JP5500806B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置に関する。特に、歯車伝動装置によって、パネルが水平軸の周りに回転する太陽光発電装置に関する。

特許文献１に、水平方向に延びる主軸にパネルが取り付けられている太陽光発電装置が開示されている。特許文献１の図９に示されているように、主軸は、軸受を介して、支柱に回転可能に支持されている。主軸よりも鉛直上方に、モータと歯車伝動装置が取り付けられている。

米国特許第４，５７４，６５９号

軸受や歯車には潤滑剤を供給する必要がある。特許文献１の太陽光発電装置では、主軸よりも鉛直上方にモータと歯車伝動装置が配置されている。主軸の軸受と歯車伝動装置内の歯車群は、同じケース内に配置されている。そのため、潤滑剤の量は、軸受が配置されている空間を満たすとともに、歯車伝動装置内の歯車群のうち最も上方に位置する歯車が浸るだけ必要となる。その場合、主軸の周囲の空間が潤滑剤で満たされる。主軸の周囲の空間には潤滑剤は必要ない。そのため、特許文献１の太陽光発電装置は、軸受や歯車に供給するのに必要な量以上の無駄な潤滑剤を使用している。
本明細書が開示する技術は、上記の問題を解決する。本明細書は、潤滑剤の使用量が少ない太陽光発電装置を開示する。

本明細書が開示する太陽光発電装置は、歯車伝動装置を備えている。歯車伝動装置は、水平方向に延びている出力軸を有している。出力軸には、太陽光発電装置のパネルが取り付けられている。そのパネルには、例えば太陽電池が取付けられる。この太陽光発電装置では、歯車伝動装置の出力軸が「パネルを取り付けた主軸」に相当する。歯車伝動装置のケース内に、出力軸を支持する軸受と、モータの回転軸に固定される駆動歯車が収納されている。駆動歯車は、出力軸の軸線よりも下方に配置されている。駆動歯車は、出力軸の軸線を含む水平面よりも下方に配置されていればよく、必ずしも出力軸の軸線の鉛直下方に位置している必要はない。

出力軸を支持する軸受と駆動歯車には、潤滑剤が供給される。潤滑剤は、歯車伝動装置のケース内に封入される。この太陽光発電装置では、潤滑剤の量は、出力軸を支持する軸受の下方部分が浸る程度でよい。駆動歯車が出力軸の軸線よりも下方に配置されているので、駆動歯車から出力軸へトルクを伝達するための歯車群は、必然的に出力軸の軸線よりも下方に位置する。そのような太陽光発電装置では、歯車伝動装置が、出力軸の軸線の周りを移動する遊星歯車を有するタイプであってもよい。遊星歯車は、出力軸の回転に伴って、出力軸の軸線よりも鉛直下方を通過する。そのときに、遊星歯車は潤滑剤に浸かる。あるいは、歯車伝動装置は、内歯歯車と外歯歯車が相対的に回転する偏心揺動型であってもよい。この太陽光発電装置は、歯車伝動装置のケース内において、出力軸の全体が浸るほどの量の潤滑剤を必要としない。この太陽光発電装置は、従来の太陽光発電装置が必要とする量よりも潤滑剤の使用量を少なくすることができる。

本明細書が開示する技術は、大型の太陽光発電装置に適している。本明細書では、「大型の太陽光発電装置」とは、歯車伝動装置の出力軸（パネルを取り付けた主軸）の直径が駆動歯車の直径よりも大きいことを意味する。そのような太陽光発電装置では、出力軸の軸線を含む水平面よりも下方に位置する駆動歯車が潤滑剤に覆われる。その一方で、大径の出力軸を支持する軸受の僅かな部分だけが潤滑剤に浸っていればよい。そのような太陽光発電装置は、大径の軸受（出力軸を支持する軸受）を有しているにも関わらず、少量の潤滑剤しか必要としない。

