JP2000196125A

JP2000196125A - 太陽位置センサ

Info

Publication number: JP2000196125A
Application number: JP10369833A
Authority: JP
Inventors: Makoto Makino; 誠牧野; Masatoshi Shibata; 匡利柴田; Hiroyuki Aiba; 裕之相場; Mitsuhiro Sanuki; 光洋佐貫
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2000-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で太陽の位置を検出でき、しかも太陽追
尾式発電システムに適用された場合にその消費電力を低
減できる太陽位置センサを提供する。【解決手段】非球面レンズ２と、該非球面レンズによっ
て感光面に形成された太陽の像を電気信号に変換する撮
像デバイス１と、該撮像デバイスからの電気信号に対応
する画像データに基づいて太陽の位置を検出するＣＰＵ
６、とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽を追尾しなが
ら太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽追
尾式発電システムで使用される太陽位置センサに関し、
特に太陽位置センサの向きに対する太陽の方向のズレを
検出する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、太陽光発電システムとして、平板
式発電システムと太陽追尾式発電システムとが知られて
いる。平板式発電システムは、例えば家屋の屋根に平面
的に配列された太陽電池パネルから電力を取り出すよう
に構成されている。この平板式発電システムでは、光電
変換を行うためのソーラーセルは固定的に配置されてい
るので、太陽の方位及び仰角によっては太陽光の多くが
ロスされ、実質の有効発電時間が短いという欠点があ
る。

【０００３】一方、太陽追尾式発電システムは、例えば
図７に示すように、支柱１０に回動自在に支持されたフ
レーム１１に複数の発電モジュール１２から成る発電ユ
ニット１３が取り付けられて構成されている。各発電モ
ジュール１２は、図示しない複数のソーラーセルを備え
ており、各ソーラーセルで発生された直流電力は積算さ
れてこの発電モジュール１２の外部に出力される。な
お、集光式を採用する太陽追尾式発電システムでは、上
記発電モジュール１２の表面に各ソーラーセルに対応さ
せてレンズが設けられており、このレンズで集められた
光がソーラーセルに照射される。

【０００４】この太陽追尾式発電システムでは、例えば
各発電モジュール１２が電気的に直列に接続されてい
る。従って、各発電モジュール１２からの直流電力は積
算され、発電ユニット１３の発生電力として導線１４を
介してインバータ１５に供給される。インバータ１５
は、入力された直流電力を交流電力に変換する。このイ
ンバータ１５から出力される交流電力が消費に供され
る。

【０００５】支柱１０の下端部には、フレーム１１全体
を方位角方向に回動させるためのアジマスアクチュエー
タ１７が設けられている。このアジマスアクチュエータ
１７はモータ１８によって駆動される。また、支柱１０
の上端部には、フレーム１１全体を仰角方向に回動させ
るためのリニアアクチュエータ１９が設けられている。
このリニアアクチュエータ１９はモータ２０によって駆
動される。

【０００６】また、フレーム１１の所定部位（図７中の
上方）には、太陽の位置を検出するための太陽位置セン
サ２１が設けられている。この太陽位置センサ２１から
得られる太陽の位置を表す信号は、制御装置１６に供給
される。

【０００７】制御装置１６は、太陽位置センサ２１から
の信号に基づいてアジマスアクチュエータ１７及びリニ
アアクチュエータ１９を作動させるための追尾制御信号
を生成する。この追尾制御信号は、モータドライバ２２
を介してモータ１８及びモータ２０に供給される。モー
タ１８及び２０は、この追尾制御信号に応じて回転する
ことによりフレーム１１に取り付けられた発電ユニット
１３を動かす。これにより、発電ユニット１３の受光面
が常に太陽に垂直に対向するように、つまり太陽を追尾
するように制御される。従って、この太陽追尾式発電シ
ステムでは、太陽光が存在する限りは発電が行われるの
で、実質の有効発電時間が長くなるという利点がある。

