(57)【要約】【課題】筒型集光鏡の下部開口から出射される太陽光のエネルギー分布の偏りを抑制することができるビームダウン型太陽集光装置を提供する。【解決手段】筒型集光鏡５の中心光軸Ｋがセンタミラー１における太陽エネルギー分布の重心点Ｇと上部開口６の中心点Ｓとを結ぶ重心線ｇと一致するように、筒型集光鏡５自体を傾斜させているため、上部開口６に入射した太陽光Ｌが筒型集光鏡５の内面で均等に反射され、筒型集光鏡５の下部開口７から出射される太陽光Ｌのエネルギー分布の偏りを抑制することができる。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高さに設置されるセンタミラーと、地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットと、センタミラーで反射されて集光した太陽光を上部開口より導入して該上部開口よりも狭い下部開口から拡散方向へ出射する筒型集光鏡とから成るビームダウン型太陽集光装置であって、
前記センタミラーは筒型集光鏡における上部開口の中心点を通過する垂直線に対して一方向へ偏在し、センタミラーの反射面における太陽エネルギー分布の重心点と上部開口の中心点とを結ぶ重心線が前記垂直線に対して角度をもっており、
前記筒型集光鏡が前記垂直線に対してその中心光軸が前記重心線と一致するように傾斜していることを特徴とするビームダウン型太陽集光装置。
【請求項２】
筒型集光鏡の下部開口の下方に、受光面が筒型集光鏡の中心光軸と直角を成すレシーバを設けたことを特徴とする請求項１記載のビームダウン型太陽集光装置。
【請求項３】
センタミラーは日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円体形状で、ヘリオスタットは太陽が存在する方角とは反対側の領域に設置され、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンタミラーの第１焦点に合わせ、センタミラーにて反射した太陽光を第２焦点に集光させると共に、第２焦点と筒型集光鏡の上部開口の中心点とが合致していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のビームダウン型太陽集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はビームダウン型太陽集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を効率良く一点に集めて熱エネルギーに変え、その熱エネルギーにより発電や海水淡水化を行う技術が知られている。この種の太陽光集光装置は、所定の高さに設置された下向きのセンタミラーへ向けて、地上に配置された複数のヘリオスタットにより太陽光を反射し、センタミラーにて反射された太陽光を地上側の一点に集光させる構造になっている。太陽光をセンタミラーから再度下側へ反射させるためビームダウン型太陽集光装置と称されている。センタミラーは楕円面、双曲面、平面など各種の反射面を備えたタイプがある。
【０００３】
一点に集光すると言っても、太陽光自体がある程度の幅をもった光束のため集光面積に限界がある。そのためセンタミラーで集光した太陽光を筒型集光鏡を用いて更に集光させている。すなわち筒型集光鏡の上部開口から太陽光を導入し、上部開口よりも狭い下部開口から太陽光を出射することにより、太陽光をより狭い範囲に集光する。筒型集光鏡から出射された太陽光はレシーバの受光面で受光されて光から熱に変換される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
地上でのヘリオスタットの配置方法として、最近では太陽光を効率良く反射するために、例えば反射面が楕円面のセンタミラーの場合は、センタミラーに対して、日中に太陽が存在する方角（北半球中緯度では南側）とは反対側の領域（北側）に主に設置される。すなわちヘリオスタットをセンタミラーの南側に設置しても、太陽光がヘリオスタットの反射面に対して大きい角度で入射・反射するため、太陽光のエネルギーのロス（いわゆるコサインロス）が大きくなり、その領域から得られる太陽光のエネルギーが比較的少ないからである。
【０００５】
