JP2013526785A

JP2013526785A - 太陽電池モジュール用支持フレーム構造および太陽電池システム用追跡装置

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Publication number: JP2013526785A
Application number: JP2013511540A
Authority: JP
Inventors: フィッシャーハンス−ペーター
Original assignee: フィッシャーハンス−ペーター
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2013-06-24
Also published as: CA2800696A1; CN102985766A; KR20130076829A; WO2011147437A1; BR112012029863A2; AU2010353855A1

Abstract

支持フレーム構造（２）に配置される複数の太陽電池モジュール（４）を有する太陽電池システムのための確実かつ安全な垂直追跡を簡単な設計で同時に可能にするために、本発明は、いずれの場合にも駆動要素（１８）を有する支持フレーム構造（２）を提供し、駆動要素（１８）は具体的には円筒状であり、かつ、設置された状態において駆動要素（１８）の周りに巻きつく共通駆動手段（２０）を有する。駆動手段（２０）と駆動要素（１８）との間のすべりを回避するために、摩擦制動装置が設けられ、それは詳細には、駆動要素（１８）の案内スロット（２４）によって形成される。

Description

本発明は、特許請求項１の前提部の特徴を有する太陽電池モジュール用支持フレーム構造に関し、およびまた、複数のそのような支持フレーム構造を有する太陽電池システム用追跡装置に関する。

欧州特許第１７１０６５１Ｂ１号明細書は二軸追跡装置を開示しており、垂直および水平追跡の両方が提供されている。

太陽電池システムにおいて、達成可能なエネルギー収率は、太陽電池モジュールに対する太陽の入射角に依存しており、よって、エネルギー収率を高めるために、システムの太陽電池モジュールに時節または時刻に応じて変化する太陽の位置を追跡させる装置を使用することが好都合である。この場合、まず垂直追跡に関して言及されるべきである。垂直追跡では、太陽電池モジュールは、モジュールを支える支持構造体が、地表面に対して実質的に垂直な軸の周囲を回転することによって太陽の経路を追跡するように作製される。さらに、二軸追跡の場合、水平追跡も可能であり、水平追跡では、太陽電池モジュールは水平軸上で枢動されまたは傾けられ、その結果、太陽に対して、理想的である、直角が保証される。

欧州特許第１７１０６５１Ｂ１号明細書に開示される追跡装置の場合、個々の太陽電池モジュール用の複数の支持フレーム構造が、支持フレーム構造に共同に割り当てられた駆動モータの作動動作を伝えるための共通の駆動手段、具体的にはケーブルを介して提供されている。ケーブルはこの場合、ほぼ円筒状ドラムの形態にある駆動要素の周囲にそれぞれ案内されてその周囲に巻かれる。多数の支持フレーム構造に対して１台の共通のモータを有するこの駆動構成の利点は、設置された太陽電池モジュールが多数の場合でも、１台または数台のモータだけを必要とすることである。

こうした背景のもと、本発明の目的は、作動動作の信頼性ある伝達を保証する支持フレーム構造ならびに追跡装置を特定することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する支持フレーム構造によって本発明に従って達成される。支持フレーム構造は、組み立てた状態において、多数の太陽電池モジュールを有する太陽電池システム用の追跡装置の一部であり、太陽電池モジュールは太陽を好ましくはもっぱら垂直に追跡するように作製されている。支持フレーム構造は、運転中、支持フレーム構造に取り付けられた太陽電池モジュールが自動的に垂直追跡するように設計されている。支持フレーム構造は支持マストと、好ましくは円筒状である駆動要素とを含む。駆動要素は支持マストを囲み、一緒に回転するようにそこに接続されている。駆動力を伝達するための詳細には柔軟性のある駆動手段が、組み立てられた状態において、駆動要素の周囲に巻かれる。可能な限り滑らない駆動手段と駆動要素との接続を保証するために、駆動手段と駆動要素との間で作用する摩擦制動装置が提供される。組み立てた状態において、複数の支持フレーム構造が、垂直追跡のための共通駆動手段を介して接続されている。

