JP2014232739A - 太陽光発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置を提供する。【解決手段】本発明の太陽光発電装置１は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材４と、集光部材４の端面に設置されて端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュール２と、太陽の運動に対応して太陽電池モジュール２を傾斜させる追尾装置３と、を含み、追尾装置３が、太陽電池モジュール２を、互いに交差する複数の回転軸ＲＬ１，ＲＬ２を中心に回転させる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電装置に関するものである。
太陽光発電装置において、大きな発電量を得るためには太陽電池への入射光量を増加させる必要がある。入射光量を増加させる一つの手段として、レンズを用いた集光型の太陽電池装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。この太陽電池装置は、複数の集光レンズと、複数の太陽電池セルと、架台と、位置検出センサと、架台駆動手段と、を備えている。複数の太陽電池セルは、複数の集光レンズの焦点上にそれぞれ配置されている。位置検出センサは、架台上の一つの集光レンズの焦点に対応する位置に設けられている。架台駆動手段は、位置検出センサの中央に集光スポットが形成されるように架台を移動させるものである。
特開平９−１４８６１０号公報
特許文献１に記載の太陽電池装置の場合、集光レンズを用いて太陽電池セルに太陽光を集光しているため、位置検出センサを用いて太陽の運動に応じて集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせる必要がある。しかしながら、集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせるのは現実的には難しい。これらの位置合わせに僅かな誤差が生じただけでも、発電量が大幅に減少するという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の太陽光発電装置は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、太陽の運動に対応して前記太陽電池モジュールを傾斜させる追尾装置と、を含み、前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを、互いに交差する複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを第１の回転軸を中心に回転させるとともに、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させる駆動部と、１年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を含み、前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度を求め、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを所定の間隔で間欠的に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する第１の部材を内蔵する第１の可動部と、外部からの光の照射に伴って体積もしくは形状が変化する第２の部材を内蔵する第２の可動部と、を備え、前記第１の可動部が、前記第１の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第１の回転軸を中心に回転させ、前記第２の可動部が、前記第２の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第２の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光が入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記形状集光板が、断面が三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、前記複数の回転軸には、前記構造体の延在方向と平行な回転軸が含まれていることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明によれば、発電効率の低下を抑えることが可能な太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 同、太陽光発電装置の断面図である。 太陽の運動を説明するための図である。 太陽光発電装置における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 同、太陽光発電装置の追尾装置を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態の太陽光発電装置を示す断面図である。 比較例の太陽光発電装置における年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。 本発明の第３実施形態の太陽光発電装置における年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。 同、太陽光発電装置の変形例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態の太陽光発電装置を示す断面図である。 １年間の日射量の推移を示すグラフである。 第４実施形態の太陽光発電装置の変形例を示す断面図である。 本発明の第５実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 同、太陽光発電装置において太陽の年周運動に対応した可動部の動作を示す斜視図である。 同、太陽光発電装置において太陽の日周運動に対応した可動部の動作を示す斜視図である。 １年間の平均気温の変化を示すグラフである。 １年間の太陽の南中高度の変化を示すグラフである。 第５実施形態の太陽光発電装置の第１変形例を示す斜視図である。 同、第１変形例の太陽光発電装置において太陽の年周運動に対応した可動部の動作を示す斜視図である。 同、第１変形例の太陽光発電装置において太陽の日周運動に対応した可動部の動作を示す斜視図である。 同、太陽光発電装置の第２変形例を示す斜視図である。 太陽光発電装置の全体構成を示すブロック図である。
[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態では、太陽の運動（年周運動及び日周運動の双方の運動）に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例を挙げる。
図１は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿う太陽光発電装置の断面図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態の太陽光発電装置１は、図１に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール２は、図２に示すように、集光板４（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。太陽電池モジュール２では、集光板４から採り入れた太陽光を集光板４の端面に設けた太陽電池素子５に導き、太陽電池素子５にて光電変換を生じさせ、太陽光を電気エネルギーとして取り出す。集光板４は、後述するように、主面の法線方向から見た平面形状が長方形状の透光性を有する板体で構成されている。太陽電池素子５は、集光板４の４つの端面のうちの１つの端面に設置されている。集光板４と太陽電池素子５とは、アルミニウム等の金属製のフレーム６の内部に収容された状態で固定されている。
集光板４の内部において、光Ｌは、概ね太陽電池素子５が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子５が配置された側の端部に向けて伝播する。したがって、以下の説明では、集光板４の太陽電池素子５が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子５が配置された側の端部に向かう方向を「光の伝播方向Ｘ」と称する。以下、各図面においては、集光板４の主面を水平に配置した状態において、光の伝播方向Ｘをｘ軸方向とし、主面に平行でかつ光の伝播方向Ｘに垂直な方向をｙ軸方向とし、集光板４の厚さ方向をｚ軸方向とする。
