JP2009186094A

JP2009186094A - 太陽追尾装置および太陽追尾装置の追尾方法

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Publication number: JP2009186094A
Application number: JP2008026382A
Authority: JP
Inventors: Kenji Araki; 建次荒木
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: JP5098678B2

Abstract

【課題】設置誤差を補正して太陽を追尾できる太陽追尾装置と、この太陽追尾装置の追尾方法を提供すること。
【解決手段】太陽の方位角αを経時的に実測する方位角実測手段と、太陽の傾斜角ηを経時的に実測する傾斜角実測手段と、発電モジュールを太陽の方角へ向ける位置制御を行う位置制御手段とを備え、位置制御手段は、太陽の方向余弦を理論上の方向余弦と補正パラメータを加味した日時の関数との和として設定する位置計算式設定手段と傾斜角実測手段とから実測値である方位角α１と傾斜角η１とを取得する角度取得手段と、取得した方位角α１と傾斜角η１と、太陽の方向余弦から算出される計算上の方位角α０と傾斜角η０とを比較して補正パラメータを定数として決定する補正パラメータ決定手段とを有し、補正パラメータの決定以後の位置制御として、決定した補正パラメータを使用した方位角α０の計算式と傾斜角η０の計算式を用いて太陽の追尾を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽追尾装置および太陽追尾装置の追尾方法に関するものであり、詳しくは、発電モジュールが太陽を追尾して（換言すると、太陽の方角を向いて）集光し発電する太陽光発電装置などに好適に適用される太陽追尾装置と、この太陽追尾装置において、太陽の追尾精度の向上を図ることができる追尾方法に関するものである。

太陽光発電装置の一種として、追尾型の太陽光発電装置が知られている。追尾型の太陽光発電装置は、太陽光を受光することにより発電する単数または複数の発電モジュールと、この発電モジュールを太陽を追尾可能に（すなわち、方位角方向および傾斜角方向に回転等可能に）支持する太陽光追尾装置と、を備える。そして、太陽追尾装置は、発電モジュールを、その受光面が太陽に対向するように（換言すると、発電モジュールの受光面が、太陽からの入射光の軸線に直角になるように）、回転等させる。

発電モジュールは、具体的には、太陽光を集光する集光レンズと、集光した太陽光を受光して発電する小面積（集光レンズに比較して）の太陽電池（発電セル）と、その他の所定の部材とを備える。集光レンズは、太陽の直射光を集光し、集光した太陽光を太陽電池の表面に収束させる機能を有する。このため、集光レンズ（すなわち、発電モジュールの受光面）が、正確に太陽に対向していないと（換言すると、発電モジュールの受光面が、太陽からの入射光の軸線に対して、正確に直角でないと）、集光した太陽光の収束スポットが、太陽電池の表面から外れる。そうすると、発電の効率が低下するおそれがある。

そこで、追尾型の太陽光発電装置においては、太陽追尾装置が太陽を正確に追尾し、発電モジュールの受光面を正確に太陽に対向させることが好ましい。しかしながら、太陽光発電装置の設置時における設置誤差などによって、発電モジュールを正確に太陽に対向させることが困難な場合がある。

太陽光発電装置の太陽追尾装置が、太陽を追尾する構成としては、たとえば、太陽追尾装置が太陽光を検出するセンサを備え、このセンサが検出する太陽光の強さに基づいて、太陽を追尾する構成が知られている。すなわち、センサが検出する太陽光が最も強くなる方角に太陽が位置するものとみなし、発電モジュールを当該方角に向けるという構成である。このほかにも、日付と時刻に基づいて、太陽の方角（方位角と傾斜角）を算出し、算出した方角に、発電モジュールを向けるという構成も知られている。さらに、これら二つの構成を組み合わせた構成も知られている。

しかしながら、これらの構成は、次のような問題点を有することがある。

太陽光を検出するセンサを備える構成は、雲の出方（薄曇りや背景放射が不均一になるなど）や、周辺の建物などの影響によって、太陽が位置する方角を誤認することがある。たとえば、太陽が雲に隠れると、センサは目標物を失う。このため、太陽を追尾することができなくなる。また、太陽の近くに雲が存在すると、太陽の直射光よりも雲からの反射光の方が明るいことがある。このような場合には、センサはこの雲を太陽と誤認することがある。

また、雲が全体的に厚くなると、雲の薄い部分が太陽の存在する位置よりも明るくなることがある。そうすると、雲が薄く明るい部分や、周辺の建物などからの反射光を、太陽と誤認することがある。このような誤認を防ぐ構成としては、たとえば、所定の閾値以下の光量（の光源）は追尾しないという構成が用いられることがある。ただしこの場合には、太陽光発電装置（太陽追尾装置）ごとに、個別に調整を行う必要がある。

一方、日付と時刻に基づいて太陽の方角を算出する構成では、太陽光発電装置（太陽追尾装置）を設置する際に、設置方位などにズレが生じると、その修正が極めて困難となる。そして、たとえば、ある特定の日時においては正確に太陽を追尾するように誤差を修正したとしても、他の日時においては、却って誤差が増大するという場合が生じうる。また、発電モジュールのような重量のある構造物を、方位角や傾斜角を精度良く設置することは困難である。

