JP3539729B1

JP3539729B1 - 太陽自動追尾装置

Info

Publication number: JP3539729B1
Application number: JP2003326400A
Authority: JP
Inventors: 黒澤英雄; 長橋良智; 前田宏; 小平義徳
Original assignee: 黒澤英雄
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2005090889A

Abstract

【要約】
【課題】
従来の太陽追尾装置は方向検知手段においても、ソーラーパネルの駆動においても電力を使用しているため、太陽光で発電した貴重な電力を消費しており、太陽エネルギーの変換効率を低下させる欠点があった。
【解決手段】
架台上に中心を球面滑り軸受けで支持されたソーラーパネルを太陽光の入射角の変化に応じて追従させる太陽自動追尾装置において、ソーラーパネルを支持する球面滑り軸受けから東西南北に等距離の４点を４つの独立したエアシリンダに接続されたロッドで支持する。各々のエアシリンダはパネル中心と対称の方角（西なら東、南なら北）の架台に設置された集熱タンクにチューブにて接続されている。この集熱タンクは太陽光を受けて内部に封入された気体が暖まることによって膨張しエアシリンダ内のピストンを押し、さらにその先に取り付けられたロッドがソーラーパネルの太陽光の入射方向と逆側を押し上げることによって太陽に正対させるものである。
【選択図】図1

Description

本発明は太陽電池などの太陽エネルギーを利用する機器において、太陽の動きを自動的に追尾する装置に関する。

太陽電池などの太陽の放射エネルギーを電気、あるいは熱などに変換して利用する機器において、その変換効率を高めるため、太陽光の受光面を常に太陽に正対させることが望ましい。このため従来技術では、ソーラーパネル上に光センサを設け、太陽の方向を検知し、モータなどによってパネルを駆動しソーラーパネルを太陽に正対させようとするものが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献2参照）。

また、ＩＣや時計の機構を利用して日付毎の太陽高度や時間毎の太陽の方向を記憶させておきソーラーパネルの方向をモータを利用して制御しようとするものが開示されている（例えば、特許文献3参照）
特開2000-196126号広報特開2000-223730号広報特開2002-202817号広報

ところが、従来技術では太陽の方向検知手段においても、ソーラーパネルの駆動においても電力を使用しているため、太陽光で発電した貴重な電力を消費しており、太陽エネルギーの変換効率を低下させる欠点があった。本発明はソーラーパネルの太陽方位検知、方向追尾に対して電力を使用せず、太陽エネルギー利用システムの変換効率を高めることを目的とするものである。

上記問題を解決するため、本発明では、架台上に中心を球面滑り軸受けで支持されたソーラーパネルを太陽光の入射角の変化に応じて追従させる太陽自動追尾装置において、ソーラーパネルを支持する球面滑り軸受けから東西南北に等距離の４点を４つの独立したエアシリンダに接続されたロッドで支持する。各々のエアシリンダはパネル中心と対称の方角（西なら東、南なら北）の架台に設置された集熱タンクにチューブにて接続されている。この集熱タンクは太陽光を受けて内部に封入された気体が暖まることによって膨張しエアシリンダ内のピストンを押し、さらにその先に取り付けられたロッドがソーラーパネルの太陽光の入射方向と逆側を押し上げることによって太陽に正対させるものである。

本発明の太陽自動追尾装置の上記手段のうち集熱タンクは受熱部として作用するがソーラーパネルよりも低い位置に置かれているため、例えば、東から昇ったばかりの太陽の光は架台の東側の集熱タンクには当たるのでタンク内の空気の温度は上がるが西側に設置された集熱タンクには当たらないので温度は変わらない。この温度差によって東側のタンク内の気体が膨張するため、そこに接続されている西側のエアシリンダのストロークが伸び、逆に東側のエアシリンダは縮みソーラーパネルを東側に傾ける。

