JP2004153202A

JP2004153202A - 集光式太陽光発電装置

Info

Publication number: JP2004153202A
Application number: JP2002319491A
Authority: JP
Inventors: Michio Kondo; 道雄近藤; Kenji Araki; 建次荒木; Toshio Egami; 敏夫江上; Masao Hiramatsu; 雅男平松; Noritoku Miyazaki; 憲徳宮崎
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】安価でかつ太陽電池パネルの退避や発電開始位置への戻しを速やかに行うことができる。
【解決手段】集光式太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは架台１上に設けた軸受け機構３に支持されて方位角方向と天頂角方向へ独立に回動可能である。集光式太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄと一体に回動する太陽追尾センサ４３が設けられ、太陽追尾センサ４３に内設された検出面上への太陽スポット光の入射位置より、方位角方向での太陽の相対位置が検出される。制御装置は太陽スポット光が検出面上の原点を越えた時から一定時間経過後に、駆動モータ５３を所定時間作動させて太陽スポット光が原点を反対側へ越えるように集光式太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させ、その後、太陽スポット光が原点へ戻るまでの戻り時間を計測し、上記一定時間経過後に、上記戻り時間によって補正した所定時間だけ駆動モータ５３を作動させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光式太陽光発電装置に関し、特に、集光式太陽光発電装置の太陽追尾制御を簡易かつ安価に実現して発電コストの低減を可能とした集光式太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集光式太陽光発電装置では効率的な発電を可能にするために太陽電池パネルを常に太陽に向けるように制御しており、この場合の制御を、例えば特許文献１に示されているように、太陽電池パネルを太陽の動きに常時連続的に追従させることにより行うものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０２８１７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記追従（追尾）制御に使用されるサーボモータや制御装置は比較的高価であるとともに、追尾制御の精度を確保するためにモータ出力軸に高ギヤ比の減速機を設けることが多く、強風時に太陽電池パネルを退避させたり、あるいは追尾終了時に太陽電池パネルをスタート位置へ戻すのに時間を要するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、安価でかつ太陽電池パネルの退避や発電開始位置への戻しを速やかに行うことができる集光式太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本第１発明では、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させる駆動手段（３３，５，５３）と、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）と同方向を向きこれと一体に回動させられる検出面（４３ａ）を備え、当該検出面（４３ａ）上への太陽スポット光（Ｓ）の入射位置より方位角方向での太陽の相対位置を検出する位置検出手段（４３）と、太陽スポット光（Ｓ）が検出面（４３ａ）上の所定位置（Ｘ）を越えた時から一定時間経過後に、駆動手段（３３，５，５３）を所定時間作動させて太陽スポット光（Ｓ）が所定位置（Ｘ）を反対側へ越えるように検出面（４３ａ）を回動させ、その後、太陽スポット光（Ｓ）が所定位置（Ｘ）へ戻るまでの戻り時間を計測し、上記一定時間経過後に、上記戻り時間によって補正した所定時間だけ駆動手段（３３，５，５３）を作動させる駆動制御手段（６６）とを具備している。なお、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を天頂角方向へ回動させる駆動手段（３４，５５）をさらに設けても良い。
【０００７】
本第１発明においては、駆動手段の駆動負荷が変動しても、刻々と方位を変える太陽に対して、太陽スポット光が検出面上の所定位置に対し常に左右等距離範囲内にあるように太陽電池パネルの方位角が間欠的に変更されて太陽が追尾される。このような駆動制御はモータのオンオフ間欠制御により行うことができるから、信頼性の高い追尾制御を安価に実現することができる。また、サーボ制御のような連続制御をする場合に比してモータ減速比をそれほど大きくする必要がないため、強風に対する太陽電池パネルの退避動作や発電開始位置への回頭動作を速やかに行うことができる。
【０００８】
