(57)【要約】【課題】多数の鏡を２軸追尾する太陽光集光器において、鏡を簡単な機械機構で一括制御することが課題である。簡単な機械機構を言いかえれば、駆動装置の数が鏡の数よりずっと少ない構成である。【解決手段】入射光と反射光と収束点を１平面内に収める事が、解決手段の要旨である。多数の鏡を直線に並べると共に、集光域を可動にして入射光と反射光が１平面内に収まるように制御する。１平面内の光学系とする事により、簡単な機械機構での一括制御が可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡と接する長さの鏡枠を形成し、それぞれの鏡はＹ方向で回転するＹ軸受機構を介して鏡枠と接続し、この鏡枠にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、
この鏡枠の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、この集光域に光熱利用手段を位置させ、この光熱利用手段は竿を介して鏡枠に固定接続し、
全ての鏡は想定太陽光を光熱利用手段へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、全ての鏡のＹ軸回転する部材にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランク他端にはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、
前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットのＸ軸角伝達部材をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段の制御内容は太陽追尾である、太陽光集光器。
【請求項２】
ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡と接する長さの鏡枠を形成し、それぞれの鏡はＹ方向で回転するＹ軸受機構を介して鏡枠と接続し、この鏡枠にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、
この鏡枠の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、全ての鏡は想定太陽光を集光域へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、全ての鏡のＹ軸回転する部材にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランク他端にはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、
前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットのＸ軸角伝達部材をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段の制御内容は太陽追尾であり、
すべてのユニットの集光域座標にはユニットとは別の独立した可動構築物によって光熱利用手段を掲げ、この可動構築物には集光部制御手段を接続し、この集光部制御手段の制御内容は鏡枠の回転角に伴って移動する集光域座標に光熱利用手段の位置座標を追随して一致させる制御内容である、
太陽光集光器。
【請求項３】
請求項１の太陽光集光器において、Ｘ軸角制御手段は鏡枠を手動で回転させる構成であり、Ｙ軸角制御手段はクランク連動機構を手動でクランク運動させる構成である、太陽光集光器。
【請求項４】
請求項１から３のうちのひとつの太陽光集光器において、ユニット内のＸ軸受機構の内の１つは摺動不能とし、他のＸ軸受機構は想定される熱膨張変位長さ以上にＸ軸棒がＸ軸受より長く形成し、Ｘ軸棒が摺動可能に構成された、太陽光集光器。
【請求項５】
請求項１から３のうちのひとつの太陽光集光器において、Ｘ軸角伝達部材の連結部材は熱膨張を吸収し得る弾性素材を用いてなる、太陽光集光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の鏡で太陽光を反射させて集光する太陽光集光器に関する。もしくはへリオスタットとも云われる。さらに詳しくは２軸追尾方式、点集光系の集光器である。
ここでいう鏡とは、太陽光，日光，日射を反射する物全般である。鏡には、反射板，平面鏡，凹面鏡，パラボラ鏡，多面鏡を含む。
集光器の利用形態は、発電機，スターリングエンジン原動機，空調機，蒸留器，温水貯湯供給器，調理器等である。
明細書を読むにあたり、表１を参照して頂きたい。本発明の要旨は単純である。入射光と反射光と集光点を平面内に収める事である。しかし実施形態は多種多様になる。それら多種多様な構成を網羅する為に、特許請求の項での部材名称は上位概念で表記している。実施例での部材は下位概念で表記している。また１つの部材が２つの構成要件を兼ねる形態も構成し得る。ゆえに特許請求の項と実施例で表記の異なる部材名称の対照表を示した。
