JP2014052102A - Light condensing device and heat collection facility including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光を集光して目的の集光位置に向かわせる集光装置、及びこれを備えている集熱設備に関する。 The present invention relates to a condensing device that condenses sunlight and directs it toward a target condensing position, and a heat collecting facility including the condensing device.
近年、環境にやさしいクリーンなエネルギーとして、太陽光を所定の位置に集光して得られる熱エネルギーを利用した設備が盛んに開発されている。 In recent years, facilities using thermal energy obtained by concentrating sunlight at a predetermined position as environmentally friendly clean energy have been actively developed.
太陽光を所定の位置に集光させる集光装置としては、例えば、以下の特許文献1に記載の装置がある。
As a condensing device that condenses sunlight at a predetermined position, for example, there is a device described in
この集光装置は、太陽光を反射して集光させる鏡構造体と、この鏡構造体を互いの向きが異なる二つの回転軸回りに回動させる駆動装置と、この駆動装置を支える台と、を備えている。この台は、鉛直方向に延びる支柱と、この支柱から鉛直方向に延びた後、一つの回転軸に沿った方向に延びる軸支持部とを有している。 The light collecting device includes a mirror structure that reflects and collects sunlight, a drive device that rotates the mirror structure around two rotation axes that are different from each other, and a base that supports the drive device. It is equipped with. The platform includes a support column extending in the vertical direction, and a shaft support portion extending in the vertical direction from the support column and extending in a direction along one rotation axis.
集光装置の鏡構造体等を支える台は、鏡構造体等の重量や、鏡構造体から受けるモーメント、さらに鏡構造体が受ける風荷重等が考慮されて設計される。しかしながら、この台は、これらが考慮されつつも、設置時の労力軽減等のため、できる限り小型且つ軽量であること、さらに、台の基礎も小型及び軽量であることが望まれている。 The stand that supports the mirror structure and the like of the condensing device is designed in consideration of the weight of the mirror structure, the moment received from the mirror structure, the wind load received by the mirror structure, and the like. However, it is desired that this stand be as small and light as possible in order to reduce labor during installation, and that the base of the stand is also small and light in weight.
そこで、本発明は、鏡構造体等を支える台やその基礎の小型軽量化を図ることができる集光装置、及びこれを備えている集熱設備を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the collector which can aim at the size and weight reduction of the stand | base which supports a mirror structure etc., and its foundation, and the heat collecting equipment provided with this.
上記目的を達成するための発明に係る一態様としての集光装置は、
太陽光を集光して目的の集光位置に向かわせる集光装置において、
太陽光を反射して集光させる鏡構造体と、前記鏡構造体の向きを変えて、該鏡構造体で反射された太陽光を前記集光位置に向かわせる駆動装置と、前記駆動装置を支える支持台と、を備え、
前記駆動装置は、第一回転軸線を中心として回転可能に前記支持台に支持されている第一回転軸と、該第一回転軸を回転させる第一駆動部と、前記鏡構造体が固定され、該第一回転軸線に直交する第二回転軸線を中心として回転可能に該第一回転軸に取り付けられている第二回転軸と、該第二回転軸を回転させる第二駆動部と、を有し、
前記支持台は、支柱軸を中心として該支柱軸が延びる方向に長く、一方の端部が基礎に固定されている支柱と、該支柱の他方の端部に固定され、水平面に対する角度変化可能に前記第一回転軸を支持する支持アームと、を有し、前記支持アームは、前記第一回転軸を角度変化可能に受ける回転軸受け部を有し、該回転軸受け部は、前記第一回転軸中であって、前記鏡構造体の重心とは異なる部分で且つ前記支柱軸の延長線上の部分を受け、
前記支柱の前記一方の端部における断面の鉛直上方に前記鏡構造体の重心が位置するよう、該支柱の前記支柱軸は、水平面に対して傾斜していることを特徴とする。
The light collecting device as one aspect according to the invention for achieving the above object is as follows:
In a condensing device that collects sunlight and directs it to the target condensing position,
A mirror structure that reflects and collects sunlight; a drive device that changes the direction of the mirror structure to direct sunlight reflected by the mirror structure toward the light collection position; and the drive device. And a support base that supports
The drive device includes a first rotation shaft supported by the support base so as to be rotatable about a first rotation axis, a first drive unit that rotates the first rotation shaft, and the mirror structure. A second rotation shaft attached to the first rotation shaft so as to be rotatable about a second rotation axis perpendicular to the first rotation axis, and a second drive unit that rotates the second rotation shaft. Have
The support base is long in the direction in which the support shaft extends around the support shaft, and is fixed to the support with one end fixed to the foundation and the other end of the support so that the angle with respect to the horizontal plane can be changed. A support arm that supports the first rotary shaft, and the support arm includes a rotary bearing portion that receives the first rotary shaft so that the angle of the rotary shaft can be changed, and the rotary bearing portion includes the first rotary shaft. A portion different from the center of gravity of the mirror structure and a portion on the extension line of the support shaft;
The column axis of the column is inclined with respect to a horizontal plane so that the center of gravity of the mirror structure is positioned vertically above the cross section at the one end of the column.
当該集光装置では、支柱の基礎側端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体の重心が位置するため、この支柱の基礎側端には、鏡構造体の重量により生じる転倒モーメントは作用しない。したがって、当該集光装置では、支柱の断面二次モーメントを小さくでき、支柱の小型軽量化を図ることができると共に、基礎の小型軽量化を図ることができる。 In the condensing device, since the center of gravity of the mirror structure is positioned vertically above the horizontal cross section at the base end of the support column, a tipping moment caused by the weight of the mirror structure does not act on the base end of the support column. Therefore, in the said condensing device, the cross-sectional secondary moment of a support | pillar can be made small, while being able to achieve size reduction and weight reduction of a support | pillar, it can achieve size reduction and weight reduction of a foundation.
