JP2009038311A - 太陽光入射方向センサ、太陽光追尾装置及び太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確で一義的な入射方向検出信号の出力が可能な太陽光入射方向センサを提供する。
【解決手段】遮光部材としての円筒と、円筒の底面内側に直交する２直線と円筒中心を中心とする円との４つの交点に配置された受光素子と、４つの交点における入射光量を測定する入射光量測定手段と、測定された入射光量を比較して入射方向判定信号を出力するか、又は検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを有し、円筒と受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光入射方向センサ、すなわち、太陽光の入射方向を検出するセンサ、同センサを用いる太陽光追尾装置及びその太陽光追尾装置を用いる太陽光発電装置に関する。

太陽光発電装置には、太陽光追尾装置を取り付けて太陽光を追尾することにより、発電効率の向上を図っているものがある。そして、太陽光追尾装置は、一般的に、太陽光入射方向センサからの入射方向検出信号を用いて、追尾制御信号を生成し、方向変換機構を制御駆動している。

従来の太陽光入射方向センサには、発電用ソーラーパネルの一部をセンサ用受光素子として用いるもの（ａ）と、発電用ソーラーパネルとは別の入射光量検出用ソーラーパネルを用いるもの（ｂ）と、断面＋字形の所要高さの遮光板の底部にその遮光板によって４方向に区画された位置にフォトトランジスタなどの受光素子を配置してなるもの（ｃ）が知られている。

上記（ａ）の太陽光入射方向センサは、発電用ソーラーパネルの一部をセンサ用受光素子として用いるため、当然、発電装置の発電能力の低下を招く。従って、所要の発電力を確保するためには、パネルサイズを大型化する必要があり、小型化して携帯可能性が求められる発電装置には適合しない。また、上記（ｂ）の太陽光入射方向センサは、発電用とは別の入射光量検出用ソーラーパネルを使用するので、パネル全体の面積が大きくなり、大型化するため、同様に携帯用発電装置には適合しない。さらに、（ｃ）の太陽光入射方向センサは、断面＋字形の開放型の遮光板の底部に受光素子を配置してなるため、センサの感度が不安定であり、一義的な入射方向検出信号の出力が困難であるので、太陽光追尾装置の太陽光追尾制御を正確に行うことができない。従来技術には以上のような問題があった。
特になし。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、第一の目的は、正確で一義的な入射方向検出信号の出力が可能な太陽光入射方向センサを提供することにある。
第二の目的は、小型化が可能で、太陽光追尾制御を正確に行うことができる太陽光追尾装置を提供することにある。
第三の目的は、発電効率が高く、小型化して携帯可能にすることも容易にできる太陽光発電装置を提供することにある。

本発明に係る太陽光入射方向センサは、上記第一の目的を達成するため、遮光部材として用いられる、少なくとも上端が開口された所定高さの円筒と、その円筒の底面内側に、その円筒の中心において直交する二つの直線と前記円筒の中心を中心とする円との４つの交点に配置された受光素子と、各受光素子の出力を受けて４つの交点における入射光量を測定する入射光量測定手段と、前記入射光量測定手段により測定された入射光量を比較して、入射方向を検出し、入射方向検出信号を出力するか、又はさらに、検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光の入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを有し、少なくとも、前記円筒と前記受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成していることを特徴としている（請求項１）。

本発明の好ましい例では、円筒は、その内壁面の光反射率が可及的に抑えてあることを特徴としている（請求項２）。

また、本発明の好ましい例では、前記入射光量測定手段の受光素子は東西南北の方位に対応して配置され、その入射光量測定手段は各受光素子の出力電圧が所定の閾値以上又は未満のときに出力するものであり、前記判定手段は、前記入射光量測定手段からの東西の方位に対応する２個の受光素子の出力状態及び南北の方位に対応する２個の受光素子の出力状態に基づいて入射方向を判定して、入射方向判定信号又は回動方向信号を出力するものであることを特徴としている（請求項３）。
また、本発明の好ましい例では、入射光量測定手段と入射方向判定手段は、センサ本体と結合して、又は分離して備えられていることを特徴している（請求項４）。

本発明に係る太陽光追尾装置は、上記第二の目的を達成するため、上記太陽光入射方向センサの少なくともセンサ本体を互いに直交する２軸周りに正逆回転自在に支持する支持体と、その支持体を第１軸周りに正回転又は逆回転させる第１モータと、その支持体を第２軸周りに正回転又は逆回転させる第２モータと、上記太陽光入射方向センサの入射方向判定手段が出力する入射方向判定信号を入力され、その入射方向判定内容に応じて前記第１モータ及び／又は前記第２モータを入射方向が所定方向になるまで回転させる制御部とからなることを特徴としている（請求項５）。