具体的に言うと、簡単な設置という点では、駆動手段は通常、ただ緩やかに駆動要素に接続されるだけであり、すなわちしっかりと形状が合致した接続はない。ケーブルが使用される場合、ケーブルは駆動要素の周囲を案内される。好ましくは、ケーブルはこの場合、駆動要素の周囲にループ状に巻かれる。すなわち、ケーブルは駆動要素の周囲を少なくとも１回または複数回案内される。駆動力はこの場合、駆動手段と駆動要素との間の係合摩擦を介して伝達され、この際形状の合致は形成されない。太陽電池モジュールのサイズに依存して、好ましくは１０基〜例えば３０または４０基までの複数の支持フレーム構造が、共通の駆動モータを介しておよび共通の駆動手段を介して１つに接続される。この場合、駆動要素と駆動手段との間のすべりのせいで、異なる支持フレーム構造が異なる垂直追跡を受けるという問題が生じ得ることを試験は示した。すなわちこのような支持フレーム構造を多数有する列において、支持フレーム構造の回転する向きが異なるという危険性があり、これはできるだけ効率的である太陽光エネルギー収率という点で回避されるべきである。

これを回避しかつ同時に駆動要素の簡単な巻き付けによる可能な限り簡単な設置を維持するために、駆動要素と駆動手段との間に作用する摩擦を増加させて２つの要素間のすべりを回避する摩擦制動装置が提供される。

好都合に、駆動要素は、この目的を達成するために、摩擦制動装置のような構造を有する側面を有する。例えばこの目的を達成するために、側面には、隆起部および陥凹部、すなわち例えば放射方向に突出するリブが、摩擦を増加するために設けられる。

好ましい実施形態において、側面は、円周方向の一部に沿って延在する少なくとも１つの案内スロットを有する。組み立てられた状態において、駆動要素はこの案内スロットに収容される。案内スロットを組み込むことによって、ケーブルはもはやこの領域において側面にすべるようには載らず、案内スロットの長さに沿って直線状に延在する。案内スロットの入口側端部および出口側端部において、ケーブルは縁部に載り、その結果、摩擦は著しく増加し、すべりは回避される。案内スロットは、駆動要素の円周周囲を例えば２０°超および好ましくは３０°超の回転角度を通って延在する。従って案内スロットは比較的大きい円周上の角度をカバーする。これはケーブルと案内スロット縁部との間の望ましい高摩擦力にプラスの効果がある。

駆動手段の駆動要素周囲への確実な案内を保証するために、特に駆動手段が案内スロットを通って延在することを保証するために、好都合な発展形態では、駆動手段を案内するための案内要素が設けられる。これは、具体的には、側面から放射方向に突出する要素、例えば案内リブ、突起等によって形成される。従って案内要素によって、駆動手段が側面に沿って垂直方向にすべることが回避される。

これは特に、太陽電池システムが平らでない地面の開けた土地に設置され、個々の支持フレーム構造が同じ水平高さに配置されない場合に有利である。従って駆動手段を特定の環境下で垂直軸に対して角度を付けて延在させ、駆動要素に案内することが可能である。

好都合には、案内要素はこの場合、摩擦制動装置に向かって狭くなる案内領域を有し、その結果、傾いた経路であっても、駆動手段は摩擦制動装置に、詳細には案内スロットに案内される。これは例えば、互いに延在し合うかあるいはくさび状に形成されて側面から放射方向に突出する２個の対向する案内リブによって達成される。

垂直軸周囲の垂直追跡に加えて水平軸周囲の水平追跡も備えた二軸追跡装置は一般に、構造上の支出が高くおよび／または２つの追跡動作用の別個のサーボモータを必要とする。欧州特許第１１７０６５１Ｂ１号明細書から理解できる、垂直追跡および水平追跡間の強制的機械結合の場合、高い摩擦力が駆動装置によって克服されなければならない。支持フレーム構造と、低動力モータを使用する可能性に関することとの両方に関して費用対効果に優れた構造を達成するために、好都合な実施形態において、支持フレーム構造を自動垂直追跡専用に形成することが提供される。傾斜角度が、変化する水平方向の傾斜によって一日の間の太陽の位置を考慮する自動水平追跡は提供されない。

