JP6304596B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、建築物に設けられ、屋外方向への突出する角度を変更可能な太陽光発電装置に関し、庇としての機能を有する太陽光発電装置に関する。

従来より太陽光パネルの発電効率を高めるために、太陽を追尾する装置を設けた太陽光発電装置が提案されている。特にこのような太陽光発電装置の中には、季節の変化による太陽の高度（南中高度）の変化と、時刻の変化による太陽の高度（時角）の変化の両方に対応して、太陽を追尾するために、太陽光パネルを東西方向と南北方向との２つの軸に回転可能に構成したものが種々提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

また、太陽光パネルを設置可能なスペースを増やすために、建築物の庇部に太陽光パネルを設置する太陽光発電装置が知られており、このような太陽光パネルの発電効率を高めるために、庇部の傾斜角度を可変として日射角度の変化に応じて庇部の傾斜角を変化させるものが提案されている（特許文献３、特許文献４参照）。

特開２００７−２８１０５８号 特開２０１０−２５８３６９号 特開２０００−２０４７３５号 特開２０１０−１４４４５６号

しかし、特許文献３や特許文献４のような、庇部に設けられる太陽光パネルは、いずれも庇の突出方向の角度を変化させることができるだけであるので、季節の変化による太陽の高度（南中高度）の変化と、時刻の変化による太陽の高度（時角）の変化のいずれか一方にだけ対応して太陽を追尾することになり、十分に太陽光パネルの発電効率を高めることができなかった。

そこで、本発明は、太陽光パネルの発電効率を高めることができ、しかも、冬場、太陽光を屋内に導入したい時期には当該太陽光を遮ることを抑制でき、夏場、太陽光を屋内に導入したくない時期には当該太陽光を遮蔽することができる太陽光発電装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の太陽光発電装置は、建築物の外壁から平面視屋外方向に突き出す回転軸と、当該回転軸の傾斜角を変更可能な角度変更機構と、前記回転軸に支持される太陽光パネルと、を備え、前記太陽光パネルは、太陽高度の時刻変化に基づいて前記回転軸の周回りを回転し、又は、前記回転軸が前記太陽高度の時刻変化に基づいて自転することにより、前記太陽光パネルが前記回転軸に従って回転し、前記角度変更機構は、太陽高度の季節変化に基づいて、前記回転軸の傾斜角を変更し、前記太陽光パネルは、矩形平板状であり、外壁に沿って水平方向に複数配置され、前記回転軸と直交する２辺に支持フレームを設けるとともに、前記回転軸と平行な他の２辺にはフレームを設けないことを特徴としている。

本発明の第二の太陽光発電装置は、前記角度変更機構は、外壁に沿って鉛直方向に設けられる第一レールと、前記第一レールの下側に設けられ外壁から水平な屋外方向に突出する第二レールと、前記回転軸の一端を保持するとともに、前記第一レールにスライド可能な第一スライド部と、前記回転軸の他端を保持するとともに、前記第二レールにスライド可能な第二スライド部と、を有することを特徴としている。

本発明の第三の太陽光発電装置は、前記回転軸は中空に形成されており、前記太陽光パネルの配線ケーブルが前記回転軸内に配線されることを特徴としている。

本発明の第四の太陽光発電装置は、前記太陽光パネルは、２枚のカバーガラスと、当該２枚のカバーガラスの間に設けられた両面受光型の太陽光発電セルと、を有することを特徴としている。

