JP5337961B2

JP5337961B2 - 太陽追尾モジュール装置

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Publication number: JP5337961B2
Application number: JP2007052073A
Authority: JP
Inventors: 昇山田; 哲也木村; 敬久小川; 優太菅野
Original assignee: Nagaoka University of Technology
Current assignee: Nagaoka University of Technology
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP2008218582A

Description

本発明は、太陽を追尾するように発電用の太陽電池パネルを移動させる太陽追尾モジュール装置に関する。

近年、エネルギー・環境問題の緩和のため、太陽光発電や太陽熱利用システムの普及が喫緊の課題となっている。太陽光を効率よく利用する方策として太陽追尾が挙げられ、欧米では追尾機構を備えた大規模な太陽光発電および太陽熱発電プラントが実用化している。一方、民生レベルでは、一部の採光システムを除き、追尾集光方式のシステムはほとんど実用化していない。その要因として、かさばる追尾機構やコストパフォーマンスの問題が挙げられる。従来の太陽追尾システムは、ｍ（メートル）オーダーの大型太陽電池パネル、またはレンズ・リフレクタを用いた集光集熱式パネルを１軸または２軸で追尾するもの（特許文献１）が主流となっている。制御にはプログラム式、センサ式、両者を組み合せた併用式が用いられる。

特許文献１では、第１の太陽電池パネルを取付けた追尾用枠部材を常に太陽に正対するように移動させる太陽電池自動追尾装置において、前記枠部材の４辺縁にセンシング用太陽電池小パネルを対面同士が夫々対向するように配設し、各対向する一対の太陽電池小パネルの起電力の差で生ずる電流で方向制御用モータを駆動させ、太陽を東西、南北方向に自動追尾したものが開示されている。
特開平６‐１５１９３４号公報

上記した特許文献１に開示されている太陽電池追尾装置では、各対向する一対の太陽電池小パネルを、第１の太陽電池パネルを取り付けた追尾用枠部材の４辺縁に配設したことにより、各対向する一対の太陽電池小パネルにおいて起電力が低い側の太陽電池小パネルに対し、周辺の第１の太陽電池パネル等に反射した太陽光が照射され、太陽からの二次的な太陽光の照射を受けることが懸念され、この場合には、起電力が低い側の太陽電池パネルは本来その角度で受ける太陽光より多くの太陽光の照射を受けるため、対を成す起電力の大きい側の太陽電池小パネルの起電力との差が生じにくい。そのため、各起電力の差により生じる電流で駆動する電力方向制御用モータに十分な電力を供給することができず第１の太陽電池パネルの太陽追尾の動作に影響を与えることが懸念される。つまり、特許文献１の太陽電池追尾装置では、太陽の追尾動作の応答性と精度に問題が生じていた。

本発明は、民生用の小規模な太陽エネルギー利用システムに利用可能なコンパクトかつ低コストな太陽追尾モジュール装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、起伏可能に設けられた発電用の第１の太陽電池パネルを起伏させる回転軸に固定接続される太陽追尾用のアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体を駆動するモータと、前記モータの回転を前記回転軸に伝達する第１の連動機構とを備え、前記アクチュエータ本体には一対の第２の太陽電池パネルが上向きの鋭角となる挟角を有して設けられ、前記第２の太陽電池パネルは前記挟角の頂部から一側及び他側の太陽電池パネルの厚さ以上の離間となるよう設置され、前記モータには前記一対の第２の太陽電池パネルの起電力差が電力として供給され、前記起電力差により前記第１の太陽電池パネルの起伏を比例制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記第１の太陽電池パネルは複数列であり、いずれか一つに前記第１の連動機構を接続し、複数列間には第２の連動機構を備えたことである。

請求項３の発明は、前記アクチュエータ本体の頂部に、一対のリフレクト面を背向させるとともに、前記一対のリフレクト面の下部を合わせて形成されたリフレクト部材を備えたことである。

請求項４の発明は、前記第１の太陽電池パネル及び／又は前記第２の太陽電池パネルに集光器を備えたことである。

請求項５の発明は、前記集光器を非結像型集光器としたことである。

請求項１の発明によれば、発電用の太陽電池パネルを太陽追尾させる構成をシンプルな仕組みにすることが可能となり、太陽追尾に外部電力を不要とした自立型の太陽追尾モジュール装置の全体の構成を薄型、軽量、低コストなものとすることができる。