太陽電池システムの設置場所に依存する、可能な限り高い太陽光エネルギー収率を同時に追加的に保証するために、水平傾斜角度を手動で設定するための固定装置を設けることがさらに提供される。支持フレーム構造はこの目的のために支持フレームを有し、組み立てられた状態において、そこに個々の太陽電池モジュールが載せられている。この支持フレームは水平枢動軸の周りを動けるように取り付けられている。同時に、確定された水平傾斜角度が、固定装置を介して手動で設定可能である。したがって、例えば、設置場所（緯度）に応じて、好ましくはシステムが設置される時あるいは運転に向けて設定される時に一度、可能な限り最適化される水平傾斜角度が設定される。

好都合には、固定装置はこの場合、確定された水平傾斜角度を設定するための複数の個別のロック設定を含む。これは具体的には、固定装置が、異なる傾斜角度を設定できるように、支持マストと支持フレームとの間に配置され、かつ、好ましくは支持マストの異なる位置にロック可能なまたは締結可能な可変締結端部を有する連結具を含むことにおいて達成される。特に、この目的の為に、有孔プレートが支持マストに配置される。

好ましくは、支持フレーム構造は調整装置を含み、調整装置によって支持マストのさまざまな部分領域の回転する向きが互いに調整可能であり、すなわち互いに対して可逆的な方法で互いに固定可能である。この調整装置は、組み立てを簡単にするように、または、運転中の簡単な再調整を実行するように機能する。互いに接続された多数の支持フレームと、共通駆動モータを介して実行される垂直追跡とを有する太陽電池システムの場合、共通駆動手段を設置したあと、駆動伝達系の公差および遊びが原因で、個々の太陽電池モジュールが異なる方位角、すなわち垂直軸の周囲で異なる回転角をとるという問題がある。支持構造を、互いに回転調整可能な２つの部分領域に分割することにより、システムの設置後、異なる支持フレーム構造間の垂直の向きが、そのような遊びおよび交差の影響が原因で完全に同期しない時、個々の支持フレーム構造の垂直回転位置が、支持フレーム全体を固定要素に対して回転させる必要なく、容易に設定可能であるという有利性が得られる。

支持マストの２つの部分領域は、分割点で好ましくはフランジを介して１つに接続される。フランジの少なくとも１つは、ねじなどの締結要素のためのスロットガイドを有し、それは好ましくは円形経路に沿って湾曲している。フランジによって簡単な組立可能性および高い機械的安定性が保証される。通常、垂直追跡用の駆動装置は、２つの部分領域の１つに、特に下側部分領域に作用する。

好ましい発展形態によれば、支持マストの下側部分領域のフランジは、駆動要素の上側限界を形成する。すなわち分割点が駆動要素の上側端部に配置される。駆動要素の中空円筒構成の場合、このフランジが好ましくはカバーを形成し、その結果、閉鎖された構造ユニットが形成される。脚部プレート上の支持マストの支え領域は、結果としてより良く保護される。

目的はさらに、複数のこのような支持フレーム構造が共通の駆動手段、特にケーブルを介して１つに接続される太陽電池システム用の追跡装置によって本発明に従い達成される。駆動手段はこの場合、支持フレーム構造の垂直追跡のための作動動作を及ぼすために、共通の駆動装置を介して駆動される。この場合、駆動手段は、駆動要素の周囲を摩擦的に案内され、好ましくは駆動手段は前記駆動要素の周囲に完全にまたは複数回巻かれる。

本発明の例示的な実施形態を、図面に基づく以下の文章において、さらに詳細に説明する。図面は各々簡略化された図である。

太陽電池モジュールを締結させた支持フレーム構造の斜視図を示す。図１による支持フレーム構造の側面図を示す。共通の駆動手段を介して接続され、共通の駆動モータによって駆動される複数の支持フレーム構造を有する追跡装置の概略図を示す。支持マストの周囲に配置された円筒状駆動要素を有する支持フレーム構造の地面側領域の拡大斜視図を示す。図４による要素の側面図を示す。案内スロットおよび案内要素を有する駆動装置の概略的な側面図を示す。調整装置を示すための駆動装置の領域の断面図を示す。

