(57)【要約】【課題】比較的小さな専有面積で高い集熱比を得ることができる追尾型のソーラ集光集熱器を提供する。【解決手段】反射面が太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされたパラボラ主反射鏡１と、その反射面に入射した太陽光の焦点領域に位置するようにパラボラ主反射鏡と一体化された集熱体３を備えるとともに、パラボラ主反射鏡の反射面への太陽光の入射方向を、パラボラ主反射鏡が集熱体と一体化された状態で、所定の方位角範囲内と所定の仰角範囲内で指向調整可能なように支持するマウント機構４とを備え、パラボラ主反射鏡の反射面への入射方向がマウント機構上で太陽光の方向に指向されたときに、太陽光が集熱体３に集光され熱エネルギに変換されて集熱されるように構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光集熱するソーラ集光集熱器であって、
反射面が該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされたパラボラ主反射鏡と、
該パラボラ主反射鏡の前記反射面に入射した前記太陽光の焦点領域に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された集熱体と、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向を、該パラボラ主反射鏡が前記集熱体と一体化された状態で、所定の方位角範囲内と所定の仰角範囲内で指向調整可能なように支持するマウント機構とを備え、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されたときに、該太陽光が前記集熱体に集光され熱エネルギに変換されて集熱されるように構成されたソーラ集光集熱器。
【請求項２】
太陽光を集光集熱するソーラ集光集熱器であって、
反射面が該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされたパラボラ主反射鏡と、
該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされた双曲面または楕円面の反射面を有し、該パラボラ主反射鏡と該パラボラ主反射鏡の前記反射面に入射した前記太陽光の頂部焦点との中間に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された副反射鏡と、
該副反射鏡の前記反射面から反射した前記太陽光の焦点領域に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された集熱体と、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向を、該パラボラ主反射鏡が前記副反射鏡および前記集熱体と一体化された状態で、所定の方位角範囲内と所定の仰角範囲内で指向調整可能なように支持するマウント機構とを備え、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されたときに、該太陽光が前記集熱体に集光され熱エネルギに変換されて集熱されるように構成されたソーラ集光集熱器。
【請求項３】
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向が、該パラボラ主反射鏡の主軸方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のソーラ集光集熱器。
【請求項４】
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向が、該パラボラ主反射鏡の主軸方向から所望の鋭角だけオフセットされた方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のソーラ集光集熱器。
【請求項５】
前記マウント機構は、前記所定の方位角範囲内で旋回自在な水平回転支持構造と、該水平回転支持構造上で前記所定の仰角範囲内で旋回自在な仰角回転支持構造とを備え、前記太陽の黄道方程式による軌道情報により得られる独立のディジタル制御信号により、前記水平回転支持構造と前記仰角回転支持構造とが個別に制御されて、前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のソーラ集光集熱器。
【請求項６】
前記太陽の黄道方程式による軌道情報は、さらに、時刻情報により修正された修正軌道情報により前記独立のディジタル制御信号が修正されるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載のソーラ集光集熱器。
【請求項７】
