JP2010038370A

JP2010038370A - マルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法

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Publication number: JP2010038370A
Application number: JP2008197955A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yuasa; 実湯浅; Hiroshi Hasuike; 宏蓮池; Yutaka Tamaura; 裕玉浦
Original assignee: Masdar Abu Dhabi Future Energy Co; MASDAR-ABU DHABI FUTURE ENERGY CO; Cosmo Oil Co Ltd
Current assignee: Masdar Abu Dhabi Future Energy Co; MASDAR-ABU DHABI FUTURE ENERGY CO; Cosmo Oil Co Ltd
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-18
Also published as: US20110259320A1; WO2010013632A1; CN102112822A; IL210941A0; EP2320154A1; AU2009277681A1; MA32578B1

Abstract

【課題】ヘリオスタットが受光した太陽光の集熱効率を高める。
【解決手段】タワーの選択処理を有するマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法である。マルチタワービームダウン式集光システムは、複数のビームダウン式集光タワーが存在するフィールドにおいて、各タワー４の周りのヘリオスタット１から１次反射された光をタワー４の上部のリフレクター２で２次反射させ、地上のレシーバ３に集光する方式であり、タワーの選択処理は、任意の位置にあるヘリオスタット１が、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワー４、４にそれぞれ太陽光を集光したときに、タワー４のレシーバ３における受光量の大きさを比較し、相対的に受光量が大きい方のタワー４を選択して当該タワー４に太陽光を集光させる処理である。
【選択図】図４

Description

本発明は、マルチタワービームダウン式集光システムにおいて、太陽光エネルギーの集光効率を高める方法に関するものである。

再生可能な自然エネルギーの中で、太陽熱エネルギーはその賦存量（潜在的なエネルギー資源量）の多さから、化石燃料に替わるエネルギーとして非常に有望である。太陽熱エネルギー強度は、場所によっても異なるが、約１ｋＷ／ｍ^２であり、太陽光の熱エネルギーは、熱化学反応プラントや発電プラント等を運転するためのエネルギー源として十分に活用が可能である。太陽熱エネルギーをエネルギー源として活用するためには、化学エネルギーや電気エネルギーに効率良く変換しなければならないが、その変換効率を高めるには、太陽光を効率よく集光しなければならない。

ところで、太陽は、地球の自転により、時間の経過とともに地上のある点に対する位置が変化するため、太陽光を集光し、太陽エネルギーを効率良く集めるためには、太陽を追尾しなければならない。太陽を追尾する装置をヘリオスタットという。

従来のヘリオスタットの太陽追尾システムでは、有線および無線通信による各ヘリオスタットの集中制御や、光センサーを用いた制御が行われてきた。

太陽光を集光して効率的に熱エネルギーを得るためには、ヘリオスタットに太陽の位置を正確に追尾させなければならない。太陽光の集光によって得られるエネルギーは、理論的にはヘリオスタットの鏡面の総面積に比例するため、ヘリオスタットを設置する場合の課題として、大量のエネルギーを得るためには、ヘリオスタットの鏡面面積を大きくするか、ヘリオスタットの個数を増やす必要がある。

多数のヘリオスタットを用いて集光太陽熱エネルギーを得る場合には、個々のヘリオスタットに太陽を追尾させ、各ヘリオスタットの姿勢を制御しつつ各々のヘリオスタットに受光させた太陽光の反射光をある一点に集光させなければならない。

一方、ヘリオスタットに受光させた太陽光を集光させるシステムは、これを大別すると、タワートップ式集光システムと、ビームダウン式集光システムとに分類される。タワートップ式集光システムは、ヘリオスタット群とタワートップに設置されたレシーバとによって構成され、ヘリオスタット群により反射された光をタワートップのレシーバに集光する方式であり、ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット群、タワートップに設置されたリフレクター、地上に設置されたレシーバから構成され、ヘリオスタット群により１次反射させた太陽光をリフレクターで２次反射させ、レシーバに集光するシステムである。