請求項２の発明によれば、一つの回転動力源で複数列に設けられた発電用の第１の太陽電池パネルの太陽追尾が同期して行えるため、より効果的な発電が可能となる。

請求項３の発明によれば、第１の太陽電池パネル及びアクチュエータの太陽追尾にかかる電力をシンプルな構成で効率的に供給することができ、第１の太陽電池パネル及びアクチュエータの動作反応が向上することにより、それに伴い、第１の太陽電池パネルによる発電量も向上する。

請求項４の発明によれば、集光器が太陽光を高密度に太陽電池パネルに収斂するため、太陽電池パネル面積をさらに効果的に削減することができる。

請求項５の発明によれば、アクチュエータによる太陽追尾の精度が高精度ではなくても、集光器により太陽光が太陽電池パネルへ効果的に照射され、発電量が向上する。また、集光倍率の高い結像集光型集光器よりも各太陽電池パネルの温度上昇が抑えられ、各太陽電池パネルが高温となることで生じる出力電力の低下を抑えることができる。

以下、本発明の太陽追尾モジュール装置について、図１乃至図10を参照しながら具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施例の概略を示すものであり、図において太陽追尾モジュール装置１は、起伏可能に設けられた発電用の第１の太陽電池パネル２と、該第１の太陽電池パネル２に接続される太陽追尾用のアクチュエータ３とを備えたものであり、この太陽追尾モジュール装置１は透光性の薄型躯体４の内部に収容されている。

図２は、第１実施例における太陽追尾モジュール装置１の一つの実施形態を示している。ここでは、薄型躯体４は省略する。

図２に示すように、第１の太陽電池パネル２は、第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの３列からなり、本実施例においてこの第１の太陽電池パネルの総受光面積は0.48ｍ^２で、第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cはそれぞれ後述する第１〜３の回転軸５a、５b、５cに固定されている。

図２に示すように、第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cにおける各列の間隔Ｄ１は、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２c、の傾斜を水平状態にから±４５°まで起した状態のときに、影が互いに干渉しない間隔（本実施例では、例えばＤ１＝45.3ｍｍ）とした。

図２に示すように、前記第１〜３の回転軸５a、５b、５cは、南北方向に平行に配設され、アクチュエータ３より回転力を受け、太陽追尾のために第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cが東西方向に回転駆動可能に設けられている。

図２に示すように前記アクチュエータ３は、アクチュエータ本体６と、太陽追尾用の第２の太陽電池パネル７と、この太陽電池パネル７に接続される前記アクチュエータ本体６の回転駆動源としてのモータ８と、前記モータ８と前記第１の太陽電池パネル２とを接続する第１の連動機構９を備えている。

図３を参照しながら、アクチュエータ６についてさらに詳細に説明すると、前記アクチュエータ本体６としては、前記第２の太陽電池パネル７が設置可能で互いに背向する一対の傾斜面10a、10bを有する。さらに、アクチュエータ本体６には、この一対の傾斜面10a、10bの上部を合わせて連結された頂部６aが形成されており、この連結された一対の傾斜面10a、10bにより形成される挟角φは、上向きの鋭角とする。

さらに、図２に示すように、アクチュエータ本体６は、第１の太陽電池パネル２における中央の列の第２列目の太陽電池パネル２bの第２の回転軸５bに固定されており、この第２列目の太陽電池パネル２bと同期して回転する構造となっている。

図３に示すように、前記第２の太陽電池パネル７としては、アクチュエータ本体の傾斜面10a、10bにそれぞれ設けられた一対の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bからなり、この第２の太陽電池パネル７は、アクチュエータ３の回転駆動源だけではなく、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの回転駆動源も兼ねる。そして、本実施例においては、第２の太陽電池パネル７における一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの一枚あたりの受光面積を0.01ｍ^２とし、第２の太陽電池パネル７の総受光面積は0.02ｍ^２としている。

