JP7532490B2 - 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。

より一般にソーラーパネルと呼ばれる太陽光発電装置は、一般的に、平板状の形状を有し、太陽光エネルギを電気に変換する能力を、１日を通じて最大化する方向に向けられる。そのような一般的なソーラーパネルは、通常、１日のうち数時間の間における太陽光エネルギの収集に最適な角度に固定される。

本発明は、一定の設置面積内で生成されることが可能な電気エネルギの量を増加させるために、太陽光エネルギをより効率的に収集可能な太陽光発電装置のデザインを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、請求項１に記載の太陽光発電装置が提供される。

そのようなデザインでは、空洞の境界を定める外壁を使用する。外壁の外面には、太陽電池が設けられる。当該外壁は、いくつかの太陽電池が年間を通じて１日中エネルギ変換に最適な位置に常に存在するように配置される。更に、従来のパネルとは異なり、本発明に係る太陽光発電装置は、従来と同じ設置面積で、更なる発電のために更なる太陽電池が設けられているハブを備えている中央部の空洞を有する。

平面状の形状からこのような複雑な形状に移行することで、初期のテストでは、一定の設置面積内で生成されるエネルギ量を約３００％から５００％増加させることが可能であることが示されている。

使用中に光にさらされるハブの面及び壁の内面には、太陽電池が設けられ得る。特に、好ましくは、ハブは、太陽電池を備えている上面を有する。

しかしながら、ハブ及び外壁の内面の少なくとも一方には、代替的又は追加的に反射材が設けられてもよい。これらの反射材は、入射光の一部を向かい合う太陽電池に向けて反射するように配置されることが好ましい。最も効果的な発電は、最小範囲の反射材と最大範囲の太陽電池とによって達成される。しかしながら、また、最も効果的な発電は、最もコストがかかる選択肢である。太陽電池のいくつかを反射材に置き換えることで、反射材に入射する光から電力が生成され得ることをより確実にしながらコストを削減できる。このことは、単一の一般的なデザインで、基本的に同じ部品で大量の製品を製造可能であるという利点を提供する。しかしながら、低コストで比較的低電力における解決策では、太陽光パネルの代わりに多数の反射材を使用することが可能である。一方で、高コストで比較的高電力における解決策が要求される場合は、太陽電池をより大きな割合で使用することが可能である。

また、太陽光発電装置は、容易に拡縮可能であるため、多数の用途に対応できる。拡縮可能な範囲の下端側において、例えば、電力が必要であるが送電網に接続されていない駐車場の発券機又は電柱のような遠隔装置の上には、小さな発電装置が取り付けられる。拡縮可能な範囲の中央部において、発電装置は、最大で幅が１メートルから２メートルの間、かつ、高さが１．５メートルから２．５メートルの間であり得る。そのような太陽光発電装置は、家庭環境において電気自動車に充電するために有用に使用することができる。そのデザインは、冴えない実用的な外観を有する従来の太陽光パネルとは対照的に、審美的にモダンな心地よい外観を有する。拡縮可能な範囲の上端側において、多数の大型発電装置が、太陽光発電所で使用され得る。

外壁は、従来の太陽光パネルの材料で作ることができる。この場合、大量の平面状のパネルを互いに隣接させることができる。しかしながら、好ましくは、外壁は、可撓性を有する太陽光発電構造物（ｓｏｌａｒ ｆａｂｒｉｃ）が取り付けられた湾曲したフレームで形成されている。このような外壁は、一般的に、湾曲した構成で、かつ、従来の太陽光パネルの材料よりもはるかに軽量に作成することができる。

太陽光発電装置は、上記の発券機又は車両などの外部機器に直接的に電力を供給するように構成されてもよい。しかしながら、好ましくは、太陽光発電装置には、電力貯蔵装置も組み込まれる。電力貯蔵装置は、バッテリ又はフライホイールなどの形式でハブ内に簡便に配置されることが可能である。これにより、太陽光発電装置と電力貯蔵装置との間にいかなる外部接続を必要とせず、発電して電力を貯蔵するための簡潔なデザインが提供される。

外壁及びハブは、互いに別々に供給され、上述のように定義された空間的な関係とともに地面に取り付けられてもよい。しかしながら、好ましくは、外壁は、１つ又は複数のスポークを介してハブに接続されることで、設置前に部品間の空間的な関係が設定される単一の装置として提供される。

