JP2017079578A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明による太陽光発電装置では、農作物の栽培地上空に太陽電池パネルを設置し、耕作時には作物に必要な太陽光を耕作地に当てるために発電効率を犠牲にしてパネル角度を調整し、非耕作時には完全な太陽光追従型太陽光発電装置として機能することを課題とする。強風時に太陽電池パネルを保護するため、パネル角度を略水平に保持し、降雪時にはパネル上への降雪を防止するため、パネルを略垂直とする非常時パネル角度調整手段を設けることも課題とする。【解決手段】 本発明による太陽光発電装置は、所定の間隔をもって東西方向に配置された１枚の太陽電池主パネルと複数の太陽電池従パネルからなるパネルユニットと、前記パネルユニットの個々の太陽電池パネルを東西方向に回動自在に連結するパネル回動手段と、前記個々の太陽電池パネルの南北方向の角度を調整する傾斜調整手段と、前記パネルユニットを所定高さに保持するフレームとからなり、前記フレームが農作物耕作地上に設置されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、農作物栽培地上に構築可能な太陽光発電装置に関する。

近年太陽光発電装置の普及が進んでおり、それに関する特許も多数出願されている。しかし、太陽光発電装置のほとんどは専用の場所に設置され、また効率の面から太陽電池パネルを密に並べて設置するため、地表に十分な太陽光が到達しないこともあって、太陽光発電装置設置場所を他の用途で利用することができないという問題がある。また、パネル固定式の太陽光発電装置においては、積雪時に受光面が雪で覆われてしまうため、雪が溶けるまで発電できないという問題もある。

特許文献１には、風雪などの気象状況によって受光面あるいはそれを支持する機構に作用する外力が過大となるのを回避するようにした太陽光追尾装置が提案されている。明細書文面及び図面から推察すると、この装置においては、太陽電池パネルを単一の支持機構で支持し、２個のパルスモータにより、パネルを重力軸及びそれに直交する左右軸のまわりに駆動する。しかしこの方式ではパネルが大きくなった場合に支持機構に多大な負荷がかかるため、パネルをあまり大きくできないという問題がある。

特許文献２には、別の追尾型太陽光発電装置が開示されている。この装置においては、南北方向に配置された回転・移動軸に複数の太陽電池パネルが取り付けられ、東西及び南北方向のパネル角度が調整可能とされている。それを可能とするのは、回転・移動軸に備えられた回転モータと移動モータである。これとは別に、各パネルの裏面にはパネルの受光面の法線を中心にパネルを回転するための駆動モータも備えられている。太陽電池パネルは回転・移動軸に沿って一列に配置されており、太陽電池パネルを増やすには回転・移動軸の本数を増やす必要がある。従って、この装置では合計のモータ数が多くなるため、それらを制御する機構も複雑になるという問題点がある。

特許文献３には、複数の太陽電池パネルを第１直線に略平行な回動軸であるパネル回動軸を中心に受光面が略平行な状態を保ちつつそれぞれ回動可能に支持するパネル支持手段と、パネル支持手段を固定物に対し、第１直線と交わる第２直線に略平行な回動軸である支持手段回動軸を中心に回動可能に支持する回動支持手段と、複数の太陽電池パネルをパネル回動軸を中心に連動して回動させるパネル回動手段と、パネル支持手段を支持手段回動軸を中心に回動させる支持手段回動手段とを備えており、支持手段回動手段によるパネル支持手段の回動と、パネル回動手段による複数の太陽電池パネルの回動と、の両回動のみにより、太陽の移動に追従し、複数の太陽電池パネル全ての受光面を太陽光の照射方向に略垂直に向けるものである太陽発電装置が開示されている。この装置は、図面を見る限り複数の太陽電池パネルが水平面に対して異なる高さに配置されており、パネル同士が太陽の陰になることはないが、パネル数が多くなると高さも高くする必要があり、支持機構が複雑で重量が増すという問題点がある。また、制御装置として太陽の位置を算出するコンピュータプログラムを使用しており、現在の年月日及び時刻情報を発生させる時刻情報発生手段も備えて、太陽電池パネルの受光面を例えば５分ごとに変更し、受光面が太陽光線の照射方向に対して略垂直となるよう制御している。これにより、太陽位置検出のための検出器等の配設に必要な費用を削減でき、また曇天等により太陽位置が不明な場合にも受光面の正確な制御が可能となる。ただし、季節と時間により東西及び南北方向のパネル角度を調整するためには、複雑な機構が必要となるため、そのための費用はかかることになる。

