JP2005251865A - 太陽光自動追従装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の発電効率を向上させるため、太陽電池パネルの受光面の仰角および東西方向の方位角を太陽に追従でき、かつ、軽量、安価で信頼性のある太陽光自動追従装置を提供する。
【解決手段】太陽電池パネルの仰角は、太陽電池パネルの上端辺を昇降可能な構成として調整し、太陽電池パネルの東西方向の方位角は、太陽電池パネルの上端辺を回転可能な構成として調整するようにし、太陽電池パネルの下端辺は上端辺の調整に自在に追従するようにした。太陽電池パネルの上端辺を昇降させる動力は、ウォーム歯車を使用した減速機を内蔵した昇降台車からなり、スパイラルシャフトを用いて昇降台を上昇、あるいは下降させること、太陽電池パネルの上端部の方位角調整は、前記昇降台に搭載された方位角追従装置により行う。

Description

本発明は太陽光発電における発電効率を上げるために、太陽の軌道に追従して、太陽電池パネル（以下、単にパネルとする）の東西方向の方位角（以下、単に方位角とする）と仰角を調整するようにした太陽光自動追従装置に関するものである。

近年、環境にやさしいエネルギーとして、風力や太陽のエネルギーを利用するシステムの開発が盛んに行われ、高層ビルの屋上にソーラーシステムを設置して、ビル設備の運転電力に供するという方法等が盛んに採用されている。
しかしながら、従来技術であるビルの屋上や家屋の屋根上に定置式としてパネルを固定したものでは、パネルの傾斜角度が１年を通じて常に一定であるため、各一日の時間及び各季節において最大の発電ができず、発電効率が悪いという問題がある。

この問題点を考慮し、パネルの仰角を各季節に適合できるよう調節可能にして、発電効率の向上を図るようにしたパネル角度調節装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この方法では太陽の昇沈が三次元的に約１８０度変わることから、パネルが太陽の昇沈には追従していない。

また、日の出時、日の入り時及び夏至から冬至にかけての四季を通じて、パネル面に対して常に太陽光が垂直に入射される状態となるようなシステムも提案されている（例えば特許文献２参照）。
この方法では、一日の発電効率を増大することが可能であるが、パネルをシリンダーで支持し、シリンダーで角度調整するものであるため、調整される角度は自ずと制約がかかる難があり、また、シリンダーの発錆、漏れなどメンテナンスが大変であるし、装置の組み立てや製造コストが高いといった問題を有している。

特開２００２−３１７５４０号公報 実用新案登録第３０７０６３７号公報

本発明は、太陽光発電におけるパネルの単位面積当たりの受光量を増大させるために、パネルの受光面の仰角を年間を通じて調整するとともに、一日の太陽の昇沈に常に追従することが可能で、かつ、軽量、安価で信頼性のある太陽光自動追従装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を達成するためになされたもので、以下の手段で解決された。
パネルの太陽光自動追従装置であって、パネルを太陽の動きに応じて仰角の調整を行うと共に、方位角の調整を行うようにした。
パネルの仰角は、パネルの上端辺を昇降可能な構成として調整し、パネルの東西方向の方位角は、パネルの上端辺を回転可能な構成として調整するようにし、パネルの下端辺は上端辺の調整に自在に追従するようにしたことを特徴とする。

パネルの上端辺を昇降させる構造は、太陽電池パネルの上端辺に円形の回転フレームを取り付け、設置フレーム上にスライド自在に載置したスライドベース上に立設したスパイラルシャフトと、該スパイラルシャフトとスパイラル噛合するウォーム歯車減速機を内蔵し、ウォーム歯車の回転によりスパイラルシャフトに沿って昇降する昇降台と、該昇降台上に回転自在に支承され、前記回転フレームを支持する支持軸とよりなる仰角追従昇降装置と、設置フレーム上に設置された減速機盤と該減速機盤に取り付けられ、回転駆動されるスパイラルシャフトと、該スパイラルシャフトとスパイラル噛合するスパイラル軸受けを前記スライドベースに固定し、スパイラルシャフトの回転によりスライドベースをスライドさせる仰角追従スライド装置とで昇降を行うようにした。

