(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光を集めて高温の熱源を得るための高精度の放物面鏡を提供する。【解決手段】ここでは遠い昔デカルト（１５９６〜１６５０）が考案した楕円面，双曲面，放物面等に対して，宍戸が１９５４年考案した，二次曲面やシュミットカメラに使用されるシュミットレンズ等を含めた一般の光学非球面を高精度で製作出来る「カム方式」と，二次曲面に対して考案した「リンク方式」を用い，高い精度の放物面鏡を製作出来たことで，集めた太陽光によって融点３４００℃のＷ（タングステン）の熔解に成功した技術（宍戸昂郎，密閉式太陽熱エンジン，日本太陽エンエルギー学会誌  Ｖｏｌ２９，Ｎｏ．４  ２００３参照）を用いることとした。さらに新らしく放物面鏡に入る太陽光の量を制御するためのシャッターを用いる方法を提案した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は，太陽熱によってエンジンを駆動して発電するための，大規模を基本としての超大な規模と中規模及び小規模の技術を確立することに関するものである。
【背景技術】  本発明に関しての基本的背景技術の第一は，先ず太陽光を集光して高温を得るための高い精度の放物面鏡を作ることであり，第二にはこの太陽熱によって駆動することが出来るエンジンを開発すること，第三は昼間における天候の状態に応じ，エンジンを駆動するための太陽熱の温度を，絶えず一定の温度に制御する技術を確立することであり，更には第四のこととしては放物面鏡やヘリオスタット鏡の光学系に対する台風時等における災害を防止するための対策を確立することである。従って，ここではこれらの点についての解決策と小規模から超大規模の装置に至るまでの太陽熱発電に関しての構想を記すものである。
【発明が解決しようとする課題】
太陽熱によって発電することが出来る条件を整える事であり，そのためには高精度の放物面鏡を製作し，太陽光を集めて高温の太陽熱を得る事，次にはこの太陽熱によって駆動するエンジンを創案すること，続いてこのエンジンを常時一定の速度で駆動するために，集光した太陽熱による温度を制御する方法を見付けることであり，本装置の中の光学系としての太陽光を集めるための方位と仰角を制御するためのヘリオスタット鏡や，放物面鏡を含めた全体の装置に対しての台風時等においての災害を防止する対策を確立することが大切であろうと考える。  本文の中での小規模発電としての光学系とエンジンは，太陽熱発電の基本としての考えを簡略化したものであり，一般の家庭や学校の教材に用いての太陽熱発電に対しての普及と教育に役立ち，且つこれらを直列とか並列にして用いる集合体のものとすれば中〜大規模なものとすることに対しての構想にも繋がるものである。
【課題を解決するための手段】
上記の中の高精度の放物面鏡を製作する方法に関しては，遠い昔デカルト（１５９６〜１６５０）が，放物面，楕円面，双曲面等の二次曲面を創案したにも拘わらず、今日までこれ等の面を高精度で製作出来る手段を発見されずに来た。このことに対して宍戸は１９５４年これらの二次曲面に対しての高精度の製作法として「カム方式」や「リンク方式」を創案し，この中の「カム方式」は双光路型赤外分光光度計の出射スリットの像を検知するために用いられる楕円面鏡の製作（桜井武麿  宍戸昂郎，カムによる楕円東北大科研報告  第７巻  第２号１９５８）や空中投影機の中の放物面鏡の製作  （Ｔａｋｅｍａｒｏ  Ｓａｋｕｒａｉ  Ｋｏｒｏ  Ｓｈｉｓｈｉｄｏ，Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ＡＰＰ−ＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ  Ｖｏｌ．２  Ｎｏ．１１  １９６３）及びカラーテレビの製作に用いる非対象非球面レンズの製作（宍戸昂郎東北大科研報告  第１２巻  第１号１９６３）等の一般非球面の製作に用いての効果的であることを実証した。