第一の太陽光発電装置によると、回転軸が建築物の外壁から平面視屋外方向に突出する形状であり、この回転軸に太陽光パネルが支持されているので、必要に応じて、太陽光パネルが庇としての役割を果たすことができる。そして、建築物の外壁から平面視屋外方向に突き出す回転軸と、当該回転軸の傾斜角を変更可能な角度変更機構と、前記回転軸の周回り方向に回転可能に支持される太陽光パネルと、を備えているので、太陽光パネルが回転軸と角度変更機構との作用によって、東西方向及び南北方向のいずれにも角度変更可能である。したがって、季節の変化による太陽の高度（南中高度）の変化と、時刻の変化による太陽の高度（時角）の変化のいずれに対しても太陽を追尾することができ、太陽光パネルの発電効率を高めることができる。また、角度変更機構によって、回転軸の傾斜角が変更されることにより、回転軸に支持されている太陽光パネルは角度変更機構によってその傾斜角を変更することができるので、例えば、冬場のように太陽光を屋内に導入したい時期には、太陽光パネルの傾斜角を急にすることで太陽光パネルの水平な屋外方向への突出を短くして、太陽光を室内に積極的に取り込むことができ、夏場のように太陽光を屋内に導入したくない時期には、太陽光パネルの傾斜角を緩やかにすることで、太陽光パネルの水平な屋外方向への突出を長くし、太陽光が屋内に侵入することを抑制できる。また、第一の太陽光発電装置によると、太陽光パネルは、外壁に沿って水平方向に複数配置されるので、建築物の幅の広い開口部の上側にこの太陽光パネルを設けることで、庇としての役割を十分に果たすことができる。さらに、第一の太陽光発電装置は、太陽光パネルが、矩形平板状であり、回転軸と直交する２辺に支持フレームを設けるとともに、回転軸と平行な他の２辺にはフレームを設けない。したがって、互いに太陽光パネルが隣接する辺には支持フレームが設けられていないので、太陽を追尾するために回転軸の周回り方向に太陽光パネルが回転した場合でも、太陽光パネルが隣接する太陽光パネルの支持フレームの影に入ることを抑制できる。

第二の太陽光発電装置によると、外壁に添って鉛直方向に設けられる第一レールに第一スライド部がスライド可能となっており、第一レールの下側に設けられ外壁から水平な屋外方向に突出する第二レールに第二スライド部がスライド可能となっている。そして、回転軸の一端が第一スライド部に保持され、回転軸の他端が第二スライド部に保持されているので、第一スライド部が鉛直方向下側にスライドし、第二スライド部が外壁から離反する方向に水平にスライドすることで、回転軸の他端が屋外方向に突出することになり、回転軸に支持されている太陽光パネルも屋外方向に突出する。したがって、例えば夏場などのように太陽光を屋内に導入したくない時期には、このように太陽光パネルを屋外方向に突出させることにより、太陽光を遮って、太陽光の屋内への侵入を抑制できる。また、第一スライド部が鉛直方向上側にスライドし、第二スライド部が外壁に接近する方向にスライドすることで、回転軸の他端が水平にスライドして外壁に接近し、回転軸に支持されている太陽光パネルも勾配が急になるように旋回し外壁に接近した状態とすることができる。したがって、太陽光パネルの下端が下がることなく、太陽光パネルの屋外方向への水平な突出長さを短くすることができる。したがって、例えば冬場などのように太陽光を屋内に導入したい時期には、このように太陽光パネルの屋外方向への突出長さを短くすることで、太陽光を遮ることなく屋内に導入することができる。

第三の太陽光発電装置によると、回転軸が中空に形成されており、太陽光パネルの配線ケーブルが回転軸内に配線されている。太陽光パネルと回転軸との相対位置は、太陽光パネル及び回転軸の角度の変化によって変わることがないので、太陽光パネルから回転軸までの配線ケーブルは、余長が必要なく、また、回転軸によって完全に隠蔽されるので、意匠性に優れている。また、太陽光パネル近傍では配線ケーブルの断線や短絡が起こることがなく、電気的な事故を防止できる。

第四の太陽光発電装置によると、太陽光パネルは、２枚のカバーガラスの間に両面受光型の太陽光発電セルを挟み込んで形成されているので、隣接された太陽光パネル、及び、建築物の外壁からの反射光を受光することにより、発電性能が向上できるとともに、裏面の意匠性を向上することができる。