太陽電池パネルの上端辺を回転させる構成は、前記昇降台に設置され、前記支持軸を回転する回転装置と、該支持軸の先部に装着固定され、支持軸の回転とともに回転する支持体とよりなる方位角追従装置で、該方位角追従装置の支持体に支持された前記回転フレームを回転するようにした。

四季によって変化する太陽の南中角度を、年間を通してその日の角度に追従移動できるように仰角追従スライド装置及び仰角追従昇降装置を調整するシーケンスを有すること、毎日の日の出から日の入りまで太陽の角度を追尾し、日の入りから日の出までに所定の日の出位置までパネルを戻すように、方位角追従装置を作動するシーケンスを有すること、 仰角及び方位角を調整するシーケンスを組み合わせ、現在時刻及び緯度により最適な発電量を得るために、太陽を追尾する仰角追従装置の制御と方位角追従装置の運転時間の制御を年間を通して行うシーケンスを有すること。

また、台風や強風が吹いた場合に、緊急命令によりパネルが夏至の仰角より更に低い位置をとり、解除命令により、現在時刻を判断して最適な仰角及び方位角に戻り、太陽を追尾するシーケンスに戻ること、風力計からの信号により強風を感知して、一定時間強風がなくなると、解除命令を発し、また、現在時刻を判断して、最適な仰角及び方位角に戻って太陽の追尾を行うことをも特徴とする。

パネルの太陽光の受光が最大限になるように太陽を追従することにより、パネルの発電量が向上できる。しかも、装置が小型、軽量のため建物の屋上、屋根などの躯体に負担がかからないので、既存の状態のまま本太陽光自動追従装置を設置することができる。

また、常に太陽を追従する方位角追従用電動機は、回転フレーム及びパネルの重量をカウンターウエイトを用いることによりバランスさせることができる。また、仰角追従用電動機は、１日の作動時間が短いため、ほとんど電力を消費しない。

以下、本発明に関する好適な実施例を添付図面と共に詳細に説明する。図１は本発明による太陽光自動追従装置の一実施例を模式的に説明する側面図であり、図２は同正面図である。図３はスライド装置の減速機盤の正面図、図４は昇降装置の昇降台の平面図であり、図５はスライド装置の減速機の展開図、図６は昇降装置の減速機の展開図である。

図において、１は本太陽光自動追従装置を組立て設置する設置フレームであり、本太陽光自動追従装置は該設置フレーム１によってビル屋上など躯体に固定設置される。２は太陽光を平面で受けるパネル、３はパネル２を固定した円板状の回転フレーム、４は回転フレーム３の中心に通されたフレームシャフトであって、回転フレーム３はフレームシャフト４を軸として回転可能である。

５は設置フレーム１に固定されたステイであり、その頂部には軸受けを有するフラップ６が取り付けられ、該軸受けにフレームシャフト４が回転自在に支承されている。従って、フレームシャフト４は回転、昇降、角度変更が可能であって、後述するパネル２の仰角追従及び方位角追従に当たって変位する動きが自在に許容される。

７は仰角追従スライド装置であって、設置フレーム１上に設置された減速機盤８と駆動モータ９と、減速機盤８に取り付けられ、回転駆動されるスパイラルシャフト１０と、スパイラルシャフト１０とスパイラル噛合するスパイラル軸受け１１を固定して有し、設置フレーム１上に摺動自在に載置されたスライドベース１２とよりなり、モータ９を駆動してスパイラルシャフト１０を回転し、スライドベース１２を前後方向にスライドさせ、仰角の調整の援助を行う。

図５に減速機盤８に設けられた減速機の展開図を示している。ａ、ｂ、ｃ、ｄはピニオンであり、ａはモータ９の軸に装着されている。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは夫々ピニオンａ、ｂ、ｃ、ｄと噛合する歯車である。
Ｅは内歯と外歯を形成した円環歯車であり、内歯で歯車Ｄと噛合している。Ｆは減速機盤８の両下方隅部に支承された円筒状のウォーム歯車であって、外面に外歯が、内面にはスパイラル歯面が形成されており、外歯で円環歯車Ｅと噛合し、内面にはスパイラルシャフト１０がスパイラル噛合して挿入され、キー止めされている。