特開平１１−３０７８０１号公報 特開２０１０−２０５７６２号公報 特開２０１１−１５９９１０号公報

上述のような従来の太陽光発電装置においては、太陽電池パネルの角度を季節及び時間により変更するとはいえ、パネルが太陽光線の方向に対して略垂直となるよう制御されるため、太陽光発電装置の下側では日照量がきわめて低くなるため、農作物を栽培することはできなかった。

本発明による太陽光発電装置では、農作物の栽培地上空に太陽電池パネルを設置し、耕作時には作物に必要な太陽光を耕作地に当てるために発電効率を犠牲にしてパネル角度を調整し、非耕作時には完全な太陽光追従型太陽光発電装置として機能することを課題とする。

また、本発明による太陽光発電装置では、強風時に太陽電池パネルを保護するため、パネル角度を略水平に保持し、降雪時にはパネル上への降雪を防止するため、パネルを略垂直とする非常時パネル角度調整手段を設けることも課題とする。

上記課題を解決するため本発明による太陽光発電装置は、所定の間隔をもって東西方向に配置された１枚の太陽電池主パネルと複数の太陽電池従パネルからなるパネルユニットと、前記パネルユニットの個々の太陽電池パネルを東西方向に回動自在に連結するパネル回動手段と、前記個々の太陽電池パネルの南北方向の角度を調整する傾斜調整手段と、前記パネルユニットを所定高さに保持するフレームとからなり、前記フレームが農作物耕作地上に設置されることを特徴とする。

前記パネル回動手段が、モーターとこのモーターの回転を伝達するため南北方向に設置されたパネル回動シャフトと、このシャフトに連結され前記太陽電池パネルを回動自在にするリンク機構と、前記主パネルから回動自在に延出され前記太陽電池従パネルとを連結する傾斜連結棒とからなることが望ましい。前記パネル回動手段の前記モーターは、１日の太陽角度を分割し一定時間ごとに前記モーターを駆動する太陽角度調整手段により駆動されることが好適である。

前記太陽角度調整手段は、農作物耕作時と農作物非耕作時とで前記パネルの太陽光に対する角度を変更し、農作物耕作時には前記太陽電池パネルの角度を太陽に対して一定の傾斜角に保持して、耕作地に太陽光が届くように設定されていることが望ましい。

前記自動モーター回転調整手段とは別に、前記モーターを駆動し、前記個々の太陽電池パネルの東西方向の角度を水平から垂直まで自在に変更できるパネル角度緊急調整手段を設けることも好適である。

前記傾斜調整手段は、前記パネルユニット全体の傾斜角を変更できるリンク機構を用いることができる。

前記個々の太陽電池パネルは、太陽光受光時に互いに陰にならない間隔で配置されていることが望ましい。

本発明による太陽光発電装置では、農作物耕作地上に装置を設置した場合でも、耕作時には農作物に必要な太陽光を取り込めるよう太陽電池パネルの角度を調整でき、この間は太陽光発電の効率は低下するが、農作物の耕作と太陽光発電との両立が可能である。また、非耕作時においては、太陽電池パネルの角度を発電効率が最大となるよう調整することにより、太陽光発電能力をフルに発揮することができる。

また本発明による太陽光発電装置では、シャフトやリンク等の機構を多用することによりモーター等の電気部品を極力削減し、さらに太陽電池パネルの東西方向の追尾についても簡易方式を採用し、１時間当たり１５度ずつ角度変更する方式のため、制御手段が複雑とならず安価で調達することが可能となる。

さらに、本発明による太陽光発電装置では、強風時に太陽電池パネルを保護するため、パネル角度を略水平に保持し、降雪時にはパネル上への降雪を防止するため、パネルを略垂直とする非常時パネル角度調整手段を設けてあるため、強風によるパネル損傷及び降雪による発電障害を防止することができる。

以下、実施例に基づいて本発明の好適な実施態様について説明する。図１には、本発明による太陽光発電装置実施例の発電機構部要部を示した。南北方向にパネル回動シャフト２２が配置されており、減速機２１を介してモーター２０に接続されている。このパネル回動シャフト２２には関節部を有するリンク機構１４により太陽電池主パネル１０が連結されており、両側でパネル軸受１３においてユニットフレーム１９に接続されたパネル軸１２により回動可能に支持されている。ユニットフレーム１９に沿っては、太陽電池主パネル１０の両側に複数の太陽電池従パネル１１が配置されており、同様に両側のパネル軸１２によりパネル軸受１３においてユニットフレーム１９に回動可能に支持されている。複数の太陽電池従パネル１１はまた、回動連結棒接続箇所１６において回動連結棒１５で太陽電池主パネル１０と連結されており、太陽電池主パネル１０と同じ角度になるよう回動される。各太陽電池パネルは、回動した際に互いに陰にならない位置に配置されている。モーター２０、パネル回動シャフト２２、リンク機構１４、及び回動連結棒１５とがパネル回動手段を構成する。１本の回動連結棒１５で連結された太陽電池主パネル１０と複数の太陽電池従パネル１１がパネルユニットを構成する。図１には、模式的にユニット１Ａとユニット２Ｂを示したが、ユニット数を増やすことにより太陽電池パネル枚数を増やして、発電量を上げることができる。

