JP2016005303A - 追尾式太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて軽量でシンプルな追尾機構を有する追尾式太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】追尾式太陽光発電装置１０は、太陽電池パネル１１を保持し太陽電池パネル１１の受光面と直交する鉛直面内で回動する起伏部１３と起伏部１３を回動可能に支持する基部１４とを有するフレーム１２と、基部１４を支持する支持体１５と、起伏部１３を回動させる起伏手段１６とを備え、起伏手段１６は、太陽電池パネル１１の受光面と直交する鉛直面内に配置されたスクリュー軸１８と、スクリュー軸１８の回転に伴ってスクリュー軸１８の方向に移動する移動体１９と、移動体１９と起伏部１３とを連結する連結部材２１と、スクリュー軸１８に沿って配置され、スクリュー軸１８方向以外の移動体１９の自由度を拘束するためのガイド部材２０と、スクリュー軸１８を回転させる第１のモータ２２とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽の位置に応じて太陽電池パネルの受光面を回動させる追尾式太陽光発電装置に関する。

近年、化石燃料の枯渇に加えて地球温暖化等の地球環境問題が深刻化していることから、クリーンエネルギーである太陽光発電が注目されている。太陽光発電では、複数の太陽電池（セル）を並べてパネル状に形成した太陽電池パネル（太陽電池モジュール）が使用される。

この太陽光発電の発電効率を上げるための装置として、太陽の位置に応じて太陽電池パネルの受光面を回動させる追尾式太陽光発電装置が従来より知られている。例えば、特許文献１には、クランク軸、偏心カム、外歯歯車、内歯歯車などから構成される減速装置を有する追尾式太陽光発電装置が開示されている。この装置では、１つの減速装置で太陽電池パネルを方位軸及び水平軸回りに回転させることができる。
また、特許文献２には、太陽電池パネルの傾斜角（仰角）を調整する起伏シリンダと、太陽電池パネルの方位角を調整する旋回シリンダとを有する太陽光発電システムが開示されている。
さらにまた、特許文献３には、モータを駆動源とする旋回手段とスクリュージャッキからなる回動（起伏）手段とを備える太陽光発電モジュール支持装置が開示されている。この装置では、スクリュージャッキのスクリュー軸を軸方向に進退させることで太陽光発電モジュール（太陽電池パネル）を起伏動作させる。

特許第５２９２１０８号公報 特開２０１２−５４３８１号公報 特開２０１２−２３４８６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている追尾式太陽光発電装置の場合、減速装置がクランク軸や偏心カム、複数の歯車等から構成されているため、追尾機構が複雑となる。また、特許文献２に記載されている太陽光発電システムの場合、起伏シリンダ及び旋回シリンダとして油圧シリンダを使用するため、油圧制御回路等が必要となり設備が大掛かりとならざるを得ない。
一方、特許文献３に記載されている太陽光発電モジュール支持装置では、スクリュー軸を押し引きして太陽電池パネルを起伏させる機構であるため、スクリュー軸が座屈するおそれがある。そのため、スクリュー軸の径をかなりサイズアップしなければならないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来に比べて軽量でシンプルな追尾機構を有する追尾式太陽光発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る追尾式太陽光発電装置は、太陽電池パネルを保持し該太陽電池パネルの受光面と直交する鉛直面内で回動する起伏部と前記起伏部を回動可能に支持する基部とを有するフレームと、前記基部を支持する支持体と、前記起伏部を回動させる起伏手段とを備え、
前記起伏手段は、前記太陽電池パネルの受光面と直交する鉛直面内に配置されたスクリュー軸と、前記スクリュー軸の回転に伴って該スクリュー軸の方向に移動する移動体と、前記移動体と前記起伏部とを連結する連結部材と、前記スクリュー軸に沿って配置され、該スクリュー軸方向以外の前記移動体の自由度を拘束するためのガイド部材と、前記スクリュー軸を回転させる第１の駆動装置とを備え、
前記移動体が前記スクリュー軸の方向に移動することにより、前記連結部材を介して前記移動体に連結された前記起伏部が鉛直面内で回動することを特徴としている。

本発明では、移動体がスクリュー軸の方向に移動することにより、連結部材を介して移動体に連結された起伏部が鉛直面内で回動する機構とされているので、太陽電池パネル回動時にスクリュー軸に大きな軸力が掛からず、スクリュー軸が座屈するおそれがない。また、スクリュー軸方向以外の移動体の自由度がガイド部材によって拘束されているので、太陽電池パネルの自重や太陽電池パネルに作用する強風等でスクリュー軸が曲がったりすることもない。そのため、スクリュー軸の径を細くすることができる。

