JP2015059413A

JP2015059413A - 太陽光発電システム

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Publication number: JP2015059413A
Application number: JP2013196134A
Authority: JP
Inventors: 神保　智彦; Tomohiko Jinbo; 智彦神保; ビスワスデバシス; Biswas Debasis; 松岡　敬; Takashi Matsuoka; 敬松岡; 長谷川　義朗; Yoshiro Hasegawa; 義朗長谷川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-30
Also published as: US20150083198A1; CN104467632A

Abstract

【課題】架台部の設置コストを低減できる太陽光発電システムを提供する。【解決手段】一実施形態に係る太陽光発電システムは、太陽電池アレイ群及び防風装置を備える。太陽電池アレイ群は、複数の太陽電池パネルと前記太陽電池パネルを支持固定する架台部とを含む太陽電池アレイを複数備える。防風装置は、前記太陽電池アレイ群の周囲の少なくとも一部に配置され、複数の平板を組み合わせた防風体又は翼型の水平断面を有する防風体を複数備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽光発電システムに関する。

近年、環境問題への配慮から、太陽光を利用して発電する太陽光発電システムの導入が世界的に増加し、大規模な太陽光発電システムを備えるメガソーラー発電所が世界各地に建設されている。太陽光発電システムでは、多数の太陽電池パネルが配置され、これらの太陽電池パネルは架台部（架台及び基礎）によって支持固定されている。架台部においては、太陽電池パネルに作用する風圧力などに耐え得る強度が要求される。

一方で、太陽光発電システムの設置コストにおいて架台部の設置コストが占める割合が大きく、特に太陽電池パネルを１万枚以上配置するようなメガソーラーシステムでは、その割合はますます大きくなる。そのため、架台部の設置コストを低減することが求められている。架台部の設置コストの低減は、架台部を軽量化することにより達成されるが、風圧力などに耐え得るよう架台部の健全性を確保しながら架台部を軽量化することは困難とされる。

特開２０１０−０１８９５４号公報

太陽光発電システムにおいては、上述したように、架台部の設置コストを低減できることが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、架台部の設置コストを低減できる太陽光発電システムを提供することである。

一実施形態に係る太陽光発電システムは、太陽電池アレイ群及び防風装置を備える。太陽電池アレイ群は、複数の太陽電池パネルと前記太陽電池パネルを支持固定する架台部とを含む太陽電池アレイを複数備える。防風装置は、前記太陽電池アレイ群の周囲の少なくとも一部に配置され、複数の平板を組み合わせた防風体又は翼型の水平断面を有する防風体を複数備える。

実施形態に係る太陽光発電システムを示す斜視図。図１の太陽光発電システムを示す上面図。図１の太陽光発電システムにおいて北東の風が吹く場合の風の流れを模式的に示す上面図。（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示した防風体によって風の流れが変えられる様子を示す図。本実施形態に係る防風体と太陽電池アレイとの配置関係を説明する図。太陽電池アレイの端部が揃っていない太陽電池アレイ群の周囲に防風体が配置される例を示す上面図。第１の比較例に係る太陽光発電システムを示す上面図。第２の比較例に係る太陽光発電システムを示す上面図。（Ａ）及び（Ｂ）は数値解析に使用する条件を説明するための概略図。（Ａ）及び（Ｂ）は数値解析により得たれた図７に示した太陽電池アレイ群における風力係数分布を示す図。（Ａ）及び（Ｂ）は数値解析により得たれた図８に示した太陽電池アレイ群における風力係数分布を示す図。他の実施形態に係る太陽光発電システムを示す斜視図。図１２の太陽光発電システムを示す上面図。

