(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】  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、前記複数のヘリオスタットに設置された反射鏡のうち、当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超えない反射鏡は平面鏡とし、当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超える反射鏡は凹面鏡とする。【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有するタワーを備えた太陽光集光装置において、
前記複数のヘリオスタットに設置された反射鏡のうち、当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超えない反射鏡は平面鏡とし、
当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超える反射鏡は凹面鏡としたことを特徴とする太陽光集光装置。
【請求項２】
請求項１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】
太陽の日周運動に関連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前記受光面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集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、前記複数のヘリオスタットに設置された反射鏡のうち、当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超えない反射鏡は平面鏡とし、当該反射鏡に平面鏡を使用した場合に、その集光スポットが、前記受光面に予め設定された集光スポットの大きさを超える反射鏡は凹面鏡としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、集光スポットの拡がりが適切で、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】ヘリオスタットの反射鏡の形状を表す図である。
【図３】反射鏡の幅と集光スポット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の配置図である。
【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流電圧特性である。
【図７】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】
（第１実施形態）
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ターゲットとしてのレシーバ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レシーバ１２の受光面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】
図２に例示するのは本実施形態で使用する反射鏡の形状であり、円形（ａ）、正方形（ｄ）のほか、楕円（ｂ，ｃ）、長方形（ｅ，ｆ）などの長形でもよい。本発明は反射鏡による反射光束の断面形状の最も小さい幅に注目して反射鏡の代表的な幅とする。反射鏡２１の最小幅（以下単に幅という。）は楕円では短径、長方形では短辺（幅）、円形では直径、正方形では１辺に対応する幅ａとする。
【００１３】
太陽光は完全な平行光ではなく視直径αが９．３ｍｒａｄ（０．５３３°）の拡がりをもった光束である。反射鏡２１が凹面鏡（球面鏡）の場合には図３（ａ）に示すように反射光束が受光面１１に位置する集光位置で収束するため、集光スポット幅Ｄは反射鏡幅ａに比べて小さくなる。これに対して、反射鏡２１が平面鏡の場合には図３（ｂ）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。
【００１４】
集光スポット幅は、反射鏡２１と受光面１１の直線距離Ｌと反射鏡幅ａに関連づけられる。すなわち、球面鏡（曲率半径Ｒ）で集光位置に実質的な焦点を結ぶ場合（Ｒ＝２Ｌ）には、集光スポット幅ＤはＤ≒αＬである。また平面鏡（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。
【００１５】
平面鏡における集光スポットの拡がり成分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αに基づく集光スポットの拡がりに注目し、拡がりの程度が受光面１１上で所定の大きさとなる場合を反射鏡２１に平面鏡を使用する限度の目安とする。
【００１６】
より具体的には、受光面上で得ようとする集光スポットの幅ｗ、平面鏡を使用する限界の距離をＬｔｈとして、Ｌｔｈ＝（ｗ−ａ）／αと規定する。本実施形態では反射鏡（幅ａ）についてＬ≦Ｌｔｈ満たす場合には平面鏡を反射鏡２１として採用する。
【００１７】
このように、反射鏡の幅ａと受光面までの距離Ｌとから限界距離Ｌｔｈを見積もることによって、集光スポット幅Ｄを適切な範囲に収めることができ、太陽光エネルギーを有効に利用することができる。また、より低コストな平面鏡で太陽光集光装置を実現することができる。
