JP5521528B2 - 太陽光発電システム - Google Patents
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Description
その問題を回避するために、太陽を自動追跡して太陽電池パネルの受光面を常に太陽に向けるようにした太陽光発電システムの発明が知られている(特許文献1)。この発明のシステムは、太陽電池が配設された受光面側に設置した複数個の光センサとその光センサに対する入射光を局所化する遮光体とから成る太陽自動追跡センサと、その太陽自動追跡センサの各センサに対する受光量に基づき作動させる駆動手段と、その駆動手段を作動させて各センサに対する受光量を等量となる方向へ太陽自動追跡センサの向きを変える制御装置とを備えている。
前記太陽電池を搭載した可撓性の移動子および前記移動子と対向して配置する可撓性の固定子とを有する静電アクチュエータであって、前記固定子は、屋根の形状に合わせて屋根の表面に沿うように設置され、前記移動子の位置を検出する複数の位置センサを有し、前記移動子は、前記固定子上を移動し、前記複数の位置センサの一つに対応する位置に停止することができるように設置される静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータを駆動するための電力を供給する電源部と、
前記電源部を操作することにより前記太陽電池を搭載した前記移動子の位置を、前記複数の位置センサにより取得した位置から、太陽の方向によって決まる目標位置であり、且つ太陽の方向を複数の方向に区別し、前記太陽電池の配置が前記区別された太陽の方向に適合するように決定された前記目標位置であり、且つ複数の前記位置センサの一つに対応する前記目標位置に移動する操作信号を電源部に出力する制御手段、
を有するようにしたものである。
本発明の請求項2に係る太陽光発電システムは、請求項1に係る太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池は可撓性を有し、その可撓性の太陽電池と前記可撓性の移動子とは互いに面平行となるように配置することを特徴とする太陽光発電システム。
本発明の請求項3に係る太陽光発電システムは、請求項2に係る太陽光発電システムにおいて、前記可撓性の太陽電池の背面を構成する部材そのものを前記移動子とするようにしたものである。
本発明の請求項4に係る太陽光発電システムは、請求項1〜3のいずれかに係る太陽光発電システムにおいて、太陽の方向を検出する太陽センサを有し、前記制御手段は前記太陽センサが検出した太陽の方向に基づいて前記目標位置を決定し前記制御を行うようにしたものである。
本発明の請求項5に係る太陽光発電システムは、請求項1〜4のいずれかに係る太陽光発電システムにおいて、現在の月日時刻を生成する暦付時計を有し、前記制御手段は前記暦付時計が生成する月日時刻に基づいて前記目標位置を決定し前記制御を行うようにしたものである。
本発明の請求項6に係る太陽光発電システムは、請求項1〜5のいずれかに係る太陽光発電システムにおいて、前記固定子は平面を湾曲させた湾曲表面を有する屋根表面に沿って固定して設置するようにしたものである。
図1に示すように、住宅の屋根100は東側に傾斜する表面(東側面)と西側に傾斜する表面(西側面)とを有している。それらの東側面と西側面は平面状となっており、また東側面と西側面が交差する部位は直線状に真南に延びている。この図1に示すような住宅においては、午前は住宅の屋根100の東側面に太陽光が効率的に照射され、午後は住宅の屋根100の西側面に太陽光が効率的に照射されることになる。したがって、午前は住宅の屋根100の東側面に太陽電池10が配置され、午後は住宅の屋根100の西側面に太陽電池10が配置されるように太陽電池10を移動することにより効率的に太陽光発電を行うことができる。
図1に示すように、固定子1は住宅の屋根100の東側面と西側面の両方に沿うように配置されている。東側面と西側面が交差する部位は概ね直線状に延びており、その交差する部位において固定子1は平面を湾曲させた形状となっている。その湾曲の程度は、当然ながら、固定子1を破壊することなく安全と信頼性を保持し、かつ固定子1に近接して移動する移動子の移動が円滑で支障を生じさせない範囲の曲率に収まるようにする。静電アクチュエータを適用する住宅の屋根100は、その湾曲の程度に収まるように建築または改築されているものとする。
