(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を反射して集光する集光部と、
前記集光部が集光した光を熱に変換する集熱部と、
前記集熱部に固定され、且つ前記集熱部の太陽と反対方向の箇所に設置されて太陽光の熱エネルギを測定する太陽光エネルギ検出部と、
日時と設置場所に基づいて前記集光部が前記集熱部に太陽光を集光する所定角度を算出し、前記所定角度で前記集光部を回転する駆動制御部と、
前記集熱部が集熱した熱量と、前記測定した太陽光の熱エネルギと、前記集光部の投影面積とに基づいて集熱効率を測定し算出する集熱効率算出部と、
を有する太陽光集熱装置であって、
前記駆動制御部が前記所定角度に所定のオフセットを加えて前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定することを、前記所定のオフセットを変化させながら繰り返して行い、変化させた前記所定のオフセットと前記集熱効率との関係から、最適なオフセットを求めること、
を特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項２】
それぞれ異なった方向の光を検出する複数の光方向検出手段を備え、且つ前記集光部に固定されている太陽位置検出部を有し、
前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち１つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における集熱効率を測定することを、前記選択された光方向検出手段を変更しながら繰り返して行い、前記選択された光方向検出手段の位置と前記集熱効率との関係から、最適な光方向検出手段を求め、
前記最適な光方向検出手段とは、前記集熱効率のピーク値における前記選択された光方向検出手段であること、
を特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱装置。
【請求項３】
それぞれ異なった方向の光を検出する複数の光方向検出手段を備え、且つ前記集光部に固定されている太陽位置検出部を有し、
前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち１つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における集熱効率を測定することを、前記選択された光方向検出手段を変更しながら繰り返して行い、前記選択された光方向検出手段の位置と前記集熱効率との関係から、最適な光方向検出手段を求め、
前記最適な光方向検出手段とは、前記集熱効率が所定値以上である前記選択された光方向検出手段の範囲の中間に位置していること、
を特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の太陽光集熱装置は、前記最適な光方向検出手段を求めたのち、前記駆動制御部は、前記太陽位置検出部が前記最適な光方向検出手段を検出するよう前記集光部を回転し、前記集熱部による集熱を行い、
前記太陽位置検出部は、前記集熱部における太陽と反対方向の箇所に設置されていること、
を特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項５】
前記駆動制御部は、前記複数の光方向検出手段のうち１つを選択し、前記太陽位置検出部が前記選択された光方向検出手段によって光を検出するように前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記選択された光方向検出手段における前記集熱効率を測定しているとき、前記測定した太陽光の熱エネルギが所定値以下であったことを検出したならば、
前記集熱効率算出部は、前記測定した集熱効率を破棄し、新たに前記選択された光方向検出手段における前記集熱効率を測定すること、
を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を集光して熱媒体を介して熱エネルギに変換し集熱する太陽光集熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模での異常気象が問題となり、この異常気象の原因は温暖化現象であると考えられている。その為、温暖化現象の主原因である環境負荷の多い石油に代わり、環境負荷が少なく地球に優しい新エネルギが注目されている。その中で特に現実的に利用されているもののひとつが、太陽光エネルギである。
【０００３】
太陽光を利用したクリーンエネルギシステムには、アモルファスや結晶シリコンによる太陽電池によって太陽光を電気エネルギに変換する形式と、太陽光を鏡によって集光し、熱媒体によって熱エネルギに変換する方式とがある。
【０００４】
太陽光を集光して熱エネルギに変換する方式として、トラフ型、パラボラ型、タワー型等がある。トラフ型とは、雨樋状の曲面鏡を用いて、鏡の前に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる熱媒体（水やオイル等）を加熱して、熱エネルギに変換する方式である。パラボラ型とは、パラボラアンテナと同様の形状の鏡を用いて、鏡の前に設置されたスターリングエンジン等に太陽光を集中させ、熱エネルギに変換する形式である。別名、ディッシュ/スターリング方式などとも呼ばれる。タワー型とは、複数の平面鏡を並べ、これら複数の平面鏡の中央に設置されたタワーに設けられた集熱器に太陽光を集光して熱エネルギに変換する方式である。
【０００５】
特許文献１の図１〜図４と、特許文献２の図１には、それぞれトラフ型の太陽光集熱器が示されている。特許文献３には、パラボラ型の太陽光集熱器が示されている。特許文献４には、タワー型の太陽光集熱器が示されている。
