JP2005277038A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な風圧対策と剰余の太陽光を有効利用することで太陽光発電のシステムの発電単価を抜本的に下げ、農林水産に供される土地はもとより全ての土地を、その生産性、利便性を損なうことなくその土地の向き、形状に制約されることなく発電用地に変えることを実現し、太陽光発電を人類エネルギー取得の主流にすることを目的とする。
【解決手段】各種フィールド（農地、公園、水面等の人間、動物等の生活及び作業空間）の上部に、ほぼ地面に水平の棚を設け、南北に幅が狭く東西に長い棒状または翼状、板状の太陽光発電素子傾斜保持部材を太陽光発電モジュールと一体となしてできる太陽光発電体を形成して風圧対策と前記下部フィールドに対する必要光量を維持することを両立させ、前記水平棚の梁の設置方向（前記フィールドの方向に概略一致）に制限されることなく太陽光発電体を個々に真南を向ける設定ができることとした太陽光発電システム
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電体を地球上に数多く合理的に配置するものである。

太陽光発電は主に建物の屋上、屋根に設置することによってその普及が計られてきたが数十年にわたる日照を保証される屋根や屋上がマンション建設等の原因で都会では特に少なく、地方では家屋数自体が少ないので自ずと太陽光発電に対する電力業界の期待は大きくならないのが現状である。また強風対策のための強度保持、防火対策、工事に危険が伴い敷設費用がかさむ等の屋根上に置いた時の固有の問題が大きく、単位面積あたりの出力の向上を計る種々の工夫や、種々の屋根形状に対応することや、屋根材そのものに発電機能を持たせることで対応してきたが、設置費用の大幅な下落を達成していない。

一方原子力発電はどうであろうか。一気に爆発させる原子爆弾を徐々にウランを核***させることにより熱としてエネルギーを取り出すしくみは開発当初、その効果だけが宣伝され拍手喝采のもとに推進されて今日に至っている。しかしその発電によるマイナス面は計り知れない。数万年単位でも消滅することのないＴＲＵ（超ウラン元素）をはじめとする多量の毒物発生と発電や送電、変電設備へのテロ攻撃等に対する極端な脆弱性が顕在化して徐々にその存在意義が疑問視されるに至っている。また出力が大きいが故にその故障の影響は大きく同容量に近い予備の発電設備を備える必用が生じ、経済的な優位性も再考する必用が生じてきている。

原子力発電のコストは、発電端の評価でｋｗｈあたり約６円とされる価格も受電端では送電費、変電費、配電費、一般管理費、その他経費等、全てが原価に加わるのでこれらの経費を均等に水力、火力等の種類別発電量で按分し加えると約１５円強になる。原子力発電所は都会から遠く大電力を運ぶために変電費、送電費の比重も大きく、又関連する仕事量や借入金が多いために単なる按分するのでなく重さを加えて再按分するならばｋｗｈあたり１７円以上になるのは避けられないところとなる。さらに再処理費用や、高レベル核廃棄物の処分設備費用、テロ攻撃からの防護費用を加えるならば２０円を優に超え、実に各家庭に対する販売価格さえも上まることにもなる可能性がはなはだ高いのである。さらに設備の信頼性を著しく損なう応力腐食割れは、中性子を利用する装置の宿命的な問題で、その対策のために検査すればするほどさらに熱疲労の回数が増加し、さらに腐食割れが生じやすくなることから解決困難の問題として未だに解決の糸口すら見いだせていない。また高級な材料を使用して対応することはコスト上の競争力をさらに失うことは自明である。

高速増殖炉においてはさらに中性子の破壊力が増すこと、また熱応力の集中度が増し実用に供する発電方法としての水準を維持することはまことに困難な事業となることや燃料のプルトニウムを得るために使用済み核燃料の再処理を行わなければならず、一層採算が引き合うシステムにはなり得ない。

このように欠点だらけの原子力発電が２１世紀のエネルギー政策の主体である続けるひとつの大きな理由は太陽光発電を大規模に行うためには巨大面積が必用という、最大の弱点を抱えているからに他ならない。