そのようなヘリオスタットの設置に対応して、センタミラーも反射面が南側に変位した状態で設置される。北側に配置されたヘリオスタットからの太陽光を効率良く下方へ反射するためである。そのため地上に設置された筒型集光鏡の上部開口には南側に変位したセンタミラーから反射された太陽光が北側へ向けて斜めに入射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９５１２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、従来の技術にあっては、地上に設置された筒型集光鏡の上部開口にセンタミラーから斜めに太陽光が入射するため、筒型集光鏡の下部開口から出射される太陽光にエネルギーの不均一な分布が生じて、その太陽光を受光するレシーバの熱設計が困難になっている。
【０００８】
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、筒型集光鏡の下部開口から出射される太陽光のエネルギー分布の偏りを抑制することができるビームダウン型太陽集光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、所定の高さに設置されるセンタミラーと、地上に設置されて太陽光をセンタミラーへ向けて反射させるヘリオスタットと、センタミラーで反射されて集光した太陽光を上部開口より導入して該上部開口よりも狭い下部開口から拡散方向へ出射する筒型集光鏡とから成るビームダウン型太陽集光装置であって、前記センタミラーは筒型集光鏡における上部開口の中心点を通過する垂直線に対して一方向へ偏在し、センタミラーの反射面における太陽エネルギー分布の重心点と上部開口の中心点とを結ぶ重心線が前記垂直線に対して角度をもっており、前記筒型集光鏡が前記垂直線に対してその中心光軸が前記重心線と一致するように傾斜していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、筒型集光鏡の下部開口の下方に、受光面が筒型集光鏡の中心光軸と直角を成すレシーバを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、センタミラーは日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円体形状で、ヘリオスタットは太陽が存在する方角とは反対側の領域に設置され、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンタミラーの第１焦点に合わせ、センタミラーにて反射した太陽光を第２焦点に集光させると共に、第２焦点と筒型集光鏡の上部開口の中心点とが合致していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、筒型集光鏡の中心光軸がセンタミラーの実効面積の重心点と上部開口の中心点とを結ぶ重心線と一致するように、筒型集光鏡自体を傾斜させているため、上部開口に入射した太陽光が筒型集光鏡の内面で均等に反射され、筒型集光鏡の下部開口から出射される太陽光のエネルギー分布の偏りを抑制することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、レシーバの受光面が筒型集光鏡の中心光軸と直角をなすため、筒型集光鏡の下部開口より出射されたエネルギー分布の偏りの少ない太陽光をレシーバの受光面でそのまま受光することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、センタミラーが部分回転楕円体形状で、ヘリオスタットからの太陽光をセンタミラーの第１焦点に集光させるだけで、センタミラーで反射される太陽光を第２焦点に集光させることができるため、ヘリオスタットの光学的調整が容易である。またその第２焦点に対して筒型集光鏡の上部開口の中心点を合致させれば良いため、筒型集光鏡の設置も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るビームダウン型太陽集光装置を示す概略斜視図。
【図２】ビームダウン型太陽集光装置を示す平面図。
【図３】ビームダウン型太陽集光装置を示す断面図。
【図４】筒型集光鏡を示す斜視図。
【図５】センタミラーの拡大断面図。
【図６】センタミラーの下から見た底面図。
【図７】筒型集光鏡を垂直配置した比較例を示す断面図。
【図８】筒型集光鏡を傾斜配置した場合を示す断面図。