【０００８】このような太陽追尾式発電システムで使用
される太陽位置センサの一例が、例えば米国特許ＵＳＰ
５３１７１４５に開示されている。この太陽位置センサ
は、図８（Ａ）の平面図及び図８（Ｂ）の側面図に示す
ように、遮蔽柱５０、光検出素子（ＣｄＳ）５２ａ及び
５２ｂ、並びに比較回路５３から構成されている。遮蔽
柱５０は、先端部が四角錐になるように面取りされた四
角柱で構成されている。この遮蔽柱５０の１つの側面に
は凹部５１ａが形成されており、この凹部５１ａには光
検出素子５２ａが取り付けられている。また、遮蔽柱５
０の上記側面に対向する側面には凹部５１ｂが形成され
ており、この凹部５１ｂには光検出素子５２ｂが取り付
けられている。

【０００９】光検出素子５２ａ及び５２ｂは、それぞれ
入射された光を電気信号に変換して比較回路５３に供給
する。比較回路５３は、光検出素子５２ａからの信号と
光検出素子５２ｂからの信号とを比較し、比較結果を表
す信号を制御装置１６に供給する。制御装置１６は、こ
の比較結果を表す信号によって太陽の方向を認識し、上
述したように、発電ユニット１３に太陽を追尾させる。

【００１０】この太陽位置センサでは、図９（Ａ）に示
すように、遮蔽柱５０が太陽に向いている時は、太陽光
は遮蔽柱５０の側面に平行に進む。従って、光検出素子
５２ａ及び５２ｂにそれぞれダイレクトに太陽光が入射
される。この場合、各光検出素子５２ａ及び５２ｂに入
射される光の強さは等しいので、比較回路５３は光検出
素子５２ａからの信号と光検出素子５２ｂからの信号と
が等しいことを表す信号を出力する。これにより、制御
装置１６は、遮蔽柱５０が太陽を向いていることを認識
できる。

【００１１】一方、図９（Ｂ）に示すように、遮蔽柱５
０の方向が太陽の方向から角度φだけズレているとき
は、光検出素子５２ｂには光が照射されるが、光検出素
子５２ａは遮蔽柱５０の影になる。従って、比較回路５
３は、光検出素子５２ｂからの信号が光検出素子５２ａ
からの信号より大きいことを表す信号を出力する。これ
により、制御装置１６は、遮蔽柱５０の方向が太陽の方
向からズレていることを認識できる。この場合、制御装
置１６は、角度φがゼロになる方向にモータ１８及び２
０を回転させるための追尾制御信号を生成する。

【００１２】このようにして、制御装置１６は、比較回
路５３からの信号に基づいて、遮蔽柱５０が常に太陽の
方向を向くように、換言すれば発電ユニット１３が常に
太陽に垂直に対向するように制御し、以て発電ユニット
１３に太陽を追尾させる。なお、上記の例では、説明を
簡単にするために遮蔽柱５０の対向する２つの側面に各
光検出素子５２ａ及び５２ｂを設ける構成としたが、実
際には遮蔽柱５０の他の２つの側面にも上記と同様の光
検出素子が設けられ、太陽の仰角方向及び方位角方向の
ズレを検出できるようになっている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
る太陽位置センサは、太陽位置センサの向きに対する太
陽の方向のズレの有無及びズレの方向は検出できるが、
ズレの大きさは検出できない。従って、太陽位置センサ
を正しく太陽に向けるためには、アクチュエータを何回
も駆動して発電ユニットを小刻みに動かすといった試行
錯誤を行わなければならない。そのため、太陽位置セン
サを太陽に向けるために相当の時間が必要になるので、
その間に太陽が例えば雲等に隠れると太陽の位置を検出
できないという問題がある。また、太陽位置センサを太
陽に向けるためにアクチュエータを何回も駆動する必要
があるので、この太陽位置センサを利用した太陽追尾式
発電システムでは多くの電力を消費してしまうという問
題がある。