一方水力発電は太平洋、日本海から太陽エネルギーによって蒸散した水分が日本列島に雨雪として山に降り注ぐことで莫大な位置のエネルギーが蓄積される。明治以降この日本唯一の自前のエネルギーである水力を最重点の電力源として開発されてきた。近年ダムのマイナス面、すなわち流れを遮断すること、上流の養分や土砂が海に達しない、すぐに土砂でダム湖が埋められ投資効果がない等の理由や用水の必要性が低下したこと等でダムはムダなどと極端にその効用に対する評価を失うことになっている。しかし川の流れを遮断することや上流の養分や土砂が海に達しないこと等の自然なメカニズムを破壊するマイナス面は、ダム建設の条件として上流から下流への流れを維持する貫流水路を付加し、ダムに蓄える水資源は濾した清水とする様な工夫で解消できることや、急激な電力負荷の変動に対して大きな対応力を持つことを考慮するならば、広い意味での自然エネルギーとして不動の地位を維持していくことが理にかなった２１世紀の考え方となる。

近年太陽光発電セル自体のコストは抜本的に下がったのであるが、工事費や流通経費等、他の経費がかさみ、また強風や降雹によって破壊しないための強度対策や防火対策にたいしてコストの負荷が大きく他の発電方式の発電単価に比べて競争力が未だに高いとはいえない。
特公平４−７６２３３

例えば特公平４−７６２３３のようにモジュール自体の発電量を増加するために、モーターを付けて太陽の方向を追尾するような方法も提案されたが、機構が複雑になり強風時には駆動のためのロッドやピンに応力が集中することや、それを防ぐ対策にはさらに風速を検知し、パネルの向きを自動制御する考慮が必用とならざるを得なく、さらに夜間の強風時の対応を考えるならばモータ駆動のための給電が必用で、駆動用電池や系統からの買電のための電力計も追加することになりに実用化の障害になって費用対効果を満足しない。また田畑の区割りが南北に方向の合致していない場合が多く、真南に短冊状モジュールの向きを合わせるためには機構上パネル全体を向けなければ対応できないので大規模な発電に向いたものにはなりにくい。
特開２０００−２４６２８７ 特開２００２−３７１９４７ 特開２００２−２８１７７３

特開２０００−２４６２８７や特開２００２−３７１９４７、２００２−２８１７７３においては水面に浮上するフロート上に太陽光発電体を設置することが提案されているが水面自体を覆うことにより大面積なものを設定すれば漁業権を侵害することや水上のゴミ等による汚染に対する処置に問題が残り普及するに至りにくい。
特公３２２７５２４

特公３２２７５２４においては、太陽電池と太陽光を拡散させる拡散レンズを所定の面積比で配列して下部の植物栽培と発電の両立することを指向したが、側面を開放すればフレンネルレンズを含めた光発電屋根に加わる風圧が強大に加わることで、その破壊に耐えるためには駅のプラットホーム屋根を作るような強固な工事が必用になること。また請求項３のように側面を閉じれば風圧に対して家屋に等しい構造が必須となり、わずかな電力や光を得ることに対してとうてい経済的に成り立たつものになり得ないことは明白である。

本発明は、上述の実情を鑑みてなされたものであって、簡易な風圧対策と剰余の太陽光を有効利用することで太陽光発電のシステムの発電単価を抜本的に下げ、農林水産に供される土地はもとより全ての土地を、その生産性、利便性を損なうことなくその土地の向き、形状に制約されることなく発電用地に変えることを実現し、太陽光発電を人類エネルギー取得の主流にすることを目的にしている。

一般的に農業生産物は太陽光を一切遮断しないで生産されるのが通常であるがその生産に必用な受光量の最小値の解明は充分にされていない。春夏の強い陽光は過剰の水分蒸散を招き植物育成に有害なことは花卉栽培等では周知である。しかし減光することが一般農産物や水産物では経済的でなく、過剰な灌漑用水の消費によって克服してきた。この余剰の陽光を利用することを骨格として、各種フィールド（農地、公園、水面等の人間、動物等の生活及び作業空間）の上部に、ほぼ地面に水平の棚を設け、南北に幅が狭く東西に長い棒状または翼状、板状の太陽光発電素子傾斜保持部材２を太陽光発電モジュール１と一体となしてできる太陽光発電体１’を形成して風圧対策と前記下部フィールドに対する必要光量を維持することを両立させ、さらに前記水平棚の梁の設置方向（前記フィールドの方向に概略一致）に制限されることなく前記棒状、翼状板状の太陽光発電体を個々に真南を向ける設定ができることを骨格とし、その構成部品数を少なくかつ軽くして、耐久性のある堅固で安価な太陽光発電体群を形成する。