従って、モータ９を駆動すると、ピニオンａ、ｂ、ｃ、ｄと歯車Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの噛合を介して円環歯車Ｅが回転され、円環歯車Ｅの回転によって両隅のウォーム歯車Ｆが回転され、左右のスパイラルシャフト１０が回転される。
スパイラルシャフト１０はスライドベース１２に固設したスパイラル軸受け１１にスパイラル噛合しているので、スパイラルシャフト１０を回転させると、スライドベース１２は前後方向にスライドされる。

なお、円筒歯車Ｆの内面及びスパイラルシャフト１０の基部にはスパイラル加工を施さず、円筒歯車Ｆの内面にスパイラルシャフト１０の基部を嵌入してキー止めするようにしてもよい。
また、設置ベース１に溝を設け、スライドベース１２のスライドをガイドすることも可能である。
さらに、図３に破線で示すように減速機盤８の上方両隅にも円筒状のウォーム歯車Ｆを装着してもよい。このような構成とすれば、予備のウォーム歯車を備えておくことができる。

１３は仰角追従昇降装置であって、スライドベース１２の四隅に取り付けたスパイラルシャフト１４と該スパイラルシャフト１４とスパイラル噛合するウォーム歯車減速機を内蔵した減速機一体型昇降台１５と、駆動モータ１６と、昇降台１５上に設置した支持フレーム１７と、支持フレーム１７上に設置された軸受けに回転自在に支承された支持軸１８とより構成されている。

支持軸１８の先部には摩擦係数の高いゴム等を用いた円錐状の支持ローラ１９が装着されており、該支持ローラ１９にパネル２の上端辺を固定した回転フレーム３が乗せかけられている。モータ１６を駆動して歯車の噛合により最終的にウォーム歯車を回転して昇降台１５をスパイラルシャフト１４に沿って昇降させ、この上下動により仰角の調整を行う。

図６に昇降台１５に内蔵されたウォーム減速機の展開図を示している。ａ、ｂ、ｃ、ｄはピニオンであり、ａはモータ１６の軸に装着されている。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは夫々ピニオンａ、ｂ、ｃ、ｄと噛合する歯車である。
Ｅは内歯と外歯を形成した円環歯車であって、内歯で歯車Ｄと噛合している。Ｆは昇降台１５の四方隅部に支承された円筒状のウォーム歯車であって、外面に外歯が形成され、内面にはスパイラル歯面が形成されており、外歯で円環歯車Ｅと噛合し、内面がスパイラルシャフト１４とスパイラル噛合して挿入されている。

従って、モータ１６を駆動すると、ピニオンａ、ｂ、ｃ、ｄと歯車Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの噛合により円環歯車Ｅが回転し、円環歯車Ｅの回転によってウォーム歯車Ｆを回転させると、昇降台１５はスパイラルシャフト１４に沿って、自体で昇降することになる。
この構成においては、スパイラルシャフト１４をウォーム歯車Ｆにキー止めせず、スパイラル挿通していることを除けば、前述した減速機盤８の歯車構成と同一である。

また、図示した昇降台１５はダブル幅のものを使用しており、円環歯車Ｅを２個備え、中間歯車Ｇを配置しているが、シングル幅のものを使用すれば前記減速機盤８と全く同一の形状となる。

２０は方位角追従装置であって、昇降台１５上に設置されたモータ２１、減速機２２と、該減速機２２に装着されたスプロケット２３、支持軸１８に装着されたスプロケット２４、スプロケット２３及び２４間に巻回されたチェーン２５による支持軸回転装置と、支持軸１８の先部に装着固定された支持ローラ１９による支持体とで構成されている。

従って、モータ２１を駆動すると、スプロケット２３、２４、チェーン２５によって支持軸１８が回転され、支持ローラ１９が回転される。
支持ローラ１９は左右にある程度の距離を以って２個配置されており、該２個の支持ローラ１９間に、パネル２の上端辺を固定した回転フレーム３が乗せかけられている（図２参照）。