【００１４】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、その目的は、短時間で太陽の位
置を検出でき、しかも太陽追尾式発電システムに適用さ
れた場合にその消費電力を低減できる太陽位置センサを
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る太陽位置セ
ンサは、上記目的を達成するために、レンズと、該レン
ズによって感光面に形成された太陽の像を電気信号に変
換する撮像デバイスと、該撮像デバイスからの電気信号
に対応する画像データに基づいて太陽の位置を検出する
太陽位置検出手段、とを備えている。

【００１６】本発明に係る太陽位置センサにおいては、
太陽位置センサが正しく太陽を向いている場合、つまり
太陽位置センサの方向と太陽の方向とがなす角度がゼロ
の場合は撮像デバイスの感光面の中心、つまり原点に太
陽の像が形成される。しかし、この太陽位置センサの向
きに対して太陽の方向がズレている場合、つまり太陽位
置センサの方向と太陽の方向とがなす角度がゼロ以外の
場合は、太陽の像は、原点から離れた位置に形成され
る。この太陽位置センサは、このような特性を利用し
て、撮像デバイスから得られた画像データ中における太
陽の像の位置に基づいて太陽の位置を検出する。

【００１７】この太陽位置センサにおいては、前記太陽
位置検出手段は、前記撮像デバイスの感光面の中心を原
点とした場合に、前記画像データ上における前記原点か
ら見た前記太陽の像の方向に基づいて当該太陽位置セン
サから見た太陽の方位を算出し、且つ前記原点から前記
太陽の像までの距離に基づいて当該太陽位置センサの方
向と太陽の方向とがなす角度を算出することにより、こ
れら方位及び角度によって規定される太陽の位置を検出
するように構成できる。

【００１８】この構成によれば、太陽位置センサの向き
に対する太陽の方向のズレの方向（太陽位置センサから
見た太陽の方位）のみならず、太陽位置センサの向きに
対する太陽の方向のズレの大きさ（太陽位置センサの方
向と太陽の方向とがなす角度）をも検出できる。従っ
て、この太陽位置センサが適用された太陽追尾式発電シ
ステムでは、検出された方位の方向に、検出された角度
だけ発電ユニットを動かすことにより、１回の動作で太
陽位置センサを太陽に向けることができる。その結果、
従来のように小刻みに何回もアクチュエータを駆動する
必要がないので、短時間で太陽位置センサを正しく太陽
に向けることができ、また、電力の消費を抑えることが
できる。

【００１９】また、前記レンズは、前記撮像デバイスの
感光面の中心から太陽の像が形成される位置までの距離
の増加率が、該レンズに対する入射角が大きくなるに連
れて小さくなる非球面レンズで構成できる。この非球面
レンズによれば、太陽位置センサの方向が太陽の方向か
ら遠ざかるに連れて分解能が低くなるが、太陽の像が視
野から消える、つまり撮像デバイスの感光面から外れる
ような限界の入射角を大きくできるので、視野角を広く
できる。逆に、太陽位置センサの方向が太陽の方向に近
づくに連れて分解能が高くなるので、太陽の方向の検出
精度を高めることができる。

【００２０】また、太陽光を減光するための減光フィル
タを更に有し、該減光フィルタでフィルタリングされた
光が前記レンズに入射されるように構成できる。この構
成によれば、太陽の像が形成された撮像デバイスの感光
面の位置が高温になるのを抑止できる。

【００２１】この場合、前記減光フィルタは赤外線透過
フィルタで構成し、前記撮像デバイスは赤外線により形
成された太陽の像を電気信号に変換する撮像デバイスで
構成できる。この構成によれば、赤外線だけが撮像デバ
イスに到達するので、大幅な減光が可能になる。また、
雲を通り抜けてくる赤外線による太陽の像が撮像デバイ
スに結像されるので、曇天でも太陽の位置を検出でき
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態
に係る太陽位置センサは、図１に示すように、撮像デバ
イス１、非球面レンズ２、マトリックススキャン回路５
及び中央処理装置（以下、「ＣＰＵ」という）６から構
成されている。