又，二次曲面の製作法としては「リンク」と「カム」と「ギアー」を組み合わせての加工機を開発し（宍戸昂郎  外，新新二次曲線創成リンク機構を用いた二次曲面創成研磨装置の試作（１）東北学院大学工学部研究報告  第２６巻  第１号１９９１），更には「ガラスゲージ法」や「シリンダー法」を創案してその成果を報告している（宍戸昂郎  他，光学二次曲面を創製するための母型製作用ガラスゲージとシリンダー法  東北学院大学工学部研究報告Ｖｏｌ．２９  Ｎｏ．２  １９９３）。次ぎの太陽熱エンジンの開発では，これまでにおいて「スターリングエンジン」の研究を進めて来た結果として，「スターリングエンジン」では一つのシリンダーの中でのガスや水を熱っしたり冷やしたりしなければならないこと，及びこの機構を創製することが困難であることから，宍戸はエンジンから出た後の高温のガスや水を一旦シリンダーの外に出して，コンプレツサーに導入した後，再び高圧熱球に導く方法を創案した（Ｋｏｒｏ  Ｓｈｉｓｈｉｄｏ  Ｎｏｂｏｒｕ  Ｋａｇａｗａ，Ｐｒｏｐｏｓａｌｓ  ｆｏｒ  Ｎｅｗ−ＴＹｐｅｓ  Ｓｏｌａｒ  Ｈｅａｔ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＩＥＣＥＣ  １９９９，  宍戸昂郎  香川澄，密閉式太陽熱エンジン  太陽エネルギー学会誌Ｖｏｌ．２７  Ｎｏ．４  ２００１）。そしてエンジンを駆動するための太陽熱の温度を一定にするための温度の制御に関しては（宍戸昂郎  香川澄  杉浦昌男，太陽熱エンジンを駆動するための到達温度の制御法  日本太陽エネルギー学会Ｖｏ．３０  Ｎｏ．３  ２００４）において既に記しているが，今回これとは別に放物面鏡に入る太陽光の大きさを制御するためのシャッッターを開閉する方式を考え，更に台風等による災害時を想定しての放物面鏡やヘリオスタット鏡の高さを低くし，台風時等には放物面鏡を床面に伏させる方法をも提案し，発電装置としての全体像が見えるものとしている。
【発明を実施するための最良の形態】  この発明の実施例として，太陽熱発電についての大要について説明する。先ず太陽光を収斂するために必要な放物面鏡の製作法について述べれば，図．１に高い精度で放物面を製作できる製作法としての「カム方式」，図．２には放物線は，その焦点からの距離と準線からの距離が等しい点の軌跡であるとの原理を利用した「リンク方式」の概要を示した。そしてこれらの方法によっては高い精度で製作できることを報告していて，この外にも既に記した「リンク」や「カム」に「ギアー」を組み合わせた方法や「サンドイッチ法」，「シリンダー法」等を報告している。式．１と図．３には晴天時において太陽光を放物面鏡の光軸に対し平行に入射させて，その焦点に集める場合において焦点距離が直径の約１／３であり，太陽光の直径が焦点距離の１／１００〜６／１００である時に得られる到達温度を示したが，このことによっては，太陽光の直径が焦点点距離の１／１００である場合の到達温度が約３５００℃にも達することが分かる。図．４には上記の「カム」と「リンク」と「ギアー」を組み合わせた放物面創製機構を示し，図．５には上記の放物面創製機構によってのガラスゲージの製作と、この方法によって加工している母型（材質：軟質の耐火レンガ）の製作を示し，図．６にはこの母型によっての太陽像（軟質の耐火レンガの表面は粗く，反射面とするためにセロテープを貼っている）を示した。ここで改めて記したいことは放物面鏡を構成するセグメント鏡によって得られる太陽像として，焦点距離の１／１００直径の像を得ることが大切であり，図．７には「サンドイッチ法」に用いた母型と製作したセグメントガラスによって得られた太陽像を示した。図．８にはこれまでの考えとは違った小型の太陽熱発電として扱える光学系の中の放物面鏡を直径２ｍ，焦点距離８０ｃｍとして，その中から直径約１ｍの左右２個の放物面を取り出す要領を示し，図．９には小型の薄い平面のガラス鏡を裏面鏡として用いて構成したものによって水を熱している状況を示し，図．