外壁は、部分的に空洞を取り囲んでいるため、光は、上部から又は外壁に囲まれていない部分から空洞に入ることができる。実際に、このことは、側壁に少なくとも１つの隙間があることを意味する。この隙間は、外壁の深さ方向の途中まで拡張されることがある。しかしながら、好ましくは、この隙間は、側壁の深さ方向に完全に拡張される。

外壁は、ハブに対して好ましくは２５０度よりも大きい角度を覆い、より好ましくは２８０度よりも大きい角度を覆う。これにより、外壁がハブの大部分を囲み、外壁の凸形状の外面の表面積が最大になる。それに対し、外壁は、ハブに対して３２０度未満の角度を覆うことが好ましい。これは更に、光が外壁の凹形状の内面及びハブに衝突することを可能にするための適切なサイズの隙間を提供する。

好ましくは、外壁は、空洞を部分的に取り囲むように配置された第１のパネルと第２のパネルとにより形成される。第１のパネルと第２のパネルとは、それぞれ凹形状の内面と凸形状の外面とを有する。第１のパネルと第２のパネルとは、凹形状の内面が互いに対向するように水平方向に間隔をあけて配置されることで中央部の空洞の境界を定める。外壁には、３つ以上のパネルがあってもよいが、パネル同士が隣接する端部の間に一対の隙間を定義するために、２つのパネルが互いに正反対にあることが好ましい。

太陽光発電装置は、太陽光発電装置自体の形状が任意の方向において太陽光エネルギを収集する能力を提供するため、静的に取り付けられることが好ましい。代替的に、太陽光発電装置は、垂直軸を中心に回転可能に取り付けられてもよい。これにより、太陽光発電装置を特定の場所において最適な位置に配置し、又は太陽光発電装置を１日中回転させてエネルギの収集を最適化することができる。

外壁に設けられた太陽電池は、単一の位置に固定することができる。しかしながら、好ましくは、外壁の少なくとも一部は、第１の位置から外壁の外面が鉛直面により近い第２の位置に移動可能である。これにより、太陽電池のパネルの少なくともいくつかを、１日のうちの特定の時間に、より大量の入射光を受け取ることが可能な位置に移動させることができる。例えば、第２の位置は、太陽が真上にある日中の時間帯において使用されてもよい。付加的に又は代替的に、太陽が太陽光発電装置の片側の空の低い位置にある場合、その反対側の外壁の部分を第２の位置に移動させることが可能であるため、これらの太陽光パネルに再びより大量の光が入射される。

外壁は、１枚全体として、様々な位置で外壁を支持するためのいくつかのフレームの形状を必要とする、第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり得る。しかしながら、好ましくは、外壁は、内側部と外側部とを有し、外側部は移動可能であり、内側部は静止している。

外壁の可動部を動作させる機構は、第１の位置と第２の位置との間で外壁を動作させる任意の適切な機構であり得る。しかしながら、好ましくは、外壁の可動部は、外壁の最も上の縁部に隣接する実質的な水平軸の周りで回転可能である。外壁の可動部は、単一のパネルのみを備えていてもよい。しかしながら、好ましくは、外壁の可動部は、複数の可動パネルを備えている。複数のパネルの動作は、単一のパネルとは対照的に、各パネルが略水平である平面に移動することができるように、個々のパネルが比較的限定された弧状の範囲まで延びることを意味する。

外壁の可動部は、手動で移動されるように構成されていてもよい。代替的に、太陽光発電装置には、空の太陽の位置に従って可動部の位置を最適化するために太陽を追跡する技術が設けられていてもよい。

しかしながら、好ましくは、太陽光発電装置は、外壁の可動部の動作を制御するタイマを有する。これは、太陽を追跡する技術よりもかなり安価でありながら、外壁の可動部の位置についてかなりの程度の最適化を可能にする。

外壁の少なくとも一部が可動することは、本発明に係る第２の態様を形成する。第２の態様によれば、請求項１８に記載の太陽光発電装置が提供される。

第２の態様の発電装置は、本発明の第１の態様に関して上述された好ましい特徴のいくつかを有することができる。

太陽光発電装置の発電能力を更に向上させるため、太陽光発電装置は、１つ又は複数の風車を更に備えることができる。任意の適切な形状であり得る風車は、好ましくは、多方向風車であり、例えば、鉛直軸を有する「泡立て器型」風車、又は、全体として球形の装置である「オーウィンドタービン（Ｏ－Ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ）」などである。