【表１】
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ちなみに入射光と反射光と集光点を平面内に収めるといっても、幾何学上の厳密な平面や点ではない。鏡に平面鏡を用いるならば、反射光の集束する所もおよそ鏡の幅をもつ集束域となる。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を鏡で反射させて集光するには、太陽を追尾して鏡の角度を制御する必要がある。追尾方法はたくさんある。１軸追尾方法は簡単な装置で済む。だが１軸追尾は、反射光の集束域が分散し、集光率は下がる。２軸追尾方法は、反射光が１点に収束し、集光率は上がる。だが２軸追尾は、各鏡毎に追尾装置を要しコストがかさむ。そこで簡単な機械機構で、多数の鏡を一括２軸追尾させることが課題となっていた。同課題の先願がいくつか出願された。しかしながらそれら特許文献には、誤りと問題点が含まれていた。
先願の誤りとは、特定日の特定位置の鏡でのみ成立つが、それ以外では集光が成立たない事である。集光塔を建て、この集光点が春分の日に影を落とす位置から東西方向へ一列に鏡を並べ、これら鏡を一括操作する機構を構成する。この集光器は、春分秋分以外は成立たないし、集光塔との位置関係がズレた鏡では常に成立たない。特許文献１〜３ともすべてに当てはまる誤りである。
先願の問題点とは、熱膨張で支障が生じる事である。集光器は屋外に設置されるので、外気温の影響を受ける。物体は熱により膨張収縮する。長尺になるほど、熱膨張の影響を受ける。特許文献１〜３はいずれも長尺部材を含んでおり、かつ熱膨張の悪影響を回避できない構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許登録第４４７３３３２号公報
【特許文献２】特許登録第４５２７８０３号公報
【特許文献３】国際出願ＷＯ２０１１／０５５７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、多数の鏡の２軸追尾を簡単な機械機構で一括制御することである。簡単な機械機構を言いかえれば、駆動装置の数が鏡の数よりずっと少ない構成である。また集光器を大きく構築する場合には、熱膨張の影響を受けるので熱膨張への配慮を要する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
簡単な機械機構で多数の鏡の姿勢を制御するならば、鏡は直線上に並べるのが有利である。そして簡単な機械機構での一括操作方法が成立つには、全光路が同一平面に収まる条件を満たす場合だけである。これら条件を成立たせるには、集光域も追尾に応じて移動させるしかない。ゆえに集光域を太陽と鏡の列を含む平面上に位置させ続けることが解決手段の要旨である。従来は固定していた集光域を移動させるという不利益を代償にして、簡単な機械機構での２軸追尾の実現という利益を得ている訳である。
【０００６】
具体的な解決手段は、ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡と接する長さの鏡枠を形成し、それぞれの鏡はＹ方向で回転するＹ軸受機構を介して鏡枠と接続し、この鏡枠にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、この鏡枠の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、この集光域に光熱利用手段を位置させ、この光熱利用手段は竿を介して鏡枠に固定接続し、全ての鏡は想定太陽光を光熱利用手段へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、全ての鏡のＹ軸回転する部材にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランクにはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットのＸ軸角伝達部材をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段で太陽追尾する太陽光集光器を構成することを解決手段とする。
また集光器を大規模化する上では、熱膨張への配慮が必要になってくる。大規模化は単なる設計要素の一つに過ぎないが、光学系で屋外構築物となると熱膨張対処は必須条件となる。熱膨張への対処は、熱膨張によって伸縮する変位量を許容する接続構成にする。
【０００７】
ここでいうＸＹＺ直交座標は、本発明の主要部の構成を理解し易くする為の表現である。主要部は装置の操作により可動である。Ｙ座標軸線，Ｚ座標軸線も不動ではなく、操作で動くこととなる。
ここでいう鏡枠とは、鏡を保持する部材である。鏡枠は、鏡の全周を囲む枠でもよいし、鏡の一辺に沿う枠でもよい。メガネレンズとメガネ枠の関係と同様である。実施例以外の例として、特許文献３も参照して頂きたい。