さらに、タワートップ式集光システムは、レシーバ（集熱器）の形状からフラットレシーバタイプと、キャビティーレシーバタイプと、円筒レシーバタイプとの３つのタイプに分類される。フラットレシーバタイプは、タワーの上部に平面のレシーバ（集熱器）を垂直にかつ北向き（北半球の場合）に配置し、ヘリオスタットはタワーの北側のみに配置して反射された光をタワーのレシーバに集光させる形式のものである。キャビティーレシーバタイプは、タワー上部にキャビティ型のレシーバ（集熱器）を開口が北向き斜め下方を向くように（北半球の場合）に配置し、ヘリオスタットはタワーの北側のみに配置して反射された光をタワーのレシーバに集光させる形式のものである。円筒レシーバタイプは、タワーの上部に円筒型の集熱器を配置し、ヘリオスタットはタワーの周囲に配置してそれぞれのヘリオスタットから反射された光をタワーのレシーバに集光させる形式のものである。

これに対して、ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット群、リフレクター、レシーバから構成され、ヘリオスタット群により１次反射された光をタワーの上部のリフレクターで２次反射させ、その反射光をタワーの下部（地上）に設置されたレシーバに集光するシステムであり、タワーの周囲にヘリオスタットを配置してタワーの周囲から光を集光することができる（特許文献１〜３参照）。

ビームダウン集光システムは、地上に分散して配置されたヘリオスタット群の間に間隔をおいて２つ以上のタワーを設置することができ、これをマルチタワービームダウン集光システムと言う。

もっとも、円筒レシーバタイプのタワートップ式集光システムにおいても、地上に分散して配置されたヘリオスタット群の間に間隔をおいて２つ以上のタワーを設置することができ、これをマルチタワータワートップ式集光システムと言う。

マルチタワータワートップ式集光システムと、マルチタワービームダウン式集光システムとの機能を比較したときに、マルチタワータワートップ式集光システムでは、例えば図１３に示すように東西方向に連続してヘリオスタット群が配置されている場合に、太陽が東側にあるときには、タワー上部のレシーバ（集熱器）の東側面と西側面とで集光量に大きな差が出てしまうことがわかる。

このような場合は、集熱器の東側面では、集光量が不足し、集熱効率が著しく低下してしまうことになる。これに対し、マルチタワービームダウン式集光システムにおいては、図１３に示すように、どの方向に設置されたヘリオスタットからの光もタワーの下部に設置されたレシーバ上面に理論上、均一化されて集光されるので、マルチタワートップ式で生ずる集光量不足による集熱効率の低下を抑制することが可能で、高い集熱効率が得られる。

このような理由から、マルチタワータワートップ式集光システムに比べてマルチタワービームダウン式集光システムが有利であることがわかる。しかしながら、マルチタワービームダウン式集光システムが有利であるといっても、マルチタワータワートップ式集光システムの集熱効率に比較しての問題にすぎない。
特許第２９５１２９７号公報特開２０００−１４６３１０公報特開２００４−３７０３７公報

解決しようとする問題点は、マルチタワータワートップ式集光システムに比べてマルチタワービームダウン式集光システムが有利であるとしても、それは、マルチタワータワートップ式集光システムとの比較の問題であって、マルチタワービームダウン式集光システムにおいてもさらなる改善の余地があるという点である。

本発明は、マルチタワービームダウン式集光システムにおいて、太陽の位置によって、ヘリオスタットが反射するタワーを選択し、集光量の増大を図ることを最大の特徴とする。

すなわち、本発明は、タワーの選択処理を有するマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法であって、
マルチタワービームダウン式集光システムは、複数のビームダウン式集光タワーが存在するフィールドにおいて、各タワーの周りのヘリオスタットから１次反射された光をタワーの上部のリフレクターで２次反射させ、地上のレシーバに集光する方式であり、
タワーの選択処理は、任意の位置にあるヘリオスタットが、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワーにそれぞれ太陽光を集光したときに、タワーのレシーバにおける受光量の大きさを比較し、相対的に受光量が大きい方のタワーを選択して当該タワーに太陽光を集光させる処理である。

実用上は、例えば、簡便的方法として、任意の位置にあるヘリオスタットが、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワーにそれぞれ太陽光を集光したときに、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角を比較し、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角の大小を判断し、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角が小さい方のタワーが相対的に受光量の大きいタワーであると判断してタワーを選択することができる。