上記したように、この太陽光発電装置に採用する歯車伝動装置は、偏心揺動型であってよい。歯車伝動装置は、内歯歯車と外歯歯車のいずれか一方が他方に対して偏心回転する偏心揺動型であり、内歯歯車と外歯歯車のいずれか一方を支持するキャリアが出力軸の一部を構成していてもよい。そのような歯車伝動装置は、キャリアの周方向に複数のクランクシャフトが配置されている。それぞれのクランクシャフトは、キャリアの回転とともに、キャリアの軸線（すなわち、出力軸の軸線）の下方を通過するときに潤滑剤に浸る。

上記した太陽光発電装置は、使用する潤滑剤の量が少ないので、多量の潤滑剤を使用する場合に比べて冷却性能が劣る可能性がある。他方、太陽光発電装置は、直射日光に長時間曝されるので、ケース内に封入されている潤滑剤が太陽光によって昇温する可能性がある。駆動歯車が出力軸の軸線よりも下方に位置しているという技術的特徴をさらに有効に利用すると、太陽光の熱による潤滑剤の温度上昇を抑制することのできる太陽光発電装置を実現することができる。すなわち、駆動歯車は、出力軸に対して、南中時の太陽位置の反対側に配置されていることが好ましい。さらには、モータも、出力軸に対して、南中時の太陽位置の反対側に配置されていることが好ましい。あるいは、駆動歯車は、出力軸の鉛直下方に配置されていることが好ましい。さらには、モータも、出力軸の鉛直下方に配置されていることが好ましい。いずれの場合も、潤滑剤が封入されるケース部分、あるいは、モータは、出力軸の陰に位置し、直射日光を受ける時間が短くなる。そのため、太陽光による潤滑剤の温度上昇やモータの温度上昇が抑制される。また、出力軸が受ける直射日光の熱量の一部が出力軸や出力軸に取り付けられている太陽電池パネルから放熱されることも、潤滑剤の温度上昇やモータの温度上昇を抑制することに寄与する。

本明細書に開示する技術によると、従来よりも潤滑剤の使用量が少ない太陽光発電装置を実現することができる。

実施例で説明する太陽光発電装置の特徴を列記する。
（特徴１）歯車伝動装置は、内歯歯車と、内歯歯車の軸線の周りを偏心回転するとともに内歯歯車に対して回転する外歯歯車と、外歯歯車を支持するキャリアを備えている。キャリアは、外歯歯車の偏心回転を許容しながら外歯歯車を支持している。キャリアは、外歯歯車の回転に伴って、内歯歯車に対して回転する。キャリアが、歯車伝動装置の出力軸の一部を構成する。
（特徴２）支柱の軸線と歯車伝動装置の出力軸の軸線はねじれの位置にある。そして、モータが支柱の径方向の外側に配置されている。
（特徴３）モータの回転軸に固定される駆動歯車と、歯車伝動装置のクランクシャフトに固定される入力歯車の間に、中継歯車が配置されている。

図１と図２に、歯車伝動装置１１０を備えた太陽光発電装置１００を示す。図１は太陽光発電装置１００の側面図を示し、図２は太陽光発電装置１００の背面図を示す。図３に、図１のIII−III線に沿った断面図を示す。図４に、図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。なお、図２では、パネル１０２の中間部分の図示を省略している。
太陽光発電装置１００は、支柱１２０の両側に一対のパネル１０２を備えている。パネル１０２の表面１０４には、複数の太陽電池（図示省略）が取り付けられている。パネル１０２は、支持部材１０６によって、主軸１１２に取り付けられている。主軸１１２は、歯車伝動装置１１０の出力軸の両側から水平に延びている。すなわち、主軸１１２は、歯車伝動装置１１０の出力軸と等価である。歯車伝動装置１１０は、パネル１０２を軸線１０８の周りに回転させる。なお、歯車伝動装置１１０の詳細は後述する。歯車伝動装置１１０と支柱１２０の間に、旋回用歯車伝動装置１１８が配置されている。歯車伝動装置１１０は、連結部材１１４を介して、旋回用歯車伝動装置１１８の出力部に取り付けられている。旋回用歯車伝動装置１１８は、歯車伝動装置１１０とパネル１０２を軸線１２２の周りに回転させる。パネル１０２は、水平方向に延びている軸線１０８と鉛直方向に延びている軸線１２２の２軸周りに回転する。
符号１１６は、歯車伝動装置１１０を駆動するモータを示している。図１と図４に示すように、モータ１１６は、主軸１１２の軸線１０８の鉛直下方に配置されており、支柱１２０の径方向（軸線１２２に直交する方向）の外側に位置している。

