JP5615209B2

JP5615209B2 - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP5615209B2
Application number: JP2011047052A
Authority: JP
Inventors: 小林　正和; 正和小林
Original assignee: テクノナレッジ・システム有限会社
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: JP2012186234A

Description

本発明は、太陽光発電装置に係り、特に、複数の太陽電池パネル及び太陽光反射板を用いた太陽光発電装置に関する。

太陽電池とは、光起電力効果を利用し、受光した光エネルギーを即時に電気に変換する電力機器をいう。この太陽電池の内部に入射した光エネルギーは、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部に出力される。そして、太陽電池セルを複数枚直並列接続して必要な電圧と電流を得られるようにしたパネル状の製品単体は太陽電池パネルと呼ばれる。

太陽電池パネルを用いた太陽電池発電システムについてはいくつかの技術が考案されている。例えば特許文献１には、高い発電効率と低発電コストを両立させた太陽光エネルギー利用装置が開示されている。ここでは、巨大な集光光学系を構成して太陽電池パネルで太陽光発電をしつつ、ホットミラーで焦点に集光された太陽光成分を用いて熱電変換機において太陽熱発電を行うことが記載されている。

また、特許文献２には、太陽電池等の設置面積が小さくとも大きな光電変換出力を取り出すことができる光エネルギー収集装置が開示されている。ここでは、太陽光は凹面鏡により反射されて集光し、コールドミラーが、集光された光を入射してこの光に含まれる可視光を反射して赤外光を透過する。そして、太陽電池は可視光を受光して光起電力を発生することが記載されている。

特開２００９−２１８３８３号公報特開２０１０−９７９７３号公報

太陽電池パネルを用いた発電は、太陽光のエネルギーが低下する雨天時や曇天時、夕闇時、或いは夜間時にいかに効率的に発電量を確保できるかが問題となる。すなわち、太陽電池パネルを用いて発電した電力は照明に用いられる場合が多く、太陽光自体のエネルギーが低下する際に需要が高まるからである。この対策として電力を蓄電して使用することが考えられるが、蓄電設備を要すること、或いは電力のロスが発生するなどの問題がある。

屋根などに設置する太陽電池パネルであるソーラパネルの場合には、太陽光のエネルギーが低下する雨天時や曇天時、夕闇時、或いは夜間時には、電力会社から供給される電力により補うことが可能である。しかし、台風や地震などの災害時に現場に持ち込まれる緊急用の太陽電池パネルの場合には、そもそも通常の電力供給が断絶しているために供給される場合が多く、その太陽電池パネルによりいかに効率的に発電量を確保するかが問題となる。

本願の目的は、かかる課題を解決し、太陽光のエネルギーが低い時間帯であっても太陽光による一定の発電量を効率的に確保できる簡易で運搬可能な太陽光発電装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る太陽光発電装置は、複数の太陽電池パネルと、太陽光を反射させて太陽電池パネルに投射する複数の太陽光反射板と、太陽光反射板の反射面の角度を変化させる反射板駆動部と、太陽の方位に追従して、反射板駆動部を駆動させて太陽光反射板の傾きを制御する傾き制御部と、複数の太陽電池パネルにそれぞれ太陽光を投射する第１の発電モードと、特定の太陽電池パネルに太陽光を集中して投射する第２の発電モードと、を選択して反射板駆動部を駆動させる発電モード制御部と、を備えることを特徴とする。これにより、太陽光発電装置は、複数の太陽電池パネルと、それに向かって太陽光を反射させて投射する複数の太陽光反射板とにより太陽光による発電を効率的に確保することができる。そして、例えば太陽光エネルギーが低下する夜間や曇天の際には太陽光エネルギーが低下し、太陽電池パネルの発電効率が極端に低下するが、発電モード制御部が、特定の太陽電池パネルに太陽光を集中して投射させる第２の発電モードを選択することで太陽光による発電を効率的に行うことができる。

また、太陽光発電装置は、発電モード制御部が、太陽電池パネルの所定の電圧が予め定められた値以上である場合には第１の発電モードを選択し、太陽電池パネルの所定の電圧が予め定められた値を下回ると第２の発電モードに切り替えることが好ましい。これにより、第１の発電モードと第２の発電モードとの切り替えを効率的に判断することができる。