特許文献５には、太陽光の反射損失を低下させることで光／電変換効率を向上させた太陽電池を利用した太陽光発電システムの発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０１／０２７８０号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１３９２１０号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９８２１１３７号明細書
【特許文献４】特開２０１０−１４４７２５号公報
【特許文献５】特開２０１０−００３９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、トラフ式、バラボラ式、タワー式等の太陽光集熱装置において、太陽光の集熱を高効率で行うためには、太陽の位置にあわせて曲面鏡の位置を精密に制御し、集熱部に集熱しなければならない。
そこで、本発明は、太陽光集熱装置において、曲面鏡の方向の精密な制御と、太陽の位置の精度の高い検出と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】
【０００８】
前記課題を解決し、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
【０００９】
すなわち、本発明の太陽光集熱装置は、太陽光を反射して集光する集光部と、前記集光部が集光した光を熱に変換する集熱部と、前記集熱部に固定され、且つ前記集熱部の太陽と反対方向の箇所に設置されて太陽光の熱エネルギを測定する太陽光エネルギ検出部と、日時と設置場所に基づいて前記集光部が前記集熱部に太陽光を集光する所定角度を算出し、前記所定角度で前記集光部を回転する駆動制御部と、前記集熱部が集熱した熱量と、前記測定した太陽光の熱エネルギと、前記集光部の投影面積とに基づいて集熱効率を測定し算出する集熱効率算出部とを有する太陽光集熱装置であって、前記駆動制御部が前記所定角度に所定のオフセットを加えて前記集光部を回転したのち、前記集熱効率算出部が前記所定のオフセットにおける集熱効率を測定することを、前記所定のオフセットを変化させながら繰り返して行い、変化させた前記所定のオフセットと前記集熱効率との関係から、最適なオフセットを求めることを特徴とする。
【００１０】
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、太陽光集熱装置において、曲面鏡の方向の精密な制御と、太陽の位置の精度の高い検出とを提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る太陽光集熱器の制御装置を示す図である。
【図３】太陽光の光軸ズレ角度と集熱効率との関係の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る太陽光集熱器の回転角度補正動作を示すフローチャートである。
【図５】オフセット値ρと集熱効率の関係の例を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る回転角度補正後の太陽光集熱器の集熱動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る太陽光集熱器の制御装置を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る太陽位置検出器を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る太陽位置検出器の動作を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る太陽位置検出器の取付誤差の修正を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係る太陽光集熱器の取付誤差修正動作を示すフローチャートである。
【図１３】フォトダイオード位置と集熱効率の関係の例を示す図である。
【図１４】第２の実施形態に係る太陽光集熱器の集光動作のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以降、本発明を実施するための形態（「本実施形態」という）を、図等を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
【００１４】
太陽光集熱器１０は、トラフ式の太陽光集熱装置であり、南北方向である長手方向の両端に設けられた２本の支柱４０（＝４０−１，４０−２）と、これらの支柱４０（＝４０−１，４０−２）に回転可能に支持されているコレクタ２０を有している。第１の実施形態においては、南北方向は長手方向であり、東西方向は短手方向である。
【００１５】
コレクタ２０は、制御装置８０によって制御されている駆動装置５０によって、太陽の方向に正対するよう回転する。コレクタ２０が太陽の方向に正対した状態とは、太陽光Ｌがコレクタ２０に設けられた反射パネル２１によって反射され、集熱管３０を焦点として集光されている状態である。コレクタ２０は、鏡面部である反射パネル２１と、この反射パネル２１を支える支持部材である５個の支持フレーム２２と、この支持フレーム２２の長手方向の両端と中央部とに配置されている３本の支持バー２３とを有している。太陽と反対方向（図１の北方向）の支持バー２３上には、太陽光エネルギ検出部である直達日射計２９が設置されている。直達日射計２９は、太陽光Ｌの単位面積あたりの熱エネルギを測定する機能を有し、コレクタ２０と連動して回転する。更に、太陽と反対方向（図１の北方向）の支持バー２３上に固定され、反射パネル２１に対して影を落とさないようになっている。
【００１６】
駆動装置５０は、例えばサーボモータであり、コレクタ２０を回転駆動する機能を有している。回転位置検出器７０とは、例えばロータリーエンコーダであり、コレクタ２０の回転角度Θを測定（実測）する機能を有している。制御装置８０は、回転位置検出器７０によって測定された実測の回転角度Θが目標回転角度Θtになるまで駆動装置５０を回転駆動させ、コレクタ２０を回転させる。
【００１７】