集光板４は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料によって構成されている。ただし、集光板４の材料はこれらの材料に限定されるものではない。集光板４の２つの主面４ａ，４ｂのうち、フレーム６の底板に対向する側の主面４ｂには、主面４ｂに垂直でかつ光の伝播方向Ｘに平行な仮想平面（ｘｚ平面）で切断した断面が三角形状の凸条７（構造体）が複数形成されている。凸条７のそれぞれは、主面４ｂに平行でかつ光の伝播方向Ｘに垂直な方向（ｙ軸方向）に延在している。
１つの凸条７を構成する２つの面７ａ，７ｂのうち、第１面７ａは主面４ｂに対して３０°の角度をなす傾斜面となっており、第２面７ｂは主面４ｂに対して垂直な面となっている。言い換えると、第１面７ａは、第２面７ｂに対して６０°の角度をなす傾斜面となっている。図２に示すように、集光板４の２つの主面４ａ，４ｂのうち、凸条７が形成された主面４ｂとは反対側の主面４ａ（フレーム６の底板と対向しない側の主面）は、太陽光を入射させる面となる。本実施形態の集光板４は、光を入射させる主面４ａと反対側の主面４ｂに、入射した光Ｌを反射させて当該光Ｌの進行方向を変更する反射面（第１面７ａ）が設けられた形状集光板である。
本実施形態の場合、凸条７は、集光板４自体が加工され、集光板４と一体に形成されている。凸条７は、例えば元々平坦な集光板４の主面４ｂを切削加工することによって形成することができる。あるいは、凸条７の形状を反転させた凹形状を有する金型を用いて樹脂の射出成形を行うなどの方法によって凸条７を形成しても良い。
以下、説明の便宜上、集光板４の６つの面のうち、光を入射させる主面（図２におけるｘｙ平面に平行な面）を第１主面４ａと称する。第１主面４ａと対向する面であって凸条７が設けられた面を第２主面４ｂと称する。第１主面４ａおよび第２主面４ｂに垂直な面であって光を射出させる面（図１におけるｙｚ平面に平行な面）を第１端面４ｃと称する。第１端面４ｃと対向する面を第２端面４ｄと称する。
集光板４と太陽電池素子５とは、図２に示すように、集光板４の第１端面４ｃと太陽電池素子５の受光面５ａとが対向するように隣接して配置されている。集光板４と太陽電池素子５とは、光学接着剤等により直接固定されていても良い。もしくは、集光板４と太陽電池素子５とは、直接固定されておらず、フレーム６に収容されることで相互の位置が固定される構成であっても良い。
集光板４の第１主面４ａに対して太陽光Ｌが入射角θ０で入射したとすると、太陽光Ｌは第１主面４ａにおいて屈折角θ１で屈折して集光板４内に入射する。その後、凸条７の第１面７ａに入射角θ２で入射した光は、反射角θ２で全反射し、第１主面４ａと第１面７ａとの間で全反射を繰り返しながら集光板４内を伝播し、太陽電池素子５に導かれる。このとき、第１面７ａへの光の入射角θ２は集光板４の第１主面４ａの傾きに応じて変化する。そのため、第１面７ａに入射する光Ｌの入射角θ２が第１面７ａと空気との界面における臨界角以上となって光Ｌが全反射するように、集光板４の第１主面４ａの傾きを予め設定する。
太陽電池素子５としては、公知のものを使用することができ、例えばアモルファスシリコン太陽電池素子、多結晶シリコン太陽電池素子、単結晶シリコン太陽電池素子等、種々の太陽電池素子を用いることができる。特に、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ等の化合物系太陽電池素子、もしくはＳｉ、ＩｎＧａＡｓ等の量子ドット太陽電池素子を用いることが望ましい。太陽電池素子５の形状および寸法は、集光板４の第１端面４ｃ内に収まる形状および寸法であれば特に限定されることはない。
追尾装置３は、太陽電池モジュール２の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、４つの駆動部８と、制御部９と、を備えている。各駆動部８は、平面視矩形状の太陽電池モジュール２のフレーム６を裏面から支持しており、４隅近傍に設けられている。言い換えると、４つの駆動部８は、太陽電池モジュール２において北東、南東、北西、南西の方位にそれぞれ対応する位置に配置されている。
本実施形態では、太陽光発電装置１を北半球で用いることを前提に説明する。第１の仮想軸（第１の回転軸）ＲＬ１は、凸条７の延在方向と平行になっている。第１の仮想軸ＲＬ１は、日の出および日の入りの方向、すなわち東西方向に向けて延在している。したがって、太陽電池モジュール２は、第１の仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を含む面内で回転する。
一方、第２の仮想軸（第２の回転軸）ＲＬ２は、凸条７の延在方向と直交している。第２の仮想軸ＲＬ２は、日の出および日の入りの方向と直交する方向、すなわち南北方向に向けて延在している。したがって、太陽電池モジュール２は、第２の仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を含む面内でも回転する。
各駆動部８は、フレーム６の底面の４隅近傍に当接するように配置されている。駆動部８は、鉛直方向（矢印Ｚ方向）に昇降動作を行う電動アクチュエータであり、昇降動作を行うことで太陽電池モジュール２を回転させる。駆動部８は、電動のものに限ることはなく、少ないエネルギーで駆動できるものが好ましい。
制御部９は、駆動部８の昇降動作を制御するものである。制御部９は、時計（経時手段）と、１年の中での日付（月日）もしくは時刻（日の出の時刻から日の入りの時刻）と太陽電池モジュール２の回転角度とを関連づける相関データと、を備えている。制御部９は、太陽光発電装置１の使用時の日付もしくは時刻と相関データとに基づいて太陽電池モジュール２の最適な回転角度（第１の仮想軸ＲＬ１における回転角度及び第２の仮想軸ＲＬ２における回転角度）を求め、その回転角度に基づいて駆動部８に駆動信号を出力し、太陽電池モジュール２を各仮想軸ＲＬ１，ＲＬ２を中心に回転させる。太陽電池モジュール２の回転角度（第１の仮想軸ＲＬ１回りの回転角度、第２の仮想軸ＲＬ２回りの回転角度のそれぞれの回転角度）の精度は３°以内であることが好ましい。
各駆動部８の駆動に必要となる太陽の位置情報は、１年の中での日付（月日）もしくは時刻（日の出の時刻から日の入りの時刻）、太陽光発電装置１を設置している緯度、経度により得られる。なお、フレーム６に太陽光を検出する検出器を設置することにより測定してもよい。もしくは、別途設置した太陽追尾装置（例えば、英弘精機株式会社製ＳＴＲ−２１）により得ることもできる。
ここで、太陽の運動について図３を用いて説明する。
太陽の運動には、年周運動と日周運動とがある。年周運動は、１年の中で北半球においては夏に太陽の南中高度が最も高くなり、冬に太陽の南中高度が南の方角に低くなるというように、太陽が南北方向に移動して南中高度が変化する運動である。また、日周運動は、１日の中で太陽が日の出の時刻とともに北半球においては略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む運動である。
年周運動について考えると、太陽が南中時に天頂にある場合を南中高度９０°とした場合、地球上の緯度Ｅ［°］の地点における南中高度Ｎ［°］は、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）において、Ｎ＝９０°−Ｅ＋２３．４°で表され、１年の中で南中高度が最も低い日（冬至）において、Ｎ＝９０°−Ｅ−２３．４°で表される。したがって、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）と南中高度が最も低い日（冬至）との間では、太陽の軌道は南北方向を含む面内で約４７°回転する。例えば東京は概ね北緯３５°であるから、夏至における南中高度はＮ＝７８．４°であり、冬至における南中高度はＮ＝３１．６°である。
日周運動について考えると、１日の中で太陽が日の出の時刻とともに略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む間において、太陽の軌道は東西方向を含む面内で約１８０度回転する。すなわち、１時間の中で太陽の軌道は東西方向を含む面内で約１５度回転する。
本実施形態の太陽光発電装置１は、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させている。そのため、太陽電池モジュール２は、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）と南中高度が最も低い日（冬至）との間で南北方向を含む面内で約４７°回転するとともに、１日の中で太陽が略東の方角から昇り略西の方角に沈む間で東西方向を含む面内で約１８０度回転する。
