JP4514827B1 - 太陽軌道追尾式発電システムおよびその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池パネルにかかる風圧を軽減することができるとともに、太陽電池パネルの発電量を増大することができる太陽軌道追尾式発電システムおよびその制御プログラムを提供する。
【解決手段】 複数枚の太陽電池パネル２と、各太陽電池パネル２を設置する基準となる基準面３１が水平面に対して太陽に対面する方向に傾斜されている基準フレーム３と、基準面３１に対して横方向に隣接する各太陽電池パネル２同士を左右いずれかの同一方向に傾斜させて配置し、かつ、基準フレーム３との間に通風路を形成する通風傾斜フレーム４と、通風傾斜フレーム４を傾斜させた状態で支持し、かつ、太陽電池パネル２の裏側への通風路を形成する通風支持フレーム５と、基準フレーム３を略垂直線周りに回転させる回転駆動手段６と、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させるように回転駆動手段６を制御する制御装置９とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池パネルを太陽の軌道に追尾させて発電する技術に関し、特に、通風性を高めて風圧による損壊を回避し、かつ、高い効率で発電可能な太陽軌道追尾式発電システムおよびその制御プログラムに関するものである。

従来、太陽電池パネルを太陽に追尾させて発電する技術が提案されている。例えば、特開２０００−１９６１２６号公報には、ソーラーセルを含む発電ユニットと、該発電ユニットから出力される電力を検出する電力検出手段と、該電力検出手段で検出される電力が最大になる前記発電ユニットの方向を検出する最大電力方向検出手段と、太陽の方向を検出する太陽方向検出手段と、該太陽方向検出手段で検出された太陽の方向と前記最大電力方向検出手段で検出された電力が最大になる方向との差分を算出する算出手段と、前記太陽方向検出手段で検出された太陽の方向を該算出手段で算出された差分だけ補正した方向に、前記発電ユニットを所定時間間隔で動かし、以て太陽を追尾する追尾制御手段、とを備えた太陽追尾式発電システムの太陽追尾装置が開示されている（特許文献１）。

特開２０００−１９６１２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明を含め、従来の太陽追尾式発電システムにおいては、複数枚の太陽電池パネルを平面状にユニット化し、このユニット化したものを支柱や架台等で支持している。このため、風圧の影響をまともに受けやすく、屋根の上等に設置した場合、強風時にはその建物が揺れてしまうという問題がある。また、風圧によって支柱が折れたり、太陽電池パネルが吹き飛ばされるおそれがあるため、強度の高い支柱を使用し、しっかり固定しなければならない。このため、設置コストが増大し施工期間が長期化するという問題がある。

また、太陽電池パネルは、日照や外気温によって温度が上昇すると、発電電力が低下するという温度特性を有している。しかしながら、近年の太陽電池パネルは、発電効率を高めるために受光面が低反射化されており、より多くの太陽光が吸収できるように改善されている。このため、特許文献１をはじめ従来の太陽追尾式発電システムのように、太陽電池パネルに太陽光が略垂直に入射する状態が続くと、逆に温度上昇に起因する出力損失が増大してしまう。換言すれば、従来のように太陽電池パネルに対して太陽光を略垂直に入射させなくても、その太陽電池パネルの発電能力を十分に発揮させられるのである。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、太陽電池パネルにかかる風圧を軽減することができるとともに、太陽電池パネルの発電量を増大することができる太陽軌道追尾式発電システムおよびその制御プログラムを提供することを目的としている。

本発明に係る太陽軌道追尾式発電システムは、複数枚の太陽電池パネルと、前記各太陽電池パネルを設置する基準となる基準面が水平面に対して太陽に対面する方向に傾斜されている基準フレームと、前記基準面に対して横方向に隣接する各太陽電池パネル同士を左右いずれかの同一方向に傾斜させて配置し、かつ、前記基準フレームとの間に通風路を形成する通風傾斜フレームと、前記通風傾斜フレームを傾斜させた状態で支持し、かつ、前記太陽電池パネルの裏側への通風路を形成する通風支持フレームと、前記基準フレームを略垂直線周りに回転させる回転駆動手段と、前記太陽電池パネルを太陽の軌道に追尾させるように前記回転駆動手段を制御する制御装置とを有している。

また、本発明において、前記各太陽電池パネルは、前記基準面に対して２５度〜５０度の傾斜角をなすように前記通風傾斜フレームに配置されていてもよい。

また、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システムの制御プログラムは、請求項１または請求項２に記載の太陽軌道追尾式発電システムを制御するための制御プログラムであって、前記制御装置を、前記回転駆動手段を所定の時間間隔で駆動させるために設定された各回転駆動時刻に、当該システムの設置場所における太陽の方位角を対応付けて定めた追尾用軌道データを記憶する追尾用軌道データ記憶部と、前記追尾用軌道データ記憶部から所定の日付の追尾用軌道データを取得する追尾用軌道データ取得部と、前記取得した追尾用軌道データに基づいて所定の回転駆動時刻になったか否かを監視する回転駆動時刻監視部と、当該回転駆動時刻になったときに前記回転駆動手段に駆動開始指令を出力する回転駆動指令部と、前記基準フレームの回転角を検出する角度センサの出力に基づいて、当該回転角が当該回転駆動時刻における方位角と一致したか否かを監視する回転角監視部と、当該回転角と当該方位角とが一致したときに前記回転駆動手段に駆動停止指令を出力する駆動停止指令部として機能させる。