さらに、当該集光装置では、支持アームの回転軸受け部は、第一回転軸中であって、支柱軸の延長線上の部分を受けるので、支持アームの構造を単純化できる。 Further, in the light collecting device, the rotation bearing portion of the support arm is in the first rotation axis and receives the portion on the extension line of the support shaft, so that the structure of the support arm can be simplified.
よって、当該集光装置では、支持台の小型軽量化及び基礎の小型軽量化を図ることができる。 Therefore, in the said condensing device, size reduction and weight reduction of a support stand and size reduction of a foundation can be achieved.
ここで、前記集光装置において、前記支柱は、前記一方の端部から他方の端部に向かうに連れて次第に外径が小さくなる截頭円錐形状であってもよい。 Here, in the light collecting device, the support column may have a frustoconical shape whose outer diameter gradually decreases from the one end portion toward the other end portion.
当該集光装置では、支柱の支持軸を水平面に対して傾斜させているため、この支柱自体の重量による転倒モーメントが発生する。しかしながら、当該集光装置の支柱は、基礎側の端部から他端部に向かうにつれて次第に外径が小さくなる截頭円錐形状であるため、支柱の重心位置を円筒状の支柱よりも低くすることができる。このため、当該集光装置では、支柱自体の重量による転倒モーメントが発生するものの、この転倒モーメントを小さくすることができる。 In the light collecting device, since the support shaft of the support column is inclined with respect to the horizontal plane, a falling moment is generated due to the weight of the support column itself. However, the column of the concentrator has a frustoconical shape that gradually decreases in outer diameter from the end on the foundation side toward the other end, so that the position of the center of gravity of the column is lower than that of the cylindrical column. Can do. For this reason, in the said condensing device, although the fall moment by the weight of support | pillar itself generate | occur | produces, this fall moment can be made small.
また、当該集光装置では、以上のような形状の支柱を採用することで、鏡構造体や駆動装置の動作に伴う、これらと支柱との干渉を緩和することができる。 Moreover, in the said condensing apparatus, by employ | adopting the support | pillar of the above shapes, the interference with these and a support | pillar accompanying operation | movement of a mirror structure or a drive device can be relieve | moderated.
また、上記目的を達成するための発明に係る一態様としての集熱設備は、
前記集光装置と、前記集光装置で集光された太陽光により媒体を加熱する受熱器と、を備えていることを特徴とする。
Moreover, the heat collection equipment as one aspect according to the invention for achieving the above-described object is:
It has the said condensing device and the heat receiver which heats a medium with the sunlight condensed with the said condensing device, It is characterized by the above-mentioned.
本発明では、支持台の小型軽量化及び基礎の小型軽量化を図ることができる。 In the present invention, it is possible to reduce the size and weight of the support base and the size and weight of the foundation.
以下、本発明に係る集光装置を備えている集熱設備の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a heat collection facility including a light collecting device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態の集熱設備1は、図1に示すように、太陽光が照射される受熱器10と、この受熱器10が上部に固定されるタワー施設20と、鏡で太陽光を反射して受熱器10に太陽光を照射する集光装置としての複数のヘリオスタット30と、複数のヘリオスタット30を制御する制御装置2と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
受熱器10は、太陽光が照射される受熱部11と、この受熱部11を覆うケーシング12とを有している。受熱部11内には、水や空気等の作動流体が供給され、この作動流体が太陽光からの熱で加熱される。作動流体が空気の場合、集熱設備1は、さらに、加熱された空気で駆動するガスタービンと、このガスタービンの駆動で発電する発電機とを備えていることで、太陽熱発電設備を構成することができる。また、作動流体が水の場合、集熱設備は、さらに水の加熱で生成された蒸気で駆動する蒸気タービンと、この蒸気タービンで駆動する発電機とを備えることでも、太陽熱発電設備を構成することができる。なお、この例は、受熱器10からの熱エネルギーを電気エネルギー発生に利用しているが、この熱エネルギーを蒸気発生のために利用してもよい。
The
このヘリオスタット30は、タワー施設20を中心として、リング状の領域内に複数点在している。言い換えると、ヘリオスタット30は、タワー施設20を中心として、周方向に360°複数配置されていると共に、タワー施設20を基準として遠近方向にも複数配置されている。なお、ここでは、タワー施設20を中心として、リング状の領域内に複数のヘリオスタット30を配置しているが、タワー施設20を要とする扇状の領域又は矩形領域内に複数のヘリオスタット30を配置してもよい。
A plurality of
