JP2015059676A - 太陽追尾発電及び温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池パネルを太陽方向に向ける太陽追尾装置は、製造コストが高く、設置費も高額で、設置後のメンテナンス料も高額である。【解決手段】ピストンの上下方向のシリンダー室（ヲ）（タ）をパイプ（ニ）でつなぎ、その中間に電磁弁を設ける。温水器のタンク（イ）に水を満たすと右側方向へのモーメントが働くが、電磁弁が閉じている為、パネルはそのまま静止状態にある。太陽が１５度移動した時点ではパネルの向きは１５度ずれる。そこで１時間後、電磁弁（ト）を解放する。ピストンががシリンダー室内のオイルを押し出しパネルが動きだす。１５度傾いた時点でマイクロスイッチ（サ）が押され電磁弁が閉じ、パネルは太陽の方向を向いて静止する。これを繰り返し、パネルは夕方、西方向を向き静止する。温水器のタンク（イ）のお湯をお風呂や蓄熱タンクに全て出すことで右部分が軽くなり、電磁弁（ト）がＯＮとなり、パネルは東方向へ動いた状態となる。【選択図】図１

Description

天体望遠鏡を動かすような精密なモーターや減速機など使わず、単純な原理で太陽を追尾することで、太陽エネルギーを効率良く吸収し、電気と温水を同時に効率良く作ることのできる装置に関する。

現在の太陽発電システムの、ほとんどは固定式である。 その原因は、固定方式は設置が安く、工期も維持 費も安いからである。これに対し太陽追尾装置の太陽光発電方式はシステムも高価であり、維持費が大きいからである。

現在の太陽の動きにあわせて太陽電池パネルを向ける太陽光発電装置は、天文台や天体望遠鏡で使われている星の動きと同じ速度で微動できるようにしたステッピングモーターとコンピューターの組み合わせたものや、光センサーとコンピューターによりアクチュエータを作動させ最良の向きをする装置など、複雑な装置がほとんどである。 それらのシステムは構造も複雑な精密機械で、製造コストも本体の価格も高額である。

故障した場合は構造が複雑なため修理代も高額で、修理期間が長い場合もある。故障が無い場合でも、精密な機械のために、システムを維持する為の定期的メンテナンスが必要で、そのメンテナンス料など維持費も高額である。 これらのことが太陽追尾装置による太陽発電装置の普及の妨げの原因にもなっている。

現在の太陽発電装置のほとんどが固定式であり、太陽光のエネルギーの半分程度しか利用されていない。 これに対して効率の良い太陽を追尾しながら発電する装置、太陽追尾装置による太陽光発電装置は、天文台や天体望遠鏡で使われている星の動きと同じ速度で微動できるようにしたステッピングモーターとコンピューターの組み合わせたものや、コンピューターとセンサーによって最良の向きを向く装置などがほとんどである。 そのシステムは構造も複雑でな精密機械で、製造コストも本体の価格も高額である。 故障した場合は構造が複雑なため修理代も高額で、修理期間も長い。故障が無い場合でも、精密な機械のために、システムを維持する為の定期的メンテナンスが必要で、そのメンテナンス料など維持費も高額である。 このことが太陽追尾装置の普及の妨げの原因になっている。

太陽光を受けながら発電する太陽電池パネルの発電量は角度で２、３度太陽に向いていなくても、パネルの最大の発電能力の上限は限られているので、受光面が１００パーセントの正確さで太陽を向く必要はない。つまりおおよそ太陽方向を向いていれば太陽光発電として十分機能するのである。

本考案は、図１の（１）のように電磁弁（ト）を、ピストンの上方向のシリンダー室（ヲ）と下方向のシリンダー室（タ）をパイプ（ニ）によってつなぎ、その中間に電磁弁を設ける。温水器に水を満たすことで、右側方向のモーメントの状態となる。しかしピストン（ハ）が動こうとするが、電磁弁が閉じているオイルの移動が起きないので、パネルはそのままである。

太陽が１５度、西方向へ移動した時点、この時点では最初に向いていたパネルの向きは１５度ずれていることになる。そこで、１５度西へ移動した太陽に向けるために、一定時間経過タイマーによって１時間後、電磁弁（ト）作動し、弁が解放されオイルが流れ始める。その電磁弁のスイッチは自己保持回路リレーのためＯＮしたまま解放状態が続き、ピストンが（ハ）がシリンダー室（タ）内のオイルを押し出し可動部が西へ動き続ける。

しかし図（１１）の（ｃ）のセンサーがあり、パネルが１５度傾いた時点でマイクロスイッチ（サ）を押すことになり自己保持回路リレーが切れ電磁弁が閉じることになり、パネルは太陽の方向を向いて静止する。 上記のことを繰り返し、パネルは太陽を追い続け日没、夕方、西方向を向くことになる。