【００１８】
（第２実施形態）
集光スポット幅Ｄは反射鏡２１と集光点となる受光面１１の間の直線距離Ｌに依存するため、多数のヘリオスタットを設置した場合、ヘリオスタットの設置位置により距離Ｌが異なり、集光スポット幅Ｄがばらつくことになる。したがって、有限の曲率半径Ｒを有する凹面鏡のみまたは平面鏡のみを用いてヘリオスタットを構成すると、受光面１１における集光スポットのエネルギー密度が不均一になるため、集光エネルギーを他のエネルギー形態（電気エネルギー等）に変換するレシーバ１２に過大な負荷が生じ、また十分な変換効率が得られない可能性がある。
【００１９】
そこで、本実施形態では、タワーの近傍に配置され集光スポット幅が比較的小さいヘリオスタットには反射鏡２１として平面鏡を採用し、それより遠くに配置され集光スポット幅が大きくなるヘリオスタットには反射鏡２１として凹面鏡を採用することを特徴とする。より詳細には、反射鏡２１を切り換える距離Ｌの境界（最大値）Ｌｔｈとして、球面鏡により集光位置（焦点面）に形成される太陽像の大きさが得ようとする集光スポットの幅ｗとなる距離を目安として規定する。すなわち、Ｌｔｈ＝（ｗ−ａ）／αである。
【００２０】
（１）近傍領域
タワー１０の近傍領域（Ｌ≦Ｌｔｈ）では反射鏡２１として平面鏡を採用する。集光スポット幅はＤ≒ａ＋αＬ≦ａ＋αＬｔｈ＝ｗ程度となり、太陽の視直径に対応する反射光束の拡がりを一定範囲に抑えることができる。
【００２１】
（２）遠方領域
近傍領域の外側の領域（Ｌ≧Ｌｔｈ）では反射鏡２１として凹面鏡を採用する。凹面鏡の実質的な焦点距離は曲率半径Ｒに対してＲ／２であり、焦点位置が受光面１１に位置づけられれば受光面１１には太陽像が形成されるため、集光スポット幅はＤ≒αＬ程度となる。境界の目安となる距離Ｌ＝Ｌｔｈにおいては、集光スポット幅は平面鏡の場合にＤ≒ｗ、凹面鏡の場合にＤ≒αＬｔｈ程度であるため、遠方であっても反射光束の拡がりを抑えることができる。また、凹面鏡は集光力が大きいため焦点位置において光束エネルギーが局在しやすいところ、遠方領域のみに採用したため受光面における受光エネルギー密度が均一化される。
【００２２】
（発電量の検証）
本発明の作用を検証するために図４、図５に示すようにヘリオスタット２０を配置し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、原点からの水平距離が一定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における反射鏡の回転中心は地上から１ｍの高さである。
【００２３】
ヘリオスタット２０には１基あたり、直径５００ｍｍの円形反射鏡２１が１０枚取り付けられている。この場合、反射鏡の幅はａ＝５００ｍｍであり、Ｌｔｈ＝５３．８ｍとなる。したがって、近傍領域と遠方領域の境界は第８列と第９列のあいだに存在する。具体的には、第１列から第７列の間の領域では反射鏡は平面鏡であり、第８列から第１０列の間の領域では反射鏡は凹面鏡である。さらに、凹面鏡については、第８列では曲率半径をＲ＝１０８．４ｍ、第９列ではＲ＝１１６．８ｍ、第１０列ではＲ＝１２５．４ｍとした。
【００２４】
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。
【００２５】
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）すべて平面鏡を採用した場合と、（ＩＩＩ）すべて凹面鏡を採用した場合についても発電量を測定した。第１比較実施例ＩＩでは反射鏡は直径５００ｍｍの円形平面鏡であり、第２比較実施例ＩＩＩでは反射鏡は直径５００ｍｍの球面鏡であって各曲率半径ＲはＲ＝２Ｌを満たすように設定される。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。
【００２６】
図６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。第１比較実施例ＩＩは傾斜が小さく、電流は小さいが電圧が上昇しても電流はさほど下がらない。これに対して第２比較実施例ＩＩＩは傾斜が大きく、電流は大きいが電圧が上昇するにつれて電流が急激に減少する傾向がある。これは近傍領域の凹面鏡による反射光の集光スポット幅が小さいため発電レシーバ１２の受光面１１における太陽エネルギー密度の空間的なばらつき（むら）が大きいからであると考えられる。
【００２７】
図７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。第２比較実施例ＩＩＩでは電圧が上昇する過程において発電量が最大であるものの電圧の上昇にともなって発電量の上昇率が減少し最大発電量［Ｗ］は本発明Ｉを下回っている。すなわち、最大発電量近傍では本発明Ｉが最大で、第１比較実施例や第２比較実施例よりも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】
【００２８】
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（最小幅）
【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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