歯車伝動装置１１０について説明する。図３に示すように、歯車伝動装置１１０は、内歯歯車２と外歯歯車１８とキャリア６とクランクシャフト１４を備えている。内歯歯車２は、歯車伝動装置１１０のケースの内周面の一部に形成されている。以下の説明では、内歯歯車２と同じ符号を用いて、ケース２と称することがある。ケース２は、連結部材１１４に固定されている。

外歯歯車１８は、内歯歯車２と噛合っており、クランクシャフト１４の回転に伴って偏心回転する。外歯歯車１８の歯数と内歯歯車２の歯数は異なっている。そのため、外歯歯車１８が偏心回転すると、外歯歯車１８と内歯歯車２の歯数差に応じて、外歯歯車１８が内歯歯車２に対して回転する。外歯歯車１８は、キャリア６に支持されている。キャリア６は、外歯歯車１８の偏心回転を許容する。キャリア６は、一対のアンギュラ玉軸受８によって、ケース２に回転可能に支持されている。外歯歯車１８が偏心回転すると、キャリア６はケース２に対して回転する。すなわち、キャリア６が、歯車伝動装置１１０の出力軸を構成する。キャリア６の両側に、主軸１１２が固定されている。そのため、キャリア６と主軸１１２が歯車伝動装置１１０の出力軸と表現することもできる。以下の説明では、「主軸１１２」という表現は、歯車伝動装置１１０の出力軸を意味する。また、キャリア６を、主軸１１２の一部と表現することもできる。また、一対のアンギュラ玉軸受８を、主軸１１２を支持する主軸受８と表現することもできる。

図４に示すように、歯車伝動装置１１０は、連結部材１１４を介して、旋回用歯車伝動装置１１８の出力部５２に固定されている。出力部５２は、ケース５０に対して回転する。ケース５０が支柱１２０に固定されているので、歯車伝動装置１１０は、支柱１２０の軸線１２２の周りを回転することができる。なお、旋回用歯車伝動装置１１８は、ケース５０に対して出力部５２を回転させることができるものであれば、どのような構造であってもよい。本実施例の旋回用歯車伝動装置１１８の基本的な構造は、歯車伝動装置１１０と同じである。そのため、旋回用歯車伝動装置１１８の詳細な説明は省略する。

図３に示すように、クランクシャフト１４は、一対の円錐ころ軸受１２よって、キャリア６に支持されている。クランクシャフト１４には偏心体１６が固定されており、偏心体１６が外歯歯車１８に係合している。そのため、クランクシャフト１４が回転すると、偏心体１６が偏心回転し、外歯歯車１８が偏心回転する。クランクシャフト１４の一端に、入力歯車３８が固定されている。詳細は後述するが、歯車伝動装置１１０は複数のクランクシャフト１４を備えており、夫々のクランクシャフト１４に入力歯車３８が固定されている。複数の入力歯車３８を囲むように、リング歯車３６が配置されている。

リング歯車３６は、その内周に内歯が形成されており、その外周に外歯が形成されている。入力歯車３８は、リング歯車３６の内歯に噛合っている。リング歯車３６の外歯は、中継歯車２６に噛合っている。中継歯車２６は、モータ１１６の回転軸２２に固定されている駆動歯車２４に噛合っている。歯車３８、３６、２６及び２４は、同じ閉鎖空間内に収容されている。ここでいう「閉鎖空間」とは、主軸１１２と連結部材１１４とケース２とキャリア６とモータ１１６と後述するシャフト台２８で囲まれている空間を意味する。ケース２とモータ１１６とシャフト台２８が連結部材１１４に固定されており、キャリア６が主軸１１２に固定されている。ケース２とキャリア６の間にオイルシール４が配置されており、連結部材１１４と主軸１１２の間にオイルシール４２が配置されている。オイルシール４、４２によって閉鎖空間が形成される。この閉鎖空間は、歯車伝動装置１１０のケース内空間とみなすこともできる。この閉鎖空間内に、潤滑剤が封入されている。図３の符号Ｌが、潤滑剤の液面の高さを示している。この閉鎖空間内には、アンギュラ玉軸受８も収容されている。歯車３８、３６、２６及び２４の詳細は後述する。