前記太陽の黄道方程式による軌道情報は、さらに、時刻情報および当該ソーラ集光集熱器が配置された位置情報により修正された修正軌道情報により前記独立のディジタル制御信号が修正されるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載のソーラ集光集熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱利用システムにおける太陽熱の集光集熱に関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国における太陽の輻射エネルギは、地表で概略１ＫＷ／ｍ2 前後とそのエネルギ密度は低い。
従って、太陽エネルギ利用システムとして、従来太陽の熱エネルギを捕捉するための光学的手段を用いた集熱器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公昭６１−２８５２号公報
【特許文献２】特開平１０−２８１５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、太陽熱の集熱は、太陽の位置が軌道上で時々刻々と移動するため、地上の任意の位置から太陽の軌道を追尾して集熱する「追尾型」と「非追尾型」即ち、固定型との２種に大別される。
【０００４】
固定型は、地表でのエネルギ密度の概略が１ＫＷ／ｍ2 前後と低いため、集熱量を増加させるために比較的広大な土地面積を必要としている。
このため、集熱面積の拡張が試みられているが、面積の拡張に伴い集熱した熱量の熱輸送路が長大化し、熱損失も増加することから、システムの総合効率は著しく低下すると共にコストの膨張が避けられず、太陽熱利用システムの発展を大きく阻害していた。
また、固定型は、非集光方式による図４（ａ）に示す平板型及び集光方式による図４（ｂ）に示すサイドミラ型が試みられているが、何れも集光比が１〜１０程度と低いため、高い熱温度が得られず集熱量の増大を意図する場合、集熱面積の拡張を余儀なくされていた。図４（ａ）において、７は平板型パネル、８は集熱板、９は流体が流れる管路、１０は集熱管、１１はガラス板、１２は断熱材である。また、図４（ｂ）において、７は平板型パネル、１３は平面鏡である。
【０００５】
一方、追尾型では図５に示す「フレネルレンズ型」や線集光（熱）方式による図６に示す「円筒放物面鏡型」等が古くから試みられていたが集熱比は、１０〜４０程度と追尾した割りには高いエネルギ密度が得られず大きな効果が得られていない。図５において、１４はフレネルレンズ、１５は集熱部である。また、図６において、１６は反射鏡（円筒放物面鏡）、１７は集熱管、１８はガラス円筒、１９は流体入口、２０は流体出口である。
【０００６】
また、点集光方式による図７に示す「回転放物面鏡型」等による大型集光反射鏡を用いた手法でも、集熱比は１００〜５００程度であって、更に大規模化が試みられて１０００倍以上の高い集熱比が得られているものの、何れも広い土地面積と大型の設備を必要とし、コスト膨張を余儀なくされ、太陽熱利用システムの実用的な発展を阻害している。図７において、２１は反射鏡（回転放物面鏡）である。
【０００７】
本発明の目的は、前記従来手法が集熱の為の広大な土地面積を必要とする欠点を除き、太陽エネルギを効果的に集熱する追尾型の集熱器として、比較的小さな専有面積で高い集熱比を得ることができるソーラ集光集熱器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明による太陽光を集光集熱するソーラ集光集熱器は、
反射面が該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされたパラボラ主反射鏡と、
該パラボラ主反射鏡の前記反射面に入射した前記太陽光の焦点領域に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された集熱体と、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向を、該パラボラ主反射鏡が前記集熱体と一体化された状態で、所定の方位角範囲内と所定の仰角範囲内で指向調整可能なように支持するマウント機構とを備え、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されたときに、該太陽光が前記集熱体に集光され熱エネルギに変換されて集熱されるように構成されている。
【０００９】
また、本発明による太陽光を集光集熱するソーラ集光集熱器は、
反射面が該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされたパラボラ主反射鏡と、
該太陽光に対して鏡面反射をする程度に鏡面仕上げされた双曲面または楕円面の反射面を有し、該パラボラ主反射鏡と該パラボラ主反射鏡の前記反射面に入射した前記太陽光の頂部焦点との中間に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された副反射鏡と、