また、太陽光発電装置は、第１の発電モードでは、各太陽光反射板は、それぞれ対となる太陽電池パネルに対して太陽光を投射することが好ましい。これにより、太陽光エネルギーが十分に得られる際には、複数の太陽電池パネル全体に太陽光を投射させることで、太陽光による発電を効率的に行うことができる。

また、太陽光発電装置は、第２の発電モードでは、発電モード制御部が、各太陽電池パネルの電圧値を参照して太陽光を集中する太陽電池パネルを決定することが好ましい。これにより、発電モード制御部は、第２の発電モードにおいて、各太陽電池パネルの電圧値から最適な太陽光の振り分け方法を決定することができる。

また、太陽光発電装置は、太陽の方位を検知する太陽位置センサーを備え、傾き制御部が、太陽位置センサーにより検出された太陽の方位に追従して反射板駆動部を駆動させ、各太陽光反射板の傾きを制御することが好ましい。これにより、太陽光発電装置に設置された少なくとも３つの位置センサーが検出した太陽光エネルギーのばらつきから太陽の方位が算出され、平面上の２方向に傾斜可能な架台を太陽の方位に向かって傾斜させることができる。その結果、太陽光発電装置を常に発電効率の良い方位に向けることができる。

以上のように、本発明に係る太陽光発電装置によれば、太陽光のエネルギーが低い時間帯であっても太陽光による一定の発電量を効率的に確保できる太陽光発電装置を提供することができる。

本発明に係る太陽光発電装置の１つの実施形態の概略構成を示す側面図及びブロック図である。第１発電モードである場合の太陽光発電装置の配置及び太陽光の放射方向を示す平面図である。第２発電モードである場合の太陽光発電装置の配置及び太陽光の放射方向を示す平面図である。太陽光発電装置の配置及び太陽光の放射方向について、他の実施形態を示す側面図及びブロック図である。放射照度に対する太陽光発電の発電効率を示す説明図である。

（太陽光発電装置の構成）
以下に、図面を用いて本発明に係る太陽光発電装置の実施形態につき、詳細に説明する。図１に、太陽光発電装置１の１つの実施形態の概略構成を側面図及びブロック図で示す。

太陽光発電装置１は、太陽電池パネル２、太陽光反射板４、反射板駆動部５、太陽位置センサー６、傾き制御部７、発電モード制御部８、電圧計測部９から構成される。太陽電池パネル２は、本実施形態では、パネル保持部３により保持され、地面に対して略垂直に立て掛けられるが、この構成に限らず、例えば、太陽電池パネル２が壁に取り付けられるなどの他の構成であっても良い。すなわち、太陽電池パネル２は、太陽電池パネル２に内蔵される太陽光発電部（太陽電池セル）１０が、太陽光反射板４により反射される太陽光の方向に向いていれば良い。また、各太陽電池パネル２には、電圧計測部９が備えられ、電圧値が計測される。

太陽電池パネル２には、太陽光発電部（太陽電池セル）１０が組み込まれ、太陽光反射板４により反射して投射された太陽光により発電を行う。また、反射板駆動部５は、太陽光反射板４の反射面の角度を変化させる。この太陽光反射板４の反射面の角度変化は、２つの制御部である、傾き制御部７及び発電モード制御部８によりそれぞれ独立して行われる。すなわち、傾き制御部７は、太陽の方位に追従し、反射板駆動部５を駆動させて太陽光反射板４の傾きを制御する。これにより、太陽電池パネル２を常に発電効率の良い方位に向けることができる。また、発電モード制御部８は、後述するように、複数の太陽電池パネル２にそれぞれ太陽光を投射する第１発電モードと、特定の太陽電池パネル２に太陽光を集中して投射する第２発電モードとを選択する。

図２に、第１発電モードである場合の太陽光発電装置１の構成を示し、図３に、第２発電モードである場合の太陽光発電装置１の構成を示す。図２に示すように、第１発電モードでは、太陽光反射板４ａ，４ｂ，４ｃは、それぞれ対となる太陽電池パネル２ａ，２ｂ，２ｃに対してそれぞれ太陽光を投射する。また、図３に示すように、本実施形態の第２発電モードでは、太陽光反射板４ａ及び太陽光反射板４ｃが、太陽電池パネル２ｂに向けて太陽光を反射するように傾斜し、特定の太陽電池パネル２ｂに太陽光を集中して投射する。

