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図面 (14)

目的

大量の太陽光線受光集光し小面積光ダクト等で所定の場所へ伝送するための太陽光集光装置を提供することを目的とする。

構成

焦点および中心線共有して配置した球面反射鏡1、双曲面反射鏡2と平面反射鏡3で構成する。

概要

背景

従来、太陽光集光して伝送する方法としては、凸レンズもしくはフレネルレンズを使用する方式と平面鏡を使用する方式がある。

凸レンズもしくはフレネルレンズを使用する方式は図1に示すように太陽追従機構具備した単体もしくは複数のレンズで太陽光を集光し、焦点付近に配置した光ファイバーで伝送する方式が一般的である。しかしながら、この方式では、光ファイバーは伝送損失も少なく屈曲性に優れ自在に所定の場所に太陽光を伝送出来る利点はあるが断面積が小さいため大量の光線を伝送出来ない、光ファイバーの価格も高く単位集光面積あたりの価格も割高となる、色収差等のため凸レンズ、フレネルレンズの口径の大きさに制約がある等の欠点があった。

平面鏡を使用する方式は、図2に示すように、太陽追尾機構を具備した単体もしくは複数の平面鏡を使って垂直下方へ反射させ、この反射光を光グクトで受けて伝送する方式が一般的である。しかしながら、この方式では、単に、光の方向を屈折するだけで集光されていないため、光ダクトで伝送するには受光面積と同じ面積を必要とする、また、光ダクト内での反射損失のため遠くへの伝送は困難である等の欠点があった。

概要

大量の太陽光線受光、集光し小面積の光ダクト等で所定の場所へ伝送するための太陽光集光装置を提供することを目的とする。

焦点および中心線共有して配置した球面反射鏡1、双曲面反射鏡2と平面反射鏡3で構成する。

目的

本発明は、上記の欠点を除くためになされたもので、大量の太陽光線を受光、集光し小断面積の光ダクト等で所定の場所へ伝送するための太陽光集光装置を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

背面側の中心線上の1点で交差する水平、垂直回転軸を有し、中心部に双曲面反射鏡光線通過孔(38)を設けた球面反射鏡(1)と、球面反射鏡(1)と中心線を共有して、焦点を球面反射鏡(1)と同一点または近傍に、反射鏡面を球面反射鏡(1)の反射鏡面と対向して設けた双曲面反射鏡(2)と、球面反射鏡(1)と水平、垂直回転軸を共有し水平方向の回転は球面反射鏡(1)と同じ回転をし垂直方向回転は球面反射鏡(1)の中心線が水平なときは水平面と45°の角度をなし球面反射鏡(1)の垂直回転角度の増減に従い45°にその増減分の1/2を増減した角度に回転する機構を備え、その反射鏡面を双曲面反射鏡(2)の反射鏡面に向けて配置された平面反射鏡(3)を装置することを特徴とする太陽光集光装置

技術分野

0001

この発明は太陽光集光して伝送する太陽光集光装置に関する。

背景技術

0002

従来、太陽光を集光して伝送する方法としては、凸レンズもしくはフレネルレンズを使用する方式と平面鏡を使用する方式がある。

0003

凸レンズもしくはフレネルレンズを使用する方式は図1に示すように太陽追従機構具備した単体もしくは複数のレンズで太陽光を集光し、焦点付近に配置した光ファイバーで伝送する方式が一般的である。しかしながら、この方式では、光ファイバーは伝送損失も少なく屈曲性に優れ自在に所定の場所に太陽光を伝送出来る利点はあるが断面積が小さいため大量の光線を伝送出来ない、光ファイバーの価格も高く単位集光面積あたりの価格も割高となる、色収差等のため凸レンズ、フレネルレンズの口径の大きさに制約がある等の欠点があった。

0004

平面鏡を使用する方式は、図2に示すように、太陽追尾機構を具備した単体もしくは複数の平面鏡を使って垂直下方へ反射させ、この反射光を光グクトで受けて伝送する方式が一般的である。しかしながら、この方式では、単に、光の方向を屈折するだけで集光されていないため、光ダクトで伝送するには受光面積と同じ面積を必要とする、また、光ダクト内での反射損失のため遠くへの伝送は困難である等の欠点があった。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記の欠点を除くためになされたもので、大量の太陽光線受光、集光し小断面積の光ダクト等で所定の場所へ伝送するための太陽光集光装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0006