太陽光発電装置の全体構成を示す斜視図。 太陽光パネル及び回転軸の構成を示す正面図。 太陽光パネル及び回転軸が矩形枠に組みつけられた状態を示す正面図。 太陽光発電装置の全体構成を示す側面図。 太陽光パネルの屋外方向の傾斜角が最も急勾配である状態を示す太陽光発電装置の斜視図。 太陽光パネルの屋外方向の傾斜角が、図５よりも緩やかな状態を示す太陽光発電装置の斜視図。 太陽光パネルの屋外方向の傾斜角が最も緩やかである状態を示す太陽光発電装置の斜視図。 太陽光パネルの屋外方向の傾斜角の変化を説明する図。 太陽光パネルが屋外方向から見て右側に回転した状態を示す太陽光発電装置の斜視図。 太陽光パネルが屋外方向から見て左側に回転した状態を示す太陽光発電装置の斜視図。 （Ａ）が冬至に近い時期の南中時の太陽光発電装置を設置した建築物を示す断面図、（Ｂ）が夏至に近い時期の南中時の太陽光発電装置を設置した建築物を示す断面図。 太陽の時角の変化に基づいて太陽光パネルが回転軸の周回りを回転する状態を示す図。

以下、本発明に係る太陽光発電装置１の最良の実施形態について各図を参照しつつ説明する。本発明の太陽光発電装置１は、図１及び図１１に示すように、建築物２の外壁２１に固定されて、当該外壁２１の屋外方向に突き出すように配置されることで、軒又は庇のように日よけの役割を果たしつつ、太陽光を受光して発電を行うものであり、太陽光パネル４が外壁２１に沿って水平方向に複数配置されるように構成されている。太陽光発電装置１は、特に建築物２の窓などの開口部２２が設けられた位置の上側に設置されることが好ましい。

太陽光発電装置１は、矩形平板状の太陽光パネル４と、当該太陽光パネル４を周回り方向に回転可能に支持するとともに、建築物２の外壁２１から平面視屋外方向に突き出す回転軸５と、回転軸５の傾斜角を変更可能な角度変更機構６と、を備えている。

なお、ここで「平面視屋外方向」とは、上方から見た場合に屋外を向く方向をいう。すなわち、太陽光発電装置１を外壁２１に対して平行な水平方向から見た場合には、回転軸５の傾斜角は可変であるが、上方から見た場合には、回転軸５は外壁２１に対して略垂直な屋外方向を向いている。また、本実施形態においては、建築物２は北半球に建てられているものとし、例えば集合住宅である。なお、太陽光発電装置１を設置する建築物２は、住宅、集合住宅、オフィスビル、商業施設などのいかなる建築物２であってもよいが、軒または庇を必要とする部分に設けられることが好ましい。また外壁２１は、真南向きの外壁２１であるが、本発明の「外壁」の向きは、これに限定されるものではない。外壁２１の向きは、少なくとも、北半球では、南東から南西の範囲を向いていることが好ましい。

太陽光パネル４は、長方形の平板状に形成された２枚のカバーガラス４１と、当該２枚のカバーガラス４１の間に設置される両面受光型の太陽光発電セル４２と、カバーガラス４１の短辺側の二辺にそれぞれ設けられる支持フレーム４３と、支持フレーム４３の内部に設けられており、カバーガラス４１内の図示しない配線により太陽光発電セル４２と電気的に接続するプラス及びマイナスの端子箱４４と、端子箱４４と外部の屋内引き込み用のケーブルとの間を接続する配線ケーブル４５と、を備えている。なお、太陽光パネル４がこのように、太陽光をいずれの面で受光しても発電できる両面受光型となっていることで、建築物２の外壁２１及び隣接する太陽光パネル４から反射した太陽光も受光して発電することができ、発電性能が向上できる。また、裏面にもカバーガラス４１が配置されており、加えて、両面受光型の太陽光発電セル４２を用いているので、表面と裏面とがほぼ同じ意匠性となり、表面はもとより、裏面の意匠性も向上することができる。