中立位置で東西に設置された集熱タンク+チューブ+エアシリンダ各々の体積が同じで、エアシリンダの径が同じならば、片側のエアシリンダが延び、反対側が縮んだ結果、ソーラーパネルに掛かる力が釣合った位置で止まる。つまり、圧力をＰ、体積をＶ、絶対温度Ｔとしたときに東西の各々のエアシリンダ系の関係は
「数1」Ｐ_e・Ｖ_e／Ｔ_e＝Ｐ_w・Ｖ_w／Ｔ_w
で表される。例えば、西側のエアシリンダ系（西側エアシリンダ+チューブ+東側集熱タンク）の温度が４７℃、東側エアシリンダ系の温度が２７℃で、各々のエアシリンダ系の体積が１０００cm³のとき温度差でソーラーパネルの姿勢が変化した後の位置はＰ_e＝Ｐ_wとなる位置なので上式に数値を代入すると約３２cm³西側エアリンダを押し上げた位置になる。実際には、このストロークはソーラーパネルの大きさによって決定しなくてはいけないので長さによってはシリンダ径及び集熱タンク容量を調整する必要がある。

上記の説明ではエアシリンダ系を東西に配置した場合を記述したが、南北であっても良いし、ソーラーパネルの中心に配置した球面滑り軸受けの支持点を通り、かつ、直行した軸上の配置であれば東西南北に限ったことではない。また、ソーラーパネルの中心を正三角形の重心とし、その三角形の頂点にエアシリンダを配置し、各底辺にエアタンクを配置しても良い。

上述したように、本発明の太陽自動追尾装置は、その駆動に気体を用いて、その熱膨張による力を利用しているため、電力を必要とせず、太陽エネルギー利用システムの変換効率を高めることができるので、ソーラーパネルをより小型化できる。

また、気体を利用しているため、システムを軽量化でき、気体が空気の場合、安価な材料で構成できるため、従来利用が難しかった小型電気自動車や玩具、或いは、船舶等にも利用できる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図1、図2は本発明の請求項１に記載する構成に関する実施例である。図1において、ソーラーパネル1は中心を球面滑り軸受け２で支持され、架台7に固定されている。ソーラーパネル１には中心から等距離の位置にロッド3ａ、3ｂが取り付けられており接続位置で自由に角度が変えられる構造になっている。各ロッドの先はエアシリンダ4ａ、4ｂのピストンに接続されていて、その動きをソーラーパネルに伝える。エアシリンダ4ａ、4ｂはそれぞれチューブ5ａ、5ｂを通して集熱タンク6ａ、6ｂに接続されていて、内部に同量の気体が封入されている。ソーラーパネルは当初、水平位置（中立位置）に保持されている。

例えば、図２の様に東側（紙面右側）から太陽が昇ると集熱タンク6ｂは太陽光があたってタンク内に封入された気体の温度が上がる。一方、集熱タンク6ａは架台の陰になって太陽光があたらないため温度は上がらない。太陽光があたった側の集熱タンク6ｂ内の気体は温度が上がり膨張するためチューブ5ｂを通って西側（紙面左側）のエアシリンダ4ｂのピストンを押し上げ、ロッド３ｂを押し上げるので、ソーラーパネルは東側（紙面右側）に傾き太陽に正対する。

太陽が南中したとき、集熱タンク6ａ、6ｂには、ほぼ同様に太陽光があたるため、温度差は生じず、ソーラーパネルは中立位置になる。

太陽が西に傾くと集熱タンク6ｂには太陽光があたらなくなり、6ａにあたるのでタンク内の気体の温度は逆転し6ａ＞6ｂになるのでエアシリンダ4ｂのピストンを押し上げ、ソーラーパネルを西側に傾ける。以上は1日の中の太陽の位置を追尾する。

同様な構造を南北方向にも構成すれば季節毎における太陽の高度を追尾することができる。

図3は本発明の請求項２の構成に関する実施例を示す。集熱タンク6a、6bを透明な素材で構成し、タンク内部に鉛直方向に集熱板8を設置してある。太陽高度が低い場合、太陽光は一方の集熱タンクの集熱板に対し垂直に近い角度で差し込むため、集熱板はより多くの熱を吸収することができタンク内の空気を効率良く暖めることができる。この集熱板の表面はなるべく黒色に近い有色であることが集熱の効率上好ましい。また、集熱板の表面に凹凸やフィンを取り付け表面積を増やし、タンク内の気体との熱交換効率をあげる工夫をしても良い。この様にすれば、太陽光が当たっている集熱タンクと当たっていない集熱タンクの温度差がより大きくなりソーラーパネルをより大きく傾けることができる。

