JP5036668B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光のエネルギーを太陽光発電パネルで受け、電力エネルギーとして取り出す太陽光発電装置に関する。

従来、太陽光発電装置として、太陽光発電パネルが太陽に正対するように、太陽の動きに追尾して太陽光発電パネルの向きを調整するものがある。太陽光発電パネルの照射面に対して太陽光を垂直に入射させれば、太陽光発電パネルで受ける太陽光のエネルギーを大きくできる。太陽光発電パネルを傾ける向きを制御するための機構を単純化し、かつ太陽光発電パネルの回転に必要となる動力エネルギーをできるだけ小さくすることができれば、高い発電効率の太陽光発電装置を構成できる。例えば、特許文献１には、南北に設置される水平回転軸に、予め設定された角度で太陽光発電パネルを固定する取り付け機構を用いる技術が提案されている。朝は東方向、正午は南方向、夕方は西方向に照射面が向くように、時間の経過に応じて水平回転軸を東側から西側へ回転させることで、太陽光発電パネルの照射面に対して太陽光を垂直に入射させる。

米国特許出願公開第２００４／２３８０２５号明細書

上記特許文献１の技術によると、水平回転軸を太陽光発電パネルの裏面の端部に取り付けているので、太陽光発電パネルに対する水平回転軸の取り付け位置が、太陽光発電パネルの重心から離れた位置となる。このため、例えば、太陽光発電パネルを傾けた状態から水平な状態にする場合や、風などの外乱に対して水平回転軸を固定する場合に、水平回転軸に大きなトルクが必要となる。例えば、モータを用いて水平回転軸を回転させる場合、大きなトルクを出すには、モータ及び回転軸を大型とし、高い消費電力が必要となる。高い消費電力が必要であると、太陽光発電装置として取り出せる電力エネルギーが減少することとなる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、太陽光発電パネルの向きの調整に必要となる動力エネルギーを低減させ、消費電力ロスを低減する太陽光発電装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の太陽光発電パネルを略平面状に連結させて構成される一又は複数の太陽光発電パネルユニットと、一又は複数の太陽光発電パネルユニットに対して一定の角度をなすように取り付けられ、太陽光発電パネルユニットを回転させる、略水平に配設される水平回転軸と、を有し、水平回転軸は、太陽光発電パネルユニットの略中心を貫通させて設けられることを特徴とする。

この発明によれば、複数の太陽光発電パネルの重心を回転軸に一致させることにより、太陽光発電パネルの回転に要するトルクを小さくできるため、太陽光発電パネルの向きの調整に必要となる動力エネルギーを低減させ、消費電力ロスを低減することができるという効果を奏する。

以下に、図面に基づいて、本発明に係る太陽光発電装置の実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る太陽光発電装置の斜視構成を示す。太陽光発電装置は、複数の太陽光発電パネルユニット１により構成されている。太陽光発電パネルユニット１は、一本の水平回転軸２に対して複数取り付けられている。この実施の形態では、太陽光発電パネルユニット１は、二つの太陽光発電パネル１１、１２から構成されており、二つの太陽光発電パネル１１、１２は、平面状に連結されている。第１太陽光発電パネル１１は、二つの太陽光発電パネルのうち南側正面から向かって右側の太陽光発電パネルである。第２太陽光発電パネル１２は、二つの太陽光発電パネルのうち南側正面から向かって左側の太陽光発電パネルである。図１は第１太陽光発電パネル１１、第２太陽光発電パネル１２の照射面（受光面）Ｓ１側から見た構成、図２は第１太陽光発電パネル１１、第２太陽光発電パネル１２の裏面Ｓ２側から見た構成をそれぞれ示す。第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２は、太陽光が照射面Ｓ１に照射することにより発電する。

水平回転軸２は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２を回転させるための回転軸として機能する。水平回転軸２は、略水平に配設されている。水平回転軸２は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の間を、照射面Ｓ１側から裏面Ｓ２側へ貫通させて設けられている。水平回転軸２が貫通する部分は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２からなる太陽光発電パネルユニット１の略中心であって、太陽光発電パネルユニット１の重心に略一致する。

パネル接合部３は、第１太陽光発電パネル１１と第２太陽光発電パネル１２との間に設けられ、第１太陽光発電パネル１１と第２太陽光発電パネル１２とを接合する。パネル接合部３は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の間のうち、水平回転軸２を貫通させる部分を空けて二箇所に設けられている。パネル接合部３は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２が接合された太陽光発電パネルユニット１の中心以外の部分に設けられている。第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２は、パネル接合部３、及び水平回転軸２を貫通させた部分を挟んで並列させる。

