(57)【要約】【課題】高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができる太陽位置測定機構及びこのような太陽位置測定機構を備え、高精度で太陽追尾を行うことができる太陽追尾装置を提供すること。【解決手段】太陽光を集光するための主凸レンズと、主凸レンズの略焦点位置に配置された主センサーと、主凸レンズによる集光された太陽光を平行光線とする副凸レンズと、副凸レンズの出射側に配置された副センサーとを備え、主センサーの中心部には、貫通孔が設けられており、主センサー及び副センサーは、それぞれ、東西南北に対応する位置に配置された４つのセンサー部を有する。【選択図】図１
2014169843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光するための主凸レンズと、
前記主凸レンズの略焦点位置に配置された主センサーと、
前記主凸レンズによる集光された太陽光を平行光線とする副凸レンズと、
前記副凸レンズの出射側に配置された副センサーと、を備え、
前記主センサーの中心部には、貫通孔が設けられており、
前記主センサー及び前記副センサーは、それぞれ、東西南北に対応する位置に配置された４つのセンサー部を有することを特徴とする太陽位置測定機構。
【請求項２】
前記副センサーが複数備えられており、
前記副センサーの中心部には貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽位置測定機構。
【請求項３】
前記主センサーの東西南北に対応する位置に配置されたセンサー部がそれぞれ、前記副センサーの東西南北に対応する位置に配置されたセンサー部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽位置測定機構。
【請求項４】
所定の設備に対して、太陽光を略垂直に照射するために、前記所定の設備の角度を自動的に調整するための太陽追尾装置であって、
請求項１から３のいずれかに記載の太陽位置測定機構と、
前記主センサー及び前記副センサーからの出力が入力される制御装置と、
前記所定の設備の角度を調整する角度調整機構と、を備え、
前記制御装置は、
前記主センサー及び前記副センサーからの出力に基づいて、前記角度調整機構を制御することを特徴とする太陽追尾装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、放物面鏡を用いて太陽光を効率良く集光して、放物面鏡の焦点位置に設置された太陽熱発電器を効率良く加熱して発電するためのディッシュ型太陽熱発電装置や、太陽光を直接電気に変換する光発電装置などにおいて、発電効率を向上させるため、放物面鏡や光発電装置に対して、太陽光が常に略垂直に入射するように位置調整を行うためなどに用いられる太陽位置測定機構およびそれを用いた太陽追尾装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的なエネルギー消費量増大に伴う二酸化炭素の空気中への放出量の増大などを抑止するため、二酸化炭素の放出を伴わない太陽エネルギーを利用した発電装置への期待が高まっている。
【０００３】
従来から、反射鏡を用いて太陽光を集めて熱媒体を加熱し、その熱を電気エネルギーに変えて利用可能にした装置は、日本国内はもとより、世界的にも多くの方式が提案され、世界各地に実証装置、実験装置などが設けられ、一部では商業的利用も開始されている。
【０００４】
太陽光を利用して電気エネルギーを得ようとする方式には、結晶シリコンやアモルファスシリコン、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ化物）やＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）などの無機化合物、有機色素や導電性ポリマーなどの有機化合物などからなる太陽電池（ソーラーパネル）に太陽光を照射して、太陽光エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する太陽光発電方式と、太陽光を効率良く集めて、例えば、水、溶解塩、オイルなどの熱媒体を高温に加熱し、その熱エネルギーによって水蒸気を発生させ蒸気タービンを回して電気エネルギーを得る太陽熱発電方式がある。
【０００５】
太陽光発電方式では、太陽光を効率良く電気エネルギーに変換できる高性能な太陽電池（ソーラーパネル）が必要となり、水力発電や火力発電などの他の発電方式と比べて、設置面積あたりの発電量が少なく、発電コストも割高となっている。このため、太陽光発電方式の導入には、各種の公的助成を必要としているのが現状である。
【０００６】
また、太陽熱発電方式についても、従来から様々な検討が行われており、その集光方式として、平面もしくは曲面鏡を用いて太陽光を地上数十メートルの高さに設けられた集光部に集め、熱媒体を加熱する、いわゆるタワー方式、放物線の断面を有する雨樋型（トラフ型）の反射鏡を用いて、反射鏡の集光位置にレシーバーと呼ばれる管に流れる熱媒体を加熱するトラフ方式、放物面鏡を用いて放物面鏡の焦点位置に設置された、例えば、スターリングエンジンなどの太陽熱発電器を加熱するいわゆるディッシュ方式（スターリング方式とも呼ぶ）がある。
【０００７】
図５に示すようなディッシュ型の太陽熱発電装置１００では、厚さ数ミリメートルの高光透過性ガラス板を所定の放物面に曲げ加工し、ガラス板の裏面に太陽光反射膜を成膜した反射鏡１１０を大型架台１３０に取り付けて用いられている。
【０００８】