太陽高度が高くなったときには6a、6b両方の集熱タンクに光が当たるようになるが集熱板と太陽光が平行に近くなり集熱の効率は落ちる。このため、集熱タンク内の空気は必要以上には上がらず、温度差もできないのでソーラーパネルは中立位置で保持されることになる。

図4は本発明の請求項２の集熱タンクに液体を封入した構成に関する実施例を示す。実施例１及び２の構成において集熱タンク内に少量の液体9を封入してある。この液体は常温で液体で沸点が20℃〜100℃程度の範囲にあることが望ましい。すなわち、この液体は太陽光によって集熱タンク、あるいは集熱板が暖められた場合にのみ蒸発しタンク内の圧力を上げる役割をする。使用する液体としては、例えば、ジエチルエーテルC2H5OC2H5：沸点34.5℃、メタノールCH3OH：沸点64.7℃、エタノールC2H5OH：沸点78.3℃、水H2O：沸点100℃等が考えられる。これによりソーラーパネルをより大きく駆動することが可能になる。また、後述の実施例４のように1組のタンクで複数のパネルを駆動するような場合、特に有効である。

図5は本発明の請求項１、及び２を複数同時に駆動する構成に関する実施例を示す。実施例1〜3に示した様にエアシリンダ、チューブ、集熱タンク、軸受け、ソーラーパネルで構成された太陽光自動追尾装置において集熱タンクからのチューブを分岐し1組の集熱タンクに対し複数のソーラーパネルを駆動できるようにした事を特徴とするものである。図5において東側の集熱タンク6bに接続されたチューブは架台7の下方で複数に分岐され、それぞれ、ソーラーパネル1-イ、1-ロ、1-ハの西側のエアシリンダに接続されている。西側の集熱タンク6aに接続されたチューブは反対に、それぞれ、ソーラーパネル1-イ、1-ロ、1-ハの東側のエアシリンダに接続されている。ソーラーパネル1-イ、1-ロ、1-ハは集熱タンク内の気体の圧力差により駆動するためソーラーパネルが複数であっても1枚のときと同様に駆動する。同様な構成を南北方向にもとれば、例えば、3行3列となり9枚のパネルを同時に駆動できる。一度に駆動できるパネルの枚数はパネルの大きさと集熱タンクの容量によって変わるが、制限されるものではない。

例えば、図5においてソーラーパネルをひまわりの花を模した玩具に置き換えれば、複数のひまわりの花が太陽を追いかけて向きを変えてゆくことになる。このような例の場合、花を支える軸受けはゴムチューブの様なものでも良いし、エアシリンダは樹脂製のベローズでも良い。

本発明の請求項1の実施形態を示す太陽光自動追尾装置の側面図、及び平面図同太陽光自動追尾装置の駆動時の側面図本発明の請求項2の実施形態を示す太陽光自動追尾装置の側面図、及び平面図本発明の実施例3の実施形態を示す太陽光自動追尾装置の側面図、及び平面図本発明の実施例4の実施形態を示す太陽光自動追尾装置の側面図本発明の実施例4の実施形態を示す太陽光自動追尾装置の駆動時の側面図本発明の実施形態のうち集熱タンクを三角形の各辺に配置した場合の平面図

符号の説明

１、１-イ、１-ロ、１-ハソーラーパネル
２、２-イ、２-ロ、２-ハ軸受け
3a、3b、3c、3d ロッド
4a、4b、4c、4d エアシリンダ
5a、5b、5c、5d チューブ
6a、6b、6c、6d 集熱タンク
７架台
8a、8b 集熱板
9 液体

Claims

太陽光を受ける受光面を有し、その中心を方向を自由に可変できる軸受けで支持し、軸受けから等距離の3点、又は4点を受光面の裏面から押し引きできるエアシリンダに通じるロッドで拘束し、受光面中心の軸受けとともにエアシリンダをその下方に設置した架台に固定し、エアシリンダの他端にチューブを介して、エアシリンダが受光面を押し引きする位置から受光面中心に対して受光面の対辺の下方に位置する架台上に設置した集熱タンクに接続された太陽光自動追尾装置。
前述の太陽光自動追尾装置のうち、集熱タンクを透明な素材で構成し、その内部に有色の集熱板を垂直または垂直から１５°以内に傾けた範囲に設けたことを特徴とする請求項1の太陽光自動追尾装置。