上記したように、太陽光発電装置１００では、モータ１１６が、主軸１１２の軸線１０８の鉛直下方に配置されている。別言すると、駆動歯車２４が、主軸１１２の軸線１０８の鉛直下方に配置されている。そして、駆動歯車２４と中継歯車２６は、潤滑剤に浸っている。他方、潤滑剤は、符号Ｌで示される高さまでしか満たされておらず、内歯歯車２と外歯歯車１８とリング歯車３６と入力歯車３８とアンギュラ玉軸受８と円錐ころ軸受１２は、周方向の一部分だけが潤滑剤に浸っている。歯車伝動装置１１０は、ケース内空間を全て満たすだけの潤滑剤の量を必要としないので、潤滑剤の使用量が少ない。太陽光発電装置１００は、駆動歯車２４を主軸１１２の軸線１０８の下方に配置することにより、潤滑剤の使用量を少なくすることができる。なお、潤滑剤は、液面Ｌよりも上方まで満たされていてもよいが、軸線１０８より下方であることが好ましい。

駆動歯車２４を主軸１１２の上側に配置すると、駆動歯車２４に潤滑剤を供給するために、歯車伝動装置１１０内を潤滑剤で満たす必要がある。すなわち、歯車伝動装置１１０内を潤滑剤で満たし、さらに、駆動歯車２４が配置されている位置まで潤滑剤を封入することが必要である。図３から明らかなように、駆動歯車２４の外径は、主軸１１２の径（すなわち、歯車伝動装置１１０の出力軸の径）よりも小さい。そのため、歯車伝動装置１１０内の空間の体積は、駆動歯車２４の周囲の空間の体積よりも大きい。駆動歯車２４を主軸１１２の上側に配置すると、多量の潤滑剤が必要となる。

ここで、歯車伝動装置１１０内に封入する潤滑剤の量について説明する。
潤滑剤は、歯車伝動装置１１０を構成する歯車や軸受のうち、最も鉛直上側に位置する部品（歯車や軸受）の一部分にまで供給されればよい。例えば、外歯歯車１８と内歯歯車２の噛み合わせについて説明すると、外歯歯車１８の各外歯は、外歯歯車１８の回転に伴って潤滑剤に浸かる。すなわち、外歯歯車１８が内歯歯車２に対して１回回転すると、外歯歯車１８の全ての外歯に、潤滑剤が供給される。そのため、外歯歯車１８の全ての外歯が常に潤滑剤に接していなくても、外歯歯車１８と内歯歯車２の間に潤滑剤切れが生じることはない。太陽光発電装置１００では、クランクシャフト１４を支持する円錐ころ軸受１２が、最も鉛直上側に位置している。そのため、円錐ころ軸受１２の周方向の一部分が潤滑剤に浸っていればよい。

図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示している。符号Ｌは、潤滑剤の液面の高さを示している。図５に示すように、歯車伝動装置１１０は３つのクランクシャフト１４を備えており、夫々のクランクシャフト１４に入力歯車３８が固定されている。図５では、１つの円錐ころ軸受１２の周方向の一部分は潤滑剤に浸っているが、他の２つの円錐ころ軸受１２は潤滑剤に浸っていない。しかしながら、クランクシャフト１４は、キャリア６に支持されているので、キャリア６の回転に伴って、軸線１０８の周りを移動する。そのため、潤滑剤の液面の高さＬが、最も低い位置の１つの円錐ころ軸受１２の一部に接する高さであれば、キャリア６の回転に伴って他の円錐ころ軸受１２も潤滑剤に接する。より正確にいうと、潤滑剤は、鉛直方向の最も下側に位置するクランクシャフト１４を支持している円錐ころ軸受１２の周方向の一部分が接するだけの高さまで閉鎖空間を満たしていればよい。