本発明によれば、マルチタワービームダウン式集光システムにおいて、地上に分散して配設されたそれぞれのヘリオスタットに太陽の反射光を集光すべきタワーを選択させることによって、太陽光エネルギーの変換効率を高めることができる。

任意の位置にある太陽の光を或るヘリオスタットが受光したときに、受光量が最も大きくなるようなタワーを選択するという目的を、そのタワーのレシーバにおける受光量の大小を判断し、太陽の位置と選択するタワーとの関係を求め、ヘリオスタットを制御することによって実現した。

マルチタワービームダウン式集光システムは、複数のビームダウン式集光タワーが存在するフィールドにおいて、各タワーの周りのヘリオスタットから１次反射された光をタワーの上部のリフレクターで２次反射させ、地上のレシーバに集光する方式である。図１に、ヘリオスタットを用いた太陽光集光システムとしてのビームダウン式集光システムの基本構造を示す。図１において、ビームダウン式集光システムは、地上に分散して配設されたヘリオスタット１，１，・・・群と、リフレクター２及びレシーバ３とを備えたタワー４との組み合わせから構成されている。リフレクター２は、タワー４の上部の上方焦点の位置に設置された反射鏡であり、レシーバ３は、タワー４の下部（地上）の下方焦点の位置にリフレクター２と向き合わせに設置されている。ビームダウン式集光システムは、ヘリオスタット１により１次反射された太陽光をリフレクター２で２次反射させ、レシーバ３に集光するするシステムである。

ヘリオスタット（１次反射鏡）１は、図２に示すように鏡５を任意の方向に向け、鏡５が向けられた方向へ太陽光を反射されることができる装置であり、リフレクター（中央反射鏡、２次反射鏡）２は、図３に示すようにヘリオスタット１から反射された太陽光ｂ１を鏡面６により、レシーバ３に向けて再度反射させる装置である。リフレクター２には、回転双曲面型・セグメント型などがある。なお、レシーバ３は、集光された光を受ける集光器であり、その形状により平面型・円筒型・キャビティ型などに分類される。

図４に、マルチタワービームダウン式集光システムの構成例を示す。マルチタワービームダウン式集光システムにおいては、タワー４と、その周囲のヘリオスタット１，１・・・群とが組み合わされたものであるが、本発明において、各ヘリオスタットが狙うタワーと、ヘリオスタットとの組み合わせは、必ずしも特定されるわけではないので、形態としては、地上に分散して配列されたヘリオスタット１，１・・・群の間に一定間隔をおいて、タワーが設置された形になっている。

本発明においては、それぞれのヘリオスタット１は、近傍に設立された何本かのタワー４のうち、レシーバの受光量が最も大きくなるような特定のタワー４を選択し、選択された特定のタワー４のリフレクター２に向けて太陽の反射光を照射するものである。これをタワーの選択処理という。

すなわち、タワーの選択処理は、任意の位置にあるヘリオスタット１が、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワー４、４にそれぞれ太陽光を反射したときに、タワー４のレシーバ３における受光量の大きさを比較し、相対的に受光量が大きい方のタワー４を選択して当該タワー４に太陽光を反射させる処理である。

図４（ａ）は、地上に分散して配列されたヘリオスタット１と、それぞれのヘリオスタット１群が、ある時間帯に選択するタワーとの関係を示したものである。図４（ａ）において、大きい円がリフレクター２とレシーバ３を備えたタワー４を示しており、その周囲の小さい円、三角、四角は、ヘリオスタット１であって、大きい円内に表示された「円」、「三角」、「四角」の記号は、同じ記号のヘリオスタット１によって選択されるタワーであることを示している。

この図では各ヘリオスタット１群は縦横に整列して配列されているが、同じタワーを狙う１組のヘリオスタット群についてみれば、それぞれ６角形を形成し、その右下の位置に集光するタワー４が位置しているが、個々のヘリオスタットについてみれば、それぞれのヘリオスタット１は、タワーの選択処理によって、図４（ｂ）に示すようにタワーまでの遠近にかかわりなく、選択されたタワーに向けて太陽光を反射し、選択されたタワー４は、リフレクター２に受光した太陽光を地上のレシーバ３に集光する。