本発明によれば、太陽電池パネルにかかる風圧を軽減することができるとともに、太陽電池パネルの発電量を増大することができる。

本発明に係る太陽軌道追尾式発電システムの一実施形態を示す正面図およびブロック図である。 本実施形態の太陽軌道追尾式発電システムを示す左側面図である。 本実施形態の太陽電池パネル、垂直フレームおよび補助フレームを基準面に沿う方向から示す図である。 本実施形態の回転駆動手段を示す斜視図である。 本実施形態の回転駆動手段を示す断面図である。 本実施形態の軌道データを示す表である。 本実施形態の軌道データを示すグラフである。 本実施形態の制御プログラムによる動作を示すフローチャート図である。 実施例１の実験結果を示す表である。 実施例１の実験結果を示すグラフである。 実施例２の実験結果を示す表である。 実施例２の実験結果を示すグラフである。 実施例３の実験結果を示す表である。 実施例３の実験結果を示すグラフである。 実施例４の実験結果を示す表である。 実施例４の実験結果を示すグラフである。 実施例５において、太陽光の入射角度と太陽電池パネルの傾斜角度との関係を示す図である。 実施例６において、１日の発電電圧の推移を示すグラフである。 実施例６において、長期的な発電電力の推移を示すグラフである。

以下、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１およびその制御プログラム１ａの一実施形態について図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態の太陽軌道追尾式発電システム１は、主として、複数枚の太陽電池パネル２と、これらの太陽電池パネル２を設置する基準となる基準面３１を備えた基準フレーム３と、この基準フレーム３との間に風圧を逃がすための通風路を形成する通風傾斜フレーム４と、この通風傾斜フレーム４を傾斜させた状態で支持する通風支持フレーム５と、前記基準フレーム３を略垂直線周りに回転させる回転駆動手段６と、基準フレーム３の回転角を検出する角度センサ７と、積雪量を検出する積雪センサ８と、回転駆動手段６を制御する制御装置９とを有している。以下、各構成について説明する。

太陽電池パネル２は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。本実施形態において、太陽電池パネル２は、複数枚の太陽電池（セル）を直列または並列に接続して全体として略長方形のパネル状に構成されている。そして、図１に示すように、３枚の太陽電池パネル２を１つの通風傾斜フレーム４に保持させてアレイ化したものを３組設けている。

なお、上記太陽電池パネル２の構成は、市販の太陽電池パネル２に合わせて例示しているが、上記構成に限定されるものではなく、大きい太陽電池パネル２を使用する場合は、アレイ化しなくてもよい。一方、小さい太陽電池パネル２を使用する場合には、より多い枚数の太陽電池パネル２を並べてアレイ化してもよい。さらに、太陽電池パネル２の種類も特に限定されるものではなく、シリコン系や化合物半導体系等の各種の太陽電池パネル２を適用することができる。

基準フレーム３は、各太陽電池パネル２を設置する基準となる基準面３１を備えるものである。本実施形態において、基準フレーム３は、図１および図２に示すように、略水平方向に設けられる矩形状の水平フレーム３２と、この水平フレーム３２に対して略垂直方向に立設される矩形状の垂直フレーム３３とを有している。そして、水平フレーム３２の前端辺と、垂直フレーム３３の上端辺とをつないで規定される面が、基準面３１として機能するようになっている。

本実施形態において、基準面３１は、図２に示すように、水平面に対して太陽に対面する方向に傾斜されている。また、基準面３１の傾斜角度は、太陽光を効果的に受けられる許容範囲に配慮しつつ、設置時の重量バランスや降雪地域における落雪作用等を総合的に考慮して、水平面に対して５１．６度の傾斜角に設定されている。しかし、この角度に限定されるものではなく、年間を通して太陽電池パネル２が定格出力可能な入射角（有効入射角）を確保しうる範囲内であればよい。また、本実施形態では、通風性や軽量化を考慮して、基準面３１には何も設けない仮想面として構成しているが、通風性の高いフレーム状の基準面３１を設けてもよい。

通風傾斜フレーム４は、各太陽電池パネル２を傾斜配置し、基準フレーム３との間に風圧を逃がすための通風路を形成するものである。本実施形態において、各通風傾斜フレーム４は、略矩形の枠状に形成されており、３枚の太陽電池パネル２を並べて保持するようになっている。そして、図３に示すように、各通風傾斜フレーム４は、基準面３１に対して横方向に隣接配置される各太陽電池パネル２同士を左右いずれかの同一方向に傾斜させて保持するようになっている。また、各通風傾斜フレーム４は、太陽電池パネル２を設置した状態で基準フレーム３との間に風を通過させられる通風路を形成しており、太陽電池パネル２に当たる風圧の影響を低減するようになっている。

通風支持フレーム５は、通風傾斜フレーム４を傾斜させた状態で支持し、太陽電池パネル２の裏側に風が抜けるような通風路を形成するものである。本実施形態において、通風支持フレーム５は、略矩形の枠状に形成されている。そして、図２および図３に示すように、通風傾斜フレーム４の固定端４ａ（図３左辺）を水平フレーム３２の前端辺３２ａおよび垂直フレーム３３の上端辺３３ａに固定する一方、通風傾斜フレーム４の開放端４ｂ（図３右辺）と基準面３１との間に通風支持フレーム５を介在させる。これにより、各通風傾斜フレーム４が傾斜状態で支持されるようになっている。