【００２３】撮像デバイス１としては、ＣＣＤ形デバイ
ス、ＭＯＳ形デバイスといった固体撮像デバイス又は撮
像管を用いることができる。この実施の形態では、４８
０×３２０程度の画素で形成された感光面を有するＣＣ
Ｄ形デバイスが使用されるものとする。太陽位置センサ
は、撮像デバイス１の感光面のＸ軸が方位角方向に対応
し、Ｙ軸が仰角方向に対応するようにフレーム１１に付
けられる。Ｘ軸とＹ軸とは感光面の中心で直交し、この
交点を原点と呼ぶ。

【００２４】非球面レンズ２は、太陽の像を撮像デバイ
ス１の感光面上に結像させる。この非球面レンズ２によ
って撮像デバイス１の感光面上に形成される太陽の像
は、４０画素程度の直径を有する。なお、この非球面レ
ンズ２と撮像デバイス１との距離を調整することによ
り、感光面上における太陽の像の直径を調整できる。太
陽の像による発熱を抑制するためには、上記直径は或る
程度の大きさを有することが好ましい。

【００２５】太陽の像の位置は、太陽の像の中心（これ
を「太陽の像の重心」という）によって規定される。太
陽の像の位置は、図１に太線で示すように、撮像デバイ
ス１の中心（原点）から太陽の像の重心に向かうベクト
ルで表すことができる。この場合、ベクトルの向きは太
陽位置センサに対する太陽のズレの方向を表し、ベクト
ルの大きさはズレの大きさ、つまり太陽位置センサの方
向と太陽の方向とがなす角度θを表す。

【００２６】この非球面レンズ２は、撮像デバイス１の
感光面の中心から太陽の像の重心までの距離の増加率
が、この非球面レンズ２に対する入射角が大きくなるに
連れて小さくなるような特性を有する。この非球面レン
ズ２の特性の例を部分的に図２に示す。図２において、
太陽位置センサの方向と太陽の方向とがなす角度θ（横
軸）は、非球面レンズ２に対する入射角に等しい。

【００２７】図２に示すように、例えば、上記角度θが
０．２５゜であれば太陽の像は撮像デバイス１の中心か
ら１００画素分だけ離れた位置に形成されるが、上記角
度θが２５゜になると太陽の像は撮像デバイス１の中心
から１５０画素分だけ離れた位置に形成される。即ち、
上記角度が１００倍になっても撮像デバイス１の中心か
ら太陽の像の位置までの距離は１．５倍にしかならな
い。

【００２８】このように、太陽位置センサの方向と太陽
の方向とがなす角度θが増加するに連れて撮像デバイス
１の中心から太陽の像の位置までの距離の増加率は小さ
くなる。これにより、上記角度θが大きくなるに連れて
分解能は低くなるが、太陽の像が視野から消える、つま
り撮像デバイスの感光面から外れるような限界の入射角
を大きくできるので、視野角を広くできる。逆に、上記
角度θが小さくなるに連れて分解能が上がるので、太陽
の方向の検出精度を高めることができる。

【００２９】マトリックススキャン回路５は、撮像デバ
イス１のＣＣＤ素子アレイを駆動する駆動回路（図示し
ない）を含んでいる。そして、この駆動回路によって駆
動されたＣＣＤ素子アレイから各画素を表す信号が順次
読み出され、太陽の像を表す画像信号（画像データ）と
してＣＰＵ６に供給される。

【００３０】ＣＰＵ６はこの太陽位置センサの全体を制
御する。このＣＰＵ６が行う処理の詳細は後述する。こ
のＣＰＵ６は変換テーブル７を含んでいる。この変換テ
ーブル７には、例えば図３に示すように、撮像デバイス
の中心からの画素数と、太陽位置センサの方向と太陽の
方向とがなす角度θとの関係が画素数毎に記憶されてい
る。この変換テーブル７は、非球面レンズ２を採用した
ことに起因する非線形特性を線形特性に変換するために
使用される。

