JP2004153203A - 集光式太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽位置の計算を不要とするとともに無駄な太陽追尾動作を確実に防止する。
【解決手段】全天の像を生成する魚眼レンズ６９１と、生成された像を電気信号に変換するＣＣＤカメラ６９２よりなる太陽捕捉センサ６９を設ける。ＣＰＵ６６は上記電気信号を二値化処理して二値化画像を得、二値化画像に対してテンプレート・マッチング画像処理を行って太陽位置を検出する。そして、集光式太陽電池パネルを、検出された太陽位置の方向へ向ける。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光式太陽光発電装置に関し、特に、太陽位置の計算を不要とした簡易な構成の集光式太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の集光式太陽光発電装置では当該装置の設置位置（経度、緯度）と年月日時から太陽位置を計算し、計算された太陽位置へ太陽電池パネルを向けるべく、ロータリエンコーダ等のフィードバック信号に基づいて太陽電池パネルの姿勢制御用モータを駆動している。この場合、雨天時や曇天時のように太陽光発電が期待できないときには無駄な追尾動作をしないように日照センサを設けることが多い（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９０５３７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、時々刻々と移動する太陽位置の計算は煩雑であるとともに、日照センサが曇天時には判定を誤り易いという問題があった。
【０００５】
そこで本発明はこのような課題を解決するもので、太陽位置の計算を不要とするとともに無駄な太陽追尾動作を確実に防止できる集光式太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本第１発明では、全天の像を生成する魚眼レンズ（６９１）と、生成された像を電気信号に変換する光電変換素子（６９２）と、上記電気信号を二値化処理して二値化画像を得る二値化手段（６６）と、二値化画像に対してテンプレート・マッチング画像処理を行って太陽位置を検出する太陽位置検出手段（６６）と、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を、検出された太陽位置の方向へ向ける太陽追尾手段（３３，３４，４３，５，５３，５５，６６）とを具備している。
【０００７】
本第１発明においては、魚眼レンズの全天像を光電変換素子で電気信号に変換し、電気信号を二値化処理した二値化画像をテンプレート・マッチング画像処理して太陽位置を検出しているから、煩雑な太陽位置の計算が不要である。また、上記テンプレート・マッチング画像処理で太陽位置が検出されない時には曇天等と判定しているから、確実に曇天等を判定することができ、無駄な太陽追尾動作を防止することができる。
【０００８】
本第２発明では、前記太陽追尾手段は、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）を地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させる駆動手段（３３，５，５３）と、集光式太陽電池パネル（２Ａ〜２Ｄ）と同方向を向きこれと一体に回動させられる検出面（４３ａ）を備え、当該検出面（４３ａ）上への太陽スポット光（Ｓ）の入射位置より方位角方向での太陽の相対位置を検出する位置検出手段（４３）と、太陽スポット光（Ｓ）が検出面（４３ａ）上の所定位置（Ｘ）を越えた時から一定時間経過後に、駆動手段（３３，５，５３）を所定時間作動させて太陽スポット光（Ｓ）が所定位置（Ｘ）を反対側へ越えるように検出面（４３ａ）を回動させ、その後、太陽スポット光（Ｓ）が所定位置（Ｘ）へ戻るまでの戻り時間を計測し、上記一定時間経過後に、上記戻り時間によって補正した所定時間だけ駆動手段（３３，５，５３）を作動させる駆動制御手段（６６）とを備えている。
【０００９】
本第２発明においては、駆動手段の駆動負荷が変動しても、刻々と方位を変える太陽に対して、太陽スポット光が検出面上の所定位置に対し常に左右等距離範囲内にあるように太陽電池パネルの方位角が間欠的に変更されて太陽が追尾される。このような駆動制御はモータのオンオフ間欠制御により行うことができるから、信頼性の高い追尾制御を安価に実現することができる。
【００１０】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図を示す。図１において、装置本体は４個の集光式太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを備えており、これら太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは地表に据えた基板Ｐ上に立設した架台１に支持されている。各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは四角形の箱体で、架台１によって同一平面上に全体が略四角形をなすように支持されている。各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄは複数の太陽電池モジュール２１により構成されており、各太陽電池モジュール２１は表面に四角形の集光用フレネルレンズ２１１を位置させるとともに、内部のレンズ焦点位置に太陽電池セル（図示略）を位置させている。