パネル取り付け部４は、水平回転軸２を挟むように設けられた二枚の板状部材を繋ぎ合わせて構成されている。パネル取り付け部４は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の間を、照射面Ｓ１側から裏面Ｓ２側へ貫通させて設けられている。パネル取り付け部４は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２を水平回転軸２に取り付ける。第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２は、照射面Ｓ１が水平回転軸２に対して予め設定された一定の角度をなすようにして、水平回転軸２に固定されている。回転軸支持柱５は、水平回転軸２を回転可能に支持する。台座部６は、回転軸支持柱５のうち水平回転軸２側とは反対側に接合されている。太陽光発電装置は、台座部６を用いて、設置場所に設置される。

太陽光発電装置は、日中において、時刻の経過により変化する太陽光の向きに応じて、水平回転軸２を回転させる。太陽光発電装置は、水平回転軸２を回転させる不図示の回転軸駆動部を有する。回転軸駆動部は、回転力を生じさせるいずれの構成であっても良く、例えば、モータの回転力をそのまま利用して水平回転軸２を回転させるもの、所定方向の力をカム機構により回転力に変化させて水平回転軸２を回転させるもの等を用いる。

図３は、水平回転軸２の回転角度を制御するためのブロック構成を示す。回転角度計算部２０は、水平回転軸２の回転角度を計算する。回転角度計算部２０は、時計装置２１、緯度経度情報記憶部２２、時角計算部２３を有する。時計装置２１は、日時情報を出力する。緯度経度情報記憶部２２は、太陽光発電装置が設けられた位置の緯度情報及び経度情報を記憶する。

時角計算部２３は、時計装置２１からの日時情報、緯度経度情報記憶部２２に記憶された緯度情報、経度情報を用いて、太陽の時角を計算する。太陽の時角ω（度）は、時ｈ、分ｍ、経度情報（標準時地点との経度差）ｌｎｇ、通年日数情報から得られる地球の位置補正情報Ｅｔを用いて、例えば、以下の式により計算される。
ω＝｛ｈ＋（ｍ／６０）−１２｝／１２×１８０＋ｌｎｇ＋Ｅｔ

時角計算部２３は、上記の式により太陽の時角ωを計算するプログラムが予めメモリに組み込まれている。さらに、時角計算部２３は、算出された時角ωから、水平回転軸２の最適な回転角度を出力する。なお、時角ωは、太陽の南中時をゼロ度とし、西側をプラス、東側をマイナスとして表す。時角計算部２３は、上記の式により計算されたωが９０より大きい値であった場合は時角ωを９０度として、計算されたωが−９０未満であった場合は時角ωを−９０度として、水平回転軸２の回転角度を出力する。回転軸制御部２４は、時角計算部２３の出力に応じて、水平回転軸２の回転角度を制御する。

このようにして、水平回転軸２の回転角度は、照射面Ｓ１が太陽に正対するように、言い換えると、太陽から照射面Ｓ１へ進行する光線が照射面Ｓ１に対して垂直に近くなるように調整される。太陽光発電パネルユニット１の向きを調整することにより、照射面Ｓ１で受ける太陽光のエネルギーを最大とし、太陽光発電装置が取り出す電力エネルギーを最大にできる。

本実施の形態に係る太陽光発電装置は、太陽光発電パネルユニット１の重心を水平回転軸２の取り付け位置に一致させることにより、太陽光発電パネルユニット１の回転に要するトルクを小さくできる。太陽光発電パネルユニット１の回転に要するトルクを小さくできることで、水平回転軸２を回転させるモータ等を小型とし、水平回転軸２を回転させるための消費電力を低減させる。これにより、太陽光発電パネルの向きの調整に必要となる動力エネルギーを低減させ、消費電力ロスを低減することができるという効果を奏する。

照射面Ｓ１が太陽に正対するように太陽光発電パネルユニット１の向きを調整することにより、太陽光によって生じる水平回転軸２の影は、常に、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２により挟まれた部分に形成される。水平回転軸２の影を常に第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の照射面Ｓ１以外の位置とすることで、水平回転軸２の影による発電効率の低下を回避できる。

