JP4873279B1 - 無電源太陽追尾装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽の向きを追尾するための駆動電源を必要とせずに、おおよそ太陽の方向を向くような太陽光発電装置用降雪及び積雪対応無電源太陽追尾装置を提供する。
【解決手段】朝の太陽追尾開始時点で、太陽電池パネルを人力、手動、電動油圧シリンダーなどによって太陽電池パネルを太陽方向（東方向）に向け、太陽追尾開始の状態とする。次に、太陽電池パネルと可動部の重さによって、油圧シリンダー内のオイルがゆっくり移動することによりピストンが押し込まれて太陽を追尾する。
【選択図】図１

Description

太陽光発電の発電効率を最良にするために、太陽電池パネル、ソーラーパネルを太陽方向に向けるための装置、及び雪国の積雪に対応する太陽追尾装置に関する。

現在の太陽発電システムのほとんどは固定式であり、向きが変えられないため太陽光エネルギーの半分程度しか電気エネルギーに変換できず発電効率が決して良いとは言えない。 固定式がほとんどである理由は、固定方式は設置費用も、維持費も安いからである。 これに対し発電効率の良い太陽の方向を太陽電池パネルが追いかける太陽追尾装置の太陽光発電装置は、製造コストも、本体価格も高額であり、設置後の維持費も高額になるため一般家庭への普及はもちろん大規模発電所（メガソーラー発電）でも太陽追尾システムの太陽発電が採用されない大きな理由である。

現在、太陽の動きにあわせて太陽電池パネルを向ける太陽光発電装置のほとんどが、天文台や天体望遠鏡で使われている星の動きと同じ速度で微動するようにステッピングモーターとコンピューターの組み合わせた高度に正確なものをそのまま応用した装置や、光センサーとコンピューターによりアクチュエータを作動させ最良の向きをする複雑な装置などである。

それらのシステムは構造が複雑で精密機械のため、製造コストも本体価格も高額である。 故障した場合は構造が複雑なため修理代も高額で、修理期間が長い場合もある。故障が無い場合でも、精密な機械のために、システムを維持する為の定期的メンテナンスが必要で、そのメンテナンス料など維持費も高額である。 これらのことが太陽追尾装置による太陽発電装置の普及の妨げの原因にもなっている。

現在の太陽発電システムのほとんどは固定式であり、向きが変えられないため太陽光エネルギーの半分程度しか電気エネルギーに変換できず発電効率が決して良いとは言えない。 固定式がほとんどである理由は、固定方式は設置費用も、維持費も安いからである。 これに対し発電効率の良い太陽の方向を太陽電池パネルが追いかける太陽追尾装置の太陽光発電装置は、製造コストも、本体も高額であり、設置後の維持費も高額になるため一般家庭への普及はもちろん大規模発電所（メガソーラー発電）でも太陽追尾システムの太陽発電が採用されない大きな理由である。
現在、太陽の動きにあわせて太陽電池パネルを向ける太陽光発電装置のほとんどが、天文台や天体望遠鏡で使われている星の動きと同じ速度で微動できるようにしたステッピングモーターとコンピューターの組み合わせた高度に正確なものをそのまま応用した装置や、光センサーとコンピューターによりアクチュエータを作動させ最良の向きをする複雑な装置などである。
それらのシステムは構造が複雑で精密機械のため、製造コストも本体の価格も高額である。 故障した場合は構造が複雑なため修理代も高額で、修理期間が長い場合もある。故障が無い場合でも、精密な機械のために、システムを維持する為の定期的メンテナンスが必要で、そのメンテナンス料など維持費も高額である。 これらのことが太陽追尾装置による太陽発電装置の普及の妨げの原因にもなっている。

雪国においての太陽光発電が普及しない最大の理由に、積雪がある。 雪国の太陽光発電では積雪が大きな問題である。 太陽電池パネル面に一センチの積雪でもあれば発電はゼロである。 冬季には天候の変化が激しく、それまで大雪であっても突然快晴になる場合などが多く、雪をかたづけていては発電が間に合わない。雪国では一晩で１メートル以上の積雪も、１、２時間で５０センチの積雪なども頻繁にある。 その積雪の重さは数トンにもなり、太陽光発電の命である太陽光電池パネルの破壊や故障の原因ともなりかねない。 これらの降雪対策がまだ解決していない為、太陽光発電の雪国での普及の大きなマイナス要因になっている。

