JP2005294315A - ハイブリッド発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然エネルギのみを利用して太陽光発電効率を高めることができるハイブリッド発電装置を提供する。
【解決手段】 風力発電機；支柱１の周りに摺動自在に装着された保持部から伸びた腕部材７の先端に取り付けられた太陽電池セル１０；太陽電池セル１０及び風力発電機からの給電により充電されるバッテリー；太陽電池セル１０又は風力発電機からの発電電力により作動され、腕部材７を水平方向で回動させモータ９を含んでなるハイブリッド発電装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池セルと風力発電を併用したハイブリッド発電装置に関するものである。

特許文献１（特開昭６１−３０９２０号公報）によると、離島や僻地などで行なわれているディーゼル発電系統にセルバック電力を供給する電源として風力発電や太陽電池等の自然エネルギが利用されており、自然エネルギを一旦バッテリーに充電した後にインバーターを経由してディーゼル発電系統に供給することが述べられている。この特許文献ではバッテリーの充電状態に応じてインバーターの動作を駆動又は停止することを提案している。

太陽電池セルの発電効率を高めるために、太陽電池発電装置に太陽追跡機能を付与することは幾つかの特許文献で提案されている。
特許文献２（特開平６−３０１４２０号公報）によると、太陽電池セルを駆動する動力源は太陽熱で膨張する液体であり、受熱槽に溜められた該液体の膨張をピストンロッドを介して、一辺が南北に伸びる回動軸に支持されたソーラーパネルに伝えている。

特許文献３（特開２００３−１２４４９５号公報）は各月、各時刻における太陽の位置及び太陽光入射角度を記憶装置に入力し、この記憶装置からの出力によって、太陽光と太陽電池パネルが略直交するように太陽電池パネルを駆動することを提案している。駆動機構としてはブラケット、シリンダ、連結棒を用いて太陽電池パネルの四隅を変位させるものであり、駆動エネルギ源としてはモーターが挙げられている。

特許文献４（特許第３０１９２５８号公報）によると、太陽光発電の電力を蓄える二次電池システムにおいて、夜間や雨天時の充電時間を引き延ばす充電法が提案されている。

特許文献２で提案された熱膨張液体を駆動源として利用する方法では、太陽光の照射時には太陽電池セルを回動軸の周りに回動させることができるが、曇天時には回動が困難になる。さらに、太陽電池セルは日の出から日没に伴って回動するが、回動箇所が回動軸とピストンロッドの取り付け部の二箇所であるために、円滑な摺動を長期に亘って維持することは困難である。さらに、これらの回動箇所が外気に露出されているために、雨水により腐食などが起こるおそれがある。

特許文献３で提案された太陽追跡方法によると、各月・各時刻に対応して連続的にかつ二次元的に太陽電池パネルを変位させるために制御が複雑になる。また、モーターにより太陽電池パネルを駆動するので、太陽電池パネルの設置箇所はモーター駆動電力は通常の商業電源に近いところとなり、建物の屋根などに限られる。また、太陽電池パネル駆動のための摺動箇所はブラケット、シリンダ、連結棒の各連結箇所となり、しかも四隅に連結箇所があるために、回動が起こる箇所が非常に多くなって、円滑な回動を長期に亘って維持することは困難である。
特開昭６１−３０９２０号公報 特開平６−３０１４２０号公報 特開２００３−１２４４９５号公報 特許第３０１９２４８号公報

本発明は、自然エネルギのみを利用して太陽光発電効率を高めることができるハイブリッド発電装置を提供することを目的とし、国際空港の照明設備について実地実験を行なった結果完成したものであって、太陽電池セル及び風力発電機を含んでなるハイブリッド発電装置において、支柱の周りに摺動自在に装着された保持部から伸びた腕部材部の先端に取り付けられた前記太陽電池セルと、太陽電池セル及び風力発電機からの給電により充電されるバッテリーと、太陽電池セル又は風力発電機からの発電電力により作動され、前記腕部材を実質的に水平方向で回動させるモーターとをさらに含んでなることを特徴とする。

本発明におけるハイブリッド発電装置では、太陽の運動軌跡と同期して太陽電池セルを回動させるための電力を太陽光発電及び風力発電より得ているために、何れかの自然エネルギが不充分な場合でも、他方のエネルギにより太陽電池セルを同期回動させることができる。特に、曇天で風がある天候でも太陽電池セルの同期回動が可能であり、安定して高い発電効率を得ることができる。さらに、商業電源からの給電が必要でなく自己発電により、同期回動が可能になるために、家屋以外の場所での使用に適しており、また災害の場合にも発電ができる。