反射パネル２１は、短手方向に凹状の断面を有し、太陽光Ｌを集熱部である集熱管３０に集光させる。この凹状の断面は集光曲率形状であり、例えば放物面である。更に、この３本の支持バー２３には、それぞれ保持脚３１が固定されており、筒状の集熱部である集熱管３０を保持している。
【００１８】
集熱管３０は、太陽光Ｌを吸収して熱に変換する集熱部であり、例えば水などの熱媒体を内部に有している。集熱管３０は、後述する熱媒体往路３２０−２（図２）と熱媒体復路３２０−１（図２）が接続され、これら熱媒体往路３２０−２（図２）と熱媒体復路３２０−１（図２）を介して空調システム２００（図２）と接続されている。
【００１９】
熱媒体である水は、集熱管３０内において太陽光Ｌによって熱せられて熱水又は水蒸気となり、熱媒体往路３２０−２（図２）によって、空調システム２００（図２）に導かれて熱源として用いられる。熱媒体は熱源として用いられることで、熱媒体である熱水または水蒸気は放熱して再び水となり、熱媒体復路３２０−１（図２）によって集熱管３０に戻る。
【００２０】
太陽光集熱器１０は、駆動装置５０と回転位置検出器７０によって、コレクタ２０を太陽の方向に正対するように回転する。太陽光Ｌは、集光部であるコレクタ２０の反射パネル２１によって反射して集熱部である集熱管３０に焦点を結び、集熱管３０内部の熱媒体の熱量に変換される。
図１のトラフ式太陽光集熱装置の太陽追尾動作は以下のものである。
【００２１】
稼働状態において、後述するポンプ２２０（図２）は、集熱管３０内に熱媒体である水を送水する。この状態において、制御装置８０は、日時と設置場所（経度および緯度）に基づいて、太陽の位置を予測計算してコレクタ２０の目標回転角度Θtを算出する。制御装置８０は、回転位置検出器７０によってコレクタ２０の回転角度Θを検出（実測）しながら、実測の回転角度Θが目標回転角度Θtになるまで、駆動装置５０によってコレクタ２０を回転させる。この一連の動作を繰り返して、コレクタ２０が有している反射パネル２１で、太陽を常に追尾しながら集光し集熱する。
【００２２】
このとき、コレクタ２０の目標回転角度Θtを算出する際の算出誤差、太陽光集熱器１０を構成する部品寸法の誤差、および太陽光集熱器１０の設置位置の誤差、回転位置検出器７０の検出誤差等によって、実測の回転角度Θが予測計算で決定した理論的な目標回転角度Θtになるように制御しても、集熱効率が最大にならない虞がある。そのため、集光効率が最大となる回転角度Θmaxと、理論的な目標回転角度Θtとの差を補正する必要がある。
【００２３】
図２は、第１の実施形態に係る太陽光集熱器の制御装置を示す図である。
太陽光集熱器１０は、制御装置８０と、この制御装置８０に接続された回転位置検出器７０及び駆動装置５０と、コレクタ２０と、コレクタ２０と連動して回転する直達日射計２９と、集熱管３０と、集熱管３０の両端に設置された温度計２１２−１，２１２−２と、集熱管３０の一端に設置された流量計２１１とを有している。制御装置８０は更に、中央処理装置（以下、「ＣＰＵ」という。）８１と、計時部８２と、駆動制御部８３と、集熱効率算出部８４と、記憶部８５とを有し、記憶部８５は太陽位置テーブル８６を記憶している。
【００２４】
計時部８２は、日付および時刻を取得する機能を有しており、例えば水晶発振器とクロックＩＣで構成される。駆動制御部８３は、駆動装置５０によってコレクタ２０を回転すると共に、回転位置検出器７０によって実測の回転角度Θが所定の目標回転角度Θtとなったか否かを判断することにより、コレクタ２０を所定の目標回転角度Θtまで回転する。集熱効率算出部８４は、集熱部であるコレクタ２０が集熱した熱量と、測定した太陽光Ｌの熱エネルギを測定し、これらに基づいて集熱効率を算出する機能を有している。具体的には、後述する温度計２１２−１，２１２−２と流量計２１１の測定結果に基づいて、集熱量を計算する。更に直達日射計２９が測定した太陽光Ｌの熱エネルギと反射パネル２１の投影面積にもとづいて、反射パネル２１が集光した太陽光Ｌの熱エネルギを算出する。この集熱量を、反射パネル２１が集光した太陽光Ｌの熱エネルギで除算することにより、集熱効率を計算する。
【００２５】
記憶部８５は、例えばハードディスクやフラッシュメモリであり、この太陽光集熱器１０の制御に係る種々のデータを記録している。太陽位置テーブル８６は、日付および時刻と、この太陽光集熱器１０の設置位置（緯度と経度）における太陽位置との関係を示す情報である。
【００２６】
制御装置８０は、空調システム２００から集熱管３０への熱媒体復路３２０−１の流量を測定する流量計２１１と、熱媒体復路３２０−１の温度を測定する温度計２１２−１とに接続されている。更に、集熱管３０から空調システム２００への熱媒体往路３２０−２の温度を測定する温度計２１２−２に接続されている。
【００２７】
集熱管３０は、熱媒体往路３２０−２を介して空調システム２００に接続されている。空調システム２００から集熱管３０への熱媒体往路３２０−２には更に、ポンプ２２０が接続されている。このポンプ２２０は、集熱管３０内に熱媒体である水を送水する。
図３は、太陽光の光軸ズレ角度と集熱効率との関係の例を示す図である。縦軸は集光効率を％で示し、横軸は光軸ズレ角度を角度［°］で示している。
【００２８】
集熱管３０の直径Φ１〜Φ４の違いによって集熱効率は変化する。直径Φ１が最も細く、以降、直径Φ２から直径Φ４の順に太くなる。集熱管３０の直径Φ１〜Φ４のいずれにおいても、反射パネル２１の光軸ズレが１°近傍において集熱効率が悪化し始め、２°以上に傾くと集熱できなくなることがわかる。
【００２９】
そのため、反射パネル２１を備えたコレクタ２０の目標回転角度Θtを算出する際の算出誤差、太陽光集熱器１０を構成する部品寸法の誤差、および太陽光集熱器１０の設置位置の誤差の累積によって、許容範囲以上の光軸ズレが発生しないよう、太陽光集熱器１０を適切に設計しなければならない。
【００３０】
（第１の実施形態の動作）
図４は、第１の実施形態に係る太陽光集熱器の回転角度補正動作を示すフローチャートである。