集光された太陽光は、例えば、レシーバ（集熱器）を通じて溶融塩に蓄熱されて各種の用途に活用される。あるいは、ＣＰＣと呼ばれる二次集光器によってさらに集光された後に化学エネルギー変換用レシーバ（化学エネルギー変換用集熱器）によって吸熱化学反応を介して化学エネルギー燃料を生産する。

ヘリオスタット１が選択されたタワー４に向けて太陽光を反射するために、ヘリオスタット１の姿勢が制御されるが、その姿勢の制御は、以下に説明するカレンダー式およびまたはセンサー式によって行われる。

（ａ）カレンダー式
カレンダー式は、ヘリオスタットの座標、的の座標、太陽の方向ベクトルからヘリオスタットの方向ベクトルを計算し、その方向を向くように姿勢を制御する方法のうち、太陽の方向ベクトルを緯度、経度、時刻から計算によって求める方法である。この計算はヘリオスタットごとに独立して行うことも、複数のヘリオスタットを集中管理するコンピュータ上で行うこともできる。

（ｂ）センサー式
センサー式は、各ヘリオスタットに備え付けられた反射光センサーによりヘリオスタットの姿勢を制御する方法である。この方法はヘリオスタットの姿勢や制御機構の誤差の影響を受けることがないため精度良く制御することが可能である。ただし、センサー式を用いる場合は選択しうるタワーの数と同数のセンサーが各ヘリオスタットに必要となり、またセンサーの感度範囲に制限があるため、この方式単独での運転は難しく、通常はカレンダー式の方法と組み合わせて使用される。

以下にカレンダー式を用いたヘリオスタットの姿勢制御方法の１例を示すが、ヘリオスタットの姿勢制御方法はこの方法に限られるものではない。
ヘリオスタットからみた太陽の方向ベクトルをS、タワーの狙う点への方向ベクトルをFとし、以下のステップにしたがって計算を行う。
ステップＳ１：下式に従ってヘリオスタット方向ベクトル（法線ベクトル）Nを求める。
N=(S+F)/|S+F|
ステップＳ２：ヘリオスタットの姿勢は方位角Aと高度角Eで制御されるのでそれぞれの値を求める。
E=asin(N.z)
A=atan(N.y/N.x) (Aの範囲は0度〜360度とする)
ステップＳ３：ステップＳ２に得られた値に基づいてヘリオスタットを求めた姿勢に制御する。
ステップＳ４：以上のステップを太陽の方向ベクトルの変化に伴い繰り返し、太陽の方向ベクトルの変化に合せてヘリオスタットの姿勢を順次変化させる。

本発明において、任意の位置に太陽がある時、任意の位置にあるヘリオスタットが任意のタワーに集光した場合、そのタワーのレシーバにおける集光量の大きさは、必ずしも実測によらなくても、事前に集光シミュレータを用いて計算し、太陽の位置と選択するタワーの関係を求めておくことが可能である。

ビームダウン集光システムにおいては、ヘリオスタット１で反射した太陽光は、タワー４のリフレクター２で再反射されレシーバ３に集光される。このときヘリオスタット１における受光量とレシーバ３における受光量は同じではなく様々な要因によって減少する。集光計算を行うことによってこれらの要因を考慮し、レシーバ３における受光量を求める。