そして、前記一対の傾斜面10a、10bに対して、一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bはそれぞれ、頂部６aから一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの厚さＤ２以上の離間Ｄ３を設けて設置されており、アクチュエータ本体６の一対の傾斜面10a、10bと同様に第２の太陽電池パネル７の一対の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの挟角φは、上向きの鋭角となる。

図２に示すように、前記モータ８は、第２の太陽電池パネル７の各一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bにリード線11により電気的に接続されており、この第２の太陽電池パネル７の起電力によって回転駆動力を発生する構造となっている。

図２に示すように、前記第１の連動機構９としては、モータ８と第１の太陽電池パネル２において中央の列に位置する第２列目の太陽電池パネル２bとともにアクチュエータ３のアクチュエータ本体６に対しても固定された前記第２の回転軸５bとの間には、モータ８からの回転駆動力を第２の回転軸５bの回転力として伝達する駆動ギアが設けられている。

そして、図２に示すように、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cを同期して回転駆動させる第２の連動機構12としては、第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cに固定された前記第１〜３の回転軸５a、５b、５cと、各回転軸５a、５b、５cの一端にそれぞれ設けられた第１〜３のプーリ13a、13b、13cと、この第１〜３のプーリ間13a、13b、13cに架設された動力伝達ベルト14を備え、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cを同期して回転駆動させる連動状態に連結している。

尚、使用した第１の太陽電池パネル２及び第２の太陽電池パネル７に用いられる各太陽電池パネル２a、２b、２c、７a、７bは市販の工作用単結晶シリコン太陽電池で、発電効率は例えば約６％である。

次に、上記構成について、その作用を説明する。本実施例の太陽追尾モジュール装置１では、アクチュエータに設けられた第２の太陽電池パネルにおける２枚の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力が同じ位置になるまで、日射の強い方向にアクチュエータ３が回転する。そして、目標値である同年月日および時刻から求められる太陽方位角および高度に対して、第１の太陽電池パネル２の各第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cが最大日射受光を得られる角度に近づくほどモータ８に供給される電力が少なくなる単純な比例制御となる。

また、日が沈んだ後、第１の太陽電池パネル２の各第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cおよびアクチュエータ３は日没の方向を向いているが、日の出の後に一定の日射量が得られると、太陽の追尾を自動的に再開する。

本実施例の太陽追尾モジュール装置１では、アクチュエータ３のアクチュエータ本体６と第１の太陽電池パネル２の第２列目の太陽電池パネル２bが互いに第２の回転軸５bに固定されたことで互いに同期して回転駆動する構造と、第１の連動機構９により第２の太陽電池パネル７により電力供給を受けるモータ８からの回転駆動力を第２の太陽電池パネル７が同期して回転する第２の回転軸５bの回転力として伝達する構造と、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cを同期して回転駆動させる第２の連動機構12との組合せにより、アクチュエータ３における第２の太陽電池７から供給される電力によりモータ８を駆動させて、このモータ８により生じる回転駆動力により、第１の太陽電池パネル２における第２列目の太陽電池パネル２bとアクチュエータ３を同期して回転駆動させると同時に、第１の太陽電池パネルにおける第１〜３列目の太陽電池パネルを同期して回転させる構造としている。

以下に図６乃至図10を参照しながら、本実施例の太陽追尾モジュール装置１を用いて行った稼動実験について述べる。

本実施例の太陽追尾モジュール装置１を用いて、屋外の日射条件で稼動を行った。太陽追尾モジュール装置１の設置方位は真南向き、水平面との傾斜角は30°とし、比較のために同様の方位および傾斜角に固定設定した同型の太陽電池パネル（図示せず、以下に固定設置パネルと呼称する）を用意した。試験日の南中時刻は11時42分であり、試験中は快晴で良好な日射が得られた。

太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cおよび固定設置パネルの１枚（0.04ｍ^２）当たりの開放電圧Ｖoc、短絡電流Ｉsc、モータ消費電力Ｐm、水平面全天日射量Ｓ、および太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cのパネル回転角θを図示しないレーザー変位センサで計測した。パネル回転角θは、図６に示すように回転軸５に対して垂直上向き（太陽追尾モジュール装置１の設置面と平行）のときを0°（図６（a）参照）、東方向への回転角度を正、西方向を負としたときの回転角である（図６（b）参照）。