本実施形態に係る回転角度補正動作において、オフセット値ρの範囲は、図３に示した集熱管３０の直径Φと光軸ズレ角度と集光効率の関係にもとづいて決定する。一例として、集熱管３０の直径としてΦ１を選択した場合を考える。集熱効率が急激に低下するのは、光軸ズレ角度が±１°近傍の場合である。この場合には、オフセット値ρの範囲を−１．０°〜＋１．０°として設定し、−１．０°から＋０．１°ずつ、徐々に値を変更していく。
処理を開始すると、ステップＳ１０〜Ｓ１９において、制御装置８０は、目標回転角度Θtのオフセット値ρの範囲を−１．０°から＋１．０°まで＋０．１°ずつ変更する処理を繰り返す。このオフセット値ρは、所定のオフセットであり、目標回転角度Θtを集光効率が最大となる回転角度Θmaxに補正するために用いられる。よって、オフセット値ρの範囲は、目標回転角度Θtと、集光効率が最大となる回転角度Θmaxとの差の最大値よりも、やや広く設定することが望ましい。
【００３１】
ステップＳ１１〜Ｓ１６において、制御装置８０は、学習時間の間、処理を繰り返す。この学習時間は、太陽光Ｌの集光状態の変化による過度状態に影響されることなく、集熱管３０による集熱量を測定可能な期間であればよい。
【００３２】
ステップＳ１２において、制御装置８０は、記憶部８５から太陽位置テーブル８６の情報を取得し、計時部８２から日時を取得し、この日時と太陽位置テーブル８６に基づいて、太陽位置を算出する。太陽位置は、例えば仰角と方位角で示されるものである。
【００３３】
ステップＳ１３において、制御装置８０は、算出した太陽位置から、コレクタ２０が太陽の方向に正対する目標回転角度Θtを算出する。この目標回転角度Θtは、理論計算値であり、実際に太陽の方向に正対する最適な値とは相違している虞がある。この目標回転角度Θtは、所定角度である。すなわち、駆動制御部８３は、日時と設置場所に基づいて、集光部であるコレクタ２０が太陽の方向に正対する所定角度を算出し、この所定角度で集光部であるコレクタ２０を回転する
【００３４】
ステップＳ１４において、制御装置８０の駆動制御部８３は、コレクタ２０を、算出した目標回転角度Θtにオフセット値ρを加算した角度である（Θt＋ρ）で回転する。すなわち、駆動制御部８３は、所定角度に所定のオフセットを加算して、集光部であるコレクタ２０を回転する。
【００３５】
ステップＳ１５において、太陽光集熱器１０は、集熱運転を行う。集熱運転中において、集熱効率算出部８４は、集熱管３０の入口側に設置した流量計２１１によって熱媒体の流量Ｆを測定している。更に、集熱管３０の入口側に設置した温度計２１２−１によって入口側の熱媒体の温度Ｔinを測定し、集熱管３０の出口側に設置した温度計２１２−２によって熱媒体の温度Ｔoutを測定し、熱媒体の温度差（Ｔout−Ｔin）を算出する。この熱媒体の比熱αと流量Ｆと温度差（Ｔout−Ｔin）の積が集熱量となる。更に集熱効率算出部８４は、直達日射計２９によって直達日射量［ｋＷ／ｍ２］を測定する。直達日射量とは、太陽光Ｌが１平方メートルに垂直に降り注いたときの熱エネルギ量である。
【００３６】
ステップＳ１６において、所定の学習時間が経過していないならば、ステップＳ１１の処理に戻る。所定の学習時間が経過したならば、ステップＳ１７の処理に移行する。
【００３７】
ステップＳ１７において、所定の学習時間において曇りを検出したか否か、すなわち、太陽光Ｌの太陽光集熱器１０への入射量が小さくなった場合を検出したか否かを判断する。直達日射計２９による測定値が、日照の定義である１２０Ｗ／ｍ２未満の場合は、曇りを検出したと判断し、ステップＳ１１の処理に戻って、オフセット値ρと集光効率のデータを破棄し、新たな集熱運転を実施してデータを取得する。
【００３８】
ステップＳ１８において、制御装置８０の集熱効率算出部８４は、学習時間中に求めた集熱量を、曲面鏡の投影面積の１平方メートルあたりの熱量［ｋＷ］に換算し、学習時間中に直達日射計２９で測定した直達日射量に対する比率を求める。この比率を集熱効率とする。集熱効率算出部８４は、オフセット値ρと集熱効率との関係を、記憶部８５に記憶する。
【００３９】
ステップＳ１９において、制御装置８０は、オフセット値ρを＋０．１°ずつ変更し、オフセット値ρが＋１．０°以下ならば、ステップＳ１０の処理に戻り、オフセット値ρが＋１．０°を超えていたならば、ステップＳ２０の処理に移行する。
【００４０】
ステップＳ２０において、制御装置８０は、オフセット値ρの最適値であるオフセット最適値ρ0を求める。オフセット最適値ρ0とは、集熱効率を安定かつ最大とする最適なオフセット値である。ステップＳ２０の処理が終了すると、図４の処理は終了する。
【００４１】
図５（ａ），（ｂ）は、オフセット値ρと集熱効率の関係の例を示す図である。横軸はオフセット値ρを示し、縦軸は集光効率を示している。
【００４２】
図５（ａ）は、集熱効率が明確なピークを描く場合を示している。例えば、所定の集熱効率以上のデータが１点のみである場合である。この場合、ピーク値におけるオフセット値ρを最適値とすればよい。
【００４３】
図５（ｂ）は、集熱効率が明確なピークを描かない場合を示している。例えば、所定の集熱効率以上のデータが複数個存在する場合である。このような場合には、所定の集熱効率以上の複数のデータから、オフセット値が両端である２点のデータを取り、これら２点のオフセット値ρの中間値を最適値とすればよい。
図６は、第１の実施形態に係る回転角度補正後の太陽光集熱器の集熱動作を示すフローチャートである。
処理を開始すると、ステップＳ３１において、太陽光集熱器１０の制御装置８０は、記憶したオフセット最適値ρ0を読込む。
【００４４】
ステップＳ３２において、制御装置８０は、記憶部８５から太陽位置テーブル８６の情報を取得し、計時部８２から取得した日時と太陽位置テーブル８６に基づいて、太陽位置を算出する。太陽位置は、例えば仰角と方位角で示されるものである。
【００４５】
ステップＳ３３において、制御装置８０は、算出した太陽位置から、コレクタ２０が太陽の方向に正対する目標回転角度Θtを算出する。この目標回転角度Θtは、理論計算値であり、最適な回転角度値とは相違している虞がある。
