(57)【要約】【課題】球面鏡でありながら集光性能が改善された太陽追尾集光装置を提供する。【解決手段】球面収差の原因となっている、球面鏡Ｍの光軸Ｋから遠い外側周辺にある反射ミラー２ａからの反射光Ｒ′を、球面鏡Ｍに合致した状態よりも光軸方向へ必要な寸法ｄだけ平行移動させた。具体的には、球面収差が所定の範囲から外れる範囲にある反射ミラー２ａのみを平行移動させる。そのため、外側周辺の反射ミラー２ａからの反射光Ｒ′が、光軸Ｋ上の焦点位置Ｆの近傍を通過するようになり、集光性能が改善される。そして、球面鏡Ｍのため、個々の反射ミラー２、２ａの製造が容易で、反射ミラー２、２ａを並べて配置した後における球面度の検査調整も容易である。外側周辺の反射ミラー２ａを平行移動させる代わりに、外向き方向へ必要な角度θだけ回転させるようにしても良い。【選択図】        図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの球面鏡を画成する複数のミラー要素を前記球面鏡の光軸を太陽に向けた状態で追尾する太陽追尾集光装置であって、
球面収差が所定の許容範囲から外れる特定のミラー要素のみが球面収差が前記許容範囲内に収まるように前記球面鏡に対して姿勢変更されたことを特徴とする太陽追尾集光装置。
【請求項２】
太陽光利用装置が前記球面鏡に位置固定され、前記太陽光利用装置の受光部が前記球面鏡の焦点近傍に位置づけられ、
前記所定の許容範囲は前記太陽光利用装置の受光領域の分布に基づいて定められることを特徴とする請求項１記載の太陽追尾集光装置。
【請求項３】
前記姿勢変更は前記特定のミラー要素を前記光軸に平行に所定距離移動することを特徴とする請求項１または２記載の太陽追尾集光装置。
【請求項４】
前記姿勢変更は前記特定のミラー要素の球面収差が前記許容範囲に収まるように前記特定のミラー要素の傾斜を所定の角度変更することを特徴とする請求項１または２記載の太陽追尾集光装置。
【請求項５】
前記複数のミラー要素は球面鏡であることを特徴とする請求項１記載の太陽追尾集光装置。
【請求項６】
前記特定のミラー要素は、球面鏡における光軸を中心とした前記球面鏡の内接円が通過する反射ミラー及びそれよりも外側の反射ミラーであって、
前記内接円の半径は前記所定の許容範囲に基づいて定められることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の太陽追尾集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽追尾集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の反射ミラーを１つの凹面鏡を形成するように並べて配置し、その凹面鏡の光軸が常に太陽を向くように追尾制御し、その光軸上の焦点にスターリングエンジン等を支持して、太陽熱の利用を図るようにした太陽追尾集光装置が知られている。
【０００３】
この種の太陽追尾集光装置は、複数の反射ミラーで構成される凹面鏡として放物面鏡が一般的である。放物面鏡であれば反射される光が全て光軸上の一点（焦点）に集まり、スターリングエンジンの受熱部などをムラなく加熱できるからである（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４４６３７４９号明細書
【特許文献２】特開平９−２８０６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、複数の反射ミラーで１つの放物面鏡を形成する構造のため、個々の反射ミラーが放物面鏡の一部を形成する曲面を有していなければならず、更にその反射ミラーを放物面状に並べて配置する必要がある。従って、個々の反射ミラーの製造が面倒であると共に、反射ミラーを並べて配置した後における放物面度の検査調整が面倒であった。
【０００６】
