JP2013172145A - 追尾型太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池アレイの円滑な回転運動を伴った省スペース型の追尾型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】この発明がもたらす追尾型太陽光発電装置は、回転軸を長軸化し、その長軸１を挟んだ両側に良好なバランスを持って左右対称に連続して太陽電池アレイ５を配置し、長軸１と平行方向により多くの太陽電池アレイ５を備え、長軸１と直交方向の枚数を低減することで、背面方向に伸びる影１６の大きさを少なくし、各追尾型太陽光発電装置の支柱間隔を短くし、敷地内に設置できる追尾型太陽光発電装置の数量を多くし、敷地カバー率を高めている。
また、均等に配置した複数の支柱２ａ〜ｅの上部に配置した調芯機能を有する軸受３ａ〜ｅにて長軸１を支持することで、長軸１の偏芯による回転運動の停滞を解消し、円滑な回転運動と軸受部３ａ〜ｅの長寿命化をはかっている。更に、駆動装置であるシリンダー４を長軸１の重心部を支持する支柱２ｃに長軸１と直交する形で配置することで、より円滑な回転運動を可能にしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽の日周運動を追尾するように太陽電池アレイを回転させる追尾型太陽光発電装置に関するものである。

自然エネルギーを活用した発電方法、特に太陽光発電は、地球温暖化防止等の環境問題への取り組みの一環として非常に高い注目を集めている。

一般に太陽光発電は、建物の屋根や屋上に一定の傾斜角度をもって設置され、より多くの発電量を得るために、その設置角度や方向の問題、太陽電池アレイの発電性能が議論されてきた。

近年、より多くの発電量を得るために、大規模な敷地に、より多くの太陽電池アレイを設置し、発電を行う所謂「メガソーラー」といわれるサイトが増加してきている。

こういった大規模サイトでの発電には、一定の傾斜角度で太陽に向かって太陽電池アレイを固定し発電を行う方法ではなく、より多くの発電量を得ようとするニーズから、太陽光の方面に太陽電池アレイの受光面を移動し、出来るだけ太陽光が受光面に直角に当たるように制御する追尾型太陽光発電装置の導入が行われ始めている。
追尾型太陽光発電装置には、太陽の方面に太陽電池アレイの受光面を常に正対させるように制御する「二軸追尾方式」と太陽からの日射の方位角に受光面を向ける「一軸追尾方式」とに大別される。

「二軸追尾方式」は赤緯軸方面と方位角軸方面の二軸をもって太陽光を追尾するために発電量の増加をより多く見込める反面、赤緯方面と方位角方面を制御する２つの駆動装置が必要になり、製作費用や導入費用が高くつくというデメリットもあった。

特許文献１は「一軸追尾方式」に分類されるが、多数の太陽電池アレイを１本の支柱で支持しているため、風圧荷重に耐えうるには支柱や構造体の強度を増す必要があり、部材サイズが大きくなり、重量が嵩むことによって、より強力な駆動装置が必要になる問題があった。
一方、特許文献２は、複数の支柱によって支持された長軸を駆動装置によって回転運動させ、太陽電池アレイを太陽方位角方面に向けるという同じく「一軸追尾方式」に分類されるが、軸が長軸になり、軸芯が偏芯した場合に調芯機能を備えていないため、軸の円滑な回転運動が行われないという問題を抱えていた。

太陽光発電所は、非常に長い期間（何十年の単位で）に渡って使用、運用されるプラントであり、そこに設置される追尾型太陽光発電装置についてもその長期間に渡る運用に対しての耐久性を求められる。また、大規模化したメガソーラーのような太陽光発電所においては、そのサイトの広大さ故に、導入されている追尾型太陽光発電装置のメンテナンスフリーは、運用面において重要なファクターとして考えられている。

特開２００７−２５８３５７公報 特許４３６９４７３ 特開２０１０−２０５７６４公報

追尾型太陽光発電装置の多くは、特許文献１のように１本の支柱によって支持され，出来る限り多数の太陽電池アレイを積載しようとすることから、支柱及びその構造体が大きく、重量も嵩み、スペースを沢山取るという問題点があった。