本実施形態の太陽光発電装置１においては、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させているため、太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に応じて最も大きな発電量を得られる状態を維持することができる。
従来の太陽光発電装置は、集光レンズを用いて集光レンズの焦点位置に配置した太陽電池素子に太陽光を集めていた。そのため、太陽の位置に対する集光レンズの位置合わせに高い精度が要求され、位置合わせにずれが生じると、発電量が大幅に減少するという問題があった。
これに対し、本実施形態の太陽光発電装置１は、複数の凸条７を備えた集光板４を用いて太陽光を集める構成のため、太陽の位置に対する集光板４の位置合わせにそれ程高い精度が要求されず、大まかな追尾で済む。したがって、本実施形態の太陽光発電装置１によれば、太陽の運動によらずに安定した発電量を得ることができる。また、本実施形態の太陽光発電装置１は簡易な追尾装置を備えれば良いため、製造コストを低減することができる。さらに、固定型の太陽光発電装置に比べて、太陽電池素子５の使用量を少なくすることができる。
図４は、本実施形態と同様の太陽光発電装置において、追尾を行わなかった場合の年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。図４において、横軸は太陽の年周運動角度［°］、縦軸は集光効率［％］、を示す。パラメータとして、太陽の日周運動角度［°］が０°の場合、３０°の場合、６０°の場合、の３種類を採用した。
なお、年周運動角度は、図３に示すように、地表上の地点Ａから天頂Ｔに延びる直線を基準として、地点Ａと南中時の太陽の位置Ｃとを結ぶ直線がなす角度のことである。日周運動角度は、地点Ａと南中時の太陽の位置Ｃとを結ぶ直線を基準として、地点Ａと日中の任意の時刻での太陽の位置Ｃ１とを結ぶ直線がなす角度のことである。集光効率は、集光板４の第１主面４ａに入射した太陽光の光量に対する第１端面４ｃに到達した太陽光の光量の割合である。
図４に示す集光効率の３本の曲線から平均値を計算すると、追尾を行わなかった場合における集光効率は１８．４０％であった。また、一軸追尾（第１の仮想軸ＲＬ１を中心に回転させる追尾）を行った場合における集光効率は２１．２４％であった。
これに対して、本実施形態に係る二軸追尾（第１の仮想軸ＲＬ１及び第２の仮想軸ＲＬ１の双方の仮想軸を中心に回転させる追尾）を行った場合には、各曲線において集光効率が最も高い状態を維持することができる。具体的には、日周運動角度が０°の場合には年周運動角度が２０°付近の集光効率が最も高い状態、日周運動角度が３０°の場合及び６０°の場合には年周運動角度が１０°付近の集光効率が最も高い状態、をそれぞれ維持することができる。その結果、集光効率を４３．５１％に向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの回転機構（追尾装置の構成）が異なるのみである。
図５は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図５において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置１４は、図５に示すように、太陽電池モジュール２と、２つの駆動部（第１の駆動部１１、第２の駆動部１２）と制御部１３とからなる追尾装置１０と、を備えている。
図６は、本実施形態の太陽光発電装置の追尾装置を示す斜視図である。図６は、太陽光発電装置を背面側から見た状態を示している。
第１の駆動部１１は、図６に示すように、棒状の支持部材（スピンドル）１１１と、第１のモーター１１２と、連結部材１１３と、を有する。スピンドル１１１は、太陽電池モジュール２をフレーム６の裏面側から支持する。スピンドル１１１は、連結部材１１３により第１のモーター１１２に連結されており、第１のモーター１１２の回転に従って回転する。
このような構成により、第１の駆動部１１は、第１のモーター１１２の回転軸（第１の回転軸）ＲＬ１１を中心として回転する。これにより、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動の方向（南北方向）を向くように回転させる構成となっている。
第２の駆動部１２は柱状の支持部材（スクリューシャフト）１２１と、第２のモーター１２２と、台座１２３と、を有する。スクリューシャフト１２１は、第１の駆動部１１を第１のモーター１１２の下面側から台座１２３で支持する。台座１２３は、第２のモーター１２２の上端に固定されており、第２のモーター１２２の回転に従って回転する。第２のモーター１２２の台座１２３が設けられた側と反対側の部分は、スクリューシャフト１２１の内部に回転可能に収容されている。
このような構成により、第２の駆動部１２は、第２のモーター１２２の回転軸（第２の回転軸）ＲＬ１２を中心として回転する。これにより、太陽電池モジュール２を太陽の日周運動の方向（東西方向）を向くように回転させる構成となっている。
制御部１３は、第１の駆動部１１の回転動作、第２の駆動部１２の回転動作を制御するものである。制御部１３は、時計（経時手段）と、１年の中での日付（月日）もしくは時刻（日の出の時刻から日の入りの時刻）と太陽電池モジュール２の回転角度とを関連づける相関データと、を備えている。制御部１３は、太陽光発電装置１４の使用時の日付もしくは時刻と相関データとに基づいて太陽電池モジュール２の最適な回転角度（第１の回転軸ＲＬ１１における回転角度及び第２の回転軸ＲＬ１２における回転角度）を求め、その回転角度に基づいて第１の駆動部１１、第２の駆動部１２のそれぞれに駆動信号を出力し、太陽電池モジュール２を各回転軸ＲＬ１１，ＲＬ１２を中心に回転させる。
第１の駆動部１１、第２の駆動部１２は、制御部１３によって求められた最適な回転角度に基づいて太陽電池モジュール２を所定の間隔で間欠的に回転させる。例えば、第１のモーター１１２、第２のモーター１２２としてＤＣモーターを用いる。太陽電池モジュール２を、回転軸ＲＬ１１を中心に、１月毎に約８°回転させ、回転軸ＲＬ１２を中心に、４０分毎に約１０°回転させる。第１のモーター１１２、第２のモーター１２２の停止中は、スピンドル１１１とスクリューシャフト１２１とが固定され、太陽電池モジュール２の傾きが固定される。
なお、第１の駆動部１１、第２の駆動部１２を間欠的に駆動させる際には、第１のモーター１１２、第２のモーター１２２としてステッピングモーターを用いることもできる。また、第１の駆動部１１、第２の駆動部１２を間欠的に駆動させる際の駆動周期は、適宜設定することができる。
本実施形態の太陽光発電装置１４においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第１の駆動部１１、第２の駆動部１２を間欠的に駆動させているので、モーターの消費電力を低減させることができる。さらに、正確な追尾を行うための光センサーや補正回路等が不要であるため、補正に必要な電力と機器コストを削減することができる。
太陽電池モジュール２を連続追尾させた場合のモーターの消費電力は７２０ｍＷｈ／ｄａｙであった。これに対し、本実施形態に係る間欠追尾（第２のモーター１２２としてＤＣモーターを用い、太陽電池モジュール２を、回転軸ＲＬ１２を中心に、４０分毎に約１０°回転させる追尾）を行った場合のモーターの消費電力は５６０ｍＷｈ／ｄａｙであった。
また、正確な追尾を行うために光センサーや補正回路を設けた場合の回路部の消費電力は６６０ｍＷｈであった。これに対し、本実施形態に係る間欠追尾はかかる装置が不要であるため、回路部の消費電力は０ｍＷｈとなる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図７〜図９を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図７は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図７において、第１実施形態の図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置２１は、図７に示すように、太陽電池モジュール２２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール２２は、集光板２３（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。第１実施形態の集光板４は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条７が複数設けられた形状集光板であった。これに対し、本実施形態の集光板２３は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板で構成されている。集光板２３は、蛍光体を含有する蛍光体層２４を一対の透明層２５で挟持した３層構造の板体である。