集光計算は、例えば太陽の光線を一本ずつ追跡するレイトレーシング法により以下のステップの手順に従って行う。
このとき光線とは通過点（起点、終点を含む光線上の一点）p、方向ベクトルv、強度e、の３要素をまとめたものをいう。
集光計算方法（ある太陽位置における集光計算）の手順
ステップＴ１：太陽表面の任意の位置（太陽が点光源ではなく面光源なため）から出て任意の位置に到達する光線について追跡する（初期光線ベクトルの決定）。
ステップＴ２：光線が或るヘリオスタットに当たるかどうかの判別を行う（コサインファクター）。
ステップＴ３：光線が当該ヘリオスタットに到達する前に他のヘリオスタットおよびその他の障害物によって遮蔽されているかの判断を行う（シャドウイング）。
ステップＴ４：光線をヘリオスタットで反射させる（１次反射光線）（反射率・清浄度による減衰、鏡の設置誤差などによる反射角度の変異。）
ステップＴ５：１次反射光線が他のヘリオスタットおよびその他の障害物によって遮蔽されているかの判断を行う（ブロッキング）。
ステップＴ６：１次反射光線がリフレクターに当たるかどうかの判断を行う（リフレクターでの漏れ）。
ステップＴ７：１次反射光線を中央反射鏡で反射させる（２次反射光線）（反射率・清浄度・空気による減衰、鏡の設置誤差などによる反射角度の変異）。
ステップＴ８：２次反射光線がレシーバ開口に入るかどうかの判別を行う（レシーバでの漏れ）。
ステップＴ９：２次反射光線がレシーバに到達する（空気による減衰）。
ステップＴ１０：以上を繰り返す。

本発明において、任意の位置にある太陽の光を或るヘリオスタットが受光したときに、近傍の任意の２本のタワーのレシーバにおける集光量の大小を判断し、集光量の大きい方のタワーを選択する処理は、シミュレータを用いて行うことができる。シミュレータを用いてタワーの選択を行うに際しては、集光シミュレータを用い、レシーバ受光量算出処理と、タワー選択用全天分割処理とレシーバ受光量の比較処理とを行った後、これらの処理の結果に基づいてタワーの選択処理が行われ、タワーの選択処理においては、太陽が任意の位置にある時のタワーの選択を行い、選択されたタワーに太陽光を集光させる。

すなわち、
レシーバ受光量算出処理は、任意の位置に太陽がある時にヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合の受光量を計算によって求める処理であり、
全天分割処理は、レシーバ受光量算出処理の結果から隣接するそれぞれのタワーへの受光量が同じになる位置を境界とした全天の分割を行う処理であり、
レシーバ受光量比較処理は、全天分割処理で分割された全天の各領域について、レシーバ受光量の比較を行い受光量の大きいタワーを示す処理である。
タワーの選択処理においては、レシーバ受光量比較処理の結果に基づいて、太陽が或る位置にある時に、受光量が大きいと判断されたタワーを選択し、選択されたタワーに向けて太陽光を反射するようにヘリオスタットの姿勢を制御し、当該ヘリオスタットが受光した太陽光を選択されたタワーに反射させる。

以下に、集光シミュレータを用いたタワー選択処理の計算例として２つのタワーが東西に並んだ場合を示す（図５参照）。
・計算条件
タワー位置：タワー４Ｌ（‐150, 0, 100）、タワー４Ｒ（150, 0, 100）
ヘリオスタット位置：（50, 50, 0）
ヘリオスタット焦点距離設定：150ｍ
（ヘリオスタットの反射光が像を結ぶ距離：ヘリオスタットは複数のファセットミラーで疑似凹面鏡を形成している）。

（１）レシーバ受光量算出処理：任意の太陽高度・任意の太陽方位の位置に太陽がある時の各タワーのレシーバにおける受光量を計算によって求め、表１の結果を得た。表１において、Azimuthは太陽方位角(deg)、Elevationは太陽高度角(deg)、H1refはタワー４Ｌに集光した場合の反射量、H1recはタワー４Ｌに反射した場合のレシーバ受光量、H2refはタワー４Ｒに反射した場合のヘリオスタット反射量、H2recはタワー４Ｒに反射した場合のレシーバ受光量を示している。なお、表１においては、東を原点（０度）とし北を９０度、西を１８０度、南を２７０度としたものである。また、ヘリオスタット反射量は参考として記載した。

（２）全天分割処理：表１の結果から選択するタワーと太陽位置の関係について、タワー４Ｌのレシーバ受光量（H1rec）とタワー４Ｒ（H2rec）のレシーバ受光量が同じになる太陽高度を各太陽方位について求め、その位置を結ぶ境界線によって全天を分割する処理である。ここで各太陽方位について太陽高度と受光量（表１）から各タワーへの集光量が同じになる太陽高度を求める。結果を表２に示す。

