JP2004146759A - 差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御駆動用の内蔵電池あるいは外部電源を必要とせず、かつ自動的に早朝から作動する、効率の高い太陽追尾発電装置を提供する。受光するソーラーセルの全面を太陽に常時、正対させて発電効率を最大限に高め、専有面積の最小化と低コスト構造の太陽発電装置を提供する。
【解決手段】遮光板で仕切られた左右一対のソーラーセルモジュールを搭載したパネルが太陽に正対するように回動軸を南北方向に軸支し、該回動軸に左右ソーラーセル発電差電圧により作動する駆動機構を連結して、ソーラーセル左右出力が均衡するように太陽を追尾し、左右ソーラーセルが太陽光を常に正対して受光することによって高効率の発電を得る。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、日照受光面を常に太陽の方向に向ける太陽追尾装置付き太陽電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池すなわちソーラーセルを利用する発電装置と組み合わせる従来の太陽追尾装置のアイデアは、内蔵あるいは外部の電源からエネルギーを得て光センサとコンピュータにより太陽の方位変化に合わせて動くもの、あるいは時計仕掛けにより追従するもの、一定速電動機構により追従するものが多い。公報で見ると「特開平６−４５６３１」は、ソーラーセルの発電力を追尾駆動装置の電源に利用した自立型であるが、ソーラーセルへの太陽光照射が遮蔽板に隠れて発電ゼロになるように追尾する方式であり、外部へ電力を供給すべき発電装置としての効率が低い。また、日没後はソーラーセル全体が西向きのままになってしまい、東から昇る太陽に対して自動的に始動できない。「特開平８−５３６６」は、同様にソーラーセル発電力を制御駆動の電源とする自立型で、光センサとして働く４面のソーラーセルを発電用セルとは別途に制御駆動用として備えているので、翌朝の始動に対して自動リセットできるが、ソーラーセルが２種類必要、光センサ及び駆動部の制御装置が必要、駆動用モータが２基必要などの重装備となり、発電力に比較してのコストが高い。また夏期には東京近辺で南中高度が７８度に達する太陽の動きを水平運動の主モータと迎角調節モータで追従する難しさがある。「特開平８−１１５６０９」は、同様にソーラーセルの出力を電源に利用し、翌朝の始動に対して自動リセット機能を備えているが、分割した多数のソーラーセルを受光板の表と裏の両面に貼り付け、同時に制御する必要があり構造が複雑で、得られる発電出力に比べて過剰な重装備になっており、発電効率が低い。また太陽の高度変化への対応がなく、水平面で架台を回転させて太陽を追尾する難しさがある。「特開２０００−１５０９３４」は、追尾駆動に太陽の照射熱を受けた形状記憶合金の伸縮を利用する電源不要の機械制御、機械駆動型であるが、季節、天候、気温変化による温度変動を補正できない、あるいは当日の天候次第で過剰に反応する恐れがあるので太陽追尾としての正確な動作および良好な発電効率を期待できない。「特開平２０００−１９６１２６」は、ほぼ前記の「特開平８−５３６６」と同様な構成で、コンピュータ制御多用とモータ３個装着するなど重装備であり、制御駆動用に外部電源を必要とする。山間僻地、離島、草原、原野、砂漠などの野外あるいは海浜、海上での使用には適さず、太陽光発電のニーズを満たしていない。「特開２００１−２０１１８７」は、太陽追尾方式は本願と同様の構成であるが、太陽エネルギー吸収にソーラーセルを使用せず、太陽に正対して得る熱エネルギーによって蒸気を発生させ、タービンおよび発電機を駆動する点が異なっている。太陽エネルギーの利用では効率がよいが、装置全体が大型化するので、小型携帯用としての簡便な用途には適さない。以上のごとく、ニーズを満たすには太陽エネルギー利用による電源自立が必須条件であり、これには多数のアイデアおよび技術が対応しているが、太陽電池としての利用はエネルギー供給のない地域で特に期待されていることから、可搬性、携帯性が重要であり、重装備は適さない。