太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における各第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの発電量と固定設置パネルの発電量を比較することで追尾の有効性を検証する。第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cと固定設置パネルの各ＦＦ値（Fill Factor、曲線因子）が同じであると仮定すると、最適動作時における固定設置パネルの発電量に対する本太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの発電量の比率ηは近似的に

で表せる。

ここで（Ｉsc・Ｖoc）stationaryおよび（Ｉsc・Ｖoc）trackingは、それぞれ固定設置パネルおよび太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの短絡電流Ｉscと開放電圧Ｖocの積である。

図７に発電量比率ηの時刻変化を示す。太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cと固定設置パネルの発電量は、南中時刻に近い12：00頃にはほぼ同じ発電量であるために発電量比率ηは１に近いが、日が傾くにつれて太陽追尾モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの発電量の方が大きくなり、15：30以降には固定設置の3〜4倍となった。12：00から太陽追尾モジュール装置１が建物の影に隠れた15：55までの平均値はη＝1.6となった。

図８にパネル回転角θと水平面全天日射量Ｓの時刻変化を示す。全天日射量が大きいほど、追尾動作の間隔が短く、試験時間全体では平均して29分間隔で追尾動作を行っている。

図９にモータ消費電力Ｐｍとパネル回転角θの時刻変化を示す。0.025〜0.045Ｗの消費電力があるとき、モータ８が回転して角度が変化し、アクチュエータ３の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの発電量の差が小さくなることで動きが止まることがわかる。

図10に第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの理想的なパネル回転角θidealと実際のパネル回転角θ、さらにその差の絶対値（｜θ−θideal｜）を示す。理想的なパネル回転角θidealとは、同年月日および時刻から求められる太陽方位角および高度に対して、第１の太陽電池パネル２の各第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cが最大日射受光を得られるパネル回転角である。図10からこの絶対値の差（｜θ−θideal｜）は最大で約25°の差があることがわかる。この25°の誤差は発電量の約10％の損失に相当する。

快晴時の半日（約4時間）の試験結果による考察となるが、図７の発電量比率ηから太陽光の追尾を行うことで、本モジュール装置１の第１の太陽電池パネル２における各第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cは、固定設置パネルに比べてパネル単体では約1.6倍の発電を行える可能性がある。一方、本太陽追尾モジュール装置１の総面積（パネル２a、２b、２c配列の間隔Ｄ１も含めた面積）に相当する固定設置パネルはセル面積が約1.5倍となる。これより太陽追尾モジュール装置１として発電量を粗く比較すると、追尾動力に用いた一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの面積分を差し引いても固定設置とほぼ同じ発電が行える。つまり本モジュール装置１では、固定設置パネルの約70％の太陽電池セル面積で同等の発電量が期待できるものである。この太陽の追尾の有効性は水平面や垂直面への設置の際に、さらに効果が高まるものと考えられる。

そして、図４に示すように、アクチュエータ本体６は、第２の太陽電池パネル７が設置可能で互いに背向する一対の傾斜面10a、10bを有し、さらに、この連結された一対の傾斜面10a、10bにより形成される挟角φは上向きの鋭角とし、この一対の傾斜面10a、10bに対し、それぞれ第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bを配置し、第２の太陽電池パネルの一対の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bを挟角φに設けたことで、アクチュエータ３の第２の太陽電池パネル７において、太陽の位置によって発生する発電量が異なる一対の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bのうち、起電力の低い側の他側の太陽電池パネル７bへの太陽光の照射がアクチュエータ本体６の頂部６aによって遮られる。このために起電力の低い側の他側の太陽電池パネル７bの表面が陰影Ｋに覆われるため、対をなす一方の起電力の高い側の一側の太陽電池パネル７aとの得られる太陽光の日射量にさらに格差が生じるため、一側及び他側の太陽電池パネル７a、７b同士の起電力の格差もさらに明確となる。つまり、互いに対をなす一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の格差を大きくすることで、第２の太陽電池パネルの一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の差に比例して供給されるモータ８への供給電力が大きくなる。それに伴い、このモータ８により駆動ギア９を介し、太陽追尾のために回転力が付与される第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の動作反応もさらに向上し、このため第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の太陽追尾の精度もさらに向上する。