太陽光を受けながら発電する太陽電池パネルの発電量は角度で２、３度太陽に向いていなくても、パネルの最大の発電能力の上限は限られているので、受光面が１００パーセントの正確さで太陽を向く必要はない。 つまりおおよそ太陽方向を向いていれば太陽光発電として十分機能するのである。
本考案は、朝の太陽追尾開始時点で、太陽電池パネルを人力、手動によって（方法１）、電動油圧シリンダーによって（方法２）、水圧シリンダーや家庭用水道の水圧によって（方法３）（図１の２１）、遠隔地の油圧ポンプ、水圧ポンプ、エアーコンプレッサーによって（方法４）（図１の（２０））、シリンダー中のピストンが押し出されることで、太陽電池パネルが太陽方向（東方向）を向いた状態の図１の（８）が太陽追尾開始の状態である。

次に太陽電池パネルB部分の可動部分の重さ、つまりその自重によって、油圧シリンダーEのピストンの下部のオイルが上部の部屋にゆっくり移動することによりピストンが押し込まれていくことでピストンが収縮し（９）、（１０）、（１１）の順に太陽電池パネルの傾きが少しずつ変化すると同時に、太陽電池パネルは太陽方向を向くことで太陽を追尾していることになる。

本考案の太陽追尾装置は、太陽電池パネルの可動部分の重さ（自重）を利用して、油圧シリンダーのピストンの収縮による太陽電池パネルが傾く原理のために、電気エネルギーなどを必要としない無電源の太陽追尾装置である。

太陽の軌道の高度は、季節によって少しずつ変化するため図１の（４）、（５）、（６）のように装置全体の角度を部品Gの長さを調整することで季節ごとの太陽の軌道の変化に対応する。その調整は年に何度か季節ごとあるいは月ごとにセットすることで十分である。 その一定の期間ごとの部品Gの調整（セット）するだけで太陽の軌道と太陽電池パネルの向く方向が一致し、太陽光を追尾する太陽光発電として十分機能するのである。

一般的なシリンダー（図１の（２０））では、シリンダーを押す力が図１の（８）、（９）、（１０）のように太陽電池パネル部分の傾く角度によって、可動部の支点AからピストンFの接続部分までの距離が変化するモーメントによって、ピストンが収縮する速さは一定ではない。 （８）の傾き始めの状態では、シリンダーを押す力が弱く遅く、（９）の状態で押す力が強く傾く速度は速くなり、（１０）の状態で押す力が弱く遅くなるので、傾く速度が遅くなる。 つまり一般的な油圧シリンダーでは太陽電池パネルが一定した動きをしないため太陽を一定の速度で追いかけることはできない。

この問題を解決するために、図１の（７）のシリンダーが太陽電池パネルの傾き状況の変化に応じて変動的にオイルの流量を調整するのが本考案である。ピストンの全体の動きの中心となるパイプＰ３は、シリンダーの底部から上部先端へシリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプであり、パイプＰ１は、シリンダーの上部であって、シリンダーの長さの略３分の１の位置から上部先端へ、シリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプで、パイプＰ２は、シリンダーの底部からシリンダーの長さの略３分の１上方へシリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプである。 シリンダーを押す力が弱い朝の時点（８）ではパイプＰ１からのオイルの流量が加わることで下部の油圧オイルが上部に流れる量を助け遅くなることを防ぐ。（９）の状態になるとシリンダーを押す力が強くなるのでパイプＰ３のみのオイルの流れで、通常の速度になる。（１１）の状態ではシリンダーを押す力が弱い夕方近くの時点では、パイプＰ２がその流量を補うことによって、下部の油圧オイルが上部に流れる量を助け遅くなることを防ぎ太陽の動きに合わせた通常の速さになる。 この原理によって太陽電池パネルの傾き状況の変化に応じて変動的にオイルの流量を調整する機能を持ったシリンダーが本考案である。