１０には２５０〜３００ｃｃの水が約１５分で１００℃に達しているグラフであり，図．１１は，この時の太陽熱の到達温度が４００℃を越えている実態を示したものである。図．１２，１３には太陽熱によって駆動する「ブレイトンサイクル」としてのロータリー型エンジンとレシプロ型エンジンを示したが，これに関しては既に太陽エネルギー学会誌に記していて，これらの太陽熱エンジンの駆動に関しての温度制御については，既に特許を出願し（平成１６年６月２１日並びに平成１７年１月１２日，手続補正書−平成１７年５月２４日）発明の名称−太陽光を集光して得られる太陽熱の温度制御システム，出願番号ー特願２００３ー４３６８７３，識別番号−５９３０３３０６１）又，太陽エネルギー学会誌の（Ｖｏｌ．３０  Ｎｏ．３  ２００３）に報告していて，ここに再び太陽熱発電としての動作について述べれば，例えばエンジンをセラミックで製作するものとして，最初に高圧タンクには予めガスボンベからのヘリュウム等の高圧ガスが吹き込まれていて，その後高圧熱球に入りそこに集光して来る高温の太陽熱によって高温高圧のガスとなり，一定の温度と圧力（例えば１０００℃，１０気圧）に達した所でエンジンに入り，バルブが開かれてエンジンは駆動し始める。エンジンを駆動した後のガスは一旦シリンダーの外に出されて冷却された後，コンプレッサーに導かれて圧力タンクに戻されて後、再び高圧熱球に入る仕組みになっている。尚，上記の中で水を使用する場合には，高圧熱球は蒸気のためのボイラーの役目を果たすことになる。尚，ここでレシプロ型エンジンについて述べれば，バルブＶ１とＶ２が開いて高圧熱球からのガスや水蒸気がピストンを下げ，ピストンの下のガスや水はシリンダーの外に出され，Ｖ１とＶ２が閉じて，バルブＶ３とＶ４が開いてピストンを上げる。図．１４は小規模なものとしての太陽熱を利用しての太陽熱発電の要領を示し，これらは（宍戸昂郎，自作した太陽調理器を省みて太陽エネルギーＶｏｌ．３０  Ｎｏ．５  ２００４）から引用したものであって，この場合のエンジンの構造としては高圧熱球や高圧タンクを用いずに，極く簡単な構造としてあり，場合によってはコンプレツサーの使用はしなくても良く，得られる出力は約３００Ｗ〜４００Ｗである。図．１５に太陽熱エンジンを駆動するための高圧熱球の温度をを一定に保つために，放物面鏡に入る太陽光を制御するためのシャッターの開閉機構を示したものであり，ここで特に記したいことは，シャッターを開閉する機構として上下の重さを釣り合わせた状態で，軽く動かせるような機構とした点に特徴を見い出すことが出来る。  図．１６は太陽熱発電装置としての台風時等の災害時における対策としての一つの方策として，放物面鏡の高さを約半分としたところの上半分を使用することの考えで，このようにすれば太陽光を放物面鏡に導くヘリオスタット鏡の面積を半減出来，且つ発電に関しての操作においても地上に近い面で伏させることが出来る利点が生ずることになる。
【発明の効果】
本発明においての効果として第一に上げられることは，太陽が出ない日とか夜間においての発電が行えないことがあるとは言え，原子力発電においての不慮の事故や災害時におけるウランによる災害が考えられることに対しては，太陽熱発電としては全っく問題が無い事を理解する事が出来る。そして快晴時や曇天時におけるエンジンを駆動するための条件としての太陽熱としての温度を制御出来る事を特徴としている。次に，太陽熱発電によっってどれだけの出力が得られるかについて考えれば，晴天時におけるエネルギーとしては，地上に注ぐ太陽光では，一平方ｍについて約９００Ｗであり，その７０％が有効であるとする考えからすれば，例えば，１０ｍの放物面鏡によって得られる出力は５０ｋＷとなり，使用時においての台風等を避けるための対策としての，鏡面の約半分を使用する考えで得られる出力は約３０ｋＷとなる。物面鏡の上半分を使用する場合の考えとして，直径２０ｍの放物面鏡をした場合に得られる出力は約１００ｋＷとなる。又，直径２ｍ，焦点距離８０ｃｍの放物面から切り出した約直径１ｍの面２個に対して，薄いガラスの鏡面の裏面を用いたものによっての太陽熱発電としての効果は，学校における教材としても役立つことが考えられるし，一般家庭用としても手軽に利用出来ることが考えられる。又，中型以上の太陽熱発電においての効率が２５％であり，太陽光によっての効率が１０〜１３％であることに対して高く，しかも産業廃棄物も無いことで優れていることが立証出来る所に本発明の効果が期待出来るものと考えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】８「カム方式」高精度放物面創製の原理