また、本発明に係る追尾式太陽光発電装置では、前記基部と前記支持体の間に、前記フレームを旋回させる旋回手段が介装され、
前記旋回手段は、前記基部に接合されたウォームホイールと前記ウォームホイールに噛合して前記ウォームホイールを回転させるウォームとを有するウォームギヤと、前記ウォームを回転させる第２の駆動装置とを備えていてもよい。

当該構成では、ウォームギヤ及びウォームギヤを駆動する第２の駆動装置から旋回手段が概略構成されているので、従来に比べて旋回機構をシンプルにすることができる。

また、本発明に係る追尾式太陽光発電装置では、前記第１及び第２の駆動装置を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記太陽電池パネルが設置されている地点の緯度及び経度並びに現在の日時から太陽の位置を特定し、特定された太陽の位置に基づいて前記太陽電池パネルの受光面の方位角及び仰角の補正量を算出し、前記第１及び第２の駆動装置を間欠駆動させるようにしてもよい。

当該構成では、太陽の位置に応じて太陽電池パネルの受光面を回動させる際、第１及び第２の駆動装置を間欠駆動させるので、ランニングコストを低く抑えることができる。

また、本発明に係る追尾式太陽光発電装置では、前記支持体が円柱状とされ、前記支持体の下部外周面に、該外周面から外方に向けて突出する板状の羽根材が形成されていてもよい。

支持体の少なくとも下部を地中に埋設してフレームを支持する場合、支持体が円柱状とされているので、杭の圧入機などを用いて支持体を地中に埋設することができ基礎工事を簡素化することができる。また、支持体の下部外周面に形成した羽根材が土中で回転抵抗となり、支持体を地中にしっかり固定することができる。

本発明に係る追尾式太陽光発電装置では、移動体がスクリュー軸の方向に移動することにより、連結部材を介して移動体に連結された起伏部が鉛直面内で回動する機構とされているので、スクリュー軸に大きな負荷が掛からず、スクリュー軸の径を細くすることができる。その結果、従来に比べて軽量でシンプルな追尾機構を実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る追尾式太陽光発電装置の側面図である。 同追尾式太陽光発電装置の背面図である。 同追尾式太陽光発電装置の斜視図である。 旋回手段の内部斜視図である。 起伏手段の拡大斜視図である。 起伏手段の拡大斜視図である。 同追尾式太陽光発電装置の制御ブロック図である。 太陽電池パネル受光面の仰角を計測する方法を説明するための模式図である。 太陽の位置に応じて太陽電池パネル受光面を回動させる手順を示したフローチャートである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る追尾式太陽光発電装置１０は、太陽電池パネル１１を保持するフレーム１２と、フレーム１２を支持する支持体１５と、太陽電池パネル１１を回動させる起伏手段１６及び旋回手段１７とを備えている（図１〜図３参照）。

太陽電池パネル１１は、複数の太陽電池（セル）を相互接続して矩形パネル状に形成したものである。本実施の形態では、太陽電池パネル１１を格子状（横方向４枚×縦方向４枚）に配置し、正面視して横方向に長い矩形状の太陽電池アレイを構成している。

支持体１５は中実又は中空の鋼製円柱から構成され、支持体１５の少なくとも下部が地中に埋設されている。支持体１５の下部外周面には、該外周面から外方に向けて突出する板状の羽根材３１が形成されている。羽根材３１は土中で回転抵抗として機能する。
なお、支持体１５を地中に埋設せず、コンクリート等の基礎上に設置しても良い。

フレーム１２は、太陽電池パネル１１を保持し太陽電池パネル１１の受光面と直交する鉛直面内で回動する起伏部１３と、起伏部１３を回動可能に支持する基部１４とを有している。
起伏部１３は、一定の間隔をあけて平行配置された複数の水平材２６と、水平方向に間隔をあけて配置され、並設された複数の水平材２６を結合する一対の縦材２７とから概略構成されている。また、水平材２６と太陽電池パネル１１との間には、複数のパネル受け桟３２が水平材２６と直交する方向に配置されている。なお、水平材２６には溝形鋼、縦材２７にはＨ形鋼が使用されている。
基部１４はＨ形鋼と平鋼等から構成され、矩形枠からなる立ち上がり部１４ａが太陽電池パネル１１の受光面側に形成されている。一対の縦材２７の一方の端部（起伏部１３の下端側）が立ち上がり部１４ａに連結され、連結部１２ａを回動中心として起伏部１３が鉛直面内で回動する。

旋回手段１７は、フレーム１２の基部１４と基部１４を支持する支持体１５の間に介装され、ウォームギヤ２３と、ウォームギヤ２３を駆動する第２のモータ２５（第２の駆動装置）とを備えている。図４に示すように、ウォームギヤ２３は、リングの外周部に歯車が形成されたウォームホイール２３ａと、シャフトの外周面に歯車が形成され、ウォームホイール２３ａと噛合するウォーム２３ｂから概略構成されている。
フレーム１２の基部１４がウォームホイール２３ａに接合され、第２のモータ２５がウォーム２３ｂの一方の端部に接続されている。第２のモータ２５が回転することにより、ウォーム２３ｂと噛合するウォームホイール２３ａが回転し、基部１４（フレーム１２）が旋回する。旋回可能な角度は０°〜３６０°である。