ここでＸ軸受機構およびＹ軸受機構を軸受機構と表記する理由は、軸棒と軸受の位置関係が逆でも成立つからである。固定側と可動側で、どちらが軸棒で、どちらが軸受でもよい為である。
ここでいうＹ軸線回転する部材とは、Ｙ軸線を中心として回転する部材の意味である。端的にはＹ軸線回転する部材は鏡裏面である。技術的均等な構成として、Ｙ軸角クランクの接続箇所は、鏡表面，Ｙ軸受，鏡補強部材も構成し得る。ゆえにそれらを包括した表現にしたに過ぎない。
【０００８】
Ｘ軸角伝達部材とＸ軸角制御手段について説明する。Ｘ軸角伝達部材とは、Ｘ軸棒に回転を伝達する部材である。具体的なＸ軸角伝達部材と連結部材を列記すれば、スプロケットとチェーン、ギア歯車と歯車の連結機構、プーリとベルト、クランクとクランク連結部材などである。枠角伝達部材は連結部材によって枠角制御手段と接続され、適宜の動力源で駆動される。動力源は、電動モーター、リニアモーター、油圧シリンダなどである。あるいはＸ軸で回転するクランクを人力で操作する構成も成立つ。
ここでいう集光域とは、太陽光集光器として集光させようと設計段階で目標とする区域である。鏡からの反射光が結果的に集束する区域は、集束域というものとする。
光熱利用手段は、太陽熱発電、太陽熱動力機、太陽熱蒸留器，温水供給器，調理器，照明器等である。またはそれら光熱利用手段へ熱を伝達する為の熱媒体の循環流路である。
ここでいうクランク連動機構とは、多くのＹ軸クランクを連動させる機構である。Ｙ軸クランク同士は平行かつ直列に並んでいる。ゆえにＹ軸クランク他端を直線部材で軸接続すれば、すべてのＹ軸クランクの連動が可能となる。クランク連動機構は、クランク運動で等しい角度だけＹ軸回転すればよい。ゆえにＹ軸クランクの形状や向きは様々に構成し得る。具体例は特許文献３を参照して頂きたい。
【０００９】
ここでいう径差解消クランクとは、クランク連動機構とＸ軸心との距離の差を解消するクランクである。クランク連動機構をクランク運動させると、Ｘ軸心からクランク連動機構東端の径距離は変化する。そこでＸ軸とクランク連動機構東端の間に径差解消クランクを介在させる訳である。
ここでいうＸ軸角制御手段およびＹ軸角制御手段の制御とは、２軸太陽追尾手段のことである。適宜、太陽追尾の従来技術を用いる。太陽軌道座標の方位と仰角からＸ軸角とＹ軸角に換算したデータをコンピュータに蓄積しておき、月日と時刻に合せて制御するカレンダー制御方法などである。月齢も織り込めばより高精度になる。センサーによるフィードバック制御でも構わない。
ここでいう支柱を集光器設置平面に固定する事の意味は、集光器の設置方向が限定されないことを意味している。地理的な制約が無いならば東西向きユニットが最適である。理由は集光効率や追尾のし易さである。平面でさえあれば斜面も垂直面も設置可能である。壁面設置の場合は、垂直壁面のほうが望ましい。理由は、Ｘ軸角を操作しても集光部の高低差がなく、Ｘ軸角制御に要する力が一定で済むからである。
ここでいうユニットを１つ以上平行に並べるとは、隣りに平行にユニットを増設していくという事である。またユニット１つだけの構成も含んでいるという意味である。ユニット１つでも、集光器として充分に作用効果を発揮する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の効果は、多数の鏡の２軸追尾を簡単な機械機構で実現したことである。従来であれば、多数の鏡を２軸追尾させる為には鏡１枚１枚に２軸追尾の為の駆動装置やセンサーや配管や配線を要していた。本発明では、集光器全体の中で駆動装置が１組か数組で済む。仮に鏡３０枚の集光器で見積もるとしても、この駆動装置の削減効果は大きい。
もう一つの効果は、光熱利用手段のメンテナンスや暴風退避が行い易いことである。タワー式集光器では、タワー頂上の光熱利用手段をメンテナンスする手間が負担となっている。本発明では、光熱利用手段を低い位置へ操作することでメンテナンス等の作業はし易くなる。台風など暴風が気象予報された場合にも、光熱利用手段を低姿勢にすることで被害回避できる。また請求項４，５の構成は、熱膨張の弊害を防いでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は実施例１の全体の斜視図である。
【図２】図２は実施例１の全体の斜視図で、鏡を南傾，西傾させた図である。
【図３】図３は実施例２の全体の斜視図である。
【図４】図４は実施例２の鏡周辺部の側面図である。
【図５】図５は実施例２の鏡周辺部の側面図で、鏡を傾けた図である。
【図６】図６は実施例２の光熱利用手段周辺部の正面図である。
【図７】図７は図６の状態から竿を垂直に立てた図である。
【図８】図８は図７の状態から竿を南に傾けた図である。
【図９】図９は実施例３を西から見た側面図である。 上部の途中部分は破断線で省略している。
【図１０】図10は図９の断面ＡＡの正面図である。上部は破断線で省略している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