さらに、図４に示されているように、一対の傾斜面10a、10bに対して、一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bはそれぞれ、頂部６aから一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの厚さＤ２以上の離間Ｄ３を設けて設置されたことにより、前記の起電力の低い側の他側の太陽電池パネル７bの表面を陰影Ｋに覆われやすくし、対をなす一方の起電力の高い側の一側の太陽電池パネル７aとの得られる太陽光の日射量にさらに格差が生じるため、一側及び他側の太陽電池パネル７a、７b同士の起電力の格差も明確となる。つまり、互いに対をなす一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の格差を大きくすることで、第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の差に比例して供給されるモータ８への供給電力が大きくなる。それに伴い、このモータ８により駆動ギア９を介し、太陽追尾のために回転力が付与される第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の動作反応もさらに向上し、このため第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の太陽追尾の精度もさらに向上する。

以上のように、前記実施例では請求項１に対応して、起伏可能に設けられた発電用の第１の太陽電池パネル２と、該第１の太陽電池パネル２に接続される太陽追尾用のアクチュエータ３とを備え、前記アクチュエータ３は、回転可能に設けられた本体６と、この本体６に挟角φを有して設けられる左右一対の太陽追尾用の第２の太陽電池パネル７a、７bと、これらの太陽電池パネル７a、７bと接続される前記本体６の回転駆動源８と、前記回転駆動源８と前記第１の太陽電池パネル２とを接続する第１の連動機構９を備えたことにより、発電用の太陽電池パネル２を太陽追尾させる構成をシンプルな仕組みにすることが可能となり、太陽追尾に外部電力を不要とした自立型の太陽追尾モジュール装置１の全体の構成を薄型、軽量、低コストなものとすることができる。

また、前記実施例では請求項２に対応して、前記第１の太陽電池パネル２は複数列２a、２b、２cであり、いずれか一つ２bに前記第１の連動機構９を接続し、複数列２a、２b、２c間には第２の連動機構12を備えたことにより、一つの回転動力源８で複数列２a、２b、２cに設けられた発電用の第１の太陽電池パネル２の太陽追尾が同期して行えるため、より効果的な発電が可能となる。

図11乃至図12は、本発明の第２実施例を示し、上記第１実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述すると、この例では同形状で一対のリフレクト面15a、15bを背向させるとともに、前記一対のリフレクト面15a、15bの下部を合わせてＶ字型に形成されたリフレクト部材16を備え、そのリフレクト部材16の下部の前記リフレクト面15a、15bの合わせ部15cはアクチュエータ本体６の頂部６aに接続されている。そして、一方のリフレクト面15aと一方の傾斜面10aとの挟角αと、他方のリフレクト面15bと他方の傾斜面10bとの挟角βとが同じになるように接続されている。このリフレクト面15a、15bは、樹脂のシートに銀やアルミニウム等の光反射率の高い材料を蒸着したもので形成したもの、又は薄いアルミニウムの金属板で形成したものでも良いし、とくに上記に挙げたものに限定されるものではない。

したがって、図11（a）に示すように、太陽の位置によって起電力の高い側の一側の太陽電池パネル７aには、太陽からの直接の太陽光Ｌ１とともにリフレクト面15aにより反射された太陽光Ｌ２が照射され、起電力が増加する。一方の起電力の低い側の他側の太陽電池パネル７bは、アクチュエータ本体６の頂部６aより上方に突出して設けられたリフレクト部材16によって、太陽光が遮断されて発生した陰影Ｋにその他側の太陽電池パネル７bの表面が覆われており、起電力の発生が抑えられる。つまり、アクチュエータ本体６の頂部６aに設けられたリフレクト部材16によって、互いに対をなす一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の格差を大きくすることで、第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の差に比例して供給されるモータ８への供給電力が大きくなる。それに伴い、このモータ８により駆動ギア９を介し、太陽追尾のために回転力が付与される第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の動作反応もさらに向上し、このため第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の太陽追尾の精度もさらに向上する。