太陽は沈み、太陽光発電も温水器もこれ以上暖められない時点で、温水器中の全てのお湯をお風呂に入れたり、蓄熱タンクへ移動させタンク（イ）を空にする。タンク（イ）が軽くなり（９）の時点で、パネルは左方向、東方向へのモーメントが働いている。 水量スイッチまたは日没時間タイマーによってが電磁弁（ト）が解放されオイルの流れが始まりパネルは東を向くことになり、次の日の太陽を待つことになる。

このように単純な構造、少ない部品数で、太陽追尾でき、パネル全体を動かす動力は、水の重さのみを利用するもので、タイマーや電磁弁の消費電力は微少なものであり、省エネ、安価な太陽追尾を可能にしたものが本考案である。

図１の（ｃ）のように、本考案をオイルや空気などのシリンダーを使わず、バネと電磁ストッパーにより実現する装置である。
（２１）（２５）の状態でマイクロスイッチがＯＮ状態、自己保持回路もＯＮの状態でソレノイド（カ）がＯＮとなりストッパーが外れた様態が続いて可動部（ソーラーパネル及び温水器）が傾いていく
（２２）（２６）のように次の一定時間後の角度傾いたところで突起物（ヨ）がマイクロスイッチ（サ）をＯＦＦとしソレノイド（カ）の電源がＯＦＦとなり、ストッパーが直線ギア（ワ）を押さえることで、シリンダーが一定の長さで止まった状態
（２３）（２８）で温水器の中の水が空なので左側に倒れた状態、つっかえ棒（レ）が一番伸びた状態
（２４）（２５）（２６）（２７）と上記の原理を繰り返しながら太陽を追いかけながら可動部が傾いていく追尾装置である。

（１）単純な構造、単純な仕組み、少ない部品数、既存の安価な部品で製造できるので、本体価格が安く、発電効率の良い本考案の太陽光追尾発電装置が普及する。
（２）太陽を追尾する為、効率が良く発電、温水をつくる装置なので、人々の生活にすぐに役立つ装置である。
（３）一部タイマーや電磁弁に微少の電気は使用するだけで、パネル（ソーラーパネル及び温水器）を水の重さだけで動かすため省エネである。
（４）温水器として使える事は、石油、ガスの消費を削減になり球温暖化防止にもなる。
（５）太陽追尾システムではソーラーパネルを垂直状態に維持できるため、降雪の日でも、パネルに雪が積もらず発電できる。 これによって雪国での本考案の太陽追尾の太陽光発電装置の普及が進み、省エネ社会を実現できる。