【００４６】
ステップＳ３４において、制御装置８０は、コレクタ２０を、算出した目標回転角度Θtにオフセット最適値ρ0を加算した角度である（Θt＋ρ0）で回転する。
【００４７】
ステップＳ３５において、太陽光集熱器１０は、集熱運転を所定時間にわたり実施したのち、ステップＳ３２の処理に戻って繰り返す。この所定時間は、太陽位置テーブル８６を構成する日時の最小単位である。これにより、制御装置８０の計算処理を最小化することが可能である。
【００４８】
（第１の実施形態の効果）
以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような効果がある。
（Ａ）  コレクタ２０の目標回転角度Θtを算出する際の算出誤差、太陽光集熱器１０を構成する部品寸法の誤差、および太陽光集熱器１０の設置位置の誤差、回転位置検出器７０の検出誤差等によって、予測計算で決定した理論的な目標回転角度Θtで制御しても集熱効率が最大にならない場合がある。この場合においても、集光効率が最大となる回転角度Θmaxと、理論的な目標回転角度Θtとの差を学習し、目標回転角度Θtを補正することが可能である。
【００４９】
（Ｂ）  太陽光集熱器１０が自ら目標回転角度Θtの誤差を学習し、その誤差を補正するオフセット最適値ρ0を加えて集熱運転するので、太陽の位置を検出する装置等が不要である。
【００５０】
（Ｃ）  直達日射計２９は、コレクタ２０と連動して回転し、且つ反射パネル２１上に影を落とさないように、太陽と反対方向（図の北方向）の支持バー２３上に設置されている。これにより、太陽光集熱器１０の集熱効率の悪化を抑止している。
【００５１】
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る太陽光集熱器を示す図である。
本実施形態の太陽光集熱器１０Ａは、第１の実施形態の太陽光集熱器１０に加えて、太陽の方向を検出する太陽位置検出部である太陽位置検出器９０を備えているほかは、第１の実施形態の太陽光集熱器１０と同様の構成を有している。この太陽位置検出器９０は、コレクタ２０と連動して回転する。更に、太陽と反対方向（図１の北方向）の支持バー２３上に設置され、反射パネル２１上に影を落とさないようになっている。
図８は、第２の実施形態に係る太陽光集熱器の制御装置を示す図である。
【００５２】
本実施形態の太陽光集熱器１０Ａは、第１の実施形態の太陽光集熱器１０に加えて、太陽の方向を検出する太陽位置検出器９０を備え、制御装置８０のＣＰＵ８１に接続されているほかは、第１の実施形態の太陽光集熱器１０と同様の構成を有している。
図９（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る太陽位置検出器を示す図である。
【００５３】
太陽位置検出器９０は、筐体であるケーシング９１を有し、このケーシング９１の上部には、光を所定方向に取り入れるための隙間であるスリット９２が設けられている。このケーシング９１の内側底面には、スリット９２の方向に並列接続されているフォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）を、スリット９２と垂直な方向に複数列設置している。これら複数列の中心は、フォトダイオード９３−１１である。フォトダイオード９３の一列分の幅は、スリット９２の開口幅と、ほぼ同等である。このフォトダイオード９３は、それぞれ異なった方向の光を検出する複数の光方向検出手段である。
【００５４】
太陽位置検出器９０は、太陽光集熱器１０Ａのコレクタ２０の端部に、スリット９２が南北方向となり、フォトダイオード９３−１が東端となり、フォトダイオード９３−２１が西端となるよう固定され、コレクタ２０と連動して回転する。これにより太陽光Ｌは、スリット９２から入射して、複数列のフォトダイオード９３のうち１〜２列に照射される。図９（ａ）では、中央列のフォトダイオード９３−１１に照射されている。太陽光Ｌが照射されたフォトダイオード９３−１１は電流を発生し、この電流により太陽の位置を判断可能である。
図９（ｂ）は、フォトダイオード位置Ｘと出力電流との関係を示す図である。横軸はフォトダイオード位置Ｘを示し、縦軸は位置Ｘにおけるフォトダイオード９３の出力電流を示している。
【００５５】
フォトダイオード位置Ｘは、フォトダイオード９３のうちの１列、すなわち、フォトダイオード９３−Ｘの位置を示している。フォトダイオード位置Ｘにおける出力電流は、フォトダイオード９３−Ｘからの出力電流を示している。図９（ａ）において、フォトダイオード９３−１１に太陽光Ｌが照射されているので、フォトダイオード位置Ｘ＝１１における出力電流は、他のフォトダイオード位置Ｘ＝１〜１０，Ｘ＝１２〜２１における出力電流と比べて最も高くなる。フォトダイオード位置Ｘと出力電流との関係において、最も高い出力電流を検出したフォトダイオード位置Ｘを検知することにより、スリット９２から入射した太陽光Ｌが入射したフォトダイオード位置Ｘを検知することが可能である。
【００５６】
（第２の実施形態の動作）
図１０（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る太陽位置検出器の動作を示す図である。
図１０（ａ）は、太陽位置検出器９０の取付誤差がなく、且つコレクタ２０が正常に太陽を追尾している場合を示す図である。このとき太陽光Ｌは、スリット９２から垂直に入射し、中央列のフォトダイオード９３−１１に照射され、フォトダイオード９３−１１は、フォトダイオード９３−１〜９３−２１のうち最も高い電流を出力する。太陽光Ｌは、太陽位置検出器９０が固定されているコレクタ２０の反射パネル２１によって反射し、集熱管３０に集光する。
【００５７】