また、軽量化や簡素化を図るために、特許文献２のように太陽電池アレイを長軸上に載せ、１台の駆動装置のリニア運動にてその軸に回転運動を伝え、太陽電池アレイを太陽光の方面に向ける方式を用いた場合、軸を長くしたため、均等に配置された支柱に配備された軸受部をもって長軸を支持しなければならないが、軸芯が鋼材の接続やたわみ等によって偏芯した場合、偏芯を解消する手立てが講じられていないため、軸受と軸の間に過度な摩擦抵抗が生じて軸受部の磨耗もしくは劣化を早めたり、駆動装置に過度な負荷がかかることで故障したり、円滑な回転運動を妨げるといった問題点もあった。

また、特許文献３のように軸の偏芯を解消すべく、移動軸、軸受、回転支持部、回転伝達部、それぞれの中心軸線を一致させることは、各部材に精緻な金属機械加工が必要であり、軸や軸受部や回転伝達部の製造コストが非常に嵩むことや追尾型太陽光発電装置を設置・施工する際に高度な施工精度を要求されるため、導入費用が嵩むデメリットも持っていた。

また、特許文献１のような太陽電池アレイの配置では、軸と直交する方向に積載している太陽電池アレイの枚数が多い為、朝夕の太陽高度が低い時間帯は、太陽に向かって太陽電池アレイを立てていくので、背面方面に伸びる影の面積が大きくなり、複数の追尾型太陽光発電装置を配置する場合には、影による発電量の低下を防ぐ為、背面方向に設置する装置との支柱間隔を太陽電池アレイに影がかからない程度に大きくする必要があり、敷地に対して設置できる追尾型太陽光発電装置の数が少なくなるデメリットもあった。

更に、特許文献１のような追尾型太陽光発電装置では太陽電池アレイを太陽光に向け続けるために、精緻なリニア運動を行う電動ジャッキや特許文献２のように電動リニアアクチュエーターが用いられてきたが、そういった駆動装置にも微量ながら制御命令と実際の動作量との誤差はつきものである。この誤差が長期間に渡って蓄積し、限られた期間内（例えば１日）で駆動装置が始点回帰してリセットされないと、追尾型太陽光発電装置が複数設置されている場合、追尾型太陽光発電装置によっては、太陽電池アレイ受光面角度の差異が生じ、受光面角度を統一制御出来ずに発電量低下を招く問題もあった。

上記課題を解決するために、本発明は、均等に配置した複数の支柱をもって長軸を支え、回転軸である長軸を挟んで両側に左右対称且つ連続して太陽電池アレイを配置した。

また、各支柱上部に配置した長軸を支持する軸受部に調芯機能を有する軸受を用い、偏芯解消構造を持たせた。

更に、長軸を回転運動させるシリンダーを長軸の中間部、つまり重心部を支持する支柱に長軸と直交する位置で配置した。

前記シリンダーは、限られた期間内でスピンドルをリニア運動して始点回帰し、リニア運動の誤差をリセットする。

長軸を用いることによって、太陽電池アレイの配置を軸と直交方向には少なくし、且つ積載枚数を多く確保するために、軸と平行方向には多数積載し、それによって背面方向に伸びる影の縮小を実現し、複数の追尾型太陽光発電装置を導入する場合に、それぞれの装置の支柱間隔を従来よりも小さくすることができ、太陽光発電所の敷地を有効活用出来るようになり、単位面積当たりの発電量増加につながっている。

長軸化したために発生する軸芯の偏芯に伴う回転運動の停滞に対しては、調芯機能を有する軸受を各支柱の上部に配置することでそれを解消している。
調芯機能を有する軸受は、軸芯の角度が変わる構造によって軸芯のずれや軸のたわみを吸収するとともに、局部荷重の発生をも防止できる。
また、無給脂機能を有するタイプを用いれば、グリスアップ等のメンテナンス作業の煩わしさから解放され、追尾型太陽光発電装置の導入費やランニングコストを劇的に低下させることが可能である。

また、太陽電池アレイを含めた装置重量のバランスが取れた長軸の中間部（重心部）を支持する支柱に、軸と直交した位置にシリンダーを配置することで、より円滑な回転運動を可能にし、装置自身に長寿命化をもたらした。

更に、複数の追尾型太陽光発電装置が実装されるのが一般的となったため、シリンダーのリニア運動の期間内（例えば１日）始点回帰による誤差リセットは、各追尾型太陽光発電装置の太陽電池アレイ受光面角度差異を解消し、発電量増加をもたらしている。

