(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を傾動可能に支持する支持機構を有したヘリオスタットにおいて、
前記支持機構が１つの支柱と、第１シリンダ及び第２シリンダを有しており、前記反射鏡の背面を、前記支柱の支柱上端と、前記第１シリンダの第１シリンダ上端と、前記第２シリンダの第２シリンダ上端で傾動可能に支持し、前記支柱上端と前記第１シリンダ上端と前記第２シリンダ上端が、前記反射鏡の背面で三角形を形成するように配置し、前記支柱上端と前記反射鏡の連結を、交差する２軸方向に傾動可能に且つ前記反射鏡が前記支柱を中心軸として回転しないように構成したジンバル支持軸受で行うことを特徴とするヘリオスタット。
【請求項２】
前記三角形が、前記支柱上端を頂点とした二等辺三角形であることを特徴とする請求項１に記載のヘリオスタット。
【請求項３】
前記第１シリンダ及び前記第２シリンダが、スクリュージャッキ式のシリンダであることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘリオスタット。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の前記ヘリオスタットを複数台配置し、溶融塩を熱媒体とする受熱部に太陽光を集光して太陽熱発電を行なうことを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項５】
太陽光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を傾動可能に支持する支持機構を有したヘリオスタットで、前記支持機構が１つの支柱と、第１シリンダ及び第２シリンダを有しており、前記反射鏡の背面を、前記支柱の支柱上端と、前記第１シリンダの第１シリンダ上端と、前記第２シリンダの第２シリンダ上端で傾動可能に支持し、前記支柱上端と前記第１シリンダ上端と前記第２シリンダ上端が、前記反射鏡の背面で三角形を形成するように配置し、前記支柱上端と前記反射鏡の連結を、交差する２軸方向に傾動可能に且つ前記反射鏡が前記支柱を中心軸として回転しないように構成したジンバル支持軸受で行うヘリオスタットの制御方法であって、
前記第１シリンダを伸縮し、前記支柱上端と前記第１シリンダ上端を結ぶ前記三角形の第１斜辺の位置を決定する第１制御と、
前記第２シリンダを伸縮し、前記支柱上端と前記第２シリンダ上端を結ぶ前記三角形の第２斜辺の位置を決定する第２制御を行い、前記三角形の位置の決定により前記反射鏡の傾きを決定することを特徴とするヘリオスタットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽を追尾し反射光を任意の点（焦点）に集光するための太陽光集光用のヘリオスタット及びその制御方法に関するものである。また、このヘリオスタットを複数台使用して構成した太陽熱発電プラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源の枯渇及びその価格の高騰が憂慮され、また、地球温暖化の原因の１つである石油資源から新たなエネルギー資源への移行が研究されている。新たなエネルギー源の１つとして、太陽光を集光してエネルギーとして使用する太陽熱発電がある。
【０００３】
図５に、太陽熱発電装置の１例を示す。太陽熱発電装置は、太陽１０からの太陽光Ｌを反射するヘリオスタット１Ｘと、ヘリオスタット１Ｘの焦点Ｆに設置した受熱部１３を有している。また、ヘリオスタット１Ｘは、反射鏡２Ｘと、支持機構３Ｘを有している。この太陽熱発電装置は、焦点Ｆに集光した太陽光Ｌにより、受熱部１３で循環する熱媒体を加熱し、この熱媒体の熱から水蒸気等を生成して発電を行なう。
【０００４】
出願人は、この太陽熱発電装置の発電効率を向上するために、コマ収差を発生しないヘリオスタット及びその制御方法について特許出願を行っている（特許文献１参照）。このヘリオスタット１Ｙは、反射鏡２Ｙと、支持機構３Ｙを有している。また、ヘリオスタット１Ｙは、傾動装置１１を有している。この傾動装置１１は、２軸方向のリンク機構１２で回転角度をパラメータとして、傾動装置１１の傾きを制御するように構成している。このヘリオスタット１Ｙは、２軸方向の傾動により太陽１０を追尾するため、コマ収差が発生せず、高い集光効率を得ることができる。
【０００５】
他方で、発電効率を向上するために、各ヘリオスタットにそれぞれ太陽追尾センサを設置した構成したものもある（特許文献２参照）。この構成により、ヘリオスタットは、高い精度で、受熱部１３上に焦点Ｆを形成することができる。