そこで、太陽光発電装置（太陽追尾装置）が、正確に太陽を追尾できるように、方位角や傾斜角の補正を行う必要が生じる。方位角や傾斜角を補正する構成としては、たとえば特許文献１や非特許文献１に記載の構成がある。

特許文献１には、日付と時刻に基づいて太陽の方角を算出する構成において、内蔵する時計の誤差を修正することによって、方位角や傾斜角を補正する構成が開示されている。具体的には、太陽光発電装置（太陽追尾装置）が内蔵する時計の南中時刻と、発電モジュールの方位角が真南である時の時刻の差を算出する。そして、この時刻の差に基づいて、内蔵する時計を補正し、発電モジュールが正確に太陽に対向するように補正するものである。

しかしながら、この特許文献１に記載の構成は、太陽光発電装置（太陽追尾装置）の設置時における設置誤差を考慮していない。したがって、前記のように、ある特定の日時においては、正確に太陽を追尾するように誤差を修正できたとしても、他の日時においては、却って誤差が増大するという場合が生じうるものと考えられる。

非特許文献１には、センサを用いる構成において、誤差センサによって太陽の方角を測定し、発電モジュールの向きを補正する構成が開示されている。しかしながらこの非特許文献１に記載の構成では、前記のセンサを用いる構成の問題点を解消することは困難であると考えられる。

特開平１１−１８３４４６号公報 Lique-Heredia et al., "CPV tracking systems: performance issues, specifications & design", 4th ICSC, 2007

上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、太陽光発電装置（太陽追尾装置）の設置時における設置誤差を補正することができる太陽追尾装置と、この太陽追尾装置の追尾方法を提供すること、または、太陽の方角を常時センシングしなくとも、正確に太陽を追尾できる太陽追尾装置と、この太陽追尾装置の追尾方法を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明は、太陽光を集光して発電する発電モジュールを備えた集光式太陽光発電装置の太陽追尾装置であって、太陽の方位角αを経時的に実測する方位角実測手段と、太陽の傾斜角ηを経時的に実測する傾斜角実測手段と、前記発電モジュールを太陽の方角へ向ける位置制御を行う位置制御手段とを備え、前記位置制御手段は、地上における直交座標系で示される太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）を理論上の方向余弦（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）と補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を加味した日時の関数との和として設定する位置計算式設定手段と、前記方位角実測手段と前記傾斜角実測手段からの実測値である方位角α１と傾斜角η１とを取得する角度取得手段と、前記取得した方位角α１と傾斜角η１と、前記太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）から算出される計算上の方位角α０と傾斜角η０とを比較して前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を定数として決定する補正パラメータ決定手段とを有し、前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）の決定以後の位置制御として、該決定した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を使用した方位角α０の計算式（１）と傾斜角η０の計算式（２）を用いて太陽の追尾を行うことを要旨とするものである。

ここで、数式（１）中のｌ、ｍはそれぞれ数式（３）、数式（４）で表される。また、ωは時角、δは太陽の視赤緯、φは太陽追尾装置の設置場所の緯度である。

また、本発明は、太陽光を集光して発電する発電モジュールを備えた集光式太陽光発電装置の太陽追尾装置の追尾方法であって、前記太陽追尾装置が太陽の出ている間に現実の太陽の方位角および傾斜角を経時的に実測する段階と、前記実測した方位角および傾斜角を累積的に記憶する段階と、前記実測した太陽の方位角および傾斜角に基づく現実の太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）を理論上の太陽の方向余弦（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）と補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を加味した日時の関数との和として設定する段階と、前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を初期化する段階と、前記記憶した方位角および傾斜角と前記太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）から算出される計算上の方位角および傾斜角とを比較して前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を定数として決定する段階と、前記初期化した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を前記決定した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）に置き換える段階と、定数として決定され置き換えられた前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を記憶する段階と、を備えるとともに、定数として決定されて置き換えられた前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を記憶した以後は、太陽の方位角α０を数式（５）を用いて追尾し、太陽の傾斜角η０を数式（６）を用いて追尾することを要旨とするものである。

ここで、数式（５）中のｌ、ｍはそれぞれ数式（７）、数式（８）で表される。また、ωは時角、δは太陽の視赤緯、φは太陽追尾装置の設置場所の緯度である。

本発明によれば、太陽追尾装置の設置時における設置誤差を補正することができ、たとえば太陽光集電装置に適用した場合には、発電効率の向上を図ることができる。本発明によれば、太陽の追尾誤差をソフトウェア的に補正することになるので、補正が容易である。そして、一度補正パラメータを算出すれば、太陽を常時センシングしなくても、太陽を精度良く追尾することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１を備える太陽光発電装置の構成を、模式的に示した外観斜視図である。図１に示すように本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１は、支柱１１と、水平回転駆動機構１２と、左右一組のジャッキ１３と、位置制御手段４１と、方位角実測手段４１４と、傾斜角実測手段４１５と、制御装置（制御盤）１４とを備える。そして太陽光発電装置は、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１と、発電モジュール２とを備える。