なお、本実施形態では、高い発電効率を維持させること、温度上昇による出力低下および風圧の影響を極力受けないようにすること等を総合的に考慮して、基準面３１に対して各太陽電池パネル２が４０度の傾斜角をなすように通風傾斜フレーム４に配置させているが、この角度に限定されるものではない。具体的には、後述するように、基準面３１に対する太陽電池パネル２の傾斜角が２５度〜５０度の範囲内であれば、適宜変更してもよい。

また、本実施形態において、各太陽電池パネル２は、発電量の低下を防止するため、隣り合う太陽電池パネル２へ入射する太陽光を遮らない位置に配置されている。具体的には、図３に示すように、各太陽電池パネル２の開放端４ｂ（図３右辺）から基準面３１へ垂下させた直線が、基準フレーム３と交わる点よりも離れた位置に、隣り合う太陽電池パネル２の固定端４ａ（図３左辺）を固定する。これにより、基準面３１に対して太陽光が垂直に照射する状態を維持すれば、太陽電池パネル２の受光面が日陰になることはない。

なお、図３に角度を示すように、本実施形態では、隣接配置する太陽電池パネル２同士の間隔を適度な距離だけ離しており、実験によれば、各太陽電池パネル２の開放端４ｂを通り、基準面３１の垂線に対して１５度の角度をなす直線が、基準フレーム３と交わる点を隣り合う太陽電池パネル２の固定位置に設定する。これにより、基準面３１に対する太陽光の入射角度が多少ずれても、太陽電池パネル２の受光面が日陰にならない許容範囲として１５度に設定される。この許容範囲は、太陽が常に基準面３１に対して垂直に入射すれば特に設ける必要がないし、太陽に追尾させる精度に合わせて適宜増減すればよい。

なお、本実施形態において、水平フレーム３２および垂直フレーム３３からなる基準フレーム３、通風傾斜フレーム４および通風支持フレーム５の材質は、高耐食性溶融めっき鋼板等を採用しており、これを折り曲げ加工等によって形成し、高強度化および軽量化が図られている。

つぎに、回転駆動手段６は、基準フレーム３を略垂直線周りに回転させるものである。本実施形態において、回転駆動手段６は、図４に示すように、支持台６１に固定された固定板６２および固定軸６３と、この固定軸６３周りに回動自在に設けられたターンテーブル６４と、ターンテーブル６４上に設けられたギヤードモータ６５とを有している。そして、ギヤードモータ６５のスプロケットと固定板６２の外周には、チェーン６６が巻回されており、ギヤードモータ６５を駆動することで、ターンテーブル６４が回動するようになっている。

また、本実施形態において、ギヤードモータ６５は、正逆回転可能に構成されており、制御装置９からの駆動開始指令を受けると、時計回りまたは反時計回りへ回転を開始する。一方、制御装置９から駆動停止指令を受けると、回転を停止するようになっている。また、本実施形態において、ターンテーブル６４は、図５に示すように、固定板６２の外周を上下からボールキャスター６７で狭持するとともに、固定軸６３の外周にベアリング６８を設けることにより回動自在に構成されている。このため、ボールキャスター６７によって上下方向の荷重が吸収され、ベアリング６８によって左右方向の荷重が吸収されるようになっている。

角度センサ７は、基準フレーム３の回転角を検出するものである。本実施形態において、角度センサ７は、基準面３１に対する垂線が北を向く位置を０度、東を向く位置を９０度、南を向く位置を１８０度および西を向く位置を２７０度として回転角を検出するように設定されている。そして、当該回転角を抵抗値に変換し、後述する回転角監視部１１４へ伝達するようになっている。また、本実施形態において、角度センサ７は、図４に示すように、固定軸６３の上端に設けられたセンサボックス６９内に配置されている。

積雪センサ８は、積雪の高さを検出するものである。本実施形態において、積雪センサ８は、図１に示すように、通風傾斜フレーム４の左右の下端部に取り付けられている。また、積雪センサ８は、レーザービーム等によって積雪を検知し、所定の高さになったとき、制御装置９へ異常信号を送信するようになっている。降雪地域では、一般的に、太陽電池パネル２の下方に積雪が集中して凍結する。そして、その凍結した氷が、太陽電池パネル２を下から持ち上げ、ターンテーブル６４、基準フレーム３および太陽電池パネル２等を破損させてしまう事故が多い。このため、前記積雪センサ８によって危険な積雪高さになったときに回転駆動手段６の回転を停止するようになっている。

制御装置９は、回転駆動手段６を制御して、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させる役割を果たすものである。本実施形態において、制御装置９は、プログラマブルコントローラやパーソナルコンピュータ等から構成されており、図１に示すように、主として、本実施形態の太陽軌道追尾式発電システム１の制御プログラム１ａや各種のデータ等を記憶する記憶手段１０と、各種のデータを取得して演算処理する演算処理手段１１とから構成されている。以下、各構成手段についてより詳細に説明する。

記憶手段１０は、ＲＯＭ（Read Only memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリ等から構成されており、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段１１が演算を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。本実施形態において、記憶手段１０は、図１に示すように、主として、プログラム記憶部１０１と、追尾用軌道データ記憶部１０２とを有している。

