JP2009294739A

JP2009294739A - 太陽光追尾装置

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Publication number: JP2009294739A
Application number: JP2008145420A
Authority: JP
Inventors: Katsuhito Kizara; 且人木皿; Masayuki Shinno; 正之新野; Kazuyuki Suzuki; 一行鈴木; Toichiro Ishikawa; 東一郎石川
Original assignee: FOUNDATION FOR PROMOTION OF JA; FOUNDATION FOR PROMOTION OF JAPANESE AEROSPACE TECHNOLOGY
Current assignee: FOUNDATION FOR PROMOTION OF JA; FOUNDATION FOR PROMOTION OF JAPANESE AEROSPACE TECHNOLOGY
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-03
Also published as: JP5207366B2

Abstract

【課題】低電力で高精度に太陽光の入射方向を検出できる差分式の太陽光追尾装置を提供する。
【解決手段】太陽光追尾装置は、所定長さ及び所定口径の筒部２０と、筒部を回転移動させる駆動部と、筒部の外部に設けられる第一の一対の太陽電池１０ａ、１０ｂを有し、前記第一の一対の太陽電池の受光量差に対応する第一の差分電圧を出力する第一の検出部と、筒部の内部に設けられ且つ筒部内に入射された太陽光を受光する第二の一対の太陽電池１０ｃ、１０ｄを有し、第二の一対の太陽電池の受光量差に対応する第二の差分電圧を出力する第二の検出部と、第一の差分電圧及び第二の差分電圧に基づいて駆動部を駆動させる駆動制御部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光の入射方向を追尾する太陽光追尾装置に関し、特に、一対の太陽電池の出力差により太陽光の入射方向を検出する差分式の太陽光追尾装置の高精度化に関するものである。

太陽光発電システム（太陽光受光装置）では、太陽光を受光する面（太陽電池パネル）を太陽光入射方向に対向させるように追尾させる太陽光追尾装置を搭載するものがある。太陽光追尾装置として、一対の太陽電池の出力差により太陽光の入射方向を検出する差分式の太陽光追尾装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１は、従来における差分式太陽光追尾装置の原理を説明する図である。図１において、一対の検出用太陽電池１０ａ、１０ｂが所定角度をなして、具体的には二等辺三角形の二辺となるように組み立てられ、それぞれの出力差を抽出するため出力極性の位相を反転して接続する。太陽電池１０ａ、１０ｂそれぞれの受光量の差は差分電圧ΔＶとして出力される。差分電圧ΔＶは太陽光の入射方向とのずれ角に応じて正の値又は負の値となる。

差分電圧ΔＶはフォトリレー回路３０に入力される。フォトリレー回路３０には、ＬＥＤ（発光ダイオード）による光カップリングによりＯＮ／ＯＦＦ動作する２つのスイッチが設けられる。２つスイッチは、それぞれ太陽電池１０ａ、１０ｂを駆動するモータ（図示せず）を正方向又は負方向に駆動させるスイッチである。なお、太陽電池１０ａ、１０ｂは通常太陽電池パネル面上の所定位置に配置され、モータは太陽電池パネルを回転させる駆動手段であり、太陽電池パネルの回転に伴って、太陽電池１０ａ、１０ｂも回転移動する。

差分電圧ΔＶがＬＥＤの励起電圧より大きい場合、その符号によりいずれか一方のＬＥＤが発光し、対になっているスイッチがＯＮすることで、差分電圧ΔＶが小さくなる方向に太陽電圧ａ、ｂを駆動させる。

太陽の入射方向とのずれ角が小さくなり、太陽電池１０ａ、１０ｂそれぞれの受光量が均等に近づくほど、差分電圧ΔＶの絶対値は０に近づき、差分電圧ΔＶがＬＥＤの励起電圧より小さくなったときに、太陽光の入射方向が特定される。なお、太陽電池パネル及び太陽電池１０ａ、１０ｂは、仰角方向及び方位角方向の両方に回転可能に取り付けられ、仰角方向及び方位角方向それぞれについて、差分電圧ΔＶによる方向検出制御が行われる。本明細書では、説明を簡略化するために、一方向についての方向検出制御について説明するが、仰角方向及び方位角方向それぞれについて同一の方向検出制御が適用される。