反射鏡１１０の焦点位置には、例えば、スターリングエンジンなどを用いて発電する太陽熱発電器１２０が設置されている。スターリングエンジンを用いた太陽熱発電器１２０は、高温部１２２と低温部１２４とから構成され、高温部１２２の受光面を反射鏡１１０によって集光された太陽光によって加熱することによって、スターリングエンジンのフライホイールを回転させ、もしくは、直線駆動させることにより発電することができる。
【０００９】
ところで、太陽電池（ソーラーパネル）を用いた太陽光発電装置やディッシュ型太陽熱発電装置などでは、太陽光を有効に利用するために、太陽電池（ソーラーパネル）や反射鏡は常に日周運動を行っている太陽に直面するように制御することが望ましい。
【００１０】
このため、このような発電装置では、事前に予測された太陽の軌道に基づいて、太陽電池（ソーラーパネル）や反射鏡を制御するための太陽追尾装置が用いられているが、現実的には、太陽追尾装置の運動誤差などが生じるため、太陽の位置を測定し、運動誤差などを修正して、正確に太陽追尾を行うことが望まれている。
【００１１】
このため、太陽追尾装置には、図６に示すような、太陽位置測定機構が用いられている。
図６は、従来の広範囲用太陽位置測定機構の構成を説明するための模式図であり、図７は、従来の微調整用太陽位置測定機構の構成を説明するための模式図である。
【００１２】
図６（ａ）に示すように、広範囲用太陽位置測定機構２００は、焦点距離の短い凸レンズ２０２と、太陽光感知センサー２０４とから構成されている。
太陽光感知センサー２０４は、凸レンズ２０２の略焦点位置に配置され、図６（ｂ）に示すように、４つのセンサー部２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄから構成されており、４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄは、それぞれ、東西南北に対応する位置に配置されている。
【００１３】
このように構成された広範囲用太陽位置測定機構２００に対して、太陽光が垂直に照射されていれば、太陽光感知センサー２０４の４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄに照射される光量は均等となるため、４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄの出力値はほぼ均一となる。
【００１４】
しかしながら、太陽光が斜めに照射されている場合、太陽光感知センサー２０４の４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄに照射される光量に偏りが生じるため、４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄの出力値にも偏りが生じてしまう。
【００１５】
この４つのセンサー部２０４ａ〜２０４ｄの出力値の偏りに基づいて、広範囲用太陽位置測定機構２００が設けられた太陽追尾装置のずれを判定し、太陽追尾装置の誤差を修正している。
【００１６】
図７に示す微調整用太陽位置測定機構３００も、基本的には、広範囲用太陽位置測定機構２００と同様な構成であって、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００１７】
微調整用太陽位置測定機構３００では、広範囲用太陽位置測定機構２００の凸レンズ２０２と比べて、焦点距離の長い凸レンズ３０２が用いられている。
このように、凸レンズ３０２の焦点距離が長いことで、微細なずれであっても、太陽光感知センサー２０４に照射される位置が大きく変化するため、精度良く調整を行うことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
このように、従来の太陽位置測定機構では、広範囲で位置測定を行う場合には凸レンズの焦点距離を短くする必要があり、高精度で位置測定を行う場合には凸レンズの焦点距離を長くする必要がある。
【００１９】
したがって、両者は相反関係にあり、１つの太陽位置測定機構で、高精度かつ広範囲で位置測定を行うことはできなかった。このため、広範囲用太陽位置測定機構と微調整用太陽位置測定機構の２つのセンサーを両方設ける必要があった。
【００２０】
しかしながら、このように複数の太陽位置測定機構を設けて、太陽追尾装置の制御を行う構成では、太陽追尾装置や、太陽追尾装置を備えた発電装置の製造コストが高くなってしまい、実用上大きな障害となっていた。
【００２１】
本発明では、このような現状に鑑み、高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができる太陽位置測定機構を提供することを目的とする。
さらに、本発明では、このような太陽位置測定機構を備え、高精度で太陽追尾を行うことができる太陽追尾装置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】
【００２２】
本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明の太陽位置測定機構は、太陽光を集光するための主凸レンズと、
前記主凸レンズの略焦点位置に配置された主センサーと、
前記主凸レンズによる集光された太陽光を平行光線とする副凸レンズと、
前記副凸レンズの出射側に配置された副センサーと、を備え、
前記主センサーの中心部には、貫通孔が設けられており、
前記主センサー及び前記副センサーは、それぞれ、東西南北に対応する位置に配置された４つのセンサー部を有することを特徴とする。
【００２３】