【００１２】
上記架台１の上端には図２に示すように軸受け機構３が設置されている。軸受け機構３は、傾斜して設けられた略Ｕ字形の軸受け片３１を有し、当該軸受け片３１の内空間には軸受けブロック３２が位置している。軸受けブロック３２の両側面に突設された軸体３３（一方のみ示す）が軸受け片３１の両側壁３１１に回転自在に支持されるとともに、軸受けブロック３２にはこれを上記軸体３３と直交する方向へ貫通して軸体３４が回転自在に支持されている。軸体３４の両端にはそれぞれ支持枠４Ａ，４Ｂ（図２に一方のみ示す）が装着されている。支持枠４Ａは三角形の枠体で、その長辺の中央に設けた筒状鞘体４１が軸体３４に嵌着されている。支持枠４Ａ，４Ｂは仕切枠４２によってさらに三角形領域に二区分されてそれぞれに太陽電池パネル２Ａ，２Ｂと２Ｃ，２Ｄが搭載されている。これにより、軸受け機構３は四角形に配置された太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄ（図１）のほぼ中心に位置している。また、支持枠４Ａには太陽追尾センサ４３が設けてあり、ピンホール４３１を設けたその前面は各太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄのパネル面と同一方向を向いている。
【００１３】
軸体３３はその傾斜が架台１を設置した場所の緯度に応じて調整されて、後述のように軸体３３に支持されて回動する太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角方向の回転軸が地球自転軸とほぼ平行になるようにしてある。軸体３３には、両端にフレキシブルジョイント部５１，５２（図１）を備えた駆動シャフト５が上記ジョイント部５１を介して連結されており、駆動シャフト５の他端はフレキシブルジョイント部５２を介して駆動モータ５３の出力軸５３１に連結されている。、駆動モータ５３は基板Ｐに設けた架台５４上に支持されている。なお、地球自転軸に対して平行にするための軸体３３の傾斜調整は、駆動シャフト５を外した状態で、軸体３３の端部に取り付けたジンバルミラー等を使って、光学的に高精度に行うことができる。
【００１４】
図３には軸受け機構３の詳細を示す。軸受けブロック３２上には駆動モ−タ５５が設けられており、駆動モータ５５の出力軸はこれに設けたウォームギヤ５６によって円形ギヤ５７に連結されている。駆動モータ５５の駆動力は上記円形ギヤ５７と同軸の円形ギヤ５８を介して軸体３４の外周に固定された大径の円形ギヤ５９に伝達されるようになっている。
【００１５】
このような構造により、駆動モータ５５を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを軸体３４回りに回動させることにより、パネル面の法線の天頂角（これを以下、単に太陽電池パネルの天頂角という）を独立に変更することができるとともに、駆動モータ５３を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを軸体３３回りに回動させることにより、パネル面の法線の方位角（これを以下、単に太陽電池パネルの方位角という）を独立に変更することができる。なお、基板Ｐ（図１）は軸体３３の回転軸が地球自転軸と平行になるように設置される。また、各軸体３３，３４の回転角はこれらに付設された図略のロータリエンコーダによって検出される。
【００１６】
太陽追尾センサ４３内にはそのピンホール４３１と対向するように検出面が配置されており、この検出面４３ａは図４に示すように、南北線と東西線に沿ってＡ領域〜Ｄ領域へ四等分されて、各領域からはこれに入射する光量に応じた出力が発せられる。図５には駆動制御装置の構成を示す。太陽追尾センサ４３の検出面４３ａの、Ａ領域〜Ｄ領域の出力信号はそれぞれ増幅器６１Ａ〜６１Ｄに入力して増幅され、増幅信号はそれぞれ第１および第２演算器６２Ａ，６２Ｂに入力する。第１演算器６２ＡではＡ，Ｄ領域の増幅信号の和とＢ，Ｃ領域の増幅信号の和の比が算出され、第２演算器６２ＢではＡ，Ｂ領域の増幅信号の和とＣ，Ｄ領域の増幅信号の和の比が算出される。第１，第２演算器６２Ａ，６２Ｂの出力はノイズ除去フィルタ６３Ａ，６３Ｂを通過後、Ａ／Ｄ変換器６４Ａ，６４Ｂでデジタル信号に変換されてそれぞれＣＰＵ６６の入力端子Ｉ１，Ｉ２に入力している。
【００１７】
