JP3185654B2 - 追尾型太陽電池装置 - Google Patents
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Description
ら発電を行う追尾型太陽電池装置の改良に関する。
化を図るために、従来より集光型太陽電池装置が提案さ
れている。係る集光型太陽電池装置は、時々刻々変化す
る太陽を追尾し、その位置に合わせて太陽電池セルを移
動させながら太陽光を受光する必要がある。
との太陽の軌道の変化が示される。太陽は、図16に示
されるように、時刻及び季節により様々な位置を移動し
ているが、このような動きをする太陽を追尾する方式と
して、太陽の動きに合わせてあらかじめ追尾速度等を計
算しておき、これに基づいて定められた通りに太陽の追
尾動作を行わせるプログラム式の追尾が知られている。
は、太陽電池の設置時の方位や水平度に高い精度が要求
されるなどの問題があり、長期間使用するうちに誤差が
累積し、また非等速の制御を行う場合には、系が複雑に
なるという問題もある。
し、ここからのフィードバック信号に基づいて追尾動作
を行うセンサ方式が提案されている。このセンサ方式に
よる場合には、誤差の累積がなく、設置時の精度をさほ
ど高くしなくても、比較的簡単に高精度の追尾が行える
という特徴がある。
うな方式により太陽を追尾しながらレンズにより太陽光
を集光することにより太陽電池の数を減少させ、コスト
の低下を図っている。
合には、太陽電池セルの温度が上昇し、その発電効率が
低下するという問題があるので、太陽電池セルを冷却し
てその温度を下げる必要がある。このような太陽電池セ
ルの冷却方法が、特開平5−332636号公報に開示
されている。本公報記載の従来技術は、太陽電池セルを
絶縁フィルムを介して間接的に冷媒で冷却するものであ
る。
いては、太陽電池セルを冷媒で冷却しているものの、直
接的な冷却ではなく絶縁フィルムを介した間接的な冷却
であるため、集光度を高くしていくと、十分な冷却効果
が得られないという問題があった。
たセンサ方式を使用した場合には、雲によって太陽光が
遮られたような場合に誤動作を生じやすいという問題が
あった。
のであり、その目的は、簡易な構成で太陽の追尾性能が
高く、同時に太陽電池セルの冷却効果が大きい追尾型太
陽電池装置を提供することにある。
に、第1の発明は、太陽を追尾しながら発電を行う追尾
型太陽電池装置において、太陽光を透過する透明冷却管
と、この透明冷却管の内側に可動に設置された太陽電池
セルと、前記透明冷却管内に収容されて前記太陽電池セ
ルを直接冷却するとともに、太陽光を集光するレンズと
しても機能し、太陽光が前記透明冷却管の内側に焦点を
結ぶような屈折率を有する冷却媒体と、この冷却媒体に
より結ばれた太陽光の焦点位置を検出する位置検出セン
サと、この位置検出センサの信号により前記太陽電池セ
ルを所定の位置に移動させる駆動装置と、を備えたこと
を特徴とする。
太陽電池装置であって、前記透明冷却管が円筒形である
ことを特徴とする。
太陽電池装置であって、前記透明冷却管が球形であるこ
とを特徴とする。
の発明のいずれか一項記載の追尾型太陽電池装置であっ
て、前記透明冷却管内にレンズを設置するとともに、前
記冷却媒体の屈折率を前記レンズと組み合わせた状態で
太陽光が前記透明冷却管の内側に焦点を結ぶ屈折率とし
たことを特徴とする。
太陽電池装置であって、前記太陽電池セルは前記透明冷
却管の軸方向に配列され、この配列が前記透明冷却管の
軸と所定の角度をなして配置可能であることを特徴とす
る。
の発明のいずれかに記載の追尾型太陽電池装置であっ
て、前記透明冷却管の外に光センサを有し、この光セン
サの受光量に基づき、太陽光が太陽電池セルに直接当た
っている場合のみ太陽を追尾させることを特徴とする。
を図面に基づいて説明する。
型太陽電池装置の実施形態1の側面図が示される。図1
において、太陽光を透過できる透明材料で構成された透
明冷却管10の中に、太陽電池セル12が設けられてい
る。透明冷却管10の両端には、太陽電池セル12を移
動させるためのモータ14が設けられており、クランク
16を介して太陽電池セル12に接続されている。太陽
電池セル12は、このモータ14及びクランク16によ
って構成された駆動装置により、透明冷却管10の内側
を移動させられる。透明冷却管10の内部には、冷却媒
体18が満たされており、太陽電池セル12の表面側
(受光面側)を直接冷却している。
きる材料で構成された真空保護管20の内部に収容され
ており、透明冷却管10と真空保護管20との間は、断