水田、畑、牧草地、内水面、休耕田等、全ての生産用土地を広く太陽光発電体群で覆うことが出来るので、その需要は極度に拡大し量産効果が最大限出て普及を促進できる。全国水田面積の３割、約１００万ヘクタールの水田にこのシステムを実施すると、その発電電力量は年間約３４００億ｋｗｈに達することが期待できる。この発電電力量は１００万ｋｗクラスの原子力発電所５１基分が発電する量に匹敵するのである。この発電量を石油資源で行うならば実に７０００万トン以上の石油消費を補う純国産エネルギーとなる。日本の農地は全体でおおむね４５０万ヘクタールもあるので雪の少なく夏期に充分な陽光を期待できる関東以南の地域を重点的に敷設することによって、２１世紀の基幹エネルギーとしての位置付けが可能となる。また世界各国においてもその普及は期待できるところである。

さらにこの棚の副次的効用として害虫や鳥害の防止用ネットを効果的に設置できることになるので防除のための薬剤散布が減少できまた常時走行自動カメラ等で病害、虫害の発生状況をピンポイントで把握出来るので農薬の絶対使用料をさらに少なくした、安心で美味の作物の生産が容易になる。またヘリコプター農薬散布のように農薬による公害発生の危険を回避できる。

また太陽光発電装置を購入しようと思っても自己の屋根が太陽光発電には適さない人や、あるいは貸家住まいやマンションで屋根を持たない数千万所帯は全国に数多く存在するので各家庭で購入できる規模、すなわち３から５ＫＷの出力ごとにモジュール群を分けて個々にコンディショナー（系統連携用図示略）を通して系統に送電する基本単位を決め、この基本単位を前記フィールド上に設置された水平棚を利用する権利を賃貸させることで民間の力による太陽光発電装置普及が促進できる。太陽光発電装置の生産量は拡大しｋｗあたり設置費用が３０万円以下になれば年金や郵貯、銀行等の財産を集め管理運用する側の運用先として期待されることにもなり、また農家が自前で発電設備を得て収入源にすることが作柄や農業生産品の売価の影響を緩和する良い投資手段になる得る。

農家収入は米で反収１０万円と言われている。１反の田の上部に本案の太陽光発電システムの出力を３ｋｗ得られるよう敷設すれば、屋根上の発電所１０軒分の収入、すなわち年間約６５万円売電料金が得られる。水平棚の賃貸料を１軒あたり５０００円／年を受け取ることにすれば反収５万円が加わることになり、労せず５０％の増収が見込める。さらに前述の防虫ネットや防疫管理が理想的に行うことで減農薬の品質の高い米の生産につながり単位売価を高く出来ることでさらなる増益が期待できる。

太陽光発電の総合コストを下げるために従来はおもに発電セル（シリコンと電極の発電体そのもの、太陽電池セル）の価格を下げることが重要視され各種の電池材料が検討されてきた。しかし実際には全体の原価構成寄与率を見れば明らかなように、セルを連結しモジュールにする過程において耐候性対策、耐風対策、降雹対策、防火対策のためや、屋根上に取り付ける設置費、また流通経費にも多くのコストが費やされているのが現状である。第一に重要なことは耐風性を簡易に向上することで、従来の様に風圧を受けたときに飛びやすく、また飛んだときにエネルギーをたくさん保持する畳形のパネル形状を、棒状、翼状にして風圧力を分散して設置部材を最低限にする工夫を行い、さらに設置工事自体を屋根上から地面に移し農事作業や日曜大工工事に匹敵する安易な工事として設置者自らが行えるようにすることで高価な工事費は削減できる。