上記した太陽光発電及び/又は風力発電により得られた電力のうち照明などの本来の目的を実現した、余分電力を一旦バッテリーに貯め、インバーターにより変換された直流又は交流によりモーターを駆動すると安定して、太陽電池を同期回動させることができる。なお、バッテリーの容量は無風・無光の天候でも最大発電効率が得られるように無風・無光の時間を考慮して定められる。

さらに、太陽電池セル及び風力発電機からの給電電力がモーターを駆動させるのに不十分であることを検知して、バッテリーからモーターへの通電を開始すると、バッテリーの電力を有効に利用することができる。通常夜間は風があるので、風力発電によりバッテリーに充電が行なわれており、時間が経過して日の出の時間に曇天であり、無風状態であることは稀ではない。この状況では、太陽電池セル及び風力発電機からの給電電力がモーターを駆動させるのに不十分となる。このような状態ではバッテリーの電力によりモーターを駆動させると、バッテリーの容量を少なくすることができる。

本発明においては、太陽電池セルは、季節に応じて仰角を手動で微調節できるように回動軸に固定されていてもよい。したがって、太陽光の入射角度を最大にするように行なう仰角調整は自動制御で行なわないので、本発明では制御装置が簡単で済み、ひいてはバッテリーの容量を小さくすることができる。また、太陽電池セルを装着した腕部材の摺動部は支柱との間のみであり、転り軸受により低摩耗回転となるから、長期に亘って安定して同期回動が保証される。

本発明のハイブリッド発電装置におけるモーター制御装置は、次の手段より構成することができる。
（イ）腕部材の所定方位に対する角度を検出する角度カウンター。腕部材を日出から日没の方位間で回動させるためには、例えば磁針の真北に対して腕部材が何度にあるか検知する角度カウンターが必要である。
（ロ）時間を連続的に計測し、かつ1日毎に更新される時間監視タイマー。これはいわゆる時計であり、時間を信号として連続的に取り出して現在時間を監視する。
（ハ）時間監視タイマー（ロ）からの信号が一定時間経過したことを検知し、1日毎に更新される歩進タイマー。一定時間とは例えば1時間であり、この場合24回の計測により更新される。
（二）歩進タイマーの検知信号により前記腕部材を所定角度回動させる指令をモーターに与える手段。例えば角度差１８０°を12時間で割ると１５°/hとなる。したがって、１５°を1ピッチの、1時間の経過が歩進タイマーにより計測された時に腕部材を15°回動させる信号を発生させる。したがって、1日に12回ステップ的に腕部材を回動させ、その後手動により初期状態にリセットすればよく、連続的に回動させる制御装置に比較すると、制御装置が簡単になる。

好ましくは、バッテリーとは、時間監視タイマー（ハ）を常時接続し、一方歩進タイマー（ハ）及び指令発生手段（ニ）とは、一定時間経過時にのみ接続さる電源接続切り替え手段（ホ）を設けることが好ましい。即ち、上記例では歩進タイマー（ハ）及び指令発生手段（ニ）とは1時間経過時のみ電源と接続されるので、電源の容量が少なくて済む。

制御装置がさらに次の手段を含むことがより好ましい。
（へ）腕部材の回動開始時間と回動終了時間を記憶する手段。回動開始時間は日出、回動終了時間は日没となる。年間を通じてこの時間を採用してもよいが、月日により異なる開始・終了時間を記憶してもよい。
(ト)腕部材の回動開始角度と回動終了角度を記憶する手段。例えば回動角度範囲が120°、開始・終了時間の差が８時の場合は、120°/8h=15°/hのステップ回動をすることができる。
（チ）時間監視タイマー（ハ）が回動終了時間を検出した時に腕部材を回動開始角度に戻す信号を発生させ、かつ時間監視タイマー（ハ）及び歩進タイマー（ニ）の更新信号を発生する機能を有する指令発生手段。
これらの手段（へ）〜(チ)を含む制御装置を使用すると、自動的にしかも非常に少ない消費電力で太陽電池セルが太陽を追跡し、これを毎日繰り返すことになる。

本発明におけるハイブリッド発電装置が次の要素を有していると、屋外での長期運転に耐えることができるようになる。
（リ）保持部及び腕部材の根元を回動可能に収納するために支柱に液密に固定された函体。この函体はリング状保持部の回転軸受を雨水、雪や埃などから保護する。
（ヌ）函体を突出する腕部材部の前方部の支柱周りに回動を許容するために函体に形成された開口部。腕部材は太陽を追跡するように箱の内外で回動するための開口部が形成されている。
（ル）開口部（ヌ）を液密に閉鎖しかつ腕部材部とともに摺動する壁板。開口部を液密に閉鎖する壁板を腕部材に固着して開口から雨水、雪や埃が函体の中に侵入することを防止する。また、函体の中にモーターを収納することが好ましい。
以下、図面に示された実施態様を参照して本発明を詳しく説明する。