現在の太陽発電装置のほとんどが固定式であり、太陽光のエネルギーの半分程度しか利用されていない。 これに対して効率の良い太陽を追尾しながら発電する装置、太陽追尾装置の太陽光発電装置は、天文台や天体望遠鏡で使われている星の動きと同じ速度で微動するようにステッピングモーターとコンピューターの組み合わせたシステムで構造も複雑で精密機械であるため、製造コストも高く本体価格が高額である。 故障した場合などは構造が複雑なため修理費用も高額となり、故障が無い場合でも、システムが複雑な為、システム維持の為の定期的メンテナンス料など維持費も高額になっている。 このことが太陽追尾装置の太陽光発電装置の普及の妨げになっているが、本考案の太陽追尾装置は低コスト、低価格、低メンテナンス料、低維持費のために太陽光発電の普及を加速することができる。

本考案は、構造が単純であるため、低コストで製造でき価格が低額であり、メンテナンス経費が少なくてすむ。 太陽を追尾し発電する装置のため、固定式の太陽光圧電装置に対して発電量を大きく増やせる。

本考案の太陽追尾装置は、太陽電池パネルの可動部分の重さ（自重）を利用して、油圧シリンダーのピストンの収縮による太陽電池パネルが傾く原理のために、電気エネルギーなどを必要としない無電源の太陽追尾装置であるため省エネである。

雪国の太陽光発電では積雪が大きな問題であり、太陽電池パネル面に一センチの積雪でも発電はゼロである。この本考案では、図1の（１）、（１２）、（１９）のように降雪時には太陽電池パネル面が地面に対し垂直になっているため着雪がなく、雪の降っている中でも発電をすることができる。

冬季間、雪国では天候の変化が激しく、それまで大雪であっても突然快晴になる場合などが多く、太陽電池パネル面が垂直なため積雪が無い為に快晴になった時点でパネルを太陽方向に向けることによって、直ぐに発電を開始することができる大きなメリットがある。 メガソーラー発電所、大規模太陽光発電所などでは降雪後に除雪は、図１の（１８）のような太陽電池パネルの設置台数が多いため不可能であり、雪が解けるのを待つことになり、発電所は休止状態となる。

太陽光電池パネルが垂直状態で収納状態、基本状態のため、台風時、強風時、降雹（こうひょう）時、大雪による破壊にも対応でき、本考案の太陽光発電システムがそれらの自然災害から守ることができる。

図１の（１）は本考案の基本的構造の太陽追尾装置である。 太陽電池パネルBの設置された可動部がAを支点としてシリンダーEのピストンFによって押し上げることで、日の出後、太陽方向（東方向）を向けた発電開始の状態が（８）の上の図である。

図（４）、（５）、（６）は季節に応じた太陽高度、太陽の軌道に合わせて本体を傾けている実施例である。
（４）は夏季、（５）は春季、秋季、（６）は冬季である。
（８）、（９）、（１０）、（１１）は太陽電池パネルの傾きの違い（上の図）と、シリンダーとピストンと各パイプとの関係を示したものである。

図（１２）、（１３）は本考案を家庭用のシステムで実施した例である。
（１２）が収納された基本状態で、着雪、積雪、強風に対応している。（１３）が朝に東方向にピストンEによって太陽電池パネルを東方向を向けた発電開始の状態で、太陽電池パネルは自重により太陽をゆっくり追いかけることになる。

図（１４）、（１５）、（１６）は本考案を家庭用のシステムで実施した例である。
（１４）は収納された基本状態で、（１５）で太陽電池パネルが屋根の上方向へスライドして、（１６）でピストンによって太陽電池パネルを東方向に向け、その太陽電池パネルの重さによって（１５）の状態になるまで太陽を追いかける太陽光発電の実施例。
強風時、台風時、大雪時は（１４）の状態で安全を図る。