集光器は様々な利用目的に活用できる。集光器の設計要素はたくさんある。ゆえに集光器の実施形態は多種多様になる。実施例は基本的な例しか紹介できないが、実際にはとても多様性があると捉えて頂きたい。特に鏡とユニットは増設余地が大きい。鏡３０枚で３０ユニットも構成し得る。そしてその様な大規模な集光器を構成した場合に、熱膨張への配慮が必要になってくる。図示困難なので実施例では鏡３枚，３ユニットとしている。３枚目の鏡であっても、３０枚目の鏡相当の熱膨張変位が生じるとして見て頂きたい。
特許請求項と実施例では、該当する部材名称は異なってくる。その対照は表１に示したので参照願いたい。
【実施例１】
【００１３】
実施例１は請求項１，４に対応する。図１，２を参照に説明する。図２は北側の鏡を省略している。北東端の鏡のみ、想像線で示した。北西端部分はＹ軸受６とＹ軸クランク７も省略している。Ｘ軸棒2を東西向きとし、４つのＸ軸受3を係合する。Ｘ軸受３には支柱４を接続し、支柱４を地面に固定する。このＸ軸棒２に３本のＹ軸棒５を南北向きに固定する。Ｙ軸棒５にはＹ軸受６を係合する。Ｙ軸受６に鏡１を接続する。Ｙ軸受６にはＹ軸クランク７を固定接続する。２本の長棒に直交して接する３本の横棒８からなるクランク連動機構９を形成する。クランク連動機構９を鏡１の列の真下に位置させる。Ｙ軸クランク７の下端をクランク連動機構９と軸接続する。横棒８はＹ軸クランク７の下端との軸接続の軸棒を兼ねる。この時、すべてのＹ軸クランク７は同じ方向姿勢であるが、各鏡１はそれぞれの初期Ｙ軸角の姿勢である。
クランク連動機構９の東端は径差解消クランク10を軸接続する。径差解消クランク10は対称形であり、他端は南側のクランク連動機構９の東端と軸接続する。径差解消クランク10の東端は摺動管11と回動自在に係合する。摺動管11はＸ軸棒２と係合している。摺動管11はＹ軸制御シリンダ12のピストンと接続する。Ｙ軸制御シリンダ12は固定具13によりＸ軸棒２に固定接続する。
【００１４】
Ｘ軸棒２の西端はＦ字状に２本の竿14を直交させて固定接続する。竿14と竿14の間のＸ軸棒２には集光部支持台15を係合し、集光部支持台15を地面に固定する。竿14の上端には光熱利用手段16を固定接続する。竿14の上部には竿軸棒17を固定接続する。竿軸棒17にはＸ軸制御シリンダ18のピストンと接続する。Ｘ軸制御シリンダ18の下端は地面に軸接続する。
追尾制御の説明をする。太陽のＸ軸基準での仰角に竿14の角度を合せる。それはＸ軸制御シリンダ18の伸縮によって行なわれる。次に鏡１のＹ軸角を操作して、反射光の集束域を集光域に合せる。それはＹ軸制御シリンダ12の伸縮によって行なわれる。図２の状態からＸ軸制御シリンダ18を縮めると、図１に示すようにＸ軸棒２が回転し、鏡１は北傾きになる。図１の状態からＹ軸制御シリンダ12を伸ばすと、図２に示すようにＹ軸受６が回転し、鏡１が西傾きになる。
熱膨張によってＸ軸棒２が伸縮しても、Ｘ軸受３とＸ軸棒２が摺動するだけであり、支障ない。Ｘ軸棒２が縮んでも脱落しないように、東端は余分に長くしてある。熱膨張によってＹ軸棒５間隔も伸縮するが、クランク連動機構９も等しく伸縮するので、支障ない。長大なＸ軸制御シリンダ18を図示したが、構成を見易くする為である。実際にはクレーン車のアーム駆動シリンダのように、竿14の根元付近から短いシリンダを接続する構成でもよい。
【実施例２】
【００１５】
実施例２は請求項２，４，５に対応する。図３〜８を参照に説明する。実施例２の特徴は、鏡枠と、ユニット複数化と、集光部を別制御とした点である。東西方向に３枚の鏡20を並べる。すべての鏡20に接する東西向きの東西棒21を南側と北側に位置させる。この東西棒21を南北向きのＹ軸棒22で連結してハシゴ形状のシーソー枠23を形成する。すべてのＹ軸棒22中央下部に共通の東西方向直線を軸心とするＸ軸受機構24を介して支柱25を接続する。すべての支柱25を集光器設置面上に固定する。さらにＹ軸棒22にＹ軸受26を係合し、このＹ軸受26に鏡20を接続する。シーソー枠23の西端にはＸ軸クランク27を固定接続する。Ｘ軸受機構24とＹ軸棒22の部分を詳しく示したのが図４，５である。Ｘ軸受28はＸ軸棒29より短いので、その差だけ摺動可能となる。Ｘ軸受28の上にＹ軸棒22を固定接続する。Ｙ軸受26にはＹ軸クランク31を固定接続する。図４では理解し易いように初期Ｙ角を仮に０度とし、Ｙ軸クランク31は鏡に対して垂直下向きとしている。Ｙ軸クランク31下端はクランク連動棒32と軸接続する。
シーソー枠23の東端を越えたＸ軸心延長上に隣接軸棒33を設ける。この隣接軸棒33の両端は隣接支柱34で固定支持する。この隣接軸棒33に摺動軸受35を係合する。この摺動軸受35は隣接軸棒33に沿って摺動可能であり、かつ隣接軸棒33を軸心として回転可能である。摺動軸受35にはＶ字形の径差解消クランク36の中央部を軸接続し、径差解消クランク36の他端はクランク連動棒32の東端と軸接続する。
【００１６】