熱性を向上させるため真空領域22となっている。
電池セル12が移動する領域の一部に、太陽光の位置を
検出するための位置検出センサ24が設けられている。
陽電池装置のa−a断面図が示される。図2(a)にお
いて、断面は円となっており、従って図1に示された追
尾型太陽電池装置の透明冷却管10は円筒形となってい
る。
るために、ここに入射してくる太陽光26は、透明冷却
管10の中に満たされた冷却媒体18によって屈折さ
れ、透明冷却管10の内部の所定の部分に焦点を結ぶこ
とになる。すなわち冷却媒体18が満たされた透明冷却
管10がレンズとして機能する。
であるので、その半径をRとし、冷却媒体18の屈折率
をnとすると、その焦点距離は、レンズの公式から
ではなく、半円筒形のレンズとし、円筒内部で焦点を結
ぶことを前提として計算している。
離f=2Rとなり、平行光が入射すると透明冷却管10
の円周上に焦点を結ぶことになる。ここで、太陽光26
は太陽の位置の変化によって入射角度が変化するが、平
行光として考えられる。従って、太陽光26は太陽の位
置によらず常に円周上に焦点を結ぶことになる。
10には、上述した太陽光の焦点位置を検出するための
位置検出センサ24が設けられており、この位置検出セ
ンサ24で検出した焦点の位置に図1に示されたモータ
14とクランク16とで構成される駆動装置によって太
陽電池セル12を移動させる。なお、位置検出センサ2
4は、図1、図2に示されるように、透明冷却管10の
およそ半周(下半分)に渡って設けられている。
面図が示される。図4において、最上部には太陽電池2
8が形成されており、支持板30に接着剤32を介して
接着されている。また、上述したように、太陽電池28
はその表面側を直接冷却媒体18によって冷却されるの
で、太陽電池28から電力を取り出すためのリード線3
4は、腐食防止のため冷却媒体18に触れないようすべ
て太陽電池28の裏側から引き出されるよう構成されて
いる。このリード線34は、図4に示されるように、接
着剤32の層を介して外部に引き出されており、接着剤
32によって固定されている。
断面図が示される。図5において、光センサ36の上面
には、減光フィルタ38がコートされている。これは、
図2(a)において、位置検出センサ24に、冷却媒体
18により集光された光以外に太陽の散乱光や収差によ
る光も入射するので、これによって光センサ36の検知
レベルが飽和することを防止するためのものである。
ているときには太陽光を遮るので、太陽電池セル12の
下側に該当する光センサ36の部分は光を受光しないこ
とになる。従って、光センサ36として可視光センサを
使用する場合には、位置検出センサ24に太陽光が当た
らないようにモータ14によって太陽電池セル12の位
置を調整することにより太陽光の追尾を行うことができ
る。
使用した場合には、太陽光の中の赤外線が太陽電池セル
12を透過するので、この赤外線を赤外線センサで検知
し、赤外線を検知している部分に太陽電池セルを移動す
るようにすれば、上記と同様に太陽光を追尾することが
できる。
置の動作について説明する。
機構のブロック図が示される。図6において、太陽光が
位置検出センサ24の所定位置に当たった場合に、位置
検出センサ24から、そのどこに太陽光が当たっている
かの情報が制御部40に送られる。制御部40では、位
置検出センサ24からの情報に基づいて、太陽光が当た
っている部分に太陽電池セル12を移動させるようにモ
ータ14を制御する。モータ14は、制御部40からの
信号に基づいてクランク16を介して太陽電池セル12
を移動させ太陽光の位置に一致させるように動作する。
10の真上方向から太陽光26が入射してくる場合は、
位置検出センサ24のほぼ中央部に太陽光が当たってい
るので、制御部40がモータ14を駆動してその位置に
太陽電池セル12を一致させる。
右上方向から太陽光26が入射する場合には、透明冷却
管10の内部に満たされた冷却媒体18によって結ばれ
る太陽光の焦点は、図2(a)の場合よりも図の左側に
移動する。このため、位置検出センサ24から制御部4
0に太陽光の焦点の位置の移動が伝えられ、制御部40
がモータ14を駆動して太陽電池セル12の位置を図3
(a)、(b)に示されるように太陽光の位置まで移動
させる。
間の経過と共に変化しても、太陽電池セル12の位置を
移動させることによりこれを追尾することができる。な
お、太陽電池セル12は、位置検出センサ24の上を移
動していくので、位置検出センサ24の太陽電池セル1