ヘリオスタット30は、図2〜図4に示すように、太陽光を反射する鏡32を有する鏡構造体31と、この鏡構造体31の鏡32を目的の方向に向ける駆動装置40と、これらを支える支持台80と、を備えている。なお、駆動装置40は、後ほど詳細に説明するように、互いに直交する第一回転軸線A1と第二回転軸線A2とのそれぞれを中心として、鏡構造体31を回動させる装置である。
2 to 4, the
鏡構造体31は、2枚の鏡32と、各鏡32の背面に接着される背面補強板33と、背面補強板33の背面を支持する支持フレーム35と、を有している。
The
2枚の鏡32は、図4に示すように、同一サイズで且つ同一の長方形板状を成している。本実施形態の鏡構造体31では、2枚の鏡32の反射面が1つの回転対称面、具体的には回転放物面を形成している。この回転放物面の頂点は、2枚の鏡32の中間地点に位置している。以下、本実施形態では、この回転放物面の頂点を鏡構造体31の主点Q1とし、この主点Q1を通り、反射面に対する法線方向に延びる軸、つまり、回転対称面の回転対称軸をこの鏡構造体31の光軸Aoとする。
As shown in FIG. 4, the two
2枚の鏡32の背面全体には、それぞれ、前述したように、背面補強板33が接着されている。この背面補強板33は、薄い鋼鈑や薄いアルミニウム合金板や樹脂板等で形成され、その板厚方向に凹凸形状を成すよう成形されたものである。この背面補強板33は、凹凸形状のうちの凸部の頂部で接着剤を介して鏡32の背面と接着されている。一方、背面補強板33で、凸部に対して相対的に凹んでいる部分には、支持フレーム35が溶接又は接着で接合されている。
As described above, the
支持フレーム35は、複数の支持梁部材36と、複数の支持梁部材36相互を連結する連結部材37とを有している。支持梁部材36は、その断面形状が溝型又は角パイプ型等を成している。複数の支持梁部材36は、その長手方向が鏡構造体31の光軸Aoから放射方向を向くように、背面補強板33に接合されている。具体的に、本実施形態では、1枚の背面補強板33に対して2本の支持梁部材36が設けられている。各支持梁部材36の一方の端部が光軸Ao側を向き、その他方の端部が背面補強板33の角側、つまり鏡32の角側を向き、2本の支持梁部材36でV字を成すよう、背面補強板33に設けられている。なお、ここでは、1枚の背面補強板33、つまり1枚の鏡32に対して、2本の支持梁部材36を設けているが、強度上の観点から、3本以上設けてもよい。
The
連結部材37は、1枚の背面補強板33の2本の支持梁部材36相互連結する連結梁38と、一方の背面補強板33側の連結梁38と他方の背面補強板33側の連結梁38とを連結する円柱状の軸42と、この軸42が挿通されるT字管54と、一方の端部が連結梁38に固定され、背面補強板33の縁に沿って延びているアーム板39aと、一方の背面補強板33側のアーム板39aの端部と他方の背面補強板33側のアーム板39aの端部とを連結する間隔保持ロッド39bと、を有している。
The connecting
連結梁38相互を連結する軸42の中心軸線は、図2及び図4に示すように、光軸Aoに直交し且つ鏡構造体31の回転放物面の頂点である主点Q1と通っている。また、軸42は、図5に示すように、T字管54の横線に相当する部分54aに入り込み、このT字管54の内部に設けられている軸受け43により、自身の中心軸線回りに回転可能に支持されている。本実施形態では、この軸42が第二回転軸を成し、軸42の中心軸が第二回転軸線A2を成す。よって、以下では、この軸42を第二回転軸42とする。
As shown in FIGS. 2 and 4, the central axis of the
本実施形態では、この第二回転軸線A2と直交する第一回転軸線A1も、第二回転軸線A2と同様、鏡構造体31の放物面の頂点である主点Q1と通っている。すなわち、本実施形態では、第一回転軸線A1と第二回転軸線A2の交点と鏡構造体31の主点Q1とが一致している。また、図3に示すように、本実施形態における鏡構造体31の重心Q2は、鏡構造体31の光軸Ao上であって、鏡構造体31の主点Q1から鏡32を基準にして支持梁部材36側に僅かにズレた位置に存在する。但し、この重心Q2は第一回転軸52と第二回転軸42との交差部内に存在する。
In the present embodiment, the first rotation axis A1 orthogonal to the second rotation axis A2 also passes through the principal point Q1, which is the apex of the paraboloid of the
駆動装置40は、図2及び図3に示すように、各鏡32を第一回転軸線A1回りに回動させる第一駆動部51と、各鏡32を第二回転軸線A2回りに回動させる第二駆動部41と、水平面に対する第一回転軸線A1の角度を変える仰角変更部70と、を有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the driving
第二駆動部41は、第二回転軸線A2を中心軸線とする前述の第二回転軸42と、第二回転軸線A2を中心として第二回転軸42を回転可能に支持する前述の軸受43(図5)と、各鏡32を第二回転軸線A2回りに回動させる第二駆動機構45と、を有している。
The
第一駆動部51は、第二回転軸線A2と直交し且つ主点Q1を通る第一回転軸線A1を中心軸線とする第一回転軸52と、第一回転軸線A1を中心として第一回転軸52を回転可能に支持する二つの軸受け55,56と、各鏡32を第一回転軸線A1回りに回動させる第一駆動機構60と、を有している。
The
第一回転軸52は、図5に示すように、第一回転軸線A1を中心軸線として円柱状の第一回転軸本体53と、鏡構造体31における連結部材37の一部であるT字管54と、有している。T字管54の横線に相当する部分54aには、第二回転軸42が入り込み、このT字管54の内部に設けられている軸受け43により、第二回転軸線A2回りに回転可能に支持されている。また、T字管54の縦線に相当する部分54bには、第一回転軸本体53の一方の端部が例えば嵌入等で接続され、第一回転軸本体53が固定されている。すわなち、T字管54は、第二回転軸42と第一回転軸本体53とを連結する軸連結部材としての役目を担っている。
As shown in FIG. 5, the first
このように、本実施形態では、鏡構造体31の構成要素である連結部材37の軸42及びT字管54は、駆動装置40の構成要素にもなっている。
As described above, in this embodiment, the
第一回転軸本体53の一方側、つまりT字管54から遠い位置は、図2及び図3に示すように、前述の二つの軸受け55,56の一つである後軸受け56で支持されている。また、第一回転軸本体53の他方側、つまりT字管54に近い位置は、二つの軸受け55,56の残り一つである前軸受け55で支持されている。
One side of the first
第一駆動機構60は、例えば、直動アクチュエータを有している。この直動アクチュエータの直動ロッドの動作端は、例えば、第一回転軸52にリンク機構を介して接続される。この直動アクチュエータのロッドカバーは、例えば、後軸受け56にピン接続される。なお、第一駆動機構60は、以上のように直動アクチュエータを駆動源とするものではなく、回転出力軸を有するモータを駆動源とするものであってもよい。この場合、モータケースを後軸受け56に固定し、又は、前軸受け55に内蔵し、このモータの回転出力軸にギヤを設けると共に、このギヤと噛み合うギヤを第一回転軸52に設けることになる。
The
また、第二駆動機構45は、例えば、直動アクチュエータを有している。この直動アクチュエータの直動ロッドの動作端は、例えば、第二回転軸線A2を中心として回転可能な鏡構造体31の背面にピン接続される。この直動アクチュエータのロッドカバーは、例えば、第一回転軸52に取り付けられる。なお、第二駆動機構45も、以上のように直動アクチュエータを駆動源とするものではなく、回転出力軸を有するモータを駆動源とするものであってもよい。この場合、モータケースを第一回転軸52に固定し、このモータの回転出力軸にギヤを設けると共に、このギヤと噛み合うギヤを第二回転軸42に設けることになる。また、モータで第一回転軸52及び第二回転軸42のそれぞれを回転させる場合には、第一回転軸52及び第二回転軸42のそれぞれを回転させる直交二軸一体型モータを設けてもよい。
