JP2011258905A - 太陽光追尾装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で相互干渉が起こらない密集設置できる太陽光発電用太陽方位追尾装置を低コストで提供する。
【解決手段】従来の集光型太陽光発電装置は３次元の太陽追尾が主流のため、風荷重への対応などから追尾装置が高くなる欠点があった。これを解決するために、リニアレンズ集光型で太陽高度を追尾せず太陽方位のみを追尾する２次元追尾を前提とした、既製品の鋼管パイルやローラなどで構成される太陽方位追尾装置を低コストで提供する。
また、太陽高度の追尾を行わないことから必要となる上下方向９０°近い広視野角の太陽光追尾用センサーにより太陽方位の精密追尾を行うとともに、同期したタイマー、太陽運行表から曇天時の追尾制御や日没後の始点復帰作業を行い、密集配置された太陽電池パネルの相互干渉を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明はリニアレンズによる太陽方位追尾型太陽光発電システムにおいて、土地の有効活用のため密集して設置された発電装置を運用するための、低コストで相互干渉回避機能を有する太陽電池パネル回転制御装置に関する。

地球環境問題やエネルギー資源安全保障の面から太陽光エネルギーへのニーズが世界的に高まっており、太陽光発電装置の設置実績は急激に伸びている。現在のところ固定式の太陽光発電装置が主流であるが、発電効率の向上と低コスト化ためにレンズによる集光式発電システムが注目されている。これは太陽光発電における最大のコスト要因である太陽電池セルの所要量を大幅に削減するとともに、高性能太陽電池セル採用によって電気エネルギーへの変換効率を大幅に増加させることが可能になるからである。この集光型発電システムを構成する上で、太陽追尾装置は必須な構成要素である。

レンズ等による集光型太陽光発電システムにおいては、焦点近傍に設置した太陽電池セル上に常に太陽の像を結ぶ必要があるので、太陽電池パネルを太陽に直面させるように太陽を追尾しなければならない。このためにパネルを太陽の方向に向ける機械的機構と太陽位置を検知しその方向に誘導する制御装置が必要となる。

従来主力となっている集光レンズは１点に像を結ぶ通常のレンズのため、太陽の方向だけでなく高度も追尾する必要があった。方向追尾に関しては回転台上面全体で太陽電池パネルを支持できるので簡単な機構となるが、上下方向回転は１つのピンの周りに回転させざるを得ないので、パネルの規模が大きくなったとき強風時の風荷重への耐久性から、機械的機構は重量化し精密追尾制御は高コストになるので、各種の工夫がなされている（特許文献１，２参照）。しかしながらこのような工夫をなしても、複雑さが増すとともに実質集光面積の減少という新たな欠点が生じる。

太陽追尾の方式としてセンサーによる追尾方式と、内蔵時計の時間計測と太陽の運行表から追尾する方式がある。内蔵時計方式を採用する場合、時計の誤差の精密修正やパネル設置装置の方位・高度の精密計測が必要となる（特許文献３参照）。

特開平１０−１７３２１４号公報 特開２００９−２６６８９０号公報 特開２００１−２１７４４５号公報

発明が開発しようとする課題

集光型太陽光発電方式は設置面積あたりの発電量を増加させる利点を有するが、太陽を追尾し続けなければならないので、その追尾装置にコストが嵩み普及のブレーキになっている。また、所定の敷地での太陽光発電量を最大限にするためには、なるべく密集して太陽電池パネルを設置しなければならないが、このようにすると太陽追尾型では隣接パネルとの相互干渉が発生しやすくなる問題がある。
本発明はこの干渉問題を解決しながら、従来方式に比較して極めて低コストな太陽追尾装置を提供しようとするものである。

問題を解決する手段

追尾装置の高コスト化の最大の要因となっているのは上下方向の追尾にある。本発明では上下方向の追尾を必須としないリニアレンズでの集光を前提とし、太陽方位のみを追尾する装置の低コスト化を志向する。リニアレンズ１５を縦方向に設置し太陽の方向に向ければ焦点距離近くのレンズの平行面ではレンズ中心せんと平行な１本の線２４の像ができる。このセンサー結像面１９の中心線の両側にフォトダイオードを配置した追尾センサー１を太陽電池パネル２に同じ方向に向くように取り付け、このセンサーの出力をもとに常にパネルが太陽方向を向くように制御すれば、上下方向の追尾をしなくても太陽光は結像面中心線上に集中する。

本発明では水平方向のみの追尾であるので、太陽電池パネルの設置された回転テーブル４さえ問題なく機能すればよい。まず、回転テーブルは支柱５上部に張り付けた円盤１１上に設置した受けローラ２個と駆動ローラ１個で構成される架台にセットされる。太陽電池パネルの設置された回転テーブルは重量があるので、駆動ローラ ８を回転させれば摩擦で力が伝達し回転テーブルが回転する。

回転テーブルが架台センターを中心に回転するために、回転テーブルに円筒状のスカート１３を付け、ポールに設置したガイドローラ１０でガイドする。このガイドローラは強風時に生ずる横方向の荷重への抵抗ポイントとしての役割も果たす。また、円筒状のスカートの数カ所にストッパー９を付け、架台円盤１１をつばとして上方への浮き上がりを防止する。ストッパーは円筒状のスカートに数カ所配置した小穴にボルトを締め込むぐらいで簡単に設置でき、メンテナンス時の取り外しも容易である。