起伏手段１６は、太陽電池パネル１１の受光面と直交する鉛直面内に配置され水平方向に延在するスクリュー軸１８と、スクリュー軸１８の回転に伴ってスクリュー軸１８の方向に移動する移動体１９と、移動体１９とフレーム１２の起伏部１３とを連結する一対の連結部材２１と、スクリュー軸１８方向以外の移動体１９の自由度を拘束するためのガイド部材２０とを備えている（図５、図６参照）。ガイド部材２０は、スクリュー軸１８に沿ってスクリュー軸１８の下方に配置され、スクリュー軸１８の両端部を支持している。また、スクリュー軸１８の一方の端部には、スクリュー軸１８を回転させる第１のモータ２２（第１の駆動装置）が設置されている。

ガイド部材２０はＨ形鋼から構成され、フレーム１２の基部１４の一部を構成している。
移動体１９は、スクリュー軸１８に螺合されたトラベリングナット２８と、トラベリングナット２８に装着され、ガイド部材２０の上フランジを挟持する拘束部材２９と、拘束部材２９に装着され、ガイド部材２０の上フランジ上を移動するローラ３０とを備えている。
一対の連結部材２１は、一方の端部が拘束部材２９に連結されると共に、他方の端部が起伏部１３を構成する一対の縦材２７の中間部に連結され、立面視してＶ字状に配置されている。
なお、本実施の形態では、スクリュー軸１８とスクリュー軸１８に螺合されたトラベリングナット２８としてトラベリングナット型スクリュージャッキを使用している。

第１のモータ２２が回転すると、スクリュー軸１８が回転し、移動体１９がスクリュー軸１８の方向に移動する。これにより、連結部材２１を介して移動体１９に連結された起伏部１３が鉛直面内で回動する。起伏部１３の起伏角度（仰角）は０°〜６０°程度である。

スクリュー軸１８方向に作用する力は、連結部材２１に作用する軸方向力の分力となるので、特許文献３に記載されている装置のようにスクリュー軸を押し引きする場合に比べて格段に小さくなる。本実施の形態に係る追尾式太陽光発電装置１０では、連結部材２１及び移動体１９を介してスクリュー軸１８に作用する軸力は常に引張力となるので座屈は起こりえず、スクリュー軸１８の径は計算上の最小値となる。
また、スクリュー軸を押し引きする装置の場合、太陽電池パネル１１の仰角が小さくなるにつれてスクリュー軸が下方に下がってくるため、支持部として相応の高さが必要となるが、本実施の形態に係る追尾式太陽光発電装置１０では、スクリュー軸１８が移動しないので、全体高さを低く抑えることができる。

スクリュー軸１８方向以外の移動体１９の自由度が拘束部材２９を介してガイド部材２０によって拘束されているので、スクリュー軸１８には曲げ力が作用せず、太陽電池パネル１１の自重や太陽電池パネル１１に作用する強風等でスクリュー軸１８が曲がったりすることはない。連結部材２１を介して移動体１９に伝達される太陽電池パネル１１の自重は、拘束部材２９及びローラ３０を介してガイド部材２０に伝達される。また、強風によって太陽電池パネル１１に浮き上がり力が作用した場合には、連結部材２１を介して移動体１９に伝達される浮き上がり力は、拘束部材２９を介してガイド部材２０に伝達される。

次に、太陽の位置に応じて太陽電池パネル１１の受光面を回動させる機構について説明する。
本実施の形態に係る追尾式太陽光発電装置１０の制御ブロック図を図７に示す。追尾式太陽光発電装置１０の制御システムは、第１のモータ２２及び第２のモータ２５を制御する制御装置３５と、太陽の仰角及び方位角のデータが保存されている記憶装置３６とを備えている。また、追尾式太陽光発電装置１０には、太陽電池パネル１１の仰角及び方位角を計測するための加速度センサー３７及び磁方位センサー３８と、太陽電池パネル１１の位置情報等を得るためのＧＰＳセンサー３９が設置されている。