Further, the
仰角変更部70は、支持台80に対する第一回転軸線A1の角度を変えるターンバックル71を有している。
The elevation
ターンバックル71は、図3に示すように、両端部に雌ネジが形成されている胴体枠72と、この胴体枠72の各端部に捻じ込まれているネジ棒72a,72bと、を有している。このターンバックル71の一方のネジ棒72aの端部は、第一回転軸52を回転可能に支持する後軸受け56にピン接続されている。また、このターンバックル71の他方のネジ棒72bの端部は、支持台80にピン接続されている。
As shown in FIG. 3, the
このターンバックル71の胴体枠72を回転させると、両ネジ棒72a,72bの相互間隔が変わる。両ネジ棒72a,72bの相互間隔が変わると、このターンバックル71に対する後軸受け56のピン接続位置と支持台80のピン接続位置との間隔が変わる。この結果、第一回転軸52は、水平面に対する角度が変わる。
When the
なお、ここでは、第一回転軸52の支持台80に対する角度を変える仰角変更部70にターンバックル71を用いているが、この替わりに、例えば、直動アクチュエータや、回転運動を直線運動に変換するラックアンドピニオン機構とこの機構のピニオンを回転させる回転モータとを有するもの等を用いてもよい。また、構造簡素化を目的に固定板を用いてもよい。
Here, the
支持台80は、図2、図3及び図6に示すように、ヘリオスタット30の設置位置に載置されるベース板81と、ベース板81上に固定されている支柱82と、支柱82の母線に沿って設けられている複数のリブ83と、第一回転軸52を支える軸支持台85と、を有している。
As shown in FIGS. 2, 3 and 6, the
支柱82は、等脚台形をこの等脚台形の中心軸(以下、支柱軸Asとする)回りに回転させて形成される回転体形状、つまり載頭円錐形状を成している。この支柱82は、その支柱軸Asが水平面に対して傾斜するように、ベース板81に固定されている。リブ83は、この支柱82の母線に沿って、支柱82の下端から上端まで設けられている。なお、強度上の問題がなければ、支柱82の下端から上端までの間の一部にのみリブ83を設けてもよいし、このリブ83を省略してもよい。
The
軸支持台85は、互いに間隔をあけて対向する一対のアーム板(支持アーム)86と、一対のアーム板86の端部相互を連結する連結板87と、を有している。軸支持台85の連結板87は、支柱82の上端に固定されている。また、一対のアーム板86の間には、図5に示すように、第一回転軸52を第一回転軸線A1回りに回転可能に支持する前軸受け55が配置されている。この前軸受け55には、第一回転軸線A1に対して垂直で且つ水平方向に延びる仰角変更軸88が設けられている。アーム板86には、水平方向に貫通して、この仰角変更軸88が自身の中心軸回りに回転可能に挿入される軸孔(回転軸受け部)86aが形成されている。よって、第一回転軸52は、アーム板86の軸孔86aに挿通されている仰角変更軸88が自身の中心軸回りに回転することで、水平面に対する角度を変えることができる。
The
軸支持台85の一対のアーム板(支持アーム)86は、支柱軸Asが延びている方向に延びている。また、各アーム板86の軸孔(回転軸受け部)86aは、図3に示すように、アーム板86の正面視のときに、支柱軸Asの延長線上となる位置に設けられている。よって、各アーム板86の軸孔(回転軸受け部)86aは、第一回転軸52中であって、鏡構造体31の重心Q2とは異なる部分で且つ支柱軸Asの延長線上の部分を受けることになる。
The pair of arm plates (support arms) 86 of the
ところで、本実施形態では、図2及び図3を用いて前述したように、第一回転軸線A1と第二回転軸線A2の交点と鏡構造体31の主点Q1とが一致している。このため、本実施形態では、鏡構造体31が第一回転軸線A1回りに回動しても第二回転軸線A2回りに回動しても、鏡構造体31の主点Q1は移動しない。言い換えると、本実施形態では、鏡構造体31の主点Q1が不動点である。
By the way, in this embodiment, as mentioned above using FIG.2 and FIG.3, the intersection of 1st rotation axis A1 and 2nd rotation axis A2 and the main point Q1 of the
このように、本実施形態では、鏡構造体31が第一回転軸線A1回りに回動しても第二回転軸線A2回りに回動しても、鏡構造体31の主点Q1が移動しないため、この鏡構造体31の主点Q1と受熱器10の受熱部11(集熱位置)との相対位置も変化しない。
Thus, in this embodiment, even if the
よって、本実施形態では、そのときの太陽と鏡構造体31の主点Q1と結ぶ仮想線と、鏡構造体31の主点Q1と集光位置とを結ぶ仮想線とが成す角度を二分する方向に鏡構造体31の光軸Aoが向いていれば、鏡構造体31の鏡32で反射した太陽光を受熱器10の受熱部11に正確に照射し続けることができる。
Therefore, in this embodiment, the angle formed by the virtual line connecting the sun and the principal point Q1 of the
また、以上で説明した鏡構造体31の重心Q2は、前述したように、第一回転軸52と第二回転軸42との交差部内に存在する。このため、本実施形態では、鏡構造体31が第一回転軸線A1回りに回動しても、第二回転軸線A2回りに回動しても、重心Q2の位置はほとんど移動せず、しかも、鏡構造体31自体の重さで、鏡構造体31自体を第一回転軸線A1や第二回転軸線A2の回りを回動させようとするモーメントはほとんど生じない。
Further, the center of gravity Q2 of the
したがって、本実施形態では、鏡構造体31を回動させるための駆動力を小さくすることができると共に、第一回転軸52や第二回転軸42の剛性、これらの回転軸52,42を回転可能に支持する軸受けを含む支持構造の剛性等が多少小さくても、鏡構造体31を安定支持することができる。
Therefore, in the present embodiment, the driving force for rotating the
このように、本実施形態では、第一回転軸52や第二回転軸42等の剛性を小さくできるので、これらの小型軽量化を図ることも可能である。
Thus, in this embodiment, since rigidity of the 1st
さらに、本実施形態では、支柱82の下端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2が位置するよう、支柱82の支柱軸Asは、水平面に対して傾斜している。このように、本実施形態では、支柱82の下端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2が位置するため、この支柱82の下端には、鏡構造体31の重量により生じる転倒モーメントは作用しない。したがって、本実施形態では、支柱82の下端部における断面二次モーメントを小さくでき、支柱82の小型軽量化を図ることができると共に、基礎の小型軽量化を図ることができる。
Furthermore, in this embodiment, the column axis As of the
次に、以上で説明したヘリオスタット30の設置方法について説明する。
Next, the installation method of the
