JP2022089481A - ハイブリッドソーラー発電施設 - Google Patents

Abstract

【課題】コストパフォーマンスに優れた発電施設を提供する。【解決手段】ハイブリッドソーラー発電施設は、同一敷地の地表部分に固定型ソーラーアレイが配置され、かつ空中部分に追尾型ソーラーアレイが配置されており、前記固定型ソーラーアレイと前記追尾型ソーラーアレイとを合わせた全体発電量を最大化するために前記追尾型ソーラーアレイを基本軌道から変化させて自動制御する追尾制御部を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、同一敷地の地表部分に固定型ソーラーアレイが配置され、かつ中空部分に追尾型ソーラーアレイが配置された発電施設に関する。

従来、中、大規模なソーラー発電施設は、敷地内の地表部分に多数のソーラーアレイを配列させた構成になっている。また近時は次の特許文献に記載されているように、支柱等によってソーラーアレイを敷地内の空中部分に配置し、地表部分は発電以外の目的に利用するという施設形態も普及し始めている。

特開２０２０－０３６３９９号公報

ところで、敷地の地表部分に、前記ソーラー発電施設のようにしてソーラーアレイが配置され、かつ空中部分にも前記ソーラーシェアリングのようにソーラーアレイが配置されたハイブリッドソーラー発電施設とすれば、より多くの発電量が見込めるが、そのような形態の発電施設は未だ存在していない。

これに対して本発明は、同一敷地の地表部分、空中部分の双方にソーラーアレイが配置された形態のコストパフォーマンスに優れた発電施設を提供することを目的としたものである。

本発明は同一敷地の地表部分に固定型ソーラーアレイが配置され、かつ空中部分に追尾型ソーラーアレイが配置されたハイブリッドソーラー発電施設であって、前記固定型ソーラーアレイと前記追尾型ソーラーアレイとを合わせた全体発電量を最大化するために前記追尾型ソーラーアレイを基本軌道から変化させて自動制御する追尾制御部を備えていることを特徴とする。

本発明では、発電施設の全体発電量が最大化されるのでコストパフォーマンスに優れる。

ハイブリッドソーラー発電施設の概略斜視図である。 ハイブリッドソーラー発電施設の概略平面図である。 追尾型ソーラーアレイの一例を示す全体斜視図である。 ハイブリッドソーラー発電施設の基本構成を示すブロック図である。 追尾型ソーラーアレイ用光量計の一例を示す斜視図である。 （ａ）（ｂ）はいずれも固定型ソーラーアレイ及び追尾型ソーラーアレイの側面図である。

図１は本発明によるハイブリッドソーラー発電施設の概略斜視図、図２は同発電施設の概略平面図である。この発電施設Ｓは、従来の野立てソーラー発電施設を改良するものであって、同一敷地Ｒの地表部分に固定型ソーラーアレイ１０が配置され、かつ中空部分に追尾型ソーラーアレイ１１が配置されている。固定型ソーラーアレイ１０の総面積と、追尾型ソーラーアレイ１１の総面積との比率は１：２～３：４程度が望ましいがこれに限定されることはない。

固定型ソーラーアレイ１０は、杭基礎又はベタ基礎に架台を固定してそこにソーラーアレイを設けた従来のものでよい。なおソーラーアレイは片面発電モジュールで構成されている。固定型ソーラーアレイ１０は日陰になることが多いので過積載率を高くしておくことが望ましい。
固定型ソーラーアレイ１０は、例えば幅が３～５ｍで東西方向に連続した長方形状とし、南北方向にピッチが１３～１８メートルとなるように配列してもよい。

一方追尾型ソーラーアレイ１１は、太陽の移動に対して方向（水平回転）と角度（仰角）を調節して追尾する２軸タイプでもよいし、１軸タイプであってもよい。追尾型ソーラーアレイ１１は、例えば一辺が７～１０メートルほどの略正方形状とし、東西方向にピッチ１０～１５ｍ、南北方向にピッチ１３～１８ｍとなるように配列してもよい。
なお固定型ソーラーアレイ１０は、追尾型ソーラーアレイ１１の間隙の中心よりもやや北側に寄せて設置すると太陽光を受けやすくなる。また図の破線は追尾型ソーラーアレイ１１の回転範囲を示している。

図３は追尾型ソーラーアレイの一例を示す全体斜視図である。この追尾型ソーラーアレイ１１は、単一支柱１１ａによって支持されており、その支柱１１ａは地表部分に打設された杭基礎１１ｂに固定される。杭基礎１１ｂにはスクリュー杭を用いている。このような杭基礎１１ｂを用いると、傾斜面にも追尾型ソーラーアレイ１１を配置することが可能になり造成費用が抑えられる。支柱１１ａの上端部には、ソーラーアレイ１１を水平及び垂直回転させるための駆動部１１ｃが設けられ、その駆動部１１ｃを中心としたフレーム１１ｄにソーラーアレイ１１が展開されている。