またコスト面からも装置全体のシンプルな構成と効率の高い発電が必須であるが、従来の技術でこれを満たすものはまだ出現していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点に鑑み、制御駆動用の内蔵電池あるいは外部電源を必要とせず、かつ早朝から自動的に作動する、効率の高い太陽追尾発電装置を提供することを目的とする。この発明の課題は、受光するソーラーセルの全面を太陽に常時、正対させてエネルギー吸収効率を最大限に高めることであり、専有面積の最小化と簡潔な追尾駆動装置により低コスト構造の太陽発電装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置は、同仕様の太陽電池すなわちソーラーセルモジュール２個を太陽に正対するように搭載パネルに左右並列に配置し、太陽に正対して追尾するように回動軸で軸支して正逆２方向に回転する駆動モータを連結する。駆動モータの駆動電源として、左右ソーラーセルモジュールの出力が均衡を失った場合に発生する発電出力差（以降、差電圧と称する）を印加する。差電圧は、左右モジュールの中間に仕切遮光板を垂直に設置し、正対していない場合にはいずれかのモジュールに日陰が生じることにより発生する。地球自転により太陽の位置は刻々に移動するが、その移動速度は１度あたり４分であり、追尾駆動モータの作動時間は数秒以内であるため、差電圧の検出とモータ駆動は間欠的に行えばよく、発電出力の取り出しを妨げることはない。ソーラーセルがほぼ常時、太陽に正対しているために発電出力を効率よく取り出すことができる。
【０００５】
【作　用】
左右セルモジュール発電の差電圧を太陽を追尾する駆動装置の電力源に使用する。左右２個のソーラーセルの中間に仕切遮光板をパネル面に垂直に設置し、太陽が正対位置からずれると左右ソーラーセルの受光面積が遮光板のために均衡を失い、左右セルの出力に電圧差が生じる。この差電圧を追尾駆動モータに導き、均衡が回復するまでセルモジュール搭載のパネルを追尾回動させる。差電圧による回動の方向は差電圧の電流方向により正逆２方向となり、左右セルの発電電圧が均衡する方向へ向かうように、すなわちパネルが太陽を追尾するように結線されている。太陽位置は連続的に変化するが、太陽位置が１度ずれる度に追尾駆動を実施するとすれば、４分ごとに数秒間の間欠的作動でよい。すなわち左右のソーラーセルをほぼ常時、太陽に正対させ、発生した電力をほぼ１００％利用することができる。日没により西を向いたパネルを早朝始動用に東向きに復帰させる必要があるが、これにはパネルの裏側に追尾駆動モータを逆転させるに必要な程度の小容量の第３ソーラーセルを貼り付けて、追尾駆動モータに導いておき、早朝に背側（裏側）に受光した発電力により原位置に復帰させる。以上により方位角では太陽に正対可能であるが、地軸傾斜に起因する季節での太陽高度すなわち南中高度は、東京近辺で冬至には３２度、夏至には７８度と変化する。中間の春分、秋分における５５度で南北傾斜角すなわち迎角を固定した場合には、ソーラーセルへの太陽光入射角は冬至及び夏至には２３度となり、受光エネルギーが９２％に低下する。これを補正するには、太陽南中高度に合わせて、月１回程度の手動または自動でモジュール搭載パネルの南北傾斜角度を５５度±２３度の範囲に調節し、日照の最大限吸収を行う。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例１について図１の発電モジュールパネル斜視図および図２の全体側面図、図３の回路図により説明する。複数のソーラーセルが直列に配置された一対のモジュール１およびモジュール２が太陽光発電の主体で、パネル３に組み込まれて図３に示すごとく結線されている。パネル３は回動軸４の上端を軸受５で軸支され、回動軸の下端を駆動機構６に連結されており、駆動機構により正逆の２方向に±７５度程度、回動し得る。