駆動モータ５３，５５はその正逆回転を行うためのリレー回路６８Ａ，６８Ｂにそれぞれ接続されており、リレー回路６８Ａ，６８ＢにはＣＰＵ６６の出力端子Ｏ１，Ｏ２からモータ正逆転指令信号が出力される。なお、軸体３３（図３）の回転角（方位角）を検出したロータリエンコーダ６７Ａの出力信号はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ３に入力している。また、軸体３４の回転角（天頂角）を検出したロータリエンコーダ６７Ｂの出力信号はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ４に入力している。太陽捕捉センサ６９が設けられてＣＰＵ６６の入力端子Ｉ５に接続されている。太陽捕捉センサ６９は全天の像を生成する魚眼レンズ６９１とＣＣＤカメラ６９２とで構成されており、ＣＣＤカメラ６９２の出力信号がＣＰＵ６６へ入力している。
【００１８】
魚眼レンズ６９１の外形を図６に示す。魚眼レンズ６９１は上半をドーム状とし、下半を上半と同心で大径の円柱状としたもので、本実施形態では全天１５０°の魚眼となっている。全天１５０°の魚眼で良い理由は日の出後１５°と日の入前１５°は集光発電を行わないからである。なお、ドーム状のレンズ上半は実際には透明のプラスチック保護層等で覆ってある。図７にはＣＣＤカメラ６９２の受光部に写る像を示し、全天１５０°の範囲が図中の円形領域Ｒｃとなっている。太陽が天頂にある場合にはその像Ｆ１は円形領域Ｒｃの中心に位置している。また、太陽が天頂以外にある場合には、その像Ｆ２は太陽の方位方向で、高度が低いほど円形領域Ｒｃの周縁部に位置している。そして、この場合の像Ｆ１，Ｆ２の大きさは、円形領域Ｒｃの中心からの距離ｒが大きくなるほど、すなわち中心から離れるほど小さくなる。なお、ＣＣＤカメラ６９２の受光部上での東西南北は実際の方向とは逆になる。
【００１９】
図８にはＣＰＵ６６における処理手順を示す。図８において、ステップ１０１では太陽位置を検出する。これは、ＣＣＤカメラ６９２の出力信号を二値化処理して全天像の二値化画像を得、この二値化画像に対して、太陽画像の大きさのテンプレートを使用してテンプレート・マッチング画像処理を行うことにより太陽の位置を検出するものである。
【００２０】
図９には上記太陽位置検出ステップ１０１の詳細を示す。ステップ２０１では上述のようにＣＣＤカメラ６９２の出力信号を二値化処理するが、この場合の二値化の閾値は、ＣＣＤカメラ６９２への全体の入射光量が季節によって変化することを考慮して、季節に応じて変更される。ステップ２０２では、ＣＣＤカメラ６９２の受光部をその中心（すなわち円形領域Ｒｃの中心）からの距離ｒ毎の適当幅の輪帯領域に区画し、各輪帯領域毎にこの領域での太陽像の大きさに近い円形テンプレートを使用してテンプレート・マッチング画像処理を行う。これにより、太陽の有無を検出し、太陽が有った場合にはその位置を算出する（ステップ２０３）。
【００２１】
上記ステップ２０３で太陽位置がいずれの輪帯領域でも検出できなかった場合には、雨天あるいは曇天により発電に必要な太陽光強度が得られないものと判定して以下の太陽追尾処理を行わない。図８のステップ１０２では、ステップ１０１で検出された太陽位置に基づいて、ロータリエンコーダ６７Ｂからのフィードバック信号を参照しつつ駆動モータ５５を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの天頂角をこの時の太陽の天頂角付近に合わせる。続くステップ１０３では、上記検出された太陽位置に基づいて、ロータリエンコーダ６７Ａからのフィードバック信号を参照しつつ駆動モータ５３を作動させて太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角をこの時の太陽の方位角付近に合わせる。これにより、太陽追尾センサ４３の検出面４３ａ（図４）上のいずれかに、ピンホール４３１により形成される太陽スポット光が入射する。
【００２２】
ステップ１０４では、入力端子Ｉ２に入力する信号を参照しつつ、入射する太陽スポット光Ｓ（図１０参照）が上記検出面４３ａのＡ，Ｂ領域とＣ，Ｄ領域の境界に位置するように、すなわち太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの天頂角がこの時の太陽の天頂角とほぼ一致するように駆動モータ５５を作動させる。軸体３３の回転軸が地球自転軸と平行になっている場合、太陽の天頂角は一日で殆ど変化しないので、以降、駆動モータ５５を作動させる必要はない。
【００２３】