表２から天頂を０度とした極座標に変換すると表３の通りである。（高度角は地平が０度で天頂が９０度、極座標は天頂が０度で地平が９０度とする。）また、表３を極座標プロットすると、図６のとおりである。
ここで円は全天を示す。中心が天頂であり周囲が地平となる。点線の位置に太陽がある時は、ヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合の各タワーでのレシーバ受光量が等しくなり、実線の位置に太陽がある時は、ヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合のヘリオスタットでの反射量が等しくなる。実際の場合には、この計算の方位角および高度角の間隔を小さくすることでより正確な図を作成することができる。

（３）レシーバ受光量比較処理：太陽の方位角に対する各タワーの受光量（H1rec、H2rec）を比較してその大小を判断する。最初に、表１より方位角が０、３０、６０、９０、２４０、２７０、３００、３３０度のときは常に受光量H1recの方が受光量H2recよりも小さいことがわかる。つまり太陽方位がこの範囲にある時は、常にタワー４Ｒを選択すればよいことになる。ここでは便宜上、受光量が同じになる太陽高度は０度とする。

次に、表１より方位角が１２０、１５０、１８０、２１０度のときは太陽高度が低いときは受光量H1recのほうが受光量H2recよりも大きく、太陽高度が高いときは受光量H1recのほうが受光量H2recよりも小さいことがわかる。この結果を踏まえて全天の分割された各領域においてタワーの受光量が大きいタワーを示すと図７のようになる。

（４）タワーの選択処理：或る位置に太陽がある場合、図７を用いることで選択すべきタワーを選ぶことができる。

また、簡便的には、光計算において様々な要因によって集光量が減少するが、そのうちコサインファクターによるものだけを考慮してタワー選択処理をすることも可能で、その場合、太陽と各上方焦点とのなす角が小さくなるように制御する処理であるということができる。

すなわち、図８に示すように、任意のヘリオスタット１から見た太陽Ｓと近傍の一本のタワー４ａとのなす角θ１と、太陽Ｓと近傍の他のもう一本のタワー４ｂとのなす角θ２との大小を比較し、θ１＜θ２であれば、タワー４ａを選択することで実質的にヘリオスタットにおける反射量を最大にして、太陽光のエネルギーの有効利用を図ることができる。もっとも、レシーバにおける受光量はその他の多くの要因によって決定される。よって、この場合は、集光シミュレータを用いて厳密にタワーの選択処理を行った場合と比較して集光量が減少することになる。

次に、このようなコサインファクターのよるものだけを考慮したタワー選択処理が、どの程度の効果があるかについて、マルチタワービームダウン式集光システムにおいて、ヘリオスタットから見た太陽と各タワーとのなす角が小さくなるようなタワーを選択して、太陽光を集光する例を先の図５のモデルを用いて計算を行った。図５において、Ｘ軸は東西方向、Ｙ軸は天頂方向を示している。太陽はＸＹ平面上を、午前６時に東から昇り、１２時に天頂を通過し、午後６時に西に沈むものとした。

ここで、直達垂直日射強度（ＤＮＩ）は、１．０kＷ／ｍ^２とし、２つのタワーはそれぞれＸ＝１５０ｍ及びＸ＝−１５０ｍの位置に置かれ、タワーのリフレクターの位置（上方焦点の高さ）は、ともにＹ＝１００ｍとした。ヘリオスタットは、１台あたりの鏡の面積を１．０ｍ^２とし、両タワーの間に３０個配置した。ヘリオスタット間のブロッキング及びシャドウイングは考慮しないものとした。

図９に一日におけるヘリオスタットの反射エネルギー量を示す。○印はヘリオスタットが左のタワーに集光した場合の反射エネルギー量を示し、□印はヘリオスタットが右のタワーに集光した場合の反射エネルギー量を示す。△印は、ヘリオスタットから見たリフレクター（上方焦点）と太陽とのなす角が小さくなる方に、タワーの選択を随時行った場合の反射エネルギー量を示す。さらに、図１０に、タワーの選択を行うことによって、増加した反射エネルギー量の割合を示す。これらの結果から明らかなようにタワーの選択処理によって、一日における各ヘリオスタットの反射エネルギー量は、シングルタワー集光システムに比べて５％〜２２％増加することがわかった。併せてその増加率は、２つのタワーの中間地点のヘリオスタットが最も高いことが分かった。

