JP6070376B2 - 太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置及び太陽追尾型太陽光発電システム - Google Patents
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Description
図9(a)及び(b)は、従来の太陽追尾型太陽光発電システムを示す側面図である。この太陽追尾型太陽光発電システムは、地表に垂直に立てられた支柱102の上端部に、旋回台105を介して太陽電池103が水平旋回自在に取り付けられている。太陽電池103は、旋回台105に取り付けられたシリンダ104を伸縮させることによって、図9(a)に示す起立姿勢と、図9(b)に示す水平姿勢との間で起伏回動するようになっている。したがって、この太陽追尾型太陽光発電システムは、旋回台105を旋回させながらシリンダ104を伸縮させて太陽電池103を起伏させることにより、太陽電池103の受光面103aを常に太陽に正対させることができる。
そこで、従来の太陽追尾型太陽光発電システムでは、例えば太陽電池103の上端部に風速計(図示省略)を設置し、この風速計が風速閾値を所定時間測定したときに、太陽電池103を横風の影響を受けにくい水平姿勢に待避させる待避制御が一般的に行われている。前記風速閾値は、最悪のケース、すなわち太陽電池103が起立姿勢で正対する横風を受けたときに支柱102等が耐え得る風速値を算出して決定される。
このように、従来の太陽追尾型太陽光発電システムは、太陽電池103が横風に耐え得る姿勢にあっても、太陽電池103を受光面103aが太陽光に正対した状態から待避させる場合があるため、発電量が低下するという問題があった。特に、太陽光を集光して発電する集光型の太陽電池を用いる場合は、集光の焦点が発電素子から外れるだけの変化量で発電量がゼロになるため、集光型ではない太陽電池と比較して極めて大きな影響を与えることになる。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、安全性を損なわずに待避制御に起因する発電量の低下を抑制することができるようにすることを目的とする。
ここで、「太陽電池」とは、太陽電池セルだけでなく、太陽電池セルを複数有する太陽電池パネル(太陽電池モジュール)、又は太陽電池パネルを複数有する太陽電池アレイを含む意味である。
この場合、太陽電池を待避させた状態から、太陽を追尾する起伏姿勢に自動的に復帰させることができるため、待避制御に起因する発電量の低下をさらに抑制することができる。
(3)前記待避姿勢は、前記太陽電池の受光面が水平となる姿勢であるのが好ましい。この場合、太陽電池は、待避制御によって強風に耐え得る最も安全な待避姿勢となる。
この場合、太陽電池を退避姿勢とした後に強風が吹いた場合であっても、太陽電池をさらに安全な姿勢とすることができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る太陽追尾型太陽光発電システム1を示す斜視図である。また、図2は、その太陽追尾型太陽光発電システム1を示す側面図である。さらに、図3は、太陽追尾型太陽光発電システム1の構成を示すブロック図である。
図3に示すように、本実施形態の太陽追尾型太陽光発電システム1は、太陽光を利用して発電する太陽電池2と、太陽電池2の受光面2b(図1参照)が太陽を追尾するように太陽電池2を起伏及び旋回させる駆動手段3とを一組とした太陽追尾型太陽光発電装置8を複数組並べて構成されている。太陽追尾型太陽光発電装置8の個数は、ケースバイケースで適宜設定される。
太陽追尾型太陽光発電システム1は、前記複数組のうちのいずれか一組の太陽追尾型太陽光発電装置8に設けられた単一の制御装置4をさらに備え、この制御装置4は、全ての太陽追尾型太陽光発電装置8の太陽電池2に対して、後述する待避(復帰)制御を行うようになっている。なお、本実施形態の太陽追尾型太陽光発電システム1は、単一の制御装置4によって構成されているが、複数の太陽追尾型太陽光発電装置8を個別に制御する制御装置4を複数備えていても良い。
なお、本実施形態では、太陽電池アレイを太陽電池2としているが、単数若しくは複数の太陽電池パネル2a、または単数若しくは複数の太陽電池セルを太陽電池2としてもよい。また、太陽電池2は、例えばシリコン系の太陽電池のように、太陽光を直接照射して発電する非集光型太陽電池であってもよい。
制御装置4は、システム1に1台設置されており、強風時において太陽電池2の起伏姿勢を制御するものである。以下、この制御装置4について詳しく説明する。
図3に示すように、制御装置4は、単一の姿勢検出手段11と、単一の風速測定手段12と、単一の設定部13と、単一の制御部14とによって構成されている。
制御部14は、支柱6に取り付けられており(図2(a)参照)、駆動手段3により太陽電池2を倒伏させて待避姿勢とする待避制御と、この待避制御を行った後に太陽電池2をその受光面2bが太陽を追尾する起伏姿勢に復帰させる復帰制御とを行う。
前記待避姿勢は、アレイ角度θが10°〜30°の範囲内で設定されるのが好ましい。本実施形態では、図2(b)の二点鎖線で示すように、アレイ角度θを20°に設定されている。
Vd=√(628.7/sinθ) ・・・(1)