差分電圧ΔＶがＬＥＤの励起電圧より小さくなったときの入射方向とのずれ角、すなわち差分式太陽光追尾装置の検出精度は、太陽電池１０ａ、１０ｂの受光量差に依存するため、検出精度を高めるには、太陽光との入射方向とのずれているときの受光量差を大きくするようにする必要がある。検出精度が低いと、入射方向に正確に向いていないので、そのずれ角分太陽電池パネルでの受光量が減少し、発電効率が低下する。そのため、図１に示すように太陽電池１０ａ、１０ｂが所定角度を形成するように配置したり、太陽電池１０ａ、１０ｂの間に陰を作るための衝立（図示せず）を設けたりして、相対的に大きな受光量差を作り出す構成が採用される場合があるが、このような構成は受光量自体を制限することにもつながり限界がある。

特に、広範囲な検出範囲（視野角）を維持するには、広範囲にわたって一定光量以上を受光する必要があり、追尾が停止した状態から一定時間経過してから追尾を再開する場合、ずれ角が大きくなってしまうと、必要な受光量を得られない場合があり得る。雨天、曇天、夜間などでの光量不足により比較的長い期間追尾が停止し、太陽電池パネルの向きが太陽光入射方向に対して大きくずれてしまった場合に、その後、晴天になり十分な日射量があっても、太陽電池１０ａ、１０ｂは必要な受光量を得られず、追尾が再開できないおそれがある。特に、日没によって追尾が停止し、翌日の日の出から追尾を再開させる場合、約１８０度のずれを検出し補正する必要がある。

一方、近年、太陽光発電システムの高効率化の一環として、集光型太陽光発電システムが開発され、高精度で太陽を追尾する必要が生じてきている。集光型太陽光発電システムは、例えば、レンズや鏡（反射板）により構成された光学系によって集められた太陽光を太陽電池パネルに入射させることで、太陽電池パネルに入射させる太陽光を高密度化して高効率の発電を実現するものである。太陽光の高密度化のためには、さらに高精度に太陽光の入射方向を特定することが求められており、高精度で太陽を追尾するために、例えば、コンピュータを用いて、緯度、経度、日付、時間をパラメータとして太陽高度を計算し、時々刻々と変化する太陽光の入射方向を演算により求めて追尾するシステムも実用化している。
特開平６−２５０７３９号公報

しかしながら、コンピュータにより太陽光の入射方向を演算して追尾される方式は、常時コンピュータに電力を供給し続ける必要があり、差分式と比べて大きな電力を消費する。また、追尾のためのコンピュータシステムが複雑であり、またメンテナンスも容易でなく、追尾用システムの構築及びメンテナンスに多大なコストがかかる。

そこで、本発明の目的は、相対的に低い電力で高精度に太陽光の入射方向を検出することができる差分式の太陽光追尾装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の太陽光追尾装置の第一の構成は、太陽光の入射方向を追尾する太陽光追尾装置において、所定長さ及び所定口径の筒部と、前記筒部を回転移動させる駆動部と、前記筒部の外部に設けられる第一の一対の太陽電池を有し、前記第一の一対の太陽電池の受光量差に対応する第一の差分電圧を出力する第一の検出部と、前記筒部の内部に設けられ且つ前記筒部内に入射された太陽光を受光する第二の一対の太陽電池を有し、前記第二の一対の太陽電池の受光量差に対応する第二の差分電圧を出力する第二の検出部と、前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧に基づいて前記駆動部を駆動させる駆動制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の太陽光追尾装置の第二の構成は、上記第一の構成において、前記第一の検出部と前記第二の検出部とは並列に接続され、前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧が前記駆動制御部に供給されることを特徴とする。

本発明の太陽光追尾装置の第三の構成は、上記第二の構成において、前記第一の差分電圧が所定しきい値電圧以上の場合、前記第二の差分電圧は前記所定しきい値電圧未満であって、前記第一の差分電圧が前記所定しきい値電圧未満になると、前記第二の差分電圧が前記所定しきい値電圧以上になることを特徴とする。