加速度センサー３７には２軸加速度センサーを使用し、図８に示すように、一方の軸（Ｘ軸）は太陽電池パネル１１の受光面と直交する鉛直面内における受光面方向の加速度、他方の軸（Ｙ軸）は受光面と直交する方向の加速度をそれぞれ計測する。
重力加速度をＧ、太陽電池パネル１１の受光面の仰角をθとすると、加速度センサー３７のＸ軸方向出力Ｖ_Ｘ及びＹ軸方向出力Ｖ_Ｙは以下のようになる。
Ｖ_Ｘ＝Ｇ・ｓｉｎθ
Ｖ_Ｙ＝Ｇ・ｃｏｓθ
従って、受光面の仰角θは次式で得ることができる。
θ＝ａｔａｎ（Ｖ_Ｘ／Ｖ_Ｙ）

図９のフローチャートを用いて本制御システムの制御フローについて説明する。なお、以下の制御は１０分間隔や２０分間隔など間欠的に実施される。
（１）太陽電池パネル１１が設置されている位置の緯度・経度及び現在の年月日・時刻の情報が、ＧＰＳセンサー３９により制御装置３５に入力される（ＳＴ１）。
（２）制御装置３５は、ＧＰＳセンサー３９から得られた情報に基づいて、太陽電池パネル１１が設置されている位置における現時点の太陽位置（仰角及び方位角）を、記憶装置３６に保存されているデータから取得する（ＳＴ２）。

（３）制御装置３５は、加速度センサー３７及び磁方位センサー３８から得られた太陽電池パネル１１受光面の仰角及び方位角と現時点の太陽位置（仰角及び方位角）に基づいて、太陽電池パネル１１の受光面が太陽に正対するように、受光面の仰角及び方位角の補正量を算出する（ＳＴ３）。
（４）制御装置３５は、算出された補正量に基づいて、第１のモータ２２及び第２のモータ２５に駆動信号を出力する（ＳＴ４）。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、太陽電池パネルの方位角及び仰角を回動させる二軸追尾方式としているが、太陽電池パネルの仰角のみ回動させる一軸追尾方式としてもよい。また、上記実施の形態では、スクリュー軸の下方にガイド部材を配置しているが、スクリュー軸の上方あるいは側方にガイド部材を配置してもよい。

１０：追尾式太陽光発電装置、１１：太陽電池パネル、１２：フレーム、１２ａ：連結部、１３：起伏部、１４：基部、１４ａ：立ち上がり部、１５：支持体、１６：起伏手段、１７：旋回手段、１８：スクリュー軸、１９：移動体、２０：ガイド部材、２１：連結部材、２２：第１のモータ（第１の駆動装置）、２３：ウォームギヤ、２３ａ：ウォームホイール、２３ｂ：ウォーム、２５：第２のモータ（第２の駆動装置）、２６：水平材、２７：縦材、２８：トラベリングナット、２９：拘束部材、３０：ローラ、３１：羽根材、３２：パネル受け桟、３５：制御装置、３６：記憶装置、３７：加速度センサー、３８：磁方位センサー、３９：ＧＰＳセンサー

Claims (4)

1. 太陽電池パネルを保持し該太陽電池パネルの受光面と直交する鉛直面内で回動する起伏部と前記起伏部を回動可能に支持する基部とを有するフレームと、前記基部を支持する支持体と、前記起伏部を回動させる起伏手段とを備え、
   前記起伏手段は、前記太陽電池パネルの受光面と直交する鉛直面内に配置されたスクリュー軸と、前記スクリュー軸の回転に伴って該スクリュー軸の方向に移動する移動体と、前記移動体と前記起伏部とを連結する連結部材と、前記スクリュー軸に沿って配置され、該スクリュー軸方向以外の前記移動体の自由度を拘束するためのガイド部材と、前記スクリュー軸を回転させる第１の駆動装置とを備え、
   前記移動体が前記スクリュー軸の方向に移動することにより、前記連結部材を介して前記移動体に連結された前記起伏部が鉛直面内で回動することを特徴とする追尾式太陽光発電装置。
2. 請求項１記載の追尾式太陽光発電装置において、前記基部と前記支持体の間に、前記フレームを旋回させる旋回手段が介装され、
   前記旋回手段は、前記基部に接合されたウォームホイールと前記ウォームホイールに噛合して前記ウォームホイールを回転させるウォームとを有するウォームギヤと、前記ウォームを回転させる第２の駆動装置とを備えることを特徴とする追尾式太陽光発電装置。
3. 請求項２記載の追尾式太陽光発電装置において、前記第１及び第２の駆動装置を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記太陽電池パネルが設置されている地点の緯度及び経度並びに現在の日時から太陽の位置を特定し、特定された太陽の位置に基づいて前記太陽電池パネルの受光面の方位角及び仰角の補正量を算出し、前記第１及び第２の駆動装置を間欠駆動させることを特徴とする追尾式太陽光発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の追尾式太陽光発電装置において、前記支持体が円柱状とされ、前記支持体の下部外周面に、該外周面から外方に向けて突出する板状の羽根材が形成されていることを特徴とする追尾式太陽光発電装置。

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