天体望遠鏡では、星や太陽等の追尾を容易にするために赤道儀が用いられる。この赤道儀は、地軸に平行に設定される赤経軸と、この赤経軸に垂直な赤緯軸と有している。この赤道儀では、赤経軸及び赤緯軸回りに天体望遠鏡を回動させて、天体望遠鏡の光軸を目的の天体に一旦向けると、以降は、赤経軸回りに天体望遠鏡を回動させるのみで、天体の日周運動に対応することができる。 In astronomical telescopes, equatorial mounts are used to facilitate tracking of stars and the sun. This equatorial mount has an ecliptic axis set parallel to the earth axis and an ecliptic axis perpendicular to the ecliptic axis. In this equatorial mount, the astronomical telescope is rotated about the ecliptic axis and the declination axis, the optical axis of the astronomical telescope is once directed to the target astronomical object, and thereafter the astronomical telescope is rotated about the ecliptic axis. Only can cope with the diurnal motion of celestial bodies.
したがって、ヘリオスタットにおいても、鏡構造体の駆動装置として、互いに直交する2つの回転軸を有するものであれば、1つの回転軸を地軸に平行に設定し、この回転軸を中心として鏡構造体を回動させることにより、日周運動する太陽を追尾することができる。しかしながら、ヘリオスタットは、日周運動する太陽からの光を反射して、この光を固定されている受熱器10に照射させる必要がある。このため、天体望遠鏡と同様に、直交する2つの回転軸のうちの1つの回転軸を地軸に平行に設定しても、鏡構造体を2つの回転軸回りに回動させなければ、日周運動する太陽からの光を固定されている受熱器10に照射させることができない。
Accordingly, in the heliostat, if the mirror structure drive device has two rotation axes orthogonal to each other, one rotation axis is set parallel to the ground axis, and the mirror structure is centered on the rotation axis. By turning the, the sun moving in a diurnal motion can be tracked. However, the heliostat needs to reflect light from the sun that moves in a diurnal motion and irradiate the fixed
そこで、以下では、基本的に一つの回転軸52を中心として鏡構造体31を回動させることにより、日周運動する太陽からの光を固定されている受熱器10に照射させることができるヘリオスタット30の回転軸線A1の設定方法について説明する。
Therefore, in the following description, a helio that can irradiate the fixed
まず、図7に示すように、鏡構造体31を設置する地球上の位置データと、太陽光の集光位置Pcとなる受熱器10の受熱部11の地球上の位置データと、一年のうちでの所定の日における複数の時刻毎の鏡構造体31の位置を基準にした太陽位置データとを取得する。
First, as shown in FIG. 7, the position data on the earth where the
鏡構造体31の位置データ及び集光位置データは、地球上の座標データ、つまり、緯度、経度及び高度で示されるデータである。なお、鏡構造体31の位置データは、ここでは、鏡構造体31の不動点である主点Q1の位置データである。
The position data and the condensing position data of the
鏡構造体31の位置を基準にした太陽位置データは、鏡構造体31の位置からの太陽Psの方位角と太陽Psの仰角とで示されるデータである。また、一年のうちでの所定の日とは、例えば、春分の日又は秋分の日等である。また、太陽位置データの数は、所定日における一日の太陽Psの軌跡を特定することができる数、具体的に3以上である。
The solar position data based on the position of the
次に、所定の日における複数の時刻毎に、当該時刻における太陽Psからの光を集光位置Pcに向ける鏡構造体31の光軸Aoの方向を示す光軸ベクトルVoを求める。ある時刻における太陽Psからの光を集光位置Pcに向ける鏡構造体31の光軸Aoの方向は、太陽Psと鏡構造体31の主点Q1と結ぶ仮想線L1と、鏡構造体31の主点Q1と集光位置Pcとを結ぶ仮想線L2とが成す角度を二分する方向である。本実施形態では、この方向を向く単位ベクトルを光軸ベクトルVoとする。
Next, for each of a plurality of times on a predetermined day, an optical axis vector Vo indicating the direction of the optical axis Ao of the
太陽Psの日周運動に伴う光軸ベクトルVoが示す方向線分の軌跡は、ある円錐Cの側周面を描く。つまり、日周運動する太陽Psからの光を集光位置Pcに向かわせる鏡構造体31の光軸Aoの軌跡は、円錐Cの側周面を描く。そこで、次に、複数の時刻毎の光軸ベクトルVoが示す方向線分が沿う母線を有する円錐Cを定め、この円錐Cの中心軸の方向を示す円錐中心軸ベクトルVaを求める。なお、この円錐中心軸ベクトルVaも単位ベクトルである。
The trajectory of the direction line segment indicated by the optical axis vector Vo accompanying the diurnal motion of the sun Ps describes the side circumferential surface of a certain cone C. That is, the trajectory of the optical axis Ao of the
この円錐中心軸ベクトルVaが示す方向にヘリオスタット30の第一回転軸線A1の方向を一致させると、一度、第二回転軸線A2回り鏡構造体31を回動させて、この鏡構造体31で反射された太陽光が集光位置Pcに照射されるようにすれば、以降、基本的に第一回転軸線A1回りに鏡構造体31を回動させるのみで、太陽Psの日周運動に伴う実際の光軸ベクトルVoが示す方向線分の軌跡は、前述の円錐Cの側周面を形成することになる。すなわち、第一回転軸線A1の方向を円錐中心軸ベクトルVaの方向に一致させることで、鏡構造体31を第一回転軸線A1回りに基本的に回動させるのみで、日周運動する太陽Psの光を固定されている集光位置Pcに照射することができる。
When the direction of the first rotation axis A1 of the
ここで、集熱設備の設置領域には、図1を用いて前述したように、複数のヘリオスタット30が設置される。当然、複数のヘリオスタット30毎に受熱器10に対する相対位置が異なることになる。このため、複数のヘリオスタット30毎の第一回転軸線A1の水平面に対する角度(仰角)は、異なることになる。さらに、複数のヘリオスタット30毎の第一回転軸線A1の方位も、異なることになる。