支柱１１は、地盤（基礎）３上に垂直に立てられる構造物である。水平回転駆動機構１２は、支柱１１の先端に配設されており、発電モジュール２を水平方向に回転させることができる。具体的にはたとえば、モータとモータの回転軸に嵌合されるウォームと、このウォームに噛合するウォームギアとを備える。モータは支柱１１に固定されており、モータおよびウォームの回転軸は、水平方向を向くように配設される。そして、ウォームギアは支柱１１に対して水平方向面内を回転できるように（すなわち回転軸が垂直になるように）支持される。また、このウォームギアは発電モジュール２に結合している。したがって、モータの回転動力によりウォームギアが回転すると、発電モジュール２はウォームギアの回転に応じて水平方向面内を回転する。

ジャッキ１３は支持軸１３１を備え、この支持軸１３１が、発電モジュール２を傾斜角を変更可能に支持する。具体的には、ジャッキ１３の支持軸１３１にはボールネジが設けられており、このボールネジの回転によって、支持軸１３１が伸縮する。支持軸１３１の先端は発電モジュール２に結合されている。そして、支持軸１３１の伸縮に応じて、発電モジュール２の傾斜角を変化させることができる。なお、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１は、発電モジュール２を安定して支持するために、左右一組のジャッキ１３を備えており、これら一組のジャッキ１３によって、発電モジュール２が支持される。これら左右一組のジャッキ１３は、同期して動作する。

方位角実測手段４１４は、太陽の方位角を実測できる。傾斜角実測手段４１５は、太陽の傾斜角を実測することができる。これら方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５には、公知の各種太陽センサなどが適用できる。

位置制御手段４１は、さらに補正パラメータ決定手段４１１と、位置計算式設定手段４１２と、角度取得手段４１３とを備える。角度取得手段４１３には、方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５が実測した太陽の方位角および傾斜角が伝送される。位置計算式設定手段４１２は、地上における直交座標系で示される太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）（列ベクトルで表される）を、理論上の方向余弦（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）（列ベクトルで表される）と、補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）（３つの定数の組合せであり、列ベクトルで表される）と日時の関数（この関数については後述する）の積と、の和として設定する。補正パラメータ決定手段４１１は、角度取得手段４１３が取得した現実の方位角と傾斜角と、前記太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）から算出される計算上の方位角と傾斜角とを比較して前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を定数として決定する。

なお、位置制御手段４１、方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５は、補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を決定する際には太陽追尾装置１に装着されるが、補正パラメータ決定手段４１１が補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を決定した後には、太陽追尾装置１に装着されている必要はない。すなわち、補正パラメータを決定するときにのみ必要となるものである。

制御装置１４（制御盤）は、水平回転駆動機構１２と左右一組のジャッキ１３を制御する。すなわち、発電モジュール２の水平方向面内の回転角度（方位角）と、傾斜角を制御する。この制御装置１４（制御盤）は、たとえば図１に示すように、支柱１１に取り付けられる。この制御装置１４は図示しない記憶手段を備える。この記憶手段は補正パラメータ決定手段４１１が決定した補正パラメータを記憶することができる。そして制御装置１４は、記憶手段が記憶する補正パラメータに基づいて、方位角および傾斜角を補正しつつ制御することができる。

発電モジュール２は、太陽光を集光する集光レンズと、集光した光を受光して発電する太陽電池とを備える。そして、集光レンズと太陽電池の複数の組合せがマトリックス状に配列される構成を備える。この発電モジュール２は、前記のように、太陽追尾装置１の水平回転駆動機構１２により水平方向面内を回転可能に支持されるとともに、左右一組のジャッキ１３により傾斜角を変更可能に支持される。

このような構成によれば、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１は、水平回転駆動機構１２の動作（回転角の調整）と左右一組のジャッキ１３の動作（傾斜角の調整）により、発電モジュール２を、太陽を追尾可能に支持する。

本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１は、まず（１）所定の補正パラメータが定義される。（２）地上座標系における太陽の真の（すなわち理論上の）方向余弦と太陽の実際の（すなわち誤差を含んだ）方向余弦とに基づいて、補正パラメータが算出される。（３）算出された補正パラメータに基づいて、太陽追尾装置１の方位角および傾斜角が補正される。という構成を備える。

太陽の方向余弦は、直交座標系において、原点（この場合には、太陽追尾装置１の設置位置）から太陽の方角に向かって引いた直線を想定した場合に、当該直線と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸との角軸とがなす角度の余弦成分を、要素数３のベクトルで示したものである。

地上座標系（直交座標系）における太陽の真の方向余弦（すなわち、理論上の、誤差を考慮しない方向余弦）は、次のようにして算出される。

図２は、天球座標系における地球と太陽の位置関係を、模式的に示した図である。天球座標系においては、太陽は、見かけ上一年で地球のまわりを一周する。この太陽の軌道が黄道であり、黄道を含む面を黄道面と称する。この黄道面は、天の赤道を含む面（この面を赤道面と称する）に対して、２３．４４°の角度で交差している。

この天球座標系において、太陽の真の方向余弦は、数式（９）で与えられる。

数式（９）および図２における角度δは、楕円軌道上の地球の位置を単位radで示した角度（すなわち視赤緯）である。この視赤緯δは一日に一度算出する。この視赤緯δは、夏至においては２３．４４°、冬至においては−２３．４４°、秋分および春分においては０°である。この視赤緯δは、数式（１０）によって算出される。

