PPL ホリゾンタル ヘリオスタット    




左は装置全体で、すべての反射光を右の3m離れた白いパネルにぶら下げた小型フライパンに集光させている。
(ターゲットの位置以外では光は此処の鏡の光量に分散されるので後ろのカーテンが火事になることはない)
また、ターゲットを取ると窓から猛烈な光が室内に入ってくるので冬場は暖房+強烈な照明となる

ワイヤーフレームで構成されていた機構を剛性の有るアルミパイプにて構成。
剛性が有るため基準制御平面に2枚の鏡を配置して、
2枚の鏡の面は鏡ガラスの歪と相互の角度を替えて擬似的に放物面(トラフ)として2個の鏡は焦点を持たせている。

これによりヘリオスタットの集光率(1/鏡の枚数)を更に集光率を高めた。
※太陽の角度により疑似放物面の焦点が変動するため集光部が2群となっている。
(トラフの軸線と太陽の軌道を一致させれば誤差は小さくなる)


本ヘリオスタットの鏡はA4板の平面が12枚 2枚が擬似放物面6面をPPL機構で連動させている。
総反射面積は0.7u (約1mの開口パラボラと同等)で600〜700wの集熱が可能となる。
装置重量は片手で持ち上げることが出来、鏡を除く機構部の重量は2kg程度。
※バーチカルのPPL機構に加えて、面回転(長軸)を回転面の平行余弦が回転しない補償機構が追加されて多少複雑になっている。

このユニットは一人で設置移動ができるサイズで、熱量が必要であれば複数設置して
同一焦点として低コスト高性能のヘリオスタットアレイとなり大規模化も容易となる。

パラボラとヘリオスタットの相違点(薀蓄)

放物面の焦点は点でなく線になり、回転放物面となって初めて焦点となる。

放物面で集光するタイプはトラフ型と呼ばれ一般的に1軸の制御により追尾機構が構成される。
追尾機構及び反射面の曲げが容易なので一部の太陽熱発電に利用される。

回転放物面となって初めて焦点となる。パラボラアンテナの皿の曲面である
集光するには開口部を太陽光と直角になるように2軸の制御が必要であり、反射体全体を動かす必要がある。
焦点を軸心としない限り焦点が移動し、焦点部に物が有ると影ができるので、大きなの機械が出来ない。
(BSアンテナはオフセットして影が出来ないようにしているが反射面利用効率が下がる)

これに対しヘリオスタット(平面反射)では
放物線の焦点と開口部面の距離は同じなるのでアンテナに利用できるが、
ヘリオスタットアレイの反射距離は同じにならないのでアンテナとしては利用※できない。
焦点は固定され、太陽の移動角度の1/2の反射体の角度制御で良い(その分精度が必要)
焦点部は移動しないし、焦熱装置が影にならないので熱利用が格段に容易となる。
一つの焦点に反射鏡を増加して大きな集光率を得ることができ、巨大な装置を動かす必要がない。

(従来)鏡(平面)毎の制御に2軸が必要で装置コストが高かった。(多くは軌道計算と角度センサによる数値制御)
(本技術) 平面を簡単な機構で連動できるので装置コストが格段と下がり、指先一本の手動でも追尾定点集光が可能となる。
※電波の位相と反射距離を相対させれば理論的には可能なので、特定波長の反射を利用するフェーズドアレイレーダーは可能かもしれない。

太陽光を一点に集める以外に、各鏡に対応する窓に光を送り、窓からの光を天井に照らして採光することも可能。
この装置の場合、12の窓に分散配光が可能となる。また配光の仕方で壁に光の絵文字を浮かばせることも。
晴天でも暗い北向きのオフィスなどでは最高(採光)のコストパフォーマンスを実現できる。
    試しに12枚分の光を窓から入れてみたところ、室内が明るすぎる。
 (焦点ではないので火事の心配はない、また自然光のように角度が変わらないので金魚鉢で火事の心配もない)
6枚の鏡でそれぞれの窓に配光するイメージ
窓から入った太陽光は各部屋の天井を照らして照明の代わりになる。
窓に赤外防止フィルムで波長選択すれば冷たい光となるため電気照明の発熱より冷房負荷を低減。
冬は暖房効果も得られる。


機構調整中の動画  
 まだ追尾機構が出来ていないので手動により粗調整の機構の作動を確認したもの。
装置中心から3mの位置に焦点を計算上にて設定して太陽の位置によらず焦点の固定を確認。
放物焦点を持たせたため、鏡面の角度調整が多少難しくなっているため、まだ微調整が必要である。
ソーラークッカーレベルなら手動で焦点に鍋を置けば十分であるかもしれないが・・・

自動追尾機構(限定)を付加し、焦点部にフライパンを置いて試しに焼肉をした様子。
ほぼプロトタイプの動画


日差しは和らいできたがターゲットに釣るしたフライパンの温度は156.4度まで上昇。
豚肉を試しに焼いてみるとフライパンに接する面はすぐに焼けるが、肉の日射面は吸光率が悪いためか干し肉になる。
コンロ(集熱部)を工夫すれば焼肉プレートの中程度の火力は保てそうである。
(ターゲットの紙製パネルは焦げていたのでフライパン最高温度は200度は超えていただろう)


閑話休題: アルキメデスの鏡・・・鏡で太陽光を反射させて敵船団を燃やしてしまうと言う伝説の武器。
ディスカバリーチャンネル 怪しい伝説にて オバマ大統領の命を受けて500人掛けて実験していたが失敗。
  何故なのか? 計算上は勿論炎上(発火温度210度)は容易に達成できる(機械同期)
しかし、500人もの人が集まっても同期(一点集光)が出来ないため温度が上がらいない。
機械で同期すれば、鏡が12枚程度で可能になる。・・・オバマ大統領に進言したい物だ。

ある程度の規模を作れば、パトリオットで迎撃するより防衛能力が有るかも知れない。
(ただし、夜間曇天に攻撃されたら、全くの役立たずでは有るが・・・)
ただ、パトリオット・ミサイル一本分の予算で十分に開発できるので、防衛省にもお薦めしたい。
 ただし、太陽光が平行光線に近くとも 約0.5度の広がりがあるので、1q先では1mの鏡がほぼ10mにまで拡散されてしまう。
 よって焦点距離1qで高集光率を得るためには、拡散しても放散熱熱量以上の反射面積を持たせないと成らないので
 1mの鏡100枚で1km先に集光率1で10mの照明となり、集光率100を得るためには100枚の100倍=1万枚の鏡が必要となる。
相当大規模になってしまうので、実用的には100m程度が限度かと・・・そうなると迎撃しても目標にほぼ命中となってしまう。

 SF映画では、人工衛星の鏡で太陽光を反射して地上の基地を焼き尽くす等と発想しそうであるが、物理の問屋が卸してはくれない。

そう言えば、所さん実験でも100人集めても焼き鳥が出来なかった。




進行により随時更新。

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