この式(1)は、以下の手法により作成されたものである。図2(a)に示すように、支柱6をその一端部が地表に支持された片持ち梁と見なし、太陽電池2の受光面2bが図中の矢印a方向に示す横風を受けた場合について考える。このとき、支柱6を支持する地表の支持点Aに支柱6の素材の降伏応力を越えるモーメント力が作用した場合に、支柱6が破壊に至ると仮定する。前記モーメント力は、横風が同じ風速であっても、太陽電池2のアレイ角度θによって太陽電池アレイの受風面積が異なることから異なる値を示す。所定のアレイ角度θにおいて太陽電池2の受光面2bが所定の風速の横風から受ける抗力を、汎用の熱流体解析シミュレーターを用いて算出した。また、支柱6が破壊に至る単位面積当たりの抗力(以下、破壊応力という)を、支柱6の断面係数、素材の降伏応力などから算出した。本実施形態では、前記破壊応力は約658N/m2となった。
V1=Vd/G ・・・(2)
ここで、突風率Gは、平均風速に対する最大瞬間風速の比であり、地域によって定められる値であるが、日本では10分間の平均風速に対して1.5〜2.0に定められるのが一般的である。この突風率Gは、例えばその値を2.0とし、10分間の平均風速が10m/sの場合、平均風速の2倍である20m/sの最大瞬間風速が吹く可能性があることを意味する。
本実施形態では、安全を確保するために、5分間の平均風速に対する突風率Gを3.0に設定している。したがって、例えば、アレイ角度θが80°の場合、耐風速は上述のように25m/sであるため、第1の風速閾値V1は、上記式(2)により8.6m/sとして設定される。このように、本実施形態の第1の風速閾値V1は、最大瞬間風速が吹く場合を考慮して、耐風速Vdよりも小さい値に設定される。
なお、設定部13は、第1の風速閾値V1を上述のように算出することなく設定することも可能である。例えば、設定部13は、複数の風速値に対応する第1の風速閾値V1が予め定められたテーブルを備えておき、このテーブルと現在の風速値とを参照して、第1の風速閾値V1を設定するようにしても良い。
第1判定部14aは、風速測定手段12が測定した風速値が第1の風速閾値V1を上回るか否かを判定する。具体的には、第1判定部14aは、風速測定手段12で算出された前記移動平均風速値が第1の風速閾値V1を越えるか否かで判定する。
制御部14は、第1判定部14aの判定結果が肯定的である場合、風速測定手段12で測定される風速値が設定部13で算出される第1の風速閾値V1を下回るように駆動手段3を駆動制御して太陽電池2を倒伏させる。本実施形態では、太陽電池2が図2(b)の二点鎖線で示す待避姿勢となるように駆動手段3を駆動制御する。
制御部14は、待避制御を行った後に第2判定部14bの判定結果が肯定的となった場合、太陽電池2をその受光面2bが太陽を追尾する起伏姿勢に復帰させるように駆動手段3を駆動制御する。
また、前記ステップSP1〜ステップSP3と並行して、風速測定手段12により、現在の風速値を測定し(ステップSP4)、現在迄の一定時間(ここでは5分)の移動平均風速値を算出する(ステップSP5)。
前記ステップSP1〜SP5は、第1の風速閾値V1及び移動平均風速値を所定間隔(例えば1秒)毎に算出するために、待避制御又は復帰制御が行われている間、これらの制御と並行して繰り返し実行される。
まず、制御部14は、図5のステップSP3で算出された現在の第1の風速閾値V1を参照する(ステップST1)。また、制御部14は、ステップST1と並行して、図5のステップSP5で算出された現在の移動平均風速値を参照する(ステップST2)。
なお、ステップST6において、第3判定部14cの判定結果が否定的である場合、すなわち、瞬間風速値が第3の風速閾値V3を越えていない場合は、ステップST5に戻り、図5のステップSP4で測定された現在の風速値を再び参照する。
まず、制御部14は、当該復帰制御に用いるフラグFLGを「0」に設定する(ステップSS1)。第2の風速閾値V2及び持続時間(所定時間Ta)は、システム1が設置されている現地環境を考慮の上、嵐が収まったと見なせる数値をそれぞれ予め決めておく。
次に、制御部14は、図5のステップSP5で算出された現在迄の一定時間(ここでは5分)の移動平均風速値を参照する(ステップSS2)。
一方、移動平均風速値が第2の風速閾値V2を下回ったまま、経過時間(t−t0)が所定時間Taよりも長くなった場合、すなわち、ステップSS7において経過時間(t−t0)が所定時間Taよりも長くなったと第2判定部14bが判定した場合、制御部14は、駆動手段3により太陽電池2を待避姿勢等から、太陽を追尾する起伏姿勢に復帰させる(ステップSS9)。
特に、太陽電池2が、太陽光を集光して発電する集光型太陽電池である場合、太陽電池2が太陽を追尾する起伏姿勢から外れると、太陽光を集光することができなくなって発電量がゼロになるため、待避制御が行われる回数が低減されることにより、待避制御に起因する発電量の低下を効果的に抑制することができる。
また、太陽電池2を待避姿勢とした後に、風速測定手段12が測定した風速値が第3の風速閾値V3を上回る場合、太陽電池2は、その受光面2bが水平となる姿勢となるため、太陽電池2をさらに安全な姿勢とすることができる。
また、単一の姿勢検出手段11及び単一の風速測定手段12を用いた単一の制御部14によって、複数組の太陽追尾型太陽光発電装置8の全ての太陽電池2について待避制御を行うことができるため、太陽追尾型太陽光発電システム1の構成を簡略化することができる。