蛍光体層２４は、例えば可視光や赤外光を吸収して可視光や赤外光を放出する蛍光体、あるいは、紫外光を吸収して可視光を放出する蛍光体を含んでいる。一例として、蛍光体層２４は、BASF社製Lumogen F Red 305（商品名）を含んで構成されている。この蛍光体を用いた場合、波長５７８ｎｍに発光ピークが現れる。使用する蛍光体としては、蛍光量子効率が高いものを用いることが好ましい。
また、より多くの波長域の光を吸収するように、複数種類の蛍光体を混合しても良い。一例として、BASF社製Lumogen F Violet 570（商品名）を０．０２％、BASF社製LumogenF Yellow 083（商品名）を０．０２％、BASF社製Lumogen F Orange 240（商品名）を０．０２％、BASF社製Lumogen F Red 305（商品名）を０．０２％、Nile Blue A（CAS登録番号3625-57-8）を０．５％、Ir-140（CAS登録番号53655−17−7）を０．５％、Ir-144（CAS登録番号54849-69-3）を０．５％、量子ドットPbS（硫化鉛）を３％からなる複数種類の蛍光体を含有したものを用いることができる。上記複数種類の蛍光体を含む蛍光体層からは、４００ｎｍ〜１５００ｎｍ程度の広い波長域を持つ蛍光が放射される。
なお、複数種類の蛍光体を混合する際には、エネルギー移動理論を適応し、発光ピークを最も長波長に有する蛍光体のみが発光することが望ましい。
太陽電池素子５には、第１実施形態と同様、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を用いることができる。上述の太陽電池の中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率の発電が可能であることから本実施形態に好適に用いられる。化合物系太陽電池の一例としては、半導体基板上にＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層とを積層したものが用いられる。この化合物系太陽電池は、例えば４００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長域で８０％以上、５００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長域で９５％以上といった高い発電効率を持っている。そのため、上記の蛍光体と上記の化合物系太陽電池とを組み合わせることにより、幅広い波長域で効率の高い発電が可能となる。
追尾装置３は、太陽電池モジュール２の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、４つの駆動部８と、制御部９と、を備えている。追尾装置３の構成は第１実施形態と同様である。
第１実施形態の場合、集光板４に入射した太陽光を凸条７の反射面で反射させて太陽電池素子５に導く構成であった。そのため、集光板４に対する太陽光の入射角度、すなわち、太陽の位置に対する集光板４の回転角度が集光効率に大きく影響を及ぼしていた。それに対して、本実施形態の場合、集光板２３の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子５に導く形態であるため、集光板２３に対する太陽光の入射角度が変化しても、集光効率はほとんど変化しない。
しかしながら、例えば集光板２３に対して傾いた位置から太陽光が照射された場合（太陽光の入射角度が大きい場合）は、集光板２３の略正面から太陽光が照射された場合（太陽光の入射角度が小さい場合）に比べて入射光量が少なくなる。そのため、本実施形態の太陽光発電装置２１においても、太陽の年周運動に太陽電池モジュール２２を追尾させることで、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の場合、集光板２３の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子５に導く形態であるため、直達光だけでなく散乱光も集光することができる。よって、曇りの日であっても安定した発電量が得られる。
図８は、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図８の横軸は年周運動角度（°）であり、図８の縦軸は入射光量比（％）を示す。なお、入射光量比とは、年周運動角度を０°とし、日周運動角度を０°としたとき、すなわち、集光板を水平方向に設置した状態で、太陽光が集光板に対して垂直に入射したときの入射光量を１００％とした場合の入射光量の比である。また、図９は、年周運動及び日周運動の双方の運動に対する追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図９の横軸、縦軸は図８と同じである。
図８に示すように、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置においては、太陽の年周運動角度が０°から大きくなるにつれて、集光板に対して傾いた位置から太陽光が照射されるため、入射光量比が小さくなる。これに対し、図９に示すように、追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置２１においては、年周運動角度が変化しても（太陽の南中高度が変化しても）、年周運動角度が０°のときの入射光量比を維持することができる。
図８から平均入射光量比を計算すると、比較例の太陽光発電装置においては、平均入射光量比が６８．５％であった。これに対して、図９から平均入射光量比を計算すると、本実施形態の太陽光発電装置２１においては、平均入射光量比を１００．０％に向上させることができる。
［第３実施形態の変形例］
以下、本発明の第３実施形態の変形例について、図１０を用いて説明する。
上記実施形態では、蛍光体を含有する蛍光体層を一対の透明層で挟持した３層構造の蛍光集光板の例を示したが、必ずしもこの構成に限ることはない。例えば図１０に示す太陽光発電装置２６の太陽電池モジュール２７のように、集光板２８の全体に蛍光体が分散された構成であっても良い。ただし、このように集光板２８の全体に蛍光体が分散された場合であっても、太陽電池素子５への集光効率を高めるために、集光板２８の最表面には蛍光体が配置されていない方が好ましい。
本変形例の太陽光発電装置２６においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、曇りの日であっても安定した発電量が得られる、といった第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１１及び図１２を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図１１は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図１１において、第１実施形態の図２および第３実施形態の図７と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置３１は、図１１に示すように、太陽電池モジュール３２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール３２は、第１集光板２３（集光部材）と第２集光板４（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。第１実施形態の集光板４は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条７が複数設けられた形状集光板であった。第３実施形態の集光板２３は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板であった。これに対し、本実施形態の集光部材は、第１実施形態の形状集光板と第３実施形態の蛍光集光板とを積層した２枚の集光板４，２３で構成されている。