このように構成することによって、１つの太陽位置測定機構だけで、高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができる。このため、このような太陽位置測定機構を用いる太陽追尾装置や、この太陽追尾装置を備えた発電装置などの製造コストを低減することができる。
【００２４】
なお、前記副センサーが複数備えられており、
前記副センサーの中心部には貫通孔が設けられていてもよい。
このように、副センサーを複数備えることによって、より高精度に太陽位置の測定を行うことができる。
【００２５】
前記主センサーの東西南北に対応する位置に配置されたセンサー部がそれぞれ、前記副センサーの東西南北に対応する位置に配置されたセンサー部と電気的に接続されていることが望ましい。
【００２６】
このように構成することによって、主センサー及び副センサーの東側センサー部から出力される東側対応出力と、西側センサー部から出力される西側対応出力と、南側センサー部から出力される南側対応出力と、北側センサー部から出力される北側対応出力の４つの出力に基づいて、太陽位置を容易に測定することができる。
【００２７】
また、本発明の太陽追尾装置は、所定の設備に対して、太陽光を略垂直に照射するために、前記所定の設備の角度を自動的に調整するための太陽追尾装置であって、
上述する太陽位置測定機構と、
前記主センサー及び前記副センサーからの出力が入力される制御装置と、
前記所定の設備の角度を調整する角度調整機構と、を備え、
前記制御装置は、
前記主センサー及び前記副センサーからの出力に基づいて、前記角度調整機構を制御することを特徴とする。
【００２８】
このように構成することによって、高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができるため、精度良く太陽追尾を行うことができる。また、太陽位置測定機構を１つだけ備えればよいため、製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、１つの太陽位置測定機構で高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができるため、太陽追尾装置や、太陽追尾装置を備えた発電装置の製造コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の一実施例における太陽位置測定機構の構成を説明するための模式図である。
【図２】図２は、図１の太陽位置測定機構が備える太陽光感知センサーの構成を説明するための模式図である。
【図３】図３は、図１の太陽位置測定機構１０を備える太陽追尾装置の構成を説明するための模式図である。
【図４】図４は、制御装置５２による角度調整機構５４の制御方法を模式的に説明するための模式図である。
【図５】図５は、従来のディッシュ型太陽光集光装置を用いた太陽熱発電装置の概略構成図である。
【図６】図６は、従来の広範囲用太陽位置測定機構の構成を説明するための模式図である。
【図７】図７は、従来の微調整用太陽位置測定機構の構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例における太陽位置測定機構の構成を説明するための概略構成図、図２は、図１の太陽位置測定機構が備える太陽光感知センサーの構成を説明するための概略構成図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施例の太陽位置測定機構１０は、太陽光を集光するための主凸レンズ１２と、主凸レンズ１２の略焦点位置に配置された主センサー１４と、主凸レンズ１２により集光された太陽光を平行光線とする副凸レンズ１６と、副凸レンズ１６の出射側近傍に配置された第１副センサー１８と、副凸レンズ１６の出射側であって離間した位置に配置された第２副センサー２０とを備えている。
【００３３】
図２に示すように、主センサー１４は、４つのセンサー部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄから構成されており、４つのセンサー部１４ａ〜１４ｄは、それぞれ、東西南北に対応する位置に配置されている。
【００３４】
なお、第１副センサー１８及び第２副センサー２０も同様に、４つのセンサー部１８ａ〜１８ｄ及び２０ａ〜２０ｄから構成されており、それぞれが、東西南北に対応する位置に配置されている。
【００３５】
また、主センサー１４、第１副センサー１８、第２副センサー２０の中心部には、それぞれ貫通孔１５，１９，２１が設けられている。
また、センサー部１４ａ〜１４ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄは、太陽光が感知可能なセンサーであれば、特に限定するものではないが、例えば、フォトダイオードなどの光感知センサーや、サーモスタットなどの熱センサーなどを用いることができる。
【００３６】
また、図２に示すように、東側センサー部１４ａ，１８ａ，２０ａは電気的に接続されており、東側端子２２ａから東側対応出力が出力されるように構成されている。同様に、西側センサー部１４ｂ，１８ｂ，２０ｂが電気的に接続され、西側端子２２ｂから西側対応出力が出力されるように構成されている。
【００３７】
また、南側センサー部１４ｃ，１８ｃ，２０ｃが電気的に接続され、南側端子２２ｃから南側対応出力が出力され、北側センサー部１４ｄ，１８ｄ，２０ｄが電気的に接続され、北側端子２２ｄから北側対応出力が出力されるように構成されている。
【００３８】
このように構成された太陽位置測定機構１０では、太陽位置測定機構１０に対して太陽光が垂直に照射されていれば、東側対応出力、西側対応出力、南側対応出力、北側対応出力が同一となる。