2の移動方向における分解能は、太陽電池セル12の幅
よりも小さいかあるいは同程度のものが好ましい。例え
ば、図6に示されるように、位置検出センサ24が複数
の部分に区切られ、この部分単位で太陽光の位置を検出
する場合には、その幅Wが、太陽電池セル12の幅より
も狭いかあるいは同程度であることが望ましい。
び真空保護管20の形状を円筒形としているが、必ずし
も円筒形に限られるものではない。太陽電池セル12が
透明冷却管10の内側を移動可能に構成でき、かつ太陽
電池セル12の移動経路の近傍に太陽光26の焦点が結
べる構造であれば、その形状は限定されるものではな
い。
タ14が2つ備えられているが、モータ14の数は1つ
でもよい。
型太陽電池装置の実施形態2の側面図が示され、また図
8には、図7のb−b断面図が示され、それぞれ図1、
図2に示された実施形態1と同一部材には同一符号を付
してその説明を省略する。
て水を使用している。水の屈折率は1.33であるの
で、
くなる。このため、本実施形態においては透明冷却管1
0の内部に太陽光の焦点を結ばせるために、1個あるい
は複数個のレンズが使用されている。
電池セル12の真上に設けられ、太陽電池セル12とと
もにクランク16によってモータ14に固定されてい
る。従って、モータ14により太陽電池セル12とレン
ズ42とが一緒に回転移動される。
形状が半円形をしている。ただし、この断面形状として
は必ずしも半円形である必要はなく、真下に設けられた
太陽電池セル12に太陽光26が集光できる形状であれ
ばよい。
が真上から入射した場合には、レンズ42により太陽光
26がある程度集光され、さらに透明冷却管10の内部
に満たされた冷却媒体18としての水によりさらに集光
されてレンズ42の真下に配置された太陽電池セル12
上に太陽光26が集光される。
右上方向から太陽光26が入射した場合、透明冷却管1
0の下半周面上に設けられた位置検出センサ24によっ
て太陽光の位置が検出され、これに基づいてモータ14
により太陽電池セル12とレンズ42とが回転移動さ
れ、太陽光26が集光される位置に太陽電池セル12が
移動される。
却媒体18として水を使用することができ、冷却媒体1
8として特殊な液体を使用する必要がなく、そのコスト
を低くすることができる。また、本実施形態でも、太陽
電池セル12は冷却媒体18としての水によりその表面
側を直接冷却されている。
セル12とレンズ42とがモータ14及びクランク16
によって一緒に移動する構成が示されているが、上述し
たように、太陽電池セル12上に太陽光26が集光され
れば、レンズ42を固定し、太陽電池セル12のみ移動
させる構成とすることも可能である。
は、冷却媒体18が透明冷却管10の中に満たされた構
成となっているが、この冷却媒体は、図示しない循環手
段により循環させることも好適である。これにより、冷
却媒体18の温度を常に一定に保つことができ、太陽電
池セル12の冷却効果を更に上げることができる。
装置を設置する場合、設置場所の制約などにより、必ず
しも南北あるいは東西に透明冷却管10の長手軸方向を
一致させることが不可能な場合もある。このような場合
に、太陽光が透明冷却管10を斜めに横切ることも考え
られる。
いては、複数の透明冷却管10が平行に設けられている
が、この透明冷却管10をその長手軸方向が南北と一致
するように配置した場合には、図の矢印A方向に太陽が
移動する。この場合には、前述した実施形態1、実施形
態2の追尾型太陽電池装置によって太陽の位置を追尾す
ることができる。一方、透明冷却管10の長手軸方向が
南北方向から所定角度ずれて設置されている場合には、
図の矢印Bに示されるように透明冷却管10の長手軸と
直交方向(矢印A方向)から所定角度ずれた方向に太陽
が移動することになる。従って、太陽電池セルを、この
太陽の動きに合わせて、透明冷却管10の長手軸方向と
所定角度ずらした動きをさせる必要がある。
電池装置の太陽電池セル12の側面図が示される。図1
0において、太陽電池セル12は、複数のブロックに区
分されており、それぞれのブロックは、図4に示された
太陽電池セル12と同じ構造をしている。それぞれの太
陽電池セル12のブロックは、ばね44によって互いに
接続されている。また、支持板30にはリング46がそ
れぞれ設けられており、このリング46には支持棒48
が通されていて、各太陽電池セル12のブロックが図の
上下方向にずれないように支持されている。
48が通された様子の断面図が示される。リング46の
穴47の径は、支持棒48の直径よりも大きくなってお