図8は、本発明の第2実施形態に係る太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置が実行する待避制御のフローチャートである。本実施形態における待避制御のステップST1〜ステップST3は、第1実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ステップST3において、移動平均風速値が第1の風速閾値V1を越えた場合、制御部14は、駆動手段3により太陽電池2を待避姿勢まで倒伏させる(ステップST4)。その際、制御部14は、アレイ角度θを0°、すなわち太陽電池2の受光面2bが水平となる水平姿勢(図2(b)の実線位置)まで太陽電池2を倒伏させる。
以上のように、本実施形態に係る太陽追尾型太陽光発電システム1の制御装置4によれば、待避制御において太陽電池2を倒伏させる待避姿勢を、太陽電池2の受光面2bが水平となる水平姿勢としているため、太陽電池2は、待避制御によって強風に耐え得る最も安全な待避姿勢とすることができる。
なお、本実施形態における待避姿勢は、水平姿勢(アレイ角度θ=0°)としているが、太陽電池2が水平面Hに対して若干傾斜した状態であってもよい。この場合、アレイ角度θは0°よりも大きく、且つ20°以下の範囲内で設定されるのが好ましい。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、図6では、太陽電池を水平姿勢まで2段階で倒伏させる例を示したが、より細かく3段階以上の多段階で倒伏させることも可能である。また、このように太陽電池を待避動作させる待機制御と、図7の太陽電池を復帰動作させる復帰制御との組み合わせ方も、太陽電池の設置場所の風況条件に合わせて最適なフローチャートを設定することが可能である。
すなわち、本発明は、強風対策を確保しつつ太陽電池が発電可能な起伏姿勢となる時間をより長くできるという効果を奏するものであれば、上記実施形態に限らず、適否変更して実施することが可能である。
2 太陽電池
2b 受光面
3 駆動手段
4 制御装置
8 太陽追尾型太陽光発電装置
11 姿勢検出手段
12 風速測定手段
13 設定部
14 制御部
H 水平面
Claims (8)
- 太陽電池と、前記太陽電池の受光面が太陽を追尾するように当該太陽電池を起伏及び旋回させる駆動手段とを備えた太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置であって、
前記太陽電池の起伏姿勢を検出する姿勢検出手段と、
風速を測定する風速測定手段と、
前記姿勢検出手段が検出した前記太陽電池の起伏姿勢に応じて第1の風速閾値を都度設定する設定部と、
前記風速測定手段が測定した風速値が前記第1の風速閾値を上回る場合、前記駆動手段により前記太陽電池を倒伏させて待避姿勢とする待避制御を行う制御部と、を備えていることを特徴とする太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。 - 前記制御部は、前記待避制御を行った後に、前記風速測定手段が測定した風速値が所定時間、第2の風速閾値を下回る場合、前記太陽電池を太陽を追尾する起伏姿勢に復帰させる復帰制御を行う請求項1に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。
- 前記待避姿勢は、前記太陽電池の受光面が水平となる姿勢である請求項1又は2に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。
- 前記待避姿勢は、前記太陽電池の受光面が水平面に対して起立方向に傾斜する姿勢である請求項1又は2に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。
- 前記制御部は、前記待避制御において、前記太陽電池を前記待避姿勢とした後に、前記風速測定手段が測定した風速値が第3の風速閾値を上回る場合、前記駆動手段により前記太陽電池の受光面が水平になるまで前記太陽電池をさらに倒伏させる請求項4に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。
- 前記太陽電池は、太陽光を集光して発電する集光型太陽電池である請求項1〜5のいずれか一項に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置。
- 太陽電池と、
前記太陽電池の受光面が太陽を追尾するように当該太陽電池を起伏及び旋回させる駆動手段と、
請求項1に記載の太陽追尾型太陽光発電システムの制御装置と、を備えていることを特徴とする太陽追尾型太陽光発電システム。 - 前記太陽電池及び前記駆動手段を一組とする複数組の太陽追尾型太陽光発電装置を備え、
前記制御装置は、単一の前記姿勢検出手段と、単一の前記風速測定手段と、単一の前記設定部と、単一の前記制御部とからなり、
前記単一の制御部は、前記複数組の太陽追尾型太陽光発電装置の太陽電池について前記待避制御を行う請求項7に記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
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