以上までのすべての構成が１単位のユニットである。このユニットにもう２つのユニットを平行に並べて設ける。各ユニットの摺動軸受35の上部には溝があり、ユニット連動棒37と摺動可能に係合する。ユニット連動棒37はＹ軸制御シリンダ38のピストンと係合する。Ｙ軸制御シリンダ38は架台40で固定する。
隣接ユニットとのＸ軸クランク27同士間はバネ41で連結する。端のＸ軸クランク27の外側には釣合いクランク42を支持台43で固定する。この釣合いクランク42とＸ軸クランク27もバネ41で連結する。北の釣合いクランク42は、モータ44と軸接続する。各部分のバネ張力は等しくなるように設定する。Ｘ軸クランク27では隣合うバネ同士の張力が相殺されるので、バネ張力の負荷は無い。モータ44の回転によって釣合いクランク42の角度が制御され、すべてのＸ軸クランク27も連動し、全ユニットのＸ軸角が一括制御できる。熱膨張による伸縮はバネ41に吸収されるので、誤差は生じない。
続いて図６〜８を参照として、集光部を駆動制御する可動構築物の説明をする。図６〜８は西から見た図である。見易くする為にユニット側は鏡20と支柱25と支持台43だけ図示し、それ以外は略している。集光器の集光域下方の地面に２つの竿支持台45を設け、それぞれの竿支持台45に竿46を軸接続し、竿46の上端には梁47を軸接続する。梁47の集光域の位置に光熱利用手段48を固定する。梁47の上面の両端にはワイヤー50を接続する。竿支持台46の外側には鉄塔51を建てる。鉄塔51上端には滑車52を設ける。鉄塔51根元の外側には巻取り滑車53とワイヤー制御手段54を設ける。梁47に接続したワイヤー50は鉄塔51上端の滑車52に通し、巻取り滑車53にまで接続する。
【００１７】
集光部の操作説明をする。鏡20の姿勢制御と集光部の姿勢制御は、別々の機械機構であり、制御も別々である。太陽光を垂直に受けるように鏡20の向きを制御する。同時に鏡20の反射光の光路に光熱利用手段48が位置するように竿46を北傾斜姿勢に制御する。その状態が図６である。竿46の姿勢制御は左右のワイヤー50を引くことでなされる。北ワイヤー50を弛め、南ワイヤー50を引くと、図７のように竿46が垂直姿勢になる。さらにワイヤー50を操作すると図８のように竿46は南傾斜になる。
実施例２の集光部を駆動制御する可動構築物は大掛かりで非効率的である。だが連結するユニット数が３０，５０と増える場合には効率的構成となる。また可動構築物は他の方式でも構わない。例えば２本の鉄塔の間を梁が垂直に上下動し、光熱利用手段が梁を左右移動する構成でもよい。ユニット部分はバネで保持しているので、必要があれば共振予防措置を施す。
【実施例３】
【００１８】
請求項１，３に対応する。図９，10を参照として説明する。ユニット姿勢を垂直にし、制御駆動を手動とした例である。おおよそ南向きで垂直なビル壁面60に沿って基準となる基準垂直線を想定する。この基準垂直線と交差するように水平向きの支柱61を固定接続する。この支柱61先端上面には垂直に屹立する短いＸ軸棒を固定接続する。このＸ軸棒に小スラスト軸受63を係合する。平行垂直な２本の棒を３本の東西棒64でつなげてシーソー枠65を形成し、この東西棒64と小スラスト軸受63を係合する。シーソー枠65は、２マスのハシゴのような形状となる。シーソー枠65の下端には基準垂直線に軸心をそろえた円柱台座66を固定接続し、この円柱台座66下面と地面との間に大スラスト軸受67を係合する。
シーソー枠65の東西棒64からマス目半分上の位置にＹ軸棒68を固定接続し、このＹ軸棒68にＹ軸受70を介して鏡71を接続する。このＹ軸受70に仰角クランク72を固定接続し、これら仰角クランク72他端をクランク連動棒73に軸接続する。上端のＸ軸棒の基準垂直線上には、隣接Ｘ軸棒74を位置させ、この隣接Ｘ軸棒74に隣接Ｘ軸受75を係合する。この隣接Ｘ軸受75は隣接支柱76によってビル壁面60に固定する。この隣接Ｘ軸棒74の下端には連結管77を固定接続し、この連結管77に径差解消クランク78を軸接続し、径差解消クランク78下端をクランク連動棒73の上端と軸接続する。Ｘ軸棒，小スラスト軸受63，円柱台座66，大スラスト軸受67，隣接Ｘ軸棒74，隣接Ｘ軸受75は、基準垂直線に軸心を合せている。
【００１９】
前記の隣接Ｘ軸棒74の上端をワイヤー80に接続する。ワイヤー80はビル壁面60に設置した滑車81に架ける。ワイヤー80他端には釣合い錘82を吊るす。釣合い錘82の重量はクランク連動棒73側と釣合わせる。釣合い錘82の下端には紐83を繋げる。紐83は適当な高さで折り返して滑車81に架けて、ワイヤー80と繋げる。紐83を引けばワイヤー80が引かれ、クランク連動棒73が上がり、鏡71は前傾になる。逆側の紐83を引けば、ワイヤー80が緩み、自重でクランク連動棒73が下がり、鏡71は逆側に傾く。
前記の円柱台座66に梁84を接続する。梁84の先端には台車85を接続する。台車85の車輪86の向きは梁84と直交する向きである。台車85の上には加熱台87を設ける。加熱台87の側面には握り手88を設ける。加熱台87上が集光域となるように、鏡の初期仰角を設定する。加熱台87上に鍋90を置く。太陽光の方角と梁84を一致させる。太陽光の集束域が加熱台87に来るように紐83で鏡71の角度を操作すれば、太陽熱調理器として稼動する。方角追尾は握り手88で太陽光と梁84の一致が保つように台車85を動かす。仰角追尾は、紐83で鏡71角度を操作する。