（１７）は基本構造の（１）に、左右２枚の太陽電池パネルを設置したタイプで、２枚が上へ開き合わさって一枚の大きな太陽電池パネルにしたもので、作動の仕方は本考案と同じである。
（１８）は（１７）のものを大規模太陽光発電所に導入した実施例である。雪国ではその地方の平均積雪の上限以上の高さたとえば平均積雪が２ｍ（メーター）であれば安全をとってプラス１ｍで３ｍ以上の高さに本考案の装置を設置すれば、冬季間においてはこの発電システムが多数設置された大規模太陽光発電所（メガソーラー発電）において、発電所施設の除雪を必要としないで発電が可能である。

（１９）は（１７）のタイプを、より降雪や強風、台風などに対応するため全体的に丸め、曲線化してデザインした実施例である。

（２０）は開閉コックB４を一瞬で全開することで、ピストンを自由に上下できるようになり、手動でパネルを一瞬で東方向を向かせるためのシリンダー。その後は（７）と同じ働きをする。

（２１）、（２２）は遠隔地からオイル、水、空気を本考案の装置のシリンダーに送ることによって太陽電池パネルを太陽方向に向ける実施例
（２１）は油圧シリンダーを遠隔地からコントロールするもので、たとえば屋根上の太陽電池パネルを一階（地上）から油圧ポンプによってピストンを押し上げ太陽電池パネルを東向きにし太陽追尾を開始する実施例。
（２２）は水圧シリンダーを遠隔地からコントロールするもので、たとえば屋根上の太陽電池パネルを一階（地上）から水道の水圧によってピストンを押し上げ太陽電池パネルを東向きにし太陽追尾を開始する実施例。

本考案のシステムの構成図及び実施例である。

（１）、（２）、（３）は基本図面
（１）立面図
（２）側面図
（３）正面図
（４）、（５）、（６）は季節ごとの太陽高度に合わせるため部品Ｇの長さによって装置全体の傾きを調整する説明図。
（４）夏季の正午時の太陽位置と装置の傾き０度
（５）春季、秋季の正午時の太陽位置と装置の傾き約２０度
（６）冬季の正午時の太陽位置と装置の傾き約30度
（７）本考案の変速油圧シリンダー（太陽電池パネルの傾きの変化に対応し、オイル流量を変化させるための原理図
（８）、（９）、（１０）、（１１）はシリンダー内のピストンの落下速度を一定にするための原理の説明図
（８）稼動部の自重によって傾き開始字はシリンダーを押す力は少ないためパイプＰ１を設けて、流量を増やし少しの力でピストンが動くようにする（日の出直後の東方向を向いている）
（９）この時点でパイプＰ１を流れる流量はゼロになりパイプＰ３のみとなりピストンは減速することになる（正午前後はシリンダーへの力が大きいため流量をパイプＰ3のみで減速することになる）
（１０）この時点を過ぎると（８）の時と同じ理由で、稼動部の自重によるシリンダーを押す力は少ないためパイプＰ２を設けて、流量を増やし少しの力でピストンが動くようにしている（午後３時過ぎ夕方はシリンダーへの力が弱い）
（１１）この時点が収納状態、安定状態で、太陽電池パネルが地面に垂直である。冬季における降雪時はこの状態で雪に対応する。
（１２）本考案の家への実施例、この状態は基本状態で、降雪時にも太陽電池パネルが垂直なため雪が積もらず発電できる。
（１３）本考案の家への実施例、この状態が油圧シリンダーによって東方向を向いた状態、この後太陽電池パネルがゆっくり傾いていくことで太陽を追いかける。
（１４）、（１５）、（１６）は家への実施例、（１４）の状態で基本状態、（１５）はパネルが屋根の上部へスライドしている。（１６）は東方向を向けてスタンバイし、ゆっくり太陽を追尾していく。
（１７）（１）の基本タイプの応用で、左右に２枚の太陽電池パネルがあって、それが開くことで２倍の面積になって、太陽を追尾する。
（１８）メガソーラー発電所（大規模発電所）に応用した実施例、降雪時には（１７）のように太陽電池パネルが２つ折れて地面に対して垂直状態になることで着雪、積雪、強風に対応する。
（１９）基本形（右）を変形したのが（左）で、雪国では、パネルの上に雪が積もらないように、先端がとがっている。
（２０）（７）のシリンダーを単純化したもので、開閉コックＢ４を手動で全開することで、ピストンを自由に上下でき、太陽電池パネルを一瞬で東向きにセットできる。その後は（７）と同じように少しずつピストンが収縮しながら太陽電池パネルが太陽を追尾していく。
（２１）油圧シリンダーを遠隔地（屋根上の太陽電池パネルを一階（地上）から）から油圧ポンプによってピストンを伸ばしパネルを東向きにセットする実施例。
（２２）水圧シリンダーを遠隔地（屋根上の太陽電池パネルを一階（地上）から）から水道の水圧によってピストンを伸ばしパネルを東向きにセットする実施例。