架台円盤のセンターにポテンショメータ等の簡易な回転角検出器７を設置しその検出軸へ、回転テーブル中央部に開けた小穴からアクセス可能にしておく。回転テーブルを設置後、検出軸と回転テーブルを固定し、回転テーブルの回転角の検出を可能とし、接近して隣接する太陽電池パネルとの相互干渉回避に使用する。

追尾制御装置１２は回転角検出器・追尾用光センサー出力をデジタル値に変換するＤＣコンバータ、タイマー、演算用ＣＰＵ、メモリー、駆動モータ制御用リレー等から構成される。
タイマーは全国共通の絶対時間には直接リンクせず、その地域・季節に応じた相対的基準でセットする。たとえば太陽の南中時刻は年間を通じて変化し南中時から南中時までの時間も一定ではないが日々の南中時を相対的ゼロ時間として時間カウントする。このようなラフなタイマーでも１日の時間経過をカウントし、太陽が西に沈んで追尾が終わった時、太陽運行表をもとに太陽電池パネルを日の出方向に回転させカレンダーを更新し、曇天時のラフな追尾制御を行うには十分である。
また、多数の太陽電池パネルそれぞれに設置されたタイマーが一斉信号や角度検出器から割り出せる太陽南中時によって基準時間が統一されておれば、時間スケジュールに従って回転テーブルを回転させることにより、各太陽電池パネルを同一の動きで相互に干渉することなく日の出位置に戻すことができる。また、精密追尾は追尾センサーによって行うが、このタイマーと検出角度、太陽運行表により前述のようにラフ制御が可能なので、パネル相互の干渉を常に監視・防止できる。

太陽追尾センサー１は平行光として入射する太陽光をリニアレンズ１５で集光し、結像面の中心線左右両側の上端、下端にフォトダイオード２０，２１，２２，２３を配置して形成する。フォトダイオードの大きさを５ｍｍ角、リニアレンズの焦点距離を４０ｍｍとすれば水平方向の追尾可能な視野角は±５．７°程度で小さいが、カレンダーとタイマーで方位角が計算されるので容易に視野角内に誘導できる。
上下方向については像が長いので水平方向より視野角は大きいが、本発明では上下方向の追尾がないため、日の出時の水平方向から夏至の南中時の天頂近くまで、９０°近い視野角が必要となる。
リニアレンズの焦点距離を４０ｍｍ、長さを４０ｍｍとし、結像面の上端、下端にそれぞれ一対の５ｍｍ角のフォトダイオードを配置すれば視野角は約±４１°で８２°をカバーすることができる。日本ではこのセンサーで年間を通じて全天に渡って太陽追尾が可能となる。

発明の効果

集光型太陽光発電は発電効率が高く期待も大きいが、太陽追尾装置が高価なために普及に弾みがついていない。本発明の方位のみの太陽追尾装置を用いれば、驚くほどのコストダウンが可能となり、太陽パネルの設置傾斜角を年間最適角にセットすれば、試算では３次元追尾に比較して９０％以上の集光効率が期待される。投資効率を考えた場合、本発明を用いた太陽光発電システムは極めて魅力的であり、将来、政策的な太陽光発電推進施策が導入された場合、有力なメニューのひとつになると思われる。

は装置の全体図を示す。 は装置のパネル支持支柱上部平面図を示す。 はパネル支持支柱立面図を示す。 図４は回転テーブル上面を示す。 は回転テーブルをパネル支持支柱に設置した状態を示す。 上下広視野角太陽光追尾用センサーの断面図を示す。 は結像面のフォトダイオードの配置状況と朝夕、正午の太陽像を示す。 は太陽光の入射方向がずれた時、センサー上部から見た状況を示す。 は太陽の方向がずれた時の結像面の状態とセンサー出力検出方法を示す。

１ 追尾センサー
２ 太陽電池パネル
３ パネル取り付けフレーム
４ 回転テーブル
５ パネル支持支柱
６ 回転テーブル受けローラ
７ 回転角度センサー
８ 回転テーブル受けローラ＆駆動ローラ
９ ストッパー
１０ ガイドローラ
１１ 回転テーブル支持台＆浮き上り防止つば
１２ 制御装置
１５ リニアレンズ
１６ センサー鏡体
１９ 結像面
２０ 上部左フォトダイオード
２１ 上部右フォトダイオード
２２ 下部左フォトダイオード
２３ 下部右フォトダイオード
２４ リニアレンズ太陽像

Claims (2)

1. 支柱上端に固着させた円盤上の円周方向に設置した３個の受けローラで太陽電池パネルを取り付けた回転テーブルを支持し、そのうちの一つのローラを駆動させることにより前記回転テーブルを前記支柱側面に取り付けたガイドローラによって横ずれしないように回転させるとともに、前記回転テーブルの側面に設置するストッパーと、つばとしての前記円盤によって強風時の浮上りを防止する太陽方位追尾装置。
2. 複数個密集して設置された請求項１に記載した前記太陽方位追尾装置により制御される太陽電池パネル群において、相互に一致させたタイマーと太陽運行表により、太陽電池パネルの相互干渉防止と日没後の始点復帰を行い、それぞれの太陽電池パネルに取り付けた焦点距離と同等以上の長さの上下方向の像を結ぶリニアレンズと、結像面センターの上端、下端の両側に設置したそれぞれ一対のフォトダイオードからなるセンサーにより、前記結像面センター左側に位置するフォトダイオードと前記結像面センター右側に位置するフォトダイオードのそれぞれの合計出力をバランスさせるように前記回転テーブルを回転させて精密追尾を行う太陽方位追尾装置

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