該副反射鏡の前記反射面から反射した前記太陽光の焦点領域に位置するように該パラボラ主反射鏡と一体化された集熱体と、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向を、該パラボラ主反射鏡が前記副反射鏡および前記集熱体と一体化された状態で、所定の方位角範囲内と所定の仰角範囲内で指向調整可能なように支持するマウント機構とを備え、
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されたときに、該太陽光が前記集熱体に集光され熱エネルギに変換されて集熱されるように構成されている。
【００１０】
前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向が、該パラボラ主反射鏡の主軸方向であるように構成することができる。
また、前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記太陽光の入射方向が、該パラボラ主反射鏡の主軸方向から所望の鋭角だけオフセットされた方向であるように構成することができる。
【００１１】
前記マウント機構は、前記所定の方位角範囲内で旋回自在な水平回転支持構造と、該水平回転支持構造上で前記所定の仰角範囲内で旋回自在な仰角回転支持構造とを備え、前記太陽の黄道方程式による軌道情報により得られる独立のディジタル制御信号により、前記水平回転支持構造と前記仰角回転支持構造とが個別に制御されて、前記パラボラ主反射鏡の前記反射面への前記入射方向が前記マウント機構上で前記太陽光の方向に指向されるように構成することができる。
【００１２】
前記太陽の黄道方程式による軌道情報は、さらに、時刻情報により修正された修正軌道情報により前記独立のディジタル制御信号が修正されるように構成することができる。
前記太陽の黄道方程式による軌道情報は、さらに、時刻情報および当該ソーラ集光集熱器が配置された位置情報により修正された修正軌道情報により前記独立のディジタル制御信号が修正されるように構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるソーラ集光・集熱器により、集光・集熱の利得に比例した等価エネルギ密度を得ることができ、パラボラ集熱反射鏡の直径に類似の土地面積で効果的に太陽熱を集熱することが可能となり、従来方式の隘路である広大な土地面積が不要となる。また、集熱したエネルギの熱輸送路（伝送路）も短く形成されることから、集熱した熱エネルギの損失を低減し、高いシステム効率を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
いま、前記パラボラ集熱反射鏡を用いて１ｍ2 の面積に入射する太陽光（熱）を１０ｃｍ2 の面積に集光（熱）したとすると、その集熱面積におけるエネルギ密度は、
１kw／m2×１m2／（１０-3）m2＝１０００KW／m2           (1)
と、面積比に比例して上昇する。即ち、集熱能率を１００％とすると、
集熱比（集光倍率）＝太陽光の入射面積／集熱受光面積       (2)
だけ等価的にエネルギ密度を上昇させることができる。
【００１５】
ここでは、マイクロ波通信に用いられているパラボラ空中線と同様の概念で特に、集熱比（集光倍率）を「集熱利得」と以下呼称し、１ＫＷ／ｍ2 を基準値１とし、集熱比として相対値で表す。
【００１６】
例えば、集熱比が１００であれば集熱利得は、基準値１に対し、１００倍の相対利得となり、等価的エネルギ密度は、１００ＫＷ／ｍ2 を得る。
【００１７】
【表１】
2005106432.tif 000003
【００１８】
この表１で集熱利得（相対値）のｄＢ値は
集熱利得（ｄＢ値）＝１０log10 （集熱比）（ｄＢｒ）     (3)
と示すことが出来、等価エネルギ密度の上昇に寄与する利得の物理的意味の度合いを示すことが出来る。
【００１９】
図１（ａ）は、本発明を実施した「ペンシルビーム型」の集熱反射鏡の基本構成例図である。
１は直達入射太陽光（熱）を直接反射する反射効率を高めたパラボラ型主反射鏡、３はその焦点に位置して熱吸収効率を高めた円錐状の集熱部を示す。
主反射鏡１の概略直径は例えば数ｍ以下（１〜３ｍ）と比較的小さく、集熱部３と組合せて点集光し、各種の集熱利得を確保し、所要の熱エネルギ密度に対応したものである。
【００２０】
図１（ｂ）は、本発明を実施した「カセグレン型」の集熱反射鏡の基本構成例図である。
１は直達入射太陽光（熱）を直接反射する反射効率を高めたパラボラ型主反射鏡、２はパラボラ型主反射鏡１とその頂部焦点との中間に位置する副反射鏡を示し、これにより、再び主反射鏡中央部に焦点を持つ集熱部３で構成するカセグレン望遠鏡の原理に基づく集熱反射鏡系を構成する。
【００２１】
また、本発明に用いる集熱反射鏡は、図１ｃ及び図１ｄに示すように、パラボラ主反射鏡１の反射面への太陽光の入射方向が、そのパラボラ主反射鏡１の主軸方向から所望の鋭角だけオフセットされた方向となるように構成することができる。この場合には、パラボラ主反射鏡１の主軸方向が太陽の方角から僅かにオフセットされた方向となるので、若干のエネルギーの取込みロスがあるが、副反射鏡２により主反射鏡１の表面が太陽光に対して遮蔽されることがないので、構造上の自由度がある。また、集熱部３の位置も主反射鏡１の外縁などに自由に配置することができる。