数式（１０）の単位はradである。単位を°（deg）に変換する場合には、180／π＝57.29578を掛ければよい。数式（１０）中、Γ＝2πｎ／365である。ｎは１月１日を0として起算した正月からの日数である。ただし、閏年の２月２９日のΓは２月２８日と変わらないものとする（すなわち、閏年の場合には、２月２９日にｎをカウントしない）。この数式（１０）は、地球の軌道が楕円であることを近似した近似式である。本近似式における最大誤差は0.05°であり、実用上充分な追尾精度が得られるものと考えられる。なお、この数式（６）はSpencerの式と称され、「新太陽エネルギー利用ハンドブック（日本太陽エネルギー学会編（2001））」に記述される。

本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１が、実際に太陽を追尾するためには、地表面（すなわち、太陽追尾装置１の設置場所）からみた太陽の方角を知る必要がある。そこで、太陽の方角を示す座標系を、天球座標系から地上座標系に変換（回転）する。

図３は、地上座標系における太陽の方角などを模式的に示した図である。地上座標系における太陽の方角は、天球座標系におけるＺ軸を回転軸として（すなわち方位角軸まわりに）、時間の経過とともに変化（回転）する。これは、天体が北極星（すなわち天の北極）を中心として、時間の経過とともに回転することに対応するものである。また、太陽追尾装置１の設置場所の緯度φ°に応じて、天球座標系の天頂を、東西方向の軸線まわりに（９０°−φ°）だけ回転させる。この回転させた天頂の方角が、太陽追尾装置１の設置場所（緯度＝φ°）における天頂方向になる。

したがって、地上座標系における太陽の真の方向余弦は、まず、天球座標系における太陽の真の方向余弦を、Ｚ軸方向まわりに時間に応じて回転する座標系に変換する。そして、Ｙ軸方向（傾斜角方向）に、（９０°−φ°）だけ回転させた座標系に変換することによって得られる。

前記「Ｚ軸方向まわりに時間に応じて回転する」角度は、時角ωである。時角ωは、太陽の軌道において、太陽の方角を南中の方角から軌道に沿って計測した角度である。具体的には、南中時が０°で、一時間が１５°である。また、午前を負（マイナス）、午後を正（プラス）とする。時角ωは、次の数式（１１）によって、都度算出される。

数式（１１）中のθは均時差（単位：°（deg））、Ｌは太陽追尾装置１の設置場所の経度（単位：°（deg））、Ｔは時間である。時間Ｔは、例えば時刻が８時４５分２５秒であれば、Ｔ＝８＋４５／６０＋２５／３６００で与えられる。この均時差θは、日の出および南中時刻の日にちによっての変化である。具体的には均時差θは、次の数式（１２）で与えられる。

数式（１２）の単位はradである。単位を°（deg）に変換する場合には、180／π＝57.29578を掛ければよい。この数式（１２）はSpencerの式と称され、「新太陽エネルギー利用ハンドブック（日本太陽エネルギー学会編（2001））」に記述される。Γは前記のとおりである。この数式（１２）における最大誤差は３５秒（角度に換算して０．１４°）である。

これらより、天球座標系から地上座標系に変換した太陽の真の方向余弦は、次のようにして算出される。まず、天球座標系における太陽の理論上の方向余弦を、方位角の方向（Ｚ軸まわり）に（−ω°）だけ回転させた座標系に変換し、その後、傾斜角方向（Ｙ軸まわり）に（９０°−緯度（φ）°）だけ回転させた座標系に変換する。

一般的に、Ｚ軸の正の向きから見て反時計回りに角度Θだけ回転させた新しい座標系での方向余弦への変換行列は、数式（１３）で与えられる。同様に、Ｙ軸の正の向きから見て反時計回りに角度Θだけ回転させた新しい座標系での方向余弦への変換行列は、数式（１４）で与えられる。

したがって、数式（１４）中のΘを（−ω）に置き換えた行列と、数式（１３）中のΘを（９０−φ）に置き換えた行列を、数式（９）に示す行列（天球座標系における太陽の真の方向余弦）に作用させる。これらの変換行列（数式（１３）、数式（１４））を天球座標系における太陽の理論上の方向余弦に作用させると、数式（１５）のとおりになる。この数式（１５）を計算すると、数式（１６）が得られる。

この行列（数式（１６））が、地上座標系における太陽の真の（すなわち理論上の）方向余弦である。

一方、太陽追尾装置１の設置誤差を考慮した太陽の方向余弦（すなわち、補正パラメータを計算式に含めた方向余弦）は、次のように算出される。図４は、太陽追尾装置１の設置誤差を模式的に示した座標系、およびこの座標系における補正パラメータを模式的に示した図である。図４のうち、実線が真の鉛直軸、東西方向軸および南北方向軸を示す。また、破線が、太陽追尾装置１の現実の鉛直軸（回転軸）および方位角軸を示す。

太陽追尾装置１の設置誤差としては、次のようなものが挙げられる。（ａ）太陽追尾装置１の方位角軸（鉛直軸）の現実の鉛直方向からの傾斜、（ｂ）太陽追尾装置１の傾斜角軸の水平方向からの傾斜、（ｃ）太陽追尾装置１の方位角軸の方向と現実の方位角軸の方向とのずれ、（ｄ）太陽追尾装置１の傾斜角軸の方向と現実の傾斜角軸の方向とのずれ。