太陽光発電システムに関して、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）Ｃ８９５５では、太陽電池アレイ自身の質量による固定荷重、風圧力による風圧荷重、太陽電池パネル表面に積もった雪による積雪荷重、地震力による地震荷重の４種類の荷重を想定した上で、太陽電池パネルを設計することが定められている。これらの荷重の組み合わせは設置環境により異なるが、風圧荷重は、多くの太陽光発電所で考慮しなければならない荷重であり、風速から太陽電池アレイに加わる風圧荷重を算出する近似式を適用することになっている。この規格を適用する際、「架台が複数の場合は、周囲端部は算出式による風力係数を適用し、中央部はその値の１／２を使用してもよい」とされている。しかしながら、中央部についての明確な定義はされていない。このため、太陽光発電システムの設計時には、安全性を確保するために、周囲端部での風力係数を１／２倍した値を使用する領域（中心部）を適切に見積もることが重要である。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、実施形態を説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る太陽光発電システム１００を概略的に示す斜視図であり、図２は、太陽光発電システム１００を概略的に示す上面図である。太陽光発電システム１００は、図２に示すように、複数の太陽電池アレイ１１１を含む太陽電池アレイ群１１０と、太陽電池アレイ群１１０の周囲に配置され、複数の防風体１２１を含む防風装置１２０と、を備える。図２に示される例では、３つの太陽電池アレイ１１１−１〜１１１−３が、それぞれの端部が揃った状態で並列に配置されている。図１では、２つの太陽電池アレイ１１１−１、１１１−２及び２つの防風体１２１が示されている。

各太陽電池アレイ１１１は、図１に示すように、太陽光を受光して電力を生成する複数の太陽電池パネル１１２と、太陽電池パネル１１２を支持固定する架台部１１３と、を備える。架台部１１３は、水平面から所定の角度だけ傾斜した状態で太陽電池パネル１１２を支持する架台１１４と、架台１１４を地面に固定するコンクリート製の基礎１１５と、を備える。図２において、矩形ブロックの各々が１つの太陽電池パネル１１２を示す。図２の例では、各太陽電池アレイ１１１において、導電性の接続部材で接続された８枚の太陽電池パネル１１２が並べて配置されている。

太陽電池パネル１１２は、発電効率の観点から、一般に、傾斜して設置される。例えば、日本などの北半球の高緯度地域では、太陽電池パネル１１２は、その受光面１１６が南を向くように傾斜して設置される。水平面と受光面１１６とが成す角度は、設置場所の緯度及び環境などの様々な条件を考慮して決定される。

本実施形態では、太陽電池パネル１１２が南向きに配置される場合を想定する。この場合、３つの太陽電池アレイ１１１−１〜１１１−３が南北方向に並置され、太陽電池アレイ１１１−１〜１１１−３の各々では、太陽電池パネル１１２が東西方向に配列される。図２の例では、防風体１２１は、太陽電池アレイ群１１０の西側、東側、及び北側に配置されている。

本実施形態では、各防風体１２１は、翼型の水平断面を有する。より具体的には、各防風体１２１は、非対称翼型の水平断面を有する。防風装置１２０は、太陽電池アレイ群１１０の後方側から太陽電池アレイ群１１０に向かう風の流れを変える。ここでは、太陽電池アレイ群１１０の後方側は、太陽電池パネル１１２の背面に対向する側を指す。太陽電池パネル１１２が南向きに配置される本実施形態では、太陽電池アレイ群１１０の後方側から太陽電池アレイ群１１０に向かう風は、例えば、北風、北東の風、北西の風などのように、北から南に向かう成分を含む風を指す。

例えば、図２に示すように北西の風が吹く場合、風２０１は、太陽電池アレイ群１１０の北側に（すなわち後方に）配置された防風体群１２２−１によりせき止められる。さらに、風２０２は、太陽電池アレイ群１１０の西側に配置された防風体群１２２−２によって向きを変えられて（すなわち、整流されて）、矢印Ａに示すように南方向に向かう風になる。さらにまた、風２０３は、太陽電池アレイ群１１０の東側に配置された防風体群１２２−３によって向きを変えられて、矢印Ｂに示すように南に向かう風になる。このようにして、防風装置１２０は、後方側から太陽電池アレイ群１１０に向かう風の少なくとも一部が太陽電池パネル１１２に直接当たることを防止する。それにより、太陽電池パネル１１２に直接当たる風が軽減され、太陽電池パネル１１２に作用する風圧力が低減する。