図1及び図２において、１は中空の支柱であり、支柱頂部には風力発電機のための風車が取り付けられている。２は防錆鋼板製函体、３は函体２を支柱１に取り付けるために設けられた上下1対の取付金具、４は支柱１に堅く嵌装され,リング状保持部を構成するスリーブ、５は、リング状保持部を構成するブラケット６に固着され、スリーブ４に対して回動する回転軸受、７はブラケット６に固着された腕部材、１０は太陽電池セルである。太陽電池セル１０は角度調整装置１１により手動で仰角を調節でき、またアーム７と一体に装着されている。９は減速装置を介してブラケット６に連結された駆動モーターである。したがって、駆動モーター９が駆動されると、ブラケット６及び腕部材７が回転軸受５を介して支柱１の周りに回動する。太陽電池セル１０は手動により季節毎にあるいは月毎に仰角を調節してもよい。
１２は円弧状壁部材であり、図示されていない開口を完全に密閉するとともに、腕部材７に固着されている。したがって、腕部材７が回動する際に、函体の開口を塞いで内部を外気から遮断している。
以上支柱が垂直の実施態様について説明したが、垂直支柱から水平方向に延びた補助支柱の先端に腕部材を回動可能に取り付けても同じ効果を達成することができる。また、腕部材は水平回動しているが、±10°以下の傾斜をもって回動してもよい。

図３はハイブリッド発電装置を街路灯に使用する場合の回路図である。
太陽電池セル及び風力発電機から交流をコントローラーに入力し、ＡＣをＤＣ変換し、さらにバッテリーの充電電圧以上のＤＣ電流をバッテリーに流す。コントローラーからの直流の一部をシール型鉛バッテリーに入力して蓄電する。この電力の一部をコントローラーを介して必要時にモーター駆動のために供給する。また、コントローラーからの電流をインバーターによりAC１００Vに変換して例えば夜間において防犯灯を点灯する。

図4には、段落番号0012〜0014で説明した脆腕部材を回動させる回動制御装置を示す。
31は、原点センサー３２及び終点センサー３３を有し、モーター2１により回転されるロータリーエンコーダーである。それぞれのセンサー３２，３３が活性化されたときには、その信号を原点信号発生器３３及び角度信号発生器３５に入力して、所定電圧のパルスを発生させる。ロータリーエンコーダー３１の回転は角度センサー35で順次検知して角度信号発生器３５に入力し、パルス信号を角度検出カウンター３６で計測する。制御用バッテリー４４からの出力はインバーター３７によりAC100Vに変換され、制御器38を経てモーター21に与えられる。制御用バッテリー４４は常時角度信号発生器35に接続されている。制御用バッテリー４４には太陽電池セル及び風力発電機の発電電力を貯えるようにしてもよい。38は水晶発信器43で励起される時間監視タイマーであり、その時刻信号から歩進タイマー39が例えば1時間毎歩進信号を制御装置40が設定するタイミングで発生させる。42は図5〜８で説明する処理手順によりモーター21を間欠的に回転させ、また二つのスイッチのON・OFFを行なうモーター運転制御論理回路である。

１．設置と初期設定
ハイブリッド発電におけるソーラーパネルの設置は太陽の位置をその場所の緯度経度からあらかじめ割り出しておく。
磁針方位から真北の位置を０度とした角度テープをあらかじめポールに貼り付けておき（機械的ロック）、ソーラーパネルをその時間の位置にセットする、その時の時刻（なるべく正時がよい）を時間設定スイッチで合わせ、時間補正スイッチボタンをおして時間と位置の設置関係を完了とする。

２．ソーラーパネルの回動運動
水晶発振器の周波数を分周し時間監視タイマー（常時通電）として1時間毎のパルス信号と1時間歩進タイマーのANDを取ってフリップフロップのセット信号とする（図５）。その時点でモーター軸の角度検出用センサーの信号は角度検出カウンターを介して３６０／２４＝１５度になるまでパルス信号はでないのでフリップフロップの出力は正転信号となる。

正転信号でモータは正転して１時間後の位置（１５度動いた位置）で停止する（図６）。又、省電力を維持するために正転信号及び逆転信号でセンサー電源をONするようにしてあると同時に角度検出カウンターをリセットし角度計測を零から開始する役目を持つ。時間監視タイマー以外はすべて電源を停止させて省電力システムとする。監視タイマーからの１時間信号が入力されると、１時間歩進タイマーは前の時間に１時間加えた時間信号とのANDでセット信号なる。その時角度検出カウンターの角度信号は１５度を満足していないので正転信号となって正転し角度検出カウンターの１５角度信号で停止する。即ちソーラーパネルは太陽光の入射角が最大集光率になる角度へ移転する。