太陽光発電装置は、照射面Ｓ１が太陽に正対するように太陽光発電パネルユニット１の向きを常時調整する場合に限られない。例えば、天候が曇りであるために太陽光の強度が弱い場合や、強風等の外乱がある場合に、太陽の動きに追尾させる水平回転軸２の回転角度の調整を停止させ、照射面Ｓ１を所定の向き、例えば南向きに固定する機構を設けても良い。太陽光の強度が不足する場合に回転角度の調整を停止させることで、発電量が少ない場合における消費電力を低減させる。外乱に対して回転角度の調整を停止させることで、照射面Ｓ１の向きの正確な制御が困難な状況下における消費電力の浪費を低減させる。太陽光の強度については、太陽光発電パネルユニット１で発生させる電力について予め閾値を設定し、閾値との比較により、太陽に対する追尾を停止させるか否かを判断することとしても良い。風速についても予め閾値を設定し、別途設置した風速計により計測された風速と閾値との比較により、太陽に対する追尾を停止させるか否かを判断することとしても良い。

太陽光発電パネルユニット１は、二つの太陽光発電パネルにより構成する場合に限られず、少なくとも複数の太陽光発電パネルにより構成するものであれば良い。三つ以上の太陽光発電パネルにより太陽光発電パネルユニット１を構成する場合も、太陽光発電パネルユニット１の略中心において、水平回転軸２を貫通させる構成とする。また、照射面Ｓ１を太陽に正対させる場合に、水平回転軸２の影が複数の太陽光発電パネルの照射面Ｓ１以外の位置となるように、水平回転軸２を貫通させる部分に間隔を設けて太陽光発電パネルを配設する。

例えば、図４に示すように、パネル接合部３は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の裏面Ｓ２側に設けても良い。この場合も、パネル接合部３は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２の間のうち、水平回転軸２を貫通させる部分を空けて二箇所に設けられる。パネル接合部３は二箇所に限定されず、強度を保つために三箇所以上としても良く、また中央に穴のある一枚板として太陽光発電パネル１１、１２をその上に設置しても良い。つまりパネル接合部３は、太陽光発電パネルユニット１の略中心において水平回転軸２を貫通させる構成にできればいずれの構成としても良く、本実施の形態で説明する構成に限られない。

また、パネル取り付け部４は、図４に示すように、裏面Ｓ２側にて水平回転軸２に第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２を取り付けるものであっても良い。パネル取り付け部４は、水平回転軸２に複数の太陽光発電パネルを取り付けることが可能であればいずれの構成としても良く、本実施の形態で説明する構成に限られない。さらに、太陽光発電装置は、一本の水平回転軸２に対して複数の太陽光発電パネルユニット１を取り付ける構成に限られず、一本の水平回転軸２に対して一つの太陽光発電パネルユニット１を取り付ける構成としても良い。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る太陽光発電装置のうち、水平回転軸２の回転角度を制御するためのブロック構成を示す。本実施の形態は、回転角度計算部２０に代えて設けられた回転角度補正部３０を有することを特徴とする。上記実施の形態１に係る太陽光発電装置と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。回転角度補正部３０は、水平回転軸２を中心とする太陽光発電パネルユニット１の回転角度を補正する。

回転角度補正部３０は、第１電圧測定部３１、第２電圧測定部３２、回転角度補正計算部３３を有する。第１電圧測定部３１は、第１太陽光発電パネル１１での発電による電圧を測定する。第２電圧測定部３２は、第２太陽光発電パネル１２での発電による電圧を測定する。回転角度補正計算部３３は、第１電圧測定部３１による測定結果及び第２電圧測定部３２による測定結果に基づいて、水平回転軸２の回転角度を補正する。回転角度補正部３０は、第１太陽光発電パネル１１への太陽光の照射による起電力と、第２太陽光発電パネル１２への太陽光の照射による起電力とが略同じとなるように、太陽光発電パネルユニット１の回転角度を補正する。

照射面Ｓ１が太陽に正対するように太陽光発電パネルユニット１の向きが正確に調整されている場合、水平回転軸２の影は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２により挟まれた部分に形成される。この場合、第１太陽光発電パネル１１が受ける太陽光のエネルギーと第２太陽光発電パネル１２が受ける太陽光のエネルギーとが同じとなるため、第１太陽光発電パネル１１における起電力と第２太陽光発電パネル１２における起電力とは同じとなる。回転角度補正計算部３３は、第１電圧測定部３１により測定された電圧と第２電圧測定部３２により測定された電圧との差が略ゼロである場合、太陽光発電パネルユニット１の向きが正確に調整されていると判断し、水平回転軸２の回転角度は補正せずそのままとする。

照射面Ｓ１が太陽に正対するように太陽光発電パネルユニット１の向きが正確に調整されていない場合、第１太陽光発電パネル１１の照射面Ｓ１、第２太陽光発電パネル１２の照射面Ｓ１のいずれか一方に、水平回転軸２の影が入り込むこととなる。この場合、第１太陽光発電パネル１１が受ける太陽光のエネルギーと第２太陽光発電パネル１２が受ける太陽光のエネルギーとに差が生じることにより、第１太陽光発電パネル１１における起電力と第２太陽光発電パネル１２における起電力とに差が生じる。回転角度補正計算部３３は、第１電圧測定部３１により測定された電圧と第２電圧測定部３２により測定された電圧とに差があった場合、水平回転軸２の回転角度の補正のための計算を行う。