【図２】「リンク方式」放物線創製の原理
【図３】放物面鏡で太陽光を集光する場合においての焦点距離ｆと直径Ｄとの比      ｆ／Ｄ＝０．３のときの集光到達温度
【図４】「カム」と「リンク」と「ギアー」を組合わせた放物線創製機構
【図５】ガラスゲージの製作
【図６】ガラスゲージ法によって製作された母型による太陽像
【図７】サンドイツチ法によって製作された母型とセグメントガラスによる太陽像
【図８】軸外し放物面鏡の製作
【図９】水の加熱
【図１０】水の沸騰
【図１１】太陽熱による到達温度の例
【図１２】「ロータリーエンジン」の全容
【図１３】「レシプロエンジン」の全容
【図１４】小型太陽熱エンジン
【図１５】「シヤツター」の開閉機構
【図１６】放物面鏡の上半分使用の要領
【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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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月17日(2006.3.17)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
「太陽熱発電」として考えれれる諸条件を整えて実施するに当たっての第一の条件としては，高精度の放物面鏡を製作して太陽光を集めて高温を得る設備を整えることである。高精度の放物面鏡を製作する方法に関しては，遠い昔デカルト（１５９６〜１６５０）が放物面，楕円，双曲面等の二次曲面を創案したにも拘わらず，今日までこれ等の面を高精度で製作出来る手段を発見されずに来た。このことに対して宍戸は１９５４年，これらの二次曲面に対しての高精度の製作法として「カム方式」や「リンク方式」を創案し，この中の「カム方式」は双光路型赤外分光光度計の出射スリットの像を検知するために用いられる楕円面鏡の製作（桜井武  宍戸昂郎，カムによる楕円面鏡の試作  東北大科研報告  第７巻第２号１９５８），空中投影機の中の放物面鏡の試作（Ｔａｋｅｍａｒｏ  Ｓａｋｕｒａｉ  Ｋｏｒｏ  Ｓｈｉｓｈｉｄｏ，Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ  Ｖｏｌ．２  Ｎｏ．１１  １９６３）及びカラーテレビの製作に用いる非対象非球面レンズの製作（宍戸昂郎  東北大科研報告  第１２巻第１号１９６３）等の一般非球面の製作に用いて効果的であることを実証した。そして，１９６２年この「カム方式」を用いて東北大学科学計測研究所に，直径１０ｍ，焦点距離３．２ｍの放物面鏡を持った「ヘリオスタット型」の大型太陽炉を建設し，高温を得る条件としての焦点距離の略１／１００の直径の太陽像を得ることに成功したことによって，融点３４００℃のＷ（タングステン）−直径６ｍｍ，長さ８ｍｍーと融点３０３０℃のＴａ（タンタル）の熔解に成功した。ここでこのことは何を意味するかと言えば，太陽熱によってのエンジンの駆動が可能であることを実証したことを意味しているが，ここでの出力は約５０ｋＷであり，若し超大型太陽炉としての中で用いられる放物面鏡の直径が２０ｍであれば，その出力は約２００ｋＷとなり，直径３０ｍであれば約５００ｋＷとなる。