り、支持棒48がリング46の穴47の中である程度自
由に動けるような構成となっている。
電池装置の透明冷却管10の構成の平面図が示される。
図12において、位置検出センサ24は、透明冷却管1
0の両端付近に2個設けられている。これにより、太陽
が透明冷却管10の長手軸と直交方向に対して斜め方向
に移動して、透明冷却管10の両端で結ばれる太陽光の
焦点の位置が透明冷却管10の長手軸に対して互いに異
なる位置にあっても、それぞれの位置を検出することが
可能となる。この時に、図示しない制御部により、透明
冷却管10の両端に設けられた駆動用のモータを制御
し、それぞれの位置検出センサ24によって検出した太
陽光の焦点位置に太陽電池セル12の両端を合わせるよ
うに駆動させる。この結果、図12に示されるように、
太陽電池セル12の配置としては透明冷却管10の長手
軸と所定角度ずれた配置となる。なお、以上述べた構成
は、透明冷却管10の長手軸が東西方向から所定角度ず
れて設置されている場合にも適用できる。
2は複数のブロックに分けられ、それぞれの間をばね4
4によって接続された構成となっているので、上述した
ように、太陽電池セル12が透明冷却管10の長手軸と
角度がついた場合にもこのずれを吸収することができ、
全体として透明冷却管10の長手軸と所定の角度をなし
て配置されることが可能となる。
装置の長手軸を正確に南北方向あるいは東西方向に一致
させなくても、正確な太陽の追尾を行うことができる。
尾型太陽電池装置の実施形態4の側面図が示される。図
13において、透明冷却管10は球形をしている。これ
により、円筒形状の透明冷却管に比べさらに集光度を高
くすることができる。
は、円形のスポットとなるので、太陽電池セル12も円
形のものを使用する。この太陽電池セル12の断面構造
は、図4に示されたものと同様である。
は、前述した各実施形態と同様に、位置検出センサ24
によって太陽光の焦点位置を検出し、その位置に太陽電
池セル12を移動させることにより行う。この太陽電池
セル12の移動は、透明冷却管10の外側に磁石52を
設置し、この磁石52を例えば極座標型ロボット50に
より3次元方向に移動させて行う。
折率1.5のシリコンオイルを使用する場合には、太陽
光26の焦点が透明冷却管10の球面上に結ばれるの
で、この球面の内側を太陽電池セル12を移動させれば
よい。
mmの球体とし、太陽電池セル12として半径15mm
の円形状の太陽電池を使用した場合に、計算上集光度は
100倍となるが、上述した磁石52をマイコン制御の
極座標型ロボット50で制御した結果、単なる平面状で
同じ面積を有し集光を行わない太陽電池に比べ約80倍
の発電量を得ることができた。
8を循環手段56により循環させれば、これにより冷却
媒体18の温度を一定に保持することができ、太陽電池
セル12の冷却効果をさらに上げることができる。
ては、太陽光の焦点の位置を検出し、その位置に太陽電
池セル12を移動させて太陽光の追尾を行うものである
が、天候が曇りで太陽光が遮られた場合や夜間の場合
に、追尾動作に誤動作を起こさないようにすればさらに
太陽光の追尾効率を上げることができる。
電池装置の平面図が示される。図14においては、透明
冷却管10が4つ設けられており、それぞれに位置検出
センサ24が設けられている。ただし、位置検出センサ
24の数は、全体で1つとすることもできる。
ンサ24の他に、現在朝であるか夜であるかあるいは曇
りであるかを検出するための光センサ54が透明冷却管
10の外に設けられている。ここで、位置検出センサ2
4及び光センサ54により、追尾駆動判別手段が構成さ
れる。
りを識別し、それぞれに合わせて最適な太陽の追尾動作
を行わせることができる。
ル10の位置制御のフローが示される。図15におい
て、まず光センサ54からの太陽光の検出出力Io を読
み込む。Io の値は、太陽光の強度が所定の閾値以上の
ときに1となり、この閾値より小さいときは0となるよ
う構成しておく。この閾値としては、夜間のみ光センサ
54の検出出力Io が0となるような値に設定しておく
(S1)。
検出出力Ii を読み込む。このIiの値も、太陽光の強
度が所定の閾値以上のときに1となり、この閾値より小
さいときは0となるよう構成しておく。この閾値として
は、朝、夕、夜間あるいは曇りの天候のときに位置検出
センサ24の検出出力Ii が0となり、太陽電池セル1
0に直接太陽光が当たりだしたときにIi が1となるよ
うな値に設定しておく。なお、位置検出センサ24は、
太陽電池セル10の内部に設けられているので、同じ太