本第２発明では、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させるための第１軸体（３３）と、第１軸体と直交し集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を天頂角方向へ回動させるための第２軸体（３４）とを設けて、これら軸体（３３，３４）を集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）の中心部に設ける。
【０００９】
本第２発明においては、第１軸体と第２軸体を太陽電池パネルの中心部に設けているから、太陽電池パネルの重心位置を軸体の交点付近に位置させることができ、太陽電池パネルを回動させる際の駆動力を軽減することができる。
【００１０】
本第３発明では、上記方位角方向へ回動させる駆動手段は回転伝達手段（５）を備え、上記第１軸体（３３）を、回転伝達手段（５）を介して、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）から離れた位置に設けた駆動モータ（５３）に連結する。
【００１１】
本第３発明においては、第１軸体を、回転伝達手段を介して、集光式太陽電池パネルから離れた位置に設けた駆動モータに連結するようにしたから、限られたスペースを太陽電池パネルで有効に使用することができる。
【００１２】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図を示す。図１において、装置本体は４個の集光式太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを備えており、これら太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは地表に据えた基板Ｐ上に立設した架台１に支持されている。各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは四角形の箱体で、架台１によって同一平面上に全体が略四角形をなすように支持されている。各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは複数の太陽電池モジュール２１により構成されており、各太陽電池モジュール２１は表面に四角形の集光用フレネルレンズ２１１を位置させるとともに、内部のレンズ焦点位置に太陽電池セル（図示略）を位置させている。
【００１４】
上記架台１の上端には図２に示すように軸受け機構３が設置されている。軸受け機構３は、傾斜して設けられた略Ｕ字形の軸受け片３１を有し、当該軸受け片３１の内空間には軸受けブロック３２が位置している。軸受けブロック３２の両側面に突設された軸体３３（一方のみ示す）が軸受け片３１の両側壁３１１に回転自在に支持されるとともに、軸受けブロック３２にはこれを上記軸体３３と直交する方向へ貫通して軸体３４が回転自在に支持されている。軸体３４の両端にはそれぞれ支持枠４Ａ，４Ｂ（図２に一方のみ示す）が装着されている。支持枠４Ａは三角形の枠体で、その長辺の中央に設けた筒状鞘体４１が軸体３４に嵌着されている。支持枠４Ａ，４Ｂは仕切枠４２によってさらに三角形領域に二区分されてそれぞれに太陽電池パネル２Ａ，２Ｂと２Ｃ，２Ｄが搭載されている。これにより、軸受け機構３は四角形に配置された太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄ（図１）のほぼ中心に位置している。また、支持枠４Ａには太陽追尾センサ４３が設けてあり、ピンホール４３１を設けたその前面は各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄのパネル面と同一方向を向いている。
【００１５】
軸体３３はその傾斜が架台１を設置した場所の緯度に応じて調整されて、後述のように軸体３３に支持されて回動する太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角方向の回転軸が地球自転軸とほぼ平行になるようにしてある。軸体３３には、両端にフレキシブルジョイント部５１，５２（図１）を備えた駆動シャフト５が上記ジョイント部５１を介して連結されており、駆動シャフト５の他端はフレキシブルジョイント部５２を介して駆動モータ５３の出力軸５３１に連結されている。、駆動モータ５３は基板Ｐに設けた架台５４上に支持されている。なお、地球自転軸に対して平行にするための軸体３３の傾斜調整は、駆動シャフト５を外した状態で、軸体３３の端部に取り付けたジンバルミラー等を使って、光学的に高精度に行うことができる。
【００１６】
図３には軸受け機構３の詳細を示す。軸受けブロック３２上には駆動モ−タ５５が設けられており、駆動モータ５５の出力軸はこれに設けたウォームギヤ５６によって円形ギヤ５７に連結されている。駆動モータ５５の駆動力は上記円形ギヤ５７と同軸の円形ギヤ５８を介して軸体３４の外周に固定された大径の円形ギヤ５９に伝達されるようになっている。
【００１７】