本発明の太陽光追尾装置の第四の構成は、上記第三の構成において、前記駆動制御部は、前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧のいずれか一方が前記所定しきい値電圧以上の場合のみ前記駆動部を駆動させることを特徴とする。

本発明の太陽光追尾装置によれば、低電力且つ簡易な構成により、太陽光の追尾をヨリ高精度に行うことができ、太陽光受光装置を高い精度で入射方向に向けさせることができ、発電効率の向上に貢献する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図２は、本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の構成例を示す図である。本太陽光追尾装置は発電用の太陽電池パネルなどの太陽光受光装置（図示せず）に搭載され、パネル面を太陽光の入射方向に向けるためのモータにより、太陽電池パネルとともに回転移動する。

図２において、太陽光追尾装置は、一方が開口した所定口径及び所定長さの筒部２０の開口部分の外側に一対の太陽電池（以下、粗調整用太陽電池と称する）１０ａ、１０ｂが互いの所定角度をなして配置され、筒部２０の底部にもう一対の太陽電池（以下、微調整用太陽電池と称する）１０ｃ、１０ｄが配置される。粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂは、筒部２０の中心に対して対称となる位置に、筒部２０の長手方向軸線に対して左右対称同一角度で配置される。微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄは、図示されるように、筒部２０の底面に筒部２０の長手方向軸線に対して左右対称に平面上に配置される。なお、筒部２０の内面は無反射塗装により筒部２０内での反射が防止される。

図３、図４及び図５は、本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の動作例を示す図である。図３乃至図５では、便宜上太陽光の入射角度のみが変化しているように示されるが、実際上太陽光の入射角度の変化を追尾するように太陽光追尾装置自体が回転する。

本実施の形態の太陽光追尾装置は、図３に示すように、太陽光の入射角と筒部２０の長手方向軸性とのずれ角が大きく、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂの差分電圧ΔＶabがＬＥＤ励起電圧以上の場合、差分電圧ΔＶabを０とする方向に筒部２０をモータなどの駆動部により回転駆動し、筒部２０の開口部分が太陽光の入射方向に向くように回転させる。差分電圧ΔＶabによる駆動は、差分電圧ΔＶabがＬＥＤ励起電圧より小さくなるまで行われる。図３の状態では、太陽光は筒部２０の底面まで到達していないため、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄによる差分電圧ΔＶcdは０である。

そして、差分電圧ΔＶabがＬＥＤ励起電圧未満となる状態においては、太陽光が筒部２０の底面にまで到達する程度にまで筒部２０の軸線を入射方向とほぼ一致させる検出精度を備えさせる（筒部２０の底面にまで届く太陽光を直達光と称する場合がある）。具体的には、図４に示すように、差分電圧ΔＶabがＬＥＤ励起電圧より小さくなるときのずれ角αにおいて、太陽光が筒部２０の底面の一部に太陽光が到達し、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの差分電圧ΔＶcdがＬＥＤ励起電圧以上となるように、筒部２０の長さＬ及び半径Ｒが決められる。

こうして、筒部２０の底面にまで太陽が到達すると、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄが太陽光を受光し、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの検出する光量差すなわち差分電圧ΔＶcdに基づいたより高精度な駆動制御が行われる。

粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂは、筒部２０の外側に配置されるので、図１に示した太陽電池１０ａ、１０ｂと同等の太陽光に対する広い視野角を有し、追尾停止時から追尾再開時の角度差が大きい場合であっても、好ましくは、想定される最大角度差例えば日没時と日の出時の角度差が生じても追尾可能な光量を取得できる位置に配置される。ただし、差分式の検出方式の場合、視野角と検出精度はトレードオフの関係にあるため、広範囲の視野角を有する粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂにより検出可能な入射方向は所定のずれ角が伴う。図４に示す例では、差分電圧ΔＶabがＬＥＤ励起電圧未満となっても、太陽光の入射方向と筒部２０の長手方向の軸線は所定のずれ角α分の角度差がある。

