ヘリオスタット(平面鏡 同期連動 集光 システム)     特許第4402334号 (H21/11/6登録)                2002/6/10
                                              

  2003/11/12 基礎試作 情報追加
  2012/6/28  ミニヘリオスタット (構造試作)  本機構は様々な形に応用可能な一例
(本機構は幾何条件を満たせば、多くの変形構造が可能となります)
 2012/8/24  ホリゾンタルヘリオスタット アルミパイプフレームにて試作    バーベキューぐらいは可能 700W級

本 構想は 大規模集光に かかる 設備を如何に簡略化して 低コストにて構築するかを 検討して 具体化したものです。

1 基本構造
   ヘリオスタット 方式 (平面鏡を用いて 各反射鏡の反射した 反射光を一点に重ね合わせて 集光)する方法にて
 通常のヘリオスタットは 反射鏡個別に 反射追尾機構をもち それぞれを集中管理してそれぞれの 反射角度を制御しているが、
本方式では、反射鏡を 大きな回転方物面の徴小面として 大きな回転方物面の固定焦点に集光部、焦点より回転方物面上の点を結ぶ線上に直角をなす面を一反射面として、
任意の空間に 反射鏡を設置し 各反射鏡のオフセット角度を保ちながら 全ての角度を同一角度で制御する物である。

 言い換えれば 固定された焦点に対し、仮想の大きな回転方物面鏡を 太陽の方向に 追尾制御していると考えることができ、
また それぞれの反射鏡の制御角度は 太陽の移動角度の半分の角度で制御で済むため、簡単なリンク機構で それぞれを多重連接して同期させることが機械的に簡単であり、反射鏡の保持と駆動(角度制御)を 簡単なワイヤー構造にて行うことが可能である。 

この構造により、連凧状に 多数の反射鏡を自由に設置して 任意の位置に集光させることが 特別な構造物を必要とせず可能になる。

 

 

 

上図は 円形の反射鏡の淵を3点ワイヤーで支持(吊り下げ) 3点の相互の位置関係で 同時に制御角を連動させる物である。
 一軸上に複数の反射鏡を接続するのみで 反射鏡は空間にワイヤーの張力にて固定 角度制御されるため 構造が非常に簡単で低コストとなる。

(各反射鏡の角度はそれぞれ 集光位置と太陽の軌道により予め計算された オフセット角を持って 設置される)

※ 簡単実験  普通のゴミとなった複数のCD(コンパクトディスク)の周囲に 均等に3点穴をあけ、それぞれを糸でほぼ平行になるように結び付け、両端のCDの穴に指をかけひっばり 一枚のCDの向きを変化させると 他のCDも同様に向きを変化する。

それを太陽の光を反射するようにさせると 反射した光は 全て同じ方向に移動します。そこで ある位置に反射した光が重複するようにCDの角度を調整(オフセット角)するとある範囲内では 光は重複(集光)したまま 移動することを 確認できます。

( 注 大きな角度なると サイン誤差(CDの相互の角度により 伝達角度が変化する)のため 光がばらばらになります。この方式ではサイン誤差は避けられませんが、補正する手段はいくつかありますので 実用上はあまり問題にならない程度に押さえることが可能です)

 

上図は オフセット角を設定する軸を持ち より オフセット角の自由度を高くしたものである。
 反射鏡の設置レイアウトにより 各オフセット角を大きく取る必要がある場合 反射面に対して角度調整軸を設けて 軸に対して角度調整することにより、
オフセット角を大きくとることができる。(集光位置が反射鏡との位置が近い場合 オフセット角が大きくなる)

 

 

上図は 軸方向に回転角にて制御する方法にて 制御角の自由度を高くしたものである。

 オフセット角の調節が列の位相にて調整しやすく、ワイヤー(支持体)と位置軸方向にしか向きが移動しないので、反射板に風防などを取り付けることが可能となる。
  風防(透明膜気密構造)を風船状にして 真中の反射板を膜とすることが出来、反射膜の両面の圧力を 同一(平面反射) 又は 差圧を制御して凹面(擬似パラボラ反射鏡)として 焦点距離を差圧にてコントールして より集光率を上げることも可能となる。

また 風防(球面を基本)を 附加することにより 風圧による 振動 偏風圧抵抗 全風圧抵抗 を軽減が可能で 位置精度 支持強度の軽減ともなる。

 

 

上図は 設置例を示し、 空間(地形によらず)に ワイヤーを張ることが可能であれば 何処にでも設置することが可能となる。
 図のように 反射鏡単独にフレームを設ける必要がなく 駆動と 吊り支点の2点の支持(固定)が可能であれば 場所 レイアウトは自由に行える。

これにより 山岳 砂地 森林上部 海上 湖上など ワイヤー支持さえできれば 低コストにて設置が可能となる。

これは、簡単な太陽熱温水器を 想定した物であるが、屋根(壁)に設置した鏡にて 反射された光を一旦反射板で方向を制御し 一点に集光し 保温曹内に光を導き、
熱に変換してお湯を得るためのものである。
 光エネルギーを集光して窓より 一方通行的に保温曹にエネルギーを投入するので 容易に高温が得られ、断熱及び耐圧を確保すれば 加熱蒸気を得ることも可能である。

一言 屋根の上の太陽熱温水器と 何処が違うのか?
屋根の上の太陽熱温水器は 太陽から熱(放射エネルギー)を受けて 温度が上がります、温度が上がれば外気に熱がにげて行きます。
このとき 太陽から熱と外気に熱が逃げる量が同じになったとき それ以上は 温度は上がりません。(市販されている物は色々工夫して逃げる熱を少なくしていますが)
 この方法では 熱が逃げる量 を 格段と少なくすることが可能なので(光は窓を通って中に入りますが 中で一旦熱となれば 入ってきた窓から逃げにくくなります)
なので 太陽から熱と外気に熱が逃げる量が同じになる温度が高くできる と言うことです。
  どちらも 太陽から受けるエネルギーの量が同じであれば より 効率よく 質の高いエネルギーとして利用することが可能となります。
 理論的には 保温曹内の 温度を 太陽表面温度6000度 まで (あくまで 理論上) 上げることが可能となります。

たぶん 100度以上になった場合は 温水器と呼ばれず ”太陽炉” と呼ばれるのではと思いますが 虫眼鏡で容易に黒い紙が燃えることより、容易に100度以上の温度にすることが出来ます。

 

 

これは 屋根(壁)にあたる光を そのまま 窓より室内に取り入れて 採光として 利用できる様にしたものである。

(室内で集光するとエネルギー密度が高くなりすぎるので 反射板にて 振り分け拡散するようにしてある)

光の焦点は 複数地点に設定しても 鏡のオフセット角の設定のみで可能なため 複数の窓に 採光することも可能である。

また 窓より採光された光は 一定の方向に差し込むので 西日がまぶしいと言うような 不快な陽射しは全くなくなる

高層ビルなどによって 日照が悪いような場所にでも 複数の日照を与えることが可能となる