背面側の中心線上の1点で交差する水平、垂直回転軸を有し、中心部に双曲面反射鏡光線通過孔38を設けた球面反射鏡1と、球面反射鏡1と中心線を共有して、焦点を球面反射鏡1と同一点または近傍に、反射鏡面を球面反射鏡1の反射鏡面と対向して設けた双曲面反射鏡2と、球面反射鏡1と水平、垂直回転軸を共有し水平方向の回転は球面反射鏡1と同じ回転をし垂直方向回転は球面反射鏡1の中心線が水平なときは水平面と45°の角度をなし球面反射鏡1の垂直回転角度の増減に従い45°にその増減分の1/2を増減した角度に回転する機構を備え、その反射鏡面を双曲面反射鏡2の反射鏡面に向けて配置された平面反射鏡3を装置することを特徴とする太陽光集光装置。背面側の中心線上の1点で交差する水平、垂直回転軸を有し、中心部に双曲面反射鏡光線通過孔38を設けた球面反射鏡1と、球面反射鏡1の中心線及び焦点を共有してその反射鏡面を球面反射鏡1の反射鏡面と対向して設けられた双曲面反射鏡2と、球面反射鏡1と水平、垂直回転軸を共有し水平方向の回転は球面反射鏡1と同じ回転をし垂直方向回転は球面反射鏡1の中心線が水平なときは水平面と45°の角度をなし球面反射鏡1の垂直回転角度の増減に従い45°にその増減分の1/2を増減した角度に回転する機構を備え、その反射鏡面を双曲面反射鏡2の反射鏡面に向けて配置された平面反射鏡3を装置することを特徴とする太陽光集光装置である。

0007

以下、図3図4を参照しつつ説明する。図3は課題を解決するための手段を示す斜視図で、本発明の球面反射鏡1が、その中心線(以下、光軸略称)が水平なときの要約斜視図である。図4は課題を解決するための手段を示す斜視図で、球面反射鏡1が上向きに垂直回転して光軸が水平線(X軸)とΘの角度をなしている時の要約斜視図である。

0008

図3図4において説明の都合上、球面反射鏡1の背面側の中心線上の1点を原点として互いに直交するX、Y、Z軸を設定する、なを、X軸は球面反射鏡1が垂直な状態のとき、即ち、光軸が水平な時この水平線と一致するように設定する。

0009

球面反射鏡1を装置して、Z軸を回転軸とする垂直回転及びY軸を回転軸とする水平回転によって太陽の直達光線が球面反射鏡1の反射鏡面に光軸に沿って平行に入射するように太陽位置の検出、演算制御駆動を行う。

0010

双曲面反射鏡2を、球面反射鏡1の焦点Fと光軸を共有する位置にその反射鏡面を原点Oの方に向けて配置する。

0011

平面反射鏡3を反射鏡面を双曲面反射鏡2の反射鏡面と対向させ中心を原点Oに一致させてY軸を回転軸とする水平回転とZ軸を回転軸とする垂直回転を行えるように装置する。水平回転は球面反射鏡1と同じ方向に同じ角度だけ回転する、垂直回転は光軸とX軸との角度が0度の時45度の角度をなしているが球面反射鏡1の中心線とX軸との角度の増減に従い増減角度の1/2ずつを45度から増減するような角度に駆動する機構を設ける。このように装置すれば、光軸とX軸との角度がΘの時、平面反射鏡3は45度+Θ/2の角度をなす。

0012

ここで、球面反射鏡1は凹面部を光学的に反射率の高いアルミ蒸着銀メッキあるいは超高性能反射フイルムを等を張り付けあるいは凹面部を反射率の高いアルミバネル等構成し中心部に双曲面反射鏡3の投影面積とほぼ同程度の開口部を設けたものをいうが特に形状にはこだはらない凹面側正面から受けた平行光線を焦点に向けて反射するような球面反射鏡あるいは放物面反射鏡等でも良い。

0013

本発明の作用について、図5を参照しつつ説明する。図5は本発明の作用を示す断面図で、前述の手段を講じたもので、太陽高度がΘの時の状態を示す。光軸を太陽に向けると、太陽光線は光軸に平行に入射し、球面反射鏡1の反射鏡面はその焦点に向けて反射する。焦点、光軸を共有して配置されている双曲面反射鏡2は球面反射鏡1からの反射光を受けて平行光線もしくは平行光線に近い状態で光軸に沿って双曲面反射鏡光線通過孔38を通過して平面反射鏡3に向かって反射する。

