JP4873625B2 - 混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備 - Google Patents

Description

本発明は、混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備に関し、特に、低コスト且つ低消費電力で、高安定的に且つ高精度的に制御できるものに関する。

工業が素早く発展したため、化石燃料が少しずつ枯渇になることや温室効果及び廃気の問題が重要視され、また、エネルギーの安定供給も、全地球の重大な課題である。従来の燃料石炭や燃料ガス或いは原子力の発電に対して、太陽電池（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光電効果により、直接に太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、二酸化炭素や窒素酸化物及び硫黄酸化物等の温室効果ガスや汚染ガスが発生せず、また、化石燃料に対する依頼性が低減され、安全的に自主的な電力資源を提供できる。

太陽電池を太陽追従器に実装することにより、非集光型太陽電池の効率が２０〜３０％向上される。太陽追従器は、集光型太陽電池にとって、発電のための必要な設備であり、なければ、真正面に太陽に向かい合うことができず、集光できなくなって、発電できない。

当該太陽追従器は、太陽位置を追跡する方式により、光検知モードや太陽軌跡モード及び光検知／太陽軌跡モードの３種類がある。用途や追従器により、使用される追跡方法が異なる。市場において、非集光シリコン材である太陽追従器が主流であり、その特長は、（１）光検知を利用し、（２）追跡精度が１〜３度であり、（３）空の最大光度を追跡し、そして、（４）制御器がアナログ回路を利用する。

ロナルド ピー コリオ（Ｒｏｎａｌｄ Ｐ． Ｃｏｒｉｏ）らは、１９９３年に光検知で太陽位置を追跡する方法を提案し、図５を参照しながら、当該光センサ４は、ハウジング４１があり、当該ハウジング４１の内部に回路板４２が設置され、当該ハウジング４１の各側面に４５度になるように東、西、南、北方向の感光センサ（ＣｄＳ）４３が設置される。東西方向／南北方向の感光センサ４３の電位差により太陽位置を検知し、また、正方向感光センサ４４により強光天候を処理し、夜や弱光の時、太陽位置を追跡することを停止する。

上記従来の太陽位置光センサは、太陽位置を検知できるが、当該光センサの東、西、南、北方向の感光センサが、それぞれ、各側面と４５度になるため、容易に作製できず、また、水や埃或いは雑物が溜まり易く、検知能力が低減される恐れがあり、また、正方向感光センサは、夜や強光天候しか処理できず、太陽光が微弱である時或いは曇りや雨等の天候に対応できない。そのため、一般の従来のものは、実用的とは言えない。

本発明の主な目的は、透過孔と陰影柱を有する光センサにより、東西方向や南北方向の精確検知が向上され、また、全日照模擬強度と直接正常日照強度により、何れかの天候でも、高い集光を実現でき発電効率が向上される混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、光センサと混合式追跡制御装置とが含有され、当該光センサに、半球形透明マスクと陰影柱、基板、回路板及び底座が設けられ、当該混合式追跡制御装置に、アナログ信号処理部とマイクロプロセサ及び直流駆動回路ユニットが設けられ、精確に太陽位置を検知でき、また、太陽光が微弱である時や、曇りや雨或いは夜等の天候において、太陽位置を追跡することを停止し、即ち、異なる天候に応じて、交替的に光検知追跡モードや最大パワー追跡モードを使用して、高い集光を実現でき、発電効率が向上される混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備である。

図１と２及び３は、それぞれ、本発明に係わる光センサの立体分解概念図と本発明に係わる陰影柱の立体外観概念図及び本発明に係わる混合式追跡制御装置の使用状態概念図である。本発明は、図のように、混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備であり、光センサ１と混合式追跡制御装置２とが含有され、当該光センサ１は、半球形透明マスク１１と陰影柱１２、基板１３、回路板１４及び底座１５が含有され、当該混合式追跡制御装置２は、アナログ信号処理部２１とマイクロプロセサ２２及び直流駆動回路ユニット２３が含有される。

当該半球形透明マスク１１は、防水と防湿及び衝突防止の機能を有し、当該底座１５の材質はアルミ合金であり、両素子により内部の検知素子を保護する。

当該陰影柱１２は第１の正方柱１２１と第２の正方柱１２２から構成され、当該第１の正方柱１２１の中心に透過孔柱１２１１があり、当該第２の正方柱１２２において、当該第１の正方柱１２１に隣接する各面の中心に、それぞれ、透過孔１２２１が設けられ、当該透過孔の孔径１２２２と第１の正方柱の高さ１２１３との比の値が、０．５より小さく、当該透過孔の孔径１２２２と第２の正方柱の高さ１２２３との比の値が、１より大きい。当該陰影柱１２の中心にフォトコリメータとして透過孔柱１２１１が設けられ、当該透過孔柱の孔径１２１２と陰影柱１２の高さとの比の値が０．０２より小さく、即ち、太陽位置が真中心から１．１５度以下である時、光が底部まで到達できる。