【００２２】
本反射鏡の集熱部３は、主反射鏡中央部に位置した焦点に設置されており、集熱反射鏡の主反射鏡中央部外側に焦点を結ぶことが可能なことから、主反射鏡の頂部で集熱する集熱反射鏡の制約から開放され、比較的大型の集熱部３を設備することが可能である。
【００２３】
主反射鏡１の概略直径は、例えば数ｍ以上（２〜６ｍ）と比較的大きく、集熱部３と組合せて、各種の熱エネルギ密度に対応した集熱利得を得ることができる。
【００２４】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は何れも追尾型の点集光（熱）方式によるＡｚ（Azimuth)軸，及びＥL （Elevation ）軸で位置を制御する可動型の集熱反射鏡を形成し、比較的小さな面積で高い集熱利得を有する。
【００２５】
次に、図２の構成モデルを用いて、本発明によるパラボラ集熱反射鏡の集熱利得（集熱比）について、数式を用いて具体的に説明する。
図２のモデルにおいて、
・集熱利得（相対値）    ：  Ｇr （倍率）又は（ｄＢr 値）
・主反射鏡の直径        ：  Ｄφ（ｍ）
・主反射鏡の面積        ：  ＳD （ｍ2 ）＝（π／４）Ｄ2 
・集熱器の直径          ：  ｄφ（ｍ）
・集熱器の面積          ：  Ｓd （ｍ2 ）＝（π／４）ｄ2 
・集熱能率              ：  η  （％）
・集光面積比            ：  Ｍ＝ＳD ／Ｓd 
・基準エネルギ密度      ；  Ｐr ＝１ＫＷ／ｍ2 
・等価エネルギ密度      ；  Ｐe （ＫＷ／ｍ2 ）
Ｇr ＝η・Ｍ＝η・（ＳD ／Ｓd ）＝η・（Ｄ2 ／ｄ2 ）＝η・（Ｄ／ｄ）2 
Ｐe ＝Ｇr ・Ｐr ＝Ｇr （ＫＷ／ｍ2 ）
即ち、パラボラ集熱反射鏡の集熱利得は、主反射鏡１及び集熱器６の集光面積比に集熱能率を乗じたもので表される。
【００２６】
本発明に用いる主反射鏡１の鏡面は、回転放物面の曲面成形された軽金属、例えば、アルミニウム合金等または合成樹脂、例えばＦＲＰで作られ、金属または合成樹脂による軽量化された骨組構造体で支持されている。
この主反射鏡１の反射面は太陽からの直達エネルギの反射効率を高めて鏡面反射をする程度に鏡面仕上げするために、例えばニッケル等でメッキが施され、頂部焦点に設備される集熱部３又は副反射鏡２へ太陽光（熱）を反射させる。
【００２７】
副反射鏡２の鏡面は、カセグレン望遠鏡の原理に基づいて、回転双曲面の曲面成形された軽金属、例えば、アルミニウム合金、または合成樹脂、例えばＦＲＰで作られている。
また、主反射鏡１で反射されたエネルギの反射効率を高めて鏡面反射をする程度に鏡面仕上げするため、例えば、ニッケル等により、メッキが施され、再び主反射鏡１の中央部焦点位置に設備される集熱部３へ反射される。
【００２８】
主反射鏡１の固定部４は、水平旋回（ＡZ 軸）支持構造と、ＥL 軸で支持されて仰角回転を受ける機構とを有し、集熱パラボラアンテナ総合体はＡZ 軸−ＥL 軸の各々独立したディジタル制御信号により、太陽エネルギ捕捉の最適位置に駆動制御する駆動機構である。
【００２９】
図３は、この駆動機構の一例を示す側面図であり、固定主柱３２はその下端が図示しない取付け台上に例えばステイバーを用いて取付けされ、その上端が水平台座３３を水平に支持しており、その水平台座３３の上表面上にターンテーブル３４が回動自在に保持されている。この回動のために、ターンテーブル３４の周縁に例えばラックが設けられ、水平台座３３にはそのラックと歯合する歯車（例えば、はすば歯車）を含む水平駆動機構４０が取付けられている。このターンテーブル３４の上表面には、駆動機構台座３５が搭載されている。３１はパラボラ主反射鏡１を支持するための環状支持構造体であり、パラボラ主反射鏡１の背面中央部に取付けられている。環状支持構造体３１の水平方向の直径の両端位置に設けられた回動支持部３６の結合孔に、駆動機構台座３５の端部に取付けられた支持部材４１の上端に設けられた回動軸が回動自在に挿入されている。
さらに、３８は仰角調整ロッドであって、その上端に取付けられたピン軸は環状支持構造体３１の頂部に設けられた回動支持部３７の結合孔に回動自在に結合している。また仰角調整ロッド３８の下端部は駆動機構台座３５の他端側に取り付けられた仰角調整駆動機構３９に駆動自在に支持されている。
このような構成により、水平回動機構４０を例えば電気駆動したときに、ターンテーブル３４は水平台座３３上で±９０°に水平回動可能であり、パラボラ主反射鏡１も同様の±９０°の水平回転がなされる。また、例えば、油圧駆動によって仰角調整駆動機構３９を駆動することにより、仰角調整ロッド３８が回動支持部３７と仰角調整駆動機構３９間の長さを伸長または短縮するように駆動され、パラボラ主反射鏡１の環状支持構造体３１が図示の状態で両回動支持部３６を通る回動軸を中心に前傾回転または後傾回転するので、これによりパラボラ主反射鏡１も±４５°の仰角範囲で回動可能である。その仰角範囲は実用上２０°〜８０°程度で太陽の軌道の追尾が可能である。