【０００６】
しかしながら、太陽熱発電装置の更なる普及を目指すとき、上記のヘリオスタットはいくつかの問題点を有している。第１に、製造コスト及び設置コストを更に抑制することが困難であるという問題を有している。これは、特に傾動装置１１及びリンク機構１２の部品点数が多いためである。そのため製造コストの抑制に限界がある。また、組立作業にある程度の時間が必要となる。
【０００７】
第２に、ヘリオスタットの太陽追尾の精度を向上するためには、コストがかかるという問題を有している。これは、反射鏡の傾きを例えば±０．１度以内の精度で制御することを考えると、反射鏡を傾動するためのモータが高価になるからである。特に、ヘリオスタットの制御の簡易化のために、モータに減速機を設置した場合、ギアの微細な遊びからバックラッシュが発生してしまう。このバックラッシュの発生により、上記の±０．１度以内の精度を低コストで実現することが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４４７３３３２号公報
【特許文献２】特許４５４１３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率で集光することができ、製造コスト及び設置コストを抑制したヘリオスタット及びその制御方法を提供することである。また、コストを抑制しながら、制御の精度を更に向上したヘリオスタット及びその制御方法を提供することである。更に、ヘリオスタットを構成する部品の点数を減らし、メンテナンスコストを抑制したヘリオスタットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明に係るヘリオスタットは、太陽光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を傾動可能に支持する支持機構を有したヘリオスタットにおいて、前記支持機構が１つの支柱と、第１シリンダ及び第２シリンダを有しており、前記反射鏡の背面を、前記支柱の支柱上端と、前記第１シリンダの第１シリンダ上端と、前記第２シリンダの第２シリンダ上端で傾動可能に支持し、前記支柱上端と前記第１シリンダ上端と前記第２シリンダ上端が、前記反射鏡の背面で三角形を形成するように配置し、前記支柱上端と前記反射鏡の連結を交差する２軸方向に傾動可能に構成したジンバル支持軸受で行うことを特徴とする。
【００１１】
この構成により、ヘリオスタットの製造コスト及び設置コストを抑制することできる。これは、支持機構の部品点数を減らすことができるためである。また、２つのシリンダの長さをパラメータとして、反射鏡の傾きを決定することができるため、ヘリオスタットの太陽追尾の精度を低コストで向上することができる。
【００１２】
上記のヘリオスタットにおいて、前記三角形が、前記支柱上端を頂点とした二等辺三角形であることを特徴とする。この構成により、２つのシリンダの長さをパラメータとして、反射鏡の傾きを決定する演算が容易になる。
【００１３】
上記のヘリオスタットにおいて、前記シリンダが、スクリュージャッキ式のシリンダであることを特徴とする。この構成により、反射鏡の傾きを決定するパラメータである２つのシリンダの長さを、高い精度で制御することができ、太陽光の集光効率を向上することができる。なお、スクリュージャッキ式のシリンダとは、回転運動を直線運動に変換し、シリンダの伸縮を制御する構成を有したものである。例えば、ボールネジ式電動シリンダや、その他ローラネジ式電動シリンダ等を含む。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明に係る太陽熱発電プラントは、前述のヘリオスタットを複数台配置し、溶融塩を熱媒体とする受熱部に太陽光を集光して太陽熱発電を行なうことを特徴とする。この構成により、太陽熱発電プラントの建造コストを大幅に抑制することができる。
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明に係るヘリオスタットの制御方法は、太陽光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を傾動可能に支持する支持機構を有したヘリオスタットで、前記支持機構が１つの支柱と、２つの伸縮自在のシリンダを有しており、前記反射鏡の背面を、前記支柱の支柱上端と、前記２つのシリンダのシリンダ上端で傾動可能に支持し、前記支柱上端と、前記２つのシリンダ上端が前記反射鏡の背面で三角形を形成するように配置し、前記支柱上端と前記反射鏡の連結を交差する２軸方向に傾動可能に構成したジンバル支持軸受で行うヘリオスタットの制御方法であって、太陽を追尾する際に、２つのシリンダを同じ長さだけ伸縮して、前記反射鏡を第１平面内で傾動させる第１傾動制御と、２つのシリンダを異なる長さで伸縮して、前記反射鏡を第２平面内で傾動させる第２傾動制御を、行うことを特徴とする。