プログラム記憶部１０１には、本実施形態の太陽軌道追尾式発電システム１を制御するための制御プログラム１ａがインストールされている。そして、演算処理手段１１が、制御プログラム１ａを実行することにより、後述する各構成部として制御装置９を機能させるようになっている。

追尾用軌道データ記憶部１０２は、回転駆動手段６を所定の時間間隔で駆動させるために設定された各回転駆動時刻に、太陽軌道追尾式発電システム１の設置場所における太陽の方位角を対応付けて定めた追尾用軌道データを記憶するものである。太陽の軌道は、月単位で考えるとほぼ同じ軌道を辿ることが知られている。このため、本実施形態では、太陽軌道追尾式発電システム１を設置する地点における、所定の時間間隔ごとの太陽の方位角を月ごとに平均化して定めた。また、各月の追尾用軌道データの最後には、１日の終わりに初期位置（翌日の駆動開始位置）へ復帰させるためのデータが定められている。

本実施形態における追尾用軌道データの具体例を図６および図７に示す。この追尾用軌道データは、緯度が４３度２分２．４６秒で、経度が１４２度２８分４８．３４秒の設置地点における、１５分間隔ごとの太陽の方位角を月ごとに平均化したものである。なお、図６および図７において、「時刻」は午前０時からの経過時間を「分」換算した数値であり、「角度」は北を０度、東を９０度、南を１８０度および西を２７０度とした場合の方位角を１０倍にした数値である。

なお、追尾用軌道データの内容は、上述したものに限定されるものではなく、回転駆動手段６を所定の時間間隔で駆動させるために設定された各回転駆動時刻に、太陽軌道追尾式発電システム１の設置場所における太陽の方位角を対応付けて定めたものであればよい。例えば、本実施形態では、データサイズを小さくするため、駆動間隔を１５分間隔とし、追尾用軌道データを月ごとに設定しているが、より精度を高めるのであれば、より短い駆動間隔の追尾用軌道データを日ごとに設定してもよい。

演算処理手段１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されており、記憶手段１０にインストールされた制御プログラム１ａを実行させることにより、図１に示すように、追尾用軌道データ取得部１１１と、回転駆動時刻監視部１１２と、回転駆動指令部１１３と、回転角監視部１１４と、駆動停止指令部１１５と、積雪監視部１１６として制御装置９を機能させるようになっている。以下、各構成部についてより詳細に説明する。

追尾用軌道データ取得部１１１は、追尾用軌道データ記憶部１０２から所定の日付に対応する追尾用軌道データを取得するものである。本実施形態において、追尾用軌道データ取得部１１１は、制御装置９の内部時計を参照し、その日の日付に対応する月の追尾用軌道データを取得するようになっている。すなわち、同じ月内であれば、毎日同じ追尾用軌道データを取得することとなる。

回転駆動時刻監視部１１２は、太陽軌道追尾式発電システム１を回転駆動する回転駆動時刻を監視するものである。本実施形態において、回転駆動時刻監視部１１２は、制御装置９の内部時計を参照し、追尾用軌道データ取得部１１１が取得した追尾用軌道データに設定されている回転駆動時刻になったか否かを監視するようになっている。

回転駆動指令部１１３は、回転駆動手段６に駆動開始指令を出力するものである。本実施形態において、回転駆動指令部１１３は、回転駆動時刻監視部１１２によって回転駆動時刻になったと判別されたとき、回転駆動手段６に正回転方向の駆動開始指令を出力する。また、本実施形態において、回転駆動指令部１１３は、回転駆動時刻監視部１１２によって最終の回転駆動時刻になったと判別されたとき、回転駆動手段６に逆回転方向の駆動開始指令を出力する。

回転角監視部１１４は、基準フレーム３の回転角を監視するものである。本実施形態において、回転角監視部１１４は、角度センサ７から回転角を取得し、追尾用軌道データの回転駆動時刻における方位角と一致したか否かを監視するようになっている。

駆動停止指令部１１５は、回転駆動手段６に駆動停止指令を出力するものである。本実施形態において、駆動停止指令部１１５は、回転角監視部１１４により基準フレーム３の回転角が、回転駆動時刻における方位角と一致したと判別されたとき、回転駆動手段６に駆動停止指令を出力するようになっている。

積雪監視部１１６は、積雪の状態を監視するものである。本実施形態において、積雪監視部１１６は、積雪センサ８から送信された異常信号を受け取ると、追尾制御を停止させるとともに警報を発生し、管理者等へ通報するようになっている。

つぎに、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１およびその制御プログラム１ａの作用について、図面を用いて説明する。

本実施形態の太陽軌道追尾式発電システム１を用いて発電する場合、建物の屋上や、平地等のように日当たりのよい場所に太陽軌道追尾式発電システム１を設置する。このとき、本実施形態では、各通風傾斜フレーム４が、基準フレーム３との間に通風路を形成するとともに、各通風支持フレーム５が、各太陽電池パネル２の裏側へ通風路を形成する。このため、各太陽電池パネル２に吹き付ける風が、各通風路を通って吹き抜けるため風圧を低減させられる。すなわち、太陽電池パネル２がまともに風圧を受ける機会を減らし、あるいは風圧を逃がし、建物の揺れやシステムの損壊を防止する。