以上３つの実施例を紹介したが、本発明の集光器はこれら以外の形態をとり得る。実施例では図示しやすいように鏡を３枚にしたが、実際には高温を得る為にも鏡の枚数は増やすこととなる。また実施例１の構成で、竿を中心に西側にも鏡を設置する構成も考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は１ユニットに複数の集光域を設定することも可能である。鏡をグループ分けして、グループ毎にそれぞれの焦点座標へ集束するように初期Ｙ軸角を設定すればよい。本発明は、様々なプラントの補助熱源，熱音響への熱源としても構成し得る。
【符号の説明】
【００２１】
１．鏡                    ２．Ｘ軸棒                ３．Ｘ軸受                  ５．Ｙ軸棒                ６．Ｙ軸受                ７．Ｙ軸角クランク        ９．クランク連動機構      １０．径差解消クランク    １２．Ｙ軸角制御シリンダ  １４．竿                  １６．光熱利用手段        １８．Ｘ軸角制御シリンダ
２０．鏡                  ４６．竿                  ４７．梁                  ４８．光熱利用手段        ５４．ワイヤー制御手段    ６３．小スラスト軸受      ６７．大スラスト軸受      ８０．ワイヤー            ８２．釣合い錘
８３．紐                  ８７．加熱台                Ｎ．北方位
【図１】
2013088000.tif 000004
【図２】
2013088000.tif 000005
【図３】
2013088000.tif 000006
【図４】
2013088000.tif 000007
【図５】
2013088000.tif 000008
【図６】
2013088000.tif 000009
【図７】
2013088000.tif 000010
【図８】
2013088000.tif 000011
【図９】
2013088000.tif 000012
【図１０】
2013088000.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月8日(2012.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、複数枚の鏡で太陽光を反射させて集光する太陽光集光器に関する。もしくはへリオスタットとも云われる。さらに詳しくは２軸追尾方式、点集光系の集光器である。
ここでいう鏡とは、太陽光，日光，日射を反射する物全般である。鏡には、反射板，平面鏡，凹面鏡，パラボラ鏡，多面鏡を含む。
集光器の利用形態は、発電機，スターリングエンジン原動機，空調機，蒸留器，温水貯湯供給器，調理器等である。
明細書を読むにあたり、表１を参照して頂きたい。本発明の要旨は単純である。入射光と反射光と集光点を平面内に収める事である。しかし実施形態は多種多様になる。それら多種多様な構成を網羅する為に、特許請求の項での部材名称は上位概念で表記している。実施例での部材は下位概念で表記している。また１つの部材が２つの構成要件を兼ねる形態も構成し得る。ゆえに特許請求の項と実施例で表記の異なる部材名称の対照表を示した。
【表１】
2013088000.tif 000014
ちなみに入射光と反射光と集光点を平面内に収めるといっても、幾何学上の厳密な平面や点ではない。鏡に平面鏡を用いるならば、反射光の集束する所もおよそ鏡の幅をもつ集束域となる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
具体的な解決手段は、ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡と接する長さの鏡支持部材を形成し、それぞれの鏡はＹ方向で回転するＹ軸受機構を介して鏡支持部材と接続し、この鏡支持部材にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、この鏡支持部材の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、この集光域に光熱利用手段を位置させ、この光熱利用手段は竿を介して鏡支持部材に固定接続し、全ての鏡は想定太陽光を光熱利用手段へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、全ての鏡のＹ軸回転する部材にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランクにはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットのＸ軸角伝達部材をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段で太陽追尾する太陽光集光器を構成することを解決手段とする。