0014

平面反射鏡3は水平面(X軸)と45度+Θ/2の角度をなしているため、双曲面反射鏡2の反射光は、平面反射鏡3の反射鏡面を基準にして入射角45度−Θ/2で受けてこれを45度−Θ/2の反射角度で反射する、この反射角はX軸上では270度となり、平面反射鏡3の反射光は平行もしくは平行光線に近い状態で垂直下方に反射する。

0015

以上の如く、太陽の位置に関わり無く集光し平行光線、もしくは、近似平行光線として垂直下方に放射することが可能である。

0016

実施例1
本発明の実施例1を図6、7図および図8を参照しつつ説明する。図6は本発明の要部斜視図である図7センサー30の要部斜視図である。図8制御装置制御回路図である図9は制御のフローチャートである。本発明の集光装置は太陽光線を受光して集束された平行光線として放出する光学系と装置を太陽に追従させる制御系に大別できる。まず、光学系について図6を参照しつつ説明する。

0017

外周側面に丸ベルト7で回転させるための半円溝を有し中心部に平面鏡反射光線通過孔5を設けたターンテーブル4を装置する。水平回転用モーター6を装置してターンテーブル4と丸ベルト7を介して動力的に連結する。

0018

支柱8、支柱9、支柱10、支柱11をターンテーブル4の直経線上に1列に並べて配置する。シャフト12をその中心線がターンテーブル4の直経線とが平行、かつ、垂直上方にくるように支柱8、支柱9を貫通して固定する。シャフト13をその中心線がターンテーブル4の直経線とが平行に、かつ、シャフト12の中心線の延長線と一致するように貫通させて支柱10、支柱11に固定する。

0019

回転の中心がシャフト12の中心線と一致するように製作した球面反射鏡駆動ローラ14をシャフト12にはめ込む

0020

球面反射鏡1を球面反射鏡支持アーム15および球面反射鏡支持アーム16を介して、光軸がシャフト13,シャフト14の中心線の延長線と交差するように、それぞれ、球面反射鏡駆動ローラ14およびシャフト13に装着する。

0021

垂直回転駆動モーター17をターンテーブル4の上に装置して丸ベルト18を介して球面反射鏡駆動ローラ14と動力的に連結する。

0022

双曲面反射鏡2を球面反射鏡1の光軸と焦点を共有する位置に反射鏡面を球面反射鏡1の反射鏡面に向けて双曲面反射鏡支持金具27、双曲面反射鏡支持金具28および双曲面反射鏡支持金具29を介して球面反射鏡1に装着する。

0023

回転の中心がシャフト12の中心線と一致するように製作した平面反射鏡駆動ローラ19をシャフト12にはめ込み球面反射鏡駆動ローラ14に固定する。

0024

片方の側面に平面反射鏡駆動ローラ19の2倍の直経を有する平面反射鏡ローラ25を、他方の側面に平面反射鏡ベアリング26を取り付けて回転中心がシャフト12、シャフト13の中心線と一致するように製作された平面反射鏡3をシャフト12,シャフト13にはめ込む。

0025

平面反射鏡駆動ローラ19と平面反射鏡ローラ25を丸ベルト24でローラーガイド20、ローラーガイド21、ローラーガイド22およびローラーガイド23を介して動力的に連結する。

0026

次に、太陽位置検出、演算、制御駆動機構について説明する。初めに、太陽位置の検出を行う太陽位置検出センサー30の構造について図7を参照しつつ説明する。図7は太陽位置を検出するための太陽位置検出センサー30の要部斜視図である。

0027

太陽位置検出センサー30は太陽位置検出センサー台板30−1の垂直中心線および水平中心線対称線として太陽電池30−2、太陽電池30−3および太陽電池30ー4がそれぞれ対称に配置し、垂直中心線、水平中心線上に十字形の断面の光を反射しない材質で製作した遮蔽板30−5を装着したものである。

