【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おいて、移動する太陽に太陽電池パネルの向きを追従させるのに使用する太陽追尾センサとそのセンサ素子の構造改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽追尾センサのセンサ素子として例えば表面実装用分割型フォトダイオード（浜松ホトニクス（株）製 Ｓ５８７０等）が使用できる。これはフォトダイオードの四角形の受光面を十字の分離溝で等面積の４つの受光部に分割したものである。これを上記センサ素子として使用する場合には、上記受光面を太陽電池パネルのパネル面と同方向へ向けてこれと一体に移動させるようにして、ピンホール等により形成した太陽スポット光を上記受光面上に入射させる。そして、太陽スポット光が常に受光面の中心に入射して各受光部の出力信号が等しくなるように太陽電池パネルの姿勢を制御することにより、移動する太陽に太陽電池パネルの向きを追従させることができる。
【０００３】
【非特許文献１】浜松ホトニクス カタログＮＯ．ＫＰＩＮ１０１２Ｊ０２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記分割型フォトダイオードを使用したセンサ素子は比較的高価であるという問題がある。特に、計算された太陽位置へ向けて、ロータリエンコーダからのフィードバック信号を受けて太陽電池パネルの姿勢を、太陽スポット光が受光面上に入射するように初期追尾する際に、受光面を可能な限り大きくしてロータリエンコーダの分解能負担を軽減したいという要請があるが、分割型フォトダイオードではその受光面の大きさは縦横１０ｍｍ程度で、十分に大きな受光面を確保することは価格と製造上の問題で困難であった。
【０００５】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、安価で、十分な面積の受光面を有する太陽追尾センサのセンサ素子とこれを使用した太陽追尾センサ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、２行で複数列に、太陽電池よりなるセンサ部（Ａ〜Ｌ）を同一面上に隣接させて並べてこれらセンサ部（Ａ〜Ｌ）の受光面（８３）上に太陽スポット光を入射させ、各センサ部（Ａ〜Ｌ）の発電出力より太陽スポット光の入射位置を検出するようにする。本第１発明においては、センサ素子を太陽電池で構成したから、コストアップを招くことなくその受光面を十分大きくすることができる。これにより、受光面上に太陽スポット光を入射させるためのロータリエンコーダによる太陽初期追尾において、ロータリエンコーダとして分解能の低いものを使用することが可能となり、コストの低減を図ることができる。
【０００７】
本第２発明では、２行で３列以上の複数列に、太陽電池よりなるセンサ部（Ａ〜Ｌ）を同一面上に隣接させて並べてこれらセンサ部（Ａ〜Ｌ）の受光面（８３）上に太陽スポット光を入射させ、一列を共通にした隣接する２行２列のセンサ部（Ａ〜Ｌ）を組として、各組の発電出力より太陽スポット光の入射位置を検出するようにする。本第２発明においては、比較的小面積の各組に入射する太陽スポット光の位置を検出するから、背景光ノイズの影響を受けにくい。また、一列を共通にした隣接する２行２列のセンサ部を組にしたから、太陽スポット光の位置検出の精度が向上する。
【０００８】
本第３発明では、電極（８１２）を上記各センサ部（Ａ〜Ｌ）の受光面（８３）上に等間隔で平行に多数形成し、その電極幅を、受光面（８３）への太陽スポット光の入射角が大きくなるにつれて小さくする。本第３発明においては、太陽スポット光が大きな角度で入射するためスポット径が小さくかつ受光面での反射損失が大きい領域で電極幅を小さくしたから、受光面の露出面積が広くなって遮光率が下がる。この結果、スポット光の光入射量が受光面上で均一になって太陽スポット光の位置検出のリニアリティが向上する。
【０００９】
本第４発明では、本第１発明ないし本第３発明のいずれかに記載のセンサ素子（８）と、上記太陽スポット光を形成するピンホール（４３１）との間に透明ガラス層（９１）を介設する。本第４発明においては、太陽光がピンホールに大きな入射角で入射しても、ガラス層での屈折によって太陽スポット光はセンサ素子の受光面に小さな入射角で入射させられるから、受光面での反射損失が低減され、太陽スポット光の位置検出のリニアリティが向上する。
【００１０】
本第５発明では、本第１発明ないし本第３発明のいずれかに記載のセンサ素子（９２，９３）を可撓性のあるフィルム基板型太陽電池で構成し、上記センサ素子（９２，９３）を、上記太陽スポット光を形成するピンホール（４３１）を中心として円弧状に湾曲させる。本第５発明においては、ピンホールに対する太陽光の入射角が変化しても、太陽スポット光はセンサ素子の受光面に対して常にほぼ垂直に入射するから、太陽スポット光の位置検出のリニアリティを向上させることができる。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には太陽追尾センサのセンサ素子の平面図を示す。センサ素子８は太陽電池により構成されている。すなわち、下面電極となるステンレス基板（図示略）上にアモルファスシリコン等のＰＮ接合膜を形成し、その上に上面電極８１を膜形成したものである。本実施形態では、太陽電池を構成するＰＮ接合膜と上面電極８１は５０μｍ幅の分離溝８２によって互いに分離されて、受光面８３は２行６列の１２個のセンサ部Ａ〜Ｌに分割されている。各センサ部Ａ〜Ｌは縦長長方形で、上面電極８１は各センサ部Ａ〜Ｌにおいて、一方の端縁に沿う広幅の幹電極８１１と、当該幹電極８１１から受光面８３上を平行に延びる多数の細幅の枝電極８１２より構成されている。なお、枝電極８１２の幅は分離溝８２の幅と同一の５０μｍとしてある。このようなセンサ素子８は縦横３０ｍｍの正方形状となっている。
【００１３】
上記センサ素子を使用した集光式太陽光発電装置の一例を図２に示す。図２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。
【００１４】
上記架台１の上端には図３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３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。
【００１５】
上述したセンサ素子８を収納した太陽追尾センサ４３は支持枠４Ａに設けてあり、ピンホール４３１を設けたセンサ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。太陽追尾センサ４３内に収納されたセンサ素子８は図５に示すように、センサ部Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈが接する受光面８３の中心Ｘがピンホール４３１と同軸上で対向するように配置されており、ピンホール４３１により形成された太陽スポット光が受光面８３上に入射する。