（ａ）太陽追尾装置１の方位角軸の鉛直方向からの傾斜は、太陽追尾装置１の設置時において、発電モジュール２を支持する支柱１１などの鉛直出しが不充分である場合に生じる誤差である。また、発電モジュール２を水平方向（方位角方向）に回転させるための歯車（前記ウォームギア）が、厳密に水平でない場合などにも生じる。

（ｂ）太陽追尾装置１の傾斜角軸の水平方向からの傾斜は、たとえば、発電モジュール２を支持するジャッキ１３のアンバランス（具体的には、左右一組のジャッキ１３で発電モジュール２を支持する構成において、左右のジャッキ１３のバランスがとれていないなど）によって生じる誤差である。また、発電モジュール２を傾斜角軸まわりに支持する軸受けの取り付け精度が不充分である場合などにも生じる。

（ｃ）太陽追尾装置１の方位角軸の方向と現実の方位角軸の方向とのずれは、太陽追尾装置１の方位出しが不充分（すなわち、太陽追尾装置１の東西南北の方向の設定が不充分）である場合に生じる誤差である。また、設置場所の緯度の測量誤差や時計の誤差などによっても生じる。

（ｄ）太陽追尾装置１の傾斜角軸と現実の傾斜角軸とのずれは、太陽追尾装置１の水平出しが不充分であったり、設置場所の測量誤差などによって発生する誤差である。

このように、前記のような設置誤差が発生すると（すなわち、太陽追尾装置１が設置誤差を含むと）、図４に示すように、真の方位角軸、傾斜角軸を基準とする座標系と、太陽追尾装置１に設定される座標系とが一致しない。すなわち、真の方位角軸、傾斜角軸を基準とする座標系と、太陽追尾装置１に設定される座標系との間にズレが生じる。

そこで、本発明の実施形態においては、補正パラメータを次のように定義する。（１）方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、南北方向の方向正弦をδｘとする。（２）方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、東西方向の方向正弦をδｙとする。（３）傾斜角軸の水平方向からの傾斜の方向正弦をδｚとする。（４）方位角軸のオフセットをΔωとする。（５）傾斜角軸のオフセットをΔφとする。

このうち、（４）方位角軸のオフセットΔωは、南中時刻において、太陽集光スポットが太陽電池（または集光器）の南北方向の中心に位置するように調整することで求められる。（５）傾斜角軸のオフセットΔφも、南中時刻において、太陽集光スポットが太陽電池（または集光器）の東西方向の中心に位置するように方位角が調整することで求められる。したがって、計算によって決定される補正パラメータは、（１）方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうちの南北方向の方向正弦δｘ、（２）方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうちの東西方向の方向正弦δｙ、（３）傾斜角軸の水平方向からの傾斜の方向正弦δｚの３つである。

計算によって決定される補正パラメータを前記の３つとした理由は、次のとおりである。図４に示すように、太陽追尾装置１の実際の鉛直軸は、真の鉛直軸からずれる。補正パラメータδｘ，δｙは、真の鉛直軸に対する太陽追尾装置１の実際の傾斜角の追尾誤差の正弦成分と方位角の追尾誤差の正弦成分である。すなわち、鉛直軸のズレをそのまま補正パラメータとして選択する。真の鉛直軸に対して、南北方向の傾斜の正弦成分と、東西方向の傾斜の正弦成分とが分かると、真の鉛直軸に対する太陽追尾装置１の実際の鉛直軸のズレは一義的に定まる。

これに対して、真の傾斜角と太陽追尾装置１の現実の傾斜角については、一軸分の正弦成分δｚを補正パラメータとして選択する。本来であれば、太陽追尾装置１の現実の傾斜角も、他の二軸に対する正弦成分を補正パラメータとして選択すれば、太陽追尾装置１の傾斜角のズレも一義的に決まる。しかしながら、後述するフィッティングによる補正パラメータの決定（算出）において、求めるべき変数の数が多くなると、カップリングが生じるおそれがある。したがって、傾斜角については一軸分の正弦成分に限定し、全体としてδｘ，δｙ，δｚの３つのパラメータを補正パラメータとして定義する。このように、補正パラメータの数を３つに限定することにより、後の補正パラメータの決定（算出）を容易かつ安定的に行うことができるようになる。

補正パラメータδｘ、δｙ、δｚは、機構上および数学上において、互いに相関を有しない。互いに相関を有しないと、後述する補正パラメータのフィッティングによる算出において、互いに影響を与えることがない。したがって、安定して補正パラメータを算出することができる。また、どのよう誤差が生じたとしても、安定して補正パラメータを決定（算出）することができる必要である。補正パラメータをこの３つにすることによって、フィッティングによる決定（算出）において、安定して補正パラメータを決定（算出）することができる。

このような補正パラメータを用いると、太陽追尾装置１の設置誤差を考慮した太陽の方向余弦（すなわち、補正パラメータによって補正された太陽の方向余弦）は、数式（１７）で与えられる。