図面中、同様に作動する要素には同一の参照符号が付されている。

図１は、太陽電池モジュール４が取り付けられた支持フレーム構造２を示す。この場合においても、太陽電池モジュール４は、電気的に１つに接続された別個の部品モジュールから構成することができる。

図２にも再掲されているような支持フレーム構造２は、太陽電池モジュール４が締結された支持フレーム８を上側端部で支える垂直に伸びる支持マスト６を含む。支持フレーム８の傾斜は、この場合では、水平枢動軸１０の周りで調整可能である。枢動軸１０から離間された態様で配置されているのは支持フレーム８の支柱１２であり、連結具１４が、回転式に可動な方法で前記支柱１２に締結されているバーからなる。連結具１４は下側端部で支持マスト６に締結されている。このため例示的実施形態では、有孔プレート１６が支持マスト６に締結されている。連結具１４は有孔プレート１６の異なる垂直位置に締結要素を用いて締結させることができる。従って連結具１４は有孔プレート１６とともに、支持フレーム８の水平傾斜角度を手動で設定するための固定装置を形成する。

支持フレーム構造２は、下方の地面側端部に締結脚部１７を有し、それによって地面に固定されることが意図される。このため、例示的実施形態では、ねじによって地面に固定することができるフランジ状プレートが備えられている。例示的実施形態では、締結脚部１７の真上に駆動要素１８が備えられている。駆動要素１８によって、作動動作、すなわち支持マスト６の垂直軸周りの回転動作が、駆動手段２０（図３参照）を用いて支持マスト６に及ぼされる。結果として、太陽電池モジュール４の垂直追跡、すなわち東西方向の追跡が可能になる。地面のすぐ近くに配置する結果、駆動手段２０によって支持フレーム構造２に及ぼされる（垂直に対する）傾斜動作は、小さく維持される。

太陽電池システムにおいて、太陽電池モジュール４を有するこのような支持フレーム構造２の多数が、１つ以上の列に配置される。例えば、概略化された手法で、図３は、駆動要素１８によって表された合計５基の支持フレーム構造２を備えた単一列配置を示す。この図から分かるように、個々の支持フレーム構造２は、共通の駆動手段２０、具体的にはケーブル（ワイヤケーブル）を介して１つに接続され、そして、垂直追跡を実行するために、回転動作が駆動手段２０を介して全ての駆動要素１８に同期して送られる。この場合、駆動手段２０は駆動要素１８のそれぞれの周囲に巻かれている。すなわち、各駆動要素１８の周りを少なくとも１回完全に取り巻いている。さらに、共通の駆動装置２２、具体的には電気モータが配置され、それを介して、作動力が駆動手段に送られる。支持フレーム構造２は、駆動手段２０および駆動装置２２とともに、個々の太陽電池モジュールの垂直追跡のための追跡装置を形成する。追跡は時刻に依存した方法で制御される。

個々の支持フレーム構造２の同期回転調整を確実にするために、摩擦制動装置が設けられている。摩擦制動装置は、例示的実施形態では、中空の円筒の形態にある駆動要素１８の側面２６に設けられた、円周方向に延在する案内スロット２４として構成されている。案内スロット２４を備えた駆動要素１８の構成は、図３〜５で最も良く見ることができる。案内スロット２４は例えば５〜１０ｍｍの幅を有し、かつ、好ましくは円周方向に回転角度にわたり、例えば２０°〜６０°の範囲に延在する。

このような態様で構成されたこの摩擦制動装置によって、駆動手段２０（ケーブル）と駆動要素１８との間に作用する摩擦力が、案内スロット２４がない構成と比べてかなり高められ、その結果、駆動手段２０と駆動要素１８との間のすべりが回避される。作動が始まりケーブルに張力がかかると、ケーブルは案内スロット２４の（円周方向に見た場合の）周辺端部に載り、その結果、これら端部が、ごくわずかな構造上の支出だけで、両方向に作用する摩擦制動を形成できる。結果として、全ての支持フレーム構造２の同期した垂直追跡が保証される。