【００１６】
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２）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。
【００１７】
図４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。
【００１８】
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２）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。
【００１９】
図６には駆動制御部の構成を示す。センサ素子８のセンサ部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力信号は信号処理回路ＳＰ１に入力している。信号処理回路ＳＰ１は、増幅器６１Ａ〜６１Ｄ、演算器６２Ａ〜６２Ｃ、ノイズ除去フィルタ６３Ａ〜６３Ｃ、Ａ／Ｄ変換器６４Ａ〜６４Ｃ、ＣＰＵ６６からの信号で閾値が変更されるコンパレータ６５より構成されている。センサ部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを組として、各センサ部Ａ〜Ｄの発電出力はそれぞれ増幅器６１Ａ〜６１Ｄに入力して増幅され、増幅信号はそれぞれ第１〜第３演算器６２Ａ〜６２Ｃに入力している。第１演算器６２Ａではセンサ部Ａ〜Ｄの全ての増幅信号が加算される。第２演算器６２Ｂではセンサ部Ｃ，Ｄの増幅信号の和とセンサ部Ａ，Ｂの増幅信号の和の比が算出される。第３演算器６２Ｃではセンサ部Ａ，Ｃの増幅信号の和とセンサ部Ｂ，Ｄの増幅信号の和の比が算出される。
【００２０】
第１演算器６２Ａの出力はノイズ除去フィルタ６３Ａを通過後、Ａ／Ｄ変換器６４Ａでデジタル信号に変換され、コンパレータ６５に入力する。コンパレータ６５の比較出力はＣＰＵ６６の入力端子Ｉ１に入力している。第２，第３演算器６２Ｂ，６２Ｃの出力はノイズ除去フィルタ６３Ｂ，６３Ｃを通過後、Ａ／Ｄ変換器６４Ｂ，６４Ｃでデジタル信号に変換されてそれぞれＣＰＵ６６の入力端子Ｉ２，Ｉ３に入力している。
【００２１】
同様の構成の信号処理回路ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５がさらに設けられて、各信号回路ＳＰ２〜ＳＰ５にはそれぞれ、センサ部Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの組、センサ部Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの組、センサ部Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊの組、およびセンサ部Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌの組の発電出力が入力しており、上記入力端子Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３へ出力される信号と同様の信号が各信号処理回路ＳＰ２〜ＳＰ５からそれぞれ入力端子Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６、入力端子Ｉ７，Ｉ８，Ｉ９、入力端子Ｉ１０，Ｉ１１，Ｉ１２および入力端子Ｉ１３，Ｉ１４，Ｉ１５に入力している。なお、各信号処理回路ＳＰ１〜ＳＰ５において、増幅器６１Ａ〜６１Ｄの各増幅信号をデジタル信号に変換してこれらを直接ＣＰＵ６６に入力させ、アナログ演算器６２Ａ〜６２Ｃでの演算をＣＰＵ６６内で行うようにしても良い。
【００２２】
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Ｉ１６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Ｉ１７に入力している。
【００２３】
図７にはＣＰＵ６６における処理手順を示す。図７において、ステップ１０１では年月日時と装置の設置位置（緯度、経度）より太陽位置を計算する。計算の結果、太陽高度が発電可能な１５°以上になっていれば（ステップ１０２）、季節等によって異なる閾値を設定してこれを各信号処理回路ＳＰ１〜ＳＰ５のコンパレータ６５（図６）へ出力する（ステップ１０３）。ステップ１０４では、ステップ１０１で計算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１０５では、上記計算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、センサ素子８の受光面８３（図５）上のいずれかに、ピンホール４３１により形成された太陽スポット光が入射する。
【００２４】
ステップ１０６では、各組のセンサ部Ａ〜Ｌの出力信号の大きさが閾値を越えたか否かを入力端子Ｉ１，Ｉ４，Ｉ７，Ｉ１０，Ｉ１３に入力するコンパレータ６５の比較出力より判定し、これら比較出力が一つでも閾値を越えていれば太陽スポット光が受光面８３上のいずれかに入射しているものとして以下のステップに進む。ステップ１０７では、比較出力が閾値を越えている組のセンサ部Ａ〜Ｌについて、入力端子Ｉ３，Ｉ６，Ｉ９，Ｉ１２，Ｉ１５のいずれかに入力する信号を参照しつつ、入射する太陽スポット光がセンサ素子８のセンサ部Ａ，Ｃとセンサ部Ｂ，Ｄの境界、センサ部Ｃ，Ｅとセンサ部Ｄ，Ｆの境界、センサ部Ｅ，Ｇとセンサ部Ｆ，Ｈの境界、センサ部Ｇ，Ｉとセンサ部Ｈ，Ｊの境界、ないしセンサ部Ｉ，Ｋとセンサ部Ｊ，Ｌ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。
【００２５】
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１０８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、太陽スポット光がセンサ素子８の受光面中心Ｘ（図１）よりも左側（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１０９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が受光面中心Ｘ、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、上記中心Ｘを右側（西側）へ越えてから計時を開始する。そして、例えば１分（６０秒）経過した後に駆動モータ５３を１秒間作動させて、太陽スポット光が中心Ｘを越えて再び左側へ戻るように太陽電池パネル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が中心Ｘに至る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、太陽スポット光が中心Ｘから右側へ移動して１分経過した後に、駆動モータ５３を今度は１．１４秒間作動させて、太陽スポット光が中心Ｘを再び左側へ越え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。