【図９】本発明の第２実施形態に係るビームダウン型太陽集光装置を示す断面図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るビームダウン型太陽集光装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図８は本発明の第１実施形態を示す図である。この実施形態では日本のような北半球の中緯度の地域の場合を例にして説明する。
【００１７】
図１はビームダウン型太陽集光装置を示している。中心にはセンタミラー１が３本のタワー２により所定高さに支持されている。センタミラー１は、日中に太陽が存在する方角（南側）とは反対側（北側）が切欠かれた部分回転楕円体形状をしている。センタミラー１の下面は断面が楕円体に合致した反射面３になっている。センタミラー１の下方には垂直線Ｘに沿って共焦点としての第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。センタミラー１は北側が切り欠かれた非対称な分布をしているため、反射面３は全体として垂直線Ｘから南側へ偏在した状態になっている。
【００１８】
センタミラー１の北側には複数のヘリオスタット４が放射状に設置されている。ヘリオスタット４は図示せぬセンサーにより太陽Ｔの動きに連動して向きを変化させる構造となっており、ヘリオスタット４は常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンタミラー１にて反射され、そして第２焦点Ｂに集光する。
【００１９】
第２焦点Ｂには筒型集光鏡５が設置されている。筒型集光鏡５の上部開口６の中心点Ｓが垂直線Ｘに合致し且つ第２焦点Ｂにも合致している。筒型集光鏡５は上部開口６よりも下部開口７が狭い概略テーパー筒形状で、内面は鏡面になっている。太陽光Ｌは第２焦点Ｂに集光するが、太陽光Ｌ自体が所定の幅を有する光束のため、第２焦点Ｂでは完全な点ではなく一定の集光面積をもっている。この第２焦点Ｂにおける集光面積を更に狭く集光させるために、太陽光Ｌを上部開口６から筒型集光鏡５内に導入する。筒型集光鏡５内に導入された太陽光Ｌは内面で反射されて、狭い下部開口７から出射することにより、下部開口７に相当する狭い面積に集光される。そしてこの実施形態では筒型集光鏡５の光軸Ｋが垂直線Ｘ（仮想回転楕円体の主軸）からオフセットして所定の角度θだけ傾斜している。
【００２０】
この筒型集光鏡５の傾斜角度θは、センタミラー１から筒型集光鏡５に導入される太陽光Ｌの入射角度に関連している。すなわち、ヘリオスタット４で反射されて、第１焦点Ａを通過して、センタミラー１の反射面３で反射される太陽光Ｌは、センタミラー１が南側に偏在して非対称に分布しているため、南側から北側へ向いた斜め方向で筒型集光鏡５の上部開口６に入射する。
【００２１】
センタミラー１の反射面３のうち、全ての面積にヘリオスタット４からの太陽光Ｌが当たる訳ではなく、ヘリオスタット４からの太陽光Ｌは実効面積３ａだけに当たって反射される。この実効面積３ａで反射される太陽光Ｌのエネルギーの中心は実効面積３ａにおける太陽エネルギー密度分布の重心点Ｇと筒型集光鏡５の上部開口６の中心点Ｓとを結ぶ重心線ｇに合致する。
【００２２】
すなわち図２等に例示するヘリオスタット４の配置、各ヘリオスタット４の太陽とセンタミラー１との角度関係による有効面積等がセンタミラー１の反射面３における入射エネルギー分布に反映される。たとえば、北側に配置されたヘリオスタット４は東側や西側のヘリオスタット４に比べて有効反射面積が大きく安定した太陽エネルギーを供給するが、その太陽エネルギーは実効面積３ａにおける南側領域で反射される。したがって本実施形態では反射面３における太陽エネルギー分布の重心の平均位置としての重心点Ｇはセンタミラー１の光軸Ｘから南側にオフセットした位置にある。そこで、筒型集光鏡５の中心光軸Ｋがこの重心線ｇと合致するように、重心線ｇと垂直線Ｘとが成す角度θ分だけ筒型集光鏡５を傾けている。図７及び図８では中心光軸Ｋを他の線と区別するために太く示している。
【００２３】
筒型集光鏡５の下方に配置されたレシーバ８の受光面９も傾斜しており、筒型集光鏡５の中心光軸Ｋ（重心線ｇ）が受光面９に対して垂直（法線方向）に交差するように配置されている。受光面９は太陽光Ｌを受光して熱に変換し、熱媒体等と熱交換を行う。
【００２４】
次に傾斜させた筒型集光鏡５の作用を説明するために、比較例として垂直に配置した場合の筒型集光鏡５′を図７に図示した。
【００２５】