追尾型ソーラーアレイ１１は、基本的な片面発電モジュールで構成できるが、両面発電モジュールを用いると、固定型ソーラーアレイ１０や地表からの散乱光が有効利用できるようになる。

図４は、発電施設の基本構成を示すブロック図である。
発電施設Ｓは、固定型ソーラーアレイ１０と、追尾型ソーラーアレイ１１と、集電箱１２と、パワーコンディショナー１３と、キュービクル１４と、追尾型ソーラーアレイ１１の駆動部１１ｃと、追尾制御部１５とで構成されている。固定型ソーラーアレイ１０、追尾型ソーラーアレイ１１は上記のものである。集電箱１２はソーラーアレイ１０、１１のグループ毎に導出された複数のケーブルを単一のケーブルに集約するための回路装置であって、固定型ソーラーアレイ１０のみが接続される集電箱１２と、追尾型ソーラーアレイ１１のみが接続される集電箱１２との二系統が設けられている。前者の集電箱１２から導出されたケーブルと、後者の集電箱１２から導出されたケーブルはそれぞれ専用のパワーコンディションナー１３に接続されている。パワーコンディショナー１３は、固定式ソーラーアレイ１０又は追尾式ソーラーアレイ１１が発生させた直流電力を交流電力に変換する回路装置である。キュービクル１４はパワーコンディショナー１３の出力電力を電力会社等の送電系統に適合させるために昇圧する回路装置である。

追尾制御部１５は、追尾型ソーラーアレイ１１の太陽追尾動作を行わせるために駆動部１１ｃを制御する装置であってコンピューター等で構成され、追尾型ソーラーアレイ１１が受ける光量を計測する光量計１５ａ、追尾型ソーラーアレイ１１が受ける風力を計測する風力計１５ｂ、日時を出力する時計１５ｃ、パワーコンディショナー１３の入出力電力を計測する電力計１５ｄ等を備えている。
追尾制御部１５は、固定型ソーラーアレイ１０と追尾型ソーラーアレイ１１とを合わせた全体発電量が最大化するように追尾型ソーラーアレイ１１の追尾軌道を（方向乃至角度）を自動調節する。また風が強い場合は、追尾型ソーラーアレイ１１を水平にして風による損傷を抑え、太陽光の光量が多すぎて追尾型ソーラーアレイ１１の温度が高くなった場合は、追尾型ソーラーアレイ１１をより起立又は寝かせるようにして温度による発電量の低下を抑えるようにする。
なお追尾制御部１５はコンピューター等で構成されているので、有線又は無線で外部機器から制御プログラムの更新等のメンテナンスを行える。

基本的な追尾軌道は、追尾型ソーラーアレイ１１の発電量が最大化される軌道であり、これは、発電施設Ｓの緯度、経度の正確な値、追尾型ソーラーアレイ１１の正確な設置方向がわかっていれば、計算のみによって事前に決定できる。その計算値を基本軌道として追尾制御部１５に記憶させてもよい。
このとき固定型ソーラーアレイ１０と追尾型ソーラーアレイ１１とを合わせた全体発電量が最大化する軌道は、基本軌道に対する適切な調整によって得られる。具体的には、定期的（例えば週一回一時間毎）に、追尾型ソーラーアレイ１１の角度又は方向を基本軌道から一定範囲で変化させて、固定型ソーラーアレイ１０の発電量、追尾型ソーラーアレイ１１の発電量を同時計測し、その合算である全体発電量が最大化する調節量を学習してもよい。

あるいは別方法として、固定型ソーラーアレイ１０、追尾型ソーラーアレイ１１のそれぞれに光量計１５ａａ、１５ａｂ（図５、６参照）を設け、それらの出力信号の比率が予め設定した目標比率に近づくように軌道をリアルタイム制御してもよい。目標比率は、発電施設Ｓの緯度、経度、固定型ソーラーアレイ１０、追尾型ソーラーアレイ１１の位置関係等から計算等によって事前に決定できる。

固定型ソーラーアレイ用の光量計１５ａａは単独又は複数の光センサーＳによって構成できる。このとき光量計１５ａａは、固定型ソーラーパネル１０の表面の常時日陰になる部分に設置すると主に間接光の光量が検知できる。