【００１６】
この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。更に、２つのシリンダの
絶対長さと、相対長さから、反射鏡の傾きを決定することができるため、ヘリオスタットの太陽追尾の精度を低コストで向上することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るヘリオスタット及びその制御方法によれば、太陽光を反射する反射鏡と、反射鏡を支持する支持機構を有したヘリオスタットにおいて、高効率で集光することができ、製造コスト及び設置コストを抑制したヘリオスタット及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施の形態のヘリオスタットを示した概略図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のヘリオスタットの機構モデルを示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のヘリオスタットの機構モデルを示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のヘリオスタットの機構モデルを示した図である。
【図５】従来の太陽熱発電装置を模式的に示したものである。
【図６】従来のヘリオスタットを示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施の形態のヘリオスタットについて、図面を参照しながら説明する。図１Ａに本発明に係る実施の形態のヘリオスタット１を示す。ヘリオスタット１は、反射鏡２と、反射鏡２を背面から傾動可能に支持する支持機構３を有している。この支持機構３は、底板７に立設した支柱４と、支柱４に固定した腕部８と、第１シリンダ５及び第２シリンダ６を有している。支柱４は、支柱上端４ｔに設置したジンバル支持軸受を介して、反射鏡２を傾動自在に支持している。また、第１シリンダ５は、第１シリンダ上端５ｔ及び第１シリンダ下端５ｂに球面軸受を有しており、第１シリンダ下端５ｂを支柱４下方の腕部８に連結し、第１シリンダ上端５ｔを反射鏡２に連結している。第２シリンダ６も同様である。２つのシリンダ５、６は、長さが同一である場合に平行となるように構成している。
【００２０】
また、図１Ｂに、支柱上端４ｔに設置したジンバル支持軸受の１例を示す。ジンバル支持軸受は、交差する２軸方向に傾動可能に構成している。この２軸は、直交するように構成することが望ましい。
【００２１】
ここで、支柱上端４ｔと、第１シリンダ上端５ｔ及び第２シリンダ上端６ｔは、直線状に並ばないように（三角形を形成するように）位置を決定している。望ましくは、支柱上端４ｔを頂点とする二等辺三角形を構成するように、シリンダ上端５ｔ、６ｔの連結位置を決定する。支柱上端４ｔと２つのシリンダ上端５ｔ、６ｔの３点で１つの平面を決定することができる。つまり、３点の位置の決定により、反射鏡２の傾斜角度を決定することができる。
【００２２】
なお、シリンダ上端５ｔ、６ｔ及び下端５ｂ、６ｂに設置した球面軸受は、この構成に限らない。例えばユニバーサルジョイント等を利用してもよい。つまり、直交する２軸方向において、反射鏡２の傾動を妨げない構造であればよい。また、支柱上端４ｔに設置したジンバル支持軸受は、球面軸受とすることができない。これは、支柱上端４ｔを球面軸受とすると、ミラー回転が発生してしまうためである。このミラー回転とは、図１に示すθｚ方向に反射鏡２が回転することであり、太陽光の集光効率を低下させる原因となる。つまり、支柱上端４ｔ、第１シリンダ上端５ｔ、第２シリンダ上端６ｔ、第１シリンダ下端５ｂ及び第２シリンダ下端６ｂの全てを球面軸受とすると反射鏡２は、シリンダー５、６の長さに拘わらず、１つ面を維持することが困難となる（全体がねじれるように反射鏡２の面が回転してしまう）。
【００２３】