図３は、太陽光発電システム１００に対して北東の風が吹く場合の風の流れを模式的に示している。風３０１は、防風体群１２２−１によって向きを変えられて、矢印Ｃに示すように西に向かう風になる。さらに、風３０２は、防風体群１２２−３によって向きを変えられて、矢印Ｄに示すように南方向に向かう風になる。さらにまた、風３０３は、防風体群１２２−２によって向きを変えられて、矢印Ｅに示すように南方向に向かう風になる。このようにして、防風装置１２０は、後方側から太陽電池アレイ群１１０に向かう風の少なくとも一部が太陽電池パネル１１２の背面に直接当たることを防止する。それにより、太陽電池パネル１１２に直接当たる風が軽減され、太陽電池パネル１１２に作用する風圧力が低減する。

本実施形態では、防風体１２１の水平断面形状を翼型形状とすることにより、防風体１２１自体に作用する風圧力（風荷重）が軽減される。その結果、防風体１２１の強度を低下させることが可能になり、防風体１２１の設置コストを削減することができる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、上から見た場合において、数値解析から得られた防風体１２１周りの風の流れを示している。図４（Ａ）と図４（Ｂ）では、流入する風の向きが約４５度異なっている。図４（Ａ）及び（Ｂ）からは、風の流れの向きは防風体１２１間を通過することで変えられていることがわかる。太陽電池アレイ群１１０の周囲に防風体１２１を設置することにより風の流れを変更し、それにより、太陽電池アレイ１１１に直接当たる風を少なくすることが可能である。その結果、太陽電池パネルに作用する風圧力が軽減し、安全性を確保しながら、架台部１１３の軽量化を図ることができる。

図５を参照して、太陽電池アレイ１１１と防風体１２１との間の配置関係を具体的に説明する。図５は、太陽光発電システムの一部を拡大して示している。一例では、防風体１２１は、防風体１２１間の距離（防風体間隔）Ｌ１が翼弦長Ｃ以下であり、防風体１２１と太陽電池アレイ１１１との間の距離Ｌ２が１メートルから２メートルの範囲となるように、配置される。翼弦長Ｃは、図５に示すように、翼弦の前縁と後縁を結ぶ線分の長さを示す。防風体１２１の寸法は、防風体間隔Ｌ１及び防風体１２１と太陽電池アレイ１１１との間の距離Ｌ２を確保できる範囲で、太陽電池アレイ１１１の配置と設置場所の状況に応じて決定される。

なお、防風体１２１は、設置環境の風の状況に応じて、太陽電池アレイ群１１０の周囲全体に設置してもよく、太陽電池アレイ群１１０の周囲の一部に設置してもよい。例えば、北西の風は強く吹くが北東の風は強く吹かない地域に太陽光発電システム１００を設置する場合、太陽電池アレイ群１１０の北側及び西側に防風体１２１が設置される。また、防風体１２１は、それぞれ独立しており、防風体１２１全てが同じ寸法、同じ形状である必要はない。さらに、防風体間隔Ｌ１は、全ての防風体１２１で同じである必要はない。防風体間隔Ｌ１は、個々の防風体１２１において翼弦長Ｃを超えない範囲で任意に設定することができる。

さらに、図２に示されるような太陽電池アレイ１１１それぞれの端部が揃っている場合に限らず、図６に示されるような端部に段差がある太陽電池アレイ群１１０に対して防風装置１２０が設置されてもよい。図６に示すように、北東の風が吹く場合、風６０１は、防風体群１２２−１によって向きを変えられて、矢印Ｆに示すように西に向かう風になる。さらに、風６０２は、防風体群１２２−３によって向きを変えられて、矢印Ｇに示すように南方向に向かう風になる。その結果、太陽電池パネル１１２に直接当たる風が軽減され、太陽電池パネル１１２に作用する風圧力を低減することができる。