【００３９】
一方で、太陽光が斜めに照射されている場合、東側対応出力、西側対応出力、南側対応出力、北側対応出力に偏りが生じることになる。
なお、本実施例の太陽位置測定機構１０では、太陽光が大きく傾いて照射されている場合には、主として主センサー１４からの出力がなされ、照射される太陽光の傾きが小さい場合には、主として第１副センサー１８及び第２副センサー２０からの出力がなされる。
【００４０】
すなわち、主センサー１４によって、広範囲に太陽位置を測定し、第１副センサー１８及び第２副センサー２０によって、高精度に太陽位置を測定することができる。
なお、本実施例では、副センサーとして、第１副センサー１８及び第２副センサー２０の２つの副センサーを備えているが、副センサーの数は特に限定されるものではなく、１つの副センサーを備えてもよく、また、３つ以上の副センサーを備えていても構わない。
【００４１】
このような太陽位置測定機構１０を用いることによって、１つの太陽位置測定機構で高精度かつ広範囲で位置測定を行うことができ、高精度に太陽追尾を行うことができる太陽追尾装置とすることができる。
【００４２】
図３は、図１の太陽位置測定機構１０を備える太陽追尾装置の構成を説明するための概略構成図である。
図３に示すように、太陽追尾装置５０は、太陽位置測定機構１０の東側端子２２ａ、西側端子２２ｂ、南側端子２２ｃ、北側端子２２ｄと接続される制御装置５２を備えている。
【００４３】
また、制御装置５２は、例えば、太陽電池（ソーラーパネル）やディッシュ型太陽熱発電装置の反射鏡など、所定の設備の角度を調整する角度調整機構５４と接続されている。
そして、制御装置５２は、東側対応出力、西側対応出力、南側対応出力、北側対応出力に基づいて、角度調整機構５４を制御することによって、高精度の太陽追尾を実現している。
【００４４】
具体的には、制御装置５２においては、以下のような制御が行われている。
図４は、制御装置５２による角度調整機構５４の制御方法を模式的に説明するための模式図である。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、太陽位置測定機構１０に対して太陽光が垂直に照射されている場合には、主センサー１４の４つのセンサー部１４ａ〜１４ｄに照射される光量は同じであり、また、第１副センサー１８の４つのセンサー部１８ａ〜１８ｄに照射される光量は同じとなる。
【００４６】
このため、制御装置５２に入力される、東側対応出力、西側対応出力、南側対応出力、北側対応出力は同一となる。この場合、制御装置５２は、角度調整機構５４を動作させない。
【００４７】
また、図４（ｂ）に示すように、太陽位置測定機構１０に対して西側から太陽光が照射されている場合には、太陽光は主センサー１４の東側センサー部１４ａに照射されることになるため、西側対応出力と比べて、東側対応出力の出力値が大きくなる。
【００４８】
制御装置５２では、東側対応出力と西側対応出力との出力値の差が０となるように、角度調整機構５４を動作させ、例えば、太陽電池（ソーラーパネル）や反射鏡が西に向くように太陽追尾装置５０を回動させる。
【００４９】
そして、図４（ｃ）に示すように、太陽位置測定機構１０に対して太陽光が垂直に照射され、東側対応出力、西側対応出力、南側対応出力、北側対応出力が同一となった場合には、制御装置５２は、角度調整機構５４の動作を停止させる。
【００５０】
このように、太陽追尾装置５０を制御装置５２によって、自動的に制御することによって、高精度かつ広範囲に太陽位置を測定して、精度良く太陽追尾を行うことができる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、上記実施例では、太陽熱発電装置に用いた場合のみを例示しているが、例えば、給湯設備や暖房・冷房設備、プールの加温などにも利用することができ、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０      太陽位置測定機構
１２      主凸レンズ
１４      主センサー
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ    センサー部
１５      貫通孔
１６      副凸レンズ
１８      第１副センサー
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ    センサー部
１９      貫通孔
２０      第２副センサー
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ    センサー部
２１      貫通孔
２２ａ    東側端子
２２ｂ    西側端子
２２ｃ    南側端子
２２ｄ    北側端子
５０      太陽追尾装置
５２      制御装置
５４      角度調整機構
１００    太陽熱発電装置
１１０    反射鏡
１２０    太陽熱発電器
１２２    高温部
１２４    低温部
１３０    大型架台
２００    広範囲用太陽位置測定機構
２０２    凸レンズ
２０４    太陽光感知センサー
２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄ    センサー部
３００    微調整用太陽位置測定機構
３０２    凸レンズ
【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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