【００２６】
１（秒）×２（分）／（１（分）＋４５／６０（分））＝１．１４（秒）…（１）
【００２７】
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、太陽スポット光が常に中心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。
【００２８】
本実施形態によれば、太陽追尾センサ４３のセンサ素子８を太陽電池で構成したから、コストアップを招くことなくその受光面８３を縦横３０ｍｍと十分大きくすることができる。また、縦横３０ｍｍの上記センサ素子８の受光面中心Ｘに対して例えば２６ｍｍ離れた所にピンホ―ル４３１を位置させれば、この場合の太陽追尾センサ４３のダイナミックレンジは＋−ｔａｎ−１（１５／２６）＝＋−３０°と十分大きくできる。この結果、センサ素子８の受光面８３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を入射させるための、図７のステップ１０４，１０５で説明したロータリエンコーダ６７Ａ，６７Ｂによる天頂角と方位角の初期追尾において、これらロータリエンコーダ６７Ａ，６７Ｂとして、分解能の低い例えば回転型ポテンショメータを使用することが可能となり、コストの低減を図ることができる。
【００２９】
上記実施形態では、センサ素子８の枝電極８１２の幅を分離溝８２の幅と同一にしたから、太陽スポット光が枝電極８１２ないし分離溝８２の何れにかかっても遮光率は同じになり、太陽スポット光の位置検出精度が向上する。また、一列を共通にした隣接する２行２列のセンサ部Ａ〜Ｌを組にして、比較的小面積の各組に入射する太陽スポット光の位置を信号処理回路ＳＰ１〜ＳＰ５で検出しているから、背景光ノイズの影響を受けにくいという効果がある。
【００３０】
（第２実施形態）
図８には太陽追尾センサの他の例を示す。図８においては、透明ガラス円柱９１の一方の端面９１１にアルミを蒸着して遮光するとともに、端面９１１中心の小径の円形領域を非蒸着として太陽光が透過できるピンホ―ル４３１としてある。そしてガラス円柱９１の他方の端面９１２に上記第１実施形態と同様のセンサ素子８が受光面をピンホ―ル４３１に向けて接合してある。このような構造によると、図９に示すように、太陽光Ｌが端面９１１に大きな入射角で入射しても、ガラス円柱９１での屈折によって太陽スポット光Ｌ１はセンサ素子８の受光面８３には小さな入射角で入射させられる。この結果、受光面８３での反射損失がガラス円柱９１を設けない場合（図中鎖線）に比して低減し、太陽スポット光の位置検出のリニアリティが向上する。
【００３１】
（第３実施形態）
図１０には、太陽スポット光の位置検出のリニアリティを向上させるセンサ素子の他の構造を示す。本実施形態では各センサ部（図１０にはセンサ部Ａを示す）の枝電極８１２の幅を幹電極８１１に向けて漸次小さくしてある。これにより、太陽スポット光が大きな角度で入射するためにスポット径が小さくかつ受光面８３での反射損失が大きい幹電極８１１に近い領域で、枝電極８１２の幅が小さくなっているから受光面の露出面積が増えて遮光率が小さくなり、この結果、光入射量が受光面８３上で均一になって太陽スポット光の位置検出のリニアリティが向上する。
【００３２】
（第４実施形態）
図１１には、太陽スポット光の位置検出のリニアリティを向上させるさらに他の太陽追尾センサを示す。本実施形態ではセンサ素子として、可撓性のあるフィルム基板型太陽電池を使用する。そして太陽追尾センサとして天頂角用（図１１（１））と方位角用（図１１（２））を設け、天頂角用太陽追尾センサではセンサ素子９２を、ピンホール４３１を中心として上下方向へ円弧上に湾曲させる。一方、方位角用太陽追尾センサではセンサ素子９３を、ピンホール４３１を中心として左右方向へ円弧状に湾曲させる。これにより、ピンホール４３１に対する太陽光の入射角が変化しても、太陽スポット光はセンサ素子９２，９３の受光面に対して常にほぼ垂直に入射するから、太陽スポット光の位置検出のリニアリティを向上させることができる。
【００３３】
なお、太陽スポット光の位置検出のリニアリティをさらに向上させるために第２〜第４実施形態の構成を組み合わせても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の太陽追尾センサは、それ自身が安価であるとともに、十分な面積の受光面を有しているから、ロータリエンコーダとして分解能の低い安価なものを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、太陽追尾センサのセンサ素子の平面図である。
【図２】太陽追尾センサを設けた集光式太陽光発電装置の装置本体の側面図である。
【図３】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４】集光式太陽光発電装置の軸受け機構の斜視図である。
【図５】太陽追尾センサの概念的斜視図である。
【図６】集光式太陽光発電装置の駆動制御部のブロック構成図である。
【図７】ＣＰＵにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態における、太陽追尾センサの斜視図である。
【図９】太陽追尾センサの概念的断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態における、太陽追尾センサのセンサ素子のセンサ部平面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態における、太陽追尾センサの概念的斜視図である。
【符号の説明】
４３…太陽追尾センサ、４３１…ピンホール、８…センサ素子、８１２…枝電極、８３…受光面、９１…ガラス円柱、９２，９３…センサ素子、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ…センサ部。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solar tracking sensor used for causing a solar cell panel to follow the direction of a moving sun in a concentrating solar power generation device, and to an improvement in the structure of the sensor element.