固定子1は静電アクチュエータのフィルム状の固定子である。固定子1は湾曲した部位を有する住宅の屋根100の表面に沿うように配置されその屋根100に固定されている。固定子1の面は移動子2の面に対向して配置している。固定子1の移動子2との対向面に沿う方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列している。その複数本の電極線がその配列の順序にしたがって、たとえば3系統に統合接続されて3系統の端子が設けられた電極郡を形成する。それら3系統の電極郡の端子に所定の電圧波形(たとえば3相の進行波)を印加することにより、固定子1に対向して配置する移動子2を移動することができる。
移動子2は静電アクチュエータのフィルム状の移動子である。移動子2は太陽電池10と一体化されており、移動子2が移動することにより太陽電池10が移動する。移動子2の面は固定子1の面に対向して移動可能に配置している。移動子2の固定子1との対向面には固定子1の電極電位に応じた電荷が誘起される。そして、その誘起された電荷と固定子2の電極電位との間に静電力が発生し、その発生した静電力によって固定子1に対して移動を行う。
特許文献1:特開平2−285978号公報
特許文献2:特開平4−271284号公報
特許文献3:特開平5−191983号公報
特許文献4:特開平7−222464号公報
制御部4は電源部3を操作することにより太陽電池10の位置に関して、太陽光エネルギーを電力に変換する際の変換効率を良くするように制御する。制御部4はすくなくとも2つの制御態様を有している。第1の制御態様は暦付時計5が出力する現在の月日時刻に対応して移動子2の位置を制御する制御態様である。たとえば、月日時刻と移動子2の目標位置との関係を記述したテーブルをROM等のメモリに予め記憶しておき、制御部4は現在の月日時刻からそのテーブルを参照して移動子2の目標位置を取得する。そして、制御部4はその取得した目標位置に移動子2が移動するように電源部3を操作する。第2の制御態様は太陽センサ6が出力する太陽方向に対応して移動子2の位置を制御する制御態様である。たとえば、太陽方向と移動子2の目標位置との関係を記述したテーブルをROM等のメモリに予め記憶しておき、制御部4は現在の月日時刻からそのテーブルを参照して移動子2の目標位置を取得する。そして、制御部4はその取得した目標位置に移動子2が移動するように電源部3を操作する。制御部4としては、PLC(programable logic controller)、マイクロコンピュータ等のデータ処理装置を使用することができる。
図1に示す住宅の屋根100はいわゆる「切妻屋根」であるが、東側に急傾斜する表面(東側急斜面)と東側に緩傾斜する表面(東側緩斜面)と西側に緩傾斜する表面(西側緩斜面)と西側に急傾斜する表面(西側急斜面)とがその順で連結する屋根、いわゆる「腰折れ屋根」において太陽光発電を行なうこともある。その場合には、それぞれの傾斜に合わせた方向、たとえば東南、南南東、南南西、南西の4つの太陽の方向を区別するか、それ以上の方向を区別し、太陽電池10をその方向に適合する配置とする方が明らかにより高い効率で太陽光発電を行うことができる。また、「かまぼこ型屋根」であれば、さらに多くの方向を区別し、太陽電池10をその方向に適合する配置とすると高い効率を得ることができる。
以上のように、太陽電池には様々な材料、形態のものが知られているが、本発明における太陽電池10としては、いずれの材料、形態のものでも使用することができ、それらによって本発明は限定されない。
なお、フィルム状(シート状、平面状と意味は同一)の太陽電池としては薄膜シリコン型太陽電池、有機化合物を材料とする太陽電池が知られている。また、フィルム状の太陽電池としては非可撓性の太陽電池セルを可撓性フィルム(シート)によって支持する構造の太陽電池であってもよい。