回転軸５は、太陽光パネル４の支持フレーム４３に、太陽光パネル４がこの回転軸５の周回りを回転可能となるように固定されている。回転軸５は中空の円筒形状であり、内部に配線ケーブル４５が配線されている。なお、本実施形態においては、太陽光パネル４が回転軸５に対して回転しているが、これに限定されるものではなく、太陽光パネル４と回転軸５とが互いに回転不能に固定されており、回転軸５自体が自転することにより、太陽光パネル４が回転軸５の周回りを回転するものであっても良い。太陽光パネル４の回転は、例えば図示しない電動モータを動力源として用いている。

太陽光発電装置１は、図３に示すように、二枚の太陽光パネル４を回転軸５に対して垂直な方向に並べて、その周囲を囲むように矩形枠３が設けられている。矩形枠３は、中空の角パイプにより形成されており、配線ケーブル４５が回転軸５から導入されている。矩形枠３内に導入された配線ケーブル４５は、隣接する太陽光パネル４の配線ケーブル４５と接続され、又は、矩形枠３の裏面に設けられた挿通孔３１を通って、図示しない屋内引き込み用のケーブルに接続される。矩形枠３の回転軸５と直交する二辺には、それぞれ、回転軸５が貫通している。

なお、配線ケーブル４５は、本実施形態においては、矩形枠３の内部に引き込まれているが、これに限定されるものではなく、例えば、角度変更機構６の第一スライド部６３及び第二スライド部６４に引き込まれるものであっても良い。この場合、第一レール６１にその長手方向に沿って貫通する長孔を設けて、配線ケーブル４５を隣接する太陽光発電装置１の第一スライド部６３に引き込み、又、第二スライド部６４の端部に貫通孔を設けて、配線ケーブル４５を隣接する太陽光発電装置１の第二スライド部に引き込み、隣接する太陽光パネル４の配線ケーブル４５と接続することができる。

角度変更機構６は、図４及び図５に示すように、外壁２１に沿って鉛直方向に設けられる第一レール６１と、第一レール６１の下側に設けられ外壁２１から水平な屋外方向に突出する第二レール６２と、回転軸５の一端を保持するとともに、第一レール６１にスライド可能な第一スライド部６３と、回転軸５の他端を保持するとともに、第二レール６２にスライド可能な第二スライド部６４と、を有する構成である。第一レール６１及び第二レール６２は、側面視Ｌ字状に一体形成されている。そしてＬ字上に形成された第一レール６１及び第二レール６２は、互いに水平方向に距離を開けて一対配置されており、これら第一レール６１及び第二レール６２が、２枚の太陽光パネル４を囲む矩形枠３の両側に配置されている。第二レール６２には互いに隣接する第二レール６２に対向する側に、水平方向に向けてアングル６５が固定されており、第二スライド部６４の端部に設けられた摺動バー６６を載置可能となっている。

第一スライド部６３は、長手円筒パイプ形状であり、外壁２１に沿って水平方向に延びて、第一レール６１の間に架設されている。第一スライド部６３の周面には、２本の回転軸５の一端が固定されている。第一スライド部６３の両端は、拡径したフランジ６７を形成しており、第一レール６１にスライド可能に固定されている。第二スライド部６４は、第一スライド部６３と同様に、長手円筒パイプ形状であり、両端に第二レール６２に形成されたアングル６５上に載置されて水平方向にスライドする摺動バー６６が設けられている。摺動バー６６は、図８（Ａ）に示すように、側面視した場合に第二レール６２に収納されるように縮退した状態から、図８（Ｃ）に示すように、第二レール６２から突出するように伸長した状態までスライド可能に構成されている。

第一スライド部６３は、手動で第一レール６１に対して摺動するものであり、第二スライド部６４は、手動で第二レール６２に対して摺動するものであってもよいが、例えばモータなどの動力により第一スライド部６３及び第二スライド部６４が摺動することが好ましい。第一スライド部６３及び第二スライド部６４は、図示しないが、回転軸５が所望の傾斜角になるようにスライドさせた後、当該傾斜角を維持するための係止手段が設けられている。係止手段は例えば、第一スライド部６３又は第二スライド部６４と第一レール６１又は第二レール６２とを貫通して閂の役割を果たすピンやボルトであってもよく、又は、第一スライド部６３及び第二スライド部６４に圧接するブレーキパッドの役割を果たすものであっても良い。