このような構造により、駆動モータ５５を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを軸体３４回りに回動させることにより、パネル面の法線の天頂角（これを以下、単に太陽電池パネルの天頂角という）を独立に変更することができるとともに、駆動モータ５３を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを軸体３３回りに回動させることにより、パネル面の法線の方位角（これを以下、単に太陽電池パネルの方位角という）を独立に変更することができる。なお、基板Ｐ（図１）は軸体３３の回転軸が地球自転軸と平行になるように設置される。また、各軸体３３，３４の回転角はこれらに付設された図略のロータリエンコーダによって検出される。
【００１８】
太陽追尾センサ４３内にはそのピンホール４３１と対向するように検出面が配置されており、この検出面４３ａは図４に示すように、南北線と東西線に沿ってＡ領域〜Ｄ領域へ四等分されて、各領域からはこれに入射する光量に応じた出力が発せられる。図５には駆動制御装置の構成を示す。太陽追尾センサ４３の検出面４３ａの、Ａ領域〜Ｄ領域の出力信号はそれぞれ増幅器６１Ａ〜６１Ｄに入力して増幅され、増幅信号はそれぞれ第１〜第３演算器６２Ａ〜６２Ｃに入力する。第１演算器６２ＡではＡ領域〜Ｄ領域の全ての増幅信号が加算される。第２演算器６２ＢではＡ，Ｄ領域の増幅信号の和とＢ，Ｃ領域の増幅信号の和の比が算出される。第３演算器６２ＣではＡ，Ｂ領域の増幅信号の和とＣ，Ｄ領域の増幅信号の和の比が算出される。第１演算器６２Ａの出力はノイズ除去フィルタ６３Ａを通過後、Ａ／Ｄ変換器６４Ａでデジタル信号に変換され、ＣＰＵ６６からの信号で閾値が変更されるコンパレータ６５に入力する。コンパレータ６５の比較出力はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ１に入力している。第２，第３演算器６２Ｂ，６２Ｃの出力はノイズ除去フィルタ６３Ｂ，６３Ｃを通過後、Ａ／Ｄ変換器６４Ｂ，６４Ｃでデジタル信号に変換されてそれぞれＣＰＵ６６の入力端子Ｉ２，Ｉ３に入力している。
【００１９】
駆動モータ５３，５５はその正逆回転を行うためのリレー回路６８Ａ，６８Ｂにそれぞれ接続されており、リレー回路６８Ａ，６８ＢにはＣＰＵ６６の出力端子Ｏ１，Ｏ２からモータ正逆転指令信号が出力される。なお、軸体３３（図３）の回転角（方位角）を検出したロータリエンコーダ６７Ａの出力信号はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ４に入力している。また、軸体３４の回転角（天頂角）を検出したロータリエンコーダ６７Ｂの出力信号はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ５に入力している。さらに、風速センサ６９と、半球魚眼レンズとフォトダイオードで構成される全天照度センサ７０がそれぞれＣＰＵ６６の入力端子Ｉ６，Ｉ７に接続されている。
【００２０】
図６にはＣＰＵ６６における処理手順を示す。図６において、ステップ１０１では年月日時と装置の設置位置（緯度、経度）より太陽位置を計算する。計算の結果、太陽高度が発電可能な１５°以上になっていれば（ステップ１０２）、季節等によって異なる閾値を設定してこれをコンパレータ６５（図５）へ出力する（ステップ１０３）。ステップ１０４では、ステップ１０１で計算された太陽位置に基づいて、ロータリエンコーダ６７Ｂからのフィードバック信号を参照しつつ駆動モータ５５を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの天頂角をこの時の太陽の天頂角付近に合わせる。続くステップ１０５では、上記計算された太陽位置に基づいて、ロータリエンコーダ６７Ａからのフィードバック信号を参照しつつ駆動モータ５３を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角をこの時の太陽の方位角付近に合わせる。これにより、太陽追尾センサ４３の検出面４３ａ（図４）上のいずれかに、ピンホール４３１により形成される太陽スポット光が入射する。
【００２１】
ステップ１０６では、太陽追尾センサ４３の出力信号の大きさが閾値を越えたか否かをコンパレータ６５の比較出力より判定し、閾値を越えていれば太陽スポット光が検出面４３ａ上のいずれかに入射しているものとして以下のステップに進む。ステップ１０７では、入力端子Ｉ３に入力する信号を参照しつつ、入射する太陽スポット光Ｓ（図７参照）が上記検出面４３ａのＡ，Ｂ領域とＣ，Ｄ領域の境界に位置するように、すなわち太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの天頂角がこの時の太陽の天頂角とほぼ一致するように駆動モータ５５を作動させる。軸体３３の回転軸が地球自転軸と平行になっている場合、太陽の天頂角は一日で殆ど変化しないので、以降、駆動モータ５５を作動させる必要はない。
【００２２】