【００３１】次に、上記のように構成される太陽位置セ
ンサの動作を、図４に示したフローチャートを参照しな
がら説明する。このフローチャートに示した処理は、Ｃ
ＰＵ６において行われる。

【００３２】先ず、撮像デバイス１からマトリックスス
キャン回路５を経由して画像データが取り込まれる（ス
テップＳ１０）。次いで、太陽の像の重心が算出される
（ステップＳ１１）。次いで、太陽位置センサの向きに
対する太陽のズレの方向が算出される（ステップＳ１
２）。具体的には、撮像デバイス１の感光面における原
点から太陽の像の重心に向かうベクトルの向きが、例え
ばＸ軸に対する角度として求められる。

【００３３】次いで、太陽位置センサの向きに対する太
陽の方向のズレの大きさが算出される（ステップＳ１
３）。具体的には、先ず撮像デバイス１の感光面におけ
る原点から太陽の像の重心までの距離が画素数で算出さ
れる。そして、変換テーブル７を参照することにより、
算出された画素数に対応する角度が求められる。この求
められた角度が、太陽位置センサの向きに対する太陽の
方向のズレの大きさ、つまり太陽の方向と太陽位置セン
サの方向との角度θとなる。次いで、このようにして得
られた太陽位置センサの向きに対する太陽のズレの方向
及び大きさを表すデータが出力される（ステップＳ１
４）。

【００３４】このようにして検出された太陽位置センサ
の出力は制御装置１６に供給される。制御装置１６は、
太陽位置センサからのデータに基づいて、方位角方向の
ズレの方向及び大きさを修正するような追尾制御信号を
作成してアジマスアクチュエータ１７のモータ１８に供
給する。また、仰角方向のズレの方向及び大きさを修正
するような追尾制御信号を作成してリニアアクチュエー
タ１９のモータ２０に供給する。

【００３５】これにより、太陽位置センサ、つまり発電
ユニット１３が太陽に垂直に対向するように回動され
る。このように、アジマスアクチュエータ１７及びリニ
アアクチュエータ１９を各１回だけ作動させることによ
り、太陽位置センサ、つまり発電ユニットを正しく太陽
に向けることができるので、短時間で太陽の位置を検出
できる。

【００３６】次に、本発明の他の実施の形態を説明す
る。この他の実施の形態に係る太陽位置センサは、図５
に示すように、図１に示した太陽位置センサに減光フィ
ルタ４が追加されて構成されている。この減光フィルタ
４としては、例えば赤外線透過フィルタを用いることが
できる。

【００３７】この場合、撮像デバイス１としては、赤外
線を感知できる固体赤外線センサが用られる。固体赤外
線センサとしては、ボロメータ、サーモパイル、焦電形
素子といった熱効果を利用したデバイス、ＩｎＳｂ撮像
デバイス、ＨｇＣｄＴｅ撮像デバイス、ショットキーバ
リヤ形デバイスといった量子効果を利用したデバイスを
用いることができる。

【００３８】この他の実施の形態における太陽位置セン
サの向きに対する太陽のズレの方向及び大きさを検出す
る動作は上述した実施の形態と同じである。この他の実
施の形態に係る太陽位置センサによれば、赤外線だけが
減光フィルタ４を通過して撮像デバイス１に到達するの
で、大幅な減光が可能になる。また、雲を通り抜けてく
る赤外線による太陽の像が撮像デバイス１の感光面に形
成されるので、曇天でも太陽の方向を検出できる。