[0002]
[Prior art]
As a sensor element of the sun tracking sensor, for example, a split type photodiode for surface mounting (such as S5870 manufactured by Hamamatsu Photonics KK) can be used. This is one in which a rectangular light receiving surface of a photodiode is divided into four light receiving portions having an equal area by a cross separating groove. When this is used as the sensor element, the light receiving surface is moved in the same direction as the panel surface of the solar cell panel and integrally therewith, so that the sun spot light formed by a pinhole or the like is received by the light receiving surface. It is incident on the surface. Then, by controlling the attitude of the solar cell panel so that the sun spot light is always incident on the center of the light receiving surface and the output signals of the respective light receiving sections are equal, the direction of the solar cell panel follows the moving sun. Can be.
[0003]
[Non-Patent Document 1] Hamamatsu Photonics Catalog No. KPIN1012J02
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that a sensor element using the above-mentioned split type photodiode is relatively expensive. In particular, toward the calculated sun position, the position of the solar cell panel, receiving the feedback signal from the rotary encoder, when initially tracking so that the sun spot light is incident on the light receiving surface, the light receiving surface is possible There is a demand to reduce the resolution load of the rotary encoder by making it as large as possible, but in the case of a split type photodiode, the size of the light receiving surface is about 10 mm in length and width, and securing a sufficiently large light receiving surface is cost and manufacturing. Difficult due to problems.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a sensor element of a sun tracking sensor which is inexpensive and has a light receiving surface with a sufficient area, and a sun tracking sensor using the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the sensor units (AL) made of solar cells are arranged in two rows and in a plurality of columns so as to be adjacent to each other on the same surface. The sun spot light is made incident on the light receiving surface (83), and the incident position of the sun spot light is detected from the power generation output of each of the sensor units (A to L). In the first aspect of the present invention, since the sensor element is formed of a solar cell, the light receiving surface thereof can be made sufficiently large without increasing the cost. Thus, in the initial sun tracking by the rotary encoder for causing the sun spot light to be incident on the light receiving surface, it is possible to use a rotary encoder having a low resolution, thereby reducing the cost.