フィルム状の太陽電池10の基材シートまたはバックシートとしては、接着性、耐久性、電気絶縁性、等が要求され、それらの要求を満たす材料として多層構造のプラスチックフィルムが使用される。その多層構造のプラスチックフィルムの最も外側の層となるプラスチックフィルムに、移動子2の材料として適合するプラスチックフィルム(たとえばPET(PolyEthyleneTerephthalate))を使用することができる。この態様により、フィルム状の太陽電池の背面(固定子1側の面)を構成するフィルムそのものを移動子とすることができる。
フィルム状の移動子2は、図3(A),(B)に示すように、固定子1の湾曲した表面に沿って湾曲する。そのことで、フィルム状の移動子2はその全面において固定子1と近接した状態を保持することができる。したがって、フィルム状の移動子2は住宅の屋根における湾曲の程度によらず静電アクチュエータとしての駆動力を屋根のどこの部位においても得ることができる。
一方、非可撓性のパネル状の太陽電池10は屋根のどこの部位において無理な外力が働かずその形状を安全に保持することができる。また、非可撓性のパネル状の太陽電池10は移動場所によってその方向を変えることができ、それによって効率的に太陽光発電を行うことができる。
まず、図4のステップS1(月日時刻取得)において、制御部4は暦付時計5が出力する信号を入力し月日時刻を取得する。
次に、ステップS2(目標位置取得)において、制御部4は月日時刻と移動子2の目標位置との関係を記述したテーブルを参照し移動子2の目標位置を取得する。図1に示した住宅の屋根100の東側面と西側面が交差する部位は直線状に真南に延びている。したがって、たとえば、制御部4は月日と、太陽光発電システムを設置した土地において太陽が真南に来る南中時刻との関係を記述したテーブルを参照し、暦付時計5の月日から南中時刻を取得する。次に、制御部4は暦付時計5の時刻とその南中時刻とを比較する。たとえば、((暦付時計5の時刻)−(南中時刻))の値が−1時間よりも小さいときには目標位置をA位置すなわち東位置とする。また、((暦付時計5の時刻)−(南中時刻))の値が−1時間以上で+1時間以下のときには目標位置をB位置すなわち南位置とする。また、((暦付時計5の時刻)−(南中時刻))の値が+1時間よりも大きいときには目標位置をC位置すなわち西位置とする。
次に、ステップS3(移動子位置取得)において、制御部4はA〜Cの位置センサ7〜9の出力信号を入力し移動子2の位置を取得する。取得した移動子2の位置すなわち取得位置はA位置すなわち東位置、B位置すなわち南位置、C位置すなわち西位置のいずれかの位置である。
次に、ステップS4(位置は適正か?)において、制御部4は取得位置と目標位置とを比較する。取得位置が目標位置であるときには制御部4は移動子2の位置をそのままとし、ステップS1に戻り、上述した以降のステップを繰返す。また、取得位置が目標位置でないときには制御部4はステップS5に進む。
次に、ステップS6(移動子位置取得)において、制御部4はA〜Cの位置センサ7〜9の出力信号を入力し移動子2の位置を取得する。取得した移動子2の位置すなわち取得位置は東位置、南位置、西位置のいずれかの位置である。
次に、ステップS7(目標位置に到達か?)において、制御部4は取得位置と目標位置とを比較する。取得位置が目標位置でないときにはステップS4に戻り、上述した以降のステップを繰返す。また、取得位置が目標位置であるときには制御部4はステップS8に進む。
次に、ステップS8(終了)において、本発明の太陽光発電システムにおける太陽追跡(1)の処理を終了とするか否かを判定する。終了とする入力は、たとえば、太陽光発電システムオペレータによって行われる。そのような終了とする入力があったときには太陽追跡(1)の処理を終了とする。そのような入力がなかったときには、ステップS1に戻り、上述した以降のステップを繰返す。
まず、図5のステップS11(太陽方向検出)において、制御部4は太陽センサ6が出力する信号を入力する。
次に、ステップS12(太陽方向検出か?)において、制御部4は太陽センサ6が太陽方向を検出した信号を出力しているか否かを判定する。太陽センサ6が太陽方向を検出した信号を出力するのは太陽が出ているときに限られる。たとえば、夜中には太陽は出ていないから太陽センサ6が太陽方向を検出することはない。また、雨の日、曇りの日には太陽センサ6が太陽方向を検出することはない。太陽センサ6が太陽方向を検出した信号を出力しないときには、ステップS11に戻って、上述した以降のステップを繰返す。太陽センサ6が太陽方向を検出した信号を出力したときには、ステップS13に進む。