このことに対し，ここで述べたいことはこのような巨大な放物面鏡を製作する場合，又は，これより小さい中型や小型の太陽炉を製作する場合でも，これを上記の「カム方式」にのみによって製作しなければならないかと言えば，その後宍戸によって考えられた，薄い板ガラス板を軟化成型するための，ガラスの厚さを考慮した凹凸の軟質の耐火レンガの表面を，「カム」と「レバー」を用いて製作した「ガラスゲージ」を用いて加工し，上下の凹凸一組の母型の間にガラス板を挟んだ，所謂「サンドイッチ法」として「セグメント型の放物面鏡」とし，極めて良い結果を生んだ（図．７参照）こと等は，これからの太陽炉の規模としての大小に拘わらず，その製作に役立つこが考えられる。ちなみに小規模発電として扱える光学系の中の放物面鏡を，直径２ｍ，焦点距離８０ｃｍとして，その中から直径１ｍの左右２個の放物面鏡を取り出す場合（図．８参照），小型の薄い平面のガラス鏡を裏面鏡として用いて構成したものによって２５０〜３００ｃｃの水が約１５分で１００℃に達している（図．１０参照）ことと太陽熱の温度が４００℃を越えている（図．１１参照）ことから，この光学系は次に述べる改良した「ブレイ���ンサイクル」としての「ロータリー型エンジン」とか「レシプロ型エンジン」としての活用が考えられる（図．１２，１３参照）が，小型のレシプロ型エンジン（図．１４参照）は，教材等にも使用されて便利であることが考えられる。太陽熱エンジン」を創案することに関しての研究としては，「スターリングエンジン」が主流となって来たことに対して，宍戸は，「スターリングエンジン」では一つのシリンダーの中でのガスや水を熱したり冷やしたりしなければならないこと，及びこの機構を創製することが困難であることから，エンジンから出た後の高温のガスや水を一旦シリンダーの外に出して，コンプレッサーに導入した後，再び高圧熱球に導く方法を創案した（Ｋｏｒｏ  Ｓｈｉｓｈｉｄｏ  Ｎｏｂｏｒｕ  Ｋａｇａｗａ，Ｐｒｏｐｏｓａ−ｌｓ  ｆｏｒ  Ｎｅｗ  Ｔｙｐｅｓ  Ｓｏｌａｒ  Ｈｅａｔ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＩＥＣＥＣ  １９９９，宍戸昂郎  香川澄，密閉式太陽熱エンジン  太陽エネルギー学会誌ＶＯｌ．２７  Ｎｏ．４  ２００１）。そしてエンジンを駆動するための太陽熱の温度を一定にするための温度の制御に関しては（宍戸昂郎  香川澄  杉浦昌男，太陽熱エンジンを駆動するための到達温度の制御法  太陽エネルギー学会誌Ｖｏｌ．３０  Ｎｏ．３  ２００４）において既に記しているが，このことに関しては既に特許を出願し（平成１６年６月２１日並びに平成１７年１月１２日，手続補正書−平成１７年５月２４日）発明の名称−太陽光を集光して得られる太陽熱の温度制御システム，出願番号−特願２００３−４３６８７３、識別番号−５９３０３３０６１）又，太陽エネルギー学会誌の（Ｖｏｌ．３０  Ｎｏ．３  ２００３）に報告していて，今回これとは別に放物面鏡に入る太陽光の大きさを制御するためのシュッターを開閉する方法を考え（図．１５参照），更に台風時を想定しての放物面鏡やヘリオスタット鏡の高さを低くし，台風時には放物面鏡を床面に伏させる方法をも提案し（図．１６参照）ている。
ここに再び太陽熱発電としての動作について述べれば，例えばエンジンをセラミックで製作するものとして、最初に高圧タンクには予めガスボンベからのヘリュウム等の高圧ガスが吹き込まれていて，その後高圧熱球に入りそこに集光して来る高温の太陽熱によって高温高圧のガスとなり，一定の温度と圧力（例えば１０００℃１０気圧）に達した所でエンジンに入り，バルブが開かれてエンジンは駆動し始める。エンジンを駆動した後のガスは一旦シリンダーの外に出されて後，コンプレッサーに導かれて圧力タンクに戻されて後，再び高圧熱球に入る仕組みになっている。尚，上記の中で水を使用する場合には，高圧熱球は蒸気のためのボイラーの役目を果たすことになる。尚ここでレシプロ型エンジンについて述べれば，バルグＶ１とバルブＶ２が開いて高圧熱球からのガスや水蒸気がピストンを下げ，ピストンの下のガスや水はシリンダーの外に出され，Ｖ１とＶ２が閉じて，バルブＶ３とＶ４が開いてピストンを上げる。