これに対して太陽の方位角は、軸体３３の傾斜角で見ると、一定の回転角速度で刻々と変化するため以下の処理を行う。すなわち、ステップ１０８では方位角追尾初期処理を行う。これは、駆動モータ５３を作動させて、太陽スポット光Ｓが検出面４３ａのＢ，Ｃ領域側（東側）へ入射するようになるまで太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄ（太陽追尾センサ４３）を方位角方向へ回動させるものである。続くステップ１０９の方位角追尾処理では、太陽が刻々と方位を変えて太陽スポット光Ｓが太陽追尾センサ４３の検出面４３ａの原点Ｘ（図７（１））、すなわち太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角と太陽の方位角が一致した点に至った後、これをＡ，Ｄ領域側へ越えてから計時を開始する。そして、例えば１分（６０秒）経過した後（図７（１）の状態）に駆動モータ５３を１秒間作動させて、太陽スポット光Ｓが検出面４３ａのＡ，Ｄ領域側から原点Ｘを越えて再びＢ，Ｃ領域側へ戻るように（図７（２））太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させる。その後、太陽の移動によって再び太陽スポット光Ｓが原点Ｘに至る（図７（３））までの時間を計時する。これが例えば４５秒だったとする。さらに計時を続けて、太陽スポット光Ｓが原点ＸからＡ，Ｄ領域へ入って１分経過した後（図７（４）の状態）に、駆動モータ５３を今度は１．１４秒間作動させて、太陽スポット光Ｓが原点Ｘを越えて再びＢ，Ｃ領域側へ戻るように太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させる。なお、上記１．１４秒は下式（１）で算出される。
【００２３】
１（秒）×２（分）／（１（分）＋４５／６０（分））＝１．１４（秒）…（１）
【００２４】
これにより、駆動モータ５３の負荷が変動しても、刻々と方位を変える太陽を追って、太陽スポット光Ｓが常に原点Ｘの左右等距離範囲（太陽の移動につれて太陽スポット光が１分間で移動する距離範囲）内にあるように太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角が間欠的に変更されて太陽を追尾する。
【００２５】
ＣＰＵ６６は所定の条件により以下の処理を行う。すなわち、風速センサ６９によって検出される装置周囲の風速が大きくなった場合には、上述した太陽追尾処理を中止して、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを図８に示すように水平姿勢へ移動させ、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄが横風を受けないように退避させる。風速が小さくなると図６のステップ１０１以下の太陽追尾処理を再開する。また、雨天等により全天照度センサ７０で検出される照度が低い場合には太陽追尾処理を行わず、照度が高くなった場合にのみ図６のステップ１０１以下の太陽追尾処理を開始する。さらに、ロータリエンコーダ６７Ａで検出される太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角が日没位置に近くなった場合（例えば真東を０°として方位角１６５°）には太陽追尾処理を停止して、駆動モータ５３により太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを日の出位置近く（例えば方位角１５°）へ回頭させる。
【００２６】
本実施形態によれば、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを、軸体３４回りに天頂角方向へ独立回動可能とするとともに軸体３３回りに方位角方向へ独立回動可能な構造としたから、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの姿勢調整が容易である。そして、一定回転角速度で刻々と移動する太陽に対して１日のうちでは太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを方位角方向でのみ追従させれば良いから追従制御が簡易なものとなる。そして、軸受け機構３を太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄのほぼ中心に位置させたから、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの重心位置を軸受け機構３の軸体３３，３４の交点付近に位置させることができ、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させる際のモータ駆動力を軽減することができる。
【００２７】
また、方位角方向への追尾制御を、サーボモータではない通常のモータの、リレーによるオンオフ間欠制御で行っているから、信頼性の高い追尾制御を安価に実現することができる。この場合、太陽電池モジュールとして太陽電池セルの前に２次光学系を有するものを使用すれば、追尾公差を大きくとることができるから、追尾制御をオンオフ間欠制御としても効率的な発電を維持することができる。そして、連続制御をする場合に比してモータ減速比をそれほど大きくする必要がないため、強風に対する太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの退避動作や発電開始位置への回頭動作を速やかに行うことができる。さらに、本構造の架台１によれば、図８の状態で、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを軸体３４回りにさらに天頂角方向へ１８０°回転させて、下向きに反転させることができる。これにより、砂嵐、降雪等によりレンズ２１１のレンズ面にキズを生じることが防止できる。また、レンズ面が下方を向いているから、これを容易に清掃することができる。