また、シリンダ５、６は、伸縮機構を有していればよい。例えば油圧シリンダ、エアシリンダ等を使用することができる。望ましくは、スクリュージャッキ式のシリンダを使用する。このスクリュージャッキ式シリンダは、例えば、モータ等の回転力を、表面にネジ溝を切ったシリンダ軸に伝達し、このシリンダ軸が、軸の長手方向に伸縮する構成を有する。このスクリュージャッキにより、シリンダの伸縮長さの精度を向上することができる。
【００２４】
更に、支柱４は、反射鏡２の背面のいずれかの場所を支持すればよい。望ましくは、反射鏡２の中心を支持する。ここで、反射鏡２は、２×３ｍ程度の大型としている。反射鏡２は、０．３ｍ四方の小型としてもよいが、大型反射鏡の方が、支持機構３の数を減らすことができるため、コスト抑制効果が高い。
【００２５】
図２に、図１に示したヘリオスタット１の機構をモデル化した図を示す。図２Ｂに、支柱上端４ｔと、第１シリンダ上端５ｔ及び第２シリンダ上端６ｔで形成した三角形を示す。ここで、支柱上端４ｔと、第１シリンダ上端５ｔを結ぶ斜辺を第１斜辺Ｒ１とし、第２シリンダ上端６ｔを結ぶ斜辺を第２斜辺Ｒ２として示す。このヘリオスタット１は、第１斜辺Ｒ１及び第２斜辺Ｒ２の位置を決定すると、反射鏡２の傾きを一意に定めることができる。
【００２６】
つまり、固定点である支柱上端４ｔに対して、第１シリンダ５の長さをパラメータとして、第１シリンダ上端５ｔの位置を決定する。これにより、第１斜辺Ｒ１の三次元空間における位置（座標）が決まる。この第１シリンダ５の制御を、以下、第１制御と呼ぶ。同様に、支柱上端４ｔに対して、第２シリンダ６の長さをパラメータとして、第２シリンダ上端６ｔの位置を決定する。これにより、第２斜辺Ｒ２の三次元空間における位置（座標）が決まる。この第２シリンダ６の制御を、以下、第２制御と呼ぶ。この第１斜辺Ｒ１及び第２斜辺Ｒ２の位置の決定（第１制御及び第２制御）により、三角形の座標が決まり、ヘリオスタット１の反射鏡２の傾きが決まる。なお、上記の三角形は、二等辺三角形（Ｒ１＝Ｒ２）であることが望ましい。
【００２７】
次に、ヘリオスタット１の動作の要素について説明する。図３に、ヘリオスタット１の機構モデルの側面（Ｙ−Ｚ平面）を示す。図３Ａに、ヘリオスタット１の反射鏡２が水平である状態を示す。図３Ｂに、反射鏡２を、支柱上端４ｔを中心に角度θ１傾動した状態を示す。この傾動は、第１平面（Ｙ−Ｚ平面）内で行っている。
【００２８】
反射鏡２の第１平面における傾動は、第１制御及び第２制御において、等しい値の伸縮量をパラメータ（シリンダの絶対長さ）に加算して入力している。つまり、第１シリンダ５と第２シリンダ６が、同じ長さだけ伸びるように制御している。図３では、第１シリンダ５及び第２シリンダ６の最初の長さが等しい場合を記載しているが、２つのシリンダ５、６の最初の長さが異なる場合であっても、等しい値の伸縮量を加算すると、反射鏡２は、第１平面内で傾動する。なお、傾動角度θ１は、図３Ａの状態を基準として±９０度の範囲を有するように構成する。望ましくは、＋７５度〜−３０度の範囲を有するように構成する。
【００２９】
ここで、このヘリオスタット１は、側面視でシリンダ５、６が支柱４と交差するように配置している。この構成により、ヘリオスタット１の重心が反射鏡の中心近くとなり安定する。なお、側面視でシリンダ５、６が支柱４と交差しないように構成することもできる。また、シリンダ５、６の下端部を、腕部８を用いず、底板７に直接設置するように構成してもよい。
【００３０】
図４に、ヘリオスタット１の機構モデルの正面（Ｘ−Ｚ平面）を示す。図４Ａに、ヘリオスタット１の反射鏡２が水平である状態を示す。図４Ｂに、反射鏡２を、支柱上端４ｔを中心に角度θ２傾動した状態を示す。この傾動は、第２平面（Ｘ−Ｚ平面）内で行っている。なお、２つのシリンダ上端５ｔ、６ｔの間の長さと、シリンダ下端５ｂ、６ｂの長さは、異なる長さとしてもよい。
【００３１】
反射鏡２の第２平面における傾動は、第１制御及び第２制御において、シリンダ５、６の絶対長さの差が変化するようにパラメータを入力している。つまり、第１シリンダ５と第２シリンダ６の絶対長さの差が、変化するように制御している。このシリンダ５、６の長さの差が、傾動角度θ２を決定する。
なお、傾動角度θ２は、図４Ａの状態を基準として±９０度の範囲を有するように構成する。望ましくは、±７５度の範囲を有するように構成する。更に望ましくは、±５０度の範囲を有するように構成する。
【００３２】
ここで、傾動角度θ１及びθ２の範囲は、大きい方が太陽を追尾する能力は高いと言える。しかし、ヘリオスタット１の製造コストを抑制するためには、この傾動角度θ１、θ２の範囲を若干小さく構成することが望ましい。つまり、日の出直後及び日没直前のエネルギー値の低い太陽光の集光を行わなければ、ヘリオスタット１の製造コストを更に抑制することができる。