具体的には、本実施形態の場合、太陽光の入射側に設けられた第１集光板２３は蛍光集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第２集光板４は形状集光板で構成されている。第１集光板２３と第２集光板４とは密着しており、第１集光板２３と第２集光板４との間に空気層は介在していない。第１集光板２３の第１端面２３ｃと第２集光板４の第１端面４ｃとは同一面内に配置されており、これらの端面２３ｃ，４ｃ上に第１集光板２３と第２集光板４に共通の太陽電池素子５が設けられている。なお、第１集光板２３と第２集光板４に個別の太陽電池素子が設けられていても良い。
追尾装置３は、太陽電池モジュール２の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、４つの駆動部８と、制御部９と、を備えている。追尾装置３の構成は第１実施形態と同様である。
図１２は、東京の一年間の日射量の推移を示すグラフである。図１２の横軸は月、縦軸は日射量[ＭＪ／ｍ２]を示している。
日射量とは、太陽からの放射エネルギー量を測定したものである。日射量は主に３つに分類される。
全天日射量は、全天空からの日射量を測定したものであり、直達日射量と散乱日射量の和に等しい。
直達日射量は、理想的には全天空のうち太陽の光球の範囲のみからの日射量を測定したものとされ、いわゆる直射日光を測定したものである。直達日射量は、太陽光線の入射方向と常に直交する平面で受けた放射照度として測定される。
散乱日射量は、全天空のうち太陽の光球以外の範囲からの日射量を測定したものである。例えば、青空からの青い光、曇り空からの白い光など大気の分子や雲粒で散乱された光を測定したものである。散乱日射量は、水平面で受けた放射照度として測定される。
本実施形態の太陽光発電装置３１においては、図１１に示すように、第１集光板２３に入射した太陽光のうち、第１集光板２３で吸収できずに漏れ出た光を第２集光板４で受け、第２集光板４の内部を伝播させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、本実施形態の場合、太陽の運動に追尾させることによる集光効率の向上効果が大きい形状集光板（第１集光板２３）と、追尾による集光効率の向上効果は小さいが、入射角度の変化に対して安定した光出力が得られる蛍光集光板（第２集光板４）とを組み合わせることによって、より高効率で安定した発電量を得ることができる。さらに、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の場合、形状集光板及び蛍光集光板の２種類の集光板を組み合わせた構成であるため、直達光、散乱光のいずれも効率良く集光することができる。
［第４実施形態の変形例］
以下、本発明の第４実施形態の変形例について、図１３を用いて説明する。
上記実施形態の太陽光発電装置３１では、太陽光の入射側から蛍光集光板、形状集光板の順に積層されていた。この構成とは逆に、太陽光の入射側から形状集光板、蛍光集光板の順に積層されていても良い。すなわち、図１３に示す本変形例の太陽光発電装置３４の太陽電池モジュール３５では、太陽光の入射側に設けられた第１集光板４は形状集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第２集光板２３は蛍光集光板で構成されている。第１集光板４の第２集光板２３と対向する側には複数の凸条７が設けられている。したがって、第１集光板４と第２集光板２３とは密着しておらず、第１集光板４と第２集光板２３との間に空気層が介在している。
本変形例の太陽光発電装置３４においては、図１３に示すように、第１集光板４に入射した太陽光のうち、第１集光板４の反射面７ａで反射できずに漏れ出た光を第２集光板２３で受け、この光を吸収させて蛍光発光させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、形状集光板と蛍光集光板とを組み合わせることでより高効率で安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、直達光、散乱光のいずれも効率良く集光することができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第５実施形態]
以下、本発明の第５実施形態について、図１４〜図１８を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は上記実施形態と同様であり、追尾装置の構成が異なるのみである。
図１４は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図１４において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置４３は、図１４に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置４０と、を備えている。追尾装置４０は、４つの可動部（２つの第１の可動部４１、２つの第２の可動部４２）を備えている。各可動部は、平面視矩形状の太陽電池モジュール２のフレーム６を裏面から支持しており、４隅近傍に設けられている。
なお、本実施形態では、４つの可動部を備えた例を示すが、必ずしも可動部は４つである必要はなく、少なくとも２つあればよい。例えば、２つの可動部を備えた場合、追尾動作の安定性の面から、太陽電池モジュール２のフレーム６を裏面から回転可能に支持する支持部材が設けられていてもよい。
太陽電池モジュール２は、太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾して回転する。太陽電池モジュール２は、第１の仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を含む面内で回転する。さらに、太陽電池モジュール２は、第２の仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を含む面内でも回転する。
太陽電池モジュール２は、北半球においては南側の端部が低く、北側の端部が高く位置するように傾斜して設置されている。そして、本実施形態の追尾装置４０は、上記実施形態のように時計を備えた制御部を有していない。本実施形態の追尾装置４０は、可動部が外気温の変化を検知して伸縮したり外部からの光の照射に伴って伸縮したりすることで太陽電池モジュールを自動的に回転させる構成となっている。
図１５に示すように、第１の可動部４１は、季節の温度変化によって伸縮する下部可動部４１Ａと、太陽光の照射に伴って伸縮する上部可動部４１Ｂと、を備えている。
下部可動部４１Ａは、下部外筒４１１と、下部バネ４１２と、下部支持筒４１３と、を備えている。下部外筒４１１の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなる下部バネ４１２が収容されている。下部外筒４１１は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、当該下部外筒４１１の内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、下部外筒４１１の内部空間には、下部支持筒４１３が、下部バネ４１２の上方に上下動可能に装入されている。下部支持筒４１３は、下部バネ４１２の伸縮に従って上下動するようになっている。
下部バネ４１２は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。下部バネ４１２は、外周側が熱膨張係数の小さい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の大きい金属で構成されている。これにより、下部バネ４１２は、外気温が上昇すると伸長するようになっている。
例えば、下部バネ４１２の外周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成され、下部バネ４１２の内周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成されている。この場合、下部バネ４１２の外周側を構成する金属と下部バネ４１２の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