次に、ステップS13(目標位置取得)において、制御部4は太陽方向と移動子2の目標位置との関係を記述したテーブルを参照し移動子2の目標位置を取得する。たとえば、太陽方向と目標位置の関係を記述したテーブルには、太陽の方向が北東と南南東との間にあるときには目標位置をA位置すなわち東位置とし、太陽の方向が南南東と南南西の間にあるときには目標位置をB位置すなわち南位置とし、太陽の方向が南南西と北西の間にあるときには目標位置をC位置すなわち西位置とすることが記述されている。
次に、ステップS14(移動子位置取得)において、制御部4はA〜Cの位置センサ7〜9の出力信号を入力し移動子2の位置を取得する。取得した移動子2の位置すなわち取得位置はA位置すなわち東位置、B位置すなわち南位置、C位置すなわち西位置のいずれかの位置である。
次に、ステップS16(移動子を移動)において、制御部4は電源部3を操作して移動子2を目標位置に移動する処理を行なう。取得位置が東位置で目標位置が南位置であるときには、移動子2を東位置から南位置へと移動する操作信号を電源部3に出力する。取得位置が南位置で目標位置が西位置であるときには、移動子2を南位置から西位置へと移動する操作信号を電源部3に出力する。取得位置が西位置で目標位置が東位置であるときには、移動子2を西位置から東位置へと移動する操作信号を電源部3に出力する。
次に、ステップS17(移動子位置取得)において、制御部4はA〜Cの位置センサ7〜9の出力信号を入力し移動子2の位置を取得する。取得した移動子2の位置すなわち取得位置は東位置、南位置、西位置のいずれかの位置である。
次に、ステップS18(目標位置に到達か?)において、制御部4は取得位置と目標位置とを比較する。取得位置が目標位置でないときにはステップS16に戻り、上述した以降のステップを繰返す。また、取得位置が目標位置であるときには制御部4はステップS19に進む。
次に、ステップS19(終了)において、本発明の太陽光発電システムにおける太陽追跡(2)の処理を終了とするか否かを判定する。終了とする入力は、たとえば、太陽光発電システムオペレータによって行われる。そのような終了とする入力があったときには太陽追跡(2)の処理を終了とする。そのような入力がなかったときには、ステップS11に戻り、上述した以降のステップを繰返す。
たとえば、図1〜図3において、固定子1、移動子2、太陽電池10、等は住宅の屋根100に露出して配置されているように図示されているが、実際には、ガラス、透明プラスチック、等の太陽光を透過する覆いを設ける等により風雨に耐える構造を具備する太陽光発電システムとすることができる。
また、図1〜図3において、暦付時計5と太陽センサ6の両方を備えるように図示されているが、いずれか一方だけを備えていてもよい。また、両方を備えいずれか一方を手動切替で使用する構成としてもよい。また、両方を備え太陽センサ6が太陽を検出するときには太陽センサ6を使用し、検出しないときには暦付時計5に自動切換する構成としてもよい。
また、図1〜図3において、太陽電池10から電力を取出すコード(出力電線)について図示していないが、コードの巻取りと引出しが可能な巻取引出方式のコードリールを設けてコードが絡んで移動の障害がなくなるようにすることができる。
また、東西方向に傾斜が変化する屋根において移動子2が東西方向に直線的(一次元的)に移動する一例を説明した。しかし、静電アクチュエータには直線的な移動だけでなく平面的(二次元的)な移動が可能なものがある。したがって、東西南北方向に傾斜の変化する屋根において東西南北方向に平面的な移動を行って、夏冬によって異なる太陽の高度をも追跡可能な構成を具備する太陽光発電システムとすることができる。
また、東西方向に湾曲した「かまぼこ型屋根」のように、太陽電池10の移動に対して太陽電池10の方向が常に変化するような形状の屋根においては、太陽電池10そのものによって太陽方向を検出する構成とすることができる。たとえば、制御手段4が太陽電池10を少し移動したときの太陽光発電の電力の変化を測定する電力測定手段を備え、制御手段4は電力の増加する方向に移動子2が移動するように電源部3を操作する方法により太陽を追跡することが可能である。その場合には、暦付時計、太陽センサ、位置センサ、等を省略することができる。