また集光器を大規模化する上では、熱膨張への配慮が必要になってくる。大規模化は単なる設計要素の一つに過ぎないが、光学系で屋外構築物となると熱膨張対処は必須条件となる。熱膨張への対処は、熱膨張によって伸縮する変位量を許容する接続構成にする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
ここでいうＸＹＺ直交座標は、本発明の主要部の構成を理解し易くする為の表現である。主要部は装置の操作により可動である。Ｙ座標軸線，Ｚ座標軸線も不動ではなく、操作で動くこととなる。
ここでいう鏡支持部材とは、鏡を保持する部材である。鏡支持部材は、鏡の全周を囲む枠でもよいし、鏡の一辺に沿う枠でもよい。メガネレンズとメガネ枠の関係と同様である。実施例以外の例として、特許文献３も参照して頂きたい。
ここでＸ軸受機構およびＹ軸受機構を軸受機構と表記する理由は、軸棒と軸受の位置関係が逆でも成立つからである。固定側と可動側で、どちらが軸棒で、どちらが軸受でもよい為である。
ここで鏡の裏面とＹ軸角クランクの接続の技術的均等な構成として、Ｙ軸受，鏡補強部材も構成し得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
Ｘ軸棒２の西端はＦ字状に２本の竿14を直交させて固定接続する。竿14と竿14の間のＸ軸棒２には集光部支持台15を係合し、集光部支持台15を地面に固定する。竿14の上端には光熱利用手段16を固定接続する。竿14の上部には竿軸棒17を固定接続する。竿軸棒17にはＸ軸制御シリンダ18のピストンと接続する。Ｘ軸制御シリンダ18の下端は地面に軸接続する。
追尾制御の説明をする。太陽のＸ軸基準での仰角に竿14の角度を合せる。それはＸ軸制御シリンダ18の伸縮によって行なわれる。次に鏡１のＹ軸角を操作して、反射光の集束域を集光域に合せる。それはＹ軸制御シリンダ12の伸縮によって行なわれる。図２の状態からＸ軸制御シリンダ18を縮めると、図１に示すようにＸ軸棒２が回転し、鏡１は北傾きになる。図１の状態からＹ軸制御シリンダ12を伸ばすと、図２に示すようにＹ軸受６が回転し、鏡１が西傾きになる。
Ｘ軸棒２と係合する集光部支持台15は、摺動不能な軸受機構となる。それゆえ熱膨張によってＸ軸棒２が伸縮しても、Ｘ軸受３とＸ軸棒２が摺動するだけであり、支障ない。Ｘ軸棒２が縮んでも脱落しないように、東端は余分に長くしてある。熱膨張によってＹ軸棒５間隔も伸縮するが、クランク連動機構９も等しく伸縮するので、支障ない。長大なＸ軸制御シリンダ18を図示したが、構成を見易くする為である。実際にはクレーン車のアーム駆動シリンダのように、竿14の根元付近から短いシリンダを接続する構成でもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
実施例２は請求項２，４，５に対応する。図３〜８を参照に説明する。実施例２の特徴は、鏡支持部材と、ユニット複数化と、集光部を別制御とした点である。東西方向に３枚の鏡20を並べる。すべての鏡20に接する東西向きの東西棒21を南側と北側に位置させる。この東西棒21を南北向きのＹ軸棒22で連結してハシゴ形状のシーソー枠23を形成する。すべてのＹ軸棒22中央下部に共通の東西方向直線を軸心とするＸ軸受機構24を介して支柱25を接続する。すべての支柱25を集光器設置面上に固定する。さらにＹ軸棒22にＹ軸受26を係合し、このＹ軸受26に鏡20を接続する。シーソー枠23の西端にはＸ軸クランク27を固定接続する。Ｘ軸受機構24とＹ軸棒22の部分を詳しく示したのが図４，５である。Ｘ軸受28はＸ軸棒29より短いので、その差だけ摺動可能となる。Ｘ軸受28の上にＹ軸棒22を固定接続する。Ｙ軸受26にはＹ軸クランク31を固定接続する。図４では理解し易いように初期Ｙ角を仮に０度とし、Ｙ軸クランク31は鏡に対して垂直下向きとしている。Ｙ軸クランク31下端はクランク連動棒32と軸接続する。
シーソー枠23の東端を越えたＸ軸心延長上に隣接軸棒33を設ける。この隣接軸棒33の両端は隣接支柱34で固定支持する。この隣接軸棒33に摺動軸受35を係合する。この摺動軸受35は隣接軸棒33に沿って摺動可能であり、かつ隣接軸棒33を軸心として回転可能である。摺動軸受35にはＶ字形の径差解消クランク36の中央部を軸接続し、径差解消クランク36の他端はクランク連動棒32の東端と軸接続する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
以上までのすべての構成が１単位のユニットである。このユニットにもう２つのユニットを平行に並べて設ける。各ユニットの摺動軸受35の上部には溝があり、ユニット連動棒37と摺動可能に係合する。ユニット連動棒37はＹ軸制御シリンダ38のピストンと係合する。Ｙ軸制御シリンダ38は架台40で固定する。