上部可動部４１Ｂは、上部外筒４１４と、上部バネ４１５と、上部支持筒４１６と、を備えている。上部外筒４１４は、下部支持筒４１３で支持されており、下部支持筒４１３の上下動によって上下動するようになっている。上部外筒４１４の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなる上部バネ４１５が収容されている。上部外筒４１４は、太陽光を透過する透明部材（例えば透明アクリル樹脂）からなり、当該上部外筒４１４の内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、上部外筒４１４の内部空間には、上部支持筒４１６が、上部バネ４１５の上方に上下動可能に装入されている。上部支持筒４１６は、太陽電池モジュール２の裏面を支持する。上部支持筒４１６は、上部バネ４１５の伸縮に従って上下動するようになっている。
上部バネ４１５は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。上部バネ４１５は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、上部バネ４１５は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、上部バネ４１５の外周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成され、上部バネ４１５の内周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成されている。この場合、上部バネ４１５の外周側を構成する金属と上部バネ４１５の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
一方、第２の可動部４２は、太陽光の照射に伴って伸縮する構成となっている。
第２の可動部４２は、外筒４２１と、バネ４２２と、支持筒４２３と、を備えている。外筒４２１の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ４２２が収容されている。外筒４２１は、太陽光を透過する透明部材（例えば透明アクリル樹脂）からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、外筒４２１の内部空間には、支持筒４２３が、バネ４２２の上方に上下動可能に装入されている。支持筒４２３は、太陽電池モジュール２の裏面を支持する。支持筒４２３は、バネ４２２の伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ４２２は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。バネ４２２は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ４２２は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、バネ４２２の外周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成され、バネ４２２の内周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成されている。この場合、バネ４２２の外周側を構成する金属とバネ４２２の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
なお、本実施形態では、バネを構成する金属としてＮｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金を用いているが、これに限らない。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金にＭｎ、Ｃｒ、Ｃｕなどを添加したものを用いることもできる。
また、本実施形態では、Ｎｉ−Ｆｅ合金にＭｎを添加することによりバネの外周側を構成する金属とバネの内周側を構成する金属との熱膨張係数を異ならせているが、これに限らない。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金においてＮｉの添加量を変えることによりバネの外周側を構成する金属とバネの内周側を構成する金属との熱膨張係数を異ならせてもよい。
図１５は、太陽電池モジュールが太陽の年周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図１５（Ａ）は、１年の中で相対的に南中高度が高くなる夏季の場合の各可動部の動作を示し、図１５（Ｂ）は、１年の中で相対的に南中高度が低くなる冬季の場合の各可動部の動作を示している。
図１５（Ａ）に示すように、夏季の場合は第１の可動部４１の下部可動部４１Ａが外気温で温められて伸長する。これにより、太陽電池モジュール２は、仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を向くように回転し、夏季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図１５（Ｂ）に示すように、冬季の場合は第１の可動部４１の下部可動部４１Ａが外気温で冷やされて縮む。これにより、太陽電池モジュール２は、仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を向くように回転し、冬季の南中角度に対応した最適な傾斜角度となる。
図１６は、太陽電池モジュールが太陽の日周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図１６（Ａ）は、１日の中で日の出から南中高度までの午前における各可動部の動作を示し、図１６（Ｂ）は、１年の中で南中高度から日の入りまでの午後における各可動部の動作を示している。
図１６（Ａ）に示すように、午前の場合は、２つの第１の可動部４１のうち東側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち東側に配置された第２の可動部４２とが太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を向くように回転し、午前の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午前の場合は、２つの第１の可動部４１のうち西側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち西側に配置された第２の可動部４２とは、太陽電池モジュール２の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、２つの第１の可動部４１のうち西側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち西側に配置された第２の可動部４２とは、伸縮しない。
図１６（Ｂ）に示すように、午後の場合は、２つの第１の可動部４１のうち西側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち西側に配置された第２の可動部４２とが太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を向くように回転し、午後の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午後の場合は、２つの第１の可動部４１のうち東側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち東側に配置された第２の可動部４２とは、太陽電池モジュール２の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、２つの第１の可動部４１のうち東側に配置された第１の可動部４１の上部可動部４１Ｂと、２つの第２の可動部４２のうち東側に配置された第２の可動部４２とは、冷やされてもとの長さに戻る。
図１７は、東京の１年間の平均気温の変化を示すグラフである。図１７の横軸は月、縦軸は平均気温〔℃〕を示している。図１８は、東京の１年間の太陽の南中高度の変化を示すグラフである。図１９の横軸は月、縦軸は太陽の南中高度〔°〕を示している。図１７、図１８から判るように、１年間の平均気温の変化と１年間の太陽の南中高度の変化は概ね同じ傾向を示す。したがって、例えば気温が上がる夏季に可動部が伸び、太陽電池モジュール２がより水平に近い位置に回転する構成とすれば、太陽電池モジュール２の角度を太陽の南中高度に対して最適化することができる。そのためには、可動部の各部の寸法や熱膨張材の使用量等を最適に設計する必要がある。