当該基板１３は、東、南、西、北及び中方位に、それぞれ、フォトダイオード１３１が設けられ、対応する両側に、それぞれ、五つのピン１３２が設けられ、五つのフォトダイオード１３１の正負端が、それぞれ、十のピンに連接される。当該陰影柱１２は、透過孔１２２１と透過孔柱１２１１が、基板１３の東、西、南、北及び中方位のフォトダイオード１３１に対応し、また、当該透過孔柱１２１１にフィルタ膠を注入してパッケージする工程により、当該基板１３と一つの部品になる。

上記の部品（陰影柱１２と基板１３）が回路板１４に実装され、底座１５に平行する当該回路板１４は受動素子と電源変換素子があり、また、基板１３に電気的に接続され、当該回路板１４は、更に、底座１５の継ぎ手１５１に接続される挿接ユニット１４１がある。

また、当該底座１５の継ぎ手１５１は、導線１５２により、当該混合式追跡制御装置２に連接され、当該混合式追跡制御装置２は、光センサ１の基板１３の東、西、南、北及び中方位に設置されたフォトダイオード１３１の出力信号２４を受信し、そして、差動増幅器からなるアナログ信号処理部２１により、光センサ１が伝送した出力信号２４を処理し、出力信号２４のノイズを濾過し、インピーダンス整合を行い、東西と南北の信号の差値を調整し、そして、太陽電池の出力パワー２５を処理する。

当該マイクロプロセサ２２は混合式追跡制御を行い、光検知追跡モードと最大パワー追跡モードの２種類のモードがあり、何れかの天候に応じて交替的に実行され、そのため、集光型太陽電池は最大パワー出力を得られる。

当該直流駆動回路ユニット２３は方位角駆動モーター２３１と仰角駆動モーター２３２が連接され、各モーターは高電流により駆動され、また、正反転の機能を有する。

図４は、本発明の混合式追跡制御状態概念図である。当該混合式追跡制御装置は、図のように、マイクロプロセサで混合式追跡制御を行い、アナログ信号処理部が伝送した東西方向及び南北方向の差値信号３１と太陽電池出力パワー３２を受信し、第１の判断規則３３によって判断する。当該第１の判断規則３３は、当該東西方向及び南北方向の差値信号３１が方位角および仰角がデッドバンド３４になるまでゼロにならない時や、当該太陽電池出力パワー３２が１ワット（Ｗａｔｔ）より小さい時である。上記の当該第１の判断規則３３が成立する時、当該第１のスイッチ３５をオフして第２のスイッチ３６をオンし、光検知追跡モードで追跡し、この時、東西方向及び南北方向の差値信号３１がゼロではないため、本発明に係わる光学追跡設備の方位角駆動モーター３７が、差値がゼロになるまで回転する。追跡する時、まず、方位角を主とし、方位角で方位角デッドバンドまでを追跡すると、仰角を追跡し、仰角を追跡して仰角デッドバンドに到達する前、方位角が方位角デッドバンドから外れた場合、再び、方位角デッドバンドになるまで方位角を追跡し、その後、更に、仰角デッドバンドになるまで仰角を追跡する。方位角デッドバンドや仰角デッドバンドまで光検知追跡し、また、東西方向と南北方向の差値信号３１がゼロになると、この時、太陽電池出力パワー３２が１ワットより小さい場合、空が散乱光であるため、光検知追跡モードで追跡する。太陽電池出力パワー３２が１ワットである時や１ワットより大きい時、太陽電池がパワーを出力しているため、第１のスイッチ３５をオンして第２のスイッチ３６をオフし、そして、最大パワー追跡モードに切り換える。

当該最大パワー追跡モードは太陽電池出力パワー３２と全日照模擬強度３８（Ｉｍ）の比の値を追跡基準とする。西、北、南へ順番に追跡し、第２の判断規則３９により判断する。当該第２の判断規則３９は、太陽電池出力パワー３２と全日照度模擬強度３８の比の値が、最大値であるか否かであり、上記の第２の判断規則３９がＹＥＳである場合、この時の太陽電池出力パワー３２が最大値であることを示し、そして、太陽電池が真正面に太陽に向かう合う位置である。太陽電池出力パワー３２が１ワットより小さいで有れば、遮蔽があることを示し、この時、第１のスイッチ３５をオフして第２のスイッチ３６をオンし、また、光検知追跡モードに切り換える。この時、太陽電池がパワーを出力していない場合、光検知追跡モードを停止する。雲が散らした時や太陽光が再び大地を照射する時、東、西、南、北方位のフォトダイオードが太陽光を検知すると、再び、光検知追跡モードで方位角と仰角を追跡する。