さらに、本発明に係る太陽発電装置は、上記第三の目的を達成するため、ソーラーパネルと、太陽光追尾装置とを有し、前記太陽光追尾装置の太陽光入射方向センサは前記ソーラーパネルの側辺に円筒の中心線がそのソーラーパネルの受光面に垂直な直線と平行になるように取り付けられ、前記太陽光追尾装置の支持体は、前記ソーラーパネルを互いに直交する２軸周りに正逆回転自在に支持するものであり、前記太陽光追尾装置の第１モータと第２モータは、それぞれ前記支持体を第１軸周りに正回転又は逆回転させ、又は前記支持体を第２軸周りに正回転又は逆回転させるものであることを特徴としている（請求項６）。

請求項１の発明によれば、円筒の中の４個の受光素子が東西及び南北方向の入射光量を検出可能であるので、正確で一義的な入射方向検出信号又は回動すべき回動方向信号の出力が可能である。

請求項２の発明によれば、入射光量の測定が正確であり、より正確な入射方向検出信号又は回動方向信号の出力が可能である。

請求項３の発明によれば、センサ本体と測定手段及び判定手段を構成する電気回路又は電子回路とを一体に接合したタイプ又は分離したタイプの提供が可能である。一体型はセンサ本体の太陽光追尾装置又は太陽光発電装置への取付手間がかからず、分離型はセンサ本体を太陽光追尾装置又は太陽光発電装置から離れた位置に設け、回路部分を太陽光追尾装置又は太陽光発電装置に設けることができる。従って、センサ本体のメンテナンスが容易にできる。

請求項４の発明によれば、センサ本体を太陽光追尾装置に一体に設けて、同装置を小型化し、携帯可能にすることができる。

請求項５の発明によれば、センサをソーラーパネルに取付可能である。また、ソーラーパネルの発電能力を低下させない。また、センサが入射方向検出信号又は回動方向信号を出力すると、直ちにソーラーパネルの向きが適正化される特長がある。

請求項６の発明によれば、ソーラーパネルの一部が太陽光入射方向検出のための利用されないので、発電効率の低下がなく、太陽光入射方向検出のためのソーラーパネルを発電用ソーラーパネルの他に設けないので、発電装置全体を小型化することができる。そして、請求項１の小型の太陽光入射方向センサを用いるから、可搬性のある又は携帯可能な太陽光発電装置の提供が可能である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を用いながら説明する。図１は本発明に係る太陽光入射方向センサの平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図、図３は円筒の長さの適正範囲を説明する要部の断面図、図４は主として判定回路の構成の一例を示す回路図、図５は４個の受光素子の受光状態と入射方向判定のための基準テーブル及び入射方向判定信号と回動方向信号の関係を説明する説明図である。

本発明に係る太陽光入射方向センサＡは、図１及び図２に示すように、上端部が開口された有底の円筒１と、その円筒の底面内側に設けられた受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 とを有している。これらの受光素子は、フォトトランジスタなどで構成され、それぞれ円筒の底面の中心を通る互いに直交する２直線と、その底面の中心を中心とする円筒の内周面に近い位置における円との４つの交点上に配設されている。

各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 への太陽光の入射を正確にするため、円筒１の開口面から円筒内周面に入射した太陽光が反射していずれかの受光素子に照射する光量を可及的に少なくするため、円筒の内周面に黒色の布又はシートなどを貼るか、あるいは内周面に反射防止の表面処理を施して光反射率を低下すると良い。これにより、受光素子には直射光のみを照射させることができる。

太陽光入射方向センサＡは、円筒の開口から中に入射する太陽光が受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 のいずれに照射するかにより東西南北いずれの方向から照射するか判定するものであるから、円筒１の深さが、図３（ａ）に示す円筒１Ｓの場合のように、太陽光がほとんど全ての受光素子に照射することが多い程に浅いのは不適当であり、また、同図（ｂ）に示す円筒１Ｌの場合のように、ほとんど全ての受光素子が円筒により遮光されることが多い程に深いのも不適当である。一部の受光素子は照射され、他の受光素子は遮光される状態が生じ易い程度の深さが適当であり、太陽光追尾精度も向上する。