太陽光発電装置１は、以上のように構成されることにより、太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角を変更することができる。すなわち、図５及び図８（Ａ）に示すように、太陽光発電装置１は、第一スライド部６３が第一レール６１の上端に位置するときには、第二スライド部６４はその摺動バー６６が、第二レール６２の屋内側に縮退した状態となる。そして、第一スライド部６３と第二スライド部６４とに両端が支持される回転軸５の傾斜角は急勾配となり、この回転軸５に支持されている太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角も急勾配となる。このとき太陽光パネル４の屋外側の受光面は、南側に大きく傾いている。

そして、図６及び図８（Ｂ）に示すように、第一スライド部６３が第一レール６１の上端から下方にスライドし、第二スライド部６４が第二レール６２の屋外方向にスライドすることで、回転軸５の傾斜角が緩やかになり、この回転軸５に支持されている太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角も緩やかになる。さらに、図７及び図８（Ｃ）に示すように、第一スライド部６３がさらに下方にスライドし、第二スライド部６４が第二レール６２から突出するように伸長した状態までスライドすることで、回転軸５及びこの回転軸５に支持されている太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角もさらに緩やかになる。このとき太陽光パネル４の屋外側の受光面は、南側への傾きが緩やかになって、上方を向いている。

さらに、太陽光発電装置１は、回転軸５の周回り方向に太陽光パネル４が回転するので、、図９に示すように、太陽光パネル４が東側に傾いた状態から、図１０に示すように西側に傾いた状態まで回転することができる。

したがって、太陽光発電装置１は、図１１に示すように、太陽高度の季節変化、すなわち、太陽の南中高度の一年の間の変化に基づいて、太陽光パネル４の傾斜角を変更することができる。図１１（Ａ）に示すように、例えば冬至に近い日には南中高度は低くなっているので、第一スライド部６３を第一レール６１の上端に付近に位置するようにスライドさせ、第二スライド部６４を屋内側にスライドさせて、回転軸５及び太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角を急勾配にして、太陽光パネル４の屋外側の受光面が、南側に大きく傾くように配置する。このようにすると、太陽光パネル４に入射する太陽光の入射角が垂直に近づくため、太陽光パネル４に入射する太陽光の量を多くすることができ、太陽光パネル４の発電効率をあげることができる。

そして、このとき、太陽光パネル４の下端側の回転軸５を支持している第二スライド部６４は水平に屋内方向にスライドしているので、建築物２の窓などの開口部２２に、太陽光パネル４によって太陽光かほとんど遮られることなく入射される。したがって、冬至に近い季節には太陽光をより多く建築物２の屋内に受け入れることができる。

また、図１１（Ｂ）に示すように、例えば夏至に近い日には南中高度は高くなっているので、第一スライド部６３を第一レール６１の上端から下方にスライドさせ、第二スライド部６４を屋外側にスライドさせて、第二スライド部６４の摺動バー６６の屋外側端部が第二レール６２の屋外側端部から突き出すようにスライドさせて、回転軸５及び太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角を緩やかにして、太陽光パネル４の屋外側の受光面が、南側に緩やかになり上方を向くように配置する。このようにすると、夏至に近い時期の南中高度が高い太陽からの太陽光の太陽光パネル４に対する入射角が垂直に近づくため、太陽光パネル４に入射する太陽光の量を多くすることができ、太陽光パネル４の発電効率をあげることができる。

そして、このとき、太陽光パネル４の下端側の回転軸５を支持している第二スライド部６４は水平に屋外方向に突出するようにスライドしているので、太陽光パネル４が庇の役割を果たし、太陽光を遮蔽して、建築物２の窓などの開口部２２に、入射する太陽光を減らすことができる。そして、摺動バー６６が第二レール６２の屋外側端よりも屋外側に突出するように構成しているので、第二レール６２はその屋外側への突出長さを短くすることができ、特に冬至に近い時期の太陽光発電装置１の意匠性を向上させることができる。