以上のように、本発明に係わる混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備は、有効に従来の各欠点を改善でき、低成本且つ低消費電力で、高安定的に且つ高精度的であるため、より実用的なもので、法に従って特許請求を出願する。

以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されず、また、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に従って行う等価の変更や修正は、全てが、本発明に係わる特許請求の範囲内に含まれる。

本発明に係わる光センサの立体分解概念図 本発明に係わる陰影柱の立体外観概念図 本発明に係わる混合式追跡制御装置使用状態の概念図 本発明による混合式追跡制御状態の概念図 従来の光センサの立体外観概念図

符号の説明

（本発明部分）
１ 光センサ
１１ 半球形透明マスク
１２ 陰影柱
１２１ 第１の正方柱
１２１１ 透過孔柱
１２１２ 第１の正方柱の高さ
１２１３ 透過孔柱の孔径
１２２ 第２の正方柱
１２２１ 透過孔
１２２２ 透過孔の孔径
１２２３ 第２の正方柱の高さ
１３ 基板
１３１ フォトダイオード
１３２ ピン
１４ 回路板
１４１ 挿接ユニット
１５ 底座
１５１ 継ぎ手
１５２ 導線
２ 混合式追跡制御装置
２１ アナログ信号処理部
２２ マイクロプロセサ
２３ 直流駆動回路ユニット
２３１ 方位角駆動モーター
２３２ 仰角駆動モーター
２４ 出力信号
２５ 太陽電池出力パワー
３１ 東西方向と南北方向の差値信号
３２ 太陽電池出力パワー
３３ 第１の判断規則
３４ 方位角仰角デッドバンド
３５ 第１のスイッチ
３６ 第２のスイッチ
３７ 方位角駆動モーター
３８ 全日照模擬強度
３９ 第２の判断規則
（従来部分）
４ 光センサ
４１ ハウジング
４２ 回路板
４３ 感光センサ
４４ 正方向感光センサ

Claims (6)

1. 太陽位置追跡式太陽電池において、少なくとも、
   半球形透明マスクと陰影柱、基板、回路板及び底座が含有される光センサと、
   アナログ信号処理部とマイクロプロセサ及び方位角駆動モータと仰角駆動モータを駆動する直流駆動回路ユニットを含んで成り、
   光検知追跡モードと最大パワー追跡モードの２つの追跡モード有する混合式追跡制御装置とを含み、
   当該陰影柱は、第１の正方柱と第２の正方柱から構成され、当該第１の正方柱の中心に透過孔柱があり、当該透過孔柱が当該第２の正方柱を貫通し、当該第２の正方柱において、当該第１の正方柱に隣接する各面の中心に、それぞれ、透過孔が設けられ、
   当該基板に、それぞれ、東、南、西、北方位及び中心に位置し、また、それぞれ、当該陰影柱の透過孔に対応する五つのフォトダイオードが設けられており、
   まず、東西方向及び南北方向の差値信号と、それぞれ方位角と仰角のデッドバンドとの差値がゼロになるまで、それぞれ方位角駆動モータと仰角駆動モータを回転させる方法で、方位角と仰角の光検知追跡モードの制御をおこない、
   さらに、太陽電池出力パワーが所定値より小さい時には、継続して当該光検知追跡モードの制御を行い、
   太陽電池出力パワーが、上記所定値以上の時に、最大パワー追跡モードで追跡を行うことを特徴とする混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。
2. 当該透過孔柱の孔径と当該陰影柱の高さとの比の値が０．０２より小さいことを特徴とする請求項２に記載の混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。
3. 当該透過孔の孔径と当該第１の正方柱の高さの比の値が０．５より小さいことを特徴とする請求項２に記載の混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。
4. 当該透過孔の孔径と当該第２の正方柱の高さの比の値が１より大きいことを特徴とする請求項２に記載の混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。
5. 当該光検知追跡モードは、まず、方位角を追跡し、当該方位角のデッドバンドになるまで方位角駆動モータが回転して東西方向の差値がゼロになってから、仰角を仰角デッドバンドになるまで仰角駆動モータを回転させて南北方向の差値がゼロになるように追跡することを特徴とする請求項１に記載の混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。
6. 当該最大パワー追跡モードは、太陽電池出力パワーと全日照模擬強度の比の値を追跡基準とすることを特徴とする請求項１に記載の混合式追跡制御装置付きの光学追跡設備。