各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 が受光時に発生する電圧は、図２に例示するように、好ましい一例として円筒１の底部下側に設けた容器３内に備えられた判定回路４に与えられる。判定回路４は、図４に例示するように、入射光量測定回路４１−４４と比較回路４５とからなっている。入射光量測定回路４１−４４は、それぞれ、受光素子から入力する電圧が所定閾値以上のときに出力するものである。比較回路４５は、入射光量測定回路４１−４４の出力状態（有無）の組合せにより予め設定してある判定基準テーブルと比較し、いずれの判定基準テーブルと一致するかにより、太陽光が円筒のいずれの方向から入射しているかを判定し、その判定結果に対応する入射方向判定信号ａを出力するようになっている。

太陽光入射方向センサＡは、受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 の、円筒中心に対して互いに反対側に存在する任意の一組の受光素子を南北方位に、他の一組の受光素子を東西方位に合致させて用いられる。図１に示す例では、受光素子２1 ，２2 が北と南に、受光素子２3 ，２4 が西と東に対応付けされている。また、好ましい実施の形態においては、図１に例示するように、どの受光素子がいずれの方位に対応しているかを一目瞭然に示すため、各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 の付近に、北，南，西，東又はＮ，Ｓ，Ｗ，Ｅの文字が記載されていることが望ましい。

図５は、比較回路４５で用いられる入射方向判定に用いられる判定基準テーブルの例を示す。同図上欄のＥ，Ｗ，Ｓ，Ｎは各方位の受光素子を示し、同表左端は受光状態をそれぞれ示し、同表中の●は受光なし、○は受光ありを示している。また、ａは、比較回路４５が判定結果として出力する太陽光入射方向を表す入射方向判定信号である。

これに対して、判定回路４は、判定した入射方向に対して、円筒１の中心軸線が太陽光入射方向と一致するように円筒を回動させるべき方向、すなわち回動方向信号ｂを出力するように構成することもできる。

判定基準テーブルについてさらに説明すると、受光状態番号１は、全ての受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 が太陽光を受けている状態、すなわち、センサの検出方向（円筒の軸線）と太陽光の入射方向とが一致している場合である。したがって、この時の入射方向判定信号ａ及び回動方向信号ｂは、現在の円筒１の向きと一致することを表す“０”を出力する。例えば、受光状態番号２は、Ｅ方向の受光素子２4 のみが太陽光を受けていない状態である。したがって、この時の入射方向判定信号ａはＥを、回動方向信号ｂもＥを出力する。

図６は太陽光追尾装置の構成を概念的に示す正面図、図７は太陽光追尾装置の具体的構成の一例を示す正面図、図８は同じく側面図、図９は太陽光追尾装置の具体的構成の他の例を示す正面図、図１０は同じく側面図である。

太陽光追尾装置Ｂは、概念的には、図６に示すように、太陽光入射方向センサＡを含み、円筒１を互いに直交する２軸Ｐ１，Ｐ２周りに所要方向に回動させる円筒回動機構１０と、太陽光入射方向センサＡの判定回路４が出力する入射方向判定信号ａ又は回動方向信号ｂに基づいて円筒回動機構１０を制御して、円筒１の中心軸線１ｃの向きが太陽光入射方向と一致するまで所定方向に回動させる制御部２０とを有している。
太陽光入射方向センサＡの円筒１と判定回路４は図２に示すように一体的に結合されたものでも良いし、判定回路４を円筒１から分離したものでも良い。制御部２０は好ましくは、円筒１の底部容器３内に判定回路４と一緒に収容すると、メンテナンスなどに有利である。

説明の便宜上、太陽光入射方向センサＡの判定回路４は回動方向信号ｂを出力するものであるとする。円筒回動機構１０は、円筒１を互いに直交する２軸周りに回動するための第１モータＭ１と第２モータＭ２とで構成することができる。そして、制御部２０は、一例として、判定回路４がＮ方向回動方向信号を出力したときは第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を正転させ、判定回路４がＳ方向回動方向信号を出力したときは第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を逆転させるように、構成されている。また、制御部２０は、判定回路４がＷ方向回動方向信号を出力したときは第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を正転させ、判定回路４がＥ方向回動方向信号を出力した時は第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を逆転させるように、構成されている。

したがって、例えば、判定回路４が図５の基準テーブルの９番目の受光状態に対応するＮＥ方向回動方向信号を出力した場合は、制御部２０は第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を正転させ、さらに、第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を逆転させるように構成されている。

上記の円筒の所定方向の回転制御により円筒１内への太陽光の入射状態が変更され、全ての受光素子からの出力値が等しくなったことにより、円筒の向きが適正になったこと（受光状態１になったこと）が検知されて、円筒回動機構１０の回動制御が停止される。また、太陽の移動により入射方向が変わったときは、太陽光入射方向センサＡの判定回路４からの出力に応じて制御部２０が円筒回動機構１０を制御駆動するので、太陽光は常に追尾される。