図１０（ｂ）は、太陽位置検出器９０の取付誤差がなく、且つコレクタ２０の太陽の追尾が遅れている場合を示す図である。このとき太陽光Ｌは、スリット９２から斜めに入射し、中央列から１列分だけ東側のフォトダイオード９３−１０に照射される。このフォトダイオード９３−１０は、フォトダイオード９３−１〜９３−２１のうち最も高い電流を出力する。太陽光Ｌは、太陽位置検出器９０が固定されているコレクタ２０の反射パネル２１によって反射するが、集熱管３０には集光しない。このとき、中央列のフォトダイオード９３−１１に光が照射されるよう、目標回転角度Θtを調整する制御が必要になる。
【００５８】
すなわち、太陽位置検出器９０は、最も高い電流を出力するフォトダイオード位置Ｘを検出することによって、集光部であるコレクタ２０と太陽の相対方向とのズレ量を検出する機能を有している。
図１１（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る太陽位置検出器の取付誤差の修正を示す図である。
【００５９】
図１１（ａ）は、太陽位置検出器９０の取付誤差があり、且つ取付誤差修正前を示す図である。このとき太陽光Ｌは、スリット９２から垂直入射し、中央列のフォトダイオード９３−１１に照射され、中央列のフォトダイオード９３−１１は、フォトダイオード９３−１〜９３−２１のうち最も高い電流を出力する。太陽光Ｌは、太陽位置検出器９０が固定されているコレクタ２０の反射パネル２１によって反射するが、集熱管３０を焦点として集光しない。以降、中央列のフォトダイオード位置をＸmと定義する。
【００６０】
図１１（ｂ）は、太陽位置検出器９０の取付誤差があり、且つ取付誤差修正後を示す図である。このとき太陽光Ｌは、スリット９２から斜めに入射し、フォトダイオード９３−１０に照射され、フォトダイオード９３−１０は、フォトダイオード９３−１〜９３−２１のうち最も高い電流を出力する。太陽光Ｌは、太陽位置検出器９０が固定されているコレクタ２０の反射パネル２１によって反射し、集熱管３０を焦点として集光する。
【００６１】
すなわち、駆動制御部８３は、集熱効率のピーク値における最適な光方向検出手段であるフォトダイオード９３の位置Ｘを測定している。更に、駆動制御部は、複数の光方向検出手段であるフォトダイオード９３の列のうち１つを選択し、太陽位置検出器９０が、前記選択された光方向検出手段である選択されたフォトダイオード９３によって光を検出するように集光部であるコレクタ２０を回転し、集熱管３０による集熱を行っている。
図１２は、第２の実施形態に係る太陽光集熱器の取付誤差修正動作を示すフローチャートである。
【００６２】
取付誤差修正動作において、駆動制御部８３は、フォトダイオード９３の列のうち１つを選択し、選択したフォトダイオード９３の列の電流出力が最大となるようコレクタ２０の目標回転角度Θtを調整して集熱運転を行い、集熱効率を求める。このとき、選択したフォトダイオード９３の列の位置のことを、目標ダイオード位置Ｘtという。そして目標ダイオード位置Ｘtを、フォトダイオード９３−１〜９３−２１の位置それぞれに設定して集熱効率を求める処理を繰り返し行う。それぞれの集熱効率を求めることにより、フォトダイオード位置Ｘと集熱効率との関係を調査する。そして、集熱効率が最大となる最適な光方向検出手段の位置である基準ダイオード位置Ｘ0を求める。
【００６３】
具体的には、処理を開始すると、制御装置８０は、ステップＳ５１〜Ｓ６５において、目標ダイオード位置Ｘtを、フォトダイオード位置Ｘの東端から西端まで順に設定して繰り返す。すなわち、フォトダイオード９３−１からフォトダイオード９３−２１まで、それぞれ目標ダイオード位置Ｘtに設定して順に繰り返す。
ステップＳ５２において、制御装置８０は、オフセット値Ψを０に設定する。
ステップＳ５３〜Ｓ６２において、制御装置８０は、所定の学習時間の間、繰り返す。
【００６４】
ステップＳ５４において、制御装置８０は、記憶部８５から太陽位置テーブル８６の情報を取得し、計時部８２から日時を取得し、この日時と太陽位置テーブル８６に基づいて、太陽位置を算出する。太陽位置は、例えば仰角と方位角で示されるものである。
【００６５】
ステップＳ５５において、制御装置８０は、算出した太陽位置から、コレクタ２０が太陽の方向に正対する目標回転角度Θtを算出する。この目標回転角度Θtは、理論計算値であり、最適な値とは相違している虞がある。
ステップＳ５６において、制御装置８０は、コレクタ２０を、算出した目標回転角度Θtにオフセット値Ψを加算した角度である（Θt＋Ψ）で回転する。
ステップＳ５７において、制御装置８０は、太陽位置検出器９０のフォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）のそれぞれの電流値を測定する。
【００６６】
ステップＳ５８において、制御装置８０は、電流出力が最大となるフォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）の位置を判定する。すべての出力が所定値よりも小さかったならばステップＳ６１の処理を行う。目標ダイオード位置Ｘt以外が最大出力であったならば、ステップＳ５９の処理を行う。目標ダイオード位置Ｘtが最大出力であったならば、ステップＳ６０の処理を行う。
【００６７】
ステップＳ５９において、制御装置８０は、最大出力側のダイオード位置が、フォトダイオード位置Ｘ側に近づくよう、オフセット値ΨをΔΨだけ変更し、ステップＳ５６の処理に戻る。
【００６８】
ステップＳ６０において、太陽光集熱器１０Ａは、集熱運転を実施する。集熱運転中において、集熱効率算出部８４は、集熱管３０の入口側に設置した流量計２１１によって熱媒体の流量Ｆを測定している。更に、集熱管３０の入口側に設置した温度計２１２−１によって入口側の熱媒体の温度Ｔinを測定し、集熱管３０の出口側に設置した温度計２１２−２によって熱媒体の温度Ｔoutを測定し、これらの測定値から熱媒体の温度差（Ｔout−Ｔin）を測定する。この熱媒体の比熱αと流量Ｆと温度差（Ｔout−Ｔin）の積が集熱量となる。更に集熱効率算出部８４は、直達日射計２９によって直達日射量［ｋＷ／ｍ２］を測定する。直達日射量とは、太陽光Ｌが１平方メートルに垂直に降り注いたときの熱エネルギ量である。
ステップＳ６１において、制御装置８０は、曇りを検出したと判断して、その旨を記録する。