本発明の追尾型太陽光発電装置の一実施形態を表す斜視図である。 本発明の追尾型太陽光発電装置の一実施形態を表す斜視図である。 本発明の追尾型太陽光発電装置の一実施形態を表す正面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置におけるシリンダーのリニア運動の一形態を表す側面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置におけるシリンダーのリニア運動の一形態を表す側面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置におけるシリンダーのリニア運動の一形態を表す側面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置におけるシリンダーのリニア運動の一形態を表す側面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置における調芯機能を有する軸受側面の拡大図である。 図１の追尾型太陽光発電装置の一配置形態を表す平面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置の一配置形態を表す平面図である。 図１の追尾型太陽光発電装置の一配置形態を表す側面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１、図２は本発明の一実施形態を表す斜視図である。長軸１を挟んで太陽電池アレイをその両側に左右対称に配置し、且つ軸１と平行方向に連続して配置している。
本発明の追尾型太陽光発電装置は、シリンダー４のスピンドル８のリニア運動によって軸１を中心とした回転運動を行う。太陽電池アレイ５の配置は、軸１を挟んで左右対称であり、非常にバランスの良い状態である。また、中間支柱２ｃを中心とした場合でも同じく左右に非常にバランスの良い状態で配置されている。
更に、この追尾型太陽光発電装置は、図１、図２の形態にとらわれず、太陽電池アレイ５の枚数や配置方向、例えば横長の配置だけでなく、縦長の配置も出来るといったバリエーションを併せ持っている。

図３は、本追尾型太陽光発電装置の一形態を表す正面図である。軸１を均等に配置した支柱２ａ〜ｅの上部に配備した調芯機能を有する軸受３ａ〜ｅにて支持し、軸１の重心である中間部を支持する支柱２ｃに軸１と直交する位置でシリンダー４を配置し、円滑な回転運動を可能にしている。太陽電池アレイ５は、軸１上に直交する形でコの字型ボルト６によって固定された太陽電池アレイ受け部材７に積載され、太陽電池アレイ５の裏側を部材７とボルト固定されている。コの字型ボルト６は、軸１に対して平行移設が容易なため、サイズの違う太陽電池アレイや固定用ボルト穴の間隔が異なる場合であっても柔軟に対応できる。

本発明では、太陽光の方位を追尾するためにシリンダー４のスピンドル８が伸縮することでクランク部材９を通じて軸１を中心として太陽電池アレイ５を回転させる構造である。従って、太陽電池アレイ５の受光面の角度はスピンドル８のリニア運動量によって決定される。
図４、図５、図６、図７は、本発明である追尾型太陽光発電装置の太陽光追尾における一連の側面図である。軸１に直交する形で支柱２ｃにボルト固定されたシリンダー４のスピンドル８は、軸１と直結したクランク部材９の先端にボルト固定され、スピンドル８のリニア運動によって軸１に回転運動を与えている。
南北方向に軸１を配置した場合、図４はスピンドル８を伸長リニア運動し、太陽電池アレイ５を４５度東側に傾け、日の出付近の太陽を追尾した状態である。この状態からシリンダー４のスピンドル８を徐々に縮めて軸１を中心として太陽電池アレイ５を回転させ、太陽を追尾して太陽電池アレイの受光面を東から西へ移動させていく。
図５は、スピンドル８を縮めて西側方向に太陽電池アレイ５を４５度傾け、日の入り付近の太陽を追尾した状態である。
図６は、スピンドル８をリニア運動し、太陽電池アレイ５を地面と平行に位置するように移動させた状態である。前記のような状態は、夜間の待機時もしくは強風時（台風等）に太陽電池アレイ５にかかる風圧荷重を最小限にするために実装されている。尚、図５の強風退避状態は、風速計を配置することによって、風速データを制御装置１４経由でシリンダー４にデータ転送することで制御している。
図７は、シリンダー４の制動誤差蓄積を解消するために始点回帰して、スピンドル８を最も縮めた状態である。こうして動作誤差の蓄積を解消することによって正確な太陽光追尾を可能にしている。一例としては、日の入りを迎えると、連結された制御装置１４からの信号を得たシリンダー４は、一旦スピンドル８を最も縮んだ状態にリニア運動させ、動作誤差のリセットをした後、夜間待機状態（図５）へ太陽電池アレイ５を向けるべくスピンドル８をリニア運動させる。
また、図７のように、スピンドル８はシリンダー４のハウジング内に先端部を除いた全体部分を格納することが可能なため、従来の電動ジャッキのようにスピンドルが常時むき出しの状態にはならず、給脂等のメンテナンスを最小限に留めることができる。