また、太陽電池パネル２が左右方向に傾斜されることによって左右幅が狭まっているため、真正面に風を受けたときの風圧が低減される。さらに、全体的な構成がフレーム構造になっているため、風通しがよく、装置全体が軽量化されている。また、左右幅を狭めることで、従来の配置と比較して省スペース化され、同じスペース内であっても、より多くの太陽電池パネル２を配置可能となり発電量が向上する。

つぎに、太陽軌道追尾式発電システム１の設置が完了した後、図８に示すように、制御プログラム１ａによって太陽軌道追尾式発電システム１の動作を開始させる。まず、追尾用軌道データ取得部１１１が、その日の日付に対応する追尾用軌道データを追尾用軌道データ記憶部１０２から取得する（ステップＳ１）。この追尾用軌道データを用いて追尾制御するため、太陽の方向を検知するセンサを用いる場合と比較して、イニシャルコストやメンテナンスコストがかからない。また、太陽光センサが感知不能となるような曇天時等であっても、正確に太陽の軌道を追尾し、発電量を増大させられる。

つづいて、積雪監視部１１６が、積雪センサ８から異常信号が出力されていないか否かを確認し、異常信号が出ていなければ（ステップＳ２：ＮＯ）、処理をステップＳ３へと進める。一方、異常信号が出ている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、管理者等へ警報を通報するとともに（ステップＳ３）、本フローを終了させる。これにより、太陽電池パネル２の下方に降り積もった雪により、ターンテーブル６４、基準フレーム３および太陽電池パネル２等が破損してしまうのを未然に防止する。また、早期の復旧作業を可能とし、無発電の停止時間が短縮化される。

つぎに、回転駆動時刻監視部１１２が、現在時刻が追尾用軌道データに設定されている回転駆動時刻になったか否かを監視する（ステップＳ４）。そして、当該回転駆動時刻になったとき（ステップＳ４：ＹＥＳ）、回転駆動指令部１１３が、回転駆動手段６に正回転方向の駆動開始指令を出力する（ステップＳ５）。これにより、回転駆動手段６は、所定の時間間隔で基準フレーム３を回転させ、太陽の軌道に追尾させる。

基準フレーム３が回転されている間、回転角監視部１１４が、その回転角を監視する（ステップＳ６）。そして、追尾用軌道データの方位角に一致したとき（ステップＳ６：ＹＥＳ）、駆動停止指令部１１５が、回転駆動手段６に駆動停止指令を出力する（ステップＳ７）。これにより、基準フレーム３の基準面３１は、常に太陽光と略直交した状態に維持される。このため、基準面３１に対して左右方向に傾斜された各太陽電池パネル２には、常に、太陽光が垂直ではない適度な入射角度で入射する。したがって、太陽電池パネル２の過度な温度上昇が抑制され、温度上昇による出力の低下を防止する。

上述したステップＳ２からステップＳ７までの処理は、回転駆動時刻監視部１１２による監視のもと、追尾終了時刻になるまで繰り返される（ステップＳ８：ＮＯ）。そして、追尾終了時刻になったとき（ステップＳ８：ＹＥＳ）、回転駆動指令部１１３は、回転駆動手段６に逆回転方向の駆動開始指令を出力する（ステップＳ９）。これにより基準フレーム３を初期位置に戻るまで逆回転させる。そして、回転角監視部１１４が、翌日の初期位置に復帰したことを確認して（ステップＳ１０）、駆動停止指令部１１５が、回転駆動手段６に駆動停止指令を出力する（ステップＳ１１）。これにより、翌日からは再びスムーズに回転駆動が開始される。

以上のような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．太陽電池パネル２にかかる風圧を軽減して、建物の揺れや太陽電池パネル２が吹き飛ばされるのを防止することができる。
２．支持台６１を軽量化および簡素化でき、イニシャルコストやランニングコストを低減するとともに、施工期間を短縮化することができる。
３．天候に左右されることなく、高精度に太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させ、発電量を増大することができる。
４．太陽電池パネル２への太陽光の入射角度を適度に保持し、温度上昇による出力の低下を抑制することができる。

以下、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１およびその制御プログラム１ａについて、具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の各実施例によって示される特徴に限定されるものではない。

＜段差角度と発電量との関係＞
本実施例１では、基準フレーム３の基準面３１に対して各太陽電池パネル２がなす傾斜角が、発電量に及ぼす影響を検証する実験を行った。具体的には、三菱電機株式会社製の太陽電池パネル２（ＰＶ−ＭＸ１２６ＡＦ：公称最大出力動作電圧２４Ｖ，公称最大出力１２６Ｗ）を１枚使用し、これに５．２４Ωの固定負荷を接続した。なお、上記公称値は、ＪＩＳ Ｃ８９１８で規定するＡＭ１．５、放射照度１０００Ｗ／ｍ^２、パネル温度２５℃での値である。

そして、放射照度を約６５０Ｗ／ｍ^２とした状態で、太陽電池パネル２への入射角度（＝９０度−傾斜角）を０度から９０度まで５度ごとに変化させ、出力電圧を測定した。また、当該出力電圧から電力値および発電効率を算出した。その結果を図９および図１０に示す。なお、電力値は、電圧値を２乗した値を抵抗値で除算して算出した。また、発電効率は、最大電力値に対する電力値の比率として算出した。