センタミラー１が南側に偏在しているため、センタミラー１からの太陽光Ｌは南側から北側に向いた斜め方向（前記重心線ｇに沿う方向）で上部開口６′内に入射する。太陽光Ｌが斜めのため筒型集光鏡５′内に入射された太陽光Ｌは主に筒型集光鏡５′の北側の内面で反射され、南側へ向いた斜め方向で筒型集光鏡５′の下部開口７′から出射される。そのためレシーバの受光面９′に形成される集光スポットＰ′は円形だが、エネルギー分布は南側に偏った状態となる。
【００２６】
これに対して、図８に示す本実施形態の傾斜配置では、筒型集光鏡５がセンタミラー１からの太陽光Ｌのエネルギーの中心である重心線ｇに合致した状態で傾斜しているため、筒型集光鏡５に入射した太陽光Ｌは筒型集光鏡５の内面でほぼ均等に反射されて下部開口７より出射される。そのためレシーバ８の受光面９に形成される集光スポットＰのエネルギーは比較的均等に分散された状態となり、偏りが抑制される。レシーバ８の受光面９も傾斜しているため、受光面９に形成される集光スポットＰは円形となり、その中のエネルギー分布も比較例よりは均等に分散された状態となる。
【００２７】
この実施形態では以上説明したように、筒型集光鏡５の下部開口７から出射される太陽光Ｌのエネルギー分布の偏りが抑制されるため、レシーバ８の熱設計が容易になる。
【００２８】
またレシーバ８の受光面９も傾斜しているため、エネルギー分布の偏りの少ない太陽光をそのまま円形の集光スポットＰとして受光できる。
【００２９】
更に、センタミラー１が部分回転楕円形状で、ヘリオスタット４からの太陽光Ｌをセンタミラー１の第１焦点Ａに集光させるだけで、センタミラー１で反射される太陽光Ｌを第２焦点Ｂに集光させることができるため、ヘリオスタット４の光学的調整が容易である。またその第２焦点Ｂに対して筒型集光鏡５の上部開口６の中心点Ｓを合致させれば良いため、筒型集光鏡５の設置も容易である。なお、重心点Ｇは反射面３に於いて実質的にヘリオスタットからの太陽光を反射する実効面積３ａの拡がりの重心位置としてもよい。また、太陽エネルギー密度の高い北側のヘリオスタット４による南中時における太陽光Ｌが当たる実効面積３ａの拡がりの重心位置としてもよい。
【００３０】
以下、第２実施形態及び第３実施形態を説明する。各実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それらと同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
【００３１】
図９は、本発明の第２実施形態を示す図である。この実施形態のビームダウン方式では、双曲面の反射面１０を下側に有するセンタミラー１１を用いている。そのためセンタミラー１１は北側に偏在している。北側に配置されたヘリオスタット４で反射された太陽光Ｌは、センタミラー１１の反射面１０における実効面積１０ａで反射されて、筒型集光鏡５の上部開口６に対して北側から南側へ向けて斜め方向で入射する。筒型集光鏡５はその太陽光Ｌに対応して北側に角度θだけ傾斜している。このように双曲面の反射面１０を有するセンタミラー１１にも本発明を適用することができる。
【００３２】
図１０は、本発明の第３実施形態を示す図である。この実施形態のビームダウンでは、平面の反射面１２を下側に有するセンタミラー１３を用いている。そのためセンタミラー１３は北側に偏在している。第２実施形態同様に、北側に配置されたヘリオスタット４で反射された太陽光Ｌは、センタミラー１３の反射面１２における実効面積１２ａで反射されて、筒型集光鏡５の上部開口６に対して北側から南側へ向けて斜め方向で入射する。筒型集光鏡５はその太陽光Ｌに対応して北側に角度θだけ傾斜している。このように平面の反射面３を有するセンタミラー１にも本発明は適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１、１１、１３  センタミラー
３、１０、１２  反射面
３ａ、１０ａ、１２ａ  実効面積
４  ヘリオスタット
５  筒型集光鏡
６  上部開口
７  下部開口
８  レシーバ
９  受光面
Ａ  第１焦点
Ｂ  第２焦点
Ｇ  重心点
ｇ  重心線
Ｋ  中心光軸
Ｌ  太陽光
Ｓ  中心点
Ｔ  太陽
Ｐ  集光スポット
Ｘ  垂直軸
θ  角度
【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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【図１０】
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