隣接ユニットとのＸ軸クランク27同士間は弾性素材のバネ41で連結する。端のＸ軸クランク27の外側には釣合いクランク42を支持台43で固定する。この釣合いクランク42とＸ軸クランク27もバネ41で連結する。北の釣合いクランク42は、モータ44と軸接続する。各部分のバネ張力は等しくなるように設定する。Ｘ軸クランク27では隣合うバネ同士の張力が相殺されるので、バネ張力の負荷は無い。モータ44の回転によって釣合いクランク42の角度が制御され、すべてのＸ軸クランク27も連動し、全ユニットのＸ軸角が一括制御できる。熱膨張による伸縮はバネ41に吸収されるので、誤差は生じない。
続いて図６〜８を参照として、集光部を駆動制御する可動構築物の説明をする。図６〜８は西から見た図である。見易くする為にユニット側は鏡20と支柱25と支持台43だけ図示し、それ以外は略している。集光器の集光域下方の地面に２つの竿支持台45を設け、それぞれの竿支持台45に竿46を軸接続し、竿46の上端には梁47を軸接続する。梁47の集光域の位置に光熱利用手段48を固定する。梁47の上面の両端にはワイヤー50を接続する。竿支持台46の外側には鉄塔51を建てる。鉄塔51上端には滑車52を設ける。鉄塔51根元の外側には巻取り滑車53とワイヤー制御手段54を設ける。梁47に接続したワイヤー50は鉄塔51上端の滑車52に通し、巻取り滑車53にまで接続する。
【手続補正７】
【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】
ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡に届きわたる長さの鏡支持部材を形成し、それぞれの鏡はＹ軸と平行な線で回転するＹ軸受機構を介して鏡支持部材と接続し、この鏡支持部材にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、
この鏡支持部材の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、この集光域に光熱利用手段を位置させ、この光熱利用手段は竿を介して鏡支持部材に固定接続し、
全ての鏡は想定太陽光を光熱利用手段へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、各鏡の裏面にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランク他端にはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、
前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットの竿（Ｘ軸角伝達部材）をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段の制御内容は太陽追尾である、太陽光集光器。
【請求項２】
ＸＹＺ直交座標のＸＹ座標面上のＸ座標軸に沿って複数の鏡を並べ、すべての鏡に届きわたる長さの鏡支持部材を形成し、それぞれの鏡はＹ軸と平行な線で回転するＹ軸受機構を介して鏡支持部材と接続し、この鏡支持部材にはＸ座標軸を軸心とするＸ軸受機構を介して支柱を接続し、
この鏡支持部材の任意位置にＸ座標軸を軸心とするＸ軸角伝達部材を固定接続し、Ｚ座標軸線上の任意位置に集光域を想定し、全ての鏡は想定太陽光を集光域へ反射するように鏡のＹ軸角を初期Ｙ軸角の姿勢にし、各鏡の裏面にはＹ軸クランクを固定接続し、すべてのＹ軸クランク他端にはＹ軸クランクを等角で連動させるクランク連動機構を軸接続し、このクランク連動機構にはクランク運動によって鏡のＹ軸角を制御するＹ軸角制御手段を接続し、
前記までのすべての構成を１つのユニットとし、このユニットの支柱を集光器設置平面に固定し、このユニットを１つ以上平行に並べ、すべてのユニットのＸ軸角伝達部材をＸ軸角制御手段に連結し、Ｘ軸角制御手段とＹ軸角制御手段の制御内容は太陽追尾であり、
すべてのユニットの集光域座標にはユニットとは別の独立した可動構築物によって光熱利用手段を掲げ、この可動構築物には集光部制御手段を接続し、この集光部制御手段の制御内容は鏡支持部材の回転角に伴って移動する集光域座標に光熱利用手段の位置座標を追随して一致させる制御内容である、
太陽光集光器。
【請求項３】
請求項１の太陽光集光器において、Ｘ軸角制御手段は鏡支持部材を手動で回転させる構成であり、Ｙ軸角制御手段はクランク連動機構を手動でクランク運動させる構成である、太陽光集光器。
【請求項４】
請求項１から３のうちのひとつの太陽光集光器において、ユニット内のＸ軸受機構の内の１つは摺動不能とし、他のＸ軸受機構は想定される熱膨張変位長さ以上にＸ軸棒がＸ軸受より長く形成し、Ｘ軸棒が摺動可能に構成された、太陽光集光器。
【請求項５】
請求項１から３のうちのひとつの太陽光集光器において、Ｘ軸角伝達部材の連結部材は熱膨張を吸収し得る弾性素材を用いてなる、太陽光集光器。