発電モード制御部８は、電圧計測部９で計測した太陽電池パネル２の所定の電圧が予め定められた値以上である場合には第１発電モードを選択し、電圧計測部９で計測した太陽電池パネル２の所定の電圧が予め定められた値を下回ると第２発電モードに切り替える。これにより、第１の発電モードと第２の発電モードとの切り替えを効率的に判断することができる。

この第１発電モードとは、太陽光エネルギーが高い晴天時などに太陽電池パネル２ａ,２ｂ,２ｃ全体にほぼ一様に太陽光を投射させる場合である。一方、第２発電モードとは、太陽光エネルギーが低下する雨天時や曇天時、夕闇時、或いは夜間時には、太陽電池パネル２ａ,２ｂ,２ｃ全体にほぼ一様に太陽光を投射させると各太陽電池パネル２ａ,２ｂ,２ｃの発電効率が極端に低下するため、全体的に効率的な発電量が得られない場合に切り替えられるモードである。つまり、太陽光エネルギーを限定された太陽電池パネル２ｂに集光させることで発電効率を上げるのである。

図４に、太陽光発電装置の配置及び太陽光の放射方向について、他の実施形態を示す。この実施形態では、平面上で太陽光反射板４ａ,４ｂ,４ｃの列と異なる列に太陽光反射板４ｄ,４ｅが配置され、全部で５台の太陽光反射板４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ,４ｅが、太陽電池パネル２ａ,２ｂ,２ｃに対向する。

この実施形態の第１発電モードでは、各太陽光反射板４は、それぞれ対となる太陽電池パネル２に対して太陽光を投射する。例えば、太陽光反射板４ａ，４ｄと太陽電池パネル２ａとが対となり、太陽光反射板４ｂと太陽電池パネル２ｂとが対となり、太陽光反射板４ｃ，４ｅと太陽電池パネル２ｃとが対となり太陽光を反射しても良い。また、この実施形態の第２発電モードでは、発電モード制御部８が、各太陽電池パネル２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値を参照して太陽光を集中する太陽電池パネル２を選択する。すなわち、図４に示すように、全ての太陽光反射板４ａ〜４ｅが太陽光を太陽電池パネル２ｂに集中させても良い。発電モード制御部８は、この場合に太陽電池パネル２ｂの電圧値が過剰となる場合には、太陽電池パネル２ａ及び２ｃを選択し、太陽光反射板４ａ，４ｂ，４ｄを太陽電池パネル２ａに向け、太陽光反射板４ｃ，４ｅを太陽電池パネル２ｃに向けて太陽光を反射しても良い。

図５に、放射照度（Ｗ／ｍ^２）に対する太陽光発電の発電効率（Ｖｐ）を示す。図５の横軸は太陽の放射照度（Ｗ／ｍ^２）を示す。真夏の直射日光の放射照度は、４４０Ｗ／ｍ^２（１１０,０００ｌｕｘ）程度である（図５中“Ｘ”）。また、曇天午前１０時の太陽光の放射照度は、１００Ｗ／ｍ^２（２５,０００ｌｕｘ）程度である（図５中“Ｙ”）。さらに、曇天日出１時間後の太陽光の放射照度は、４０Ｗ／ｍ^２（１０,０００ｌｕｘ）程度である（図５中“Ｚ”）。このように、太陽光エネルギーが低下する雨天時や曇天時、夕闇時、或いは夜間時には、太陽光の放射照度は、真夏の直射日光の放射照度の１０分の１以下に低下し、その時の発電効率は０．２以下となることが分かる。