一方、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄは、筒部２０内の底面に配置されるため、入射方向との角度差が所定ずれ角αより大きい場合（図３の状態）は、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄによるＬＥＤ励起電圧以上の差分電圧ΔＶcdを作り出すのに十分な太陽光が筒部２０の底面に到達しない。

そして、入射方向と筒部２０の長手方向軸線方向との角度差が所定ずれ角α以内となってはじめて、ＬＥＤ励起電圧以上の差分電圧ΔＶcdが発生する。このとき、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄは筒部２０内に収容されるため、所定ずれ角α以内において、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄには、太陽光が到達しない領域（半径方向長さ）Ｚが作り出され、入射角度の違いによる光量差よりも大きい光量差を作り出すことができる。そのため、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの光量差は相対的に大きくなり、より高い検出精度が得られる。

微調整用太陽電池ｃの検出精度、すなわち微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの差分電圧ΔＶcdがＬＥＤ励起電圧未満となるときの角度βは角度αより小さく（図５参照）、筒部２０の長さをＬ、差分電圧ΔＶcdがＬＥＤ励起電圧未満となるとき筒部２０の半径方向における直達光が到達しない長さをＺminとすると、
β＝tan^-1(Zmin/L) …（１）
と表すことができる。

図６は、本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の回路構成例を示す図である。図６において、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂは、その出力差を抽出するため出力極性の位相を反転して接続され、太陽電池１０ａ、１０ｂそれぞれの受光量の差は差分電圧ΔＶabとして出力される。微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄもその出力差を抽出するために出力極性の位相を判定して接続され、太陽電池１０ｃ、１０ｄそれぞれの受光量の差は差分電圧ΔＶcdとして出力される。そして、一対の粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂと一対の微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄとは並列に接続され、その出力（差分電圧）は同じフォトリレー回路３０に入力される。

差分電圧ΔＶab、ΔVcdはフォトリレー回路３０に入力される。フォトリレー回路３０には、図１の構成と同様に、ＬＥＤによる光カップリングによりＯＮ／ＯＦＦ動作する２つのスイッチ３１ａ、３１ｂが設けられる。２つスイッチ３１ａ、３１ｂは、それぞれ筒部２０を駆動する駆動部４０を正方向又は負方向に駆動させるスイッチである。筒部２０は通常太陽電池パネル面上の所定位置に配置され、駆動部４０は、例えばモータなどの太陽電池パネルを回転させる駆動手段であり、太陽電池パネルの回転に伴って筒部２０も回転移動する。

太陽光の入射方向と筒部２０の長手方向軸線との角度差θが所定ずれ角αより大きい場合（α＜θ）、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂは、ＬＥＤ励起電圧以上の差分電圧ΔＶabを出力し、差分電圧ΔＶabが小さくなる方向（筒部２０が入射方向に向く方向）に筒部２０が回転される。この場合、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄには直達光が届かないので、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの差分電圧ΔＶcdは０であり（直達光が届く場合でも差分電圧ΔＶcdがＬＥＤ励起電圧未満）、差分電圧ΔＶabのみで駆動制御される。

そして、太陽光の入射方向と筒部２０の長手方向軸線との角度差θが所定ずれ角αとなるまで回転すると（θ＝α）、差分電圧ΔＶabはＬＥＤ励起電圧未満となるが、同時に、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄに十分な直達光が届き、両者の光量差に基づいてＬＥＤ励起電圧以上の差分電圧ΔＶcdが発生する。差分電圧ΔＶcdを小さくなる方向にさらに筒部２０を回転駆動させる。すなわち、太陽光の入射方向と筒部２０の長手方向軸線の角度差θが所定ずれ角αより小さい場合（α＞θ≧β）、差分電圧ΔＶabは励起電圧未満となるが、励起電圧より大きい差分電圧ΔＶcdが発生することで、角度差をさらに小さくする励起電圧より大きくずれ角βまで小さくすることができる。角度差が更に小さくなる方向に筒部２０を回転させることができ、ずれ角β（＜α）まで検出精度を高めることができる。また、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂによる検出から微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄによる検出への移行がシームレスに行われる。