本考案のシステムの構成図である。

（１）（２）は本考案の立面図 （実施例）
（３）温水器だけの太陽追尾装置の立面図（実施例）
（４）ピストン（ハ）の上部分のシリンダー室（ヲ）と下部分のシリンダー室（タ）をパイプ（ニ）によってつなぎ、その中間に電磁弁（ト）を設けたシリンダー
（５）温水器のタンク（イ）が空の状態で左側のソーラーパネル（リ）の方向に倒れている状態
（６）温水器のタンク（イ）に水が満たされていく状態。 流れずランスは温水器（ロ）の左方向に倒れようとしている。電磁弁（ト）が閉じているためオイルが（タ）から（ヲ）へ流れずパネルは静止した状態
（７）太陽の位置が１５度西方向へ移動した時点、つまり１時間後、タイマーによって電磁弁（ト）が作動しオイルが流れ始める。電磁弁が自己保持回路のリレーによってＯＮ状態、弁の解放状態が続きパネルが西方向へ傾き続ける。
しかし図（１１）の（ｃ）のセンサーがあり、１５度傾いた時点でマイクロスイッチ（サ）を押すことになり自己保持回路リレーが切れ電磁弁が閉じ、ソーラーパネル部（１２）及び温水器（１３）は１５度傾いたところで静止する。これで太陽方向を向いたことになる。
（８）（７）を繰り返し、日没時近く完全に西方向を向いた状態で低い高度の太陽方向を向いている。
（９）（８）の後は太陽光発電も温水器の太陽熱によって暖められることはないので、温水器中の全てのお湯をお風呂や蓄熱タンクへ移動させタンク（イ）を空にした状態。
（１０）空になった（９）の時点で、移動部は右方向、東方向のモーメントが働いている状態から日没後にタイマーによって電磁弁（ト）が解放されオイルが流れるのでパネルは東方向へ動き続けている
（１１）パネルが東を向き静止した状態
（１２）太陽光発電部分（ソーラーパネル）
（１３）温水器 この温水器は熱吸収熱伝導体（ロ）によってタンク（イ）内の水を効率よく加熱するタイプの温水器、特徴は水がタンク（イ）の中にだけにあるので、遊具のシーソーのように左右のバランス調整がスムーズにできる
（１４）一定時間で太陽が移動した分、その角度に応じてマイクロスイッチ（サ）を作動させることのできる角度スイッチ
（１５）温水器部分の無い、太陽光発電のみの装置を動かすためにオイルポンプを設置したタイプで本考案の原理を達成するタイプ
（１６）パネルの右側が重いように支点を左側にずらしている。 右側が重いためピストン（ハ）が押されシリンダー室（タ）内のオイルが全て押し出され、シリンダー（へ）が縮み西を向いている状態
（１７）季節ごとの日の出時刻に合わせたタイマーによって、オイルポンプ（ル）が作動し一気にソーラーパネルが東に向けた状態
（１８）（１９）は前記の（７）（８）の説明と同じである
（２０）太陽が一定時間で一定各角度傾く時、つっかえ棒（レ）の長さが不規則の長さで変化することを示した原理図
（２１）（２５）の拡大図、マイクロスイッチがＯＮ状態、自己保持回路もＯＮの状態でソレノイド（カ）がＯＮとなりストッパーが外れた様態が続いて可動部（ソーラーパネル及び温水器）が傾いていく
（２２）（２６）の拡大図、（２１）から次の一定時間後傾いたところで突起物（ヨ）がマイクロスイッチ（サ）をＯＦＦとしソレノイドストッパー（カ）の電源がＯＦＦとなり、ストッパーが直線ギア（ワ）を押さえることで、シリンダーが一定の長さで止まった状態
（２３）（２８）で温水器の中の水が空なので左側に倒れた状態、つっかえ棒（レ）が一番伸びた状態
（２４）（２５）（２６）（２７）と上記の原理を繰り返しながら太陽を追いかけながら可動部が傾いていっている状態
（２８）温水器の中が空で、バランスは完全に左側、ソーラ-パネル及び温水器は東を向いた状態
（２９）温水器のタンク（イ）に水が注入され、右側が重くなりバランスは右方向、西側方向を向こうとしている状態
（３０）上記の原理を繰り返しながら太陽を追いかけながら可動部が傾いていく状態
（３１）日没近く西を向いた状態
（３２）（３３）日没後は太陽光発電も温水器の太陽熱によって暖められることはないので、温水器中の全てのお湯をお風呂に入たり、蓄熱タンクへ移動させタンク（イ）を空にした状態で。可動部は右側が軽くなり左方向のバランスで、東方向へ傾く力が働いた状態。 次にソレノイド（カ）がＯＮとなりストッパーが直線ギア（ワ）から、はずれてパネル及び温水器は東を向く。

（Ａ）本考案の基本的原理図（４）から（８）まで
（Ｂ）本考案の原理によりソーラーパネルだけで太陽追尾をする作動図（１５）から（１９）
（Ｃ）本考案をオイルや空気などシリンダーを使わず、バネにより実現するスライドトッパーを使った追尾装置。（２０）から（２３）まで

（イ）温水器の水タンク、パネル全体のバランスを崩すことによるシーソーのように動かすおもり部分
（ロ）熱吸収熱伝導部分、太陽光から熱を効率良く吸収しタンク（イ）の中の水を効率良くお湯にする
（ハ）パネルストッパー、傾きが一定の角度ごとに縮んだ長さでストップするためのシリンダー
（ニ）ピストンの上方向のシリンダー室（ヲ）と下方向のシリンダー室（タ）をつなぎ、オイルが移動パイプ
（ホ）傾くパネルが回転する時中心軸、支点、シャフト
（ヘ）シリンダー
（ト）電磁弁
（チ）流量調整バルブ、可動部であるソーラーパネルの重さや左右のモーメントの大きさに応じて流量を調整し、傾くスピードをコントロールする
（リ）太陽電池（ソーラーパネル）、発電量の規模に応じた面積
（ヌ）
（ル）電磁ポンプ、水の重みで左右のバランスを崩しての追尾する原理と同じに。初めからパネルが右側（西側）を重くし、右側に傾いている状態を、日の出と同時に、この電磁ポンプを使ってオイルを移動さピストンを押し上げシリンダーの伸ばすことで東を向けた状態とし、本考案の原理で少しずつ西方向に動かし太陽を追尾する
（ヲ）（タ）のシリンダー室から押し出されたオイル（空気）はこのシリンダー室に流入してくる
（ワ）直線ギア、ストッパーが刺さることで、あるいはピンが溝に落ちることで止まるなど、動きをロックする役割をするもの
（ヨ）マイクロスイッチ、ソーラーパネ及び温水器をある一定角度ごと止めるために、マイクロスイッチを押すためのストッパー（突起物）、太陽を追いかけ一定角度ごと止める数だけあり、太陽が角度１５度動くと、１時間が経過するので日中に８時間かけて１５度ごと止めていくとすれば８個のストッパー（突起物）が必要である
（タ）ピストンが押され、このシリンダー室からオイルが押し出されていく
（レ）スライドストッパー（つっかえ棒）、オイル、空気によるピストンを使わずに本考案を実現するため、パネル全体が傾くスピードをばねによってスローにし、一定角度ごと、（２１）（２２）のマイクロスイッチ（サ）と電磁ストッパー（カ）によって「つっかえ棒」の長さで止まる
（ソ）ばね、スピードをスローにするための「ばね」
（サ）マイクロスイッチ、押されることＯＦＦになり、電磁弁（ト）が閉じたり、電磁ストッパー（カ）を作動さる働きをする
（ネ）パネルの傾きセンサー、（１１）と同じ役割である角度ごとスイッチが作動する

