JP2753609B2

JP2753609B2 - 太陽電池設置用架台

Info

Publication number: JP2753609B2
Application number: JP63240561A
Authority: JP
Inventors: 高輝辻
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JPH0287679A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高波の影響を受けることの大きい水上、海
岸又は湖岸等に設置される太陽電池の架台に関するもの
である。

（従来の技術）従来海岸或は湖岸等の近傍に太陽電池モジュール（以
下モジュールともいう）を設置する場合、波浪の影響を
受けないように、波浪を直接浴びない一定の高さに取り
付けていた。例えば灯台用のモジュールの場合である。
このとき強度的には、風速60〜80m/秒に相当する風圧荷
重300〜400Kg/m²に耐えるようなモジュール架台の構造
設計がなされている。

一方海面或は湖面に設けた浮体或いは岩礁等に設置さ
れたモジュールは、波浪の影響を受けることが大きい。
浮体上にモジュールを設置する場合、面積が20m²程度以
下の小形浮体では、浮体が波に揺られる形になるので、
比較的影響が少ないが、面積が80m²程度以上の大形浮体
では、波に逆らう形となり、波浪が浮体の甲板上に衝突
する事態が発生する。従って、小型浮体に設置されるモ
ジュールの架台の構造は、波浪を浴びない場合の構造と
同様のもので充分なことが多いが、大型浮体に設置する
場合は、例えば、波圧荷重1.5ton/m²に耐えるような構
造設計が必要となり、そのためにモジュール自体の裏側
に補強材料を組み込む構成が提案されている（本出願人
の昭和61年11月14日出願実願昭61−175454参照）。

（発明が解決しようとする課題）最近の太陽電池の低価格化と普及に伴なって、従来よ
りは荷重的に更に厳しい条件となる岸辺への設置が行わ
れるようになってきた。これに相当する事例としては、
岸壁或は防波堤、さらには孤立した岩礁等を利用してモ
ジュールを取り付け、養殖事業、海洋データ収集、標識
等に必要な電力を供給するシステムがある。

このような場合のモジュール設置位置は、満潮時で海
面上数米の高さになるのが一般的であるが、台風時や津
波発生時には、高波の岸辺での砕波による水塊がモジュ
ール表面を叩く形となる。このような状況で、モジュー
ル面に加わる力は次のように見積もることができる。

第３図は、冲合で発生した高波１（波高H₀,波長Ｌ）
が岸辺に向って伝播し、岸壁２（静水面からの高さH_d）
で破砕し、水塊３が岸壁上面にかかる状況を示したもの
である。冲波は岸辺に近づくに従って波高を増し、破砕
直前の波（以下岸波と称する）の高さH_bは2H₀となるこ
とが知られており、その静水面４からの高さH_b0は、図
から判るように、次の（１）式で表わされる。

ここでδは、静水時の水面と冲波の高さの1/2の面と
の差で、次の（２）式のように表わされる。

（２）式と（１）式から次の（３）式が得られる。

このような特性をもつ岸波の破砕による水塊（以下水
塊という）が、岸壁上面に達したときの速度Ｖは、岸波
の回転速度V₁と水塊の落下の終速度V₂のベクトル和とな
り、次の（４）式のように表わされる。

V₁,V₂と波特性の関係は以下の（５）式〜（８）式の
ように導かれる。

回転速度は、次の（５）式で示される。

ここで、Ｔは波の周期で、重力波の伝播方程式 C²＝gL/2π（C:波の速度、g:重力の加速度）と、波長L,周期T,波の速度Ｃの一般的関係Ｌ＝CTとか
ら、次の（６）式で表わされる。

これを（５）式に代入して、（７）式を得る。

一方、落下の終速度は下記の（８）式で示され、これ
に（３）式の関係を入れて、次の（９）式が得られる。

以上から、水塊が岸壁上に達した時の速度は、（４）
式，（７）式，（９）式を使って計算できることが判
る。

次に水塊の速度から、岸壁上に設置されたモジュール
に加えられる荷重を求める。第４図はモジュール５が水
平面との角度α，岸壁２の上面からモジュール５の中心
までの高さH_mの条件で設置されていて、モジュール５に
速度Ｖの水塊３が水平面との角度βで落下する状態を示
したものである。第４図に記入したベクトル図から、モ
ジュール面に垂直方向の水塊の速度ベクトルV_mは次の
（10）式のように表わされることが判る。