一方追尾型ソーラーアレイ用の光量計１５ａｂは、太陽の方向と光量とを検知、計測できるように構成される。
図５は、そのような追尾型ソーラーアレイ用光量計の一例を示す斜視図である。この追尾型ソーラーアレイ用の光量計は、縦断面が十字型の造影部材Ｗとその基部に配列された複数の光センサーＳとで構成されている。
この図から理解されるように、造影部材Ｗに対して斜めに光があたると、その陰によって一部の光センサーＳは日陰になるので出力信号が弱くなる。逆にそのような出力信号の低下が起きず全てのセンサーＳの出力信号が等しくなるとき、造影部材Ｗは太陽を指していることになる。従って追尾型ソーラーアレイ１１の表面に対して造影部材Ｗが直立すするように光量計１５ａｂを設置して全てのセンサーＳの出力信号が等しくなるように制御すれば、追尾型ソーラーアレイ１１が常に太陽に向いた基本軌道が自動的に得られる。
また全てのセンサーＳの出力信号を合計又は平均化することで光量自体の計測もできる。

図６（ａ）（ｂ）はいずれも固定型ソーラーアレイ及び追尾型ソーラーアレイの側面図である。
固定型ソーラーアレイ１０、追尾型ソーラーアレイ１１のそれぞれに光量計１５ａａ、１５ａｂが設けられている。
図６（ａ）は、追尾型ソーラーアレイ１１が太陽に向いた基本軌道の状態である。このとき追尾型ソーラーアレイ１１の発電量は最大であり、光量計１５ａｂの出力信号も最大である。一方、このとき固定型ソーラーアレイ１０に届く太陽光（直接光）は最も少なくかつ追尾型ソーラーアレイ１１の間隙も狭いので、間接光も少なくなり、その結果固定型ソーラーアレイ１０の発電量は小さくなり、光量計１５ａａの出力信号も小さくなる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）から追尾型ソーラーアレイ１１の角度を変えた状態になっている。このように追尾型ソーラー１１を基本軌道よりも起立させると、追尾型ソーラーアレイ１１に直射する太陽光が少なくなるので、その発電量は減り、光量計１５ａｂの出力信号も小さくなる。
一方、このとき固定型ソーラーアレイ１０に届く太陽光は増え、同時に追尾型ソーラーアレイ１１の間隙も広がるので間接光も増え、その結果、固定型ソーラーアレイ１０の発電量は増え、光量計１５ａａの出力信号も大きくなる。
このように追尾型ソーラーアレイ１１を基本軌道から起立させることにより、固定型ソーラーアレイ１０の発電量を増やし、追尾型ソーラーアレイ１１の発電量を減らすことが可能である。またその際に光量計１５ａａ、１５ａｂの出力信号の強さも連動して変化することも明らかである。
追尾型ソーラーアレイ１１を基本軌道からどれだけ起立させれば、固定型ソーラーアレイ１０と追尾型ソーラーアレイ１１とを合わせた全体発電量が最大になるかは、固定型ソーラーアレイ１０、追尾型ソーラーアレイ１１の位置関係を事前に検討すれば算出でき、そのときの光量計の出力信号の比率も推定できる。
以上のように、光量計１５ａａ、１５ａｂの出力信号の比率が予め設定した目標比率に近づくように追尾型ソーラーアレイ１１を、基本軌道から変化させてリアルタイム制御することで、全体発電量を最大にすることが可能である。

Ｒ 敷地
Ｓ 発電施設
１０ 固定型ソーラーアレイ
１１ 追尾型ソーラーアレイ
１１ａ 支柱
１１ｂ 杭基礎
１５ 追尾制御部

Claims (5)

1. 同一敷地の地表部分に固定型ソーラーアレイが配置され、かつ空中部分に追尾型ソーラーアレイが配置されたハイブリッドソーラー発電施設であって、
   前記固定型ソーラーアレイと前記追尾型ソーラーアレイとを合わせた全体発電量を最大化するために前記追尾型ソーラーアレイを基本軌道から変化させて自動制御する追尾制御部を備えていることを特徴とするハイブリッドソーラー発電施設。
2. 請求項１において、
   前記追尾制御部は、
   前記固定型ソーラーアレイに設けた光量計、前記追尾型ソーラーアレイに設けた光量計の出力信号の比率が予め設定した目標比率に近づくように軌道をリアルタイム制御することを特徴とするハイブリッドソーラー発電施設。
3. 請求項１又は２において、
   前記追尾型ソーラーアレイは、両面発電モジュールで構成されていることを特徴とするハイブリッドソーラー発電施設。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記追尾型ソーラーアレイは、前記地表部分に立設された単一の支柱によって支持されていることを特徴とするハイブリッドソーラー発電施設。
5. 請求項５において、
   前記単一支柱は、前記地表部分に打設された杭基礎を備えていることを特徴とするハイブリッドソーラー発電施設。
   

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