ここで、モータ１１６の好ましい配置位置について説明する。なお、以下に説明するモータ１１６の好ましい配置位置は、駆動歯車２４の配置位置にも当てはまる。図１の符号１０１は、南中時の太陽の位置を示している。太陽１０１が南中している時は、モータ１１６や潤滑剤が最も温められる。そのため、モータ１１６が主軸１１２の陰に位置することが好ましい。すなわち、モータ１１６は、主軸１１２に対して、太陽１０１の反対側に配置されることが好ましい。図１の破線１０３は、軸線１０８を含み、太陽１０１に直交する面を示している。太陽１０１の反対側とは、矢印Ａ１の範囲を意味する。他方、上記したように、モータ１１６を主軸１１２の軸線１０８よりも下方に配置すれば、潤滑剤の使用量を少なくすることができる。そのため、モータ１１６は、矢印Ａ２の範囲に配置することが好ましい。駆動歯車２４を軸線１０８の下方に配置するほど、潤滑剤の使用量を少なくすることができる。本実施例の太陽光発電装置１００では、駆動歯車２４を軸線１０８の鉛直下方に配置している。なお、破線１０５は、軸線１０８を含む水平線を示している。

さらに、モータ１１６は、矢印Ａ３の範囲に配置することが好ましい。太陽１０１が南中する位置は、太陽光発電装置１００を設置する地域や、季節によって変化する。そのため、矢印Ａ１、Ａ２の範囲は、地域や季節によって変化する。しかしながら、矢印Ａ３の範囲であれば、太陽１０１が南中しているときに、モータ１１６が確実に主軸１１２の陰に位置する。本実施例の太陽光発電装置１００は、モータ１１６が矢印Ａ３の範囲に位置している。なお、破線１０７は、軸線１０８を含む垂線を示している。

歯車３８、３６、２６及び２４の詳細について後述する。
図５に示すように、クランクシャフト１４に固定されている入力歯車３８は、リング歯車３６の内歯に噛合っている。リング歯車３６の外歯に、中継歯車２６が噛合っている。そのため、入力歯車３８は、キャリア６の回転に伴って、軸線１０８の周りを移動する。中継歯車２６に、駆動歯車２４が噛合っている。なお、中継歯車２６の軸線３０と駆動歯車２４の軸線２０は、軸線１０８に平行に延びている。リング歯車３６は、歯車伝動装置１１０の軸線１０８と同軸に配置されている。入力歯車３８とリング歯車３６と中継歯車２６と駆動歯車２４は夫々平歯車であり、図５では、歯の一部の図示を省略している。

太陽光発電装置１００の他の特徴を説明する。図１と図４に示すように、水平方向に延びている軸線１０８は、鉛直方向に延びている軸線１２２に対して「ねじれの位置」である。別言すると、軸線１０８と軸線１２２は立体交差している。そのため、モータ１１６を主軸１１２の鉛直下方に配置しているにも係わらず、モータ１１６と旋回用歯車伝動装置１１８が干渉することがないので、主軸１１２と旋回用歯車伝動装置１１８の間の軸線１２２方向の距離を短くすることができる。

駆動歯車２４とリング歯車３６の間に、中継歯車２６を配置している。中継歯車２６は、駆動歯車２４とリング歯車３６の間の減速比に寄与しない。そのため、駆動歯車２４、及び／又は、リング歯車３６の外径を増大させ、両者を直接噛合わせることもできる。しかしながら、駆動歯車２４、及び／又は、リング歯車３６の外径を増大させると、歯車伝動装置１１０の径方向（軸線１０８に直交する方向）において、連結部材１１４のサイズが大きくなる。特に、駆動歯車２４の外径を増大させると、駆動歯車２４を収容する空間の体積が増加し、多量の潤滑剤を必要とする。