そこで、放物面鏡に代わり、製造及び検査調整が容易な球面鏡を採用することが考えられるが、球面鏡の場合は、球面収差があるため、集光性能の面で劣ることになり、その採用が避けられていた。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、球面鏡でありながら集光性能が改善された太陽追尾集光装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の特徴によれば、１つの球面鏡を画成する複数のミラー要素を前記球面鏡の光軸を太陽に向けた状態で追尾する太陽追尾集光装置であって、球面収差が所定の許容範囲を越える特定のミラー要素のみが球面収差が前記許容範囲に収まるように前記球面鏡に対して姿勢変更されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の特徴によれば、前記姿勢変更は前記特定のミラー要素を前記光軸に平行に所定距離移動することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の特徴によれば、前記姿勢変更は前記特定のミラー要素の球面収差が前記許容範囲に収まるようにその傾斜を所定の角度変更することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の特徴によれば、前記特定のミラー要素は、球面鏡における光軸を中心とした所定の内接円が通過する反射ミラー及びそれよりも外側の反射ミラーであって、前記内接円の半径は前記所定の許容範囲に基づいて定められることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、球面収差が所定の許容範囲外の特定のミラー要素のみを球面収差が前記許容範囲に収まるように前記球面鏡に対して姿勢変更されるので集光性能が大幅に改善される。さらに球面鏡を利用するため個々のミラー要素の製造が容易であり、ミラー要素の配置後における球面度の検査調整も容易である。
【００１３】
本発明の第２の特徴によれば、前記特定のミラー要素を前記光軸に平行に所定距離移動するように姿勢変更されるので、簡易な変更作業により集光性能を改善することができる。
【００１４】
本発明の第３の特徴によれば、前記特定のミラー要素を角度変更するように姿勢変更されるので、簡易な変更作業により集光性能を改善することができる。
【００１５】
本発明の第４の特徴によれば、姿勢変更するミラー要素の範囲を所定の内接円により境界づけられるので設計及び製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１〜図１０は、本発明の第１実施例を示す図である。この実施形態の太陽追尾集光装置１は、方位方向Ｈ及び高度方向Ｖに回転させる経緯台式で、常に光学装置を太陽Ｓに真っ直ぐ向けて追尾させるタイプである。
【００１７】
この太陽追尾集光装置１に用いられている反射ミラー２、２ａは四角形または丸形で、後述する１つの大きな球面鏡Ｍの一部を形成する球面形状を有している。この反射ミラー２、２ａは、大きな四角形の支持パネル３に、それぞれ長さの異なる支軸４を介して取付けられている。支軸４は支持パネル３に対して垂直で、反射ミラー２、２ａは支軸４の先端に所定の角度で取付けられる。こうして支持パネル３に取付けられた複数の反射ミラー２、２ａは全体として１つの大きな仮想的球面鏡Ｍを画成する。この球面鏡Ｍも外形が概略四角形で中心に光軸Ｋを有している。なお、反射ミラー２、２ａは球面形状が好ましいが平面形状であっても全体として球面鏡Ｍを構成することができる。
【００１８】
この球面鏡Ｍを方位方向Ｈ及び高度方向Ｖに回転させることにより、球面鏡Ｍの光軸Ｋが常に太陽Ｓを向くように制御される。球面鏡Ｍを方位方向Ｈ及び高度方向Ｖに回転させるための構造を以下説明する。
【００１９】
支持パネル３の下側にはパイプフレーム部５が一体化され、反射ミラー２、２ａが取付けられた支持パネル３とパイプフレーム部５とでミラー構成体６を構成している。ミラー構成体６は構造材製のフレーム体７の上に設置される。ミラー構成体６はヒンジ８を中心に全体が上方へ回転自在で、ミラー構成体６のヒンジ８とは反対側は、フレーム体７に下端が回動自在に支持されたアーム部９に連結されている。アーム部９には従動プーリ１０と回転ブロック１１との間で移動自在なループ状のチェーン１２が設けられ、ミラー構成体６の反対側の連結リング１３がこのチェーン１２の一部に結合されている。