駆動機構６は小型高速モータと減速ギアで構成されている。パネル裏面には東向き回帰用の電源として小容量のソーラーセルモジュール７が組み付けられている。パネル３は、下端を駆動機構６を組み付けたヒンジ８で架台９に係合しており、上端を軸受５を保持する支柱１０にヒンジ係合している。支柱１０は、下端を架台９のヒンジ部１１にピン係合したレバー１２の一端にピン係合している。レバー１２の他端は温度感応伸縮ロッド１３の先端とピン係合しており、ロッド１３の他端はヒンジ１４で架台９にアンカーされている。パネル３には、一対のセルモジュール１および２が組み付けられているが、中央部に仕切遮光板１５が垂直に設置されており、斜め上方からの太陽光入射に対してソーラーセルの感度を高めるために、光を効率よく反射する鏡のような材料で表面が仕上げられている。モジュールパネル３は架台９に対し傾斜して組み付けられており、伸縮ロッド１３の作動により中心値５５度±２３度の傾斜角変化が行われる。この装置を正常に作動させるには、水平面に設置し、パネルの回動軸を正確に地軸を含む平面の南北方向に一致させる必要がある。電気回路の結線は図３に示すごとく、直列に接続したモジュール１および２の出力は端子１６に導かれているが、電流方向により正逆２方向に回転する駆動モータの両極は、一方をモジュール接続の中間点に、他方をバラスト抵抗Ｒ１およびＲ２とダイオードＤ１およびＤ２で分流させた経路の中間点に接続している。Ｒ１およびＲ２の抵抗値、Ｄ１およびＤ２の特性はそれぞれ等しい。西方に太陽が移動したために太陽に面して東側にあるモジュール２（北半球）側が遮光板の日陰になって発電電圧が低くなった場合は差電圧が発生し、モジュール２側がより多くの日射を得るように駆動モータは電圧の高いモジュール１側からの電流を受けて西向きに回動し、電圧が均衡した所で停止する。モジュール１側が日陰になった場合は、上記と逆の作動が行われる。日没によりパネル３が西を向いたまま停止していると、日の出と共に、東を向いている裏面のモジュール７に日照が入り、モジュール７で発電した電圧とモジュール１との差電圧により駆動モータがパネル３を東向きに逆転させる。以上のごとく、きわめて簡単な構成で精細な追尾と、効率の良い全面発電を行うことができる。これは実験により確認済みである。
【０００７】
実施例２は機械的な構成は実施例１と同様であるが、左右モジュール発生電圧の取り出しを最終出力端子からでなく、各ソーラーセルユニット接続の途中から所要レベルの電圧をタップ電圧として取り出し、その差電圧で駆動機構を作動させるものである。モジュール出力電圧が高電圧の場合にも比較的低電圧の駆動モータを使用することができる。電気回路図を図４に示す。
【０００８】
実施例３は機械的な構成は実施例１と同様であるが、追尾駆動を間欠的に行うもので電気回路図を図５に示す。間欠タイマーリレー回路１７を分流回路に追加したことが異なっている。太陽の方位角変化１度当たりの所要時間は４分である。仕切遮光板への入射角１度の変化はほとんどソーラーセルの受光に影響しないので、３〜５分おきの間欠的な差電圧取り出しと駆動機構への印加、追尾作動が行われる。出力電流を分流のために消費する必要がなく、モジュール１および２の非常に効率の良い出力が行われる。
【０００９】
実施例４は機械的な構成は実施例１および２と同様であるが、追尾駆動の作動点を左右モジュールの発生差電圧の大きさに依存させたものである。モジュール１と２の差電圧が所定値を越えた場合にのみ、均衡を求めて駆動機構を働かせる。電気回路は図６に示すごとく、比較判別制御回路１８を追加した点が実施例１と異なる。すなわちモジュール１と２の差電圧を常時あるいは間欠的に比較し、この値が所定値を越えた場合にのみ駆動機構へ差電圧を供給し、発電が均衡した時点で電圧供給を停止する。この回路により、追尾動作が行われているとき以外は出力電流を分流のために消費する必要がなく、モジュール１および２の非常に効率の良い出力が行われる。
【００１０】
【発明の効果】