ここで、数式（１７）中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｖは、それぞれ次のとおりである。

この数式（１７）における右辺第一項（数式（１９）のＢ）は、数式（１６）（すなわち、太陽の真の方向余弦）と同一である。右辺第二項の行列（補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）に作用する行列（数式（２０）の行列Ｃ））は、視赤緯δおよび時角ωを変数とする関数である。視赤緯δおよび時角ωは、日付や時刻により変化する変数であるから、右辺第二項の行列（補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）に作用する行列）Ｃは、時間を変数とする行列である。また、この行列Ｃは、すべての日時において値が略０（ゼロ）になる特異行列である。

したがって、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚにより補正された太陽の方向余弦（数式（１７）および数式（１８）のＡ）は、太陽の真の（理論的な）方向余弦と、「時間ｔを関数とする行列ｆ（ｔ）」と「補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）」の積と、の和で表現できる。すなわち、数式（２２）に示す一次結合式で表される。数式（２２）における左辺の列ベクトル（ｌ，ｍ，ｎ）は、誤差を考慮に入れた太陽の方向余弦である。右辺第一項の列ベクトル（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）は、理論上の太陽の方向余弦である。

数式（１７）および数式（２２）の算出過程は次のとおりである。

ある単位ベクトルｎ（ｎ_０，ｎ_１，ｎ_２）を回転軸とし、そのまわりに正の回転方向に角度Ωだけ回転させた新しい座標系での方向余弦への変換ベクトルは、一般的に数式（２３）で表される。

この式を用い、δｘ、δｙ、δｚだけ傾いた軸で座標変換行列を求める。すなわち、列ベクトル（０，１−δｚ^２，δｚ）を、数式（２３）の（ｎ_０，ｎ_１，ｎ_２）に代入し、Ωに（９０°−φ°）を代入する。そうすると次の数式（２４）のようになる。

これらの行列の各項のうち、二次以上の項を微小として無視すると（二次以上の項の値をゼロとすると）、数式（２５）のようになる。

また、列ベクトル（δｘ，δｙ，（１−δｘ^２−δｙ^２）^１／２）を、数式（１９）の（ｎ_０，ｎ_１，ｎ_２）に代入し、Ωに（９０°−φ°）を代入する。そして、二次以上の項を微小として無視すると（二次以上の項の値をゼロとすると）、数式（２６）のようになる。

これらの座標変換行列を、天球座標での太陽位置の方向余弦に作用させると、軸がずれたときの方向余弦が求められる。具体的には、次の数式（２７）のように表現される。

このようにして得られた式において、各項のうちの二次以上の項を微小として無視する（二次以上の項の値をゼロとする）とともに、ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）でまとめると、次の数式（２８）で表される。

この数式（２８）の右辺第一項の行列は、数式（１６）と同一である。すなわち、右辺第一項は、太陽の真の（理論上の）方向余弦である。右辺第二項の補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）に作用する行列は、視赤緯δおよび時角ωを変数とする関数である。さらに、視赤緯δおよび時角ωは、日付や時刻により定まる変数であるから、右辺第二項の行列（補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）に作用する行列）は、時間を変数とする行列である。

このように、設置誤差を考慮に入れた太陽の方向余弦（補正パラメータを計算式に加えた太陽の方向余弦）は、真の（理論的な）方向余弦と、時間を関数とする行列および補正パラメータからなる列ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）の積と、の和に整理できる。

そして、補正パラメータにより補正された傾斜角η１は数式（２９）で与えられ、補正パラメータにより補正された方位角α１は数式（３０）で与えられる。なお、数式（３０）中のｌとｍは、それぞれ数式（３１）、数式（３２）で与えられる。

この傾斜角η１の数式（２９）は、数式（２７）の右辺の第三行の正弦逆関数である。太陽の方向余弦のＺ軸成分は、傾斜角の正弦関数（サイン関数）であるから、方向余弦の正弦関数の逆関数が太陽の傾斜角η１となる。この傾斜角η１は、日の出および日没において０°となる。

方位角α１の数式（３０）は、数式（２７）の右辺第二行を右辺第一行で除した値のタンジェント関数の逆関数である。すなわち、一般的に方向余弦は数式（３０）で表される。ここで、αは方位角であり、ηは傾斜角である。第二行を第一行で除すると、その値はtanαとなる。したがって、右辺第二行を右辺第一行で除した値のタンジェントの逆関数はatan（tanα）となり、方位角α１となる。なお、右辺第一行が負（マイナス値）の場合には、１８０°を加えることにより、方位角αの値を正（プラス）にする。

次に、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの決定（算出）方法、および本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の補正方法について説明する。図５は、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの決定（算出）方法、および本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の補正方法の手順を示したフローチャートである。

ステップＳ１において、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１が設置される。太陽追尾装置１には、位置制御手段４１、方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５が装着される。設置された太陽追尾装置１は、設置誤差を有している場合がある。すなわち、前記のように、方位角軸（鉛直軸）の現実の鉛直方向からの傾斜、傾斜角軸の水平方向からの傾斜、方位角軸の方向と現実の方位角軸の方向とのずれ、傾斜角軸の方向と現実の傾斜角軸の方向とのずれなどを含んでいる場合がある。このため、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚは、現実にはゼロではない場合がある。そこで、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚを決定（算出）するために、このステップＳ２においては、各補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値が初期値として０（ゼロ）に設定される。

ステップＳ３においては、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の水平位置の傾斜がゼロになるように調整が行われる。この調整には、たとえば水準器などを用いた調整が適用できる。