陽光を受けても、光センサ54より受光強度は低くな
る。従って、光センサ54と位置検出センサ24の閾値
は同じ値にすることもできる(S2)。
センサ24の検出出力Ii とから、I=Io ×Ii を算
出する。この値が上記追尾駆動判別手段の出力となる。
(S3)。
54及び位置検出センサ24の両方において太陽光を検
出している場合であるので、朝、夕、夜間あるいは曇り
の状態で太陽光が弱くなっている場合ではなく、太陽電
池セルに直接太陽光が当たっている場合であるので、太
陽電池セル12の位置を移動させるモータの駆動を開始
する(S5)。
は、Io 及びIi のいずれもが0でありすなわち夜間で
ある場合か、あるいはIi だけが0でありすなわち朝、
夕、曇りで太陽光が弱くなっている場合であるので、こ
の状態で太陽電池セル12を移動させると正確な制御が
できなくなるため、太陽電池セル12を移動させるモー
タを停止させる(S6)。
冷却媒体に太陽電池セルの冷却作用とレンズとしての機
能を持たせたため、簡易な構成で高効率な追尾型太陽電
池装置を得ることができる。
接冷却されるので、冷却効率を高くでき、集光度を更に
大きくして、より高い発電効率を得ることができ低コス
ト化を図ることができる。
ことができ、更にコストを下げることができる。
置した場合に、太陽電池セルも斜めに移動することが可
能とできるので、太陽光の集光効率を上げることができ
る。
それぞれ適した制御方法を採用できるので、太陽電池シ
ステムを完全に自動化することができる。
1の側面図である。
である。
である。
れる太陽電池セルの断面図である。
れる位置検出センサの断面図である。
池セルの位置制御の構成を示すブロック図である。
2の側面図である。
である。
態3の構成の側面図である。
ング及び支持棒の断面図である。
明冷却管の断面図である。
態4の構成を示す側面図である。
態5の構成を示す平面図である。
御を示すフローチャート図である。
ある。
タ、16 クランク、18 冷却媒体、20 真空保護
管、22 真空領域、24 位置検出センサ、26 太
陽光、28 太陽電池、30 支持板、32 接着剤、
34 リード線、36 光センサ、38 減光フィル
タ、40 制御部、42 レンズ、44 ばね、46
リング、47 穴、48 支持棒、50 極座標型ロボ
ット、52磁石、54 光センサ、56 循環手段。
Claims (6)
- 【請求項1】 太陽を追尾しながら発電を行う追尾型太
陽電池装置において、 太陽光を透過する透明冷却管と、 この透明冷却管の内側に可動に設置された太陽電池セル
と、 前記透明冷却管内に収容されて前記太陽電池セルを直接
冷却するとともに、太陽光を集光するレンズとしても機
能し、太陽光が前記透明冷却管の内側に焦点を結ぶよう
な屈折率を有する冷却媒体と、 この冷却媒体により結ばれた太陽光の焦点位置を検出す
る位置検出センサと、 この位置検出センサの信号により前記太陽電池セルを所
定の位置に移動させる駆動装置と、 を備えたことを特徴とする追尾型太陽電池装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の追尾型太陽電池装置であ
って、 前記透明冷却管が円筒形であることを特徴とする追尾型
太陽電池装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の追尾型太陽電池装置であ
って、 前記透明冷却管が球形であることを特徴とする追尾型太
陽電池装置。 - 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれか一項記
載の追尾型太陽電池装置であって、前記透明冷却管内に
レンズを設置するとともに、前記冷却媒体の屈折率を前
記レンズと組み合わせた状態で太陽光が前記透明冷却管
の内側に焦点を結ぶ屈折率としたことを特徴とする追尾
型太陽電池装置。 - 【請求項5】 請求項2記載の追尾型太陽電池装置であ
って、 前記太陽電池セルは前記透明冷却管の軸方向に配列さ
れ、この配列が前記透明冷却管の軸と所定の角度をなし
て配置可能であることを特徴とする追尾型太陽電池装
置。 - 【請求項6】 請求項1から請求項5のいずれか一項記
載の追尾型太陽電池装置であって、 前記透明冷却管の外に光センサを有し、この光センサの
受光量に基づき、太陽光が太陽電池セルに直接当たって
いる場合のみ太陽を追尾させることを特徴とする追尾型
太陽電池装置。
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