Here, as described above with reference to FIG. 1, a plurality of
次に、ヘリオスタット30の実際の設置手順について説明する。
Next, the actual installation procedure of the
まず、ヘリオスタット30の基礎上に支持台80を設置する。
First, the
ところで、前述したように、複数のヘリオスタット30毎の第一回転軸線A1の水平面に対する仰角、言い換えると、第一回転軸52の水平面に対する仰角は、ヘリオスタット30を設置した後には異なることになる。このため、第一回転軸52中で前側(鏡構造体31が存在する側)に位置している鏡構造体31の重心Q2と、第一回転軸52中で相対的に後側の部分を受けるアーム板86の軸孔86aとの水平方向の距離も、ヘリオスタット30を設置した後、複数のヘリオスタット30相互で異なることになる。
Incidentally, as described above, the elevation angle of the first rotation axis A1 with respect to the horizontal plane for each of the plurality of
このため、支柱82の下端における水平断面の中心位置における鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2を位置させる場合、アーム板86の正面視のときに軸孔86aがその延長線上にくることになる支柱軸Asの水平面に対する角度も、複数のヘリオスタット30毎に異なることになる。よって、支持台80のベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度は、複数のヘリオスタット30毎の第一回転軸線A1の水平面に対する設定仰角に応じて異なっていてもよい。
For this reason, when the gravity center Q2 of the
しかしながら、支持台80のベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度が、複数のヘリオスタット30毎に、第一回転軸線A1の水平面に対する設定仰角に応じて異なっていると、製造コストがかさんでしまう。
However, if the angle of the support axis As of the
また、本実施形態では、第一回転軸線A1が延びている方向で、第一回転軸52中の鏡構造体31の重心Q2の位置と、第一回転軸52中でアーム板86で受けられる位置(軸孔86aの位置)との間の距離をできる限り小さく設計している。さらに、本実施形態において、第一回転軸52の水平面に対する仰角の変化域として、比較的に狭い、例えば、60°の範囲を想定している。
Further, in the present embodiment, the position of the center of gravity Q2 of the
このため、本実施形態では、複数のヘリオスタット30相互で、支持台80のベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度(傾斜角度)が同一であっても、支柱82の下端における水平断面(この断面の中心位置ではない)における鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2が位置させることができる、言い換えると、鏡構造体31の重心Q2の鉛直下方の位置が支柱82の下端における水平断面中の含ませることができる。そこで、本実施形態では、複数のヘリオスタット30相互でベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度(傾斜角度)を同一にして、製造コストの増加を抑えている。
For this reason, in this embodiment, even if the angle (inclination angle) of the support shaft As of the
なお、第一回転軸線A1が延びている方向で、第一回転軸52中の鏡構造体31の重心Q2の位置と、第一回転軸52中でアーム板86で受けられる位置(軸孔86aの位置)との間の距離や、第一回転軸52の水平面に対する仰角の変化域の関係から、複数のヘリオスタット30相互でベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度(傾斜角度)を同一にできない場合には、複数のヘリオスタット30相互で、ベース板81に対する支柱82の支持軸Asの角度が異なる支持台80を2種類以上(傾斜角度)製造してもよい。
In the direction in which the first rotation axis A1 extends, the position of the center of gravity Q2 of the
ヘリオスタット30の支持台80の設置の際には、第一回転軸線A1の方位がこのヘリオスタット30における設定方位になるよう、支持台80の向きを調節した後、この支持台80を基礎上に固定する。なお、第一回転軸線A1の方位は、支持台80の一対のアーム板86における各軸孔86a相互を結ぶ仮想線に対して垂直な方位と一致する。
When installing the
次に、支持台80の軸支持台85に、駆動装置40及び鏡構造体31が一体化された主要部アッセンブリを取り付ける。この際、図5を用いて前述したように、第一回転軸52の前軸受け55を軸支持台85の一対のアーム板86の間に配置し、この前軸受け55に設けられている仰角変更軸88を各アーム板86の軸孔86aに挿通させる。
Next, the main assembly in which the
次に、ターンバックル71の一方のネジ棒73aの端部を第一回転軸52の後軸受け56にピン接続し、ターンバックル71の他方のネジ棒73bの端部を支柱82に設けられているリブ83にピン接続する。そして、ターンバックル71の胴体枠72を回転させて、第一回転軸52の水平面に対する仰角が先に定めた円錐中心軸ベクトルVaの水平面に対する設定仰角と一致するように、ターンバックル71の胴体枠72を回転させて、第一回転軸52の水平面に対する仰角を調節する。
Next, the end of one screw rod 73a of the
以上で、ヘリオスタット30の設置が完了する。
Thus, the installation of the
ヘリオスタット30の設置の終了後、太陽光をヘリオスタット30の鏡32で集光位置Pcに照射するためには、第二回転軸42を回転させて、鏡構造体31で反射された太陽光が集光位置Pcに照射されるように、第二回転軸42を回転させる、言い換えると、第二回転軸線A2回り鏡構造体31を回動させる。このように、この鏡構造体31で反射された太陽光が集光位置Pcに照射されるようにすれば、前述したように、以降、基本的に第一回転軸線A1回りに鏡構造体31を回動させるのみで、日周運動する太陽の光を固定されている集光位置Pcに照射することができる。
After the installation of the
したがって、本実施形態では、駆動装置40の制御系が簡易化され、消費エネルギーを抑えることができる。
Therefore, in this embodiment, the control system of the
ここで、改めて、図8を用いて、鏡構造体31の重心Q2と支持台80の構成との関係について説明する。
Here, the relationship between the center of gravity Q2 of the
繰り返すことになるが、本実施形態では、図8(a)に示すように、支柱82の下端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2が位置するよう、支柱82の支柱軸Asを水平面に対して傾斜させている。このように、本実施形態では、支柱82の下端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2が位置するため、この支柱82の下端には、鏡構造体31の重量により生じる転倒モーメントは作用しない。