次に、本発明に係る太陽光発電装置の例を、添付の図面を参照しながら説明する。
本発明の第１実施形態に係る太陽光発電装置の斜視図である。 本発明の第１変形例に係る太陽光発電装置の平面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽光発電装置の概略平面図である。 本発明の第２変形例に係る太陽光発電装置の概略平面図である。 本発明の第３変形例に係る太陽光発電装置の概略平面図である。 本発明の第４変形例に係る太陽光発電装置の概略平面図である。

太陽光発電装置は、３つの主要なコンポーネント、すなわち、第１の太陽光パネル１と、第２の太陽光パネル２と、中央部のハブ３とで構成される。当該太陽光発電装置は、地面に自立する、或いは、ポール又は他の機器に取り付けられることができる。

第１の太陽光パネル１及び第２の太陽光パネル２は、同じ構造を有するため、これらのうちの１つのみを以下で説明する。

各パネルにおいてそれぞれ凸形状である外面４の大部分は、太陽電池５で覆われている。

各パネルにおける凹形状の内面６は、同様に、太陽電池５で覆われ得る。代替的に又は追加的に、凹形状の内面６は、１つ以上の反射材７で覆われてもよい。

２つの湾曲した第１の太陽光パネル１及び第２の太陽光パネル２は、垂直軸を有する実質的に円筒形の構造を形成するように、概ね同心円状に配置されている。しかしながら、第１の太陽光パネル１及び第２の太陽光パネル２が隣接する端部の間には、一対の隙間８が形成されている。好ましい例では、各湾曲したパネルは、中央部のハブ３に対して約１５０度の角度を覆い、各隙間は、中央部のハブ３に対して約３０度の角度を覆う。使用中において、太陽光発電装置は、最大限の発電を提供する方向に隙間８が面するように取り付けられることが意図されている。これにより、光は、太陽光発電装置の上又は一対の隙間８のいずれか一方を通じて凹形状の内面６に入射することができる。

ハブ３は、図１及び図２において球形で示されている。ハブ３は、円柱又はドーム状などの他の形状を有してもよい。いずれにしても、ハブ３の上向きの表面９には、太陽電池が設けられていることが好ましい。概ね凹形状の内面６に面するハブ３の外周面には、太陽電池、反射材、又は太陽電池と反射材との組み合わせのいずれかが設けられてもよい。凹形状の内面６に反射材が設けられている場合、凹形状の内面６から反射された光がハブ３の外周面に集中するため、ハブ３の外周面により多くの太陽電池を設けることが好ましい。これに対して、凹形状の内面６に高い割合で太陽電池が設けられている場合、ハブ３の周辺には、凹形状の内面６に光を反射するための反射材が高い割合で設けられてもよい。反射材及び太陽電池の正確な配置は、試行錯誤的に決定することができ、地域の状況に依存し得る。それにも関わらず、当該配置は、太陽電池５が年間を通じて１日中最適な位置にある外面４の一部が常に有るという点で、非常に効率的な発電手段を提供する。また、凹形状の内面６及びハブ３の配置は、外面４と向かい合う面を、複数の異なる角度の表面で大量の太陽光エネルギを再度受け取ることができる手段によって利用する、効率的な手段を提供する。言い換えると、多くの場合、特定の時間にエネルギを収集するのに最適な位置に太陽電池がある。

図１～図３に示される好ましい例では、湾曲した第１のパネル１及び第２のパネル２は、剛体の湾曲したフレームを製造することによって形成される。剛体の湾曲したフレームには、可撓性を有する薄膜の太陽光発電構造物を適用することができる。可撓性を有する太陽光発電構造物は、ロールで供給され、非常にシンプルで軽量な構造を形成するために剛体の湾曲したフレームに簡単に取り付けることができる。可撓性を有する薄膜の太陽光発電構造物の第２の層は、凹形状の内面６として適用され得る。この場合、可撓性を有する太陽光発電構造物の表面全体が凹形状の内面６に十分に適用されない可能性があるが、代わりに、いくつかの領域に反射材が提供されてもよい。このようなデザインのいくつかの変形例が図４～図６に示される。

図１に示される配置の代わりとして、第１のパネル１及び第２のパネル２は、ハブ３の周りに１つの隙間８のみを備えて略Ｃ字状に延びる１つの大きな湾曲パネルが延在するように、実質的に結合されてもよい。