[0007]
In the second aspect of the present invention, the sensor units (AL) made of solar cells are arranged adjacently on the same surface in two or more rows of three or more columns, and the light receiving surfaces (83) of these sensor units (AL) are arranged. ), A solar spotlight is made incident thereon, and adjacent two rows and two columns of sensor units (A to L) having one common line are set as a set, and the incident position of the solar spotlight is detected from the power generation output of each set. I do. In the second aspect of the present invention, since the position of the sun spot light incident on each set having a relatively small area is detected, the position is hardly affected by the background light noise. In addition, since the adjacent two rows and two columns of sensor units having a common column are grouped, the accuracy of detecting the position of the sun spot light is improved.
[0008]
In the third aspect of the present invention, a large number of electrodes (812) are formed on the light receiving surface (83) of each of the sensor units (AL) in parallel at equal intervals, and the width of the electrode is adjusted to the light receiving surface (83). It decreases as the incident angle of the spot light increases. In the third aspect of the present invention, since the sun spot light is incident at a large angle, the electrode width is reduced in an area where the spot diameter is small and the reflection loss on the light receiving surface is large. Goes down. As a result, the light incident amount of the spot light becomes uniform on the light receiving surface, and the linearity of the position detection of the sun spot light is improved.
[0009]
In the fourth invention, a transparent glass layer (91) is provided between the sensor element (8) according to any one of the first invention to the third invention and the pinhole (431) forming the sun spot light. Intervene. In the fourth aspect of the present invention, even when sunlight enters the pinhole at a large incident angle, refraction at the glass layer allows the sun spot light to enter the light receiving surface of the sensor element at a small incident angle. Is reduced, and the linearity of the position detection of the sun spot light is improved.
[0010]
In the fifth invention, the sensor element (92, 93) according to any of the first invention to the third invention is constituted by a flexible film substrate type solar cell, and the sensor element (92, 93) is provided. ) Are curved in an arc around the pinhole (431) forming the sun spot light. In the fifth aspect of the present invention, even if the incident angle of sunlight with respect to the pinhole changes, the solar spot light always enters almost perpendicularly to the light receiving surface of the sensor element. Can be improved.
[0011]
In addition, the code | symbol in the said parenthesis shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a plan view of a sensor element of the sun tracking sensor. The sensor element 8 is constituted by a solar cell. That is, a PN junction film such as amorphous silicon is formed on a stainless steel substrate (not shown) serving as a lower electrode, and an upper electrode 81 is formed thereon. In the present embodiment, the PN junction film and the upper electrode 81 constituting the solar cell are separated from each other by a separation groove 82 having a width of 50 μm, and the light receiving surface 83 is divided into 12 sensor units A to L in 2 rows and 6 columns. ing. Each of the sensor portions A to L is a vertically long rectangle, and the upper surface electrode 81 has a wide stem electrode 811 along one edge and a large number of parallel extending from the stem electrode 811 on the light receiving surface 83 in each of the sensor portions AL. Are formed from the narrow width branch electrodes 812. Note that the width of the branch electrode 812 is set to 50 μm, which is the same as the width of the separation groove 82. Such a sensor element 8 has a square shape of 30 mm in length and width.
[0013]
FIG. 2 shows an example of a concentrating solar power generation device using the above sensor element. In FIG. 2, the apparatus main body includes four concentrating solar cell panels 2A to 2D, and these solar cell panels 2A to 2D are supported by a gantry 1 erected on a substrate P mounted on the ground. . Each of the solar cell panels 2A to 2D is a rectangular box, and is supported by the gantry 1 on the same plane so that the whole is substantially rectangular. Each of the solar cell panels 2A to 2D is constituted by a plurality of solar cell modules 21. Each of the solar cell modules 21 has a rectangular converging Fresnel lens 211 on the surface thereof, and a solar cell at a lens focal position inside. (Not shown).
[0014]
A bearing mechanism 3 is provided at the upper end of the gantry 1 as shown in FIG. The bearing mechanism 3 has a substantially U-shaped bearing piece 31 provided at an angle, and a bearing block 32 is located in the inner space of the bearing piece 31. Shafts 33 (only one is shown) protruding from both side surfaces of the bearing block 32 are rotatably supported on both side walls 311 of the bearing piece 31, and the bearing block 32 is orthogonal to the shaft body 33. The shaft body 34 is rotatably supported by penetrating in the direction. Support frames 4A and 4B (only one is shown in FIG. 3) are attached to both ends of the shaft body 34, respectively. The support frame 4A is a triangular frame, and a cylindrical sheath 41 provided at the center of the long side thereof is fitted to the shaft 34. The support frames 4A and 4B are further divided into two triangular regions by a partition frame 42, and solar cell panels 2A and 2B and 2C and 2D are respectively mounted thereon.