0028

以上のような構成で出来ている太陽位置検出センサー30を、球面反射鏡1の外周付近に中心線を光軸と平行になるようにセンサー取付け金具31を介して装着する。

0029

次に、演算、制御、駆動機構について図8を参照しつつ説明する。図8は演算、制御、駆動機構の制御回路図である。太陽電池30−2、太陽電池30−3および太陽電池30−4の出力端子可変抵抗35,可変抵抗36および可変抵抗37を経てプログラムコントローラ32に装着したAD変換ユニット32−1の各入力端子AD1、AD2およびAD3に接続する。ここに、可変抵抗35、可変抵抗36および可変抵抗37は同一太陽光照射量に対する太陽電池の発生電圧のばらつきを調整するためのものである。直流電源33をプログラムコントローラ32の電源端子に接続する。

0030

リレー出力ユニット32−2をプログラムコントローラ32に装着しその出力端子OR1、OR2、OR3、OR4、OR5、OR6、OR7およびOR8と直流電源33、電源スイッチ34を経て水平回転用モータ6、垂直回転用モータとを接続する。

0031

実施例1の作動について図9を参照しつつ説明する。図9プログラマブルコントローラ32のプログラム領域に書き込んだ本実施例を駆動するためのプログラムのフローチャートである。制御の基本的な考え方は太陽位置が光軸上にある時は、太陽位置検出センサー30を構成している太陽電池30−2、太陽電池30−3および太陽電池30−4の受光面は遮蔽板30−5の陰影を等しく受けて、発生電圧は同じであるが、太陽位置が光軸からそれた時は、遮蔽板30−5から受ける陰影に差異が生じて発生電圧に差異を生ずる。これらの差異によって太陽位置と光軸とのずれの水平方向成分垂直方向成分を測定し、太陽位置と光軸とのずれを許容誤差内で一致させるように水平回転用モーター6および垂直回転用モーター17を駆動するもので以下、各ステップ順を追って説明する。なを、フローチャートの説明に際して左右、上下の語を使うがこれらは光軸土の双曲面反射鏡2側から見た時の位置関係で使用する。

0032

ステップ1(S1):SWがオンされるとプログラムコントローラ32に電源がはいりプログラムの実行を開始する。

0033

ステップ1(S2):太陽電池30−2太陽電池30−3太陽電池30−4の発生電圧を取込みAD変換ユニット32−1でAD変換しメモリーに記憶する。

0034

ステップ3(S3):V1とV2およびV2とV3の電圧差を演算しそれぞれの値を変数A1、A2に代入する。

0035

ステップ4(S4):太陽位置と光軸との水平方向成分のずれを調べる。
A1>K1:この時、太陽位置は光軸より左側にありステップ5(S5)へ進む。
A1<−K1:この時、太陽位置は光軸より右側にありステップ6(S6)へ進む。
K1≧A1≧−K1:この時、太陽位置と光軸のずれは許容範囲内にありステップ7(S7)へ進む。
ここに、K1はオフセット値雑音微少な変動による誤動作を防止するための定数値で実際の作動によって経験的に求めて設定する。

0036

ステップ5(S5):出力リレーOR5,OR6を接とする出力命令をだし水平回転用モーター6を回転させ球面反射鏡1を左方向に回転させる。

0037

ステップ6(S6):出力リレーOR7,OR8を接とする出力命令をだし水平回転用モーター6を回転をさせ球面反射鏡1を右方向に回転させる。

0038

ステップ7(S7):出力リレーOR5,OR6、OR7,OR8を断とする出力命令をだし、球面反射鏡1の水平回転を停止する。

0039

ステップ8(S8):太陽位置と光軸との垂直方向成分のずれを調べる。A2>K2:この時、太陽位置は光軸より上側にありステップ9(S9)へ進む。
A2<−K2:この時、太陽位置は光軸より下側にありステップ10(S10)へ進む。
K2≧A1≧−K2:この時、太陽位置と光軸とのずれは許容範囲内にありステップ11(S11)へ進む。
ここに、K2はオフセット値で雑音、微少な変動による誤動作を防止するための定数値で実際の作動によって経験的に求めて設定する。

0040

ステップ9(S9):出力リレーOR1,出力リレーOR2を接とする出力命令をだし垂直回転用モーター17を回転させ球面反射鏡1を上方向に回転させる。

0041

ステップ10(S10):出力リレーOR3,出力リレーOR4を接とする出力命令をだし垂直回転用モーター17を回転させ球面反射鏡1を下方向に回転させる。

0042

ステップ7(S11);出力リレーOR1、出力リレーOR2、出力リレーOR3および出力リレーOR4を断とする出力命令を出し、球面反射鏡1の垂直回転を停止する。

0043

ステツプ1(S1)へ戻りSWが断の時は作動を停止し接の状態の時はステップ2(S2)へ進む。以上の如くして、太陽位置と光軸とのずれが許容範囲内にあるように制御駆動する。