図５の受光状態番号６，７に示されるような入射状態は、外部の反射体からの反射光が入射するなどの特別の場合以外には、現実的には発生しないと考えられるので、このような場合には、エラー発生と判断して、回動制御を行わないように構成することができる。また、図５の受光状態番号１２に示される全受光素子の出力が０である場合は、夜間か日中ならば曇天であると考えられるので、この場合も、エラー発生と判断して、回動制御を行わないように構成することができる。
夜明け時及び入射方向センサの軸心が太陽光の入射方向と一致した時には、円筒の向きにより４個の全ての受光素子が同じ受光状態になるが、受光素子の出力値に適切な閾値を設定することにより、そのいずれであるかを判別することが可能である。センサに時計を内蔵し、その内蔵時計の時刻信号を判別基準に用いることにより、夜明け時か入射方向センサが太陽光の入射方向と一致した時かの判別も可能である。

図７及び図８に示した太陽光追尾装置の円筒回動機構１０Ａは、次のように構成されている。すなわち、円筒１の底部は下方に突出する円弧角１８０度の円弧面を有する蒲鉾型に形成され、その外周面の長手方向中央に円弧面に沿って延びる浅い溝が形成され、その溝の中に同円弧面に沿って延びる第１ギヤ（セクタギヤ）ｇ１が設けられている。そして、その円筒の底部は、円筒の底部凸面に合致する凹面を有する蒲鉾型のホルダ１１の凹面に嵌合され、ホルダ１１及び円筒底部の円弧の中心周りに回転自在に保持されている。また、ホルダ１１の長手方向中央に、そのホルダを上下方向に貫通する横孔が形成されている。ホルダ１１の側面に取付板１２を介して取り付けられている第１モータＭ１の回転軸に固着されている第２ギヤ（歯車）ｇ２の上部が前記ホルダの横孔から上方に突出され、かつ、円筒１の浅い溝に進入して第１ギヤｇ１と噛み合わされている。従って、制御部２０からの制御信号により第１モータＭ１が所定方向又は逆方向に回転されると、円筒１はホルダ１１の円弧中心、すなわち、第１軸Ｐ１を中心として回動可能である。

上面開口コ字形のベース１４の両立上り片１４ａの上部間に前記第１軸Ｐ１と直交する方向に延びる軸１３が回転自在に支持されている。すなわち、軸１３は前記第２軸Ｐ２に相当する。そして、軸１３には、第３ギヤ（歯車）ｇ３が固着され、ベース１４に取り付けられた第２モータＭ２の回転軸に固着された第４ギヤ（歯車）ｇ４が第３ギヤｇ３に噛み合わされている。
従って、制御部２０からの制御信号により第２モータＭ２が所定方向又は逆方向に回転されると、円筒１は第２軸１３を中心として回動可能である。

図９及び図１０に示した太陽光追尾装置Ｂは、太陽光入射方向センサＡの下側に設けられたハウジング３０を有する。ハウジング３０の底部３１と中間仕切壁３２との間に制御部２０が収容され、中間仕切壁３２の上面に取り付けられた第２モータＭ2 の回転軸に固着されている第４ギヤｇ４が、ハウジングの軸受部を介して回転自在に支持されている第２軸Ｐ２に固着されている第３ギヤｇ３と噛み合わされている。

第２軸Ｐ２には、基板３３が固着され、その基板の第２軸Ｐ２と反対側にフレーム３４が上方に起立し、そのフレーム３４の上端部に第１軸Ｐ１が第２軸Ｐ２と直交する方向に貫通され、軸受を介して回動自在に支持されている。第１軸Ｐ１の両端には、太陽光入射方向センサＡの円筒１の底面から下方に延びる一対の支持板３５の下端部が固着されている。第１軸Ｐ１の一方の支持板３５を貫通した先端に、第１ギヤｇ１が固着され、その第１ギヤｇ１と、基板３３の上面に取り付けた第１モータＭ1 の回転軸に固着してある第２ギヤｇ２との間に歯付きベルト３６が掛け回されている。

上記構成により、制御部２０から判定回路４からの回動方向信号に対応する制御信号ｂが第１モータＭ1 及び／又は第２モータＭ2 に与えられて、円筒１がその中心軸線が太陽光入射方向と合致するまで第１軸Ｐ１又は第２軸Ｐ２周りに回動されるようになっている。