好ましくは、ハブ３の最上面は、外壁によって過度に陰にならないように、垂直方向に外壁の中点の上に配置される。好ましくは、ハブ３の最大幅は、空洞の最大幅の半分未満であり、より好ましくは、３分の１未満である。これにより、より確実にハブ３が壁の内面６を過度に覆い隠さなくなる。ハブ３は、より低くすることができ、その場合、ハブ３がより低くなるほど、壁の内面６の陰が少なくなるので、ハブ３の幅を広くすることができる。限られた場合において、ハブ３は、空洞の下端部を効果的に覆うことができる。また、空洞の下端部を横切って配置される付加的な太陽電池を備えて上述したように上昇させたハブ３が考えられる。

図４では、第１のパネル１及び第２のパネル２のそれぞれは、４つの別個のパネル１Ａ，１Ｂ及び２Ａ，２Ｂがあるように、実質的に２つに分割されている。これにより、更に２つの隙間８’が生じる。このときも、パネル及び隙間の正確な配置は、実験的に決定でき、地域の条件によって異なる場合がある。例えば、３つ以上のパネルとそれに対応する数の隙間が存在する場合がある。

図４及び図５に示される配置は、ハブ３から分離された第１のパネル１及び第２のパネル２を示している。この配置は、パネルを設置現場に輸送し、杭打ちして組み立てることができる大規模な設置に適している。しかしながら、図３に示すように、第１のパネル１及び第２のパネル２は、一対のスポーク１０によってハブ３に接続される。例えば、図６では１０Ａとして示されるように、パネルごとに複数のスポークがあってもよい。このような構成によって事前に組み立てられてもよい太陽光発電装置は、小規模な設置により適している。代替的に、第１のパネル１及び第２のパネル２と、ハブ３とは、別々に輸送され、かつ、スポーク１０は、構成要素間の最適な幾何学的関係を固定するのを助けるために、設置現場で組み立てられてもよい。

図４に示すように、ハブ３は、太陽電池により生成されたエネルギを溜めるためのバッテリ１１を有する。図５において、エネルギ貯蔵は、フライホイール１２の形式による。スポーク１０，１０Ａは、太陽電池５と貯蔵装置１１，１２との間の簡便な接続を提供する。

図５に示す第３の例は、本発明を従来の太陽光パネル技術で実施したものであって、複数の平板状の剛体パネル１３が互いに接続されてパネル１Ｃ，２Ｃが形成されている。また、これらのパネルの内面には、先に述べたように、太陽電池又は反射材が設けられていてもよい。平板状の剛体パネル１３は、互いにわずかに分離することができる。

前の例は、ハブ３の中心を中心とする弧状の構成を有する第１のパネル１及び第２のパネル２を示している。図５に示す第３の例に示されるように、パネルは、弧状の構成とは異なってもよく、例えば、図６に示す第４の例において１Ｄ，２Ｄとして示される放物線又は他の非円形の形状などを有してもよい。

上記の説明から明らかなように、いくつかの修正が個々の例に組み込まれているが、個々の修正は他の例で使用することができる。従って、スポークの有無、ハブ内の電力貯蔵装置の使用、３つ以上のパネルの使用、従来の平板状のパネル又は湾曲したパネルの使用、及びパネルの一般的な形状は、全て互いに独立して使用できる。

太陽光発電装置の第５の例において、ハブは、隙間８の１つに向かって上向きに傾けられた湾曲パネルの形をしている。しかしながら、第５の例における主な新しい特徴は、湾曲した第１のパネル１及び第２のパネル２が内壁及び外壁により形成され、各パネルの外壁が３つの別々のセクション（ｓｅｃｔｉｏｎ）で構成されている。しかしながら、セクションは、３つより多い又は少ない個数であってもよい。各セクションは、内壁の最も上の縁部の中央部分にある取付部２３において、内壁に対してヒンジ接続されている。

セクションは、拡張された構成から、全てのセクションが内壁に対して横たわるように収縮された構成に手動で移動可能であるが、電動化されてもよい。セクションが収縮された構成である太陽光発電装置は、先の例に関連する上述した太陽光発電装置に類似する。好ましくは、セクションの動きを制御するために、タイマが設けられる。内向きの内壁及びハブは、それぞれの固定位置に留まり、セクションが移動する前の通りに機能する（ただし、ハブは、任意に、回動可能に取り付けられてもよい）。朝夕の空の太陽が比較的低い位置にあるとき、セクションは、内壁に対して収縮された構成にある。しかしながら、日中において太陽が空の高い位置にあるとき、セクションは、内壁に対して拡張された構成になるように回動させられる。太陽が太陽光発電装置の真上の位置又はその近くにあるとき、パネル、すなわち、セクションは、より大きな入射面を提供する。