本実施形態の太陽光発電装置４３においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態の場合、可動部の動力としてバイメタルからなるバネの伸縮を利用しており、外気温の変化もしくは太陽光の照射に応じて可動部が自動的に伸縮する構成としている。そのため、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減を図ることができる。
[第５実施形態の第１変形例]
以下、本発明の第５実施形態の第１変形例について、図１９〜図２１を用いて説明する。上記実施形態の太陽光発電装置では、各可動部を太陽電池モジュールの４隅近傍に配置していた。この構成に替えて、図１９に示す本変形例の太陽光発電装置の各可動部を太陽電池モジュールの４辺中央に配置している。すなわち、各可動部が、東西南北の方位に対応する位置に配置されている。
本変形例の太陽光発電装置５３は、図１９に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置５０と、を備えている。追尾装置５０は、４つの可動部（２つの第１の可動部５１Ａ，５１Ｂ、２つの第２の可動部５２）を備えている。各可動部は、太陽電池モジュール２の端部を下面から支持しており、太陽電池モジュールの４辺中央に設けられている。
第１の可動部５１Ａ，５１Ｂは、季節の温度変化に伴って伸縮する構成となっている。図２０に示すように、２つの第１の可動部のうち南側に配置された第１の可動部５１Ａは、外筒５１１と、バネ５１２Ａと、支持筒５１３と、を備えている。外筒５１１の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ５１２Ａが収容されている。外筒５１１は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、外筒５１１の内部空間には、支持筒５１３が、バネ５１２Ａの上方に上下動可能に装入されている。支持筒５１３は、太陽電池モジュール２の裏面を支持する。支持筒５１３は、バネ５１２Ａの伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ５１２Ａは、外周側が熱膨張係数の小さい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の大きい金属で構成されている。これにより、バネ５１２Ａは、外気温が上昇すると伸長するようになっている。例えば、バネ５１２Ａの外周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成され、バネ５１２Ａの内周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成されている。
一方、２つの第１の可動部のうち北側に配置された第１の可動部５１Ｂは、外筒５１１と、バネ５１２Ｂと、支持筒５１３と、を備えている。外筒５１１の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ５１２Ｂが収容されている。外筒５１１は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、外筒５１１の内部空間には、支持筒５１３が、バネ５１２Ｂの上方に上下動可能に装入されている。支持筒５１３は、太陽電池モジュール２の裏面を支持する。支持筒５１３は、バネ５１２Ｂの伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ５１２Ｂは、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ５１２は、外気温が上昇すると縮むようになっている。例えば、バネ５１２Ｂの外周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成され、バネ５１２Ｂの内周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成されている。
第２の可動部５２は、太陽光の照射に伴って伸縮する構成となっている。図２１に示すように、第２の可動部５２は、外筒５２１と、バネ５２２と、支持筒５２３と、を備えている。外筒５２１の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ５２２が収容されている。外筒５２１は、太陽光を透過する透明部材（例えば透明アクリル樹脂）からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、外筒５２１の内部空間には、支持筒５２３が、バネ５２２の上方に上下動可能に装入されている。支持筒５２３は、太陽電池モジュール２の裏面を支持する。支持筒５２３は、バネ５２２の伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ５２２は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。バネ５２２は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ５２２は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、バネ５２２の外周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成され、バネ５２２の内周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成されている。この場合、バネ５２２の外周側を構成する金属とバネ５２２の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
図２０は、太陽電池モジュールが太陽の年周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図２０（Ａ）は、１年の中で相対的に南中高度が高くなる夏季の場合の各可動部の動作を示し、図２０（Ｂ）は、１年の中で相対的に南中高度が低くなる冬季の場合の各可動部の動作を示している。
図２０（Ａ）に示すように、夏季の場合は、２つの第１の可動部のうち南側に配置された第１の可動部５１Ａが外気温で温められて伸長する。一方、北側に配置された第１の可動部５１Ｂが外気温で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュール２は、仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を向くように回転し、夏季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図２０（Ｂ）に示すように、冬季の場合は、２つの第１の可動部のうち北側に配置された第１の可動部５１Ｂが外気温で冷やされて伸びる。一方、南側に配置された第１の可動部５１Ａが外気温で冷やされて縮む。これにより、太陽電池モジュール２は、仮想軸ＲＬ１を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を向くように回転し、冬季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図２１は、太陽電池モジュールが太陽の日周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図２１（Ａ）は、１日の中で日の出から南中高度までの午前における各可動部の動作を示し、図２１（Ｂ）は、１年の中で南中高度から日の入りまでの午後における各可動部の動作を示している。
図２１（Ａ）に示すように、午前の場合は、２つの第２の可動部５２のうち東側に配置された第２の可動部５２が太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を向くように回転し、午前の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午前の場合は、２つの第１の可動部５１のうち西側に配置された第２の可動部５２は、太陽電池モジュール２の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、２つの第２の可動部５２のうち西側に配置された第２の可動部５２は伸縮しない。