【００３３】
次に、ヘリオスタット１による太陽の追尾について説明する。追尾の対象となる太陽の位置は、ヘリオスタット１を設置した地域の座標（緯度、経度）及び暦（地軸の傾き）から明確になる。この太陽の位置情報をもとに、ヘリオスタット１を制御する。つまり、太陽追尾センサを利用しない制御となる。この太陽の位置及び焦点Ｆの位置から、反射鏡２が取るべき法線ｎが算出される。この法線ｎを有する三角形が算出され、斜辺Ｒ１、Ｒ２の三次元空間における位置が算出される。この斜辺Ｒ１、Ｒ２の位置より、第１シリンダ５及び第２シリンダ６の絶対長さが算出される。上記の計算に基づき、第１シリンダ５及び第２シリンダを伸縮し、反射鏡２を傾動する（第１制御及び第２制御）。このとき、第１制御と第２制御を同時に行ってもよく、順番に行っても良い。なお、ヘリオスタット１の設置方向は、支柱上端４ｔ（三角形の頂点４ｔ）が、焦点Ｆの方向を向くように設置することが望ましい。
【００３４】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、ヘリオスタットの製造コスト及び設置コストを抑制することができる。支持機構は、少なくとも支柱と２つのシリンダを有していればよいため、部品点数が少なくなり、製造コストを抑制することができる。また、部品点数の減少により、ヘリオスタットの組立が容易となり、設置コストを抑制することができる。更に、部品点数の減少により、故障発生の可能性を抑制し、且つ、点検が必要となる箇所も少なくなるため、メンテナンスコストを抑制することができる。
【００３５】
第２に、ヘリオスタットの反射鏡の水平付近での太陽追尾が簡易になる。また、ヘリオスタットの太陽追尾の精度を低コストで向上することができる。これは、反射鏡の傾きを、２つのシリンダの長さをパラメータとして決定できるためである。従来の回転角度（反射鏡の旋回角度）をパラメータとして制御するよりも、２つのシリンダの長さをパラメータとして制御する構成により、反射鏡が水平付近で太陽追尾速度が増す現象を抑えることができ、コストを抑制しながら、太陽追尾の精度を向上することができる。また、２つのシリンダの長さにより反射鏡の傾きを決定できる構成により、傾動装置への配線（電線等）が固定配線で且つ配線長さを抑えることが可能となり、配線ケーブル及び配線作業のコストを抑制することができる。
【００３６】
第３に、太陽熱発電プラントの建造コストを大幅に抑制することができる。これは、ヘリオスタットの太陽追尾の精度の向上により、太陽追尾センサが不要となるためである。この太陽追尾センサを設置しない構成により、特にヘリオスタットを数百、数千台使用する大規模な太陽熱発電プラントで、多大なコスト抑制効果を得ることができる。ここで、太陽追尾センサを利用するように構成しても、ヘリオスタット本体のコスト削減効果は得ることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１     ヘリオスタット
２     反射鏡
３     支持機構
４     支柱
４ｔ   支柱上端
５     第１シリンダ
５ｔ   第１シリンダ上端
６     第２シリンダ
６ｔ   第２シリンダ上端
７     底板
８     腕部
Ｒ１   第１斜辺
Ｒ２   第２斜辺
【要約】
【課題】
高効率で集光することができ、製造コスト及び設置コストを抑制したヘリオスタット及びその制御方法を提供する。
【解決手段】
太陽光を反射する反射鏡２と、反射鏡２を傾動可能に支持する支持機構３を有したヘリオスタット１において、支持機構３が１つの支柱４と、第１シリンダ５及び第２シリンダ６を有しており、反射鏡２の背面を、支柱４の支柱上端４ｔと、第１シリンダ５の第１シリンダ上端５ｔと、第２シリンダ６の第２シリンダ上端６ｔで傾動可能に支持し、支柱上端４ｔと第１シリンダ上端５ｔと第２シリンダ上端６ｔが、反射鏡２の背面で三角形を形成するように配置し、前記支柱上端と前記反射鏡の連結を交差する２軸方向に傾動可能に構成したジンバル支持軸受で行う。
【選択図】図１【図１】
0004698761.tif 000002
【図２】
0004698761.tif 000003
【図３】
0004698761.tif 000004
【図４】
0004698761.tif 000005
【図５】
0004698761.tif 000006
【図６】
0004698761.tif 000007