図６は変形実施形態を示し、ここでは、案内スロット２４に加えてさらに案内要素２８が側面２６に配置されている。例示的実施形態において、これらは、案内スロット２４に対して円周方向に両側に配置される。各案内要素２８はこの場合、側面２６から放射方向に突出しかつ互いの間に案内領域３０を画定する２つの対向する案内リブによって形成されている。例示的実施形態において、この案内領域３０は、案内スロットに向かって合流または集まる。これらの案内要素２８によって、さまざまな支持フレーム構造２が異なる高さで締結される開けた土地に設置する場合でさえも、所望の公称位置における駆動手段２０の信頼性がありかつ確実な案内が達成される。垂直方向のすべりが回避される。

図７から分かるように、支持マスト６は、駆動要素１８とともに、締結脚部１７の上に回転可能な方法で配置されている。このため例示的実施形態では、締結脚部１７は、垂直方向に延在する支持管３４を有し、その上に、中空の円筒状に形成された支持マスト６が嵌め合わされている。支持マスト６自体は、この場合、２つの部分領域３６Ａ、３６Ｂに分割され、それらはフランジ接続を介して１つに接続されている。このため、締結フランジ３８Ａ、Ｂが、各部分領域３６Ａ、Ｂの端部に配置されている。前記締結フランジは、例示的実施において、放射方向に突出する形態に、具体的には円形の環状プレートの形態にある。２つの締結フランジ３８Ａ、Ｂは、従って２つの部分領域３６Ａ、Ｂは、異なる回転位置において互いに締結可能である。このため、具体的にはスロットガイドおよび締結要素が提供される。結果として、２つの部分領域３６Ａ、Ｂの互いに対する回転調整用の調整装置が全体で形成される。この調整装置は組み立てを簡単にするように働き、組み立てそして個々の駆動要素１８を駆動手段２０で巻いたあとで運転設定する際に、個々の太陽電池モジュール４を正確に同じ東西角度位置に向けることを可能にする。結果として、運転設定する際、全ての太陽電池モジュール４の同期した配向が、簡単な方法で可能になる。分割点を介して、駆動伝達系と上側部分領域との間の脱結合の可能性が一般に定義される。

図７から分かるように、駆動要素１８は中空の円筒状に形成され、支柱を介して回転的に固定された態様で下側部分領域３６Ａに接続されている。例示的実施形態では、下側部分領域３６Ａのフランジ３８Ａが、中空円筒状駆動要素１８の上側カバーを同時に形成している。全体として、これにより概ね閉鎖された内側キャビティが形成され、この中に、特に支持マスト６の支持点が、保護された態様で置かれている。

運転の困難を回避するために、ベアリングスリーブの形態の摺動要素が、例示的実施形態において提供されている。これらはいずれの場合にも支持管３４の下側および上側領域に配置されている。好ましくは、両方のベアリングスリーブは一種の環状フランジを有する。支持マスト６はその下側端部で支持されており、そこで支持マストは、ベアリングスリーブの環状フランジの上に環状フランジを同様に形成し、その結果、比較的平坦な接触が形成される。ベアリングスリーブは、例えば、摩耗抵抗性プラスチック材料から、あるいは、適切な金属からなる。

さらに、暴風保護手段４０が支持マスト６に提供され、その結果、支持マストは、締結脚部１７から軸方向に持ち上がる恐れがなくなり、同時に回転可能である。このため、例示的実施形態において、軸方向に作用する形状の一致が、締結脚部１７と支持マスト６、具体的にはその地面側フランジとの間に形成されている。暴風保護手段４０は、この場合、湾曲した突起によって簡単な方法で形成されており、その一端は締結脚部１７に締結され、他端はフランジ上に突出し、具体的にはわずかに軸方向に間隔が空いている。