[0015]
The sun tracking sensor 43 containing the above-described sensor element 8 is provided on the support frame 4A, and the front surface of the sensor provided with the pinhole 431 faces in the same direction as the panel surfaces of the solar cell panels 2A to 2D. As shown in FIG. 5, the sensor element 8 housed in the sun tracking sensor 43 is arranged such that the center X of the light receiving surface 83 where the sensor units E, F, G, and H come in contact with the pinhole 431 coaxially. The sun spot light formed by the pinhole 431 is incident on the light receiving surface 83.
[0016]
The inclination of the shaft body 33 is adjusted according to the latitude of the place where the gantry 1 is installed, and the rotation axis in the azimuth direction of the solar cell panels 2A to 2D that are supported and rotated by the shaft body 33 as described later is adjusted. It is designed to be almost parallel to the Earth's rotation axis. A drive shaft 5 having flexible joints 51, 52 (FIG. 2) at both ends is connected to the shaft 33 via the joint 51. The other end of the drive shaft 5 is connected via the flexible joint 52. And is connected to an output shaft 531 of the drive motor 53. The drive motor 53 is supported on a gantry 54 provided on the substrate P. The tilt adjustment of the shaft 33 to make it parallel to the earth's rotation axis can be performed optically using a gimbal mirror or the like attached to the end of the shaft 33 with the drive shaft 5 removed. Can be done with precision.
[0017]
FIG. 4 shows details of the bearing mechanism 3. A drive motor 55 is provided on the bearing block 32, and an output shaft of the drive motor 55 is connected to a circular gear 57 by a worm gear 56 provided thereon. The driving force of the driving motor 55 is transmitted to a large-diameter circular gear 59 fixed to the outer periphery of the shaft body 34 via a circular gear 58 coaxial with the circular gear 57.
[0018]
With such a structure, by driving the drive motor 55 to rotate the solar cell panels 2A to 2D around the shaft 34, the zenith angle of the normal to the panel surface (hereinafter simply referred to as the zenith of the solar cell panel) Angle can be independently changed, and by driving the drive motor 53 to rotate the solar cell panels 2A to 2D around the shaft 33, the azimuth of the normal to the panel surface (hereinafter referred to as the , Simply referred to as the azimuth of the solar cell panel). The substrate P (FIG. 2) is set so that the rotation axis of the shaft 33 is parallel to the earth rotation axis. The rotation angles of the shaft bodies 33 and 34 are detected by a rotary encoder (not shown) attached thereto.
[0019]
FIG. 6 shows the configuration of the drive control unit. Output signals of the sensor units A, B, C, and D of the sensor element 8 are input to the signal processing circuit SP1. The signal processing circuit SP1 includes amplifiers 61A to 61D, arithmetic units 62A to 62C, noise removal filters 63A to 63C, A / D converters 64A to 64C, and a comparator 65 whose threshold is changed by a signal from the CPU 66. . As a set of the sensor units A, B, C, and D, the power output of each of the sensor units A to D is input to and amplified by the amplifiers 61A to 61D, and the amplified signals are respectively sent to the first to third computing units 62A to 62C. You are typing. In the first computing unit 62A, all the amplified signals of the sensor units A to D are added. The second computing unit 62B calculates the ratio of the sum of the amplified signals of the sensor units C and D and the sum of the amplified signals of the sensor units A and B. The third calculator 62C calculates the ratio of the sum of the amplified signals of the sensor units A and C and the sum of the amplified signals of the sensor units B and D.
[0020]
The output of the first computing unit 62A passes through the noise removal filter 63A, is converted into a digital signal by the A / D converter 64A, and is input to the comparator 65. The comparison output of the comparator 65 is input to the input terminal I1 of the CPU 66. The outputs of the second and third arithmetic units 62B and 62C pass through the noise removal filters 63B and 63C, are converted into digital signals by A / D converters 64B and 64C, and input to the input terminals I2 and I3 of the CPU 66, respectively. I have.
[0021]
Signal processing circuits SP2, SP3, SP4, and SP5 having the same configuration are further provided. Each of the signal circuits SP2 to SP5 has a set of sensor units C, D, E, and F, and sensor units E, F, G, and A signal output to the input terminals I1, I2 and I3 to which a set of H, a set of sensors G, H, I and J and a set of sensors I, J, K and L are input. Are input to the input terminals I4, I5, I6, the input terminals I7, I8, I9, the input terminals I10, I11, I12 and the input terminals I13, I14, I15 from the respective signal processing circuits SP2 to SP5. . In each of the signal processing circuits SP1 to SP5, each amplified signal of the amplifiers 61A to 61D is converted into a digital signal, and these are directly input to the CPU 66 so that the arithmetic operation by the analog arithmetic units 62A to 62C is performed in the CPU 66. May be.