図２には、図１に示した太陽光発電装置のパネル回動手段の要部を示した。太陽電池主パネル１０は、複数のアーム１７と関節１８とからなるリンク機構１４によりパネル回動シャフト２２に連結されており、パネル回動シャフト２２の回転に伴ってパネル軸１２のまわりに回動される。太陽電池主パネル１０は出力機構１００からケーブル１０１を通して発電機構部（図示してない）に接続される。

図３には、太陽電池パネル、ユニットフレーム１９及び回動連結棒１５との位置関係を示した。太陽電池主パネル１０は他の太陽電池従パネル１１と同様、パネル軸１２により回動可能にユニットフレーム１９に支持されている。これとは別に、太陽電池主パネル１０と太陽電池従パネル１１は回動連結棒１５により互いに連結され、同じ角度になるよう制御される。

図４には、図１に示した太陽光発電装置のパネル回動手段の駆動機構を示した。パネル回動シャフト２２は、減速機２１をとおしてモーター２０に接続されている。パネル回動シャフト２２、減速機２１及びモーター２０は、フレーム１に保持されている。モーター２０は、制御部（図示してない）により一定時間ごとに、或いは緊急時のパネル待避のため回転する。このような制御は、マイコンプログラム或いはシーケンサー制御により可能である。

図５は、傾斜調整手段の要部を示す。ユニットフレーム１９にはパネルユニット傾斜アーム３０が回動可能に接続されており、パネルユニット傾斜アーム３０はさらに傾斜調整棒３２に回動可能に連結されている。ユニットフレーム１９とパネルユニット傾斜アーム３０は、支持アーム３１により回動可能に支持されている。支持アーム３１を南北方向に移動することにより、パネルユニット傾斜アーム３０の位置が変わり、それにつれてユニットフレーム１９の角度、すなわち太陽電池パネルの角度が南北方向の角度が変更される。

図６は、図１に示した本発明の太陽光発電装置の枠組み構造を示す。農作物耕作地４上に所定間隔で土台３を構築し、支柱２を立てる。支柱２の上にフレーム１を配置し、パネルユニットとパネル回動手段を取り付け支持する。支柱２の高さを高くし、間隔をある程度広くとることにより、トラクタ等により耕作地を管理することが可能となる。

次に、実際の太陽電池パネルの角度調整例について説明する。図７はその例を示すものである。この図では、稲作用の水田を例にとって説明する。（ａ）は稲作を行う春から秋にかけてのシーズンのパネル角度である。午前８時時点で東側を３０度上げた状態とする。従って、太陽光はパネルに対してかなり斜めに差し込むことになり発電効率は低下するが、パネル間に隙間ができるため耕作地に太陽光が差し込むことになる。この状態から毎時１５度ずつパネルを西側に向けて傾けていき、午前１１時までは耕作地に太陽光を取り込む午前１１時から午後１時まではパネルを水平に維持し、この間は太陽光発電を優先する。午後１時にはパネル角度を西側に１１５度傾いた状態とし、再び耕作地に太陽光を取り込めるようにする。そして、この状態から午後６時までは毎時１５度ずつパネルを西側にさらに傾けていく。この操作により、午前と午後一定の太陽光を耕作地に取り込むことができる。

秋から春にかけての非稲作時においては、図７（ｂ）に示したように、午前８時にパネルを東側に３０度傾けた状態とし、午後６時まで毎時１５度ずつパネルを西側に向けて傾けていくことにより、簡易的な太陽光追従型の太陽光発電が可能となる。

以上は通常のパネル制御であるが、例えば台風など強風が想定される場合、上記の制御を行うと風の抵抗を受けてパネルが損傷する恐れがある。従って、そのような場合は通常のパネル回動手段とは別にパネル角度緊急調整手段を用いて全てのパネルを略水平に保持する。図７（ｃ）がこの状態である。この状態にすることで、風の抵抗を最小限に抑制することができる。