Again, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, the column axis As of the
ところで、図8(b)に示す比較例としてのヘリオスタット30cのように、支柱82cの支柱軸Asを水平面に対して傾斜させなくても、つまり、この支柱軸Asが鉛直方向に延びるように支柱82cを設けても、支柱82cの下端における水平断面の鉛直上方に鏡構造体31の重心Q2を位置させることは可能である。この場合、支柱軸Asの延長上に鏡構造体31の重心Q2が位置するため、水平方向において、鏡構造体31の重心Q2と異なる位置に存在するアーム板86cの軸孔86acは、支柱軸Asから水平方向に距離Sだけ離れて位置することになる。よって、このアーム板86cを有する軸支持台85cは、軸孔86acにかかる鏡構造体31等の重量に、水平方向における支柱軸Asと軸孔86acとの距離Sを掛けたモーメントに耐える構造を採用する必要が生じる。このため、この軸支持台85cは、一対のアーム板86cと、一対のアーム板86cの端部相互を連結する連結板87cとの他に、例えば、このモーメントを受けるためのブラケット89c等が必要になる。したがって、支柱82cの支柱軸Asを水平面に対して傾斜させない場合、支持台80cの構造が複雑になり、支持台80cの重量増加につながる。
By the way, unlike the
一方、図8(a)に示す本実施形態の軸支持台85も、アーム板86の軸孔86aにかかる鏡構造体等の重量に、水平方向における軸孔86aと支柱82上端の支柱軸Asの位置との距離sを掛けたモーメントがかかるが、この距離sは極めて小さいため、このモーメントを実質的に無視できる。このため、軸支持台85を単純化でき、支持台80の重量増加を抑えることができる。
On the other hand, the
しかしながら、本実施形態の支持台80のように、支柱82を傾斜させると、支柱82自体の重量により、支柱82の下端を基準とする転倒モーメントが発生する。
However, when the
そこで、以下では、この支柱82自体の重量により生じる転倒モーメントについて考察する。
Therefore, in the following, the overturning moment generated by the weight of the
本実施形態の一例として、支柱軸Asは水平面に対して約86°、言い換えると、鉛直面に対して約4°の角度を成し、鏡構造体31の重心Q2は、このヘリオスタット30の設置面からの距離Hが3000mmの位置にあり、支柱82の重心Q3は、このヘリオスタット30の設置面からの距離hが1000mmの位置にあるものとする。また、支柱82の重量は75kgで、鏡構造体31が受ける最大風荷重は2500Nであるものとする。
As an example of this embodiment, the column axis As is at an angle of about 86 ° with respect to the horizontal plane, in other words, an angle of about 4 ° with respect to the vertical plane, and the center of gravity Q2 of the
この場合、支柱82の下端における支持軸Asの位置と支柱82の重心Q3の位置との間の水平方向の距離dは、約73mmなので、支柱82自体の重力により生じる転倒モーメントMsは、以下のように、54(Nm)なる。
In this case, since the horizontal distance d between the position of the support shaft As at the lower end of the
Ms=75(kgf)×9.80665(N/kgf)×0.073(m)
=54(Nm)
Ms = 75 (kgf) × 9.80665 (N / kgf) × 0.073 (m)
= 54 (Nm)
一方、風荷重(2500N)により生じる転倒モーメントMwは、支柱82の多少の傾きにあまり関係なく、ほぼ以下のように7500(Nm)になる。
Mw=2500(N)×3.0(m)=7500(Nm)
On the other hand, the overturning moment Mw generated by the wind load (2500 N) is almost 7500 (Nm) as follows regardless of the slight inclination of the
Mw = 2500 (N) × 3.0 (m) = 7500 (Nm)
よって、支柱82を傾けることにより増加する転倒モーメントMsは、風荷重により生じる転倒モーメントMwの0.7%(=(54/7500)×100)程度の誤差範囲内であり、これにより支柱82を増強する必要性は実質的にない。
Therefore, the overturning moment Ms that increases by tilting the
したがって、支柱82を傾けることにより、支柱82自体の重量により転倒モーメントMsが生じるものの、この支柱82を傾けることにより、軸支持台85が単純化される方のメリットが大きい。
Therefore, although the tilting moment Ms is generated by tilting the
ここで、支柱82を傾ける場合、支柱82の重心Q3の位置が低い位置であればあるほど、支柱82自体の重量による転倒モーメントMsを小さくすることができる。本実施形態では、支柱82の形状として、前述したように、上方に向かうに連れて断面積が小さくなる截頭円錐形状を採用しているため、円柱状の支柱よりも重心位置を低くすることができる。このため、本実施形態では、支柱82を傾けることで、支柱82自体の重量による転倒モーメントMsが発生するものの、この転倒モーメントMsを小さくすることができる。
Here, when the
このように、本実施形態では、支柱82の形状として截頭円錐形状を採用し、支柱82を傾けることで生じる支柱82自体の重量による転倒モーメントMsを小さくして、この転倒モーメント発生によるデメリットに対して軸支持台85の単純化によるメリットを相対的に大きくしている。
As described above, in the present embodiment, a truncated cone shape is adopted as the shape of the
また、本実施形態では、支柱82の形状として、上方に向かうに連れて断面積が小さくなる截頭円錐形状を採用することで、鏡構造体31や駆動装置40の動作に伴う、これらと支柱82との干渉を緩和することができる。
Moreover, in this embodiment, as the shape of the support |
以上、本実施形態では、支柱82の小型軽量化、及び軸支持台85の単純化により、支持台80の小型軽量化を図ることができると共に、基礎の小型軽量化を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the
なお、本実施形態の鏡構造体31は、2枚の鏡32を有するものであるが、本発明は、これに限定されず、1枚の鏡のみを有するものであっても、3枚以上の鏡を有するものであってもよい。さらに、鏡の形状は、長方形に限定されず、例えば、半円形を含む扇形であってもよい。
In addition, although the
また、本実施形態では、第一回転軸線A1と第二回転軸線A2とが直交し、且つ第一回転軸線A1と第二回転軸線A2との交点上に鏡構造体31の主点Q1が位置している。しかしながら、第一回転軸線A1を中心として鏡を回動させる第一駆動部51と、第一回転軸線に垂直である第二回転軸線を中心として鏡を回動させる第二駆動部41を有するものであれば、如何なるタイプの駆動装置であってもよい。