【００６９】
ステップＳ６２において、所定の学習時間が経過していないならば、ステップＳ５３の処理に戻る。所定の学習時間が経過したならば、ステップＳ６３の処理に移行する。
【００７０】
ステップＳ６３において、所定の学習時間において曇りを検出したか否か、すなわち、太陽光Ｌの太陽光集熱器１０Ａへの入射量が小さくなった場合を検出したか否かと、前述したステップＳ６１の処理を実行していたか否かを判断する。直達日射計２９による測定値が、日照の定義である１２０Ｗ／ｍ２未満の場合や、ステップＳ６１の処理を実行していた場合には、曇りを検出したと判断し、ステップＳ５３の処理に戻って、オフセット値ρと集光効率のデータを破棄し、再度の集熱運転を実施してデータを取得する。
【００７１】
ステップＳ６４において、制御装置８０の集熱効率算出部８４は、学習時間中に求めた集熱量を、曲面鏡の投影面積の１平方メートルあたりの熱量［ｋＷ］に換算し、学習時間中に直達日射計２９で測定した直達日射量に対する比率をもとめる。この比率を集熱効率とする。集熱効率算出部８４は、学習した目標ダイオード位置Ｘtと集熱効率との関係を、記憶部８５に記録する。
【００７２】
ステップＳ６５において、制御装置８０は、目標ダイオード位置Ｘtを一列ずつ変更する。全てのフォトダイオード位置Ｘについて処理を繰り返していないならば、ステップＳ５１の処理に戻り、全てのフォトダイオード位置Ｘについて処理を繰り返していたならば、ステップＳ６６の処理に移行する。
【００７３】
ステップＳ６６において、制御装置８０は、最適な光方向検出手段である基準ダイオード位置Ｘ0を求める。ステップＳ６６の処理が終了すると、図１２の処理は終了する。
【００７４】
以後、太陽光集熱器１０Ａは、この基準ダイオード位置Ｘ0が出力最大となるよう目標回転角度Θtを補正しながら、集熱運転する。本実施形態の学習時間は、第１の実施形態の学習時間と同様に、集熱量を測定できる時間であればよい。
【００７５】
このように、コレクタ２０の目標回転角度Θtの設定値や、太陽位置検出器９０の取付誤差補正を行うことで、常に高効率で太陽光Ｌからの集熱が可能となる。太陽光集熱器１０Ａの設置位置を変更する場合においても、集熱効率が最大値となるフォトダイオード位置Ｘを記録することで、常に集熱効率が最大値となるように設置誤差を自ら学習することが可能になる。
図１３（ａ），（ｂ）は、フォトダイオード位置と集熱効率の関係の例を示す図である。横軸はフォトダイオード位置Ｘを示し、縦軸は集光効率を示している。
【００７６】
図１３（ａ）は、集熱効率が明確なピークを描く場合を示している。例えば、スリット９２の幅とフォトダイオード９３の列とが広く、フォトダイオード９３の１列がコレクタ２０の０．５〜１°の回転に相当し、よって所定の集熱効率以上のデータが１点となる場合である。この場合には、ピーク値におけるフォトダイオード位置Ｘを基準ダイオード位置Ｘ0とすればよい。
【００７７】
図１３（ｂ）は、集熱効率が明確なピークを描かない場合を示している。例えば、スリット９２の幅とフォトダイオード９３の列とが狭く、フォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）列がコレクタ２０の１〜２°の回転に相当し、よって所定の集熱効率以上のデータが複数個存在する場合である。このような場合には、所定の集熱効率以上の複数のデータから、両端であるフォトダイオード位置Ｘ1，Ｘ2の２点のデータを取り、それらフォトダイオード位置Ｘ1，Ｘ2の中間値を基準ダイオード位置Ｘ0とすればよい。本実施形態において、所定の集熱効率とは、予め定められた値であり、例えば８０％である。
図１４は、第２の実施形態に係る太陽光集熱器の集光動作のフローチャートである。
処理を開始すると、ステップＳ７１において、太陽光集熱器１０Ａの制御装置８０は、学習された基準ダイオード位置Ｘ0を読込む。
ステップＳ７２において、制御装置８０は、オフセット値Ψを０に設定する。
【００７８】
ステップＳ７３において、制御装置８０は、記憶部８５から太陽位置テーブル８６の情報を取得し、計時部８２から取得した日時と太陽位置テーブル８６に基づいて、太陽位置を算出する。太陽位置は、例えば仰角と方位角で示されるものである。
【００７９】
ステップＳ７４において、制御装置８０は、算出した太陽位置から、コレクタ２０が太陽の方向に正対する目標回転角度Θtを算出する。この目標回転角度Θtは、理論計算値であり、最適な値とは相違している虞がある。
ステップＳ７５において、制御装置８０は、コレクタ２０を、算出した目標回転角度Θtにオフセット値Ψを加算した角度である（Θt＋Ψ）で回転する。
ステップＳ７６において、制御装置８０は、太陽位置検出器９０のフォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）のそれぞれの電流値を測定する。
【００８０】
ステップＳ７７において、制御装置８０は、電流出力が最大となるフォトダイオード９３（＝９３−１〜９３−２１）の位置を判定する。すべての出力が所定値よりも小さかったならば、ステップＳ７２の処理に戻る。基準ダイオード位置Ｘ0以外が最大出力であったならば、ステップＳ７８の処理を行う。基準ダイオード位置Ｘ0が最大出力であったならば、ステップＳ７９の処理を行う。
【００８１】
ステップＳ７８において、制御装置８０は、最大出力側のダイオード位置が、基準ダイオード位置Ｘ0側に近づくよう、オフセット値ΨをΔΨだけ変更し、ステップＳ７５の処理に戻る。
ステップＳ７９において、太陽光集熱器１０Ａは、集熱運転を実施したのち、ステップＳ７３の処理に戻る。
【００８２】
（第２の実施形態の効果）
以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｄ）〜（Ｆ）のような効果がある。
（Ｄ）  コレクタ２０に太陽位置検出器９０を設けて、集熱運転中に、常にコレクタ２０の目標回転角度Θtを太陽光Ｌにあわせて補正するように制御している。これにより、太陽位置テーブル８６の精度によらず、常に最適な集熱効率が得られる。