さらに、図１１に、一日におけるヘリオスタットの反射エネルギー量を示す。この図においてタワーは長方形のフィールドの両サイドにある。（ａ）はシングルタワー集光システムの場合の反射エネルギー量で（ｂ）は、ヘリオスタット見たリフレクター（上方焦点）と太陽とのなす角が小さくなる方に、タワーの選択を随時行った場合の反射エネルギー量を示す。この図において一つのヘリオスタットによる反射量が１０．５kWh以上となる領域面積は、シングルタワー集光システムに比べて約１３倍となることがわかった。

以上のような、簡便的なタワーの選択処理を行うことに対して、図６、図７の太陽高度算出処理の結果および受光量の比較処理の結果を用いて、タワーの選択処理を行うほうが、より適切な処理となる。すなわち、図６から明らかなように、簡便的に角度のみでタワー受光量が等価となる場合（実線）と、太陽高度算出処理を行ってタワー受光量が等価となる場合（破線）とでは、破線で囲まれているタワー４Ｒへ反射する領域の面積が実線のものよりも大きく、適切にタワー選択が行われ、タワー受光量がより大きくなる。

以上のように本発明は、任意の位置に太陽がある場合について、集光計算を行い、タワー選択処理を行うものであるが、実際にヘリオスタットの制御に応用するには、このような計算をあらかじめ行い、その計算結果をヘリオスタットの運転動作の制御に用いることもできるが、さらに、ヘリオスタット動作運転中に集光シミュレータの高速計算処理を同時進行させることにより、運転動作中に、その時の太陽位置にある太陽の光を受光したときに、近傍の任意の２本のタワーのレシーバにおける集光量の大小を判断することで、集光量の大きい方のタワーを選択する処理を行わせることもできる。集光シミュレータの高速計算処理を同時進行させることによりタワーの選択を行うに際しては、集光シミュレータによって、レシーバ受光量算出処理を行い、レシーバ受光量比較処理の結果に基づいて、タワーの選択処理が行われるので、全天分割処理は必要に応じて適用すればよい。

太陽光は、再生可能なエネルギー源として、エネルギー量が膨大で、環境汚染のないクリーンなエネルギー源である。太陽光は、集光太陽熱エネルギーを化学反応の吸熱反応に利用した燃料生産や、太陽熱発電システムとして希薄な太陽エネルギーを集めて安定した発電電力の供給が可能となり、さらには、石炭ガス化と天然ガス水蒸気改質から製造された水素と一酸化炭素からメタノールを合成する技術に適用して原料の石炭およびメタンの総熱量を６〜１０％以上回るメタノールの製造が可能となり、メタノール製造工程における二酸化炭素の排出を大幅に削減でできるものとして大いに期待される。

ヘリオスタットを用いた太陽光集光システムとしてのビームダウン式集光システムの基本構造を示す図である。ヘリオスタットの構成例を示す図である。リフレクターの構成例を示す図である。（ａ）は、マルチタワービームダウン式集光システムの構成例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面矢視図である。選択するタワーと太陽の位置との関係を示す図である。任意のヘリオスタットから見た太陽Ｓと近傍のタワーとのなす角の大小によって、太陽光を反射すべきタワーを選択する例を示す図である。各タワーからレシーバ受光量の大きいタワーを選択する例を示す図である。集光シミュレータを用いたタワー選択の計算例として２つのタワーが東西に並んだ場合を示す図である。太陽光を反射すべきタワーを選択したときと選択しないときの反射エネルギー量の比較を示す図である。太陽光を反射すべきタワーを選択することによって、増加した反射エネルギー量の割合を示す図である。一日におけるヘリオスタットの反射エネルギー量を示すもので、（ａ）は、（ａ）はシングルタワー集光システムの場合の反射エネルギー量、（ｂ）は、ヘリオスタットから見たリフレクター（上方焦点）と太陽とのなす角が小さくなる方に、タワーの選択を随時行った場合の反射エネルギー量を示す図である。マルチタワートップ式集光システムの集光の状態を示す図である。マルチタワービームダウン式集光システムの集光の状態を示す図である。