図11（b）においても同様のことがいえ、太陽の位置によって起電力の高い側の他側の太陽電池パネル７bには、太陽からの直接の太陽光Ｌ１とともにリフレクト面15bにより反射された太陽光Ｌ２が照射され、起電力が増加する。一方の起電力の低い側の一側の太陽電池パネル７aは、アクチュエータ本体６の頂部６aより上方に突出して設けられたリフレクト部材16によって、太陽光が遮断されて発生した陰影Ｋにそのパネル７aの表面が覆われており、起電力の発生が抑えられる。つまり、アクチュエータ本体６の頂部６aに設けられたリフレクト部材16によって、互いに対をなす一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の格差を大きくすることで、第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の差に比例して供給されるモータ８への供給電力が大きくなる。それに伴い、このモータ８により駆動ギア９を介し、太陽追尾のために回転力が付与される第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の動作反応もさらに向上し、このため第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の太陽追尾の精度もさらに向上する。

また、図11に示すように、同一形状で一対のリフレクト面15a、15bがそれぞれ傾斜面10a、10bとの挟角α、βの大きさを互いに等しく形成したことにより、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cが太陽に正対するまで太陽を追尾した状態で、アクチュエータ３における一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力が等しくなることにより、その起電力の差により比例した電力の供給を受けているモータ８が停止する。つまり、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cが太陽に正対した状態、つまり、理想的なパネル回転角θidealとした状態で太陽の追尾を停止することにより、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの発電量がさらに向上する。

図12に本実施例における太陽追尾モジュール装置１のモータ消費電力Ｐｍとパネル回転角θの時刻変化のグラフを示す。0.025〜0.045Ｗの消費電力があるとき、モータ８が回転して角度が変化し、アクチュエータ３の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの発電量の差が小さくなることで動きが止まることがわかる。さらに図９に示す前記第１実施例の太陽追尾モジュール装置１のモータ消費電力Ｐｍとパネル回転角θの時刻変化のグラフと比べると、本実施例の太陽追尾モジュール装置は第１実施例の太陽追尾モジュール装置と比べ、モータ８の消費電力Ｐｍの数値の起伏が抑えられており、さらに、パネル回転角θの数値の推移もスムーズであることは図９と図12を比べることで明らかである。このことから本実施例の太陽追尾モジュール装置は第１実施例のものと比べ、第１の太陽電池パネル２における第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cの回転がスムーズに行われており、これにより本実施例では理想的なパネル回転角θidealに実際のパネル回転角θを近づけるように太陽追尾の動作が、よりロスなく行われていることを表している。

このように本実施例では請求項１及び請求項２に対応して、上記第１実施例と同様な作用，効果を有し、さらに、このように本実施例では請求項３に対応して、前記アクチュエータ本体６の頂部６aに、一対のリフレクト面15a、15bを背向させるとともに、前記一対のリフレクト面15a、15bの下部を合わせて形成されたリフレクト部材16を備えたことにより、第１の太陽電池パネル２a、２b、２c及びアクチュエータ３の太陽追尾にかかる電力をシンプルな構成で効率的に供給することができ、第１の太陽電池パネル２a、２b、２c及びアクチュエータ３の動作反応が向上することにより、それに伴い、第１の太陽電池パネル２a、２b、２cによる発電量も向上する。

図13は本発明の第３実施例を示し、上記第１実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述すると、この例では第１の太陽電池パネル２の第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cには、図13に示すような太陽光集光器17が備えられている。

図13に示す前記集光器17は、樹脂あるいはガラスのように太陽光の波長範囲に対して十分な透過性を有する媒体からなる集光器本体18と、さらに集光器本体18の上面18aに設けられた光機能性シート19と、集光器本体18の下面18bに設けられた反射部20とを備えている。

前記集光器本体18は、上面18a及び下面18bと交差方向をなす面である一側端面18cに太陽電池パネル７の設置部を設け、断面形状を上面18aに対し下面18bを、太陽電池パネル７が設けられた一側端面18cに向かって下り勾配に直線的又は曲面的に傾斜したものである。