図９および図１０に示すように、入射角度が９０度から６０度までの範囲内では、発電効率の減少量はわずか１％以内であった。また、入射角度が５５度から４０度の範囲内においても、発電効率はそれほど減少せず、最大でも２．５％程度の減少であった。一方、入射角度が３５度以下になると、急激に減少量が増大し、発電効率は大幅に低下した。

以上より、本実施例１によれば、太陽電池パネル２に対する太陽光の入射角度は、４０度以上に設定していれば、発電効率はほとんど変化しないことが示された。すなわち、太陽電池パネル２の傾斜角に置き換えれば、発電効率の観点からは、基準面３１に対する傾斜角を５０度以下に設定することが好適であることが示された。

＜傾斜角と温度上昇との関係＞
本実施例２では、太陽電池パネル２が基準面３１に対してなす傾斜角が、太陽電池パネル２の温度上昇に及ぼす影響を検証する実験を行った。具体的には、実施例１と同じ太陽電池パネル２を２枚使用し、各太陽電池パネル２の裏面中央に温度計を取り付けた。そして、太陽電池パネル２への入射角度（＝９０度−傾斜角）を０度から９０度まで５度ごとに変化させ、太陽電池パネル２の温度を測定した。

また、本実施例２で使用した太陽電池パネル２の仕様は、上記のように、パネル温度が２５℃での値である。このため、測定したパネル温度から２５℃を差し引いて、出力損失を生じさせる損失温度とした。また、この損失温度による出力低下（温度損失）を算出した。その結果を図１１および図１２に示す。なお、本実施例２で用いた太陽電池パネル２は結晶系であるため、出力低下の算出に当たっては温度係数を０．５％とした。

図１１および図１２に示すように、入射角度が９０度の場合に、太陽電池パネル２の温度が最も上昇し、出力の低下が最大となった。また、入射角度が小さくなるに連れて、パネル温度はそれほど上昇せず、出力の低下が抑制されていた。

以上より、本実施例２によれば、太陽電池パネル２に対する太陽光の入射角度は、なるべく小さくするほど、温度上昇に起因する出力の低下が抑制されることが示された。すなわち、温度上昇の観点からは、基準面３１に対する傾斜角をなるべく大きな値に設定することが好適であることが示された。

＜傾斜角と風圧との関係＞
本実施例３では、太陽電池パネル２が基準面３１に対してなす傾斜角が、太陽電池パネル２が受ける風圧に及ぼす影響を検証する実験を行った。具体的には、シャープ株式会社製の太陽電池パネル２（ＮＤ−１４２ＣＶ：幅９９０ｍｍ，奥行９１３ｍｍ）を縦方向に３枚並べてアレイ化し、水平面に対して５１．６度傾斜させた基準面３１に対して、左右方向に３つ並べて配置する太陽軌道追尾式発電システム１を想定した。

そして、太陽電池パネル２の傾斜角を０度から８０度まで５度ごとに変化させたときの垂直面に対する投影面積を算出した。また、風速ｖが２０ｍ／ｓのときに、前記投影面積が受ける風圧を算出した。その結果を図１３および図１４に示す。なお、単位面積当たりの風圧ｐは、ｐ＝１／２・ρ・ｖ^２・Ｃにより算出した。ただし、ρは空気密度（＝０．１２５）、Ｃは風力係数（＝１）である。

図１３および図１４に示すように、各太陽電池パネル２を平面状に配置した場合（傾斜角が０度の場合）、太陽電池パネル２全体で受ける風圧は２０３．４ｋｇにもなっていた。また、傾斜角が５度〜１５度の範囲内では、平面配置の場合よりも若干風圧が大きくなっていた。これは傾斜角が小さい場合には風の通りが充分ではなく風圧を抑制できないのであろう。一方、傾斜角が２０度以上になると、傾斜角が大きくなるほど投影面積が減少し、それに伴って風圧も低減していた。

以上より、本実施例３によれば、太陽電池パネル２は、投影面積が小さいほど、風圧による影響が低減することが示された。したがって、風圧を低減する観点からは、基準面３１に対する傾斜角を２０度以上の範囲内でなるべく大きな値に設定することが好適であることが示された。

＜傾斜角と設置幅との関係＞
本実施例４では、太陽電池パネル２が基準面３１に対してなす傾斜角が、太陽軌道追尾式発電システム１の設置幅に及ぼす影響を検証する実験を行った。具体的には、実施例３と同じ太陽電池パネル２を左右方向に３つ並べて配置する太陽軌道追尾式発電システム１を想定した。そして、太陽電池パネル２の傾斜角を０度から６０度まで５度ごとに変化させたときの左右方向における設置幅を算出した。その結果を図１５および図１６に示す。

なお、本実施例４では、各太陽電池パネル２が、隣り合う太陽電池パネル２へ入射する太陽光を遮らないようにするため、影対策幅を別途、設定した。具体的には、図３に示すように、左側および中央の各太陽電池パネル２の開放端４ｂを通り、基準面３１の垂線に対して１５度の角度をなす直線が基準面３１と交わる点を、右側に隣り合う太陽電池パネル２の固定位置に設定した。これにより、太陽電池パネル２の開放端４ｂから基準面３１へ垂下させた位置から上記固定位置までの幅が、影対策幅として２箇所設定される。