【００２０】
回転ブロック１１には高度側モータ１４の回転駆動力が、ウォームギア１５及びウォームホイール１６を介して伝達されるため、この回転ブロック１１と係合しているチェーン１２は上下に移動する。従って、そのチェーン１２にミラー構成体６の連結リング１３が結合されているため、チェーン１２に合わせてミラー構成体６がヒンジ８を中心に上下に回転し、ミラー構成体６の高度方向での角度が変化する。
【００２１】
このようなミラー構成体６を載せたフレーム体７は、地面Ｇに形成されたベース部１７の上部に設置される。ベース部１７には円柱部１８が形成され、その上端に形成された軸部１９を中心にフレーム体７は方位方向Ｈを回転する。フレーム体７には３つのキャスター部２０が形成され、このキャスター部２０がベース部１７の上面を転動することにより、フレーム体７はミラー構成体６ごと方位方向Ｈへ回転する。
【００２２】
円柱部１８の周囲にはチェーン２１が掛け回されてる。チェーン２１は両端２１ａ、２１ｂを９０°の角度範囲でオーバラップさせた状態で掛け回され、チェーン２１の一部にはチェーン２１と係合する回転ブロック２２が設けられている。この回転ブロック２２は、フレーム体７側に支持されているもので、フレーム体７側に取付けられた方位側モータ２３の回転駆動力を、ウォームギア２４及びウォームホイール２５を介して伝達することにより回転し、チェーン２２に沿って円柱部１８の周囲を回転する。従って、回転ブロック１１と一緒にフレーム体７が方位方向Ｈに回転する。
【００２３】
ミラー構成体６の高度方向Ｖへの回転と、フレーム体７の方位方向Ｈへの回転は、高度センサー２６及び方位センサー２７が太陽光線Ｌの向きを検出することにより制御されている。すなわち、複数の反射ミラー２、２ａで形成される球面鏡Ｍの光軸Ｋが常に太陽Ｓを向くように、高度センサー２６及び方位センサー２７から前記高度側モータ１４及び方位側モータ２３へのフィードバック信号が出力されるようになっている。
【００２４】
球面鏡Ｍの光軸Ｋ上における焦点Ｆは球心と極の距離の１／２、すなわち球面鏡Ｍの球面の半径の１／２だけ球心から球面（極）に向かって移動した位置にある。スターリングエンジン２８の受光部（受熱部）は焦点Ｆの近傍に支持パイプ２９により支持パネル３に対して支持されている。この受熱部が太陽光線Ｌにより加熱されることにより、スターリングエンジン２８で１〜３ｋＷ程度の発電が行われるようになっている。
【００２５】
＜球面収差＞
図８において、太陽光線Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩはそれぞれ光軸Ｋに平行で光軸から所定の距離において球面鏡Ｍに入射する。複数の反射ミラー２、２ａの個々の反射面により、全体として所定の曲率を有する仮想的な球面鏡Ｍを画成する。光軸からの距離が小さい光線Ｉ，ＩＩは球面鏡Ｍで反射されて光軸上Ｋにおける焦点Ｆの近傍を通る。これに対して光軸Ｋからの距離が曲率半径に対して大きくなるにしたがい光軸を横切る位置が焦点Ｆから離れる。すなわち、ミラー２ａに入射する光線ＩＩＩは光軸上において焦点Ｆから有意な距離Ｄだけオフセットした位置を通る。もしこの位置がスターリングエンジン２８の受熱部からはずれていれば光線ＩＩＩは加熱に寄与することができない。
【００２６】
図９には入射光線Ｌの光軸Ｋからの距離とその反射光が光軸Ｋを横切る位置の関係を表す特性曲線を示す。縦軸Ｚは焦点Ｆを基準として反射光が光軸Ｋを横切る位置すなわち偏差を下方を正として表示するもので、各反射光線の球面収差を反射光線と光軸Ｋの交点の偏差で表現したものである。したがって縦軸は焦点Ｆにおいて光軸に垂直な仮想平面を反射光が横切る位置の光軸Ｋからの距離に対応する。なお、縦軸でＺ＝０は焦点Ｆに対応する。入射光線Ｌの反射位置が相対的に光軸Ｋに近い場合（Ｉ，ＩＩ）には球面収差も小さいが、反射位置が遠くなるほど球面収差も大きくなる。たとえば、本実施例においてスターリングエンジン２８の受熱部の形状、大きさや位置に基づいて許容される球面収差の範囲がＺ＝０〜Ａの範囲となる場合に、図９において光軸ＫからＸａ以上離れた位置に入射する太陽光線ＩＩＩは上記範囲外となって焦点Ｆから大きくずれた位置ｆ（Ｄ＞Ａ）を通るためスターリングエンジンの加熱に寄与することができない。