比較的日当たりが悪くても耐えられるイチゴ、ネギ類、ソラマメ、エンドウ、ハクサイ、キャベツ、サンショウ、ユリ、ホウレンソウ、サラダ菜、シュンギク、パセリ、ウド、菜類などにおいては当然太陽光発電モジュール間の間隔を狭くして発電電力量をより多く求めることが可能であることは言うまでもなく、前記間隔が圃場条件に合わせて自由になることが適切な機能である。また極端に日照不足が懸念される天候不順の年には太陽光発電モジュールによる日陰が最少になるような調整が出来る機能も高緯度地方には重要になる。

また風速６０ｍの風や降雹、落雷、竜巻のような希有の例外に対応することを重視しすぎて、その対策に費用を費やすようなことは避け、ある水準以上は保険で保障していくこともトータル費用を少なくするための必要な考え方である。

本案の最良の形態は図１のような断面形状をもつ棒状の太陽光発電モジュール設置部材２に太陽光モジュール１を貼付またはひも状、テープ状のもので固定し、田畑の上に設置された図２のような水平棚の上部に下の作物に極端な減収を与えない範囲の設置ピッチで取り付けたものである。前記、棒状になっている太陽光モジュール１の南北方向の幅は作物等の葉の茂る幅以下が望ましく稲などの場合は太陽電池セル（最小単位））一列の幅約１５ｃｍ程が推奨される。このようにして陰の出来る幅が作物の大きさに対して狭ければ太陽の高さも一日の内に定期的な変化を持つことと合わせ、作柄への影響は最小限止めることが出来る。一般的に厳密に真南を向いた一辺を持つ田畑は例外となるので本案を設置した田を真上から見た第３図のように、前記棒形の太陽光発電体１’は南に向け、配列方向は梁の方向に合わせて北へYだけ離し西にXだけずれた配列（雁行状）に並べる。またその固定は弾性ゴムバンドや縄等（図示無し））によって水平棚に摩擦力で固定することが部品製作の共通性や作業性から推奨される。

また前記モジュール１と太陽光発電モジュール設置部材２との締結形態は雨水等がゴミを含み流れ落ちる際に下部にたまらないように、平面を維持することが望ましいので棒状の太陽光発電モジュール設置部材２に発電モジュール１を載せて適宜に透明接着テープや樹脂バンド（図示無し）等を巻いて固定することが望ましい。各モジュールから引き出されるリード線は、棒状に押し出され成形される太陽光発電モジュール設置部材のモジュール設置面にリード線等を引き回す溝部３を持つことが配線の処理に好都合である。断面形状は緯度やその目的によって種々最適な形状が考えられる。図４、５は太陽光発電モジュール設置部材が比較的高緯度地方に適した形であり運搬、梱包上体積が大きくならないようスタック出来る形が選ばれた例となる。

さらに太陽光発電モジュール１は従来から寿命を最優先に構造や材質を設定されてきたがセル自体の厚さを極限に薄くして、作成のための使用エネルギー自体が非常に少ない仕様のものはセル本体のＥＰＴ（エネルギーペイバックタイム）も１年に満たないほど短期になるので、構造部材とは異なり、長期に使用することを念頭にした頑強な作りよりも短期間で交換して使用を前提にした構造にすることが、性能向上やコストダウンの恩恵をいち早く享受出来ることになる。このような場合シート状のフィルム間に電池セル本体をラミネート加工しただけの太陽電池モジュール１が推奨される仕様となる。

一般的な田の大きさの設置例を図６によってすると、１枚の田は短辺が３０ｍ長辺が１００ｍである。田の中に支柱を設けないためには３０ｍスパンの梁を合理的に作らねばならない。梁９１を１０ｍ定尺のパイプ鋼材を切らずに中央に配置し同じ材９２，９３を合理的に接合部材９６及び９７、９８によって組み立てられるので運送費等が最少で済むと共に溶接も使用しないので変形も無く防錆効果の維持も容易である。この棚部材は部品を購入して水田の所有者が管理維持することが防虫網の設置、あるいは管理用の空間移動キャリアの実用化にもつながるので推奨される。必用に応じて水平棚９は倒伏を防止する補強張り綱（図示なし）を用いればよい。

図６のように水平棚９の下部には走行キャリアー（図示無し）用のレール９９が設置され監視カメラや防除機をスキャンすることによって家にいながら葉の色調を分析することから防除を適切に最小限行うことにより病虫害の発生に対しても合理的に対応できる。