前記光機能性シート19は、プリズムシート、ミラーシート、拡散シートのように光高透過性のポリマー系材料又はガラス材料などに微細な光学形状が施されており、特定の角度でその上面から入射した入射光を収斂しつつ、その下面から集光器本体18の上面18aに向けて放射する機能を有する。

反射部20は、前記実施例に記載したリフレクト面15と同様の構造のため説明を省略する。

これにより、太陽から放射される日射Ｌ１において、主として平行光線である直達日射と放射状光線である拡散日射に対して、集光器17の受光面である光機能性シート19の上面の法線に対して許容入射角度γ（例えば、−１５°＜γ＜１５°）の範囲内で入射する前記各日射を集光対象とする。そして、図13に示すように光機能性シート19より集光器本体18へと放射された太陽光は、集光器本体18の上面18aと下面18bとの間で反射を繰り返しながら、太陽電池パネル７が設置された一側端面18cへと導かれる。

このように本実施例では、光を十分に透過する樹脂又ガラスからなるプリズム型の集光器17とし、この集光器17に照射される太陽光Ｌ１に対し、収束された太陽光が太陽電池パネル７に像を結ばない低集光作用を有する非結像構造としている。

これにより、回転軸が南北方向に平行となるように太陽追尾モジュール装置を配置することにより、集光器17により東西方向において許容入射角度γの範囲内の太陽光Ｌ１を集光することが可能となる。つまり、高精度の太陽追尾を行わなくて太陽光が太陽電池パネル面に収斂する。さらに、この集光器17は低集光作用を有しているため、太陽光の収斂による第１の太陽電池パネル２の温度上昇が抑えられている。

尚、本実施例においては、集光器17を第１の太陽電池パネル２の第１〜３列目の太陽電池パネル２a、２b、２cに備えた場合について述べたが、この集光器17を第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bに備えてもよい。この場合、太陽の位置によって、起電力の高い側の太陽電池パネルの集光状態が向上し、対をなす一方の起電力の低い側の太陽電池パネルとの発電量の格差がより明確となり、第２の太陽電池パネル７の一側及び他側の太陽電池パネル７a、７bの起電力の差に比例して供給されるモータ８への供給電力が大きくなる。それに伴い、このモータ８により駆動ギア９を介し、太陽追尾のために回転力が付与される第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の動作反応もさらに向上し、このため第１の太陽電池パネル２及びアクチュエータ３の太陽追尾の精度もさらに向上する。

尚、本実施例におけるアクチュエータ３による第１の太陽電池パネル２の太陽追尾の目的は、第１の太陽電池パネル２を太陽に正対させることではなく、第１の太陽電池パネル２を理想的なパネル回転角度θidealまで回転させることである。

実施例上の効果として、この集光器17を備えることで、幅広く形成された太陽光Ｌ１の入射側である上面18aに対し、太陽電池パネル２の設置面18cをこの上面18aに対して、交差方向になす一側端面に設けることで、上面18aに関係なく設置面18cを設計することが可能となり、第１及び第２の太陽電池パネル２、７における各太陽電池パネル２a、２b、２c、７a、７bの面積を微小なものとすることが可能となり、コンパクトで低コストな太陽モジュール装置１とすることができる。

このように本実施例では請求項１及び請求項２に対応して、上記第１実施例と同様な作用，効果を有し、さらに、このように本実施例では請求項４に対応して、前記第１の太陽電池パネル２及び／又は前記第２の太陽電池パネル７に集光器17を備えることにより、集光器17が太陽光を高密度に太陽電池パネル２,７に収斂するため、太陽電池パネル２,７面積をさらに効果的に削減することができる。

さらに、本実施例では請求項５に対応して、前記集光器17を非結像型集光器としたことにより、アクチュエータ２による太陽追尾の精度が高精度ではなくても、集光器17により太陽光が太陽電池パネル２,７へ効果的に照射され、発電量が向上する。また、集光倍率の高い結像集光型集光器よりも各太陽電池パネル２,７の温度上昇が抑えられ、各太陽電池パネル２,７が高温となることで生じる出力電力の低下を抑えることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、集光器を第３実施例に示したプリズム型の集光器に替えて、フレネルレンズ又は複合放物型集光器（ＣＰＣ：Compound Parabolic Concentrator）としてもよい。これにより、太陽光を効果的に集光することが可能となり第１の太陽電池パネルの発電量が向上する。