発明の効果

0044

下図10、図11図12および図13を参照しつつ説明する。図10は本発明に係わる太陽集光装置を使用して光ダクトへ集光した光線を光ダクト43内へ放射する要約断面図である。図のように、光ダクトへ放射する時、ダクトの屈折部での反射に伴う損失は発生するが光ダクト43内部の直線部での反射が少ないため効率的な光の伝送が可能である。

0045

図11は本発明に係わる太陽集光装置を使用して光ファイバーケーブルに放射する要約断面図である。図のように、熱線吸収器を配置することによって熱線部分を除去した光線を光ファイバーに放射することによって光ファイバーでの伝送が可能となる、なを、この場合、光ファイバーの端末受光部が太陽の位置にかかわらず固定するため折損等の損傷が少なくなり耐久性を増す利点がある。

0046

図12はは本発明に係わる太陽集光装置を使用して、双曲面反射鏡2の焦点を球面反射鏡1の焦点位置からずらして拡散反射させる要約断面図である。図のように、受光した太陽光を拡散放射させることによって、たとえば、建物の屋上に本発明の太陽集光装置を設置して天窓とし、あるいは、建築物外壁等の太陽光線による劣化加速試験等に利用できる。

0047

図13は本発明に係わる太陽集光装置を使用して、双曲面反射鏡2の焦点を球面反射鏡1の焦点位置からずらして集束反射させる要約断面図である。図のように集光光線の集束部にるつぼ44を配置することによって太陽炉として利用できる。この場合、光線方向が垂直上部であり固定しているため溶融物の取扱い易さや各種雰囲気のもとでの研究などに適している。

図面の簡単な説明

0048

図1従来の方式を示す説明図である。
図2従来の方式を示す説明図である。
図3課題を解決するための手段を示す斜視図である。
図4課題を解決するための手段を示す斜視図である。
図5作用を示す断面図である。
図6実施例1を示す要約斜視図である。
図7実施例1の太陽位置検出センサーの斜視図である。
図8実施例1の制御機構の制御回路図である。
図9実施例1の制御機構のフローチャート図である。
図10発明の効果を示す要約断面図である。
図11発明の効果を示す要約断面図である。
図12発明の効果を示す要約断面図である。
図13発明の効果を示す要約断面図である。

--

0049

1・・・球面反射鏡
2・・・双曲面反射鏡
3・・・平面反射鏡
4・・・ターンテーブル
5・・・ 平面反射鏡光線通過孔
6・・・水平回転用モータ
7・・・丸ベルト
8・・・支柱
9・・・ 支柱
10・・・ 支柱
11・・・ 支柱
12・・・シャフト
13・・・ シャフト
14・・・ 球面反射鏡駆動ローラー
15・・・ 球面反射鏡支持アーム
16・・・ 球面反射支持アーム
17・・・垂直回転用モーター
18・・・ 丸ベルト
19・・・ 平面反射鏡駆動ローラー
20・・・ローラーガイド
21・・・ ローラーガイド
22・・・ ローラーガイド
23・・・ ローラーガイド
24・・・ 丸ベルト
25・・・ 平面反射鏡ローラー
26・・・ 平面反射鏡ベアリング
27・・・ 双曲面反射鏡支持金具
28・・・ 双曲面反射鏡支持金具
29・・・ 双曲面反射鏡支持金具
30・・・太陽位置検出センサー
30−1・ 太陽位置検出センサー台盤
30−2・太陽電池
30−3・ 太陽電池
30−4・ 太陽電池
30−5・遮蔽板
31・・・センサー取付け金具
32・・・プログラムコントローラ
32−1・AD変換ユニット
32−2・出力ユニット
33・・・直流電源
34・・・電源スイッチ
35・・・可変抵抗
36・・・ 可変抵抗
37・・・ 可変抵抗
38・・・ 双曲面反射鏡光線通過孔
40・・・フレネルレンズまたは凸レンズ
41・・・光ファイバー
42・・・平面鏡
43・・・光ダクト
44・・・るつぼ
45・・・熱線吸収装置

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