符号の説明

１ヘリオスタット
２リフレクター
３レシーバ
４タワー
５鏡
６鏡面

Claims

タワーの選択処理を有するマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法であって、
マルチタワービームダウン式集光システムは、複数のビームダウン式集光タワーが存在するフィールドにおいて、ヘリオスタットから１次反射された光をタワーの上部のリフレクターで２次反射させ、地上のレシーバに集光する方式であり、
タワーの選択処理は、任意の位置にあるヘリオスタットが、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワーにそれぞれ太陽光を反射したときに、タワーのレシーバにおける受光量の大きさを比較し、相対的に受光量が大きい方のタワーを選択して当該タワーに太陽光を反射させる処理であることを特徴とするマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
前記タワーの選択処理は、任意の位置にあるヘリオスタットが、太陽光を受光して任意に選んだ２本のタワーにそれぞれ太陽光を反射したときに、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角を比較し、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角の大小を判断し、ヘリオスタットから見た入射光の方向ベクトルと反射光の方向ベクトルのなす角が小さい方のタワーが相対的に受光量が大きいタワーであると判断して、当該タワーを選択する処理であることを特徴とする請求項１に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
前記タワーの選択処理は、レシーバ受光量算出処理と、全天分割処理と、レシーバ受光量の比較処理との結果に基づいて行われる処理であり、
前記レシーバ受光量算出処理は、任意の位置に太陽がある時に或るヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合の各レシーバ受光量を計算によって求める処理であり、
前記全天分割処理は、レシーバ受光量算出処理の結果から当該ヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合の各レシーバ受光量が同じになる全天の境界線を求め、その境界線により全天を分割する処理であり、
前記レシーバ受光量比較処理は、全天分割処理で分割された全天の各領域について、当該ヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合のそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量の比較を行い、タワーが受ける受光量の大小を判断する処理であり、
前記タワーの選択処理は、レシーバ受光量比較処理の結果に基づいて、太陽が或る位置にある時に、いずれのタワーを選択するかを判断し、受光量が大きいと判断されたタワーに向けて太陽光を反射するようにヘリオスタットの姿勢を制御し、当該ヘリオスタットが受光した太陽光を選択されたタワーに反射させる処理であることを特徴とする請求項１に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
前記レシーバ受光量算出処理は、任意の太陽方位、任意の太陽高度の位置に太陽がある時にヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合のそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量を計算によって求める処理であることを特徴とする請求項３に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
前記レシーバ受光量算出処理は、任意の太陽方位、任意の太陽高度の位置に太陽がある時にヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合のそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量を計算によって求める処理であり、
前記全天分割処理は、任意の太陽方位について隣接するそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量が同じになる太陽高度を求めることで、隣接するそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量が同じになる境界線を求め、その境界線により全天を分割する処理であることを特徴とする請求項３に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
前記タワーの選択処理は、レシーバ受光量算出処理と、レシーバ受光量の比較処理との結果に基づいて行われる処理であり、
レシーバ受光量算出処理は、或る位置に太陽がある時に或るヘリオスタットが各タワーに向けて反射した場合のそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量を計算によって求める処理であり、
レシーバ受光量比較処理は、レシーバ受光量算出処理の結果から、各タワーに向けて反射した場合のそれぞれのタワーのレシーバが受ける受光量を比較する処理であり、
タワーの選択処理は、レシーバ受光量比較処理の結果から、いずれのタワーを選択するかを判断し、レシーバが受ける受光量が大きいと判断されたタワーに向けて選択されたタワーに向けて太陽光を反射させるようにヘリオスタットの姿勢を制御し、当該ヘリオスタットが受光した太陽光を選択されたタワーに反射させる処理であることを特徴とする請求項１に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。
地上に分散して配置されたヘリオスタット群の間に間隔をおいて２以上のタワーが設置され、それぞれのヘリオスタットは、前記タワーの選択処理に従って、レシーバが受ける受光量が最も大きくなるような特定のタワーを選択するものであることを特徴とする請求項１に記載のマルチタワービームダウン式集光システムにおける太陽光の集光方法。