【００２７】
＜球面収差の修正＞
このように球面収差の許容範囲ΔＡを定めたときに反射光線が許容範囲の外側の範囲は入射光線の反射位置においてＸ≧Ｘａの領域でありこれを「外側領域」という。この場合に球面鏡Ｍの外側領域の鏡面要素のみを光軸Ｋ方向に平行に太陽に向けて所定距離移動すると、図９の曲線の領域Ｒａは領域Ｒｂに平行移動する。その結果移動した外側領域の鏡面要素で反射された太陽光線は許容された球面収差の範囲に収まるためすべての鏡面要素がスターリングエンジンの加熱に寄与することができる。
【００２８】
したがって球面鏡Ｍの集光度を改善するためには許容される球面収差の範囲を定めそれに応じて外側領域を特定し外側領域に関連する鏡面要素を平行移動すればよい。許容される球面収差の範囲ΔＡ（Ａ１≦Ｚ≦Ａ２）は、受熱領域（受光領域）の分布、すなわち受熱部の形状、大きさ、位置などに基づいて定めることができる。一般に受光面または受熱面は焦点Ｆ近傍の空間に分布し反射光の分布密度も考慮して許容範囲ΔＡを定めることができる。
【００２９】
図９の特性曲線は主として球面鏡Ｍの球面半径に基づいて算出されるので許容範囲ΔＡが定まるとこれに対応する入射光線Ｌの範囲が得られる。図９の例では許容範囲ΔＡは０≦Ｚ≦Ａとしているので境界はＸ＝Ｘａとなりこれより光軸Ｋから離れる範囲が外側領域（Ｘ＞Ｘａ）となる。外側領域に関連する各鏡面要素（反射ミラー）について平行移動によりΔＡの範囲に含まれるように移動距離を設定することができる。図９では曲線Ｒａの領域にある鏡面要素を修正ＣによりＲａ’の位置まで平行移動することにより球面収差を許容範囲ΔＡに収めることができる。通常は球面収差の許容範囲は焦点Ｆの近傍に設定される。
【００３０】
次に、球面鏡Ｍの説明をする。図６にハッチングで示したように、球面鏡Ｍにおける外側領域との境界（Ｘ＝Ｘａ）に対応して設定した仮想円Ｎが通過するか、それよりも外側の反射ミラー２ａが修正Ｃの対象である。複数の反射ミラー２、２ａの個々の反射面により、全体として所定の曲率を有する球面鏡Ｍを形成しているが、図７及び図１０に示すように、光軸Ｋから遠い外側周辺にある反射ミラー２ａが外側領域に含まれるので、これを所定の寸法ｄだけ光軸Ｋの方向へ沿って反射側へ平行移動させる。たとえば受熱領域（受光領域）の位置と分布により許容範囲ΔＡを−Ａ／２≦Ｚ≦Ａ／２とした場合には反射光が実質的に焦点Ｆに向かうように寸法ｄを定めることができる。  
【００３１】
このようにしたのは、完全な球面鏡Ｍのままだと、図８、９に示すように、光軸Ｋ付近の反射ミラー２における焦点距離よりも、外側領域の反射ミラー２ａの焦点距離の方が短くなり、光軸Ｋ上における両者の焦点Ｆ、ｆ間に収差（偏差）Ｄが生じて集光性能が低下するからである。そのため、その収差Ｄを緩和するために、外側領域に関連する反射ミラー２ａを光軸Ｋの方向に沿って前記寸法ｄだけ平行移動させたものである。平行移動の距離ｄは許容される球面収差の範囲ΔＡに基づいて適宜設定される。
【００３２】
これにより、外側領域の反射ミラー２ａからの反射光Ｒ′は内側の反射ミラー２からの反射光Ｒとともに焦点Ｆの近傍を通過するため全ての反射ミラーからの反射光によってスターリングエンジンを加熱することができる。従って、全体として球面鏡Ｍでありながら、反射光Ｒ、Ｒ′を焦点Ｆの近傍に集光させることができ、集光性能が改善される。そのため、スターリングエンジン２８の受熱部をムラなく加熱することができ、スターリングエンジン２８の発電性能を最大限発揮させることができる。
【００３３】
また、個々の反射ミラー２、２ａが球面鏡Ｍの一部を形成する球面であるため、反射ミラー２、２ａの製造が容易であると共に、全体としては基本的に１つの球面鏡Ｍを構成するため、球面度の検査調整も容易である。さらにすべての反射ミラーを反射光が特定の一点に向くように修正するのではなく、特定の反射ミラー２ａのみを平行移動する修正Ｃにより集光度を大幅に改善することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では太陽光利用装置の一例としてスターリングエンジンが支持パネル３に位置固定されている実施例を示したがこれに限定されない。太陽光利用装置には反射鏡等の光学要素も含まれる。この場合は反射鏡自体が受光部となる。