ステップＳ４においては、傾斜角の調整（傾斜角軸のオフセットΔφの調整）が実行される。具体的には、南中時刻において、太陽集光スポットが太陽電池（または集光器）の南北方向の中心に位置するように、傾斜角が調整される。

ステップＳ５においては、方位角の調整（方位角軸のオフセットΔωの調整）が実行される。具体的には、南中時刻において、太陽集光スポットが太陽電池（または集光器）の東西方向の中心に位置するように、方位角が調整される。これらのステップＳ４、Ｓ５の処理は、一基の追尾架台に対して行われる処理であり、複数の追尾架台に対しては、追尾架台ごとに南中時の方位角と傾斜角とがセットされる。

なお、真の南北方向および東西方向は、測量によっても求めることができる。そして、この測量結果に基づいて、傾斜角軸のオフセットΔφの調整、および方位角軸のオフセットΔωの調整を行うことも可能である。ただし、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１においては、前記のとおり、太陽が出ているときに太陽追尾装置１が太陽を追尾し、この追尾結果に基づいて太陽追尾装置１の南北方向と東西方向を調整する構成が好ましい。

ステップＳ６において、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１に、１日を通じて太陽を追尾させ、方位角α０および傾斜角η０を計測する。具体的には、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１に傾斜角実測手段４１４（傾斜計（たとえば液面傾斜計など））と方位角実測手段４１５（方位計（たとえばＧＰＳ方位計など））を装備させる。そして、これらの方位角実測手段４１４と傾斜角実測手段４１５によって、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の１日を通じた傾斜角η０と方位角α０とを測定する。そして角度取得手段は、これらの一日を通じて実測した方位角と傾斜角とをデータとして蓄積する。

なお、追尾誤差の測定方法（方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５）としては、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector：光位置センサ）素子を用い、１日を通じて太陽を追尾し、追尾誤差を測定する方法であっても良い（ＰＳＤ素子を用いた具体的な追尾誤差の測定方法については、前記非特許文献１を参照）。

ステップＳ７において、位置計算式設定手段４１２は、ステップＳ６において蓄積したデータを理論式（モデル式）にフィッティングさせ、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚを算出する。

具体的には、太陽追尾装置１に装備した傾斜計と方位計の一日を通じた測定結果に基づいて、傾斜角η０と方位角α０のグラフを作成することができる。太陽追尾装置１が設置誤差を含んでいれば、このグラフと理論式のグラフとの間にズレが生じる。このズレを最小二乗法によりフィッティングさせることにより、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値が算出される。換言すると、現実の傾斜角および方位角のグラフと、理論式の傾斜角および方位角のグラフとが一致するような（または差が少なくなるような）補正パラメータδｘ、δｙ、δｚを決定（算出）する。そして算出した補正パラメータδｘ，δｙ，δｚを、初期値と置き換える。

ステップＳ８において、補正パラメータ決定手段４１１は、算出した補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値を用いて追尾の計算を行った結果、その追尾誤差が、所定の値以内にあるか否かを判定する。具体的にはたとえば誤差が０．０５°以内であるか否かを判定する。補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値を用いた誤差が所定値を越える場合には、ステップＳ３に戻り、ステップＳ３からステップＳ８の動作を繰り返す。イレギュラーな測定値などの影響を受けて補正パラメータδｘ，δｙ，δｚが変動すると、傾斜角軸のオフセットΔφおよび方位角軸のオフセットΔωも変動するので、これらの値を調整しなおす必要がある。このため、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値を用いた誤差が所定値を越える場合には、ステップＳ４に戻る必要がある。

補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの値を用いた誤差が所定値以内であれば、補正パラメータ決定手段４１１は、補正パラメータが収束したものとみなし、当該収束した補正パラメータを、太陽追尾装置１が太陽の追尾に用いる補正パラメータに決定する。これにより調整は完了する。そして、決定した補正パラメータを、太陽追尾装置１の制御装置１４に設けられる記憶手段に記憶させる。この後は、太陽追尾装置１に装着されている位置制御手段４１、方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５を、太陽追尾装置１から取り外してもよい。換言すると、補正パラメータが決定された後には、位置制御手段４１、方位角実測手段４１４および傾斜角実測手段４１５は必要ない。

太陽追尾装置１の設置の際に設置誤差が存在すると、太陽追尾装置１に追尾誤差が発生する。この追尾誤差は、時々刻々変化する変化するものであり、また、季節によっても変化することもある。誤差の出方は時間の経過とともに逆転することもある。本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の補正方法によれば、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚを算出することにより、誤差を考慮に入れた太陽の方向余弦を、時間の関数で表すことができるようになる。そしてこの時間の関数に基づいて、追尾誤差が小さくなるように太陽を追尾することができる。すなわち、追尾誤差が小さくなるように、ソフトウェア的に補正を行うことができる。

また、本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１の補正方法によれば、一度、方位計と傾斜計を用いて追尾誤差の測定を行い、補正パラメータを算出すれば、その後は算出された補正パラメータを含んだ時間の関数に基づいて、誤差を補正することができる。したがって、補正パラメータを含んだ時間の関数を見出すことができれば、常時太陽をモニタリングする必要はなくなる。