さらに、太陽光発電装置１は、図１２に示すように、太陽高度の時刻変化、すなわち、太陽が一日のうちに東から西に移動することによる太陽高度の変化（時角）に基づいて、太陽光パネル４を回転軸５の周回りを回転させることができる。すなわち、太陽光パネル４を時間の経過にあわせて回転させることで、太陽光の太陽光パネル４への入射角を常に垂直に近づけることができ、太陽光パネル４に入射する太陽光の量を多くすることができ、太陽光パネル４の発電効率を上げることができる。

太陽光パネル４は、回転軸５と直交する２辺にのみ支持フレーム４３を設けており、回転軸５と平行な他の２辺にはフレームを設けないので、上述のように回転軸５の周回り方向に太陽光パネル４が回転した場合でも、太陽光パネル４が隣接する太陽光パネル４の支持フレーム４３の影に入ることがなく、より太陽光パネル４の発電効率を上げることができる。

太陽光パネル４の回転軸５の周回り方向の回転動作及び太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角を変更する動作は、例えば、図示しない光検知センサによって、太陽の高度を検知して、当該太陽光の入射角が最も垂直に近づくように制御するものであってもよい。また、予め、太陽の高度変化の予定を記録しておき、当該記録に基づいて太陽光の入射角が最も垂直に近づくように制御するものであっても良い。あるいは、太陽の南中高度は長い期間の間で変化するものであるので、太陽光パネル４の屋外方向の傾斜角の変更は、自動的に行わずに、所定期間のおきに外部からの人間の操作により変更するものであっても良い。また、例えば、図示しないが降雨を検知するセンサを設けて、降雨時には、太陽光パネル４が屋外方向に突出するように制御しても良い。

なお、本発明の実施の形態は上述の形態に限ることなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができることは云うまでもない。

本発明に係る太陽光発電装置１は、例えば集合住宅の外壁２１に好適に設置することができる。

１ 太陽光発電装置
４ 太陽光パネル
５ 回転軸
６ 角度変更機構
２１ 外壁
４１ カバーガラス
４２ 太陽光発電セル
４３ 支持フレーム
４５ 配線ケーブル
６１ 第一レール
６２ 第二レール
６３ 第一スライド部
６４ 第二スライド部

Claims (4)

1. 建築物の外壁から平面視屋外方向に突き出す回転軸と、
   当該回転軸の傾斜角を変更可能な角度変更機構と、
   前記回転軸に支持される太陽光パネルと、を備え、
   前記太陽光パネルは、太陽高度の時刻変化に基づいて前記回転軸の周回りを回転し、又は、前記回転軸が前記太陽高度の時刻変化に基づいて自転することにより、前記太陽光パネルが前記回転軸に従って回転し、
   前記角度変更機構は、太陽高度の季節変化に基づいて、前記回転軸の傾斜角を変更し、
   前記太陽光パネルは、矩形平板状であり、外壁に沿って水平方向に複数配置され、前記回転軸と直交する２辺に支持フレームを設けるとともに、前記回転軸と平行な他の２辺にはフレームを設けないことを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記角度変更機構は、
   外壁に沿って鉛直方向に設けられる第一レールと、
   前記第一レールの下側に設けられ外壁から水平な屋外方向に突出する第二レールと、
   前記回転軸の一端を保持するとともに、前記第一レールにスライド可能な第一スライド部と、
   前記回転軸の他端を保持するとともに、前記第二レールにスライド可能な第二スライド部と、を有す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. 前記回転軸は中空に形成されており、前記太陽光パネルの配線ケーブルが前記回転軸内に配線されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽光発電装置。
4. 前記太陽光パネルは、２枚のカバーガラスと、当該２枚のカバーガラスの間に設けられた両面受光型の太陽光発電セルと、を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽光発電装置。

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