図２１（Ｂ）に示すように、午後の場合は、２つの第２の可動部５２のうち西側に配置された第２の可動部５２が太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸ＲＬ２を中心として太陽の日周運動の方向（東西方向）を向くように回転し、午後の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午後の場合は、２つの第２の可動部５２のうち東側に配置された第２の可動部５２は、太陽電池モジュール２の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、２つの第２の可動部５２のうち東側に配置された第２の可動部５２は、冷やされてもとの長さに戻る。
本変形例の太陽光発電装置５３においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減が図れる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第５実施形態の第２変形例]
以下、本発明の第５実施形態の第２変形例について、図２２を用いて説明する。
上記変形例の太陽光発電装置５３では、可動部を自動的に伸縮させる手段としてバイメタルからなるバネを用いた。この構成に代えて、図２２に示す本変形例の太陽光発電装置６３の追尾装置６０では、可動部を自動的に伸縮させる手段として、複数の可動部のうちの一部の可動部に熱膨張材を用いている。
本変形例の太陽光発電装置６３は、図２２に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置６０と、を備えている。追尾装置６０は、３つの可動部（第１の可動部６１，２つの第２の可動部５２）と、１つの支持部６２と、を備えている。各可動部及び支持部は、太陽電池モジュール２のフレーム６を裏面から支持しており、太陽電池モジュール２の４辺中央に設けられている。
第１の可動部６１は、季節の温度変化に伴って伸縮する構成となっている。第１の可動部６１は南側に配置されている。第１の可動部６１は、図２２に示すように、外筒６１１の内部空間に温度変化によって体積が変化する熱膨張材６１２が充填されている。さらに、支持棒６１３が、熱膨張材６１２の上方に上下動可能に装入されている。熱膨張材６１２としては、熱膨張係数が高く、少量で大きな体積変化を生じる材料を用いることが望ましい。例えば、本変形例では、熱膨張係数が１６〜２０×１０−１５／℃のエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いる。したがって、外気温が高くなると、熱膨張材６１２の体積が増加して支持棒６１３を押し上げ、第１の可動部６１が伸長して太陽電池モジュール２の南側の端部が上がる方向に太陽電池モジュール２を回転させる。一方、外気温が低くなると、熱膨張材６１２の体積が減少して支持棒６１３が下がり、第１の可動部６１が縮んで太陽電池モジュール２の南側の端部が下がる方向に太陽電池モジュール２を回転させる。
本変形例の太陽光発電装置６３においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減が図れる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態においては、複数の可動部のうちの一部の可動部に熱膨張材を用いたが、これに限らず、複数の可動部の全てに熱膨張材を用いてもよい。この場合、複数の可動部は、外気温の変化に伴って体積が変化するものと、太陽光の照射に伴って体積が変化するものとを含む構成となる。
［太陽光発電装置の全体構成］
以下、本発明の一実施形態である太陽光発電装置について、図２３を用いて説明する。
図２３は本実施形態の太陽光発電装置を示すブロック図である。
本実施形態の太陽光発電装置１０００は、図２３に示すように、上記実施形態の集光板１００２と太陽電池素子１００３とからなる太陽電池モジュール１００１と、追尾装置１００８と、インバータ１００４と、蓄電池１００５と、を有している。太陽電池モジュール１００１によって得られた電力はインバータ１００４によって直流−交流変換され、外部の負荷１００６に出力される。また、他の電力源１００７が外部の負荷１００６に接続されている。太陽電池モジュール１００１によって得られた電力は蓄電池１００５に充電され、必要に応じて蓄電池１００５から放電される構成となっている。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、導光体として板状体を用いたが、導光体の形状は板状体に限定されることなく、例えば棒状体であっても良く、適宜変更が可能である。その他、上記実施形態における各種構成要素の形状、寸法、数、配置、構成材料、製造方法等については、上記実施形態で例示したものに限らず、適宜変更が可能である。
本発明は、太陽の運動に追尾するタイプの太陽光発電装置に利用可能である。
１，１４，２１，２６，３１，４３，５３，６３，１０００…太陽光発電装置、２，２２，２７，３２，３５，１００１…太陽電池モジュール、３，１０，４０，５０，６０，１００８…追尾装置、４，２３，２８，１００２…集光板（集光部材）、５，１００３…太陽電池素子、７…凸条（構造体）、８…駆動部、９，１３…制御部、２４…蛍光体層、４１，５１，５１Ａ，５１Ｂ，６１…第１の可動部、４２，５２…第２の可動部

Claims (10)

  1. 外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、
    太陽の運動に対応して前記太陽電池モジュールを傾斜させる追尾装置と、を含み、
    前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを、互いに交差する複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする太陽光発電装置。
  2. 前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを第１の回転軸を中心に回転させるとともに、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
  3. 前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させる駆動部と、１年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を含み、
    前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度を求め、
    前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
  4. 前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを所定の間隔で間欠的に回転させることを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電装置。
  5. 前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する第１の部材を内蔵する第１の可動部と、外部からの光の照射に伴って体積もしくは形状が変化する第２の部材を内蔵する第２の可動部と、を備え、
    前記第１の可動部が、前記第１の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第１の回転軸を中心に回転させ、
    前記第２の可動部が、前記第２の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第２の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電装置。
  6. 前記集光部材が、前記光が入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  7. 前記形状集光板が、断面が三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、
    前記複数の回転軸には、前記構造体の延在方向と平行な回転軸が含まれていることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電装置。
  8. 前記集光部材が、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  9. 前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電装置。
  10. 前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電装置。
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