【００２８】
さらに、ロータリエンコーダ６７Ａ，６７Ｂからのフィードバック信号によって、計算された太陽位置へ太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを向けるに当たっては、太陽スポット光Ｓを検出面４３ａ上のいずこかへ入射させる程度の精度で良いから、ロータリエンコーダ６７Ａ，６７Ｂの分解能をそれほど高いものとする必要はなく、これによっても装置の低コスト化が実現される。また、軸体３３と駆動モータ５３を駆動シャフト５で連結して、駆動モータ５３を太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄ間に位置する軸受け機構３から分離したから、限られたスペースを太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄで有効に使用することができる。
【００２９】
（第２実施形態）
緯度の高い（緯度２０°以上）地域で本太陽光発電装置を使用する場合には第１実施形態で示した軸受け機構３に代えて図９に示す構造のものを使用すると良い。すなわち、図９に示す軸受け機構３においては、フレキシブルジョイント部５１を介して一端が駆動シャフト５（図１）に連結される軸体３３は、軸受けブロック３５を貫通するように設けられている。軸受けブロック３５に隣接する上方には上記軸体３３の他端に固定されて軸受けブロック３２が位置し、これに、支持枠４Ａ，４Ｂ（図１）を固定する軸体３４が上記軸体３３と直交する方向へ貫通させてある。このような構造によれば、第１実施形態における効果に加えて、軸受けブロック３２を大きく回転させることができるから、太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを方位角方向へ１８０°の範囲を越えて移動させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の集光式太陽光発電装置によれば、装置が安価に実現できるから発電原価を下げることができるとともに、太陽電池パネルの退避やスタート位置への戻しを速やかに行うことができる
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施形態における、集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図である。
【図２】集光式太陽光発電装置の装置要部の分解斜視図である。
【図３】集光式太陽光発電装置の軸受け機構の斜視図である。
【図４】太陽追尾センサの検出面の正面図である。
【図５】集光式太陽光発電装置の制御部のブロック構成図である。
【図６】ＣＰＵにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図７】太陽追尾センサの検出面の正面図である。
【図８】集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図である。
【図９】本発明の第２実施形態における、集光式太陽光発電装置の軸受け機構の斜視図である。
【符号の説明】
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…集光式太陽電池パネル、３…軸受け機構、３３，３４…軸体、４３…太陽追尾センサ、４３ａ…検出面、５…駆動シャフト、５３，５５…駆動モータ、６６…ＣＰＵ、Ｓ…太陽スポット光、Ｘ…原点。

Claims

集光式太陽電池パネルを地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させる駆動手段と、前記集光式太陽電池パネルと同方向を向きこれと一体に回動させられる検出面を備え、当該検出面上への太陽スポット光の入射位置より方位角方向での太陽の相対位置を検出する位置検出手段と、前記太陽スポット光が前記検出面上の所定位置を越えた時から一定時間経過後に、前記駆動手段を所定時間作動させて前記太陽スポット光が前記所定位置を反対側へ越えるように前記検出面を回動させ、その後、前記太陽スポット光が前記所定位置へ戻るまでの戻り時間を計測し、前記一定時間経過後に、前記戻り時間によって補正した所定時間だけ前記駆動手段を作動させる駆動制御手段とを具備する集光式太陽光発電装置。
前記集光式太陽電池パネルを天頂角方向へ回動させる駆動手段をさらに設けた請求項１に記載の集光式太陽光発電装置。
前記集光式太陽電池パネルを地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させるための第１軸体と、前記第１軸体と直交し前記集光式太陽電池パネルを天頂角方向へ回動させるための第２軸体とを設けて、これら軸体を前記集光式太陽電池パネルの中心部に配設した請求項２に記載の集光式太陽光発電装置。
前記方位角方向へ回動させる駆動手段は回転伝達手段を備え、前記第１軸体を、前記回転伝達手段を介して、前記集光式太陽電池パネルから離れた位置に設けた駆動モータに連結した請求項３に記載の集光式太陽光発電装置。