また、太陽電池が可撓性を有し、その可撓性の太陽電池と可撓性の移動子とは互いに面平行となるように配置する本発明によれば、設置空間を最小とすることができ、さらに屋根の形の美しさを損ねることが無い。
また、上記において可撓性を有する太陽電池の背面を構成する部材そのものを移動子とする本発明によれば、構造が単純となり高い信頼性を得ることができる。
また、太陽の方向を検出する太陽センサを有し、太陽センサが検出した太陽の方向に基づいて、太陽の位置をその検出した太陽の方向によって決まる目標とする位置となるように制御手段が制御を行う本発明によれば、太陽を直接追跡するから追跡精度が高く変換の効率を良くすることができる。
また、現在の月日時刻を生成する暦付時計を有し、暦月時計が生成する月日時刻に基づいて、太陽の位置をその月日時刻によって決まる目標とする位置となるように制御手段が制御を行う本発明によれば、月日時刻に基づいて太陽を追跡するから、太陽に雲に隠れるような場合であっても確実に動作する。
また、固定子を平面を湾曲させた湾曲表面を有する屋根表面に沿って固定して設置する本発明によれば、屋根表面そのものの傾斜を利用して太陽電池の方向を変えることができ、固定子の設置構造が簡単で費用を少なく済ませることができる。
2 移動子
3 電源部
4 制御部
5 暦付時計
6 太陽センサ
7 A位置センサ
8 B位置センサ
9 C位置センサ
10 太陽電池
100 屋根
Claims (6)
- 住宅の屋根に設置されて光起電力効果によって太陽光エネルギーを電力に直接的に変換する太陽電池と、
前記太陽電池を搭載した可撓性の移動子および前記移動子と対向して配置する可撓性の固定子とを有する静電アクチュエータであって、前記固定子は、屋根の形状に合わせて屋根の表面に沿うように設置され、前記移動子の位置を検出する複数の位置センサを有し、前記移動子は、前記固定子上を移動し、前記複数の位置センサの一つに対応する位置に停止することができるように設置される静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータを駆動するための電力を供給する電源部と、
前記電源部を操作することにより前記太陽電池を搭載した前記移動子の位置を、前記複数の位置センサにより取得した位置から、太陽の方向によって決まる目標位置であり、且つ太陽の方向を複数の方向に区別し、前記太陽電池の配置が前記区別された太陽の方向に適合するように決定された前記目標位置であり、且つ複数の前記位置センサの一つに対応する前記目標位置に移動する操作信号を電源部に出力する制御手段、を有する
ことを特徴とする太陽光発電システム。 - 請求項1に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記太陽電池は可撓性を有し、その可撓性の太陽電池と前記可撓性の移動子とは互いに面平行となるように配置する
ことを特徴とする太陽光発電システム。 - 請求項2に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記可撓性の太陽電池の背面を構成する部材そのものを前記移動子とする
ことを特徴とする太陽光発電システム。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光発電システムにおいて、太陽の方向を検出する太陽センサを有し、前記制御手段は前記太陽センサが検出した太陽の方向に基づいて前記目標位置を決定し前記制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の太陽光発電システムにおいて、現在の月日時刻を生成する暦付時計を有し、前記制御手段は前記暦付時計が生成する月日時刻に基づいて前記目標位置を決定し前記制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の太陽光発電システムにおいて、
前記固定子は平面を湾曲させた湾曲表面を有する屋根表面に沿って固定して設置する
ことを特徴とする太陽光発電システム。
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