次に、本発明の実施例について説明する。図６（ａ），（ｂ）は、太陽追尾装置１の修正前の追尾誤差と修正後の追尾誤差を示したグラフである。このグラフは数値実験の結果を示すものであり、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうちの南北方向の角度、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうちの東西方向の角度、傾斜角軸の水平方向からの傾斜を設置誤差としてそれぞれ乱数で与えたものである。そして、それぞれ、円周方向が太陽電池からみた太陽の方角を示し、半径方向が誤差の大きさを示す。（ａ）と（ｂ）の共通条件として、経度：３４．８８４°、緯度１３６．８２６°の位置に太陽追尾装置１が設置され、夏至の日において一日を通じて追尾誤差を算出する。

（ａ）に示すグラフは、それぞれ、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、南北方向の角度（δδｘ）が０．５５５°、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、東西方向の角度（δδｙ）が１．２５８°、傾斜角軸の水平方向からの傾斜（δδｚ）が−１．８４７°だけ設置誤差があるものとして、追尾誤差を算出したグラフである。（ｂ）は、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、南北方向の角度（δδｘ）が０．７３２°、方位角軸の鉛直方向からの傾斜のうち、東西方向の角度（δδｙ）が−１．７５１°、傾斜角軸の水平方向からの傾斜（δδｚ）が−１．５９２°だけ設置誤差があるものとして、追尾誤差を算出したグラフである。

（ａ）に示すグラフにおいては、補正前の追尾誤差は、追尾誤差が１〜５°の範囲に広く分布しており、追尾誤差が大きい値であるとともに、誤差の幅も大きい。これに対して補正後の追尾誤差は、おおむね０．０２°以内に収まっている。（ｂ）に示すグラフにおいては、補正前の追尾誤差は、追尾誤差が１°より大きい値になっている。これに対して補正後の追尾誤差は、おおむね０．０２°以内に収まっている。このように、本発明の実施形態にかかる補正方法によれば、追尾誤差を０．０２°以内に収めることができる。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は、前記実施形態または実施例に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施形態にかかる太陽追尾装置１、およびこの太陽追尾装置１を備える太陽光発電装置の構成を、模式的に示した外観斜視図である。天球座標系を模式的に示した図である。地上座標系を模式的に示した図である。論理的な地上座標系と、太陽追尾装置１の座標系のズレを模式的に示した図であり、補正パラメータδｘ，δｙ，δｚの定義を示す。補正パラメータの算出方法の手順を示したフローチャートである。（ａ），（ｂ）は、それぞれ太陽追尾装置１の修正前の追尾誤差と修正後の追尾誤差を示したグラフである。

符号の説明

１太陽追尾装置
１１支柱
１２水平回転駆動機構
１３ジャッキ
１３１支持軸
１４制御装置
２発電モジュール
３基盤

Claims

太陽光を集光して発電する発電モジュールを備えた集光式太陽光発電装置の太陽追尾装置であって、太陽の方位角αを経時的に実測する方位角実測手段と、太陽の傾斜角ηを経時的に実測する傾斜角実測手段と、前記発電モジュールを太陽の方角へ向ける位置制御を行う位置制御手段とを備え、前記位置制御手段は、地上における直交座標系で示される太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）を理論上の方向余弦（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）と補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を加味した日時の関数との和として設定する位置計算式設定手段と、前記方位角実測手段と前記傾斜角実測手段からの実測値である方位角α１と傾斜角η１とを取得する角度取得手段と、前記取得した方位角α１と傾斜角η１と、前記太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）から算出される計算上の方位角α０と傾斜角η０とを比較して前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を定数として決定する補正パラメータ決定手段とを有し、前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）の決定以後の位置制御として、該決定した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を使用した方位角α０の計算式（１）と傾斜角η０の計算式（２）を用いて太陽の追尾を行う集光式太陽光発電装置の太陽追尾装置。ここで、数式（１）中のｌ、ｍはそれぞれ数式（３）、数式（４）で表される。また、ωは時角、δは太陽の視赤緯、φは太陽追尾装置の設置場所の緯度である。
太陽光を集光して発電する発電モジュールを備えた集光式太陽光発電装置の太陽追尾装置の追尾方法であって、前記太陽追尾装置が太陽の出ている間に現実の太陽の方位角および傾斜角を経時的に実測する段階と、前記実測した方位角および傾斜角を累積的に記憶する段階と、前記実測した太陽の方位角および傾斜角に基づく現実の太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）を理論上の太陽の方向余弦（ｌｌ，ｍｍ，ｎｎ）と補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を加味した日時の関数との和として設定する段階と、前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を初期化する段階と、前記記憶した方位角および傾斜角と前記太陽の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）から算出される計算上の方位角および傾斜角とを比較して前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を定数として決定する段階と、前記初期化した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を前記決定した補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）に置き換える段階と、定数として決定され置き換えられた前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を記憶する段階と、を備えるとともに、定数として決定されて置き換えられた前記補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）を記憶した以後は、太陽の方位角α０を数式（５）を用いて追尾し、太陽の傾斜角η０を数式（６）を用いて追尾することを特徴とする太陽追尾装置の追尾方法。ここで、数式（５）中のｌ、ｍはそれぞれ数式（７）、数式（８）で表される。また、ωは時角、δは太陽の視赤緯、φは太陽追尾装置の設置場所の緯度である。