第１電圧測定部３１により測定された電圧をＶ１、第２電圧測定部３２により測定された電圧をＶ２とすると、回転角度補正計算部３３のメモリには、例えば以下に示すアルゴリズムが格納され、周期的に起動させる。
Ｉｆ（Ｖ１＞Ｖ２＋ΔＶ）ｔｈｅｎ ω＝ω−Δω
Ｉｆ（Ｖ１＜Ｖ２−ΔＶ）ｔｈｅｎ ω＝ω＋Δω

ΔＶは、Ｖ１及びＶ２の差について予め設定された閾値であって、Ｖ１及びＶ２の差がΔＶより大きい場合に、回転角度補正部３０は、水平回転軸２の回転角度を補正する。Δωは、回転角度補正計算部３３における一回の計算に対する、水平回転軸２の回転角度の補正量である。ΔＶ、Δωは、回転角度補正計算部３３のメモリに予め保存されている。このようにして、太陽光発電装置は、第１太陽光発電パネル１１及び第２太陽光発電パネル１２における起電力の差がゼロとなるように、回転軸制御部２４をフィードバック制御する。太陽光発電装置は、回転角度補正部３０を用いることで、照射面Ｓ１が太陽光に正対するように、太陽光発電パネルユニット１の向きを調整することができる。

回転角度補正部３０は、上記の実施の形態１で説明した回転角度計算部２０（図３参照）と併せて用いても良い。回転角度補正部３０を用いることで、例えば時計装置２１の時刻にずれが生じた場合に、太陽光発電パネルユニット１を最適な向きに補正することが可能となる。また、回転角度補正部３０は、時計装置２１（図３参照）の時刻の補正に用いても良い。時計装置２１が出力する時刻Ｔについて、回転角度補正計算部３３のメモリに、例えば以下に示すアルゴリズムを格納し、周期的に起動させる。
Ｉｆ（Ｖ１＞Ｖ２＋ΔＶ）ｔｈｅｎ Ｔ＝Ｔ−ΔＴ
Ｉｆ（Ｖ１＜Ｖ２−ΔＶ）ｔｈｅｎ Ｔ＝Ｔ＋ΔＴ

ΔＴは、回転角度補正計算部３３における一回の計算に対する、時刻Ｔの補正量である。ΔＴは、回転角度補正計算部３３のメモリに予め保存されている。これにより、太陽光発電装置を長期稼動させることで生じ得る、時計装置２１の時刻Ｔのずれを補正することができる。

以上のように、本発明に係る太陽光発電装置は、太陽光のエネルギーを利用して電力エネルギーを取り出す発電装置として有用である。

実施の形態１に係る太陽光発電装置を照射面側から見た斜視構成を示す図である。 実施の形態１に係る太陽光発電装置を裏面側から見た斜視構成を示す図である。 水平回転軸の回転角度を制御するためのブロック構成を示す図である。 裏面側にパネル接合部を設ける構成を示す図である。 実施の形態２において、水平回転軸の回転角度を制御するためのブロック構成を示す図である。

符号の説明

１ 太陽光発電パネルユニット
２ 水平回転軸
３ パネル接合部
４ パネル取り付け部
１１ 第１太陽光発電パネル
１２ 第２太陽光発電パネル
２０ 回転角度計算部
３０ 回転角度補正部

Claims (3)

1. 複数の太陽光発電パネルを略平面状に連結させて構成される一又は複数の太陽光発電パネルユニットと、
   前記一又は複数の太陽光発電パネルユニットに対して一定の角度をなすように取り付けられ、前記太陽光発電パネルユニットを回転させる、略水平に配設される水平回転軸と、を有し、
   前記水平回転軸は、前記太陽光発電パネルユニットの略中心を貫通させて設けられることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記太陽光発電パネルユニットは、前記複数の太陽光発電パネルを接合するパネル接合部を有し、
   前記パネル接合部は、前記複数の太陽光発電パネルが接合された前記太陽光発電パネルユニットの中心以外の部分に設けられることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記水平回転軸の回転角度を補正する回転角度補正部を有し、
   前記回転角度補正部は、前記複数の太陽光発電パネルの太陽光の照射による起電力が略同じとなるように前記回転角度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電装置。

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