図１５および図１６に示すように、傾斜角が５度〜１５度の範囲内では、影対策幅の影響によって、傾斜角が０度の場合（平面状に並べた場合）の設置幅よりも大きくなっていた。一方、２０度の場合は、０度の場合と同じ設置幅となり、２５度以上の範囲では、傾斜角が大きくなるに連れて設置幅が徐々に減少した。

以上より、本実施例４によれば、太陽電池パネル２は、傾斜角を２５度以上にした場合、設置幅が減少することが示された。すなわち、省スペース化の観点からは、基準面３１に対する傾斜角を２５度以上に設定することが好適であることが示された。

上述した実施例１〜４の結果を総合すると、基準面３１に対して太陽電池パネル２がなす傾斜角は、２５度から５０度の範囲内に設定することが好適であることが示された。ただし、傾斜角が大きくなり過ぎると、各太陽電池パネル２の相互による影の影響を受けやすくなるおそれがあるため、傾斜角は４０度前後が最も好適であると考えられる。

＜基準面３１の傾斜角の考察＞
本実施例５では、基準フレーム３の基準面３１が水平面に対してなす傾斜角について考察を行った。まず、太陽光に追尾させず、太陽電池パネル２を固定設置する場合、傾斜角は発電時間に大きく影響する。すなわち、傾斜角が大きいほど太陽光が太陽電池パネル２の裏面に位置する時間が多くなり、発電時間は短くなる。このため、無積雪地域における傾斜角は、２０度前後が一般的である。しかし、積雪地域では、落雪作用および冬期の太陽光の入射角等を考慮し、４３度前後に固定されていることが多い。したがって、積雪地域における発電量は総じて少ない傾向にある。

一方、本発明のように、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させる場合、基準面３１の傾斜角が発電量へ及ぼす影響は少ない。したがって、傾斜角は、太陽光が太陽電池パネル２に対して、定格出力可能な入射角（有効入射角）で入射する状態を確保する範囲内であればよい。そこで、本実施例５では、有効入射角が３０度の太陽電池パネル２を使用する場合の傾斜角について考察した。

図１７に示すように、太陽電池パネル２が有効に発電する最も低い太陽の位置は、水平から約１０度の位置である。このため、太陽電池パネル２の傾斜角を約２０度にすれば、入射角度が３０度となる。一方、一年で最も日が高くなる夏至前後の正午の太陽の仰角は約７０度である。このため、太陽電池パネル２の傾斜角を約８０度にすれば、入射角度が３０度となる。したがって、太陽電池パネル２の傾斜角を２０度〜８０度の範囲内に設定すれば、年間を通して日の出から日の入まで有効入射角が確保されることとなる。

なお、太陽電池パネル２が水平面に対してなす角度は、水平面に対して基準面３１がなす傾斜角と、基準面３１に対して太陽電池パネル２がなす傾斜角との相乗作用により規定される。例えば、水平面に対して基準面３１がなす傾斜角を４０度とし、この基準面３１に対して太陽電池パネル２がなす傾斜角を５１．６度とした場合、太陽電池パネル２が水平面に対してなす角度は約６０度となり、優れた落雪作用を奏することができる。

以上より、本実施例５によれば、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させる場合、水平面に対して基準面３１がなす傾斜角が発電量に及ぼす影響は少なく、太陽電池パネル２を設置する際の重量バランスや、落雪作用等を考慮して、２０度〜８０度の範囲内で適宜設定しうることが示された。

＜固定式と追尾式との比較＞
本実施例６では、太陽電池パネル２を固定設置した場合と、太陽の軌道に追尾させた場合とにおける発電量を比較する実験を行った。具体的には、実施例１と同じ太陽電池パネル２を２枚用意し、一方は約４７度の傾斜角で固定し、他方は本実施形態の太陽軌道追尾式発電システム１を用いて太陽の軌道に追尾させた。そして、各太陽電池パネル２に５４．２Ωの固定負荷を接続し、晴れた日（平成２１年５月２０日）の発電電圧を測定した。その結果を図１８に示す。

図１８に示すように、太陽の軌道に追尾させた場合（「追尾電力」および「追尾電圧」）には、日の出（４時３０分頃）と同時に発電を開始しており、固定設置した場合（「固定電力」および「固定電圧」）と比較して、発電を開始する時間が約３時間も早かった。また、太陽の軌道に追尾させた場合には、日の入する直前（１８時３０分頃）まで高い電圧で発電しており、固定設置した場合と比較して、約１．５時間ほど長く発電していた。

また、本実施例６では、上記実験装置を用いて、平成２１年４月１３日から６月８日までの発電電力を毎日測定した。その結果を図１９に示す。なお、５月１日は、データを測定していない。図１９に示すように、測定期間中、ほぼ全ての日において、追尾させた場合の発電電力が、固定した場合の発電電力を上回っていた。そして、追尾させた場合の平均発電電力は４１２Ｗ／日であるのに対し、固定した場合の平均発電電力は２７８Ｗ／日であり、約１．５倍の電力が発電されていた。

以上より、本実施例６によれば、太陽電池パネル２を固定設置した場合と比較して、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させた場合、より多くの発電電力が得られることが示された。

＜太陽軌道追尾式発電システム１の経済性の検証＞
本実施例７では、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１の経済性について検証した。従来、センサー等を用いて太陽電池パネルを太陽に追尾させた方が太陽光発電に有効であることは知られている。しかし、今日まで普及しない要因は、費用対効果が低いことが大きな要因である。すなわち、従来の太陽に追尾させる装置は、イニシャルコストやランニングコストが高くつく一方、その投資を十分に回収できないという問題がある。