【００８３】
（Ｅ）  太陽位置検出器９０の取付誤差を学習によって補正するように構成している。これにより、太陽位置検出器９０の取付精度によらず、常に最適な集熱効率が得られる。
【００８４】
（Ｆ）  太陽位置検出器９０は、コレクタ２０と連動して回転する。更に、太陽と反対方向（図の北方向）の支持バー２３上に設置され、反射パネル２１上に影を落とさないようになっている。これにより、太陽光集熱器１０Ａの集熱効率の悪化を抑止している。
【００８５】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｋ）のようなものがある。
【００８６】
（ａ）  第１および第２の実施形態では、予め設置位置ごとに計算されている太陽位置テーブル８６を設け、日時と太陽位置テーブル８６によって太陽位置を求めている。しかし、これに限られず、日時、ならびに、設置位置の緯度および経度にもとづいて、太陽位置を求めても良い。これにより、太陽位置テーブル８６の量子化誤差を解消することが可能である。
【００８７】
（ｂ）  第１および第２の実施形態は、トラフ型の太陽光集熱装置の例である。しかし、これに限られず、パラボラアンテナと同様の形状の鏡を用いて、鏡の前に設置されたスターリングエンジン等に太陽光Ｌを集中させ、熱エネルギに変換する形式であるパラボラ型の太陽光集熱装置であってもよい。この場合には、太陽位置から東西方向の目標回転角度Θ1tと南北方向の目標回転角度Θ2tを求め、東西方向のオフセット値ρ1を東西方向の目標回転角度Θ1tに加え、南北方向のオフセット値ρ2を南北方向の目標回転角度Θ2t加える。パラボラ形状の反射鏡を東西方向に目標回転角度（Θ1t＋ρ1）で回転させると共に、南北方向に目標回転角度（Θ2t＋ρ2）で回転させる。そして、ρ1−ρ2平面における集熱効率のピークを求めて、この集熱効率のピークにおけるオフセット値ρ1とρ2とを最適値とする。
（ｃ）  第１及び第２の実施形態は、熱媒体として水を使用している。しかし、これに限られず、油やその他の物質であっても良い。
【００８８】
（ｄ）  第２の実施形態において、太陽位置検出器９０の部品としてフォトダイオード９３を使用している。しかし、これに限られず、太陽光Ｌを受光して電気を発生する光電効果を有する部品であれば良い。
【００８９】
（ｅ）  第２の実施形態において、太陽位置検出器９０内への入射にスリット９２を利用している。しかし、これに限られず、他の開口形状であっても、太陽位置検出器９０が太陽に正対した状態において、太陽光Ｌがフォトダイオード９３の中心に照射できる形状であれば良い。
【００９０】
（ｆ）  第１および第２の実施形態において、直達日射計２９によって、直達日射量［ｋＷ／ｍ２］を測定している。しかし、これに限られず、オフセット値等が未調整の太陽光集熱器１０−１の集熱量を、オフセット値等が調整済の他の太陽光集熱器１０−２の集熱量で除算し、これを太陽光集熱器１０−１の集熱効率としても良い。これにより、直達日射計２９が不要となる。
【００９１】
（ｇ）  第１および第２の実施形態において、直達日射計２９は、コレクタ２０と連動して回転する。更に、太陽と反対方向（図１および図７の北方向）の支持バー２３上に設置され、反射パネル２１上に影を落とさないようになっている。しかし、これに限られず、太陽と反対方向（図１および図７の北方向）の保持脚３１または支持フレーム２２に設置されていても良い。更に、反射パネル２１の短手方向（図の東西方向）の横に設置されていても良い。
【００９２】
（ｈ）  第２の実施形態において、太陽位置検出器９０は、コレクタ２０と連動して回転し、且つ反射パネル２１上に影を落とさないように、太陽と反対方向（図７の北方向）の支持バー２３上に設置されている。しかし、これに限られず、太陽と反対方向（図７の北方向）の保持脚３１または支持フレーム２２に設置されていても良い。更に、反射パネル２１の短手方向（図の東西方向）の横に設置されていても良い。
【００９３】
（ｉ）  第２の実施形態において、直達日射計２９によって、直達日射量［ｋＷ／ｍ２］を測定している。しかし、これに限られず、太陽位置検出器９０によって、直達日射量を測定しても良い。これにより、直達日射計２９が不要となる。
【００９４】
（ｊ）  第１および第２の実施形態において、ピーク値を検出する際に用いている所定の集熱効率は、予め定められた値である。しかし、これに限られず、例えば、集熱効率の最大値を計算し、計算した最大値の所定の割合を、所定の集熱効率としても良い。
【００９５】
（ｋ）  第１および第２の実施形態では、回転位置検出器７０を設け、コレクタ２０の回転角度Θを測定（実測）しながら、所定の目標回転角度Θtになるようにサーボモータである駆動装置５０を制御している。しかし、これに限られず、例えば、回転位置検出器７０を設けず、駆動装置５０をステッピングモータで構成し、このステッピングモータによって、コレクタ２０を目標回転角度Θtに回転するように制御しても良い。
【符号の説明】
【００９６】
１０，１０Ａ  太陽光集熱器
２０  コレクタ（集光部）
２１  反射パネル
２２  支持フレーム
２３  支持バー
２４  枠フレーム
２９  直達日射計
３０  集熱管（集熱部）
３１  保持脚
４０  支柱
５０  駆動装置
７０  回転位置検出器
８０  制御装置
８１  ＣＰＵ
８２  計時部
８３  駆動制御部
８４  集熱効率算出部
８５  記憶部
８６  太陽位置テーブル
９０  太陽位置検出器（太陽位置検出部）
９１  ケーシング
９２  スリット
９３  フォトダイオード（光方向検出手段）
２００  空調システム
２１１  流量計
２１２−１，２１２−２  温度計
２２０  ポンプ
３２０−１  熱媒体復路
３２０−２  熱媒体往路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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