V_m＝Vsin｛π−（α−β）｝＝Vsin（α＋β）（10）この速度ベクトルV_mから、モジュール５に加わる圧力
強度P_mは次の（11）式から求められる。

ここでＫは係数で、経験的に２の値が得られており、
Ｗは水の単位体積重量で、海水の場合1.03ton/m²の値を
有する。なお、βはＶがV₁とV₂のベクトル和であること
から（12）式より求めることができる。

上述した関係式を用い、海水の場合について、具体的
な数値を入れて計算した結果を第５図に示す。計算に当
って、Ｌは経験的にＬ＝20H₀であることが知られている
ので、この関係を用いた。また、（９）式ではH_dの代り
に、静水面からモジュール面までの高さH_d＋H_mを用い
た。第５図において、モジュールの中心部の静水面から
の高さを3mで一定とし、冲波の高さH₀が3m,4m,6m,8mの
場合のそれぞれの波圧強度を、モジュール傾斜角との関
係として示したものである。第５図から、通常のモジュ
ール設置角（30〜40゜）では、H₀が3mの場合でも3ton/m
²の波圧が加わることになり、この値は現在の補強モジ
ュールの耐圧強度1.5ton/m²の約２倍となる。H₀が8mに
なると、波圧は約20ton/m²という値にまで達する。

以上は岸壁にモジュールを設置した場合の計算例であ
るが、浮体にモジュールを設置した場合も浮体が固く係
留され静止している場合は同様に計算できる。

従って、モジュールの補強を強化する方向では到底こ
のような大きい波圧に耐える構造を得ることは不可能と
言える。

（課題を解決するための手段）本発明においては、前述の問題を解決するため、水際
に固定される基台と、基台の一部のその一端を枢支され
太陽電池を配置する枠体と、枠体の他端と基台の他の一
部とに枢支され緩衝部材を有する支柱とよりなり、緩衝
部材はスリーブとスリーブに摺動自在に出入する部材と
それらの空間に挿入されたばね部材とよりなるようにし
た。

（作用）モジュールに水塊の大きな圧力が加わった場合、その
圧力は緩衝部材によって緩和されるので、モジュールの
破損を防止することができる。

（実施例）第１図は本発明の一実施例の側面図である。同図にお
いて、太陽電池設置用架台６は、太陽電池モジュール５
を組み込んだ枠体７の下端が、例えば岸壁２の上に固定
された基台となる台柱20,20,に固定されたフレーム８の
一方の端に、シャフト９により回動自在に枢支され、枠
体７の上端はフレーム８に一端を回動自在に枢支された
支柱15−１の一端に回動自在に枢支されている。支柱15
−１と支柱15−２とは、第２図に示されるように、支柱
15−２に設けられたスリーブ13の中に支柱15−１の他端
が挿入されたスプリング14が支柱15−１の先端とスリー
ブ13の底部との間に挿入されて連結される。支柱15−２
の他端はシャフト12によりフレーム８に枢支されてい
る。

以上のような構造であるから、水塊がモジュール面に
当った場合、その荷重はスプリング14の変形により支柱
15−1,15−２の合計長さの伸縮に従って、３つのシャフ
ト9,11,12のまわりに吸収される。シャフト9,11,12の部
分に捩ればねを設けて、荷重を吸収することもできる。

スプリング等の緩衝部材の設計を当っては次のような
ことを考慮する。

水塊による荷重は、風圧、積雪荷重と異なり、一定の
周期で間欠的な力が加わるという特徴がある。この周期
内で力を分散させる方法をとれば、モジュールに加わる
力を耐圧強度以下の値に下げることが可能となる。

波の周期Ｔは、（６）式とＬ＝20H₀の関係から、（1
3）式の形で計算することができる。

（13）式から、波高H₀が2mの低い波について周期を求
めると５秒となる。緩衝部材の固有振動周期T_cを５秒と
し、対応する最大変位量x_mを（14）式の関係から求める
と6.2mとなり、波の周期は緩衝部材を使うには充分過ぎ
る長さを持っていることが分かる。