セクションは、必ずしも全てが一緒に移動可能である必要はない。代わりに、太陽が空の比較的低い位置にある場合、太陽の方向に面するセクションは、内壁に対して収縮された位置にあってもよい。それに対して、他のセクションは、図示されているように略水平面となるように回転されるか、或いは、この時点での太陽の一般的な方向を向くように、水平面をはるかに超えて回転されてもよい。

セクションの位置を可能な限り最適化するために、太陽追跡技術を使用できる。しかしながら、太陽追跡技術は高価である。代替的に、タイマは、比較的少ないコストでセクションの位置について合理的な程度の最適化を提供するので、セクションの位置を制御するために使用できる。

太陽光発電装置の第６の例は、太陽光発電装置の第５の例に基づいているが、太陽光発電装置の第６の例は、先に述べた太陽光発電装置のいずれにも適用できる。特に、一対の風車が第１のパネル１及び第２のパネル２の上端部に取り付けられている。任意の適切な風車のデザインを使用してもよい。そのような構成は、遠隔地の車両の充電などの局所的な目的のために、太陽光発電装置を個別に使用して電力を生成する場合に特に有用である。そのような場合において、１つ又は複数の風車を使用することは、太陽電池によって生成される電力を補う手段を提供し、利用できる太陽光エネルギが少なくなるがより多くの風力エネルギを収穫できる可能性が高い冬季又は曇りの日に特に有益である。

Claims (10)

1. 空洞を部分的に取り囲むように配置された外壁（１，２）であって、該外壁（１，２）は、少なくとも１つの隙間（８）を形成するように前記空洞の周りに延在して、前記空洞の上部と前記少なくとも１つの隙間（８）とから前記空洞に光を取り入れ可能に構成されており、該外壁（１，２）の内面（６）と外面（４）とを覆うように太陽電池が設けられた外壁（１，２）と、
   前記空洞内のハブ（３）であって、該ハブ（３）は高さ方向において前記空洞内に収まるように配置されており、該ハブ（３）の上面に太陽電池が設けられたハブ（３）とを備え、
   前記ハブ（３）の上面に設けられた前記太陽電池は、前記空洞の上部と前記少なくとも１つの隙間（８）とから前記空洞に取り入れられた光を受けるように、前記空洞内において、前記外壁（１，２）から径方向に間隔を空けて配置されており、
   前記外壁（１，２）は、前記ハブ（３）の中心に対して２５０度よりも大きい角度を覆う、
   太陽光発電装置。
2. 前記ハブ（３）及び前記外壁（１，２）の内面（６）の少なくとも一方には、反射材が設けられている、請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記外壁（１，２）は、可撓性を有する太陽光発電構造物が取り付けられた湾曲したフレームで形成されている、請求項１または請求項２に記載の太陽光発電装置。
4. 前記ハブ（３）に電力貯蔵装置が更に備えられている、請求項１～３のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
5. 前記外壁（１，２）は、１つ又は複数のスポークを介して前記ハブ（３）に接続されている、請求項１～４のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
6. 前記外壁（１，２）は、前記ハブ（３）の中心に対して２８０度よりも大きい角度を覆う、請求項１～５のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
7. 前記外壁（１，２）は、前記ハブ（３）の中心に対して３２０度未満の角度を覆う、請求項１～６のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
8. 前記外壁（１，２）は、第１のパネルと第２のパネルとにより構成され、
   前記第１のパネルと前記第２のパネルとは、それぞれ凹形状の内面と凸形状の外面とを有し、
   前記第１のパネルと前記第２のパネルとは、前記凹形状の内面が互いに対向するように水平方向に間隔をあけて配置されることで中央部の前記空洞の境界を定める、請求項１～７のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
9. 前記ハブ（３）の最大の幅は、前記空洞の最大の幅の半分未満である、請求項１～８のいずれか１つに記載の太陽光発電装置。
10. 前記ハブ（３）の最大の幅は、前記空洞の最大の幅の３分の１未満である、請求項９に記載の太陽光発電装置。

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