これに対して太陽の方位角は、軸体３３の傾斜角で見ると、一定の回転角速度で刻々と変化するため以下の処理を行う。すなわち、ステップ１０５では方位角追尾初期処理を行う。これは、駆動モータ５３を作動させて、太陽スポット光Ｓが検出面４３ａのＢ，Ｃ領域側（東側）へ入射するようになるまで太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄ（太陽追尾センサ４３）を方位角方向へ回動させるものである。続くステップ１０６の方位角追尾処理では、太陽が刻々と方位を変えて太陽スポット光Ｓが太陽追尾センサ４３の検出面４３ａの原点Ｘ（図１０（１））、すなわち太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角と太陽の方位角が一致した点に至った後、これをＡ，Ｄ領域側へ越えてから計時を開始する。そして、例えば１分経過した後（図１０（１）の状態）に駆動モータ５３を１秒間作動させて、太陽スポット光Ｓが検出面４３ａのＡ，Ｄ領域側から原点Ｘを越えて再びＢ，Ｃ領域側へ戻るように（図１０（２））太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させる。その後、太陽の移動によって再び太陽スポット光Ｓが原点Ｘに至る（図１０（３））までの時間を計時する。これが例えば４５秒だったとする。さらに計時を続けて、太陽スポット光Ｓが原点ＸからＡ，Ｄ領域へ入って１分経過した後（図１０（４）の状態）に、駆動モータ５３を今度は１．１４秒間作動させて、太陽スポット光Ｓが原点Ｘを越えて再びＢ，Ｃ領域側へ戻るように太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄを回動させる。なお、上記１．１４秒は下式（１）で算出される。
【００２４】
１（秒）×２（分）／（１（分）＋４５／６０（分））＝１．１４（秒）…（１）
【００２５】
これにより、駆動モータ５３の負荷が変動しても、刻々と方位を変える太陽を追って、太陽スポット光Ｓが常に原点Ｘの左右等距離範囲（太陽の移動につれて太陽スポット光が１分間で移動する距離範囲）内にあるように太陽電池パネル２Ａ〜２Ｄの方位角が間欠的に変更されて太陽を追尾する。
【００２６】
このように本実施形態では、魚眼レンズ６９１とＣＣＤカメラ６９２で構成される太陽捕捉センサ６９の出力信号より、テンプレート・マッチング画像処理で太陽位置を検出しているから、煩雑な太陽位置の計算が不要である。また、上記テンプレート・マッチング画像処理で太陽位置が検出されなかった場合には太陽光発電が期待できない曇天等と判定しているから、確実に曇天等を判定することができ、無駄な太陽追尾動作を防止することができる。なお、太陽捕捉センサ６９は一群の集光式太陽光発電装置に対して１台設けるようにしても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の集光式太陽光発電装置によれば、太陽位置の計算が不要であるからＣＰＵの演算負担が軽減されるとともに、曇天等における無駄な太陽追尾動作を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における、集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図である。
【図２】集光式太陽光発電装置の装置要部の分解斜視図である。
【図３】集光式太陽光発電装置の軸受け機構の斜視図である。
【図４】太陽追尾センサの検出面の正面図である。
【図５】集光式太陽光発電装置の駆動制御装置のブロック構成図である。
【図６】魚眼レンズの斜視図である。
【図７】ＣＣＤカメラの受光部の正面図である。
【図８】ＣＰＵにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図９】ＣＰＵにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】太陽追尾センサの検出面の正面図である。
【符号の説明】
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…集光式太陽電池パネル、３…軸受け機構、３３，３４…軸体、４３…太陽追尾センサ、４３ａ…検出面、５…駆動シャフト、５３，５５…駆動モータ、６６…ＣＰＵ、６９…太陽捕捉センサ、６９１…魚眼レンズ、６９２…光電変換素子、Ｓ…太陽スポット光、Ｘ…原点。

Claims (2)

1. 全天の像を生成する魚眼レンズと、生成された前記像を電気信号に変換する光電変換素子と、前記電気信号を二値化処理して二値化画像を得る二値化手段と、前記二値化画像に対してテンプレート・マッチング画像処理を行って太陽位置を検出する太陽位置検出手段と、集光式太陽電池パネルを、検出された太陽位置の方向へ向ける太陽追尾手段とを具備する集光式太陽光発電装置。
2. 前記太陽追尾手段は、集光式太陽電池パネルを地球自転軸とほぼ平行な回転軸のまわりに方位角方向へ回動させる駆動手段と、前記集光式太陽電池パネルと同方向を向きこれと一体に回動させられる検出面を備え、当該検出面上への太陽スポット光の入射位置より方位角方向での太陽の相対位置を検出する位置検出手段と、前記太陽スポット光が前記検出面上の所定位置を越えた時から一定時間経過後に、前記駆動手段を所定時間作動させて前記太陽スポット光が前記所定位置を反対側へ越えるように前記検出面を回動させ、その後、前記太陽スポット光が前記所定位置へ戻るまでの戻り時間を計測し、前記一定時間経過後に、前記戻り時間によって補正した所定時間だけ前記駆動手段を作動させる駆動制御手段とを備えている請求項１に記載の集光式太陽光発電装置。

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