また、集光器をアクチュエータの第２の太陽電池パネルに設けてもよい。これにより、太陽の位置によって発電量の高い側の太陽電池パネルの発電量がさらに向上し、一方の発電量の低い側の太陽電池パネルとの発電量の格差がより明確となり、第２の太陽電池パネルの各太陽電池パネルの起電力の差に比例して供給されるモータへの供給電力が大きくなり、第１の太陽電池パネル及びアクチュエータの動作反応もさらに向上し、第１の太陽電池パネル及びアクチュエータの太陽追尾の精度もさらに向上する。

さらに、第１の太陽電池パネルや太陽追尾用のアクチュエータを、薄型の保護カバー付躯体の間に納めたものでもよいものとする。

本発明の第１実施例における太陽追尾モジュール装置を示す斜視図である。同上、太陽追尾モジュール装置の一つの実施形態を示す斜視図である。同上、本発明のアクチュエータを示す斜視図である。同上、本発明のアクチュエータと太陽との関係を概略的に示す斜視図である。同上、本発明のアクチュエータの回路図である。同上、本発明の第１の太陽電池パネルと第２の連動機構における回転軸との関係を示す概略図であり、図６（a）は第１の太陽電池パネルを軸に対し垂直上向きにした状態を示した図であり、図６（b）は第１の太陽電池パネルを西方向へ回転させた状態を示した図である。同上、本発明の第１の太陽電池パネルの発電量と固定パネルとの発電量との発電量比率ηの時刻変化を示すグラフである。同上、パネル回転角と水平面全天日射量の時刻変化を示すグラフである。同上、モータ消費電力とパネル回転角の時刻変化を示すグラフである。同上、理想的なパネル回転角と実際のパネル回転角、さらにその差の絶対値を示すグラフである。本発明の第２実施例における太陽追尾モジュール装置を示す斜視図であり、図11（a）は一方の第２の太陽電池パネルが太陽の照射を受けた場合を示した図であり、図11（b）は他方の第２の太陽電池パネルが太陽の照射を受けた場合を示した図である。同上、モータ消費電力とパネル回転力の時刻変化を示すグラフである。本発明の第３の実施例における太陽追尾モジュール装置の第１の太陽電池パネルを示す断面図である。

符号の説明

１太陽追尾モジュール装置
２第１の太陽電池パネル
３アクチュエータ
５回転軸（第２の連動機構）
６本体
６a 頂部
７第２の太陽電池パネル
８モータ（回転駆動源）
９ギア（第１の連動機構）
12 第２の連動機構
13 プーリ（第２の連動機構）
14 動力伝達ベルト
15a、15b リフレクト面
16 リフレクト部材
17 集光器
φ 挟角

Claims

起伏可能に設けられた発電用の第１の太陽電池パネルを起伏させる回転軸に固定接続される太陽追尾用のアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体を駆動するモータと、前記モータの回転を前記回転軸に伝達する第１の連動機構とを備え、前記アクチュエータ本体には一対の第２の太陽電池パネルが上向きの鋭角となる挟角を有して設けられ、前記第２の太陽電池パネルは前記挟角の頂部から一側及び他側の太陽電池パネルの厚さ以上の離間となるよう設置され、前記モータには前記一対の第２の太陽電池パネルの起電力差が電力として供給され、前記起電力差により前記第１の太陽電池パネルの起伏を比例制御することを特徴とする太陽追尾モジュール装置。
前記第１の太陽電池パネルは複数列であり、いずれか一つに前記第１の連動機構を接続し、複数列間には第２の連動機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の太陽追尾モジュール装置。
前記アクチュエータ本体の頂部に、一対のリフレクト面を背向させるとともに、前記一対のリフレクト面の下部を合わせて形成されたリフレクト部材を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽追尾モジュール装置。
前記第１の太陽電池パネル及び／又は前記第２の太陽電池パネルに集光器を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽追尾モジュール装置。
前記集光器を非結像型集光器としたことを特徴とする請求項４記載の太陽追尾モジュール装置。