図７に示す例は実施例１と異なり水平の棚２に直接棒状の太陽光発電体１’を取り付けるのでなく太陽光発電モジュール１を図８、９のように断面形状を翼状にした太陽光発電モジュール設置部材２に組み付け全体を回動出来るように図１０のＰ１点でベアリングを介して支持し、ばねを支点Ｐ２とＰ３点の間で張ることにより受光面を所定の角度を維持するようにした。上から見た図７によって組み立て状態を説明すると、太陽光発電モジュール設置部材２にパイプ状の軸４を挿入し、両側を固定部材６によって位置決めし前記軸４は軸受け付き支持部材１１によって軸受け（図示無し）によって回動自在な状態を作り、前記支持部材１１に一体になったアーム５の先端にあるピン（図１０のＰ３）を方向設定ばね７の一端とし、前記固定部材６と一体のピン（図１０のＰ２）を他端として前記ばね７を張って翼形太陽光発電体１’を所定の方向に向け、前記軸受け付き支持部材１１は水平棚９にゴムバンド（図示無し））等で締め付けられ水平棚に設置される形になる。

このようにすることにより強い南風が吹けば第１１図のように、北風が吹けば第１２図のように翼形は流線の方向に約水平になることが出来、翼形の小さなＣＤ値（抗力係数）が有効に働き太陽光発電モジュール傾斜保持部材２や水平棚９の風力による負荷を最低限にすることが出来、全体の設置コストを下げることに貢献できる形となる。またこのばねの支点Ｐ２またはＰ３点を変更すれば日照不足が懸念されるときに下部フィールドに届く光を増加できるので極端な日照不足の年にも対応できる。

内水面２０等浮かぶ水平棚９に棒状の太陽光発電体１’を載せ、前記水平棚は周囲にフロート１０を持ち水面下に補強枠体１１と流れ止めのアンカー２１によって底２２に係留される。このように構成することでこの発電システムの内部水面に自由に船舶が通行できシステムの保守管理や漁業等の作業に支障を来さない。また発電体１’は水面から離れているので各種の汚れや水草や蘚苔類の進入に対する抵抗力が高い。

２０世紀核融合の原理が発見されるに及んで理想のエネルギー源は「クリーンで無限のエネルギー」のキャッチフレーズで広く漫画にまで登場し、誰もが２１世紀の初頭には実用されると思っていた。ところがいざそれを地上で実現しようと具体的に検討してみると太陽の内部の反応である水素原子同士の核融合反応は天文学的に遅く地上における発電には使用できないことが判明した。さらに海水の中に多量に存在する重水素による核融合も検討されたが、核融合反応を持続するためのしきい温度は非常に高く、これも実用にそぐわないことで、当面の目標から外されてしまった。今日、人類が世界規模で実験炉の計画を立て誘致合戦しているものは放射性水素（トリチウム）を利用したＤ−Ｔ反応炉なので「地上に太陽」などという表現は実情に全く当てはまらない不当表示である。残念ながらＤ−Ｔ反応は核融合維持温度が低い利点はあっても大量の中性子の照射を炉材に受けることは避けられず、炉自体の内壁を常に交換することを前提にしなければ成り立たない。さらに前記放射性水素トリチウムは水素の同位元素がゆえにあらゆる生命体に壊滅的な損傷を与える危険物質、猛毒物質であるのでその封じ込めが大前提となる。しかし配管上の円形のシール面からさえ長時間には地震や熱疲労、材質の劣化等の原因で漏れを防ぐことの出来ないでいる今日の人類が、核融合計画炉のような三日月形のシール面から漏れを無くすことはまさに「言うは安く行うは難し」であり、希望的な観測だけで推進することの妥当性は今後よく検証していかなければならない。