従って、支持ローラ１９を回転すると、回転フレーム３が摩擦により廻され、パネル２は回転フレーム３の中心に設けたフレーム軸４を軸として回動されることになる。つまり、太陽の昇沈に合わせて支持ローラ１９を回転させることによりパネル２を日の出から日の入りまで太陽の軌跡に追従させることができる。
なお、支持体は支持ローラ１９に替えてねじを使用し、回転フレーム３の外周にねじを形成して噛み合わせにより回転フレーム３を回転するようにしてもよい。

図中２６は支持軸１８の後端側に装着したカウンターウエイトであり、支持軸１８にかかるパネル２の荷重とバランスさせている。また、２７は支持軸１８とフレーム軸４とに夫々軸回転自由に装着された、中折れ式のパネル外れ防止板であって、強風時にパネル２が吹き飛ばされるのを防止している。２８はスパイラルシャフト１４の頂部に固定した風力計であって、太陽電池設置場所での風力を検知している。

このように本太陽光自動追従装置は、パネル２の上端辺を昇降、回転可能に支持し、パネル２の下端辺は上端辺の動きに応じて昇降、回転、角度変更自在に支承し、パネル２の仰角及び方位角を太陽に追従させるものである。
そこで、パネル２を、四季によって変化する太陽の南中角度のその日の角度に追従するように、仰角追従スライド装置７及び仰角追従昇降装置１３を年間を通して移動するシーケンスを備え、また、日の出から日の入りまで太陽の方位角を追従し、日の入りから日の出までに所定の位置まで戻るシーケンスを備えることにより年間を通じて効果的な発電が得られる。

さらに、風力計２８からの信号により、強風を感知した時はパネル２を夏至のときの仰角より低い位置にし、強風に対抗する姿勢をとらせ、解除命令により、現在時刻を判断し、最適な仰角及び方位角に戻り太陽を追従するシーケンスに戻るようにし、また、風力計２８からの信号により、強風を感知してから一定時間強風がなくなると、解除命令を出すようにしておけば、安全に運転でき、迅速な発電復帰が可能になる。

仰角追従スライド装置７のモータ９及び仰角追従昇降装置１３のモータ１６は可逆回転電動機９が用いられるが、仰角は年間を通じての変化が緩慢なので手動で行うことも可能である。方位角追従装置２０のモータ２１も同様に、可逆回転電動機が用いられる。
この装置の仰角変更手段は、仰角追従スライド装置７及び仰角追従昇降装置１３を同時に駆動して行われる。即ち、パネル２の俯仰に追従して、回転フレーム３を支持する支持軸１８を前後動させるので、スムーズに仰角が調整できる。
なお、パネル２の低端辺側は下方の回転フレーム３、フレーム軸４によりステイ５のフラップ６に承けられており、前後動、昇降、角度変更自在である。また、フラップ６に代えてボールジョイントを使用することも可能である。

前述した実施形態に示す太陽光自動追従装置では、１パネルを支持する構造について説明したが、仰角追従スライド装置１７のスライドベース１２及び仰角追従昇降装置１３の昇降台１５を長寸のものとして、該昇降台１５上に方位角追従装置２０を複数備え、複数のパネルを支持するようにして共通の設置パネル１上に複数機一体の装置を設置することが可能である。

本発明の装置は、太陽光を遮るようなものがなく、太陽光を有効に受光できる場所に設置することにより、効率よく発電を行うことができる。また、多数機設置することにより大容量発電が可能である。
例えば、浄水場の沈砂池、凝集沈殿池、ろ過池や下水処理場の沈渣池、曝気槽、沈殿槽などの蓋部や上部などは太陽光を受光するのに適している。これらの場所は、広い敷地面積を有し、遮光するものが少ないので、太陽光の受光に適しており、また、それらの設備の敷地を有効活用でき、かつ設備に必要な電力を供給することが可能である。

