JP2004153202A - 集光式太陽光発電装置 - Google Patents
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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
【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。
【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 (4)
- 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。
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