本明細書に記載する支持フレーム構造２およびまた図３に関連して記載する追跡装置は、簡単な構造と高い運転信頼性とによって全体として区別される。簡単な構造はまた、特に支持フレーム構造２が単軸の、垂直自動追跡用にのみ形成されることによって決定的に特徴づけられる。この場合、簡単な構造にもかかわらず、できるだけ高い太陽熱収率を保証するために、固定装置によって、水平傾斜角度の手動設定が実行可能であることがさらに特に有利である。その上、簡単かつ費用対効果のある構造のため、多数の支持フレーム構造２用の駆動要素１８および共通駆動装置２２ならびに共通駆動手段２０を備えたこの構成は、特に意味のあるものである。摩擦制動装置によって、同期した垂直追跡を備えた信頼性ある運転が保証される。簡単な設置に関して、駆動手段２０を設置したあと、同じ向きにある個々の太陽電池モジュール４の正確な同期調整を可能にする調整装置も強調しておく。これら３つの態様、すなわち、水平の傾斜を手動で設定する可能性を有する固定装置、摩擦制動装置、および調整装置はまた、原則として互いに独立させて実現可能である。従って、固定装置および調整装置は、摩擦制動装置を有する構成から独立して実現させることもできる。本出願人らは、これら態様に関する部分出願を、摩擦制動装置を有する構成から独立して出願する権利を保有する。

２支持フレーム構造
４太陽電池モジュール
６支持マスト
８支持フレーム
１０水平枢動軸
１２支柱
１４連結具
１６有孔プレート
１７締結脚部
１８駆動要素
２０駆動手段
２２駆動装置
２４案内スロット
２６側面
２８案内要素
３０案内領域
３４支持管
３６Ａ、Ｂ部分領域
３８Ａ、Ｂ締結フランジ
４０突起

Claims

太陽を追跡するための太陽電池モジュール（４）用の支持フレーム構造（２）であって、前記支持フレーム構造が、前記太陽電池モジュール（４）の垂直追跡用に設計され、支持マスト（６）と、前記支持マスト（６）を囲みかつ前記支持マスト（６）とともに回転するように前記支持マスト（６）に接続されている駆動要素（１８）とを含み、駆動力を伝達するための駆動手段（２０）が、組み立てられた状態において、前記駆動要素（１８）の周りに巻かれている支持フレーム構造（２）において、
摩擦制動装置（２４）が、前記駆動要素（１８）と前記駆動手段（２０）との間のすべりを回避するために設けられることを特徴とする支持フレーム構造（２）。
前記駆動要素（１８）が、摩擦制動装置（２４）としての構造を有する側面（２６）を有することを特徴とする請求項１に記載の支持フレーム構造（２）。
前記側面（２６）が、円周方向に延在する少なくとも１つの案内スロット（２４）を有し、組み立てられた状態において、前記案内スロット（２４）の中に、前記駆動手段（２０）が配置されることを特徴とする請求項２に記載の支持フレーム構造（２）。
前記駆動手段（２０）を案内するための案内要素（２８）が前記駆動要素（１８）に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の支持フレーム構造（２）。
前記案内要素（２８）が、前記摩擦制動装置（２４）に向かって集まる案内領域（３０）を形成することを特徴とする請求項４に記載の支持フレーム構造（２）。
組み立てられた状態において前記太陽電池モジュール（４）が上に配置される支持フレーム（８）が設けられ、水平傾斜角度を手動で設定するための固定装置（１４、１６）が設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の支持フレーム構造（２）。
前記固定装置（１４、１６）が、確定された複数の水平傾斜角度を設定するために、複数の別個のロック位置を有することを特徴とする請求項６に記載の支持フレーム構造（２）。
前記固定装置が、一方側で前記支持マスト（６）に接続され、他方側で前記支持フレーム（８）に接続される連結具（１４）を含み、前記連結具（１４）の可変締結端部は、前記水平傾斜角度を設定するために、様々な位置にロック可能であることを特徴とする請求項７に記載の支持フレーム構造（２）。
前記固定装置が、前記支持マスト（６）に締結された有孔プレート（１６）を有し、前記可変締結端部は、前記有孔プレート（１６）を介して異なる位置にロック可能であることを特徴とする請求項８に記載の支持フレーム構造（２）。
前記支持フレーム構造（２）を地面に締結するために、締結脚部（１７）と、前記支持マスト（６）の部分領域（３６Ａ、Ｂ）を互いに回転調整するための調整装置とが設けられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の支持フレーム構造（２）。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複数の支持フレーム構造（２）を有する太陽電池システム用の追跡装置であって、垂直追跡用の作動動作を個々の前記支持フレーム構造（２）に伝達するための共通駆動装置（２２）および共通駆動手段（２０）を有し、前記駆動手段が前記駆動要素（１８）の周囲を案内される追跡装置。