一方、冬期間で降雪の可能性がある場合、パネルに雪が積もると発電できなくなってしまう。このような障害を防止するため、やはりパネル角度緊急調整手段により全てのパネルを略垂直にする。この状態を示すのが図７（ｄ）である。これにより、パネルの受光面に雪が積もることを防止できる。

上述のパネル角度緊急調整手段については、手動でモーターを回転する方法が利用できる。また、風速計や降雪計等のセンサーと連動させることにより自動的にパネルを待避角度にすることも可能である。

季節による太陽高度の違いに対応するため、本発明による太陽光発電装置では、南北方向の太陽電池パネルの傾斜を調整する傾斜調整手段を備えている。これによって、季節による太陽の高度に対応して太陽電池パネルの角度を調整することができる。

図８に、本発明による太陽光発電装置による発電実績を示した。パネル固定モードは、太陽角度に追従せず、パネル角度を固定した場合であり、非稲作モードでは、パネル角度を太陽高度に合わせて変更した場合である。非稲作モードのほうが、パネル固定モードよりも発電効率が高いことがわかる。一方稲作モードでは、午前中と午後にパネルを太陽光に対して傾斜させるため、発電量が低くなってしまう。しかし、栽培する農作物の種類や必要な太陽光の量がわかれば、パネル角度を変更して発電量を増やすことも可能である。

以上説明したのは、パネル回動手段１組の場合についてであるが、これを複数にすることにより太陽電池パネルの個数を飛躍的に増すことが可能である。

本発明によれば、農作物耕作地上に太陽光発電装置を設置することができ、農作物の栽培と太陽光発電を両立させることが可能であるため、土地の有効利用ができる。

本発明による太陽光発電装置の主要部を示す説明図である。 図１に示した太陽光発電装置のパネル回動手段を示す写真である。 図１に示した太陽光発電装置の一部を示す写真である。 図１に示した太陽光発電装置のパネル回動手段の駆動機構を示す写真である。 本発明による太陽光発電装置における太陽電池パネルの角度調整例を示す図である。 本発明による太陽光発電装置の枠組み構造を示す図である。 本発明による太陽光発電装置の太陽電池パネル角度の説明図である。 本発明による太陽光発電装置による発電実績を示す図である。

Ａ パネルユニット１
Ｂ パネルユニット２
１ フレーム
２ 支柱
３ 土台
４ 耕作地
１０ 太陽電池主パネル
１１ 太陽電池従パネル
１２ パネル軸
１３ パネル軸受
１４ リンク機構
１５ 回動連結棒
１６ 回動連結棒接続箇所
１７ アーム
１８ 関節
１９ ユニットフレーム
２０ モーター
２１ 減速機
２２ パネル回動シャフト
３０ パネルユニット傾斜アーム
３１ 支持アーム
３２ 傾斜調整棒
１００ 出力機構
１０１ ケーブル

Claims (7)

1. 所定の間隔をもって東西方向に配置された１枚の太陽電池主パネルと複数の太陽電池従パネルからなるパネルユニットと、前記パネルユニットの個々の太陽電池パネルを東西方向に回動自在に連結するパネル回動手段と、前記個々の太陽電池パネルの南北方向の角度を調整する傾斜調整手段と、前記パネルユニットを所定高さに保持するフレームとからなり、前記フレームが農作物耕作地上に設置されることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記パネル回動手段が、モーターとこのモーターの回転を伝達するため南北方向に設置されたパネル回動シャフトと、このシャフトに連結され前記太陽電池パネルを回動自在にするリンク機構と、前記主パネルから回動自在に延出され前記太陽電池従パネルとを連結する回動連結棒とからなることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
3. 前記パネル回動手段の前記モーターが、１日の太陽角度を分割し一定時間ごとに前記モーターを駆動する太陽角度調整手段により駆動されることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電装置。
4. 前記太陽角度調整手段が、農作物耕作時と農作物非耕作時とで前記パネルの太陽光に対する角度を変更し、農作物耕作時には前記太陽電池パネルの角度を太陽に対して一定の傾斜角に保持して、耕作地に太陽光が届くように設定されていることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
5. 前記自動モーター回転調整手段とは別に、前記モーターを駆動し、前記個々の太陽電池パネルの東西方向の角度を水平から垂直まで自在に変更できるパネル角度緊急調整手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽光発電装置。
6. 前記傾斜調整手段が、前記パネルユニット全体の傾斜角を変更できるリンク機構であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽光発電装置。
7. 前記個々の太陽電池パネルが太陽光受光時に互いに陰にならない間隔で配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽光発電装置。