図７は、第１の比較例に係る太陽光発電システム７００を概略的に示し、図８は、第２の比較例に係る太陽光発電システム８００を概略的に示している。図７及び図８に示した太陽光発電システム７００及び８００は、図１に示した太陽光発電システム１００とは異なり、防風装置１２０を備えていない。太陽光発電システム７００の太陽電池アレイ群７１０では、６列の太陽電池アレイ７１１それぞれが１０枚の太陽電池パネル１１２を含む。図８に示した太陽光発電システム８００の太陽電池アレイ群８１０では、５列の太陽電池アレイ８１１を含み、太陽電池アレイ８１１ごとに太陽電池パネル１１２の数が異なっている。最北に位置する１列目の太陽電池アレイ８１１−１が３つの太陽電池パネル１１２を備え、太陽電池アレイ８１１−１に南側に隣接する２列目の太陽電池アレイ８１１−２が５つの太陽電池パネル１１２を備えるというように、列番号が大きくなる（すなわち、南側に位置する）に従い太陽電池パネル１１２が２つずつ多くなっている。この場合、５列目の太陽電池アレイ８１１−５は１１枚の太陽電池パネル１１２を備える。

発明者らは太陽光発電システム７００及び８００それぞれの太陽電池アレイ群７１０及び８１０における風力係数分布を数値解析によって得ている。数値解析に使用した条件について説明する。数値解析では、太陽電池パネル１１２以外の部分（例えば架台及び基礎）は風の流れに与える影響が少ないので考慮していない。太陽光発電システム７００に関しては、図９（Ａ）に示すように、太陽電池パネル１１２の幅Ｗを１５００ｍｍ、奥行きＤを３０００ｍｍ、厚さＴを１００ｍｍとする。さらに、図９（Ｂ）に示すように、太陽電池パネル１１２の高さＨを５００ｍｍとし、角度φを３０度とする。図７に示すように、太陽電池アレイ６１１間の距離Ｌを３０００ｍｍとする。さらに、太陽電池パネル１１２を南向きに配置し、風向を北から南に向かう方向（図７の矢印Ａで示される方向）及び北東から南西に向かう方向（図７の矢印Ｂで示される方向）とし、風速を３０ｍ／ｓとする。

太陽光発電システム８００に関しては、太陽電池パネル１１２の幅Ｗを１５００ｍｍ、奥行きＤを２９４５ｍｍ、厚さＴを１００ｍｍとする。さらに、太陽電池パネル１１２の高さＨを７３０ｍｍとし、角度φを１０度とする。図８に示すように、太陽電池アレイ８１１間の距離Ｌを１７００ｍｍとする。さらに、太陽電池パネル１１２を南向きに配置し、風向を北から南に向かう方向（図８の矢印Ｃで示される方向）及び北東から南西に向かう方向（図８の矢印Ｄで示される方向）とし、風速を３０ｍ／ｓとする。

風力係数Ｃは、下記数式（１）で定義される。数式（１）では、風力係数Ｃに関し、太陽電池パネル１１２の背面から受光面１１６に向かう方向を正としている。風力係数Ｃは、その絶対値が大きいほど、太陽電池パネル１１２に作用する風圧力が大きいことを表す。

ここで、Ｐ_ｌは太陽電池パネル１１２の背面に作用する風圧力を表し、Ｐ_ｕは太陽電池パネル１１２の受光面１１６に作用する風圧力を表す。また、ρ及びＵは流体（空気）の密度及び流速をそれぞれ表す。さらに、Ａは太陽電池パネル１１２の受光面１１６又は背面の面積を表す。