(a)軸受に取り付けられた傾きセンサースイッチ
(b)マイクロスイッチ（サ）がＯＮ状態で、電磁弁が解放のまま、ピストンが縮みながら傾いている状態
(c)ある角度になって、マイクロスイッチ（サ）が切れて電磁弁が閉じて、可動部（ソーラーパネル及び温水器）が静止、その時間の太陽のある方向を向いていることで最高の発電量、最高の加熱状態が保たれることになる
(B1)一気にパネルを電磁ポンプで東を向ける時、この電磁弁が解放し、同時に電磁ポンプ（ル）を作動させシリンダー（ヘ）を最長の状態にした時点で閉じる電磁弁
(B2)一定時間ごと、一定角度にするためオイルを少しずつ流しピストンを動かすための電磁弁

Claims (2)

1. 図１の（１）のように、ピストンの上方向のシリンダー室（ヲ）と下方向のシリンダー室（タ）をパイプ（ニ）によってつなぎ、その中間に電磁弁を設けたシリンダー（ヘ）を準備する。左側に太陽光発電装置部分（１２）、右側に温水器（１３）を連結し遊具のシーソーように図の（１）（５）のように設置する。左側部分、太陽光発電装置部分（１２）を重くし左に傾いている。次に温水器のタンク（イ）に水を満たすことで、右側方向のモーメントの状態となる。しかしピストン（ハ）が動こうとするが、電磁弁（ト）が閉じているのでオイルの移動が起きないため、パネルはそのままの状態にある。
   最初の段階でパネルに垂直に太陽の光があたっているとする。１時間で太陽は西方向へ１５度移動する。その時、パネルが１時間前まま動かなければどんどん太陽光の入射角が斜めになり、吸収するエネルギーは減少していく。 そこで太陽にパネルを向けるため、経過タイマーによって１時間後、電磁弁（ト）が作動、弁が解放されオイルが流れ始め、その電磁弁のスイッチは自己保持回路リレーのためＯＮの状態のまま弁も解放状態が続き、ピストンが（ハ）がシリンダー室（タ）内のオイルを押し出し可動部が西へ動き続けるが、図（１１）の（ｃ）のセンサーがあり、パネルが１５度傾いた時点でマイクロスイッチ（サ）を押すこととなり自己保持回路リレーが切れ電磁弁が閉じ、パネルは太陽の方向を向いて静止する。上記のことを繰り返し、パネルは太陽を追い続け日没、夕方、西方向を向いている。
   太陽が沈み、太陽光発電も温水器もこれ以上暖められない時点で、温水器の中のお湯をお風呂に入たり、あるいは蓄熱タンクへ移動させタンク（イ）の中を空にする。 するとタンク（イ）が軽くなりパネルは東方向に動こうとしている状態（９）となり、同時に電磁弁（ト）が作動し弁が解放されオイルの流れ、パネルは東に向いいて状態（１１）となり、次の日の太陽を待つことになる。
   このように、パネルの左右のアンバランスを利用し、（４）のような構造を持ったシリンダーと、（レ）や（１４）のような角度センサーとタイマーを組み合わせ太陽追尾を可能とした全てのもの
2. 回転軸に設置する角度センサー（１４）に対し、パネルの角度とつっかえ棒（レ）の長さの関係（２０）を応用し、一定角度ごとパネルの動きを止めるために、ある長さごとマイクロスイッチ（ヨ）を作動させる突起物（ヨ）を組み合わせて、タイマーによって一定時間ごと電磁ストッパー（カ）の作動を繰り返することでパネルの傾きを変え太陽の追尾を可能としたコントロールする棒（Ｃ）