たとえこの困難さを新しい工夫で克服しても巨大な発電用核融合炉はその巨大さ故にテロ攻撃の対象にされやすく、爆発を含め故障や点検時の影響は計り知れず、さらに別の始動用、保証用の発電設備を準備しなければならないので、軽水炉以上に競争力のある発電設備になることは期待できない。２０世紀は巨大な物は正義であったが混沌とする人類社会においてはひとつの破壊工作が致命的にならない工夫が要求される。発電施設の理想の姿を人体に例えれば、動脈瘤や心筋梗塞、脳卒中のように、その器官が損傷を受けたときに死に至るようなものでなく、皮膚の擦り傷のように部分的な被害を被るだけで済むようなエネルギー源を恒常的に指向することが必用なのである。

本案は太陽光発電を普及させるために必用な広大な面積を確保することが解決されるばかりでなく、農業生産物や水産物の生産現場での過剰の陽光を防止して干ばつや赤潮の被害を軽減でき、また乾燥地帯においては水分の蒸散を減少させ保水力を改善して緑化を促進できるので２１世紀の世界のニーズに応えるものである。現在の世界のエネルギー消費全体をまかなう太陽光発電装置の必用面積は概略１０００ｋｍ四方、すなわちオーストラリアの砂漠地帯の中にそれはすっぽりと収まる大きさであることを共通認識にしていかなければならない。

主に台風の襲来が多い低緯度地方向けの棒状太陽光発電体の断面図 本案を実施した水田の斜視図（コーナー部の拡大表示） 本案を実施した水田の平面図で梁の方向と太陽光発電モジュールの向きの違い の説明図 主に積雪が多い地方向けの棒状太陽光発電モジュールの断面図 比較的高緯度地方向けの棒状太陽光発電体の断面図の他の例 水田に設ける水平棚の立面図の代表例（センターラインから左側を拡大表示） 翼状太陽光発電体群を上空より見た構造説明図 翼状太陽光発電体の断面図の一例 翼状太陽光発電体の断面図の他の実施例 翼形断面の太陽光発電体を入射方向に向ける機構説明図 図１０の太陽光発電体が強い南風を受けたときの説明図 図１０の太陽光発電体が強い北風を受けたときの説明図 水面上に設置した場合の説明図

符号の説明

１ 太陽光発電モジュール（セル群））
２ 太陽光発電モジュールを支持する構造部材で太陽光発電モジュール設置 部材と称するもの
１’ 上記１と２の集合体
３ 発電電力を引き出すリード線を通すスペース又はリード線
４ 翼体の中に貫通する軸部
５ ばね７を張るための固定側の支点を維持するアーム
６ 翼体を両側で支持位置決めする押さえ部材
７ 太陽光発電モジュールを基準角に向けるばね
９ 水平棚全体
１０ フロート
１１ 水面下の枠体
１２ 間筒（隙間調節部材））
２０ 水面
２１ アンカー索体
２２ 底
３１ 畦
９１〜９５ 水平棚を構成する棒
９６〜９８ 上記棒を連結する継ぎ手
９９ 水田上をスキャニングするキャリアーが使用するレール

Claims (3)

1. 各種フィールド（農地、公園、水面等の人間、動物等の生活及び作業空間）の上部に、ほぼ地面に水平の棚を設け、南北に幅が狭く東西に長い棒状または翼状、板状の太陽光発電モジュール傾斜保持部材２を太陽光発電モジュール１と一体となしてできる、太陽光発電体１’各々を、下部フィールド８に光を供給するための南北の間隔Yを前記フィールド条件に合わせて自在に設定可能にし、かつ前記水平棚の梁方向（前記フィールドの短方向に概略一致）に制限されることなく前記棒状、翼状板状の太陽光発電体１’の受光面をほぼ真南を向けたまま東西方向のずれXを自在に設定ができることを特徴にする太陽光発電システム。
2. 前記太陽光発電モジュール傾斜保持部材２が強風時の強度を少ない部材で維持できるように、もっぱら風力自体によって風圧を減少できる姿勢になることが可能な前記太陽光発電システム。又は風力によって風圧を減少できる姿勢を取った後、風速が落ちた時点で元の姿勢に自動復帰可能な前記太陽光発電システム。
3. 水面等に浮かぶ水平棚９に棒状の太陽光発電体１’を陽光の一部が水面に達するように所定の距離を開けて載せ、前記水平棚は周囲にフロート１０を持ち前記発電体１’の下部に自由に船舶の進入が可能な水面上太陽光発電システム。