ソーラーセルを太陽に追尾させる駆動機構の動力はすべてソーラーセル出力の一部でまかなわれるので、外部からの動力供給が不要であり、離島あるいは遠隔僻地、海上でも問題なく発電し、外部へ電力を供給することができる。追尾駆動は差電圧が一定レベルを越えるような場合にのみ間欠的に行われ、所要動力も微少である。太陽の方位を検出、駆動装置を制御するための光センサやコンピュータ、電源も不要である。以上のように他のエネルギーを借りることなくすべての所要エネルギーを自己発電でまかない、ソーラーセル全面をほとんど常時、太陽に正対させ、発電電力のほとんどすべてを利用することができる。そのため発生電力あたりの所要面積も最小限で済み、低コストのコンパクトな構造で目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電モジュールパネルの斜視図である。
【図２】全体側面図である。
【図３】実施例１の電気回路図である。
【図４】実施例２の電気回路図である。
【図５】実施例３の電気回路図である。
【符号の説明】
１．発電モジュール
２．発電モジュール
３．モジュールパネル
４．パネルの回動軸
５．軸受
６．駆動機構
７．パネル裏面の発電モジュール
８．駆動機構を係合する架台側ヒンジ
９．架台
１０．支柱
１１．レバーを係合する架台側ヒンジ
１２．レバー
１３．温度感応伸縮ロッド
１４．伸縮ロッドの架台側ヒンジ
１５．仕切遮光板
１６．出力端子
１７．間欠タイマーリレー回路
１８．比較判別制御回路
Ｒ１．バラスト抵抗
Ｒ２．バラスト抵抗
Ｒ３．実施例２のバラスト抵抗
Ｒ４．実施例２のバラスト抵抗
Ｄ１．逆流防止ダイオード
Ｄ２．逆流防止ダイオード
Ｄ３．裏面セルモジュールの逆流防止ダイオード

Claims (6)

1. 仕切遮光板により中央で仕切られた左右一対のソーラーセルモジュールを搭載したパネルの回動軸を太陽方位に正対して追尾可能に架台に軸支し　該回動軸に左右ソーラーセルモジュール発電の差電圧により作動する駆動機構を連結して、左右発電電圧が均衡するように太陽を追尾し、左右ソーラーセルモジュールが発電する電力を総和して出力する差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置。
2. 請求項１において、各ソーラーセルモジュールの対応する中間位置からタップ電圧を取り出し、タップ電圧の差電圧を駆動機構に印加して、タップ電圧が均衡するように太陽を追尾駆動する差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置。
3. 請求項１および２において、左右ソーラーセルの差電圧を所定時間ごとに間欠的に検出して駆動機構に印加し、発電電圧が均衡するように太陽を追尾駆動する差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置。
4. 請求項１および２において、仕切遮光板左右のソーラーセルモジュールの発電電圧を間欠的あるいは継続的に比較し、差電圧が追尾駆動の必要な所定値に達したと判別した場合に駆動機構に差電圧を印加して、出力電圧が均衡するようにモジュール搭載パネルの回動を制御する差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置。
5. 請求項１、２、３、４において、日没により西を向いたモジュール搭載パネルを早朝に東向きに復帰させるため、パネルが西向きに停止した追尾駆動モータを逆転させる第３ソーラーセルモジュールをモジュール搭載パネルの裏面に貼り付け、出力電圧を追尾駆動モータに導いた差電圧駆動式太陽追尾ソーラー発電装置。
6. ソーラーセルを太陽に正対させるため、モジュール搭載パネル回動軸の南北傾斜角度を、気温または日照温度の変化に感応して伸縮する機構により自動的に調節する太陽追尾ソーラー発電装置。

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