜設定することができる。具体的には、集光スポットが図３（ａ）に示すような短辺ａ、長辺ｂの長方形の場合には対応する平面鏡の形状は短辺（第１の幅）ａ−αＬ、長辺（第２の幅）ｂ−αＬの長方形となる。また、集光スポットが図３（ｂ）に示すように直径Ｄの円形の場合には対応する平面鏡の形状は直径Ｄ−αＬの円形となる。したがって、平面鏡の大きさは、受光面からの直線距離Ｌが大きくなるほど小さくなることになる。
【００１６】
集光スポットの形状は少なくとも１つの対称軸を有するオーバル形状（楕円、角丸長方形を含む）でもよい。この場合には、１つの対称軸または主軸に沿った第１の幅ａと対称軸に垂直な方向の第２の幅ｂに対応して、平面鏡は第１の幅ａ−αＬと第２の幅ｂ−αＬで特徴付けられる。
【００１７】
すなわち、反射鏡は集光スポットの形状と大きさ、太陽の視直径α、および受光面までの距離Ｌに基づいて形状と大きさが規定される。この場合、集光スポットの形状に対してその縁部（図３（ａ）の例では幅ａ，ｂの長方形）から内部に向かって幅αＬの内接領域を取り除いた形状を反射鏡の形状として規定する。
【００１８】
なお、本発明の実施に際しては、受光面までの距離Ｌに応じて異なる大きさの反射鏡が必要となるので、既存品を規定の大きさに加工することが好ましいが、入手可能な反射鏡の中から規定の大きさに略一致する反射鏡を選定して設置しても本発明の効果を相当程度得ることができる。
【００１９】
上記のように規定された反射鏡を設置することにより、各反射鏡が形成する集光スポットは、予め設定された集光スポットの形状と大きさに略一致することとなり、受光面１１の集光強度分布が均一化されるため、太陽エネルギーを有効に利用することができる。したがって、より低コストな平面鏡のみで高い変換効率の太陽光集光装置を実現することができる。
【００２０】
（発電量の検証）
本発明の作用を検証するために図４、図５に示す太陽光集光装置を用いて発電量を検証した。タワー１０の上部に設置された集光点（受光部１１）までの高さは２０ｍ、集光点直下の地上を原点とし、原点から所定の水平距離となるようにヘリオスタット２０を配置した。なお、ヘリオスタット２０における反射鏡２１の回転中心は地上から１ｍの高さである。
【００２１】
本実施形態の検証では、集光スポットＤの直径を８００ｍｍとして円形平面鏡の直径ａ＝Ｄ−αＬを決定した。なお、α＝０．００９３［ｒａｄ］とした。
【００２２】
検証においては、図４に示すような反射鏡２１を１０枚取り付けたヘリオスタット２０を各列１基ずつ用いて集光した。レシーバ１２は多接合型の太陽電池素子を３６個直列接続した発電レシーバを採用した。発電レシーバは各太陽電池素子に均等に太陽エネルギーが分配されると発電量（電力）が最大となる。
【００２３】
発電量の検証においては（Ｉ）本発明による反射鏡の設定のほか、比較実施例として（ＩＩ）すべて直径５００ｍｍの平面鏡を採用した場合についても発電量を測定した。なお反射鏡およびヘリオスタットの数は本実施形態と同じである。
【００２４】
図５には発電レシーバ１２に太陽光を照射した場合の電圧−電流特性を示す。発電電圧が上昇する過程において電流が減少する傾向がみられ電圧−電流特性曲線が負の傾斜を有する。比較実施例（ＩＩ）は負の傾斜が大きく電流が上昇するにつれて電流が急激に減少する傾向がある。比較実施例ではタワーから遠方のヘリオスタット２０の反射鏡２１の直径が本実施形態より大きいため反射光の一部が発電レシーバ１２から外れるため発電電流が小さくなる。
【００２５】
図６には発電レシーバ１２に太陽光を照射したときの発電特性（電力特性）を示す。本実施形態の発電量（電力）［Ｗ］は常に比較実施例を上回っており、発電電圧が上昇する過程において電力が増加する割合（正の傾斜）も本実施形態（Ｉ）が上回る。したがって、本実施形態（Ｉ）の最大発電量［Ｗ］は比較実施例（ＩＩ）に対して１０％程度大きい。
【００２６】
以上から、本発明による発電量が大きくエネルギー変換効率が高いことがわかり、本発明の有効性が確認された。
【符号の説明】
【００２７】
１０  タワー
１１  受光面
１２  レシーバ
２０  ヘリオスタット
２１  反射鏡
ａ  反射鏡幅（第１の幅）
ｂ  反射鏡幅（第２の幅）
α  拡がり係数
【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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