このように、本太陽光追尾装置は、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂによる差分電圧ΔＶabにより筒部２０を太陽の方向におおよそ向くように回転させ（粗調整）、太陽光が筒部２０の底面にまで到達する程度にまで筒部２０を太陽に向けると、筒部２０の底面の微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄが直達光を検出し、さらに高精度に筒部２０の角度を調整する（微調整）。

図６に示したように、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂと微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄを並列に接続し、差分電圧ΔＶabとΔＶcdを共通のフォトリレー回路（駆動制御部）３０に入力する構成とすることで、粗調整用太陽電池１０ａ、１０ｂによる検出から微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄによる検出にシームレスに移行させることができる。また、回路が共通化され、簡素な回路構成で高精度な追尾が可能となる。

差分電圧ΔＶab及び差分電圧ΔＶcdともにＬＥＤ励起電圧より小さくなると、追尾は停止する。逆にいうと、直達光がある場合においても、ずれ角βがβ＝tan^-1(Zmin/L)に達すると、それ以上の追尾動作は行わない。すなわち、ずれ角βより大きくなった場合のみ追尾動作を行う。ずれ角βの誤差を許容することで、ずれ角βをさらに小さくするための機構及びそれを駆動するための追加の電力を不要とし、装置構成の簡素化、低コストが図られる。ずれ角βの値は、筒部２０の長さＬ及び半径Ｒに加えて、太陽電池の寸法、配置角度、ＬＥＤの励起電圧しきい値など各種パラメータによって設定される。

図７は、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの配置の別の例を示す図であり、微調整太陽電池１０ｃ、１０ｄを筒部２０の底面において角度を設けて配置する。これにより、微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの面積を平面上に配置する場合よりも大きくすることができ、筒部２０内部に照射される太陽光の受光面積を大きくすることができる。

本太陽光追尾装置は、より高精度な追尾を簡易な構成且つ最低限の電力消費で実現するものであり、太陽電池パネルを有する発電システムに本太陽光追尾装置を適用することで、発電システムによって発電される電力を発電システム自体の回転駆動用の電力に使うのを最低限に抑えられ、全体としての発電効率の寄与に貢献する。また、複雑な機構及びメンテナンスが不要であり、設置コストやメンテナンスコストも低く抑えることができる。

従来における差分式太陽光追尾装置の原理を説明する図である。本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の構成例を示す図である。本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の動作例を示す図である。本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の動作例を示す図である。本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の動作例を示す図である。本発明の実施の形態における太陽光追尾装置の回路構成例を示す図である。微調整用太陽電池１０ｃ、１０ｄの配置の別の例を示す図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：太陽電池、２０：筒部、３０：フォトリレー回路、３１ａ、１３ｂ：スイッチ、４０駆動部

Claims

太陽光の入射方向を追尾する太陽光追尾装置において、
所定長さ及び所定口径の筒部と、
前記筒部を回転移動させる駆動部と、
前記筒部の外部に設けられる第一の一対の太陽電池を有し、前記第一の一対の太陽電池の受光量差に対応する第一の差分電圧を出力する第一の検出部と、
前記筒部の内部に設けられ且つ前記筒部内に入射された太陽光を受光する第二の一対の太陽電池を有し、前記第二の一対の太陽電池の受光量差に対応する第二の差分電圧を出力する第二の検出部と、
前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧に基づいて前記駆動部を駆動させる駆動制御部とを備えることを特徴とする太陽光追尾装置。
請求項１において、
前記第一の検出部と前記第二の検出部とは並列に接続され、前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧が前記駆動制御部に供給されることを特徴とする太陽光追尾装置。
請求項２において、
前記第一の差分電圧が所定しきい値電圧以上の場合、前記第二の差分電圧は前記所定しきい値電圧未満であって、前記第一の差分電圧が前記所定しきい値電圧未満になると、前記第二の差分電圧が前記所定しきい値電圧以上になることを特徴とする太陽光追尾装置。
請求項３において、
前記駆動制御部は、前記第一の差分電圧及び前記第二の差分電圧のいずれか一方が前記所定しきい値電圧以上の場合のみ前記駆動部を駆動させることを特徴とする太陽光追尾装置。