そこで、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１においては、高耐食性溶融めっき鋼板等を折り曲げ加工してなるフレーム材を用いてシステム全体を構成し、高い通風性と軽量化を実現した。また、全ての部品をレーザー加工機等のＮＣ（Numerical Control）加工機器を用いて標準化した。さらに、センサー等を用いることなく太陽を追尾するため、追尾用軌道データを用意するとともに、この追尾用軌道データを処理する制御プログラム１ａを圧縮し、汎用のプログラマブルコントローラ（数万円）で制御装置９を構成した。また、各部品を組み立て式にして、運搬し易くするとともに、現地で組み立て可能な構造とした。以上の構成により、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１は、現在、流通している「やぐら方式」の固定架台とほぼ同額のイニシャルコストで提供することが可能となった。

また、太陽に追尾させる場合には、追尾駆動に使用するエネルギー量は、大きな意味を有している。せっかく発電した電気を自らの追尾駆動エネルギーに消費してしまうからである。この点、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１は、軽量化によって追尾駆動するエネルギーも小さく、本システムで使用したギヤードモータ６５は約６０Ｗで回転駆動できる。また、トータルの駆動時間は、１日当たり約３０分程度である。したがって、本システムによれば、ランニングコストも極めて低減される。

以上より、本実施例７によれば、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１は、イニシャルコストやランニングコストを抑制し、増大した発電量によって十分な費用対効果が得られることが示された。

なお、本発明に係る太陽軌道追尾式発電システム１およびその制御プログラム１ａは、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態の構成に加えて、太陽電池パネル２の開放端４ｂと基準フレーム３との間に、太陽光を反射する反射板を設けてもよい。具体的には、反射率の高いステンレス鋼や鏡等によって反射板を構成し、複数の通気孔を形成する。そして、隣り合う太陽電池パネル２からの反射光を再度、当該太陽電池パネル２へ反射する角度をなすように、通風支持フレーム５に取り付ける。これにより、反射板が各太陽電池パネル２の反射光を再反射して、当該太陽電池パネル２へ照射させるため、発電量が向上する。

１ 太陽軌道追尾式発電システム
１ａ 制御プログラム
２ 太陽電池パネル
３ 基準フレーム
３１ 基準面
３２ 水平フレーム
３２ａ 前端辺
３３ 垂直フレーム
３３ａ 上端辺
４ 通風傾斜フレーム
４ａ 固定端
４ｂ 開放端
５ 通風支持フレーム
６ 回転駆動手段
６１ 支持台
６２ 固定板
６３ 固定軸
６４ ターンテーブル
６５ ギヤードモータ
６６ チェーン
６７ ボールキャスター
６８ ベアリング
６９ センサボックス
７ 角度センサ
８ 積雪センサ
９ 制御装置
１０ 記憶手段
１０１ プログラム記憶部
１０２ 追尾用軌道データ記憶部
１１ 演算処理手段
１１１ 追尾用軌道データ取得部
１１２ 回転駆動時刻監視部
１１３ 回転駆動指令部
１１４ 回転角監視部
１１５ 駆動停止指令部
１１６ 積雪監視部

Claims (3)

1. 複数枚の太陽電池パネルと、
   前記各太陽電池パネルを設置する基準となる基準面が水平面に対して太陽に対面する方向に傾斜されている基準フレームと、
   前記基準面に対して横方向に隣接する各太陽電池パネル同士を左右いずれかの同一方向に傾斜させて配置し、かつ、前記基準フレームとの間に通風路を形成する通風傾斜フレームと、
   前記通風傾斜フレームを傾斜させた状態で支持し、かつ、前記太陽電池パネルの裏側への通風路を形成する通風支持フレームと、
   前記基準フレームを略垂直線周りに回転させる回転駆動手段と、
   前記太陽電池パネルを太陽の軌道に追尾させるように前記回転駆動手段を制御する制御装置と
   を有する太陽軌道追尾式発電システム。
2. 請求項１において、前記各太陽電池パネルは、前記基準面に対して２５度〜５０度の傾斜角をなすように前記通風傾斜フレームに配置されている太陽軌道追尾式発電システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽軌道追尾式発電システムを制御するための制御プログラムであって、
   前記制御装置を、
   前記回転駆動手段を所定の時間間隔で駆動させるために設定された各回転駆動時刻に、当該システムの設置場所における太陽の方位角を対応付けて定めた追尾用軌道データを記憶する追尾用軌道データ記憶部と、
   前記追尾用軌道データ記憶部から所定の日付の追尾用軌道データを取得する追尾用軌道データ取得部と、
   前記取得した追尾用軌道データに基づいて所定の回転駆動時刻になったか否かを監視する回転駆動時刻監視部と、
   当該回転駆動時刻になったときに前記回転駆動手段に駆動開始指令を出力する回転駆動指令部と、
   前記基準フレームの回転角を検出する角度センサの出力に基づいて、当該回転角が当該回転駆動時刻における方位角と一致したか否かを監視する回転角監視部と、
   当該回転角と当該方位角とが一致したときに前記回転駆動手段に駆動停止指令を出力する駆動停止指令部と
   して機能させる太陽軌道追尾式発電システムの制御プログラム。