[0022]
The drive motors 53 and 55 are connected to relay circuits 68A and 68B for performing forward and reverse rotations thereof, respectively. Motor forward and reverse rotation command signals are output from the output terminals O1 and O2 of the CPU 66 to the relay circuits 68A and 68B. . The output signal of the rotary encoder 67A that detects the rotation angle (azimuth) of the shaft 33 (FIG. 3) is input to the input terminal I16 of the CPU 66. The output signal of the rotary encoder 67B that detects the rotation angle (zenith angle) of the shaft body 34 is input to the input terminal I17 of the CPU 66.
[0023]
FIG. 7 shows a processing procedure in the CPU 66. In FIG. 7, in step 101, the sun position is calculated from the date and time and the installation position (latitude, longitude) of the device. As a result of the calculation, if the solar altitude is equal to or higher than 15 ° at which power can be generated (step 102), different threshold values are set according to the season and the like and output to the comparators 65 of the signal processing circuits SP1 to SP5 (FIG. 6). (Step 103). In step 104, based on the sun position calculated in step 101, the drive motor 55 is operated while referring to the feedback signal from the rotary encoder 67B to change the zenith angles of the solar cell panels 2A to 2D at this time. Adjust around the corner. In the following step 105, based on the calculated sun position, the driving motor 53 is operated while referring to the feedback signal from the rotary encoder 67A, and the azimuth of the solar cell panels 2A to 2D is changed to the azimuth of the sun at this time. Adjust to the vicinity. Thus, the sun spot light formed by the pinhole 431 is incident on any of the light receiving surfaces 83 (FIG. 5) of the sensor element 8.
[0024]
In step 106, it is determined from the comparison output of the comparator 65 inputted to the input terminals I1, I4, I7, I10 and I13 whether or not the magnitude of the output signal of each set of sensor units A to L exceeds the threshold value. If at least one of the comparison outputs exceeds the threshold value, it is determined that the sun spot light is incident on any of the light receiving surfaces 83, and the process proceeds to the following steps. In step 107, for the sensor units A to L of the set whose comparison output exceeds the threshold value, the incident sun spot light is detected while referring to the signal input to any of the input terminals I3, I6, I9, I12, and I15. The boundary between the sensor units A and C and the sensor units B and D of the sensor element 8, the boundary between the sensor units C and E and the sensor units D and F, the boundary between the sensor units E and G and the sensor units F and H, the sensor units G and The zenith angle of the solar cell panels 2A to 2D is substantially equal to the zenith angle of the solar cell at this time so as to be located at the boundary between I and the sensor parts H and J or the boundary between the sensor parts I and K and the sensor parts J and L. The drive motor 55 is operated so as to match. When the rotation axis of the shaft body 33 is parallel to the earth's rotation axis, the zenith angle of the sun hardly changes in one day, so that there is no need to operate the drive motor 55 thereafter.
[0025]
On the other hand, the azimuth of the sun changes every moment at a constant angular velocity when viewed from the inclination angle of the shaft body 33, so the following processing is performed. That is, in step 108, azimuth tracking initial processing is performed. This is because the drive motor 53 is operated and the solar cell panels 2A to 2D (sun tracking sensors) until the sun spot light is incident on the left side (east side) of the light receiving surface center X of the sensor element 8 (FIG. 1). 43) is rotated in the azimuth direction. In the azimuth tracking processing of the subsequent step 109, after the sun changes azimuthly, the sun spot light reaches the center X of the light receiving surface, that is, the point where the azimuth of the solar cell panels 2A to 2D coincides with the azimuth of the sun. After the center X is moved to the right side (west side), time measurement is started. Then, for example, after a lapse of one minute (60 seconds), the drive motor 53 is operated for one second, and the solar cell panels 2A to 2D are rotated so that the sun spot light passes over the center X and returns to the left again. After that, the time until the sun spot light reaches the center X again by the movement of the sun is measured. Assume that this is, for example, 45 seconds. The clocking is further continued, and after one minute elapses after the sun spot light moves to the right from the center X, the drive motor 53 is operated this time for 1.14 seconds so that the sun spot light crosses the center X to the left again. Then, the solar cell panels 2A to 2D are rotated. Note that 1.14 seconds is calculated by the following equation (1).
[0026]
1 (second) × 2 (minute) / (1 (minute) +45/60 (minute)) = 1.14 (second) (1)
[0027]
Thus, even if the load of the drive motor 53 fluctuates, the sun spotlight always follows the sun whose direction changes every moment, and is always equidistant to the left and right of the center X (the distance that the sun spotlight moves in one minute as the sun moves). Azimuth angles of the solar cell panels 2A to 2D are intermittently changed so as to track the sun.