調芯機能を有する軸受３ａ〜ｅが偏芯した軸１を支持している一形態を表した側面図が図８である。調芯機能を有する軸受は、軸芯の角度が自在に変わる構造によって軸芯のずれを吸収できる。該軸受３ａ〜ｅは、軸芯が偏芯した場合でも、球形軸受部１２がそれを受けるハウジング１３内であらゆる方向へ自在な運動をすることが出来るため、軸１がスムーズな回転運動をし、太陽電池アレイ５の回転に支障をきたさない。更に、軸受部が円滑な回転運動を常時可能にしているため、軸１を回転させるシリンダー４に軸受部の過度な摩擦抵抗による過剰な力がかかって故障したり、リニア運動量が落ちたりといったトラブルが発生しない。

以下、本発明である追尾型太陽光発電装置の配置についての実施形態を説明する。

本発明による追尾型太陽光発電装置は、単体で設置する場合のみならず、複数の追尾型太陽光発電装置を設置する大規模発電所（以降、メガソーラーと呼ぶ）では非常に有効な配置をすることが出来る。
当然、メガソーラーの敷地形状は一定ではなく、更に敷地の高低差もあり得る。そういった敷地条件に合わせて軸と平行方向及び直行方向に積載するパネルの構成枚数を変化させたり、南北方面に軸をもってくるだけでなく、東西方面に軸を持ってきたり、またその他の方角に軸の通りを配置することも可能である。

レイアウトも各追尾型太陽光発電装置（以降、ユニットと呼ぶ）を図９のように東西方面に直列に配置した形状が標準である。中央部分に設けた制御装置１４と電線、信号線１５にて各ユニットを結線することで電気や制御信号を送受信し、稼動させている。
また、図１０のようにメガソーラーの土地の形状に合わせて不整列にユニットを配置することも可能である。このようなレイアウトの柔軟性は、限られた敷地内を有効にカバーするという意味では非常に効果的な要素である。また、軸１と直交方向に配置する太陽電池アレイ５の枚数を少なくしているため、ユニット間の支柱間隔を短くすることが可能であり、メガソーラーの敷地内により多くのユニットの配置が可能であり、発電所全体の発電量増加に貢献できる。

また、各ユニットを鋼材にて連結した状態で一つの駆動装置が同時に各ユニットに回転運動をもたらす構造とは違い、それぞれのユニットに駆動装置であるシリンダー４を設けているため、敷地が丘陵地や高低差のある場合でも、敷地の高低差を整地工事によって是正する必要がない。また、その高低差の数値に制約を受けるものでもない。その結果、図１１の側面図のように敷地の高低に合わせてそれぞれ独立してユニットを配置することが可能になっている。

１ 軸
２ 支柱
３ 調芯機能を有する軸受
４ シリンダー
５ 太陽電池アレイ
６ コの字型ボルト
７ 太陽電池アレイ受部材
８ スピンドル
９ クランク部材
１２ ３における球形軸受部
１３ ３におけるハウジング部
１４ 制御装置
１５ 電線、信号線
１６ 影

Claims (5)

1. 回転軸を、均等に配置した複数の支柱によって支持し、その軸を挟んだ両側に左右対称に積載した太陽電池アレイが、軸と平行方向には連続した配置形状を有することを特徴とする追尾型太陽光発電装置。
2. 各支柱の上部に、調芯機能を有する軸受による回転軸の偏芯解消構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の追尾型太陽光発電装置。
3. 軸の重心である中間部を支持する支柱に、軸と直交する位置でシリンダーを配置することを特徴とする請求項１に記載の追尾型太陽光発電装置。
4. 前記シリンダーのスピンドルの先端を、軸に固定したクランク部材の先端に接続し、スピンドルをリニア駆動することで軸を中心として太陽電池アレイを回転させることを特徴とする請求項１に記載の追尾型太陽光発電装置。
5. 前記シリンダーのスピンドルが限られた期間内に始点回帰し、動作誤差を解消することを特徴とする請求項１に記載の追尾型太陽光発電装置。

Images