図３に示すように実施形態において、太陽光エネルギーを限定された太陽電池パネル２ｂに集光させることで発電効率を上げるという上述した効果を以下に具体的な数値例で示す。まず、３個の太陽電池パネル２ａ〜２ｃの有する個々の発電量をＷとし、発電効率をすべて１．０とする。第１発電モードでは発電効率は１．０であるので、太陽電池パネル２ａ〜２ｃ全体で最大３Ｗの発電量が得られる。一方、太陽光エネルギーが低下する雨天時や曇天時、夕闇時、或いは夜間時には、太陽電池パネル全体にほぼ一様に太陽光を投射させると各太陽電池パネル２ａ〜２ｃの発電効率が、例えば０．２程度に極端に低下する。その結果、太陽電池パネル２ａ〜２ｃ全体の発電量は０．６Ｗとなる。ここで太陽光反射板を第２発電モードに切り替えて、太陽電池パネル２ｂに太陽光エネルギーを集中させると太陽電池パネル２ｂの発電効率は１．０に上昇することから発電量は１．０Ｗとなる。他の太陽電池パネル２ａ，２ｃの発電量は共に０であることから、太陽電池パネル２ａ〜２ｃ全体の発電量は１．０Ｗとなる。つまり、第２発電モードでは、第１発電モードの０．６Ｗのほぼ１．７倍の発電量となる。このように、太陽光による発電を効率的に行うことができる。

傾き制御部７は、太陽位置センサー６により検出された太陽の方位に追従して反射板駆動部５を駆動させ、各太陽光反射板４の傾きを制御する。図２に示すように太陽光発電装置１の周辺には、太陽の方位を検知する太陽位置センサー６が設けられ、透明又は半透明なドーム状のカバーにより保護される。この太陽位置センサー６には、十字に設けられた４つの部屋１２内に太陽光センサー１１がそれぞれ設置される。この４つの太陽光センサー１１が受光した太陽光エネルギーの量の分布から太陽光の方位が求められる。

そして、図１に示すように、太陽光反射板４は平面上の２方向に傾斜可能な傾斜架台１２上に設置される。傾き制御部７は、傾き駆動部８を制御し、太陽位置センサー６により検出された太陽の方位に追従して太陽光反射板４が太陽の方位に向かうように傾斜架台１２を傾斜させる。その結果、太陽光反射板４を常に発電効率の良い方位に向けることができる。なお、太陽光センサー１１の数量は、本実施形態では４個とするが、太陽光反射板４を常に発電効率の良い方位に向けることができるのであれば、これに限らず、２個、或いは３個であっても良い。

１太陽光発電装置、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ太陽電池パネル、３パネル保持部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ太陽光反射板、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ反射板駆動部、６太陽位置センサー、７傾き制御部、８発電モード制御部、９電圧計測部、１０太陽光発電部（太陽電池セル）、１１太陽光センサー、１２傾斜架台。

Claims

複数の太陽電池パネルと、
太陽光を反射させて太陽電池パネルに投射する複数の太陽光反射板と、
太陽光反射板の反射面の角度を変化させる反射板駆動部と、
太陽の方位に追従して、反射板駆動部を駆動させて太陽光反射板の傾きを制御する傾き制御部と、
複数の太陽電池パネルにそれぞれ太陽光を投射する第１の発電モードと、特定の太陽電池パネルに太陽光を集中して投射する第２の発電モードと、を選択して反射板駆動部を駆動させる発電モード制御部と、を備えることを特徴とする太陽光発電装置。
請求項１に記載の太陽光発電装置であって、発電モード制御部は、太陽電池パネルの所定の電圧が予め定められた値以上である場合には第１の発電モードを選択し、太陽電池パネルの所定の電圧が予め定められた値を下回ると第２の発電モードに切り替えることを特徴とする太陽光発電装置。
請求項１又は２に記載の太陽光発電装置であって、第１の発電モードでは、各太陽光反射板は、それぞれ対となる太陽電池パネルに対して太陽光を投射することを特徴とする太陽光発電装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽光発電装置であって、第２の発電モードでは、発電モード制御部は、各太陽電池パネルの電圧値を参照して太陽光を集中する太陽電池パネルを決定することを特徴とする太陽光発電装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の太陽光発電装置であって、太陽の方位を検知する太陽位置センサーを備え、傾き制御部は、太陽位置センサーにより検出された太陽の方位に追従して反射板駆動部を駆動させ、各太陽光反射板の傾きを制御することを特徴とする太陽光発電装置。