In the present embodiment, the first rotation axis A1 and the second rotation axis A2 are orthogonal to each other, and the principal point Q1 of the
Q1…主点、Ao…光軸、A1…第一回転軸線、A2…第二回転軸線、1…集熱設備、2…制御装置、10…受熱器、11…受熱部、20…タワー施設、30…ヘリオスタット(集光装置)、31…鏡構造体、32…鏡、33…背面補強板、35…支持フレーム、36…支持梁部材、37…連結部材、40…駆動装置、41…第二駆動部、42…第二回転軸、45…第二駆動機構、51…第一駆動部51、52…第一回転軸、60…第一駆動機構、70…仰角変更部、71…ターンバックル、80…支持台、81…ベース板、82…支柱、83…リブ、85…軸支持台、86…アーム板(支持アーム、86a…軸孔(回転軸受け部)、88…仰角変更軸
Q1 ... principal point, Ao ... optical axis, A1 ... first rotation axis, A2 ... second rotation axis, 1 ... heat collecting equipment, 2 ... control device, 10 ... heat receiver, 11 ... heat receiving section, 20 ... tower facility, DESCRIPTION OF
Claims (3)
太陽光を反射して集光させる鏡構造体と、
前記鏡構造体の向きを変えて、該鏡構造体で反射された太陽光を前記集光位置に向かわせる駆動装置と、
前記駆動装置を支える支持台と、
を備え、
前記駆動装置は、第一回転軸線を中心として回転可能に前記支持台に支持されている第一回転軸と、該第一回転軸を回転させる第一駆動部と、前記鏡構造体が固定され、該第一回転軸線に直交する第二回転軸線を中心として回転可能に該第一回転軸に取り付けられている第二回転軸と、該第二回転軸を回転させる第二駆動部と、を有し、
前記支持台は、支柱軸を中心として該支柱軸が延びる方向に長く、一方の端部が基礎に固定されている支柱と、該支柱の他方の端部に固定され、水平面に対する角度変化可能に前記第一回転軸を支持する支持アームと、を有し、
前記支持アームは、前記第一回転軸を角度変化可能に受ける回転軸受け部を有し、該回転軸受け部は、前記第一回転軸中であって、前記鏡構造体の重心とは異なる部分で且つ前記支柱軸の延長線上の部分を受け、
前記支柱の前記一方の端部における断面の鉛直上方に前記鏡構造体の重心が位置するよう、該支柱の前記支柱軸は、水平面に対して傾斜している、
ことを特徴とする集光装置。 In a condensing device that collects sunlight and directs it to the target condensing position,
A mirror structure that reflects and collects sunlight; and
A driving device that changes the direction of the mirror structure and directs sunlight reflected by the mirror structure to the light collecting position;
A support for supporting the driving device;
With
The drive device includes a first rotation shaft supported by the support base so as to be rotatable about a first rotation axis, a first drive unit that rotates the first rotation shaft, and the mirror structure. A second rotation shaft attached to the first rotation shaft so as to be rotatable about a second rotation axis perpendicular to the first rotation axis, and a second drive unit that rotates the second rotation shaft. Have
The support base is long in the direction in which the support shaft extends around the support shaft, and is fixed to the support with one end fixed to the foundation and the other end of the support so that the angle with respect to the horizontal plane can be changed. A support arm that supports the first rotating shaft,
The support arm includes a rotation bearing portion that receives the first rotation shaft so that the angle of the rotation shaft can be changed. The rotation bearing portion is located in a portion different from the center of gravity of the mirror structure in the first rotation shaft. And receiving the part on the extension line of the support shaft,
The column axis of the column is inclined with respect to a horizontal plane so that the center of gravity of the mirror structure is located vertically above the cross section at the one end of the column.
A light condensing device.
前記支柱は、前記一方の端部から他方の端部に向かうに連れて次第に外径が小さくなる截頭円錐形状である、
ことを特徴とする集光装置。 The light collecting device according to claim 1,
The support column has a frustoconical shape whose outer diameter gradually decreases from the one end to the other end.
A light condensing device.
前記集光装置で集光された太陽光により媒体を加熱する受熱器と、
を備えていることを特徴とする集熱設備。 The light collecting device according to claim 1 or 2,
A heat receiver for heating the medium by sunlight collected by the light collecting device;
A heat collecting facility characterized by comprising:
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