【００３５】
（第２実施形態）
図１１及び図１２は、本発明の第２実施例を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
【００３６】
本実施形態においても図９で示す外側領域に含まれる鏡面要素についてのみ球面収差を改善する。球面収差の許容範囲ΔＡおよび外側領域を定める方法は第１実施形態と同じである。本実施形態では、球面鏡Ｍの外側領域の鏡面要素を反射光Ｌが光軸Ｋ上において許容範囲ΔＡを通過するように傾斜を変更する。その結果傾斜を修正した外側領域の鏡面要素で反射された太陽光線についての球面収差が許容された範囲に収まるためスターリングエンジンの加熱に寄与することができる。
【００３７】
したがって球面鏡Ｍの集光度を改善するためには許容される球面収差の範囲を定めそれに応じて外側領域を設定し外側領域に関連する鏡面要素をの傾斜を修正すればよい。各修正傾斜角は主として光線Ｌの球面鏡Ｍにおける反射位置と許容範囲ΔＡにより定めることができる。外側領域に関連する各鏡面要素（反射ミラー）について反射光Ｒ’がΔＡの範囲に含まれるように修正すべき傾斜角度を設定することができる。このような修正により図９において曲線のＲａの領域が修正Ｃにより許容範囲ΔＡに含まれるＲａ’の領域に変形移動する。
【００３８】
より具体的には、光軸Ｋから遠い外側領域にある反射ミラー２ａを、所定の角度θだけ外向き方向に回転させた。このようにすることにより、外側の反射ミラー２ａからの反射光Ｒ′も、内側の反射ミラー２からの反射光Ｒと同じ焦点Ｆの近傍を通過することとなる。従って、全体として球面鏡Ｍでありながら、反射光Ｒ、Ｒ′を球面収差の許容範囲内すなわち焦点Ｆの近傍に集光させることができ、集光性能が改善される。換言すればすべての反射ミラーを反射光が特定の一点に向くように修正するのではなく、特定の反射ミラー２ａのみの傾斜を変更する修正Ｃにより集光度を大幅に改善することができる。
【００３９】
尚、以上の各実施形態では、外側の反射ミラー２ａを平行移動させたり或いは回転させたりする量を、図面から明確に理解できるように大きく示したが、実際には目で分からないほど僅かなものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽追尾集光装置を示す全体斜視図。
【図２】太陽追尾集光装置を示す分解斜視図。
【図３】太陽追尾集光装置を示す側面図。
【図４】ミラー構成体が傾動した状態を示す太陽追尾集光装置の側面図。
【図５】アーム部の内部構造を示す断面図。
【図６】球面鏡を示す正面図。
【図７】外側周辺の反射ミラーを平行移動させた状態を示す側面図。
【図８】外側周辺の反射ミラーを平行移動させない球面鏡における反射光の光路図。
【図９】入射光線と球面収差の関係を表す特性曲線。
【図１０】外側周辺の反射ミラーを平行移動させた球面鏡による反射光の光路図。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る外側周辺の反射ミラーを回転させた状態を示す側面図。
【図１２】外側周辺の反射ミラーを回転させた球面鏡による反射光の光路図。
【符号の説明】
【００４１】
１  太陽追尾集光装置
２  反射ミラー
２ａ  反射ミラー（外側周辺）
Ｍ  球面鏡
Ｋ  光軸
Ｈ  方位方向
Ｖ  高度方向
Ｇ  地面
Ｌ  太陽光線
Ｓ  太陽
Ｆ  焦点
ｆ  焦点（短）
Ａ  許容収差
ｄ  平行移動量
Ｄ  収差
θ  回転量
Ｎ  仮想円（内接円）
Ｒ  反射光
Ｒ′  反射光（外側周辺）
【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】
2009139761.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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