本発明の一実施形態を模式的に示す側面図である。 同正面図である。 仰角追従スライド装置の減速機盤の正面図である。 仰角追従昇降装置の昇降台の平面図である。 仰角追従スライド装置の減速機の展開図である。 仰角追従昇降装置のウォーム減速機の展開図である。

符号の説明

１ 設置フレーム
２ パネル
３ 回転フレーム
４ フレームシャフト
５ ステイ
６ フラップ
７ 仰角追従スライド装置
８ 減速機盤
９、１６、２１ モータ
１０、１４ スパイラルシャフト
１１ スパイラル軸受け
１２ スライドベース
１３ 仰角追従昇降装置
１５ 昇降台
１７ 支持フレーム
１８ 支持軸
１９ 支持ローラ
２０ 方位角追従装置
２２ 減速機
２３、２４ スプロケット
２５ チェーン
２６ カウンターウエイト
２７ パネル外れ防止板
２８ 風力計

Claims (8)

1. 太陽光を平面で受ける太陽電池パネルを太陽の動きに応じて、仰角の調整を行うと共に、東西方向の方位角を調整し、太陽の動きに追従させる太陽光追従型発電装置において、太陽電池パネルの仰角は、太陽電池パネルの上端辺を昇降可能な構成として調整し、太陽電池パネルの東西方向の方位角は、太陽電池パネルの上端辺を回転可能な構成として調整するようにし、太陽電池パネルの下端辺は上端辺の調整に自在に追従するようにしたことを特徴とする太陽光自動追従装置。
2. 太陽電池パネルの上端辺を昇降させる構成は、太陽電池パネルの上端辺に円形の回転フレームを取り付け、設置フレーム上にスライド自在に載置したスライドベース上に立設したスパイラルシャフトと、該スパイラルシャフトとスパイラル噛合するウォーム歯車減速機を内蔵し、ウォーム歯車の回転によりスパイラルシャフトに沿って昇降する昇降台と、該昇降台上に回転自在に支承され、前記回転フレームを支持する支持軸とよりなる仰角追従昇降装置と、設置フレーム上に設置された減速機盤と、該減速機盤に取り付けられ、回転駆動されるスパイラルシャフトと、該スパイラルシャフトとスパイラル噛合するスパイラル軸受けを前記スライドベースに固定し、スパイラルシャフトの回転によりスライドベースをスライドさせる仰角追従スライド装置とで昇降を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の太陽光自動追従装置。
3. 太陽電池パネルの上端辺を回転させる構成は、前記昇降台に設置され、前記支持軸を回転する回転装置と、該支持軸の先部に装着固定され、支持軸の回転とともに回転する支持体とよりなる方位角追従装置で、該方位角追従装置の支持体に支持された前記回転フレームを回転するようにしたことを特徴とする請求項１記載の太陽光自動追従装置。
4. 前記支持軸と前記回転フレームのフレーム軸とに夫々軸回転自由に装着された、中折れ式の太陽電池パネル外れ防止板を用いて、強風時等に太陽電池パネルが吹き飛ばされるのを防止することを特徴とする請求項１記載の太陽光自動追従装置。
5. 四季によって変化する太陽の南中角度のその日の角度に追従するように、仰角追従スライド装置および仰角追従昇降装置を年間を通して移動するシーケンスを備えることを特徴とする請求項１および請求項２記載の太陽光自動追従装置。
6. 日の出から日の入りまで太陽の東西方向の方位角を追従し、日の入りから日の出までに所定の位置まで太陽電池パネルが戻るシーケンスを備えることを特徴とする請求項１および請求項３記載の太陽光自動追従装置。
7. 台風や強風時に、緊急命令により太陽電池パネルが夏至の仰角より更に低い位置をとり、また、解除命令により、現在時刻を判断して最適な仰角及び東西方向の方位角に戻り、太陽を追尾するシーケンスに戻ることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３記載の太陽光自動追従装置。
8. 解除命令は風力計からの信号により強風を感知して、一定時間強風がなくなった時点で発し、また、現在時刻を判断して、最適な仰角及び東西方向の方位角に戻って太陽の追尾を行うことを特徴とする請求項７記載の太陽光自動追従装置。

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