以上の繰り返しで１８時の位置までソーラーパネルは回動する。この時点で終点センサーから終点信号が逆転のための準備としてフリップフロップBの前段AND回路へ入力され１９時の１時間歩進タイマー信号のセット信号となる。逆転開始して原点センサー信号で停止する（図７，８）。
この時点で翌日の太陽の日の出まで停止待機となる。そして１時間歩進タイマーが７時の信号から１時間毎のステップ運動を行ない１９時で再び翌日の日の出位置へ戻る。以上の繰り返しを行なう。

本発明のハイブリッド発電装置は、街路灯、防犯灯、路面下LED灯、台風や地震などの自然災害により電力会社からの給電が途絶した際の独立照明灯などの小型発電装置、あるいは農業用ヒーター、路面や産業機器の凍結防止装置、海水のイオン化装置用の中大型発電装置に適している。

本発明に係るハイブリッド発電装置の太陽電池発電部を示す断面図である。 図１の平面図である。 本発明のハイブリッド発電装置の回路図である。 本発明における太陽光追跡を行なう制御装置の回路図である。 モーター制御の論理回路の処理手順を示すフローチャートの1/4である。 モーター制御の論理回路の処理手順を示すフローチャートの2/4である。 モーター制御の論理回路の処理手順を示すフローチャートの3/4である。 モーター制御の論理回路の処理手順を示すフローチャートの4/4である。

符号の説明

１−支柱
２−函体
５−回転軸受
７−腕部材
９−駆動モーター
１０−太陽電池セル

Claims (10)

1. 太陽電池セル及び風力発電機を含んでなるハイブリッド発電装置において、支柱の周りに摺動自在に装着された保持部から伸びた腕部材の先端に取り付けられた前記太陽電池セルと、前記太陽電池セル及び風力発電機からの給電により充電されるバッテリーと、太陽電池セル又は風力発電機からの発電電力により作動され、前記腕部材を実質的に水平方向で回動させるモーターとをさらに含んでなるハイブリッド発電装置。
2. 前記バッテリーからの給電により前記モーターから駆動されることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド発電装置。
3. 太陽電池セル及び風力発電機からの給電電力がモーターを駆動させるのに不十分であることを検知して、前記バッテリーから前記モーターへの通電を開始する制御手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド発電装置。
4. 前記支柱が風力発電の風車を装着していることを特徴とする請求項１から３までの何れか1項記載のハイブリッド発電装置。
5. 前記腕部材の回動が1日の日照時間中間欠的に行なわれることを特徴とする請求項１から４までの何れか1項記載のハイブリッド発電装置。
6. （イ）前記腕部材の所定方位に対する角度を検出する角度カウンターと、（ロ）時間を連続的に計測し、かつ1日毎に更新される時間監視タイマーと、（ハ）前記時間監視タイマー（ロ）が一定時間経過したことを検知し、1日毎に更新される歩進タイマーと、（ニ）前記歩進タイマーの検知信号により前記腕部材を所定角度回動させる指令を前記モーターに与える手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項１から５までの何れか１項記載のハイブリッド発電装置。
7. （ホ）前記バッテリーを、前記時間監視タイマー（ロ）と常時接続し、一方前記歩進タイマー（ハ）及び前記指令発生手段（ニ）とは、前記一定時間経過時にのみ接続する電源切り替え手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項６記載のハイブリッド発電装置。
8. さらに（へ）前記腕部材の回動開始時間と回動終了時間を記憶する手段と、（ト）前記腕部材の回動開始角度と回動終了角度を記憶する手段と、（チ）前記時間監視タイマー（ロ）が前記回動終了時間を検出した時に前記腕部材を回動開始角度に戻す信号(a)、及び前記時間監視タイマー(ロ)及び歩進タイマー（ハ）の更新信号を発生する信号発生手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項７記載のハイブリッド発電装置。
9. 前記保持部及び前記腕部材部の根元収納するために前記支柱に液密に固定された函体が、函体を突出する腕部材部の前方部の支柱周りに回動を許容する開口部を形成しているとともに、該開口部を液密に閉鎖しかつ前記腕部材部とともに摺動する壁板を有することを特徴とする請求項１から８までの何れか1項記載のハイブリッド発電装置。
10. 前記モーターが前記函体内に収納されていることを特徴とする請求項９記載のハイブリッド発電装置。

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