また、図３に示すように、モータ１１６とキャリア６は、中継歯車２６に対して、軸線１０８方向の片側に配置されている。そして、中継歯車２６は、深溝玉軸受３４を介してシャフト３２の一端に支持されている。シャフト３２はシャフト台２８に圧入されており、シャフト台２８はモータ１１６の反対側で連結部材１１４に固定されている。すなわち、中継歯車２６は、シャフト３２によって片持ち支持されている。モータ１１６とキャリア６の間に、シャフト３２や中継歯車２６を支持する軸受を配置するスペースを確保する必要がない。モータ１１６とキャリア６の距離が近接するので、潤滑剤の使用量を少なくすることができる。なお、シャフト台２８は、連結部材１１４に着脱可能である。中継歯車２６をモータ１１６の反対側から駆動歯車２４とリング歯車３６に噛み合わせることができる。歯車伝動装置１１０は、中継歯車２６やモータ１１６の組立作業が容易である。

図３に示すように、リング歯車３６は、キャリア６と連結部材１１４の間に配置されており、キャリア６と連結部材１１４の双方に接している。そのため、歯車伝動装置１１０は、軸受を用いることなく、リング歯車３６が軸線１０８に沿って移動することを防止することができる。また、図５に示すように、歯車伝動装置１１０は３本のクランクシャフト１４を備えており、夫々のクランクシャフト１４に入力歯車３８が固定されている。全ての入力歯車３８がリング歯車３６に噛合っているので、軸受を用いることなく、リング歯車３６が径方向に移動することを防止することができる。歯車伝動装置１１０は、軸受を用いることなく、リング歯車３６を所定位置に回転可能に支持することができる。

上記実施例では、クランクシャフト１４の回転によって外歯歯車１８が偏心回転する歯車伝動装置１１０について説明した。本明細書に開示する技術は、クランクシャフトの回転によって内歯歯車が偏心回転する歯車伝動装置に適用することもできる。その場合、内歯歯車の中心が歯車伝動装置の軸線から径方向にオフセットしており、外歯歯車の中心が歯車伝動装置の軸線に一致する。また、クランクシャフトに、クランクシャフトと同軸に回転する平歯車を固定する。そして、リング歯車の内歯をクランクシャフトに固定している平歯車に噛合わせる。クランクシャフトが回転すると、内歯歯車が偏心回転し、外歯歯車が歯車伝動装置の軸線と同軸に回転する。
また、本明細書に開示する技術は、偏心揺動型以外の歯車伝動装置にも適用することができる。すなわち、歯車伝動装置１１０に代えて、ウォームギヤ、遊星歯車機構などの歯車伝動装置を利用することができる。この場合も、モータの回転軸に固定される駆動歯車が、歯車伝動装置の出力軸の軸線よりも下方に配置されていればよい。

上記実施例では、パネル１０２の表面１０４に複数の太陽電池を備え、パネル１０２が、その表面１０４が太陽に面するように回転する太陽光発電装置１００について説明した。本明細書に開示する技術は、他のタイプの太陽光発電装置にも好適に適用することができる。他のタイプの太陽光発電装置の一例として、パネルの表面に反射鏡を取り付け、その反射鏡で太陽光を一箇所に集めて発電するタイプの発電装置が挙げられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

太陽光発電装置の側面図を示す。 太陽光発電装置の背面図を示す。 図１のIII−III線に沿った断面図を示す。 図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。 図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す。

符号の説明

２：内歯歯車（ケース）
６：キャリア
８：主軸受
１８：外歯歯車
２２：モータ回転軸
２４：駆動歯車
１００：太陽光発電装置
１０２：パネル
１１０：歯車伝動装置
１１２：主軸
１１６：モータ
１１８：旋回用歯車伝動装置

Claims (2)

1. パネルと、
   パネルが取り付けられている主軸と、
   内歯歯車と外歯歯車のいずれか一方が他方に対して偏心回転する歯車伝動装置と、を備 えており、
   歯車伝動装置は、内歯歯車と外歯歯車のいずれか一方を支持するキャリアを備えており 、
   キャリアは、歯車伝動装置の出力軸の一部を構成しており、
   前記主軸は、前記出力軸の両側から水平方向に延びており、
   歯車伝動装置のケース内に、出力軸を支持する軸受と、モータの回転軸に固定される駆動歯車が収納されており、
   駆動歯車が、出力軸の鉛直下方に配置されていることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 出力軸の直径が、駆動歯車の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。

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