ここでｇは重力の加速度である。

緩衝部材の選択に当っては、要求される最大変位量か
ら、（15）式を使って緩衝部材のばね定数ｋの値を求
め、更に材料，形状の関係から寸法を決定する。

ｋ＝W/x_m （15）ここでＷは緩衝部材を組み込んだ支持棒に加わる荷重
である。

第２図に示されるスプリング14は、圧縮ばねとして作
用する。設計条件として、冲波高さ8m、設置角度α＝35
゜、モジュール中心の静水面からの高さH_d＋H_m＝3mと
し、（11）式からモジュール面に直角な方向の水塊によ
る圧力強度P_mを求めると、16.4ton/m²となる。モジュー
ルは耐圧強度1.5ton/m²の補強されたモジュールを使う
とすると、必要な圧力低減率は1/11となる。補強モジュ
ールの最大たわみは35mmであるので、モジュール支持棒
に求められる縮み量（最大変位量）は、35mm×11＝385m
mとなる。

次にモジュール支柱への荷重W,ばねの形状，使用材料
特性と、x_m及び最大せん断応力τとの間の一般的な関係
を示す（16）式，（17）式及び（18）式を使って適用可
能なばねを定める。

ここで、Ｇはばね材の横弾性係数、ｄは素線直径、ｎはばね巻数、Ｄはコイル直径、Ｃは応力修正係数である。

いま、表面積0.34m²のモジュール６枚を２本のモジュ
ール支柱を有する架台に取り付けるものとすると、全荷
重は、 0.34m²×６×16.4ton/m²＝33ton となり、支柱１本には16.5tonの荷重がかかることにな
る。このＷ＝16.5tonとx_m＝385mmを（15）式に代入する
とばね定数43kg/mm²が得られる。

次に、用いるばねのばね定数がこの値より以下であ
り、且つ素線内に生じるせん断応力値が許容値にあるこ
との確認を、（16）式，（17）式，（18）式を使って行
う。ばね材は硬鋼の良質品で、せん断応力許容値が144k
g/mm²、横弾性係数Ｇが8ton/mm²のものを用いる。選定
したばねの形状はコイル直径120mm、素線直径40mm、ば
ね巻数35、ピッチ角12゜（ピッチ26mm）でばね定数は4
2.3Kg/mm²（＜43）、せん断応力は122kg/mm²（＜144）
の値を有する。

以上、緩衝部材として圧縮ばねを用いた例について説
明したが、空気ばね、ゴム材、あるいは油圧器等を用い
る場合も、目標とする変位量，ばね定数は全く同様にし
て定め、あとは部材に特有のばね定数と寸法，形状との
間の関係を吟味することになる。

なお、変位量は（14）式から緩衝部材の固有振動数ｆ
（＝1/T_c）に換算することができ、この場合の縮み量38
5mmは、ｆ＝0.8Hzとなる。このｆが緩衝部材の特性とし
ては一般的である。例えば、ベローズ型空気ばねは、ｆ
が1Hz程度のものが多く、ここで目標としている特性を
もつものを、容易に設計できることが判る。

（発明の効果）以上のようにして、本発明によるときは、高波による
荷重が太陽電池モジュールの耐圧強度以上に大きい場合
でも、その荷重を緩衝部材によって吸収させて、モジュ
ールの耐圧強度以下に軽減することができるので、モジ
ュールの損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側面図、第２図はその緩衝
部材の一例の断面図、第３図は冲波と岸波の波形の説明
図、第４図はモジュールに水塊が落下する状態の説明
図、第５図はモジュール面傾斜角と水塊の圧力強度との
関係を示すグラフである。５……太陽電池モジュール、７……枠体、８……フレー
ム、9,11,12……シャフト、10……緩衝部材、14……ス
プリング、15−1,15−２……支柱

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水際に固定される基台と、基台の一部にその一端を枢支され太陽電池を配置する枠
体と、枠体の他端と基台の他の一部とに枢支され緩衝部材を有
する支柱とよりなり、緩衝部材はスリーブとスリーブに
摺動自在に出入する部材と、それらの空間に挿入された
ばね部材とよりなることを特徴とする太陽電池設置用架
台。