以上の構成において、水平回動駆動機構４０が水平回動のための制御信号により制御される制御モーター等により回動制御され、仰角調整駆動機構３９が仰角回動のための制御信号により制御される油圧制御モーター等により回動制御されることにより、太陽軌道の自動制御が可能である。
【００３０】
この駆動機構は、太陽の軌道情報（黄道方程式）及び３６５日の時情報、即ち四季情報（春，夏，秋，冬）、月情報（１月・２月・・・１２月等）、日情報（日の出・日中・日没等）及び２４時間の時刻情報（時・分・秒）を入力条件とした制御アルゴリズムにより、プログラマブル位置情報により制御駆動される。
【００３１】
太陽からの直達日射エネルギを吸収するパラボラ集熱アンテナの主反射鏡１の頂部焦点に配置する集熱部３または副反射鏡２の焦点に配置する集熱部３は、円錐ホーン５及び集熱器６により構成される。
円錐ホーン５は、主反射鏡又は副反射鏡による反射光（熱）に対して、導光（熱）器として作用することから、主反射鏡１や副反射鏡２の製作誤差や歪による若干の焦点の乱れに対して矯正効果を有する等化器として働き、入射太陽光（熱）を集熱器６へ効率的に集光・集熱する。
【００３２】
集熱器６は液体例えば水やオイルを流入・流出するパイプに直結され、円錐ホーン５の出力端に配置され、集光（熱）された太陽エネルギを吸収するために、例えば球状吸収体表面に設けたディンプル（dimple）又はニードル（needle）及びその複合組合せによる吸収を促す乱吸収を助長する構造の黒体集熱器を構成し、加熱された液体を蓄熱槽へ循環させ太陽エネルギを蓄熱する。
【００３３】
以上では、集熱部３は主反射鏡１の焦点位置に配置されるものとして説明されたが、集熱部３には実効上熱変換機能を有している理論上の焦点より広い領域を有しているので、集光された太陽光がこの領域以内に照射される範囲（焦点領域という）に集熱部３を配置しても、同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によるソーラ集光・集熱器は、地表に到達している太陽光に含まれているエネルギを捕捉して有効に利用するものであって、集光集熱の動作段階では、化石燃料を利用する場合に避けられないＣＯ2 等の環境に有害な物質の発生はないから、自然環境に悪影響を与えることなしに、捕捉された太陽エネルギを蓄熱槽を経由して、例えば、熱・電気変換等の利用対象物に与えて利用することができる。
この場合の利用対象としては、家庭又は小規模事業所における水又はオイル等の液体その他の対象物の加熱又はペルティエ効果（Peltier effect）素子及びゼーベック効果（Seebeac effect）素子の如き蓄熱等による熱・電気変換を利用する熱発電や空調等の小規模エネルギ変換に有効にかつ広範に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例を示す「ペンシルビーム型」（ａ），「カセグレン型」（ｂ）、オフセット「ペンシルビーム型」（ｃ），及びオフセット「カセグレン型」（ｄ）の各集熱反射鏡の基本構成例図である。
【図２】図１（ａ），（ｂ）に示すのパラボラ集熱反射鏡の集熱利得（集熱比）を説明するためのモデル図である。
【図３】本発明に用いるアンテナ支持構造例を説明するための側面図である。
【図４】従来の固定型／非集光の「平板型」集光器（ａ）及び平面鏡による固定型／集光の「平板型」集光器（ｂ）を示す各斜視図である。
【図５】従来の追尾型／点集光の「フレネルレンズ型」集光器を示す略図である。
【図６】従来の追尾型／線集光の「円筒放物面鏡型」集光器を示す斜視図である。
【図７】従来の追尾型／点集光の「回転放物面鏡型」集光器を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  パラボラ主反射鏡
２  副反射鏡
３  集熱部
４  固定部
５  円錐ホーン
６  集熱器
７  平面型パネル
８  集熱板
９  流体管路
１０  集熱管
１１  ガラス板
１２  断熱材
１３  平面鏡
１４  フレネルレンズ
１５  集熱部
１６  反射鏡（円筒放物面鏡）
１７  集熱管
１８  ガラス円筒
１９  流体入口
２０  流体出口
２１  反射鏡（回転放物面型）
３１  環状支持構造体
３２  固定主柱
３３  水平台座
３４  ターンテーブル
３５  駆動機構台座
３６  回動支持部
３７  回動支持部
３８  仰角調整ロッド
３９  仰角調整駆動機構
４０  水平回動駆動機構
４１  支持部材
【図１】
2005106432.tif 000004
【図２】
2005106432.tif 000005
【図３】
2005106432.tif 000006
【図４】
2005106432.tif 000007
【図５】
2005106432.tif 000008
【図６】
2005106432.tif 000009
【図７】
2005106432.tif 000010