図１０（Ａ）は、風向が図７の矢印Ａで示される方向であるとした場合（すなわち、北風を想定した場合）において数値解析により得られた太陽電池アレイ群７１０における風力係数分布を示し、図１０（Ｂ）は、風向が図５の矢印Ｂで示される方向であるとした場合（すなわち、北東の風を想定した場合）において数値解析により得られた太陽電池アレイ群７１０における風力係数分布を示している。図１１（Ａ）は、風向が図８の矢印Ｃで示される方向であるとした場合（すなわち、北風を想定した場合）において数値解析により得られた太陽電池アレイ群８１０における風力係数分布を示し、図１１（Ｂ）は、風向が図８の矢印Ｄで示される方向であるとした場合（すなわち、北東の風を想定した場合）において数値解析により得られた太陽電池アレイ群８１０における風力係数分布を示している。図１０（Ａ）及び（Ｂ）並びに図１１（Ａ）及び（Ｂ）において、濃色ほど風力係数の値が大きく、淡色ほど風力係数の値が小さいことを示す。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）では、風向Ａ及び風向Ｂのいずれにおいても、風上側の太陽電池パネル１１２ほど風力係数が大きい傾向がある。より具体的には、図１０（Ａ）では、１段目の太陽電池アレイ７１１−１で風力係数が最も大きく、２段目の太陽電池アレイ７１１−２で風力係数が最も小さくなり、風下側の太陽電池アレイ７１１ほど風力係数が大きくなる傾向がある。風上側の１段目の太陽電池アレイ７１１−１では、中央部に位置する３列目から８列目の太陽電池パネル１１２に比べて端部に位置する１列目、２列目、９列目、１０列目の太陽電池パネル１１２で風力係数が小さく、２段目から６段目の太陽電池アレイ７１１−２〜７１１−６では、中央部に位置する２列目から９列目の太陽電池パネル１１２に比べて端部に位置する１列目、１０列目の太陽電池パネル１１２で風力係数が大きくなっている。図１１（Ａ）及び（Ｂ）では、風向Ｃ及び風向Ｄのいずれにおいても、風上側の太陽電池パネル１１２ほど風力係数が大きい傾向がある。より具体的には、図１１（Ａ）では、１段目の太陽電池アレイ８１１−１で風力係数が最大となり、風下側の太陽電池アレイ８１１ほど風力係数が小さくなる傾向がある。

このように、太陽電池アレイ群７１０と太陽電池アレイ群８１０とでは傾向が異なっている。太陽電池アレイ群７１０では、北風の場合、太陽電池アレイ１１１の両端部及び中央部において渦が巻く。また、太陽電池アレイ群７１０では、北東からの風は、各太陽電池アレイ７１１の東端の（１０列目の）太陽電池パネル１１２に衝突し、その後乱れながら太陽電池アレイ７１１間に流入する。一方、太陽電池アレイ群８１０では、北東の風のような斜めからの風は、中央部まで流入しやすくなる。このような風の流れの違いに応じて上述したような傾向の違いが現れると考えられる。

本実施形態では、防風装置１２０を設けることにより、風が太陽電池アレイ群１１０の周囲端部の太陽電池パネル１１２に直接当たることが防止され、太陽電池パネル１１２に作用する風圧力が低減される。このため、上述したＪＩＳＣ８９５５に記載される中央部をより広く設定することができる。このため、架台１１４及び基礎１１５の設置コストを低減することができる。

以上のように、本実施形態に係る太陽光発電システムでは、太陽電池アレイ群の周囲の少なくとも一部に防風体を設けることにより、太陽電池パネルに作用する風圧力を低減することができる。それにより、安全性を確保するとともに、基礎及び架台を軽量化することが可能になる。その結果、基礎及び架台の設置コストを低減することができる。

なお、防風体は、水平断面形状が翼型に形成される例に限らず、風の流れを変更することができればいかなる形状に形成されてもよい。図１２は、本実施形態の変形例に係る太陽光発電システム１２００を概略的に示す斜視図であり、図１３は、太陽光発電システム１２００を概略的に示す上面図である。図１２及び図１３に示すように、本実施形態の変形例に係る防風装置１２０は、複数の（例えば２枚の）平板を組み合わせて形成される防風体１２２１を複数個備える。本実施形態の変形例においても、太陽電池パネルに作用する風圧力を低減することができ。その結果、基礎及び架台の設置コストを低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…太陽光発電システム、１１０…太陽電池アレイ群、１１１…太陽電池アレイ、１１２…太陽電池パネル、１１３…架台部、１１４…架台、１１５…基礎、１１６…受光面、１２０…防風体群、１２１…防風体、１２２１…防風体。

Claims

複数の太陽電池パネルと前記太陽電池パネルを支持固定する架台部とを含む太陽電池アレイを複数備える太陽電池アレイ群と、
前記太陽電池アレイ群の周囲の少なくとも一部に配置され、翼型の水平断面を有する防風体又は複数の平板を組み合わせて形成される防風体を複数備える防風装置と、
を具備する太陽光発電システム。
前記防風体は、非対称翼型の水平断面を有する、請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記複数の防風体が設置される間隔は前記翼型の翼弦長以下である、請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。