Ａ：ちょうつがい（太陽電池パネル及びその架台と本体をつなぐ）
Ｂ：太陽電池パネル（ソーラーパネル）基本状態でパネルが垂直なため、積雪しない。降ひょう被害によるパネル破壊を防げる。
Ｃ：直流油圧ポンプ（ピストンＦを上下に動かすために、ピストンの上及び下の部屋内のオイルを自由に、移動するためのポンプ）
Ｄ：ピストン
Ｅ：シリンダー
Ｆ：太陽
Ｇ：この長さを変えることで季節ごとの太陽高度に合わせて装置の傾きを変える装置
Ａ１、Ａ２、Ａ３：電磁弁（通常は開放状態、電源ＯＮにて閉じるタイプ）調整、点検のために太陽電池パネルをある状態で停止させておきたい場合などに使用する。この電磁弁Ａ１、Ａ２、Ａ３の全てをＯＮにすることでオイルが流れないためピストンをロックすることができる。
Ａ４：電磁弁（通常は閉じた状態、電源ＯＮにて開放タイプ）電磁ポンプが作動すると同時に電磁弁Ａ４も通電して開放となってＰ４の中をオイルが上から下へ流れる。電磁ポンプがＯＦＦで同時に電磁弁Ａ４もＯＦＦになるためパイプＰ４は閉じる。
Ｂ１：Ｂ２、Ｂ３：流量調整バルブ（太陽電池パネルの傾く速度を調整するためのバルブ）
Ｂ４：開閉コックB４を一瞬で全開することで、ピストンを自由に上下できるようになり、手動でパネルを一瞬で東向きにセットできるシリンダー。その後は（７）と同じ働きをする。
Ｇ：季節ごとの太陽の高度に応じたと装置の傾きを調整する装置Ｈ ： 標準的なシリンダー（押し上げるのみシリンダーとピストン）
Ｉ ： 家の１階や離れたコントロール室のような場所から遠隔操作をするための長いパイプ（オイル、空気、水などがこのパイプを通してシリンダー内のピストンを押し上げる）
Ｊ ： 油圧ポンプ、水圧ポンプ、空気ポンプ、油圧オイルに限らず水、空気などでも本考案と同じ仕組みで太陽光を追いかける実施例
Ｋ ： 水道などの水圧を利用して本考案と同じ仕組みで太陽光を追いかける実施例
Ｌ ： シリンダー内の水を少しずつ抜き太陽電池パネルが少しずつ傾き太陽光を追尾できるようにするための時間調整用の排水コック

Claims (2)

1. 固定台にパネルの一辺を回動可能に取り付け、パネルの裏面と固定台の底部を連結するようにシリンダーが固定され、パネルの自重にてシリンダーが動作することで、パネル角度が変化する装置において、前記シリンダーには、シリンダーの底部から上部先端へシリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプと、シリンダーの上部であって、シリンダーの長さの略３分の１の位置から上部先端へ、シリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプを設け、シリンダーの底部からシリンダーの長さの略３分の１上方へシリンダー内のオイルを循環させるバイパスパイプを設けることで、パネルが一定速で回動することを特徴とする無電源太陽追尾装置。
2. 前記バイパスパイプには、オイル流量を調節するバルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の無電源太陽追尾装置。

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