図１１は太陽光発電装置Ｃの平面図である。ＳＰは既知のソーラーパネル、Ａはそのソーラーパネルの外周の一部に固着された図１の太陽光入射方向センサであり、Ｂは上述した太陽光追尾装置であり、その太陽光追尾装置Ｂに図７，図８に示されたものを用いる場合は、ソーラーパネルＳＰの底面に図７に示された円筒１の蒲鉾型底部が付加され、その蒲鉾型底部が図７，図８のホルダ１１に嵌合して保持され、回動機構１０Ａが用いられる。

また、太陽光追尾装置Ｂに図９，図１０に示されたものを用いる場合は、図９，図１０の支持板３５の上端部に、円筒１の代わりにソーラーパネルＳＰが接続される。

なお、上記太陽光発電装置が所期の太陽光発電装置として電力供給機能を発揮するためには、図１２に例示するような電気回路が付加される。

本発明に係る太陽光入射方向センサの平面図。 図１のＸ−Ｘ線断面図。 円筒の長さの適正範囲を説明する要部の断面図。 主として判定回路の構成の一例を示す回路図。 ４個の受光素子の受光状態と入射方向判定のための基準テーブル及び入射方向判定信号と回動方向信号の関係を説明する説明図。 太陽光追尾装置の構成を概念的に示す正面図。 太陽光追尾装置の具体的構成の一例を示す正面図。 同じく側面図。 太陽光追尾装置の具体的構成の他の例を示す正面図。 同じく側面図。 太陽光発電装置の平面図。 太陽光発電装置の電気的構成の一例を示す回路図。

符号の説明

Ａ 太陽光入射方向センサ
１ 円筒
２1 ，２2 ，２3 ，２4 受光素子
３ 容器
４ 判定回路
４１，４２，４３，４４ 入射光量測定回路
４５ 比較回路
ａ 入射方向判定信号
ｂ 回動方向信号
Ｂ 太陽光追尾装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ 回動機構
Ｐ１ 第１軸
Ｐ２ 第２軸
Ｍ１ 第１モータ
Ｍ２ 第２モータ
Ｃ 太陽光発電装置

Claims (6)

1. 遮光部材として用いられる、少なくとも上端が開口された所定高さの円筒と、その円筒の底面内側に、その円筒の中心において直交する二つの直線と前記円筒の中心を中心とする円との４つの交点に配置された受光素子と、各受光素子の出力を受けて４つの交点における入射光量を測定する入射光量測定手段と、前記入射光量測定手段により測定された入射光量を比較して、入射方向を検出し、入射方向検出信号を出力するか、又はさらに、検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光の入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを有し、少なくとも、前記円筒と前記受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成していることを特徴とする太陽光入射方向センサ。
2. 円筒は、その内壁面の光反射率が可及的に抑えてあることを特徴とする請求項１に記載の太陽光入射方向センサ。
3. 入射光量測定手段の受光素子は東西南北の方位に対応して配置され、その入射光量測定手段は各受光素子の出力電圧が所定の閾値以上又は未満のときに出力するものであり、前記判定手段は、前記入射光量測定手段からの東西の方位に対応する２個の受光素子の出力状態及び南北の方位に対応する２個の受光素子の出力状態に基づいて入射方向を判定して、入射方向判定信号又は回動方向信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光入射方向センサ。
4. 入射光量測定手段と入射方向判定手段は、センサ本体と結合して、又は分離して備えられていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の太陽光入射方向センサ。
5. 太陽光入射方向センサの少なくともセンサ本体を互いに直交する２軸周りに正逆回転自在に支持する支持体と、その支持体を第１軸周りに正回転又は逆回転させる第１モータと、その支持体を第２軸周りに正回転又は逆回転させる第２モータと、上記太陽光入射方向センサの入射方向判定手段が出力する入射方向判定信号を入力され、その入射方向判定内容に応じて前記第１モータ及び／又は前記第２モータを入射方向が所定方向になるまで回転させる制御部とからなることを特徴とする太陽光追尾装置。
6. ソーラーパネルと、太陽光追尾装置とを有し、前記太陽光追尾装置の太陽光入射方向センサは前記ソーラーパネルの側辺に円筒の中心線がそのソーラーパネルの受光面に垂直な直線と平行になるように取り付けられ、前記太陽光追尾装置の支持体は、前記ソーラーパネルを互いに直交する２軸周りに正逆回転自在に支持するものであり、前記太陽光追尾装置の第１モータと第２モータは、それぞれ前記支持体を第１軸周りに正回転又は逆回転させ、又は前記支持体を第２軸周りに正回転又は逆回転させるものであることを特徴とする太陽光発電装置。

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