[0028]
According to the present embodiment, since the sensor element 8 of the sun tracking sensor 43 is formed of a solar cell, the light receiving surface 83 can be made sufficiently large, that is, 30 mm in length and width without increasing the cost. Further, if the pinhole 431 is located at a position 26 mm away from the center X of the light receiving surface of the sensor element 8 of 30 mm in length and width, the dynamic range of the sun tracking sensor 43 in this case is + -tan-1 ( 15/26) = +-30 °. As a result, the zenith angles of the rotary encoders 67A and 67B described in Steps 104 and 105 of FIG. 7 for making the sun spot light formed by the pinhole 431 incident on any of the light receiving surfaces 83 of the sensor element 8 are determined. In the initial tracking of the azimuth, it is possible to use, for example, a rotary potentiometer having a low resolution as the rotary encoders 67A and 67B, thereby reducing the cost.
[0029]
In the above embodiment, since the width of the branch electrode 812 of the sensor element 8 is made equal to the width of the separation groove 82, the light blocking rate becomes the same regardless of whether the sun spot light is applied to any of the branch electrode 812 and the separation groove 82, The accuracy of detecting the position of the sun spot light is improved. In addition, the signal processing circuits SP1 to SP5 detect the positions of the sun spot light incident on each set having a relatively small area by forming the sensor units A to L of two rows and two columns adjacent to each other with one column in common. Therefore, there is an effect that the apparatus is hardly affected by the background light noise.
[0030]
(2nd Embodiment)
FIG. 8 shows another example of the sun tracking sensor. In FIG. 8, aluminum is vapor-deposited on one end surface 911 of the transparent glass cylinder 91 to shield light, and a small-diameter circular region at the center of the end surface 911 is non-evaporated as a pinhole 431 through which sunlight can pass. A sensor element 8 similar to that of the first embodiment is joined to the other end surface 912 of the glass cylinder 91 with the light receiving surface facing the pinhole 431. According to such a structure, as shown in FIG. 9, even when sunlight L enters the end face 911 at a large incident angle, the sun spot light L1 is refracted by the glass cylinder 91 and is incident on the light receiving surface 83 of the sensor element 8. Are incident at a small angle of incidence. As a result, the reflection loss at the light receiving surface 83 is reduced as compared with the case where the glass cylinder 91 is not provided (the chain line in the figure), and the linearity of the position detection of the sun spot light is improved.
[0031]
(Third embodiment)
FIG. 10 shows another structure of the sensor element for improving the linearity of the position detection of the sun spot light. In the present embodiment, the width of the branch electrode 812 of each sensor unit (the sensor unit A is shown in FIG. 10) is gradually reduced toward the main electrode 811. As a result, the width of the branch electrode 812 is small in a region close to the main electrode 811 where the spot diameter is small and the reflection loss at the light receiving surface 83 is large because the sun spot light is incident at a large angle. As the exposed area increases, the light blocking ratio decreases, and as a result, the amount of incident light becomes uniform on the light receiving surface 83, and the linearity of position detection of the sun spot light improves.
[0032]
(Fourth embodiment)
FIG. 11 shows still another sun tracking sensor that improves the linearity of position detection of the sun spot light. In this embodiment, a flexible film substrate type solar cell is used as the sensor element. The zenith angle sensor (FIG. 11 (1)) and the azimuth angle sensor (FIG. 11 (2)) are provided as sun tracking sensors. In the zenith angle sun tracking sensor, the sensor element 92 is arranged in the vertical direction about the pinhole 431. Curve on an arc. On the other hand, in the azimuth angle sun tracking sensor, the sensor element 93 is curved in an arc shape in the left-right direction about the pinhole 431. Thus, even if the incident angle of sunlight with respect to the pinhole 431 changes, the sun spot light always enters the light receiving surfaces of the sensor elements 92 and 93 almost perpendicularly, so that the linearity of the position detection of the sun spot light is improved. Can be improved.
[0033]
The configurations of the second to fourth embodiments may be combined to further improve the linearity of position detection of the sun spot light.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the sun tracking sensor of the present invention is inexpensive and has a light-receiving surface with a sufficient area, so that an inexpensive rotary encoder with low resolution can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a sensor element of a sun tracking sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of a device main body of a concentrating solar power generation device provided with a sun tracking sensor.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the concentrating solar power generation device.
FIG. 4 is a perspective view of a bearing mechanism of the concentrating solar power generation device.
FIG. 5 is a conceptual perspective view of a sun tracking sensor.
FIG. 6 is a block diagram of a drive control unit of the concentrating solar power generation device.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a processing procedure in a CPU.
FIG. 8 is a perspective view of a sun tracking sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a conceptual sectional view of a sun tracking sensor.
FIG. 10 is a sensor unit plan view of a sensor element of a sun tracking sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a conceptual perspective view of a sun tracking sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
43: sun tracking sensor, 431: pinhole, 8: sensor element, 812: branch electrode, 83: light receiving surface, 91: glass cylinder, 92, 93: sensor element, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L: Sensor unit.