【００３９】なお、上述した実施の形態では、太陽の像
を形成するためのレンズとして非線形レンズを用いた
が、通常の集光レンズを用いることもできる。この場
合、視野角は狭くなるが、安価に太陽位置センサを構成
できるという利点がある。また、非線形レンズの表面
は、図２に示す特性が得られるように、連続的に変化す
る曲面で形成されている必要はなく、例えば図６に示す
特性が得られるような、不連続部分を有する曲面で形成
することもできる。

【００４０】また、上述した実施の形態では、太陽の位
置を検出するためにＣＰＵ６を用いたが、このＣＰＵ６
が行うべき処理を制御装置１６で代替させるように構成
できる。この場合、マトリックススキャン回路５からの
画像信号（画像データ）が直接制御装置１６に供給され
る。この構成によれば、太陽位置センサのハードウェア
量を少なくできるという利点がある。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る太陽
位置センサによれば、撮像デバイスから太陽の像を画像
データとして取り込み、この画像データに基づいて太陽
の位置を検出するようにしたので短時間で太陽の位置を
検出できる。また、太陽の位置として太陽位置センサの
向きに対する太陽のズレの方向及び大きさ、換言すれば
太陽位置センサから見た太陽の方位及び太陽位置センサ
の方向と太陽の方向とがなす角度が得られるので、該角
度をゼロにするような追尾制御信号を生成してアクチュ
エータに供給することにより、１回の動作で太陽位置セ
ンサを太陽に向けることができる。その結果、アクチュ
エータを何回も駆動する必要がないので、太陽追尾式発
電システムに適用された場合にその消費電力を低減でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサの構
成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサで使
用される非球面レンズの特性を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサで使
用される変換テーブルの一例を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサの動
作を示すフローチャートである。

【図５】本発明の他の実施の形態に係る太陽位置センサ
の構成を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサで使
用される他の非球面レンズの特性を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る太陽位置センサ及び
従来の太陽位置センサが適用される太陽追尾式発電シス
テムの構成を示す図である。

【図８】従来の太陽位置センサの一例を示す図である。

【図９】従来の太陽位置センサの動作を説明するための
図である。

【符号の説明】

１撮像デバイス２非球面レンズ４減光フィルタ５マトリックススキャン回路６ＣＰＵ７変換テーブル１０支柱１１フレーム１２発電モジュール１３発電ユニット１４導線１５インバータ１６制御装置１７アジマスアクチュエータ１８、２０モータ１９リニアアクチュエータ２１太陽位置センサ２２モータドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相場裕之埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ホンダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者佐貫光洋埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ホンダエンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 JA10 KA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズと、該レンズによって感光面に形成された太陽の像を電気信
号に変換する撮像デバイスと、該撮像デバイスからの電気信号に対応する画像データに
基づいて太陽の位置を検出する太陽位置検出手段、とを
備えた太陽位置センサ。
【請求項２】前記太陽位置検出手段は、前記撮像デバイ
スの感光面の中心を原点とした場合に、前記画像データ
上における前記原点から見た前記太陽の像の方向に基づ
いて当該太陽位置センサから見た太陽の方位を算出し、
且つ前記原点から前記太陽の像までの距離に基づいて当
該太陽位置センサの方向と太陽の方向とがなす角度を算
出することにより、これら方位及び角度によって規定さ
れる太陽の位置を検出する請求項１に記載の太陽位置セ
ンサ。
【請求項３】前記レンズは、前記撮像デバイスの感光面
の中心から太陽の像が形成される位置までの距離の増加
率が、該レンズに対する入射角が大きくなるに連れて小
さくなる非球面レンズで構成されている請求項１又は請
求項２に記載の太陽位置センサ。
【請求項４】太陽光を減光するための減光フィルタを更
に有し、該減光フィルタでフィルタリングされた光が前記レンズ
に入射される請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載
の太陽位置センサ。
【請求項５】前記減光フィルタは赤外線透過フィルタで
あり、前記撮像デバイスは赤外線により形成された太陽
の像を電気信号に変換する撮像デバイスである請求項４
に記載の太陽位置センサ。